馮琳娜，殷之平，王浩然，陳曉靜

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鈦-鋁混合疊層結(jié)構(gòu)應(yīng)用開縫襯套冷擠壓技術(shù)的工藝性研究

馮琳娜1，殷之平2，王浩然1，陳曉靜1

（1.上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436；2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072）

針對在鈦合金-鋁合金混合疊層上采用開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)的工藝可行性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。根據(jù)不同的冷擠壓參數(shù)，分別對結(jié)構(gòu)形式相同的3個(gè)試驗(yàn)件上的緊固件孔進(jìn)行冷擠壓，分析對比了冷擠壓后的孔徑數(shù)據(jù)，并檢查了孔壁質(zhì)量。結(jié)果表明，在鈦-鋁混合疊層上采用開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)是可行的，并提出了適合實(shí)際的工藝參數(shù)和操作方法。

鈦合金；夾層結(jié)構(gòu)；開縫襯套；冷擠壓

1 概述

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中存在大量的緊固件孔，其帶來的孔邊應(yīng)力集中和潛在裂紋所造成的孔邊疲勞破壞，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要疲勞源。因此，如何減小孔邊應(yīng)力集中的影響，改善機(jī)體結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，確保飛機(jī)的可靠性和安全性，一直是設(shè)計(jì)人員和制造人員的重要研究課題。

開縫襯套冷擠壓工藝是提高緊固件孔抗疲勞性能的主要方式之一，其原理是將開縫襯套裝在一根具有過盈量的錐形擠壓棒上，將擠壓芯棒強(qiáng)行拉過緊固件孔，擠壓力通過開縫襯套均勻傳遞到緊固件孔壁上，使孔的周圍產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，延緩初始裂紋的產(chǎn)生和裂紋的擴(kuò)展速度，從而延長結(jié)構(gòu)的壽命[1]。

目前，國內(nèi)關(guān)于開縫襯套冷擠壓技術(shù)的應(yīng)用，僅限于對單一鋁合金材料疊層或者單一鈦合金材料疊層上的緊固件孔，對鈦合金-鋁合金混合疊層結(jié)構(gòu)則無相關(guān)可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。然而，隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)水平的提高，鈦-鋁混合夾層結(jié)構(gòu)在飛機(jī)上的應(yīng)用越來越多，這對飛機(jī)裝配工藝提出了新的要求，因此，有必要對鈦-鋁混合疊層進(jìn)行開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化的工藝可行性進(jìn)行研究。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了3組試驗(yàn)件，按不同的開縫襯套冷擠壓參數(shù)對各試驗(yàn)件上的緊固件孔進(jìn)行冷擠壓，在此基礎(chǔ)上對鈦-鋁混合疊層采用開縫襯套冷擠壓技術(shù)的工藝可行性進(jìn)行了分析和研究。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)件規(guī)劃

結(jié)合某機(jī)型特定部位的結(jié)構(gòu)形式及材料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)3個(gè)結(jié)構(gòu)形式相同的試驗(yàn)件。根據(jù)不同的冷擠壓參數(shù)對3個(gè)試驗(yàn)件分別進(jìn)行冷擠壓，詳細(xì)設(shè)計(jì)如下。

3組試驗(yàn)件均為4塊金屬板夾緊后形成的金屬疊層，4塊金屬板的長寬相同，長度為均400 mm，寬度均為200 mm，厚度均為28.8 mm，具體夾層材料如表1所示。

表1 試驗(yàn)件的疊層材料

根據(jù)機(jī)體上已采用的緊固件類型，選取NAS6809U29（－18號孔）和CFBL1003AG12-14A（－12號孔）2種緊固件孔徑進(jìn)行冷擠壓，在每個(gè)試驗(yàn)件上制16個(gè)－18孔，20個(gè)－12孔。試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)件上緊固件孔排布

