李正暉 張 喆

（中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089）

1500MPa級(jí)十二角頭MJ螺紋合金鋼螺栓的研制

李正暉 張 喆

（中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089）

論述了1 500MPa級(jí)鎳基合金Incone l718螺栓的研制特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)果表明，1 500 MPa級(jí)Incone l718螺栓能滿足飛機(jī)對(duì)高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命、耐腐蝕緊固件的需求，實(shí)現(xiàn)了1 500 MPa級(jí)Incone l718螺栓國(guó)內(nèi)供應(yīng)的目標(biāo)。

鎳基合金；螺栓； MJ螺紋

隨著飛機(jī)長(zhǎng)壽命、大載荷、高可靠性的發(fā)展，飛機(jī)關(guān)鍵區(qū)域及應(yīng)力集中的連接部位需要1 500 MPa級(jí)高強(qiáng)度合金鋼螺栓，因此需研制高強(qiáng)度合金鋼螺栓，以滿足連接要求和飛機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)需求。

1 緊固件的設(shè)計(jì)

1.1 材料選擇

鎳基合金Incone l718由于強(qiáng)度高、耐熱性好和耐蝕性能好，在650℃以下組織性能穩(wěn)定，正成為航空領(lǐng)域用途極為廣泛的高溫合金之一，在國(guó)外大型軍、民用飛機(jī)上廣泛使用。因此選擇鎳基合金Incone l718來制作飛機(jī)關(guān)鍵部位的1 500MPa級(jí)連接螺栓。

1.2 結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)國(guó)內(nèi)外航空緊固件的使用情況，選取十二角頭MJ螺紋螺栓結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研制。1 500MPa級(jí)十二角頭MJ螺紋螺栓結(jié)構(gòu)見圖1。

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

螺栓的破壞性質(zhì)絕大多數(shù)屬于疲勞破壞。在整個(gè)螺栓的疲勞破壞中，螺栓斷裂大部分發(fā)生在頭部、螺紋、螺紋與桿部交接處。這是由于頭桿交接處、螺紋部分、光桿與螺紋交接處都是應(yīng)力集中部位。因此，螺栓疲勞壽命的提高主要是針對(duì)此3處進(jìn)行強(qiáng)化來提高疲勞壽命。

1.3.1 頭下圓角

Inconel 718棒材強(qiáng)度高，熱加工性能較好，采用了頭部熱鐓成型技術(shù)，以保證具有合理的流線，同時(shí)采用了熱處理后對(duì)頭下圓角施加一定壓應(yīng)力進(jìn)行冷滾壓強(qiáng)化，形成圓弧過渡，如圖2。一方面圓弧過渡可以降低此處應(yīng)力集中程度；另一方面，在滾壓過程中，此處形成一定厚度的硬化層來提高螺栓抗疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的能力。

1.3.2 螺紋區(qū)

螺栓采用抗疲勞性能好的MJ螺紋，加工方法采用滾制。MJ螺紋具有高尺寸精度、外螺紋牙底采用了較大半徑的牙底圓弧等特點(diǎn)，同時(shí)采用熱處理后進(jìn)行滾壓螺紋制造工藝，從而使零件表面質(zhì)量提高，螺紋連接疲勞強(qiáng)度大大增強(qiáng)。螺紋零件的疲勞強(qiáng)度受牙底圓弧半徑的影響極為敏感，即牙底圓弧半徑較大的抗疲勞能力明顯高于牙底圓弧半徑較小的，MJ螺紋正是為了適應(yīng)這種需要而設(shè)計(jì)的。1.3.3 螺紋過渡區(qū)

目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的螺紋緊固件螺紋收尾與桿部的過渡區(qū)采用倒角形式。安裝時(shí)易劃傷孔壁。本次研究中對(duì)螺栓螺紋大徑進(jìn)行了修正，螺紋大徑小于光桿直徑，同時(shí)也小于安裝孔徑，因此安裝時(shí)螺紋部分不會(huì)接觸孔壁。

