CN111635983A - 一种孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒及其强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒及其强化方法，包括芯棒本体；芯棒本体包括芯棒强化头、芯棒中部和芯棒尾部；芯棒强化头的前、后两端均为锥形面，芯棒强化头中间部位的外轮廓为圆柱面，圆柱面上间隔相同的圆心角沿芯棒长度方向切除圆心角对应的扇形圆柱面；芯棒中部为圆柱形，圆柱形表面开设矩形槽；芯棒尾部开设螺纹，并与拉伸装置螺纹连接。本发明通过间隔相同的圆心角沿芯棒长度方向切除圆心角对应的扇形圆柱面，减小了强化过程中芯棒与孔壁的接触面积50％，减小拉伸方向理论强化阻力50％，降低了高强化量、大直径孔的冷挤压强工艺难度，有效地解决了高强化量、大直径孔结构强化阻力大导致的无法强化的问题。

Description

一种孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒及其强化方法

技术领域

本发明属于机械加工的技术领域，具体涉及一种孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒及其强化方法。

背景技术

机械连接以其工艺简单、可靠性好、便于拆卸、传载大等优点在航空航天领域被广泛应用，例如在飞机装配制造中其占飞机连接结构的70％以上。尽管机械连接具有诸多优点，但机械连接孔破坏了整体结构完整性，并造成应力集中、局部损伤等不利影响，同时引起外载荷下孔周应力分布复杂，属于典型的结构危险点。特别在周期载荷下，研究表明，飞行疲劳事故中，有70％以上的疲劳裂纹起始于连接部位，50％～90％的飞机疲劳源于紧固孔的疲劳破坏。因此，机械连接孔结构的疲劳性能强化对于提升航空航天产品结构的服役可靠性意义重大。

目前，冷挤压强化是航空航天机械连接孔结构疲劳性能强化最主要的工艺方法之一，主要分为直接冷挤压强化和带衬套冷挤压强化。通常情况下，直接冷挤压强化通过芯棒对孔壁进行冷挤压，迫使孔壁发生塑性变形，孔周形成有益残余压应力，同时孔壁材料微观组织结构得到改善，进而提高连接孔结构疲劳寿命。然而，由于强化量的存在，直接强化过程中孔轴向将形成明显的强化阻力，强化阻力导致孔壁材料沿孔轴向流动，造成孔周应力分布紊乱，同时在孔出口处形成明显的“凸瘤”，进而演变为典型的应力集中危险点。此外，在高强化量或大直径孔的情况下，强化阻力将导致直接冷挤压强化无法进行甚至芯棒拉断。带衬套冷挤压强化(如开缝衬套和压合衬套冷挤压强化)通过衬套过渡，避免了芯棒和孔壁直接接触，可显著减小孔壁沿孔轴向流动，但仍然不能解决强化方向上强化阻力过大的难题，且衬套制造工艺要求苛刻，衬套价格十分昂贵。

为了避免使用衬套，专利号为201510026586.3的发明公开了一种结构件连接孔的摩擦挤压强化工具和方法，该发明将摩擦挤压头旋转并匀速插入连接孔内，然后静止旋转2～5s后拔出。该方法可在孔壁面附近形成较均匀分布的残余压应力，避免了强化阻力在孔轴向引起的残余应力紊乱，同时孔壁面附近材料产生晶格畸变、位错密度增加，从而实现对连接孔的摩擦挤压强化。然而，该方法亦不能减小强化阻力，在高强化量、大直径孔中应用困难。为了减小强化阻力的不利影响，专利号为201910637084.2的发明则公开了一种旋转式孔冷挤压强化装置与方法，该发明首先通过带有螺纹的芯棒在驱动手柄的配合下沿轴向运动推动梯形挤压块完成孔壁的局部挤压，然后旋转驱动手柄一周将梯形挤压块的挤压量均匀施加到孔周，解决了残余应力在孔壁厚度方向不均的问题，提升了孔周整体的疲劳强化效果。然而，该发明因为强化装置结构设计的限制，可实现的最大强化量较低，不适合大直径孔强化，且强化头结构尺寸较大，在小直径孔结构中应用亦存在较大局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒及其强化方法，以解决高强化量、大直径孔结构强化阻力大导致的无法强化的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒，其包括芯棒本体；芯棒本体包括芯棒强化头、芯棒中部和芯棒尾部；芯棒强化头的前、后两端均为锥形面，芯棒强化头中间部位的外轮廓为圆柱面，圆柱面上间隔相同的圆心角沿芯棒长度方向切除圆心角对应的扇形圆柱面；芯棒中部为圆柱形，圆柱形表面开设矩形槽；芯棒尾部开设螺纹，并与拉伸装置螺纹连接。

