陳允全 ，曹增強 ，秦龍剛 ， 陳麗麗 ，嚴 厲

（1. 中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限公司，成都 610000；2. 西北工業(yè)大學機電學院，西安 710072）

干涉配合是在不增加結構重量及不改變結構形式的情況下，通過緊固件和緊固件孔之間形成一定干涉，從而在孔周形成徑向壓應力，使孔邊緣處應力變化的幅度顯著降低，推遲疲勞裂紋的產(chǎn)生，從而提高疲勞壽命[1-2]。鉚接是飛機結構最主要的連接方法，鉚接質量對飛機結構強度和壽命有極大影響。干涉配合鉚接已在飛機制造中廣泛應用，可取得很好的疲勞壽命增益[3-4]。但我國目前在飛機制造中的干涉配合鉚接工藝只限于鋁合金結構，航標HB/Z223.4-2004制定了半冠狀鉚釘、平錐頭鉚釘?shù)母缮媾浜香T接工藝規(guī)范[5]，但該規(guī)范只針對鋁合金結構。鈦合金的優(yōu)異性能使其在先進飛機制造在應用的比例越來越大，鈦合金的優(yōu)異性能使得其在先進飛機制造中的應用比例越來越大[6]，如一架A380的鈦合金用量達46t[7]。鈦合金結構和鈦合金鉚釘在我國新型飛機結構中也已廣泛應用，但鈦合金結構的干涉配合鉚接目前在我國還是一個空白。作者針對某型機的實際結構（TC4鈦合金和鈦鈮鉚釘）對其干涉配合鉚接工藝進行了研究[8]。本文對鈦合金結構干涉配合鉚接的疲勞性能進行了系統(tǒng)研究，為鈦合金結構干涉配合鉚接工藝的應用提供了理論依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 試驗條件

為分析鈦合金結構干涉配合鉚接的疲勞壽命增益，需要對比普通鉚接和干涉配合鉚接的疲勞性能。影響疲勞性能的因素較多，如工藝參數(shù)、應力水平、接頭形式及應力比等。文獻[4]已對鈦合金結構干涉配合鉚接工藝參數(shù)進行了系統(tǒng)研究，提出夾層材料為TC4，鉚釘為鈦鈮鉚釘?shù)慕Y構，其釘孔間隙可以選擇0.08mm左右，鉚釘外伸量建議1.2～1.3d（d為鉚釘桿直徑），能夠形成的干涉量在0.6%～0.9%。因此疲勞試件的鉚接工藝參數(shù)參照以上研究結果。

干涉配合連接在孔周徑向形成壓應力，在軸向形成拉應力。壓應力可以降低應力幅值從而延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生，提高疲勞壽命，而拉應力的提高卻會降低疲勞壽命。最大拉應力的提高與應力幅值降低是一對互相矛盾的因素。一般來說，應力水平越高，最大拉應力提高對應力幅值降低的抵消作用越明顯，即應力水平提高時強化的疲勞增益會下降。因而干涉配合連接用于中等應力水平或中等以下應力水平的情況的疲勞壽命增益最顯著。參考文獻[1]顯示，多數(shù)金屬材料的疲勞極限是靜強度的30%～67%。綜合考慮試驗成本、研究目的等，本試驗選擇了3種應力水平：67%、60%和50%。

試驗采用INSTRON-K8801伺服液壓疲勞試驗機，靜載荷精度為0.5%；動載荷精度＜±3.0%；準直度B＜0.5%；載荷比為循環(huán)載荷中的最小值與最大值之比，本試驗采用高載傳遞接頭，載荷比取 0.1；載荷按正弦波恒幅加載；試驗環(huán)境為空氣，溫度為15～25℃。

按照強化試件疲勞試驗有關規(guī)范[5]，加載的頻率一般小于20Hz或試件溫度不超過60°的規(guī)定，本次試驗首先試加載的頻率為20Hz，試驗過程發(fā)現(xiàn)由于鈦合金材料散熱性差，試件溫度超過60°，最終選擇15Hz的頻率。

1.2 試件設計

試件的設計參考文獻[9]，試件接頭采用雙釘單剪形式，試件接頭形式如圖1所示。該試件應與接頭試件的軋制方向相同。試件材料為TC4-M鈦板，鉚釘為鈦鈮鉚釘。

圖1 疲勞試件Fig.1 Fatigue test piece

2 試驗結果及分析

2.1 普通鉚接和干涉配合鉚接的疲勞強度對比

圖2和圖3分別為半圓頭3.5mm和4mm鉚釘?shù)脑囼灲Y果。試驗發(fā)現(xiàn)，破壞形式均為釘斷。這是由于鈦鈮合金和TC4鈦合金的強度相差較大。鈦鈮合金的屈服強度僅有414MPa，抗拉伸強度為448MPa，而TC4鈦合金的屈服強度為900MPa，抗拉伸強度為950MPa。材料的疲勞極限與材料的靜強度之間有一定的近似關系，一般材料的屈服極限及強度極限越大，其疲勞極限也越大。在相同交變載荷下，鉚釘更容易發(fā)生疲勞破壞。3.5mm和4mm鉚釘?shù)母缮媾浜香T接疲勞壽命提高的幅度分別為16.2%和23.2%。

