CN114535925B - 一种孔结构件振动的超声挤压强化装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种孔结构件振动的超声挤压强化装置及工艺，该装置的连接台固定在试验机上借助压紧圆盘调整装置的偏心。立柱连接着连接台与顶板，一级超声振动装置固定在顶板上。转接板设置在一级超声振动装置的顶端，转接板上方设置多级放大结构将超声振幅进行多级放大，实现超声振幅的变化；孔结构件安装在一级超声振动装置端部，挤压芯棒位于孔结构件上且连接至超声振动检测仪。一级超声振动装置产生的轴向超声振动通过转接板传递给多级放大结构，然后将超声能量施加在孔结构件上。孔挤压强化过程中，孔结构件的轴向超声振动与挤压芯棒的轴向振动相叠加，减小了孔挤压强化过程中的挤压力，增加了孔壁挤压强化次数，改善了孔壁表面质量，提高了孔挤压强化效果。

Description

一种孔结构件振动的超声挤压强化装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种孔结构件振动的超声挤压强化装置及工艺，属于孔结构件抗疲劳强化技术领域，尤其涉及将超声振动技术与孔挤压强化技术相结合，形成改善孔结构件表面质量、提高疲劳性能、增加服役寿命的超声振动复合挤压强化技术。

背景技术

随着航空事业的发展，长寿命、高性能、高可靠性等航空飞机设计制造要求日益重要。航空飞机上多数结构通过连接孔进行装配，结构件上存在连接孔，易于产生应力集中，引起疲劳裂纹萌生、扩大疲劳裂纹扩展速率，降低孔结构件使用寿命，导致孔结构件发生疲劳失效。因此，需要对孔结构件进行挤压强化。

孔挤压强化技术具有不增加结构件重量、不改变结构件形式和材料等特点，对结构件装配孔进行局部强化处理，挤压强化后装配孔孔壁形成有益的残余压应力、孔壁微观组织细化等从而能够抵消外部交变载荷产生的拉应力，提高孔结构件的疲劳性能。目前，孔挤压强化技术中，开缝衬套孔挤压强化工艺应用较广泛。然而，开缝衬套孔挤压强化过程中，开缝衬套壁薄，孔挤压强化过程中挤压芯棒挤压强化开缝衬套，开缝衬套受到挤压力作用发生塑性变形，开缝衬套发生大的塑性变形导致开缝衬套不能重复使用。与开缝衬套配合使用的实心挤压芯棒，挤压芯棒与开缝衬套内壁直接接触，挤压量全部作用于开缝衬套内壁，实心挤压芯棒承受的挤压力大，挤压芯棒易于磨损，开缝衬套变形量大。为了减小孔挤压强化过程中，挤压芯棒承受的挤压力，增加装配孔孔壁的挤压强化次数，提高孔挤压强化效果。公开号为CN113399486A的专利申请涉及一种多段式冷挤压强化装置及使用方法，通过多段不同尺寸的芯棒组合而成的挤压装置可在一次定位条件下完成连续多段孔挤压强化，单次挤压量较小，减小了加工损伤。但该方法降低了挤压芯棒的工作寿命。公告号为CN203495057U的实用新型公开了一种孔挤压强化装置，通过驱动装置的作用驱动挤压芯棒轴向运动，设计有开缝的衬套和挤压圆台，使得挤压芯棒在运动过程能将衬套撑开，使撑开的衬套对待加工孔的内壁进行挤压强化，孔内壁强化均匀，强化效果好，节省人力。

上述的方案，均是采用孔挤压强化针对结构件装配孔进行挤压强化，再进行微量铰削，使装配孔孔径达到目标孔径，孔挤压强化过程中受到装配孔的限制，如果对孔结构件进行径向振动，装配孔径向偏差影响较大，一方面保证不了装配孔径向偏心，另一方面保证不了目标孔径。

发明内容

为了克服现有技术中，孔挤压强化是借助孔结构件进行径向振动，装配孔径向偏差影响较大，无法保证装配孔径向偏心以及目标孔径的问题，本发明提供了一种孔结构件振动的超声挤压强化装置及工艺，实现对孔结构件施加轴向振动，对装配孔孔径径向偏差影响减小。该发明将超声振动技术与孔挤压强化技术相结合，通过孔结构件轴向超声振动与挤压芯棒轴向运动相互叠加，对孔结构件进行挤压强化，与单独的挤压芯棒轴向运动相比，增加了装配孔孔壁的挤压强化次数，能够提高孔结构件挤压强化效果。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种孔结构件振动的超声挤压强化装置，从下到上，包括同轴连接的连接台（1）、顶板（5）、一级超声振动装置（6）、转接板（7）、多级放大结构（8）、孔结构件（9）；挤压芯棒（10）；

