飞机垂尾装配孔径超差分析及工艺优化

梁晓宇 邵名煊 淡琳尧

摘 要：垂尾对接是大部件对接中的重要组成部分，是飞机装配的关键环节，对接质量的优劣直接影响飞机的飞行安全及使用寿命。本文以垂尾对接过程中产生孔径超差的主要原因，即铰孔损伤及冷挤压失败进行分析、论述，给出工艺改进的具体措施。

关键词：垂尾对接、孔径超差、铰孔、冷挤压 问题描述

垂尾对接是大部件对接中的重要组成部分，是飞机装配的关键环节，对接质量的优劣直接影响飞机的飞行安全。垂尾对接工艺流程中又以冷挤压为一项重要的工艺过程，冷挤压技术是一种冷加工工艺，主要用于提高飞机紧固件孔的疲劳寿命，施工过程是最大直径大于孔直径的高强度锥形芯棒从初孔内拉过，锥形芯棒将轴向拉力转变成对孔壁的径向压力和拉力，使孔边区域产生塑性形变，目的是在孔边形成切向残余压应力，提高孔壁周围材料的疲劳强度。

飞机总装阶段在进行垂尾对接时，经常发生垂尾对接孔孔径超差问题，孔径超差产生的原因一类为铰孔过程中出现问题;另一种产生原因主要为冷挤压失败，二次挤压或芯棒卡滞取卸过程中损伤孔壁，在精铰时无法消除损伤处所致。针对这两类问题，从故障现象出发，对垂尾对接铰孔工艺过程进行简述，同时从人、机、料、法、环五个影响产品质量的方向分析造成垂尾铰孔超差、冷挤压过程失败的原因。

一、垂尾对接工艺过程

总装阶段飞机垂尾对接在全机大部件对接的最后一步进行，即机身各段对接完成→中外翼对接完成→外翼对接完成→垂平尾吊装→平尾调姿态配铰对接孔→垂尾对接配铰对接孔。

垂尾的吊装——调孔——初孔预制（边校边铰）——精度销插入——对角线铰孔直至最后一个孔铰完直接冷挤压（一般来说，阶差最大的孔最后一个铰第一个冷挤压，防止铰孔及冷挤压过程中因震动原因导致铜垫块从单耳下方被挤出，使对接孔内工艺销“憋劲”——受径向拉力而导致孔内装配位置变差）—— 铰至终孔——塞规检查——上对应尺寸精度销——对角线冷挤压，铰孔并经塞规检查完毕直至最后一个孔后安装螺栓，其余孔按照对角线法依次将精度销替换成螺栓。

1.调孔

垂尾与机身尾段连接结构为单双耳接头装配，因同轴度偏差，对接前必须先进行调孔，检查调整后的后梁孔阶差能否满足铰孔条件，是否需要铣孔处理同轴度过大问题。首先选用适合的工艺销插入前梁初孔，选择铜垫块垫在单耳下部，消除对接孔上下阶差，保证前梁单双耳孔位匹配。因为铜的硬度低，延展性好，相互挤压不会损伤单耳。若先调整后梁孔，前梁孔径小，正常装配尺寸偏差积累下可能会造成前梁阶差过大，无法调整至铰孔状态。然后在后梁选择合适尺寸的工艺销插入对接孔内完成调孔工作。后梁孔插入工艺销同轴度偏差不得大于0.5mm，若高于这个尺寸，会存在无法在设计要求终孔尺寸内铰掉台阶而造成初孔尺寸超差的风险。

2.初孔预制

为开缝衬套冷挤压强化工艺过程的前期准备，包括铰孔和初孔检测。被挤压初孔的尺寸精度控制在H9，表面粗糙度应控制在Ra1.6以下，孔口无毛刺，孔壁无轴向刮痕。在铰制初孔时，尤其是使用公差为0.05，精度为H9的精加工铰刀时，选择刀刃完好及刃带磨损小的铰刀，匀速铰孔，及时上油，保证初孔粗糙度、垂直度、孔精度均满足设计要求。将前后梁孔铰至要求尺寸孔径后，再进行后续的冷挤压工作。

