周洪飛 ， 梁恒亮 ， 張國(guó)清 ， 劉 宇

（1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300；2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所， 沈陽(yáng)110015）

樹(shù)脂基復(fù)合材料因其具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度大、抗疲勞、耐腐蝕、耐久性、抗振等其他傳統(tǒng)材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)異功能特性，尤其是可設(shè)計(jì)性，使得結(jié)構(gòu)形式更加靈活，極大地提高了使用效能，同時(shí)降低了維護(hù)成本，增加了未來(lái)發(fā)展的潛力和空間。其中先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了進(jìn)一步達(dá)到結(jié)構(gòu)減重與降低綜合成本的目的，樹(shù)脂基復(fù)合材料用量也在不斷增長(zhǎng)。而樹(shù)脂基復(fù)合材料機(jī)匣作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)上尺寸較大的構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)減重起到了重要作用。在復(fù)合材料機(jī)匣的制造中，由于安裝油路和管路需要，復(fù)合材料殼體上要安裝大量的金屬座結(jié)構(gòu)件，金屬座上與外部結(jié)構(gòu)件連接的內(nèi)孔螺紋為了提高連接強(qiáng)度、防止松動(dòng)并能夠反復(fù)拆卸使用，需鑲嵌螺套進(jìn)行加強(qiáng)和保護(hù)。

目前在航空航天領(lǐng)域的機(jī)械連接中，通常是采用鋼絲螺套進(jìn)行內(nèi)螺紋的加強(qiáng)[1-4]，已經(jīng)在衛(wèi)星、飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和電子設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接和維修中得到了比較廣泛的應(yīng)用[5-8]，并且在復(fù)合材料上也已經(jīng)逐步有了一些應(yīng)用[9-10]。但在鋼絲螺套的使用過(guò)程也暴露出了諸如下沉、脫落、安裝效率低、拆卸困難、易損傷金屬座內(nèi)螺紋等問(wèn)題，特別是在復(fù)合材料上裝配和使用過(guò)程中存在損傷復(fù)合材料殼體的問(wèn)題[11]，影響了在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的使用。而國(guó)外為解決此問(wèn)題，采用了一種新型的具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、連接可靠、便于拆卸等特點(diǎn)的鎖鍵螺套，可有效克服鋼絲螺套的缺點(diǎn)和不足。

目前已經(jīng)大量在發(fā)動(dòng)機(jī)金屬機(jī)匣的結(jié)構(gòu)連接中應(yīng)用這種鎖鍵螺套，一定程度上取代了鋼絲螺套。因此，借鑒國(guó)外的使用經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展了樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上鎖鍵螺套的應(yīng)用研究，針對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料的特點(diǎn)提出了安全可靠的安裝方案，并提供了具體的工藝方法和參數(shù)。安裝效果表明鎖鍵螺套可以滿(mǎn)足樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的裝配和使用要求，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 鎖鍵螺套特點(diǎn)

鎖鍵螺套的結(jié)構(gòu)形式為外螺紋中有銑削的鍵槽，一端呈扁平狀嵌入鍵槽，其高度低于外螺紋牙高，不影響裝配，稱(chēng)為陰鍵；另一端呈梯形，其高度稍微高于外螺紋牙高，可通過(guò)干涉鑲嵌進(jìn)入金屬座內(nèi)螺紋和鎖鍵螺套外螺紋中，利用鑲嵌時(shí)尺寸干涉進(jìn)行鎖緊，使螺套牢固鑲嵌在機(jī)匣金屬座螺孔內(nèi)，可有效防止工件間轉(zhuǎn)動(dòng)。鎖鍵螺套根據(jù)鎖鍵的數(shù)量可分為雙鍵、四鍵等不同種類(lèi)，如圖1所示。

圖1 鎖鍵螺套結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of key-locking insert

由于鎖鍵螺套為內(nèi)外均有螺紋且在外螺紋上安裝銷(xiāo)鍵的薄壁件，鎖鍵硬度大于螺紋硬度，在外力作用下較容易發(fā)生鑲嵌與螺紋干涉而鎖緊，不易發(fā)生下沉、脫落。由于其可以采用機(jī)械載荷完成裝配，故安裝效率高，且質(zhì)量一致性較好；同時(shí)銷(xiāo)鍵到內(nèi)螺紋壁厚薄，可采用擴(kuò)孔磨削方式使之失效，所以拆卸較容易，無(wú)需像鋼絲螺套采取人力抽剔方法，拆卸效率較高。此外，鎖鍵螺套可對(duì)被損螺紋進(jìn)行快速有效修復(fù)，應(yīng)用在低強(qiáng)度的材料上能極大增加螺紋孔的強(qiáng)度，即修復(fù)內(nèi)螺紋的同時(shí)增加外螺紋。

