制造工藝對(duì)飛機(jī)鋁鋰合金結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞性能影響研究

蔡玲

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

鋁鋰合金材料是目前航空航天材料中發(fā)展最為迅速的先進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)材料，具有低密度、較高彈性模量，較高強(qiáng)度、較好抗腐蝕性和抗疲勞性能等諸多優(yōu)點(diǎn)。相較于常規(guī)鋁合金，可使結(jié)構(gòu)重量降低10% ～ 20%，剛度提高15% ～ 20%，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，在民用飛機(jī)上中常見制品形式包括板材、型材、鍛件等。板材大多用于蒙皮、腹板，型材應(yīng)用于滑軌、立柱、長桁等，鍛件主要應(yīng)用于翼肋等。

目前，國際國內(nèi)對(duì)于鋁鋰合金與普通鋁合金的性能差異進(jìn)行了大量研究，對(duì)鋁鋰合金材料性能發(fā)展及在航空領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜合評(píng)述[1-3]；通過試驗(yàn)研究鋁鋰合金的疲勞，研究了鋁鋰合金的疲勞裂紋長度、裂紋萌生、低溫疲勞等，分析熱處理工藝、微觀結(jié)構(gòu)、合金成分等對(duì)鋁鋰合金疲勞性能的影響[4-11]。

材料級(jí)的研究固然重要，但是，在鋁鋰合金大范圍廣泛應(yīng)用于民用飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)之前，必須研究其加工性能以及不同的加工工藝及參數(shù)對(duì)于性能的影響。目前，制造工藝對(duì)鋁鋰合金性能影響的研究資料相對(duì)匱乏，我們將通過不同試驗(yàn)研究制造工藝（比如銑圓轉(zhuǎn)速和倒角，開孔工藝及鉚接工藝等等）對(duì)于鋁鋰合金結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞的影響。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)方法

基于國產(chǎn)某民用飛機(jī)型號(hào)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，鋁鋰合金2000 系列因其優(yōu)異的靜強(qiáng)度及疲損性能，主要被用于機(jī)身蒙皮，涉及制孔、鉚接等為常見制造工藝，為了實(shí)現(xiàn)更高的結(jié)構(gòu)效率和更低的結(jié)構(gòu)重量，需要挖掘常見制造工藝的關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)工藝窗口，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，本文對(duì)鋁鋰合金2000 系列（板材，6 mm）試驗(yàn)件進(jìn)行銑圓轉(zhuǎn)速、倒角和鉚接干涉量研究，研究它們對(duì)細(xì)節(jié)疲勞性能DFR 的影響，平衡細(xì)節(jié)疲勞和經(jīng)濟(jì)效率，選擇最優(yōu)的工藝窗口，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參照。

DFR 值試驗(yàn)參照ASTM E466 標(biāo)準(zhǔn)[12]進(jìn)行。

DFR[13]計(jì)算式為

式中：S為平均應(yīng)力等于常數(shù)的雙對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線斜度參數(shù)，對(duì)于鋁鋰合金取2；σm0為應(yīng)力幅值為零時(shí)的破壞應(yīng)力，對(duì)于鋁鋰合金，310 MPa；σmax為應(yīng)力最大值，MPa；N為置信度和可靠度為95%的疲勞壽命，cycle。根據(jù)試驗(yàn)疲勞壽命計(jì)算置信度和可靠度為95%的疲勞壽命。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)件形式如圖1～圖5 所示，試驗(yàn)件的主要加工要求和加工參數(shù)如表1 所示。試驗(yàn)環(huán)境為室溫（25 ℃±10 ℃）空氣環(huán)境，加載波形為正弦波，應(yīng)力比R=0.06、加載頻率10～20 Hz。試驗(yàn)結(jié)束判據(jù)為試驗(yàn)件斷裂或壽命達(dá)到106次循環(huán)。采用單點(diǎn)法[14]獲得DFR 值。

表1 試驗(yàn)件加工要求和主要參數(shù)Tab.1 Different processing requirements and processing parameters of samples

