超高強(qiáng)度鋼孔壁冷擠壓技術(shù)研究

王建旗 張盛銳

中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，中國(guó)·陜西 西安 710089

1 引言

近年來(lái)隨著中國(guó)飛機(jī)新型號(hào)研制任務(wù)的增加，對(duì)一些特殊功能部位，局部疲勞性能要求越來(lái)越高，開始在關(guān)鍵對(duì)接部位使用超高強(qiáng)度鋼，該材料屈服強(qiáng)度大于700MPa的細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼，抗拉強(qiáng)度在1200MPa以上[1]，與普通結(jié)晶鋼相比，超高強(qiáng)度鋼具有相當(dāng)高的強(qiáng)度（Rm≥1500MPa）和一定的韌性，被廣泛用于航空航天領(lǐng)域[1,2]。該材料在航空制造業(yè)主要用于關(guān)鍵的飛機(jī)承力部件，某飛機(jī)研制中因23Co14Ni12Cr3MoE鋼（A-100鋼）具有良好的機(jī)械性能性能且能滿足高載荷高剛性區(qū)域的設(shè)計(jì)性能，被首次在部件對(duì)接區(qū)域作為結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行裝配，由于該材料硬度高、孔徑尺寸大、制孔工藝復(fù)雜等特性，中國(guó)對(duì)該材料開縫襯套冷擠壓參數(shù)尚未開展過(guò)系統(tǒng)系統(tǒng)應(yīng)用研究，為了滿足飛機(jī)研制需求，論文借鑒其他型號(hào)多種材料冷擠壓成功經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，制定了科學(xué)的試驗(yàn)方案并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，突破其他國(guó)家公司對(duì)超高強(qiáng)度鋼開縫襯套冷擠壓技術(shù)壁壘，形成自主的、成熟的超高強(qiáng)度鋼裝配制孔冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)體系。

2 冷擠壓技術(shù)簡(jiǎn)介

孔冷擠壓是強(qiáng)化技術(shù)的一種，是指在室溫下利用比被材料硬度高的擠壓工具，在孔壁和芯棒之間增加一個(gè)開縫的襯套，用芯棒擠壓襯套，通過(guò)襯套擠壓孔壁對(duì)孔壁、孔角、埋頭窩及孔周端面等表面施加壓力，使被擠壓部位表面層金屬發(fā)生塑性變形，在強(qiáng)化過(guò)程時(shí)在孔周圍產(chǎn)生了一定的彈塑性變形和引入了殘余壓應(yīng)力，導(dǎo)致位錯(cuò)組態(tài)發(fā)生了變化和密度增加，同時(shí)表面粗糙度也達(dá)到可改善。使用該工藝方法可以改善飛機(jī)結(jié)構(gòu)中孔的疲勞性能，顯著增強(qiáng)飛機(jī)疲勞壽命。因此，開展超高強(qiáng)度鋼裝配階段開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化工藝研究，已是型號(hào)大部件疲勞壽命研究的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一[3]。

冷擠壓示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 冷擠壓示意圖

在某飛機(jī)機(jī)翼對(duì)接處使用該材料，在飛機(jī)起落過(guò)程中，該部位承受較大的交變載荷，影響最嚴(yán)重的就是零件上承受交變載荷的螺栓連接孔，提高連接孔的疲勞抗力是有效防止飛機(jī)對(duì)接部位這種關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件失效的直接途徑[4]。

目前，中國(guó)已成熟應(yīng)用不超過(guò)1380MPa的材料的開縫襯套孔擠壓強(qiáng)化研究并形成相應(yīng)工藝規(guī)范，而某飛機(jī)采用的超高強(qiáng)度鋼的開縫襯套強(qiáng)化技術(shù)只有美國(guó)疲勞技術(shù)公司（FTI）進(jìn)行了系統(tǒng)研究并掌握，形成技術(shù)壟斷，中國(guó)對(duì)該材料的裝配階段的開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化工藝參數(shù)及應(yīng)用尚屬空白。

3 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)方案規(guī)劃

試驗(yàn)方案借鑒成熟機(jī)型的開縫襯套冷擠壓經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)超高強(qiáng)度鋼的冷擠壓參數(shù)未知問(wèn)題，開展終孔為Φ8mm～Φ18mm的一系列孔開縫襯套冷擠壓工藝試驗(yàn)，摸索并掌握超高強(qiáng)度鋼開縫襯套冷擠壓工藝參數(shù)，得出可用于某型架研制上孔擠壓強(qiáng)化的工藝流程和技術(shù)參數(shù)。

試驗(yàn)試板為雙真空冶煉的23Co14Ni12Cr3MoE鋼，其化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：0.23%C、14%Co、12%Ni、3.1%Cr、1.13%Mo、0.001%S、0.002%P，雜質(zhì)元素Mn、Al、Ti含量均小于0.05%，其余為Fe。材料熱處理制度為：機(jī)加前進(jìn)行正火（900℃×1h空冷）和高溫回火（680℃×8h空冷）處理；最終熱處理為淬火（885℃×1h油冷）＋冷處理（-73℃×1h空氣回溫）＋二次回火（482℃×2h空冷＋482℃×3h空冷）[5]。

