CN112695177A - 一种提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺 - Google Patents

一种提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，包括以下步骤：S1：采用射流强化工艺对孔进行表面强化；S2：采用挤压工艺对完成步骤S1后的孔进行挤压强化。本发明提供的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，先采用射流强化工艺对孔表面进行强化，在此基础上再采用挤压工艺对孔进行挤压强化，从而有效的提高孔挤压表面质量和孔壁的残余压应力，进而增强其疲劳寿命。

Description

一种提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺
技术领域
本发明涉及结构强度及表面强化领域，更具体地涉及一种提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺。
背景技术
在汽车工业、航空工业以及机械行业中都有很多带紧固孔的构件，在紧固孔处很容易发生应力集中现象，在交变载荷作用下紧固孔处极易产生疲劳裂纹萌生及扩展，从而导致构件疲劳失效，危及整机的安全性、可靠性，大大降低整机的使用寿命。据统计显示，在国内外现代工业各个领域中，疲劳失效占整个结构失效的80％。根据飞机结构疲劳失效的统计结果表明，大约有70％的疲劳裂纹源于紧固件孔，发生在孔边破坏事故占整体机体疲劳事故的90％以上，已成为航空飞行器结构件失效的最主要根源之一。
大量研究表明，构件经过强化技术处理后不仅可以抑制裂纹的萌生，而且还可以提高构件的抗疲劳性能，充分发挥所用材料的性能。传统的孔强化工艺主要采用孔挤压工艺。这种孔挤压工艺，根据不同构件的尺寸、材料等要素，主要包括孔口挤压、芯棒直接挤压(无衬套)、球挤压和开缝衬套挤压等方式。其中，孔口挤压仅能对孔口附近进行强化，板厚中间位置难以强化；芯棒直接挤压难以实现较大挤压量；球挤压法的球-孔摩擦力小，对孔壁损伤小，可实现较大挤压量，但是仅适用于深小孔构件；开缝衬套挤压可实现大挤压量，但是挤压后孔壁残留凸脊，需要进行铰孔加工。由此可知，现有的孔挤压强化工艺得到的孔表面质量差、孔壁的残余压应力小，从而使得其疲劳寿命低。
发明内容
本发明提供一种提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，以提高孔表面质量和孔壁的残余应力，进而增强其疲劳寿命。
本发明提供一种提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，包括以下步骤：
S1：采用射流强化工艺对孔进行表面强化；
S2：采用挤压工艺对完成步骤S1后的孔进行挤压强化。
进一步地，步骤S1具体包括：
S11：提供一射流强化装置，并将所述含孔结构固定在一机床上；
S12：向所述射流强化装置中通入射流介质，并使所述射流强化装置的喷嘴对准孔的表面；
S13：使所述射流介质以预定压力及速度从喷嘴中喷射出，以完成对孔表面的强化。
进一步地，所述射流介质包括石墨烯、水、大豆油、玉米油、花生油中的一种或多种。
进一步地，所述射流压力为0-420MPa。
进一步地，所述挤压工艺为赫兹接触旋转开缝衬套挤压工艺。
进一步地，步骤S2具体包括：
S21：提供一赫兹接触旋转挤压强化装置，所述赫兹接触旋转挤压强化装置包括芯棒、可滑动地套设于芯棒上的套筒和动力装置；
S22：所述套筒插入所述孔中并固定；
S23：所述动力装置对芯棒施加压力，带动芯棒轴向进给；
S24：所述动力装置带动套筒旋转；
S25：芯棒和套筒退出所述孔。
进一步地，所述套筒的外壁开设有一条角度为15°-75°的螺旋通槽。
进一步地，所述挤压工艺的挤压量为0.1％-3.5％。
进一步地，所述赫兹接触为有序或无序排布。
进一步地，所述芯棒的锥度为1：50，长度为100～300mm。
本发明提供的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，先采用射流强化工艺对孔表面进行强化，在此基础上再采用挤压工艺对孔进行挤压强化，从而有效的提高孔挤压表面质量和孔壁的残余压应力，进而增强其疲劳寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺的流程图；
图2a和图2b分别为方案1中对照组1和对照组2的孔的残余应力云图；
图3a和图3b分别为方案2中对照组1和对照组2的孔的残余应力云图；
图4a和图4b分别为方案3中对照组1和对照组2的孔的残余应力云图；
图5a和图5b分别为方案4中对照组1和对照组2的孔的残余应力云图；
图6a和图6b分别为方案5中对照组1和对照组2的孔的残余应力云图。
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。
如图1所示，本发明实施例提供一种提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，包括以下步骤：
S1：采用射流强化工艺对孔进行表面强化。
S2：采用挤压工艺对完成步骤S1后的孔进行挤压强化。
本发明的复合强化工艺先采用射流强化工艺对孔的表面进行强化，使孔的表面存在一定范围的残余压应力，为后续强化工艺提供一定的预应力变形；然后再采用挤压工艺对孔进行挤压强化，其可实现基于射流预应力变形的大塑性变形的挤压强化，从而产生更大的残余压应力和更均匀的残余压应力分布。例如，水射流带来的预变形会引入-300～-500MPa的残余压应力，但是表面会产生一定的粗糙度，在后续的孔挤压强化过程中的衬套旋转可以使得表面粗糙度被消除，并且可以使用较小的挤压量，便可以在水射流的基础上将残余压应力提高至-850MPa左右。
如图所示，步骤S1具体包括：
S11：提供一射流强化装置，并将含孔结构固定在一机床上；
S12：向所述射流强化装置中通入射流介质，并使射流强化装置的喷嘴对准孔的表面；
S13：使射流介质以预定压力及速度从喷嘴中喷射出，以完成对孔表面的强化。
其中，射流介质可包括水、大豆油、玉米油、花生油中的一种或者多种，也可为它们与石墨烯的混合液，虽然本发明对此不做限定，但由于石墨烯具有良好的润滑性能，可以实现挤压强化过程中的润滑，有利于提高挤压强化表面质量，减轻套筒磨损。
射流压力可根据实际需求进行控制，可以为0-420MPa。
不同的射流强化工艺(例如射流介质、射流压力的不同)所引入的孔表面的残余应力分布不同。例如，水射流介质在较大的压力下，会产生较大的表面粗糙度，粗糙度值高于2um，残余压应力基本处在-650MPa左右。采取石墨烯作为射流介质，则可以很好的减轻水对表面的冲蚀，能够提高表面质量和残余压应力。
射流强化装置和射流强化工艺可以采用现有的装置和工艺，例如公告号为CN109777935B的专利中公开的装置及工艺。
挤压工艺可以为赫兹接触旋转开缝衬套挤压工艺、球挤压、芯棒直接挤压等，本发明对此不做限定。
赫兹接触旋转开缝衬套挤压工艺可采用现有的工艺，例如，可采用公布号为CN109280751A的专利申请中的赫兹接触旋转挤压强化装置及强化工艺。
具体地，赫兹接触旋转开缝衬套挤压工艺包括：
S21：提供一赫兹接触旋转挤压强化装置，赫兹接触旋转挤压强化装置包括芯棒、可滑动地套设于芯棒上的套筒和动力装置。
S22：套筒插入所述孔中并固定。
S23：动力装置对芯棒施加压力，带动芯棒轴向进给。
S24：动力装置带动套筒旋转。
S25：芯棒和套筒退出所述孔。
其中，套筒、芯棒等参数可根据实际需求进行调整，例如，通过调整套筒外壁的螺旋通槽的角度、芯棒的尺寸、赫兹接触表面微结构形貌、有序或无序排布、挤压量等参数，这样可以使得螺旋开缝衬套始终能够与孔壁形成赫兹接触，从而增加孔的强度。套筒外壁的螺旋通槽的角度范围为15°-75°，芯棒的锥度可以为1：50，长度范围为100～300mm，挤压量通过芯棒的移动调整，范围为0.1％-3.5％。
下面将选取GH4169镍基高温合金为研究对象，分别采用本发明实施例的强化工艺和螺旋开缝衬套挤压工艺进行强化，并对强化后的孔内壁残余压应力进行比较，以验证本发明的强化工艺的强化效果。以仅采用赫兹接触旋转开缝衬套挤压进行强化后的结果为对照组1，采用本发明实施例的强化工艺强化后的结果为对照组2，且根据强化工艺参数的不同，分为如表1所示的5个方案。
表1
Figure BDA0002831268040000051
图2a、图2b、图3a、图3b、图4a、图4b、图5a、图5b、图6a和图6b分别示出了不同方案中对照组1和对照组2的残余应力云图，从图中可以看出，采用本发明实施例的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺强化后的孔内壁残余应力值分布均匀，其平均残余压应力值为-832MPa，对照组1的残余压应力约为525MPa，由此可知，本发明实施例的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺强化效果明显。
本发明实施例提供的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，先采用射流强化工艺对孔表面进行强化，在此基础上再采用挤压工艺对孔进行挤压强化，从而有效的提高孔挤压表面质量和孔壁的残余压应力，进而增强其疲劳寿命。
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。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 (10)

