新型鎖鍵螺套在樹脂基復合材料上的應用研究

周洪飛 ， 梁恒亮 ， 張國清 ， 劉 宇

（1.中航復合材料有限責任公司，北京 101300；2.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所， 沈陽110015）

樹脂基復合材料因其具有密度低、比強度高、比剛度大、抗疲勞、耐腐蝕、耐久性、抗振等其他傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)的優(yōu)異功能特性，尤其是可設計性，使得結(jié)構(gòu)形式更加靈活，極大地提高了使用效能，同時降低了維護成本，增加了未來發(fā)展的潛力和空間。其中先進航空發(fā)動機為了進一步達到結(jié)構(gòu)減重與降低綜合成本的目的，樹脂基復合材料用量也在不斷增長。而樹脂基復合材料機匣作為航空發(fā)動機上尺寸較大的構(gòu)件對結(jié)構(gòu)減重起到了重要作用。在復合材料機匣的制造中，由于安裝油路和管路需要，復合材料殼體上要安裝大量的金屬座結(jié)構(gòu)件，金屬座上與外部結(jié)構(gòu)件連接的內(nèi)孔螺紋為了提高連接強度、防止松動并能夠反復拆卸使用，需鑲嵌螺套進行加強和保護。

目前在航空航天領(lǐng)域的機械連接中，通常是采用鋼絲螺套進行內(nèi)螺紋的加強[1-4]，已經(jīng)在衛(wèi)星、飛機、發(fā)動機和電子設備的金屬結(jié)構(gòu)的機械連接和維修中得到了比較廣泛的應用[5-8]，并且在復合材料上也已經(jīng)逐步有了一些應用[9-10]。但在鋼絲螺套的使用過程也暴露出了諸如下沉、脫落、安裝效率低、拆卸困難、易損傷金屬座內(nèi)螺紋等問題，特別是在復合材料上裝配和使用過程中存在損傷復合材料殼體的問題[11]，影響了在復合材料結(jié)構(gòu)上的使用。而國外為解決此問題，采用了一種新型的具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、連接可靠、便于拆卸等特點的鎖鍵螺套，可有效克服鋼絲螺套的缺點和不足。

目前已經(jīng)大量在發(fā)動機金屬機匣的結(jié)構(gòu)連接中應用這種鎖鍵螺套，一定程度上取代了鋼絲螺套。因此，借鑒國外的使用經(jīng)驗，在國內(nèi)首次開展了樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)上鎖鍵螺套的應用研究，針對樹脂基復合材料的特點提出了安全可靠的安裝方案，并提供了具體的工藝方法和參數(shù)。安裝效果表明鎖鍵螺套可以滿足樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)的裝配和使用要求，具有良好的推廣應用價值。

1 鎖鍵螺套特點

鎖鍵螺套的結(jié)構(gòu)形式為外螺紋中有銑削的鍵槽，一端呈扁平狀嵌入鍵槽，其高度低于外螺紋牙高，不影響裝配，稱為陰鍵；另一端呈梯形，其高度稍微高于外螺紋牙高，可通過干涉鑲嵌進入金屬座內(nèi)螺紋和鎖鍵螺套外螺紋中，利用鑲嵌時尺寸干涉進行鎖緊，使螺套牢固鑲嵌在機匣金屬座螺孔內(nèi)，可有效防止工件間轉(zhuǎn)動。鎖鍵螺套根據(jù)鎖鍵的數(shù)量可分為雙鍵、四鍵等不同種類，如圖1所示。

圖1 鎖鍵螺套結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of key-locking insert

