CN114807548A - 一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置及其运行工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置及其运行工艺，该装置中超声振动装置的前端盖与压电陶瓷交界处为节面，设置法兰。前端盖与锥形变幅杆一体设计，与可变直径挤压芯棒连接，超声振子的振幅通过变幅杆进行放大，实现挤压芯棒前端超声振动，超声换能器与超声波发生器连接，提供超声振动电源，挤压芯棒由推杆和芯棒套管装配组成，芯棒套管放置于孔结构件中，由于推杆前端存在锥度，芯棒套管上存在开缝，旋转螺杆将推杆插入，使挤压芯棒前端直径增大，提供孔挤压工艺需要的过盈量。挤压芯棒的轴向超声振动能够改变孔挤压强化过程中挤压芯棒与装配孔孔壁之间的摩擦形式，降低孔挤压强化过程中的挤压力，减小孔壁材料回弹，改善孔壁表面质量，提高孔挤压强化效果。

Description

一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置及其运行 工艺

技术领域

本发明涉及一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置及其运行工艺，属于结构件装配孔的抗疲劳强化技术领域，尤其涉及将超声辅助加工技术与孔挤压强化技术相结合，形成减小挤压力，改善孔壁表面质量，提高疲劳性能的超声挤压复合强化技术。

背景技术

在航空航天领域中，孔结构的可靠性是飞行器在设计过程中重要的一点。大多数结构都要通过连接孔进行螺栓连接或铆钉连接进行装配，孔的存在使得结构件出现材料的不连续，在孔附近造成应力集中，在交变载荷下导致孔结构萌生裂纹，降低了结构的可靠性以及使用寿命，因此，需要对孔进行挤压强化以提高疲劳性能。

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，通过挤压后孔壁引入一定深度的残余压应力层，在孔受载时中和一部分外载荷；挤压同时细化晶粒，提高孔壁显微硬度，金相组织的改变与硬化层对抑制裂纹的萌生和扩展起到重要作用，从而提高孔的疲劳性能。孔挤压技术应用中，应用最广泛的是衬套挤压。通过衬套和芯棒的配合达到过盈对孔进行挤压强化，衬套挤压强化过程中衬套起到对孔壁的保护作用，但在挤压力作用下，衬套发生塑性变形，无法再次进行挤压强化，与之搭配使用的实心挤压芯棒在挤压过程中也承受较大挤压力，产生一定的磨损甚至卡棒、断棒。使得孔挤压强化过程产生较高的成本；同时实心挤压芯棒挤压衬套，芯棒与衬套再挤压孔，过程中衬套吸收掉一部分挤压量，造成挤压强化效果削减。

目前，孔挤压已有方案均是采用挤压强化工具的过盈量对孔进行挤压，挤压后铰削至终孔直径。孔挤压过程中受到挤压力的限制，使得无法采用较高挤压量。挤压工具存在严重磨损，无法保证强化效果。研究的方案多基于实验情况出发，实际应用中，要求工具从一侧进入，同时要保证操作性等，所以在成本、以及强化效果方面，缺少更优的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术中，孔挤压强化过程直接芯棒挤压存在装配问题应用不方便、挤压方案单一，开缝衬套挤压高成本、挤压力过大对工具的损伤等问题，本发明提供了一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置及其运行工艺，实现了芯棒的快捷方便装配，且可调节直径和挤压方案，同时实现挤压芯棒前端的轴向振动，挤压时保证径向偏差，振动时接触状态改变，芯棒轴向运动与超声振动两种运动叠加，有益于挤压过程力的减小，改善金属挤压后回弹情况以及提高孔壁强化后表面质量。

为实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置，包括用于同拉伸试验机连接的连接板（1）、立柱（2）、超声振动装置（3）、压紧圆盘（4）、紧固盖板（5）、推杆（9）、芯棒套管（10）；

其中连接板（1）承载整个超声孔挤压强化装置，中心设螺纹孔，其通过螺纹连接件固定在拉伸试验机上，连接板上的中心孔大于螺纹连接件孔径。连接板通过轴肩和圆螺母实现轴向固定，完成与拉伸试验机的连接；在挤压时，为芯棒轴向运动提供拉力。

