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1、复合材料结构用紧固件及机械连接技术Fastener and Mechanical Joining Technology for Composites Structure中航工业北京航空制造工程研究所刘风雷刘丹刘健光同结构使用的多种先进紧固件和紧固系统， 以及复合材料连接中应解决的一些具体技术问题， 以为国内多种先 进机型设计提供选用参考。 摘要 先进树脂基复合材料具有的较多优点使 其在先进飞机上的使用量越来越大， 但是由于材料本身 结构特性的原因， 使得复合材料结构在连接、 装配、 使用 中易产生一系列问题， 针对复合材料的特点及连接和使 用中存在的问题， 系统地阐述了复合材料结构使用的紧 固
2、件用的材料、 各种结构用先进紧固件类型以及连接中 需解决的具体技术问题。1复合材料结构用紧固件材料目前用于飞机结构的紧固件材料主要有： 合金钢、 铝合金、 钛合金、 不锈钢、 耐热合金和复合材料等， 材料 的选用受到飞机性能、 环境、 结构等多方面因素的影响， 其中对于复合材料结构， 其紧固件材料的选择需要从 电位和比强度 （如表 1 所示 1） 两个方面进行考虑。由 表 1 可以看出， 对于电位， 与复合材料匹配最好的是复 合材料本身， 其次是不锈钢， 第三是钛合金， 但是由于使 用复合材料制造紧固件难以实现高强度、 抗疲劳等性能 要求， 因而这种材料目前在飞机上只用于特殊部位； 不 锈钢由
3、于其比强度较低， 因此在航空紧固件选材方面也 不被大量采用， 只是在飞机机体用的组合类紧固件上使 用； 而钛合金兼顾高比强度和低电位差两项优势， 使得 其成为复合材料结构用紧固件的最佳材料， 因此在飞机 复合材料的机体结构上， 无论是铆钉， 还是螺栓、 单面紧 固件等， 都采用钛合金材料。表1 紧固件材料电位与比强度关键词：复合材料紧固件材料机械连接技术 ABSTRACT The resin based composites is wide-ly used in advanced aircraft because of its excellent fea- tures, but there a
4、re also lots of problems easily produced due to the structure characteristics while joining, assembly and using. In view of the features of composites and the problems of utilisation, the materials of fasteners for com- posites structures, the fasteners for composites , and the technology of utilisa
5、tion are discussed. Keywords: Composites Fastener materialchanical joining technologyMe-先进树脂基复合材料具有质量轻、 比强度高、 可设 计性好、 耐腐蚀、 抗疲劳性能高等特点， 被广泛应用于先进军用和民用飞机机体结构中， 目前其使用量可达到机体结构重量的 25% 50%， 获得了较高的减重效果。 虽然复合材料目前在飞机上已经大量使 用， 但是由于其沿厚度方向为层状结构， 具有层间剪切强度低、 抗冲击能力差、 抗拉脱强度低等弱点， 因而其性 质与金属结构存在较大的不同， 在连接、 装配、 使用中必 须注意这
