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世界先进航空紧固件进展 |
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| http://cn.newmaker.com
6/2/2009 9:36:00 PM
航空制造技术
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随着航空工业飞速发展，大量飞机同时开发，航空紧固件工业迎来了史无先例的新纪元。紧固件在飞机上广泛分布，在一架典型的双通道飞机（如A330/A340）的机身和机翼上，大约有40万件。从智能紧固件到高性能环槽紧固件（XPLs），紧固件制造商应该抓住这一难得的机会对广泛的需求做出响应。
智能紧固件
配以带遥控功能的嵌入式微处理器和集成传感器，紧固件也会变得聪明起来。智能紧固技术的基本原理是借助外部力源，如磁场、远红外辐射、超声波等，让紧固件可被远距离地自行锁止或松开。智能紧固件主要用于高载富集区。首创智能紧固技术概念的Textron紧固系统公司（TFS）称，此技术可能全面改变系统的设计、组装、维修等流程，通过把智能植入紧固件，人们可以实现许多新功能：便利的遥控式装配和拆卸，及时察觉多种与紧固相关的状态，诸如某个紧固件是否被过载等。
TFS最近开发的Intevia智能紧固系统，主要用于货舱的门闩。该系统利用一种新型的集感知与驱动于一体的智能材料——形状记忆合金，作为紧固操作的执行机构，当电流通过时，形状记忆合金收缩，当门闩组件之一与其连接，它就拉动或释放门闩。把智能紧固件及其遥控/伺服功能与整机的电源和数据系统集成一体，可以借助PC机、PDA、或其他专门接口，发出指令对已预留相应密码芯片的紧固件进行遥控操作。还可以访问储存在该紧固件系统中的实时信息，如被紧固的现状以及相关的其他测试数据。由于智能紧固件可以不施加机械力就能完成各种紧固操作，在产品设计上，可以不必考虑预留紧固工具的操作空间；与以前使用的沉重的电-机设备相比，可以更安静地操作。
智能紧固件的另一个应用领域是维护。接触仪表盘、螺丝和其他需要拆装的组件通常涉及大量的文书和记录工作，智能紧固件的使用，由于可以遥控发送信号给计算机，所以所有的记录都是自动的。紧固件可以记录下谁操作了它，花了多长时间。在数据搜集上，与不得不记录每件事的机械紧固件相比，智能紧固件有高度的可靠性。轻触一下遥控开关，座位就可以打开，在轨道上重新布置或者重新连接。智能紧固件可以大量减少座位配置上需要的时间和劳动力。
一旦一组紧固件连接一块面板，其中有个智能紧固件（具有信号发出和接收能力），其他的是从属部件，它们和智能紧固件同时工作。重要信息可以在各种系统间的智能紧固件间传递，这样，系统间的信息交换能够通过智能紧固件便利化。但是，Intevia紧固件不能在非常热的环境中使用，例如发动机部位，因为形状记忆合金超过一定温度就会失去反应。
Alcoa公司也对提供感应环境能力和使紧固件在结构整体性上形成高可靠质量水平的智能紧固件感兴趣，他们瞄准了能结合传感器提供结构状态信息的紧固件。Alcoa公司期望将来紧固件能够提供可靠信息，以帮助延长飞机的飞行寿命。
SPS公司认为智能紧固件在地板区实用，它能对机舱外的快速变化自动反应。同时，SPS对智能紧固件的信息储存感兴趣：“一个芯片可以存储紧固件的预载、位置、金属的热量，所有这些文书工作将随紧固件运动进行。SPS和另一个公司正在开展一个数据存储紧固件的研究作，”但是，SPS公司不认为智能紧固件会成为主流，因为同标准紧固件相比成本较高。作为一个设计公司，菲力浦紧固公司也已经观察了一些市场上的智能紧固件，相信智能紧固件会在机身上得到应用。他们说智能紧固件可以用在行李箱上，这个部位可以迅速放进、拿出，方便维护和维修。
将金属和复合材料连在一起