其中，连接台（1）承载整个孔结构件振动超声挤压强化装置，连接台（1）中心设螺纹孔，其通过螺纹连接件固定在微机控制电子万能试验机上，连接台上的中心孔大于螺纹连接件孔径。连接台与螺纹连接件之间使用压紧圆盘，压紧圆盘用来对装置进行微调，避免装置出现偏心。

连接台（1）与顶板（5）之间借助四个立柱固定连接，提高结构的稳定性，保证受载时应力分布均匀；顶板中间开孔并设计凸台，一级超声振动装置（6）安装在顶板上，凸台与一级超声振动装置的法兰相连接，使用螺栓进行固定。

转接板设置在一级超声振动装置（6）的顶端，用来进行能量传递，转接板上方设置多级放大结构。一级超声振动装置产生的轴向超声振动传递给转接板，转接板将超声能量传递给多级放大结构。将超声振幅进行多级放大，使孔结构件实现不同超声振幅的变化。

孔结构件（9）安装在一级超声振动装置端部，挤压芯棒位于孔结构件（9）上且连接至超声振动检测仪。超声振动检测仪用于实时检测孔结构件、转接板振动状况，防止孔挤压强化过程中出现超声能量损失。

所述挤压芯棒，为实心挤压芯棒，孔挤压强化过程中挤压芯棒发生轴向运动，挤压芯棒的轴向运动与孔结构件的轴向超声振动相叠加，对孔结构件进行挤压强化。

基于上述孔结构件振动的超声挤压强化装置的孔结构件振动的超声挤压强化工艺，步骤是：

（1）将连接台（1）固定在微机控制电子万能试验机上 ，启动微机控制电子万能试验机、超声电源、超声振动检测仪，一级超声振动装置（6）中的换能器产生轴向超声振动；

（2）轴向超声振动传递给转接板（7），通过转接板（7）上方的多级放大结构（8），将超声能量施加在孔结构件（9）上，实现孔结构件（9）的轴向超声振动；

（3）微机控制电子万能试验机带动挤压芯棒轴向运动，挤压芯棒（10）的轴向运动与孔结构件（9）的轴向超声振动相互叠加，对孔结构件装配孔进行挤压强化。

（4）升降机架（11）上安装超声振动检测仪（12），实时检测孔结构件（9）超声振动状况，使孔强化过程中，孔结构件振动状态一致。

有益效果：本发明一种孔结构件振动的超声挤压强化装置及工艺，与现有技术相比较，具有以下优点：

1. 本发明的超声挤压强化装置，且将孔结构件的轴向超声振动与挤压芯棒的轴向运动相叠加，与现有单独的挤压芯棒径向或者轴向运动相比，减小了孔挤压强化过程中的挤压力，增加了孔壁挤压强化次数，增加了孔壁金属材料塑性变形，增大了孔结构件残余应力场，改善了孔壁表面质量，提高孔结构件疲劳性能，增加了挤压强化效果。

2. 孔结构件振动的超声挤压强化装置中，一级变幅产生的轴向超声振动传递给转接板，多级放大结构将轴向超声振动传递给孔结构件，使孔结构件能够发生较大振幅的超声振动。

3. 孔结构件振动的超声挤压强化装置中，设置超声振动状况实时监测系统，能够实时反馈孔结构件超声振动状况，避免出现超声振动能量损失，导致孔挤压强化过程中，超声振动能量不一致。

