胡愈刚，周　亮，王晓平，贾军锋

(中国人民解放军驻陕西飞机工业(集团)有限公司军事代表室，陕西 汉中 723200)



孔边R型面挤压强化工艺技术研究

胡愈刚，周亮，王晓平，贾军锋

(中国人民解放军驻陕西飞机工业(集团)有限公司军事代表室，陕西 汉中 723200)

摘要：针对小孔挤压、喷丸工艺无法有效提高零件孔边R型面的疲劳强度问题，研究提出了一种新型孔边R型面挤压强化工艺技术，设计了一套有效的挤压工艺装备。通过工艺试验验证表明，挤压后的孔边R型面与孔边、孔壁的过渡更圆滑，显著降低了R型面的表面粗糙度，大幅提高了其表面残余压应力水平，增大了残余压应力层厚度，使孔结构的疲劳寿命提高了40倍。

关键词：孔边R；挤压强化；残余压应力；疲劳寿命

由于现代飞机起落架零部件的长寿命、高可靠性要求，需要300M钢、A-100钢等超高强度钢以及TC18高强度钛合金等新材料的大量应用。尽管这些高强度材料能使起落架结构的强度大大提高，但由于它们对应力集中更加敏感的缺点，给起落架零部件的抗疲劳设计制造提出了更高的技术要求。

经统计，85%以上的起落架零部件断裂是由于疲劳断裂所致，且疲劳裂纹大多萌发于应力集中部位。而作为结构上不连续处的孔，是最典型的应力集中源之一。起落架上的孔，除减轻孔外，大多起固定连接或传力作用，它们大多分布在主传力路径上的关键疲劳受力部位，服役期间长期承受冲击振动和疲劳交变载荷。对这些孔，如果不采取特殊的强化工艺，极易在孔连接处发生疲劳断裂。

目前，国内外在起落架零部件的抗疲劳制造技术中，最常用的是孔的冷挤压强化技术和喷丸强化技术。孔的冷挤压强化技术能显著提高孔壁的抗疲劳性能，但对孔边R处的强化作用效果不明显；而喷丸强化工艺要求喷丸过程中弹丸流与零件表面垂直，而在孔边R处弹丸流与零件表面一般都不垂直，使得孔边R处的实际喷丸强化效果大幅减少。孔边R处是孔结构应力集中最严重的部位，在服役过程中最易萌发疲劳裂纹，是孔结构中应优先考虑强化的薄弱部位；因此，研究先进的孔边R型面抗疲劳制造技术对提高高强度材料起落架零部件的工作耐久性是十分有益且必要的。

1孔边R型面挤压过程原理

孔边R型面实施挤压强化的原理简图如图1所示。先在孔边R型面两侧放置上、下挤压头，下挤压头在支承面作用下固定不动，拉拔螺栓穿过2个挤压头中心孔，在动力源拉拔力F作用下，对上挤压头进行挤压，2个挤压头做相对运动，从而对两侧孔边R型面实施挤压，使孔边R型面发生适量微小塑性变形，从而大大改善弱应力集中，并产生一定深度的残余压应力分布，起到显著提高孔边R部位疲劳强度的效果。

图1　孔边R型面挤压原理图

2孔边R型面挤压设备

只要拉拔力控制适当，挤压头设计合理，就可挤压产生合适的微变形；因此，拉拔液压缸和孔边R挤压头是最关键的挤压部件。这两大部件决定了最终的挤压力大小和挤压接触界面，从而直接决定了挤压强化效果。

拉拔液压缸结构图如图2所示，接头1与手摇泵相连，拉拔螺栓穿过接头2中心孔与活塞杆连接。工作时，手摇泵输出的液压油推动活塞杆，产生拉拔力，作用于孔边R上、下挤压头上，以实现一次挤压同时强化孔两侧R型面的目的。通过手摇泵可精确控制拉拔力的大小，以实现不同孔边R型面微变形的需要。

图2　拉拔液压缸结构图

挤压时，挤压头既要与孔边R型面充分接触，尽量等压挤压，又不能影响孔边R型面以外的区域，挤压后也不允许在孔边R型面及其周围留下突变痕迹；因此，挤压头与零件孔边R型面的接触界面设计也至关重要。通常接触界面包括完全贴合区和未完全贴合过渡区(见图3)。挤压头完全贴合区半径R1与零件孔边R相同，未完全贴合过渡区与零件孔壁或端面成10°夹角，并与完全贴合区相切，未完全贴合区与孔边R型面的最大间距为0.02 mm。由于材料弹塑性变形[1]，在挤压过程中过渡区材料仍将被挤压，但塑性变形在该区域将渐变过渡，越往外变形越小，从而保证挤压后孔边R型面及其周围过渡圆滑。

图3　接触界面

3试验材料和研究方法

试验材料为300M钢，其化学成分和室温拉伸性能见表1和表2。300M钢的热处理制度为925 ℃正火、空冷；再用680℃回火、空冷。试验采用中间带孔的疲劳试片，小孔直径为φ14.2H11 mm，孔两边倒圆角为R1 mm。

表1　300M钢的化学成分(质量分数)　(%)

