某超高強度鋼零件小孔擠壓強化工藝研究

祝衛(wèi)紅，魚增學

(中航工業(yè)起落架有限責任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

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某超高強度鋼零件小孔擠壓強化工藝研究

祝衛(wèi)紅，魚增學

(中航工業(yè)起落架有限責任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

起落架與機體同壽命是現(xiàn)代高壽命飛機的普遍要求。對于起落架主要承力件，除優(yōu)化設計外，在選材上應選用300M、A100超高強度鋼及鈦合金等高強度、高韌度材料，并采用先進的表面強化技術及先進工藝等。小孔擠壓強化技術是通過在孔周圍施加一定的殘余應力，從而顯著地提高帶孔零件的疲勞壽命。通過對超高強度鋼零件薄壁上小孔內(nèi)表面進行擠壓強化工藝的研究，針對超高強度鋼小孔孔壁擠壓強化的工藝方法，找到了合理的擠壓參數(shù)，并應用于產(chǎn)品的加工。

超高強度鋼零件；小孔；擠壓強化；疲勞壽命

機構(gòu)零部件在運轉(zhuǎn)過程中不斷地承受著循環(huán)應力的作用，其失效形式80%為疲勞破壞，而構(gòu)件連接孔周圍是應力集中的關鍵區(qū)域。經(jīng)強化后的孔則可以大大減少疲勞裂紋的產(chǎn)生，延緩裂紋的擴展速度，從而延長零部件的使用壽命[1]。

孔擠壓是在孔直徑周圍形成殘余壓縮應力的一種工藝方法。對于孔內(nèi)表面的擠壓強化技術，目前使用最多的是開縫襯套擠壓強化，最小規(guī)格為φ6 mm。中航工業(yè)起落架有限責任公司燎原分公司承擔的某項產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件，其耳片連接小孔(φ5.1 mm)存在連接安全風險，為了提高其構(gòu)件的使用壽命，產(chǎn)品設計要求對小孔內(nèi)表面進行擠壓強化。針對直徑<6 mm的孔進行擠壓強化，目前該公司無合適的擠壓設備、芯棒和開縫襯套等，屬首次進行擠壓強化，更沒有相應的工藝經(jīng)驗。由于孔徑較小，開縫襯套擠壓芯棒的強度較差，因此，對該孔內(nèi)表面的強化采用芯棒擠壓強化方式。

芯棒擠壓強化原理如下：使用預設一定過盈量的芯棒，經(jīng)施加足夠的壓力，驅(qū)使芯棒從孔的一端緩慢壓入并勻速穿過零件孔(見圖1)，側(cè)壁承受擠壓后則產(chǎn)生一定的彈塑性變形，在其內(nèi)表面形成一層塑性變形層，在孔周圍形成一定寬度的環(huán)狀殘余壓應力區(qū)，從而提高零件的疲勞壽命。

圖1　芯棒擠壓強化原理圖

1　小孔擠壓方案制定

1.1工藝分析

根據(jù)產(chǎn)品設計要求，為了提高某結(jié)構(gòu)件的使用壽命，應對其厚度為4 mm的小耳片上φ5.1 mm孔進行表面擠壓強化處理，零件局部圖如圖2所示，其孔邊距比為1.57，材料為超高強度鋼。

圖2　零件局部圖

由于對于直徑<6 mm孔未進行過擠壓強化工藝的，因而參考超高強度鋼材料擠壓強化標準。經(jīng)分析比較，對于小孔擠壓強化，芯棒式擠壓強化工藝相對開縫襯套擠壓強化工藝成本低，操作簡單，對操作過程要求不高，利用現(xiàn)有壓力設備即可完成小孔擠壓強化程序[2-3]。

1.2制定擠壓方案

制定擠壓方案如下：1)根據(jù)零件上需擠壓強化的小孔孔徑大小及孔周圍結(jié)構(gòu)，設計制作試驗件和專用芯棒擠壓工具；2)確定擠壓前孔徑及擠壓工具尺寸；3)在試驗件上進行小孔芯棒擠壓強化工藝試驗，摸索小孔芯棒擠壓強化工藝參數(shù)及其操作方法；4)完成該產(chǎn)品零件上孔的擠壓強化。