圖2 3.5mm 半圓頭鉚釘疲勞試驗對比Fig.2 3.5mm semi round head rivet fatigue comparison

圖3 4mm 半圓頭鉚釘疲勞試驗對比Fig.3 4mm semi round head rivet fatigue comparison

圖4為半圓頭鉚釘60%應力水平下疲勞對比試驗結果。試件的破壞形式仍然為釘斷，干涉配合鉚接疲勞壽命提高的幅度為51.2%，圖5、圖6分別對應于圖4中不同鉚接性質的試件斷裂圖。

圖4 半圓頭鉚釘60%應力水平下疲勞對比試驗結果Fig.4 Comparison results of semi round head rivet fatigue test with 60% stress level

圖5 普通鉚接疲勞試驗典型破壞模式—釘斷Fig.5 Typical failure mode of general riveting fatigue test-nail broken

圖7為沉頭鉚釘60%應力水平疲勞對比試驗結果?？梢钥闯?，試件的破壞形式包括板斷和釘斷兩種。這是由于盡管鈦合金板強度遠大于鈦鈮鉚釘，但由于锪窩削弱了板的強度，導致出現(xiàn)板先破壞的情況。另外，可以看到普通鉚接時，主要破壞形式為板斷，而干涉配合鉚接的主要破壞形式為釘斷，說明干涉配合對板有一定程度的強化。試驗表明干涉配合提高疲勞壽命53.8%，圖8、圖9分別對應于圖7中不同鉚接性質的試件斷裂圖。

圖10為半圓頭鉚釘50%應力水平的疲勞試驗對比結果，其中干涉配合有兩種夾層厚度。試驗表明干涉配合提高疲勞壽命分別為64.7%和87.8%，圖11、圖12分別對應于圖10中不同鉚接性質的試件斷裂圖。

2.2 不同釘孔間隙干涉配合鉚接疲勞強度對比

圖6 干涉配合疲勞試驗典型破壞模式—釘斷Fig.6 Typical failure mode of interference fit fatigue test-nail broken

圖7 沉頭鉚釘疲勞試驗結果Fig.7 Fatigue test results of countersunk rivet

圖8 普通鉚接疲勞試驗典型破壞模式—板斷Fig.8 Typical failure mode of general riveting fatigue test-plate broken

圖9 干涉配合疲勞試驗典型破壞模式—釘斷Fig.9 Typical failure mode of interference-fit fatigue test-nail broken

圖10 半圓頭鉚釘5%應力水平的疲勞試驗對比結果Fig.10 Comporison results of semi round head rivet fatigue test with 5% stress level

圖11 普通鉚接疲勞試驗破壞形式—板斷Fig.11 Failure mode of general riveting fatigue test-plate broken

圖12 干涉配合疲勞試驗破壞形式—釘斷Fig.12 Failure mode of interference-fit fatigue test-nail broken

影響干涉配合疲勞壽命的重要因素之一是干涉量。一般干涉配合連接均有一個最佳干涉量范圍[10]，而影響干涉量的主要因素是釘孔間隙。本研究面對的實際工藝條件是TC4鈦合金板和鈦鈮鉚釘，由于兩者強度相差較大，實際鉚接表明很難形成大于1%的干涉量，無法達到其最佳干涉量。為研究釘孔間隙對疲勞壽命的影響，研究選用了3種典型釘孔間隙：0.05mm、0.08mm、0.13mm。圖13和圖14為兩種規(guī)格鉚釘不同釘孔間隙的疲勞試驗結果?？梢钥闯?，釘孔間隙對疲勞壽命有較大影響，0.08mm的釘孔間隙疲勞壽命最高。

3 結論

綜合試驗結果可以得到以下結論：

（1） 對鈦合金結構實施干涉配合鉚接可以提高接頭疲勞壽命。

（2） 對于鈦合金結構干涉配合鉚接接頭，隨著加載應力水平的降低，疲勞增益更明顯；

圖13 3.5mm半圓頭鉚釘不同釘孔間隙疲勞試驗數(shù)據(jù)Fig.13 3.5mm semi round head rivet different clearance fatigue test data

圖14 4mm半圓頭鉚釘不同釘孔間隙疲勞試驗數(shù)據(jù)Fig.14 4mm semi round head rivet different clearance fatigue test data

（3） 釘孔間隙對疲勞壽命有較大影響，選取鈦鈮鉚釘?shù)腡C4鈦合金結構的最佳釘孔間隙為0.08mm左右。

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