凡志磊，嚴 晨，黃 穩(wěn)，王 華

（1.中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 201324；2.上海交通大學上海市復雜薄板結構數(shù)字化制造重點實驗室，上海 200240；3.上海應用技術大學，上海 201418）

裝配質量對于飛機的安全性能至關重要[1]，在航空碳纖維增強樹脂基復合材料部件預裝配中，對于空間受限的位置常常采用臨時緊固件進行單邊定位、夾緊[2]。臨時緊固件提供的夾緊力，有利于消除零件間間隙、增加部件剛度、抑制機械加工過程中的竄動、促進密封劑的流通等[3]。但由于復合材料屬脆性材料且臨時緊固件與復材夾緊接觸面較小，過大的夾緊力會給復材孔周帶來損傷，嚴重影響零件的靜態(tài)承載及動態(tài)疲勞性能，因此需要探明臨時緊固件安裝工藝與夾緊力之間的關系，從而在航空裝配現(xiàn)場對臨時緊固件的安裝夾緊力進行控制。

臨時緊固件的安裝是一個典型的扭矩施加在螺紋上從而形成夾緊力的過程。近年來，國內外學者對于扭矩與夾緊力關系的研究多以螺栓為主要對象。王賽等[4]利用壓力傳感器設計了螺栓預緊力的簡易測試裝置，并證明了其有效性。邵國強等[5]利用阿特拉斯擰緊軸搭建了高精度螺栓連接試驗臺，能夠模擬不同材料和不同規(guī)格的螺栓裝配過程。Omiya 等[6]針對管道法蘭的螺栓擰緊工藝進行了研究，重點討論了擰緊順序、扭矩偏差、墊片材料對螺栓預緊力的影響規(guī)律。董達善等[7]利用扭矩扳手和應變片研究了M36 高強度螺栓的扭矩系數(shù)。王曉斌等[8]利用德國Schatz 模擬裝配試驗系統(tǒng)研究了螺栓安裝時的扭矩–預緊力曲線，并對比了擰螺栓與擰螺母的區(qū)別。趙兵等[9]搭建了航空發(fā)動機九級盤連接模擬裝配環(huán)境，探究了充分潤滑、局部潤滑、無潤滑對螺栓預緊力的影響規(guī)律，結果證明了潤滑對于降低摩擦系數(shù)、提高系數(shù)穩(wěn)定性的積極意義。李小強等[10]基于航空發(fā)動機中TC4 鈦合金單螺栓連接工藝試驗，利用瑞典Atlas Copco 的擰緊裝配工具系統(tǒng)研究了不同擰緊策略對裝配預緊力大小及穩(wěn)定性的影響，并探索了螺栓預緊力短時衰減規(guī)律。

綜上所述，國內外學者大多是采用電動擰緊系統(tǒng)對螺栓的擰緊工藝與預緊力的關系進行了研究，并重點討論了預緊力離散度的影響因素等問題。然而在航空臨時緊固現(xiàn)場，由于具有體積小、質量輕、成本低廉、操作方便、維護便捷等優(yōu)點，氣動安裝工具仍是主流。與電動擰緊系統(tǒng)相比，氣動工具由于氣動沖擊的特性，所輸出的扭矩難免存在誤差，因而會導致臨時緊固件夾緊力的波動。這種輸出的偏差特性是電動擰緊系統(tǒng)所沒有的，因此現(xiàn)有的電動擰緊系統(tǒng)并不適用于臨時緊固件的安裝工藝研究。

本文設計了一種既能精確控制安裝氣壓，又能準確測量安裝扭矩與夾緊力的試驗裝置，以實現(xiàn)對臨時緊固件安裝工藝的探究。

1 臨時緊固件結構

臨時緊固件一般由殼體、彈性爪、螺紋桿、螺紋帽、擋圈、彈簧等組成，如圖1所示，該型臨時緊固件殼體內為六棱柱，底部裝有橡膠保護套，其在臨時緊固時與復材構件1 接觸，保護復合材料不受損傷。彈性爪是臨時緊固件的關鍵零件，其底部為向內收縮的圓形夾緊腳。螺紋桿上半部分加工有雙螺紋，中間為六棱柱與殼體內形間隙配合，下半部分為圓柱光桿，底部為帶錐面的擋頭。彈簧裝在螺紋桿六棱柱與彈性爪頭部之間。螺紋帽外形為六棱柱，加工有內螺紋，當轉動螺紋帽時，由于六棱柱限制了螺紋桿的周向轉動，其只能軸向移動，擋頭帶動夾緊腳往后縮，此時因為彈簧給彈性爪提供推力，夾緊腳經錐面撐開，直到與擋頭接觸，隨后在擋頭的帶動下，彈性爪收縮，鉤住復材構件2，夾緊疊層結構。由于螺紋帽在螺紋柱上的可移動距離大于彈性爪最長伸出殼體距離，因此臨時緊固件的夾緊行程范圍為0 至彈性爪最長伸出殼體的距離，可以滿足不同厚度疊層的臨時緊固需求。

