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航天紧固件标准研究及制定紧固件相关标准的建议

航空航天紧固件,在国际上是指专为航空航天器设计的紧固件,这类紧固件的标准在国际上由ISO/TC20/SC4(国际标准化组织/航空航天器标准化技术委员会/航空航天紧固件分技术委员会)制定并归口。


美国的航空航天紧固件标准(由美国航空航天工业协会AIA归口)、欧洲的航空航天紧固件标准(由欧洲航空航天制造商协会AECMA归口)、俄罗斯的航空行业紧固件标准等都属于这个体系。我国紧固件的国家军用标准、航空行业标准、航天行业标准也都属于这个标准体系。

国外航天紧固件标准情况



美国航天紧固件标准情况


美国的军用紧固件标准有近3000个,由政府文件和非政府文件两部分组成。

政府文件包括:

  • 美国军用标准(标准代号为MIL)

  • 国防部标准(标准代号为DOD)

  • 军用标准图纸(标准代号为MS)

非政府文件包括:

  • 美国航空航天工业协会(AIA)标准(标准代号为AIA/NAS NAS、AIA/NAS NA和AIA/NAS NASM)

  • 机动工程师协会(SAE)标准

  • 美国标准协会(ANSI)标准等

而航空航天紧固件标准则主要集中在AIA(美国航空航天工业协会,Aerospace Industries Association of America)标准体系中。另外还有一些在政府文件——美国军用标准或者美国国防部标准中。

上世纪九十年代美国军用标准改革后,政府文件开始减少,MIL标准或DOD标准已经被AIA的NAS标准所代替。

AIA与美国航天局NASA关系密切,负责制定航空航天用的通用零部件标准,标准代号有:

  • AIA/NAS NAS(National Aerospace standards,英制)

  • AIA/NAS NA(National Aerospace metric standards,米制)

  • AIA/NAS NASM(由美国军用标准MIL转化而来)

  • ……

美国的AIA紧固件标准也是国际航空航天紧固件标准的基础。包括紧固件、管路件、电连接件、原材料等方面的标准,包含的标准数量约为4350项。我们收集到近2000项紧固件标准,约占全部标准的50%左右。其中AIA/NAS NA标准176项,现行有效标准164项;AIA/NAS NAS标准1854项,现行有效标准1233项。其中百分之九十以上都是产品标准。


欧洲航天紧固件标准情况


欧洲航空航天工业协会AECMA是欧洲空间组织ESA的重要支撑机构。与美国的AIA类似,航空航天基础零部件、材料方面的欧洲标准全部都由AECMA制定和归口管理。

欧洲标准(EN)是世界上最大的区域性标准。欧洲航空航天紧固件标准得到了迅速发展,特别是从上世纪80年代后期以来,发展速度明显加快。目前这套标准已经发展得相当完善:材料品种比较齐全、紧固件品种基本配套,而且都是米制的,可以作为我们引进国外标准的首选目标。

上个世纪90年代以前,AECMA就制定了很多欧洲航空航天紧固件标准(标准草案代号为prEN)。这些标准包括基础标准和产品标准。

90年代起,随着国际标准的逐步完善,AECMA标准的方向做了较大调整:

  • 基础标准均直接采用ISO/TC20/SC4制定的国际标准。例如:紧固件的形位公差、试验方法、技术规范、产品标记等基础标准,则直接采用ISO/TC20/SC4的国际标准,紧固件的尺寸也完全符合相应的ISO标准。这样设计师按欧洲标准选用的紧固件就完全符合相应的国际标准。

  • 欧洲标准主要制定产品标准和ISO暂时还没有的基础标准(如钢丝螺套相关标准)

其标准代号为EN,PrEN(标准草案),从我们收集到的245项标准看,其内容包括紧固件的产品标准(包括紧固件的结构尺寸、性能等级、温度等级、材料及热处理、表面处理等)和ISO暂时还没有的基础标准(如钢丝螺套相关标准)。


国际、国外紧固件标准分析

标准名称比对分析

ISO,AIA/NAS NAS、AIA/NAS NA,EN等国际、国外紧固件标准名称的特点是内容详实,特征齐全,便于查阅和使用,如:

a) AIA/NAS NAS 229 Screws—Brazier Head,Frearson Recess,AlumAlloy, Bronze and Alloy Steel, 10-32 Superseded—March 1958 (Rev. 3) 铝合金、青铜和合金钢的氟里尔森十字槽凸头10-32螺钉(第3次修订)

b) EN 2651:1996 Aerospace series—Screws,pan head, slotted, threaded to head, in brass, tin plated—Classification:380 MPa (at ambient temperature)/80℃ 航空航天系列—螺钉,盘头,开槽,黄铜,镀锡,全螺纹,等级:380MPa(常温)/80℃

c) ISO 3202:1997 航空航天—螺钉,盘头,内扳拧带凸棱或不带凸棱的偏置型十字槽,普通杆径,螺纹到头,MJ螺纹,金属材料制造,涂覆或不涂覆,强度等级小于或等于1100MPa—尺寸Aerospace—Screws, pan head, internal offset cruciform ribbed or unribbed drive, threaded to head, MJ threads, metallic material, coated or uncoated, strength classes less than or equal to 1100MPa—Dimensions。

