開縫襯套冷擠壓在超高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)鋁合金疊層的應(yīng)用

朱妍如

（航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)<集團(tuán)>有限責(zé)任公司，陜西 西安710089）

1 技術(shù)概述

飛機(jī)機(jī)體疲勞破壞的所有類型中，多達(dá)80%的疲勞破壞都發(fā)生在機(jī)體結(jié)構(gòu)的連接部位上[1]，飛機(jī)受力結(jié)構(gòu)件上的連接孔是應(yīng)力集中和疲勞強(qiáng)度最薄弱的地方。因此，飛機(jī)在關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)大量采用孔強(qiáng)化長壽命連接技術(shù)和干涉連接緊固系統(tǒng)，以滿足高壽命及減重的要求[2]。

開縫襯套冷擠壓技術(shù)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(jìn)而擠壓待強(qiáng)化孔壁，使材料沿徑向發(fā)生塑性流動(dòng)，在孔的邊緣以外一個(gè)直徑大小的區(qū)域內(nèi)形成環(huán)形的殘余壓應(yīng)力區(qū)。擠壓強(qiáng)化所形成的殘余應(yīng)力在疲勞過程中降低外加載荷中瞬間拉應(yīng)力水平，使平均應(yīng)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(cuò)密度增加，在疲勞過程中阻礙金屬晶體滑移及位錯(cuò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，延緩孔裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而提高了結(jié)構(gòu)件的使用壽命[3]。開縫襯套是一次性的，因?yàn)閿D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(shù)。但飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配中，不同材料以疊層形式裝配的比例很高，因?yàn)榀B層結(jié)構(gòu)在性能的調(diào)整上更有靈活性，不同材料的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均不一樣，采用何種擠壓參數(shù)以取得更好的擠壓效果，是本文研究的主要內(nèi)容。

2 試驗(yàn)規(guī)劃

2.1 試驗(yàn)方案

結(jié)合飛機(jī)特定部位疊層結(jié)構(gòu)形式，選用A100超高強(qiáng)度鋼和7050-T7451高強(qiáng)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(shù)，第二組使用全套A100鋼夾層開縫襯套冷擠壓參數(shù)，第三組鋁合金夾層使用鋁擠壓參數(shù)，A100鋼夾層使用鋼擠壓參數(shù)，最后將夾層組合進(jìn)行終孔精鉸。

2.2 試驗(yàn)材料

A100超高強(qiáng)度鋼和7050高強(qiáng)鋁合金材料室溫力學(xué)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(yàn)夾層結(jié)構(gòu)形式，單個(gè)試片尺寸200 mm（長）×200 mm（寬）×30 mm（厚）。

表1 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

2.3 工藝參數(shù)

選取飛機(jī)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(biāo)準(zhǔn)干涉配合，終孔尺寸為9.87～9.96 mm。根據(jù)孔徑大小及試驗(yàn)件夾層厚度，選擇相對(duì)應(yīng)的開縫襯套冷擠壓參數(shù)：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(yàn)數(shù)據(jù)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(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)，材料進(jìn)入襯套上的縫隙，在孔內(nèi)形成一個(gè)微小的凸臺(tái)，即軸向凸脊。芯棒沿孔的軸向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過程會(huì)使得芯棒對(duì)其經(jīng)過的材料在孔壁及接近孔的區(qū)域有軸向擠壓，引發(fā)金屬晶體錯(cuò)位移動(dòng)，將材料的邊緣區(qū)域向外擠壓，材料在孔的周邊或接近孔的地方產(chǎn)生堆積，即表面堆積。三組試驗(yàn)中試驗(yàn)件經(jīng)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(nèi)。

3.2 孔徑

試驗(yàn)孔徑尺寸記錄選擇三個(gè)階段：一是初孔鉸孔后，二是冷擠壓孔后，三是精鉸孔后。試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如下：試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)孔徑數(shù)據(jù)顯示，純A100鋼試板上進(jìn)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(duì)變形量

不同的擠壓量會(huì)形成不同狀態(tài)的殘余應(yīng)力分布，一般隨著擠壓量的增加，殘余應(yīng)力也會(huì)隨之增加，進(jìn)而也會(huì)提高疲勞壽命。但是疲勞壽命并非會(huì)隨著擠壓量一味增加，隨著擠壓量超過最優(yōu)擠壓量時(shí)，雖然疲勞壽命相比未擠壓強(qiáng)化的孔的疲勞壽命高，但相比最優(yōu)值已成下降趨勢(shì)。鋁合金孔的名義擠壓量（最優(yōu)擠壓量）為孔徑的4.0%，標(biāo)準(zhǔn)干涉緊固件安裝孔的擠壓量一般為3.0%～6.0%。高強(qiáng)度度鋼標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)組1擠壓量3.5%～3.7%；試驗(yàn)組2擠壓量4.9%～5.1%；試驗(yàn)組3（鋁）擠壓量3.5%～3.7%；試驗(yàn)組3（鋼）擠壓量4.9%～5.1%。

3.4 殘余應(yīng)力

在擠壓作用影響下，強(qiáng)化后的孔邊有明顯的殘余應(yīng)力，但殘余應(yīng)力的最大值并不在孔的表面，從孔邊開始呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。經(jīng)過開縫襯套冷擠壓的孔強(qiáng)化后，最大殘余應(yīng)力未出現(xiàn)在孔表面，是因?yàn)榭椎淖畋砻鎱^(qū)域材料發(fā)生了回彈，回彈造成孔表面處的殘余應(yīng)力下降。通過回彈區(qū)以后，壓應(yīng)力逐漸增致最大，隨后在材料的屈服效應(yīng)下逐漸減弱。試驗(yàn)中A100鋼和鋁的切向殘余應(yīng)力值如表2。采用鋁擠壓參數(shù)進(jìn)行的開縫襯套冷擠壓的壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距孔邊約2 mm處，采用A100鋼擠壓參數(shù)進(jìn)行的冷擠壓的壓應(yīng)力最大值會(huì)出現(xiàn)在距孔邊約3 mm處。

3.5 切削量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

孔強(qiáng)化后切削孔壁會(huì)破壞原有的塑性變形層，使原有的殘余應(yīng)力場進(jìn)行重構(gòu)，孔壁鉸削使得孔周結(jié)構(gòu)因?yàn)槔鋽D壓形成的高壓應(yīng)力層部分被去除，同時(shí)鉸削過程中孔壁表面會(huì)發(fā)生新的塑性形變，導(dǎo)致擠壓引入的殘余應(yīng)力被部分松弛。三組試驗(yàn)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(yīng)力基本剩余40%～50%。精鉸后鋁材料孔的殘余應(yīng)力分別為128、121、131 MPa；鋼材料孔的殘余應(yīng)力分別為161、161、165 MPa。

表2 開縫襯套冷擠壓殘余應(yīng)力

4 結(jié)論

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

（2）疊層采用鋁擠壓參數(shù)，可避免夾層產(chǎn)生裂紋等損傷，但因?yàn)閿D壓量較小，擠壓后形成的殘余應(yīng)力也相對(duì)較小。

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