CN106270783A - 提高飞行器螺钉孔技术寿命的方法及装置 - Google Patents

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陈修琳
陈岩
袁秦峰
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    • B23P9/025—Treating or finishing by applying pressure, e.g. knurling to inner walls of holes by using axially moving tools

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Abstract

一种提高飞行器螺钉孔技术寿命的方法及装置，首先对已钻有通孔的待强化联接件，采用带有辊子的铰刀进行扩孔，再采用纺锤形芯棒进行强化处理，在拉挤下芯棒通过孔，螺钉孔经过弹塑性变形，在孔的附近建立了压缩残余应力，实现用芯棒挤压方法强化孔。本发明同时提出一种铰刀芯棒复合工具，包括位于顶部的铰刀部分以及位于中部的芯棒部分，其中：铰刀部分的顶部设有定键销，侧面设有若干条轴向的圆柱形辊子。本发明能够建立更有益的应力‐应变状态。

Description

提高飞行器螺钉孔技术寿命的方法及装置
技术领域
本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种提高飞行器螺钉孔技术寿命的方法及装置。
背景技术
在建设现代化工程项目中，保证可靠性和高的技术寿命是主要任务之一。现代航空飞机机体故障12～30％是由于联接失效造成的。飞机结构的可靠性和长寿命取决于更多孔零件和机体结构件疲劳强度。在操作过程中损坏主要发生在结构应力集中源处。对续航力甚至使用零件试验研究结果表明，确定第一序列零件寿命是螺钉连接，由于应力集中产生疲劳裂纹源。在螺钉连接区域受力零件产生疲劳裂纹，在交变载荷和相互接触作用下裂纹迅速扩展，引起零件变形和微位移。在现代飞机结构中大量使用螺钉连接，其中50～70％用于高负荷区域。这些连接寿命极大程度取决于结构参数、孔的成形方法、螺钉装配、螺钉在孔中配合特征、连接拧紧参数、表面接触特性。所以，保证其规定连接的长寿命是结构‐工艺。
影响螺钉连接寿命的主要参数包括：螺钉在孔中配合指标、螺孔的强化加工、由于螺钉拧紧被连接零件轴向拉伸、完成连接的工艺过程精度、稳定性以及由相互作用产生负荷和残余应力数值确定的螺钉连接区域应力‐应变状态特征，该负荷及数值是螺钉在孔中向下拧紧时由于径向过盈产生的。
现有的扩孔工艺的缺点包括：扩孔后孔径偏差超过规定使用名义偏差、碾压工构成复杂性，碾压质量难以控制、不可能建立碾压工可靠队伍结构，以加工直径小于8mm孔、必须定期调整碾压工以保证孔规定的加工精度。在扩孔过程中，必须支持轴向进给量在0.4—0.8mm/转范围内。若更小的进给量将导致辊子对孔表面同一地方反复碾压，造成孔表面过冷作硬化并起皮。
发明内容
本发明针对现有扩孔工艺存在的上述不足，提出一种提高飞行器螺钉孔技术寿命的方法及装置，能够建立更有益的应力‐应变状态。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明首先对已钻有通孔的待强化联接件，采用带有辊子的铰刀进行扩孔，在获得通孔后再采用纺锤形芯棒进行强化处理，在芯棒通过孔的拉挤下，螺钉孔经过弹塑性变形，在孔的附近建立了压缩残余应力，实现用芯棒挤压方法强化孔。
所述的扩孔，轴向进给量在0.4～0.8mm/转以避免孔表面过冷作硬化并起皮。
为了减低芯棒挤压剧烈粘附过程，优选在强化处理前采用润滑材料，该润滑剂应该保证流体动力学摩擦规范：动力粘度应该超过200Pa·s(例如，水基细石墨)。
本发明涉及一种实现上述工艺的铰刀芯棒复合工具，包括位于顶部的铰刀部分以及位于中部的芯棒部分，其中：铰刀部分的顶部设有定键销，侧面设有若干条轴向的圆柱形辊子。
所述的芯棒部分由工具钢或高速钢制造，其硬度大于等于HRC62‐64。
技术效果
与现有技术相比，本发明工艺得到的螺孔试验结果表明，在芯棒碾压孔中装配螺钉，提高螺钉连接寿命到3～5倍；通过本发明复合工具则能够进一步将加工量下降到1/2～1/3。
附图说明
图1由超硬铝合金7075带有芯棒强化孔试样寿命与芯棒过盈量，在试验条件下名义拉挤应力关系示意图，
图中：1、2、3分别对应名义应力为σm＝120、150、180MPa；
图2为螺钉连接试样寿命与在芯棒强化孔中过盈量和试验中名义拉应力关系示意图；
图中：1、2、3分别对应名义拉应力为σm＝120、150、180MPa；
图3孔弹性变形与芯棒过盈量关系示意图；
图4为扩径工具示意图；
图中：a)为扩径工具结构；b)为芯棒，1铰刀、2辊子、3、5待联接板材、4芯棒；
图5为铰刀‐芯棒复合工具略图；
图中：6定键销、7铰刀、8弹簧螺钉、9芯棒、10刀杆、11刀柄；
图6为具有3％过盈量的芯棒挤压时，所需轴向力和芯棒直径关系示意图。
具体实施方式
本实施例首先将钻过孔的两个被联接件，通过带有辊子的铰刀进行扩孔，在获得通孔后再采用纺锤形芯棒进行强化处理，在芯棒通过孔的拉挤下，螺钉孔经过弹塑性变形，在孔的附近建立了压缩残余应力，实现用芯棒挤压方法强化孔。
