1、932023年第66卷第3期航空制造技术RESEARCH研究论文面向复材构件的临时紧固件安装工艺测试与验证装置设计*凡志磊1，严 晨2，黄 稳1，王 华3（1.中国商飞上海飞机制造有限公司，上海 201324；2.上海交通大学上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室，上海 200240；3.上海应用技术大学，上海 201418）摘要 临时紧固件过大的夹紧力会给复材孔周带来损伤，严重影响结构的静态承载及动态疲劳性能，航空复材装配现场需要对临时紧固件的安装夹紧力进行控制。因此针对临时紧固件气动安装工具输出扭矩的波动性特点，设计了一种面向复材构件的临时紧固件安装工艺测试与验证装置，以探讨其安装工艺与夹
2、紧力之间的关系。通过电气比例阀控制气动安装工具的输入气压，通过扭矩传感器和夹紧力传感器监测临时紧固件安装过程中的扭矩和夹紧力。对所搭建的装置进行了测量系统分析，利用皮尔逊相关系数公式验证了其重复性，并用 Bessel 公式计算了其不确定度。结果表明，所设计的装置可以用于复材构件临时紧固件的安装工艺测试与验证。这将为航空复材装配现场的临时紧固工艺的制定提供方法和依据。关键词：复合材料；临时紧固件；安装工艺；扭矩；夹紧力；测量系统分析Design of Testing and Verification Device for Installation Technology of Temporary
3、Fasteners to Composite ComponentsFAN Zhilei1,YAN Chen2,HUANG Wen1,WANG Hua3(1.COMAC Shanghai Aircraft Manufacturing Co.,Ltd.,Shanghai 201324,China;2.Shanghai Key Laboratory of Digital Manufacture for Thin-Walled Structures,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;3.Shanghai Institute of T
4、echnology,Shanghai 201418,China)ABSTRACT Excessive clamping force of temporary fasteners will cause damage to the composite holes and seriously affect the static load-bearing and dynamic fatigue performance of the structure.The clamping force of the temporary fastnersneedstobecontrolledattheaviation
5、assemblysite.Therefore,inviewofthefluctuationcharacteristicsoftheoutputtorqueofthetemporaryfastenerspneumaticinstallationtool,atestandverificationdevicefortheinstallationoftemporary fasteners for composite structures was designed to explore the relationship between the installation process and the c
6、lamping force.The input air pressure of the pneumatic installation tool is controlled by an electric proportional valve,and the torque and clamping force during the installation of temporary fasteners are monitored by a torque sensor and a clampingforcesensor.Themeasurementsystemofthebuiltdeviceisan
7、alyzed,therepeatabilityisverifiedbythePearsoncorrelationcoefficientformula,andtheuncertaintyiscalculatedbytheBesselformula.Theresultsshowthatthedesigneddevice can be used to test and verify the installation process of temporary fasteners for composite components.This will provide a method and basis
8、for the formulation of temporary fastening technology at the assembly site of aeronautical composite materials.Keywords:Composite materials;Temporary fastener;Installation process;Torque;Clamping force;Measurement system analysisDOI:10.16080/j.issn1671-833x.2023.03.093*基金项目：国家自然科学基金（51775350）。引文格式：凡