2　小孔芯棒擠壓工藝過程

2.1擠壓設備選擇

孔芯棒擠壓強化設備可選用液壓機、旋壓機、拉床或?qū)Ｓ迷O備。該零件孔徑較小，本文選用30 kN手搖壓力機。

2.2工裝夾具

2.2.1對工裝夾具的要求

小孔擠壓強化時，根據(jù)零件的形狀、孔深度、孔直徑、孔的位置和孔邊距等因素，設計適當?shù)膶Ｓ没蚱囱b夾具。工裝夾具除應具有足夠的剛度和強度外，還應能保證零件在加工過程中不擺動或轉(zhuǎn)動，并且保證被擠壓的孔軸線與液壓機活塞平行并對準，不應與零件發(fā)生不良影響。

2.2.2擠壓工具的制作

1)由于零件孔較小，相應的芯棒直徑也較小，考慮到在擠壓過程中芯棒會承受較大的壓力，因而應有足夠剛度和強度。如果芯棒材料硬度過大，芯棒會在擠壓過程中發(fā)生脆斷，起不到應有的擠壓效果。芯棒材料選用普通高速鋼W6Mo5Cr4V2材料，硬度約為65 HRC。

2)芯棒結(jié)構(gòu)如圖3所示。芯棒結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：前引導柱面、工作柱面和圓柱面(小于工作柱面)。工作柱面前后設有錐度，在擠壓過程中起引導作用，保證擠壓后孔表面質(zhì)量滿足產(chǎn)品要求。

圖3　擠壓用芯棒結(jié)構(gòu)

3)芯棒工作直徑的確定。其大小應滿足擠壓量和擠壓后孔的塑變量。芯棒工作直徑的大小對孔表面的塑性變形層厚度以及所形成的壓應力區(qū)范圍起著決定性作用。根據(jù)零件孔徑，芯棒工作直徑確定為(5.2±0.005) mm。

2.3潤滑劑的選擇

孔擠壓強化工藝屬于金屬材料的常溫下壓力加工范疇，在擠壓過程中，潤滑劑應有良好的吸附性、滲透性及經(jīng)濟性。潤滑劑采用固體或液體潤滑劑，在冷擠壓過程中，優(yōu)先選用四氟乙烯固體潤滑劑。

2.4小孔擠壓強化的實施

2.4.1試驗件的設計和制造

根據(jù)該材料擠壓量換算，擠壓前的孔直徑確定為5.08H8 mm。根據(jù)產(chǎn)品零件擠壓孔部位的結(jié)構(gòu)特征，試驗件采用與零件相同牌號的超高強度鋼板件材料，將試驗件制作成與零件相同厚度(4 mm)，完全地模擬零件孔的狀態(tài)，并依據(jù)產(chǎn)品孔距離零件邊緣的位置，確定了試驗件上孔的分布形式(見圖4)。

圖4　試驗件簡圖

試驗件孔加工采用通用的工藝方法，即用合金鉆頭加工初孔，再進行擴孔，最后將孔鉸孔至擠前孔直徑，完成擠前小孔加工。孔表面粗糙度值達到Ra0.8 μm以下。

2.4.2小孔擠壓強化試驗

1)擠壓前準備工作。將試驗件或零件被擠內(nèi)孔表面油污和灰塵清理干凈，尤其是孔口毛刺，避免在擠壓過程中將飛邊帶入，對孔內(nèi)表面形成劃痕。

2)對試驗件上孔擠壓強化(見圖5)。將試驗件固定在夾具上，調(diào)整夾具使待擠壓的孔與擠壓設備活塞桿平行并對準。調(diào)整壓力機的壓力在所需的壓力范圍內(nèi)。

圖5　試驗件擠壓強化試驗圖

將擠壓芯棒前引導插入被擠孔中，且保證整個芯棒對正，以免偏斜發(fā)生危險和對孔的形狀產(chǎn)生偏差。起動壓力機，使活塞桿連續(xù)、緩慢、均勻地對芯棒施加一定力，保證芯棒勻速緩慢通過被擠孔，實現(xiàn)表面材料由彈性到塑性的變形轉(zhuǎn)變。

