航空發(fā)動(dòng)機(jī)用緊固件現(xiàn)狀分析

苗生沛，張 輝

（中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為工業(yè)“皇冠上的明珠”，其質(zhì)量及可靠性直接影響飛機(jī)的性能。緊固件作為一種最常用的連接件在發(fā)動(dòng)機(jī)中大量應(yīng)用，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的特殊環(huán)境，要求其連接所使用的緊固件具有高強(qiáng)度、耐高溫、高耐久性和抗疲勞等特點(diǎn)。經(jīng)過十幾年的技術(shù)積累，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用緊固件取得一定進(jìn)展，然而，國(guó)內(nèi)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件的設(shè)計(jì)、制造及使用方面仍與國(guó)外存在一定差距。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用緊固件設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

1.1 緊固件標(biāo)準(zhǔn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)用緊固件主要包括螺栓、螺釘、螺樁、螺母、鉚釘、墊圈及螺套等產(chǎn)品。國(guó)外目前已經(jīng)構(gòu)建了完善的航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件標(biāo)準(zhǔn)體系。以SAE（美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)）下屬的E-25（航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)）為例，目前共編制各類緊固件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)630項(xiàng)，見表1。每類產(chǎn)品又以尺寸系列、材料、強(qiáng)度等級(jí)及使用溫度的不同，分為更細(xì)致的體系。除緊固件的技術(shù)規(guī)范及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)以外，SAE還編制了包括螺紋、公差、頭型、潤(rùn)滑、熱處理、安裝標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范以及材料標(biāo)準(zhǔn)一起形成了完善的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用緊固件標(biāo)準(zhǔn)體系。

表1 SAE E-25發(fā)布的發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件標(biāo)準(zhǔn)

然而，發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件在國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠所屬于“小零件”管理，其標(biāo)準(zhǔn)化水平低，已經(jīng)日漸成為新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的突出問題。目前，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件標(biāo)準(zhǔn)未成體系，行業(yè)級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)僅42項(xiàng)，且主要為螺栓、螺釘及螺母標(biāo)準(zhǔn)。在行業(yè)級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)不健全的情況下，國(guó)內(nèi)各主機(jī)所依托發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的研制，參照國(guó)外先進(jìn)的緊固件標(biāo)準(zhǔn)，陸續(xù)編制了各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但仍存在尺寸系列不健全、相同產(chǎn)品不同標(biāo)準(zhǔn)中存在技術(shù)差異等問題，使本身通用化程度極高的緊固件標(biāo)準(zhǔn)變得通用性差，并造成合格鑒定試驗(yàn)、管理等方面資源的重復(fù)和浪費(fèi)，給發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件的配套及使用單位造成額外負(fù)擔(dān)。

1.2 緊固件結(jié)構(gòu)要素

在緊固件的結(jié)構(gòu)要素設(shè)計(jì)方面，國(guó)外形成了完善的緊固件結(jié)構(gòu)要素設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。例如，在NA0156《外螺紋公制緊固件設(shè)計(jì)》中，標(biāo)準(zhǔn)給出了螺栓螺釘?shù)念^型、光桿、螺紋、外形、表面粗糙度等設(shè)計(jì)參數(shù)，涵蓋六角頭、十二角頭、沉頭、盤頭等不同結(jié)構(gòu)形式的螺栓。在螺栓螺釘扳擰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，美國(guó)相關(guān)文件中給出了不同形式扳擰結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、安裝工具，以及不同槽型的理論許用強(qiáng)度，見表2，以支撐緊固件的設(shè)計(jì)及選用。

表2 螺栓螺釘扳擰結(jié)構(gòu)要素[1]

針對(duì)緊固件設(shè)計(jì)常用的頭型、光桿和扳擰結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)尚未形成系統(tǒng)且統(tǒng)一的緊固件結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定存在差異，標(biāo)準(zhǔn)“多、雜、散”，通用化程度越來越低，給生產(chǎn)廠家產(chǎn)品供應(yīng)及裝備保障帶來額外的負(fù)擔(dān)。此外，由于缺少統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)，使得由“形”到“數(shù)”的道路堵塞，無法適應(yīng)如今智能制造的發(fā)展趨勢(shì)。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件制造現(xiàn)狀

