超高强度钢MJ螺纹滚压强化工艺研究

王　伟，李　博，姚志强

(中航飞机起落架有限责任公司 燎原分公司，陕西 汉中 723200)



超高强度钢MJ螺纹滚压强化工艺研究

王伟，李博，姚志强

(中航飞机起落架有限责任公司 燎原分公司，陕西 汉中 723200)

摘要：采用专用滚轮对超高强度钢MJ螺纹牙底进行滚压强化，用SEM观察滚压前、后螺纹牙底的形貌变化，并测量滚压强化后的塑性变形量，用MTS疲劳试验机进行疲劳试验。结果表明，滚压强化后，MJ螺纹牙底有明显的光亮滚压带，完全覆盖了机械加工表面的车刀痕，表面形貌更光滑。经测量，滚压强化后，螺纹小径发生了0.005～0.015 mm的塑性变形；与未滚压强化试样对比，滚压强化试样的疲劳寿命得到了显著提高。

关键词：超高强度钢；MJ螺纹；滚压强化

对于超高强度钢如300M钢、A100钢等材料，因其具有较高的抗拉强度及断裂韧性、良好的抗腐蚀性能等特点，而广泛应用于飞机起落架的主要承力构件。但随着零件材料强度的提高，其应力集中敏感度也提高，导致疲劳强度大幅度降低。应力集中通常出现在零件的内部或表面缺陷、表面不连续或突变等位置，零件中的螺纹是应力集中最常见的部位之一，而带螺纹的零件是起落架系统中用得最多的零件之一，大到缓冲支柱活塞杆、外筒，小到螺栓、螺母等；因此，带螺纹结构零件的抗疲劳制造是起落架零件制造的一项关键技术。

针对螺纹零件的抗疲劳制造，不同螺纹有不同的制造方法。通常，内螺纹可采用冷挤压加工法来提高螺纹的疲劳寿命。该方法是一种渐变过程，利用挤压丝锥的锥部棱齿反复多次挤压工件金属，使金属发生塑性变形，流动的金属填充到挤压丝锥齿沟而在工件上形成内螺纹[1]；外螺纹则采用滚压加工成形法提高螺纹的疲劳寿命[2]。但上述方法只适用于强度相对较低的金属材料，拉伸强度一般≤1 400 MPa，而起落架零件用超高强度钢材料，其抗拉强度>1 800 MPa，最终热处理后硬度约为50 HRC，无法通过滚压加工成形、冷挤压加工成形螺纹而提高螺纹零件的疲劳寿命。本文通过对已加工成形的螺纹牙底采用专用滚轮进行滚压强化的方法，使其发生适当的微小塑性变形，改善表面形貌，引入残余压应力，以提高其疲劳性能。

1试验条件与方法

1.1试验材料

试验材料为300M钢，其室温拉伸性能见表1。

表1　300M钢的拉伸性能

1.2试验方法

试样类型采用双头螺柱形式，其规格及数量见表2，加工状态如图1所示。

表2　螺纹滚压试样规格及数量

图1　螺纹滚压试样加工状态

分别采用2种加工方法进行试样加工：车螺纹和车螺纹+螺纹滚压强化，对比分析2种工艺对试样螺纹表面微观形貌及试样疲劳寿命的影响。螺纹滚压强化采用自制的专用滚轮进行，滚轮要求及滚压工艺参数见表3。在JSM-5410LV型扫描电镜上观察试样滚压前、后螺纹牙底的表面形貌；在MTS疲劳试验机上进行疲劳试验。

表3　加工工艺参数表

2试样滚压强化过程

2.1工艺流程

试样螺纹滚压强化工艺流程如下：滚压前检查→螺纹同轴度检查→滚轮高度调整→轴向进给速度调整→滚轮杆角度调整→径向进给对刀→按要求调整径向进给量→滚压→检查塑变量。

2.2滚压过程

滚压过程如图2所示，其中，零件同轴度检查、滚轮对刀及进给量控制是整个滚压过程的关键环节。同轴度检查时，零件两处跳动量≤0.03 mm，滚轮中心高度与零件轴线高度差控制在±0.2 mm以内，滚轮径向进给量按表3要求进行，任何一个环节未得到严格控制，都将影响滚压强化效果，甚至导致零件直接报废。

