马头动力工具：2024航空常用紧固件白皮书

航空常用紧固件 一、断帽式高锁螺栓……………………………01-03二、定扭式高锁螺栓……………………………04-06三、双六角面高锁螺栓…………………………07-08四、ASTER ™系列高锁螺栓……………………09-11五、Eddie-Bolt ™高锁螺栓……………………12-13六、PULL-STEM ™和 PULL-IN ™高锁螺栓 ……14-15七、定位销………………………………………16-18八、铆钉…………………………………………19-23 一、断帽式高锁螺栓 随着现代航空技术的发展，大量的新型材料被用于飞机结构，最典型的代表是复合材料（CFRP）的普遍应用，导致了飞机装配工艺的变革，大量的新型紧固件被用于飞机制造，其中最具代表性的就是高锁螺栓的大量使用。 什么是高锁螺栓？ 高锁螺栓，其全称为高抗剪自锁式螺栓。按照飞机不同部位应用的要求，分为抗拉型和抗剪型两大类别；按照其结构及安装方式又分有多种类型。本课堂分几期介绍高锁螺栓的种类及其对安装工具的要求。 断帽式高锁螺栓是发展最早，至今为止应用最普遍的一种。常用规格如下： •抗拉应用：HST12/HST13 (PIN)、 HST78/HST95 (COLLAR)•抗剪应用：HST10/HST11 (PIN)、 HST79/HST97 (COLLAR) 抗拉和抗剪型高锁螺栓其结构相同，只是多数情况下抗剪型大都选择铝合金（如7075-T73）高锁帽。 断帽式高锁螺栓结构示意图： 一、断帽式高锁螺栓 需要说明的是，早期的 Hi-Lok ™（HL）已经基本被 Hi-Lite ™（HST）取代，其优点如下： •在保证强度的前提下，钉体与第一道承载螺纹之间的过渡区域缩短，使其尺寸更小，重量更轻，如下图。 •高锁帽的过渡区域也随之变短，使其与高锁钉的配合更加紧凑； 优化设计的 Hi-Lite ™ （HST）比 Hi-Lok ™ （HL）在降低重量方面效果显著，尤其是抗剪型，其重量可降低 13%。但对抗拉型来说，重量降低不明显。不过，这已经是一个很了不起的进步了，因为通常一架飞机上有 85% 以上的高锁螺栓是抗剪的。 高锁螺栓的安装步骤： 1.穿入高锁钉 PIN 并带入高锁帽 COLLAR; 2.拧紧工具的六角芯保证在安装过程中高锁钉（PIN）静止不动； 3.持续拧紧高锁帽直至六角部分被拧断分离，此时，高锁螺栓也被安装在正确的扭矩下。 一、断帽式高锁螺栓 高锁螺栓安装示意图： 断帽式高锁螺栓另一大优点是对安装工具无定扭要求，只要求工具的输出扭矩大于断帽扭矩（Torque-Off）即可，这可以降低整套工具的成本。另外，安装工具须使用非冲击式工具，如是气动工具，其空载转速低于 400 rpm。 二、定扭式高锁螺栓 高锁螺栓采用断帽式是因为早期的动力工具相对简单，普遍不具备精确的输出扭矩能力，为了保证高锁螺栓被安装在正确的扭矩范围之内，不得已采用的方式。但是，应该看到，断帽式高锁螺栓的生产工艺复杂、成本较高，断帽部分又造成了原材料的浪费。 随着工具技术的不断发展，现在大多数的动力工具已具备可以精确控制输出扭矩的能力，于是定扭式高锁螺栓（非断帽）的应用也会越来越多。 高锁螺栓自锁的原理： 对已加工成型的螺母施加外力挤压，使其几何变形以加大螺纹副的摩擦力实现自锁的作用。早期为两点挤压，现在大都采用 3 点挤压。 常用的定扭式高锁螺栓： •ASNA 2532，8740 合金六角自锁螺母，法宇航（空客）标准•NAS 1805， A286 合金 12 角自锁螺母，美国国家航空航天标准•STR 20，钛合金六角自锁螺母，LISI 标准•B0203057， A286 合金六角高锁螺母，庞巴迪标准 在飞机制造工艺中，还使用大量的定扭自锁螺母： 二、定扭式高锁螺栓 定扭式高锁螺栓对安装工具的要求： •动力工具必须具备输出扭矩精确可控的能力；•根据高锁螺栓型号的不同，有的需要六角芯（高锁螺栓），有的不需要六角芯（自锁螺母）；•工具的输出扭矩需定期标定，以保证符合生产工艺的要求。