2.1 緊固件材料

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的高溫環(huán)境，要求緊固件必須具有耐高溫、高抗疲勞性等特點(diǎn)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件在選材時(shí)，往往選用具有良好高溫性能的材料。一般來說，在發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部位，緊固件材料多采用高溫合金，如GH2132、GH4738、GH4169等；在低溫部位，緊固件材料以不銹鋼和合金鋼為主，如1Cr11Ni2W2MoV、40CrNiMo等；若存在減重的需求，可以有針對(duì)性地選取鈦合金緊固件[2]。

目前，國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)大量選用了以鐵基和鎳基高溫合金為主的高溫合金緊固件，牌號(hào)包括A286、Wasploy、Inconel718等，對(duì)應(yīng)的緊固件最高使用溫度可達(dá)425℃、650℃以及730℃。其中對(duì)于螺栓產(chǎn)品，90%以上采用的是Inconel718；而對(duì)于與螺栓配套的螺母及自鎖螺母，材料主要是Wasploy和A286[3]。

由于國(guó)內(nèi)高溫合金材料的發(fā)展與國(guó)外相比較為滯后，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)仍大量使用1Cr11Ni2W2MoV、40CrNiMo等不銹鋼、合金鋼緊固件，這些材料的高溫強(qiáng)度、高溫持久性能等與高溫合金材料相比有很大差距，大大制約了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件的技術(shù)發(fā)展。隨著國(guó)家對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的投入不斷加大，近年來陸續(xù)開展了針對(duì)GH2132、GH4169等緊固件用高溫合金棒絲材的國(guó)產(chǎn)化攻關(guān)。然而，國(guó)產(chǎn)材料仍存在晶粒粗大、混晶等現(xiàn)象，國(guó)產(chǎn)棒絲材的性能水平、批次穩(wěn)定性均與國(guó)外存在差距，緊固件原材料已成為制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件發(fā)展的瓶頸之一。

2.2 緊固件表面處理

針對(duì)高溫合金緊固件，為了防止高溫環(huán)境使用時(shí)螺紋部位發(fā)生粘結(jié)，普遍采用緊固件螺紋部位局部鍍銀的方法，以保證緊固件在高溫環(huán)境下良好的抗粘結(jié)性能。此外，裝備在海洋環(huán)境下的應(yīng)用需求要求發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件具有良好的耐蝕性，傳統(tǒng)的合金鋼鍍鎘、不銹鋼鈍化等緊固件在海洋環(huán)境應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，涂二硫化鉬、鍍鋅鎳合金等新型表面處理方式近年來逐漸應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件上。

然而，鍍銀緊固件在使用過程中，主機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常反饋電鍍銀結(jié)合力不好，螺栓螺母配合使用后，螺紋部位鍍銀層脫落現(xiàn)象嚴(yán)重，再次使用就會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)，使得可以多次反復(fù)使用的緊固件變成“一次性”產(chǎn)品。二硫化鉬涂覆水平也與國(guó)外存在一定差距，主要體現(xiàn)在涂層的均勻性、結(jié)合力以及耐腐蝕性能方面，國(guó)內(nèi)目前工藝水平很難保證緊固件的螺紋、光桿及支承面涂層厚度同時(shí)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，由于二硫化鉬涂料的多種多樣導(dǎo)致不同廠家生產(chǎn)的涂覆二硫化鉬緊固件的外觀顏色都不相同。此外，涂層輸出的摩擦系數(shù)不穩(wěn)定導(dǎo)致裝配過程中經(jīng)常出現(xiàn)滯塞、螺栓擰斷等現(xiàn)象。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用緊固件使用現(xiàn)狀