9、志磊,严晨,黄稳,等.面向复材构件的临时紧固件安装工艺测试与验证装置设计J.航空制造技术,2023,66(3):9399.FAN Zhilei,YAN Chen,HUANG Wen,et al.Design of testing and verification device for installation technology of temporary fasteners to composite componentsJ.Aeronautical Manufacturing Technology,2023,66(3):9399.94航空制造技术2023年第66卷第3期研究论文RESEARC
10、H装配质量对于飞机的安全性能至关重要1，在航空碳纤维增强树脂基复合材料部件预装配中，对于空间受限的位置常常采用临时紧固件进行单边定位、夹紧2。临时紧固件提供的夹紧力，有利于消除零件间间隙、增加部件刚度、抑制机械加工过程中的窜动、促进密封剂的流通等3。但由于复合材料属脆性材料且临时紧固件与复材夹紧接触面较小，过大的夹紧力会给复材孔周带来损伤，严重影响零件的静态承载及动态疲劳性能，因此需要探明临时紧固件安装工艺与夹紧力之间的关系，从而在航空装配现场对临时紧固件的安装夹紧力进行控制。临时紧固件的安装是一个典型的扭矩施加在螺纹上从而形成夹紧力的过程。近年来，国内外学者对于扭矩与夹紧力关系的研究多以螺栓
11、为主要对象。王赛等4利用压力传感器设计了螺栓预紧力的简易测试装置，并证明了其有效性。邵国强等5利用阿特拉斯拧紧轴搭建了高精度螺栓连接试验台，能够模拟不同材料和不同规格的螺栓装配过程。Omiya 等6针对管道法兰的螺栓拧紧工艺进行了研究，重点讨论了拧紧顺序、扭矩偏差、垫片材料对螺栓预紧力的影响规律。董达善等7利用扭矩扳手和应变片研究了 M36 高强度螺栓的扭矩系数。王晓斌等8利用德国 Schatz 模拟装配试验系统研究了螺栓安装时的扭矩预紧力曲线，并对比了拧螺栓与拧螺母的区别。赵兵等9搭建了航空发动机九级盘连接模拟装配环境，探究了充分润滑、局部润滑、无润滑对螺栓预紧力的影响规律，结果证明了润滑对
12、于降低摩擦系数、提高系数稳定性的积极意义。李小强等10基于航空发动机中 TC4 钛合金单螺栓连接工艺试验，利用瑞典 Atlas Copco 的拧紧装配工具系统研究了不同拧紧策略对装配预紧力大小及稳定性的影响，并探索了螺栓预紧力短时衰减规律。综上所述，国内外学者大多是采用电动拧紧系统对螺栓的拧紧工艺与预紧力的关系进行了研究，并重点讨论了预紧力离散度的影响因素等问题。然而在航空临时紧固现场，由于具有体积小、质量轻、成本低廉、操作方便、维护便捷等优点，气动安装工具仍是主流。与电动拧紧系统相比，气动工具由于气动冲击的特性，所输出的扭矩难免存在误差，因而会导致临时紧固件夹紧力的波动。这种输出的偏差特性是
13、电动拧紧系统所没有的，因此现有的电动拧紧系统并不适用于临时紧固件的安装工艺研究。本文设计了一种既能精确控制安装气压，又能准确测量安装扭矩与夹紧力的试验装置，以实现对临时紧固件安装工艺的探究。1 临时紧固件结构临时紧固件一般由壳体、弹性爪、螺纹杆、螺纹帽、挡圈、弹簧等组成，如图 1 所示，该型临时紧固件壳体内为六棱柱，底部装有橡胶保护套，其在临时紧固时与复材构件 1 接触，保护复合材料不受损伤。弹性爪是临时紧固件的关键零件，其底部为向内收缩的圆形夹紧脚。螺纹杆上半部分加工有双螺纹，中间为六棱柱与壳体内形间隙配合，下半部分为圆柱光杆，底部为带锥面的挡头。弹簧装在螺纹杆六棱柱与弹性爪头部之间。螺纹帽
14、外形为六棱柱，加工有内螺纹，当转动螺纹帽时，由于六棱柱限制了螺纹杆的周向转动，其只能轴向移动，挡头带动夹紧脚往后缩，此时因为弹簧给弹性爪提供推力，夹紧脚经锥面撑开，直到与挡头接触，随后在挡头的带动下，弹性爪收缩，钩住复材构件 2，夹紧叠层结构。由于螺纹帽在螺纹柱上的可移动距离大于弹性爪最长伸出壳体距离，因此临时紧固件的夹紧行程范围为 0 至弹性爪最长伸出壳体的距离，可以满足不同厚度叠层的临时紧固需求。2 临时紧固件安装工艺图 2 为一类典型的复材构件装配流程：（1）复材构件 1 和 2 在各自的型架上定位后，型架移动至预先设定好的位置；（2）测量此时复材构件 1 和 2 之间的间隙，加工、打磨
15、垫片，并将垫片装入间隙内；（3）安装钻模板并制初孔，拆除复材构件，下架去毛刺；（4）将复材构件再次上架，涂密封剂，扩孔、铰孔并进行螺栓连接。其中，在安装钻模板时需用临时紧固件进行定位夹紧，后续制初孔、扩孔、铰孔时为避免制孔轴向力打开间隙，影响制孔质量，需每间隔一定距离就安装一个临时紧固件11。图 1 临时紧固件结构图Fig.1 Structure diagram of temporary fastener挡圈壳体弹簧复材构件1复材构件2螺纹帽螺纹杆弹性爪图 2 复材构件装配流程Fig.2 Flow chart of assembly of composite materials制初孔复材在型架
16、上定位型架移动至预定位置测量零部件间隙加工、打磨垫片将垫片装入间隙钻模板定位、夹紧零部件下架去毛刺零部件上架、涂胶扩孔、铰孔并连接952023年第66卷第3期航空制造技术RESEARCH研究论文临时紧固件的具体安装操作及步骤如图 3 所示，安装临时紧固件时根据安装孔大小选择相应规格的临时紧固件并插入孔中，壳体带橡胶套的端面与复材构件 1接触（步骤 2）；拧紧气枪前端的内六角套筒与临时紧固件壳体上的六棱柱相配合，使得临时紧固件壳体在安装时保持静止，同时拧紧气枪内部的内六角套筒与螺纹帽相配合，带动螺纹帽顺时针旋转，螺纹杆在壳体内形的导向作用下，向上移动（步骤 3），继续旋转螺纹帽，夹紧脚由锥面撑开直到与挡头接触（步骤 4）。随后在挡头的带动下，弹性爪继续收缩，直至夹紧面与复材构件2 接触（步骤 5）。随着拧紧气枪的输出扭矩不断增大，临时紧固件的夹紧力也在不断增加，直至最大，气枪停止工作，临时紧固件的安装过程结束（步骤 6）。拆卸临时紧固件时，将拧紧气枪前端的内六角套筒与临时紧固件壳体上的六棱柱相配合，气枪内部的内六角套筒带动螺纹帽逆时针旋转，螺纹杆在壳体内形的导向作用下向下移动，夹紧脚不断
