當(dāng)今的航空產(chǎn)品追逐重量輕、高壽命、高可靠性、經(jīng)濟性等指標(biāo)要求，將最先進的材料和制造技術(shù)發(fā)揮到了極致，其結(jié)構(gòu)上所用的緊固件及其制造技術(shù)也是如此[1]。航空航天用緊固件制造所用的材料、成形設(shè)備、機加設(shè)備、檢測設(shè)備及工藝技術(shù)均處于緊固件行業(yè)的最高水平，只有航空航天緊固件才有這種需求。本文就目前高性能航空航天緊固件產(chǎn)品制造技術(shù)中的最先進設(shè)備及相關(guān)工藝技術(shù)進行系統(tǒng)介紹，以展示其設(shè)備能力現(xiàn)狀和發(fā)展方向。

航空緊固件綜合屬性及對制造設(shè)備的要求

在世界范圍內(nèi)，緊固件是一種使用量較大的標(biāo)準件，主要產(chǎn)品有螺栓類、螺母類、鉚釘類3類。在航空裝備上，緊固件的使用量較大，一架小型飛機緊固件使用量可達到幾十萬件，而一架大型飛機可使用到150～200萬件的數(shù)量[2]。與民用緊固件產(chǎn)品比，航空緊固件產(chǎn)品具有品種種類多、結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊、材料性能高、綜合性能好、零件加工精度高、一致性要求高等特點，如表1所示。

航空緊固件加工精度要求較高，如抽釘?shù)冉M合類產(chǎn)品，其中多種配合零件的尺寸公差要求精度較高，以保證力學(xué)性能及傳動要求，而有些零件為滿足飛機干涉連接一致性要求即飛機的連接壽命要求需要的制造精度更高，可達到幾個μm的精度 要求。為滿足減重、防腐等要求，需采用鈦合金、耐熱合金、不銹鋼等材料?；谝陨霞夹g(shù)指標(biāo)要求，這些高精度、高性能緊固件的加工須采用多種專用成形、機加、熱表處理設(shè)備及相應(yīng)技術(shù)才能保證大批量、一致性要求。

目前，在飛機機體結(jié)構(gòu)使用量最大的緊固件用材是Ti-6Al-4V材料[3-4]，使用量根據(jù)飛機的大小從數(shù)萬件到幾十萬件，Ti-6Al-4V材料雖然密度小、比強度高，但在加工中也存在一些技術(shù)問題，室溫塑性差、加熱時易產(chǎn)生氧化及污染、粘性大而易與其他金屬發(fā)生粘連、導(dǎo)熱系數(shù)差、缺口敏感性差等，這是由材料的特性所決定的，這些問題在加工流程的不同階段均需要解決．如熱鐓需采用快速加熱方式，熱處理需采用防氧化的處理方式，加工時需要解決粘連和磨損等問題[5]，這樣才能滿足緊固件批生產(chǎn)要求。

航空緊固件加工與民用緊固件加工設(shè)備及工藝大不相同，在多數(shù)情況下，民用緊固件采用1臺多模成形機、1臺連續(xù)熱處理設(shè)備、1套表面處理設(shè)備就可實現(xiàn)螺栓類緊固件的加工。而航空用鈦合金緊固件由于其材料特殊、性能要求高、精度要求高、表面處理要求多，需要采用多種專用設(shè)備才能實現(xiàn)整個緊固件的加工，緊固件加工主要工序包括頭部及桿部的鐓鍛成形、車頭部、熱處理、無心磨、車長度、螺紋成形、圓角強化、表面處理，這些僅是普通鈦螺栓加工工藝，而高鎖螺栓等產(chǎn)品還需要一些專用成形設(shè)備。為保證產(chǎn)品的一致性和低成本等要求，需采用高效專用、高效自動數(shù)控加工設(shè)備及工藝技術(shù)。

高效加工設(shè)備

鈦合金緊固件制造的主要加工流程有溫(熱)鐓、機加工、熱處理、無心磨削、螺紋成形、圓角強化、表面處理等，各道工序均有各自的質(zhì)量要求，其加工在可靠的基礎(chǔ)上，追求高效率、高質(zhì)量。

目前，國外在鈦合金等緊固件加工上大量采用數(shù)控加工技術(shù)，數(shù)字化操作可做到各種操作的無縫加工連接，提高了生產(chǎn)效率。在Alcoa、SPS、Lisi Hi-shear等公司，大量數(shù)控設(shè)備均聯(lián)網(wǎng)控制，實現(xiàn)了設(shè)備運行狀態(tài)和生產(chǎn)能力的在線監(jiān)控。另外，有些設(shè)備具備初步人工智能。

