带开缝衬套的冷扩孔挤压工艺

摘要：开缝衬套冷扩孔挤压工艺能够改善机体结构中孔的抗疲劳性能，弥补钻孔工艺的缺陷，保证飞机的安全性。文章分别从带开缝衬套的冷扩孔工艺原理、工艺系统的基本硬件组成、主要工艺参数、操作过程等方面对带开缝衬套的冷扩孔工艺进行了阐述。

关键词：冷扩孔挤压工艺；挤压棒；开缝衬套；挤压量

中图分类号：TG376 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）34-0085-04

开缝衬套冷扩孔挤压工艺是20世纪70年代初由波音公司研制开发的，已在多种机型上得到成功应用，是一项目前国际飞行制造业中先进的冷挤压强化技术。它是通过在挤压工具和孔壁间用一钢质衬套，对孔实施塑性扩张，即开缝衬套冷挤压强化，以使在孔边产生残余压应力的强化层，有效地提高飞机紧固件连接结构寿命。

一、冷扩孔挤压工艺原理

冷扩孔挤压工艺是用高强度的挤压棒，其工作段外径加上衬套，其整体直径略大于被挤压孔直径，在外载作用下强行通过预加工的孔壁。使之在孔的周围产生塑性变形区，在挤压棒通过后，塑变层受到其外层弹性区的挤压，在孔壁处即形成一个弹塑性变形层，形成有利的残余压应力分布，当结构承受循环外载作用时，残余压应力可以降低了承载部位周围的拉应力，使平均应力水平大大降低，延长了裂纹萌生的时间，降低了裂纹扩展速率，以提高飞机结构件疲劳强度和抗应力腐蚀的能力。同时，挤压过程能使孔壁金属组织结构发生变化，使位错密度升高，增加了微观内应力，有效地控制了孔周围材料的屈服。

二、工艺系统的基本硬件组成

孔的开缝衬套冷挤压工艺系统硬件由：开缝衬套、挤压棒、钻头铰刀和检查工具、挤压设备、剂及工件等组成。

（一）开缝衬套

开缝衬套是相对于无缝衬套而言的，其轴向开有一条切缝，使衬套更容易装棒，也简化了操作过程，在衬套一端有翻边，以防止扩孔挤压过程中，由于挤压棒的轴向运动，衬套与孔壁产生相对运动。衬套的材料多以不锈钢制成，内表面带预剂。开缝衬套的壁厚一般为0.15mm。开缝衬套的长度应与夹层厚度相匹配，当夹层厚度大于衬套长度时，可用若干个衬套接起来满足要求。

开缝衬套制造由于要求高，难度很大，且一次性使用，目前世界上成熟的开缝衬套产品是美国疲劳技术公司（FTI）和西海岸产业公司（WCI）生产的。哈飞贝尔项目使用的是FTI的产品。

（二）挤压棒

孔的开缝衬套冷扩孔是应用挤压棒来实现的，其制造比较严格，不但硬度、强度须达到严格指标，还应具备一定的韧性，热处理变形小，磨削工艺好。典型的挤压棒结构，它由前锥段、挤压工作环、后锥段及辅助直径所组成。其中前锥段角度是关键尺寸，应合理选择，且前锥段轴向长度不超过15mm为宜，否则由于前锥度过小，在挤压时会造成整个前锥段与衬套表面的紧楔作用，使挤压条件变坏而导致失败。工作环宽度b通常取值为0.8～1.0mm。后锥角，其作用在于对挤压部位的回弹起稳定缓冲作用。

（三）钻头铰刀和检查工具

钻头是一个常规的麻花钻，用于生产一个导向孔。铰刀分为初孔铰刀和终孔铰刀。检查工具按用途分为挤压棒磨损检查工具和孔检查塞规。

挤压棒磨损检查工具用于检查挤压棒的磨损情况。当磨损在允许的范围内时，磨损检查规不能通过挤压棒的末端。挤压棒损坏则冷挤压不能够正确进行。

（四）挤压设备

冷挤压设备按不同分类有多种型式，按载荷作用方式分，有拉拨式和推压式；按构造型式分，有台式与便携式；按动力源型式分，有液压式、气动式和气―液增压式。目前美国西雅图的疲劳技术公司（FTI）是著名的挤压设备供应商，我公司贝尔项目即使用的他们生产的FT-20动力源与LB-20拉拔枪。拉拔枪的作用就是将挤压棒拉过被挤压的孔。

（五）剂

对以常温下压力加工为主要特征的开缝衬套冷扩孔挤压工艺，是非常关键的工艺过程，因为开缝衬套的挤压量高于无衬套挤压，挤压力大，要求膜应有足够的强度和覆盖率，且对材料无腐蚀性。如不当，会导致挤压时衬套与挤压棒产生滑动粘结现象而导致在孔中的轴向移动，从而划伤孔壁，使疲劳寿命显著降低。优良的剂加上正确的方式可以将挤压载荷降低，这对确保挤压的顺利进行十分有利。

