CN107012305A - 一种结构件连接孔的超声挤压强化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构件连接孔的超声挤压强化方法及装置，该方法是以芯棒作为超声挤压强化工具，在芯棒与连接孔之间保持2％～6％挤压余量的条件下，将芯棒以10～60mm/min速度均匀通过连接孔，同时给芯棒加上15～80kHz频率的呼吸式超声振动，交替式径向振幅在3～50μm，整个过程采取的是拉拔挤压方式；该装置包括超声波发生器、超声振动部分、工作台、导向筒、液压缸、支架。超声振动部分与液压杆用螺纹套筒连接，液压缸、导向筒分别安装于支架顶板的两侧工作台安装于支架底板上。上述挤压过程中在孔壁面增加了挤压余量，孔壁附近形成残余压应力，加深了径向残余压应力层，产生晶格畸变，位错密度增加，同时减少了孔壁面附近的材料轴向塑性流动。

Description

一种结构件连接孔的超声挤压强化方法及装置

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种结构件连接孔的超声挤压复合强化方法及装置，主要用于航空、航天、列车及船舶等工业中重要结构件连接孔的强化。

背景技术

目前，结构件连接孔的主要强化技术有冷挤压强化技术、机械喷丸强化技术、干涉配合连接技术、滚压强化技术及激光冲击强化技术。其中，冷挤压和机械喷丸是目前国内外广泛用于结构抗疲劳断裂设计的行之有效的两种强化技术。

国内外的内外孔的内表面强化工艺大多采用的是机械喷丸与冷挤压强化。传统机械喷丸的方法是在内壁设置一个带有锥角的反射装置，将喷丸喷射到反射装置上，是弹丸与孔内壁发生碰撞，使孔内壁产生残余压应力，从而对孔内壁起到强化作用，但是机械喷丸强化的方法受到孔径的限制，当孔径小到一定程度时，此方法就不在适用，而且喷丸强化后也存在沿孔径方向应力分布不均匀的问题。冷挤压强化的原理是用一个与待强化孔径相比具有一定过盈量的芯棒采用强行挤压的方式通过孔径，挤压力通过芯轴作用在孔内壁上，使内孔周围产生残余压应力。冷挤压芯棒在挤压过程中，由于芯轴与孔内壁直接接触，挤压力大，极易发生折断，特别是小孔(孔径小于5mm)件的挤压处理，折断后的芯棒很难取出，对壁面造成划痕。同时孔壁轴向流动大，形成较高凸台。开缝衬套冷挤压后，在孔壁会留下一道线状凸台，需经铰孔才能保证孔壁面的机械要求，但铰削对孔周的残余应力分布会产生较大的影响。[00]中国专利文献CN103710494A一种基于超声波的小孔强化方法及装置，该方法是以压电陶瓷柱为振动部件，进行极化后连接超声波发生器，置于小孔内部适当位置，通过压电陶瓷柱的旋转和径向运动撞击小孔内壁产生一定的塑性变形从而引入残余应力，对小孔内壁进行珩磨与强化。由于振动部件的压电陶瓷柱在使用之前需要进行特殊的极化处理，用于小孔件处理压电陶瓷柱电极也难连接，并容易损坏；强化处理需要较长的时间，同时存在残余应力分布不均匀问题。

中国专利文献CN105734233A提供一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法及其应用，通过将金属工件装夹在超声波加工机床上，利用超声波加工刀具对金属工件表面进行超声加工，该方法重点在于通过调整超声波加工刀具对于加工工作面的不同压力来实现对金属表面预置压应力，最终达到消除残余应力，提高疲劳寿命的目的。同时该超声强化能使金属工件表面晶粒细化，表面显微硬度提高，耐磨性和耐腐蚀性提高，从而大幅度提高工件的疲劳寿命。该强化方法只能使工件表面加工残余应力降低，不能实现明显的强化，也无法实现对孔内壁强化。

