CN110039092A - 一种结构件连接孔的制造工具及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构件连接孔的制造工具及制造方法，包括多功能钻头和用于支撑结构件的垫板，所述多功能钻头包括依次连接的第一刀体、第二刀体、第三刀体和摩擦挤压体，所述第一刀体、第二刀体、第三刀体的直径依次增大，所述摩擦挤压体的直径大于第三刀体的孔径，用于对所述连接孔产生挤压过盈量。本发明利用逐一增大的第一刀体、第二刀体、第三刀体和摩擦挤压体，三个刀体的梯度设计在连接件上产生孔径小于预定值的连接孔，所述摩擦挤压体的直径大于第三刀体的孔径，用于对所述连接孔产生挤压过盈量，使得形成的连接孔强度更大。
Description
技术领域
本发明涉及连接孔的制造领域，尤其是涉及一种结构件连接孔的制造工具及制造方法。
背景技术
在航空、航天、列车和船舶等工业应用领域，结构件连接部位往往要承受很大的动载荷作用，特别是以连接孔为基础的铆接等连接部位容易出现疲劳裂纹，由此引发的连接孔的孔裂已成为结构失效的主要形式。因此，优化连接孔的制造方法，提高连接件的服役可靠性就具有了重要的价值和意义。
在我国，结构件连接孔的加工主要是通过钻孔、扩孔、铰孔、孔挤压等步骤来实现。钻孔和扩孔的目的是粗加工出所需规格孔径尺寸的连接孔，在这个过程中，连接孔的存在使得母材的整体性受到破坏，再加上孔内壁加工后出现的凸起，就会很容易在连接孔的周围出现应力集中。铰孔主要是对钻孔和扩孔后的连接孔进行精加工，以获得所需表面粗糙度的连接孔内壁，降低应力集中，提高连接孔的质量；但机械加工仍会在孔内壁留下切削痕迹，这些痕迹如果不消除，也会对连接孔的质量产生不利影响。孔挤压的目的是消除铰刀机械加工留下的痕迹，通过在连接孔中通过一个直径稍大于连接孔直径的圆棒，使孔壁内侧发生弹塑性变形，从而在一定程度上引入残余压应力，达到提高孔壁内侧的疲劳性能和抗应力腐蚀的目的。
现有连接孔加工过程中加工和强化过程分布进行，这不仅延长了加工周期，耗费人力物力，而且在一种加工方法和下一种加工方法之间很难保证加工精度，会对最后的连接孔质量产生不良影响，从而出现了加工周期长、生产效率低、精度不稳定、耗费资源等问题。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种结构件连接孔的制造工具及制造方法。
本发明采用的技术方案是：一种结构件连接孔的制造工具，包括多功能钻头和用于支撑结构件的垫板，所述多功能钻头包括依次连接的第一刀体、第二刀体、第三刀体和摩擦挤压体，所述第一刀体、第二刀体、第三刀体的直径依次增大，用于在连接件上产生孔径小于预定值的连接孔，所述摩擦挤压体的直径大于第三刀体的孔径，用于对所述连接孔产生挤压过盈量。
优选地，所述摩擦挤压体由圆柱体和圆台组成，所述圆柱体高度大于连接孔的深度。
优选地，还包括一与所述多功能钻头相连接的压肩，所述多功能钻头和压肩为一体式连接或者分体式连接。
优选地，所述多功能钻头和压肩一体式连接时，压肩和多功能钻头通过一体成型或焊接方式连接在一起。
优选地，所述多功能钻头和压肩分体式连接时，所述多功能钻头一端加工有柄部，压肩下端中心设有供柄部伸入的圆孔。
优选地，所述多功能钻头和压肩同速或差速旋转。
优选地，所述第一刀体的直径范围为3-100mm，钻头高度的范围为 8-50mm；第二刀体的直径大于第一刀体的直径，范围为3-107mm，第二刀体的高度与第一刀体的高度相同；第三刀体的直径大于第二刀体的直径，其范围为3-109mm，其高度与第一刀体的高度相同；所述摩擦挤压体的圆柱体直径的范围是3-110mm，所述摩擦挤压体的圆台的曲率半径的范围是 10-1000mm，圆台高度的范围是3-200mm；所述摩擦挤压体的侧表面粗糙度Ra≤0.2μm。
本发明还提供了一种结构件连接孔的制造方法，包括如下步骤：
所述工具以100-1000rpm的旋转速度，0.1-2mm/s的下压量匀速插入结构件预定位置；
经第一刀体的钻孔和第二刀体、第三刀体的扩孔和精修，获得连接孔的孔径比最终所得连接孔孔径小0.02-1mm；
当摩擦挤压体与结构件连接孔接触，摩擦挤压体会对连接孔产生0.02-1mm挤压过盈量；
当摩擦挤压体完全穿过连接孔，静止旋转2-5s，然后以0.3-2mm/s的速度将连接孔制造工具从连接孔内拔出。
优选地，所述第一刀体进入结构件的过程中为第一下压速度和第一旋转速度，所述第二刀体进入结构件的过程中为第二下压速度和第二旋转速度，所述第三刀体进入结构件的过程中为第三下压速度和第三旋转速度，所述摩擦挤压体下压过程中选择第四下压速度和第四旋转速度。
