金屬成形工藝在航空緊固技術上的應用

趙慶云，劉華東

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

1 引言

機械連接是現代飛機結構的主要連接方法，雖然各種新型連接技術不斷涌現，鉚接和螺栓連接等傳統連接方法仍是飛機裝配的主要連接方法。相應地，緊固件在飛機上廣泛分布，一架飛機上使用的緊固件，少的幾十萬件，多則二、三百萬件。因而，如何高質、高效地生產出高性能的緊固件，滿足各種機型的性能要求，并實現大批量穩定生產十分重要[1]。

緊固件的制造工藝與其性能和質量有密切的關系。先進的制造工藝不僅可以穩定和提高緊固件的質量，而且可以提高或者改善緊固件的性能。同時，由于緊固件是標準化的基礎零件，批量大，使用范圍廣。工藝的制定一定要與緊固件的特點相適應。在保證產品質量和性能的前提下，盡可能提高材料利用率、提高制造效率和降低成本[2]。

金屬成形工藝在緊固工藝上得到了應用，并對保證緊固件及其結構的性能起到重要的作用。本文在緊固件的制造加工技術的基礎上，闡述金屬成形技術在緊固件制造上的應用，并介紹了干涉連接技術和孔強化技術。指出金屬成形技術是保證緊固性能的重要關鍵技術之一，強調了加強其研究的重要性和必要性。

2 鐓鍛

連續鐓鍛對大批量生產是一種非常高效的方法。好的鐓鍛工藝使工件能夠快速精確地生產出來而沒有報廢。然而鐓鍛工藝的設計是個復雜的工作，大多數情況下依賴于經驗。鐓鍛次數的選擇依賴于工件的結構形狀、尺寸精度以及所用的材料，其次使用的設備（幾模幾沖）和模具，也有很大的影響。

鐓鍛各工步采用諸如擠壓、鐓粗、矯方、沖孔等金屬塑性成形方法[3，4]，具體介紹如下。

2.1 正擠壓

此工藝用于減小工件的橫斷面，沖頭推動工件毛坯沿沖頭運動方向流過模具。正擠壓有兩種工藝，通常用于成形緊固件螺紋毛坯以及光桿和螺紋毛坯的過渡部位。

2.1.1 開放式擠壓

擠壓時毛坯不在模具內。由于擠壓力不能超過材料的屈服強度，所以開放式擠壓的擠壓量受限。然而，想要達到的擠壓量可以通過多次擠壓達到。此工藝成形的緊固件光桿與螺紋毛坯過渡部位為倒角，如航標系列螺栓。

2.1.2 封閉式擠壓

擠壓時工件被模具完全包圍。封閉式擠壓通常用在工件形狀簡單，擠壓量大的情況。此工藝成形的緊固件光桿與螺紋毛坯過渡部位為圓弧，通常用于干涉緊固件，如英制HST 系列和公制YSA 系列螺栓。

2.2 反擠壓

反擠壓也減小毛坯的橫面，只是材料流動方向與沖頭運動方向相反。此工藝通常用于在工件上制造空洞或孔，如高鎖螺栓尾部的六方孔初孔。

2.3 鐓粗

此工藝使工件的橫斷面增大，材料堆積，形成頭，如平圓頭螺栓的頭。材料流動方向通常垂直于沖頭運動方向。

2.4 鐓鍛工藝設計

鐓鍛工藝通常在多工位鐓機上，采用上述金屬塑性成形方法進行。以六角頭螺栓的成形為例，如圖5 所示，擠壓和鐓粗成形方法得到應用。采用多工位鐓機，第一步進行棒料裁剪，第二步初沖頭部，第三步頭部鐓粗成形，第四步螺紋毛坯擠壓成形。

3 螺紋滾壓

螺紋滾壓是利用某些材料在冷態下的可塑性使工件在滾壓工具的作用下產生塑性變形，滾制出相應的螺紋。其成形原理如圖6 所示，一副滾絲輪置于工件兩側，兩滾絲輪螺紋旋向相同，轉速相同，工件螺紋旋向與之相反。安裝調整，保證兩滾絲輪螺紋相互錯開半個螺距。滾絲輪徑向進給，兩滾絲輪與工件接觸，產生摩擦，摩擦力帶動工件旋轉。隨著滾輪的徑向運動，工件產生變形，逐步形成螺紋，直至與滾絲輪螺紋牙?相貼合，成形的螺紋牙達到?要求，滾絲輪退回，完成螺紋滾壓[5-7]。

