航空紧固件市场的现状和未来
航空紧固件市场的现状和未来无论是军用，还是民用，现代飞机大量采用了紧固件的机械连接方法将组成飞机的零件、组件、部件连接成整体，紧固件使用量少则几十万件，多则百万件，其类型结构多种多样，需根据使用部位、使用环境、使用载荷、寿命要求、安装方法的不同而进行选用。 航空紧固件有多种分类：按可拆卸与否分为可拆卸紧固件和永久性紧固件，其中可拆卸紧固件包括螺栓、螺钉和螺母，永久紧固件包括高锁螺栓/高锁螺母、普通铆钉、环槽铆钉、抽芯铆钉、镶嵌件等；按安装方便与否分为开敞结构使用的紧固件和不开敞结构使用的紧固件；按受力载荷分为抗拉型紧固件和抗剪型紧固件；按装配精度可分为间隙型紧固件和干涉型紧固件。航空紧固件按产品种类进行分类较为普遍，主要分为：铆钉类、螺栓（螺钉）类、螺母类、单面紧固件类、特种紧固件类等产品类型，每一大类包括多种品种、规格，满足不同材料、结构的安装需要。 航空紧固件的市场现状 世界著名企业概况 目前世界上航空紧固件主要由美国美铝（Alcoa）公司、美国精铸（SPS）公司、法国里斯航天集团（Lisi Hi-shear）公司、美国波音（Boeing）公司等世界上较大的紧固件公司以及美国Monogram公司等专业性较强的公司所垄断，而俄罗斯航空航天紧固件则自成体系以供其国内使用。每一家紧固件公司均有其擅长的系列产品，并且多数产品为几家公司相互覆盖，从而构成了航空、航天紧固件的供应网络，满足各大飞机厂商的需求。 美国Alcoa公司是近年来由多家从事航空航天等紧固件制造的厂商整合而成的，其主要产品（如表1所示）包括铝合金、合金钢、耐蚀钢、耐热合金、钛合金及其它超级合金等材料的公制及英制螺栓/螺钉、螺母、单面紧固件、快卸紧固件、镶嵌件和柱塞、环槽钉紧固系统、螺栓紧固系统、特种铆钉等。 表1 美国Alcoa公司航空紧固件产品 美国SPS公司，其主要产品大部分与Alcoa公司相同或相似，包括各种螺栓、螺母、单面紧固件、镶嵌件和柱塞、快卸紧固件等，其中螺栓及螺母类产品包括锥形螺栓、可调直径螺栓、无耳托板螺母、非金属镶嵌锁紧螺母等，其高强和超级耐热合金螺栓与螺母较有优势。 法国Lisi Hi-shear公司，其主要产品包括各种材料高锁螺栓/高锁螺母紧固系统、高扭矩螺栓、高抗剪铆钉、单面铆钉/螺栓以及各种紧固件涂层等。 美国Monogram公司，是一家专业性比较强的公司，其主要产品包括单面紧固件、可调直径紧固件和临时紧固件等，其中复合材料结构用单面螺纹抽钉技术水平在世界上最强。 先进航空紧固件产品 现代航空紧固件用材料主要包括铝合金、碳和合金钢、不锈钢、钛合金、耐热合金等。由于钛合金具有较好的综合优良性能，因而90%以上的螺纹紧固件均为钛合金紧固件，其中Ti-6Al-4V紧固件占大多数，产品主要包括钛合金螺栓、钛合金高锁螺栓、钛合金螺纹抽钉、钛合金环槽钉等；发动机所使用的紧固件大多为耐热合金紧固件；组合类紧固件如抽钉等根据结构不同采用铝合金、不锈钢、钛合金、耐热合金等单一材料或多种材料组合。 飞机结构中，紧固件的使用量较大，其中某些品种的使用量可达几十万件，用于飞机机体结构的紧固件产品主要包括铆钉、螺纹紧固件、单面紧固件以及一些特殊要求的紧固件。其中铆钉类紧固件主要包括有头铆钉和无头铆钉，大部分铝结构使用的铆钉为铝合金材料，为了满足飞机长寿命连接要求，则有头铝铆钉大都采用冠状头和补偿头形状，同时高性能铆钉如高抗剪铆钉也被应用于铝合金结构中，以满足相应结构强度需求，另外，复合材料结构用较先进的铆钉主要包括钛铌铆钉、双金属铆钉等；螺栓类紧固件主要包括普通螺栓、高锁螺栓和锥形螺栓，配套螺母包括普通螺母、自锁螺母、高锁螺母、托板螺母等；不开敞结构使用的单面紧固件，其主要结构形式有拉拔型抽钉、螺纹抽钉等；特种紧固件包括快卸紧固件、环槽紧固件和复合材料紧固件等。 图1 双金属铆钉铆钉类紧固件 铆钉类紧固件是飞机上使用量最大的紧固件之一，其材料有铝合金、不锈钢、耐热合金、钛合金等，目前大多数铆钉主要用于铝合金、钛合金、复合材料较薄结构的连接，使用直径一般在4mm以下，为了满足飞机结构较高寿命要求，大都采用自动钻铆机和柔性装配系统进行装配，随着铆钉材料强度的不断提高，相应开发出了重要部位使用的承力铆钉，如双金属铆钉（如图1所示）和高抗剪铆钉（如图2所示），其强度均可达到抗剪型钛合金高锁螺栓的强度。 图2 高抗剪铆钉螺纹类紧固件 螺纹类紧固件是飞机上承载较大部位所使用最多的紧固件，其中螺栓主要包括普通螺栓、高锁螺栓、锥形螺栓等。