齒輪槽頭型新型標(biāo)準(zhǔn)件安裝工藝與試驗(yàn)研究

航空制造領(lǐng)域大量采用了如螺栓連接的標(biāo)準(zhǔn)件連接，隨著新型飛機(jī)性能的提高，長(zhǎng)壽命、高疲勞強(qiáng)度、高振動(dòng)環(huán)境及材料防腐等指標(biāo)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的使用也提出了更高的要求。航空新型標(biāo)準(zhǔn)件，除了產(chǎn)品本身性能之外，其應(yīng)用性也一直是飛機(jī)設(shè)計(jì)、裝配研究關(guān)注的重要內(nèi)容。

復(fù)合材料目前在飛機(jī)制造中已經(jīng)得到大量使用，但由于其本身沿厚度方向?yàn)閷訝畹慕Y(jié)構(gòu)而具有層間剪切強(qiáng)度低、抗拉脫強(qiáng)度低、抗沖擊力差等不同于金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。另外，復(fù)合材料本身的低塑性導(dǎo)致制孔后會(huì)存在較強(qiáng)的孔邊應(yīng)力集中，同時(shí)復(fù)材及鋼、鋁之間還存在電位腐蝕問(wèn)題，這些特點(diǎn)要求選用合理的新型鈦合金標(biāo)準(zhǔn)件及相配套的安裝工藝方法來(lái)保證復(fù)材結(jié)構(gòu)裝配連接的高質(zhì)量要求。

某型飛機(jī)研制中需要采用大規(guī)格（直徑為10mm、12mm）齒輪槽100°沉頭拉伸型高性能鈦合金螺栓及自鎖螺母，其在安裝力矩、預(yù)緊力、對(duì)復(fù)合材料的適用范圍等方面均缺乏可參考的安裝工藝技術(shù)參數(shù)。本文將針對(duì)該型標(biāo)準(zhǔn)件的安裝工藝開(kāi)展試驗(yàn)研究，探索安裝力矩、預(yù)緊力、應(yīng)力場(chǎng)分布及復(fù)合材料夾層損傷之間的相互關(guān)系，確定安裝力矩等關(guān)鍵工藝參數(shù)，為其裝機(jī)和使用提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

螺栓安裝施加規(guī)定的力矩，其核心目的是控制安裝的預(yù)緊力。飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接需要的預(yù)緊力也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)注的重要指標(biāo)。在波音公司的安裝規(guī)范中，只給出了安裝力矩，沒(méi)有規(guī)定與安裝力矩相關(guān)的理論軸向預(yù)緊力的內(nèi)容。在與國(guó)外緊固件公司的技術(shù)交流過(guò)程中，對(duì)于預(yù)緊力控制范圍，一直作為保密參數(shù)而不予提供。本文試驗(yàn)研究包括以下兩方面內(nèi)容：

（1）齒輪槽沉頭拉伸型鈦合金螺栓在金屬夾層安裝力矩與預(yù)緊力關(guān)系。

確定可穩(wěn)定控制滿足預(yù)緊力要求的安裝力矩，同時(shí)采用非接觸式應(yīng)力測(cè)量?jī)x測(cè)量施加不同安裝力矩，夾層上的殘余應(yīng)力范圍 ，研究預(yù)緊力與夾層殘余應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，檢查鈦合金螺栓螺紋損傷情況，為今后工程上實(shí)際測(cè)量和控制預(yù)緊力提供技術(shù)支持。

（2）齒輪槽沉頭鈦合金螺栓在復(fù)合材料夾層安裝力矩與預(yù)緊力關(guān)系。

確定可穩(wěn)定控制滿足預(yù)緊力要求的安裝力矩，并采用工業(yè)CT檢測(cè)試驗(yàn)載荷引起復(fù)合材料壓傷、分層的安裝力矩范圍及檢查鈦合金螺栓螺紋損傷情況。

2 試驗(yàn)方法及條件

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取兩種規(guī)格的齒輪槽螺栓、4種類型試驗(yàn)夾層組合進(jìn)行研究，如表1和圖1所示。

表1 試驗(yàn)材料列表

圖1 試驗(yàn)材料示意圖Fig.1 Diagram of experim ental material

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用了如下試驗(yàn)設(shè)備：力矩傳感器——用于測(cè)量安裝力矩；墊片式傳感器——用于測(cè)量預(yù)緊力；掃描超聲顯微鏡——用于檢測(cè)復(fù)材夾層的損傷情況；三維應(yīng)力、應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)——用于測(cè)量表面應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況。

2.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，將采取兩種不同的試驗(yàn)方法分別研究安裝力矩與預(yù)緊力、夾層表面應(yīng)力以及復(fù)材夾層損傷情況的關(guān)系。

（1）研究安裝力矩與預(yù)緊力的關(guān)系。試驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行：

將上下夾層、傳感器、螺栓及自鎖螺母按如圖2所示方式組裝在一起；擰入螺栓，測(cè)量螺栓伸出自鎖螺母端面未扣螺紋時(shí)的鎖緊力矩；繼續(xù)擰入螺栓，直至螺母與夾層面貼合；施加安裝力矩，直至傳感器顯示預(yù)緊力為理論破壞拉力的 10%，記錄安裝力矩；繼續(xù)施加安裝力矩，直至傳感器顯示預(yù)緊力為理論破壞拉力的20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%，依次記錄安裝力矩值；卸掉安裝載荷，檢查夾層及螺栓情況。