4. 该装置中通过引入超声振动，减小了孔挤压强化过程中的挤压力，降低了挤压芯棒工作环磨损，延缓了挤压芯棒磨损，增加了挤压芯棒使用寿命。

5. 孔结构件振动的超声挤压强化装置中，使用四立柱，能够提高装置的稳定性，使顶板及连接台受载时应力分布均匀，增加装置的疲劳强度。

6. 孔结构件振动的超声挤压强化装置中，设置偏心结构，防止装置出现轴线不对中现象。

附图说明

图1是本发明一种孔结构件振动的超声挤压强化装置；

图2是连接台1的结构示意图；

图3是压紧圆盘3的结构示意图；

图4是螺纹连接件2的结构示意图；

图5是立柱4的结构示意图；

图6是顶板5的结构示意图；

图7是一级超声振动装置6的结构示意图；

图8是转接板7的结构示意图；

图9是多级放大结构8的结构示意图；

图10是升降机架11的结构示意图；

图11是超声振动检测仪12的结构示意图；

图12是挤压芯棒10的结构示意图；

图13是实施例1所得孔结构件超声振动模态仿真图；

图14是超声振幅对装配孔挤入端残余应力的影响；

图15是超声振幅对装配孔中间层残余应力的影响；

图16是超声振幅对装配孔挤出端残余应力的影响。

其中，连接台-1；螺纹连接件-2；压紧圆盘-3；立柱-4；顶板-5；一级超声振动装置-6；转接板-7；多级放大结构-8；孔结构件-9；挤压芯棒-10；升降机架-11；超声振动检测仪-12；凸台-13；后端盖-14；压电陶瓷片-15；法兰-16；一级超声振动装置的变幅杆-17；超声振动检测仪-18；测针-19；孔结构件装配孔-20。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1孔结构件振动的超声挤压强化装置

图1是一种孔结构件振动的超声挤压强化装置示意图。

孔结构件振动的超挤压强化装置，连接台1通过螺纹连接件2固定在微机控制电子万能试验机上，连接台1与螺纹连接件2之间使用压紧圆盘3，避免装置出现偏心。四个立柱4均匀、对称的安装在连接台1上用于固定顶板5，使顶板5及连接台1受载时应力分布均匀。

一级超声振动装置6安装在顶板5上，一级超声振动装置的另一端固定转接板7，连接板上方连接多级放大结构8，在该实施例中，所述的多级放大结构8为四级放大结构，多级放大结构8上方连接孔结构件9，挤压芯棒10设置在孔结构件9的上方，挤压芯棒10安装在拉伸试验机上。

在工作阶段，启动微机控制电子万能试验机、超声电源、超声振动检测仪，一级超声振动装置6中的换能器产生轴向超声振动，轴向超声振动传递给转接板7通过多级放大结构8，将超声能量施加在孔结构件9上，实现孔结构9的轴向超声振动，微机控制电子万能试验机带动挤压芯棒轴向运动，挤压芯棒10的轴向运动与孔结构件9的轴向超声振动相互叠加，对孔结构件装配孔进行挤压强化。升降机架11上安装超声振动检测仪12，实时检测孔结构件9超声振动状况，使孔强化过程中，孔结构件振动状态一致。所述的挤压芯棒10为实心挤压芯棒，如图12所示。

现有技术中，孔挤压强化针对结构件装配孔进行挤压强化，再进行微量铰削，使装配孔孔径达到目标孔径，孔挤压强化过程中受到装配孔的限制，如果对孔结构件进行径向振动，装配孔径向偏差影响较大，一方面保证不了装配孔径向偏心，另一方面保证不了目标孔径。而本申请对孔结构件施加轴向振动，对装配孔孔径径向偏差影响减小。

图2是连接台1的结构示意图，参照图1所示，连接台1中部开孔，用于借助螺纹连接件2、压紧圆盘3固定在微机控制电子万能试验机上。连接台1的台面接近四个角的位置开螺栓孔，用于固定立柱4。

图6是顶板5的结构示意图，参照图6所示，顶板5中间开孔并设计凸台13，凸台13与一级超声振动装置6的法兰16相连接，使用螺栓进行固定。为满足装置总加载的需要，使用6颗标准M6螺栓，机械性能为4.8级。6颗螺栓可承载约120000N的拉力，保证装置在挤压过程的稳定性。

图7是一级超声振动装置6的结构示意图，参照图7所示，后端盖14固定压电陶瓷片15，压电陶瓷片15将电能转换为轴向超声振动的机械能，法兰16与顶板5上的凸台13相连接，固定一级超声振动装置6，一级超声振动装置上的变幅杆17将轴向超声振动能量传递给转接板7。

实施例2孔结构件超声振动有限元仿真

运用ABAQUS有限元仿真分析软件，建立孔结构件振动的超声挤压强化装置三维有限元仿真分析模型，仿真模型中孔结构件尺寸为100mm×100mm×10mm，装配孔孔径为12.12mm，孔结构件材料为7050铝合金。通过多级放大结构，使一级超声振动装置产生的轴向超声振幅进行放大，从而使孔结构件中心孔处产生最大相对振幅。一级超声振动装置产生的轴向超声振幅通过多级放大结构进行放大后，孔结构件的最大相对振幅为1.0μm。