针对此工艺的特点，应优先选用耐压性能好，附着力强的固态剂，但缺点是透明度较差，劳动卫生条件不太好。

总之，选择开缝衬套冷扩孔挤压硬件设备时，应先根据上述分析确定衬套类型、衬套尺寸、挤压棒尺寸、挤压设备、初孔径尺寸等，了解以下几方面的问题：（1）被挤压孔径大小；（2）挤压量；（3）零件夹层厚度；（4）材料性质。

三、主要工艺参数

带开缝衬套冷扩孔挤压工艺的强化效果取决于合理的工艺参数，主要包括挤压量、挤压速度、初孔直径与精度、挤压次数、挤压后的铰削量、孔距与孔相对边距等。

（一）挤压量

挤压量是开缝衬套冷扩孔挤压工艺中最关键的一个工艺参数，直接影响到此工艺所带来的疲劳增益大小。当其过小时，孔周形成不了一定深度的残余压应力层，起不到强化效果；太大又会引起诸多的问题，如孔轴线方向金属流动量增加，使挤压出口处有明显凸起；衬套开口对孔壁的切割作用明显，使挤压后产生的孔壁凸台处微裂纹多而深，反而会导致疲劳强度降低。挤压量有两种表达形式，即绝对挤压量E和相对挤压量Er。

设挤压棒工作环直径为D，衬套厚度为t，初孔孔径为D0，则挤压量可用下式表示：

E=（D+2t）-D0 （1）

Er=E/D0×100% （2）

在实际加工中，衬套和挤压棒也会受压变形，所以挤压量将由孔壁、衬套和挤压棒来吸收。挤压量的大小主要取决于挤压后的试件在疲劳试验中的疲劳寿命。因而，合理的挤压量要通过多次疲劳寿命试验，最终得出优化值。另外，挤压量的选取还与试件材料的强度、孔边距、孔径、孔深等有关。

1．挤压量与材料强度的关系。一般说来，材料的强度越高，相应的挤压量就越小。在过大的挤压量下，不仅使挤压过程难以进行，更使得挤压后的变形层产生较多微裂纹。所以，对于高强度材料，不易采用冷扩孔挤压工艺。

2．挤压量与孔边距的关系。对疲劳寿命影响最大的是残余压应力。挤压时，由于靠近孔壁的金属先受到挤压，挤压完后，靠近孔壁的金属层已发生塑性变形，在此处存在残余压应力。由于残余压应力的存在，当工件在疲劳拉伸载荷的作用下，将抵消大部分拉应力，使工件处于低应力载荷状态，从而提高了疲劳寿命。冷挤压会引起离孔壁一定距离处产生拉伸应力，当挤量越大时，产生的拉伸正应力值也就越大。一般，挤压孔的边距不应小于孔径的两倍。当孔边距比此值小时，应适当减小挤压量，以保证孔周围弹塑性区的合理分布。

3．挤压量与孔径的关系。当孔径越大时，要求绝对挤压量也相应增大，以保证相对挤压量不变。但对于较大孔在较大挤压量下，挤压功率要求较大。

4．挤压量与孔深关系。孔深越大，相对挤压量越小。因为在挤压过程中，不可避免有轴向金属流动。由于部分金属随挤压棒一起流动，使得实际挤压中，出口端的挤压量比入口端的大，当挤压量过大时，挤压力会随挤压量的增加急剧增大，甚至会出现卡棒及挤压棒被拉断的现象，另外，如果孔太深，挤入端与挤出端的应力会有较大差异。一般说来，挤入端的残余应力较小，挤出端残余应力较大。如果两者差异过大，在疲劳载荷作用下，挤入端容易首先出现疲劳裂纹源。如果沿孔轴向的残余应力分布较均匀，则疲劳源产生的时间会延迟，疲劳裂纹扩展速率也会降低。

（二）挤压速度

孔挤压时，要求挤压棒均匀、连续地挤过孔壁，以使孔壁得到充分变形，不允许在挤压过程中有停顿、间歇和冲击行程现象，否则会容易造成衬套褶皱，导致卡棒、断棒现象。挤压速度应根据实际需要优化选择，速度过快时，孔表面金属易产生流动，且孔表面粗糙度值变大；速度过慢时会造成衬套褶皱进而出现卡棒和断棒现象。

