■ 河南航天精工制造有限公司 （河南信陽 464000） 石大鵬 李祥軍 趙彥偉 劉前峰 付建建

1. 帶鍵螺套銷鍵結(jié)構(gòu)及性能要求

隨著國內(nèi)航空航天發(fā)動機(jī)研制工作的快速開展，帶鍵螺套類產(chǎn)品越來越多地應(yīng)用到發(fā)動機(jī)機(jī)匣部位的安裝聯(lián)接上。如圖1所示，帶鍵螺套由螺套基體及嵌裝在基體鍵槽中的2個或4個銷鍵組成，選用高溫合金材料和優(yōu)質(zhì)不銹鋼制造，具有聯(lián)接強(qiáng)度高、壽命長、可靠性高和使用方便的特點(diǎn)。裝配時將帶鍵螺套旋入機(jī)匣內(nèi)螺紋孔，再打入銷鍵，可形成高強(qiáng)度、抗扭轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)外螺紋，可以保護(hù)機(jī)匣螺紋孔不受損傷，提高螺紋孔的聯(lián)接強(qiáng)度和耐磨性。

圖1 帶鍵螺套結(jié)構(gòu)示意

帶鍵螺套的異型銷鍵結(jié)構(gòu)如圖2所示，其體積小，但結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧。作為螺套裝配在機(jī)匣體上防松止動的關(guān)鍵零件，要求其具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的抗腐蝕性能。根據(jù)國外樣件分析，銷鍵材料對應(yīng)國產(chǎn)的1Cr18Ni9不銹鋼絲，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)1 400MPa，表面質(zhì)量要求也非常高。目前國產(chǎn)1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼絲原材料抗拉強(qiáng)度一般小于900MPa。而高強(qiáng)度1Cr18Ni9彈簧鋼絲無法有效滿足銷鍵特殊型面及規(guī)格要求。前期采用特殊冷軋變形強(qiáng)化方法已使銷鍵抗拉強(qiáng)度提高到了1 100MPa，型面尺寸基本滿足使用要求，但抗扭轉(zhuǎn)持續(xù)能力較弱，強(qiáng)度及表面質(zhì)量與國外樣件相比還有一定差距，在使用中存在一定的安全隱患。因此，如何獲得高強(qiáng)度的銷鍵產(chǎn)品是急需解決的問題，開展高強(qiáng)度銷鍵材料及成形工藝的研究迫在眉睫。

2. 原材料化學(xué)成分對銷鍵性能的影響

材料化學(xué)成分是影響銷鍵性能和加工方式的主要因素之一。其中碳、鉻元素主要表現(xiàn)出對銷鍵性能的影響；硫、磷元素主要表現(xiàn)出對銷鍵軋制加工的影響，硫、磷含量不合適易造成軋制開裂。因此，在采購原材料時，要求必須為電渣重熔料，且各種元素的含量必須嚴(yán)格控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)。

3. 圓絲性能和尺寸對銷鍵性能的影響

目前銷鍵的成形方式是圓絲軋制成扁絲，再由扁絲軋制成銷鍵，如圖3所示。所以影響銷鍵抗拉強(qiáng)度的主要因素有軋制扁絲前圓絲的性能及尺寸、軋制銷鍵前扁絲的性能以及銷鍵的軋制方式等。

圖2 帶鍵鎖緊螺套的銷鍵結(jié)構(gòu)示意

確定合適的扁絲抗拉強(qiáng)度（硬度）是該項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)之一。扁絲抗拉強(qiáng)度或硬度的高低直接影響后續(xù)銷鍵的加工及性能。如扁絲抗拉強(qiáng)度（硬度）過高，則產(chǎn)品軋制困難；扁絲抗拉強(qiáng)度（硬度）偏低，則銷鍵性能可能達(dá)不到規(guī)定要求。目前存在的主要問題是銷鍵強(qiáng)度達(dá)不到1 400MPa，因此需要進(jìn)一步提升扁絲的強(qiáng)度。

扁絲抗拉強(qiáng)度（硬度）與圓絲尺寸、抗拉強(qiáng)度及加工方式有密切關(guān)系。首先要確定合適的圓絲尺寸，在圓絲尺寸一定的情況下，確定圓絲強(qiáng)度與扁絲的抗拉強(qiáng)度（硬度）及扁絲的加工工藝之間的關(guān)系。為保證扁絲的性能符合要求，需嚴(yán)格控制圓絲的性能，圓絲抗拉強(qiáng)度既不能過高，也不能太低，如果圓絲抗拉強(qiáng)度過高，軋制扁絲時易開裂；抗拉強(qiáng)度過低，則達(dá)不到扁絲的硬度要求。

圖3 銷鍵成形工序

4. 產(chǎn)品試制

根據(jù)上述分析，最終確定對銷鍵性能起決定作用的主要是圓絲的尺寸及強(qiáng)度，因此選擇4批不同強(qiáng)度、不同外圓尺寸的圓絲進(jìn)行試制，4種材料均按同規(guī)格銷鍵進(jìn)行加工，實(shí)際硬度值見表1（因銷鍵軋制成形后無法進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測量，所以按照HB0-9進(jìn)行硬度換算，1 400MPa強(qiáng)度值對應(yīng)429HV硬度值）。

