大规格薄壁衬筒的低应力压装工艺研究

李志栋 陈 亮 秦楚山 石 尚

(航空工业中航飞机起落架有限责任公司, 湖南 长沙 410200)

航空飞机起落架为飞机系统核心功能附件之一，主要用于飞机的停放、起飞、着陆、地面滑行和地面方向控制等，并用来吸收着陆撞击和滑跑冲击能量，是唯一支撑整架飞机的重要承力部件，守护着飞机运行安全。如图1所示(未含机轮和轮胎)为典型的支柱式结构起落架，是比较常用的结构形式之一。其一般由外筒组件、活塞杆组件和转弯组件等组成，活塞杆与外筒之间密封连接，内腔注油充气，形成缓冲器，工作过程地面载荷通过轮胎、机轮传递至活塞杆组件上，活塞杆组件在外筒内相对运动，压缩内腔气体和液压油，吸收能量，保证安全。近年来，为了降低起落架重量，越来越多地选择高强度铝质材料作为起落架核心零部件的制造，尤其是缓冲器外筒选用铝合金材料时，运动过程容易造成内孔表面机械磨损或损伤，排除缺陷后尺寸增大，严重时只能报废更换备件等，由此直接造成飞机起落架系统寿命降低，质量风险和安全性、维修性问题突出，运营成本大大增加等，而采取铝质外筒内孔压装薄壁衬筒的设计方案，能够有效解决上述问题。因此, 开展对起落架缓冲器铝质外筒内孔压装薄壁衬筒新技术应用研究，突破关键技术瓶颈，确定实施方案，获取压装参数，研制出相应的工艺装备，并形成成熟稳定的工艺规范，成为实现民用飞机起落架长寿命、高质量、维修性能好以及运营成本降低的有效途径。

1 技术要求及难点分析

通常起落架结构中成熟的压装衬筒工艺应用在主承力件与其他组件连接的耳片孔、有配合的轴颈等有相对运动部位，如图2所示，外筒组件中通常压装图3所示常规衬筒，这些典型衬筒规格都比较小，均采用冷缩法压装，压装时间短、易操作。而在外筒深长内孔压装如图4所示的衬筒时，其长度大于500 mm，壁厚为1～2.5 mm，压装时间长、载荷大、对正困难，易造成薄壁衬筒失稳变形、被压装外筒内壁挤压损伤以及铝质外筒被挤压胀大等严重问题，因此用传统压套工艺是无法实现的，其工艺存在根本上的区别,而且难度非常大。

具体表现在：(1)具备低应力或无应力压装的良好工艺性，且满足产品使用过程不得发生相对转动性能的相适应的公差配合技术需求的确定；(2)采用机体加热、衬套冷缩的工艺方案的具体参数未知，方案及可行性未得到验证；(3)集加热和冷却为一体的自动压装设备方案，包括工件的准确安装定位和压装、防薄壁衬筒压装过程失稳变形以及压装完成后安全撤离等可行方案的确定；(4)压装过程工艺质量的稳定性和一致性是否良好等一系列关键技术尚属国内空白技术，需要进行大量的工艺试验确定。

2 压装方法及设备

2.1 压装方法

利用材料的热胀冷缩特性，实施对外筒加热和保温，在热影响下材料膨胀，内孔尺寸增大，同时对衬套进行深冷，使其尺寸减小，当两者由过盈配合转化为一定间隙配合时,在试验确定的时间内完成安装，减小压装应力的产生，提高压装成功率。

2.2 压装设备

设计研制一套集加热和深冷于一体的自动压装设备(如图5所示)，同时满足对零件的可靠和高精度定位固定、具备加热和深冷两套独立系统、可以控制最长压装时间，通过程序设置，自动实施薄壁衬筒的无应力或低应力压装，提高装配工艺的可靠性和效率。

3 压装工艺试验

3.1 研究工件在加热或深冷过程尺寸、时间、温度之间的关系

(1)将热电偶连接于加热零件和数据记录仪上，通过加热箱加热到一定温度，并保温一定时间，然后置于室温下，连续测量被加热零件的内孔尺寸变化过程，记录对应的时间、温度和尺寸，形成曲线图(见图6)。

(2)将热电偶连接于深冷的零件和数据记录仪上，一并置于液氮(-196 ℃)中，待完全停止沸腾后静置一定时间，然后置于室温下，测量并记录对应的时间、温度和尺寸，形成曲线图(见图7)。

3.2 试验结果分析

通过上述外筒加热、衬筒深冷过程尺寸变化分析可以得出结论：铝质外筒热涨后7 min内温度恢复至+70 ℃左右，其尺寸变化Δ1=+0.1～+0.15 mm；深冷后零件2 min内恢复至-110 ℃～-60 ℃，其尺寸变化约为Δ2=-0.15～-0.18 mm。

(1)热胀冷缩后外筒与衬筒配合间隙

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

(1)

(2)常温下外筒内孔与衬筒外圆之间的过盈量计算

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

(2)

(3)将式(1)和式(2)相加，得间隙配合0.225～0.216 mm。

由此可得出，将初始状态存在-0.025～-0.114 mm过盈量的两个对称件通过分别深冷和加热的工艺过程，可以转化为0.225～0.216 mm的间隙配合，所需的最佳时间参数。

3.3 压装试验及压装后性能测试

(1)选取压装试件，订制一套验证试验工装，压装验证结果良好。

(2)压装后恢复至室温，进行扭矩试验，在确定的扭矩作用下测试，符合预设要求，为了进一步考核扭矩，继续加至预设扭矩值的120%，仍未发生相对转动，结果满足设计要求。

4 结语

开展对起落架缓冲器铝质外筒内孔压装薄壁衬筒新技术进行研究，突破多项关键技术瓶颈，获取压装参数，研制出相应的工艺装备，并形成成熟稳定的工艺规范，起落架缓冲器铝质外筒内孔压装薄壁衬筒工艺获得成熟应用，解决了缓冲器外筒内孔磨损造成无法维修或维修成本和周期长的问题，一定程度上为民用飞机起落架要求的长寿命、高质量、低成本以及良好的维修性能等奠定了基础，该工艺也为设计提供了技术可行性的验证，可为同类产品易磨损、不易维修部件的结构提供可借鉴的改进或产品设计思路。