鉆、鉸工藝對鋁合金緊固孔件疲勞壽命的影響

章 艷，張興權，段仕偉，周 煜，黃志來

（安徽工業大學機械工程學院，馬鞍山 243032）

0 引 言

結構件上的孔是其裝配必不可少的重要組成部分。孔的機械加工方式通常有鉆、擴、鏜、拉、鉸、磨等。由于鉆孔和鉸孔工藝簡單、操作方便、效率高，因而在機械加工中得到較為廣泛的應用。零件上的材料被去除形成孔以后，其橫截面強度減弱，且由于形狀的變化，容易引起應力集中，在交變載荷的作用下，極易產生疲勞裂紋，使零件發生疲勞破壞，影響零件的使用性能。據文獻［1］報道，80%的機械零件在使用過程中都受循環疲勞載荷的作用。鋁合金零件由于密度小，具有一定的強度和較好的抗疲勞性能和耐腐蝕性能，因而在航空、交通等領域得到廣泛的應用，且多用于含有孔的零件。因此有必要研究鉆、鉸工藝對鋁合金緊固孔件（有緊固孔的零件）疲勞壽命的影響。從現有的文獻［2－5］資料來看，鉸孔零件的優點是尺寸精度高、表面粗糙度低；而鉆孔具有生產效率高、應用廣泛等優點，然而目前對于用這兩種工藝加工孔后，孔壁表層的殘余應力分布以及對緊固孔件疲勞壽命的影響等問題還鮮有提及。

為此，作者以航空器件上常用LY12CZ鋁合金板材為研究對象，研究鉆削、鉸削兩種工藝加工后緊固孔孔壁的表面形貌、粗糙度和切向殘余應力，并進行了拉伸疲勞試驗，對試樣斷口的形貌進行了觀察，研究其對疲勞壽命的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為LY12CZ鋁合金板材，其化學成分（質量分數/%）為1.54Mg，0.58Mn，4.61Cu，0.29Fe，0.26Si，0.1Zn，0.024Ni，余 Al；其屈服強度為275MPa，抗拉強度為415MPa，斷后伸長率為13%，彈性模量為68.9GPa，材料經過常規固溶＋自然時效處理。

鉆削加工的刀具為W18Cr4V高速鋼麻花鉆，直徑分別為3.8，4mm。鉆頭參數：螺旋角ω＝27°，鋒角κr＝118°，后角αo＝16°，橫刃斜角ψ＝40°，刃帶寬度b＝0.1mm。鉸削加工的刀具為整體式硬質合金K10的直齒鉸刀，其直徑為4mm，齒數Z＝4，前角γo＝0°，后角αo＝12°，主偏角κr＝1°，刃傾角λs＝15°，刃帶寬度b＝0.1mm［6］。

為了更好地比較兩種不同孔加工工藝對鋁合金緊固孔件疲勞壽命的影響，把試樣分成三組，第一組為未打孔試樣，第二組為鉆削試樣，第三組為先鉆，再鉸削的試樣。鉆、鉸加工都在Z516立式鉆床上進行。鉆孔時，采用φ4mm的鉆頭直接鉆削，鉆床主軸的轉速n＝1 000r·min－1，切削速度v＝15m·min－1，走刀量S＝0.1mm·r－1，鉆孔完成后，用砂紙手工去除孔口毛刺。鉸孔時，先用φ3.8mm鉆頭在試樣上加工出底孔，切削參數同上，再用φ4mm的鉸刀鉸削，主軸轉速n＝150r·min－1，切削速度v＝3m·min－1，走刀量S＝0.01mm·r－1，鉸孔完成后，用砂紙手工去除孔口毛刺。

1.2 試驗方法

將上述經鉆、鉸后的試樣和未打孔試樣在MTS-809型電液伺服疲勞試驗機上進行拉伸疲勞試驗，應力比R＝－1，施加7kN對稱拉壓循環載荷，加載精度為±0.5%，正弦波形，頻率f＝8Hz，試驗環境溫度為室溫，試樣在試驗機上循環加載直至斷裂。試驗中未打孔試樣和鉆削、鉸削試樣的數量都是2個。鉆、鉸孔疲勞試樣的尺寸如圖1所示。

