战机是如何“拼接”起来的？原来全靠这项工艺

一钉一铆“拼”战机

宋 茹

有着剧烈抖动情况发生的机翼, 是源于飞机在恶劣气候条件之际的飞行, 此时有人会提出这样的疑问: “机翼会不会在空中断裂? ”。

实际上, 机翼具备相当出色的韧性, 其安全系数相对较高, 除去在优选材料以及设计等诸多方面之外, 则是因安全可靠的铆接工艺而获此优势。另外, 战机硕大的机身并非整体一次性成型, 同样是借由铆接工艺, 把不同尺寸的蒙皮与机体结构紧密地“拼接”在一起。

铆钉被用来把多个工件连接在一起, 这就是铆接, 生活用品里的剪刀、铁钳等, 小物件会用铆接, 船舶、航天器、桥梁制造, 大工程也采用了这种工艺。

自战机出现之日起, 铆接工艺就在航空工业制造以及维修领域被广泛运用。那么, 铆接工艺具备怎样独特的优势、又是怎样把战机“拼接”起来的呢? 请看本文的解读。

有一架编号为079的米格 – 15歼击机, 其机身布满铆钉, 它陈列在中国人民革命军事博物馆的兵器馆里, 图片由周乐提供。

铆接工艺优点多

高空之中, 高速飞行的战机, 时常会历经低温, 以及强风这般的恶劣环境, 这会给机体结构带来极大的考验。

和汽车车身借助整体压铸来成型不一样, 战机结构部件繁杂, 要满足不同结构件在材料方面的连接需求, 要满足不同结构件于形状方面的连接需求, 要满足不同结构件对尺寸的连接需求, 并且要保证机体结构紧紧固定。

于现代工艺里司空见惯的金属构件连接模式之中, 主要存在着焊接、铆接以及螺栓连接这几种方式, 而选取哪种进行连接为所需情况, 是依循着金属材料状况还有部件形状不同、部件拥有的厚实厚度大小、受力的具体方向指向以及实际使用所处环境等诸多元素而出现差别对应关系而来的。在它里面, 铆接工艺依靠着其独具一格的优势得以崭露头角, 最终成为了在战机装置上运用最为广泛的连接类方式。

一方是轻量化之选, 高速度、高性能向来是战机恒常之诉求。而为能轻装上阵，一代代战机制造近乎‘每克必争’, 奋力‘瘦身’, 既采用铝合金、钛合金等‘轻薄型’材料, 蒙皮厚度处于2至5毫米。且此蒙皮可焊接性能欠佳, 极容易因焊接受热而破损变形, 仅能借助物理方式予以固定。

另一方面, 存在飞行环境的要求, 战机高速飞行之际, 会因受气流影响而产生颠簸, 蒙皮会受到来自各个方向上的拉伸、弯曲等作用力, 这既对连接工艺有着能够紧固各部件, 有效分散各方应力的要求以外, 还需要其具备抗疲劳、抗裂、抗反复振动等特性。

此外, 战机在进行升级维护时, 要把蒙皮拆卸下来, 以检查内部是否存在故障问题。用到焊接技术达成的是永久性拼接, 一旦于蒙皮之上发觉有裂纹, 那就必须得把它大面积更换成新的, 这样干不但耗费时间而且费力气, 还让维修成本增加了。而铆接工艺能够轻易地对部分蒙皮进行拆卸和安装, 维修效率显著得到了提高。

如今, 航空工业技术在发展, 铆接工艺从最早单一的手工作业开始, 逐渐衍生出液压铆接、电磁铆接等新技术, 这些新技术是为了满足不同材料、不同部位的连接需求。

小小铆钉能量大

当我们在近距离对飞机展开观察的时候, 我们能够发现, 那蒙皮之上存在着数量多得数都数不过来的、如同“指甲盖”那般大小的铆钉。根据所了解到的情况 , 存在着这样一种现象, 一架中型客机, 其全身到处都布满了上百万颗铆钉。

航空铆钉其形态呈现出各种各样的不同样子 , 种类也是繁多庞杂。时常被用到的有埋头铆钉 , 还有凸头铆钉等等。依据安装所处的环境不一样 , 连接所采用的方式不一样 , 尺寸的大小也各自不同。如此一来 , 对于铆钉的选择也就并非完全一样了。另外 , 铆钉自身所具备的材料以及制造时的质量 , 这和铆接工艺的可靠性是存在联系的。

早前时候的铆钉, 大多是木制或者骨制的小栓钉, 在1916年, 有一名科学家获得了能够单面铆接的盲铆钉专利, 此项专利被广泛运用于航空航天以及船舶工业等领域之中。往后, 伴随战机蒙皮材料得以升级, 铆钉材料历经了从被制作成铜制、铝制, 再到钢、镍等金属材质这样的变化。

一种材料相应地就会有一代与之适配的装备, 新型材料投入运用, 必定会促使武器装备进行迭代升级。当下, 隐形战机出现, 复合材料问世, 这对于铆钉提出了更为严格的要求, 借此, 以铝合金以及钛合金作为代表的铆钉渐渐成了“主流”。其中, 铝合金铆钉主要是用于连接蒙皮, 而钛合金强度更高, 耐腐蚀性更佳, 通常也被赋予重要任务, 用于连接飞机骨架、起落架等部件。