优选地，所述多功能钻头的材料为工具钢、镍基高温合金、钻基高温合金、高熔点金属、碳化物及金属基复合材料中的一种。
本发明的优点和有益效果在于：本发明利用逐一增大的第一刀体、第二刀体、第三刀体和摩擦挤压体，三个刀体的梯度设计在连接件上产生孔径小于预定值的连接孔，所述摩擦挤压体的直径大于第三刀体的孔径，用于对所述连接孔产生挤压过盈量，在此过盈量下连接孔内壁的机械痕迹消失，孔壁得到强化，使得形成的连接孔强度更大。
本发明还实现了集钻孔、扩孔、精加工和强化于一体的结构件连接孔的制造，减少了加工步骤，节约了资源，提高了效率，降低了成本。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图；
图2为本发明的一种结构示意图；
图3所示为连接孔的制造工具的具体加工状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1-2所示，本发明的结构件连接孔的制造工具由压肩、多功能钻头、垫板三部分组成，其立体结构示意图见图1。图2所示为压肩与多功能钻头一体式连接时的结构示意图，图中I为压肩，压肩由圆柱体11和圆台12同心一体组成，圆柱体11的直径为D1，范围为8-400mm，高度为H1，锥角θ的范围是5-90°；圆台12的下端面为平面或设有凹槽。
多功能钻头II由摩擦挤压体21、第三刀体22、第二刀体23和第一刀体24四部分组成，上述四部分的直径分别为D3、D4、D5、D6；第一刀体24、第二刀体23、第三刀体22的高度分别为H6、H5、H4；摩擦挤压体由直径为D3的圆柱体211和下底面直径为D4的圆台212组成，上述圆柱体和圆台高度分别为H2、H3；圆台212母线曲率半径R的范围是10-1000mm。第一刀体24和第二刀体23，第二刀体23和第三刀体22之间通过半径R为 0.5～10mm的过渡圆角实现平滑过渡，圆台212上底面直径等于所接圆柱体底面直径，下底面直径等于所接第三刀体22直径，母线与底面夹角为θ，其角度为120°。多功能钻头设于所述压肩圆台12下部的中心位置；多功能钻头和压肩为一体式设计或分体式设计。
本发明的多功能钻头和压肩为一体式连接或者分体式连接，所述多功能钻头与压肩为同心一体式设计时，两者之间可以通过一体成型或通过焊接等连接技术连接而成；上述两者之间不会发生相对运动，当压肩旋转、下压、平移等运动时，多功能钻头也会发生同步旋转、下压、平移等运动。
所述多功能钻头与压肩为同心分体式设计时，压肩上圆孔的直径范围是 3-100mm。多功能钻头一端设有柄部，压肩中心加工有可供多功能钻头柄部进入的轴向圆孔，两者之间实现间隙配合；当多功能钻头做旋转、下压、平移等运动时，压肩可以静止或以不同的速度做旋转、下压、平移等运动。
上述多功能钻头的各个组合部分可以是第一刀体24、第二刀体23、第三刀体22和摩擦挤压体21；或第一刀体24、第三刀体22和摩擦挤压体21。
所述多功能钻头中第一刀体24的目的主要是钻孔，其直径范围是 3-100mm，高度范围为8-50mm；对钻孔达不到要求孔径的工件，可以用第二刀体23来进行扩孔，其直径大于第一刀体24的直径，范围为3-107mm，其高度与第一刀体24的高度相同。
所述多功能钻头第三刀体22主要是对前述加工的孔壁进行精加工，以达到所需表面粗糙度，其直径比第二刀体23的直径宽0.5-2mm，范围为 3-109mm，高度与第一刀体24的高度相同。
所述多功能钻头摩擦挤压体21主要是对上述加工完的孔壁进行挤压强化，由圆柱体211和圆台212组成，圆柱体211直径的范围是3-110mm，其高度须大于连接孔的深度，为1-50mm；圆台212的母线为圆弧，其曲率半径的范围是10-1000mm，圆台高度的范围是3-200mm；所述摩擦挤压体的侧表面粗糙度Ra≤0.2μm。利用摩擦挤压体的过盈挤压，从而增大连接孔的强度。
待加工结构件放置于垫板之上，垫板中间设有圆孔，圆孔的直径应大于多功能钻头的最大直径，直径范围为3-110mm，垫板的厚度为5-250mm；垫板上面加工成平面。
图3所示为连接孔的制造工具的具体加工过程。在加工之前，首先需要定位对中，将结构件母板置于垫板上，并使垫板上的圆孔与母板上预加工连接孔的位置达到同心，将结构件母板与垫板压紧并固定，然后将连接孔的制造工具对准结构件母板预加工连接孔的位置，保证连接孔制造工具、预加工连接孔位置、垫板中心的轴线重合。
