開縫襯套冷擠壓在超高強度鋼和高強鋁合金疊層的應用

朱妍如

（航空工業西安飛機工業<集團>有限責任公司，陜西 西安710089）

1 技術概述

飛機機體疲勞破壞的所有類型中，多達80%的疲勞破壞都發生在機體結構的連接部位上[1]，飛機受力結構件上的連接孔是應力集中和疲勞強度最薄弱的地方。因此，飛機在關鍵承力結構大量采用孔強化長壽命連接技術和干涉連接緊固系統，以滿足高壽命及減重的要求[2]。

開縫襯套冷擠壓技術是利用具有過盈量的錐形擠壓芯棒在一定的拉拔速度下通過開縫襯套，開縫襯套受壓力進而擠壓待強化孔壁，使材料沿徑向發生塑性流動，在孔的邊緣以外一個直徑大小的區域內形成環形的殘余壓應力區。擠壓強化所形成的殘余應力在疲勞過程中降低外加載荷中瞬間拉應力水平，使平均應力水平降低，因而可顯著提高疲勞壽命。另外由于孔壁塑性變形位錯密度增加，在疲勞過程中阻礙金屬晶體滑移及位錯往復運動，延緩孔裂紋的萌生和擴展，從而提高了結構件的使用壽命[3]。開縫襯套是一次性的，因為擠壓芯棒直接接觸的是開縫襯套，因此可有效減少芯軸與孔壁的摩擦，防止孔損傷。

目前，單一材料上冷擠壓有成熟的配套工具和擠壓參數。但飛機結構裝配中，不同材料以疊層形式裝配的比例很高，因為疊層結構在性能的調整上更有靈活性，不同材料的拉伸強度和屈服強度均不一樣，采用何種擠壓參數以取得更好的擠壓效果，是本文研究的主要內容。

2 試驗規劃

2.1 試驗方案

結合飛機特定部位疊層結構形式，選用A100超高強度鋼和7050-T7451高強鋁合金，采取三種冷擠壓方式，第一組使用全套鋁合金夾層開縫襯套冷擠壓參數，第二組使用全套A100鋼夾層開縫襯套冷擠壓參數，第三組鋁合金夾層使用鋁擠壓參數，A100鋼夾層使用鋼擠壓參數，最后將夾層組合進行終孔精鉸。

2.2 試驗材料

A100超高強度鋼和7050高強鋁合金材料室溫力學性能見表1，使用單層鋁合金試板和單層A100鋼試板為典型試驗夾層結構形式，單個試片尺寸200 mm（長）×200 mm（寬）×30 mm（厚）。

表1 試驗材料的力學性能

2.3 工藝參數

選取飛機主承力部位常用連接件，公稱直徑為10 mm的抗拉型鈦合金高鎖螺栓，釘桿直徑為9.965～9.990 mm。采用標準干涉配合，終孔尺寸為9.87～9.96 mm。根據孔徑大小及試驗件夾層厚度，選擇相對應的開縫襯套冷擠壓參數：鋁材料初孔尺寸9.119～9.195 mm，芯棒直徑8.966～8.992 mm，襯套厚度0.254 mm，最小擠壓孔徑9.258 mm；鋼材料初孔尺寸8.84～8.92 mm，芯棒直徑8.707～8.733 mm，襯套厚度0.305 mm，最小擠壓孔徑8.966 mm。

3 試驗數據及分析

3.1 軸向凸脊和表面堆積

冷擠壓過程中，被擠壓材料會發生塑性流動，材料進入襯套上的縫隙，在孔內形成一個微小的凸臺，即軸向凸脊。芯棒沿孔的軸向運動，這個過程會使得芯棒對其經過的材料在孔壁及接近孔的區域有軸向擠壓，引發金屬晶體錯位移動，將材料的邊緣區域向外擠壓，材料在孔的周邊或接近孔的地方產生堆積，即表面堆積。三組試驗中試驗件經過開縫襯套冷擠壓后形成的軸向凸脊和表面堆積的尺寸均在冷擠壓工藝要求的限制尺寸范圍之內。