另外對(duì)螺栓光桿與螺紋收尾之間的過渡區(qū)采用連續(xù)平滑圓弧過渡，降低此處應(yīng)力集中程度，同時(shí)避免劃傷孔壁，如圖3所示。

2 考核指標(biāo)的確定

1 500MPa級(jí)十二角頭MJ螺紋螺栓在使用過程中重要的4項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)為：抗拉載荷、雙剪載荷、疲勞載荷、應(yīng)力斷裂載荷，本節(jié)根據(jù)相應(yīng)理論同時(shí)參考NASM 85604-2000《高溫高強(qiáng)度鎳基合金花鍵頭抗拉螺栓通用規(guī)范》計(jì)算出4項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)值。

2.1 抗拉載荷

螺栓在軸線方向上受拉伸載荷時(shí)，螺紋區(qū)為受力薄弱區(qū)，因此計(jì)算抗拉載荷應(yīng)根據(jù)螺紋區(qū)的承受能力來計(jì)算，承拉受力面積應(yīng)根據(jù)螺紋中徑進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)GJB 3.2A-2003《MJ螺紋 第2部分：螺栓和螺母螺紋的極限尺寸》 ，MJ螺紋中徑d2值見表1，拉伸載荷計(jì)算公式見式（1），482℃時(shí)的抗拉載荷按照室溫抗拉載荷的80%來計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

式中： N為抗拉載荷；σb為抗拉強(qiáng)度（本文中為1 500MPa）；d2為螺紋中徑。

表1 拉伸載荷值

2.2 雙剪載荷

螺栓受剪切時(shí)，主要由光桿部分承受剪切載荷，因此螺栓剪切載荷面積按螺栓公稱直徑進(jìn)行計(jì)算即可。同時(shí)，螺栓剪切試驗(yàn)一般測(cè)量雙剪載荷，計(jì)算公式見式（2），482℃時(shí)的雙剪載荷按照室溫雙剪載荷的80%來計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

式中： Nτ為剪切載荷；d為螺栓桿徑；τ為抗剪強(qiáng)度（本文中為860 MPa）。

表2 剪切載荷值

2.3 疲勞載荷

飛機(jī)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，螺栓裝到結(jié)構(gòu)上后，加載一定預(yù)緊力，同時(shí)會(huì)承受其他載荷，螺栓在初始狀態(tài)承受軸向載荷占其抗拉載荷百分比不確定，因此，螺栓拉伸疲勞試驗(yàn)載荷無法通過計(jì)算得出。在國(guó)內(nèi)外研究中，拉伸疲勞高載一般都處于抗拉載荷的30%～52%之間，在實(shí)際使用過程中各規(guī)范中規(guī)定不同。本文參考NASM 85604-2000，對(duì)設(shè)計(jì)的螺栓疲勞高載所占抗拉載荷百分比做出規(guī)定，具體數(shù)值及設(shè)計(jì)高載值見表3。

表3 疲勞載荷值

2.4 應(yīng)力斷裂載荷

482℃時(shí)的應(yīng)力斷裂載荷是按照室溫抗拉載荷的56%來計(jì)算的，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 應(yīng)力斷裂載荷值

3 突破的關(guān)鍵技術(shù)

Incone l718材料在國(guó)內(nèi)應(yīng)用于緊固件制造，在研制過程中對(duì)幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了突破，制造出符合設(shè)計(jì)要求的緊固件。

3.1 材料性能和熱處理技術(shù)

對(duì)原材料進(jìn)行成分、組織、性能檢驗(yàn)與分析，對(duì)1 500MPa高強(qiáng)度合金鋼螺栓在熱處理制度上進(jìn)行了專門的研究，根據(jù)原材料的熱處理制度對(duì)加工零件熱處理溫度、保溫時(shí)間搭配進(jìn)行研究，確定材料性能和組織狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以形成最佳熱處理工藝，形成微觀組織驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 滿足高強(qiáng)度要求的熱鐓技術(shù)

采用專門的熱鐓溫度控制技術(shù)，保證螺栓頭部的成型需要，不影響非加工區(qū)域，對(duì)加工溫度范圍和材料的變形量進(jìn)行研究，以達(dá)到成型與后續(xù)熱處理的搭配。

3.3 高強(qiáng)度螺紋溫滾絲技術(shù)

