1500MPa级十二角头MJ螺纹合金钢螺栓的研制

2017-06-05李正晖

航空标准化与质量 2017年2期

关键词：紧固件圆角圆弧

李正晖张喆

（中航工业第一飞机设计研究院，陕西西安 710089）

1500MPa级十二角头MJ螺纹合金钢螺栓的研制

李正晖张喆

（中航工业第一飞机设计研究院，陕西西安 710089）

论述了1 500MPa级镍基合金Incone l718螺栓的研制特点及关键技术。结果表明，1 500 MPa级Incone l718螺栓能满足飞机对高强度、长寿命、耐腐蚀紧固件的需求，实现了1 500 MPa级Incone l718螺栓国内供应的目标。

镍基合金；螺栓； MJ螺纹

随着飞机长寿命、大载荷、高可靠性的发展，飞机关键区域及应力集中的连接部位需要1 500 MPa级高强度合金钢螺栓，因此需研制高强度合金钢螺栓，以满足连接要求和飞机设计、生产需求。

1 紧固件的设计

1.1 材料选择

镍基合金Incone l718由于强度高、耐热性好和耐蚀性能好，在650℃以下组织性能稳定，正成为航空领域用途极为广泛的高温合金之一，在国外大型军、民用飞机上广泛使用。因此选择镍基合金Incone l718来制作飞机关键部位的1 500MPa级连接螺栓。

1.2 结构型式

根据国内外航空紧固件的使用情况，选取十二角头MJ螺纹螺栓结构形式进行研制。1 500MPa级十二角头MJ螺纹螺栓结构见图1。

1.3 结构特点

螺栓的破坏性质绝大多数属于疲劳破坏。在整个螺栓的疲劳破坏中，螺栓断裂大部分发生在头部、螺纹、螺纹与杆部交接处。这是由于头杆交接处、螺纹部分、光杆与螺纹交接处都是应力集中部位。因此，螺栓疲劳寿命的提高主要是针对此3处进行强化来提高疲劳寿命。

1.3.1 头下圆角

Inconel 718棒材强度高，热加工性能较好，采用了头部热镦成型技术，以保证具有合理的流线，同时采用了热处理后对头下圆角施加一定压应力进行冷滚压强化，形成圆弧过渡，如图2。一方面圆弧过渡可以降低此处应力集中程度；另一方面，在滚压过程中，此处形成一定厚度的硬化层来提高螺栓抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力。

1.3.2 螺纹区

螺栓采用抗疲劳性能好的MJ螺纹，加工方法采用滚制。MJ螺纹具有高尺寸精度、外螺纹牙底采用了较大半径的牙底圆弧等特点，同时采用热处理后进行滚压螺纹制造工艺，从而使零件表面质量提高，螺纹连接疲劳强度大大增强。螺纹零件的疲劳强度受牙底圆弧半径的影响极为敏感，即牙底圆弧半径较大的抗疲劳能力明显高于牙底圆弧半径较小的，MJ螺纹正是为了适应这种需要而设计的。1.3.3 螺纹过渡区

目前国内传统的螺纹紧固件螺纹收尾与杆部的过渡区采用倒角形式。安装时易划伤孔壁。本次研究中对螺栓螺纹大径进行了修正，螺纹大径小于光杆直径，同时也小于安装孔径，因此安装时螺纹部分不会接触孔壁。

另外对螺栓光杆与螺纹收尾之间的过渡区采用连续平滑圆弧过渡，降低此处应力集中程度，同时避免划伤孔壁，如图3所示。

2 考核指标的确定

1 500MPa级十二角头MJ螺纹螺栓在使用过程中重要的4项力学性能指标为：抗拉载荷、双剪载荷、疲劳载荷、应力断裂载荷，本节根据相应理论同时参考NASM 85604-2000《高温高强度镍基合金花键头抗拉螺栓通用规范》计算出4项力学性能指标值。

2.1 抗拉载荷

螺栓在轴线方向上受拉伸载荷时，螺纹区为受力薄弱区，因此计算抗拉载荷应根据螺纹区的承受能力来计算，承拉受力面积应根据螺纹中径进行计算，根据GJB 3.2A-2003《MJ螺纹第2部分：螺栓和螺母螺纹的极限尺寸》，MJ螺纹中径d2值见表1，拉伸载荷计算公式见式（1），482℃时的抗拉载荷按照室温抗拉载荷的80%来计算，计算结果见表1。

