飛機(jī)垂尾裝配孔徑超差分析及工藝優(yōu)化

梁曉宇 邵名煊 淡琳堯

摘 要：垂尾對接是大部件對接中的重要組成部分，是飛機(jī)裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對接質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響飛機(jī)的飛行安全及使用壽命。本文以垂尾對接過程中產(chǎn)生孔徑超差的主要原因，即鉸孔損傷及冷擠壓失敗進(jìn)行分析、論述，給出工藝改進(jìn)的具體措施。

關(guān)鍵詞：垂尾對接、孔徑超差、鉸孔、冷擠壓 問題描述

垂尾對接是大部件對接中的重要組成部分，是飛機(jī)裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對接質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響飛機(jī)的飛行安全。垂尾對接工藝流程中又以冷擠壓為一項(xiàng)重要的工藝過程，冷擠壓技術(shù)是一種冷加工工藝，主要用于提高飛機(jī)緊固件孔的疲勞壽命，施工過程是最大直徑大于孔直徑的高強(qiáng)度錐形芯棒從初孔內(nèi)拉過，錐形芯棒將軸向拉力轉(zhuǎn)變成對孔壁的徑向壓力和拉力，使孔邊區(qū)域產(chǎn)生塑性形變，目的是在孔邊形成切向殘余壓應(yīng)力，提高孔壁周圍材料的疲勞強(qiáng)度。

飛機(jī)總裝階段在進(jìn)行垂尾對接時(shí)，經(jīng)常發(fā)生垂尾對接孔孔徑超差問題，孔徑超差產(chǎn)生的原因一類為鉸孔過程中出現(xiàn)問題;另一種產(chǎn)生原因主要為冷擠壓失敗，二次擠壓或芯棒卡滯取卸過程中損傷孔壁，在精鉸時(shí)無法消除損傷處所致。針對這兩類問題，從故障現(xiàn)象出發(fā)，對垂尾對接鉸孔工藝過程進(jìn)行簡述，同時(shí)從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)影響產(chǎn)品質(zhì)量的方向分析造成垂尾鉸孔超差、冷擠壓過程失敗的原因。

一、垂尾對接工藝過程

總裝階段飛機(jī)垂尾對接在全機(jī)大部件對接的最后一步進(jìn)行，即機(jī)身各段對接完成→中外翼對接完成→外翼對接完成→垂平尾吊裝→平尾調(diào)姿態(tài)配鉸對接孔→垂尾對接配鉸對接孔。

垂尾的吊裝——調(diào)孔——初孔預(yù)制（邊校邊鉸）——精度銷插入——對角線鉸孔直至最后一個(gè)孔鉸完直接冷擠壓（一般來說，階差最大的孔最后一個(gè)鉸第一個(gè)冷擠壓，防止鉸孔及冷擠壓過程中因震動原因?qū)е裸~墊塊從單耳下方被擠出，使對接孔內(nèi)工藝銷“憋勁”——受徑向拉力而導(dǎo)致孔內(nèi)裝配位置變差）—— 鉸至終孔——塞規(guī)檢查——上對應(yīng)尺寸精度銷——對角線冷擠壓，鉸孔并經(jīng)塞規(guī)檢查完畢直至最后一個(gè)孔后安裝螺栓，其余孔按照對角線法依次將精度銷替換成螺栓。

1.調(diào)孔

垂尾與機(jī)身尾段連接結(jié)構(gòu)為單雙耳接頭裝配，因同軸度偏差，對接前必須先進(jìn)行調(diào)孔，檢查調(diào)整后的后梁孔階差能否滿足鉸孔條件，是否需要銑孔處理同軸度過大問題。首先選用適合的工藝銷插入前梁初孔，選擇銅墊塊墊在單耳下部，消除對接孔上下階差，保證前梁單雙耳孔位匹配。因?yàn)殂~的硬度低，延展性好，相互擠壓不會損傷單耳。若先調(diào)整后梁孔，前梁孔徑小，正常裝配尺寸偏差積累下可能會造成前梁階差過大，無法調(diào)整至鉸孔狀態(tài)。然后在后梁選擇合適尺寸的工藝銷插入對接孔內(nèi)完成調(diào)孔工作。后梁孔插入工藝銷同軸度偏差不得大于0.5mm，若高于這個(gè)尺寸，會存在無法在設(shè)計(jì)要求終孔尺寸內(nèi)鉸掉臺階而造成初孔尺寸超差的風(fēng)險(xiǎn)。

