“咬定青山不放松,任尔东西南北风”——事关飞行安全的航空紧固件

航空制造网2019-04-08 08:12:34


随着航空工业飞速展,大量飞机同时开发,航空紧固件工业迎来了史无先例的新纪元。紧固件在飞机上广泛分布,在一架典型的双通道飞机的机身和机翼上,至少有几十万个航空紧固件,小小的紧固件虽然很小但它对航天航空设备的正常运作起到关键性作用。这些紧固件就像飞机的纽扣一样为飞机的飞行保驾护航。


一、航空紧固件的简介


航空紧固件:将飞机的成千上万个零部件连接组成一个整体,同时在零部件直径传递载荷、协调变形。正是因为航空紧固件形状和作用类似日常的铆钉,故航空紧固件又俗称为钉子,图1为一些常用的航空紧固件。


 

图1:常用航空紧固件


紧固件分为螺栓、螺钉、垫圈、螺母等组。螺栓组主要有双头螺栓,槽用螺栓、六角头螺栓、关节螺栓,螺孔螺栓、过渡螺栓等。螺钉租主要有钻套螺钉、紧定螺钉、圆柱头螺钉、内六角螺钉、球头螺钉、压紧螺钉、沉头螺钉等。垫圈组主要有平垫圈、球面垫圈、锥面垫圈、快卸垫圈等。螺母组主要有长方形螺母、带肩螺母、六方螺母、圆螺母、压紧螺母、快卸螺母、过渡螺母、T形螺母等(图2各种类型的普通紧固件)。

 

图2:各类型紧固件


二、航空紧固件的用途


飞机上有很多类似螺丝、铆钉一样的东西。那就是紧固件,又叫连接件。是机体结构中必不可少的零部件之一。紧固件是现代工业产品中最重要的机械零件之一,紧固件主要用于链接组合夹具中的各种遇见及紧固被加工工件。为了提高夹具的刚性,中型系列的紧固螺栓采用细牙螺纹,主要考虑它的连接强度好、紧固可靠,不易松脱。各系列紧固螺栓所选用的材料,精度和热处理等方面都优于一般标准紧固件,而且采用冷拉、热镦。滚丝等新工艺,螺栓强度显著提高。紧固件在组合夹具中所占比例很大,其数量约占一半以上。图3所示,以空客A380为例子,从机身、机翼、尾翼、起落装置、动力装置、机身蒙皮、舱门、机身与机翼对接隔框等等众多部位都会用到紧固件,即使在使用更先进的生产工艺技术和复合材料大量使用的前提下,整个飞机的紧固件使用量也是几十万件。

 

图3:空客A380


三、航空紧固件制造工艺


小小的紧固件对工艺的要求是非常的,以一个螺钉为例子图4所示,这样一个专用铆钉,如果普通的铆钉市场价仅需不到几十元,但是一个高质量的进口航空铆钉则需要几百元。航空紧固件的要求远非普通紧固件制造工艺能满足的,在生产紧固件的工艺中,任何流程都要做到极致,才能生产出合格的高质量航空紧固件。

  


图4:航空螺钉生产工艺


  高强度螺纹紧固件生产的工艺过程为原材料改制→冷镦成形→螺纹加工(滚丝或者搓丝)→热处理→表面处理→分选包装,10.9级以上一般采用热处理后滚丝工艺。同时热处理是非常重要的,热处理调质是为了提高紧固件的综合力学性能,满足产品规定的抗拉强度值和屈强比。调质热处理工艺对原材料、炉温控制、炉内气氛控制、淬火介质等都有严格的要求。主要控制缺陷有材料的心部碳偏析、材料及退火过程中的表面脱碳、冷镦裂纹、调质中的淬火开裂和变形。热处理工艺:上料→清洗→加热→淬火→清洗→回火→着色→下线。产品使用之前都会做大量的有限元模拟和真实的加载实验,以确保万无一失。