•如果是 12 角螺母，通常有下面两种不同的形式，双六角 (DH) 和 3 个四方 (XZN)，每个夹角的角度是不同的（见下图）。要注意其安装工具的套筒是不能通用的。 典型定扭式高锁螺栓安装工具结构如下图所示： 二、定扭式高锁螺栓 一般来说，定扭式安装工具亦可用于断帽式，只要工具的输出扭矩大于断帽扭矩即可。但是，断帽式安装工具不能用于定扭式高锁螺栓的安装。另外，需采用非冲击式定扭工具，对气动工具，其空载转速低于 320 rpm，以保证其扭矩精度。 三、双六角面高锁螺栓 最初由空客 (Airbus) 提出，称其为“Bi-Hex ™ Nut”，LISI 称其为“Reduced-Hex”。最明显的结构特征是具有上下两个六角面，使其同时具有断帽式和定扭式两种类型的特点，拓展了其应用范围。 Bi-Hex 的优点及特征： •理论上讲，Bi-Hex ™高锁帽既可以当断帽式使用，也可以做定扭式高锁螺栓使用；•方便的可逆性，可以使用简单的工具对高锁螺栓进行拆卸。 •当然，典型的应用在于其可以实现预拧紧，也就是说先使用定扭工具加深套筒将构件内所有高锁螺栓拧至预设扭矩，最后再使用浅套筒工具将其拧至断帽，这样做的好处是可以消除部件的应力，使得所有高锁螺栓对部件的夹紧力实现均衡。 还有一点，Bi-Hex ™高锁帽的尺寸相比标准高锁帽要小，可以接受离干涉面较小的距离，这在飞机装配工艺中也是很重要的特点。如下图所示： 三、双六角面高锁螺栓 安装步骤： •第一步，预拧紧，不拉断，使用深套筒，工具设定扭矩，安装至预设扭矩；•第二步，最终拧紧，使用浅套筒，拧紧至断帽（工具不需定扭），安装完成。 常用的双六角面高锁螺栓： •HST 1380，铝合金双六角面高锁螺母，LISI 标准•ASNA 2528，铝合金双六角面高锁螺母，法宇航（空客）标准•ASNA 2536，不锈钢双六角面高锁螺母，法宇航（空客）标准 Bi-Hex 高锁螺栓对安装工具的要求： •典型的安装工具解决方案是采用两把工具分别完成两个阶段的安装；•预拧紧阶段需要深套筒加长六角芯，动力工具必须具备输出扭矩精确可控的能力；•最终扭矩阶段使用浅套筒加普通动力工具，也就是前面所说的断帽时安装工具；•须采用非冲击式动力工具，如是气动工具，其空载转速低于 320 rpm。 四、ASTER ™系列高锁螺栓 ASTER ™系统是一种新型的高锁螺栓，由 LISI 公司提出并发展而来。 ASTER ™系统最明显的特征就是把高锁钉的六角窝改为五角梅花窝，这种五角梅花窝改善了定位销的受力分布，使得安装工具的定位销可以抵抗更大的扭矩，也具有更长的寿命。 ASTER ™系统主要应用： ASTER ™系统主要适用于复合材料或多种材料叠层结构的高锁螺栓安装。由于其显著的优点，所以很快被全球航空业普遍采用。 ASTER ™系统的特点： 下表可以说明 ASTER ™系统明显的优势： 四、ASTER ™系列高锁螺栓 ASTER ™系统的定位销统一规格是其另一大亮点，这使得工具选型非常方便，如下表： LISI 至今已经发展了三个采用 ASTER ™系统的高锁螺栓系列： •HI-LITE ™，也就是采用了 ASTER ™系统的 HST，LISI 称其为 HSTR ™系列，如HSTR 13 钛合金 100°沉头抗拉高锁钉；•HI-KOTE ™，与 HI-LITE ™系列相同，只是钉体带涂层；•SLEEVE TAPER-HI-LITE ™ ，带锥度和套管的高锁螺栓系列，LISI 称其为 STL ™系列，如 STL 600 钛合金凸头抗拉高锁钉（套管材料为 321 不锈钢）。 前面几期我们已经介绍过 HI-LITE ™系列，这里我们重点谈谈 SLEEVE TAPER-HI-LITE ™，带锥度和套管的高锁螺栓 STL ™。 