CN103952651B - 一种合金结构孔的组合强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种合金结构孔的组合强化方法，包括以下步骤：步骤1、根据干涉量、强化量、干涉螺栓的直径，设计初孔直径和终孔直径；步骤2、根据步骤1中的该初孔直径在合金板的表面制初孔；步骤3、对所述初孔进行冷挤压形成所述终孔；步骤4、在所述终孔中进行干涉螺栓安装。该合金结构孔的组合强化方法组合了孔冷挤压强化工艺实施性好、效率高、以及电磁铆接干涉安装方法损伤小、膨胀较均匀的特点，极大地提高了7050-T7451铝合金结构孔的抗疲劳性能。

Description

一种合金结构孔的组合强化方法

技术领域

本发明涉及材料表面强化技术领域，具体的是一种合金结构孔的组合强化方法。

背景技术

7050-T7451铝合金不仅强度较高，而且具有较好的断裂韧性和抗应力腐蚀性能，被广泛应用于飞机机翼壁板、框、梁等关键承力结构件上。目前结构分离面通常采用机械连接方式，由于合金的缺口敏感性高，在承受交变载荷时容易产生应力集中而断裂。因此，零件的失效多以疲劳方式发生，特别是带螺栓孔的零件因孔边应力集中而发生的疲劳破坏。

飞机结构件采用的主要连接方法是机械连接，一架大型飞机上大约装有150～200万个铆钉和螺栓。紧固件孔处是典型的应力集中部位，是疲劳裂纹源，因此，研究和改善飞机结构带孔零件的疲劳性能对提高飞机寿命显得尤为重要。目前工程应用的强化方法主要两种，一种是干涉配合螺接(或称为干涉螺栓安装)，另一种是孔挤压强化。这两种方法各有优缺点，其中干涉配合螺接通常需要采用冷缩安装或强迫安装方法。冷缩安装将紧固件通过干冰、液氧或液氮进行冷却，使其收缩后进行装配，由于采用液体氮作为冷缩剂，成本较高。同时对于干涉量较大的紧固件安装，纯粹靠冷缩并不能顺利安装。强迫安装则采用铆枪锤击打入的方式安装干涉配合紧固件。紧固件容易屈服，安装存在一定困难。电磁铆接安装方法能够在很短的时间内完成安装，同时钉杆膨胀比较均匀，减少安装损伤。干涉配合螺接的方法，与间隙连接比较，通常提高接头结构寿命约2倍。而孔冷挤压强化通常采用芯棒直接挤压或开缝衬套冷挤压，芯棒直接冷挤压是将带锥度的芯棒插入孔，然后实施力，使芯棒强行穿过孔。芯棒直接挤压容易出现芯棒断裂、孔超差和粗糙度高等问题。开缝衬套冷挤压是通过将锥形芯棒，强行拉过内部预润滑的不锈钢衬套，衬套径向扩张，使孔周压缩，完成后衬套被废弃。效率高、易实施，对孔壁损伤小。开缝衬套冷挤压强化方法与间隙连接比较，通常提高接头结构寿命约3倍以上。

发明内容

为了解决普通的目前结构分离面通常采用机械连接方式，由于合金的缺口敏感性高，在承受交变载荷时容易产生应力集中而断裂的问题。本发明提供了一种合金结构孔的组合强化方法，该合金结构孔的组合强化方法采用开缝衬套冷挤压强化与干涉螺接组合的强化方法，能够大幅度提高连接结构的疲劳性能，满足飞机制造业的要求。

本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：一种合金结构孔的组合强化方法，包括以下步骤：

步骤1、根据干涉量、强化量、干涉螺栓的直径，设计初孔直径和终孔直径；

步骤2、根据步骤1中的该初孔直径在合金板的表面制初孔；

步骤3、对所述初孔进行冷挤压形成所述终孔；

步骤4、在所述终孔中进行干涉螺栓安装。

在步骤1中，所述干涉量为0.05mm～0.14mm，强化量为3％～5％，干涉螺栓的直径10mm。

该初孔直径为9.45mm，所述终孔直径为9.83mm～9.92mm。

在步骤3中，所述冷挤压为开缝衬套冷挤压工艺，所述冷挤压采用手提式拉枪和气液增压泵。

在步骤3后还包括铰终孔，所述铰终孔包括步骤：

步骤3.1、将上下层叠的合金板和垫板放置在机床的操作台上，将定位销装入钻夹头后使定位销插入合金板的所述终孔，定位销的直径与所述终孔的直径相对应，定位销的表面沿轴向设有与所述终孔内的轴向凸脊相匹配的轴向凹槽，定位销上轴向凹槽的位置与所述终孔内轴向凸脊的位置相对应；

