如何對航空螺栓進(jìn)行質(zhì)量過程控制

服役30年的航空螺栓，如何進(jìn)行質(zhì)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(dá)幾千、上萬元，除了原材料價格昂貴、加工成本高以外，嚴(yán)格的過程控制以及隨之而來的質(zhì)量成本也是產(chǎn)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(zhì)量過程控制。

圖1 典型航空鈦合金螺栓

在質(zhì)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(huán)節(jié)，都有嚴(yán)格的質(zhì)量控制要求，尤其是關(guān)鍵過程和特殊過程受控必須是受控狀態(tài)。

以Ti-6Al-4V螺栓為例，一般把來料復(fù)驗(yàn)、鐓制成型、熱處理、精密加工、滾制螺紋、冷擠強(qiáng)化、無損檢測、表面處理、成品檢驗(yàn)做為重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行過程控制。

1、來料復(fù)驗(yàn)

航空螺栓對原材料的供方控制十分嚴(yán)格，目前國際上公認(rèn)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(nèi)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(yè)。

原材料到貨時，必須附帶材質(zhì)單等原始記錄。廠家還要進(jìn)行嚴(yán)格的入廠復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)一般以抽檢的方式進(jìn)行，復(fù)驗(yàn)的項(xiàng)目有抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室也應(yīng)取得NAD-CAP資質(zhì)認(rèn)證，方可保證整個過程受控、有效。所有復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目均合格后，授予該批材料**的質(zhì)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(jié)晶溫度，且加熱溫度應(yīng)受控，一般控制在±10℃之內(nèi)。

在此環(huán)節(jié)，還需要對螺栓的頭部金屬流線進(jìn)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(xiàn)象。

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

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

這兩種檢查均是采用金相法進(jìn)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(qū)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(jìn)行固溶+時效處理，

固溶采用震底式連續(xù)水淬爐，爐子應(yīng)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(chǎn)品的入水時間小于7s；

時效一般采用真空爐進(jìn)行處理，爐子應(yīng)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(yàn)件或者產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收的項(xiàng)目一般包括：抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)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(jìn)行滾絲加工，溫滾絲是將產(chǎn)品加熱到特定的溫度后，再進(jìn)行滾絲。

滾絲環(huán)節(jié)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(xù)性（圖5）進(jìn)行檢測。

一般采用金相法進(jìn)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(huán)節(jié)進(jìn)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(xù)性的具體要求

5、精密加工

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

注：為了保證結(jié)構(gòu)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(jī)基體表面的氣動性能，需要對螺栓安裝后頭部的凸凹量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

以0.25in直徑規(guī)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(guān)鍵特性

圖7關(guān)鍵特性尺寸SPC控制圖

6、冷擠強(qiáng)化

航空螺栓一般都有抗疲勞要求，這就需要對螺栓頭桿結(jié)合處（應(yīng)力集中*為嚴(yán)重的部位）進(jìn)行冷擠強(qiáng)化（圖8）。

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

該工序，一般需要對首件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)檢測，首件合格后，方可批量加工。

圖中：A是頭下冷擠壓區(qū)域的凸起量，B是凹陷區(qū)，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(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn)。循環(huán)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(jī)械加工后、表面處理之前，航空螺栓一般要求進(jìn)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(chǎn)品中存在表面缺陷的樣件。檢測過程發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)時，還需要將產(chǎn)品剖開進(jìn)行金相仲裁試驗(yàn)。

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(rèn)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(jìn)行如下項(xiàng)目的檢測：外觀、鍍層厚度、鍍層結(jié)合力、耐脫漆劑性、耐流體性、耐熱性、耐蝕性、應(yīng)力腐蝕、脆性等，其中耐脫漆劑性、耐流體性、耐熱性、耐蝕性、應(yīng)力腐蝕、脆性等為鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目，通過鑒定試驗(yàn)后，進(jìn)行周期性復(fù)驗(yàn)即可。

外觀、鍍層厚度、鍍層結(jié)合力為質(zhì)量一致性驗(yàn)收項(xiàng)目，每批產(chǎn)品都需要進(jìn)行。

圖10 噴涂鋁后的螺栓

9、出廠檢驗(yàn)

完成以上環(huán)節(jié)后，航空螺栓來到了*終檢驗(yàn)環(huán)節(jié)。

此時，除了對外觀、尺寸、形位公差、螺紋通止、標(biāo)記等內(nèi)容再次進(jìn)行抽樣檢查外，還需要再次對產(chǎn)品的力學(xué)性能進(jìn)行檢測，一般包括的項(xiàng)目為：抗拉力、剪切力、疲勞強(qiáng)度、頭部金屬流線、螺紋金屬流線、微觀組織、表面不連續(xù)性、氧污染層、磨削**、氫含量、氧含量等，抽樣數(shù)量按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行。

所有項(xiàng)目合格后，由人工或者自動篩選機(jī)對產(chǎn)品的外觀進(jìn)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(chǎn)過程的主要質(zhì)量控制點(diǎn)，嚴(yán)格的質(zhì)量過程控制才能保證航空螺栓在服役的30年內(nèi)不會出現(xiàn)質(zhì)量問題。