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航空Inconel718高強緊固件螺紋溫滾壓成形技術

作者:admin來源:本網 日期:2017-6-24 9:09:13 人氣: 標簽:

全民十三水配牌规律 www.ycfqav.com.cn   中航工業北京航空制造工程研究所劉風雷黃宏中國人民解放軍駐沈陽飛機工業(集團)有限公司軍事代表室李察高性能航空全民十三水配牌规律都要求在熱處理后進行螺紋滾壓,以保證螺紋具有對疲勞壽命有利的壓應力狀態。高強緊固件螺紋在冷滾壓成形過程中易產生裂紋、折迭等缺陷。此外,工具壽命較低。主要論述了高強緊固件螺紋成形的技術難點,提出了采用溫滾壓成形工藝技術方法。通過溫滾壓溫度參數試驗、試驗件的金相和性能試驗,并與冷滾件進行了對比,溫滾壓成形在提高工件質量和滾壓工具壽命方面具有無比的優越性。

  隨著飛機整體性能的提升,先進飛機對減重、壽命、可靠性等均提出了較高的指標要求,在主承力結構的連接中需要采用高強度、高比強緊固件。用于制造航空高強緊固件的材料有強度等級為11MPa以上的鈦合金和高溫合金,高溫合金使用較多的材料為Inconel718材料,該合金屬于鎳基高溫合金,國產牌號為GH4169,在600C高溫環境下具有良好的機械性能,經時效熱處理后強度等級可達到1500MPa以上,其強度等級要高于鈦合金,用該種材料制造的螺栓可用于飛機關鍵連接接頭的連接需要。

  為滿足飛機連接結構強度需要和發揮緊固件材料的性能,高強航空緊固件均采用強化熱處理實現強度目標,進而對緊固件提出了較高的疲勞壽命要求,為滿足緊固件的疲勞壽命要求,緊固件的螺紋成形均需在熱處理后進行。熱處理后的緊固件毛坯,其強度高、硬度高、塑性差,對于Inconel718材料的緊固件,熱處理后其強度超過1500MPa,硬度達到HRC4348,延伸率僅有8%~14%.而由于該材料在加工中存在強烈的加工硬化現象,使得加工存在以下問題:一是滾絲輪壽命較短,滾壓數件或數十件緊固件螺紋滾絲輪產生崩牙;二是滾壓件很容易產生裂紋、折迭超標等問題。本文從螺紋滾壓的原理分析人手,分析Inconel718高強度螺栓螺紋成形中產生缺陷的原因,提出了采用溫滾螺紋方法,以期解決該種材料在滾壓成形螺紋時滾絲輪產生崩牙、緊固件螺紋產生裂紋、折迭超標的問題,通過對比冷滾壓螺紋螺栓和溫滾壓螺紋螺栓的金相組織和流線,以及疲勞強度等,獲得溫滾壓螺紋能夠提高工件質量的效果。

  1緊固件螺紋成形過程分析緊固件的螺紋滾壓成形是從毛坯的滾壓開始的,滾絲輪的牙頂壓人毛坯中,如所示,受到擠壓的材料向滾絲輪螺紋牙頂兩側流動,隨著滾絲輪壓人深度的增加,工件螺紋外徑增加,滾絲輪牙頂兩側的金屬流動速度最快,牙谷中間的流動速度最慢,當滾壓到一定程度,兩螺紋滾壓形成過程側的金屬將滾絲輪牙底整個充滿,緊固件形成外螺紋。

  在滾壓過程中,金屬材料流速不一致的原因是材料向受力最小路徑最短的方向流動,在滾壓材料的流動中,滾絲輪牙頂兩側的金屬受阻最小,因而流動速度最快,而隨著滾壓的進行,兩側的抬升阻力增大,材料開始從中間部位向上提升,但總體上由于中間部位路徑最長,材料變形必須克服較大的阻力,因此中間部位的金屬抬升阻力最大、速度最慢,如果材料塑性很好,中間部位的材料跟進變形相對較容易,故形成滿螺紋后,其頂部的折迭較小,可滿足標準要求。對于熱處理后的Inconel718材料,由于其強度較高、塑性較差,再加上在滾壓中存在較大的加工硬化,導致中部的抬升速度較低,當螺距變大時,這種現象尤為明顯,金屬更難從中間向外抬升,致使過多的金屬從兩側抬升,最終產生倒流形成超過標準的折迭,另外較強的加工硬化程度還會使螺紋在牙底和端面螺紋的表面產生過度滾壓,當表面應力超過材料抗拉強度極限時就會產生裂紋。Inconel718螺栓冷滾壓螺紋會使滾絲輪產生崩牙,導致滾輪壽命很低。