所述的芯棒能够建立残余压应力150～350MPa，最大残余压应力值位于距离孔壁表面0.2～0.3mm处，压应力深度达到1.5～2.5mm。
所述的芯棒由工具钢或高速钢制造，其硬度大于等于HRC62‐64。在芯棒与加工材料接触区域，由于粘附硬化使芯棒发生磨损。这时观测到芯棒表面和加工孔壁粗糙度恶化。为了减低芯棒挤压剧烈粘附过程，推荐挤压时运用润滑材料，该润滑剂应该保证流体动力学摩擦规范。在这样情况下，动力粘度应该超过200Pa·s(例如，水基超细石墨)。
所述的芯棒在磨损后可用抛光方法修复到其允许的极限偏差范围内。
如图1所示，由超硬铝合金7075试样孔径8mm，用自由芯棒扩孔试验结果表明，芯棒过盈量3～3.5％孔径，试样寿命提高到3～5倍。
类似的结果在双排的双剪切螺钉连接试样中获得。试样的材料为超硬铝合金7075，芯棒过盈量依次为1.2、2.4和3.6％。最终用芯棒扩孔单边公差为0.02～0.04mm。扩孔后孔径偏差没有超过H7极限偏差。螺钉直径8mm，安装孔隙为0～0.03μm。实际用16Nm扭矩拧紧螺钉。试验在名义拉应力为130、150、180MPa和非对称循环系数R＝0.1条件下进行的。
如图2所示，在芯棒碾压孔中装配螺钉提高螺钉连接寿命到3倍。过盈最佳值(从提高寿命观点)与有效应力值有关，因此过盈值应该预先考虑出现在零件结构上的应力与零件实际使用负荷。
用芯棒强化孔径范围，对铝合金为据达到结构寿命条件，过盈量范围为0.5～4％孔径。
芯棒挤压后孔的精度，一般不超过9～10级。这是以下条款为条件的。首先，芯棒挤光之后如图3所示，孔径弹性恢复数值偏差以及第二，圆柱孔偏差，近孔缘区域以小变形为条件的。
如图4和5所示，为本实施例实现上述工艺的铰刀芯棒复合工具，包括位于顶部的铰刀部分7以及位于中部的芯棒部分9，其中：如图4a所示的铰刀部分7的顶部设有定键销6，侧面设有若干条轴向的圆柱形辊子2。
所述的铰刀部分的外径为：Dj＝d0(1+δ1％)，其中：Dj为旋转扩孔后内径，δ1为挤压前孔径弹性回复百分比，其范围为0.1～1.0，d0为初始加工孔径，mm。
所述的辊子为圆柱体结构。
如图4b所示，所述的芯棒部分为纺锤形结构，包括：头部、中部和尾部，其中：头部为圆台形结构，其倾角α满足45°，中部为柱体结构；中部外径Dk考虑到孔径在芯棒挤压通过后弹性回复，Dk＝d0(1+δ2％)，其中：Dk为实际使用芯棒零件直径，mm；d0为初始钻孔孔径，mm；δ2为挤压后孔径弹性回复百分比，其范围为3～3.5，可依据图3计算，例如，过盈量为2％，弹性回复值约为孔径0.75％；尾部外径逐步递减。图4b中的dq为铰孔后弹性回复后内径。
所述的芯棒部分由工具钢或高速切削钢制造，其硬度大于等于HRC62‐64。
如图6所示，为了实现孔同时铰和挤，芯棒部分应该紧挨着旋转的铰刀，轴向力施加在芯棒上，力的大小取决于芯棒零件的主轴直径。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种提高飞行器螺钉孔技术寿命的方法，其特征在于，首先对已钻有通孔的待强化联接件，采用带有辊子的铰刀进行扩孔，再采用纺锤形芯棒进行强化处理，在拉挤下芯棒通过孔，螺钉孔经过弹塑性变形，在孔的附近建立了压缩残余应力，实现用芯棒挤压方法强化孔。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，为了减低芯棒挤压剧烈粘附过程，在强化处理前采用润滑材料，该润滑剂应该保证流体动力学摩擦规范。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的扩孔，轴向进给量在0.4～0.8mm/转以避免孔表面过冷作硬化并起皮。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的润滑材料的动力粘度应该超过200Pa·s。
5.一种实现上述任一权利要求所述方法的铰刀芯棒复合工具，其特征在于，包括位于顶部的铰刀部分以及位于中部的芯棒部分，其中：铰刀部分的顶部设有定键销，侧面设有若干条轴向的圆柱形辊子。
6.根据权利要求5所述的铰刀芯棒复合工具，其特征是，所述的铰刀部分的外径为：Dj＝d0(1+δ1％)，其中：Dj为旋转扩孔后内径，δ1为挤压前孔径弹性回复百分比，d0为初始加工孔径，mm。
7.根据权利要求5所述的铰刀芯棒复合工具，其特征是，所述的芯棒部分为纺锤形结构，包括：头部、中部和尾部，其中：头部为圆台形结构；中部为柱体结构；尾部外径逐步递减。
8.根据权利要求7所述的铰刀芯棒复合工具，其特征是，所述的头部的倾角为45°。
9.根据权利要求7所述的铰刀芯棒复合工具，其特征是，所述的中部的外径Dk＝d0(1+δ2％)，其中：Dk为实际使用芯棒零件直径，mm；d0为初始加工孔径，mm；δ2为挤压后孔径弹性回复百分比。
10.根据权利要求5所述的铰刀芯棒复合工具，其特征是，所述的芯棒部分由工具钢或高速钢制造，其硬度大于等于HRC62‐64。
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