采用快速加熱技術(shù)和高速滾壓成型技術(shù)，保證滾壓工藝需求，達(dá)到應(yīng)力狀態(tài)要求，表面不產(chǎn)生污染，進(jìn)行加熱溫度與成型工藝搭配研究，形成穩(wěn)定的加工工藝規(guī)范，滿足批生產(chǎn)的要求。

3.4 螺栓頭下圓角強(qiáng)化技術(shù)

材料強(qiáng)度高，通過最終熱處理之后硬面進(jìn)行冷滾壓螺栓頭下圓角的要求，以消除機(jī)械加工切削痕跡，需要大功率的專用設(shè)備，通過擠壓專用設(shè)備，強(qiáng)化頭下圓角，提高圓角處表面粗糙度精度，滿足高強(qiáng)螺栓的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 鑒定試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

1 500MPa級(jí)十二角頭MJ螺紋螺栓是國(guó)內(nèi)首次研制，須經(jīng)過鑒定試驗(yàn)后才能使用，根據(jù)1 500MPa級(jí)十二角頭MJ螺紋螺栓通用規(guī)范，規(guī)定了檢驗(yàn)項(xiàng)目共20項(xiàng)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 尺寸、外觀及標(biāo)志檢驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行尺寸、外觀及標(biāo)志檢驗(yàn)，全部符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2 表面粗糙度、螺紋、螺紋收尾和過渡區(qū)、頭下圓角R檢驗(yàn)

表面粗糙度、螺紋、螺紋收尾和過渡區(qū)、頭下圓角R符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.3 延展性檢驗(yàn)

材料延展性滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

4.2.4 機(jī)械性能試驗(yàn)

機(jī)械性能試驗(yàn)包括拉伸試驗(yàn)、高溫拉伸試驗(yàn)、雙剪試驗(yàn)、高溫雙剪試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)以及應(yīng)力斷裂試驗(yàn)。試驗(yàn)方法均按GJB 715-1990《緊固件試驗(yàn)方法》進(jìn)行，部分典型數(shù)據(jù)見表5，實(shí)測(cè)值大于表1、表2、表4載荷值，滿足設(shè)計(jì)要求。另外拉伸疲勞試驗(yàn)高載按表3進(jìn)行加載，低載按高載10%進(jìn)行加載。試驗(yàn)結(jié)果滿足疲勞壽命平均值不低于65 000次，單件疲勞壽命不低于45 000次，單件疲勞壽命高于130 000次按130 000次的要求。

4.2.5 微觀檢驗(yàn)

微觀檢驗(yàn)包括螺栓頭部流線、螺紋流線、顯微組織、磨削燒傷、螺紋不連續(xù)性缺陷、螺紋微觀剪切等。鑒定試驗(yàn)時(shí)，樣品規(guī)格同機(jī)械性能試驗(yàn)的樣品規(guī)格。去除表面鍍涂層和潤(rùn)滑劑，剖切取樣經(jīng)適當(dāng)腐蝕后，放大適當(dāng)倍數(shù)檢查樣品，其結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，見表6。

由此可見，所做的鑒定試驗(yàn)包括外觀尺寸、金相檢查及機(jī)械性能等試驗(yàn)項(xiàng)目，機(jī)械性能實(shí)測(cè)值均大于理論值，性能數(shù)據(jù)穩(wěn)定，一致性良好，符合設(shè)計(jì)要求。

表6 金相檢測(cè)

5 結(jié)束語

經(jīng)設(shè)計(jì)評(píng)審、工藝評(píng)審及適應(yīng)性安裝試驗(yàn)證明，自主研制的1 500MPa級(jí)Incone l718螺栓性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 500MPa級(jí)Incone l718螺栓的研制成功，滿足了飛機(jī)對(duì)高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命、耐腐蝕緊固件的需求，可以在關(guān)鍵部位或者受載較大的部位使用，實(shí)現(xiàn)了1 500MPa級(jí)螺栓的國(guó)內(nèi)供應(yīng)。

（編輯：雨晴）

T-65

B

1003-6660（2017）02-0011-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.02.003

[收修訂稿日期] 2016-12-22