上海飞机制造有限公司 上海 201324
摘要：随着航空工业设计水平的发展，以应力疲劳为基础的安全寿命设计准则逐步取代了传统的静强度与静刚度设计原则，因此以提高疲劳抗力、延长疲劳寿命为目的的强化技术越来越成为被关注的重点。通过对目前航空领域中所采用的冷挤压强化、干涉配合强化、机械喷丸强化等孔强化技术的技术特点、优势及缺点等进行了全面的综述与分析，并进一步的阐述了各类孔挤压技术在国内外不同机型中的应用情况。
关键词：孔强化；冷挤压；飞机装配；抗疲劳强化
0引言
随着航空工业与相关力学理论的发展，以断裂力学理论为基础的耐久性与损伤容限设计准则由于能够更精确的表征飞机服役过程中的疲劳与失效过程，已逐步取代了传统的静强度与静刚度设计原则，成为新机型设计和旧机型延寿的主要安全寿命设计准则。与之相适应，以提高结构的疲劳抗力、延长疲劳寿命为目标的强化技术也随之发展起来。
紧固孔是飞机结构中典型的应力集中细节，广泛存在于机体结构当中，且在交变载荷的作用下极易产生疲劳裂纹，从而进一步导致整机结构寿命的降低，在严重的情况下，甚至会出现解体的风险。因此，在设计和制造过程中，尽可能采用孔强化技术，达到减小紧固孔应力集中的影响，改善飞机结构的抗疲劳性能是飞机研制过程中的重要环节[1]。目前主要的孔强化技术有冷挤压强化技术、干涉配合连接技术、机械喷丸强化技术、激光冲击强化、复合材料孔保护、组合强化技术等。
1孔强化技术综述
1.1干涉配合连接
干涉配合连接是指采用干涉配合连接接头，完成紧固件孔的机械连接。由于在交变载荷作用下，干涉配合接头孔周实际承受的应力幅值远比间隙配合接头的小，从而产生了“支撑效应”。在工艺控制良好的情况下，干涉配合连接可以将紧固孔的疲劳寿命提高至少三倍。
1)干涉配合铆接：干涉配合铆接过程是指通过反复锤击或加压的方式，挤压铆钉连接件使之变形并形成与连接件紧密干涉连接的过程。如果控制得当，在铆接过程中所产生应变会形成残余应力，并起到改善连接寿命的效果[2]。在航空产品中，干涉配合铆接的形式在金属结构的机体装配中广泛运用。
2)干涉配合螺栓连接：与干涉配合铆接相似，干涉配合螺接利用干涉配合的形式来改善连接部位的残余应力分布。该方法一般用于承受疲劳载荷的结构部位，能有效提高结构的疲劳寿命，并具有较好的密封性能。其抗疲劳性能除了与干涉量有关以外，还与螺栓的结构特点、孔质量、安装、拧紧力矩值等设计工艺参数相关。
1.2 喷丸强化
喷丸强化是指采用针对材料表面或孔壁，采用一种以小而硬的弹丸进行连续高速撞击，使其发生循环塑性变形的过程，从而对材料的力学性能产生强化影响，改善喷丸后的力学性能。在工艺控制良好的条件下，材料表面将形式组织结构（包括徽细亚晶粒、高密度位错、不锈钢中的相变马氏体等）强化及残余应力强化等强化因素，达到提高疲劳寿命的目的。根据强化部位，又可分为孔壁强化与表面强化两种类型。喷丸强化仅用于少量开敞性较好的金属表面。
1.3 应力压印
应力压印主要通过压印的部位进行区分，可分为埋头窝压印、表面压印及孔挤压三种类型，分别针对其基本原理是通过对压印处施压的形式，改变连接处的残余应力分布，从而达到改善疲劳性能的目的。
1)埋头窝压印：在室温下，利用埋头窝应力压印模，通过铆枪振动对埋头窝及其孔窝分界面施加压力，形成均匀而光滑的圆角，达到改善该部位抗疲劳性能的目的。该强化方式通常用于平头类型紧固件的材料表面应力压印过程当中。
2）表面压印：将压印施加在连接工件表面，根据压印模的结构形式不同，可分为圆角压印与圆环压印，两种压印方式分别在材料表面形成圆角与同心圆环，从而减少孔周的应力集中，达到改善疲劳性能的目的。该强化方式通常用于凸头类紧固件的材料表面压印过程当中。
图1 圆环压印
3）冷挤压孔：在室温下，用特制的冷胀销棒经润滑后对孔壁表面施加压力，使被挤压部位的金属表层发生塑性变形，强化金属表面的晶体结构组织，并形成残余压应力层，以达到提高结构疲劳寿命的目的。根据所选用的冷挤压方式的不同，可进一步细分为开缝衬套冷挤压，销棒冷挤压与开缝芯冷挤压。在冷挤压过程中，挤压工具、挤压量、挤压件材料等工艺参数都会对最终的强化效果产生影响，错误的参数选择甚至会导致疲劳寿命的下降。
1.4 衬套强化
在结构孔内安装衬套也是一项经济有效的孔强化技术。通过安装衬套，可以改变孔的受力形式，改善孔的抗疲劳性能，可以在金属/复合材料混合结构使用，采用与不同材料相匹配的冷挤压膨胀量同时在金属与复合材料上安装衬套，改善结构的疲劳寿命，不仅在飞机设计阶段被选用，在飞机维修阶段也被广泛使用。
1.5 复合材料孔保护
复合材料由于其自身特性，通常不能对其紧固件孔进行直接强化，需借助在复合材料孔内安装金属衬套进行冷挤压强化，以保护复合材料孔，达到增大疲劳寿命的效果。常用的一种复合材料孔保护方法为采用衬套螺栓，该紧固件主要由螺栓和衬套组成，配合螺母完成安装。它的安装可以实现与复材孔一定的干涉量且不造成损伤，尤其适用于有闪电防护要求的复材结构中。