由于鎖鍵螺套為內(nèi)外均有螺紋且在外螺紋上安裝銷鍵的薄壁件，鎖鍵硬度大于螺紋硬度，在外力作用下較容易發(fā)生鑲嵌與螺紋干涉而鎖緊，不易發(fā)生下沉、脫落。由于其可以采用機械載荷完成裝配，故安裝效率高，且質(zhì)量一致性較好；同時銷鍵到內(nèi)螺紋壁厚薄，可采用擴孔磨削方式使之失效，所以拆卸較容易，無需像鋼絲螺套采取人力抽剔方法，拆卸效率較高。此外，鎖鍵螺套可對被損螺紋進行快速有效修復，應用在低強度的材料上能極大增加螺紋孔的強度，即修復內(nèi)螺紋的同時增加外螺紋。

鎖鍵螺套安裝時，一般是通過導引裝置將鎖鍵螺套擰入金屬座內(nèi)螺紋孔內(nèi)，并調(diào)節(jié)鎖鍵螺套旋入螺孔的位置深度，然后通過施加外部沖擊載荷將嵌鍵壓入金屬座內(nèi)螺紋中。但鎖鍵螺套安裝時施加的沖壓載荷導致裝配區(qū)瞬間要承受高速高能的外部沖擊力，容易引起裝配區(qū)的復合材料殼體出現(xiàn)分層等缺陷。

2 鎖鍵螺套的應用

鎖鍵螺套在金屬結(jié)構(gòu)上使用時，外部載荷通過敲擊施加。但在復合材料結(jié)構(gòu)上使用時，由于敲擊無法控制力度大小，力度大易引起復合材料分層；力度小則嵌鍵無法完全壓入，導致安裝失敗。因此，在復合材料上應用時，參考鋼絲螺套的安裝方法，采用了氣動載荷作為外部載荷[12]，通過氣動鉚槍和平鉚頭配合導引器施加可控的沖壓載荷，可以保證復合材料的安全，如圖2所示。

在實際操作中，采用了從0.005MPa到0.1MPa的沖壓載荷，均可以滿足鎖鍵螺套安裝的外觀和質(zhì)量要求，如圖3所示。如果載荷過小，嵌鍵會無法完全壓入；載荷達到0.1MPa以上，在安裝孔周邊的復合材料殼體出現(xiàn)了分層缺陷。因此，在復合材料上安裝鎖鍵螺套控制沖壓載荷的大小是保證安裝質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在保證質(zhì)量和工作效率的前提下，沖壓載荷參數(shù)范圍在0.01～0.05MPa之間比較適宜。

同時采用氣動沖壓安裝鎖鍵螺套的效率很高，其安裝時間隨載荷的升高而縮短，一般安裝時間在10～20s之間，小于1個普通鋼絲螺套50s左右的裝配用時。

而在鎖鍵螺套拆卸過程中，如圖4所示，采用鉆頭將護套進行逐級擴孔的方法，以不同孔徑合金鉆頭磨削到露出螺鍵，利用斷牙取出器擰出失效螺套，之后用真空吸塵設備保證金屬內(nèi)螺紋孔無金屬屑殘留，使鎖鍵的鎖緊功能失效，再用斷牙取出器取出毀壞的螺套[13-15]，可以保證安裝座內(nèi)螺紋和復合材料殼體不損傷，拆卸相對比較方便、安全。

圖2 鎖鍵螺套在復合材料上氣動安裝示意圖Fig.2 Pneumatic installation of key-locking insert in the composites

圖3 安裝在復合材料構(gòu)件上的鎖鍵螺套Fig.3 Key-locking insert in the composites component

安裝在復合材料構(gòu)件上的鎖鍵螺套在使用中經(jīng)受了振動、反復拆裝等工況的考驗，基本未出現(xiàn)使用問題，較好地解決了鋼絲螺套使用過程中的質(zhì)量問題。

圖4 鎖鍵螺套拆卸示意圖Fig.4 Disassembly of removing of key-locking insert

3 結(jié)論

鎖鍵螺套作為一種新型的緊固件，通過控制沖壓載荷，配合導引裝置，采用氣動沖壓工藝可以實現(xiàn)在樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)上高效、安全的安裝。具備了安裝方便快捷、連接可靠、便于拆卸等特點，將來可以在樹脂基復合材料構(gòu)件上大量推廣應用。

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