战机是如何“拼接”起来的？原来全靠这项工艺

时间: 2024-06-22 16:04:03 |   作者: 工业模具

  在中国人民革命军事博物馆兵器馆里，陈列着一架编号为079的米格-15歼击机，机身遍布铆钉。周 乐供图

  飞机在恶劣天气特征情况下飞行，机翼会发生剧烈抖动，这时候有人会问：“机翼会不会在空中折断？”

  事实上，机翼的韧性非常好、安全系数比较高，除了优选材料和设计等方面外，还得益于安全可靠的铆接工艺。此外，战机庞大的机身并非一体成型，同样是通过铆接工艺，将不一样的尺寸的蒙皮和机体结构紧密“拼接”起来。

  铆接是利用铆钉将多个工件连接起来，小到剪刀、铁钳等生活用品，大到船舶、航天器、桥梁的制造，都采用了铆接工艺。

  自战机诞生之日起，铆接工艺被大范围的应用于航空工业制造和维修领域。那么，铆接工艺有什么独特优势？又是如何将战机“拼接”起来的？请看本文解读。

  战机在高空高速飞行时，常常经历低温、强风等恶劣环境，给机体结构造成很大考验。

  与汽车车身整体压铸成型不同，战机的结构部件复杂，需要满足多种结构件的材料、形状、尺寸的连接需求，并保证机体结构紧固。

  现代工艺中常见的金属构件连接方式主要为焊接、铆接和螺栓连接，选择哪种连接方式，与金属材料、形状、厚度、受力方向、使用环境等因素相关。其中，铆接工艺凭借独特优势脱颖而出，成为战机上使用最广泛的连接方式。

  一方面是轻量化的选择。高速度、高性能始终是战机的永恒追求。为了可以轻装上阵，一代代战机制造几乎“每克必争”，努力“瘦身”，不但采用了铝合金、钛合金等“轻薄款”材料，蒙皮厚度在2到5毫米，这种蒙皮可焊接性能差，极易因焊接受热而破损变形，只可以通过物理方式来进行固定。

  另一方面是飞行环境的要求。战机高速飞行时，受气流影响会产生颠簸，蒙皮受到各个方向上的拉伸、弯曲等作用力，这既要求连接工艺能够紧固各部件，有效分散各方应力，还要具备抗疲劳、抗裂、抗反复振动等特性。

  此外，战机在升级维护过程中，需要拆卸蒙皮，检查内部故障问题。焊接技术实现的是永久性连接，一旦蒙皮上发现裂纹，就必须将其大面积换新，不仅耗时费力，还增加了维修成本。而铆接工艺能轻松拆装部分蒙皮，维修效率明显提升。

  如今，随着航空工业技术发展，铆接工艺从最早单一的手工作业逐步衍生出液压铆接、电磁铆接等新技术，以满足多种材料、不同部位的连接需求。

  近距离观察飞机，我们会发现蒙皮上有数不胜数“指甲盖”大小的铆钉。据了解，一架中型客机全身遍布上百万颗铆钉。

  航空铆钉的形态各异、种类非常之多，常用的有埋头铆钉、凸头铆钉等，根据安装环境、连接方式、尺寸大小不同，铆钉的选择也不完全一样。此外，铆钉本身材料和制造质量关系到铆接工艺可靠性。

  早期的铆钉多为木制或骨制的小栓钉。1916年，英国飞机制造公司的一名科学家取得了可以单面铆接的盲铆钉专利，并大范围的应用于航空航天、船舶工业等领域。后来，随着战机蒙皮材料升级，铆钉材料经历了从铜制、铝制，到钢、镍等金属材质的变化。

  一代材料，一代装备。新型材料的运用，必然会推动武器装备迭代升级。当前，隐形战机、复合材料的出现对铆钉提出了更加高的要求，以铝合金和钛合金为代表的铆钉慢慢的变成为“主流”。其中，铝合金铆钉大多数都用在连接蒙皮，而钛合金的强度更高、抵抗腐蚀能力更好，通常也被委以重任，连接飞机骨架、起落架等部件。