1、鐓鍛成形設(shè)備

目前鈦合金緊固件的鐓鍛，根據(jù)產(chǎn)品復(fù)雜程度及批量生產(chǎn)技術(shù)水平，采用的設(shè)備不同。對于航空類螺栓類緊固件，主要是沉頭、平頭和六角頭等形狀，具有光滑直桿的緊固件，這些零件可采用一模兩沖溫鐓機、二模三沖溫鐓機鐓制，而對于復(fù)雜的緊固件采用多模成形設(shè)備。以往的一模、兩模及多模成形設(shè)備大多采用機械調(diào)整進行大批量加工，而對于螺母類緊固件和抽釘釘體類緊固件，為了滿足復(fù)雜的多夾層調(diào)整，目前設(shè)備由簡單的機械調(diào)整向數(shù)控調(diào)整發(fā)展。

如比利時、美國、日本、中國等國相關(guān)廠家開發(fā)的多模成形用鐓機，從送料及切料長度、加熱溫度及調(diào)整、加工效率、模具及推桿位置設(shè)定等均可實現(xiàn)數(shù)字調(diào)整。在加工過程中可根據(jù)需要在屏幕上進行動態(tài)設(shè)定調(diào)整，而不需要停機進行調(diào)整，如圖1所示，這樣節(jié)省了調(diào)整時間，可優(yōu)化加工質(zhì)量，根據(jù)不同品種采用不同的效率，提高了加工效率[6]。

2、真空水淬熱處理設(shè)備

為了保證鈦合金緊固件的最終強度要求，需要進行水淬熱處理。而為了防止在加熱過程中產(chǎn)生污染，需要采用防護水淬熱處理技術(shù)[7-8]。除保證固溶溫度和保溫時間外，還需保證固溶后的轉(zhuǎn)移時間控制在6s以內(nèi)，以滿足熱處理后的工件組織均 勻、性能達到1100MPa以上、表面不產(chǎn)生氧化的要求[9]。

對于大批量生產(chǎn)，目前采用氣氛保護的網(wǎng)帶式連續(xù)熱處理設(shè)備，為避免鈦合金的表面污染，該設(shè)備具有真空料倉，加熱部分采用氬氣保護，設(shè)備如圖2所示，主要由帶有稱重的上料盤、上料系統(tǒng)、料倉、抽真空系統(tǒng)、振動系統(tǒng)、加熱爐爐體、送料料槽、加熱控制系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、充氮氣系統(tǒng)、帶冷卻的水槽、出料系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)等組成。設(shè)備是全自動的熱處理設(shè)備，只需將要處理的工件放到稱重上料盤上，全自動處理，直到傳送帶將處理的工件從水中傳送出來。采用數(shù)控操作系統(tǒng)，對溫度、時間、振動頻率、真空度、水溫、重量等參數(shù)進行調(diào)整與控制，對基本所有能產(chǎn)生的故障均有故障報警功能，還帶有遠程診斷功能。

3、無心磨削設(shè)備

為滿足飛機結(jié)構(gòu)長壽命連接要求，大量采用永久性連接緊固件，螺栓與結(jié)構(gòu)采用干涉安裝。螺栓的桿部精度設(shè)計與制造精度要求較高，在制造中需控制在幾個μm[10]。為了保證尺寸精度要求，需對干涉螺栓的多個型面采用全型面磨削的方法進行加工。為了滿足全型面如沉頭型面、圓角、光桿等結(jié)構(gòu)需要，設(shè)備必須采用多軸數(shù)控?zé)o心磨削機床，能夠滿足對不同夾層、不同尺寸緊固件大批量生產(chǎn)要求。為保證產(chǎn)品加工精度，設(shè)備具有較高的分辨率、重復(fù)定位精度要求。設(shè)備還具有磨削、修整后自動補償?shù)娜]環(huán)控制系統(tǒng)，可保證自動批量加工出滿足所需尺寸及公差范圍的產(chǎn)品。圖3為目前較先進的高效緊固件數(shù)控?zé)o心磨床，上下料效率較高，滿足大批量生產(chǎn)需要。

4、螺紋加工設(shè)備

航空緊固件螺紋精度較高、質(zhì)量要求較嚴，精度為4h6h或3A級，不能有裂紋、折迭等缺陷。大多數(shù)材料均需在熱處理后成形螺紋，強度、硬度高，塑性差，可滾壓范圍較窄。其加工設(shè)備除應(yīng)具有較高的剛性外，設(shè)備本身的精度應(yīng)滿足使用要求[11]。另外，設(shè)備應(yīng)具有參數(shù)可設(shè)定、可檢測等功能，同時具有質(zhì)量檢測、質(zhì)量監(jiān)控功能。

