CN1300245A - 通过集中的应力波在孔周围产生有益应力的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种工具及采用工具(90,130)在一个基板(132)中产生有益残余应力以提供结构高疲劳寿命的方法。提供应力波(159,152)以加工一个基板,沿工件中的一个均匀压力分布在工件中形成一个凹坑(170)。使用该方法,在一个工件中的孔的表面和中间面产生均匀的有益残余应力,以提高整体疲劳寿命。描述了一种改进的工件形状(92),其具有一个平滑的曲面,而不是一个平底冲头。另外,使用一个消耗垫片(W)提供了附加的均匀有益应力分布。

Description

通过集中的应力波在孔周围产生有益应力的方法和装置
本专利文献披露的一部分包含受版权保护的资料。该专利所有人不反对任何人对该专利文献或该专利披露的内容进行复制，正如在英国专利商标局专利文件或记录中所出现的一样，但是不管怎样所有的版权都是要保留的。
发明领域
本发明涉及用在提高疲劳寿命的零件制造，特别是用在其中具有紧固孔或切口，并且经受反复或长期应力的零件制造中的新方法和工具。更具体的说，本发明涉及利用应力波方法加工零件的改进技术，利用应力波方法加工零件的改进工具，和由此制造的精加工零件，其中零件具有更高的抗应力疲劳特性。
背景技术
金属疲劳是受循环应力的任何事物常见的一个问题。这样的问题在运输设备，例如飞机、船舶、火车、汽车等中特别重要。金属疲劳可被定义为通常以裂缝形式出现的，由于循环负载而发生在结构中的渐进损坏。该损坏模式不同于由于过载而引起的损坏。机翼的低表面是产生疲劳的负载形式的一个经典实例。该机翼受到不同的由阵风、操纵、滑行和起飞负载引起的循环应力，其中某个特定零件超过了最终寿命便产生疲劳损坏。相似的，包括机身外壳和尾部压力隔板的一架飞机的受压机壳在每次飞行中经受一次飞机内部受压的应力循环。
疲劳损坏所固有的一个问题是既然它一般是在不导致结构屈服的负载下发生的，所以它会会隐藏起来。最经常观察到的疲劳损坏是小裂缝从高度集中的应力区域的引发和发展的。若未发现，一个裂缝可能一直发展到临界尺寸。在该点，该单独的构件就会突然破坏。当整个构件相邻部分的其它元件不能承受额外的不再由该破坏构件承载的负载时，一个整体结构的灾难性破坏也会发生。
甚至固定的物体，例如铁轨或者压力容器，也会因循环应力而在疲劳中破坏。铁轨的循环负载是由来自于运行在轨道未支撑跨距上方的车轮的重复负载引起的。实际上，疲劳破坏的一些最早的实例是在铁道行业和桥梁建设行业中。突然的压力容器破坏可以是由重复的增压循环引起的疲劳损害产生的。重要的是，政府研究报道说，疲劳损坏在美国经济中是一个重要的经济因素。
疲劳可定义为通常以裂缝形式出现的，由于循环负载发生在结构中的渐进损害。裂缝一般发生在孔口(孔)、倒角、过渡半径和其它横截面有变化的位置，因为在这样的点处会发生应力集中。此外，经常发现这样的点包含引发裂缝的小瑕疵。而且，由一个孔或切口引起的在一个构件例如一个机身或机翼外壳中的不连续性这一简单事实，迫使在这样的孔或切口的周边加载负载。由于这种现象，一般发现与紧固孔或切口相邻的结构所受的应力水平，至少要比将在没有孔或切口的这样的位置所受的正常应力大三倍。
在本领域中一般认为通过在这样的孔或切口周围给予有益的残余应力，可显著地提高在一个穿孔或切口位置处的结构的疲劳寿命。迄今为止已采用了不同方法在这样的孔或切口处给予有益的残余应力。已知的或已采用的方法包括辊抛光、表面喷丸处理和组合套筒冷胀、组合锥杆冷加工、喷丸加工以及衬垫压花。通常，由刚提到的工艺给予的压缩应力是通过减少在孔边缘施加的循环负载的最大应力来提高疲劳寿命的。总的来说，这些工艺一般称作冷加工。术语冷加工与金属成型工艺相关，在所述金属成型工艺中，加工温度比金属的再结晶温度低。一个由Tukwila,Washington的Fatigue Technology Inc.采用的相似术语，“冷胀”，通常与冷加工可替换使用，但特定使用在它们的组合套筒冷胀工艺中。然而，在用于对孔冷加工的所有方法中，目前最广泛采用的工艺是组合套筒工艺和组合锥杆工艺。这些工艺统称作锥杆冷加工工艺。