  航空产品，质量第一。铆钉的制造质量同样关键，看似尺寸只有几毫米大小的铆钉，加工精度甚至达到微米级，如何标准化批量制造出合格铆钉，从设计、制造到检验必须步步严格。

  目前，不同国家和行业根据实际的需求，采用不一样的制造标准，如国际标准化组织的ISO 15983、美国航空航天工业协会标准NAS等。此外，一些航空公司也有自己的铆钉制造标准，比如波音公司的BACR。无论哪一种标准，都对铆钉的材料、尺寸、完好性、力学性能、抵抗腐蚀能力等进行了明确要求。

  实际加工阶段，一枚铆钉的生产的基本工艺包含了材料准备、钉杆拉制、锻造成型、表面处理、头部加工、淬火回火等一系列工序，加工精度要求极高，并通过特定的字母和数字，给铆钉编上“身份证号”，便于识别和后期追溯。

  检验是确保质量合格的重要关口。这一阶段，铆钉有必要进行外观尺寸、拉伸强度、扭矩等方面检验，必要时还会对部分关键指标来测试，如断裂载荷、耐盐雾等。经过层层筛选后，铆钉才能够“上岗”。

  严苛的制造条件赋予铆钉强大能量。据测算，铆钉的比强度高达1100兆帕，相当于每平方厘米的面积要承受10辆小轿车的重量。可以说，小小的铆钉凭借其过硬的能力，成为战机飞行安全的重要保证。

  战机制造是一项复杂工程，需要耗费很多工时。其中，装配工序占比达到总工时的40%到50%，而装配工序30%以上的劳动量，都花费在铆接上。

  之所以耗时长，是因为铆钉数量多，且铆接工艺十分复杂，在铆接过程中要经历大量的设计与计算。可以说，每道工序皆学问。

  以先进的五代机铆接为例，为满足隐身性和气动外形要求，五代机蒙皮大多采用埋头铆钉，与蒙皮共同形成整个光滑的机体表面，以减少气动阻力。这种方式对铆接工序有着极高要求。

  第一步定位。铆接前，需要一系列准备工作，根据铆接位置，对铆钉进行排列布局。设计师会依据材料力学的原理，针对载荷分布和传递规律进行科学计算，设计合理的铆钉形状和间距。对于机翼等关键部位，还要以铆钉列阵的形式设计，确保以足够的强度和硬度支撑连接部位。

  第二步钻孔。在前期布局定位的结构件上进行钻孔，钻孔位置必须准确无误，单个孔距不到1毫米的偏差都可能会引起整个零件加工失败。为此，设计师采用了直接在蒙皮上投影方法，甚至使用AI技术定位，以保证打孔位置的精准度。

  实际操作时，装配工人需要在连接件表面加工出一个凹槽，大小与钉帽尺寸一致，使铆钉完全嵌入蒙皮，随后在结构件内侧进行打孔备用。

  第三步铆接整形。在做好定位、钻孔等准备工作后，才郑重进入铆接工序，装配工人会将合适的铆钉插入之前打孔位置，用铆枪将铆钉紧实压入形成连接，并对铆接件表面的凸起部分整形，使其与其他部件平整连接。

  铆接工作结束后，检验人员还将对铆钉的外观进行严格检验，确保钉头整齐、表面美观，没有歪斜、磕伤和裂纹等缺陷，同时对铆接件进行检测验证，检查强度是不是符合要求，是否有松动问题，确保其质量合格后才会最终交付。

  当一架战机经过长时间“风吹日晒”后，难免会出现“金属疲劳”，“皮肤”上的划伤裂纹难以避免，铆钉也会有某些特定的程度的磨损。在维护保养阶段，修东西的人要系统检查战机的整体状态，对松动、断裂、损伤的铆钉来更换，并对机身出现的裂纹、腐蚀再次进行铆接修理，在保证战机整体的强度和气动外形要求的前提下，尽量控制结构重量。

  航空工业技术加快速度进行发展，带来了铆接技术的日趋成熟。相信随自动钻铆、电磁铆接等先进的技术诞生，势必会提升战机制造和维修效率，为战机飞行安全提供较为可靠保证。（宋茹）