式中： N为抗拉载荷；σb为抗拉强度（本文中为1 500MPa）；d2为螺纹中径。

表1 拉伸载荷值

2.2 双剪载荷

螺栓受剪切时，主要由光杆部分承受剪切载荷，因此螺栓剪切载荷面积按螺栓公称直径进行计算即可。同时，螺栓剪切试验一般测量双剪载荷，计算公式见式（2），482℃时的双剪载荷按照室温双剪载荷的80%来计算，计算结果见表2。

式中： Nτ为剪切载荷；d为螺栓杆径；τ为抗剪强度（本文中为860 MPa）。

表2 剪切载荷值

2.3 疲劳载荷

飞机结构受力复杂，螺栓装到结构上后，加载一定预紧力，同时会承受其他载荷，螺栓在初始状态承受轴向载荷占其抗拉载荷百分比不确定，因此，螺栓拉伸疲劳试验载荷无法通过计算得出。在国内外研究中，拉伸疲劳高载一般都处于抗拉载荷的30%～52%之间，在实际使用过程中各规范中规定不同。本文参考NASM 85604-2000，对设计的螺栓疲劳高载所占抗拉载荷百分比做出规定，具体数值及设计高载值见表3。

表3 疲劳载荷值

2.4 应力断裂载荷

482℃时的应力断裂载荷是按照室温抗拉载荷的56%来计算的，计算结果见表4。

表4 应力断裂载荷值

3 突破的关键技术

Incone l718材料在国内应用于紧固件制造，在研制过程中对几项关键技术进行了突破，制造出符合设计要求的紧固件。

3.1 材料性能和热处理技术

对原材料进行成分、组织、性能检验与分析，对1 500MPa高强度合金钢螺栓在热处理制度上进行了专门的研究，根据原材料的热处理制度对加工零件热处理温度、保温时间搭配进行研究，确定材料性能和组织状态的对应关系，以形成最佳热处理工艺，形成微观组织验收的标准。

3.2 满足高强度要求的热镦技术

采用专门的热镦温度控制技术，保证螺栓头部的成型需要，不影响非加工区域，对加工温度范围和材料的变形量进行研究，以达到成型与后续热处理的搭配。

3.3 高强度螺纹温滚丝技术

采用快速加热技术和高速滚压成型技术，保证滚压工艺需求，达到应力状态要求，表面不产生污染，进行加热温度与成型工艺搭配研究，形成稳定的加工工艺规范，满足批生产的要求。

3.4 螺栓头下圆角强化技术

材料强度高，通过最终热处理之后硬面进行冷滚压螺栓头下圆角的要求，以消除机械加工切削痕迹，需要大功率的专用设备，通过挤压专用设备，强化头下圆角，提高圆角处表面粗糙度精度，满足高强螺栓的产品标准要求。

4 鉴定试验

4.1 试验方案

1 500MPa级十二角头MJ螺纹螺栓是国内首次研制，须经过鉴定试验后才能使用，根据1 500MPa级十二角头MJ螺纹螺栓通用规范，规定了检验项目共20项。

4.2 试验结果分析

4.2.1 尺寸、外观及标志检验

对试验件进行尺寸、外观及标志检验，全部符合产品标准。

4.2.2 表面粗糙度、螺纹、螺纹收尾和过渡区、头下圆角R检验

表面粗糙度、螺纹、螺纹收尾和过渡区、头下圆角R符合产品标准。

4.2.3 延展性检验

材料延展性满足相关标准规范要求。

4.2.4 机械性能试验

机械性能试验包括拉伸试验、高温拉伸试验、双剪试验、高温双剪试验、疲劳试验以及应力断裂试验。试验方法均按GJB 715-1990《紧固件试验方法》进行，部分典型数据见表5，实测值大于表1、表2、表4载荷值，满足设计要求。另外拉伸疲劳试验高载按表3进行加载，低载按高载10%进行加载。试验结果满足疲劳寿命平均值不低于65 000次，单件疲劳寿命不低于45 000次，单件疲劳寿命高于130 000次按130 000次的要求。

4.2.5 微观检验

微观检验包括螺栓头部流线、螺纹流线、显微组织、磨削烧伤、螺纹不连续性缺陷、螺纹微观剪切等。鉴定试验时，样品规格同机械性能试验的样品规格。去除表面镀涂层和润滑剂，剖切取样经适当腐蚀后，放大适当倍数检查样品，其结果满足相关标准规范要求，见表6。

由此可见，所做的鉴定试验包括外观尺寸、金相检查及机械性能等试验项目，机械性能实测值均大于理论值，性能数据稳定，一致性良好，符合设计要求。