CN111022430A - 衬套管结构及其小孔强化装置与小孔疲劳强度提高方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种衬套管结构，包括衬套管本体和衬套管接头，衬套管本体包括依次连接且直径依次变小的若干圆管，衬套管本体的小口端与衬套管接头的大口端连接，衬套管接头的侧壁从衬套管接头小口端的端头沿轴向开有若干开口；还提供一种小孔强化装置，包括上述的衬套管结构以及与衬套管结构配合使用的型头结构，型头结构可沿轴向插入衬套管中；还提供一种小孔疲劳强度强化方法，包括以下步骤：S1.将衬套管结构安装在一具有小孔的部件上，衬套管结构的圆管头一端插入小孔中；S2.通过一控制系统控制一动力装置推动型头结构沿轴向插入衬套管结构中。本发明能有效提高小孔的疲劳寿命。

Description

衬套管结构及其小孔强化装置与小孔疲劳强度提高方法

技术领域

本发明涉及零部件制造加工领域，更具体地，涉及一种衬套管结构及其小孔强化装置及小孔疲劳强度提高方法。

背景技术

孔结构在航空构件及航空发动机领域应用广泛，如在飞机结构件的连接以及航空发动机部件上的应用。在部件使用服役过程中，孔边存在严重的应力集中，导致孔结构出现疲劳裂纹，引起部件疲劳寿命缩短，甚至容易发生疲劳断裂失效事故，引发灾难性的航空事故。随着航空器“长寿命、高可靠性、低维修成本、结构轻量化”等设计和制造要求的不断提高，孔的疲劳可靠性愈发重要，提高孔疲劳强度等已成为航空行业关切的关键技术问题之一。

除了采用更为先进的航空材料加工孔结构构件外，出现了多种抗疲劳制造技术用于提高孔的疲劳强度，如喷丸、感应淬火、干涉配合、winslow制孔、激光冲击、孔挤压等方法。但国际上认为喷丸适合用于直径为19mm以上的孔的处理，而且孔壁表面粗糙度会增加。感应淬火适用用于直径为20mm以上的孔处理，该方法会出现集肤效应、圆环效应以及临近效应等从而影响孔的强化效果。干涉配合法的干涉量很难精确控制，干涉量过大会损伤孔壁，干涉配合安装过程中产生的材料突起也影响疲劳强度。winslow制孔法通过降低孔壁表面粗糙度提高连接孔疲劳强度，但提高的疲劳寿命离散性大。激光冲击是一种高能束表面强化技术，其强化的效果受激光光斑直径和孔深度的影响，对直径小于2mm及深度大于5mm的孔很难强化，而且很难获得好的强化效果。孔挤压法受沿孔轴向方向不同厚度处的材料约束状态不同，以及材料沿芯棒移动方向的塑性流动增大了孔中部和挤出端位置材料的实际挤压量的影响，孔挤压周向残余应力沿厚度呈梯度分布、非常不均匀，通常是孔中间最大，挤出端次之，挤入端最小，当其它影响疲劳的因素一致时，挤入端非常容易产生疲劳裂纹。

现有方法应用于某类航空零件小孔(如孔径小于2mm，孔深大于5mm)时，存在不能强化提高小孔疲劳强度，或者出现强化过程执行不下去，或者出现周向残余应力沿厚度呈梯度分布、非常不均匀，导致挤入端经常出来疲劳裂纹等现象。

