如何對航空螺栓進行質量過程控制

服役30年的航空螺栓，如何進行質量過程控制？

航空螺栓的單價，一般在每顆十幾元到幾百元之間，更有甚者可高達幾千、上萬元，除了原材料價格昂貴、加工成本高以外，嚴格的過程控制以及隨之而來的質量成本也是產品價格居高不下的原因之一。

今天，我們就以Ti-6Al-4V螺栓（圖1）為例，簡單介紹下航空螺栓的質量過程控制。

圖1 典型航空鈦合金螺栓

在質量體系的覆蓋下，航空螺栓從原材料入廠到成品出廠的各個環節，都有嚴格的質量控制要求，尤其是關鍵過程和特殊過程受控必須是受控狀態。

以Ti-6Al-4V螺栓為例，一般把來料復驗、鐓制成型、熱處理、精密加工、滾制螺紋、冷擠強化、無損檢測、表面處理、成品檢驗做為重點環節進行過程控制。

1、來料復驗

航空螺栓對原材料的供方控制十分嚴格，目前國際上公認的Ti-6Al-4V材料制造商是美國的Carpenter、Perryman、CWI等公司，LISI、美鋁、SPS等航空緊固件巨頭以及國內的航空航天緊固件制造商所用的鈦材一般均出自這幾家企業。

原材料到貨時，必須附帶材質單等原始記錄。廠家還要進行嚴格的入廠復驗，復驗一般以抽檢的方式進行，復驗的項目有抗拉強度、剪切強度、斷面收縮率、斷后伸長率、低倍組織、高倍組織等。

同時，材料檢測實驗室也應取得NAD-CAP資質認證，方可保證整個過程受控、有效。所有復驗項目均合格后，授予該批材料**的質保單號，入庫保存。

2、鐓制成型

航空螺栓一般采用溫鐓成型，加熱溫度低于材料的再結晶溫度，且加熱溫度應受控，一般控制在±10℃之內。

在此環節，還需要對螺栓的頭部金屬流線進行檢測，同時，也要檢測加熱部位的原材料是否存在過熱、過燒現象。

金屬流線檢測（圖2）是為了確認螺栓的頭部金屬流線在鐓制過程中不被破壞，從而保證產品的強度要求；

過熱過燒檢查（圖3）是為了防止螺栓在加熱環節因加熱溫度過高對原材料產生**影響。

這兩種檢查均是采用金相法進行，具體的步驟是割樣、鑲樣、磨拋、腐蝕、金相顯微鏡下觀測等。

圖2 螺栓頭部金屬流線（Z是允許金屬流線切斷的區域）

圖3 材料過熱、過燒典型金相圖片

3、熱處理

熱處理是特殊過程，航空螺栓的熱處理過程需要通過NAD-CAP審核，以確保整個過程受控。

Ti-6Al-4V材料螺栓一般要進行固溶+時效處理，

固溶采用震底式連續水淬爐，爐子應滿足AMS2750D型儀表、5類爐子的要求，爐溫均勻性為±10℃，采用水淬，水淬時要保證產品的入水時間小于7s；

時效一般采用真空爐進行處理，爐子應滿足AMS2750 B/D型儀表、2類爐子的要求，爐溫均勻性為±5℃。

熱處理完成后，要采用試驗件或者產品進行驗收，驗收的項目一般包括：抗拉強度、剪切強度、斷面收縮率、斷后伸長率、氧污染層等。

4、滾螺紋

航空螺栓的螺紋是滾制成型，一般可采用冷滾（搓）絲和溫滾（搓）絲。冷滾絲是指在常溫下進行滾絲加工，溫滾絲是將產品加熱到特定的溫度后，再進行滾絲。

滾絲環節除了要控制螺紋的通止、大徑、中徑、小徑外，還要對螺紋的金屬流線（圖4）及螺紋表面的不連續性（圖5）進行檢測。

一般采用金相法進行，具體包括割樣、鑲樣、腐蝕、金相顯微鏡觀測等。上述要求均是在首檢環節進行，首檢合格后方可批量加工。

圖4 螺紋金屬流線圖

圖5 螺紋表面不連續性的具體要求

5、精密加工

對于一些關系到螺栓裝配性能的關鍵特性尺寸（如圖6），要采用SPC對生產過程進行控制（圖7），并要求CPk≥1.33。

注：為了保證結構的抗疲勞性能，航空螺栓一般采用過盈裝配，且為了保證飛機基體表面的氣動性能，需要對螺栓安裝后頭部的凸凹量進行嚴格控制。

以0.25in直徑規格螺栓為例，光桿直徑d的公差為0.0254mm，沉頭高度P的公差一般為0.05mm。

圖6 航空螺栓的關鍵特性

圖7關鍵特性尺寸SPC控制圖

6、冷擠強化

航空螺栓一般都有抗疲勞要求，這就需要對螺栓頭桿結合處（應力集中*為嚴重的部位）進行冷擠強化（圖8）。

一般過程為：采用指定規格的滾R輪，在規定的壓力、時間下，對螺栓的頭下R進行冷擠壓，以提高其抗疲勞性能。

該工序，一般需要對首件進行疲勞試驗檢測，首件合格后，方可批量加工。

圖中：A是頭下冷擠壓區域的凸起量，B是凹陷區，C是為了控制凸起的范圍。

圖8 頭下R冷擠過程

注：航空螺栓一般進行拉-拉疲勞試驗。循環載荷中，低載是高載的1/10，波形為正弦波，加載頻率一般不超過210HZ，要求螺栓的疲勞壽命不低于4.5萬次，平均不低于6.5萬次，超出13萬次按13萬次計算。

7、無損檢測

在完成熱處理加工及所有的機械加工后、表面處理之前，航空螺栓一般要求進行100%的無損檢測（圖9），一般包括熒光檢測和磁粉檢測兩種。

無損檢測的目的是剔除產品中存在表面缺陷的樣件。檢測過程發現疑點時，還需要將產品剖開進行金相仲裁試驗。

圖9 無損檢測過程

8、表面處理

航空螺栓的表面處理過程需要通過NAD-CAP認證，確保整個處理過程有效受控，*常見的表面處理方式有涂鋁、涂二硫化鉬等。

以涂鋁（圖10）為例，處理后要進行如下項目的檢測：外觀、鍍層厚度、鍍層結合力、耐脫漆劑性、耐流體性、耐熱性、耐蝕性、應力腐蝕、脆性等，其中耐脫漆劑性、耐流體性、耐熱性、耐蝕性、應力腐蝕、脆性等為鑒定試驗項目，通過鑒定試驗后，進行周期性復驗即可。

外觀、鍍層厚度、鍍層結合力為質量一致性驗收項目，每批產品都需要進行。

圖10 噴涂鋁后的螺栓

9、出廠檢驗

完成以上環節后，航空螺栓來到了*終檢驗環節。

此時，除了對外觀、尺寸、形位公差、螺紋通止、標記等內容再次進行抽樣檢查外，還需要再次對產品的力學性能進行檢測，一般包括的項目為：抗拉力、剪切力、疲勞強度、頭部金屬流線、螺紋金屬流線、微觀組織、表面不連續性、氧污染層、磨削**、氫含量、氧含量等，抽樣數量按相關標準的規定執行。

所有項目合格后，由人工或者自動篩選機對產品的外觀進行100%挑選，剔除外觀磕碰傷、漏加工或者其它缺陷的樣件。

以上，就是航空螺栓生產過程的主要質量控制點，嚴格的質量過程控制才能保證航空螺栓在服役的30年內不會出現質量問題。