2.2 開縫襯套冷擠壓工具及參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)件的夾層材料厚度及孔徑大小選擇配套的開縫襯套冷擠壓工具。對第一組試驗(yàn)件按鈦合金工藝參數(shù)進(jìn)行冷擠壓；第二組試驗(yàn)件按鋁合金工藝參數(shù)進(jìn)行冷擠壓；第三組試驗(yàn)件拆分疊層后分別對鈦板和鋁板進(jìn)行冷擠壓，鈦板采用鈦合金參數(shù)冷擠壓，鋁板采用鋁合金參數(shù)冷擠壓，然后將各層復(fù)位。鈦合金與鋁合金冷擠壓參數(shù)如表2所示。

表2中值（冷擠壓驗(yàn)證直徑）指的是冷擠壓完成后校驗(yàn)塞規(guī)的直徑，孔徑需大于值才能表明此次冷擠壓合格。

2.3 試驗(yàn)過程

將3組試驗(yàn)件定位后并夾緊，對緊固件孔進(jìn)行開縫襯套冷擠壓主要流程如圖2所示。

表2 冷擠壓工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 冷擠壓后孔徑數(shù)據(jù)分析

完成對3組試驗(yàn)件的開縫襯套冷擠壓操作后，測量試驗(yàn)件上各個(gè)孔的孔徑并記錄。

3.1.1 第一組與第二組孔徑數(shù)據(jù)分析

對第一組與第二組試驗(yàn)件上緊固件孔的初孔孔徑、冷擠壓后的孔徑進(jìn)行采樣測量，篩選后進(jìn)行分析比對，結(jié)果如圖3所示，圖中值為冷擠壓后的校驗(yàn)塞規(guī)的直徑。

注：X軸為孔的數(shù)目，Y軸為冷擠壓后孔徑大小

由圖3中的數(shù)據(jù)及實(shí)際生產(chǎn)中的工藝規(guī)定得出表3。

表3 試驗(yàn)件冷擠壓后孔徑

在以往的生產(chǎn)操作及工藝文件中，對于冷擠壓后的孔徑并沒有一個(gè)明確范圍，僅僅要求冷擠壓后孔徑必須大于值，即用冷擠壓工具配套的塞規(guī)進(jìn)行檢查，塞規(guī)通過緊固件孔即認(rèn)為冷擠壓合格。表3反映出2組試驗(yàn)件上冷擠壓后的緊固件孔徑均在要求范圍：比值（即冷擠壓后校驗(yàn)塞規(guī)直徑）要大，比終孔最大直徑要小，符合制孔工藝規(guī)范。

3.1.2 孔徑在3組試驗(yàn)件上冷擠壓后的差異

對3組試驗(yàn)件中-12的冷擠壓孔徑進(jìn)行測量并分析，對比結(jié)果如圖4所示。

注：X軸為孔的數(shù)目，Y軸為冷擠壓后孔徑

由圖4可得到三組試驗(yàn)件上－12的緊固件孔按不同擠壓參數(shù)冷擠壓后的孔徑范圍，如表4所示。

第三組試驗(yàn)件中，按鈦合金參數(shù)冷擠壓的鈦板上的孔徑與第一組試驗(yàn)件中按鈦合金參數(shù)冷擠壓的孔徑接近（相差最大0.03 mm），第三組試驗(yàn)件中按鋁合金參數(shù)冷擠壓后的鋁板上孔徑與第二組樣板按鋁板孔徑相差較大（最大0.12 mm）。

經(jīng)分析認(rèn)為導(dǎo)致此現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是當(dāng)按鋁合金參數(shù)對試驗(yàn)件進(jìn)行冷擠壓時(shí)，疊層中的鈦合金材料比鋁合金材料強(qiáng)度高，限制了鋁合金材料的擠壓量，因此，鈦-鋁疊層的擠壓量遠(yuǎn)小于單一鋁板的擠壓量；而按鈦合金參數(shù)時(shí)，則孔徑差異不明顯。表格中第三組試驗(yàn)件，同是-12孔徑按不同冷擠壓參數(shù)擠壓后孔徑不同，這導(dǎo)致復(fù)位疊層時(shí)，各層緊固件孔不同軸，為復(fù)位帶來困難，且復(fù)位后鉸孔難度提高。