结果评价：采用本发明的方案，孔结构件的轴向超声振动与挤压芯棒的轴向振动相互作用，提高孔结构件装配孔孔壁表面质量，改善孔结构件疲劳性能，减小挤压强化过程中的挤压力。

对比例3孔结构件振动方式方案优选

孔结构件振动的超声挤压强化针对孔结构件装配孔进行强化处理，挤压强化后需要对装配孔进行微量铰削加工，使挤压强化后的孔径达到终孔直径。孔挤压强化过程中，挤压芯棒沿装配孔轴向方向运动，挤压芯棒工作环挤压强化装配孔孔壁，由于孔结构件振动的超声挤压强化装置中挤压芯棒为实心挤压芯棒，孔挤压强化过程中，装配孔孔壁金属材料发生两个方向的金属流动，沿装配孔轴向方向、沿装置孔径向方向。其中，沿装配孔轴向方向的金属流动，挤压强化后装配孔挤出端产生金属堆积；沿装配孔径向方向的金属流动，挤压强化后装配孔孔径扩大，孔壁形成残余压应力。

孔结构件振动的超声挤压强化工艺，孔挤压强化过程中，挤压芯棒沿装配孔轴向运动、孔结构件轴向超声振动，两种运动相互作用，对装配孔孔壁进行挤压强化。孔挤压强化过程中，挤压芯棒受到装配孔的限制，挤压强化对装配孔孔径偏差影响较小，挤压强化后通过微量铰削加工，即可达到终孔直径。

孔结构件振动的超声挤压强化工艺，孔挤压强化过程中，挤压芯棒仅能发生沿装配孔轴向方向的运动，若改变结构件的振动方向，使孔结构件发生径向超声振动，将会出现以下状况：1）挤压芯棒不易从装配孔中挤出；2）孔挤压强化过程中挤压芯棒易于出现断棒、卡棒等现象；3）挤压强化对装配孔孔径偏差影响较大，无法确保装配孔的终孔直径。

由于孔挤压强化针对装配孔孔壁进行局部挤压强化，孔挤压强化过程中，孔结构件径向超声振动会引起挤压芯棒不易从装配孔中挤出、挤压芯棒易于出现断棒、卡棒等现象、装配孔孔径偏差影响较大等现象，而孔结构件轴向超声振动避免了不利于装配孔挤压强化的因素，能够顺利实现孔结构件装配孔的挤压强化。因此，孔结构件振动的超声挤压强化工艺中，孔结构件振动为轴向超声振动。

对比例4多级放大结构方案优选

一级超声振动装置6安装在顶板5上，一级超声振动装置的另一端固定转接板7，连接板上方连接多级放大结构8，在该实施例中，所述的多级放大结构8为四级放大结构，若不使用多级放大结构8，即一级超声振动装置产生的超声能量直接传递给孔结构件，由于挤压芯棒10要完全穿过孔结构件装配孔，此时孔结构件无法进行固定。因此，孔结构件超声振动的孔挤压强化装置中不适用于将一级超声振动装置产生的能量直接传递给孔结构件；

若使用多级放大结构8，且多级放大结构8有两个变幅杆，一级超声振动装置产生的超声能量通过多级放大结构传递给孔结构件，但两个变幅杆不能使孔结构件均匀振动，导致孔结构件装配孔孔壁受力不均匀，孔壁产生不均匀的残余应力，孔挤压强化效果差。

若使用多级放大结构8，且多级放大结构8有三个变幅杆，一级超声振动装置产生的超声能量通过多级放大结构传递给孔结构件，三个变幅杆不能使孔结构件均匀振动，导致孔结构件装配孔孔壁受力不均匀，孔壁产生不均匀的残余应力，孔挤压强化效果差。

使用多级放大结构8，且多级放大结构8有四个变幅杆，一级超声振动装置产生的超声能量通过多级放大结构传递给孔结构件，四个变幅杆均匀放置能够使孔结构件均匀振动，使孔结构件装配孔孔壁受力均匀，孔壁产生均匀的残余应力，孔挤压强化效果最佳。