一些更高強度的材料，需要將材料加熱，進行溫滾螺紋。一方面保證滾制出的螺紋滿足強度要求，另一方面使滾輪不致崩齒，延長壽命。

4 圓角強化

為了提高螺栓的抗疲勞強度，航空工業高強度螺栓要求頭下圓角進行冷滾壓。如圖7 所示，所謂冷滾壓，就是將螺栓的頭桿結合處放在3 個小滾輪上，在施加軸向壓力的同時旋轉螺栓，使圓角處形成一個冷作硬化層。使其圓角部位的表層金屬晶粒在壓應力作用下產生塑性變形，使表層的組織致密，纖維保持連續流暢的狀態，表面產生有利的殘余壓應力，使產生螺栓疲勞裂紋的拉應力值下降，從而提高螺栓的抗疲勞強度和可靠性[8-9]。

需要注意的是，冷滾壓只能在最終熱處理之后進行，否則冷作硬化層消失，提高強度的作用也隨之消失。

5 干涉配合連接

如圖8 所示，干涉連接的工作原理為采用大于安裝孔徑的緊固件，在外力的作用下強行通過安裝孔，使得孔壁產生永久變形。外力去除后，孔周存在較高的殘余壓應力，使得交變載荷的平均應力和應力幅都得到降低，從而在孔周建立起能抵抗結構疲勞破壞的屏障[10-11]。

緊固件與結構孔壁之間的干涉量選取、安裝方法和制孔精度等，對連接結構的壽命有至關重要的影響。國外適合飛機長壽命需要，開發了多種適合金屬結構干涉連接的干涉鈦螺栓、干涉鈦高鎖螺栓、錐形鈦螺栓、干涉鈦環槽釘以及鉚釘等，并制訂了指導工程應用的技術標準和工藝規范。

6 孔強化

6.1 強化工藝

開縫襯套冷擠壓強化工藝是通過使用錐形芯棒，配合內部預潤滑的不銹鋼襯套來完成的。如圖9所示，當芯棒拉過孔時，鼻頂冒限制了孔中的襯套。襯套保護孔免受損傷，錐形芯棒徑向擴張，使孔周屈服。孔冷擠壓強化完成后，襯套被廢棄。此工藝為單面安裝，芯棒的插入和襯套的去除都不接觸結構的另一側，這是適用于結構維修和工藝自動化的便利條件。

6.2 強化原理及應用

孔冷擠壓強化通過使孔周產生一個可控的永久殘余壓應力區，來改善金屬結構的疲勞壽命。如圖10的光彈圖，顯示了此工藝引起的殘余應力場。孔的機械擴張使材料塑性屈服形成了殘余應力，相應的塑性變形孔周也存在著回彈[12-13]。

圖10 也給出了孔冷擠壓強化產生的典型殘余徑向和周向應力，壓縮應力從孔邊沿徑向擴大到一個直徑的環形區域，達到峰值，大致等于材料的壓縮屈服強度。同時，峰值為材料拉伸屈服強度10%～15%的拉伸應力區存在于壓縮應力區之外。這樣循環拉應力不可能頂掉殘余壓縮應力，孔有效地屏蔽了將缺陷擴展為疲勞裂紋的拉應力。在典型的飛機結構上，孔強化所帶來的疲勞壽命改進通常達3～10倍，因而在飛機起落耳片孔、機翼主梁螺栓孔、機身框架螺栓孔、剎車片、扭力筒等零件上得到廣泛的應用[13-20]。

隨著飛機減重、長壽命、可靠性的需求增長，以孔的開縫襯套冷擠壓為基礎，結合干涉配合連接技術，ForceTec?無耳托板螺母系統等多種緊固系統得到開發。充分發揮了孔擠壓和干涉配合連接技術相結合提高飛機壽命的良好效果，不但能提高接頭的強度，還可大大提高結構的疲勞性能和簡化結構密封，可使結構重量減輕4%左右，提高結構疲勞壽命2 倍以上。這些技術及相應的緊固系統在世界各國都得到了廣泛應用。

7 結語

金屬成形工藝在航空緊固技術上得到了廣泛應用，此技術是保證緊固性能的重要關鍵技術之一，必須加強研究保證緊固件制造工藝穩定，保證干涉配合連接和孔強化技術的良好應用，最終保證制造的緊固件和相關結構的安全可靠。

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