图2　滚压过程

3试验结果与讨论

3.1滚压后塑变量测量

采用外螺纹小径千分尺对滚压前、后的螺纹牙底直径进行测量，每个试样测量6个位置，并计算每个位置产生的塑变量，计算结果见表4和表5。其他规格螺纹同理，不做赘述。

表4　滚压后塑变量测量(径向进给量为0.3 mm)

表5　滚压后塑变量测量(径向进给量为0.4 mm)

由表4和表5可知，滚压强化后，外螺纹小径发生了明显的塑性变形，但滚轮径向进给量不同，小径的塑变量也有所不同。进给量为0.4 mm时的塑变量普遍比进给量为0.3 mm时的大，且较一致。

3.2不同工艺下疲劳寿命对比

疲劳寿命是滚压强化效果的最有力证据，在试验条件为σmax=800 MPa，当R=0.1时，2种不同工艺下试样的疲劳测试结果见表6。由表6可知，与未滚压强化试样相比，滚压强化后的试样疲劳寿命得到了显著提高。其主要原因是螺纹牙底是应力集中的关键部位，在交变载荷作用下，应力集中部位的机械加工刀痕等缺陷容易形成为疲劳裂纹源，进而扩展导致试样断裂失效；而对螺纹滚压强化后，使螺纹牙底发生塑性变形，产生残余压应力，抵消了部分交变载荷作用时的拉应力作用效果，延缓了疲劳裂纹源的产生及扩展速度，使试样疲劳寿命得到了提高。

表6　滚压前、后疲劳寿命对比

3.3螺纹牙底表面形貌观察

影响试样疲劳寿命的因素较多，除了表面应力场的分布情况外，表面形貌及微观组织等因素对试样的疲劳寿命都有不同程度的影响。在不同放大倍数下滚压前、后螺纹牙底的微观形貌如图3和图4所示。图3表明在车削加工的作用下，螺纹牙底呈现规则的周向车刀痕，该方向的车刀痕对径向交变载荷作用下的疲劳寿命最不利；图4表明进行滚压强化后，螺纹牙底的车刀痕被完全覆盖，形成一条光亮的滚压带，表面粗糙度值更小，有利于减小应力集中程度，从而提高零件的疲劳寿命。

图3　车削螺纹牙底表面形貌

图4　滚压后螺纹牙底表面形貌

4结语

综上所述，可以得出如下结论：1)对超高强度300M钢的MJ螺纹进行滚压强化，当径向进给量为0.3～0.4 mm时，螺纹小径发生明显的塑性变形，能产生0.005～0.015 mm的塑变量；2)滚压强化后，螺纹牙底表面产生一条光亮的滚压带，并完全覆盖掉原来的周向机械加工刀痕，表面变得更光滑；3)与未滚压强化试样相比，滚压强化试样螺纹牙底表面粗糙度值更小，在交变载荷作用下，应力集中程度也更小，并且由于发生塑性变形，引入了适当的残余压应力，从而延缓了疲劳裂纹源的产生及扩展速度，因此，试样的疲劳寿命得到了显著提高。

参考文献

[1] 沙小伟，黎向锋，左敦稳. 飞机起落架内螺纹冷挤压成形过程的研究[J]. 航空制造技术，2010(2):75-78.

[2] 郑向周. 螺纹滚压工艺原理分析及方法改进[J]. 精密制造与自动化，2014(1):58-62.

责任编辑郑练

The Process Research for MJ Thread Rolling Strengthening of Ultrahigh-strength Steel

WANG Wei, LI Bo， YAO Zhiqiang

(AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Corp. Ltd., Liaoyuan Division, Hanzhong 723200, China)

Abstract：Perform rolling strengthening for MJ thread root of ultrahigh-strength steel with special roller, observe shape variation of thread root with SEM prior and post rolling, measure plastic deformation value post rolling strengthening and perform fatigue test with MTS fatigue testing machine. Results indicate that there is clearly bright roller band at MJ thread root post rolling strengthening, and completely cover turning tool mark of machining surface so that surface shape is more smooth. Small diameter of thread causes plastic deformation of 0.005～0.015 mm by measuring post rolling strengthening. Compared with not rolling strengthening samples, fatigue life of rolling strengthened samples is clearly improved.

Key words:ultrahigh-strength steel, MJ thread, rolling strengthening

收稿日期：2015-05-18

作者简介：王伟(1977-)，男，高级工程师，技术副总，主要从事飞机起落架生产过程中的技术管理及机械加工工艺应用等方面的研究。

中图分类号：TH 706

文献标志码:A