2.初孔預(yù)制

為開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化工藝過程的前期準(zhǔn)備，包括鉸孔和初孔檢測。被擠壓初孔的尺寸精度控制在H9，表面粗糙度應(yīng)控制在Ra1.6以下，孔口無毛刺，孔壁無軸向刮痕。在鉸制初孔時(shí)，尤其是使用公差為0.05，精度為H9的精加工鉸刀時(shí)，選擇刀刃完好及刃帶磨損小的鉸刀，勻速鉸孔，及時(shí)上油，保證初孔粗糙度、垂直度、孔精度均滿足設(shè)計(jì)要求。將前后梁孔鉸至要求尺寸孔徑后，再進(jìn)行后續(xù)的冷擠壓工作。

3.冷擠壓過程

3.1冷擠壓過程

冷擠壓是強(qiáng)化工藝的關(guān)鍵過程，包括芯棒的檢測、清理，鼻頂帽的檢查、安裝，芯棒的安裝，設(shè)備試驗(yàn)，襯套安裝，冷擠壓，拆除襯套一整個(gè)過程。擠壓過程保證手持設(shè)備姿勢不變、無顫抖，擠壓速度穩(wěn)定、無振動，動力源持續(xù)供壓，否則容易導(dǎo)致卡棒甚至斷棒等事故發(fā)生，冷擠壓過程如下圖1所示。

在整個(gè)強(qiáng)化過程中，芯棒大端通過孔時(shí)，孔內(nèi)壁受到擠壓先發(fā)生彈性變形，當(dāng)擠壓變形力超過材料屈服極限時(shí)，發(fā)生塑性變形。因此，在孔壁一定深度范圍內(nèi)的金屬層發(fā)生彈性變形，與該層相鄰的材料發(fā)生塑性變形。當(dāng)芯棒拉出孔后，孔壁表層發(fā)生彈性變形的材料在內(nèi)應(yīng)力的作用下開始回彈，并對塑性變形層形成反向擠壓，從而在孔壁一定范圍內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力區(qū)。其中負(fù)值為壓應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力。

影響冷擠壓的主要工藝參數(shù)包括：初孔直徑、擠壓量、擠壓力等。

3.2影響冷擠壓的工藝參數(shù)

3.2.1初孔直徑

初孔直徑的大小直接影響后續(xù)冷擠壓的擠壓量及擠壓力大小，選擇主要依據(jù)擠壓量、回彈量和鉸削量大小。合適的初孔孔徑直接影響孔內(nèi)形成的切向殘余壓應(yīng)力，隨著擠壓量的增加，殘余壓應(yīng)力沿徑向呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

3.2.2擠壓量

擠壓量直接影響冷擠壓工藝帶來的抗疲勞強(qiáng)度效果;若擠壓量過小，彈塑性變形區(qū)域小，強(qiáng)化效果有限;若擠壓量過大，容易在孔口周圍產(chǎn)生微裂紋等微觀缺陷，從而降低疲勞壽命。

在多架機(jī)實(shí)際擠壓過程中，發(fā)現(xiàn)芯棒與襯套也會隨著孔壁的擴(kuò)大而受壓變形。即在擠壓力作用下，擠壓量的大小由孔壁、襯套以及芯棒吸收。一般情況下，擠壓量的70%被孔壁吸收，擠壓量大小主要取決于被擠壓孔的材料強(qiáng)度、熱處理方法、初孔直徑、孔深及孔邊距等因素。

3.2.3擠壓力

擠壓時(shí)產(chǎn)生的塑性形變直接決定擠壓力的大小，主要影響因素有孔的材料強(qiáng)度、擠壓量、孔深度及孔的結(jié)構(gòu)關(guān)系，其中對接孔的裝配結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致擠壓力增大的重要原因。

4.終孔鉸制

通過鉸掉凸脊和孔口堆積獲得所需終孔尺寸，擠壓后的孔要求精度達(dá)到H9，表面粗糙度應(yīng)控制在Ra1.6以下。因?yàn)殂q削量過大會導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力最大值逐漸減小，見下圖2。