鎖鍵螺套安裝時(shí)，一般是通過(guò)導(dǎo)引裝置將鎖鍵螺套擰入金屬座內(nèi)螺紋孔內(nèi)，并調(diào)節(jié)鎖鍵螺套旋入螺孔的位置深度，然后通過(guò)施加外部沖擊載荷將嵌鍵壓入金屬座內(nèi)螺紋中。但鎖鍵螺套安裝時(shí)施加的沖壓載荷導(dǎo)致裝配區(qū)瞬間要承受高速高能的外部沖擊力，容易引起裝配區(qū)的復(fù)合材料殼體出現(xiàn)分層等缺陷。

2 鎖鍵螺套的應(yīng)用

鎖鍵螺套在金屬結(jié)構(gòu)上使用時(shí)，外部載荷通過(guò)敲擊施加。但在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上使用時(shí)，由于敲擊無(wú)法控制力度大小，力度大易引起復(fù)合材料分層；力度小則嵌鍵無(wú)法完全壓入，導(dǎo)致安裝失敗。因此，在復(fù)合材料上應(yīng)用時(shí)，參考鋼絲螺套的安裝方法，采用了氣動(dòng)載荷作為外部載荷[12]，通過(guò)氣動(dòng)鉚槍和平鉚頭配合導(dǎo)引器施加可控的沖壓載荷，可以保證復(fù)合材料的安全，如圖2所示。

在實(shí)際操作中，采用了從0.005MPa到0.1MPa的沖壓載荷，均可以滿(mǎn)足鎖鍵螺套安裝的外觀和質(zhì)量要求，如圖3所示。如果載荷過(guò)小，嵌鍵會(huì)無(wú)法完全壓入；載荷達(dá)到0.1MPa以上，在安裝孔周邊的復(fù)合材料殼體出現(xiàn)了分層缺陷。因此，在復(fù)合材料上安裝鎖鍵螺套控制沖壓載荷的大小是保證安裝質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在保證質(zhì)量和工作效率的前提下，沖壓載荷參數(shù)范圍在0.01～0.05MPa之間比較適宜。

同時(shí)采用氣動(dòng)沖壓安裝鎖鍵螺套的效率很高，其安裝時(shí)間隨載荷的升高而縮短，一般安裝時(shí)間在10～20s之間，小于1個(gè)普通鋼絲螺套50s左右的裝配用時(shí)。

而在鎖鍵螺套拆卸過(guò)程中，如圖4所示，采用鉆頭將護(hù)套進(jìn)行逐級(jí)擴(kuò)孔的方法，以不同孔徑合金鉆頭磨削到露出螺鍵，利用斷牙取出器擰出失效螺套，之后用真空吸塵設(shè)備保證金屬內(nèi)螺紋孔無(wú)金屬屑?xì)埩簦规i鍵的鎖緊功能失效，再用斷牙取出器取出毀壞的螺套[13-15]，可以保證安裝座內(nèi)螺紋和復(fù)合材料殼體不損傷，拆卸相對(duì)比較方便、安全。

圖2 鎖鍵螺套在復(fù)合材料上氣動(dòng)安裝示意圖Fig.2 Pneumatic installation of key-locking insert in the composites

圖3 安裝在復(fù)合材料構(gòu)件上的鎖鍵螺套Fig.3 Key-locking insert in the composites component

安裝在復(fù)合材料構(gòu)件上的鎖鍵螺套在使用中經(jīng)受了振動(dòng)、反復(fù)拆裝等工況的考驗(yàn)，基本未出現(xiàn)使用問(wèn)題，較好地解決了鋼絲螺套使用過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題。

圖4 鎖鍵螺套拆卸示意圖Fig.4 Disassembly of removing of key-locking insert

3 結(jié)論

鎖鍵螺套作為一種新型的緊固件，通過(guò)控制沖壓載荷，配合導(dǎo)引裝置，采用氣動(dòng)沖壓工藝可以實(shí)現(xiàn)在樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上高效、安全的安裝。具備了安裝方便快捷、連接可靠、便于拆卸等特點(diǎn)，將來(lái)可以在樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件上大量推廣應(yīng)用。

[1]譚錦皇，毛正榮，李軍.鋼絲螺套用于提高鋁材螺紋聯(lián)接強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].鋁加工, 2012(5):39-40.