圖1 臨時緊固件結構圖Fig.1 Structure diagram of temporary fastener

2 臨時緊固件安裝工藝

圖2為一類典型的復材構件裝配流程：（1）復材構件1 和2 在各自的型架上定位后，型架移動至預先設定好的位置；（2）測量此時復材構件1 和2 之間的間隙，加工、打磨墊片，并將墊片裝入間隙內；（3）安裝鉆模板并制初孔，拆除復材構件，下架去毛刺；（4）將復材構件再次上架，涂密封劑，擴孔、鉸孔并進行螺栓連接。其中，在安裝鉆模板時需用臨時緊固件進行定位夾緊，后續(xù)制初孔、擴孔、鉸孔時為避免制孔軸向力打開間隙，影響制孔質量，需每間隔一定距離就安裝一個臨時緊固件[11]。

臨時緊固件的具體安裝操作及步驟如圖3所示，安裝臨時緊固件時根據(jù)安裝孔大小選擇相應規(guī)格的臨時緊固件并插入孔中，殼體帶橡膠套的端面與復材構件1接觸 （步驟2）；擰緊氣槍前端的內六角套筒與臨時緊固件殼體上的六棱柱相配合，使得臨時緊固件殼體在安裝時保持靜止，同時擰緊氣槍內部的內六角套筒與螺紋帽相配合，帶動螺紋帽順時針旋轉，螺紋桿在殼體內形的導向作用下，向上移動 （步驟3），繼續(xù)旋轉螺紋帽，夾緊腳由錐面撐開直到與擋頭接觸 （步驟4）。隨后在擋頭的帶動下，彈性爪繼續(xù)收縮，直至夾緊面與復材構件2 接觸 （步驟5）。隨著擰緊氣槍的輸出扭矩不斷增大，臨時緊固件的夾緊力也在不斷增加，直至最大，氣槍停止工作，臨時緊固件的安裝過程結束 （步驟6）。

拆卸臨時緊固件時，將擰緊氣槍前端的內六角套筒與臨時緊固件殼體上的六棱柱相配合，氣槍內部的內六角套筒帶動螺紋帽逆時針旋轉，螺紋桿在殼體內形的導向作用下向下移動，夾緊腳不斷遠離復材構件2 直到彈性爪上圓柱底面與殼體內表面接觸；繼續(xù)逆時針轉動螺紋帽，螺紋桿向下移動，彈性爪在自身彈力作用下恢復為原始錐形；再將臨時緊固件從孔中取出即可。

基于對夾緊力一致性的期望，工程上常用離散系數(shù)Vs來表征臨時緊固件的安裝質量。離散系數(shù)又被稱為變異系數(shù)，即

式中，S為夾緊力測試數(shù)據(jù)的標準差；n為樣本數(shù)量；Xi為第i個樣本值；為夾緊力測試數(shù)據(jù)的平均值。

3 測試與驗證裝置設計

3.1 需求分析

現(xiàn)階段，航空臨時緊固現(xiàn)場缺乏面向復材構件的臨時緊固件安裝工藝。在多次試安裝中，均出現(xiàn)了夾緊力過小而間隙無法閉合，以及夾緊力過大導致復材孔周損傷的情況。因此，需要探究臨時緊固件安裝工藝與最終的夾緊力之間的關系，以為航空復材裝配現(xiàn)場的臨時緊固工藝的制定提供方法和依據(jù)。已知航空裝配現(xiàn)場的臨時緊固孔徑為3.175～6.35 mm，現(xiàn)場常用的阿特拉斯–VISS.VPA7527D1 系列擰緊氣槍的最大輸入氣壓為0.9 MPa，最大輸出扭矩為5 N·m。而本研究所用的臨時緊固件，其最大所能施加的夾緊力為6 kN。因此，本裝置的設計需求為：能夠在0～0.9 MPa 范圍內精確提供氣壓；扭矩檢測范圍大于5 N·m；壓力檢測范圍大于6 kN。同時，裝置應能適配不同類型的臨時緊固件以及氣動安裝工具。

