CN111961823A - 一种带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒及孔挤压强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒及孔挤压强化方法，所述套筒外表面设有螺旋形的凹槽，所述套筒外表面均布若干凹微织构和凸微织构。所述凹微织构与凸微织构间隔分布。所述凹微织构内涂覆添加纳米固体润滑颗粒的润滑油。所述套筒内壁设有涂层。本发明的螺旋开缝衬套表面具有凹凸相间的微织构，凸微织构在进行旋转加工时进一步加工孔内壁，不需要进行铰削，提高了加工的连续性；凹坑微织构存储有添加了纳米二硫化钼的润滑油，在芯棒轴向进给以及芯棒与套筒一同旋转两个过程中减小对孔内壁造成的犁沟破坏。

Description

一种带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒及孔挤压强化方法

技术领域

本发明涉及零件表面强化处理技术领域，特别涉及一种带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒及孔挤压强化方法。

背景技术

螺栓连接孔是飞机发动机盘件连接的重要方式，飞机在服役过程中孔边存在严重的应力集中，孔结构十分容易发生疲劳断裂而失效，甚至引发灾难性航空事故，因此如何提高孔结构的疲劳强度，延长使用寿命已经演变成航空业关键技术问题之一。

现在的表面强化手段主要包括激光技术，喷丸和孔挤压等技术。挤压技术由于操作简单、效果显著等优势，成为提高孔结构疲劳强度的重要手段之一。典型的孔挤压强化方法是用一定过盈量的锥形芯棒从孔的一端挤入，另一端挤出，从而使孔壁表面发生塑性变形，在孔壁表层引入高幅值的残余压应力，降低孔结构在外力载荷下产生应力过于集中提高疲劳性能。

目前常见的孔挤压方法主要有：孔口挤压，芯棒直接挤压，球挤压，开缝衬套挤压。其中孔口挤压仅能对孔口附近进行强化，板厚时中间位置难以强化；芯棒直接挤压工具和工艺较为简单，但是难以实现较大的挤压量；球挤压相对于芯棒挤压，其摩擦力更小，适用于小直径大深度连接孔的强化。但球挤压不正确使用反而会在挤入端引入残余拉应力，有损疲劳寿命；开缝衬套挤压通过开缝衬套可以实现高挤压量，但开缝会残留凸脊。如CN201320578759.9中所述的一种新型开缝衬套挤压强化方法，开缝衬套挤压由于芯棒与孔壁不直接接触，避免了孔壁的轴向划伤，但是开缝衬套残留的凸脊需要进行进一步的铰削，造成了加工的不连续性，容易释放有益的残余压应力。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒及孔挤压强化方法，将织构技术应用于孔挤压开缝套筒表面，形成具有规则排布的凹凸相间的织构形貌，凸起织构在旋转挤压过程中进一步对孔壁进行强化，凹坑织构用来存储润滑剂，减小轴向进给和旋转挤压过程中对孔壁造成的犁沟破坏，从而进一步提升孔结构的疲劳寿命。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒，所述套筒外表面设有螺旋形的凹槽，所述套筒外表面均布若干凹微织构和凸微织构。

进一步，所述凹微织构与凸微织构间隔分布。

进一步，所述凹微织构为凹坑，所述凹坑直径d为50-200μm，所述凹坑深度h为1-10μm，所述凹坑间距k1为100-2000um，所述凹坑的面积占有率为S1＝15％-30％。

进一步，所述凸微织构为凸点，所述凸点直径D为50-200μm，所述凸点高度H为5-10μm，所述凸点间距k2为100-2000μm，所述凸点的面积占有率为S2＝15％-30％。

进一步，所述凹微织构内涂覆添加纳米固体润滑颗粒的润滑油。

进一步，所述套筒内壁设有涂层。

进一步，所述涂层为二硫化钼或聚四氟乙烯。

一种孔挤压强化方法，包括如下步骤：

使用所述的带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒插入需强化孔；

将锥形芯棒沿轴向推入所述螺旋开缝套筒的内孔，通过使螺旋开缝套筒径向膨胀，用于挤压需强化孔内壁；

通过锥形芯棒和所述螺旋开缝套筒同步旋转，所述凸微织构对需强化孔内壁进行旋转挤压强化；通过旋转产生大量热量，使需强化孔内壁近表面材料再结晶并细化晶粒，提升内壁的抗疲劳特性。

本发明的有益效果在于：

本发明所述的带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒及孔挤压强化方法，螺旋开缝衬套表面具有凹凸相间的微织构，凸微织构在进行旋转加工时进一步加工孔内壁，细化孔壁表面的晶粒，提高表面质量，同时不需要进行铰削，提高了加工的连续性；凹坑微织构存储有添加了纳米二硫化钼的润滑油，在芯棒轴向进给以及芯棒与套筒一同旋转两个过程中减小对孔内壁造成的犁沟破坏。本发明可以提高孔结构的疲劳寿命，同时减小芯棒与套筒，套筒与孔内壁之间的磨损。

附图说明

图1为本发明所述的带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒结构图。

图2为本发明所述的凹微织构形貌剖面图。

图3为本发明所述的凸微织构形貌剖面图。

图4为柱面凹凸相间微织构形貌示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图4所示，本发明所述的带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒，螺旋开缝套筒内壁有涂层，所述涂层为二硫化钼或聚四氟乙烯。螺旋开缝套筒外壁表面开有一条螺旋形的开缝通槽，螺旋开缝套筒外表面有排列紧密规则的凹凸相间的微织构，即所述套筒外表面均布若干间隔分布的凹微织构和凸微织构。所述凹凸相间的微织构通过激光加工方法制备。所述凹凸相间的微织构为单行凹坑微织构和单行凸起微织构等间距相间隔排列。所述螺旋开缝套筒的材质为302不锈钢。

