孫君武,鄭高峰,殷銀銀,胡慶寬,孫曉軍,沈 鵬
(1.河南航天精工制造有限公司,河南省緊固連接技術(shù)重點實驗室,河南 信陽 464000;2.空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表室,河南 鄭州 450000)
由ML25材料制造的雙耳托板螺釘與常規(guī)螺釘相比,頭形特殊,具有重量輕、體積小、裝配效率高等特點,同時具有很高的連接可靠性。產(chǎn)品裝配在飛機基體上采用的是鉚接方式,由于產(chǎn)品性能要求為抗拉強度和破壞拉力,但是,在安裝使用過程中可能會受到斜向應(yīng)力的影響,這種情況下,對產(chǎn)品的性能要求會高于標準要求,頭桿結(jié)合部位受斜向應(yīng)力時可能發(fā)生斷裂,其余產(chǎn)品從螺釘外表面無法識別,不能確定產(chǎn)品的安裝可靠性。因此,對于頭桿結(jié)合部位斷裂,加工過程無法進行識別,存在較大的質(zhì)量風險。本文通過對ML25雙耳托板螺釘?shù)陌惭b斷裂故障件進行裂紋斷口分析、金相組織檢測、維氏硬度試驗,并結(jié)合ML25雙耳托板螺釘?shù)闹圃旃に嚵鞒蹋瑢嗔训漠a(chǎn)生進行了細致的分析研究,找到了原因,并提出了有效的解決改進措施,進一步完善了制造工藝。
選取故障件螺釘,斷裂實物圖如圖1所示,對斷口進行掃描電鏡分析。采用低倍放大鏡和高倍顯微鏡觀察斷口宏觀和微觀形貌,斷裂部位為螺釘頭下R根部,斷口粗糙,呈皿狀,斷口無氧化、腐蝕色彩,裂紋由邊緣向心部擴展。圖2顯示了斷裂件斷口微觀形貌,裂紋源位于螺釘外表面處,源區(qū)為準解理特征[1],局部呈解理形貌;擴展區(qū)為準解理特征;瞬斷區(qū)邊緣存在少量韌窩。斷口基本上無宏觀塑性變形,呈脆性特征,這表明托板螺釘受到斜向拉力作用下,在受力一側(cè)R處受到橫向剪切力先產(chǎn)生斷裂。通過對斷裂螺釘斷口分析,斷口呈準解理形貌,僅在瞬斷區(qū)邊緣有少量的韌窩。
圖1 故障件螺釘斷裂實物圖
圖2 斷口微觀形貌
將斷裂螺釘桿部及斷裂部位制樣進行金相檢測,組織為拉長的鐵素體和珠光體,與原材料組織保持一致。顯微組織正常,未在斷裂螺釘內(nèi)部和變形區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)典型金相和組織缺陷。
托板內(nèi)部流線連續(xù),沿頭部輪廓流向,未見切斷痕跡。由于產(chǎn)品頭形特殊,托板厚度薄且截面積大,冷鐓成形時,頭部在軸向受到壓縮,冷拔時的晶粒在拉長的方向發(fā)生改變,隨著塑性變形量的增大,其晶粒沿變形方向逐漸伸長,變形程度越大,則伸長也越顯著;當變形量過大時,其組織呈纖維狀,流線密集,流線最大密集處形態(tài)如圖3所示,沿著纖維的方向,材料的抗拉強度及韌性高,而抗剪強度低。因此螺釘在受斜向應(yīng)力時,可能沿纖維組織方向斷裂,圖示的流線最大密集處形態(tài)和斷裂螺釘斷口形貌一致。
圖3 流線最大密集處形態(tài)
由于纖維組織的影響,頭桿結(jié)合部位應(yīng)力集中,使螺釘頭桿結(jié)合強度降低。纖維組織的出現(xiàn),會引起螺釘變形區(qū)硬度的差異,進行維氏硬度檢測后,發(fā)現(xiàn)桿部為209HV,流線最大密集處為287HV,頭部上端面為243HV,這表明變形程度越大,硬度越高。
為了查找在加工過程中引起斷裂產(chǎn)生的工序,對加工過程中各工序進行了驗證和分析。ML25雙耳托板螺釘?shù)闹饕圃炻肪€為:備料—冷鐓—去應(yīng)力退火—機加工—磁粉探傷—表面處理。
材料購入后,按原材料標準要求對其機械性能、化學成分、尺寸、外觀等進行了入廠復(fù)驗,復(fù)驗結(jié)果符合原材料驗收標準中的“第4條尺寸、外形,第5.1條化學成分,第5.2條力學性能”等要求。其次,采用特殊手段對原材料進行檢測,未發(fā)現(xiàn)原材料內(nèi)部有缺陷。采用多批次原材料進行加工,則部分螺釘在斜向應(yīng)力作用下,頭桿結(jié)合部位依然會出現(xiàn)斷裂。
因此,可以斷定ML25雙耳托板螺釘頭桿結(jié)合部位的斷裂不是由原材料引起的,是在加工過程中產(chǎn)生的。產(chǎn)品的頭部是由冷鐓成形,托板頭部變形量大,形成纖維組織,頭桿結(jié)合部位應(yīng)力集中,是產(chǎn)品受斜向應(yīng)力產(chǎn)生斷裂的根本原因,此處不再贅述。冷鐓后去應(yīng)力退火,退火溫度為350℃,由于溫度較低,處理后纖維組織依然存在。冷鐓桿部鐓制通桿,單邊機加工切削量超過1mm,頭桿結(jié)合部位流線切斷。流線的切斷,削弱了頭桿結(jié)合強度,可能形成結(jié)構(gòu)薄弱處。因此,可以推斷斷裂是由托板冷鐓成形時引起的,安裝時受斜向應(yīng)力發(fā)生斷裂。通過對原材料、冷鐓、去應(yīng)力退火、機加工等工序的分析,可以推斷螺釘頭桿結(jié)合部位的斷裂由冷鐓托板形成的應(yīng)力集中引起的。
