擰緊工藝對(duì)復(fù)材構(gòu)件臨時(shí)緊固件夾緊力的影響

黃穩(wěn)，嚴(yán)晨，凡志磊，王華

(1. 中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324；2. 上海交通大學(xué) 上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418)

0 引言

在飛機(jī)裝配過程中，由于零件制造偏差、定位誤差等因素的存在，且型架定位夾緊裝置間隔較遠(yuǎn)，初始裝配間隙難以避免。此外在制孔階段，由于制孔軸力的影響，疊層間隙被打開，制孔間隙嚴(yán)重影響了制孔質(zhì)量。因此需要預(yù)先對(duì)薄壁構(gòu)件進(jìn)行臨時(shí)連接，以消除初始間隙、抑制制孔間隙、增加定位精度等[1]。由于此連接在整個(gè)裝配過程中會(huì)經(jīng)歷多次拆裝，因此被稱為臨時(shí)緊固。針對(duì)這一特殊工藝需求，航空制造商采用了專門的臨時(shí)緊固件以進(jìn)行臨時(shí)緊固，與傳統(tǒng)螺栓相比，臨時(shí)緊固件具有: 單人安裝，節(jié)省成本；單側(cè)安裝，操作方便；尺寸較大，避免遺留等優(yōu)點(diǎn)，從而在裝配現(xiàn)場(chǎng)得到廣泛使用。

然而隨著具有比重小、強(qiáng)度高、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在航空中應(yīng)用的比例逐漸提高，臨時(shí)緊固件的安裝出現(xiàn)了問題：由于臨時(shí)緊固件頂端的夾緊腳面積較小，過大的夾緊力會(huì)導(dǎo)致復(fù)材孔周邊的損傷破壞，給飛機(jī)復(fù)材結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性帶來了嚴(yán)重隱患；且由于復(fù)材的高剛性，較小的夾緊力下其臨時(shí)緊固效果并不明顯。隨著航空精準(zhǔn)裝配概念的提出，需要對(duì)臨時(shí)緊固件的連接夾緊力進(jìn)行控制。

雖然對(duì)于臨時(shí)緊固件的擰緊工藝研究較少，但可以從螺栓擰緊研究中得到借鑒，這是因?yàn)榕R時(shí)緊固件本質(zhì)上也屬于螺紋連接。最早在1976年MOTOSH N[2]對(duì)螺紋安裝過程進(jìn)行研究，并推導(dǎo)了擰緊過程中轉(zhuǎn)矩系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。DUFFEY T A等[3]在仿真分析中構(gòu)建了螺紋模型，分析了連接件中螺栓螺紋處載荷情況，檢驗(yàn)螺紋處是否會(huì)受損，并根據(jù)螺栓承受動(dòng)載荷時(shí)的狀態(tài)變化，得到螺栓預(yù)緊力的主要影響因素，最終對(duì)施加預(yù)緊力的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了優(yōu)化。ZHANG X W等[4]針對(duì)小型螺栓提出了基于預(yù)緊力精確控制數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)轉(zhuǎn)矩法，并在模型中補(bǔ)償了頭下摩擦和螺紋摩擦對(duì)預(yù)緊力精確控制的影響。試驗(yàn)證明該方法能夠減小摩擦對(duì)預(yù)緊力誤差的影響。PERSSON E等[5]通過試驗(yàn)對(duì)比了轉(zhuǎn)矩控制法、轉(zhuǎn)角控制法、伸長(zhǎng)量控制法(超聲波檢測(cè))對(duì)螺栓預(yù)緊力的控制精度，結(jié)果表明伸長(zhǎng)量控制法(超聲波檢測(cè))最為精確，誤差約2.9%，轉(zhuǎn)矩控制法最低，誤差約18%。OMIYA Y等[6]針對(duì)管道法蘭的螺栓擰緊工藝進(jìn)行了研究，重點(diǎn)討論了擰緊順序、轉(zhuǎn)矩偏差、墊片材料對(duì)螺栓預(yù)緊力的影響規(guī)律。ZHU L B等[7]基于非線性接觸力學(xué)建立了螺栓的轉(zhuǎn)矩-夾緊力模型，研究了螺距、螺紋角、摩擦因數(shù)、轉(zhuǎn)矩對(duì)螺栓預(yù)緊力的影響規(guī)律。李小強(qiáng)等[8]基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中TC4鈦合金單螺栓連接工藝實(shí)驗(yàn)，研究了不同擰緊策略對(duì)裝配預(yù)緊力大小及穩(wěn)定性的影響，并探索了螺栓預(yù)緊力短時(shí)衰減規(guī)律。