然后将连接孔制造工具以设定的转速和下移速度运行，至第一刀体接触结构件母材，连接孔制造工具开始打孔，此时连接孔制造工具的旋转速度为 100-1000rpm，下移速度为0.1-2mm/s。待第一刀体完全进入连接孔，第二刀体23、第三刀体22相继进入连接孔进行扩孔和铰孔加工，最后摩擦挤压体21以0.02-1mm的挤压过盈量的条件进入连接孔进行挤压强化。
待摩擦挤压体完全穿过工件，压肩到达结构件表面，连接孔制造工具停止下移，保持旋转2-5s，然后以0.3-2mm/s的速度将连接孔制造工具沿轴线方向从孔内拔出，此时压肩也随即与结构件表面分离。
在连接孔制造工具钻孔和强化阶段，从开始钻孔到强化结束，多功能钻头保持同一旋转速度和下移速度，也可以根据多功能钻头的不同部分进入连接孔的条件设置不同的旋转速度和下移速度。
本发明第一刀体24的直径D6比连接孔的孔径小2-10mm，第一刀体高度H6可以小于工件厚度1-8mm；第二刀体23的直径D5比连接孔的孔径小 1-3mm，高度H5等于第一刀体24的高度H6；第三刀体22的直径D4比连接孔的孔径小0.5-1mm，高度H4等于第一刀体的高度H6；摩擦挤压体的直径D3等于连接孔标准孔径。
本发明压肩I、多功能钻头II和垫板材料的硬度应高于结构件连接孔处的硬度；所述压肩I、多功能钻头II和垫板材料为工具钢、镍基高温合金、钻基高温合金、高熔点金属、碳化物及金属基复合材料，三者可以是同质材料，也可以是异质材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种结构件连接孔的制造工具，其特征在于：包括多功能钻头和用于支撑结构件的垫板，所述多功能钻头包括依次连接的第一刀体、第二刀体、第三刀体和摩擦挤压体，所述第一刀体、第二刀体、第三刀体的直径依次增大，用于在连接件上产生孔径小于预定值的连接孔，所述摩擦挤压体的直径大于第三刀体的孔径，用于对所述连接孔产生挤压过盈量。
2.根据权利要求1所述的结构件连接孔的制造工具，其特征在于：所述摩擦挤压体由圆柱体和圆台组成，所述圆柱体高度大于连接孔的深度。
3.根据权利要求1所述的结构件连接孔的制造工具，其特征在于：还包括一与所述多功能钻头相连接的压肩，所述多功能钻头和压肩为一体式连接或者分体式连接。
4.根据权利要求3所述的结构件连接孔的制造工具，其特征在于：所述多功能钻头和压肩一体式连接时，压肩和多功能钻头通过一体成型或焊接方式连接在一起。
5.根据权利要求3所述的结构件连接孔的制造工具，其特征在于：所述多功能钻头和压肩分体式连接时，所述多功能钻头一端加工有柄部，压肩下端中心设有供柄部伸入的圆孔。
6.根据权利要求3所述的结构件连接孔的制造工具，其特征在于：所述多功能钻头和压肩同速或差速旋转。
7.根据权利要求2所述的结构件连接孔的制造工具，其特征在于：所述第一刀体的直径范围为3-100mm，钻头高度的范围为8-50mm；第二刀体的直径大于第一刀体的直径，范围为3-107mm，第二刀体的高度与第一刀体的高度相同；第三刀体的直径大于第二刀体的直径，其范围为3-109mm，其高度与第一刀体的高度相同；所述摩擦挤压体的圆柱体直径的范围是3-110mm，所述摩擦挤压体的圆台的曲率半径的范围是10-1000mm，圆台高度的范围是3-200mm；所述摩擦挤压体的侧表面粗糙度Ra≤0.2μm。
8.一种结构件连接孔的制造方法，采用如权利要求1-6任何一项所述的工具，其特征在于，包括如下步骤：
所述工具以100-1000rpm的旋转速度，0.1-2mm/s的下压量匀速插入结构件预定位置；
经第一刀体的钻孔和第二刀体、第三刀体的扩孔和精修，获得连接孔的孔径比最终所得连接孔孔径小0.02-1mm；
当摩擦挤压体与结构件连接孔接触，摩擦挤压体会对连接孔产生0.02-1mm挤压过盈量；
当摩擦挤压体完全穿过连接孔，静止旋转2-5s，然后以0.3-2mm/s的速度将连接孔制造工具从连接孔内拔出。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述第一刀体进入结构件的过程中为第一下压速度和第一旋转速度，所述第二刀体进入结构件的过程中为第二下压速度和第二旋转速度，所述第三刀体进入结构件的过程中为第三下压速度和第三旋转速度，所述摩擦挤压体下压过程中选择第四下压速度和第四旋转速度。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述多功能钻头的材料为工具钢、镍基高温合金、钻基高温合金、高熔点金属、碳化物及金属基复合材料中的一种。
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