再制造技術(shù)在飛機(jī)修理領(lǐng)域的應(yīng)用

李 華，孫同明，王小剛

(國營蕪湖機(jī)械廠 機(jī)電部，安徽 蕪湖 241007)

目前，由于飛機(jī)修理時(shí)間上的滯后性，即飛機(jī)修理時(shí)，零部件可能已經(jīng)減產(chǎn)或者停止制造，導(dǎo)致同型號(hào)零部件不易采購，制造成本高，這是困擾飛機(jī)修理的一個(gè)主要問題。再制造技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分和發(fā)展方向[1]。它以損傷的機(jī)械零部件作為對象，恢復(fù)損傷部位的原始尺寸、并且恢復(fù)甚至提升其服役性能，有效解決了這個(gè)困擾飛機(jī)修理行業(yè)的問題[2-3]。

1 再制造技術(shù)

1.1 全壽命周期分析

設(shè)計(jì)、制造、使用、維修、報(bào)廢、再循環(huán)是產(chǎn)品生命周期的全過程。軍用飛機(jī)由于其價(jià)值昂貴和維修策略的特殊性導(dǎo)致其全壽命周期不同。軍用飛機(jī)全壽命流程如圖l所示。目前，通過有效的維修手段對飛機(jī)零部件進(jìn)行再制造，然后再度投入使用已成為軍機(jī)修理一個(gè)重要方法[4]。這種方法不僅節(jié)約環(huán)保，更有利于保障部隊(duì)裝備的完好性[5]。

1.2 再制造技術(shù)

再制造成形技術(shù)是再制造技術(shù)的核心,再制造成形技術(shù)分為“尺寸恢復(fù)法”再制造成形和“尺寸加工法”再制造成形兩種技術(shù)途徑，兩種技術(shù)分類如表1所示。

飛機(jī)修理受上游設(shè)計(jì)制造技術(shù)條件的制約，普遍采用的是以“換件法”和簡單“尺寸恢復(fù)法”為核心的修理模式，即對損傷程度較重的零件直接更換新件，對于輕度損傷的零件則利用鏜、磨、車等機(jī)械加工手段，排除缺陷，同時(shí)通過加大鍍鉻、補(bǔ)焊等傳統(tǒng)工藝手段，恢復(fù)零件的原始設(shè)計(jì)尺寸和幾何外形。

表1 再制造成形技術(shù)分類

2 再制造修理

2.1 飛機(jī)零部件主要損傷類型

對于單個(gè)零件而言，飛機(jī)零部件故障模式分布呈現(xiàn)一定隨機(jī)性，同一架次內(nèi)零件損傷部位不同，不同架次間的零件損傷分布不一致。但是從整體來看，分布的部位比較集中，具有一定的規(guī)律性。飛機(jī)零部件的損傷類型呈現(xiàn)種類多，批量小的特點(diǎn)。零件失效以耗損型失效為主，多為局部損傷，常見表現(xiàn)形式為磨損、劃傷、腐蝕、壓坑、裂紋等，主要損傷類型如表2所示。

表2 主要損傷類型

2.2 飛機(jī)零部件的再制造修理

目前，飛機(jī)修理主要采用定時(shí)維修的方式，通過故檢和無損檢測兩種方式對飛機(jī)零部件進(jìn)行損傷檢查。對于首件或故障原因不明的損傷零件，需要先進(jìn)行損傷檢查、表征分析和失效分析，然后進(jìn)行可維修性評估。

對于常見的故障損傷類型和通過可維修性評估的零部件修理流程如圖2所示。

圖2零部件修理流程圖

對于確定需要修復(fù)的零部件，采用先減材去除缺陷，再增材恢復(fù)外形，最后精加工恢復(fù)尺寸的方法，對零件進(jìn)行修復(fù)。

首先，對表面存在缺陷的零件，根據(jù)無損檢測給定的分布和深度，采用機(jī)械加工的方式對缺陷進(jìn)行去除，再進(jìn)行無損檢測確保缺陷完全被排除，然后對零件表面進(jìn)行清洗。根據(jù)修復(fù)方案，采用再制造成形技術(shù)恢復(fù)零件的尺寸外形。最后對零件進(jìn)行機(jī)械精加工，當(dāng)尺寸和粗糙度檢驗(yàn)合格后，對需要消除應(yīng)力的零件進(jìn)行去應(yīng)力回火。

