CN108870057A - 强化部件及强化结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种强化部件，用于带有安装孔的工件，所述强化部件包括压环和衬套。所述压环能设于所述工件且环绕所述安装孔，所述压环靠近所述工件的表面设有能嵌入所述工件的凸起。所述衬套连接于所述压环，且能配合设于所述安装孔内。本发明强化部件的压环上的突起在嵌入工件表面的过程中，工件上与突起接触的区域产生塑性变形，对相邻的安装孔产生压应力，使安装孔内壁向衬套靠近，并发生挤压，使安装孔的内壁产生变形，进而使安装孔内壁产生残余压应力层，强化了安装孔的抗疲劳性能，提高了工件上安装孔的疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及结构强化技术领域，尤其涉及一种强化部件及强化结构。
背景技术
近年来，我国民用航空工业进入快速发展时期，科研生产水平明显提升，关键技术攻关取得重要进展。在此背景下，航空工件的数量也愈加增多。要将航空工件整合为机体结构，需要大量的安装孔。
安装孔是飞机结构中典型的应力集中细节，在交变载荷的作用下具有较低的疲劳寿命，从而进一步导致整机结构寿命的降低，在严重的情况下，甚至会出现解体的风险。
需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强化部件及强化结构，能够强化安装孔的抗疲劳性能，提高安装孔的疲劳寿命。
根据本发明的一个方面，提供一种强化部件，用于带有安装孔的工件，所述强化部件包括压环和衬套。所述压环能设于所述工件且环绕所述安装孔，所述压环靠近所述工件的表面设有能嵌入所述工件的凸起。所述衬套连接于所述压环，且能配合设于所述安装孔内。
在本公开的一种示例性实施例中，所述凸起为两个，且相对设置于所述压环的中心的两端。
在本公开的一种示例性实施例中，所述凸起沿弧形轨迹延伸，且所述凸起的曲率中心与所述安装孔的圆心重合。
在本公开的一种示例性实施例中，所述凸起的弧度介于π/2与17π/18之间。
在本公开的一种示例性实施例中，所述凸起的径向截面为矩形。
在本公开的一种示例性实施例中，所述矩形的高度介于0.2mm与0.4mm之间。
在本公开的一种示例性实施例中，所述矩形的宽度等于所述矩形的高度与所述安装孔的深度的比值。
在本公开的一种示例性实施例中，所述强化部件还包括容置槽，所述容置槽设于所述压环与所述工件的接触面。
在本公开的一种示例性实施例中，所述容置槽包括第一容置槽和第二容置槽。所述第一容置槽形成于所述压环与所述衬套的接合处。所述第二容置槽形成于所述压环与所述凸起的接合处。
根据本发明的一个方面，提供一种强化结构，包括设有安装孔的工件和权利要求1-9任一项所述的强化部件。
本发明相比现有技术的有益效果在于：本公开的强化部件包括能够环绕安装孔的压环和能够与安装孔配合的衬套，压环上所设置的突起在嵌入工件表面的过程中，工件上与突起接触的区域产生塑性变形，对相邻的安装孔产生压应力，使安装孔内壁向衬套靠近，并发生挤压，使安装孔的内壁产生变形，进而使安装孔内壁产生残余压应力层，强化了安装孔的抗疲劳性能，提高了工件上安装孔的疲劳寿命。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例性实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本公开实施方式的强化部件的示意图；
图2为本公开实施方式的强化部件的前视图；
图3为本公开实施方式的强化部件的左视图；
图4为本公开实施方式的强化部件的仰视图；
图5为本公开实施方式的强化结构的示意图；
图6为图5所示的强化结构的分解图；
图7为图5中A部的放大图；
图8为本公开实施方式的强化结构的分解图。
图中：1、压环；2、凸起；3、衬套；4、倒角；5、工件；6、安装孔；7、容置槽；701、第一容置槽；702、第二容置槽。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免模糊本公开的各方面。
用语“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
本公开实施方式提供一种强化部件，用于带有安装孔6的工件5，该工件5可以是飞机壁板或飞机翼肋，但本公开实施方式中工件5不以此为限。如图1-图8所示，所述强化部件可以包括压环1和衬套3，其中：
所述压环1能设于所述工件5且环绕所述安装孔6，所述压环1靠近所述工件5的表面可以设有能嵌入所述工件5的凸起2。所述衬套3可以连接于所述压环1，且能配合设于所述安装孔6内。