四、航空紧固件相关企业


目前世界上航空紧固件主要由美国美铝(Alcoa)公司、美国精铸(SPS)公司、法国里斯航天集团(Lisi Hi-shear)公司、美国波音(Boeing)公司等世界上较大的紧固件公司、美国Monogram公司、美国宾姆(PennEngineering)公司以及加拿大Interfast公司等专业性较强的公司所垄断,而俄罗斯航空航天紧固件则自成体系以供其国内使用。每一家紧固件公司均有其擅长的系列产品,并且多数产品为几家公司相互覆盖,从而构成了航空、航天紧固件的供应网络,满足各大飞机厂商的需求。中国国内的紧固件企业以中航工业下属的各大子公司为主,生产工艺上与世界著名企业有一定的差距很多航空紧固件需要大量进口。


五、智能航空紧固件


智能航空紧固件产业目前正处于市场萌芽期,在工业4.0的时代背景下,随着智能制造产业的发展和传统产业升级的加速,市场需求和发展潜力巨大。智能航空紧固技术的基本原理是借助外部力源如磁场、远红外辐射、超声波等,让紧固件可被远距离地自行锁止或松开。智能紧固件的另一个应用领域是维护。接触仪表盘、螺丝和其他需要拆装的组件通常涉及大量的文书和记录工作,智能紧固件的使用,由于可以遥控发送信号给计算机,所以所有的记录都是自动的。紧固件可以记录下谁操作了它,花了多长时间。在数据搜集上,与不得不记录每件事的机械紧固件相比,智能紧固件有高度的可靠性。轻触一下遥控开关,座位就可以打开,在轨道上重新布置或者重新连接。智能紧固件可以大量减少座位配置上需要的时间和劳动力。目前市场上已经出现一些简易的智能紧固件产品。图5为目前市场上一种智能紧固件的示意图。


 

图5:智能紧固件产品


该产品其核心部件传感器呈针式封装,由固定头、传感器、引线、接口等零件组成,单向安装于螺栓内部的中心轴线孔处,上述部件整体构成一件传感智能螺栓产品。该产品可用于紧固件连接结构的载荷测量或健康监测领域,典型的结构功能一体化产品,除标准化应用外,使用时还可以根据需要进行定制,例如对实际结构螺栓进行补充加工或在设计时预留标准接口。


近年也出现了形状记忆合金的航空紧固件,TFS开发的Intevia 智能紧固系统,主要用于货舱的门闩。该系统利用一种新型的集感知与驱动于一体的智能材料形状记忆合金,作为紧固操作的执行机构,当电流通过时,形状记忆合金收缩,当门闩组件之一与其连接,它就拉动或释放门闩,如图6所示。


 

图6:TFS开发的智能紧固件门闩


六、新材料航空紧固件

 


谈起航空产品,必须说起“紧固件”,螺钉、螺母,在生活中则在常见不过了,小小的螺丝钉有可能不起眼,但它用在航天航空领域就变得技术性极强的高端产品。它见证了火箭飞机及蛟龙的“上天潜水”,面对环境的复杂,对紧固件防腐的要求越来越严苛。随着科技的不断进步,对设备的要求越来越高,同时对紧固件要求也越来越严苛,紧固件不仅要满足空中耐蚀的条件,同时还要满足海洋环境下的耐蚀。有的还要满足润滑,针对不同需求采用不同的材料。如航天精工研制的钛及钛合金材料制造的紧固件,由于具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优良特性,因此,广泛应用于航空、航天、医疗、电子等行业产品的重要关键部位。高温合金在425℃~1200℃温度并在一定应力作用下,具有良好的抗氧化、抗腐蚀及较高的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,此类紧固件主要应用于航空、航天等发动机高温部位,在高温及应力作用下起到可靠连接、紧固的作用。基于碳纳米管(图7)复合材料也开始用于制作航空紧固件,碳纳米材料是最硬最轻的材料,基于这种材料的紧固件具有极大的优势。


 

图7:碳纳米管



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