大規格薄壁襯筒的低應力壓裝工藝研究

李志棟 陳 亮 秦楚山 石 尚

(航空工業中航飛機起落架有限責任公司, 湖南 長沙 410200)

航空飛機起落架為飛機系統核心功能附件之一，主要用于飛機的停放、起飛、著陸、地面滑行和地面方向控制等，并用來吸收著陸撞擊和滑跑沖擊能量，是唯一支撐整架飛機的重要承力部件，守護著飛機運行安全。如圖1所示(未含機輪和輪胎)為典型的支柱式結構起落架，是比較常用的結構形式之一。其一般由外筒組件、活塞桿組件和轉彎組件等組成，活塞桿與外筒之間密封連接，內腔注油充氣，形成緩沖器，工作過程地面載荷通過輪胎、機輪傳遞至活塞桿組件上，活塞桿組件在外筒內相對運動，壓縮內腔氣體和液壓油，吸收能量，保證安全。近年來，為了降低起落架重量，越來越多地選擇高強度鋁質材料作為起落架核心零部件的制造，尤其是緩沖器外筒選用鋁合金材料時，運動過程容易造成內孔表面機械磨損或損傷，排除缺陷后尺寸增大，嚴重時只能報廢更換備件等，由此直接造成飛機起落架系統壽命降低，質量風險和安全性、維修性問題突出，運營成本大大增加等，而采取鋁質外筒內孔壓裝薄壁襯筒的設計方案，能夠有效解決上述問題。因此, 開展對起落架緩沖器鋁質外筒內孔壓裝薄壁襯筒新技術應用研究，突破關鍵技術瓶頸，確定實施方案，獲取壓裝參數，研制出相應的工藝裝備，并形成成熟穩定的工藝規范，成為實現民用飛機起落架長壽命、高質量、維修性能好以及運營成本降低的有效途徑。

1 技術要求及難點分析

通常起落架結構中成熟的壓裝襯筒工藝應用在主承力件與其他組件連接的耳片孔、有配合的軸頸等有相對運動部位，如圖2所示，外筒組件中通常壓裝圖3所示常規襯筒，這些典型襯筒規格都比較小，均采用冷縮法壓裝，壓裝時間短、易操作。而在外筒深長內孔壓裝如圖4所示的襯筒時，其長度大于500 mm，壁厚為1～2.5 mm，壓裝時間長、載荷大、對正困難，易造成薄壁襯筒失穩變形、被壓裝外筒內壁擠壓損傷以及鋁質外筒被擠壓脹大等嚴重問題，因此用傳統壓套工藝是無法實現的，其工藝存在根本上的區別,而且難度非常大。

具體表現在：(1)具備低應力或無應力壓裝的良好工藝性，且滿足產品使用過程不得發生相對轉動性能的相適應的公差配合技術需求的確定；(2)采用機體加熱、襯套冷縮的工藝方案的具體參數未知，方案及可行性未得到驗證；(3)集加熱和冷卻為一體的自動壓裝設備方案，包括工件的準確安裝定位和壓裝、防薄壁襯筒壓裝過程失穩變形以及壓裝完成后安全撤離等可行方案的確定；(4)壓裝過程工藝質量的穩定性和一致性是否良好等一系列關鍵技術尚屬國內空白技術，需要進行大量的工藝試驗確定。

2 壓裝方法及設備

2.1 壓裝方法

利用材料的熱脹冷縮特性，實施對外筒加熱和保溫，在熱影響下材料膨脹，內孔尺寸增大，同時對襯套進行深冷，使其尺寸減小，當兩者由過盈配合轉化為一定間隙配合時,在試驗確定的時間內完成安裝，減小壓裝應力的產生，提高壓裝成功率。

2.2 壓裝設備

設計研制一套集加熱和深冷于一體的自動壓裝設備(如圖5所示)，同時滿足對零件的可靠和高精度定位固定、具備加熱和深冷兩套獨立系統、可以控制最長壓裝時間，通過程序設置，自動實施薄壁襯筒的無應力或低應力壓裝，提高裝配工藝的可靠性和效率。

3 壓裝工藝試驗

3.1 研究工件在加熱或深冷過程尺寸、時間、溫度之間的關系

(1)將熱電偶連接于加熱零件和數據記錄儀上，通過加熱箱加熱到一定溫度，并保溫一定時間，然后置于室溫下，連續測量被加熱零件的內孔尺寸變化過程，記錄對應的時間、溫度和尺寸，形成曲線圖(見圖6)。

(2)將熱電偶連接于深冷的零件和數據記錄儀上，一并置于液氮(-196 ℃)中，待完全停止沸騰后靜置一定時間，然后置于室溫下，測量并記錄對應的時間、溫度和尺寸，形成曲線圖(見圖7)。

3.2 試驗結果分析

通過上述外筒加熱、襯筒深冷過程尺寸變化分析可以得出結論：鋁質外筒熱漲后7 min內溫度恢復至+70 ℃左右，其尺寸變化Δ1=+0.1～+0.15 mm；深冷后零件2 min內恢復至-110 ℃～-60 ℃，其尺寸變化約為Δ2=-0.15～-0.18 mm。

(1)熱脹冷縮后外筒與襯筒配合間隙

Δ1-Δ2=(+0.1～+0.15)-(-0.15～-0.18)=
0.25～0.33 mm

(1)

(2)常溫下外筒內孔與襯筒外圓之間的過盈量計算

D1-D2=[(107+0.054)～107]-[(107-0.079)～
(107-0.114)]=-0.025～-0.114 mm

(2)

(3)將式(1)和式(2)相加，得間隙配合0.225～0.216 mm。

由此可得出，將初始狀態存在-0.025～-0.114 mm過盈量的兩個對稱件通過分別深冷和加熱的工藝過程，可以轉化為0.225～0.216 mm的間隙配合，所需的最佳時間參數。

3.3 壓裝試驗及壓裝后性能測試

(1)選取壓裝試件，訂制一套驗證試驗工裝，壓裝驗證結果良好。

(2)壓裝后恢復至室溫，進行扭矩試驗，在確定的扭矩作用下測試，符合預設要求，為了進一步考核扭矩，繼續加至預設扭矩值的120%，仍未發生相對轉動，結果滿足設計要求。

4 結語

開展對起落架緩沖器鋁質外筒內孔壓裝薄壁襯筒新技術進行研究，突破多項關鍵技術瓶頸，獲取壓裝參數，研制出相應的工藝裝備，并形成成熟穩定的工藝規范，起落架緩沖器鋁質外筒內孔壓裝薄壁襯筒工藝獲得成熟應用，解決了緩沖器外筒內孔磨損造成無法維修或維修成本和周期長的問題，一定程度上為民用飛機起落架要求的長壽命、高質量、低成本以及良好的維修性能等奠定了基礎，該工藝也為設計提供了技術可行性的驗證，可為同類產品易磨損、不易維修部件的結構提供可借鑒的改進或產品設計思路。