3.2 孔徑

試驗孔徑尺寸記錄選擇三個階段：一是初孔鉸孔后，二是冷擠壓孔后，三是精鉸孔后。試驗測量數據如下：試驗組1冷擠壓前孔徑9.16～9.18 mm，冷擠壓后孔徑9.30～9.35 mm；試驗組2冷擠壓前孔徑8.88～8.91 mm，冷擠壓后孔徑9.10～9.22 mm；試驗組3（鋁）冷擠壓前孔徑9.16～9.18 mm，冷擠壓后孔徑9.32～9.36 mm；試驗組3（鋼）冷擠壓前孔徑8.89～8.91 mm，冷擠壓后孔徑9.13～9.20 mm；所有試板終孔孔徑9.93～9.95 mm。三組試驗孔徑數據顯示，純A100鋼試板上進行開縫襯套冷擠壓后形成的孔徑相比于疊層上冷擠壓后的孔徑最大差值為0.3 mm，純鋁合金試板和疊層孔孔徑最大差值為0.2 mm。

3.3 擠壓量和相對變形量

不同的擠壓量會形成不同狀態的殘余應力分布，一般隨著擠壓量的增加，殘余應力也會隨之增加，進而也會提高疲勞壽命。但是疲勞壽命并非會隨著擠壓量一味增加，隨著擠壓量超過最優擠壓量時，雖然疲勞壽命相比未擠壓強化的孔的疲勞壽命高，但相比最優值已成下降趨勢。鋁合金孔的名義擠壓量（最優擠壓量）為孔徑的4.0%，標準干涉緊固件安裝孔的擠壓量一般為3.0%～6.0%。高強度度鋼標準干涉緊固件安裝孔的擠壓量一般為4.5%～6.7%。冷擠壓后試驗組1擠壓量3.5%～3.7%；試驗組2擠壓量4.9%～5.1%；試驗組3（鋁）擠壓量3.5%～3.7%；試驗組3（鋼）擠壓量4.9%～5.1%。

3.4 殘余應力

在擠壓作用影響下，強化后的孔邊有明顯的殘余應力，但殘余應力的最大值并不在孔的表面，從孔邊開始呈現先增大后減小的趨勢。經過開縫襯套冷擠壓的孔強化后，最大殘余應力未出現在孔表面，是因為孔的最表面區域材料發生了回彈，回彈造成孔表面處的殘余應力下降。通過回彈區以后，壓應力逐漸增致最大，隨后在材料的屈服效應下逐漸減弱。試驗中A100鋼和鋁的切向殘余應力值如表2。采用鋁擠壓參數進行的開縫襯套冷擠壓的壓應力最大值出現在距孔邊約2 mm處，采用A100鋼擠壓參數進行的冷擠壓的壓應力最大值會出現在距孔邊約3 mm處。

3.5 切削量對殘余應力的影響

孔強化后切削孔壁會破壞原有的塑性變形層，使原有的殘余應力場進行重構，孔壁鉸削使得孔周結構因為冷擠壓形成的高壓應力層部分被去除，同時鉸削過程中孔壁表面會發生新的塑性形變，導致擠壓引入的殘余應力被部分松弛。三組試驗中鋁材料的鉸削量大都在0.6 mm，鋼材料大都在0.78 mm，鉸削量較大，鉸削后孔的殘余應力基本剩余40%～50%。精鉸后鋁材料孔的殘余應力分別為128、121、131 MPa；鋼材料孔的殘余應力分別為161、161、165 MPa。

表2 開縫襯套冷擠壓殘余應力

4 結論

（1）疊層采用鋼擠壓參數，因擠壓量較大，可得到較大的殘余應力。但擠壓量越大意味著孔被擠壓時遭受的擠壓強度越高，也就越容易造成材料強度較弱的夾層產生裂紋等損傷。

（2）疊層采用鋁擠壓參數，可避免夾層產生裂紋等損傷，但因為擠壓量較小，擠壓后形成的殘余應力也相對較小。

（3）疊層分別冷擠壓然后復位進行終孔鉸孔，每個疊層都可以形成最佳殘余應力，但分層擠壓復位時層間間隙和孔同軸度不易保證，操作煩瑣且難度較大。