当看到国产C919大飞机翱翔于天际时,不知你是否想过,飞机是如何被连接成一个整体的?

  飞机的机身、机翼结构以数十米计,内部的结构也极为复杂,不可能像汽车车身那样整体成型。如果将飞机还原到零件状态,呈现在我们眼前的便是数万件不一样的材质零部件,要将这些种类各异的部件拼积木一般组装起来,完成大飞机的主结构,就需要上百万颗优质零件,并应用种类非常之多的工艺将它们连接起来。

  可以说,由零散的部件变成一架大飞机,这都是一铆一钉的功劳。穿针引线的铆钉,在飞机制造中默默无闻,却居功至伟。

  (早期的航空工业普遍建立在造船厂旁边,导致航空工业传承了部分造船工艺,例如铆接)

  飞机制造中常用的连接方式包括铆接、螺栓连接、胶接和焊接,目前铆接仍然是飞机装配的主要连接方法。

  航空工业中有一句箴言:“为减轻每一克重量而奋斗。”为减轻飞机重量,飞机制造中会因地制宜地使用尽可能轻的材料,而这些材料除了钢结构更适合焊接之外,铝合金不宜焊接,复合材料也会受到焊接的破坏,不一样的材料的相互连接一定要采用物理方式固定。

  (国际上最先进的客机大量使用复合材料,只能采用铆接工艺。来源:中国航空网)

  民用飞机通常要服役十几年,而焊缝易产生金属疲劳问题,使得连接效果不佳。

  首先,焊接的过程中,焊接金属受到散热速率不同的影响,会产生形变和很大的内应力,结构在复杂的载荷和受力条件下容易损坏;此外,由于焊接其实就是一个金属再加工的过程,焊缝附近的金属力学性能会与母材有显著削弱,成为飞机结构的弱点,并且这个变化无法测定,因此一般飞机上较少使用焊接。

  铆接的可靠性和一致性要远高于焊接,焊接质量特别大程度上依赖于操作工人的手艺,而铆接的连接强度较为稳定可靠,各项参数误差极小,容易进行品控和标准化生产,如有操作失误,也能够直接进行铆钉的替换。

  由于铆接适用于受较大冲击或震动载荷的金属结构连接,这种高效率的连接方式能够加强结构的稳定性,上百万枚铆钉节约的重量也十分可观了。

  航空铆钉在飞机中的作用好比连接人体骨骼之间的软组织,如果人没有软组织,骨架再坚固也无用,航空铆钉的重要性可见一斑。

  飞机铆接所用到的铆钉大致上可以分为两类:一类是普通的实心铆钉,另一种是特殊铆钉。

  实心铆钉由实心材料制造成,应用于航空制造领域的实心铆钉主要是凸头型和埋头型铆钉。铆钉深入材料后,它一定要使用垫铁和专用铆接机双面敲击,将底部打成墩头,铆钉无法被拔出,形成整个结构的静连接。

  (铆接工艺的目的是最终形成墩头,使铆钉充分填充缝隙。图片来自:中国航空网)

  在飞机的内部,由于没气动外形的要求,主要是采用成本较低,便于加工的凸头铆钉;而埋头铆钉大多数都用在飞机外表需要光滑的部分,能够大大降低飞机阻力,工艺流程中对于钉帽和附近结构的公差有严格的要求,当你触摸飞机表面时,几乎感觉不到铆钉的存在。这项应用带来了显著的成效,根据二战时的有关数据,使用埋头铆钉后,飞机的阻力大约能够减少3%左右。

  实心铆钉的连接多用于受力剪切大的金属零件的连接。一般来说,铆接厚度不超过铆钉直径的五倍。

  航空工业中所用到的特殊铆钉主要是针对空间狭窄的场合,分为抽芯铆钉和击芯铆钉,原理类似。

  抽芯铆钉是一种单面铆接用的铆钉,但须使用拉铆枪进行铆接。铆接时,铆钉钉芯由专用铆枪拉动,使铆钉底部膨胀,形成墩头,固定整个结构。

  这类铆钉大范围的使用在汽车、船舶、飞机、机械、电器等产业上。航空工业中,埋头抽芯铆钉适用于机体表面等需要平滑的场合,封闭型抽芯铆钉适用于要求在高载荷环境下具备一定密封性能的连接部位,例如油箱。

  击芯铆钉则是另一类单面铆接的铆钉,使用时比起前者要容易不少。铆接时锤击铆钉头部露出的钉芯,使之与钉头端面平齐,将底部打开,向两边弯曲,即完成铆接操作。击芯铆钉非常适合于空间狭小部位的铆接,由于操作较方便,在航空工业中比起抽芯铆钉有更广泛的应用。

  随着飞机高强度的使用,航空铆钉也不可避免地会出现失效和断裂。这时候就需要用“冷冻铆钉”来更换。

  所谓“冷冻铆钉”就是指铆钉在淬火处理后迅速冷冻起来,以保存活性。使用时再拿出来,必须在十五分钟之内铆接完毕。工程师发现,这种“冷冻铆钉”的强度在常温条件下会增加,从而加强铆接结构的稳定性。

  在飞机制造和维护中,小到这一颗铆钉,都包含了很多特殊工艺和使用诀窍,最终的目的是保证飞机的安全和经济性。因此,航空工业作为工业技术的集大成者,并非浪得虚名,它是由高工艺、高水平、高质量、高标准的产品所练就的。

  以“翼龙II”无人机为例,这款大型无人机就需要用两万多颗不一样的种类的铆钉;一般的轻型飞机上,铆钉使用量多达十万颗;C919用了上百万颗;而根据空客公司的统计,世界上最大的量产客机A380的航空铆钉用量已超越了五百万颗。

  航空铆钉是飞机制造工业中极为关键的一环。事实上,制造一颗装配大飞机的高质量航空铆钉并不太困难,技术工艺、外观、内部质量的要求虽高,但也并非特别高的要求。

  不过航空工业最讲究的就是质量一致性,一架飞机有百万颗铆钉,生产的第一颗铆钉必须跟之后的数千万颗是一模一样的。这一个道理就类似于大飞机本身,制造一架先进的大飞机对于大国来说并不太困难,而制造上万架相同的产品却是一个极大的挑战,全球目前只有寥寥两家企业能做到。整条航空产业链中,标准化生产是最核心的思维,却也是最难做到的。

  中国之所以能够在国产大飞机起飞之前就掌握了航空铆钉生产的核心技术,离不开国外技术的引进和自我改良。中国在国内设立了量产工厂,经过几年的学习消化和吸收提升,最终能够保质保量地完成国产大飞机产业链的需求。

  同时近年来,中国与美国、欧洲适航协议的达成,以及空客、波音陆续在中国设立组装厂,为中国航空工业走向世界带来了新的契机。

  中国航空的每一步脚印,不能离开高标准的零件。小小的航空铆钉,不单单是中国航空科技智慧成果的突破,也是中国工程师与基层产业工人“匠人精神”的展现。