连接板（1）与紧固盖板（5）之间通过四根立柱（2）相连，采用螺母来完成约束。结构安装和拆修简便，将总拉力分为四部分，均匀传递至紧固盖板。紧固盖板（5）设置内凹圆槽，直径略大于超声振动装置（3）法兰直径，将法兰可嵌入其中，通过通孔的自定心，法兰另一侧，设置压紧圆盘（4），压紧圆盘（4）与紧固盖板（5）采用四颗螺栓相连，在螺栓作用下，实现法兰的固定。

超声振动装置（3）由变幅杆、前端盖、压电陶瓷、电极片、后端盖、绝缘套、紧固螺钉组成。节面位置设置为前端盖和压电陶瓷交界处，减小陶瓷片机械振动的能量损失。前端盖与变幅杆一体设计，减小因螺纹连接导致超声能量损失。

芯棒套管（10）与推杆（9）预安装，通过内部螺纹实施固定，未为对芯棒套管（10）进行挤压，以初直径伸入孔结构件后，此时推动推杆（9），由于推杆前端存在锥度，芯棒套管上存在开缝，推杆插入芯棒套管后芯棒套管前端的直径大于未插入推杆的芯棒套管前端直径，此时芯棒套管前端直径变化，达到过盈量。

芯棒整体固定和满足挤压强化要求后，与超声振动装置（3）前端变幅杆螺纹连接，芯棒长度与变幅杆长度均为四分之一波长，整体结构满足预定频率谐振要求，芯棒工作端振幅达到相对最大。

所述超声挤压芯棒，为装配式芯棒，后置超声振动装置（3），通过法兰与固定架相连，最终与拉伸装置装配。

一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化工艺，步骤是：

（1）将连接板（1）与紧固盖板（5）通过立柱（2）相连，旋紧螺母完成固定架的装配，保证挤压时的强度需求。

（2）通过旋紧连接板（1）的螺母，将固定架与连接板（1）接头固定。接头通过销钉与拉伸装置相连，提供挤压所需的拉力。

（3）将超声振动装置（3）的法兰置入紧固盖板（5）的圆形凹槽，在上添加压紧圆盘（4），通过旋紧四颗螺栓对其固定，完成超声振动装置（3）的轴向固定。超声波发生器提供交变电压，压电陶瓷组将电能转变为机械振动能量，通过前端盖和变幅杆将振幅放大。

（4）芯棒套管（10）放置于孔结构件中，推动推杆（9），推杆插入芯棒套管后芯棒套管前端的直径大于未插入推杆的芯棒套管前端直径，此时芯棒套管前端直径变化，达到过盈量。与变幅杆螺纹连接，将振幅传递至芯棒工作端。两种运动方式叠加，进行孔挤压强化工艺。

有益效果：本发明提出一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置及其运行工艺，与现有技术相比较，具有以下优点：

1. 超声挤压芯棒。芯棒轴向超声振动与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. 分离式挤压芯棒。与现有实心挤压芯棒或者多段式挤压芯棒在安装或者拆卸中更为简便。针对特殊孔结构挤压芯棒装配困难，可分离式的挤压芯棒，能够实现单边装配，实现孔结构件的单边挤压强化。

3. 推杆特有的锥度，可通过控制推进的距离进行整体芯棒过盈量的调节，挤压芯棒可根据孔径及工艺需求提供不同过盈量。

4. 挤压芯棒重复使用。挤压芯棒由推杆和芯棒套管装配组成，芯棒轴向运动与轴向超声振动相互叠加的运动方式，减少了孔挤压强化时对挤压工具的损伤，相较于开缝衬套挤压，该装配式挤压芯棒能够实现重复使用。挤压芯棒分为推杆和芯棒套管两部分，当其中一个零件受损后，另一个零件仍可以继续使用，实现零件的重复使用，从而降低孔挤压强化工艺成本。

