CN104372273A - 一种软基合金高光洁度内孔的精整强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软基合金高光洁度内孔的精整强化方法，属于合金材料精密塑性成形领域。所述方法先在软基合金板材上预冲制直径小于制件孔直径的预冲孔，再用成形冲头过盈挤压，使孔壁材料压缩发生塑性变形，在塑性区内形成具有一定深度的应变强化层。当制件孔用于机械连接时，强化层内宏观残余压应力有助于降低承载部位周围的拉应力，减小孔侧壁等效应力幅值，产生抗疲劳增益作用，提高孔连接的可靠性和寿命。由于孔壁塑性变形不可恢复，孔的几何尺寸精度在精整后得到保证，同时，冲子挤压孔壁发生微塑性变形，压平了软基材料预冲孔壁残留的微观裂纹和断裂毛刺带，使内孔壁表面微凸凹和微裂纹得到精整弥合，提高了孔内表面的光洁度和连接强度。

Description

一种软基合金高光洁度内孔的精整强化方法

【技术领域】

本发明专利属于合金材料精密塑性成形领域，更具体地说，涉及一种软基合金高光洁度内孔的精整强化方法。 

【背景技术】

在特高压输电线塔、导电铜排以及高速铁路高强高导引线框架中，需要加工出大量用于精密导电连接的内孔(单孔或孔阵列)，如附图1所示。现有加工工艺方案为：钻、扩铰孔+多道次磨削。内孔在进行切削加工时，由于基体材料是软基合金，容易产生“粘刀”现象。“粘刀”现象会使加工内孔的尺寸精度和表面光洁度难以保证，当内孔壁处的粗糙度过大时，会减小通电状态下的有效通流面积，出现接触不良、闪弧氧化现象。同时，多道次磨削，费时费力，增加了制造成本。 

【发明内容】

为了克服导电连接孔在通电状态下的闪弧现象，提高机械连接强度，基于金属塑性形变强化理论，本发明公开一种软基合金高光洁度内孔的精整强化方法，适用于单孔或孔阵列，能有效地提高软基合金内孔壁的强度和光洁度。 

本发明的技术方案如下： 

一种软基合金高光洁度内孔的精整强化方法，包括以下步骤： 

首先，在软基合金板材上预冲制直径小于制件孔直径的预冲孔，所述预冲孔的直径等于所述制件孔的直径减去两倍的绝对挤压量，所述绝对挤压量δ由公式 

$\mathrm{\δ}=\frac{d{\mathrm{\σ}}_s}{4E}[(\frac{1}{2e^2}+\frac{8}{d^2})r_s^2-\ln \frac{2r_s}{d}-\frac{1}{2}]$

确定，σ_s是软基合金材料的屈服强度，E是软基合金材料的弹性模量，e为所述预冲孔的中心到厚板边缘最近的距离，d为所述预冲孔的直径，r_s为孔壁周围塑性强化层深； 

再用直径等于所述制件孔直径的成形冲头对所述预冲孔进行匀速过盈挤压，使所述预冲孔内壁发生塑性变形，从而使所述预冲孔的直径符合制件孔设计要求。 

上述方法包含预留设定过盈量的预冲孔和精整强化两个过程，基于塑性力学原理，在软基合金板材上预冲制直径小于制件孔设计要求的预冲孔，成形冲 头直径与预冲孔直径存在设定的挤压过盈量，预冲孔经成形冲头挤压后，孔壁周围材料压缩发生塑性变形，获得特定幅值的宏观残余压应力分布，从而在塑性区内形成具有一定深度的应变强化层。成形冲头下行过程要求匀速、连续，不允许出现停顿、侧倾和冲击。 

绝对挤压量δ与孔壁周围塑性强化层深r_s关系由如下公式确定： 

$\mathrm{\δ}=\frac{d{\mathrm{\σ}}_s}{4E}[(\frac{1}{2e^2}+\frac{8}{d^2})r_s^2-\ln \frac{2r_s}{d}-\frac{1}{2}]$

