CN109280751B - 一种赫兹接触旋转挤压强化装置及强化工艺 - Google Patents

一种赫兹接触旋转挤压强化装置及强化工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种赫兹接触旋转挤压强化装置，其包括芯棒以及可滑动地套设于芯棒上的套筒，所述芯棒包括一锥形圆柱体，套筒具有外壁，该外壁上开设有一条螺旋通槽。本发明还提供了一种赫兹接触旋转挤压强化工艺。本发明的赫兹接触旋转挤压强化装置采用包括一锥形圆柱体的芯棒和与其匹配的锥形通孔，有利于套筒与芯棒的对中，同时使得芯棒沿着孔的径向挤压时，应力分布更均匀；装置的套筒表面开有螺旋通槽，一方面挤压时，使应力分布更加均匀，另一方面有利于旋转工艺的进行。

Description

一种赫兹接触旋转挤压强化装置及强化工艺
技术领域
本发明涉及材料强化领域，具体涉及一种赫兹接触旋转挤压强化装置及工艺。
现有技术
螺栓连接孔是飞机构件上典型的应力集中部位,在交变载荷的作用下极易产生疲劳裂纹,从而导致整机的安全性、可靠性和使用寿命都大大降低。因此,在设计、选材和制造中,如何尽可能减小紧固孔应力集中的影响,改善飞机结构的抗疲劳性能,延长使用寿命,确保飞机结构的可靠性和安全性,是设计和材料研究者的重要研究课题。
1881年H.R.赫兹最早研究了玻璃透镜在使它们相互接触的力作用下发生的弹性变形。他假设：①接触区发生小变形。②接触面呈椭圆形。③相接触的物体可被看作是弹性半空间,接触面上只作用有分布的垂直压力。凡满足以上假设的接触称为赫兹接触。当接触面附近的物体表面轮廓近似为二次抛物面,且接触面尺寸远比物体尺寸和表面的相对曲率半径小时，由赫兹理论可得到与实际相符的结果。在赫兹接触问题中,由于接触区附近的变形受周围介质的强烈约束，因而各点处于三向应力状态，且接触应力的分布呈高度局部性，随离接触面距离的增加而迅速衰减。此外，接触应力与外加压力呈非线性关系，并与材料的弹性模量和泊松比有关。
在工程实践中,通常对紧固孔进行表面强化处理来提高飞机的寿命。强化技术(fatigue life enhancement methods,FLEM)是增强飞机疲劳寿命的措施的简称,它是指在不改变结构形式、材料,不增加结构重量的前提下,经过对结构重要部位和关键部位的强化工艺处理,而达到提高结构疲劳寿命的目的[钱晓明,姜银方,管海兵,等.飞机结构件紧固孔强化技术综述[J].机械强度,2011,33(5):749-753]。如今,紧固孔强化技术主要有冷挤压、干涉配合、滚压、机械喷丸和激光冲击强化。
孔挤压作为目前国际上应用最为广泛的连接孔强化手段，在工艺控制良好的情况下，可提高紧固孔疲劳寿命3倍以上[王燕礼,朱有利,曹强,等.孔挤压强化技术研究进展和展望[J].航空学报,2017]，其原理是将一个直径大于孔径、硬度高于连接孔材料的芯棒或圆球挤过连接孔，迫使孔壁材料发生弹塑性变形，在孔壁引入大深度高幅值可控残余压应力层，改善孔结构在外载荷作用下的孔边局部应力分布状态，大幅提高连接孔疲劳强度。
目前使用最广泛的孔挤压工艺包括开缝衬套挤压和开缝芯棒挤压。
其中，开缝衬套挤压工艺对孔内表面加工后，沿板的厚度方向会产生较大的应力梯度，对内孔的疲劳寿命有较大的影响，此外，开缝衬套上具有直槽，该直槽会在孔内表面产生凸脊，凸脊处产生应力集中，造成微裂纹的萌生与扩展，因此，在进行孔挤压工艺后，还需二次加工，即对内孔铰孔，以消除凸脊的影响，两道工序的不连续性降低了加工效率。
开缝芯棒挤压工艺对孔内表面加工后，也会在内孔壁留下“十字”凸脊，凸脊处的应力集中不足以达到微裂纹萌生应力，但对内孔壁的表面光洁度及安装精度有较大的影响，为了保证较好的表面光洁度及安装精度，需要二次加工进行铰孔工艺，消除凸脊，造成了工艺的不连续性，同时，工艺的不连续性也将带来加工过程中精度的偏差，进而影响孔的圆度[Rodman G A,Creager M.Split mandrel versus split sleeve coldworking:Dualmethods for extending the fatigue life of metal structures[C]//AdvancedStructural Integrity Methods for Airframe Durability and Damage Tolerance,Part 2.Advanced Structural Integrity Methods for Airframe Durability andDamage Tolerance,Part2,1994]。此外，在使用过程中，由于芯棒内表面与导轴外表面直接接触，易造成磨损。