表2　300M钢的拉伸性能

试验时，通过手摇泵控制拉拔液压缸的进油压力，实现不同拉拔力作用下挤压强化试样孔边R型面。然后采用FEI QUANTA600型扫描电镜对比观察挤压前、后的试样显微组织，用XStress3000应力仪测试挤压前、后试样孔边R处的残余应力梯度分布，在MTS疲劳试验机上进行对比疲劳试验(σmax=700 MPa，应力比R=0.1)，最终在电镜下观察疲劳断口。

4试验结果及分析

孔边R挤压强化前、后的微观轮廓对比如图4所示。可以看出挤压前孔边R型面在与孔壁、外表面相接处有明显棱角，说明零件加工后在孔边R型面仍留有较为尖锐的过渡刀痕。当孔边R型面挤压后，在径向压缩变形下，棱角即被去除，孔壁和外表面处形成了圆滑过渡。

图4　挤压前、后孔边R型面的微观轮廓

孔边R型面挤压强化前、后的微观形貌图如图5所示。从图5中可明显看出，挤压前孔边R型面表面加工刀痕较深，表面粗糙度Ra值为1.0 μm；挤压强化后，刀痕深度变浅，大部分被去除，表面粗糙度Ra值减小为0.3 μm。由此看来，通过挤压，使孔边R型面产生沿径向的压缩变形，能大大减轻或消除机械加工刀痕，显著改善孔边R型面的表面质量，大幅减轻应力集中。

图5　挤压前、后孔边R的型面微观形貌

挤压前、后孔边R型面处沿深度方向的残余压应力测试结果如图6所示。图6数据表明，挤压前、后孔边R型面处的残余应力随深度纵深递减分布。孔边R型面未挤压的试样，残余压应力较小，最大残余压应力位于材料表面，仅为150 MPa。到深度为120 μm处时，残余压应力接近于0。当孔边R型面挤压后，深度方向的残余压应力显著增大，表面的最大残余压应力高达585 MPa，即使深度到120 μm位置时，仍有155 MPa的较大残余压应力；因此，经过孔边R型面挤压后，表面及内部残余压应力得到大幅度提高，残余压应力层深度也得以延伸，从而有效减小零件在交变载荷作用下拉应力的作用效果。

图6　挤压前、后孔边R型面深度方向残余应力分布

不同挤压力作用挤压强化孔边R型面后，各试样的疲劳寿命曲线如图7所示，其中孔边R型面挤压力为0的情况，表示试样孔边R型面未经挤压强化。从图7中可以明显看出，经孔边R挤压强化后，可提高试样的疲劳寿命20倍以上；当挤压力为21 MPa时，对试样孔边R型面的疲劳寿命提高最大，达到40倍；另外，不同挤压力作用下的强化效果相差较大，过大或过小的挤压力，都不能使挤压强化效果达到最佳。这是因为挤压力过小，则无法起到形变强化的最大效果；若挤压力过大，反而容易在孔边R表面产生新的压痕，进而在疲劳过程中发展为裂纹源，削弱强化效果。

图7　不同挤压力下试样孔边R型面的疲劳寿命

将疲劳断裂的未经挤压和挤压过的试样进行断口分析，其结果如图8所示。从图8可以看出未经挤压的试样，其疲劳裂纹源多萌生于孔边R型面表面；而挤压强化过的孔边R型面试样，其疲劳裂纹源被赶到孔壁表面的薄弱处。这说明挤压后，孔边R型面的疲劳强度得到了明显提高。

图8　疲劳断口分析

5结语

综上所述，可以得出如下结论。

1)通过挤压孔边R型面，一是有效去除了R型面与孔壁、外表面的过渡棱角，使彼此间的过渡更加圆滑；二是大大减轻或消除了R型面上的机械加工刀痕，将其表面粗糙度Ra值由1.0 μm降为0.3 μm，显著改善了整个R型面的表面质量。

2)挤压后，R型面深度方向的残余压应力明显变大，表层的最大残余压应力由150 MPa提高到585 MPa，残余压应力层也被纵深延伸。

3)挤压后，R型面的疲劳寿命大大提高。对于φ14.2H11、R1 mm的孔，当挤压力为21 MPa时，强化效果最好，能将R型面的疲劳寿命提高40倍。但过大或过小的挤压力，都不能将挤压强化效果发挥到最佳。

参考文献

[1] 王亮，汝继刚，李惠曲. 孔挤压强化工艺对7A12铝合金组织及疲劳性能影响的研究[J].新技术新工艺，2014(11)：14-17.

责任编辑郑练

The Research on the Expansion Process for Hole’s Edge R

HU Yugang, ZHOU Liang, WANG Xiaoping, JIA Junfeng

(Military Agent’s Room of the PLA Stationed to Shanxi Aircraft Manufacturing Corporation, Hanzhong 723200, China)

Abstract：While the hole expansion process and shot peening process can’t improve the fatigue strength of the hole’s R surface effectively, a new hole’s edge R expansion process is developed. By process tests with the new expansion equipments, the results show the new process could make the surface of the hole structure more smooth, improve the surface roughness of the hole’s edge R significantly, the level of residual compressive stress on the surface could been improved greatly, and the thickness of the residual compressive stress layer could been increased. The fatigue life of the hole structure could been increased by 40 times.

Key words:hole’s edge R, expansion strength, residual compressive stress, fatigue life

收稿日期：2015-05-11

作者简介：胡愈刚(1987-)，男，工程师，大学本科，主要从事航空机械等方面的研究。

中图分类号：V 261.2

文献标志码:A