本发明公开的强化部件包括能够环绕安装孔6的压环1和能够与安装孔6配合的衬套3，压环1上所设置的突起在嵌入工件5表面的过程中，工件5上与突起接触的区域产生塑性变形，对相邻的安装孔6产生压应力，使安装孔6内壁向衬套3靠近，并发生挤压，使安装孔6的内壁产生变形，进而使安装孔6内壁产生残余压应力层，强化了安装孔6的抗疲劳性能，提高了工件5上安装孔6的疲劳寿命。
下面对本公开实施方式中强化部件的各部分进行详细说明：
在一实施方式中，该压环1的材料可以为铸铁，以使压环1具有良好的抗疲劳性能，当然，压环1的材料还可以是其它具有良好抗疲劳性能的材料，在此不再一一列举。此外，该压环1具有相对的两个平面，例如压环1可由圆板在圆心处开设通孔形成。其中，压环1外圈的直径大于工件5上安装孔6的直径，以使压环1上的凸起2能够嵌入到工件5的表面。本公开实施方式对压环1的厚度不做具体限定。此外，使压环1设于工件5且环绕安装孔6，具体而言，使压环1的底面紧贴于工件5的表面，并使压环1的内圈与工件5的安装孔6具有同一轴线。
在一实施方式中，该压环1设有凸起2，该凸起2能够嵌入工件5的表面，以使工件5表面上凸起2嵌入的区域产生塑性变形，同时使安装孔6的内壁产生弹性变形，嵌入区域的塑性变形阻碍安装孔6内壁的弹性变形的恢复，从而使安装孔6内壁产生残余压应力。以压环1为例，该凸起2设于压环1紧贴于工件5表面的底面，且凸起2在压环1径向方向的位置应保证凸起2能够嵌入工件5的表面。该凸起2可以与压环1一体成型，具体而言，该凸起2由压环1的外圈沿轴向延伸形成。凸起2与压环1还可以分别锻造成型，再通过焊接连接，其中，凸起2的材料可以与压环1的材料相同，也可以采用具有更高抗疲劳性能的材料制得，例如压环1为铸铁，凸起2为铸钢，但本公开实施方式中凸起2的材料不限于此。
上述的凸起2的数量可以为一个、两个或四个，但不以此为限，还可以是更多。举例说明，该凸起2的数量为两个，且相对设置于压环1中心的两端，以使凸起2能够在工件5表面上嵌入安装孔6的两侧。当工件5对应于凸起2的嵌入区域的两侧受到拉力时，安装孔6的垂直于拉力方向的内壁产生应力集中，而凸起2的嵌入对相邻的安装孔6产生压应力，使安装孔6对应于凸起2的嵌入区域的内壁向衬套3靠近，并发生挤压，使安装孔6对应于凸起2的嵌入区域的内壁产生变形，进而使安装孔6对应于凸起2的嵌入区域的内壁产生残余压应力层，该残余压应力层降低了上述安装孔6的垂直于拉力方向的内壁上的应力集中，提高了安装孔6的疲劳寿命。
上述的凸起2可以沿弧形轨迹延伸，且凸起2的曲率中心与安装孔6的圆心重合。此外，如图4所示，该凸起2的弧度θ介于π/2和17π/18之间，例如π/2、11π/18、12π/18、13π/18、14π/18、15π/18、16π/18或17π/18，但本公开实施方式中凸起2的弧度θ不限于此。此外，凸起2的径向截面为矩形，其高度为H，宽度为L。其中，该高度H介于0.2mm和0.4mm之间，例如0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm或0.4mm，但本公开实施方式中高度H不以此为限。该宽度L等于高度H与安装孔6深度K的比值，即L＝H/K。以呈平板结构的工件5为例，若安装孔6沿着平板的厚度方向贯穿该平板，则安装孔6深度K即为工件5厚度N，则宽度L等于高度H与工件5厚度N的比值，即L＝H/N；若安装孔6为盲孔，则宽度L等于高度H与安装孔6深度K的比值，即L＝H/K。其中，该宽度L的取值介于1％-6％之间，例如1％、2％、3％、4％、5％或6％，但本公开实施方式中宽度L不限于此。此外，该矩形的底部设有圆角，能够使凸起2更方便地嵌入工件5表面，本公开实施方式对圆角的尺寸不作具体限定。
在本公开的其它实施方式中，凸起2还可以为其它形状，只要能使安装孔6的内壁产生残余压应力即可。例如，该凸起2还可以沿直线延伸或沿波浪线延伸，数量也可以为两个，且相对设置于压环1的中心的两端。
在一实施方式中，衬套3在凸起2嵌入过程中能够与安装孔6内壁发生挤压，以使安装孔6产生变形，进而形成残余压应力，同时，衬套3能够减少工件5的磨损、振动和噪音，还具有防腐蚀的效果，以对工件5进行全方位的保护。此外，衬套3可以呈两端开口的圆筒状结构，以与安装孔6相适配。衬套3的长度不大于安装孔6的深度，以避免衬套3伸出安装孔6外，影响工件5的正常使用。衬套3的直径范围应保证安装孔6的内壁在凸起2嵌入过程中能够与衬套3发生挤压，举例说明，衬套3能够与安装孔6过盈配合，在衬套3压入安装孔6的过程中，衬套3由于塑性胀大与安装孔6发生挤压，进而使安装孔6内壁产生塑性变形，引入残余压应力，降低其工作时应力水平，从而提高安装孔6的疲劳寿命。本公开实施方式对衬套3的厚度不做特殊限定。此外，衬套3可以为开缝衬套3，即在圆筒状衬套3的筒壁上沿轴向设有一条切开的窄缝。其中，衬套3的成形质量能够显著影响安装孔6的强化效果，因此采用双轴柔性滚弯成形技术制备开封衬套3。此外，衬套3的材料可以为高强度、高弹性的金属材料，以避免衬套3在装入安装孔6的过程中发生破损，该金属材料例如可以为铁基非晶合金、镐基非晶合金、钛基非晶合金、钴基非晶合金或稀土基非晶合金，但本公开实施方式的金属材料不以此为限。