對故障件螺釘原材料進行分析,未發(fā)現(xiàn)原材料組織及成分有異常。此外,在斷口上未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)缺陷,故可以推斷螺釘斷裂與材料的冶金質(zhì)量無直接關(guān)系。通過對加工過程各工序進行分析和驗證,可以推斷螺釘斷裂是由冷鐓工序引起的。
應(yīng)力集中是在冷鐓成形時,變形量大引起的。產(chǎn)品性能等級要求為σb=590MPa~735MPa,結(jié)合產(chǎn)品性能,參考HB/Z136,可以對產(chǎn)品進行淬火回火處理。與斷裂件分析結(jié)果一致的數(shù)十批次產(chǎn)品進行淬火回火處理后,進行金相組織檢測和維氏硬度試驗,組織狀態(tài)均勻一致,托板靠近R處無流線密集,未見纖維組織,說明應(yīng)力集中已經(jīng)消除。桿部、流線最大密集處及頭部端面的維氏硬度分別為237HV、237HV及239HV,硬度均勻,受斜向應(yīng)力作用下的破壞拉力符合相關(guān)技術(shù)條件要求。
驗證表明,冷鐓成形托板時,形成的應(yīng)力集中是ML25雙耳托板螺釘受斜向應(yīng)力發(fā)生斷裂的根本原因。
為提高螺釘?shù)馁|(zhì)量穩(wěn)定性及使用可靠性,進一步優(yōu)化產(chǎn)品加工流程,防止應(yīng)力集中的形成,這就需要一種適宜大變形量加工的組織狀態(tài),細化晶粒。因此,采取在產(chǎn)品預(yù)鐓后,即托板成形前進行高溫退火處理,來改善材料的組織和性能,均勻鋼的化學成分及組織,細化晶粒,消除內(nèi)應(yīng)力,提高塑性,便于冷變形加工。高溫退火后冷鐓頭部,避免了纖維組織,從根源上避免了應(yīng)力集中的形成。
頭桿結(jié)合部位流線切斷,雖然削弱了頭桿結(jié)合強度,可能形成結(jié)構(gòu)薄弱處,但并不是螺釘受斜向應(yīng)力斷裂的原因。為更好的優(yōu)化產(chǎn)品加工過程,冷鐓成形頭部采用接近產(chǎn)品頭部輪廓的成形形狀,減小頭部變形量,桿部采用強縮徑避免頭桿結(jié)合部位的切削加工,合理有效的進行加工,同時進一步的避免了應(yīng)力密集的產(chǎn)生。
通過對斷裂產(chǎn)生的原因分析可以推斷出:
改善托板成形前預(yù)鐓組織狀態(tài)和減小頭部變形量能夠解決螺釘?shù)臄嗔压收希粭U部強縮成形,避免頭桿結(jié)合部位機加工可以進一步增加螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)強度。由于產(chǎn)品托板為橢圓形,因此冷鐓后的頭部結(jié)構(gòu)可以調(diào)整為橢圓形,減小產(chǎn)品的頭部變形量。
因此,針對ML25雙耳托板螺釘在安裝過程中斷裂的故障,課題組采用桿部強縮徑確保頭桿結(jié)合部位流線連續(xù),對冷鐓前的預(yù)鐓進行高溫退火改善其組織狀態(tài)的方案。
ML25材料進行高溫退火將原始拉長的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S形態(tài)的均勻珠光體組織,達到材料塑性增加,利于托板大變形量的加工目的。托板成形后未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中,再進行淬火回火處理,產(chǎn)品高溫退火產(chǎn)生的珠光體及鐓壓產(chǎn)生的變形組織可以轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織均勻的回火索氏體,最終實現(xiàn)材料強化,滿足產(chǎn)品性能。
通過對ML25雙耳托板螺釘工藝進行改進,改進后的工藝路線為:備料—預(yù)鐓—高溫退火—終鐓—淬火回火—滲透探傷—表面處理。采用改進后的工藝路線加工ML25雙耳托板螺釘,螺釘?shù)念^桿結(jié)合部位斷裂得到了排除。最終性能檢測結(jié)果也表明:工藝改進后ML25雙耳托板螺釘?shù)慕鹣嘟M織、性能均滿足相關(guān)標準及使用要求。
(1)通過對螺釘斷裂件進行斷口分析、組織檢測,以及加工中原材料組織、頭部變形量進行分析和驗證,發(fā)現(xiàn)雙耳托板螺釘在冷鐓工序中由于頭部變形量大形成的應(yīng)力集中,低溫退火無法消除,是安裝過程中受斜向應(yīng)力發(fā)生斷裂的根本原因。
(2)解決ML25雙耳托板螺釘應(yīng)力集中的措施是對螺釘預(yù)鐓坯料進行高溫退火處理,改善組織狀態(tài),細化晶粒,得到適宜大變形量加工的組織。
(3)通過對ML25雙耳托板螺釘工藝進行研究和優(yōu)化,在頭部預(yù)鐓后增加高溫退火工序,頭部成形后增加淬火回火工序,ML25雙耳托板螺釘應(yīng)力集中得到了有效的排除,同時滿足產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)條件及安裝使用要求。