摘要：孔的冷加工（簡(jiǎn)稱冷拔）是用于提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)緊固件孔疲勞性能的一種工藝，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造和修理中。本文通過對(duì)冷拔工藝的起源、原理、優(yōu)點(diǎn)以及操作中的主要要點(diǎn)的介紹，說明了冷拔工藝的原理和標(biāo)準(zhǔn)操作流程，為同行了解和實(shí)施此工藝提供參考。

關(guān)鍵詞：冷加工；結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)；飛機(jī)大修

Keywords：cold working；SRM；aircraft overhaul

1 冷拔工藝的起源

冷拔工藝起源于20世紀(jì)60年代。為了提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)孔在循環(huán)拉伸載荷下的疲勞和損傷容限性能，美國(guó)波音公司發(fā)明了基本的冷擴(kuò)展工藝?yán)碚摚╟old expansion process），同一年Claire Harter工業(yè)設(shè)計(jì)公司（FIT公司前身）發(fā)明并生產(chǎn)了第一臺(tái)制造分離式套管的機(jī)器，實(shí)現(xiàn)了冷拔工藝的工業(yè)化應(yīng)用。

兩家主要的供應(yīng)商FTI公司（Fatigue Technology Inc.）和WCI公司（West Coast Industries）先后提供了基于這項(xiàng)技術(shù)的解決方案和產(chǎn)品，并持續(xù)開發(fā)和推進(jìn)了冷擴(kuò)展技術(shù)。目前，主流航空器制造商，如波音、空客、中國(guó)商飛等生產(chǎn)的相關(guān)機(jī)型的SRM手冊(cè)51章COLD WORKING中均提到了這項(xiàng)工藝規(guī)范和加工程序。在飛機(jī)制造和維修改裝領(lǐng)域，該技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，對(duì)蒙皮和連接梁的緊固件孔徑進(jìn)行冷拔加工操作是標(biāo)準(zhǔn)工藝和基本要求，特別是在飛機(jī)的機(jī)翼上下翼面蒙皮及其前后梁區(qū)域以及機(jī)身拼接、搭接區(qū)域。

2 冷拔工藝原理

“冷”是指常溫下發(fā)生的材料變形，是相對(duì)于通常情況下材料的成型都需要在高溫下實(shí)現(xiàn)而言的，冷拔在常溫下操作即可。此工藝通過推或拉一個(gè)直徑比原始孔徑大的芯軸，通過緊固件孔，芯軸會(huì)使緊固件孔永久性變大并在周圍形成一個(gè)擠壓應(yīng)力區(qū)域，這個(gè)擠壓應(yīng)力區(qū)域可以阻止疲勞裂紋的產(chǎn)生或延展。

如圖1所示，當(dāng)孔徑較大的芯軸滑過孔時(shí)，孔周圍的材料會(huì)發(fā)生“塑性變形”，這部分材料在被“預(yù)應(yīng)力”作用后得到了加強(qiáng)，從而在孔周圍形成殘余壓應(yīng)力區(qū)。

飛機(jī)在起降及飛行過程中機(jī)翼承受著反復(fù)的彎曲，每架飛機(jī)的機(jī)翼每年會(huì)承受幾千乃至上萬次的彎曲，這在力學(xué)上稱為循環(huán)載荷，最容易導(dǎo)致裂紋的發(fā)生，機(jī)翼上最薄弱的部分是安裝孔，通常裂紋就是從孔的周圍開始產(chǎn)生的，而安裝孔經(jīng)過冷拔后產(chǎn)生的加強(qiáng)的殘余壓應(yīng)力可以大大減少裂紋的產(chǎn)生幾率，從而大大提高了機(jī)翼的疲勞壽命，增加了損傷容限，延長(zhǎng)了檢查間隔。據(jù)FTI公司保守研究，冷拔后孔的疲勞壽命顯著增加，如圖2所示，黑色曲線為未冷拔孔承受循環(huán)載荷后的失效圖，藍(lán)色曲線為冷拔后孔承受循環(huán)載荷的失效圖，壽命增加3到10倍不等。同時(shí)，部件的檢查間隔也相應(yīng)地被拉長(zhǎng)，如圖3所示，黑色曲線為孔未冷拔部件的檢查間隔，藍(lán)色曲線為孔冷拔后部件的檢查間隔，間隔也放大到了10倍以上。

3 冷拔工藝的優(yōu)點(diǎn)

簡(jiǎn)單來說，冷拔工藝問世半個(gè)世紀(jì)以來，以其獨(dú)特的性能和簡(jiǎn)便易行的操作，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于幾乎所有的商用和軍用飛機(jī)領(lǐng)域，除了波音、空客和中國(guó)商飛的飛機(jī)外，其他如貝爾、賽斯納、灣流、達(dá)索、西科斯基等航空飛行器產(chǎn)品中都有應(yīng)用。綜合來說，相對(duì)其他必需高溫或零度下才能成型或變形的工藝，冷拔工藝最大的優(yōu)點(diǎn)就是不需要對(duì)基體材料進(jìn)行溫度處理，整個(gè)操作在正常室溫下進(jìn)行，因此具有廣泛的應(yīng)用空間和環(huán)境。該技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）提高疲勞壽命，阻止裂紋的發(fā)生，減少維修時(shí)間和成本；