发明内容

本发明为克服上述背景技术中所述的小孔挤压周向残余应力沿厚度呈梯度分布、非常不均匀，通常是孔中间最大，挤出端次之，挤入端最小，当其它影响疲劳的因素一致时，挤入端非常容易产生疲劳裂纹的问题，提供一种衬套管结构、一种小孔强化装置及一种小孔疲劳强度提高方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种衬套管结构，包括衬套管本体和直筒状的衬套管接头，所述衬套管本体包括依次连接且直径依次变小的若干圆管结构，所述衬套管本体的小口端通过一锥形面与所述衬套管接头的一端连接，所述衬套管接头的周向外壁开口若干沿轴向的开口，所述开口贯穿所述衬套管接头并延伸至所述锥形面上。这样，该衬套管结构一体成型，主要由三部分构成，衬套管本体、锥形面和衬套管接头，衬套管本体由多段直形圆管状结构首尾依次连接而成(衬套管本体也可以为其他形状，但是衬套管接头必须为圆管状)，衬套管本体中圆管结构的孔径逐级减小，形成阶梯状结构，在孔径最小的管子外面那一端面连接了通过锥形面一个衬套管接头，衬套管接头的孔径最小，可以用于插入一些小孔中，衬套管接头的侧壁沿轴向开有若干开口，开口是从其端面开始延伸的，即在衬套管接头的端面变成了若干不连续的圆弧段，开口为长条形，具有一定的长度，可以延伸到锥形面甚至衬套管本体部分，不影响效果，开口的设计是为了将衬套管接头划分成若干数量的扇区，在衬套管接头内壁受到挤压时，能够发生一定的形变，往外均匀地扩张。

进一步的，所述衬套管本体中圆管结构的数量范围为2至4个。这样，衬套管的圆管数量为2个、3个或者4个时效果比较好，也可以更多，当为3个时最优，衬套管本体被分为一截一截的阶梯状，在与其它结构匹配使用时，能够起到限位作用。

进一步的，所述开口的数量至少为2个，所述开口呈直条状，所述衬套管接头的端面上形成与所述开口数量相等的扇区，所述扇区和所述开口均匀分布在所述衬套管接头的周向外壁上。这样，衬套管接头的直条形开口能够减少衬套管接头本身的应力，在衬套管接头的内壁受到挤压时，理论上，数量越多，受挤压效果越好，开口均匀地分布在衬套管接头的周向外壁上，则衬套管接头小口端的底面圆被均匀地分成若干小段，在受力时也更加均匀。

进一步的，所述直筒状的衬套管接头的内壁呈锥面，所述锥形面的内壁锥面与所述衬套管接头的内壁锥面重合。这样，锥形面的小口端与衬套管接头的一端面连接，锥形面与衬套管接头整体为一漏斗状结构，由于锥形面与衬套管接头都具有一定的厚度，该漏斗状结构的内壁呈同一曲面，外壁呈由两相交曲面组成。

还提供一种小孔强化装置，包括上述的衬套管结构以及与所述衬套管结构配合使用的型头结构，所述型头结构包括与所述衬套管结构对应的型头本体和锥形头，所述型头本体包括依次连接且直径依次变小的若干圆柱体，所述型头本体的小径端连接所述锥形头的大径端，所述型头结构可沿轴向插入所述衬套管中，所述锥形头与所述衬套管接头等高，所述锥形头小口端的外径大于所述衬套管接头对应位置处的内径。这样，型头结构与衬套管结构相似，每一段圆柱体对应一段比其孔径稍大的圆管，以便能够插入到该衬套管结构中，其重点在于型头结构的锥形头与衬套管结构的衬套管接头配合使用，一般锥形头与衬套管接头加上锥形面是等高的，在小孔强化时，衬套管结构的衬套管接头是固定在小孔内的，衬套管结构是不动的，当锥形头被外部动力机构沿轴向推着不断往孔内前进的时候，它能够不断挤压衬套管接头，使衬套管接头往外扩展，锥形头越往前，衬套管接头的扇区往外挤压的尺度也就越大，基于上述衬套管结构使用时的优势效果，其衬套管接头能够均匀地承受沿径向的挤压力，能够向孔壁纯径向扩展，以产生沿孔轴向残余压应力均匀化的效果；本装置可以从小孔的一边挤入，以获得小孔周向残余压应力沿厚度方向均匀，挤入端、孔中间平面及挤出端残余压应力均匀、一致，以提高孔的疲劳寿命。