5. 调整装置偏心。超声振动装置法兰与紧固盖板装配处，紧固盖板设有圆形凹槽，直径略大于法兰直径，当挤压芯棒通过夹具孔时，通过进行微调节，调整装配的偏心。

附图说明

图1是本发明一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置示意图；

图2是芯棒套管10的结构示意图；

图3是推杆9的结构示意图；

图4是超声振动装置3的结构示意图；

图5是立柱2的结构示意图；

图6是连接板1的结构示意图；

图7是紧固盖板5的结构示意图；

图8是压紧圆盘4的结构示意图；

图9是推杆9与芯棒套管10装配的仿真示意图；

图10是推杆9推进时位移与受力仿真示意图；

图11是超声振动装置3换能器模态仿真示意图；

图12是超声挤压芯棒预应力谐响应分析示意图；

图13是超声挤压强化过程中挤压力对比分析示意图；

图14是超声振动挤压对装配孔孔径影响示意图；

图15是芯棒套管10的前端直径示意图；

图16是推杆插入芯棒套管后芯棒套管前端直径示意图；

图17是本发明的立体图。

其中，连接板-1；立柱-2；超声振动装置-3；压紧圆盘-4；紧固盖板-5；法兰固定螺栓-6；立柱固定螺母-7；法兰固定螺母-8；推杆-9；芯棒套管-10；挤压芯棒前端-11；压电陶瓷片-12；法兰-13；前端盖-14；内凹圆槽-15；芯棒套管前端直径-16；推杆插入芯棒套管后芯棒套管前端直径-17、变幅杆-18、孔19、推杆前端-93、推杆中部92、推杆尾端91。

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 超声孔挤压强化装置

图1是一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置示意图。参照图1所示，一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置，从下至上依次包括与连接板（1）、立柱（2）、超声振动装置（3）、压紧圆盘（4）、紧固盖板（5）、推杆（9）、芯棒套管（10）。

其中，连接板（1）通过轴肩和圆螺母实现轴向固定，完成与拉伸装置的连接。连接板（1）与紧固盖板（5）通过四根立柱（2）完成连接，两端采用螺母锁紧，在拉伸试验机工作时传递拉力。压紧圆盘（4）和紧固盖板（5）上开有四个通孔，压紧圆盘（4）将超声振动装置（3）通过法兰及螺栓连接将其固定。

超声振动装置（3）的变幅杆与推杆（9）后端螺纹连接，推杆（9）支撑芯棒套管（10）改变直径，并通过螺纹完成轴向固定，提供挤压时拉力。

图6是连接板1的结构示意图，参照图6所示，连接板1承载整个超声孔挤压强化装置，中心设螺纹孔，螺纹连接杆件一端设轴肩，一段设置螺纹，连接板上的中心孔大于螺纹连接件孔径。连接板1通过轴肩和圆螺母实现轴向固定，连接杆后端通过开孔19，采用销钉来固定，完成与拉伸试验机的连接；在挤压时，为芯棒轴向运动提供拉力。

图7是紧固盖板5的结构示意图、图8是压紧圆盘4的结构示意图。参照图7、8所示。连接板1与紧固盖板5之间通过四根立柱2相连，两端采用螺母7来完成约束。结构安装和拆修简便，将总拉力分为四部分，均匀传递至紧固盖板。四根立柱防止在受力时紧固盖板发生侧翻，紧固盖板5设置内凹圆槽，直径略大于超声振动装置3法兰直径，将超声振动装置3法兰嵌入其中，通过紧固盖板上通孔的自定心完成径向约束。法兰另一侧，设置压紧圆盘4，压紧圆盘4与紧固盖板5上通孔采用四颗M10螺栓6、8相连，在螺栓作用下，实现超声振动装置3法兰的固定。

图4是超声振动装置3的结构示意图，参照图4所示。超声振动装置3由变幅杆19、前端盖14、压电陶瓷片12、电极片、后端盖、绝缘套、紧固螺钉组成。其可将超声波发生器的交变电压转化为机械振动，并通过前端盖和变幅杆对振幅完成放大。节面位置设置为前端盖和压电陶瓷交界处，减小压电陶瓷片机械振动的能量损失。前端盖与变幅杆19一体设计，减小因螺纹连接导致超声能量损失。变幅杆19与可变直径挤压芯棒连接，超声振子的振幅通过变幅杆进行放大，实现挤压芯棒前端超声振动。与图7紧固盖板和图8压紧圆盘固定，保证超声振动装置的安装。