根據(jù)表1硬度數(shù)據(jù)可知，4項(xiàng)銷鍵鍵舌部位經(jīng)軋制成形后，超出標(biāo)準(zhǔn)要求0～40HV，但鍵柄部位卻低于標(biāo)準(zhǔn)值30～40HV。分析其原因，主要是因?yàn)殒I柄部位從圓絲到銷鍵成形僅經(jīng)兩次軋制，而鍵舌部位是在鍵柄基礎(chǔ)上再次軋制，變形量大，造成硬度整體偏高。而實(shí)際裝配時主要是鍵柄部位嵌入發(fā)動機(jī)機(jī)匣，從而起到抗扭轉(zhuǎn)的作用，是銷鍵的主要性能考核部位，所以，通過以上試驗(yàn)，說明4種不同強(qiáng)度、不同尺寸圓絲均無法滿足性能要求。

通過表1可見，第1組和第2組圓絲強(qiáng)度相當(dāng)，且第2組強(qiáng)度要略高于第1組，但經(jīng)軋制成形后，第1組銷鍵鍵舌部位硬度值卻高出第2組40HV，鍵柄部位也高出10HV。同樣，第3、4組原材料強(qiáng)度遠(yuǎn)低于第2組，但其銷鍵成形硬度仍高出第2組。分析認(rèn)為，第1、3、4組備料圓絲外圓為d1.32mm，而第2組備料圓絲外圓為d1.26mm，因?yàn)?Cr18Ni9材料主要靠冷變形硬化提高強(qiáng)度，在經(jīng)過多次變形后，外圓大的圓絲變形量相對要大，軋制時冷作硬化效果更加明顯。

表1 不同圓絲尺寸、性能對應(yīng)的銷鍵強(qiáng)度

第1組和第3、4組均采用d1.32mm外圓的圓絲加工成形，但第1組原材料強(qiáng)度明顯高于另外兩組。通過試驗(yàn)對比，第1組相對于另外兩組，鍵柄部位硬度略有提高，而鍵舌部位硬度卻高出10～30HV。分析可知，原材料強(qiáng)度差異造成最終性能的不同，但影響相對較小。

通過以上分析可知：

1）圓絲外圓尺寸對銷鍵最終成形性能有較大的影響，應(yīng)適量加大圓絲外圓尺寸，以尋求更大的變形量。

2）圓絲強(qiáng)度對銷鍵性能有一定的影響，可適量提升圓絲強(qiáng)度，從而保證銷鍵強(qiáng)度。

在以上試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇外圓尺寸為d1.38mm、強(qiáng)度為1 100MPa的圓絲加工成兩種不同規(guī)格的銷鍵，實(shí)際硬度值見表2。

由表2可知，在增大圓絲外圓尺寸為d1.38mm、同時適量提升圓絲強(qiáng)度至1 100MPa后，銷鍵經(jīng)過軋制成形，其性能有大幅度的提升，其中鍵柄作為性能主要考核部位，硬度平均值均達(dá)450HV（換算強(qiáng)度為1 500MPa）以上，滿足1 400MPa高強(qiáng)度性能要求。但是，在試制過程中發(fā)現(xiàn)，在加大了圓絲外圓尺寸及強(qiáng)度的情況下，圓絲軋制扁絲、扁絲軋制銷鍵的過程中，出現(xiàn)銷鍵型面質(zhì)量差、個別尺寸有偏差等情況。經(jīng)分析因變形量加大，變形金屬的表面發(fā)生劇烈的更新，從而使金屬黏結(jié)工模具的現(xiàn)象嚴(yán)重。為減少或消除這種現(xiàn)象，在擠壓時一般需要采用潤滑劑。擠壓時潤滑劑的作用是降低磨擦系數(shù)和擠壓力，擴(kuò)大擠壓坯料長度，改善擠壓過程金屬流動性質(zhì)和均勻性。經(jīng)多次試制，最終選擇在軋制過程中使用專用航空潤滑油進(jìn)行冷卻、潤滑，可解決問題。

表2 不同圓絲尺寸、性能對應(yīng)的銷鍵強(qiáng)度

同時，為了驗(yàn)證銷鍵強(qiáng)度提升后的抗扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，對帶鍵螺套進(jìn)行了抗扭試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)抗扭試驗(yàn)力矩上限提升40%時，試驗(yàn)螺栓出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象，而此時螺套依然穩(wěn)定地保持在鋁基體工裝之中。可見，銷鍵經(jīng)研制改性后，抗扭轉(zhuǎn)能力極強(qiáng)，可有效保證帶鍵螺套應(yīng)用穩(wěn)定性。

5. 結(jié)語

通過研究，成功研制出了1Cr18Ni9材料1 400MPa高強(qiáng)度銷鍵，也找出了影響銷鍵性能的關(guān)鍵因素，主要有以下幾點(diǎn)：

1）原材料雜質(zhì)含量對銷鍵成形性能有一定的影響，要求原材料采用電渣重熔料。

2）圓絲外圓尺寸和性能是影響銷鍵最終性能的關(guān)鍵因素，其中外圓尺寸影響最大，當(dāng)圓絲外圓尺寸為d1.38mm、強(qiáng)度達(dá)到1 100MPa時，銷鍵可滿足1 400MPa高強(qiáng)度要求。

3）采用航空潤滑油進(jìn)行過程冷卻，可解決銷鍵軋制過程中型面質(zhì)量差、尺寸偏差等問題。