金屬成形工藝在航空緊固技術(shù)上的應(yīng)用

趙慶云，劉華東

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

1 引言

機(jī)械連接是現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要連接方法，雖然各種新型連接技術(shù)不斷涌現(xiàn)，鉚接和螺栓連接等傳統(tǒng)連接方法仍是飛機(jī)裝配的主要連接方法。相應(yīng)地，緊固件在飛機(jī)上廣泛分布，一架飛機(jī)上使用的緊固件，少的幾十萬件，多則二、三百萬件。因而，如何高質(zhì)、高效地生產(chǎn)出高性能的緊固件，滿足各種機(jī)型的性能要求，并實(shí)現(xiàn)大批量穩(wěn)定生產(chǎn)十分重要[1]。

緊固件的制造工藝與其性能和質(zhì)量有密切的關(guān)系。先進(jìn)的制造工藝不僅可以穩(wěn)定和提高緊固件的質(zhì)量，而且可以提高或者改善緊固件的性能。同時(shí)，由于緊固件是標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)零件，批量大，使用范圍廣。工藝的制定一定要與緊固件的特點(diǎn)相適應(yīng)。在保證產(chǎn)品質(zhì)量和性能的前提下，盡可能提高材料利用率、提高制造效率和降低成本[2]。

金屬成形工藝在緊固工藝上得到了應(yīng)用，并對(duì)保證緊固件及其結(jié)構(gòu)的性能起到重要的作用。本文在緊固件的制造加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡述金屬成形技術(shù)在緊固件制造上的應(yīng)用，并介紹了干涉連接技術(shù)和孔強(qiáng)化技術(shù)。指出金屬成形技術(shù)是保證緊固性能的重要關(guān)鍵技術(shù)之一，強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)其研究的重要性和必要性。

2 鐓鍛

連續(xù)鐓鍛對(duì)大批量生產(chǎn)是一種非常高效的方法。好的鐓鍛工藝使工件能夠快速精確地生產(chǎn)出來而沒有報(bào)廢。然而鐓鍛工藝的設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)雜的工作，大多數(shù)情況下依賴于經(jīng)驗(yàn)。鐓鍛次數(shù)的選擇依賴于工件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸精度以及所用的材料，其次使用的設(shè)備（幾模幾沖）和模具，也有很大的影響。

鐓鍛各工步采用諸如擠壓、鐓粗、矯方、沖孔等金屬塑性成形方法[3，4]，具體介紹如下。

2.1 正擠壓

此工藝用于減小工件的橫斷面，沖頭推動(dòng)工件毛坯沿沖頭運(yùn)動(dòng)方向流過模具。正擠壓有兩種工藝，通常用于成形緊固件螺紋毛坯以及光桿和螺紋毛坯的過渡部位。

2.1.1 開放式擠壓

擠壓時(shí)毛坯不在模具內(nèi)。由于擠壓力不能超過材料的屈服強(qiáng)度，所以開放式擠壓的擠壓量受限。然而，想要達(dá)到的擠壓量可以通過多次擠壓達(dá)到。此工藝成形的緊固件光桿與螺紋毛坯過渡部位為倒角，如航標(biāo)系列螺栓。

2.1.2 封閉式擠壓

擠壓時(shí)工件被模具完全包圍。封閉式擠壓通常用在工件形狀簡單，擠壓量大的情況。此工藝成形的緊固件光桿與螺紋毛坯過渡部位為圓弧，通常用于干涉緊固件，如英制HST 系列和公制YSA 系列螺栓。

2.2 反擠壓

反擠壓也減小毛坯的橫面，只是材料流動(dòng)方向與沖頭運(yùn)動(dòng)方向相反。此工藝通常用于在工件上制造空洞或孔，如高鎖螺栓尾部的六方孔初孔。

2.3 鐓粗

此工藝使工件的橫斷面增大，材料堆積，形成頭，如平圓頭螺栓的頭。材料流動(dòng)方向通常垂直于沖頭運(yùn)動(dòng)方向。

2.4 鐓鍛工藝設(shè)計(jì)

鐓鍛工藝通常在多工位鐓機(jī)上，采用上述金屬塑性成形方法進(jìn)行。以六角頭螺栓的成形為例，如圖5 所示，擠壓和鐓粗成形方法得到應(yīng)用。采用多工位鐓機(jī)，第一步進(jìn)行棒料裁剪，第二步初沖頭部，第三步頭部鐓粗成形，第四步螺紋毛坯擠壓成形。

3 螺紋滾壓

螺紋滾壓是利用某些材料在冷態(tài)下的可塑性使工件在滾壓工具的作用下產(chǎn)生塑性變形，滾制出相應(yīng)的螺紋。其成形原理如圖6 所示，一副滾絲輪置于工件兩側(cè)，兩滾絲輪螺紋旋向相同，轉(zhuǎn)速相同，工件螺紋旋向與之相反。安裝調(diào)整，保證兩滾絲輪螺紋相互錯(cuò)開半個(gè)螺距。滾絲輪徑向進(jìn)給，兩滾絲輪與工件接觸，產(chǎn)生摩擦，摩擦力帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。隨著滾輪的徑向運(yùn)動(dòng)，工件產(chǎn)生變形，逐步形成螺紋，直至與滾絲輪螺紋牙?相貼合，成形的螺紋牙達(dá)到?要求，滾絲輪退回，完成螺紋滾壓[5-7]。

一些更高強(qiáng)度的材料，需要將材料加熱，進(jìn)行溫滾螺紋。一方面保證滾制出的螺紋滿足強(qiáng)度要求，另一方面使?jié)L輪不致崩齒，延長壽命。