进一步的，所述锥形头的周向外壁涂抹有润滑剂。这样，在锥形头的外壁均匀地涂抹润滑剂或者润滑油，能够减少锥形头轴向移动所受的阻力。

进一步的，所述衬套管结构和所述型头结构由金属材质制成。

还提供一种利用上述的小孔强化装置的小孔疲劳强度强化方法，包括以下步骤：

S1.将所述衬套管结构安装在一具有小孔的待强化部件上，所述衬套管结构的衬套管接头一端放入所述小孔中；

S2.通过一控制系统控制一动力装置推动所述型头结构沿轴向插入所述衬套管结构中，使所述锥形头不断挤入所述衬套管接头中，所述控制系统根据所述小孔的孔径大小和小孔所需的残余应力场控制所述动力装置的轴向推进距离。

根据零件小孔的位置确定处理方向及零件装夹方法，根据所处理孔径大小以及深度值，并由控制系统(计算机)有限元仿真模拟计算出小孔所需的残余应力场并确定施加力及型头轴向移动长度，以及阶梯棒状型头结构进入衬套管结构的进给速度。本发明中，待处理零件可为航空类零件或机械制造类零甚至复合材料零件，根据计算或设计的施加力、型头轴向移动长度以及阶梯棒状型头结构进入衬套管结构的进给速度，设定动力装置的施加力值及进给速度，将阶梯状具有开口的衬套管结构底部伸入所要求处理小孔内部。动力装置继续给施加力和进给速度，阶梯棒状型头结构进一步进入衬套管结构，并作用于衬套管接头扇区的壁部，最终致使小孔壁受挤压强化，并产生残余压应力场；阶梯棒状型头结构的轴向移动长度达到要求后，停止推进阶梯棒状型头结构，将阶梯棒状型头结构沿轴向反方向撤回，完成小小孔的强化过程。

进一步的，所述动力装置为一液压缸或者气缸，所述液压缸或者气缸的活塞杆与所述型头结构的大径端端面连接。

与现有技术相比，有益效果是：

1.衬套管结构中衬套管接头具有轴向开口的设计将衬套管接头划分成若干数量的扇区，在衬套管接头内壁受到挤压时，能够发生一定的形变，往外均匀地扩张。

2.小孔强化装置及方法只从小孔的一边挤入，以获得小孔周向残余压应力沿厚度方向均匀，挤入端、孔中间平面及挤出端残余压应力均匀、一致，有效提高小孔的疲劳寿命。

附图说明

图1是本发明中衬套管结构的整体结构示意图。

图2是本发明中衬套管结构的侧面结构示意图。

图3是图2中AA向的剖视图。

图4是本发明中型头结构的整体结构示意图。

图5是本发明中小孔强化装置使用时的初始位置的结构示意图。

图6是本发明中小孔强化装置使用时的中间位置的结构示意图。

图7是本发明中小孔强化装置使用时的终止位置的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

如图1至图3所示，为一种衬套管结构，包括衬套管本体11和衬套管接头12，所述衬套管本体11包括依次连接且直径依次变小的若干圆管，所述衬套管本体11的小口端与所述衬套管接头12的大口端连接，所述衬套管接头12的侧壁从所述衬套管接头12小口端的端头沿轴向开有若干开口13；所述衬套管本体的圆管结构数量范围为3个；所述衬套管接头12的开口13的数量为4个(本实施例中为4个，开口13数量可根据实际需求进行调整，可设置成6、8、12等)，所述开口13均匀分布在所述衬套管接头12的周向外壁上。所述开口13呈直条状，如图3所示，所述衬套管接头12的端面上形成与所述开口13数量相等的扇区15，所述扇区15和所述开口13都均匀分布在所述衬套管接头12的周向外壁上。