因此，目前所使用的孔挤压工艺如开缝衬套挤压和开缝芯棒挤压工艺会在孔内表面产生凸起或导致微裂纹的萌生，因此在进行挤压工艺后还需进行铰孔，以保证孔内表面的光洁度。同时，这两种工艺对孔内表面加工后，沿孔厚度方向会产生残余压应力梯度，进而影响内孔的疲劳寿命。
为了克服这些影响，德国慕尼黑EADS创新实验室发明了“可变挤压工具”[Reese ED,Dowson A L,Jones T G B.The Variable Expansion Process,a New Cost EfficientMethod for Cold Working Fastener Holes in Aluminium Aircraft Structures[M]//ICAF 2009,Bridging the Gap between Theory and Operational Practice.SpringerNetherlands,2009:1275-1284]，“可变挤压工具”由两部分组成，一部分为方锥形芯棒，另一部分为与内孔与锥形芯棒相配合的衬套，该衬套由圆心轴线重合的4个扇形分块组成。与传统的孔挤压工艺相比，该挤压方法通过对芯棒进行轴向进给，使衬套径向膨胀，以达到孔挤压强化的效果，该工艺加工后孔内的残余应力分布更加均匀，但是，4个扇形分块之间的直槽使得加工后仍然会在孔内表面形成多条凸脊，虽然凸脊处的应力集中水平远低于裂纹萌生状态所需的应力水平，但会对孔内表面的光洁度造成影响。且衬套是由分块扇形衬套组成，一定磨损后易造成偏心，影响孔的圆度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种赫兹接触旋转挤压强化装置及工艺，以提高带孔元件的孔的抗疲劳性能，提高加工效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种赫兹接触旋转挤压强化装置，其包括芯棒以及可滑动地套设于芯棒上的套筒，所述芯棒包括一锥形圆柱体，套筒具有外壁，该外壁上开设有一条螺旋通槽。
所述外壁的外表面上具有排布紧密且规则的球形凸起。
所述球形凸起采用激光毛化工艺制备。
所述套筒的内部具有一锥形通孔，其锥度与芯棒的锥形圆柱体的锥度一致。
所述锥形圆柱体和所述锥形通孔的锥度均为1:30-1:80。
所述锥形通孔采用慢丝线切割工艺加工。
所述套筒的材质为45钢或40Cr。
所述芯棒上套设有与所述套筒彼此固接的缸体，缸体远离所述套筒的一端与电机以及管路系统连接。
套筒的一端具有一固定凸台，缸体的一端具有一沉台，所述固定凸台座于所述沉台内并通过一连接装置和垫圈压紧固定于所述沉台上，且连接装置与缸体的外壁采用螺栓紧固。
另一方面，本发明还提供一种赫兹接触旋转挤压强化工艺，其特征在于，包括：步骤S1：提供一根据上文所述的赫兹接触旋转挤压强化装置，将其缸体的一端与一电机以及管路系统连接以形成一液压动力装置，将一带孔元件固定在一车床上；步骤S2：将所述赫兹接触旋转挤压强化装置的套筒插入所述带孔元件的孔并固定；步骤S3：所述液压动力装置对芯棒施加压力，带动芯棒沿轴向进给；步骤S4：所述液压动力装置中的电机带动缸体绕轴旋转，缸体的旋转带动套筒的旋转；步骤S5：芯棒和套筒退出所述螺栓连接孔。
本发明的赫兹接触旋转挤压强化装置采用包括一锥形圆柱体的芯棒和与其匹配的锥形通孔，有利于套筒与芯棒的对中，同时使得芯棒沿着孔的径向挤压时，应力分布更均匀；装置的套筒表面开有螺旋通槽，一方面挤压时，使应力分布更加均匀，另一方面有利于旋转工艺的进行。此外，套筒表面激光加工出球形凸起，挤压工艺结束后，进行旋转加工工艺，球形凸起可进一步加工孔内表面，不需要再进行铰孔，提高了加工的连续性以及加工效率。