圖1 U 型缺口試驗(yàn)件Fig.1 U-notch experimental sample

1）研究不同銑圓轉(zhuǎn)速U 型缺口細(xì)節(jié)疲勞性能DFR（DFR 為當(dāng)應(yīng)力比為0.06 時(shí)，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)壽命具有95%置信度和95%可靠度，能夠達(dá)到105次循環(huán)壽命的最大應(yīng)力（MPa，下同）的影響，如圖1 所示。

2）研究鉆孔、鉆孔 + 絞孔、鉆孔 + 鉸孔 + 孔邊倒角等不同開孔工藝和不同進(jìn)給量（殘余應(yīng)力）對(duì)開孔細(xì)節(jié)疲勞性能DFR 的影響，如圖2～圖4 所示。

圖2 鉆孔試驗(yàn)件Fig.2 Drilling opening experimental sample

圖3 鉆孔 + 鉸孔試驗(yàn)件Fig.3 Dilling + reaming opening experimental sample

圖4 鉆孔 + 鉸孔 + 倒角試驗(yàn)件Fig.4 Drilling + reaming + chamfer opening experimental sample

3）研究不同的鐓頭高度和直徑對(duì)鉚釘連接細(xì)節(jié)疲勞性能DFR 的影響，如圖5 所示。

圖5 鉚接試驗(yàn)件Fig.5 Riveting experimental sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同銑圓轉(zhuǎn)速對(duì)疲勞試驗(yàn)件DFR 性能影響

常用的銑圓轉(zhuǎn)速為1 000～3 000 r/min，為獲得效率和疲勞性能的均衡，需研究不同的銑圓轉(zhuǎn)速與DFR 性能的關(guān)系。

按1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min 分別加工3 組U 型缺口試驗(yàn)件，采用的進(jìn)給量保持為40 mm/min，采用?2.5 mm 銑刀。每組8～12 個(gè)試驗(yàn)件，試驗(yàn)結(jié)果如表2 和圖6 所示，DFR 值呈現(xiàn)先上升再下降趨勢，其中1 000 r/min 和3 000 r/min 兩組較為接近，銑圓轉(zhuǎn)速2 000 r/min 的試驗(yàn)件組DFR 值最大，比1 000 r/min 的試驗(yàn)件組DFR 值高 11.6%。

表2 不同銑圓轉(zhuǎn)速加工的U 型缺口試驗(yàn)件結(jié)果Tab.2 U-notch samples processed at different milling speeds

圖6 不同銑圓轉(zhuǎn)速加工的U 型缺口試驗(yàn)件DFR 值Fig.6 Effects of different milling speeds on U-notch details

通過對(duì)試驗(yàn)件表面的金相分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，可以得到:

1）當(dāng)銑圓轉(zhuǎn)速在1 000 ～ 2 000 r/min 區(qū)間內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，試驗(yàn)件表面獲得較好的殘余應(yīng)力狀態(tài)，試驗(yàn)件的細(xì)節(jié)疲勞DFR 得到了明顯提高。

2）當(dāng)銑圓轉(zhuǎn)速在2 000 ～ 3 000 r/min 區(qū)間內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，機(jī)加過程中積屑瘤的高度增加，材料強(qiáng)度提高、塑性降低,使得主變形區(qū)材料易于發(fā)生熱塑性剪切失穩(wěn)和斷裂失效而使切屑鋸齒化，導(dǎo)致試驗(yàn)件表面粗糙度增大，從而導(dǎo)致細(xì)節(jié)疲勞DFR 降低。

3）權(quán)衡加工經(jīng)濟(jì)性（銑圓轉(zhuǎn)速越大，加工效率越高）和DFR 性能，銑圓速度為2 000 r/min 時(shí)最優(yōu)，能夠保證DFR 性能最優(yōu)的同時(shí)能兼顧良好的加工經(jīng)濟(jì)性。

2.2 制孔工藝對(duì)疲勞試驗(yàn)件DFR 性能影響

基于某型號(hào)的研發(fā)試驗(yàn)的結(jié)果，制孔工藝對(duì)DFR 性能的影響較大，關(guān)鍵工藝參數(shù)主要是鉆孔進(jìn)給量、是否鉸孔和是否倒角。

