選用電主軸的計算流程圖見圖2.8所示。5 x% u+ k3 J$ f4 l/ ?" ?, `
9 c9 [9 {/ R, U+ U7 F其中n為電主軸轉速(r/min)，Vc為切削速度(m/rain)，d為刀具半徑，Q為材料切除量(<v:shape id=_x0000_i1026 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 24.75pt" equationxml="
mm3/rain)，r為工件孔半徑(m)，Pc為有效功率(KW)，K為每千瓦材料切除量(mm3／KW．rain)：結構鋼為10000-15000，合金鋼為5000～8000，鑄鐵為15000-30000，鑄鋼為10000～15000，鋁合金為60000～70000。
1 ?' @# { s5 M$ @2 a7 S0 y
- [$ _6 e/ q4 Z, x1 y7 |根據(jù)計算得出的數(shù)據(jù)，選擇IBAG公司生產的HF45型號的電主軸。其功率與轉速的關系圖如圖2.9所示。
/ \, ^7 o0 x8 I. I. t2 g
! c7 B: N) @, V: D$ a! Q0 N其中<v:shape id=_x0000_i1026 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 10.5pt" equationxml="S1 為在電動機的100％運轉時間內，負載是連續(xù)不變的；<v:shape id=_x0000_i1028 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 10.5pt" equationxml=" 為在電動機運轉時間內，負載是斷續(xù)的，即在每個2min的周期內，60％的時間承受負載，另40％時間為空載，這種電動機運行方式稱為<v:shape id=_x0000_i1030 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 10.5pt" equationxml="S6 電主軸應用在機床上時，負載是斷續(xù)的(當工序之間進行定位、返程、換刀等動作時，機床加工過程將短時停頓)，應按<v:shape id=_x0000_i1032 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 10.5pt" equationxml="S6 來選定功率較為經(jīng)濟。
3 干涉配合鉚接3.1 干涉配合鉚接的產生和實質
迄今為止，國內各機種上(包括新機)，鉚接結構所占的比重依然最大。鉚接結構的疲勞壽命與鉚接工藝有關。我國目前最普遍使用的鉚接工藝仍是沿用蘇聯(lián)五六十年代的傳統(tǒng)方法(即普通鉚接)，它適用于過去機種單純保證鉚接接頭靜強度的設計，但不能滿足在高疲勞區(qū)使用的要求。要提高鉚接結構的疲勞強度，必須改進鉚接工藝，一種簡單而有效的方法是干涉配臺鉚接。
干涉配合鉚接的實質是在鉚釘與釘孔之間存在一定的干涉量，從而在孔周圍引起適量的殘余壓應力場。當鉚接接頭承受外界交變載荷時，該殘余壓應力場使孔邊實際所受的應力幅值降低，從而提高該鉚接接頭的疲勞壽命［11］。干涉配合鉚接的方法很多，以下三種比較容易在生產中得到推廣應用。
3.2 干涉配合鉚接的方法
方法I：
利用工廠現(xiàn)有標準鉚釘直接進行干涉配臺鉚接，如圖3.1所示。這種方法與普通鉚接的區(qū)別在于：
(1)干涉配合鉚接要求釘與孔在鉚接前的配合間隙較普通鉚接的�。蚨渲瓶字睆揭脖容^小(見表3.1)。