对航空产品而言, 质量是首要的。铆钉制造质量也相当关键, 铆钉尺寸看似仅几毫米大小, 可其加工精度却能达到微米级, 该如何标准化批量制造出合格铆钉呢, 从设计开始、再到制造、最后到检验, 每一步都必须严格对待。

目前, 各个不同的国家以及各行各业依据实际的需求, 采用不一样的制造标准, 像是国际标准化组织所制定的ISO 15983、美国航空航天工业协会所规定的标准NAS等等。除此之外, 一些从事航空运输的公司也拥有自身的铆钉制造标准, 比如说波音公司的BACR。不管是哪一种标准, 均针对铆钉的材料、尺寸、完好性、力学性能、耐腐蚀性等方面作出了明确的要求。

处于实际加工时期, 针对一枚铆钉而言, 其生产工艺涵盖了材料准备这一环节, 还有钉杆拉制过程, 以及锻造成型操作, 包括表面处这一步骤, 再加上头部加工流程, 并且有淬火回火等一连串工序, 此加工对于精度的要求为极为严格, 还要借由特定的字母以及数字, 给铆钉编订上犹如可识别身份且能用于后期追溯的“身份证号”。

处在确保质量合格的重要阶段, 也就是检验环节, 铆钉要在外观尺寸、拉伸强度、扭矩诸多方面开展相关检验, 在必要之时, 对于诸如断裂载荷、耐盐雾等部分关键指标还要予以测试, 历经重重筛选之后该铆钉才可以“上岗”。

制造条件有着堪称严苛的程度得以赋予铆钉强大能量。经过测算, 铆钉的比强度高达1100兆帕, 这意味着平均每平方厘米的面积需要承受等同于10辆小轿车重量的压力。能够这么讲, 小小的铆钉依靠其具备的过硬能力, 成为了战机飞行安全方面至关重要的保证。

每道工序皆学问

战机制造属于一项繁杂工程, 这需要消耗大量工时。当中, 装配工序所占比例处在总工时的40%至50%范围, 然而装配工序超过30%的劳动量, 全用于铆接上。

用时长, 是由于铆钉数量众多, 并且铆接工艺极为复杂, 于铆接进程里需历经大量设计与计算。能够讲, 每一道工序都蕴含着学问。

以先进的五代机铆接这种情况来说, 为了达成隐身性以及气动外形方面提出的要求, 五代机的蒙皮多数采用埋头铆钉来进行连接, 借由这种方式与蒙皮一起共同塑造出整个光滑的机体外面, 以此将气动阻力予以降低。而这样的方式对于铆接工序来讲有着极高的要求。

先是第一步定位, 在铆接之前, 有着一系列准备工作, 要依据铆接该处的位置, 去对铆钉展开排列布局, 设计师按照材料力学当中的原理, 针对载荷分布以及传递规律来进行科学计算, 进而设计出合理的铆钉形状与间距, 针对机翼这类关键所在的部位, 还得以铆钉列阵的形式予以设计, 从而确保凭借足够的强度以及硬度去支撑连接部位。

下一步是实施钻孔操作。是要在前期经过认真布局定位的结构件那儿实施钻孔行为, 钻孔的位置绝对得精准无误, 哪怕单个孔距存在不到1毫米的些许偏差, 都极有可能致使整个零件的加工遭遇失败的状况。鉴于此, 设计师运用了直接于蒙皮之上进行投影的办法, 甚至还动用了AI技术来进行定位, 目的在于确保打孔位置能够拥有较高的精准度。

实际进行操作之际, 那些从事装配工作的工人, 要在连接件的表面之上, 加工制作出一个凹槽, 其大小呢, 是与钉帽的尺寸保持一致的, 目的是让铆钉能够完完整整嵌入到蒙皮之中, 之后, 要在结构件的内侧部位, 开展进行打孔的操作, 以此作为备用。

在完成定位、钻孔等准备工作之后, 才正式步入铆接工序, 此为第三步。随后, 装配工人会把适宜的铆钉插入先前打孔之处, 接着用铆枪将铆钉猛烈紧实压入从而形成连接, 之后还要对铆接件表面的凸起部分进行整形, 让其能够与其他部件实现平整连接。

铆接工作完成之后, 检验人员会对铆钉外观展开严格检验, 要保证钉头整齐, 表面美观, 不存在歪斜、磕伤以及裂纹等缺陷, 与此同时, 会对铆接件予以检验, 查看强度是否契合要求, 有无松动问题, 在确保其质量合格之后才会最终交付。

交付后就可以了吗？当然不是，“售后服务”也必须完备。

有那么一架战机, 经历了长时间的“风吹日晒”, 它就很不可避免地那儿出现了“金属疲劳”这种状况, 其“皮肤”之上的划伤裂纹压根儿避免不了, 就连铆钉也会出现一定程度的磨损。到了维护保养这个阶段, 维修人员得去系统地检查那战机的整个状态, 要针对那些松动的、断裂的、损伤的铆钉去进行更换, 还要对机身出现的裂纹、腐蚀再次开展铆接修理工作, 在确保战机整体的强度以及满足气动外形要求的这个前提之下, 尽可能地去控制结构重量。

航空工业技术发展迅速, 致使铆接技术日益成熟。可以确信, 伴随自动钻铆、电磁铆接等先进技术问世, 必然会提高战机制造以及维修效率, 给战机飞行安全提供可靠保障。