復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用緊固件技術(shù)

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(1.中國航空制造技術(shù)研究院,北京 100024；2.中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院,北京 100071)

0 引言

復(fù)合材料具有質(zhì)量小、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好、耐腐蝕、抗疲勞性能高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)飛行器結(jié)構(gòu)中，獲得了較好的綜合性能及較高的減重效果[1-2]。

樹脂基復(fù)合材料為層狀結(jié)構(gòu)，層間剪切強(qiáng)度低，塑性僅有0.5%～1.5%。復(fù)合材料在制孔后會存在較大的孔邊應(yīng)力集中問題，使得連接接頭壽命降低，其連接存在著4大問題：腐蝕問題、安裝“卡死”、抗沖擊能力差和拉脫強(qiáng)度低。在設(shè)計(jì)連接過程中均須要解決這些問題，選擇合理的緊固件和采用相配套的連接技術(shù)成為復(fù)合材料機(jī)械連接的關(guān)鍵[3]。

本文針對復(fù)合材料連接存在的典型問題，闡述其解決方法，側(cè)重于緊固件選材和多種先進(jìn)緊固件和緊固系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)部門提供選用參考。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上使用的緊固件材料

復(fù)合材料是采用纖維與樹脂合成的材料，本身電位較高，其連接所用的緊固件應(yīng)具有較好的電位相容性；同時(shí)，由于減重的需要，還須具有較高的比強(qiáng)度。兼具電位相容性和高比強(qiáng)度的材料是復(fù)合材料連接用緊固件的首選。由表1可以看出，與復(fù)合材料電位匹配依次是復(fù)合材料本身、耐蝕不銹鋼和鈦合金。

表1 緊固件材料電位與比強(qiáng)度對照表[4]Tab.1 The electric potential and specific strength of fasteners’ materials[4]

從表1中還可以看出，比強(qiáng)度的排序是：鈦合金、鋁合金、合金鋼和耐蝕不銹鋼。由于現(xiàn)代飛行器在減重方面有較高的要求，復(fù)合材料緊固件目前還沒有較高比強(qiáng)度的產(chǎn)品，而不銹鋼的比強(qiáng)度不高，鈦合金與復(fù)合材料電位相近，比強(qiáng)度高。綜合比較，鈦合金是與復(fù)合材料匹配最好的材料，成為在螺栓類、螺母類和抽芯鉚釘類緊固件上使用最廣泛的材料。而其他與復(fù)合材料電位可搭配材料，有些也可作為組合類緊固件產(chǎn)品中零件的使用材料[4]。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上使用的緊固件

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使用的緊固件選擇原則是：對于螺紋類緊固件，鈦螺栓應(yīng)與不銹鋼螺母搭配采用，避免發(fā)生安裝“卡死”問題，在解決潤滑問題后，鈦螺栓可與鈦螺母搭配使用；對于鉚釘，由于復(fù)合材料塑性差，抗沖擊能力低，因此鉚釘安裝盡可能不采用錘鉚，而盡可能采用壓鉚；為了解決拉脫強(qiáng)度低的問題，緊固件應(yīng)設(shè)計(jì)成大釘頭、大法蘭環(huán)帽或大底腳[5]。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用的緊固件主要有鉚接類(鈦鉚釘、鈦鈮鉚釘)、螺栓類(鈦螺栓、鈦高鎖螺栓、鈦螺母)、抽芯鉚釘類(螺紋抽芯鉚釘、拉拔型抽芯鉚釘)、特種緊固件類(鈦環(huán)槽釘、特種鈦緊固件)等。

2.1 鉚接類緊固件

復(fù)合材料鉚接用緊固件，首先考慮的是防腐蝕，從電位腐蝕來看，不銹鋼較適合。美國早期在F-14戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料尾翼上大量使用A286鉚釘，并采用了電磁鉚接技術(shù)，后來由于減重的需要，改為鈦鉚釘，如純鈦鉚釘。而國內(nèi)由于純鈦鉚釘初期使用量較少，原材料來源較復(fù)雜，造成難以采用大批量生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行加工，故材料的穩(wěn)定性、一致性難以保證。由于部分制造的鉚釘產(chǎn)品存在鉚接開裂問題，影響設(shè)計(jì)人員的選用。目前使用最成功的是鈦鈮材料制造的鉚釘，這種材料不但強(qiáng)度高，抗剪切性能比純鈦材料高，達(dá)到345MPa，而且塑性好，鉚接效果好。圖1是用TC4/鈦鈮材料制造的雙金屬鉚釘鉚接示意圖，展示了鈦鈮材料較好的鉚接效果[6]。

圖1 鉚接的雙金屬鉚釘Fig.1 The riveted double-metal rivet

另外，鉚接類緊固件用于復(fù)合材料時(shí)，在復(fù)合材料端鉚接，需增加墊圈控制鉚接膨脹量以及減少單位承載面積的壓應(yīng)力，而在金屬端面連接時(shí)，則不需要采用墊圈。