23Co14Ni12Cr3MoE鋼的拉伸性能見(jiàn)表1。

表1 23Co14Ni12Cr3MoE鋼的拉伸性能

為了減少試驗(yàn)成本，針對(duì)每種孔徑設(shè)置6個(gè)不同初孔開展孔強(qiáng)化試驗(yàn)，摸索孔擠壓參數(shù)見(jiàn)表2。論文選取典型終孔φ11.99mm～12.02mm為介紹對(duì)象闡述試驗(yàn)過(guò)程。

表2 φ12孔冷擠壓試驗(yàn)參數(shù)

開縫襯套冷擠壓試板的形狀及尺寸如圖2所示，試板的厚度為8mm，為了得到最佳的冷前孔尺寸，針對(duì)性的選擇比終孔小0.8mm～0.2mm的孔徑作為冷擠壓前孔徑，并逐項(xiàng)進(jìn)行記錄。試驗(yàn)依據(jù)XPS12029文件選擇合適的開縫襯套冷擠壓工具，對(duì)不同的冷擠壓前孔徑進(jìn)行冷擠壓試驗(yàn)。

圖2 試板尺寸

3.2 試驗(yàn)強(qiáng)化方案

試驗(yàn)流程如圖3所示，開縫襯套冷擠壓工藝過(guò)程如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)流程圖

圖4 開縫襯套冷擠壓工藝過(guò)程示意圖

4 結(jié)果分析

試驗(yàn)后對(duì)不同參數(shù)的冷擠壓過(guò)程進(jìn)行技術(shù)分析，計(jì)算出塑變量并對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，選擇最佳的冷擠壓應(yīng)用參數(shù)。

冷擠壓后孔壁上存在微小的凸痕外形（試驗(yàn)表明超高強(qiáng)度鋼凸痕明顯小于鋁合金凸痕），如圖5所示。因凸痕根部容易產(chǎn)生微裂紋，可能還存在參與拉應(yīng)力，這對(duì)孔強(qiáng)化極為不利，在后續(xù)的鉸孔工序中需把這個(gè)凸痕鉸掉[6]。

圖5 凸脊示意圖

采用X光衍射法檢測(cè)孔的強(qiáng)化效果，圖6是開縫襯套冷擠壓后峰殘余應(yīng)力分布圖，從圖6所知，當(dāng)單邊切削量達(dá)到0.18D時(shí)，峰力值接近材料的壓縮屈服強(qiáng)度，而殘余拉應(yīng)力因擠壓后表層材料在殘余壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生反向屈服，所以殘余壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)在孔壁次表層，孔的強(qiáng)化效果達(dá)到最優(yōu)。

圖6 X光衍射法檢測(cè)孔冷擠壓后孔徑向/周向殘余應(yīng)力分布圖

仍以典型孔徑φ12mm初孔冷擠壓后的試板進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化使樣板在孔周圍產(chǎn)生了一定的殘余壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備見(jiàn)圖7，殘余應(yīng)力值見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)應(yīng)力檢測(cè)分析得出該孔徑最佳冷前孔徑為φ11.466mm，冷擠壓后孔徑為φ11.62mm。不同初孔孔徑應(yīng)力分布見(jiàn)圖8。

圖7 應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備

表3 應(yīng)力檢測(cè)值/MPa

圖8 不同初孔孔徑應(yīng)力分布

試驗(yàn)后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析得出最佳冷擠壓參數(shù)結(jié)果如表4所示。

表4 不同孔徑最優(yōu)冷擠壓前后參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

論文通過(guò)對(duì)A-100鋼的試驗(yàn)方案規(guī)劃、試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

①開縫襯套冷擠壓在距孔邊大約一個(gè)孔徑的范圍內(nèi)形成殘余應(yīng)力，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在距孔邊1/6D處。

②開縫襯套冷擠壓后孔的切削量為0.015D～0.020D時(shí)表面形成的殘余應(yīng)力最大，材料的綜合疲勞性能較佳。

由于中國(guó)超高強(qiáng)度鋼冷擠壓技術(shù)尚處在初始研究階段的現(xiàn)狀，其擠壓強(qiáng)化機(jī)理、強(qiáng)化效果以及工藝參數(shù)的優(yōu)化等還需要大量深入研究，論文通過(guò)對(duì)超高強(qiáng)度鋼裝配制孔冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)試驗(yàn)研究，建立了超高強(qiáng)度鋼的冷擠壓強(qiáng)化工藝應(yīng)用參數(shù)規(guī)范，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)為型號(hào)工藝規(guī)范XPS16018《超高強(qiáng)度鋼孔的冷擠壓》和工藝操作規(guī)程XYD1225《A-100鋼制孔典型工藝規(guī)程》，形成自主的成熟超高強(qiáng)度鋼裝配制孔冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)體系，對(duì)后續(xù)新材料孔壁冷擠壓強(qiáng)化試驗(yàn)提供借鑒。