对于飞机设计，减重是一项重要指标，采用高比强度材料可实现对比强度较低的大规格紧固件的替代，因此在飞机机体结构上大量采用1100MPa的TC4钛合金紧固件（如图3所示），另外，在设计中除要考虑比强度外，还需考虑抗疲劳、耐腐蚀、刚性、脆性、相容性、耐热性等性能。 图3 螺栓材料及其比强度普通螺栓是一种双面安装的紧固件，分为抗拉型螺栓和抗剪型螺栓，头型包括多种驱动槽型的沉头、六角头、圆柱头、十二角头、D型头等，其中沉头紧固件主要用于具有气动要求的结构表面；六角头、十二角头等螺栓主要用于具有抗拉要求部位的连接，同时根据被安装结构的材料、连接状态、使用温度要求以及配套螺母材料螺栓需进行不同的表面处理。在飞机连接装配中，通常螺栓安装采用自锁螺母与之配套，在装配时必须采用限力矩扳手进行安装，普通螺栓主要用于可拆卸结构，在永久性连接结构中，普通螺栓基本上由其它多种具有综合性能的连接紧固系统代替。 图4 轻型高锁螺栓紧固系统高锁螺栓/高锁螺母紧固系统是一种用于飞机结构双面安装单面施铆的紧固件系统，由于其具有多种优点，在飞机上被大量采用，具有 100°沉头、平头两种头型；抗剪型和抗拉型两种受力状态；普通高锁螺栓、抗疲劳高锁螺栓和轻型高锁螺栓三种结构形式，配套螺母包括普通高锁螺母、自对准高锁螺母和密封高锁螺母等。其中Hi-lite®等轻型高锁螺栓紧固系统（如图4所示）比普通高锁螺栓减重15%，目前被先进飞机大量采用；艾迪螺栓/螺母紧固系统（如图5所示），其结构类似于高锁螺栓紧固系统，适合复合材料结构和自动化装配。 图5 艾迪螺栓/螺母紧固系统锥形螺栓紧固系统（如图6所示）是一种用于飞机厚夹层部位装配提高结构寿命的紧固系统，可解决直杆紧固件在大夹层结构难以实现大干涉安装的问题，装配后整个夹层范围内具有均匀的干涉量和均衡的应力分布，从而提高了静载能力和动载能力。 图6 锥形螺栓紧固系统螺母类紧固件 螺母类紧固件与螺栓配套使用，具有多种结构形式以满足不同场合的使用，包括六角螺母、十二角螺母、花键螺母、托板螺母、桶形螺母、高锁螺母等，大多数螺母都采用了自锁结构形式。托板螺母（如图7所示）包括有耳托板螺母、无耳托板螺母、游动托板螺母和成组游动托板螺母等，具有密封和不密封两种密封形式，其中无耳托板螺母可提高结构寿命；六角螺母在飞机上具有较大的使用量；十二角螺母在发动机和高强螺栓上使用量较大；高锁螺母（如图8所示）与高锁螺栓配套使用，使用量较大，包括抗剪型高锁螺母和抗拉型高锁螺母两种，具有普通高锁螺母、自对准高锁螺母、密封高锁螺母以及镦制型高锁螺母等结构。 图7 各种托板螺母图8 各种高锁螺母单面紧固件 飞机不开敞部位使用的紧固件主要有两种结构形式，即可拆卸部位如口盖、舱门部位使用的托板螺母/螺栓和快卸紧固件，以及永久连接部位所大量采用的单面抽钉。其中，抽钉可主要分为两大类：一类是拉拔型抽钉（如图9所示），具有单面铆钉和单面螺栓之分；一类是螺纹抽钉，具有间隙型、干涉型和主承力结构型（如图10所示），其中大底脚钛合金单面螺纹抽钉是专门为复合材料结构装配而设计，干涉单面螺纹抽钉紧固系统可以提高密封及抗疲劳等性能，高强抽钉紧固系统则可用于主承力结构。 图9 拉拔型抽钉图10 三种螺纹抽钉特种紧固件包括环槽钉及环槽钉紧固系统、快卸锁类紧固件和复合材料紧固件。环槽钉及环槽钉紧固系统是一种双面安装单面施铆的永久性紧固件，在波音公司和空客公司飞机上大量应用，按配合形式可分为间隙型和干涉型；按安装形式可分为拉铆型和镦铆型。目前大部分采用受载均匀的钛合金环槽钉紧固系统，如钛合金环槽钉和环槽钉紧固系统（如图11所示）。 图11 钛环槽钉及环槽紧固系统快卸锁类紧固件（如图12所示）主要用于口盖和仓门部位连接，具有多种结构形式，可实现快速装卸功能，其可靠性要求较高，需满足高达1,500次可靠拆卸的指标要求。 图12 快卸锁类紧固件复合材料紧固件（如图13所示）是用复合材料制造的紧固件，包括铆钉、螺栓、螺钉和螺母等，是用于解决重量、强度、腐蚀、雷击、雷达图像等问题的理想紧固件，目前其强度最高可达到高强铝铆钉的剪切强度，仅能使用于飞机次承力结构。 图13 复合材料紧固件未来的航空紧固件 航空紧固件具有单机使用量大、种类多、综合要求高等特点，目前已发展成一个庞大的产品体系，为了满足飞机更高性能要求，未来的航空紧固件主要有以下发展趋势： （1）在目前紧固件及紧固系统的基础上，完善、提高其性能和功能； （2）进一步减重，采用可控制成本的更高强材料，如超级高强合金材料，可使紧固件体积重量进一步降低； （3）大力开发自动化装配紧固系统，提高自动化铆接系数； （4）开发具有环境感应能力的智能化紧固件，以实现便利的遥控式装配和拆卸，同时及时实现对多种与紧固相关状态的察觉等。(end)