4.1外螺紋加工設(shè)備

對于航空用鈦合金等緊固件，小規(guī)格的主要采用數(shù)控溫搓絲設(shè)備(見圖4)成形螺紋，大規(guī)格的則采用數(shù)控溫滾絲設(shè)備或數(shù)控三軸滾絲設(shè)備成形螺紋。數(shù)控溫搓絲機具有自動調(diào)整功能，所有絲板牙位、工藝參數(shù)等設(shè)定均是通過觸屏實現(xiàn)，具有質(zhì)量控制功能，效率高，適應(yīng)鈦緊固件的大批量生產(chǎn)。溫搓絲的過程是軟化與硬化過程，較好地改善了絲板應(yīng)力狀態(tài)，減少了崩牙的可能，也使工件折迭減小，滿足鈦緊固件的質(zhì)量要求。

數(shù)控滾絲機[12]或數(shù)控溫滾絲機具有自動對牙智能控制技術(shù)、參數(shù)設(shè)定自動調(diào)整功能、滾壓過程動態(tài)模擬、實時監(jiān)控、實時動態(tài)曲線與數(shù)據(jù)顯示、滾輪設(shè)定追溯記錄等功能，可滿足多品種、小批量生產(chǎn)要求。與機械滾絲機比，具有設(shè)定速度快、質(zhì)量易控制等特點。

4.2內(nèi)螺紋加工設(shè)備

航空航天緊固件的內(nèi)螺紋大都采用5H6H或3B級螺紋，加工精度要求高，為保證裝配的一致性，還需保證加工精工度的一致性。目前國內(nèi)內(nèi)螺紋大都采用普通攻絲機或鉆床進行攻絲，難以保證加工件的一致性要求。目前，先進的內(nèi)螺紋加工大都采用數(shù)控攻絲機，可實現(xiàn)攻絲質(zhì)量的控制，滿足高效生產(chǎn)需要。設(shè)備不但位置設(shè)置方便，加工參數(shù)及加工過程可設(shè)定，還具有質(zhì)量監(jiān)控功能，防止不合格品產(chǎn)生。圖5為數(shù)控攻絲機，裝備羅克韋爾控制系統(tǒng)，具備互聯(lián)網(wǎng)遠程診斷功能。

5、圓角強化設(shè)備

鈦合金材料存在較強的缺口敏感性，在緊固件頭桿轉(zhuǎn)接部位存在較大的應(yīng)力集中，將影響螺栓使用中的疲勞壽命。為滿足制造的螺栓疲勞壽命要求，需將螺栓的頭下圓角進行強化。

圓角滾壓就是利用滾輪的壓力作用，在頭桿過渡圓角處形成一條滾壓塑性變形帶，這條塑性變形帶具有以下特點：(1)產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。可與螺栓桿部承受的拉應(yīng)力進行抵消或部分抵消，從而提高疲勞強度。(2)硬度提高。滾壓使圓角處形成 高硬度的致密層，使頭桿圓角處機械強度和疲勞強度得到提高。(3)表面粗糙度值減小。圓角滾壓可使圓角表面粗糙度達到0.1μm以下，從而大大減小了圓角處的應(yīng)力集中，提高了疲勞強度[13]。

強化效果與滾壓壓力、滾壓速度、滾壓時間有直接的關(guān)系，在加工中要準確控制。目前英國、美國等國家生產(chǎn)緊固件高效圓角強化機，這些設(shè)備均采用PLC控制，有單頭圓角強化機、雙工位圓角強化機、三頭圓角強化機等。其中雙工位圓角強化機、三頭圓角強化機均有較高的生產(chǎn)效率，如圖6所示，在滾壓小規(guī)格緊固件時，可達到40～60件／min的生產(chǎn)效率，設(shè)備均具有精密、重復(fù)性的滾壓參數(shù)。圓角強化機具有100％的在線控制，可剔除不合格工件。設(shè)備可連到自動化生產(chǎn)線上，也可作為一個單元連到其他設(shè)備上。

6、車削加工

在緊固件制造中，緊固件有較多部位需要進行機械加工，與其他工序相比，車加工工序不算是關(guān)鍵工序，但是由于數(shù)量較大、質(zhì)量要求較高，采用普通的機床，如人工上料裝夾的機床，難以解決大批量生產(chǎn)要求及質(zhì)量一致性要求，大批量生產(chǎn)設(shè)備須是自動上下料的設(shè)備且是高效生產(chǎn)設(shè)備。