图2 衬套螺栓结构形式
1.6 激光冲击强化
激光冲击强化是一种新型表面强化技术，激光冲击利用激光与材料间的热效应，采用短脉冲激光为介质，短脉冲激光产生离子冲击波作用在材料表面，使表面发生塑性变形，进而形成残余压应力，从而显著提高金属材料的抗疲劳和抗应力腐蚀性能。
1.7 组合强化
一般为将针对的孔的冷挤压强化和用于结构连接的干涉配合连接同时使用，以达到最大的疲劳增益效果。通常所采用的组合形式包括：采用孔冷挤压后，利用干涉配合衬套连接；采用冷挤压后，采用干涉连接与采用喷丸强化后，进行干涉连接。
2孔强化技术在国内外机型中的应用情况
2.1干涉配合连接
无头铆钉的干涉配合铆接工艺，国外是60年代初发展起来的。随着自动钻铆机的出现与广泛应用，进一步扩大了干涉配合铆接技术在飞机上的应用，如B737、 B747、A320、A330、国内民机项目等都采用了干涉配合铆接，另外还带来了密封的效果。干涉配合铆接主要应用部位是承受交变载荷的飞机主要受力构件。
干涉配合螺接应用则更为广泛，为解决螺栓安装的困难，各紧固件供应商在螺栓上做了很多工作，如采用锥形螺栓代替直螺栓以简化安装工艺，并取得更高的延寿增益；采用干涉型Hi-LITE螺栓一步完成对孔的挤压和干涉连接，取得比锥螺栓干涉连接更高的延寿增益。干涉螺接在B-737、B747、A320、国内民机项目等机型上都得到了广泛应用，较干涉铆接相比，干涉螺接具备更好的连接强度，应用于机身大梁、接头、机翼壁板对缝大梁等受载程度更高的主承力构件。
2.2喷丸强化
喷丸强化技术可以使高强度钢的疲劳性能和抗应力腐蚀能力获得很大的提高。高强度钢的断裂韧性与强度的关系成反比，为了得到理想的疲劳性能和抗应力腐蚀性能，在零件加工过程中可以采用喷丸强化来提供其疲劳性能。喷丸强化主要用于起落架、各类接头、机械加工壁板、部分机型蒙皮也采用了喷丸强化。
2.3应力压印
包括芯棒冷挤压和开缝衬套挤压技术，芯棒冷挤压通过使用特制的冷挤压销棒经润滑后对孔壁表面施加压力，利用金属塑性变形的能力来提高孔壁质量的一种无屑加工方法；开缝衬套冷挤压是上世纪70年代初发展起来的一种孔挤压工艺方法，通过在芯棒和冷挤压孔之间添加一剖缝的薄壁金属衬套，可以避免孔被擦伤，减小了孔壁表层材料沿轴向流动，实现了单侧施工。应力压印技术广泛用于铝合金、钦合金及合金钢孔的挤压，广泛应用于B- 737、B-747、B-767、B-777、MD-82、MD-90、国内民机项目等飞机关键部位的紧固孔。
2.4衬套强化
衬套强化可以减小孔应力集中的影响，改善飞机结构的抗疲劳性能，延长使用寿命，广泛应用于飞机各种活动接头处。另外将衬套强化工艺用于结构维修中，可以在不增加结构重量、不改变结构孔尺寸的情况下完成飞机破损部位的修理，提高维修效率，有效提高飞机疲劳寿命。
2.5激光强化
激光强化的激光在零件表面作用时间短，冲击压力高，可以形成较深的强化层，相比于传统强化工艺，激光强化易于精确控制，可应用于各种形状复杂，可达性差的零件。激光强化已在发动机叶片、焊接结构、薄板零件铆钉孔等领域应用。
2.6复合材料孔保护
国外为提高复合材料接头寿命问题，采用干涉衬套的复合材料孔保护方式，由干涉衬套与孔形成干涉配合面提高了疲劳寿命。该技术广泛用于包括某机型检修门等国外新型飞机的复合材料部件当中。另一种孔保护形式为衬套螺栓，该方法避免了过盈螺栓对孔壁的擦伤，而且钉孔只需按普通方法制出直孔(圆柱孔)即可，常用于普通干涉螺接或小边距部位。B787，A350等新型飞机的复合材料部件中大量使用了该强化方式，我国某新型飞机的复合材料外翼研制中，运用了该强化方式。
3.结束语
本文根据航空工业对孔强化技术的需求，分析综述了现有孔强化技术的技术特点及适用范围，并进一步梳理了各类孔强化技术在国内外主流机型中的应用情况。在此基础上，从机体部位、结构特点与材料形式等三个对工艺选用最为关键的维度出发，总结了不同孔强化技术所适用的范围，为航空行业的工艺设计人员的孔强化设计过程，提供了有力的参考依据。孔强化技术在飞机维修阶段也被广泛使用，将强化技术用于结构维修中，可以在不增加结构重量、不改变结构孔尺寸的情况下完成飞机破损部位的修理，提高维修效率，有效提高飞机疲劳寿命。
参考文献：
[1] 钱晓明等.飞机结构件紧固孔强化技术综述[J].机械强度，2011，33（5）：749-753.
[2] 李超等.2B25-T351压印强化残余应力场的有限元模拟与实验[J]，塑性工程学报，2014，21（4）:19-22.
论文作者:凡志磊,邹成,王宇波
论文发表刊物:《防护工程》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/31
标签：压印论文; 衬套论文; 应力论文; 疲劳论文; 结构论文; 飞机论文; 技术论文; 《防护工程》2017年第8期论文;