2.2 螺栓類緊固件

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使用的螺栓類緊固件大都是TC4材料制造的，抗拉強(qiáng)度為1100MPa，剪切強(qiáng)度為660MPa，主要緊固件有鈦合金螺栓、鈦合金高鎖螺栓、艾迪2型螺栓緊固系統(tǒng)等。在安裝過程中都須進(jìn)行力矩控制，以避免在連接后造成復(fù)合材料承載能力的下降。

鈦合金螺栓主要用于開敞部位和可拆卸部位，在安裝時(shí)須采用限力矩扳手以保證安裝力矩的一致，其配套使用的螺母有自鎖螺母和托板自鎖螺母等。對于沉頭鈦螺栓，驅(qū)動槽有多種結(jié)構(gòu)形式，如飛利浦十字槽、高扭矩十字槽、三翼槽、內(nèi)梅花槽、高扭矩一字槽、康尼爾高扭矩一字槽等，如圖2所示。不同的驅(qū)動槽的扳擰力矩差異較大，由于鈦合金螺栓耐磨損性能差，與自鎖螺母安裝需要較大的扳擰力矩。傳統(tǒng)的一字槽、十字槽不適用于扳擰力矩較大的場合，而高扭矩十字槽、內(nèi)梅花槽扳擰力矩大，被大量使用。各種驅(qū)動槽的極限扭矩如圖3所示。

鈦合金高鎖螺栓是飛行器上大量使用的一種永久性連接緊固件，主要用于半開敞部位的永久性連接，可以實(shí)現(xiàn)單面安裝。為了減重，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上大多采用輕型鈦合金高鎖螺栓和輕型高鎖螺母，如圖4所示。該種產(chǎn)品以Lisi?航空的Hi-Lite?輕型高鎖螺栓最為典型，它采用了短收尾螺紋技術(shù)，與普通高鎖螺栓/高鎖螺母組件相比，可降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量10%～14%。針對傳統(tǒng)的高鎖螺栓使用的六方槽作為驅(qū)動槽，存在扳擰扭矩不夠的問題，國外有廠家在鈦高鎖螺栓尾部采用五瓣槽替代六方槽，可以提高扳擰扭矩[7]。

圖2 航空沉頭螺栓用驅(qū)動槽槽型Fig.2 The drive slots for countersunk head fasteners of aircraft

圖3 不同頭部驅(qū)動槽極限扭矩比較Fig.3 The comparison of limit torque for various drive slots

由于螺紋配合且?guī)ё枣i結(jié)構(gòu)，鈦螺栓/螺母緊固件在安裝過程中會損失部分?jǐn)Q力矩，造成預(yù)緊力不一致。因此，國外開發(fā)出了艾迪2型螺栓緊固系統(tǒng)，如圖5所示。該緊固系統(tǒng)安裝方便，具有質(zhì)量小、避免咬合等特性。與其他螺紋緊固組件相比，在完成自鎖前，施加預(yù)緊力可使安裝預(yù)緊力一致，在多種飛行器上得到應(yīng)用。除了使用帶有內(nèi)螺紋的艾迪螺母，也可使用艾迪擠壓環(huán)帽與之配套。

2.3 抽芯鉚釘類緊固件

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上還大量使用單面連接的抽芯鉚釘，主要用于封閉空間的永久性連接，其具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、自鎖、防腐、大底腳等特點(diǎn)。抽芯鉚釘結(jié)構(gòu)形式分為螺紋抽芯鉚釘和拉拔型抽芯鉚釘。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使用的螺紋抽芯鉚釘已發(fā)展出了多種結(jié)構(gòu)形式，以美國Monogram公司開發(fā)的螺紋抽芯鉚釘最為典型，有芯桿露出型的Visu-Lok型抽芯鉚釘、芯桿平斷型Composi-Lok型抽芯鉚釘、干涉型Radial-Lok型抽芯鉚釘、主承力型Osi-Bolt型抽芯鉚釘?shù)?，還發(fā)展出自動化連接的螺紋抽芯鉚釘類型。

螺紋抽芯鉚釘形式如圖6所示，具有與復(fù)合材料電位相容、安裝后材料不分層、7°斜面上進(jìn)行安裝、控制力矩、不松動、方便安裝等特點(diǎn)。

圖6 螺紋抽芯鉚釘Fig.6 The blind bolts with thread

干涉型螺紋抽芯鉚釘形式見圖7，其在傳統(tǒng)螺紋抽芯鉚釘?shù)耐獠吭黾右粋€(gè)壁厚為0.30mm左右的不銹鋼襯套；在安裝過程中，抽釘?shù)臈U部擠入襯套，使襯套發(fā)生徑向膨脹，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料孔壁的干涉，提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[8]。