二、鉸孔過程中出現(xiàn)問題的原因分析

孔徑超差是垂尾對接過程中最容易發(fā)生的問題，垂尾對接處的孔徑特性是靠鉸孔工作來加工完成的，包括對接過程中的鉸初孔及冷擠壓后的鉸終孔，全都離不開鉸孔工藝過程，鉸孔中主要影響的因素為調(diào)孔的質(zhì)量，鉸孔過程中的操作，鉸刀選擇及材料的影響。

1.調(diào)孔時(shí)未消除孔內(nèi)階差，鉸孔后無法消除

在鉸孔過程中，若操作人員操作粗心，如未按規(guī)定調(diào)孔，使另一側(cè)對接孔單雙耳同軸度相差過大，在后續(xù)鉸孔過程中無法消除孔內(nèi)階差，從而導(dǎo)致無法進(jìn)行冷擠壓加工或冷擠壓失敗。

2.鉸孔過程中頻率不一致，操作不規(guī)范

由于裝配結(jié)構(gòu)及鉸孔所處空間受限，無法滿足自動鉆孔所需的穩(wěn)定工作環(huán)境和精度控制，現(xiàn)階段主要依靠人力鉸孔，若鉸孔頂緊力過大，容易造成進(jìn)刀口處明顯震刀紋，而當(dāng)鉸杠擺動頻率變化過大，極易在內(nèi)孔壁留下明顯的軸向加工刀痕，造成超差。

鉸孔過程中，要經(jīng)常注意清除粘在刀齒的切屑，若發(fā)生鉸刀在孔內(nèi)卡滯，需順時(shí)針退刀，并清理孔內(nèi)及刀刃部位的切屑，否則切屑隨刀刃在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動，會造成孔壁劃傷。在最后幾刀精加工鉸孔中，若刀刃加工部位未上油，鉸刀與孔壁則會發(fā)生干摩擦，降低終孔表面粗糙度。

3.鉸刀選用不合理，使用過程中磨損

選用鉸刀的尺寸不合理會導(dǎo)致背吃刀量過大或過小，過大會造成鉸削困難吃刀太深，孔壁不光，而且鉸刀易磨損，使用壽命低;過小會造成上刀遺留刀痕無法消除，達(dá)不到鉸孔要求。

鉸刀刀刃不鋒利，刃帶粗糙，則鉸出的孔精度無法滿足設(shè)計(jì)要求，孔壁鉸削量變小，導(dǎo)致冷擠壓時(shí)相對擠壓量增大，對于動力源提供的輸出壓力及容積流量要求均提高，增大了冷擠壓孔的風(fēng)險(xiǎn)。

4.垂尾接頭材料鉸孔難度大

主要涉及冷擠壓接頭材料及工具材料，冷擠壓接頭材料為某材料鋼，一種低合金超高強(qiáng)度鋼，強(qiáng)度高，綜合性能好。同時(shí)也會造成鉸削困難，鉸削過程中孔內(nèi)溫度升高極易導(dǎo)致材料產(chǎn)生粘刀情況，所以對鉸刀材料及鉸孔人員技能水平要求極高。

三、冷擠壓過程中出現(xiàn)問題的原因分析

冷擠壓是垂尾對接最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，絕大多數(shù)垂尾接頭對接孔超差都是因?yàn)槔鋽D壓失敗，芯棒卡滯無法取出，在取芯棒時(shí)損傷孔口或孔壁導(dǎo)致的，后續(xù)鉸孔無法消除損傷。冷擠壓失敗外在表現(xiàn)為芯棒卡滯甚至斷裂，但深層分析原因是人員、設(shè)備、材料、方法、環(huán)境各方面因素共同影響所造成結(jié)果，需要針對各種可能導(dǎo)致冷擠壓失敗的原因進(jìn)行分類分析，分析見下圖3。

1.人的因素

垂尾對接為多人團(tuán)隊(duì)協(xié)作，由開始的調(diào)孔，?？?，配合鉸至初孔，冷擠壓擴(kuò)孔，最后鉸冷擠壓凸臺至終孔。在?？走^程中，操作人員未時(shí)刻關(guān)注鉸刀出口處引導(dǎo)桿的伸出量，無法保證孔的垂直度，在某一方向?？走^度導(dǎo)致孔出口處橢圓或垂直度差，直接影響冷擠壓的順利進(jìn)行。