再制造成形技術(shù)包括激光熔覆、等離子熔覆、電弧堆焊、爆炸噴涂等。圖3(a)所示為爆炸噴涂碳化鎢/鈷后的軸整體圖，3(b)為局部的細(xì)節(jié)圖。此軸為飛機(jī)前機(jī)輪軸里的一根芯軸，材料為TC2，工作面存在鉻層剝落，部分軸體存在壓坑，經(jīng)修復(fù)后的涂層表面狀態(tài)良好，結(jié)合強(qiáng)度高，所制定的修復(fù)技術(shù)指標(biāo)能夠滿足零件的裝配和使用要求。

圖3 修理后的軸

2.3 修理存在的主要問題

2.3.1 修復(fù)成功率低

由于部附件故障模式存在多樣性和隨機(jī)性，對于小批量零件修理手段單一，多采用手工作業(yè)。操作人員的技能水平對零件的修復(fù)成功率影響很大，極易造成零件的報(bào)廢和返修。

針對這一問題，工藝實(shí)施過程中需要盡量減少手工作業(yè)，尋求更加規(guī)范的修理手段。目前，在修復(fù)方面，金屬3D打印的應(yīng)用價(jià)值很大，在船舶、冶金方面已有很成功的案例[6]。

2.3.2 評價(jià)方法欠缺

一般零件是以恢復(fù)設(shè)計(jì)尺寸和幾何外形為最終目的，并使用無損檢測方法對修復(fù)部位進(jìn)行缺陷檢測，但是對修復(fù)部位的殘余應(yīng)力、接觸疲勞壽命等性能缺乏系統(tǒng)的評價(jià)方法。

壽命評估是再制造成形技術(shù)質(zhì)量控制與評價(jià)方法的一個(gè)難點(diǎn)，目前可以從技術(shù)指標(biāo)方面進(jìn)行評價(jià)。

3 再制造技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

3.1 工作原理

吸油活門是飛機(jī)在地面加油時(shí)的使用接口，地面液壓泵源用帶頂桿的軟管端頭將活門頂開，將液壓油箱內(nèi)的油液經(jīng)吸油活門吸出。吸油活門機(jī)上工作狀態(tài)如圖4所示，吸油活門結(jié)構(gòu)如圖5所示?；铋T的工作原理主要是通過一個(gè)活門與殼體通過線密封進(jìn)行工作，工作過程中由于頻繁的開啟、關(guān)閉，密封閥口容易出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致密封端面密封不良[7]，工作過程中液壓作用下出現(xiàn)滲漏，密封閥口處損傷如圖6所示。

圖4吸油活門機(jī)上工作狀態(tài)

圖5吸油活門結(jié)構(gòu)圖

圖6 密封閥口處損傷圖

由于飛機(jī)上產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中保留有一定的容限，可以采用“尺寸加工法”在容限許可范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)修理。首先，對產(chǎn)品進(jìn)行可維修性評估，根據(jù)產(chǎn)品工作狀態(tài)進(jìn)行ANSYS強(qiáng)度分析，確定密封閥口理論修理容限，然后按照確定的修理容限對閥口在修理容限范圍內(nèi)進(jìn)行車修，車修后去除應(yīng)力，對產(chǎn)品進(jìn)行裝配試驗(yàn)，對整體性能進(jìn)行評估，如圖7所示。

3.2 可維修性評估

活門結(jié)構(gòu)主要由殼體、活門、彎接頭、彈簧及堵帽等零件組成。其中殼體、活門為產(chǎn)品的主要承力部分，工作中液體壓力均勻分布于殼體內(nèi)壁與活門內(nèi)外壁，同時(shí)，活門還承受彈簧一個(gè)指向閥口端面的一個(gè)壓緊力，用于閥門的壓緊和復(fù)位，其受力情況如圖8所示。

圖8 殼體、活門部位受力分析

依據(jù)現(xiàn)有加工工藝條件，分梯度對不同模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，如圖9所示。

經(jīng)計(jì)算可知工作中可允許的最大車削量為1.125mm，并對車修量進(jìn)行去整，實(shí)際車修量以不超過1mm為限控制。

經(jīng)修理后產(chǎn)品試驗(yàn)合格，修復(fù)率達(dá)到90%以上。

圖9 模型強(qiáng)度分析

4 結(jié)語

飛機(jī)修理是將損壞、故障或到達(dá)規(guī)定使用期限的飛機(jī)恢復(fù)到規(guī)定技術(shù)狀態(tài)而進(jìn)行的技術(shù)活動(dòng)。由于飛機(jī)具有多次重復(fù)空中使用特性，再制造技術(shù)是讓航空裝備“再生”的重要和專業(yè)化手段。通過更先進(jìn)的再制造技術(shù)，輔以科學(xué)的評估方法，對零件實(shí)施再制造修理，給未來航空修理提供了新的思路。