超高強度鋼MJ螺紋滾壓強化工藝研究

王　偉，李　博，姚志強

(中航飛機起落架有限責任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

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超高強度鋼MJ螺紋滾壓強化工藝研究

王偉，李博，姚志強

(中航飛機起落架有限責任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

摘要：采用專用滾輪對超高強度鋼MJ螺紋牙底進行滾壓強化，用SEM觀察滾壓前、后螺紋牙底的形貌變化，并測量滾壓強化后的塑性變形量，用MTS疲勞試驗機進行疲勞試驗。結果表明，滾壓強化后，MJ螺紋牙底有明顯的光亮滾壓帶，完全覆蓋了機械加工表面的車刀痕，表面形貌更光滑。經測量，滾壓強化后，螺紋小徑發生了0.005～0.015 mm的塑性變形；與未滾壓強化試樣對比，滾壓強化試樣的疲勞壽命得到了顯著提高。

關鍵詞：超高強度鋼；MJ螺紋；滾壓強化

對于超高強度鋼如300M鋼、A100鋼等材料，因其具有較高的抗拉強度及斷裂韌性、良好的抗腐蝕性能等特點，而廣泛應用于飛機起落架的主要承力構件。但隨著零件材料強度的提高，其應力集中敏感度也提高，導致疲勞強度大幅度降低。應力集中通常出現在零件的內部或表面缺陷、表面不連續或突變等位置，零件中的螺紋是應力集中最常見的部位之一，而帶螺紋的零件是起落架系統中用得最多的零件之一，大到緩沖支柱活塞桿、外筒，小到螺栓、螺母等；因此，帶螺紋結構零件的抗疲勞制造是起落架零件制造的一項關鍵技術。

針對螺紋零件的抗疲勞制造，不同螺紋有不同的制造方法。通常，內螺紋可采用冷擠壓加工法來提高螺紋的疲勞壽命。該方法是一種漸變過程，利用擠壓絲錐的錐部棱齒反復多次擠壓工件金屬，使金屬發生塑性變形，流動的金屬填充到擠壓絲錐齒溝而在工件上形成內螺紋[1]；外螺紋則采用滾壓加工成形法提高螺紋的疲勞壽命[2]。但上述方法只適用于強度相對較低的金屬材料，拉伸強度一般≤1 400 MPa，而起落架零件用超高強度鋼材料，其抗拉強度>1 800 MPa，最終熱處理后硬度約為50 HRC，無法通過滾壓加工成形、冷擠壓加工成形螺紋而提高螺紋零件的疲勞壽命。本文通過對已加工成形的螺紋牙底采用專用滾輪進行滾壓強化的方法，使其發生適當的微小塑性變形，改善表面形貌，引入殘余壓應力，以提高其疲勞性能。

1試驗條件與方法

1.1試驗材料

試驗材料為300M鋼，其室溫拉伸性能見表1。

表1　300M鋼的拉伸性能

1.2試驗方法

試樣類型采用雙頭螺柱形式，其規格及數量見表2，加工狀態如圖1所示。

表2　螺紋滾壓試樣規格及數量

圖1　螺紋滾壓試樣加工狀態

分別采用2種加工方法進行試樣加工：車螺紋和車螺紋+螺紋滾壓強化，對比分析2種工藝對試樣螺紋表面微觀形貌及試樣疲勞壽命的影響。螺紋滾壓強化采用自制的專用滾輪進行，滾輪要求及滾壓工藝參數見表3。在JSM-5410LV型掃描電鏡上觀察試樣滾壓前、后螺紋牙底的表面形貌；在MTS疲勞試驗機上進行疲勞試驗。

表3　加工工藝參數表

2試樣滾壓強化過程

2.1工藝流程

試樣螺紋滾壓強化工藝流程如下：滾壓前檢查→螺紋同軸度檢查→滾輪高度調整→軸向進給速度調整→滾輪桿角度調整→徑向進給對刀→按要求調整徑向進給量→滾壓→檢查塑變量。

2.2滾壓過程

滾壓過程如圖2所示，其中，零件同軸度檢查、滾輪對刀及進給量控制是整個滾壓過程的關鍵環節。同軸度檢查時，零件兩處跳動量≤0.03 mm，滾輪中心高度與零件軸線高度差控制在±0.2 mm以內，滾輪徑向進給量按表3要求進行，任何一個環節未得到嚴格控制，都將影響滾壓強化效果，甚至導致零件直接報廢。

