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        ML25雙耳托板螺釘斷裂分析及工藝研究

        2021-07-01 05:46:50孫君武鄭高峰殷銀銀胡慶寬孫曉軍
        中國(guó)金屬通報(bào) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:冷鐓托板雙耳

        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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 信陽(yáng) 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(diǎn),同時(shí)具有很高的連接可靠性。產(chǎn)品裝配在飛機(jī)基體上采用的是鉚接方式,由于產(chǎn)品性能要求為抗拉強(qiáng)度和破壞拉力,但是,在安裝使用過程中可能會(huì)受到斜向應(yīng)力的影響,這種情況下,對(duì)產(chǎn)品的性能要求會(huì)高于標(biāo)準(zhǔn)要求,頭桿結(jié)合部位受斜向應(yīng)力時(shí)可能發(fā)生斷裂,其余產(chǎn)品從螺釘外表面無法識(shí)別,不能確定產(chǎn)品的安裝可靠性。因此,對(duì)于頭桿結(jié)合部位斷裂,加工過程無法進(jìn)行識(shí)別,存在較大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。本文通過對(duì)ML25雙耳托板螺釘?shù)陌惭b斷裂故障件進(jìn)行裂紋斷口分析、金相組織檢測(cè)、維氏硬度試驗(yàn),并結(jié)合ML25雙耳托板螺釘?shù)闹圃旃に嚵鞒?,?duì)斷裂的產(chǎn)生進(jìn)行了細(xì)致的分析研究,找到了原因,并提出了有效的解決改進(jìn)措施,進(jìn)一步完善了制造工藝。

        1 問題分析

        1.1 斷口分析

        選取故障件螺釘,斷裂實(shí)物圖如圖1所示,對(duì)斷口進(jìn)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(kuò)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(zhǔn)解理特征[1],局部呈解理形貌;擴(kuò)展區(qū)為準(zhǔn)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(duì)斷裂螺釘斷口分析,斷口呈準(zhǔn)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(shí)物圖

        圖2 斷口微觀形貌

        1.2 金相組織和硬度分析

        將斷裂螺釘桿部及斷裂部位制樣進(jìn)行金相檢測(cè),組織為拉長(zhǎng)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(shí),頭部在軸向受到壓縮,冷拔時(shí)的晶粒在拉長(zhǎng)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(zhǎng),變形程度越大,則伸長(zhǎng)也越顯著;當(dāng)變形量過大時(shí),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(qiáng)度及韌性高,而抗剪強(qiáng)度低。因此螺釘在受斜向應(yīng)力時(shí),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(qiáng)度降低。纖維組織的出現(xiàn),會(huì)引起螺釘變形區(qū)硬度的差異,進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)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。

        1.3 加工過程分析

        為了查找在加工過程中引起斷裂產(chǎn)生的工序,對(duì)加工過程中各工序進(jìn)行了驗(yàn)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(jī)加工—磁粉探傷—表面處理。

        材料購(gòu)入后,按原材料標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)其機(jī)械性能、化學(xué)成分、尺寸、外觀等進(jìn)行了入廠復(fù)驗(yàn),復(fù)驗(yàn)結(jié)果符合原材料驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中的“第4條尺寸、外形,第5.1條化學(xué)成分,第5.2條力學(xué)性能”等要求。其次,采用特殊手段對(duì)原材料進(jìn)行檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)原材料內(nèi)部有缺陷。采用多批次原材料進(jìn)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(huì)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(jī)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(qiáng)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(shí)引起的,安裝時(shí)受斜向應(yīng)力發(fā)生斷裂。通過對(duì)原材料、冷鐓、去應(yīng)力退火、機(jī)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。

        2 方案分析及驗(yàn)證

        對(duì)故障件螺釘原材料進(jìn)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(duì)加工過程各工序進(jìn)行分析和驗(yàn)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(shí),變形量大引起的。產(chǎn)品性能等級(jí)要求為σb=590MPa~735MPa,結(jié)合產(chǎn)品性能,參考HB/Z136,可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)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(jìn)行淬火回火處理后,進(jìn)行金相組織檢測(cè)和維氏硬度試驗(yàn),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(yàn)證表明,冷鐓成形托板時(shí),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(jìn)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(xì)化晶粒。因此,采取在產(chǎn)品預(yù)鐓后,即托板成形前進(jìn)行高溫退火處理,來改善材料的組織和性能,均勻鋼的化學(xué)成分及組織,細(xì)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(qiáng)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(qiáng)縮徑避免頭桿結(jié)合部位的切削加工,合理有效的進(jìn)行加工,同時(shí)進(jìn)一步的避免了應(yīng)力密集的產(chǎn)生。

        3 解決措施

        通過對(duì)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(qiáng)縮成形,避免頭桿結(jié)合部位機(jī)加工可以進(jìn)一步增加螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)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(duì)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(qiáng)縮徑確保頭桿結(jié)合部位流線連續(xù),對(duì)冷鐓前的預(yù)鐓進(jìn)行高溫退火改善其組織狀態(tài)的方案。

        ML25材料進(jìn)行高溫退火將原始拉長(zhǎng)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(dá)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(jìn)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(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)化,滿足產(chǎn)品性能。

        通過對(duì)ML25雙耳托板螺釘工藝進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)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(jìn)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(cè)結(jié)果也表明:工藝改進(jìn)后ML25雙耳托板螺釘?shù)慕鹣嘟M織、性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及使用要求。

        4 結(jié)論

        (1)通過對(duì)螺釘斷裂件進(jìn)行斷口分析、組織檢測(cè),以及加工中原材料組織、頭部變形量進(jìn)行分析和驗(yàn)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(duì)螺釘預(yù)鐓坯料進(jìn)行高溫退火處理,改善組織狀態(tài),細(xì)化晶粒,得到適宜大變形量加工的組織。

        (3)通過對(duì)ML25雙耳托板螺釘工藝進(jìn)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(shí)滿足產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)條件及安裝使用要求。

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