通過上述分析可知，螺栓預(yù)緊力的控制受到裝配接合面的影響，不同的擰緊策略對(duì)于螺栓預(yù)緊力的控制精度不同。但由于受到空間、效率及成本的限制，航空裝配現(xiàn)場(chǎng)仍使用的是氣動(dòng)擰緊工具，前述螺栓連接的擰緊策略并不能有效地遷移到臨時(shí)緊固件的擰緊上來，且所研究的被連接件主要是金屬材料，其與碳纖維復(fù)合材料有著較大差異。因此需要對(duì)復(fù)材構(gòu)件上的臨時(shí)緊固件擰緊工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文基于搭建的臨時(shí)緊固工藝實(shí)驗(yàn)臺(tái)，探討了擰緊工藝對(duì)臨時(shí)緊固件夾緊力的大小及控制精度的影響，具體的工藝因素包括輸入氣壓、擰緊氣槍、臨時(shí)緊固件、復(fù)材構(gòu)件厚度等。以典型的航空復(fù)材裝配結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，探索了臨時(shí)緊固件夾緊力的短時(shí)衰減規(guī)律，為航空裝配現(xiàn)場(chǎng)的工藝改進(jìn)提供參考。

1 臨時(shí)緊固工藝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

按某飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選取復(fù)材板材料、厚度、安裝孔徑。臨時(shí)緊固件安裝實(shí)驗(yàn)件設(shè)計(jì)如圖1所示，其由上下兩塊復(fù)材板及臨時(shí)緊固件組成，復(fù)材板厚度分別為9.6 mm和3.4 mm，安裝孔徑為4.9 mm。

圖1 臨時(shí)緊固實(shí)驗(yàn)件結(jié)構(gòu)圖

臨時(shí)緊固件選用的是目前國(guó)際上各大航空制造商常用的3種類型：六角兩瓣式(國(guó)外A公司)、大底腳兩瓣式(國(guó)外A公司)、多瓣式(國(guó)外B公司)。擰緊氣槍分別為英格索蘭-W500-30-931-GB、英格索蘭-W880-20-821-CH-IR、阿特拉斯-VISS.VPA7527D1-10(圖2)。

圖2 臨時(shí)緊固件與擰緊氣槍

1.2 臨時(shí)緊固工藝實(shí)驗(yàn)臺(tái)

本文研究均在自研的臨時(shí)緊固工藝實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，如圖3所示，臨時(shí)緊固工藝實(shí)驗(yàn)臺(tái)前側(cè)為轉(zhuǎn)矩-夾緊力采集系統(tǒng)，后側(cè)控制箱內(nèi)為電氣元件，右上方嵌入了一塊觸摸屏。為了對(duì)輸入氣壓進(jìn)行控制，在控制箱內(nèi)裝有電氣比例閥，并在觸摸屏上即可調(diào)節(jié)。氣壓輸入到擰緊氣槍中后，擰緊氣槍帶動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩傳感器帶動(dòng)臨時(shí)緊固件轉(zhuǎn)動(dòng)，臨時(shí)緊固件夾緊復(fù)材板，產(chǎn)生夾緊力由壓力傳感器測(cè)得。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)壓力傳感器選用的是德國(guó)梅斯泰克品牌的K-2529系列，其測(cè)量范圍為0～10 kN，測(cè)量精度為1%。

圖3 臨時(shí)緊固工藝實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2 輸入氣壓對(duì)夾緊力影響