超声拉丝、超声拉拔轴是将纵向振动或正交复合振动超声波振动能传递到模具上，从而激励振动模具，然后被加工材料通过这样的振动模具进行拉拔加工，进而获得超声波振动能对金属材料塑性成型加工，该方法的模具孔硬度、强度大于丝材、棒材的，且以丝材、棒材为加工对象，使材料更利于轴向的塑性流动，利于工件成型。该方法以利于轴向塑性流动为目的，在振动模态、振动参数上与强化要求的工艺不同，更不希望产生强化效果。

中国专利文献CN10162828公开了一种切向伸缩式超声波扭转换能器,换能器直接使前盖体在切向方向产生纯扭转振动,经过变幅杆放大后输出大振幅扭转振动,以切向直接驱动的简单方式获得了超声波纯扭转振动。此换能器为纯扭转振动，无法改变振动模态，不能适应孔的强化的要求。

发明内容

针对现有强化技术中存在的上述不足之处，发明了一种结构件连接孔的超声挤压复合强化方法。本发明的目的在于，通过超声挤压复合强化，不仅可以增强孔周边材料抗裂纹萌生与扩展的能力，而且能够消除钻孔时产生的壁面划痕，提高孔的壁面质量，提高操作可靠性和效率。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种结构件连接孔的超声挤压强化方法，以芯棒作为超声挤压强化工具，在芯棒与连接孔之间保持2％～6％挤压余量的条件下，将芯棒以10～60mm/min速度均匀通过连接孔，同时给芯棒加上15～80kHz频率的呼吸式超声振动，其交替式径向振幅在3～50μm；

具体步骤如下：

(1)选择工艺参数和芯棒型号尺寸，并保证一定的挤压余量；

(2)定位对中，将芯棒与连接孔对准，保证芯棒轴线与连接孔的轴线重合，在芯棒和连接孔的孔壁涂抹润滑剂；

(3)设置振动模态和参数，启动超声振动部分；

(4)启动挤压装置，从而带动芯棒匀速缓慢的通过连接孔。

进一步的，所述芯棒包括从上到下依次为导向段、前锥段、工作段和后锥段；前锥段、后锥段与工作段的连接均为平滑过渡；芯棒的工作段长度不大于连接孔的深度。

进一步的，所述芯棒的硬度大于连接孔孔处材料的硬度，芯棒表面粗糙度为Ra≤0.2μm。

一种结构件连接孔的超声挤压强化装置，包括液压缸、导向筒、超声波发生器、超声振动部分、工作台、支架；

所述液压缸安装在支架上方，且液压缸的液压杆与超声振动部分机械相连接；所述液压缸的液压杆外侧套装有导向筒，导向筒一端安装在支架上；导向筒的竖直侧上通过导线连接有超声波发生器；所述超声振动部分的正下方设置有工作台；所述工作台安装在支架内部的底板面上。

进一步的，所述超声振动部分包括换能器、前端盖、压电陶瓷片、后端盖、电极片和绝缘片；所述换能器一侧上垂直安装有芯棒；所述换能器另一侧与前端盖固定相连接；前端盖与后端盖之间依次设置有绝缘片、电极片与压电陶瓷片；所述前端盖与后端盖之间通过紧固螺钉连接。

进一步的，所述工作台包括扇形压板与凸型件；凸型件通过螺栓连接于支架上。

进一步的，所述超声振动部分可根据需要选择超声振动模态，压电陶瓷片的极化方向根据振动模态的要求进行选择。

一种结构件连接孔的超声挤压强化方法，该方法是以芯棒作为超声挤压强化工具，在芯棒与连接孔之间保持2％～6％挤压余量的条件下，将芯棒以10～60mm/min速度均匀通过连接孔，同时给芯棒加上15～80kHz频率的呼吸式超声振动，交替式径向振幅在3～50μm，整个过程采取的是拉拔挤压方式；上述过程中在孔壁面附近形成残余压应力，加深了径向残余压应力层，产生晶格畸变，位错密度增加，同时减少了孔壁面附近的材料轴向塑性流动，使孔表面光整，凸台减小。