步骤3.2、在机床的操作台上固定合金板和垫板，使定位销从所述终孔中离开；

步骤3.3、用铰刀替换定位销装入钻夹头；

步骤3.4、铰刀铰所述终孔。

机床为钻床或铣床。

在所述铰终孔后对该终孔靠近预装干涉螺栓头的一侧制倒角或倒圆。

定位销的直径比所述终孔的直径小0.02mm以内。

轴向凸脊的宽度比凹槽的宽度小0.1mm以内，轴向凸脊的高度比凹槽的深度小0.1mm以内。

在步骤4中，采用电磁铆接设备进行干涉螺栓安装。

本发明的有益效果是：该合金结构孔的组合强化方法组合了孔冷挤压强化工艺实施性好、效率高、以及电磁铆接干涉安装方法损伤小、膨胀较均匀的特点，极大地提高了7050-T7451铝合金结构孔的抗疲劳性能。经本发明处理的7050-T7451铝合金板的疲劳寿命比间隙连接的疲劳寿命提高10.5倍，而且工艺操作简便，利于生产控制。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的一种合金结构孔的组合强化方法作进一步详细的描述。

图1是对所述初孔进行冷挤压形成后的所述终孔的示意图。

图2是定位销的俯视图。

图3是步骤3.1的示意图。

图4是步骤3.2的示意图。

图5是步骤3.3的示意图。

图6是步骤3.4的示意图。

其中1.垫板，11.定位孔，2.铰刀，3.定位销，31.轴向凹槽，4.操作台，5.机床，6.钻夹头，7.合金板，71.终孔，20.轴向凸脊。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的合金结构孔的组合强化方法作进一步详细的说明。一种合金结构孔的组合强化方法，其特征在于，所述合金结构孔的组合强化方法包括以下步骤：

步骤1、根据干涉量、强化量、干涉螺栓的直径，设计初孔直径和终孔直径；

步骤2、根据步骤1中的该初孔直径在合金板的表面制初孔；

步骤3、对所述初孔进行冷挤压形成所述终孔；

步骤4、在所述终孔中进行干涉螺栓安装。

具体的，在步骤1中，所述干涉量为0.05mm～0.14mm，强化量为3％～5％，干涉螺栓的直径10mm。即如表1所示进行设计：

表1

表1所示的8个试验设计中，展示了仅采用冷挤压强化(竖直方向第7行、8行)，仅采用干涉螺栓安装(竖直方向第5行、6行)，同时采用冷挤压强化和干涉螺栓安装的方法(竖直方向第1行至3行)，这样可以比较同时采用冷挤压强化和干涉螺栓安装的方法和单独采用冷挤压强化或干涉螺栓安装的具有预料不到的技术效果。

其中，强化量＝(终孔直径－初孔直径)÷初孔直径×100％；冷挤压强化与干涉螺栓安装同时使用时，该初孔直径为9.45mm，所述终孔直径为9.83mm～9.92mm。

本实施例中采用7050铝合金板，在步骤2所述的制初孔之前，还需要对该铝合金板进行如处理，该铝合金板的热处理制度是T7451，孔壁表面的光洁度为Ra1.6。制初孔采用钻床，在铝合金板的表面按照表1的初孔直径钻孔。

在步骤3中，所述冷挤压为采用开缝衬套冷挤压工艺，即将装了内壁预润滑的开缝衬套的锥形芯棒插入初孔中，实施拉力，使芯棒强行通过衬套拉过初孔，对初孔进行挤压，所述冷挤压采用气源为(0.69±0.14MPa、1.42m3/min)、现有的LB-20手提式拉枪和现有的FT-200气液增压泵进行孔冷挤压。

即步骤3后还包括铰终孔，由于开缝衬套冷挤压强化后，在终孔的内壁会形成0.07mm～0.15mm的轴向凸脊20，如图1，给后续铰孔前的定位带来了难题，如由于轴向凸脊20的存在会使铰刀的轴线与终孔的轴线偏离。为了在铰终孔时使铰刀的轴线与终孔的轴线重合，需要根据终孔的尺寸设计加工定位销3，如图2所示。定位销3的直径为d，冷挤压强化后的终孔的直径为D，D减去d的数值大于0mm小于等于0.02mm，本实施例中定位销3的直径d比冷挤压强化后的终孔的直径D小0.02mm。轴向凸脊20的宽度为B，凹槽31的宽度为b，b减去B的数值大于0mm小于等于0.1mm，本实施例中轴向凸脊20的宽度b比凹槽31的宽度B小0.1mm。轴向凸脊20的高度为C，凹槽31的深度为c，c减去C的数值大于0mm小于等于0.1mm，本实施例中轴向凸脊20的深度c比凹槽31的高度C小0.1mm。

所述铰终孔包括步骤：

步骤3.1、将上下依次层叠的合金板7和垫板1放置在机床5的操作台4上，合金板7上的终孔71的位置与垫板1上的定位孔11的位置相对应，将定位销3装入钻夹头6的插位后(钻夹头6下行)使定位销3插入合金板7的所述终孔71，定位销3的直径与所述终孔71的直径相对应，定位销3的表面沿轴向设有与所述终孔内的轴向凸脊20相匹配的轴向凹槽31，定位销3上轴向凹槽31的位置与所述终孔内轴向凸脊20的位置相对应，如图1、图2和图3所示；