擰緊氣槍一般可分為變轉(zhuǎn)矩和定轉(zhuǎn)矩兩大類，其中變轉(zhuǎn)矩氣槍可以根據(jù)輸入氣壓的不同輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩以進(jìn)行擰緊，而定轉(zhuǎn)矩則是不同輸入氣壓下其輸出轉(zhuǎn)矩均一致。如前文中的英格索蘭公司的氣槍均為變轉(zhuǎn)矩，而阿特拉斯公司的氣槍為定轉(zhuǎn)矩。圖4所示為3種類型的臨時(shí)緊固件在進(jìn)行安裝時(shí)的氣壓-夾緊力關(guān)系圖。當(dāng)輸入氣壓由0.3 MPa增加到0.7 MPa時(shí)，擰緊氣槍輸出的轉(zhuǎn)矩以及臨時(shí)緊固件所產(chǎn)生的夾緊力也隨之增加。由于輸出轉(zhuǎn)矩與輸入氣壓近似呈線性關(guān)系，因而臨時(shí)緊固夾緊力與輸入氣壓也近似呈線性關(guān)系。由于擰緊氣槍的輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性，相同氣壓下，多次安裝的臨時(shí)緊固夾緊力是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的。

圖4 氣壓-夾緊力關(guān)系圖

3 擰緊氣槍對(duì)夾緊力影響

傳統(tǒng)的螺栓擰緊方法主要分為轉(zhuǎn)矩控制法和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)角控制法兩種，由于輸入力矩需要克服螺紋副之間的摩擦和螺栓與被連接件支撐面之間的摩擦，因此相同轉(zhuǎn)矩下預(yù)緊力的大小還與螺帽和被連接件之間的潤(rùn)滑條件、加工精度、表面粗糙度等有關(guān)。單純的轉(zhuǎn)矩控制法仍會(huì)產(chǎn)生不小的預(yù)緊力偏差，因此需要引入轉(zhuǎn)角控制法來進(jìn)一步保證預(yù)緊力的一致性。但對(duì)于臨時(shí)緊固件而言，與被連接件接觸的外殼在安裝中保持靜止，因而被連接件對(duì)最終夾緊力的影響較小，單純的轉(zhuǎn)矩即能對(duì)夾緊力產(chǎn)生顯著影響。

對(duì)于航空裝配現(xiàn)場(chǎng)中常用的變轉(zhuǎn)矩?cái)Q緊氣槍和定轉(zhuǎn)矩?cái)Q緊氣槍，變轉(zhuǎn)矩?cái)Q緊氣槍是由輸入氣壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)直接擰緊臨時(shí)緊固件，而定轉(zhuǎn)矩氣槍在氣動(dòng)馬達(dá)與臨時(shí)緊固件之間還存在一個(gè)離合器，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到離合器設(shè)定的輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，離合器立即斷開，從而在理論上保證了輸出轉(zhuǎn)矩的一致性。下面就擰緊氣槍對(duì)夾緊力的影響進(jìn)行研究，分別對(duì)3種不同類型的臨時(shí)緊固件，保持變轉(zhuǎn)矩?cái)Q緊氣槍的輸入氣壓不變進(jìn)行10次安裝實(shí)驗(yàn)，保持定轉(zhuǎn)矩?cái)Q緊氣槍的輸入氣壓不變進(jìn)行10次安裝實(shí)驗(yàn)。圖5所示為3種臨時(shí)緊固件在變轉(zhuǎn)矩?cái)Q緊氣槍和定轉(zhuǎn)矩?cái)Q緊氣槍安裝下的夾緊力箱線圖， 可以明顯看出在保持輸入氣壓不變的情況下，定轉(zhuǎn)矩?cái)Q緊氣槍安裝所得到的夾緊力偏差范圍較變轉(zhuǎn)矩?cái)Q緊氣槍小，其一致性更高。

圖5 擰緊氣槍-夾緊力箱線圖

4 復(fù)材厚度對(duì)夾緊力影響

對(duì)比不同厚度復(fù)材板下的臨時(shí)緊固件安裝(圖6)，可以看出當(dāng)六角兩瓣式臨時(shí)緊固件夾緊9.6 mm厚的復(fù)材板時(shí)，其夾緊力與復(fù)材板厚度為4.2 mm的夾緊力相近，差異在1.3%～2.3%之間，且并未觀察到明顯的趨勢(shì)，因此可以認(rèn)為復(fù)材板厚度的增大不會(huì)對(duì)六角兩瓣式臨時(shí)緊固件的夾緊力產(chǎn)生影響。