该方法中所用的芯棒包括前导向段、前锥段、工作段、后锥段，锥段与圆柱段的连接地方为平滑过渡。；芯棒圆柱段的长度应小于连接孔的深度。

该方法具体包括如下步骤：

(1)选择工艺参数和芯棒型号尺寸，并保证一定的挤压余量；

(2)定位对中，将芯棒与连接孔对准，保证芯棒轴线与连接孔的轴线重合，在芯棒和孔壁涂抹润滑剂；

(3)设置振动模态和参数，启动超声振动装置；

(4)启动挤压装置，将芯棒匀速缓慢的通过连接孔。

(1)选择工艺参数和芯棒型号尺寸，并保证一定的挤压余量；

(2)定位对中，将芯棒与连接孔对准，保证芯棒轴线与连接孔的轴线重合，在芯棒和孔壁涂抹润滑剂；

(3)设置振动模态和参数，启动超声振动装置；

(4)启动挤压装置，将芯棒匀速缓慢的通过连接孔。

在上述强化过程中，所述过挤压余量是指芯棒的圆柱段直径d₁与连接孔直径d₀之间的相对挤压量E，即E＝(d₁-d₀)/d₀。

该方法所述结构件连接孔处的材料为铝、铝合金、镁、镁合金、铜、铜合金、钛、钛合金、高温合金、碳素结构钢、合金结构钢、超高强度钢或不锈钢。

该方法所述连接孔在强化处理前的尺寸为：孔径大于1.5mm，深度大于1mm该方法所述芯棒的硬度应大于连接孔处材料的硬度，芯棒的表面粗糙度Ra≤0.2μm。

本发明还涉及一种实现上述结构件连接孔的超声挤压强化装置，由超声波发生器、超声振动部分、工作台、导向筒、液压缸、支架部分组成，超声振动系统与液压杆用螺纹套筒连接，液压缸、导向筒分别安装于支架顶板的两侧，工作台安装于支架底板上。

所述结构件连接孔的超声挤压强化装置的超声振动部分由换能器、变幅杆、芯棒、超声波发生器组成，前端盖、压电陶瓷片组、绝缘片、电极片、后端盖通过预紧螺钉(套有绝缘管)连接，变幅杆小端与芯棒以精密细牙螺纹连接。

所述换能器中变幅杆与前端盖为一整体。

所述结构件连接孔的超声挤压强化装置的工作台有扇形压板与凸型件组成，凸型件通过螺栓连接于支架上。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明为结构件连接孔的超声挤压强化方法，该方法是以呼吸式超声振动芯棒作为超声挤压强化工具，在芯棒与连接孔之间保持2％～6％挤压余量的条件下，将超声振动芯棒缓慢匀速的通过连接孔，对孔进行超声挤压强化。该过程中，在挤压余量的共同挤压作用下，孔壁面附近形成残余压应力，在服役条件下可以抵消部分拉应力，改善孔周围的应力环境。在芯棒呼吸式超声径向振动作用下，在孔壁面增加了挤压余量，径向残余应力层加深，产生晶格畸变，位错密度增加。

2、本发明中呼吸式超声挤压芯棒作用还能够消除开孔时产生的壁面划痕，提高孔壁质量，免去铰削工艺。

3、本发明控制芯棒长度、振动频率、加载电压、挤压速度，并与适当的挤压余量配合(2％～6％)相配合，与纯芯棒挤压相比，拉拔力更小，芯棒不易断，消耗的能量更少，成本更低。

4、减少拉拔挤压力，增加了操作的可靠性。普通芯棒挤压极易发生折断，孔径小于5mm的挤压处理，折断后的芯棒很难取出，因此特别是有利于无法采用普通芯棒挤压强化的小孔结构的处理。