3.2 測試與驗證裝置總體結構

本研究設計思路如圖4所示，氣壓控制模塊精確輸出氣壓至擰緊氣槍中，擰緊氣槍帶動扭矩傳感器轉動，扭矩傳感器帶動臨時緊固件轉動，臨時緊固件夾緊復材構件，所產生的夾緊力由壓力傳感器測得，然后氣壓控制模塊、扭矩傳感器、壓力傳感器等，將其所設或所測參數(shù)傳輸?shù)焦ぷ髡局?，得到臨時緊固件氣壓–扭矩–夾緊力之間的關系。

圖4 測試臺設計方案Fig.4 Design of test bench

臨時緊固件測試臺整體外形呈方形（圖5），擰緊氣槍、傳感器、臨時緊固件等均布置在前側，控制系統(tǒng)的硬件布置在后側并用外殼包住，以便對控制硬件進行保護。其中，為便于操作者調節(jié)擰緊氣槍的輸入氣壓及氣壓通斷時間，在外殼上嵌入一塊觸摸屏，可顯示當前設定氣壓值大小和氣壓通斷時間并對其進行修改。

圖5 臨時緊固件測試臺總體設計圖Fig.5 Design drawing of temporary fastener test bench

臨時緊固件測試臺長度為800 mm，寬度為490 mm，高度為336 mm，底板下安裝有4 個減震機腳，底板上加工有安裝孔，扭矩–夾緊力采集系統(tǒng)安裝在底板前半部分，底板后側安裝有電/氣控制元件箱，其寬度為190 mm，右側嵌有一塊觸摸屏，方便操作者左手推動擰緊氣槍進行臨時緊固件的安裝，右手在觸摸屏上進行操作。電/氣控制元件箱由2 mm 厚的鍍鋅板彎折而成，側板由螺絲連接到底板與箱體上，便于維修與檢查。電/氣控制元件箱內安裝有控制系統(tǒng)硬件，能輸出指定的氣壓，氣壓通過氣管從電/氣控制元件箱左下角傳出，連接到擰緊氣槍上。測試臺的夾緊力測量范圍為0～10 kN，扭矩測量范圍為0～10 N·m，氣壓可調節(jié)范圍為0～0.9 MPa，臨時緊固件可測試規(guī)格范圍為3.175～6.35 mm。

3.3 扭矩–夾緊力采集系統(tǒng)

扭矩–夾緊力采集系統(tǒng)由擰緊氣槍、輸出軸、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、壓力傳感器、復材板托架、導軌、滑臺，以及保證擰緊氣槍、扭矩傳感器、壓力傳感器等共軸心的安裝基座等組成（圖6）。

圖6 扭矩–夾緊力采集系統(tǒng)設計圖Fig.6 Design drawing of torque–clamping force acquisition system

擰緊氣槍被上下兩個“V”形塊夾緊并定位，其安裝有一根輸出軸以傳遞扭矩。扭矩傳感器通過雙膜片式聯(lián)軸器與輸出軸和臨時緊固件相連。壓力傳感器左側受壓面與臨時緊固件基座接觸，右側受壓面在安裝時與復材板接觸。當安裝氣壓輸出且操作者向右推動擰緊氣槍時，聯(lián)軸器將扭矩從擰緊氣槍中傳遞到扭矩傳感器中，扭矩傳感器再傳遞到臨時緊固件上，最終轉化為復材構件所受夾緊力。壓力傳感器測出該夾緊力。為了能夠讓各部件在軸向上自由移動以便氣槍和臨時緊固件的更換，整個扭矩–夾緊力采集系統(tǒng)放置在導軌–滑臺上。

3.4 氣壓控制系統(tǒng)

氣壓控制系統(tǒng)的主要作用是按照操作者所設置的氣壓大小及通斷時間輸出指定壓力的高壓氣體。該控制系統(tǒng)的硬件主要分為兩部分：面向操作者以供其輸入氣壓大小及氣壓通斷時間的硬件裝置，其核心為一塊14.2 cm×10.67 cm 的觸摸屏；控制輸出氣壓的大小及時間的硬件裝置，其核心為電壓控制模塊以及電氣比例閥。

如圖7所示，在電/氣控制元件箱內，自左向右分別是電路板、電源轉換器、電壓控制模塊、過濾閥、電氣比例閥。電源轉換器可將220 V 交流電源轉換為24 V直流電源，可給觸摸屏、電壓控制模塊、電氣比例閥供電。觸摸屏通過RS232 接口發(fā)出指令到電壓控制模塊上，電壓控制模塊提供相應的電壓到電氣比例閥中。過濾閥的作用是對氣體進行干燥、過濾，以保證電氣比例閥的控制精度和使用壽命，外界的氣管接入到過濾閥的左端，過濾閥的右端與電氣比例閥的左端相連，電氣比例閥的右端為氣壓出口，通過氣管與擰緊氣槍相連。電氣比例閥根據(jù)電信號精準控制其輸出氣壓大小。