本发明的赫兹接触旋转挤压强化工艺在加工时包括以下两个步骤：锥形芯棒沿轴向进给，套筒沿径向膨胀，挤压孔的内表面，产生残余压应力；以及套筒连同芯棒绕轴旋转，套筒表面的球形凸起对孔内表面加工，提高孔内表面光洁度，由于旋转产生大量热量，使孔内近表面材料再结晶并细化晶粒，进而提升孔内壁的抗疲劳特性，这两道强化工艺有利于提高孔结构疲劳寿命，且连续性高，一方面避免了因加工的不连续性而导致的加工误差，保证了加工过程中的精度，另一方面提高了加工效率，使得操作简单，使用方便。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的赫兹接触旋转挤压强化装置的总体结构示意图；
图2是如图1所示的赫兹接触旋转挤压强化装置的套筒的结构示意图；
图3是图2的局部放大图；
图4是根据本发明的一个实施例的赫兹接触旋转挤压强化工艺的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
实施例1赫兹接触旋转挤压强化装置及其制作方法
如图1所示为根据本发明的一个实施例的赫兹接触旋转挤压强化装置，其包括芯棒1以及可滑动地套设于芯棒1上的套筒2，套筒2的一端具有一固定凸台21。此外，芯棒1上还套设有缸体3，缸体3的一端具有一沉台31，该固定凸台21座于沉台31内并通过一连接装置4和垫圈6压紧固定于沉台31上，且连接装置4与缸体3的外壁上均开设有四个均匀分布的螺纹孔，并采用螺栓紧固。由此实现套筒2与缸体3的彼此固接。该缸体3的另一端与一电机7以及管路系统(图未示)连接，从而缸体3受该电机7驱动其旋转，同时缸体3内可填充有液压油。
芯棒1包括一锥形圆柱体，该锥形圆柱体的锥度为1:50，芯棒1的周壁上设有沿径向向外延伸的活塞11，且活塞11和所述缸体3之间设有密封件5。由此，芯棒1的活塞11、缸体3和上文所述的管路系统共同形成一液压动力装置，管路系统的液压油推动缸体3内活塞11并相应地带动芯棒1运动。其中，活塞11的数量是两个，整根芯棒中，其中一个活塞11到前端这一段是有锥度的，两个活塞11之间这一段没有锥度，这样在保证芯棒1居中定位的同时，可以保证液压油密封不产生泄露而推动芯棒运动。
如图2所示，套筒2为一空心圆柱体，其内部具有一锥度为1:50的锥形通孔22，与芯棒1配合作为其滑动通道；该锥形通孔22采用慢丝线切割工艺加工，使得锥形通孔22与芯棒1的定位精度高，配合时，容易对中，多次拆卸时也不会影响其定位精度，使得芯棒1轴向进给时，避免因偏心而对刀具内表面造成破坏。套筒2还具有外壁23，其外壁23上开设有一条螺旋通槽231，一方面，螺旋通槽231与现有技术中的开缝衬套中的直槽相比，对内孔径向挤压后，残余应力沿周向分布更均匀，沿厚度方向应力梯度更小，使得涡轮盘连接孔疲劳寿命有较大提高，另一方面，螺旋通槽231更有利于旋转加工时的转动，保证了加工的连续性，提高加工效率的同时，也保证了加工精度。
如图3所示，外壁23的外表面上具有排布紧密且规则的球形凸起232，用于在孔挤压过程中对孔内壁挤压，该球形凸起232采用激光毛化工艺制备，使得球形凸起232在经过激光加工后，硬度与外壁23相比有了很大的提升。套筒2的材料为45钢，使得经过激光毛化制备的球形凸起232的硬度为800HV，而待加工的飞机发动机涡轮盘的材料为GH4169，其硬度为500-550HV，球形凸起和涡轮盘在接触区的变形较小，因此，套筒外表面激光加工所形成的球形凸起232在挤压过程中与被加工孔内壁形成了赫兹接触，由于以前的孔挤压方式并没有采用过赫兹接触，所以本发明所采用的是一种新的工艺，赫兹接触一方面实现了均匀强化，即在螺栓连接孔周围产生沿周向均匀分布的残余压应力，另一方面采用赫兹接触后的方式，也有利于第二道工序中的旋转加工。
根据上文的赫兹接触旋转挤压强化装置，可以得到其制作方法，该制作方法包括：
首先，提供一芯棒原料，为保证芯棒与套筒配合，在芯棒原料上加工出1:50的锥度，得到芯棒1。
其次，提供一未打孔的套筒原料，套筒原料一端加工有一固定凸台21，在该套筒原料的内部采用慢丝线切割加工出锥度1:50的锥形通孔22，然后在其外壁上加工出螺旋通槽231，并在外壁的外表面采用激光毛化工艺制备排布紧密且规则的球形凸起232，得到套筒2。