优选地，圆心角的角度为90°、60°、45°、36°或30°。

优选地，圆柱面上的切除面与剩余圆柱面之间圆弧过渡。

优选地，拉伸装置包括芯棒连接器、驱动螺杆、外套、外六角旋件和锁紧盖；所述芯棒尾部的螺纹端穿过顶持头并与芯棒连接器一端螺纹连接；所述芯棒连接器另一端与驱动螺杆螺纹连接。

优选地，驱动螺杆外围与外套螺纹连接，外套内的中心开设台阶孔，台阶孔两端为内螺纹孔；外套的台阶孔内的孔壁与外六角旋件的圆柱端小间隙配合；并通过外套与锁紧盖的螺纹连接，将外六角旋件限制于外套的台阶孔内。

一种孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒的强化方法，包括：

A、对不带衬套的连接孔冷挤压强化；

B、对带衬套的连接孔冷挤压强化。

优选地，A中对不带衬套的连接孔冷挤压强化，包括：

A1、芯棒带螺纹端穿过待强化孔，再穿过顶持头中心通孔与芯棒连接器螺纹连接；

A2、将芯棒连接器与驱动螺杆螺纹连接，顶持头与外套螺纹连接；

A3、采用外六角扳手卡持外六角旋件，保持外六角旋件周向不旋转，将内六角扳手插入驱动螺杆的内六角端，匀速缓慢旋转内六角扳手，驱动螺杆旋转带动芯棒轴向直线运动和周向旋转运动；

A4、芯棒的强化头完全通过孔后，完成一次拉扭耦合冷加压强化，反向旋转驱动螺杆，使驱动螺杆回到初始位置，卸下芯棒，完成一次强化；

A5、重复步骤A1至步骤A4，进行下一次强化。

优选地，B中对带衬套的连接孔冷挤压强化，包括：

B1、芯棒带螺纹端与芯棒连接器螺纹连接，并将芯棒连接器与驱动螺杆螺纹连接，顶持头与外套螺纹连接；

B2、将衬套套设于芯轴上，将芯轴的头部穿过待强化孔，并将衬套滑入待强化孔中；

B3、将内六角扳手插入驱动螺杆的内六角端，保持驱动螺杆周向静止，采用外六角扳手旋转外六角旋件，驱动螺杆带动芯棒直线运动，当衬套被芯棒挤压变形固定在孔壁后，停止旋转外六角旋件；

B4、保持外六角旋件周向静止，旋转驱动螺杆，带动芯轴轴向直线运动和周向旋转运动，对孔进行拉旋耦合冷挤压强化；

B5、当芯棒的强化头完全通过孔后，完成一次拉扭耦合冷加压强化，反向旋转驱动螺杆，使驱动螺杆回到初始位置，即完成一次强化；

B6、重复步骤B1至步骤B5，进行下一次强化。

优选地，芯棒强化时，直线拉伸速度和旋转角速度满足：

其中，V为芯棒直线拉伸速度；ω为芯棒旋转角速度；l为强化头中间柱面部位的长度；α为等间隔圆心角的角度数。

本发明提供的孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒，具有以下有益效果：

本发明通过间隔相同的圆心角沿芯棒长度方向切除圆心角对应的扇形圆柱面，减小了强化过程中芯棒与孔壁的接触面积50％，减小拉伸方向理论强化阻力50％，降低了高强化量、大直径孔的冷挤压强工艺难度，有效地解决了高强化量、大直径孔结构强化阻力大导致的无法强化的问题。

同时，本发明通过拉扭耦合的强化方法，实现了芯棒强化头切除部分对应的孔壁待强化区的冷挤压强化，同时实现了孔壁材料沿孔轴向和周向同时冷挤压强化，减小了孔壁强化损伤，提高了孔壁残余应力分布均匀度，有利于提高孔结构冷挤压强化疲劳增寿效果。

附图说明

图1为孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒的强化示意图。

图2为孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒的等间隔圆心角为60°的芯棒的正视图和右侧视图。

图3为孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒的等间隔圆心角为60°的芯棒的等轴视图。

图4为孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒的等间隔圆心角为90°、45°、36°、30°芯棒的等轴视图

图5为孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒的等间隔圆心角为90°、45°、36°、30°芯棒的正视图。

图6为拉伸装置结构示意图。

其中，1、芯棒；11、芯棒强化头；12、芯棒中部；13、芯棒尾部；14、矩形槽；2、顶持头；3、芯棒连接器；4、外套；5、外六角旋件；6、锁紧盖；7、驱动螺杆；8、待强化工件。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1、图2和图3，本方案的孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒1，包括芯棒1本体，芯棒1本体包括芯棒强化头11、芯棒中部12和芯棒尾部13。