2.設(shè)備因素

設(shè)備一般指機(jī)器設(shè)備，包括儀器設(shè)備，測量用具，工具等。垂尾對接設(shè)備主要有鉸刀、鉸杠、精度銷、塞規(guī)、空壓機(jī)、液壓泵和冷擠壓設(shè)備，液壓泵及冷擠壓設(shè)備均為進(jìn)口設(shè)備，按照維護(hù)保養(yǎng)要求操作進(jìn)行。根據(jù)前期使用情況來看，液壓泵和冷擠壓設(shè)備基本未出現(xiàn)過問題，導(dǎo)致冷擠壓過程不可控的主要因素來自于空壓機(jī)。

使用空壓機(jī)主要問題是供壓不足。空壓機(jī)頻繁加卸載、不當(dāng)操作、儲氣罐未定期排污、管路堵塞、設(shè)備額定參數(shù)不匹配、輸出壓力上下閾值設(shè)置不合理以及空壓機(jī)本身的故障都會導(dǎo)致冷擠壓過程中氣源壓力不足?？諌簷C(jī)作為冷擠壓過程中的動力源，如果發(fā)生供壓不穩(wěn)或供壓不足情況，芯棒在初孔中受到拉力不足，將會造成芯棒卡滯無法取出情況?？諌簷C(jī)使用過程中的主要問題有：

1）空壓機(jī)輸出壓力設(shè)定上下限壓力范圍過小，而空壓機(jī)本身增壓快，極易從下限增壓到上限造成加卸載頻繁;

2）空壓機(jī)選型與液壓泵不匹配，用氣量過小;

3）其它原因，如單向閥、止回閥松脫等元件問題;

4）空壓機(jī)當(dāng)做風(fēng)源頻繁使用，導(dǎo)致內(nèi)部閥門等元件老化故障;

5）未定期排污，回流管路導(dǎo)致部件堵塞，造成空氣壓力不足或流量不足;

6）橡膠管路老化及連接接頭磨損嚴(yán)重，動力傳輸損失嚴(yán)重。

3.方法因素

因受裝配精度制約，垂尾對接通過配鉸的形式以滿足單雙耳對接孔同軸的裝配關(guān)系，然后再進(jìn)行冷擠壓，單雙耳之間存在軸向間隙，且單耳兩側(cè)間隙不一致，加上裝配精度制約，導(dǎo)致單雙耳徑向同軸度差。在芯棒擠壓通過對接孔時(shí)，尤其是單雙耳兩側(cè)間隙的存在，單耳隨金屬流動方向產(chǎn)生軸向位移，因同軸度差芯棒對周圍孔壁產(chǎn)生受力不均的徑向壓應(yīng)力，同時(shí)對孔內(nèi)襯套也造成拉扯作用，擠壓力瞬間增大，若此時(shí)液壓泵不能提供持續(xù)穩(wěn)定動力，則必將造成芯棒卡滯甚至斷裂，這也是飛機(jī)冷擠壓失敗的主要原因之一。

4.環(huán)境因素

作業(yè)空間受限，平尾工作平臺工作面過高。在進(jìn)行冷擠壓時(shí)，需人持冷擠壓設(shè)備保持設(shè)備輸出端口與擠壓端面相對垂直以保證同軸度，而平臺工作面過高導(dǎo)致蹲姿手持設(shè)備時(shí)，背后無承力點(diǎn)且設(shè)備在冷擠壓過程中反作用力大，高空作業(yè)危險(xiǎn)，而坐姿狀態(tài)則需操作者彎腰前傾，增大操作困難。平臺工作區(qū)域相對較小，設(shè)備工具占用空間大，冷擠壓過程屬于關(guān)鍵工序，涉及人員多，工作環(huán)境相對復(fù)雜。

四、根據(jù)以上影響垂尾對接過程的因素提出解決整改措施

根據(jù)以上分析內(nèi)容，垂尾對接過程中出現(xiàn)問題的主要原因?yàn)槔鋽D壓失敗，冷擠壓失敗最主要原因?yàn)榭諌簷C(jī)供壓不足，垂尾接頭單雙耳存在間隙，冷擠壓時(shí)單耳軸向竄動，增大了冷擠壓棒受到的阻力。其余原因?yàn)殂q孔人員、環(huán)境、工具等因素，針對這些問題分別制定相應(yīng)的措施。