2）在不增加重量的情況下增加結(jié)構(gòu)的剛度，是具有成本效益的重新設(shè)計(jì)方案；

3）簡(jiǎn)單易操作的流程，可在結(jié)構(gòu)的單邊操作，可自動(dòng)化操作；

4）適用于所有最常用的航空航天金屬材料，包括鋁合金、鈦和高強(qiáng)度鋼；

5）適用于飛機(jī)制造和修理兩大領(lǐng)域。

4 冷拔操作中的要點(diǎn)說明

4.1 冷拔的兩種操作方法

1）有襯套操作

此操作需要在緊固件孔中放置一個(gè)襯套，襯套是冷拔中必須的潤(rùn)滑介質(zhì)。襯套只能使用一次，使用后報(bào)廢。

2）無襯套操作

此操作不需要在緊固件孔中放置襯套，但必須在孔和芯軸上涂抹潤(rùn)滑劑。

從工藝的替換性上來說，有襯套和無襯套可以互相替代。但由于冷拔對(duì)孔的干涉量精度要求較高，操作時(shí)每個(gè)孔都要測(cè)量拉拔芯軸的尺寸，采用無襯套操作會(huì)加速芯軸的磨損，作為冷拔的核心元件，芯軸的價(jià)值不菲；而采用有襯套操作，只需要備齊各種規(guī)格的消耗性原料--分離式襯套即可。因此，筆者所在單位采購的就是有襯套操作的冷拔工具。

4.2 冷拔工具和標(biāo)準(zhǔn)操作步驟

冷拔工具主要包括三個(gè)部分：氣動(dòng)泵、冷拔槍、芯軸套裝，如圖4所示。冷拔工藝標(biāo)準(zhǔn)操作步驟如表1所示。

4.3 冷拔操作中的注意事項(xiàng)和操作要領(lǐng)

1）優(yōu)先使用氣動(dòng)泵作為動(dòng)力來源，特殊情況下才能使用手搖泵，應(yīng)確保操作過程平穩(wěn)、速度均勻。

2）冷拔槍有不同的型號(hào)，主要取決于需冷拔孔的基體材料和直徑尺寸。以WCI公司的產(chǎn)品為例（見表2），常用的有WCI-1700-20、WCI-1800-20，其中1700/1800針對(duì)孔直徑大小進(jìn)行選擇，XXXX-20針對(duì)基體材料厚度2英寸以下的進(jìn)行選擇。

3）對(duì)于一些特殊位置的冷拔，有特殊的轉(zhuǎn)換工具可供選擇，如圖5所示。

4）芯軸套裝的選擇應(yīng)嚴(yán)格參照工作單的要求，同尺寸芯軸套裝也分為不同的機(jī)型，同機(jī)型下不同尺寸也有不同的芯軸套裝。

以上四個(gè)使用要點(diǎn)和注意事項(xiàng)是筆者單位多年操作的實(shí)踐總結(jié)，操作者在應(yīng)用和操作中應(yīng)給予特別關(guān)注。當(dāng)然，所有的標(biāo)準(zhǔn)操作都應(yīng)參考和依照廠家的工具操作說明手冊(cè)，實(shí)際操作者一定要在熟悉和掌握操作要領(lǐng)后再開始施工。由于結(jié)構(gòu)修理的不可回逆性，任何的結(jié)構(gòu)損傷或偏差都會(huì)導(dǎo)致后續(xù)擴(kuò)大的修理，在維修周期和成本上造成極大的不可控和浪費(fèi)，必須引起關(guān)注。

5 總結(jié)

通過對(duì)冷拔工藝起源、原理、優(yōu)勢(shì)以及標(biāo)準(zhǔn)操作及其操作要領(lǐng)的全面介紹，對(duì)冷拔工藝操作流程進(jìn)行了11個(gè)步驟的標(biāo)準(zhǔn)化定義和規(guī)范，使冷拔操作成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)施工，能夠幫助國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造單位或維修單位的一線操作者更好地理解和掌握此項(xiàng)工藝要求。同時(shí)，結(jié)合筆者自身的應(yīng)用實(shí)踐，總結(jié)了4項(xiàng)操作要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，能夠幫助操作者在上手和操作過程中少走或不走彎路，以便更好、更全面地掌握和熟練應(yīng)用這項(xiàng)工藝，穩(wěn)定和提升航空器的制造和維修水平，為確保產(chǎn)品的高質(zhì)量產(chǎn)出提供助力。

作者簡(jiǎn)介

李濤，高級(jí)工程師，碩士，目前主要從事飛機(jī)大修業(yè)務(wù)的生產(chǎn)技術(shù)支援和安全質(zhì)量管理工作。