某超高強(qiáng)度鋼零件小孔擠壓強(qiáng)化工藝研究

祝衛(wèi)紅，魚增學(xué)

(中航工業(yè)起落架有限責(zé)任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

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某超高強(qiáng)度鋼零件小孔擠壓強(qiáng)化工藝研究

祝衛(wèi)紅，魚增學(xué)

(中航工業(yè)起落架有限責(zé)任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

起落架與機(jī)體同壽命是現(xiàn)代高壽命飛機(jī)的普遍要求。對(duì)于起落架主要承力件，除優(yōu)化設(shè)計(jì)外，在選材上應(yīng)選用300M、A100超高強(qiáng)度鋼及鈦合金等高強(qiáng)度、高韌度材料，并采用先進(jìn)的表面強(qiáng)化技術(shù)及先進(jìn)工藝等。小孔擠壓強(qiáng)化技術(shù)是通過(guò)在孔周圍施加一定的殘余應(yīng)力，從而顯著地提高帶孔零件的疲勞壽命。通過(guò)對(duì)超高強(qiáng)度鋼零件薄壁上小孔內(nèi)表面進(jìn)行擠壓強(qiáng)化工藝的研究，針對(duì)超高強(qiáng)度鋼小孔孔壁擠壓強(qiáng)化的工藝方法，找到了合理的擠壓參數(shù)，并應(yīng)用于產(chǎn)品的加工。

超高強(qiáng)度鋼零件；小孔；擠壓強(qiáng)化；疲勞壽命

機(jī)構(gòu)零部件在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不斷地承受著循環(huán)應(yīng)力的作用，其失效形式80%為疲勞破壞，而構(gòu)件連接孔周圍是應(yīng)力集中的關(guān)鍵區(qū)域。經(jīng)強(qiáng)化后的孔則可以大大減少疲勞裂紋的產(chǎn)生，延緩裂紋的擴(kuò)展速度，從而延長(zhǎng)零部件的使用壽命[1]。

孔擠壓是在孔直徑周圍形成殘余壓縮應(yīng)力的一種工藝方法。對(duì)于孔內(nèi)表面的擠壓強(qiáng)化技術(shù)，目前使用最多的是開縫襯套擠壓強(qiáng)化，最小規(guī)格為φ6 mm。中航工業(yè)起落架有限責(zé)任公司燎原分公司承擔(dān)的某項(xiàng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件，其耳片連接小孔(φ5.1 mm)存在連接安全風(fēng)險(xiǎn)，為了提高其構(gòu)件的使用壽命，產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求對(duì)小孔內(nèi)表面進(jìn)行擠壓強(qiáng)化。針對(duì)直徑<6 mm的孔進(jìn)行擠壓強(qiáng)化，目前該公司無(wú)合適的擠壓設(shè)備、芯棒和開縫襯套等，屬首次進(jìn)行擠壓強(qiáng)化，更沒有相應(yīng)的工藝經(jīng)驗(yàn)。由于孔徑較小，開縫襯套擠壓芯棒的強(qiáng)度較差，因此，對(duì)該孔內(nèi)表面的強(qiáng)化采用芯棒擠壓強(qiáng)化方式。

芯棒擠壓強(qiáng)化原理如下：使用預(yù)設(shè)一定過(guò)盈量的芯棒，經(jīng)施加足夠的壓力，驅(qū)使芯棒從孔的一端緩慢壓入并勻速穿過(guò)零件孔(見圖1)，側(cè)壁承受擠壓后則產(chǎn)生一定的彈塑性變形，在其內(nèi)表面形成一層塑性變形層，在孔周圍形成一定寬度的環(huán)狀殘余壓應(yīng)力區(qū)，從而提高零件的疲勞壽命。

圖1　芯棒擠壓強(qiáng)化原理圖

1　小孔擠壓方案制定

1.1工藝分析

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，為了提高某結(jié)構(gòu)件的使用壽命，應(yīng)對(duì)其厚度為4 mm的小耳片上φ5.1 mm孔進(jìn)行表面擠壓強(qiáng)化處理，零件局部圖如圖2所示，其孔邊距比為1.57，材料為超高強(qiáng)度鋼。

圖2　零件局部圖

由于對(duì)于直徑<6 mm孔未進(jìn)行過(guò)擠壓強(qiáng)化工藝的，因而參考超高強(qiáng)度鋼材料擠壓強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)分析比較，對(duì)于小孔擠壓強(qiáng)化，芯棒式擠壓強(qiáng)化工藝相對(duì)開縫襯套擠壓強(qiáng)化工藝成本低，操作簡(jiǎn)單，對(duì)操作過(guò)程要求不高，利用現(xiàn)有壓力設(shè)備即可完成小孔擠壓強(qiáng)化程序[2-3]。