1.動力源

調(diào)整參數(shù)或更換大功率空壓機(jī)，以解決空壓機(jī)供壓不足問題?？諌簷C(jī)作為冷擠壓專用設(shè)備，合理設(shè)置空壓機(jī)參數(shù)以滿足冷擠壓要求，且不得用于其它氣源工作。

1）輸出壓力設(shè)定為0.75MPa～0.8MPa，滿足液壓泵工作壓力的同時(shí)，盡可能擴(kuò)大輸出壓力范圍;

2）現(xiàn)空壓機(jī)為螺桿空壓機(jī)，排氣壓力為0.8MPa，容積流量為5m3/min，而液壓泵需90—120psi（6.2—8.3bar）輸入壓力，40—50cfm（即1.3-1.4m3/min）空氣流量通過12.7mm內(nèi)徑空氣軟管提供動力，算上動力輸送過程中管路及接頭處的損耗，設(shè)備完全能夠滿足動力源要求。建議配置有兩個(gè)100L容量，最高工作壓力為1.25MPa的儲氣瓶，能夠有效平衡系統(tǒng)壓力及減少空壓機(jī)頻繁加卸載;

3）及時(shí)清理。定期清理儲氣罐內(nèi)的油水?，F(xiàn)用空壓機(jī)與液壓泵相連管路為外徑16mm，內(nèi)徑12mm的空氣軟管，軟管與接頭部位連接牢固可靠，完全滿足使用需求。

2.接頭間隙

接頭單雙耳間隙處墊錫紙消除間隙，減少冷擠壓過程中接頭軸向竄動增大芯棒阻力。在冷擠壓時(shí)，加裝工裝夾具保證冷擠壓過程中芯棒沿?cái)D壓方向保持軸向運(yùn)動，不晃動;在接頭處填入錫紙耳片消除間隙，以防冷擠壓過程中芯棒在間隙處受力不均，擠壓力瞬間過大而液壓泵動力不足導(dǎo)致芯棒卡滯的情況，保證間隙及單耳處擠壓力均處于平衡狀態(tài)。

3.人員方面

加強(qiáng)操作團(tuán)隊(duì)的協(xié)作意識和責(zé)任心教育，杜絕隨心操作。通過老師傅與新工人的傳幫帶，鼓勵(lì)新工人多觀察，多發(fā)問，勤動腦，多上手的方式，培養(yǎng)新工人實(shí)際操作能力，了解垂尾對接相關(guān)基本知識，熟悉相關(guān)工藝方法及工藝流程。

4.測量用具方面

測量工具包括精度銷、塞規(guī)、環(huán)規(guī)。按規(guī)定定期送檢，使用前目視檢查測量用具外表有無破損，嚴(yán)格按照使用要求檢測孔口大小是否滿足設(shè)計(jì)尺寸要求，芯棒能否正常使用。

5.工具方面

1）申請與機(jī)上被加工材料及熱處理?xiàng)l件一致的試驗(yàn)件，新鉸刀在地面進(jìn)行試刀試驗(yàn)，用油石去除刀刃毛刺;

2）在使用鉸刀上機(jī)鉸孔前，需目視檢查鉸刀刀刃磨損程度，有無崩裂、缺口，不合格刀具需做報(bào)廢處理，不得上機(jī)使用。

6.環(huán)境控制方面

1）專人指揮，禁止無關(guān)人員在工作平臺及周圍出現(xiàn);

2）冷擠壓過程中以手持設(shè)備的人為主，其余兩人在旁輔助，在冷擠壓設(shè)備相對對接面豎直狀態(tài)下按動設(shè)備扳機(jī)并保持作業(yè)姿勢不變，待冷擠壓完畢后，松開扳機(jī)將設(shè)備歸位，并斷開設(shè)備氣源。

五、驗(yàn)證情況

通過上述工藝措施的執(zhí)行，經(jīng)過后續(xù)幾架飛機(jī)垂尾對接過程驗(yàn)證，均未出現(xiàn)芯棒卡滯及孔徑超差問題，說明針對此問題的分析到位，改進(jìn)措施針對性強(qiáng)，效果明顯。

作者簡介：

梁曉宇，男，漢族，重慶萬州1988.5.25，碩士，航空工業(yè)陜飛，工程師，航空裝備制造，723213。