表3.1 兩種鉚接間隙對比
鉚釘公稱直徑 d8 Q: \& a7 g) a V ^
| 普通鉚接制孔直徑D | 干涉鉚接制孔直徑D |
基本尺寸 | 極限偏差 | 基本尺寸 | 極限偏差 |
3 | 3.1 | +0.01 | 3.08 | +0.080 h0 t' U. r5 m8 K+ X# I
|
3.5 | 3.6 | 3.58 |
4 | 4.1 | +0.150 | 4.08 |
5 | 5.1 | 5.08 |
6 | 6.1 | 6.08 |
. v' k A- _7 a
) h( G! `( H) l( |# I0 N
(2)普通鉚接使用平鉚�；蚱巾旇F，鉚出的鐓頭呈鼓形或扁圓柱形；而標準鉚釘?shù)母缮媾渑_鉚接必須使用凹鉚模才能將外伸量中的部分材料擠入孔內形成干涉量。所以鐓頭形狀呈錐臺形，從鐓頭的形狀可以鑒別出兩種不同方法的產品。
(3)干涉配合鉚接所用的鉚釘長度應比普通鉚的略短些(外伸量約為d至1.1d)，這樣既可滿足鐓頭的尺寸要求又不致鉚歪而影響干涉量。
方法Ⅱ：
將現(xiàn)有標準鉚接反插，在沉頭窩一側鐓粗。如圖3.2所示，這種方法在國內常被稱為自封鉚接或鐓埋頭鉚接。自封鉚接對孔徑、鉚模及釘長的要求同方法一。為了材料能夠良好填充，推薦采用820×300雙錐度沉頭窩。如圖3.3所示，其尺寸列于表3.2中。當要求外型平整時，應銑去鐓頭。
; t! z4 ?" G- J0 f& _. w5 `
' v# l0 X. R' l2 R/ Q
6 ~2 ]( x1 L9 r! [5 Q
表3.2 兩錐度沉頭窩的相關尺寸
鉚釘直徑d | E=0.l | （參考） | |
3.5 | 4.9 | 1.3 | 1.0 |
4 | 5.6 | 1.6 | 1.0 |
5 | 7.0 | 2.0 | 1.3 |
6 | 8.4 | 2.4 | 1.3 |
方法Ⅲ：
用冠狀鉚釘進行鉚接。冠狀鉚釘是一種帶補償頭的特殊沉頭鉚釘，如圖3-4，鉚接后冠頭部分(圖中陰影區(qū))的材料將被打平而轉化成干涉量。在薄板結構(6≤12d)上鉚接冠狀鉚釘?shù)墓に囎詈唵�，除制孔尺�?見表3.1)外，幾乎與普通沉頭鉚接毫無區(qū)別。因此從外觀上很難區(qū)別出該兩種不同方法鉚接的產品。當結構的疊層厚度超過1.2d時，單靠冠頭部分的材料已不能滿足規(guī)定干涉量的需要，必須使用凹鉚模。
方法I通常是用平錐頭鉚釘在內部結構上鉚接。由于這種方法可能引起較大的結構變形，故在外蒙皮部位鉚接時推薦采用方法Ⅱ(用于厚疊層結構)和方法Ⅲ(用于薄疊層結構)。
干涉配合鉚接相對干普通鉚接的疲勞壽命增加也隨應力水平不同而不同，一般是應力水平越低，疲勞壽命增也越高(見表3.3)，故干涉配合鉚接在中等及中等以下應力水平的情況下使用。
表3.3 干涉配合鉚接與普通鉚接的疲勞壽命對比
應力比R | 應力水平 | 鉚接方法 | 疲勞壽命N（次） | 壽命增益B |
K | S（Mpa） |
0.06 | 0.3 | 105 | A 普通鉚接B 干涉鉚接 | 88215350359 | 3.97 |
0.4 | 137 | A 普通鉚接B 干涉鉚接 | 2721994970 | 3.49 |
0.5 | 171 | A 普通鉚接B 干涉鉚接 | 1257355913 | 4.45 |
0.67 | 229 | A 普通鉚接B 干涉鉚接 | 9581682 | 1.76 |
0.05 | 0.4 | 137 | A 普通鉚接B 干涉鉚接 | 105313465287 | 4.4 |
0.5 | 171 | A 普通鉚接B 干涉鉚接 | 37780123660 | 3.27 |