圖7 干涉抽芯鉚釘及安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The interference blind fastener and installed structure

用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的拉拔型抽芯鉚釘以美國Cherry?公司的MaxiBolt?最為典型，如圖8所示。該抽芯鉚釘是在用于金屬結(jié)構(gòu)的不銹鋼拉拔型抽芯鉚釘?shù)幕A(chǔ)上發(fā)展而來的，大部分功能與螺紋抽芯鉚釘一致。與螺紋抽芯鉚釘相比，具有質(zhì)量更小、安裝后不用銑平的特點(diǎn)。

圖8 鈦合金拉拔型抽芯鉚釘Fig.8 The blind bolts without thread

2.4 特種緊固件

特種緊固件主要有兩大類：鈦合金環(huán)槽釘和復(fù)合材料緊固件。

鈦合金環(huán)槽釘是一種應(yīng)用于高傳載部位的永久性連接緊固件，結(jié)構(gòu)形式上分為拉鉚型和鐓鉚型，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)選用拉鉚型。美國航空工業(yè)大量采用該種緊固件，如波音公司從B-707飛機(jī)到B-787飛機(jī)上都大量使用鈦合金環(huán)槽釘，B-787飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼主要是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，大量使用了帶法蘭環(huán)帽的輕型比例式鈦合金環(huán)槽釘[9]。

在金屬結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上使用的環(huán)槽釘有明顯差異。在環(huán)槽釘發(fā)展的早期，主要用于金屬結(jié)構(gòu)，抗剪型的鎖緊環(huán)槽為單個(gè)環(huán)槽，如圖9 所示；抗拉型的為4個(gè)等距環(huán)槽，如圖10 所示。

圖9 金屬結(jié)構(gòu)用抗剪型環(huán)槽釘Fig.9 The shear groove lockbolt used in metal structure

圖10 金屬結(jié)構(gòu)用抗拉型環(huán)槽釘Fig.10 The tension groove lockbolt used in metal structure

隨著航空航天發(fā)展的需要，環(huán)槽釘?shù)逆i緊環(huán)槽發(fā)生了重大改進(jìn)，均采用了比例式環(huán)槽形式，如圖11 所示。目前，無論是在金屬結(jié)構(gòu)還是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，環(huán)槽釘都采用了比例式結(jié)構(gòu)形式，這種鎖緊環(huán)槽可以實(shí)現(xiàn)最高的抗拉能力、抗彎能力及預(yù)緊載荷能力?？辜粜偷逆i緊環(huán)槽由單個(gè)環(huán)槽改成5個(gè)環(huán)槽，如圖12所示的美國美鋁公司的HuckComp?LGPL型環(huán)槽鉚釘；抗拉型的鎖緊環(huán)槽槽數(shù)多于抗剪型的。為了減少對復(fù)合材料的厚向擠壓，采用法蘭環(huán)帽。

圖11 比例式環(huán)槽釘結(jié)構(gòu)Fig.11 The structure of groove proportional lockbolt

圖12 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用抗剪型鈦環(huán)槽釘Fig.12 The shear groove lockbolt used in composite structure

為了提高復(fù)合材料抗疲勞能力，在輕型比例式鈦環(huán)槽釘基礎(chǔ)上，加入不銹鋼薄壁襯套，形成干涉環(huán)槽緊固系統(tǒng)，如圖13 所示。該緊固件的干涉原理和前述的干涉螺紋抽芯鉚釘相似，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的干涉連接，較復(fù)合材料普通間隙提高疲勞壽命1倍以上，并提高復(fù)合材料釘載分配能力。

圖13 干涉環(huán)槽緊固系統(tǒng)Fig.13 The interference lockbolt system

復(fù)合材料制造的緊固件是其連接的理想材料，用于隱身、電磁敏感部位，但目前的強(qiáng)度僅限用于次承力結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料緊固件有熱固性、熱塑性兩種，制造上有注射級和模壓級兩種，如圖14～圖15所示，模壓級強(qiáng)度較高，可達(dá)到30MPa以上。

圖14 注射級復(fù)合材料螺栓與螺母Fig.14 The injected composite bolt and nut

圖15 模壓級復(fù)合材料緊固件Fig.15 The moulded composite fasteners

3 結(jié)論

本文針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝中存在的問題，系統(tǒng)地闡述了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用緊固件可選用的材料，并且根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接要求，針對安裝損傷、拉脫強(qiáng)度低、應(yīng)力集中等問題，敘述了目前航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使用較普遍的各種類型緊固件及緊固系統(tǒng)，如鉚釘類、螺栓類、抽芯鉚釘類、特種緊固件類，為國內(nèi)復(fù)合材料連接緊固件選用提供參考。