从历史意义上说，锥杆冷加工是严格通过手工工具实现的。例如，孔的组合套筒冷胀仍然是采用连接到气动液压动力机组的手持式液压工具完成的。涉及工具选择、工序和对冷胀工艺控制参数要求熟练的操作员才能可靠地产生适当处理的孔。遗憾的是，要用一个熟练操作员来完成任务的不利之处在于，也会不断产生不正确或不精确处理的危险。并且，这样劳动密集型技术实际上防止了静态过程控制所需要的自动反馈。尽管该工艺在持续发展，但是组合套筒工艺的复杂性和目前采用的工具阻碍了自动固定方面工艺的广泛采用。该组合锥杆工艺是在发展的一个相似阶段，是手工完成的，但也有一些小的自动操作。
该锥杆冷加工工艺有一种特别的不利之处，即为了实现均匀的扩张，它们要求起始孔的尺寸精度，通常允许直径公差在从约0.002英寸至约0.003英寸的范围内。并且，在该工艺中需要一个小的起始孔，为了考虑到该孔永久性扩张和随后形成最终扩孔，就有必要将该孔圆周位置的翻边去除，以及在该孔内的组合套筒或锥杆套工作位置将其边缘外的轴向突起物去除，当然也就确定了孔径大小。而且，处理需要采用两种扩孔；一个是小的，用作起始孔的直径，另一个是较大的，最终的孔直径。
锥杆冷加工工艺的另一个不利的局限性是润滑剂的残余效应的存在和需要。对于组合套筒冷胀工艺，起始孔必须不含残余润滑剂(用于钻孔)以防止套在处理过程中受毁坏。一个毁坏的套可能非常难于去掉并且使得在标准尺寸之上加大孔直径成为必要，以去除随后的损坏。组合锥杆工艺采用一种液体十六醇润滑剂，该润滑剂必须在冷加工之后从孔中清除，为了保证适当的漆料附着力。在任一种情况下，该冷加工的孔必须用溶剂清洗，以便将润滑剂去除。这样的化学溶剂是昂贵的，需要额外的用于操作和处理的工时，并且如果在使用或者处理期间不有效控制的话，其会对操作员和/或环境产生一种有害的作用。
锥杆冷加工工艺在现有技术中又一个局限性是它们对正处理的孔口表面即确定该孔的金属壁面的影响。在该组合套筒中的“裂隙”和在一组合锥杆中的多个裂隙在7050型铝和一些其它合金中会产生麻烦的剪切裂纹。剪切裂纹是靠近该裂隙的结构材料中的小裂纹，它是由靠近该裂隙材料的相对运动而产生的。值得注意的是，飞机结构中7050型铝的增加使用已大大增加了所述剪切裂纹的量。尽管这样的裂纹一般被视为表面瑕疵而不予考虑，但是它们在裂纹的无损检验中仍然产生假的正确性。
并且，在该锥杆冷加工工艺中，锥杆的滑行作用在该孔的圆周周围，尤其是在该锥杆退出该孔的结构侧面上产生大量的翻边。在该组合锥杆工艺中，可清楚地看见这一效应，因为该锥杆是与该孔的侧壁直接接触的。该不利的翻边可增加对微振磨损的敏感度，其可导致紧固接头的寿命减少。此外，在结构层层叠中的翻边可导致接合面中密封剂的破裂。在一定程度上，当对该最终孔的直径确定大小时，该不利的翻边可能会扩大，但至少留下一些部分(并且正常是结实的部分)。
衬垫压花是已被用来提高孔和其它切口疲劳寿命的另外一种工艺。这种工艺在1974年3月12日颁发给Phillips的关于“环状垫应力压花”的美国专利US3,796,086中作了描述，并且在相关的，共同拥有的1974年4月16日颁发给Speakman的关于“环状垫应力压花工具”的美国专利US3,434,327中作了描述。这种方法采用相对着的模具来对一个现有的孔或孔口冷加工。该衬垫压花工艺在该切口周边留下一典型的同心压痕。该降低了厚度的压痕是该工艺的一个主要缺点，因为该减少了的截面厚度减小了该孔的承力面积。而且，该压痕使得在处理了的紧固孔处附着薄结构有了问题，因为当该紧固件拉紧时可将一块板折弯。而且，该工艺并不试图在对该孔进行加工之前在一结构上执行环板压花。