圖1 帶孔的鋁合金疲勞試樣Fig.1 Fatigue specimen of aluminum alloy with a hole

將疲勞試樣斷口頭部完整切下，浸于酒精中用超聲波清洗，待自然干燥后，在JSM-7001F型掃描電子顯微鏡下進行斷口形貌觀察。用X-350A型X射線應力測定儀測孔壁表層的切向殘余應力，采用側傾固定ψ法，定相關法定峰方式；X射線管電壓20kV，管電流5mA，準直管直徑1.5mm；鉻靶Kα輻射，衍射晶面（211），2θ角掃描步距0.10°，計數時間0.5s，掃描的起始角和終止角為130°～142°。測切向的殘余應力時，采用4∶1的高氯酸和醋酸混合溶液逐層電解拋光，然后逐層進行應力測量。

2 試驗結果與討論

2.1 加工切削力和扭矩

在切削過程中，切削力直接影響切削熱、刀具磨損與使用壽命、加工精度和已加工表面質量，也是實際生產中計算切削功率和設計機床、夾具的必要依據。切削過程中，鉆頭和鉸刀的每個切削刃上都會產生切削分力，切削分力最后構成一個軸向力P和一個扭矩M。鉆、鉸削力和扭矩的經驗公式［7］為

式中：D為鉆頭直徑；S為走刀量；CP和CM為與鉆削材料有關的切削參數，分別為31.5，12.2；yP和yM為走刀量的指數，分別為0.8，0.8。

根據式（1），（2）計算得到鉆削力P＝200N，鉆削扭矩M＝309N·mm。由于鉸刀與麻花鉆、擴孔鉆等同在鉆床進行加工，鉸削加工余量小，則鉸削力P＝31.6N，鉸削扭矩M＝49N·mm。

由于鉆削過程中，麻花鉆的走刀量較大，而鉸削的走刀量非常小，故鉆削力比鉸削力大，導致鉆削時產生的熱量較多，它將直接影響刀具的磨損和使用壽命，最終影響孔壁的加工精度和表面質量。

2.2 孔壁表面形貌和粗糙度

工件的表面形貌是一種加工工藝質量的直觀反映。從圖2可見，鉆削試樣的孔壁表面較粗糙，有許多刀具留下的粗糙加工紋路；而鉸削試樣的孔壁表面非常光滑，說明鉸削能獲得較好的表面質量。

圖2 鉆、鉸工藝下加工面的表面形貌Fig.2 Surface morphology of the finished surface after drilling（a）and reaming（b）

由表1可知，鉆削孔的表面粗糙度（最大值為13.6μm，平均值為12.92μm）比鉸削孔的（最大值為1.81μm，平均值為1.57μm）大很多，說明鉸削的加工精度遠遠高于鉆削的。這是因為鉆削時的切削余量大、切削力大、切削熱多，且刀具的剛度差，易引起振動，使得孔壁表面粗糙度增大；同時，鉆孔時切屑沿著已加工面方向排出，使孔壁和后刀面之間摩擦嚴重，進一步加大了表面粗糙度。鉸削時，在已加工孔壁上切除一層薄薄的金屬層，鉸削的背吃刀量非常小，多刃切削，各個刀齒的鉸削力沿圓周均勻分布，鉸削平穩；并且在鉸孔過程中，鉸削所產生的切屑直接從前方排出不會使孔壁表面刮傷，更為重要的是鉸刀的后部有一段修光的圓柱，它能夠對已加工的孔壁進行徑向擠壓和修光，降低了孔壁表面的粗糙度。

表1 兩種工藝加工孔的表面粗糙度Tab.1 The surface roughness of holes machined by two processes μm