圖7 控制系統(tǒng)硬件圖Fig.7 Hardware diagram of control system

4 測量系統(tǒng)分析

測量系統(tǒng)分析是分析測量系統(tǒng)所帶來的變異相對于工序過程總變異的大小，以確保工序過程的主要變異源于工序過程本身，而非測量系統(tǒng)[12]。常見的評估指標有精度和重復性等，下文將對此分別進行分析。

安裝氣槍通過輸出軸與雙膜片式聯(lián)軸器將扭矩輸出到扭矩傳感器內，由于輸出軸與安裝氣槍是內六角配合，不存在扭矩損耗，雙膜片式聯(lián)軸器修正可能存在的細微同軸度誤差，其傳遞效率為99%，扭矩傳感器經過校正后的測量誤差為1%，其將扭矩輸出到臨時緊固件上的效率同樣為99%，因此扭矩的測量精度為2.97%，滿足需求。臨時緊固件的夾緊力直接作用于壓力傳感器兩端，壓力傳感器經過校正后的測量誤差為1%，則夾緊力的測量精度為1%，滿足需求。

重復性指的是同一個操作者使用同一套測量設備，對同一個測量部件的同一特性在較短的時間間隔內進行多次測量，所得結果的一致性[13]。對于本測試臺，當安裝氣壓、安裝氣槍、聯(lián)軸器、臨時緊固件、復材板均不變時，讓同一研究人員在室溫20 ℃的條件下分別進行3 組臨時緊固件安裝試驗，每組20 次，得到的扭矩、夾緊力見表1，分別畫出6 組數(shù)據(jù)的分布直方圖 （圖8）。

圖8 概率分布直方圖Fig.8 Histogram of probability distribution

表1 測試數(shù)據(jù)記錄表Table 1 Test data record form

皮爾遜相關系數(shù)常用于計算X和Y兩組數(shù)據(jù)的相似度，其公式為

式中，PTij（i，j=1，2，3）為第i組和第j組扭矩數(shù)據(jù)分布直方圖之間的皮爾遜相關系數(shù)；PFij（i，j=1，2，3）為第i組和第j組夾緊力數(shù)據(jù)分布直方圖之間的皮爾遜相關系數(shù)。計算結果表明其值均大于0.8，說明3 組扭矩值及3 組夾緊力值的分布均具有較強的相似性，證明了本試驗臺測試系統(tǒng)具有良好的重復性，可用于臨時緊固件安裝工藝參數(shù)的測量。

5 不確定度評定

系統(tǒng)的不確定度評定的是測量結果的可信度。本研究利用高精度扳手輸出扭矩，在室溫20 ℃的條件下對試驗所用的臨時緊固件重復測量10 次，其名義值通過取平均值的方式獲得，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測量數(shù)據(jù)Table 2 Test data

對扭矩的測量不確定度影響顯著的因素有扭矩的測量重復性引起的不確定度uT1和扭矩傳感器系統(tǒng)不確定度uT2。對夾緊力的測量不確定度影響顯著的因素有夾緊力的測量重復性引起的不確定度uF1和力傳感器系統(tǒng)不確定度uF2。從文獻[14]中可知，不確定度uT1、uF1應采用A 類評定方法，不確定度uT2、uF2應采用B 類評定方法。

利用Bessel 公式計算有

式中，xi為扭矩測量值；xT為扭矩平均值；x'i為夾緊力測量值；x'T為夾緊力平均值。

傳感器系統(tǒng)測量精度為1%，視其為平均分布，則不確定度計算為

式中，Δ儀為扭矩傳感器測量誤差；Δ'儀為壓力傳感器測量誤差。

由于不確定uT1與uT2，uF1與uF2之間相互獨立，故合成標準不確定度為

6 結論

（1）為了探究氣動安裝工具輸出效果的波動性，本研究設計并搭建了一種臨時緊固件安裝工藝測試與驗證裝置，其可方便地實現(xiàn)輸入氣壓的調節(jié)、扭矩及夾緊力的輸出、氣動安裝工具及臨時緊固件的更換。

（2）對裝置進行了測量系統(tǒng)分析，測得皮爾遜相關系數(shù)均值為0.924，驗證了該系統(tǒng)的重復性。利用Bessel 公式計算了其扭矩測量不確定度為0.0591 N·m，夾緊力測量不確定度為58.5 N。結果證明了所設計裝置可用于臨時緊固件安裝工藝參數(shù)的測量。