螺栓圓角滾壓強(qiáng)化工藝方法

夏春和

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽 110850）

引言

近些年，隨著飛機(jī)行業(yè)的高速發(fā)展，飛機(jī)性能和使用壽命指標(biāo)也不斷提升。緊固螺栓作為飛機(jī)上使用量較大的零件，對其性能也提出了更高的要求，尤其是抗疲勞性能，不僅要求螺栓外螺紋熱處理后滾壓成型，而且要求螺栓的應(yīng)力集中區(qū)也進(jìn)行滾壓強(qiáng)化。對于緊固螺栓來說，螺栓頭部過渡圓角屬于應(yīng)力集中區(qū)（見圖1），長時(shí)間在交變應(yīng)力作用下螺栓最容易從該區(qū)域產(chǎn)生裂紋缺陷。螺栓圓角滾壓強(qiáng)化可以延緩應(yīng)力集中區(qū)域裂紋的產(chǎn)生，降低應(yīng)力集中區(qū)域?qū)ζ谛阅艿挠绊?，使螺栓使用壽命大幅提升?/p>

圖1 螺栓應(yīng)力集中區(qū)示意圖

1 圓角滾壓強(qiáng)化定義和機(jī)理

圓角滾壓強(qiáng)化是在一定的壓力下用滾輪對被加工零件過渡圓角進(jìn)行滾壓或擠壓，使其發(fā)生塑性變形，形成強(qiáng)化的一種工藝方法[1]。圓角滾壓強(qiáng)化可以較大幅度地改善螺栓過渡圓角部位的抗疲勞、抗應(yīng)力腐蝕能力[2]。圓角滾壓強(qiáng)化作用如下：

1.1 產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力

滾輪在滾壓力的作用下，使圓角表層產(chǎn)生塑性變形，并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。螺栓在使用過程中主要承受拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力可以部分抵消或全部消除拉應(yīng)力的影響，從而提高疲勞強(qiáng)度。

1.2 硬度提高

滾壓可以使金屬組織壓實(shí)，在圓角處形成高硬度的致密層。這個(gè)致密層可以使螺栓的機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度得到提高。

1.3 表面粗糙度值降低

滾壓對螺栓過渡圓角有一個(gè)光整壓光作用，可使圓角表面粗糙度提升1～2級，粗糙度值Ra達(dá)到0.8 μm以下，減小了圓角處的應(yīng)力集中，提高了疲勞強(qiáng)度。

2 圓角滾壓強(qiáng)化方式及工裝結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在使用較廣泛的圓角滾壓強(qiáng)化方式是單滾輪滾壓強(qiáng)化，即在普通車床上通過一個(gè)滾輪施加壓力對水平放置的零件進(jìn)行強(qiáng)化。單滾輪滾壓強(qiáng)化示意圖如圖2所示。

圖2 單滾輪滾壓強(qiáng)化示意圖

單滾輪滾壓強(qiáng)化使用的滾輪應(yīng)具有一定的硬度和耐磨型，一般選用高速鋼材料。滾輪安裝在滾壓工裝——滾壓架上，應(yīng)可以自由、靈活地旋轉(zhuǎn)。滾壓架帶動滾輪對螺栓過渡圓角施加壓力，壓力可以通過滾壓架中彈簧的變形程度進(jìn)行控制。壓力大小可以通過滾壓架上的壓力刻度標(biāo)記進(jìn)行估讀，也可以通過與彈簧連接的傳感器進(jìn)行直接讀取。滾壓架結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3 滾輪圓角半徑選擇原則

選擇滾輪圓角半徑大小是圓角滾壓強(qiáng)化操作前的關(guān)鍵一步，滾輪圓角半徑大小選擇是否合適直接決定螺栓過渡圓角滾壓強(qiáng)化效果的好壞。

圖3 滾壓架結(jié)構(gòu)圖

滾輪圓角半徑r應(yīng)小于螺栓過渡圓角半徑R，即r＜R。如果滾輪圓角半徑r大于螺栓過渡圓角半徑R，即r＞R（見圖4），則滾壓時(shí)會出現(xiàn)滾輪只有兩點(diǎn)與螺栓臺肩、光桿外表面接觸，過渡圓角區(qū)域未接觸，圓角45°方向上需要強(qiáng)化的區(qū)域基本未滾壓上，滾壓效果不好；由于滾輪與螺栓臺肩、光桿外表面是點(diǎn)接觸，施加滾壓力后過渡圓角會從單R變成雙R的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不符合標(biāo)準(zhǔn)中過渡圓角的外形尺寸要求；滾壓時(shí)滾輪只有兩點(diǎn)接觸，滾壓力完全作用在滾輪這兩個(gè)接觸部位，長時(shí)間使用會加速滾輪的局部磨損，導(dǎo)致滾輪圓角不圓甚至損壞，影響滾輪壽命。一般來說，滾輪圓角半徑應(yīng)比螺栓過渡圓角半徑小0.10 mm，滾輪圓角與螺栓過渡圓角接觸面積較大，滾壓可以達(dá)到較理想的效果。