芯棒强化头11的前、后两端均为锥形面，芯棒强化头11中间部位的外轮廓为圆柱面，圆柱面上间隔相同的圆心角沿芯棒1长度方向切除圆心角对应的扇形圆柱面。

参考图4和图5，根据实际工况，不同孔的强化需要不同，切除的圆心角的角度为90°、60°、45°、36°或30°，圆柱面上的切除面与剩余圆柱面之间圆弧过渡。

芯棒中部12为圆柱形，圆柱形表面开设矩形槽14，用于芯棒1与拉伸装置连接和拆卸时的卡持。

芯棒尾部13开设螺纹，并与拉伸装置螺纹连接。

参考图6，拉伸装置包括芯棒连接器3、驱动螺杆7、外套4、外六角旋件5和锁紧盖6；所述芯棒尾部13的螺纹端穿过顶持头2并与芯棒连接器3一端螺纹连接；所述芯棒连接器3另一端与驱动螺杆7螺纹连接。

驱动螺杆7外围与外套4螺纹连接，外套4内的中心开设台阶孔，台阶孔两端为内螺纹孔；外套4的台阶孔内的孔壁与外六角旋件5的圆柱端小间隙配合；并通过外套4与锁紧盖6的螺纹连接，将外六角旋件5限制于外套4的台阶孔内。

根据本申请的一个实施例，一种孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒1的强化方法，包括：

A、对不带衬套的连接孔冷挤压强化；

B、对带衬套的连接孔冷挤压强化。

根据本申请的一个实施例，对不带衬套的连接孔冷挤压强化，包括：

A1、芯棒1带螺纹端穿过待强化孔，再穿过顶持头2中心通孔与芯棒连接器3螺纹连接；

A2、将芯棒连接器3与驱动螺杆7螺纹连接，顶持头2与外套4螺纹连接；

A3、采用外六角扳手卡持外六角旋件5，保持外六角旋件5周向不旋转，将内六角扳手插入驱动螺杆7的内六角端，匀速缓慢旋转内六角扳手，驱动螺杆7旋转带动芯棒1轴向直线运动和周向旋转运动；

A4、芯棒1的强化头完全通过孔后，完成一次拉扭耦合冷加压强化，反向旋转驱动螺杆7，使驱动螺杆7回到初始位置，卸下芯棒1，完成一次强化；

A5、重复步骤A1至步骤A4，进行下一次强化。

根据本申请的一个实施例，对带衬套的连接孔冷挤压强化，包括：

B1、芯棒1带螺纹端与芯棒连接器3螺纹连接，并将芯棒连接器3与驱动螺杆7螺纹连接，顶持头2与外套4螺纹连接；

B2、将衬套套设于芯轴上，将芯轴的头部穿过待强化孔，并将衬套滑入待强化孔中；

B3、将内六角扳手插入驱动螺杆7的内六角端，保持驱动螺杆7周向静止，采用外六角扳手旋转外六角旋件5，驱动螺杆7带动芯棒1直线运动，当衬套被芯棒1挤压变形固定在孔壁后，停止旋转外六角旋件5；

B4、保持外六角旋件5周向静止，旋转驱动螺杆7，带动芯轴轴向直线运动和周向旋转运动，对孔进行拉旋耦合冷挤压强化；

B5、当芯棒1的强化头完全通过孔后，完成一次拉扭耦合冷加压强化，反向旋转驱动螺杆7，使驱动螺杆7回到初始位置，即完成一次强化；

B6、重复步骤B1至步骤B5，进行下一次强化。

本发明由于拉伸方向的强化阻力与芯棒强化头11和孔壁实际接触面积成正比，芯棒强化头11长度方向等间隔圆心角切除了部分圆柱面，芯棒强化头11与孔壁的接触面积减小50％，因此理论强化阻力降低50％。此外，由于芯棒强化头11被部分切除，切除部分无法对对应的孔壁实施拉伸方向冷挤压强化，此时通过旋转芯棒1，让芯棒1剩余柱面对此部分通过孔的周向冷挤压强化，既实现了强化又提高了孔壁残余应力分布均匀度。

强化过程中，为保证整个孔壁均得到强化，芯棒1直线拉伸速度和旋转角速度满足公式：

其中：V为芯棒1直线拉伸速度；ω为芯棒1旋转角速度；l为强化头中间柱面部位的长度；α为等间隔圆心角的角度数。

综上所述，本发明通过间隔相同的圆心角沿芯棒1长度方向切除圆心角对应的扇形圆柱面，减小了强化过程中芯棒1与孔壁的接触面积50％，减小拉伸方向理论强化阻力50％，降低了高强化量、大直径孔的冷挤压强工艺难度，有效地解决了高强化量、大直径孔结构强化阻力大导致的无法强化的问题。