1.2制定擠壓方案

制定擠壓方案如下：1)根據(jù)零件上需擠壓強(qiáng)化的小孔孔徑大小及孔周圍結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作試驗(yàn)件和專用芯棒擠壓工具；2)確定擠壓前孔徑及擠壓工具尺寸；3)在試驗(yàn)件上進(jìn)行小孔芯棒擠壓強(qiáng)化工藝試驗(yàn)，摸索小孔芯棒擠壓強(qiáng)化工藝參數(shù)及其操作方法；4)完成該產(chǎn)品零件上孔的擠壓強(qiáng)化。

2　小孔芯棒擠壓工藝過(guò)程

2.1擠壓設(shè)備選擇

孔芯棒擠壓強(qiáng)化設(shè)備可選用液壓機(jī)、旋壓機(jī)、拉床或?qū)Ｓ迷O(shè)備。該零件孔徑較小，本文選用30 kN手搖壓力機(jī)。

2.2工裝夾具

2.2.1對(duì)工裝夾具的要求

小孔擠壓強(qiáng)化時(shí)，根據(jù)零件的形狀、孔深度、孔直徑、孔的位置和孔邊距等因素，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膶Ｓ没蚱囱b夾具。工裝夾具除應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度外，還應(yīng)能保證零件在加工過(guò)程中不擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，并且保證被擠壓的孔軸線與液壓機(jī)活塞平行并對(duì)準(zhǔn)，不應(yīng)與零件發(fā)生不良影響。

2.2.2擠壓工具的制作

1)由于零件孔較小，相應(yīng)的芯棒直徑也較小，考慮到在擠壓過(guò)程中芯棒會(huì)承受較大的壓力，因而應(yīng)有足夠剛度和強(qiáng)度。如果芯棒材料硬度過(guò)大，芯棒會(huì)在擠壓過(guò)程中發(fā)生脆斷，起不到應(yīng)有的擠壓效果。芯棒材料選用普通高速鋼W6Mo5Cr4V2材料，硬度約為65 HRC。

2)芯棒結(jié)構(gòu)如圖3所示。芯棒結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：前引導(dǎo)柱面、工作柱面和圓柱面(小于工作柱面)。工作柱面前后設(shè)有錐度，在擠壓過(guò)程中起引導(dǎo)作用，保證擠壓后孔表面質(zhì)量滿足產(chǎn)品要求。

圖3　擠壓用芯棒結(jié)構(gòu)

3)芯棒工作直徑的確定。其大小應(yīng)滿足擠壓量和擠壓后孔的塑變量。芯棒工作直徑的大小對(duì)孔表面的塑性變形層厚度以及所形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍起著決定性作用。根據(jù)零件孔徑，芯棒工作直徑確定為(5.2±0.005) mm。

2.3潤(rùn)滑劑的選擇

孔擠壓強(qiáng)化工藝屬于金屬材料的常溫下壓力加工范疇，在擠壓過(guò)程中，潤(rùn)滑劑應(yīng)有良好的吸附性、滲透性及經(jīng)濟(jì)性。潤(rùn)滑劑采用固體或液體潤(rùn)滑劑，在冷擠壓過(guò)程中，優(yōu)先選用四氟乙烯固體潤(rùn)滑劑。

2.4小孔擠壓強(qiáng)化的實(shí)施

2.4.1試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)和制造

根據(jù)該材料擠壓量換算，擠壓前的孔直徑確定為5.08H8 mm。根據(jù)產(chǎn)品零件擠壓孔部位的結(jié)構(gòu)特征，試驗(yàn)件采用與零件相同牌號(hào)的超高強(qiáng)度鋼板件材料，將試驗(yàn)件制作成與零件相同厚度(4 mm)，完全地模擬零件孔的狀態(tài)，并依據(jù)產(chǎn)品孔距離零件邊緣的位置，確定了試驗(yàn)件上孔的分布形式(見圖4)。

圖4　試驗(yàn)件簡(jiǎn)圖

試驗(yàn)件孔加工采用通用的工藝方法，即用合金鉆頭加工初孔，再進(jìn)行擴(kuò)孔，最后將孔鉸孔至擠前孔直徑，完成擠前小孔加工?？妆砻娲植诙戎颠_(dá)到Ra0.8 μm以下。

2.4.2小孔擠壓強(qiáng)化試驗(yàn)

1)擠壓前準(zhǔn)備工作。將試驗(yàn)件或零件被擠內(nèi)孔表面油污和灰塵清理干凈，尤其是孔口毛刺，避免在擠壓過(guò)程中將飛邊帶入，對(duì)孔內(nèi)表面形成劃痕。

2)對(duì)試驗(yàn)件上孔擠壓強(qiáng)化(見圖5)。將試驗(yàn)件固定在夾具上，調(diào)整夾具使待擠壓的孔與擠壓設(shè)備活塞桿平行并對(duì)準(zhǔn)。調(diào)整壓力機(jī)的壓力在所需的壓力范圍內(nèi)。