6、些问题。另外， 复合材料本身塑性很低， 塑性 仅有 0.5%1.5%， 在制孔后会存在较强的孔边应力集中 系数， 使得连接接头效率降低， 进而影响到复合材料许 用应变值的发挥。正因为上述两方面问题的存在， 使得 选择合理的紧固件和采用相配套的连接技术成为复合 材料机械连接的关键。 本文从电位和比强度对比的角度阐述复合材料用 紧固件用材料的选择， 并综合论述当今世界先进飞机不2复合材料结构用紧固件种类用于复合材料结构的紧固件因能解决复合材料本 身的弱点， 并且能克服复合材料在使用中极易出现的问 题。 该类紧固件具有较多的性能特点， 主要体现在重量 轻、 比强度高、 抗腐蚀、 有预载、 带锁紧、
7、抗疲劳、 防雷击、 密封等多个方面， 根据不同安装结构对紧固件所提出 的要求， 该类紧固件主要分为铆钉类、 螺接类、 单面连接 类、 特种连接类等多种类型， 本文将在下文对以上几类 紧固件进行阐述。102 航空制造技术2012 年第 1/2 期材料铝合金碳纤维耐蚀不锈钢钛合金合金钢电位 /V+90 +179-309 -200-408 -280-608 -517-935 -621比强度 /mm10 1325 3013 1615 18学术论文RESEARCH2.1铆接类紧固件 由于复合材料结构耐冲击性能较差， 因而在该结构 中进行铆接时紧固件杆部的膨胀极易造成孔边分层， 进 而影响接头质量。另外，
8、 对于铆接工艺， 由于手工铆接 不易获得一致的紧固件夹紧力矩， 因而一般在大于 4mm 规格时大部分采用可控拧紧力矩的紧固件， 但由于铆钉 相对于其他紧固件安装方便且质量较轻， 在有些场合仍 然被大量使用， 主要为 4mm 以下铆钉的连接， 有些特珠 结构的铆钉 4mm 以上规格有时也有应用。 应用于飞机复合材料结构的铆钉主要有 A286 铆 钉、 钛铌铆钉、 双金属铆钉和空尾铆钉等。A286 铆钉在 F-14 战斗机复合材料尾翼的装配中曾大量使用， 铆接 时采用了应力波铆接系统； 目前在较薄的复合材料壁板 件上多采用钛铌铆钉进行铆接， 在铆接过程中， 实芯铆 钉大多在铆接成形头下增加垫圈，
9、达到防止孔壁发生分 层的效果； 双金属铆钉是为钛合金结构和复合材料承 剪结构设计的专用紧固件， 其杆部具有较高的强度， 尾 部具有较好的塑性， 可替代抗剪型钛高锁螺栓， 铆接时 钉杆与钉尾交接面位于该夹层最大夹层内； 空尾铆钉为 钛铌材料， 采用双面沉头形式， 铆接后可以保证飞机气 功性能， 铆接时需要采用专用的设备将空尾扩开， 铆接 力小而且对复合材料无损伤， 主要使用于操纵面等结构 中。 2.2螺栓类紧固件在复合材料结构开敞部位使用的螺栓类紧固件主 要有钛合金螺栓 / 自锁螺母、 钛合金高锁螺栓 / 高锁螺 母、 艾迪 2 型螺栓紧固系统等， 在安装过程中都需进行 力矩控制， 以避免在连接
10、后造成复合材料承载能力的下 降。 对于钛合金螺栓 / 自锁螺母在复合材料结构中的 安装， 由于复合材料钉载分配能力较差， 因此在安装时 需采用限力矩扳手进行力矩控制， 以保证安装力矩的一 致， 从而避免由于力矩不一致而导致的对复合材料结构 性能的影响。 由于钛合金螺栓 / 自锁螺母必须采用限力矩扳手， 在使用上存在着一定的限制， 国外对复合材料结构用螺 栓 / 螺母组件进行了重新设计， 开发出了艾迪 2 型螺栓 紧固系统。该紧固系统螺栓部分是将普通高锁螺栓在 螺纹部分增加凹槽而制成， 并且在螺母尾部外表面相应 增加了 3 个凸起， 在安装过程中通过专用工具进行螺栓 与螺母的旋合， 当预紧力矩达
11、到一定时， 凸起开始变形， 变形的金属填满螺栓螺纹部分的凹槽， 形成可靠的锁 紧， 当凸起在工具的作用下外表面形成光滑整圆时， 工 具自然卸下， 完成安装全过程， 从而实现螺栓与螺母之 间的可靠锁紧并对工件形成预紧。艾迪 2 型螺栓除了使用带有内螺纹的艾迪螺母， 也可使用艾迪挤压环帽与之配套。 与其他螺栓 / 断裂环帽或螺母紧固件系统相比， 艾迪 2 型螺栓紧固系统具有重量轻、 性能高、 避免咬合 等特性， 在国外多种机型上得到使用。 钛合金高锁螺栓， 是由原 Hi-shear 公司开发的一种 用于飞机结构双面安装的钛合金紧固件， 它具有可控预 载荷、 自锁、 高疲劳寿命、 抗振动、 防松动、