该衬套管结构一体成型，主要由三部分构成，衬套管本体11、锥形面14和衬套管接头12，衬套管本体11由多段圆形管子首尾依次连接而成，它们的孔径不断减小，形成阶梯状，在孔径最小的管子外面那一端面通过一个锥形面14连接了一个衬套管接头12，锥形面14的大口端连接该衬套管本体11的小径端，锥形面14的小口端连接衬套管接头12；直筒状的衬套管接头12的内壁呈锥面，锥形面14的内壁锥面与衬套管接头12的内壁锥面重合，锥形面14的小口端与衬套管接头的一端面连接，锥形面14与衬套管接头12整体为一漏斗状结构，由于锥形面14与衬套管接头12都具有一定的厚度，该漏斗状结构的内壁呈同一曲面，外壁呈由两相交曲面组成；衬套管接头12的侧壁沿轴向开有若干开口13，开口13是从其小口端开始延伸的，即在衬套管接头12的小口端的端面变成了不连续的圆，开口13为长条形，具有一定的长度，可以延伸到衬套管本体11部分，不影响效果，开口13的设计是为了将衬套管接头12划分成若干数量的扇区15，在衬套管接头12内壁受到挤压时，往外均匀地扩张。衬套管的圆管数量为3个时最优，衬套管被分为一截一截的阶梯状，在与其它结构匹配使用时，能够起到限位作用。衬套管接头12的条形开口13能够减少衬套管接头12本身的应力，在衬套管接头12的内壁收到挤压时，理论上，数量越多，受挤压效果越好，本实施例中，设计成12个，能够达到效果，且简化了生产工艺，条形开口13均匀地分布在衬套管接头12的周向外壁上，则衬套管接头12小口端的底面圆被均匀地分成若干小段，在受力时也更加均匀。

实施例2

本实施例提供一种小孔强化装置。如图4至图7所示，为一种小孔强化装置，包括实施例1中的衬套管结构以及与该衬套管结构配合使用的型头结构，所述型头结构包括与所述衬套管结构对应的型头本体21和锥形头22，如图4所示，所述型头本体21包括依次连接且直径依次变小的若干圆柱体，所述型头本体21的小径端连接所述锥形头22的大径端，所述型头结构可沿轴向插入所述衬套管中，所述锥形头22与所述衬套管接头12等高；所述锥形头22的周向外壁涂抹有润滑剂；所述衬套管结构和所述型头结构由金属材质制成。

本实施例中，型头结构与衬套管结构相似，每一段圆柱体对应一段比其孔径稍大的圆管，以便能够插入到该衬套管结构中，其重点在于型头结构的锥形头22与衬套管结构的锥形面14和衬套管接头12配合使用，一般锥形头22与漏斗状结构(锥形面14与衬套管接头12的组合结构)是等高的，它们的锥度相同；在锥形头22的外壁均与地涂抹润滑剂或者润滑油，能够减少锥形头22轴向移动所受的阻力；型头结构由金属材质制成，它的受力更加稳定，对衬套管接头12的挤压力也更强，一般其自身不会发生明显的形变。

在小孔强化过程中，如图5所示，待处理零件1上有一个待处理的小孔2，首先将衬套管结构的衬套管接头12固定在小孔2内的，之后衬套管结构是不动的；如图6和图7所示，当锥形头22被外部动力机构从上至下沿轴向推着不断往小孔2内前进的时候，它能够不断挤压衬套管接头12，使衬套管接头12往外扩展，锥形头22越往前，衬套管接头12的扇区15往外挤压的尺度也就越大，基于实施例1中的衬套管结构使用时的优势效果，其衬套管接头12能够均匀地承受沿径向的挤压力，能够向孔壁纯径向扩展，以产生沿孔轴向残余压应力均匀化的效果。本装置只从小孔2的一边挤入，以获得孔周向残余压应力沿厚度方向均匀，挤入端、孔中间平面及挤出端残余压应力均匀、一致，以提高孔的疲劳寿命。

实施例3

本实施例提供一种利用实施例2中的小孔强化装置的小孔疲劳强度强化方法，包括以下步骤：

S1.将所述衬套管结构安装在一具有小孔的待强化部件上，所述衬套管结构的衬套管接头一端插入所述小孔中；

S2.通过一个液压缸，该液压缸的活塞杆与所述型头结构的大径端端面连接，控制系统与该液压缸的控制端连接，控制系统控制液压缸的活塞杆推动所述型头结构沿轴向插入所述衬套管结构中，所述控制系统根据所述小孔的孔径大小和小孔所需的残余应力场控制该液压缸的轴向推进距离。