0.67 | 229 | A 普通鉚接B 干涉鉚接 | 562810484 | 1.86 |
其中，二者在存活率95%、置信度95%條件下的疲勞壽命的對比，B=NB／NA，其中，NA為普通鉚接試件壽命，NB為干涉鉚接試件壽命。
對于緊固件連接，孔壁冷擠壓也是一項很好的強化措施，但對鉚接結構而言，似乎不如用干涉配合鉚接方法簡便。拆后重鉚的試件，其釘頭抗拉脫疲勞性能較新試件的要高出很多，主要原因是由于沉頭窩相當于經(jīng)過了一次冷擠壓。采用冠狀鉚釘鉚接，其釘頭抗拉脫疲勞性能還要高出許多。
由上述可見，干涉配合鉚接結構有明顯的疲勞壽命增益效果，而且工藝簡單，成本低廉，是一項值得推廣的強化技術。[19]
3.3 干涉量和疲勞壽命的關系
3.3.1 干涉配合和疲勞壽命
最初，飛機結構設計是在靜強度理論下進行的，飛機結構疲勞破壞并沒有引起人們足夠的重視在40-50年代多由于起由于因疲勞破壞引起飛機失事重大事故的發(fā)生，使人們開始對飛機的疲勞壽命重視起來。經(jīng)對打撈起來的飛機殘骸進行分析，發(fā)現(xiàn)有些事故是由于鉚釘孔邊緣裂紋疲勞破壞所引起的。
緊固件連接不好是飛機疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)。結構的疲勞破壞多數(shù)由于表面(包括孔壁)產生疲勞裂紋，使整個結構破壞。服役飛機中發(fā)現(xiàn)的疲勞裂紋，60％ 以上都出現(xiàn)在緊固件孔處。因此，必須采取工藝措施，推遲孔壁初始裂紋的出現(xiàn)和延緩裂紋擴展的速度， 以提高其疲勞壽命強度。用于提高疲勞壽命強度的工藝技術包括：干涉配臺、滲碳、噴丸強化、孔冷擠壓強化、壓臺襯套等。
干涉配合鉚接作為一種提高疲勞壽命的連接形式，其與普通鉚接相比，疲勞壽命要高2～9倍。表3.4是4種鉚接工藝方法的疲勞壽命對比情況。
表3.4 鉚接工藝方法的疲勞壽命對比情況
連接方法 | 松孔配合 | 干涉配合 | 經(jīng)過壓力擠壓的松孔配合 | 壓力擠壓加干涉配合 |
疲勞壽命（循環(huán)） | 11000 | 60000 | 60000 | 700000 |
對于干涉配合鉚接來說，合理地選用干涉量是很重要的。在參考文獻[20]中圖一表示出干涉量與疲勞壽命的關系。干涉量太低，沒有明顯的好處，通常在相對干涉量低于0.4％時，疲勞壽命沒有什么提高。而干涉量太大，疲勞壽命也要降低。對不同的結構情況，提高疲勞強度的干涉量最佳值沒有確切的規(guī)定，其相對干涉量可以在0.6％～3.2％ 之間變動， 常用的數(shù)值范圍在1.0％～2.5％之間，達到3.6％～4.8％或者更高時， 孔壁附近過太的拉應力和應力腐蝕易產生裂紋，會降低疲勞壽命。一般來講，采用不變形連接件(即連接件本身強度比結構材料更高)時，干涉量可以低一些。而變形連接件，例如用塑性較好的材料制的鉚釘，干涉量就要大些。
干涉配合鉚接與普通鉚接不同點在于普通鉚接只在頂頭和鐓頭附近產生較大的干涉配合，而干涉配合鉚接在鉚釘全長范圍內均產生干涉配合，且干涉量各處較均勻。干涉配合鉚接的干涉量按下式計算：
. U, _- x8 u1 {$ C o' [
% J, ?& f7 X/ r# _干涉量的檢測部位如圖3.6所示。各層相對干涉量范圍見表3.5。
表3.5 各層相對干涉量范圍
結構材料 | 位置代號 | 相對干涉量范圍 （%） |
LY12 | E0.5 | 1～4 |
與 | 1.5～4 |
與 | 1.5～6 |
LC4 | E0.5 | 0.8～3 |
與 | 1.5～4.5 |