工作时，超声波发生器产生交变电压，压电陶瓷片在逆压电效应下，产生机械振动，通过前端盖和变幅杆一体设计，均采用四分之一波长设计，将振幅放大。

同时先将芯棒套杆10与推杆9预安装，通过内部螺纹实施固定，并未为对芯棒套管10进行挤压，在芯棒套管10以初直径伸入孔结构件后，此时推动推杆9，前端直径与锥度略大于芯棒套管10的前端直径和锥度，此时芯棒完成直径变化，达到过盈量。芯棒整体固定和变径后，与超声振动装置3前端变幅杆采用螺纹连接，芯棒长度为四分之一波长，整体结构满足预定频率谐振要求，芯棒工作端振幅达到相对最大。设置拉伸装置的速度和位移，对孔结构件实施挤压强化。

挤压芯棒由推杆和芯棒套管装配组成，图2是芯棒套管的示意图，图3是推杆9的结构示意图。参照图2、3所示，芯棒套管外部前端设有锥角，开设圆角减小变形应力集中，锥角在挤压时改善孔壁回弹。尾端加工平面，用以扳手夹持。内部开孔，前端设锥度，用以与图3所示的推杆配合，以达到直径调节功能。推杆的尾部设置螺纹连接，与变幅杆相连，提供拉力与传递振幅。

实施例2 超声挤压芯棒有限元仿真

运用ABAQUS有限元仿真分析软件，对超声挤压芯棒进行有限元仿真，包括以下内容：

（1）超声振动装置中超声换能器模态分析

由creo创建超声换能器模型，主要包括变幅杆、前端盖、压电陶瓷组、后端盖、紧固螺钉，设置变幅杆和前端盖材料为7050铝合金，压电陶瓷为PTZ-8，后端盖材料为45钢，紧固螺栓材料为30号钢。

通过模态仿真分析，如图11所示。换能器的谐振频率接近20KHz，说明设计与计算较合理。

（2）超声挤压芯棒预应力稳态动力学仿真分析

由creo创建模型，针对仿真问题简化模型。超声振动装置变幅杆连接芯棒，挤压芯棒由推杆和芯棒套管装配组成，芯棒两部分材料均为高速钢，固定法兰，在芯棒挤压端施加拉力载荷10000N，后续添加基于频率的模态分析步和基于模态的稳态动力学分析步。对振子施加10000N的简谐激励，在20KHz附近扫频，观测超声挤压芯棒幅值。

通过仿真分析，如图12所示。超声挤压芯棒在接近20KHz正弦激励下，产生纵向振动。芯棒振幅最大可达2.1μm。

（3）芯棒装配仿真分析

由creo创建模型，对芯棒套管设置固定，对推杆设置轴向运动，分析芯棒直径变化和推杆位移与受力的关系。

通过芯棒装配有限元仿真分析，如图9和图10所示。验证芯棒直径可调节，推杆轴向运动力最大为250N，可根据润滑进行调节力的大小。

对比例3 超声振幅对挤压力的影响

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模型简化，工件材料为7050铝合金，尺寸为40mm×40mm×6mm，装配孔孔径为12.48mm。芯棒直径调节为12.73mm。设置频率为20KHz,在不同振幅（ 1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm）下仿真挤压时挤压力变化。

提取超声挤压强化时实施超声振动后挤压力的变化，如图13所示。芯棒的轴向超声振动使得边界摩擦形式改变，减小孔挤压过程中的挤压力。

对比例4 超声振动挤压孔径变化

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，工件材料为7050铝合金，尺寸为40mm×40mm×6mm，装配孔孔径为12.48mm。芯棒直径调节为12.73mm。设置频率为20KHz,振幅为0μm和5μm。

提取超声挤压强化过程挤入端、中间端、挤出端的金属流动，如图14所示。超声振动减小轴向挤压力，减小了金属的轴向流动，同时反复碾压的效果，改善金属挤压后回弹，使得径向金属流动增大，超声挤压强化后孔径变大。径向金属流动，形成孔壁周向残余应力，孔径变大使得强化效果提高，孔的抗疲劳性能相对提高。

Claims (8)

1.一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置，其特征在于，包括与拉伸试验机相连的连接板（1）、立柱（2）、超声振动装置（3）、压紧圆盘（4）、紧固盖板（5）、推杆（9）、芯棒套管（10）；

