大規(guī)格薄壁襯筒的低應(yīng)力壓裝工藝研究

李志棟 陳 亮 秦楚山 石 尚

(航空工業(yè)中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410200)

航空飛機(jī)起落架為飛機(jī)系統(tǒng)核心功能附件之一，主要用于飛機(jī)的停放、起飛、著陸、地面滑行和地面方向控制等，并用來(lái)吸收著陸撞擊和滑跑沖擊能量，是唯一支撐整架飛機(jī)的重要承力部件，守護(hù)著飛機(jī)運(yùn)行安全。如圖1所示(未含機(jī)輪和輪胎)為典型的支柱式結(jié)構(gòu)起落架，是比較常用的結(jié)構(gòu)形式之一。其一般由外筒組件、活塞桿組件和轉(zhuǎn)彎組件等組成，活塞桿與外筒之間密封連接，內(nèi)腔注油充氣，形成緩沖器，工作過(guò)程地面載荷通過(guò)輪胎、機(jī)輪傳遞至活塞桿組件上，活塞桿組件在外筒內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，壓縮內(nèi)腔氣體和液壓油，吸收能量，保證安全。近年來(lái)，為了降低起落架重量，越來(lái)越多地選擇高強(qiáng)度鋁質(zhì)材料作為起落架核心零部件的制造，尤其是緩沖器外筒選用鋁合金材料時(shí)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程容易造成內(nèi)孔表面機(jī)械磨損或損傷，排除缺陷后尺寸增大，嚴(yán)重時(shí)只能報(bào)廢更換備件等，由此直接造成飛機(jī)起落架系統(tǒng)壽命降低，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和安全性、維修性問(wèn)題突出，運(yùn)營(yíng)成本大大增加等，而采取鋁質(zhì)外筒內(nèi)孔壓裝薄壁襯筒的設(shè)計(jì)方案，能夠有效解決上述問(wèn)題。因此, 開(kāi)展對(duì)起落架緩沖器鋁質(zhì)外筒內(nèi)孔壓裝薄壁襯筒新技術(shù)應(yīng)用研究，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，確定實(shí)施方案，獲取壓裝參數(shù)，研制出相應(yīng)的工藝裝備，并形成成熟穩(wěn)定的工藝規(guī)范，成為實(shí)現(xiàn)民用飛機(jī)起落架長(zhǎng)壽命、高質(zhì)量、維修性能好以及運(yùn)營(yíng)成本降低的有效途徑。

1 技術(shù)要求及難點(diǎn)分析

通常起落架結(jié)構(gòu)中成熟的壓裝襯筒工藝應(yīng)用在主承力件與其他組件連接的耳片孔、有配合的軸頸等有相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位，如圖2所示，外筒組件中通常壓裝圖3所示常規(guī)襯筒，這些典型襯筒規(guī)格都比較小，均采用冷縮法壓裝，壓裝時(shí)間短、易操作。而在外筒深長(zhǎng)內(nèi)孔壓裝如圖4所示的襯筒時(shí)，其長(zhǎng)度大于500 mm，壁厚為1～2.5 mm，壓裝時(shí)間長(zhǎng)、載荷大、對(duì)正困難，易造成薄壁襯筒失穩(wěn)變形、被壓裝外筒內(nèi)壁擠壓損傷以及鋁質(zhì)外筒被擠壓脹大等嚴(yán)重問(wèn)題，因此用傳統(tǒng)壓套工藝是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，其工藝存在根本上的區(qū)別,而且難度非常大。

具體表現(xiàn)在：(1)具備低應(yīng)力或無(wú)應(yīng)力壓裝的良好工藝性，且滿足產(chǎn)品使用過(guò)程不得發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)性能的相適應(yīng)的公差配合技術(shù)需求的確定；(2)采用機(jī)體加熱、襯套冷縮的工藝方案的具體參數(shù)未知，方案及可行性未得到驗(yàn)證；(3)集加熱和冷卻為一體的自動(dòng)壓裝設(shè)備方案，包括工件的準(zhǔn)確安裝定位和壓裝、防薄壁襯筒壓裝過(guò)程失穩(wěn)變形以及壓裝完成后安全撤離等可行方案的確定；(4)壓裝過(guò)程工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性是否良好等一系列關(guān)鍵技術(shù)尚屬?lài)?guó)內(nèi)空白技術(shù)，需要進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)確定。