3.冷挤压过程

3.1冷挤压过程

冷挤压是强化工艺的关键过程，包括芯棒的检测、清理，鼻顶帽的检查、安装，芯棒的安装，设备试验，衬套安装，冷挤压，拆除衬套一整个过程。挤压过程保证手持设备姿势不变、无颤抖，挤压速度稳定、无振动，动力源持续供压，否则容易导致卡棒甚至断棒等事故发生，冷挤压过程如下图1所示。

在整个强化过程中，芯棒大端通过孔时，孔内壁受到挤压先发生弹性变形，当挤压变形力超过材料屈服极限时，发生塑性变形。因此，在孔壁一定深度范围内的金属层发生弹性变形，与该层相邻的材料发生塑性变形。当芯棒拉出孔后，孔壁表层发生弹性变形的材料在内应力的作用下开始回弹，并对塑性变形层形成反向挤压，从而在孔壁一定范围内形成残余压应力区。其中负值为压应力，正值为拉应力。

影响冷挤压的主要工艺参数包括：初孔直径、挤压量、挤压力等。

3.2影响冷挤压的工艺参数

3.2.1初孔直径

初孔直径的大小直接影响后续冷挤压的挤压量及挤压力大小，选择主要依据挤压量、回弹量和铰削量大小。合适的初孔孔径直接影响孔内形成的切向残余压应力，随着挤压量的增加，残余压应力沿径向呈现先增大后减小的趋势。

3.2.2挤压量

挤压量直接影响冷挤压工艺带来的抗疲劳强度效果;若挤压量过小，弹塑性变形区域小，强化效果有限;若挤压量过大，容易在孔口周围产生微裂纹等微观缺陷，从而降低疲劳寿命。

在多架机实际挤压过程中，发现芯棒与衬套也会随着孔壁的扩大而受压变形。即在挤压力作用下，挤压量的大小由孔壁、衬套以及芯棒吸收。一般情况下，挤压量的70%被孔壁吸收，挤压量大小主要取决于被挤压孔的材料强度、热处理方法、初孔直径、孔深及孔边距等因素。

3.2.3挤压力

挤压时产生的塑性形变直接决定挤压力的大小，主要影响因素有孔的材料强度、挤压量、孔深度及孔的结构关系，其中对接孔的装配结构是导致挤压力增大的重要原因。

4.终孔铰制

通过铰掉凸脊和孔口堆积获得所需终孔尺寸，挤压后的孔要求精度达到H9，表面粗糙度應控制在Ra1.6以下。因为铰削量过大会导致残余压应力最大值逐渐减小，见下图2。

二、铰孔过程中出现问题的原因分析

孔径超差是垂尾对接过程中最容易发生的问题，垂尾对接处的孔径特性是靠铰孔工作来加工完成的，包括对接过程中的铰初孔及冷挤压后的铰终孔，全都离不开铰孔工艺过程，铰孔中主要影响的因素为调孔的质量，铰孔过程中的操作，铰刀选择及材料的影响。

1.调孔时未消除孔内阶差，铰孔后无法消除

在铰孔过程中，若操作人员操作粗心，如未按规定调孔，使另一侧对接孔单双耳同轴度相差过大，在后续铰孔过程中无法消除孔内阶差，从而导致无法进行冷挤压加工或冷挤压失败。

2.铰孔过程中频率不一致，操作不规范

由于装配结构及铰孔所处空间受限，无法满足自动钻孔所需的稳定工作环境和精度控制，现阶段主要依靠人力铰孔，若铰孔顶紧力过大，容易造成进刀口处明显震刀纹，而当铰杠摆动频率变化过大，极易在内孔壁留下明显的轴向加工刀痕，造成超差。

铰孔过程中，要经常注意清除粘在刀齿的切屑，若发生铰刀在孔内卡滞，需顺时针退刀，并清理孔内及刀刃部位的切屑，否则切屑随刀刃在孔内转动，会造成孔壁划伤。在最后几刀精加工铰孔中，若刀刃加工部位未上油，铰刀与孔壁则会发生干摩擦，降低终孔表面粗糙度。