3.1 安裝力矩-預(yù)緊力研究

國(guó)外自20世紀(jì)50年代起就采用了控制預(yù)緊力的力矩（或轉(zhuǎn)角）安裝技術(shù)，控制精度、摩擦性能的緊固件制造技術(shù)，制定了較完善的針對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)安裝力矩和預(yù)緊力的標(biāo)準(zhǔn)，如SAE AIR 1417《螺紋緊固件的擰緊力矩》、OCT1 00017《螺栓、螺釘和螺樁的擰緊力矩的一般要求》、MIL-HDBK-60《螺紋緊固件-擰緊力矩》等標(biāo)準(zhǔn)[4]。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同材料和不同表面處理的螺栓與螺母配合連接時(shí)，推薦的安裝力矩范圍，能夠更有效地指導(dǎo)廠家進(jìn)行緊固件的安裝。國(guó)外在航空航天等領(lǐng)域的連接螺栓預(yù)緊力方面做了不少研究，形成了常規(guī)螺栓的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，有較為完善的確定連接螺栓預(yù)緊力的方法。

在安裝力矩-預(yù)緊力方面，國(guó)內(nèi)研究開展較晚，而且缺乏長(zhǎng)期設(shè)計(jì)和使用的經(jīng)驗(yàn)。關(guān)于緊固件安裝標(biāo)準(zhǔn)主要為上世紀(jì)八九十年代編制的航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB 6125—1987《航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺紋緊固件擰緊力矩》、HB 6586—1992《螺栓螺紋擰緊力矩》、HB/Z 251—1993《螺栓連接擰緊力矩與軸向力的關(guān)系》等，但這些技術(shù)內(nèi)容較老，標(biāo)準(zhǔn)已被限制使用，強(qiáng)度等級(jí)與現(xiàn)有高溫合金材料不匹配，已不適用于目前發(fā)動(dòng)機(jī)大量使用的高溫合金緊固件。其中，HB 6125—1987《航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺紋緊固件擰緊力矩》主要規(guī)定了38CrA、30CrMnSiA、40CrNiMo、1Cr11Ni2W2MoV等合金鋼材料的緊固件安裝力矩，這些材料在新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件已經(jīng)被鈦合金、耐蝕耐熱鋼、高溫合金大量替代，標(biāo)準(zhǔn)缺少TC4、GH4169、GH4738等材料緊固件的安裝力矩參數(shù)，雖然標(biāo)準(zhǔn)也給出了GH2132緊固件的安裝力矩，但是緊固件對(duì)應(yīng)的螺紋為M螺紋，不適用于目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)大量使用的MJ螺紋和UNJ螺紋GH2132緊固件；HB 6586—1992《螺栓螺紋擰緊力矩》按照強(qiáng)度等級(jí)的不同，給出了590 MPa、930 MPa、1 075 MPa、1 470 MPa緊固件的安裝力矩，但是這些強(qiáng)度等級(jí)與現(xiàn)有飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)常用的緊固件強(qiáng)度等級(jí)（900 MPa、1 100 MPa、1 210 MPa、1 275 MPa、1 550 MPa）不匹配，無法直接應(yīng)用。針對(duì)關(guān)鍵部位應(yīng)用的緊固件，主機(jī)廠在零件圖紙上給出了產(chǎn)品的安裝力矩?cái)?shù)值。然而，在該安裝力矩?cái)?shù)值產(chǎn)生的預(yù)緊力大小并未給出，也未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。此外，安裝力矩-預(yù)緊力關(guān)系與螺栓螺母表面的涂鍍層和螺栓螺紋息息相關(guān)，不同涂鍍層及螺紋精度直接影響預(yù)緊力與安裝力矩的關(guān)系。

3.2 安裝工藝

在緊固件的安裝工藝方面，國(guó)外各緊固件主機(jī)單位形成了相應(yīng)的安裝規(guī)范，如波音公司的BAC5009《螺栓螺母安裝規(guī)范》等，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同類別緊固件的安裝工藝，如制孔、锪窩、安裝參數(shù)、表面防護(hù)等技術(shù)條件。