上述的衬套3可以连接于压环1，具体而言，衬套3的一端可以固定连接于压环1靠近工件5的一侧。其中，衬套3与压环1一体成型，具体而言，衬套3可以由压环1的内圈沿轴向延伸而成，且与上述的凸起2位于压环1的同一侧。此外，衬套3和压环1还可以采用其它方式固定连接，例如，压环1设有插孔，衬套3设有插杆，通过插杆与插孔的插接配合将衬套3连接于压环1；再例如，将衬套3的一端焊接于压环1；再例如，将衬套3的一端螺纹连接于压环1。工件5在使用过程中，连接于压环1的衬套3在凸起2嵌入过程中能够与安装孔6内壁发生挤压，进而能够提高凸起2与工件5结合的牢固性，避免了凸起2与工件5的分离，抑制了凸起2与工件5接触区域变形的恢复，提高了强化的效果。
上述衬套3的安装方式可以为热装法或冷装法。其中，热装法是对工件5进行加热，以胀大安装孔6的直径，从而将衬套3装入安装孔6，而冷装法是对衬套3进行冷却，以缩小衬套3尺寸，例如可以采用液氮对衬套3进行冷却，并快速装入安装孔6内。此外，衬套3远离压环1的一端可以设有倒角4，以降低衬套3在装入安装孔6的过程中受到的阻力，提高安装的效率，本公开实施方式对倒角4的尺寸不作具体限定。衬套3在装入安装孔6前，可以对衬套3的外侧面或安装孔6的内壁进行润滑处理，以降低衬套3与安装孔6内壁的摩擦力，例如可以在衬套3的外侧面或安装孔6的内壁涂抹润滑脂，当然，还可以是其它润滑方式，本公开实施方式不在此一一列举。
在一实施方式中，本公开实施方式的强化部件还可以包括容置槽7，容置槽7设于压环1与工件5的接触面，用于在工件5发生塑性变形时，工件5的材料可以向容置槽7内流动。其中，该容置槽7的数量可以为一个、两个或三个，但不以此为限，还可以是更多。举例而言，该容置槽7为两个，包括第一容置槽701和第二容置槽702。第一容置槽701形成于压环1与衬套3的接合处。第二容置槽702形成于压环1与凸起2的接合处。第一容置槽701和第二容置槽702具有相同的尺寸，本公开实施方式对第一容置槽701和第一容置槽701的深度和宽度不作具体限定。此外，该第一容置槽701和第二容置槽702均可以通过拉削的方式加工而成。
本公开实施方式还提供一种强化结构，该强化结构可以包括设有安装孔6的工件5和上述任一实施方式所述的强化部件。当然，还可以包括其它部件，在此不再详述。本公开实施方式的强化结构采用的强化部件与上述实施方式中的强化部件相同，因此，具有相同的有益效果，在此不再赘述。
本领域技术人员在考虑说明书及实践后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (10)
1.一种强化部件，用于带有安装孔的工件，其特征在于，所述强化部件包括：
压环，能设于所述工件且环绕所述安装孔，所述压环靠近所述工件的表面设有能嵌入所述工件的凸起；
衬套，连接于所述压环，且能配合设于所述安装孔内。
2.根据权利要求1所述的强化部件，其特征在于，所述凸起为两个，且相对设置于所述压环的中心的两端。
3.根据权利要求2所述的强化部件，其特征在于，所述凸起沿弧形轨迹延伸，且所述凸起的曲率中心与所述安装孔的圆心重合。
4.根据权利要求3所述的强化部件，其特征在于，所述凸起的弧度介于π/2与17π/18之间。
5.根据权利要求3所述的强化部件，其特征在于，所述凸起的径向截面为矩形。
6.根据权利要求5所述的强化部件，其特征在于，所述矩形的高度介于0.2mm与0.4mm之间。
7.根据权利要求6所述的强化部件，其特征在于，所述矩形的宽度等于所述矩形的高度与所述安装孔的深度的比值。
8.根据权利要求3所述的强化部件，其特征在于，所述强化部件还包括：
容置槽，设于所述压环与所述工件的接触面。
9.根据权利要求8所述的强化部件，其特征在于，所述容置槽包括：
第一容置槽，形成于所述压环与所述衬套的接合处；
第二容置槽，形成于所述压环与所述凸起的接合处。
10.一种强化结构，其特征在于，包括：
工件，设有安装孔；以及
权利要求1-9任一项所述的强化部件。
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