其中，连接板（1）通过轴肩和圆螺母实现整个装置的轴向固定，完成与拉伸装置的连接；

连接板（1）与紧固盖板（5）通过四根立柱（2）完成连接，两端采用螺母锁紧，在拉伸试验机工作时传递拉力；

压紧圆盘（4）和紧固盖板（5）上开有四个通孔，压紧圆盘（4）将超声振动装置（3）通过法兰及螺栓连接将其固定；

挤压芯棒是可分离式的，采用推杆与芯棒套管结合的方式，其中超声振动装置（3）的变幅杆与推杆（9）后端连接，由推杆的轴向运动对挤压芯棒前端直径进行调节，并通过螺纹完成轴向固定，提供挤压时拉力；

推杆前端有锥度，通过更换不同锥度的推杆，能够实现不同挤压量的孔挤压强化。

2.根据权利要求1所述的一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置，其特征在于：

所述的芯棒整体采用圆柱形式，通过螺栓与超声振动装置的变幅杆相连，长度接近四分之一波长，易于传递超声波；

芯棒套管为中空结构，推杆插入芯棒套管中，支撑芯棒套管前端，增大芯棒套管前端直径，实现孔结构件挤压强化。

3.根据权利要求1或2所述的一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置，其特征在于，所述的推杆上存在螺纹，其中，推杆端部的螺纹与超声换能器前端盖相连接，使推杆固定在超声换能器上；推杆中部的螺纹使推杆与芯棒套管相连接，使芯棒套管与推杆组合成一个整体，便于超声振动传递到挤压芯棒前端。

4.根据权利要求3所述的一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置，其特征在于，芯棒套管上存在开缝便于芯棒套管前端直径扩大，满足孔挤压强化需求的过盈量；孔结构件挤压强化前，芯棒套管正向放置于装配孔中，推杆从同一侧进入，芯棒套管与推杆装配完成后，将芯棒套管与推杆反向拉出，完成孔挤压强化。

5.根据权利要求1所述的一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置，其特征在于，所述的超声振动装置（3）由变幅杆、前端盖、压电陶瓷、电极片、后端盖、绝缘套、紧固螺钉组成；节面位置设置为前端盖和压电陶瓷交界处，减小陶瓷片机械振动的能量损失；前端盖与变幅杆一体设计，减小因螺纹连接导致超声能量损失。

6.权利要求1所述的一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置的运行工艺，其特征在于，步骤是：

（1）将连接板（1）与拉伸试验机相连，推杆（9）与超声振动装置（3）变幅杆连接，推杆（9）与芯棒套管（10）初步连接，启动装置，调节行程控制超声挤压芯棒穿过孔结构件；

（2）通过旋转芯棒的螺纹连接，将推杆（9）推入芯棒套管（10）中，由于推杆前端存在锥度使芯棒套管前端扩张，推杆起到支撑作用，完成芯棒的直径变化，满足孔挤压强化需求；

（3）接通超声波发生器，使压电陶瓷产生机械振动，完成电能到机械能的转换，超声振动装置变幅杆与挤压芯棒装配在一起，使挤压芯棒前端产生轴向超声振动，轴向超声振动与挤压芯棒沿装配孔轴向方向的运用相叠加，将大振幅传递至挤压芯棒前端，对孔结构件装配孔进行挤压强化；

（4）完成对拉伸试验机速度与位移设置，开始对超声挤压芯棒进行拉伸，拉力作用下扩张的芯棒挤过孔结构件，同时超声振动，完成对孔结构件的挤压强化。

7.根据权利要求6所述的一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置的运行工艺，其特征在于，

步骤（1）中，孔挤压强化前，芯棒套管外径与孔结构件装配孔孔径相同，芯棒套管不需要收缩便可以放置于装配孔中；

步骤（4）中，反向拉出插入推杆的芯棒套管，完成结构件装配孔挤压强化。

8.根据权利要求6所述的一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置的与运行工艺，其特征在于，步骤（2）中，芯棒套管、推杆均在孔结构件装配孔一侧安装、装配，能够实现孔结构件装配孔单边挤压强化。

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