國(guó)內(nèi)編制了HB/Z 223《飛機(jī)裝配工藝》行業(yè)級(jí)以上系列標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)螺栓螺母、實(shí)心鉚釘、環(huán)槽鉚釘、抽芯鉚釘、螺紋空心鉚釘、高抗剪鉚釘?shù)染o固件產(chǎn)品的安裝技術(shù)要求進(jìn)行了規(guī)定，還涵蓋例如制孔、锪窩、安裝、安裝后檢查、表面防護(hù)等通用要求。但這些標(biāo)準(zhǔn)僅適用應(yīng)用于三代機(jī)為主的緊固件，對(duì)于近年來新研的高端緊固件，仍缺少相關(guān)的安裝工藝規(guī)范。

3.3 安裝工具

緊固件產(chǎn)品安裝工具的發(fā)展伴隨著緊固件產(chǎn)品的發(fā)展，國(guó)外在緊固件發(fā)展中充分考慮緊固件裝配工藝的適應(yīng)性，使其能夠在裝配現(xiàn)場(chǎng)正確使用，同時(shí)還要考慮緊固件所需要的安裝工具。緊固件型譜的產(chǎn)生，催生了一批緊固件安裝工具標(biāo)準(zhǔn)的誕生。然而，國(guó)內(nèi)缺少專業(yè)化的緊固件安裝工具生產(chǎn)廠家，緊固件生產(chǎn)廠家缺乏安裝工具設(shè)計(jì)及制造能力，發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件安裝工具部分依賴進(jìn)口。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝空間狹窄，使用的緊固件頭型包含六角、十角、十二角、十二角花鍵、D頭及T頭等，需要配套的緊固件安裝工具多，也給裝備保障帶來一定考驗(yàn)。

4 問題與差距

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件標(biāo)準(zhǔn)通用化、系列化程度低，標(biāo)準(zhǔn)缺失。目前在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)，緊固件為小零件管理，產(chǎn)品大都以圖紙，而非標(biāo)準(zhǔn)的形式出現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件的通用化、系列化程度低。目前，現(xiàn)有的行業(yè)級(jí)以上的標(biāo)準(zhǔn)無法滿足新一代發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于高溫、高強(qiáng)度、高抗疲勞性的使用需求，需要構(gòu)建涵蓋產(chǎn)品、技術(shù)規(guī)范、熱表處理及安裝使用等標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件配套材料及表面防護(hù)技術(shù)落后。現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)高溫合金材料在批次穩(wěn)定性及生產(chǎn)加工性能方面仍與國(guó)外存在較大差距，鍍銀層、二硫化鉬層的厚度結(jié)合力、耐腐蝕性能仍有待提升，發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件配套材料及表面防護(hù)技術(shù)已經(jīng)成為制約航空高端緊固件發(fā)展的重要問題之一。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件連接技術(shù)缺少系統(tǒng)的研究支撐?，F(xiàn)有高溫合金緊固件缺少安裝力矩-預(yù)緊力關(guān)系，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件在安裝及拆卸過程中容易出現(xiàn)拆卸力矩過大導(dǎo)致頭部打滑及螺栓擰斷等現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件安裝質(zhì)量問題頻發(fā)。

5 結(jié)束語

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件已成為一個(gè)龐大的產(chǎn)品體系，為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)更高性能的要求，未來的航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件研制周期越來越短，性能要求越來越高，新材料新技術(shù)應(yīng)用越來越多。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件設(shè)計(jì)、制造及使用方面存在的各種問題，需要構(gòu)建完善的涵蓋產(chǎn)品、材料、熱表及安裝等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件標(biāo)準(zhǔn)體系，用標(biāo)準(zhǔn)打通“設(shè)計(jì)-制造-使用-維護(hù)”全流程，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件由“小零件”到標(biāo)準(zhǔn)件的轉(zhuǎn)變。此外，需要重點(diǎn)開展發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件用原材料及先進(jìn)表面防護(hù)技術(shù)的攻關(guān)，并對(duì)研制的國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品系統(tǒng)開展安裝技術(shù)研究，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件連接質(zhì)量，解決發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件安裝質(zhì)量頻發(fā)的問題。