圖5　試驗(yàn)件擠壓強(qiáng)化試驗(yàn)圖

將擠壓芯棒前引導(dǎo)插入被擠孔中，且保證整個(gè)芯棒對(duì)正，以免偏斜發(fā)生危險(xiǎn)和對(duì)孔的形狀產(chǎn)生偏差。起動(dòng)壓力機(jī)，使活塞桿連續(xù)、緩慢、均勻地對(duì)芯棒施加一定力，保證芯棒勻速緩慢通過(guò)被擠孔，實(shí)現(xiàn)表面材料由彈性到塑性的變形轉(zhuǎn)變。

經(jīng)對(duì)試驗(yàn)件上6個(gè)小孔進(jìn)行擠壓，并進(jìn)行了擠后小孔檢測(cè)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和表面質(zhì)量檢查，結(jié)果表明，孔表面光滑完整，零件尺寸在產(chǎn)品公差范圍內(nèi)，擠壓后零件孔直徑有一定的擴(kuò)大，這是因?yàn)榭妆砻嬖跀D壓過(guò)程中發(fā)生了塑性變形，擠壓后塑變量在直徑方向約為0.03～0.05 mm，效果明顯。

3　殘余應(yīng)力測(cè)試及結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)件準(zhǔn)備

殘余應(yīng)力測(cè)試在X射線衍射儀上進(jìn)行，由于探測(cè)頭較大，無(wú)法對(duì)孔壁直接進(jìn)行測(cè)試，因此需對(duì)試驗(yàn)件的孔進(jìn)行切割。基于上述原因，對(duì)該直徑孔的應(yīng)力測(cè)試只能在擠壓和未擠壓2類型孔上分別進(jìn)行切割測(cè)試(見圖6)。

圖6　試驗(yàn)件切割圖

3.2測(cè)量結(jié)果分析

經(jīng)測(cè)量，未擠壓孔壁殘余平均壓應(yīng)力為782 MPa，擠壓后孔平均壓應(yīng)力為1 167 MPa，平均壓應(yīng)力值為擠壓前的1.5倍。對(duì)于厚度為4 mm的試驗(yàn)件，擠壓后殘余壓應(yīng)力有明顯的提高(見圖7)，大大提高了產(chǎn)品上小孔的疲勞壽命，該擠壓工藝可以用于產(chǎn)品孔的擠壓強(qiáng)化。

圖7　壓應(yīng)力對(duì)比圖

4　完成零件的擠壓強(qiáng)化

將零件上φ5.1 mm孔進(jìn)行鉆孔→擴(kuò)孔→鉸孔至擠壓前孔徑尺寸，由于超高強(qiáng)度鋼材料強(qiáng)度值較高，零件熱前完成初孔加工，熱后完成擴(kuò)孔→鉸孔加工。

按照上述試驗(yàn)件擠壓過(guò)程及要求，成功完成對(duì)零件上2個(gè)φ5.1 mm小孔內(nèi)表面的擠壓強(qiáng)化，工藝方法可靠，擠壓過(guò)程平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)某零件φ5.1 mm小孔芯棒擠壓強(qiáng)化工藝的實(shí)施，掌握了超高強(qiáng)度鋼零件小孔芯棒擠壓強(qiáng)化的工藝方法，滿足了產(chǎn)品的擠壓強(qiáng)化技術(shù)要求；同時(shí)拓展了小孔擠壓強(qiáng)化工藝應(yīng)用范圍，為新產(chǎn)品加工奠定了基礎(chǔ)。

[1] 王亮，汝繼剛，李惠曲，等. 孔擠壓強(qiáng)化工藝對(duì)7A12鋁合金組織及疲勞性能影響的研究[J].新技術(shù)新工藝，2014(11):14-17.

[2] 張洪雙，段曉飛. 孔擠壓強(qiáng)化和工藝參數(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(11):111-113.

[3] 陳明，傅仕偉，王珉.帶切縫襯套冷擠壓強(qiáng)化工藝研究[J].新技術(shù)新工藝，1997(6):27-28.

責(zé)任編輯鄭練

Study on the Technology of Small Hole Extrusion Strengthening for a Super High Strength Steel

ZHU Weihong, YU Zengxue

(AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Corporation Liaoyuan Division, Hanzhong 723200, China)

The landing gear and the plane have the same life is a common requirement of modern high life of the aircraft. For landing gear main bearing parts, in addition to the optimization design and material application of 300M, A100 ultra high strength steel and titanium alloy high strength and high toughness material, and adopt the advanced surface strengthening technology and advanced process. The small hole extrusion technology is through the hole around the application of a certain residual stress, so as to significantly improve the fatigue life of the parts with holes. Based on the research of ultra high strength steel thin-walled parts holes in surface extrusion strengthening technology, propose methods of ultra high strength steel of steel of keyhole wall extrusion process for strengthening, find reasonable extrusion parameters, and apply to the processing of products.

ultra high strength steel parts, small hole, extrusion strengthening, fatigue life

TG 376.3

A

祝衛(wèi)紅(1964-)，女，工程師，主要從事飛機(jī)起落架機(jī)械加工工藝及技術(shù)管理等方面的研究。

2016-03-30