圖6 安裝厚度對(duì)夾緊力影響

當(dāng)大底腳兩瓣式臨時(shí)緊固件夾緊9.6 mm厚的復(fù)材板時(shí)，其夾緊力與復(fù)材板厚度為4.2 mm的夾緊力相比減小了9.9%～19.7%。考慮原因是大底腳兩瓣式臨時(shí)緊固件的彈性爪呈一弧度，在緊固件夾緊時(shí)彈性爪會(huì)與孔壁發(fā)生摩擦，當(dāng)復(fù)材板厚度增大時(shí)，彈性爪與復(fù)材孔壁的摩擦?xí)r間長(zhǎng)，擰緊氣槍的轉(zhuǎn)速稍低，因而造成了臨時(shí)緊固件的最終夾緊力的降低。因此可以認(rèn)為復(fù)材板厚度的增大會(huì)稍稍降低大底腳兩瓣式臨時(shí)緊固件的夾緊力。

當(dāng)多瓣式臨時(shí)緊固件夾緊9.6 mm厚的復(fù)材板時(shí)，其夾緊力與復(fù)材板厚度為4.2 mm的夾緊力相近，差異在1%～4.7%之間，且并未觀察到明顯的趨勢(shì)?？紤]到擰緊氣槍安裝多瓣式臨時(shí)緊固件的夾緊力波動(dòng)范圍達(dá)到了12%，因此可以認(rèn)為復(fù)材板厚度對(duì)多瓣式臨時(shí)緊固件的夾緊力沒有影響。

5 臨時(shí)緊固件夾緊力短時(shí)衰減規(guī)律

臨時(shí)緊固件在安裝完成后，由于螺紋的微動(dòng)現(xiàn)象以及復(fù)材的黏彈特性，夾緊力會(huì)隨著時(shí)間的增加出現(xiàn)衰退現(xiàn)象。在安裝現(xiàn)場(chǎng)，特別是密封劑固化現(xiàn)場(chǎng)，臨時(shí)緊固件的夾緊力對(duì)于密封劑的固化效果至關(guān)重要，因此對(duì)臨時(shí)緊固件的夾緊力時(shí)效進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖7所示為六角兩瓣式臨時(shí)緊固件、大底腳兩瓣式臨時(shí)緊固件、多瓣式臨時(shí)緊固件在13 mm厚度復(fù)材上安裝后，夾緊力隨時(shí)間變化的曲線。六角兩瓣式臨時(shí)緊固件的夾緊力在4 h后降低了13.1%，24 h后降低了18.6%，48 h后降低了19.7%。大底腳兩瓣式臨時(shí)緊固件的夾緊力在4 h后降低了6.3%，24 h后降低了8.3%，48 h后降低了11.8%。多瓣式臨時(shí)緊固件的夾緊力在4 h后降低了8.2%，24 h后降低了9.2%，48 h后降低了11.6%。可以看出，多瓣式臨時(shí)緊固件的夾緊力衰退速度最慢，大底腳兩瓣式臨時(shí)緊固件的夾緊力衰退速度次之，六角兩瓣式臨時(shí)緊固件的夾緊力衰退速度最快。

圖7 臨時(shí)緊固件夾緊力衰退曲線

6 結(jié)語

本文基于搭建的臨時(shí)緊固工藝實(shí)驗(yàn)臺(tái)，探討了擰緊工藝對(duì)臨時(shí)緊固件夾緊力的大小及控制精度的影響。結(jié)果表明：對(duì)于變轉(zhuǎn)矩?cái)Q緊氣槍，夾緊力與安裝氣壓之間近似呈線性關(guān)系；定轉(zhuǎn)矩?cái)Q緊氣槍能夠顯著降低臨時(shí)緊固件夾緊力分散程度；大底腳兩瓣式臨時(shí)緊固件的夾緊力隨復(fù)材板厚度增加而下降，六角兩瓣式和多瓣式臨時(shí)緊固件則不受復(fù)材板厚度影響；臨時(shí)緊固件夾緊力在擰緊完成后的4 h之內(nèi)衰退最快，大致占總衰退量的60%～70%，8 h后臨時(shí)緊固件夾緊力保持穩(wěn)定。