对比例5超声振幅对孔壁残余应力的影响

运用ABAQUS有限元仿真分析软件，建立孔结构件振动的超声挤压强化三维有限元仿真分析模型，为了提高三维有限元仿真模型计算效率，将超声挤压强化三维有限元仿真分析模型进行等比例缩小，缩小后的模型孔结构件尺寸为：10mm×10mm×4mm，中心孔直径为2.48mm，挤压芯棒工作环直径2.5544mm，相对挤压量为3%，挤压芯棒工作环长度为1mm，超声挤压强化装置的超声频率为20KHz。探究超声振幅对孔壁残余应力的影响，超声振幅设置为0μm、2μm、5μm。

提取超声挤压强化后装配孔孔壁挤入端、中间层、挤出端等位置的残余应力，超声振幅对孔壁挤入端残余应力的影响，如图14所示；超声振幅对孔壁中间层残余应力的影响，如图15所示；超声振幅对孔壁挤出端残余应力的影响，如图16所示。

孔挤压强化后装配孔孔壁中间层形成的残余应力大于挤入端、挤出端；随着距孔壁距离的逐渐增加，在装配孔挤入端、中间层、挤出端等位置超声振幅对孔壁残余应力的影响呈现相似的变化规律；装配孔中间层，挤压芯棒前锥段、工作环全部进入装配孔中，且挤压芯棒在中间层受到挤入端、挤出端约束，不同超声振幅条件下装配孔中间层孔壁承受的径向挤压力相同，则不同超声振幅条件下装配孔中间层形成的残余应力无显著区别。

装配孔挤入端、挤出端孔挤压强化过程中引入超声振动，孔壁形成的残余应力大，且装配孔挤入端超声振幅大，孔壁形成的残余应力大。因此，孔挤压强化中引入超声振动能够增大孔壁材料塑性变形程度，增加孔壁形成的残余应力。

Claims (2)

1.一种孔结构件振动的超声挤压强化装置，其特征在于，从下到上，包括同轴连接的连接台（1）、顶板（5）、一级超声振动装置（6）、转接板（7）、多级放大结构（8）、孔结构件（9）；挤压芯棒（10）；

其中，连接台（1）通过螺纹连接件固定在微机控制电子万能试验机上；连接台与螺纹连接件之间设置压紧圆盘用来对装置进行微调，避免装置出现偏心；

连接台（1）与顶板（5）之间借助四个立柱固定连接，一级超声振动装置（6）安装在顶板上；顶板中间开孔并设计凸台，凸台与一级超声振动装置的法兰相连接，使用螺栓进行固定；

转接板设置在一级超声振动装置（6）的顶端，用来进行能量传递，转接板上方设置多级放大结构；一级超声振动装置产生的轴向超声振动传递给转接板，转接板将超声能量传递给多级放大结构，将超声振幅进行多级放大，使孔结构件实现不同超声振幅的变化；

所述的多级放大结构是四级放大结构；

孔结构件（9）安装在一级超声振动装置端部，挤压芯棒位于孔结构件（9）上且连接至超声振动检测仪；

所述挤压芯棒为实心挤压芯棒，孔挤压强化过程中挤压芯棒发生轴向运动，挤压芯棒的轴向运动与孔结构件的轴向超声振动相叠加，对孔结构件进行挤压强化；

自由升降台固定在顶板上，超声振动检测仪安装在自由升降台上，通过调节自由升降台高度，检测转接板或多级放大结构组件的超声振动状态。

2.基于权利要求1所述的孔结构件振动的超声挤压强化装置的孔结构件振动的超声挤压强化工艺，其特征在于，步骤是：

（1）将连接台（1）固定在微机控制电子万能试验机上 ，启动微机控制电子万能试验机、超声电源、超声振动检测仪，一级超声振动装置（6）中的换能器产生轴向超声振动；

（2）轴向超声振动传递给转接板（7），通过转接板（7）上方的多级放大结构（8），将超声能量施加在孔结构件（9）上，实现孔结构件（9）的轴向超声振动；

（3）微机控制电子万能试验机带动挤压芯棒轴向运动，挤压芯棒（10）的轴向运动与孔结构件（9）的轴向超声振动相互叠加，对孔结构件装配孔进行挤压强化；

（4）升降机架（11）上安装超声振动检测仪（12），实时检测孔结构件（9）超声振动的振幅状况，确保孔挤压强化过程中超声振幅恒定，孔结构件所产生的振动状态一致。

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