5、本发明强化方法不需要额外的辅助器材，如冷挤压强化时需要衬套，而且操作简单可靠，效率高，适用于多种金属材料孔的强化。

附图说明

图1是本发明芯棒与连接孔配合的结构示意图；

图2是图1中芯棒呼吸式振动状态示意图；

图3是图1中超声挤压复合强化方法过程示意图；

图4是图3中超声挤压强化与芯棒挤冷压挤压接触力-时间曲线图；

图5是图1中复合超声挤压装置的示意图；

图6是图5中换能器结构图；

图7为图6的局部放大示意图；

图8是图5中工作台结构图；

图9为图8工作台的剖视示意图。

附图标记如下：

1.芯棒；101.导向段；102.前锥段；103.工作段；104.后锥段；2.结构件母板；201.拉挤起始；202.拉挤进行中；203.拉挤完成；3.连接孔；301.普通挤压接触力；302.超声挤压接触力；4.液压缸；5.导向筒；6.超声波发生器；7.超声振动部分；72.换能器；721.前盖板；722.压电陶瓷片；723.紧固螺钉；724.后端盖；725.电极片；726.绝缘套管；727.绝缘片；8.工作台；81.扇形压板；82.支撑钉；83.凸型件；831.上板；832.侧板；9.支架。

具体实施方式：

下面将结合附图对本法明做进一步的详细说明。

本发明是一种能够对结构件连接孔3的超声挤压强化方法，该方法是以呼吸式超声振动芯棒1作为挤压工具进行操作，呼吸式超声振动芯棒振动状态如图2。所用挤压芯棒为圆柱状工具如图1，包括导向段101、前锥段102、工作段103、后锥段104。

本发明超声挤压强化方法原理如图1所示，结构件母板2上具有连接孔3，在芯棒1与连接孔3保持2％～6％挤压余量的条件下，使芯棒1的轴线与连接孔3的轴线对准，将芯棒3缓慢与连接孔3接触少许后，将芯棒1激励成如图2所示呼吸式超声振动状态，匀速通过母板2上连接孔3如图3，实现超声挤压强化；其中：芯棒1以10～60mm/min速度均匀通过连接孔3，芯棒1加上15～80kHz频率的呼吸式超声振动，芯棒1交替式径向振幅在3～50μm，整个过程采取的是拉拔挤压方式；经过上述强化处理后，一方面，在呼吸式超声振动芯棒1的挤压作用下，连接孔3壁面附近形成残余压应力，加深了径向残余压应力层，在服役条件下可以抵消部分拉应力，改善连接孔3周围的应力环境；另一方面，在呼吸式超声振动芯棒1的作用下，孔壁面附近的材料轴向塑性流动减小，径向塑性变形增大，并产生晶格畸变，位错密度增加。以上两方面共同作用增强了连接孔3周边材料抗裂纹萌生与扩展的能力。此外，芯棒1呼吸式超声振动作用下，能够降低挤压过程中的拉拔力、摩擦力，有效解决较小连接孔3挤压过程中的芯棒1断裂问题，还能够消除开孔时产生的壁面划痕，提高孔的连接质量。

利用本实例的强化方法，在超声挤压与普通挤压强化的挤压工艺参数的相同情况下，两种挤压过程的接触挤压力如图4所示，横坐标为挤压时间，纵坐标为挤压接触力，曲线301为普通挤压接触力，曲线302为超声挤压接触力，超声挤压接触力平均值要小于普通挤压接触力的平均值。

实现本发明方法的装置如图5，包括液压缸4、导向筒5、超声波发生器6、超声振动部分7、工作台8、支架9，超声振动部分7与液压缸4用螺纹套筒连接，液压缸4、导向筒5分别安装于支架9顶板的两侧，工作台8安装于支架9底板上。