螺栓類緊固件自動化加工機床有兩種形式：一是專用機械設(shè)備；二是數(shù)控加工設(shè)備。前者可采用單把刀進行局部加工，具有較高的效率，后者可進行復(fù)合加工。數(shù)控設(shè)備主要廠家有英國、美國相應(yīng)制造商，設(shè)備生產(chǎn)效率也較高，不但可進行復(fù)雜零件的精密加工，還可以連到自動化生產(chǎn)線上。設(shè)備具有在線測量功能，可進行自動補償，滿足了高精度的產(chǎn)品質(zhì)量要求。

7、表面涂覆

航空緊固件與被連接材料結(jié)構(gòu)的連接需要滿足多種安裝要求：一是自身的安裝潤滑要求；二是與連接結(jié)構(gòu)的潤滑及防腐蝕要求。如與鈦合金結(jié)構(gòu)連接使用的干涉安裝鈦緊固件，與鋁合金結(jié)構(gòu)或鋁與其他材料混和結(jié)構(gòu)連接的鈦緊固件，其表面 需不同涂層。因此，飛機機體結(jié)構(gòu)使用的鈦緊固件整個表面或局部表面要涂覆多種不同的涂層，如干膜潤滑涂層、不同鋁涂層等[14]。目前鈦合金緊固件的表面處理主要有涂鋁、涂鋁+十六醇潤滑、離子鍍鋁+十六醇潤滑、二硫化鉬干膜潤滑+十六醇潤滑、藍色陽極化+十六醇潤滑、二硫化鉬干膜潤滑、十六醇潤滑等7種表面處理形式[15]，對于涂層結(jié)構(gòu)涂層 表面要求質(zhì)量均勻，滿足5～12.5μm厚度要求，需采用自動化涂覆才能滿足螺栓、螺母需求[16]。

鈦緊固件表面涂層厚度僅有5～12.5μm，涂料中的主要成分有鋁粉等，其細度需達到nm級量級尺寸，基本上是幾nm到幾十nm的尺寸，為保證大批量生產(chǎn)要求，工件需采用離心噴霧滾涂的方式進行涂覆。通過這種方法，可解決涂覆過程中厚度均勻性、粘接性和表面完整性等關(guān)鍵問題。涂鋁機采用自動化PLC控制方式，保證所有速度、溫度、壓力等參數(shù)的可控，設(shè)備如圖7所示。

8、自動化缺陷檢測設(shè)備技術(shù)

多數(shù)航空航天緊固件均經(jīng)大批量生產(chǎn)，目前其質(zhì)量檢測仍然采用抽檢的方式。根據(jù)批量進行抽樣，抽樣會存在一定風(fēng)險，帶來整批報廢或客戶風(fēng)險。這是由于在制造與控制環(huán)節(jié)難免存在一些尺寸或裂紋等缺陷，會影響產(chǎn)品的性能以及一致性，必須將這些不合格品剔除。對于尺寸檢測可通過投影照相的方法進行檢測，而裂紋等缺陷，目前有多種方法，如目視檢測、滲透檢測、磁粉檢測、超聲檢測、射線檢測、渦流檢測、聲發(fā)射檢測、泄漏法檢測、熱圖像檢測等[17]，但由于緊固件品種多，數(shù)量極大，這些方法難以滿足大批量生產(chǎn)要求。針對緊固件成形過程中產(chǎn)生裂紋等缺陷，開發(fā)了以光學(xué)等手段的高效數(shù)字化自動檢測設(shè)備技術(shù)[18]。

目前開發(fā)的自動檢測機操作、調(diào)整、檢測與控制采用PLC控制，尺寸與缺陷都可同時進行檢測并具有較高的效率。通過光學(xué)或渦流檢測輪廓尺寸及裂紋等缺陷，檢測精度較高，將不合格品剔出，對缺陷可做到100％檢出，是現(xiàn)代先進緊固件高質(zhì)量高效檢測手段。

結(jié)束語

飛機用鈦合金緊固件具有種類多和數(shù)量大的特點，設(shè)計和制造上具有較高的尺寸、性能、組織一致性要求特點。為保證產(chǎn)品的高質(zhì)量、加工效率等方面的要求，使用了大量專門設(shè)計制造的緊固件成形、機加、熱表處理的高效數(shù)控加工設(shè)備，并實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的信息化管理和質(zhì)量監(jiān)控。

國內(nèi)的緊固件制造水平還落后于國外，新型緊固件的不斷出現(xiàn)，需要更先進的專用設(shè)備。目前專用加工設(shè)備還與國外有一定差距，隨著新型緊固件品種不斷開發(fā)，對設(shè)備的要求也越來越高，設(shè)備廠商需要從自動化、專業(yè)化、信息化方面開發(fā)高效的專用設(shè)備，同時緊固件廠商需要完善制造過程的網(wǎng)絡(luò)管理和質(zhì)量監(jiān)控等方面的工作。

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