步骤3.2、在机床5的操作台4上固定合金板7和垫板1，钻夹头6上行，使定位销3从所述终孔71中离开，如图4所示；

步骤3.3、用铰刀2替换定位销3装入钻夹头6的插位，如图5所示；

步骤3.4、铰刀2下行，铰所述终孔，如图6所示。

在所述铰终孔后对该终孔靠近预装干涉螺栓头的一侧制倒角或倒圆，倒角的长度为0.75mm～1.00mm，倒圆的半径为0.75mm～1.00mm。

在步骤4中，将干涉螺栓强行打入终孔中，实现干涉螺栓的干涉安装，即将该铝合金板与其他构件连接，具体的采用现有的BE100低电压电磁铆接设备进行干涉螺栓安装，铆接电压600～1050V，多次铆接，至螺栓安装到位。

制件孔的孔边距≥1.75，所谓孔边距是指制件孔(干涉安装后的孔)的中心到板边缘最近的距离与制件孔直径的比值。

下面介绍按照表1所示进行试验后铝合金板的疲劳性能数据，见表2

表2

表2给出3个(竖直方向第1行～3行)采用本发明工艺强化7050-T7451铝合金板的疲劳寿命、1个(竖直方向第4行)未强化状态下(间隙连接)制件的疲劳寿命和4个(竖直方向第5行～8行)其它强化工艺状态下制件的疲劳寿命。试验结果说明，采用本发明工艺强化后，7050-T7451铝合金板的疲劳寿命提高了10.5倍以上，远好于单个冷挤压强化和干涉螺接的疲劳寿命。使用结果进一步说明本发明工艺能够显著改善7050-T7451铝合金的缺口敏感性，为该技术在飞机结构件上的应用奠定了良好的基础。

单独使用冷挤压强化最好的为竖直方向第8行，单独使用干涉螺栓安装最好的为竖直方向第6行，而同时采用本发明所述的冷挤压强化和干涉螺栓安装最好的为竖直方向第3行，其结果(11.35)远好于冷挤压强化(3.68)和干涉螺栓安装(2.08)的相加或相乘，确实取得了预料不到的技术效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (9)

1.一种合金结构孔的组合强化方法，其特征在于，所述合金结构孔的组合强化方法包括以下步骤：

步骤1、根据干涉量、强化量、干涉螺栓的直径，设计初孔直径和终孔直径；

步骤2、根据步骤1中的该初孔直径在合金板的表面制初孔；

步骤3、对所述初孔进行冷挤压形成所述终孔，然后再铰终孔,所述铰终孔包括步骤：

步骤3.1、将上下层叠的合金板(7)和垫板(1)放置在机床(5)的操作台(4)上，将定位销(3)装入钻夹头(6)后使定位销(3)插入合金板(7)的所述终孔，定位销(3)的直径与所述终孔的直径相对应，定位销(3)的表面沿轴向设有与所述终孔内的轴向凸脊(20)相匹配的轴向凹槽(31)，定位销(3)上轴向凹槽(31)的位置与所述终孔内轴向凸脊(20)的位置相对应；

步骤3.2、在机床(5)的操作台(4)上固定合金板(7)和垫板(1)，使定位销(3)从所述终孔中离开；

步骤3.3、用铰刀(2)替换定位销(3)装入钻夹头(6)；

步骤3.4、铰刀(2)铰所述终孔；

步骤4、在所述终孔中进行干涉螺栓安装。

2.根据权利要求1所述的合金结构孔的组合强化方法，其特征在于：在步骤1中，所述干涉量为0.05mm～0.14mm，强化量为3％～5％，干涉螺栓的直径10mm。

3.根据权利要求2所述的合金结构孔的组合强化方法，其特征在于：该初孔直径为9.45mm，所述终孔直径为9.83mm～9.92mm。

4.根据权利要求1所述的合金结构孔的组合强化方法，其特征在于：在步骤3中，所述冷挤压为开缝衬套冷挤压工艺，所述冷挤压采用手提式拉枪和气液增压泵。

5.根据权利要求1所述的合金结构孔的组合强化方法，其特征在于：机床(5)为钻床或铣床。

6.根据权利要求1所述的合金结构孔的组合强化方法，其特征在于：在所述铰终孔后对该终孔靠近预装干涉螺栓头的一侧制倒角或倒圆。

7.根据权利要求1所述的合金结构孔的组合强化方法，其特征在于：定位销(3)的直径比所述终孔的直径小0.02mm以内。

8.根据权利要求1所述的合金结构孔的组合强化方法，其特征在于：轴向凸脊(20)的宽度比凹槽(31)的宽度小0.1mm以内，轴向凸脊(20)的高度比凹槽(31)的深度小0.1mm以内。

9.根据权利要求1所述的合金结构孔的组合强化方法，其特征在于：在步骤4中，采用电磁铆接设备进行干涉螺栓安装。