随后，提供一缸体3，该缸体3一端加工有一沉台31，将缸体3和套筒2均套设于芯棒1上，使芯棒1和套筒2的内壁形成锥度配合，另固定凸台21座于沉台31内，再采用一连接装置4和垫圈6将固定凸台21压紧固定于该沉台31上。
实施例2赫兹接触旋转挤压强化工艺
根据上文的赫兹接触旋转挤压强化装置，本发明提供了一种如图4所示的赫兹接触旋转挤压强化工艺，其包括以下步骤：
步骤S1：提供一根据上文所述的赫兹接触旋转挤压强化装置，将其缸体3的一端与一电机7以及管路系统连接以形成一液压动力装置，将一带孔元件(即涡轮盘)固定在一车床上。
步骤S2：将赫兹接触旋转挤压强化装置的套筒2插入该带孔元件的螺栓连接孔并固定。
步骤S3：套筒2的径向挤压过程。液压动力装置对芯棒1施加压力，带动芯棒1沿轴向进给，此时，由于芯棒1与套筒2的锥形通孔22相配合，芯棒1随着轴向进给量的增加沿径向挤压套筒内表面，进而使套筒2的外表面挤压螺栓连接孔的内壁，当进给一定距离后，套筒对内孔挤压产生一定量的塑性变形，即在孔内壁产生沿周向分布的残余压应力，提高螺栓连接孔的抗疲劳性能。
步骤S4：芯棒1与套筒2紧密配合，液压动力装置中的电机带动缸体3绕轴旋转，缸体3的旋转将带动套筒2的旋转，套筒2的球形凸起232对孔内壁二次加工，以满足螺栓连接孔的内壁的加工精度和表面光洁度，同时，由于旋转产生大量热量，使孔内近表面材料再结晶并细化晶粒，进而提升孔内壁的抗疲劳特性。
步骤S5：芯棒1和套筒2退出所述螺栓连接孔。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。比如锥形圆柱体的锥度还可以为1:30或者1:80，套筒的材料还可选用40Cr，球形突起的硬度可以为HRC28～HRC60。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种赫兹接触旋转挤压强化装置，其包括芯棒(1)以及可滑动地套设于芯棒(1)上的套筒(2)，其特征在于，所述芯棒(1)包括一锥形圆柱体，套筒(2)具有外壁(23)，该外壁(23)上开设有一条螺旋通槽(231)，所述外壁(23)的外表面上具有排布紧密且规则的球形凸起(232)；所述芯棒(1)上套设有与所述套筒(2)彼此固接的缸体(3)；套筒(2)的一端具有一固定凸台(21)，缸体(3)的一端具有一沉台(31)，所述固定凸台(21)座于所述沉台(31)内并通过一连接装置(4)和垫圈(6)压紧固定于所述沉台(31)上，且连接装置(4)与缸体(3)的外壁采用螺栓紧固，缸体(3)远离所述套筒(2)的一端与一电机(7)以及管路系统连接。
2.根据权利要求1所述的赫兹接触旋转挤压强化装置，其特征在于，所述球形凸起(232)采用激光毛化工艺制备。
3.根据权利要求1所述的赫兹接触旋转挤压强化装置，其特征在于，所述套筒(2)的内部具有一锥形通孔(22)，其锥度与芯棒(1)的锥形圆柱体的锥度一致。
4.根据权利要求3所述的赫兹接触旋转挤压强化装置，其特征在于，所述锥形圆柱体和所述锥形通孔(22)的锥度均为1:30-1:80。
5.根据权利要求4所述的赫兹接触旋转挤压强化装置，其特征在于，所述锥形通孔(22)采用慢丝线切割工艺加工。
6.根据权利要求1所述的赫兹接触旋转挤压强化装置，其特征在于，所述套筒(2)的材质为45钢或40Cr。
7.一种赫兹接触旋转挤压强化工艺，其特征在于，包括：
步骤S1：提供一根据权利要求1-6之一所述的赫兹接触旋转挤压强化装置，将其缸体(3)的一端与一电机(7)以及管路系统连接以形成一液压动力装置，将一带孔元件固定在一车床上；
步骤S2：将所述赫兹接触旋转挤压强化装置的套筒(2)插入所述带孔元件的孔并固定；
步骤S3：所述液压动力装置对芯棒(1)施加压力，带动芯棒(1)沿轴向进给；
步骤S4：所述液压动力装置中的电机带动缸体(3)绕轴旋转，缸体(3)的旋转带动套筒(2)的旋转；
步骤S5：芯棒(1)和套筒(2)退出所述孔。
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