所述绝对挤压量δ是预冲孔到制件孔的半径变形量，所述塑性强化层深是制件孔的中心到孔壁材料弹塑性交界面的距离，σ_s是软基合金材料的屈服强度，E是软基合金材料的弹性模量。当r_s＝e时，即得最大绝对挤压量δ_max，超过此挤压量，孔有被挤裂的危险。δ_max由如下公式确定： 

${\mathrm{\δ}}_{\max }=\frac{d{\mathrm{\σ}}_s}{4E}[\frac{8e^2}{d^2}-\ln \frac{2e}{d}].$

所述成形冲头挤压对所述预冲孔形成的径向干涉载荷P由如下公式确定： 

$P=(\ln \frac{2r_s}{d}+\frac{e^2-r_s^2}{2e^2}){\mathrm{\σ}}_s.$

进一步的，所述预冲孔的直径范围为4～60mm，孔边距e/d为1.75≤e/d≤2，所述e为所述预冲孔的中心到厚板边缘最近的距离，所述d为所述预冲孔的直径，软基合金板材的厚度范围为：5～30mm。 

进一步的，挤压相对过盈量ε为2％～4.5％，保证孔壁周围0.5d～d内产生宏观残余压应力，所述挤压相对过盈量ε为所述预冲孔到所述制件孔的半径变形量与所述制件孔直径的百分比。要达到精整强化的效果，就必须使过盈产生的压力超过内壁开始屈服的弹性极限压力，否则挤压工具退出后，产生全部的弹性恢复，达不到精整强化的效果。但过盈也不能太大，否则金属表面产生过大的塑性变形，会引起金属的疲劳，反而使表面粗糙度恶化。 

本发明较之于现有技术具有突出的有益效果：与传统工艺相比，省时高效，降低制造成本，同时，提高了内孔的几何精度、表面光洁度、强度以及机械连接抗疲劳寿命。通过过盈挤压形成的制件孔用于机械连接时，强化层内宏观残余压应力有助于降低承载部位周围的拉应力，减小孔侧壁等效应力幅值，产生抗疲劳增益作用，提高孔连接可靠性和寿命。由于孔壁塑性变形不可恢复，孔的几何尺寸精度得到保证，同时，冲子挤压孔壁发生微塑性变形，压平了预冲孔留下的断裂毛刺带，使内孔壁表面微凸凹和微裂纹得到精整弥合，提高了孔内表面的光洁度和电连接的有效接触面积。 

【附图说明】

下面参照附图及实施例对本发明技术方案作进一步的描述。 

图1为精密导电连接孔阵结构示意图； 

图2为本发明的预成形精整强化装置成形冲头结构示意图； 

图3为本发明的预成形精整强化装置固定连接杆结构示意图； 

图4为本发明加工孔时挤压精整局部放大图； 

图5为本发明实施例牌号T₂导电铜板(排)1/4有限元建模； 

图6为本发明实施例中四种不同绝对挤压量下的弹塑性界面位置对比图； 

图7为本发明实施例中四种不同绝对挤压量下的强化层深度及位置对比图； 

图8为本发明实施中四种不同绝对挤压量下残余周向应力对比曲线图。 

图2中：AB段为预冲孔部分，CD段为精整强化部分，EF段为定径段。 

图中：1-成形冲头，2-孔壁。 

【具体实施方式】

如图2所示，成形冲头1为本发明方法专用挤压工具，其材料选为硬质合金材料，由预冲孔部分(AB段)和精整强化部分(CD段和EF段)组成，EF段为定径段，其高度为3mm，公称直径由制件孔的公称直径决定，公差等级设定高于孔公差两个等级。所述预冲孔部分用于在软基合金材料上挤出预冲孔，所述精整强化部分用于对所述预冲孔进行匀速过盈挤压，使所述预冲孔内壁发生塑性变形。 

如图3所示，成形冲头1与固定连接杆采用螺纹连接，连接杆大端固定于压机上。其中，固定连接杆螺纹可供直径相差2、4、6mm的三组孔系成形冲头连接，减少固定连接杆直径系列，降低制造成本。 