經(jīng)對試驗件上6個小孔進行擠壓，并進行了擠后小孔檢測，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和表面質(zhì)量檢查，結(jié)果表明，孔表面光滑完整，零件尺寸在產(chǎn)品公差范圍內(nèi)，擠壓后零件孔直徑有一定的擴大，這是因為孔表面在擠壓過程中發(fā)生了塑性變形，擠壓后塑變量在直徑方向約為0.03～0.05 mm，效果明顯。

3　殘余應力測試及結(jié)果分析

3.1試驗件準備

殘余應力測試在X射線衍射儀上進行，由于探測頭較大，無法對孔壁直接進行測試，因此需對試驗件的孔進行切割。基于上述原因，對該直徑孔的應力測試只能在擠壓和未擠壓2類型孔上分別進行切割測試(見圖6)。

圖6　試驗件切割圖

3.2測量結(jié)果分析

經(jīng)測量，未擠壓孔壁殘余平均壓應力為782 MPa，擠壓后孔平均壓應力為1 167 MPa，平均壓應力值為擠壓前的1.5倍。對于厚度為4 mm的試驗件，擠壓后殘余壓應力有明顯的提高(見圖7)，大大提高了產(chǎn)品上小孔的疲勞壽命，該擠壓工藝可以用于產(chǎn)品孔的擠壓強化。

圖7　壓應力對比圖

4　完成零件的擠壓強化

將零件上φ5.1 mm孔進行鉆孔→擴孔→鉸孔至擠壓前孔徑尺寸，由于超高強度鋼材料強度值較高，零件熱前完成初孔加工，熱后完成擴孔→鉸孔加工。

按照上述試驗件擠壓過程及要求，成功完成對零件上2個φ5.1 mm小孔內(nèi)表面的擠壓強化，工藝方法可靠，擠壓過程平穩(wěn)，操作簡單，經(jīng)濟效益顯著。

5　結(jié)語

通過某零件φ5.1 mm小孔芯棒擠壓強化工藝的實施，掌握了超高強度鋼零件小孔芯棒擠壓強化的工藝方法，滿足了產(chǎn)品的擠壓強化技術要求；同時拓展了小孔擠壓強化工藝應用范圍，為新產(chǎn)品加工奠定了基礎。

[1] 王亮，汝繼剛，李惠曲，等. 孔擠壓強化工藝對7A12鋁合金組織及疲勞性能影響的研究[J].新技術新工藝，2014(11):14-17.

[2] 張洪雙，段曉飛. 孔擠壓強化和工藝參數(shù)研究[J].機械設計與制造，2011(11):111-113.

[3] 陳明，傅仕偉，王珉.帶切縫襯套冷擠壓強化工藝研究[J].新技術新工藝，1997(6):27-28.

責任編輯鄭練

Study on the Technology of Small Hole Extrusion Strengthening for a Super High Strength Steel

ZHU Weihong, YU Zengxue

(AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Corporation Liaoyuan Division, Hanzhong 723200, China)

The landing gear and the plane have the same life is a common requirement of modern high life of the aircraft. For landing gear main bearing parts, in addition to the optimization design and material application of 300M, A100 ultra high strength steel and titanium alloy high strength and high toughness material, and adopt the advanced surface strengthening technology and advanced process. The small hole extrusion technology is through the hole around the application of a certain residual stress, so as to significantly improve the fatigue life of the parts with holes. Based on the research of ultra high strength steel thin-walled parts holes in surface extrusion strengthening technology, propose methods of ultra high strength steel of steel of keyhole wall extrusion process for strengthening, find reasonable extrusion parameters, and apply to the processing of products.

ultra high strength steel parts, small hole, extrusion strengthening, fatigue life

TG 376.3

A

祝衛(wèi)紅(1964-)，女，工程師，主要從事飛機起落架機械加工工藝及技術管理等方面的研究。

2016-03-30