3.铰刀选用不合理，使用过程中磨损

选用铰刀的尺寸不合理会导致背吃刀量过大或过小，过大会造成铰削困难吃刀太深，孔壁不光，而且铰刀易磨损，使用寿命低;过小会造成上刀遗留刀痕无法消除，达不到铰孔要求。

铰刀刀刃不锋利，刃带粗糙，则铰出的孔精度无法满足设计要求，孔壁铰削量变小，导致冷挤压时相对挤压量增大，对于动力源提供的输出压力及容积流量要求均提高，增大了冷挤压孔的风险。

4.垂尾接头材料铰孔难度大

主要涉及冷挤压接头材料及工具材料，冷挤压接头材料为某材料钢，一种低合金超高强度钢，强度高，综合性能好。同时也会造成铰削困难，铰削过程中孔内温度升高极易导致材料产生粘刀情况，所以对铰刀材料及铰孔人员技能水平要求极高。

三、冷挤压过程中出现问题的原因分析

冷挤压是垂尾对接最为关键的环节，绝大多数垂尾接头对接孔超差都是因为冷挤压失败，芯棒卡滞无法取出，在取芯棒时损伤孔口或孔壁导致的，后续铰孔无法消除损伤。冷挤压失败外在表现为芯棒卡滞甚至断裂，但深层分析原因是人员、设备、材料、方法、环境各方面因素共同影响所造成结果，需要针对各种可能导致冷挤压失败的原因进行分类分析，分析见下图3。

1.人的因素

垂尾对接为多人团队协作，由开始的调孔，校孔，配合铰至初孔，冷挤压扩孔，最后铰冷挤压凸台至终孔。在校孔过程中，操作人員未时刻关注铰刀出口处引导杆的伸出量，无法保证孔的垂直度，在某一方向校孔过度导致孔出口处椭圆或垂直度差，直接影响冷挤压的顺利进行。

2.设备因素

设备一般指机器设备，包括仪器设备，测量用具，工具等。垂尾对接设备主要有铰刀、铰杠、精度销、塞规、空压机、液压泵和冷挤压设备，液压泵及冷挤压设备均为进口设备，按照维护保养要求操作进行。根据前期使用情况来看，液压泵和冷挤压设备基本未出现过问题，导致冷挤压过程不可控的主要因素来自于空压机。

使用空压机主要问题是供压不足。空压机频繁加卸载、不当操作、储气罐未定期排污、管路堵塞、设备额定参数不匹配、输出压力上下阈值设置不合理以及空压机本身的故障都会导致冷挤压过程中气源压力不足。空压机作为冷挤压过程中的动力源，如果发生供压不稳或供压不足情况，芯棒在初孔中受到拉力不足，将会造成芯棒卡滞无法取出情况。空压机使用过程中的主要问题有：

1）空压机输出压力设定上下限压力范围过小，而空压机本身增压快，极易从下限增压到上限造成加卸载频繁;

2）空压机选型与液压泵不匹配，用气量过小;

3）其它原因，如单向阀、止回阀松脱等元件问题;

4）空压机当做风源频繁使用，导致内部阀门等元件老化故障;

5）未定期排污，回流管路导致部件堵塞，造成空气压力不足或流量不足;

6）橡胶管路老化及连接接头磨损严重，动力传输损失严重。

3.方法因素

因受装配精度制约，垂尾对接通过配铰的形式以满足单双耳对接孔同轴的装配关系，然后再进行冷挤压，单双耳之间存在轴向间隙，且单耳两侧间隙不一致，加上装配精度制约，导致单双耳径向同轴度差。在芯棒挤压通过对接孔时，尤其是单双耳两侧间隙的存在，单耳随金属流动方向产生轴向位移，因同轴度差芯棒对周围孔壁产生受力不均的径向压应力，同时对孔内衬套也造成拉扯作用，挤压力瞬间增大，若此时液压泵不能提供持续稳定动力，则必将造成芯棒卡滞甚至断裂，这也是飞机冷挤压失败的主要原因之一。