同时，本发明通过拉扭耦合的强化方法，实现了芯棒强化头11切除部分对应的孔壁待强化区的冷挤压强化，同时实现了孔壁材料沿孔轴向和周向同时冷挤压强化，减小了孔壁强化损伤，提高了孔壁残余应力分布均匀度，有利于提高孔结构冷挤压强化疲劳增寿效果。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒，其特征在于：包括芯棒本体；所述芯棒本体包括芯棒强化头、芯棒中部和芯棒尾部；所述芯棒强化头的前、后两端均为锥形面，芯棒强化头中间部位的外轮廓为圆柱面，所述圆柱面上间隔相同的圆心角沿芯棒长度方向切除圆心角对应的扇形圆柱面；所述芯棒中部为圆柱形，圆柱形表面开设矩形槽；所述芯棒尾部开设螺纹，并与拉伸装置螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒，其特征在于：所述圆心角的角度为90°、60°、45°、36°或30°。

3.根据权利要求1所述的孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒，其特征在于：所述圆柱面上的切除面与剩余圆柱面之间圆弧过渡。

4.根据权利要求1所述的孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒，其特征在于：所述拉伸装置包括芯棒连接器、驱动螺杆、外套、外六角旋件和锁紧盖；所述芯棒尾部的螺纹端穿过顶持头并与芯棒连接器一端螺纹连接；所述芯棒连接器另一端与驱动螺杆螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒，其特征在于：所述驱动螺杆外围与外套螺纹连接，外套内的中心开设台阶孔，台阶孔两端为内螺纹孔；外套的台阶孔内的孔壁与外六角旋件的圆柱端小间隙配合；并通过外套与锁紧盖的螺纹连接，将外六角旋件限制于外套的台阶孔内。

6.一种根据权利要求1-5任一所述的孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒的强化方法，其特征在于，包括：

A、对不带衬套的连接孔冷挤压强化；

B、对带衬套的连接孔冷挤压强化。

7.根据权利要求6所述的孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒的强化方法，其特征在于，A中对不带衬套的连接孔冷挤压强化，包括：

A1、芯棒带螺纹端穿过待强化孔，再穿过顶持头中心通孔与芯棒连接器螺纹连接；

A2、将芯棒连接器与驱动螺杆螺纹连接，顶持头与外套螺纹连接；

A3、采用外六角扳手卡持外六角旋件，保持外六角旋件周向不旋转，将内六角扳手插入驱动螺杆的内六角端，匀速缓慢旋转内六角扳手，驱动螺杆旋转带动芯棒轴向直线运动和周向旋转运动；

A4、芯棒的强化头完全通过孔后，完成一次拉扭耦合冷加压强化，反向旋转驱动螺杆，使驱动螺杆回到初始位置，卸下芯棒，完成一次强化；

A5、重复步骤A1至步骤A4，进行下一次强化。

8.根据权利要求6所述的孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒的强化方法，其特征在于，B中对带衬套的连接孔冷挤压强化，包括：

B1、芯棒带螺纹端与芯棒连接器螺纹连接，并将芯棒连接器与驱动螺杆螺纹连接，顶持头与外套螺纹连接；

B2、将衬套套设于芯轴上，将芯轴的头部穿过待强化孔，并将衬套滑入待强化孔中；

B3、将内六角扳手插入驱动螺杆的内六角端，保持驱动螺杆周向静止，采用外六角扳手旋转外六角旋件，驱动螺杆带动芯棒直线运动，当衬套被芯棒挤压变形固定在孔壁后，停止旋转外六角旋件；

B4、保持外六角旋件周向静止，旋转驱动螺杆，带动芯轴轴向直线运动和周向旋转运动，对孔进行拉旋耦合冷挤压强化；

B5、当芯棒的强化头完全通过孔后，完成一次拉扭耦合冷加压强化，反向旋转驱动螺杆，使驱动螺杆回到初始位置，即完成一次强化；

B6、重复步骤B1至步骤B5，进行下一次强化。

9.根据权利要求6所述的孔的拉扭耦合冷挤压强化芯棒的强化方法，其特征在于，所述芯棒强化时，直线拉伸速度和旋转角速度满足：

其中，V为芯棒直线拉伸速度；ω为芯棒旋转角速度；l为强化头中间柱面部位的长度；α为等间隔圆心角的角度数。

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