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。
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。
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
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。
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