STL ™系统具有高水平的机械强度，其特殊的设计尤其适用于在复合材料结构中实现无伤害的过盈配合安装，同时也可用于防雷击保护的解决方案。 ASTER ™高锁螺栓系列对安装工具的要求： •动力工具必须具备输出扭矩精确可控的能力； •定位销须为 ASTER ™系统，并能实现快速更换，如下图；•须采用非冲击式定扭工具，对气动工具，其空载转速低于 320 rpm，以保证其扭矩精度。 需要说明的是，到目前为止，与 ASTER ™高锁钉配套的高锁帽无一例外的选择STR ™ (STARLITE ™ ) 系列钛合金六角自锁螺母，如 STR20/ 60/80 等，其外观如下： 五、Eddie-Bolt ™高锁螺栓 这是一种全新概念的高锁螺栓，由原美铝的 AFS（Alcoa Fastening System）提出并发展。 注：美铝（Alcoa）的紧固件系统分部（AFS）在 2015 年自美铝剥离，现并入豪梅特航空（Howmet Aerospace）。 其最明显的结构特征有两个： •Eddie-Nut ™高锁帽，带有 3 个凸耳；•Eddie-Pin ™高锁钉，带有 5 个凹槽。 常见的 Eddie-Bolt ™高锁螺栓： Eddie-Bolt ™的安装与自锁原理： 安装工具的套筒为内三角形，安装后，Eddie-Nut ™高锁帽的 3 个凸耳的材料被挤压后进入高锁钉的 5 个凹槽内，形成螺栓的自锁。 一般认为，Eddie-Bolt ™的自锁能力要大大优于螺纹几何变形类的自锁螺母，所以，AFS 认为 Eddie-Bolt ™具有极佳的自锁能力。 五、Eddie-Bolt ™高锁螺栓 安装之后： 安装之前： Eddie-Bolt ™高锁螺栓对安装工具的要求： •安装工具不需要定扭，只要输出扭矩大于螺栓的技术规范要求即可；•使用非冲击式工具，转速低于 250 rpm；•部分 Eddie-Bolt ™使用六角芯，部分 Eddie-Bolt ™使用花键芯 Spline-Lok ™。 ⚠️说明： 需要说明的是，Eddie-Bolt ™的技术细节目前尚未完全公开，尚处于 ITAR（美国国际军火交易法规）的管控之下，AFS 有选择的向中国客户开放其技术细节。 马头动力公司可以向其客户提供全系列的 Eddie-Bolt ™安装工具。 另外，Eddie-Bolt ™目前国内尚无统一的中文名称，本文慎重起见仍采用其英文名称，望读者鉴谅。 六、PULL-STEM ™和 PULL-IN ™高锁螺栓 在飞机装配中，大多数的高锁螺栓与基孔属于干涉配合，尤其是针对复合材料和多种材料夹层，这种情况下，高锁钉（PIN）对基孔的无损穿入就是一个普遍性的工艺难点。PULL-STEM ™和 PULL-IN ™系统就很好的解决了这个难题。 PULL-STEM ™和 PULL-IN ™高锁螺栓系列由 LISI 提出并发展： •PULL-STEM ™（HSL ™），针对较小尺寸的高锁钉（-6到 -16），适用于 0.2% 到 1.5% 的过盈配合，如 HSL11 钛合金 100°沉头折断式抗剪高锁钉； •PULL-IN ™（HPL ™）， 针 对 较 大 尺 寸 的 高 锁 钉（-14到 -32），适用于 0.9% 的过盈配合，如 HPL 10 钛合金凸头螺纹拉入式抗剪高锁钉。 •LISI 推荐高锁帽采用 STR ™ 系列钛合金六角自锁螺母，如 STR20。当然，也可以使用 HST ™断帽螺母系列。 PULL-STEM ™（HSL ™）系列的安装过程： 下面我们通过两个小视频来了解 PULL-STEM ™和 PULL-IN ™高锁螺栓的安装过程： •PULL-STEM ™（HSL ™）系列的安装：https://v.youku.com/v_show/id_XNTg4MDAwODA0NA==.html •PULL-IN ™（HPL ™）系列的安装：https://v.youku.com/v_show/id_XN