根據斷裂力學原理，表面粗糙度越大越易產生對疲勞源不利的局部應力集中，形成裂紋源，并能加快裂紋的擴展速度，從而降低零件的疲勞強度和使用壽命［8－10］。

2.3 孔壁切向殘余應力

由圖3可知，鉆削后孔壁表層分布著較為均勻的殘余拉應力，其值為165MPa；而鉸削后孔壁表層分布著殘余壓應力，其值為78MPa。且越靠近表面，殘余應力的幅值越大。在鉆削過程中，由于鉆頭和金屬材料的相互作用，產生了軸向力和沿速度方向的較大切削力，在這兩個力的共同作用下金屬切削層從母體上被切下來。鉆頭的倒錐在鉆孔過程中只參加切削，不擠壓孔壁金屬材料，因此在孔壁表層產生了拉應力。而在鉸削的過程中，材料的切削余量小，切削力小，切削熱少，隨后鉸刀的校準部分的刃帶擠壓孔壁材料，使孔壁表層材料發生塑性流動，而里層金屬發生彈性變形；刀具的作用力消失后，里層金屬彈性變形趨于回復，由于金屬材料內部是一個整體，彈性回復受到表層塑性變形層的牽制，從而在孔壁表層產生壓應力。鉸刀對金屬材料的擠壓作用誘導產生殘余壓應力的機理同冷擠壓［11］、滾壓工藝［12］和激光沖擊強化［13］一樣。實測的孔壁殘余應力結果與文獻［14］中提出的鉸削能在孔周產生殘余壓應力的結論一致。

圖3 鉆、鉸孔后孔表面的切向殘余應力分布Fig.3 Tangential residual stress distribution in the surface of holes after drilling and reaming

2.4 含孔試樣的疲勞壽命

由疲勞試驗得到，鉆孔試樣經46 767次循環作用后發生疲勞斷裂，而鉸孔試樣經84 967次循環后發生疲勞斷裂，比鉆孔試樣壽命增加了38 200次，因此其疲勞壽命是鉆孔試樣的1.81倍。但鉆、鉸孔試樣的疲勞壽命與未打孔試樣的124 800次相比，都明顯降低，說明兩種加工工藝都會明顯降低試樣的疲勞壽命。三組試樣同受軸向拉壓循環載荷作用，但鉆、鉸孔后，試樣幾何尺寸發生變化，導致孔口處應力集中，性能出現較大的下降。

加工件中疲勞裂紋一般起源于材料內部的缺陷、機械損傷、加工刀痕以及幾何形狀不連續的應力集中處。從圖4中可以看到，鉆、鉸孔試樣的疲勞裂紋起始于孔邊和孔內壁表面的相交處，這是由于鉆、鉸孔去除中心材料后，使得此處的變形不受約束，形成新的應力集中所致［15－16］。

圖4 鉆、鉸孔試樣疲勞斷裂后的形貌Fig.4 Morphology of fatigue fractured specimen after drilling or reaming

圖5 鉆、鉸孔試樣疲勞裂紋擴展區的SEM形貌Fig.5 SEMMorphology of fatigue crack propagation region of specimens after drilling（a）and reaming（b）

由于疲勞裂紋擴展區占斷口的區域最大，對零件的疲勞壽命影響最大，為了更好地表征鉆鉸工藝對裂紋擴展速率的影響，分別對距孔壁1mm處的疲勞裂紋擴展區形貌進行觀察，如圖5所示。對比發現，鉆孔試樣疲勞裂紋擴展區的疲勞條帶的間距較寬，條數少，說明裂紋擴展速率較快；而鉸孔試樣疲勞裂紋擴展區的疲勞條帶的間距相對較窄，條數多，裂紋擴展速率較慢［17］。這主要是由于鉸削后孔壁有較高的表面質量以及對疲勞壽命有益的殘余壓應力。孔壁的應力分布對于鋁合金緊固孔件的疲勞壽命有著深遠的影響，表層的拉應力狀態在交變載荷下會加速疲勞裂紋的萌生，并提高疲勞裂紋的擴展速率，而殘余壓應力有助于降低交變載荷引起的拉應力；同時殘余壓應力的存在降低了應力強度因子，延遲初始裂紋的產生和降低裂紋的擴展速率，鉸削后在孔壁形成的殘余壓應力可以降低因鉆孔工藝在孔壁形成的殘余拉應力，使得疲勞裂紋擴展速率減慢，從而使得鋁合金的抗疲勞強度提高［18－19］。

3 結 論

（1）鉆孔壁的表面較粗糙，有較多刀具留下的粗糙的加工紋路，而鉸孔壁的表面非常光滑；鉆孔壁表面粗糙度為12.92μm，而鉸孔壁表面粗度較低為1.57μm。

（2）鉆孔后孔壁表層分布著較為均勻的殘余拉應力，其幅值高達165MPa，而鉸孔壁為殘余壓應力，其最大幅值為78MPa。

（3）相比于鉆孔試樣，鉸孔試樣的疲勞條帶間距較窄，其裂紋擴展速率較低，其疲勞壽命是鉆孔試樣壽命的1.81倍。

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