成形冲头1下行过程中，AB段先在软基合金板材上挤压出预冲孔，随后冲头继续下行，对预冲孔进行过盈干涉孔挤压，使预冲孔内壁周围材料压缩发生塑性变形，几何尺寸达到机械连接时精度要求。整个过程要求匀速、连续，不允许出现停顿、侧倾和冲击。 

所述预冲孔的直径等于所述制件孔的直径减去两倍的绝对挤压量，所述绝对挤压量δ由公式 

$\mathrm{\δ}=\frac{d{\mathrm{\σ}}_s}{4E}[(\frac{1}{2e^2}+\frac{8}{d^2})r_s^2-\ln \frac{2r_s}{d}-\frac{1}{2}]$

确定，σ_s是软基合金材料的屈服强度，E是软基合金材料的弹性模量，e为所述预冲孔的中心到厚板边缘最近的距离，d为所述预冲孔的直径，r_s为孔壁周围 塑性强化层深。 

成形冲头1须经表面抛光并在其表层进行镀铅处理，成形过程采用固态润滑剂MoS₂进行润滑，要求均匀涂在成形冲头1表面的润滑膜应有足够的强度和覆盖率，目的在于降低成形冲头1与内孔成形过程的摩擦力，避免成形冲头1通过时对孔壁2造成损伤，从而降低了冷挤压强化效果。 

实施例1： 

本发明方法涉及复杂的塑性变形应力场分析，故采用刚塑性有限元法，对牌号为T₂紫铜的导电铜板(排)上成形单孔的冲挤复合工艺进行三维仿真，验证本发明专利加工后的孔壁周围残余压应力场的分布及其强化作用。其中导电铜板厚度为5mm，孔边距e/d为1.85，σ_s＝150MPa，E＝2.0×10⁴MPa。利用公式计算得δ_max＝0.49mm，取δ₁＝0.25mm，δ₂＝0.3mm，δ₃＝0.35mm，δ₄＝0.40mm，进而计算得相应的挤压相对过盈量ε₁＝2.5％，ε₂＝3％，ε₃＝3.5％，ε₄＝4.0％。 

由已知的绝对挤压量δ，利用公式和 计算得相应的塑性层深r_s和径向干涉载荷P为：r_s1＝13.49mm，r_s2＝14.69mm，r_s3＝15.79mm，r_s4＝16.81mm；p₁＝183.84MPa，p₂＝189.18MPa，p₃＝192.64MPa，p₄＝194.71MPa。 

由于内孔几何尺寸和受力状态的对称性，以d/2为内径，e为外径，建立1/4弹塑性3D有限元模型，两侧设置对称约束，内壁施加均布径向干涉载荷P，有限元建模见附图5。CAE分析中依次施加径向干涉载荷P₁、P₂、P₃、P₄，获取塑性层深分别为 $r_{s1}^{*}=12.95\mathrm{mm},r_{s2}^{*}=13.75\mathrm{mm},r_{s3}^{*}=14.93\mathrm{mm},r_{s4}^{*}=15.74\mathrm{mm},$ 与理论计算值比较，最大相对误差为6％，说明理论计算公式对实际生产具有较好的指导意义，四种不同绝对挤压量下的弹塑性界面位置见附图6。 

从附图6可以看出，塑性层深随着绝对挤压量δ的增加而增大。四种不同绝对挤压量下强化层的深度及位置见附图7，模拟获得的强化层深度η^*依次为  ${\mathrm{\η}}_1^{*}=9.42\mathrm{mm},{\mathrm{\η}}_2^{*}=9.86\mathrm{mm},{\mathrm{\η}}_3^{*}=10.09\mathrm{mm},{\mathrm{\η}}_4^{*}=10.31\mathrm{mm}.$ 四种不同绝对挤压量下周向残余应力沿壁厚方向的分布曲线见附图8。从附图8中可以看出，在孔壁周围0.5d～d范围内形成了残余周向压应力分布，其数值在内壁处最大。当绝对挤压量越大时，获取残余压应力的数值越大。当制件孔用于机械连接时，强化层内宏观残余压应力有助于降低承载部位周围的拉应力，减小孔侧壁等效应力幅值，产生抗疲劳增益作用，提高孔连接的可靠性和寿命。 