1.一种提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用射流强化工艺对孔进行表面强化；
S2：采用挤压工艺对完成步骤S1后的孔进行挤压强化。
2.根据权利要求1所述的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，其特征在于，步骤S1具体包括：
S11：提供一射流强化装置，并将所述含孔结构固定在一机床上；
S12：向所述射流强化装置中通入射流介质，并使所述射流强化装置的喷嘴对准孔的表面；
S13：使所述射流介质以预定压力及速度从喷嘴中喷射出，以完成对孔表面的强化。
3.根据权利要求2所述的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，其特征在于，所述射流介质包括石墨烯、水、大豆油、玉米油、花生油中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，其特征在于，所述射流压力为0-420MPa。
5.根据权利要求1所述的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，其特征在于，所述挤压工艺为赫兹接触旋转开缝衬套挤压工艺。
6.根据权利要求5所述的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，其特征在于，步骤S2具体包括：
S21：提供一赫兹接触旋转挤压强化装置，所述赫兹接触旋转挤压强化装置包括芯棒、可滑动地套设于芯棒上的套筒和动力装置；
S22：所述套筒插入所述孔中并固定；
S23：所述动力装置对芯棒施加压力，带动芯棒轴向进给；
S24：所述动力装置带动套筒旋转；
S25：芯棒和套筒退出所述孔。
7.根据权利要求6所述的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，其特征在于，所述套筒的外壁开设有一条角度为15°-75°的螺旋通槽。
8.根据权利要求6所述的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，其特征在于，所述挤压工艺的挤压量为0.1％-3.5％。
9.根据权利要求6所述的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，其特征在于，所述赫兹接触为有序或无序排布。
10.根据权利要求6所述的提高含孔结构疲劳寿命的复合强化工艺，其特征在于，所述芯棒的锥度为1：50，长度为100～300mm。
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