所述结构件连接孔的超声挤压强化装置的超声振动部分如图6和7，由换能器72(变幅杆与其设计为一体)，芯棒1与换能器72螺纹连接，换能器72前盖板721的右表面依次绝缘片727、电极片725、最左侧压电陶瓷片722相连，每对压电陶瓷片722间都有电极片725相连，最右侧压电陶瓷片722依次与电极725片、绝缘片727、后端盖724相连，换能器72整体由套有绝缘套管726的紧固螺钉723相连接。

所述换能器中前端盖721具有变幅杆的作用，设计为换能器72的一部分。

所述结构件连接孔的超声挤压强化装置的工作台如图8和9，由扇形压板81与支撑钉82、凸型件83组成，凸型件83作为工作台8的支撑部分，扇形压板81螺纹连接于凸型件83侧板832上，支撑钉82过渡配合于凸型件83的上板831上。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种结构件连接孔的超声挤压强化方法，其特征在于：以芯棒(1)作为超声挤压强化工具，在芯棒(1)与连接孔(3)之间保持2％～6％挤压余量的条件下，将芯棒(1)以10～60mm/min速度均匀通过连接孔(3)，同时给芯棒(1)加上15～80kHz频率的呼吸式超声振动，其交替式径向振幅在3～50μm；

具体步骤如下：

(1)选择工艺参数和芯棒(1)型号尺寸，并保证一定的挤压余量；

(2)定位对中，将芯棒(1)与连接孔(3)对准，保证芯棒(1)轴线与连接孔(3)的轴线重合，在芯棒(1)和连接孔(3)的孔壁涂抹润滑剂；

(3)设置振动模态和参数，启动超声振动部分(7)；

(4)启动挤压装置，从而带动芯棒(1)匀速缓慢的通过连接孔(3)。

2.根据权利要求1所述的结构件连接孔的超声挤压强化方法，其特征在于：所述芯棒(1)包括从上到下依次为导向段(101)、前锥段(102)、工作段(103)和后锥段(104)；前锥段(102)、后锥段(104)与工作段(103)的连接均为平滑过渡；芯棒(1)的工作段(103)长度不大于连接孔(3)的深度。

3.根据权利要求1所述的结构件连接孔的超声挤压强化方法，其特征在于：所述芯棒(1)的硬度大于连接孔(3)孔处材料的硬度，芯棒(1)表面粗糙度为Ra≤0.2μm。

4.一种实现如权利要求1所述的结构件连接孔的超声挤压强化装置，其特征在于：包括液压缸(4)、导向筒(5)、超声波发生器(6)、超声振动部分(7)、工作台(8)、支架(9)；

所述液压缸(4)安装在支架(9)上方，且液压缸(4)的液压杆与超声振动部分(7)机械相连接；所述液压缸(4)的液压杆外侧套装有导向筒(5)，导向筒(5)一端安装在支架(9)上；导向筒(5)的竖直侧上通过导线连接有超声波发生器(6)；所述超声振动部分(7)的正下方设置有工作台(8)；所述工作台(8)安装在支架(9)内部的底板面上。

5.根据权利要求4所述结构件连接孔的超声挤压强化装置，其特征在于，所述超声振动部分(7)包括换能器(72)、前端盖(721)、压电陶瓷片(722)、后端盖(724)、电极片(725)和绝缘片(727)；所述换能器(72)一侧上垂直安装有芯棒(1)；所述换能器(72)另一侧与前端盖(721)固定相连接；前端盖(721)与后端盖(724)之间依次设置有绝缘片(727)、电极片(725)与压电陶瓷片(722)；所述前端盖(721)与后端盖(724)之间通过紧固螺钉(723)连接。

6.根据权利要求4所述的结构件连接孔的超声挤压强化装置，其特征在于，所述工作台(8)包括扇形压板(81)与凸型件(83)；所述凸型件(83)通过螺栓连接于支架(9)上。

7.根据权利要求4所述的结构件连接孔的超声挤压强化装置，其特征在于：所述超声振动部分(7)可根据需要选择超声振动模态，压电陶瓷片(722)的极化方向根据振动模态的要求进行选择。