TAN Jinhuang, MAO Zhengrong, LI Jun.Wire thread insert for improving joining strength of aluminum screw thread connection[J].Aluminium Fabrication, 2012(5):39-40.

[2]張惠清.鋼絲螺套的連接強(qiáng)度及其正確選用[J].金城科技,1994(1):10-13.

ZHANG Huiqing.The connection strength of steel wire thread insert and correct selection[J].JingCheng Scientific and Technical, 1994(1):10-13.

[3]和平.新型內(nèi)螺紋緊固件——鋼絲螺套[J].航空維修與工程, 2006(1):62-63.

HE Ping.New type internal thread fasteners—steel wire thread insert[J].Aviation Maintenance & Engineering, 2006(1):62-63.

[4]尹垚, 沈國(guó)華.淺析幾種新型螺紋緊固工藝[C]//2010年中國(guó)電子制造技術(shù)論壇論文集, 成都, 2010.

YIN Yao, SHEN Guohua.An analysis of several new thread fastening technology[C]//Chinese Electronic Manufacturing Technology Forum 2010,Chengdu, 2010.

[5]王梅芝.衛(wèi)星總裝中鋼絲螺套裝配工藝[J].航天器環(huán)境工程, 2008, 25 (6):598-600.

WANG Meizhi.The satellite assembly in steel screw assembly process[J].Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(6):598-600.

[6]劉秀利.鋼絲螺套在電子設(shè)備中的應(yīng)用及裝配技術(shù)[J].機(jī)械, 2012, 39(S1):21-24.

LIU Xiuli.The technology of application & assembly for wire thread insert in the electronic equipment[J].Machinery, 2012, 39(S1):21-24.

[7]程日斌, 徐寧, 賈洪中, 等.一種新型內(nèi)螺紋緊固件在直升機(jī)修理中的應(yīng)用[C]//航空裝備保障技術(shù)專(zhuān)題研討會(huì)文集, 北京,2006.

CHENG Ribin, XU Ning, JIA Hongzhong, et al.A new type of thread fasteners in helicopter repair application[C]//The Seminar on Aviation Equipment Support Technology, Beijing, 2006.

[8]劉新鋒.新型內(nèi)螺紋緊固件在軋輥軸承箱上的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修, 2007(1):59.

LIU Xinfeng.Application of a new type of internal thread fasteners in the roll bearing box[J].Plant Maintenance Engineering, 2007(1):59.

[9]胡寶剛.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的機(jī)械連接工藝[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 1995(6):46-47.

HU Baogang.Composites structure mechanical connection technology[J].Missiles and Space Vehicles, 1995(6):46-47.

[10]劉風(fēng)雷, 劉丹, 劉健光.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用緊固件及機(jī)械連接技術(shù)[J].航空制造技術(shù), 2012(1):102-104.

LIU Fenglei, LIU Dan, LIU Jianguang.Fastener and mechanical joining technology for composites structure[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2012(1):102-104.

[11]劉甲秋, 伊翠云.鋼絲螺套在復(fù)合材料機(jī)械連接中的應(yīng)用研究[J].纖維復(fù)合材料, 2015(2):34-36.

LIU Jiaqiu, YI Cuiyun.The application of steel wire lo sets in composite mechanicalconnection[J].Fiber Composites, 2015(2):34-36.

[12]徐小豐, 寇植達(dá), 陳永光.一種鋼絲螺套氣動(dòng)安裝工具的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].汽車(chē)零部件, 2011(9):74-75.

XU Xiaofeng, KOU Zhida, CHEN Yongguang.Design and application of a type wire thread insert’s pneumatic erecting tool[J].Automobile Parts,2011(9):74-75.

[13]張慶軍.螺紋緊固連接件的常用拆卸方法[J].工程機(jī)械與維修, 2002(5):136.

ZHANG Qingjun.The commonly used method of removing threaded fasteners[J].Construction Machinery & Maintenance, 2002(5):136.

[14]BLACK S.Advanced materials for aircraft interiors[J].High Performance Composites, 2006,14(6):24.

[15]ASSADI M D, BOAD C L, OSAWA T.True off set fastening[R].SAE Paper 2006-01-3170, 2006.