與 | 1.5～6 |
*對于蒙皮厚度小于d的結構不進行測量
+ c& j& D5 t6 A/ x( D* P4 ]" h
7 z5 h8 G' A( s- O- X2 p3 A其中在圖3.5中橫坐標是疲勞壽命，縱坐標是干涉量。
控制干涉量的方法主要有：
(1) 鉚釘?shù)倪x擇：在用于干涉配合鉚接時，鉚釘?shù)倪x擇按鉚釘直徑偏差為 來挑選鉚釘。鉚釘長度應根據(jù)結構厚度和干涉量確定。
鉚釘長度按下列經(jīng)驗公式計算：
锪窩的：L =S+(1.0～1.1)d(見圖3.7)
不锪窩的：L = S+ (1.1～1.2)d
( C; R5 r( f1 b+ N6 j3 B
（2） 鉚釘孔直徑、偏差和鉸孔按干涉量大小來控制。
（3） 干涉配合鉚接所需要的鉚接力和變形功比普通鉚接的要大。
（4）如用壓鉚機進行鉚接，除壓鉚力有要求外，還應對鉚模形狀及鉚模的閉合高度作出規(guī)定。
（5） 鉚釘孔必須進行鉸孔，一般留0.2毫米的鉸孔余量，優(yōu)先采用單個壓鉚法，如果結構開敞不好，可采用錘鉚。# C- ~8 ]( Z# v1 l* h( h
4 仿真干涉配合對疲勞壽命的影響4.1 產生疲勞的原因鉚接時產生疲勞破壞的原因，主要是帶圓孔的板件受拉時，沿X-X軸的孔的邊緣產生很大的應力集中，如圖4.1所示，在交變載荷作用下，使孔邊緣上的細小裂紋逐漸擴大而引起疲勞破壞。
2 t2 R @* h$ I! Y
; i! s9 n/ `1 m! O干涉配合之所以能提高疲勞壽命，主要是由于在板件上孔的周圍有較大的徑向預壓應力，在交變載荷作用下，使孔邊緣應力變化的幅度顯著降低，推遲了疲勞裂紋的產生，從而提高了疲勞壽命。
4.2 測試疲勞壽命的有限元模擬實驗用有限元方法分析時，可算出沒有干涉量時，在拉伸載荷作用下孔周圍的應力分布，以及在沒有外載荷時，單純由于干涉配合的預應力在孔周圍產生的應力分布。然后將兩種應力疊加，計算出所有網(wǎng)格節(jié)點的應力。
4.2.1 只在外載荷作用下原始數(shù)據(jù)：厚度t=2mm，長l=100mm，寬w=60mm的板，中心有直徑d=4.1mm的圓孔，在水平方向受到均勻拉力p =100Mpa的作用。已知彈性模量E=207Gpa，泊松比μ=0.3。
（1） 理論解
對于橢圓孔應力集中問題需要使用復變函數(shù)方法，求出含孔彈性體的應力分布。圓孔孔邊的應力集中問題，則可以較簡單地用在極坐標系下半逆解法獲得
根據(jù)參考文獻[21]的計算結果，以孔的中心為坐標原點，沿著水平拉力方向為x軸，可以得到孔邊的應力計算公式，齊爾西解答：
9 R' H+ s/ N7 F+ c; N
+ n' v' {+ t; l2 L! R
% ^2 Y2 V" `3 h9 {( H
由此可以看出，隨著θ的變化，環(huán)向應力的值分別取以下值。
沿著θ=90°的y軸方向，環(huán)向應力的變化規(guī)律是：
1 f4 f" _" U4 |) T. H
r | a | 2a | 3a | 4a |
| 3q | 1.22q | 1.07q | 1.04q |
可見，應力隨著遠離孔邊而急劇趨近于q。從這些特征的應力值可以看出，最大應力出現(xiàn)在孔邊沿著90°方向的位置，即孔的上下內邊緣，最大應力達到3q。
(2)ANSYS分析
在參考文獻[22]中介紹了飛機機翼疲勞斷裂過程的有限元分析，第一，機翼疲勞裂紋擴展的分析；第二，疲勞斷裂過程有限元模擬的幾種方法；第三，疲勞斷裂的有限元模擬結果及分析。參考以上實驗過程，現(xiàn)在用ANSYS軟件對本次試件進行模擬實驗[23]，對板件進行網(wǎng)格劃分，施加壓力，最后求解。