2.2.1 鉆孔、鉆孔 + 鉸孔、鉆孔 + 鉸孔 + 倒角

選擇同樣的進(jìn)給量（20 mm/min），設(shè)計(jì)鉆孔、鉆孔 + 鉸孔、鉆孔 + 鉸孔 + 倒角3 個(gè)對(duì)比試驗(yàn)組進(jìn)行研究，每組11 ～ 13 個(gè)試驗(yàn)件，試驗(yàn)結(jié)果見表3 和如圖7所示。

表3 不同制孔工藝的開孔試驗(yàn)件結(jié)果Tab.3 Results on opening samples with different drilling technologies

疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示，鉆孔 + 鉸孔 + 倒角0.3 mm的試驗(yàn)件組，DFR 值最大；鉆孔，以及鉆孔 + 鉸孔這兩種工藝加工得到的開孔試驗(yàn)件，DFR 值較為接近。鉆孔 + 鉸孔 + 倒角0.3 mm 的制孔工藝的疲勞性能明顯優(yōu)于僅鉆孔和鉆孔 + 鉸孔工藝?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于開孔試驗(yàn)件，孔邊是否倒角對(duì)疲勞壽命影響比較明顯。

進(jìn)一步觀察宏觀斷口可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔、鉆孔 +鉸孔工藝的試驗(yàn)件的疲勞裂紋源為角裂紋，起源于孔的銳邊位置；鉆孔 + 鉸孔 + 倒角0.3 mm 的試驗(yàn)件的疲勞裂紋源為表面裂紋，位于近角處，起源于孔的內(nèi)壁，如圖8 所示。

圖8 不同制孔工藝試驗(yàn)組典型宏觀斷口照片F(xiàn)ig.8 Typical macro fracture photos of test groups with different drilling technologies

鉆孔工藝易在孔邊銳邊處形成微觀缺陷，易在尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中并成為疲勞裂紋源，銳邊處應(yīng)力較大，從而導(dǎo)致裂紋易于萌生，而孔邊倒角可以有效減輕應(yīng)力集中現(xiàn)象，消除此隱患，從而增加疲勞壽命，提高細(xì)節(jié)疲勞DFR。

2.2.2 鉸孔進(jìn)給量

按不同的鉸孔進(jìn)給量開展對(duì)比試驗(yàn)，采用鉆孔 +鉸孔 + 倒角0.3 mm 的制孔工藝，按10、20、20 和50 mm/min 進(jìn)給量生產(chǎn)4 組對(duì)照試驗(yàn)件，每組9 ～13 個(gè)試驗(yàn)件，試驗(yàn)結(jié)果如表4 和圖9 所示。

表4 不同鉸孔進(jìn)給量下的開孔試驗(yàn)件結(jié)果Tab.4 Results on opening samples at different feed rates

圖9 不同鉸孔進(jìn)給量下的開孔試驗(yàn)件 DFR 值Fig.9 DFR values for opening samples at different feed rates

不同進(jìn)給量加工得到的開孔試驗(yàn)件DFR 值均較為接近，最大值與最小值之間差值小于5%，可認(rèn)為該差異主要源于疲勞試驗(yàn)的分散性。因此，在一定范圍內(nèi)，鉸孔進(jìn)給量在10 ～ 50 mm/min 范圍內(nèi)，對(duì)開孔試驗(yàn)件疲勞壽命和DFR 值無明顯影響。

2.3 鉚接工藝

基于某型號(hào)的研發(fā)試驗(yàn)的結(jié)果，鉚接工藝對(duì)于結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的疲勞性能影響最大，最關(guān)鍵的是鉚釘與被連接件的干涉量。本文對(duì)鋁鋰合金2000 系列進(jìn)行研究，通過控制墩頭高度或者墩頭直徑實(shí)現(xiàn)干涉量的控制。

鉚接試驗(yàn)件加工過程中采用了兩種控制方法，一種是控制鐓頭直徑，另一種是控制鐓頭高度。試驗(yàn)結(jié)果如表5 和表6，圖10 和圖11 所示。每組12 ～ 15件試驗(yàn)件。

表5 不同鐓頭直徑的鉚接試驗(yàn)件結(jié)果Tab.5 Results on riveting samples at different diameters of upset heads