今天，航空制造业的趋势是混合结构，利用每种材料的最好性能，达到减重、高寿命、隐身等性能要求，因此，铝合金/钛合金、复合材料/铝合金、复合材料/钛合金、复合材料/钛合金/铝合金等结构大量应用。Alcoa公司的工程师设计了高性能螺栓紧固系统（XPL）,采用钛环圈将A380中央翼盒的复合材料和金属部件连接在一起。由于中央翼盒的舷弧尺寸，紧固件的尺寸很大。这就意味着XPL需要专用的安装工具，Alcoa公司不得不从机车和矿车等工业借用一些安装工具的设计。另一个挑战是程序开发的速度，过去这种紧固件要在决定建造飞机前开发并签订合格，但是XPL的开发与飞机的开发平行。XPL位于A380最重要的结构区。除了中央翼盒，XPL也应用于发动机挂架和翼身的连接部位。可提供的紧固件尺寸范围较大，直径从3/16英寸～1英寸（4.76mm～25.4mm），尺寸的选择基于飞机上每种连接的特殊需求。Alcoa公司瞄准A380货机的大尺寸紧固件。MaxiBoltPlus拉拔型抽钉紧固系统为Textron紧固系统公司提供的作为A380上的3个结构装配件的紧固系统，应用部位包括垂尾、J形鼻锥以及前缘缝翼。在垂尾上此紧固系统用来代替原来设计中规定的钢螺栓。每一碳纤维尾翼段大约需要9000个螺栓，比钢螺栓减重8.5kg。由聚苯硫醚注塑成形的J形鼻锥是连接翼身装配件的部件。机翼上的前缘缝翼可改变飞机气动力性能。MaxiBoltPlus拉拔型抽钉紧固系统将缝翼固定在78m的A380机翼上。A380安装的此紧固系统有3种尺寸, 可用标准的手提式或自动化工具以及机器人进行安装。
自动安装
随着航空市场的发展，要求飞机研发的速度加快的及减少劳力的需求，因此，要求航空紧固件的设计易于自动化和使用机器人安装。Alcoa公司致力于开发自动装配紧固件，其中典型的产品是Ergo-Tech紧固件，这是一种相当新的紧固件，此紧固件用来替换传统的“钉&环圈”系统，但在设计上满足同样的要求。Ergo-Tech紧固件适合单面安装结构，不需要第二个人操作，安装工具界面允许转移安装力以避免拉脱。另外，安装过程不会将振动传到操作者的手上，能实现安装人机界面友好，这些平稳的安装特性使此紧固件适合于机器人自动安装。
钛紧固件的优越性
由于钛合金材料具有强度高、重量轻、与复合材料电位匹配和防腐等性能，因此，随着复合材料的大量使用，钛紧固件的优势越来越突出。SPS航空紧固技术公司目前正进行钛合金的研究，此前以SPSTITAN761紧固件的形式供应给F1赛车行业，最近又以发动机和机身紧固件的形式引入航空工业。TITAN761的拉伸强度比Ti6Al4V的160ksi(1103MPa)高，可以达到180ksi(1241MPa)，所以可以缩小紧固件的直径来减轻重量。大多数Alcoa的客户（如空客）使用钛紧固件，Alcoa目前正致力于研发强度可提高15%的新式钛合金紧固件。其他客户有较高强度的材料的特定需求，如在CFRP混合连接部位使用Inconel材料。
菲力浦紧固公司螺旋驱动系统
目前，菲力浦紧固公司非常流行的产品之一是MORTORQ螺旋驱动系统，其独特的槽形使驱动工具与槽翼完全接触,这样就达到了非常高的扭矩能力并且没有损伤。由于这种槽的深度在紧固件头部最小并且具有终极扭矩能力，因此可应用于100°沉头及抗剪头。菲力浦公司将其成功归于它的许多应用。由于非常浅的凹槽使紧固件头部具有非常高的强度，这是在复合材料应用上非常有价值的特征。MORTORQ系统由于其高扭矩能力，超过了菲力浦紧固公司试验的所有其他驱动系统，包括从非常小的第2号紧固件到1英寸（25.4mm）直径的高强度螺栓。
MORTORQ驱动系统非常容易清洗，所以通常应用在维护、地板和其他涂漆的部位。由于其高扭矩，所以对操作者来说很容易使用，经证明，操作者单手放在工具上就可以把紧固件拆除。
展望
对所有紧固件的设计师和制造商来说，一个重大的挑战就是原材料的取得，例如钛合金和高镍基合金，稀有的材料已经造成成本上涨。当今航空市场急速发展，能够获得原材料是最重要的。另外，材料的交货期非常长，所以能够提供给客户适当的交货期也是一个挑战。
空客和波音突然加快研制计划，致使紧固件工业还没有做好充足的准备。过去需要花一年时间才能开发出新的紧固件，但是现在就要求缩短到几个月的时间。波音公司尤其感受到了紧固件是实实在在的拦路虎，紧固件短缺是波音787客机试飞迟迟无法进展的主要原因。2007年底，航空航天紧固件钛合金原料不足，迫使波音发布787客机延期交货的消息，紧固件短缺的问题仍可能对787带来长期的经营风险。航空计划的浪潮和复合材料的使用对于紧固件设计的协作和提前计划起到积极的影响。当使用复合材料时，设计者预先就得更多地考虑到紧固件问题，提前作好规划和准备。
国内航空业经过20年的发展，虽然已经能够生产多种钛合金紧固件，但是种类、规格有限，设备能力有限。在国际航空以飞速发展的形势下，国内极需开发新材料、研制新型紧固件、扩大生产能力，来满足国内研发新型飞机的装配需求。
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