用有限元法分析鉚接接頭的應力分布時，有限元的網(wǎng)格如圖4.2所示，由于軸向對稱，只需去1/4。
1 Q5 S \- M& }( P w' J, U
8 _: V, l% Q7 m4 O" _6 B' J; G; W: X原始數(shù)據(jù)：厚度t=2mm，長l=100mm,寬60mm的板，中心有直徑d=4.1mm的圓孔。已知彈性模量E=207Gpa，泊松比μ=0.3。另有無頭鉚釘，直徑D=4mm,長11mm。
4.3 實驗結果與分析實驗證明有限元法計算的結果是正確的。只在外載荷作用下，在X軸上孔邊緣的切向應力的變化幅度為外載荷p的二倍多，將近三倍，這與用彈性理論計算的結果基本符合。而只受預應力作用下，在X軸上孔邊緣處的切向拉應力的變化幅度僅為外載荷的一半左右。后一種實驗與前者相比較，就充分說明了由于存在干涉配合的預應力，在外載荷作用下，使X軸上孔邊緣處正應力的最大值及變化幅度，都產生了大幅度的下降。
這是由于有干涉配合時，在外載荷的作用下，在釘和孔的接粗面產生了較大的摩擦力，摩擦力承擔了一部分外載荷；此外，還由于干涉配合在孔邊緣處產生預應力，也會使孔邊緣處切向啦應力 的最大值及其變化幅度顯著降低。因此，推遲了初始裂紋的產生，降低了裂紋的發(fā)展速度，提高了疲勞壽命。
干涉量的大小，對于疲勞壽命有很大的影響，干涉量過大或過小都不利。最佳的干涉量應達到：第一，使應力的變化幅度減小到最小，同時減小平均應力；第二，由于干涉量產生的預應力，不會引起結構變形；第三，預應力小于產生應力腐蝕的臨界值；第四，干涉量大于孔切削刀痕的深度。[11]
4.4 影響干涉量的因素 無頭鉚釘鉚接后所獲得的干涉量的大小和均勻程度，與以下工藝參數(shù)有關：
(1)鉚接前釘與孔的間隙和埋頭窩深度。這二者都影響壓鉚時填充金屬的多少，從而影響到干涉量的大小。釘和孔間隙范圍，決定于無頭鉚釘和釘空的公差，要求比普通鉚接為嚴，規(guī)定孔徑公差為 ，鉚釘直徑為正公差，+0.05mm，因此釘桿與孔的間隙為0.03～0.15mm。實驗證明，當間隙超過0.25mm時，就不易形成干涉配合，間隙過小，鉚釘時裝鉚釘困難。
雖然埋頭窩的形狀是由鉆锪刀具決定的，但是埋頭窩深度h值，則和鉆锪 頭行程有關。若埋頭深度增大，在同樣釘桿長度的前提下，干涉量就減小。
(2)鉚接前鉚釘?shù)耐馍炝�。決定于鉚釘?shù)拈L度，它對于形成的干涉量影響較大。理想的外伸量，將其折合成體積，應略大于圖4.13中所示凸出部分1、埋頭窩2、間隙3以及墩頭4四部分體積的總和，圖中所示H1、H2值如果太小，則不足以形成所要求的頂頭和墩頭，同時得不到預期的干涉量。增大外伸量，會使干涉量變大。
+ s3 U0 z, s8 M1 q1 a& |$ [
(3)鉚模形狀。干涉配合的鉚接，不宜用平鉚模。用凹鉚模可以限制釘桿材料橫向流動。凹鉚模邊上的法向分力，可以強迫釘桿材料向釘空內流動，有利于形成較均勻的干涉配合。鉚模底部直徑越接近于鉚釘直徑，效果也越明顯。
影響干涉量的還有壓鉚力、壓鉚時鉚模的閉合高度（即鉚接后鉚釘上表面和墩頭下表面之間形成的高度H，見圖4.13）。調整H值，可以達到不同的干涉量。
另外，干涉配合的無頭鉚釘鉚接，要求釘空表面粗糙度低于普通鉚接，規(guī)定為Ra3.20，孔壁容許的劃傷深度為0.04mm，在接近零件表面處，不允許有劃傷，這些劃傷雖然不影響干涉量，但裂紋會降低疲勞壽命和氣密性能[11]。
8 Z- Q- P1 h9 l: h4 ^( V) b0 n
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