表6 不同鐓頭高度的鉚接試驗(yàn)件結(jié)果Tab.6 Results on riveting samples at different heights of upset heads

圖10 不同鐓頭直徑的鉚接試驗(yàn)件DFR 值Fig.10 Effects of different diameters

圖11 不同鐓頭高度的鉚接試驗(yàn)件DFR 值Fig.11 DFR values at different heights of upset heads

隨著鉚接件鐓頭直徑的減小，即鉚接干涉量的減小，DFR 值不斷減小。隨著鉚接件鐓頭高度的增加，即鉚接干涉量的減小，DFR 值不斷減小。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]的研究，對(duì)航空用鋁合金進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，控制墩頭高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉量的控制。隨著干涉量增加，干涉應(yīng)力不斷增大，疲勞壽命呈遞增趨勢，但是隨著干涉量繼續(xù)增加，此時(shí)的干涉應(yīng)力會(huì)過大，會(huì)造成孔邊裂紋增長，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件疲勞壽命降低。甚至觀察鉚接試驗(yàn)件的斷裂位置可以發(fā)現(xiàn)，干涉量級(jí)較小時(shí)，即鐓頭直徑較小/鐓頭高度較大時(shí)，鉚接試驗(yàn)件在鉚接處斷裂的機(jī)率較大；隨著干涉量級(jí)不斷增加，即鐓頭直徑不斷增大/鐓頭高度不斷減小，鉚接試驗(yàn)件在非鉚接處斷裂的機(jī)率增加。在鉚接處斷裂的鉚接試驗(yàn)件和在非鉚接處斷裂的鉚接試驗(yàn)件的典型宏觀斷口照片如圖12 所示。在鉚接處斷裂的試驗(yàn)件，裂紋萌生于鉚釘與被鉚接件孔邊結(jié)合處；而在非鉚接處斷裂的鉚接試驗(yàn)件，裂紋萌生于鉚接試片的側(cè)面，靠近正方形墊片的邊緣處。

圖12 鉚接件不同斷裂位置的典型宏觀斷口照片F(xiàn)ig.12 Typical macro fracture photos of riveting pieces at different fault positions

綜上說明，干涉配合鉚接在孔壁引入殘余壓應(yīng)力，對(duì)孔連接具有一定的強(qiáng)化作用，通過增加干涉量可使連接達(dá)到與整體材料相當(dāng)?shù)钠趬勖辉偈倾T接件中最薄弱“環(huán)節(jié)”。所以，在保證鉚接處斷裂失效的前提下，墩頭直徑越大或鐓頭高度越小在一定范圍內(nèi)細(xì)節(jié)疲勞性能越好。

3 結(jié)論

1）對(duì)于銑圓轉(zhuǎn)速，需要在銑切效率和疲勞性能上找到平衡點(diǎn)，對(duì)于不同的鋁鋰合金，可能對(duì)應(yīng)不同的最優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于2000 系列鋁鋰合金，推薦在2 000 r/min。

2）對(duì)于鉸孔進(jìn)給量，在10 ～ 50 mm/min 范圍內(nèi)，鉸孔進(jìn)給量對(duì)開孔試驗(yàn)件疲勞壽命和DFR 值無明顯影響。

3）對(duì)于干涉配合鉚接，干涉配合鉚接在孔壁引入周向張力，相當(dāng)于孔邊冷作硬化，對(duì)連接細(xì)節(jié)疲勞性能具有一定的強(qiáng)化作用，通過增加干涉量可使連接達(dá)到與整體材料相當(dāng)?shù)钠趬勖?，不再是鉚接件中最薄弱“環(huán)節(jié)”。需關(guān)注常用鋁合金與鋁鋰合金的差異。

由此可見，在飛機(jī)生產(chǎn)過程中，采用精準(zhǔn)的工藝控制技術(shù)和嚴(yán)格的檢測檢驗(yàn)技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)性允許的范圍內(nèi)，對(duì)鋁鋰合金的生產(chǎn)過程進(jìn)行更為精確的控制，可以確保飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞性能達(dá)到最優(yōu)，從而提升飛機(jī)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和競爭力。