4.环境因素

作业空间受限，平尾工作平台工作面过高。在进行冷挤压时，需人持冷挤压设备保持设备输出端口与挤压端面相对垂直以保证同轴度，而平台工作面过高导致蹲姿手持设备时，背后无承力点且设备在冷挤压过程中反作用力大，高空作业危险，而坐姿状态则需操作者弯腰前倾，增大操作困难。平台工作区域相对较小，设备工具占用空间大，冷挤压过程属于关键工序，涉及人员多，工作环境相对复杂。

四、根据以上影响垂尾对接过程的因素提出解决整改措施

根据以上分析内容，垂尾对接过程中出现问题的主要原因为冷挤压失败，冷挤压失败最主要原因为空压机供压不足，垂尾接头单双耳存在间隙，冷挤压时单耳轴向窜动，增大了冷挤压棒受到的阻力。其余原因为铰孔人员、环境、工具等因素，针对这些问题分别制定相应的措施。

1.动力源

调整参数或更换大功率空压机，以解决空压机供压不足问题。空压机作为冷挤压专用设备，合理设置空压机参数以满足冷挤压要求，且不得用于其它气源工作。

1）输出压力设定为0.75MPa～0.8MPa，满足液压泵工作压力的同时，尽可能扩大输出压力范围;

2）现空压机为螺杆空压机，排气压力为0.8MPa，容积流量为5m³/min，而液压泵需90—120psi（6.2—8.3bar）输入压力，40—50cfm（即1.3-1.4m³/min）空气流量通过12.7mm内径空气软管提供动力，算上动力输送过程中管路及接头处的损耗，设备完全能够满足动力源要求。建议配置有两个100L容量，最高工作压力为1.25MPa的储气瓶，能够有效平衡系统压力及减少空压机频繁加卸载;

3）及时清理。定期清理储气罐内的油水。现用空压机与液压泵相连管路为外径16mm，内径12mm的空气软管，软管与接头部位连接牢固可靠，完全满足使用需求。

2.接头间隙

接头单双耳间隙处垫锡纸消除间隙，减少冷挤压过程中接头轴向窜动增大芯棒阻力。在冷挤压时，加装工装夹具保证冷挤压过程中芯棒沿挤压方向保持轴向运动，不晃动;在接头处填入锡纸耳片消除间隙，以防冷挤压过程中芯棒在间隙处受力不均，挤压力瞬间过大而液压泵动力不足导致芯棒卡滞的情况，保证间隙及单耳处挤压力均处于平衡状态。

3.人员方面

加强操作团队的协作意识和责任心教育，杜绝随心操作。通过老师傅与新工人的传帮带，鼓励新工人多观察，多发问，勤动脑，多上手的方式，培养新工人实际操作能力，了解垂尾对接相关基本知识，熟悉相关工艺方法及工艺流程。

4.测量用具方面

测量工具包括精度销、塞规、环规。按规定定期送检，使用前目视检查测量用具外表有无破损，严格按照使用要求检测孔口大小是否满足设计尺寸要求，芯棒能否正常使用。

5.工具方面

1）申请与机上被加工材料及热处理条件一致的试验件，新铰刀在地面进行试刀试验，用油石去除刀刃毛刺;

2）在使用铰刀上机铰孔前，需目视检查铰刀刀刃磨损程度，有无崩裂、缺口，不合格刀具需做报废处理，不得上机使用。

6.环境控制方面

1）专人指挥，禁止无关人员在工作平台及周围出现;

2）冷挤压过程中以手持设备的人为主，其余两人在旁辅助，在冷挤压设备相对对接面竖直状态下按动设备扳机并保持作业姿势不变，待冷挤压完毕后，松开扳机将设备归位，并断开设备气源。

五、验证情况

通过上述工艺措施的执行，经过后续几架飞机垂尾对接过程验证，均未出现芯棒卡滞及孔径超差问题，说明针对此问题的分析到位，改进措施针对性强，效果明显。

作者简介：

梁晓宇，男，汉族，重庆万州1988.5.25，硕士，航空工业陕飞，工程师，航空装备制造，723213。