（三）初孔直径与精度

由于开缝衬套冷扩孔挤压工艺大多采用的是一次性挤压工艺，当挤压过后，材料经弹塑性变形后，弹性变形释放，甚至出现反向屈服现象，这就是通常所说的回弹，选定挤压量后，只有准确知道材料回弹量，才能定出一次挤压基本达到装配要求的孔直径。孔径偏大，削弱挤压效果；孔径偏小，衬套不易

放入。

初孔精度直接影响到强化效果。孔壁的粗糙度也与疲劳寿命有关系。当孔壁越光滑，挤压后的孔表面光整性就越好，不易产生疲劳裂纹源。当孔表面过于粗糙时，挤压后也难于修复其完整性，孔的疲劳寿命将大大降低。一般应保证初孔精度至少9级，粗糙度R.25μm。

（四）挤压次数

一般挤压次数宜取2～3次。孔周残余应力的形成主要是第一次挤压，因此应保证第一次有足够的挤压量，第2，3次主要是起光整作用。由于多次挤压会造孔表面冷作硬化，且易导致某些高强度材料出现微裂纹。因此，挤压次数不宜过多。

（五）挤压后的铰削量

带开缝衬套挤压后，在衬套开口处有一凸台，凸台根部易产生细小的裂纹，必须将凸台微裂纹铰削掉。挤压后对孔壁适当铰削，可以校正孔的圆度，并去掉潜在的疲劳微裂纹，保证孔的几何连续性和微观连续性，提高孔的疲劳寿命。但如挤压后铰孔不当，会切除有益的强化层，致使残余应力重新分布，导致疲劳寿命的降低。

（六）孔距与孔相对边距

孔距是在相邻孔之间中心与中心的距离，挤压孔距最小应大于3倍孔径。

孔相对边距是孔中心到被加工件边的最小距离与孔的直径的比例。冷挤压的孔的最小相对边距是1.5。相对边距小于1.5时，在冷挤压零件时会引起孔边变形，减少挤压强化效果。

四、操作过程

带开缝衬套的冷扩孔挤压过程是，利用衬套上的轴向切缝，将一内壁带干膜的衬套通过挤压棒工作环套在挤压棒的导向段上，且挤压棒的工作直径应略小于被挤压孔的初孔径，将衬套的切缝置于与主要载荷作用轴线方向一致。将装好衬套的挤压棒，插入孔内，并使挤压设备（如挤压枪）的前端压住衬套的翻边，开动设备，挤压棒工作环自衬套中拉过，致使开缝衬套径向胀大完成径向挤压，挤压后，衬套自行复原，从孔中取出，挤压过程完成。

（一）冷扩孔工具的连接

1．连接程序。

（1）将拉拔棒与枪体上的适配器的内螺纹相连接；在螺接时，可留有半扣不须拧紧。

（2）将枪头组件套过拉拔棒后螺接在枪体上。

（3）将枪体与动力源间的三条管路对应连接。

（4）将动力源与外部气源相连接。

（5）试验三次均在不放置开封衬套的条件下，其间注意检查拉拔棒在枪体心轴上的滑动回缩位置应完全。

2．注意事项。

（1）在安装拉拔棒前应先用拉拔棒检查规检查拉拔棒。

（2）保证外部气源大气压在90～120psi范围内，且清洁干燥。

（3）每个孔挤压时必须使用一个新的开缝

衬套。

（二）冷扩孔操作工艺流程

1．工艺流程。以哈飞与贝尔合作的M430飞机上被用于主减接头与机身连接的高抗剪螺栓孔（终孔直径范围为.1895″～.1915″）为例。见图1。

2．注意事项。

（1）在第一次冷挤压前和大约挤压50个孔后，检查拉拔拔棒磨损。

（2）如果使用液压拉拔枪，组装或拆卸前断开动力装置。使用前或大约完成200个孔后，在拉拔枪的进气软管里放2或3滴30#重油。

（3）每操作40小时后，应检查液压箱内油的水平位置应在接管嘴插头面以里的5/16″处。

（4）液压油在每使用200～500小时后，须更换（或补充），时间长短可根据使用频率程度和周围环境的条件；当往储油箱中添加液压油时，使枪体与动力源和供气装置分离不连接。

五、结语

带开缝衬套冷扩孔挤压工艺较之其它孔强化工艺，具有以下优点：

1．可采用较大挤压量，疲劳寿命增益显著。

2．由于开缝衬套的保护作用，挤压时在很大程度上防止了孔壁材料发生轴向流动，避免了孔壁

擦伤。

3．可单面操作，不受工件背面开敞性限制。

适用于航空飞行器结构中重要受力部位，如机翼主梁缘条与机身接头和起落架连接的螺栓孔、飞机吊挂上的孔等，非常值得推广到其它机型。

作者简介：薛巍（1978-），男，黑龙江哈尔滨人，中航工业集团哈飞铆装厂工程师。