4 圓角強(qiáng)化

為了提高螺栓的抗疲勞強(qiáng)度，航空工業(yè)高強(qiáng)度螺栓要求頭下圓角進(jìn)行冷滾壓。如圖7 所示，所謂冷滾壓，就是將螺栓的頭桿結(jié)合處放在3 個(gè)小滾輪上，在施加軸向壓力的同時(shí)旋轉(zhuǎn)螺栓，使圓角處形成一個(gè)冷作硬化層。使其圓角部位的表層金屬晶粒在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，使表層的組織致密，纖維保持連續(xù)流暢的狀態(tài)，表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，使產(chǎn)生螺栓疲勞裂紋的拉應(yīng)力值下降，從而提高螺栓的抗疲勞強(qiáng)度和可靠性[8-9]。

需要注意的是，冷滾壓只能在最終熱處理之后進(jìn)行，否則冷作硬化層消失，提高強(qiáng)度的作用也隨之消失。

5 干涉配合連接

如圖8 所示，干涉連接的工作原理為采用大于安裝孔徑的緊固件，在外力的作用下強(qiáng)行通過安裝孔，使得孔壁產(chǎn)生永久變形。外力去除后，孔周存在較高的殘余壓應(yīng)力，使得交變載荷的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅都得到降低，從而在孔周建立起能抵抗結(jié)構(gòu)疲勞破壞的屏障[10-11]。

緊固件與結(jié)構(gòu)孔壁之間的干涉量選取、安裝方法和制孔精度等，對(duì)連接結(jié)構(gòu)的壽命有至關(guān)重要的影響。國外適合飛機(jī)長壽命需要，開發(fā)了多種適合金屬結(jié)構(gòu)干涉連接的干涉鈦螺栓、干涉鈦高鎖螺栓、錐形鈦螺栓、干涉鈦環(huán)槽釘以及鉚釘?shù)?，并制訂了指?dǎo)工程應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)范。

6 孔強(qiáng)化

6.1 強(qiáng)化工藝

開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化工藝是通過使用錐形芯棒，配合內(nèi)部預(yù)潤滑的不銹鋼襯套來完成的。如圖9所示，當(dāng)芯棒拉過孔時(shí)，鼻頂冒限制了孔中的襯套。襯套保護(hù)孔免受損傷，錐形芯棒徑向擴(kuò)張，使孔周屈服。孔冷擠壓強(qiáng)化完成后，襯套被廢棄。此工藝為單面安裝，芯棒的插入和襯套的去除都不接觸結(jié)構(gòu)的另一側(cè)，這是適用于結(jié)構(gòu)維修和工藝自動(dòng)化的便利條件。

6.2 強(qiáng)化原理及應(yīng)用

孔冷擠壓強(qiáng)化通過使孔周產(chǎn)生一個(gè)可控的永久殘余壓應(yīng)力區(qū)，來改善金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。如圖10的光彈圖，顯示了此工藝引起的殘余應(yīng)力場(chǎng)。孔的機(jī)械擴(kuò)張使材料塑性屈服形成了殘余應(yīng)力，相應(yīng)的塑性變形孔周也存在著回彈[12-13]。

圖10 也給出了孔冷擠壓強(qiáng)化產(chǎn)生的典型殘余徑向和周向應(yīng)力，壓縮應(yīng)力從孔邊沿徑向擴(kuò)大到一個(gè)直徑的環(huán)形區(qū)域，達(dá)到峰值，大致等于材料的壓縮屈服強(qiáng)度。同時(shí)，峰值為材料拉伸屈服強(qiáng)度10%～15%的拉伸應(yīng)力區(qū)存在于壓縮應(yīng)力區(qū)之外。這樣循環(huán)拉應(yīng)力不可能頂?shù)魵堄鄩嚎s應(yīng)力，孔有效地屏蔽了將缺陷擴(kuò)展為疲勞裂紋的拉應(yīng)力。在典型的飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，孔強(qiáng)化所帶來的疲勞壽命改進(jìn)通常達(dá)3～10倍，因而在飛機(jī)起落耳片孔、機(jī)翼主梁螺栓孔、機(jī)身框架螺栓孔、剎車片、扭力筒等零件上得到廣泛的應(yīng)用[13-20]。

隨著飛機(jī)減重、長壽命、可靠性的需求增長，以孔的開縫襯套冷擠壓為基礎(chǔ)，結(jié)合干涉配合連接技術(shù)，F(xiàn)orceTec?無耳托板螺母系統(tǒng)等多種緊固系統(tǒng)得到開發(fā)。充分發(fā)揮了孔擠壓和干涉配合連接技術(shù)相結(jié)合提高飛機(jī)壽命的良好效果，不但能提高接頭的強(qiáng)度，還可大大提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能和簡化結(jié)構(gòu)密封，可使結(jié)構(gòu)重量減輕4%左右，提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命2 倍以上。這些技術(shù)及相應(yīng)的緊固系統(tǒng)在世界各國都得到了廣泛應(yīng)用。

7 結(jié)語

金屬成形工藝在航空緊固技術(shù)上得到了廣泛應(yīng)用，此技術(shù)是保證緊固性能的重要關(guān)鍵技術(shù)之一，必須加強(qiáng)研究保證緊固件制造工藝穩(wěn)定，保證干涉配合連接和孔強(qiáng)化技術(shù)的良好應(yīng)用，最終保證制造的緊固件和相關(guān)結(jié)構(gòu)的安全可靠。

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