（2）研究安裝力矩與表面應(yīng)力的關(guān)系試驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行：將上下夾層、應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)、螺栓及自鎖螺母按如圖3所示方式安裝；擰入螺栓，測(cè)量螺栓伸出自鎖螺母端面未扣螺紋時(shí)的鎖緊力矩；繼續(xù)擰入螺栓，直至螺母與夾層面貼合；施加安裝力矩，直至傳感器顯示預(yù)緊力為理論破壞拉力的 10%，用應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量記錄表面應(yīng)力情況；繼續(xù)施加安裝力矩，直至傳感器顯示預(yù)緊力為理論破壞拉力的20%、30%、40%、50%、60%，依次用應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量記錄表面應(yīng)力情況；卸掉安裝載荷，檢查夾層及螺栓情況。

圖2 安裝力矩-預(yù)緊力試驗(yàn)安裝示意圖Fig.2 the schematic diagram of Installation torque-pretightening force test installatio

（3）研究安裝力矩與復(fù)材夾層損傷情況的關(guān)系，試驗(yàn)按照如下步驟進(jìn)行：在未安裝狀態(tài)下對(duì)復(fù)合材料夾層進(jìn)行超聲掃描并記錄內(nèi)部缺陷情況；將上下夾層、超聲掃描儀、螺栓及自鎖螺母按如圖4所示方式安裝；擰入螺栓，測(cè)量螺栓伸出自鎖螺母端面未扣螺紋時(shí)的鎖緊力矩；繼續(xù)擰入螺栓，直至螺母與夾層面貼合；施加安裝力矩，直至傳感器顯示預(yù)緊力為理論破壞拉力的 10%，進(jìn)行超聲掃描并記錄內(nèi)部缺陷情況；繼續(xù)施加安裝力矩，直至傳感器顯示預(yù)緊力為理論破壞拉力的20%、30%、40%、50%、60%，依次進(jìn)行超聲掃描并記錄內(nèi)部缺陷情況；卸掉安裝載荷，檢查夾層及螺栓情況。

圖3 安裝力矩-表面應(yīng)力試驗(yàn)安裝示意圖Fig.3 Diagram of torque-surface stress test installation

圖4 安裝力矩-復(fù)材夾層損傷情況試驗(yàn)安裝示意圖Fig.4 Diagram of torque-com posites laminated damage test insta llation

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 安裝力矩與結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力分布關(guān)系

圖5為采用規(guī)格為M10的齒輪槽螺栓，按試驗(yàn)步驟2.3（2）進(jìn)行試驗(yàn)得到的應(yīng)力分布圖。其他的安裝力矩以及采用M12規(guī)格螺栓的應(yīng)力分布與此圖類似。

試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是對(duì)于金屬夾層還是復(fù)材夾層，齒輪槽螺栓連接中沉頭之外的區(qū)域應(yīng)力會(huì)迅速衰減，夾層的表面應(yīng)力完全可以忽略不計(jì)。換而言之，齒輪槽螺栓安裝力矩的大小對(duì)于周圍夾層的表面應(yīng)力分布影響不大。

3.2 安裝力矩與復(fù)材結(jié)構(gòu)損傷關(guān)系

采用規(guī)格為M10的齒輪槽螺栓、復(fù)材-鋁合金夾層，按試驗(yàn)步驟2.3（3）進(jìn)行試驗(yàn)。

圖5 表面應(yīng)力分布圖Fig.5 Surface stress distribution

表2為不同規(guī)格螺栓在不同安裝力矩下進(jìn)行5次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在扳擰力矩可承受的力矩范圍內(nèi)，復(fù)合材料夾層均未出現(xiàn)分層及損傷情況。

3.3 推薦安裝力矩

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及分析，可確定齒輪槽頭型新型標(biāo)準(zhǔn)件安裝力矩參數(shù)如表3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)件在航空制造領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位，為了滿足現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)不斷發(fā)展的需求，代表了飛機(jī)制造先進(jìn)水平的波音、空客等國(guó)外公司從未間斷過(guò)對(duì)新型標(biāo)準(zhǔn)件的研究和應(yīng)用，從某種程度上說(shuō)，新型標(biāo)準(zhǔn)件的發(fā)展也代表了飛機(jī)裝配連接技術(shù)的進(jìn)步。因此，國(guó)內(nèi)航空企業(yè)及科研單位，針對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品自身的特點(diǎn)，開(kāi)展新型標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用相關(guān)研究，具有非常重要的意義。

表2 不同安裝力矩下復(fù)材分層及損傷情況

表3 齒輪槽100°沉頭螺栓建議安裝力矩

本文通過(guò)開(kāi)展齒輪槽頭型新型標(biāo)準(zhǔn)件安裝工藝與試驗(yàn)研究，一方面確定了該型標(biāo)準(zhǔn)件安裝力矩等關(guān)鍵工藝參數(shù)及對(duì)復(fù)合材料的適用性，為其裝機(jī)和使用提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持；另一方面，也對(duì)開(kāi)展新型標(biāo)準(zhǔn)件安裝工藝與試驗(yàn)的研究方法進(jìn)行了有益的探索，對(duì)逐步形成一套完善的試驗(yàn)方法及規(guī)范具有很好的指導(dǎo)作用。