可以看出,上述标准名称中涵盖了紧固件的基本特征,包括产品名称、头形、扳拧结构、螺纹形式、材料、表面处理、强度等级及适用温度等。

但我国产品标准名称则较为简单,如参照ISO DIS 3202制定的QJ 2092-1991名称为MJ螺纹紧固件 1100MPa/235℃盘头螺钉,仅包含了螺纹形式、强度等级、适用温度和头形。对比可知,我国紧固件产品标准名称信息量较少,不能完全反应紧固件的特征。

建议

a) 在后续制定、修订标准过程中,应在标准名称尽可能详尽地反映标准化对象的相关特征信息,如图样标准的名称应反映产品的种类、结构形式、强度等级/温度等级、表面状态、抗拉/抗剪、螺纹形式、材料等信息;

b) 标准类别可分为通用规范、安装规范、图样标准,在标准编号时应单独给号,其中图样标准可按系列标准编号。


国际、美国和欧洲的航空航天紧固件标准主要由基础标准、试验标准和产品标准构成。

基础标准


主要是对在紧固件领域具有广泛适用性或通用性的内容做出规定的标准,包括螺纹及其测量、螺纹的极限尺寸、形位公差、结构要素、尺寸系列、标记标志等。


试验标准


主要包括与试验方法有关的标准。


产品标准

规定产品应满足的要求以确保其适用性的标准,根据其规定的是全部还是部分的必要要求分为完整的标准和非完整的标准。国际、美国和欧洲的航空航天紧固件标准基本上属于非完整标准,即产品的相关要求分别由技术规范/采购规范、标准图样给出。

  • 技术规范(欧洲标准)和采购规范(国际标准和美国标准)的主要技术内容基本一致,包括质量保证条款、技术要求和试验方法(包括可接收质量水平)等。与我国军用标准体系的产品通用规范基本一致。

  • 产品标准图样的主要技术内容包括结构型式、尺寸、公差、重量、材料、热处理、表面处理和标记等。与我国军用标准体系的产品标准图样一致。

ISO/TC20/SC4主要制定紧固件的基础标准,其主要特点如下:


1、ISO航空航天紧固件的尺寸系列标准

针对不同性能等级和温度等级、结构要素、材料、热表处理等,给出相应的紧固件结构型式和尺寸系列

4、采购规范具有通用性

ISO航空航天紧固件的采购规范是针对同一强度等级的一类产品的技术要求做出规定,具有较强的通用性。

统计数据表明在 AIA/NAS NAS、AIA/NAS NA,EN紧固件相关标准中,产品标准图样所占的比例分别高达97%、86%和76%,主要包括:螺钉、螺栓、螺柱,螺母和垫圈,键和销钉,铆钉,紧固装置,环、垫隙片和间隔器等,其次是采购规范/技术规范。


目前航天型号选用的紧固件标准共有四类:国家军用标准、航天(空)行业军标、企业标准,还有国家标准。这四类标准内容交叉、重复的现象比较多,给设计师选用造成不少困难。造成各级标准混乱的原因除了管理上缺乏统一的规划外,各级标准的重点和职责不清是主要原因之一。

从AIA/NAS NAS、AIA/NAS NA,ISO和EN紧固件标准在制定重点和分布情况的分析,对我国航天紧固件标准化工作具有重要的启示。为避免不同级别标准之间的交叉重叠,国家军用标准、军工行业标准和企业标准应有明确的定位:




1、紧固件的国家军用标准

国家军用标准应尽量等同采用国际航空航天紧固件标准(ISO/TC20/SC4归口),重点制定紧固件的对互换性有影响的基础标准(如名词术语、螺纹、形位公差、标记、标志、十字槽和其他内外扳拧结构,以及各类紧固件的型式尺寸)和通用性较强的试验方法标准、产品通用规范,不制定具体的产品标准图样,这也是促进我国的航空航天紧固件标准尽快与国际接轨的重要举措。

2、紧固件的军工行业标准

军工行业标准应以紧固件产品标准为主,重点制定产品标准图样。基于目前标准按行业管理的模式,跨行业选用产品标准往往受到无法掌握标准状态和无法满足本行业产品不同使用要求的制约。因此,航天行业应根据航天型号对紧固件的需求,建立完整配套的航天行业紧固件标准体系;同时,尽快将研究开发成功并通过鉴定的新型紧固件制定成航天行业标准提供型号选用。在制定航天行业标准时,所用的基础标准(包括紧固件的结构尺寸标准)均应符合相应的国家军用标准。这样的航天行业标准紧固件既可与航空标准紧固件互换,又可与国际标准接轨,从而使我国航空、航天行业紧固件标准协调发展,形成完整配套的航空航天器用紧固件标准体系。当需要将行业标准提升为国家军用标准时,应提升通用规范或有关的基础标准,不提升产品图样标准。

3、紧固件的军工企业标准

为了避免企业标准落后于行业标准,对企业级紧固件产品标准的制定和作废要特别慎重,最好稳定在行业标准的级别上。应严格控制企业标准的制定和审批,低于行业标准水平的企业标准不应立项,已经制定、技术指标低于行业标准的,应逐步过渡到行业标准上来。企业标准应定位在行业标准中没有或者技术指标满足不了型号要求的紧固件上。企业标准所用的基础标准和尺寸标准应符合国家军用标准。

4、紧固件的国家标准

国家标准可以作为航天型号用标准紧固件的补充提供航天型号选用,如地面设备、弹上电子设备等所用的销钉、紧定螺钉、自攻螺钉等,可直接从国家标准中选用。


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