2 壓裝方法及設(shè)備

2.1 壓裝方法

利用材料的熱脹冷縮特性，實(shí)施對(duì)外筒加熱和保溫，在熱影響下材料膨脹，內(nèi)孔尺寸增大，同時(shí)對(duì)襯套進(jìn)行深冷，使其尺寸減小，當(dāng)兩者由過(guò)盈配合轉(zhuǎn)化為一定間隙配合時(shí),在試驗(yàn)確定的時(shí)間內(nèi)完成安裝，減小壓裝應(yīng)力的產(chǎn)生，提高壓裝成功率。

2.2 壓裝設(shè)備

設(shè)計(jì)研制一套集加熱和深冷于一體的自動(dòng)壓裝設(shè)備(如圖5所示)，同時(shí)滿足對(duì)零件的可靠和高精度定位固定、具備加熱和深冷兩套獨(dú)立系統(tǒng)、可以控制最長(zhǎng)壓裝時(shí)間，通過(guò)程序設(shè)置，自動(dòng)實(shí)施薄壁襯筒的無(wú)應(yīng)力或低應(yīng)力壓裝，提高裝配工藝的可靠性和效率。

3 壓裝工藝試驗(yàn)

3.1 研究工件在加熱或深冷過(guò)程尺寸、時(shí)間、溫度之間的關(guān)系

(1)將熱電偶連接于加熱零件和數(shù)據(jù)記錄儀上，通過(guò)加熱箱加熱到一定溫度，并保溫一定時(shí)間，然后置于室溫下，連續(xù)測(cè)量被加熱零件的內(nèi)孔尺寸變化過(guò)程，記錄對(duì)應(yīng)的時(shí)間、溫度和尺寸，形成曲線圖(見(jiàn)圖6)。

(2)將熱電偶連接于深冷的零件和數(shù)據(jù)記錄儀上，一并置于液氮(-196 ℃)中，待完全停止沸騰后靜置一定時(shí)間，然后置于室溫下，測(cè)量并記錄對(duì)應(yīng)的時(shí)間、溫度和尺寸，形成曲線圖(見(jiàn)圖7)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)上述外筒加熱、襯筒深冷過(guò)程尺寸變化分析可以得出結(jié)論：鋁質(zhì)外筒熱漲后7 min內(nèi)溫度恢復(fù)至+70 ℃左右，其尺寸變化Δ1=+0.1～+0.15 mm；深冷后零件2 min內(nèi)恢復(fù)至-110 ℃～-60 ℃，其尺寸變化約為Δ2=-0.15～-0.18 mm。

(1)熱脹冷縮后外筒與襯筒配合間隙

Δ1-Δ2=(+0.1～+0.15)-(-0.15～-0.18)=
0.25～0.33 mm

(1)

(2)常溫下外筒內(nèi)孔與襯筒外圓之間的過(guò)盈量計(jì)算

D1-D2=[(107+0.054)～107]-[(107-0.079)～
(107-0.114)]=-0.025～-0.114 mm

(2)

(3)將式(1)和式(2)相加，得間隙配合0.225～0.216 mm。

由此可得出，將初始狀態(tài)存在-0.025～-0.114 mm過(guò)盈量的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)件通過(guò)分別深冷和加熱的工藝過(guò)程，可以轉(zhuǎn)化為0.225～0.216 mm的間隙配合，所需的最佳時(shí)間參數(shù)。

3.3 壓裝試驗(yàn)及壓裝后性能測(cè)試

(1)選取壓裝試件，訂制一套驗(yàn)證試驗(yàn)工裝，壓裝驗(yàn)證結(jié)果良好。

(2)壓裝后恢復(fù)至室溫，進(jìn)行扭矩試驗(yàn)，在確定的扭矩作用下測(cè)試，符合預(yù)設(shè)要求，為了進(jìn)一步考核扭矩，繼續(xù)加至預(yù)設(shè)扭矩值的120%，仍未發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展對(duì)起落架緩沖器鋁質(zhì)外筒內(nèi)孔壓裝薄壁襯筒新技術(shù)進(jìn)行研究，突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，獲取壓裝參數(shù)，研制出相應(yīng)的工藝裝備，并形成成熟穩(wěn)定的工藝規(guī)范，起落架緩沖器鋁質(zhì)外筒內(nèi)孔壓裝薄壁襯筒工藝獲得成熟應(yīng)用，解決了緩沖器外筒內(nèi)孔磨損造成無(wú)法維修或維修成本和周期長(zhǎng)的問(wèn)題，一定程度上為民用飛機(jī)起落架要求的長(zhǎng)壽命、高質(zhì)量、低成本以及良好的維修性能等奠定了基礎(chǔ)，該工藝也為設(shè)計(jì)提供了技術(shù)可行性的驗(yàn)證，可為同類(lèi)產(chǎn)品易磨損、不易維修部件的結(jié)構(gòu)提供可借鑒的改進(jìn)或產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路。