圖2　滾壓過程

3試驗結果與討論

3.1滾壓后塑變量測量

采用外螺紋小徑千分尺對滾壓前、后的螺紋牙底直徑進行測量，每個試樣測量6個位置，并計算每個位置產生的塑變量，計算結果見表4和表5。其他規格螺紋同理，不做贅述。

表4　滾壓后塑變量測量(徑向進給量為0.3 mm)

表5　滾壓后塑變量測量(徑向進給量為0.4 mm)

由表4和表5可知，滾壓強化后，外螺紋小徑發生了明顯的塑性變形，但滾輪徑向進給量不同，小徑的塑變量也有所不同。進給量為0.4 mm時的塑變量普遍比進給量為0.3 mm時的大，且較一致。

3.2不同工藝下疲勞壽命對比

疲勞壽命是滾壓強化效果的最有力證據，在試驗條件為σmax=800 MPa，當R=0.1時，2種不同工藝下試樣的疲勞測試結果見表6。由表6可知，與未滾壓強化試樣相比，滾壓強化后的試樣疲勞壽命得到了顯著提高。其主要原因是螺紋牙底是應力集中的關鍵部位，在交變載荷作用下，應力集中部位的機械加工刀痕等缺陷容易形成為疲勞裂紋源，進而擴展導致試樣斷裂失效；而對螺紋滾壓強化后，使螺紋牙底發生塑性變形，產生殘余壓應力，抵消了部分交變載荷作用時的拉應力作用效果，延緩了疲勞裂紋源的產生及擴展速度，使試樣疲勞壽命得到了提高。

表6　滾壓前、后疲勞壽命對比

3.3螺紋牙底表面形貌觀察

影響試樣疲勞壽命的因素較多，除了表面應力場的分布情況外，表面形貌及微觀組織等因素對試樣的疲勞壽命都有不同程度的影響。在不同放大倍數下滾壓前、后螺紋牙底的微觀形貌如圖3和圖4所示。圖3表明在車削加工的作用下，螺紋牙底呈現規則的周向車刀痕，該方向的車刀痕對徑向交變載荷作用下的疲勞壽命最不利；圖4表明進行滾壓強化后，螺紋牙底的車刀痕被完全覆蓋，形成一條光亮的滾壓帶，表面粗糙度值更小，有利于減小應力集中程度，從而提高零件的疲勞壽命。

圖3　車削螺紋牙底表面形貌

圖4　滾壓后螺紋牙底表面形貌

4結語

綜上所述，可以得出如下結論：1)對超高強度300M鋼的MJ螺紋進行滾壓強化，當徑向進給量為0.3～0.4 mm時，螺紋小徑發生明顯的塑性變形，能產生0.005～0.015 mm的塑變量；2)滾壓強化后，螺紋牙底表面產生一條光亮的滾壓帶，并完全覆蓋掉原來的周向機械加工刀痕，表面變得更光滑；3)與未滾壓強化試樣相比，滾壓強化試樣螺紋牙底表面粗糙度值更小，在交變載荷作用下，應力集中程度也更小，并且由于發生塑性變形，引入了適當的殘余壓應力，從而延緩了疲勞裂紋源的產生及擴展速度，因此，試樣的疲勞壽命得到了顯著提高。

參考文獻

[1] 沙小偉，黎向鋒，左敦穩. 飛機起落架內螺紋冷擠壓成形過程的研究[J]. 航空制造技術，2010(2):75-78.

[2] 鄭向周. 螺紋滾壓工藝原理分析及方法改進[J]. 精密制造與自動化，2014(1):58-62.

責任編輯鄭練

The Process Research for MJ Thread Rolling Strengthening of Ultrahigh-strength Steel

WANG Wei, LI Bo， YAO Zhiqiang

(AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Corp. Ltd., Liaoyuan Division, Hanzhong 723200, China)

Abstract：Perform rolling strengthening for MJ thread root of ultrahigh-strength steel with special roller, observe shape variation of thread root with SEM prior and post rolling, measure plastic deformation value post rolling strengthening and perform fatigue test with MTS fatigue testing machine. Results indicate that there is clearly bright roller band at MJ thread root post rolling strengthening, and completely cover turning tool mark of machining surface so that surface shape is more smooth. Small diameter of thread causes plastic deformation of 0.005～0.015 mm by measuring post rolling strengthening. Compared with not rolling strengthening samples, fatigue life of rolling strengthened samples is clearly improved.

Key words:ultrahigh-strength steel, MJ thread, rolling strengthening

收稿日期：2015-05-18

作者簡介：王偉(1977-)，男，高級工程師，技術副總，主要從事飛機起落架生產過程中的技術管理及機械加工工藝應用等方面的研究。

中圖分類號：TH 706

文獻標志碼:A