表4 －12孔徑范圍

3.2 冷擠壓孔的制孔質(zhì)量

對試驗(yàn)件上冷擠壓后的孔的質(zhì)量進(jìn)行檢查，主要有以下問題。

3.2.1 翻邊

冷擠壓完成后孔的出口處有翻邊，如圖5所示，這是由于芯棒在軸向上被拉出時(shí)材料軸向受力造成的。這種翻邊對第一、二組試驗(yàn)件無影響，但由于第三組試驗(yàn)件是分開疊層進(jìn)行冷擠壓，翻邊導(dǎo)致疊層復(fù)位時(shí)各層材料之間無法緊密貼合，需要對每層金屬板的緊固件孔周邊進(jìn)行打磨。這將帶來額外的工作量，因此，實(shí)際過程應(yīng)盡量避免將疊層材料分開冷擠壓。

圖5 冷擠壓孔的周邊

3.2.2 孔壁質(zhì)量

冷擠壓后孔壁上存在微小的凸痕外形，如圖6所示。在后續(xù)的鉸孔工序中會(huì)把這個(gè)凸痕鉸掉。以往疲勞試驗(yàn)表明，鉸銷凸痕不會(huì)影響冷擠壓孔的疲勞性能[3]。

圖6 冷擠壓孔質(zhì)量

4 小結(jié)

本文分別按鈦合金冷擠壓參數(shù)和鋁合金材料冷擠壓參數(shù)，對3組試驗(yàn)件進(jìn)行了開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化，通過數(shù)據(jù)采集分析和外觀檢查得出以下結(jié)論：①第一組試驗(yàn)件（根據(jù)鈦合金參數(shù)冷擠壓）工藝實(shí)施無困難。②第二組試驗(yàn)件（根據(jù)鋁合金參數(shù)冷擠壓）工藝實(shí)施無困難，但工具選擇時(shí)應(yīng)考慮芯棒強(qiáng)度。③第三組試驗(yàn)件（將疊層分開按不同參數(shù)冷擠壓強(qiáng)化后復(fù)位）存在較多問題，比如復(fù)位后由于各夾層孔周邊有突起情況，容易造成各層材料貼合不緊密；復(fù)位會(huì)對孔的同軸度產(chǎn)生影響，因此，復(fù)位夾層時(shí)操作難度大、成本較高。④各組試驗(yàn)件進(jìn)行冷擠壓操作時(shí)材料夾層必須完全定位夾緊，因?yàn)閵A層分界面處材料的約束能力小，如果不夾緊就會(huì)在各層形成翻邊，使夾層間出現(xiàn)間隙，形成疲勞源。根據(jù)工藝試驗(yàn)結(jié)果，在鈦-鋁混合疊層上進(jìn)行開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化工藝，按鈦合金參數(shù)或鋁合金參數(shù)，工藝上都具備可行性，但如果將疊層分開后進(jìn)行冷擠壓，則工藝上存在很大困難。

［1］劉長珍，唐有乾，李立.開縫襯套冷擠壓孔工藝［J］.航空制造技術(shù)，2000（04）：46-49.

［2］張建超.開縫襯套冷擠壓技術(shù)在飛機(jī)維修中的應(yīng)用［J］.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2008（03）：43-49.

［3］汪裕炳.鋁合金孔的冷擠壓強(qiáng)化［J］.航空工藝技術(shù)，1994（06）：1-5.

V262.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.024

2095－6835（2018）22－0024－03

馮琳娜（1984—），女，碩士，現(xiàn)從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配工藝工作。

〔編輯：張思楠〕