螺栓過渡圓角一般磨削成型，過渡圓角R公差加嚴(yán)控制，控制在±0.10 mm內(nèi)，即R±0.1。為了滿足“滾輪圓角半徑比螺栓過渡圓角半徑小0.10 mm”要求，可以一次性成組制造多個(gè)公差的滾輪，方便滾壓強(qiáng)化時(shí)挑選。滾輪圓角半徑可制成三個(gè)公差。也可以根據(jù)螺栓過渡圓角公差范圍相應(yīng)調(diào)整滾輪圓角的公差。

圖4 r＞R時(shí)滾輪與螺栓接觸情況

4 圓角滾壓強(qiáng)化控制參數(shù)

圓角滾壓強(qiáng)化屬于一種特殊過程。滾壓強(qiáng)化完畢后，破壞試驗(yàn)外滾壓強(qiáng)化的效果無法直接、直觀地檢測出來，必須依靠滾壓強(qiáng)化工藝參數(shù)、強(qiáng)化區(qū)域的變形量及外觀質(zhì)量等控制。

4.1 圓角滾壓強(qiáng)化工藝參數(shù)

圓角滾壓強(qiáng)化工藝參數(shù)主要分為滾壓力和滾壓時(shí)間[3]。工藝參數(shù)根據(jù)不同的材料強(qiáng)度、螺栓直徑及過渡圓角會有所不同，參數(shù)大小可由疲勞試驗(yàn)確定。工藝參數(shù)確定后，制造過程應(yīng)按要求嚴(yán)格控制。某材料圓角滾壓強(qiáng)化工藝參數(shù)見表1。

4.2 圓角滾壓強(qiáng)化變形量

螺栓過渡圓角進(jìn)行滾壓會在臨近部位造成凸起變形，所產(chǎn)生的凸起變形過大，會影響螺栓的裝配使用。另外，凸起變形量也成為是否嚴(yán)格控制滾壓強(qiáng)化工藝參數(shù)的間接檢測指標(biāo)。變形量應(yīng)使用光學(xué)投影儀檢驗(yàn)。圓角滾壓強(qiáng)化所允許變形量示意圖如圖5所示。所允許的變形量值參見表2。

表1 某材料圓角滾壓強(qiáng)化工藝參數(shù)

圖5 圓角滾壓強(qiáng)化所允許變形量示意圖

表2 所允許的變形量 mm

4.3 圓角滾壓強(qiáng)化外觀質(zhì)量

螺栓過渡圓角滾壓強(qiáng)化外觀質(zhì)量也是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。滾壓強(qiáng)化后，圓角尺寸、表面粗糙度應(yīng)符合相應(yīng)圖紙要求；滾壓表面應(yīng)呈光滑壓光形貌。滾壓后壓光形貌如圖6所示。目視檢查圓角和所有承載表面，應(yīng)無發(fā)裂或夾雜的痕跡。對于是否為裂紋存在爭議時(shí)，可以采用磁粉探傷方法確認(rèn)。

圖6 滾壓后壓光形貌

5 圓角滾壓強(qiáng)化操作流程

在普通車床上單滾輪滾壓強(qiáng)化圓角，滾輪存在不能自動定心找正的缺點(diǎn)，容易造成需要滾壓強(qiáng)化的區(qū)域沒有強(qiáng)化到位或強(qiáng)化的區(qū)域較小未達(dá)到規(guī)定要求，螺栓過渡圓角出現(xiàn)起皮、雙眼皮等問題。為了降低單滾輪滾壓強(qiáng)化圓角方法缺陷的影響、提升滾壓強(qiáng)化圓角的效果，在螺栓過渡圓角滾壓強(qiáng)化操作流程上作了相應(yīng)的要求。滾壓強(qiáng)化的操作說明見下頁表3。

6 結(jié)語

圓角滾壓強(qiáng)化是一種提高螺栓抗疲勞性能的工藝方法，滾壓強(qiáng)化過程中將滾輪圓角半徑選擇原則、滾壓強(qiáng)化控制參數(shù)、滾壓強(qiáng)化操作流程等因素進(jìn)行合理的運(yùn)用，可以有效地提升滾壓強(qiáng)化效果。

表3 滾壓強(qiáng)化的操作流程說明