以上说明，及在图纸上所示的实施例，不可解析为限定本发明的设计思想。在本发明的技术领域里持有相同知识者可以将本发明的技术性思想以多样的形 态改良变更，这样的改良及变更应理解为属于本发明的保护范围内。 

Claims (8)

1.一种软基合金高光洁度内孔的精整强化方法，其特征在于包括以下步骤：

首先，在软基合金板材上预冲制直径小于制件孔直径的预冲孔，所述预冲孔的直径等于所述制件孔的直径减去两倍的绝对挤压量，所述绝对挤压量δ由公式

$\mathrm{\δ}=\frac{d{\mathrm{\σ}}_s}{4E}[(\frac{1}{2e^2}+\frac{8}{d^2})r_s^2-\ln \frac{2r_s}{d}-\frac{1}{2}]$

确定，其中σ_s是软基合金材料的屈服强度，E是软基合金材料的弹性模量，e为所述预冲孔的中心到厚板边缘最近的距离，d为所述预冲孔的直径，r_s为孔壁周围塑性强化层深；

再用直径等于所述制件孔直径的成形冲头对所述预冲孔进行匀速过盈挤压，使所述预冲孔内壁发生塑性变形，从而使所述预冲孔的直径符合制件孔设计要求。

2.根据权利要求1所述的一种软基合金高光洁度内孔的精整强化方法，其特征在于：所述绝对挤压量δ与孔壁周围塑性强化层深r_s关系由如下公式确定：

$\mathrm{\δ}=\frac{d{\mathrm{\σ}}_s}{4E}[(\frac{1}{2e^2}+\frac{8}{d^2})r_s^2-\ln \frac{2r_s}{d}-\frac{1}{2}]$

所述绝对挤压量δ是预冲孔到制件孔的半径变形量，所述塑性强化层深是制件孔的中心到孔壁材料弹塑性交界面的距离，σ_s是软基合金材料的屈服强度，E是软基合金材料的弹性模量；当r_s＝e时，即得最大绝对挤压量δ_max，δ_max由如下公式确定：

${\mathrm{\δ}}_{\max }=\frac{d{\mathrm{\σ}}_s}{4E}[\frac{8e^2}{d^2}-\ln \frac{2e}{d}].$

3.根据权利要求1所述的一种软基合金高光洁度内孔的精整强化方法，其特征在于：所述成形冲头挤压对所述预冲孔形成的径向干涉载荷P由如下公式确定：

$P=(\ln \frac{2r_s}{d}+\frac{e^2-r_s^2}{2e^2}){\mathrm{\σ}}_s.$

4.根据权利要求1所述的一种软基合金高光洁度内孔的精整强化方法，其特征在于：所述预冲孔的直径范围为4～60mm，孔边距e/d为1.75≤e/d≤2，所述e为所述预冲孔的中心到厚板边缘最近的距离，所述d为所述预冲孔的直径。

5.根据权利要求1所述的一种软基合金高光洁度内孔的精整强化方法，其特征在于：所述成形冲头对所述预冲孔的挤压相对过盈量ε为2％～4.5％，所述挤压相对过盈量ε为所述预冲孔到所述制件孔的半径变形量与所述制件孔直径的百分比。

6.一种用于权1所述精整强化方法的成形冲头，其特征在于：所述成形冲头由预冲孔部分和精整强化部分组成，其强化精整部分高度为3mm，所述预冲孔部分用于在软基合金材料上挤出预冲孔，所述精整强化部分用于对所述预冲孔进行匀速过盈挤压，使所述预冲孔内壁发生塑性变形。

7.根据权利要求6所述的成形冲头，其特征在于：所述成形冲头与固定连接杆采用螺纹连接，该固定连接杆大端固定于压机上，所述固定连接杆螺纹供直径相差2、4、6mm的三组孔系成形冲头连接。

8.根据权利要求6所述的成形冲头，其特征在于：所述成形冲头表面抛光并在其表层进行镀铅处理。