12、 可与多种材料 组合、 安装噪声小、 易于安装等特点， 分为 100沉头、 平 头抗剪型和抗拉型钛合金高锁螺栓， 主要应用于机身、 机翼、 垂尾、 平尾、 方向舵等部位的开敞部位的连接。最 早开发的钛合金高锁螺栓是间隙型 Hi-Lok 钛合金高锁 螺栓， 随后又开发一种可用于金属结构的抗疲劳型 Hi- tigue 钛合金高锁螺栓， 并在 Hi-Lok/Hi-tigue 钛合金高 锁螺栓的基础上开发出了目前采用的 Hi -lite 轻型钛合 金高锁螺栓， 该紧固件与普通高锁螺栓相比， 可有效降 低结构重量 10% 以上。在复合材料结构中使用高锁螺 栓， 其配套高锁螺母应选用防腐蚀的普通型、 密封
13、型、 可 调型高锁螺母等。 2.3单面连接类紧固件用于复合材料单面连接的紧固件除应具有金属结 构所用单面连接紧固件的性能特征外， 还应满足复合 材料的需要， 解决电位相容性、 安装损伤、 拉脱强度低 等问题， 目前用于复合材料结构的抽钉主要有两种形 式， 即螺纹抽钉和拉拔型抽钉， 螺纹抽钉主要以美国 Monogram 公司生产的产品为主， 而拉拔型以 ALCOA 公 司的 CR 系列抽钉为主。 美国 Monogram 公司生产的大底脚单面螺纹抽钉是 专门为复合材料结构单面连接而设计， 具有与复合材料 电位相容、 安装后形成大底脚而不使材料产生分层、 可 在 7斜面上进行安装、 安装后可控制力矩
14、、 三点锁紧不 产生松动、 采用驱动螺母方便进行安装等特点。 用于复合材料结构的拉拔型抽钉是在用于金属结 构的不锈钢拉拔型抽钉的基础上发展而来的， 具有与大 底脚单面螺纹抽钉相同的特点， 但与大底脚抽钉相比， 具有重量更轻、 安装后不用铣平的特点。 随着材料与结构的不断发展， 为了满足一些特殊需 要， 在螺纹抽钉的基础上， 进一步发展了平断抽钉、 干涉 抽钉和主承力结构用抽钉： 平断抽钉是为满足表面涂覆 工艺的要求而设计， 以往采用大底脚螺纹抽钉安装时， 螺纹抽钉芯杆断裂位置高于钉头端面， 必须将露出端面 铣平， 因而造成端面形状不连续， 而拉拔型抽钉在断颈 锁环端面也是形状不规则的， 从而增
15、加了涂覆工艺的实 施难度， 并且在使用中由于振动也极易产生涂层脱落， 而平断抽钉断颈位置低于钉头端面且断裂平直， 从而保 证了涂料与基体之间的较好结合力， 实现了涂层作用的1032012 年第 1/2 期航空制造技术学术论文RESEARCH充分发挥； 干涉抽钉主要用于需单面连接的关键承力部位， 保证结构疲劳寿命要求， 同时具备改善钉载分配、 提 高抗雷击等能力； 随着单面连接向主承力结构的发展， 国外发展出了一种可用于主承力结构的抽钉， 该抽钉在 连接后抗剪强度与抗剪型高锁螺栓相当。 2.4特种连接件本节所述的特种紧固件主要有两大类： 钛合金环槽 钉和复合材料紧固件。 钛合金环槽钉是一种双面安
16、装单面施铆的紧固件， 主要用于飞机复合材料高传载部位， 如梁、 肋等与蒙皮 的连接部位， 在国内应用较少， 而在美国等航空发达国 家被大量采用， 如美国波音公司在波音 707 飞机金属结 构中就开始大量使用环槽钉， 在当今复合材料用量最多 的波音 787 飞机的复合材料构件上同样大量使用了复 合材料结构用钛合金环槽钉， 即在飞机的机身段上大量 使用沉头、 平头钛合金环槽钉 （如图 1 所示） 。目前， 用 于复合材料结构的钛合金环槽钉主要有以下几种： 间隙 连接用钛合金环槽钉、 蜂窝夹层用钛合金环槽钉、 复合 材料结构干涉连接用钛合金环槽紧固系统等， 其中用于 复合材料干涉连接的钛合金环槽紧固系统， 具有提高接 头寿命、 改善钉载分配、 提高水密和油密性、 提