如图2所示，所述凹微织构为凹坑，所述凹坑直径d为50-200μm，所述凹坑深度h为1-10μm，所述凹坑间距k₁为100-2000um，所述凹坑的面积占有率为S₁＝15％-30％。

如图3所示，所述凸微织构为凸点，所述凸点直径D为50-200μm，所述凸点高度H为5-10μm，所述凸点间距k₂为100-2000μm，所述凸点的面积占有率为S₂＝15％-30％。

所述凹微织构内涂覆添加纳米固体润滑颗粒的润滑油。所述添加纳米固体润滑颗粒的润滑油的制备步骤为：基础润滑油是30号润滑机油，添加剂成分为纳米二硫化钼，分散剂选取Span-80型分散剂，对混合了纳米粒径固体润滑颗粒的润滑油进行稀释处理。将质量分数为10％的纳米固体润滑颗粒及质量分数为2％的Span-80型分散剂依次添加到基础润滑油中，使用磁力棒搅拌10min，再进行15min超声振荡，获得分散、均匀的纳米固体润滑颗粒润滑油。将待测润滑油试样放置阴暗处，静置72h后获得最终油样。

本发明还提供了一种孔挤压强化方法，使用所述螺旋开缝套筒插入需强化孔，锥形芯棒被液压装置沿轴向推入螺旋开缝套筒的内孔；螺旋开缝套筒被锥形芯棒径向推挤并径向膨胀，进而挤压需强化孔内壁，并使之产生压应力。随后，电机带动锥形芯棒和螺旋开缝套筒旋转，螺旋开缝套筒外圆表面的凸微织构进一步对孔内壁进行旋转挤压强化。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。最后，锥形芯棒和螺旋开缝衬套先后退出被强化孔。

实施例1

激光加工设备选用SPI光纤激光器，螺旋开缝套筒材料为302不锈钢。开缝套筒表面进行激光微加工之前需要进行前处理工艺，使套筒表面精度达到激光微加工的要求，表面粗糙度Ra≤0.8um。使用无水乙醇清清洗试样表面，去除试样表面的有机杂质和油渍。凹坑微织构具体几何参数为：直径d＝65um，深度h＝5um，面积占有率S1＝15％。凸起微织构具体几何参数为：直径D＝80um，凸起高度H＝4um，面积占有率S2＝15％。凹坑微织构与凸起微织构之间间距k＝200um。

采用SPI光纤激光器在套筒表面激光微加工凹坑微织构，激光功率为，脉冲宽度为，脉冲个数为1，离焦量0；加工凸起微织构，激光功率为100W，脉冲宽度为100us，脉冲个数为1，离焦量0。

本发明提供了一种孔挤压强化方法，其包括以下步骤：

将带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒插入带孔元件的螺栓连接孔并固定。

通过一液压装置对锥形芯棒施加压力，由于芯棒与套筒相配合，芯棒在轴向进给的过程中沿径向挤压套筒内表面，套筒发生膨胀从而套筒外表面挤压螺栓孔内壁，轴向进给一定距离是的孔内壁发生塑性变形，使得孔壁表层产生残余压应力，提高螺栓孔的疲劳寿命。

通过一连接装置将芯棒与套筒紧密连接，随后液压动力装置中的电机带动芯棒与套筒一起旋转，套筒表面的凸起微织构对孔壁进一步挤压，凹坑微织构中的润滑剂在旋转挤压过程中起到了减摩润滑的作用，进一步提升孔内壁疲劳寿命的同时也保护了孔壁的光洁度。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒，其特征在于，所述套筒外表面设有螺旋形的凹槽，所述套筒外表面均布若干凹微织构和凸微织构。

2.根据权利要求1所述的带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒，其特征在于，所述凹微织构与凸微织构间隔分布。

3.根据权利要求1所述的带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒，其特征在于，所述凹微织构为凹坑，所述凹坑直径d为50-200μm，所述凹坑深度h为1-10μm，所述凹坑间距k₁为100-2000um，所述凹坑的面积占有率为S₁＝15％-30％。

4.根据权利要求1所述的带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒，其特征在于，所述凸微织构为凸点，所述凸点直径D为50-200μm，所述凸点高度H为5-10μm，所述凸点间距k₂为100-2000μm，所述凸点的面积占有率为S₂＝15％-30％。

5.根据权利要求1所述的带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒，其特征在于，所述凹微织构内涂覆添加纳米固体润滑颗粒的润滑油。

6.根据权利要求1所述的带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒，其特征在于，所述套筒内壁设有涂层。

7.根据权利要求1所述的带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒，其特征在于，所述涂层为二硫化钼或聚四氟乙烯。

8.一种孔挤压强化方法，其特征在于，包括如下步骤：

使用权利要求1-7任一项所述的带有凹凸相间微织构的螺旋开缝套筒插入需强化孔；

将锥形芯棒沿轴向推入所述螺旋开缝套筒的内孔，通过使螺旋开缝套筒径向膨胀，用于挤压需强化孔内壁；

通过锥形芯棒和所述螺旋开缝套筒同步旋转，所述凸微织构对需强化孔内壁进行旋转挤压强化；通过旋转产生大量热量，使需强化孔内壁近表面材料再结晶并细化晶粒，提升内壁的抗疲劳特性。

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