  2螺紋滾壓問題的解決方法高強度材料的緊固件在冷滾螺紋過程中,由于其材料強度高、塑性差、加工硬化現象嚴重等原因,易產生裂紋和折迭超標等缺陷,使采用冷滾壓螺紋的方法制造加工穩定的螺紋變得很困難。要解決這個問題,就要使毛坯具有良好的加工塑性,即提高材料的塑性、降低變形抗力,而采用加熱成形的方法,即通過加熱使金屬軟化,從而實現提高其塑性的效果。對于加熱成形而言,溫度是一個關鍵,應該將溫度提高,從而使塑性提高、強度和硬度下降,但過高的溫度會影響固溶時效強化效果,因此加熱溫度必須控制在熱處理時效溫度以下范圍內的某一個溫度。應根據材料的熱力學曲線和熱處理制度要求選擇并通過試驗確定加熱溫度,Inconel718材料的熱力學曲線見。

  度應選在塑性一溫度曲線和強度一溫度曲線的拐點附近,在400C時材料強度明顯下降,塑性提高,而且溫滾螺紋的溫度應在時效溫度以下,Inconel718螺栓的時效溫度為600C,此時其延伸率和斷縮率都略有提高,因此對于Inconel718螺栓的溫滾壓螺紋溫度范圍應選在400~600C之間。加熱后可使螺紋成形過程中產生的加工硬化程度變小,使螺紋中部材料的抬升速度加快,可有效減小折迭的深度,同時減小了裂紋產生的可能。加工硬化程度減小了,也使滾壓工具受力減小,從而可提高滾壓工具的使用壽命。

  3溫滾試驗件性能試驗高強度緊固件溫滾壓螺紋要經歷加熱過程,要確定其能否實現既滿足產品性能、質量要求,又使滾壓工具有較高的使用壽命,除應進行加工參數研究外,還需進行性能的比較研究,以確定最佳參數及工藝。選取M8xl規格Inconel718螺栓進行抗拉性能、金相、高倍顯微組織、疲勞性能、雙剪力對比試驗。

  抗拉性能試驗依據GB715.23的要求進行,對不同溫度下的滾壓成形的螺紋進行抗拉性能檢測,其對比結(a)冷滾壓(b)溫滾壓冷滾壓與溫滾壓螺紋金相對比(a)冷滾壓(b)溫滾壓冷滾壓與溫滾壓螺紋顯微組織對比術,對M8x1的十二角頭螺栓的溫滾壓試驗件與冷滾壓試驗件在金相組織和螺紋流線、顯微組織上進行了對比研究。通過抗拉力、疲勞試驗、雙剪力試驗驗證了溫滾壓螺紋可保證產品的力學性能,解決了冷滾壓加工中存在的滾絲輪崩牙和緊固件螺紋折迭超標的問題,同時滾絲輪使用壽命得到明顯提高,為高強度螺紋緊固件批生產提供了技術和質量保證。

  果見。由圖可見,隨著加熱溫度的升高,螺紋的抗拉力呈現先增大后減小的趨勢,在450C左右進行螺紋滾壓時,所得的螺紋的抗拉力最高。

  采用與冷滾件對比的方法,檢驗溫滾壓螺紋的效果。本試驗采用冷滾壓與溫滾壓螺紋進行金相對比檢查和高倍顯微組織對比檢查,通過檢查發現,部分冷滾壓螺紋緊固件存在裂紋、折迭深,而溫滾壓螺紋緊固件均無裂紋,折迭深度小,有的甚至無折迭,金相見所示。通過高倍顯微組織檢查可以看出,溫滾壓與冷滾壓螺紋均有完整的流線,而溫滾壓的緊固件螺紋顯微組織具有更密實的組織形態,如所示。

  壓具有較高的抗拉強度,因此采用450C進行溫滾壓螺紋,依據GB715.30的要求進行疲勞試驗,通過疲勞試驗數據可知溫滾壓螺紋的緊固件具有更高的抗疲勞強度,為溫滾壓與冷滾壓螺紋疲勞壽命對比圖。依據GB715.26的要求進行雙剪力試驗,M8x1Inconel718螺栓的雙剪力要求值為85.5kN,試驗值為92kN以上,均大于要求值,溫滾壓螺紋后雙剪力符合標準要求,說明溫滾壓螺紋工藝沒有影響螺栓桿部剪切強度。通過滾壓工具壽命統計,溫滾壓螺紋可比冷滾壓螺紋使滾壓工具壽命提高50100倍,且螺栓質量均滿足要求。

  溫滾螺紋可解決冷滾螺紋產生的問題,并提高滾壓螺紋質量的原因主要有以下3條:一是溫滾螺紋可使材料的塑性提高,增加了材料流動填充能力;二是由于加熱使冷作硬化得到減緩,間接地增加了材料流動能力;三是冷滾壓時,加工硬化主要在表面比較強,與芯部有較大差別,產生的應力集中嚴重,而通過加熱進行滾壓螺紋,在硬化與軟化的共同作用下,使硬化層更深、更合理,從而提高了抗載能力。

  4結論溫滾壓螺紋的關鍵在于溫度的選取,針對緊固件材料的塑性和強度關系,以及熱處理制度,可以確定溫滾螺紋的溫度范圍,進一步通過力學性能試驗來優化加熱溫度。通過對Inconel718材料高強緊固件螺紋冷滾壓問題的分析,采用高強緊固件螺紋溫滾壓成形工藝技

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