本实施例中，首先根据待处理零件的零件小孔的位置确定处理方向及零件装夹方法，根据所处理孔径大小以及深度值，通过控制系统计算小孔所需的残余应力场并由计算机有限元仿真方法模拟出施加力及型头轴向移动长度，以及阶梯棒状型头结构进入衬套管结构的进给速度。本实施例中，待处理零件可为航空类零件或机械制造类零甚至复合材料零件，根据计算或设计的施加力及型头轴向移动长度以及阶梯棒状型头结构进入衬套管结构的进给速度，设定液压缸的施加力值及进给速度，将阶梯状具有开口的衬套管结构底部伸入所要求处理小孔内部，所述液压缸的活塞杆与所述型头结构的大径端端面连接。液压缸继续给施加力和进给速度，阶梯棒状型头结构进一步进入衬套管结构，并作于衬套管结构的壁部，最终致使小孔壁受挤压强化，并产生残余压应力场；阶梯棒状型头结构的轴向移动长度达到要求后，停止推进阶梯棒状型头结构，将阶梯棒状型头结构沿轴向反方向撤回，完成小小孔的强化过程。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种衬套管结构，其特征在于，包括衬套管本体和直筒状的衬套管接头，所述衬套管本体包括依次连接且直径依次变小的若干圆管结构，所述衬套管本体的小口端通过一锥形面与所述衬套管接头的一端连接，所述衬套管接头的周向外壁沿开有若干沿轴向的开口，所述开口贯穿所述衬套管接头并延伸至所述锥形面上。

2.根据权利要求1所述的衬套管结构，其特征在于，所述衬套管本体中圆管结构的数量范围为2至4个。

3.根据权利要求1所述的衬套管结构，其特征在于，所述开口的数量至少为2个，所述开口呈直条状，所述衬套管接头的端面上形成与所述开口数量相等的扇区，所述扇区和所述开口都均匀分布在所述衬套管接头的周向外壁上。

4.根据权利要求1所述的衬套管结构，其特征在于，所述直筒状的衬套管接头的内壁呈锥面，所述锥形面的内壁锥面与所述衬套管接头的内壁锥面重合。

5.一种小孔强化装置，其特征在于，包括权利要求1至4任一所述的衬套管结构以及与所述衬套管结构配合使用的型头结构，所述型头结构包括与所述衬套管结构对应的型头本体和锥形头，所述型头本体包括依次连接且直径依次变小的若干圆柱体，所述型头本体的小径端连接所述锥形头的大径端，所述型头结构可沿轴向插入所述衬套管中，所述锥形头与所述衬套管接头等高，所述锥形头小口端的外径大于所述衬套管接头对应位置处的内径。

6.根据权利要求5所述的小孔强化装置，其特征在于，所述锥形头的周向外壁涂抹有润滑剂。

7.根据权利要求5所述的小孔强化装置，其特征在于，所述衬套管结构和所述型头结构均由金属材质制成。

8.一种小孔疲劳强度强化方法，基于权利要求5-7任一所述的小孔强化装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将所述衬套管结构安装在一具有小孔的部件上，所述衬套管结构的圆管头一端插入所述小孔中；

S2.通过一控制系统控制一动力装置推动所述型头结构沿轴向插入所述衬套管结构中，使所述锥形头不断挤入所述衬套管接头中，所述控制系统根据所述小孔所需的残余应力场控制所述动力装置的轴向推进距离及推进速度。

S3.所述型头结构完成轴向推进距离后，所述控制系统控制所述动力装置将所述型头结构从所述衬套管结构中拉出。

9.根据权利要求8所述的小孔疲劳强度强化方法，其特征在于，所述动力装置为一液压缸或者气缸，所述液压缸或者气缸的活塞杆与所述型头结构的大径端端面连接。

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