正如1974年7月23日颁发给Leftheris的，并且发明名称为“使金属变形的方法和装置”的美国专利US3,824,824所述，该应力波现象以前就已用于通过使应力波穿过工件而使金属工件变形以即刻使该金属变得有塑性。这样的方法和相关的设备已用于金属成形、铆接和点焊操作。
另一属于Leftheris的，1978年12月12日公开的，关于“加工一个孔的方法和装置”的美国专利US4,129,028中的发明将锥杆冷加工与前述的应力波工艺结合在一起。这一后提及的发明的目的是对一孔的精加工和尺寸特性同时进行冷加工和控制。该工艺采用一个应力波产生器，通过驱动锥形的锥杆穿过或进入一个现有的孔来处理既是直的又是锥形的起始孔。本发明指明了对于30微英寸RMS表面精整的精密公差孔的制作方法。然而，如同采用其它的锥杆冷加工方法一样，这一项工艺需要一个精密公差的起始孔，并且遇到同在其它锥杆冷加工方法中一样的翻边问题。因而，虽然Leftheris的这种改进认识到利用应力波来给予构件中的残余应力足够的量以提供提高的疲劳寿命将是有利的，该工艺仍然不得不使用相同的起始孔加工方法，该方法和锥杆冷加工工艺一起应用。
另一提供一种对孔冷加工方法的尝试是由Wong和Rajic提出的，在1993年5月27日公开的发明名称为“提高孔的疲劳寿命”、WIPO国际公开号为WO93/09890的申请。该方法是在衬垫压花方法上的一种改进，因为在正处理的构件中制造的压痕比该孔直径小得多，因而去除了提供在压花方法中的不期望的同心环。并且，尽管这样的提示是有利的，因为它消除了锥杆和压花工艺所需的准备起始孔的需要，但该Wong的工艺的一个明显的缺陷是其需要相对高的负载来对正处理的构件进行压痕或冷加工。考虑到最小的准静态锥杆负载对一块板进行初始压痕是必要的，这一点就可以理解了。用于初始屈服(压痕)的初始平均接触压力PM由下面的方程式测定：
         PM=1.10×(压缩屈服应力)
用于初始屈服或压痕的负载P是通过把该锥杆的横截面积与PM相乘而计算到的。因此：
         锥杆负载(P)=1.10×(压缩屈服应力)×(锥杆横截面积)
具体来说，提高疲劳寿命所必需的负载要大得多。例如，Wong/Rajic所披露使用的0.063英寸(1.6mm)厚的2024-T3铝样品是用4.0mm(0.158英寸)直径的圆柱状锥杆冷加工的。利用这些参数的初始锥杆压痕负载计算为835镑(3714牛顿)。因为该压痕工艺必须要超出初始压痕负载以实现疲劳寿命的提高，对于4.0mm(0.158英寸)直径的锥杆，在Wong/Rajic试验中使用的压力范围为3595磅(15991N)到4045磅(17994N)。相比较而言，冷加工(压痕)一个普通的1/4英寸(6.35mm)直径的紧固件所必要的压力可达到10，000磅(44484牛)这么高。遗憾的是，这样巨大的负载需要大而笨重的机器如电动压力机、液压机和落锤等，且因此它们无法广泛用于自动紧固系统。
刚提到用于自动紧固的这样笨重庞大设备的不实用性是由Zieve在美国专利4,862,043中提出的。Zieve在评论现有技术的机器时声称，“一台C-轭挤压机是一种大且贵的设备，其在工件周围延伸以提供一个整体的支承元件。然而，这样的设备对于许多应用来说是不实用的，因为孔径深度，即铆钉与工件边缘的距离的需求导致由于对于所需孔径深度而要求相应的刚度，使得一台机器不切实际地大和昂贵”。很清楚该Wong/Rajic发明未指明将应力波传播到金属中用于变形和随后的残余应力发展。因此，它们也未预见到应力波技术的使用能明显减少处理设备或其支撑结构对强度和尺寸的需求。
Wong/Rajic所披露的锥杆是出于既压痕又穿孔的目的而设计的。虽然它们的发明准许锥杆的端部形状为平底或圆锥形的，但它们并未使用锥杆端部的形状来实现残余应力的分布最优化。需要一个大而均匀的残余应力区域用来产生最高的疲劳寿命。具有平底端部的一个锥杆很适合用来成形或冲压，但在板表面引起少量的残余应力。另一方面，具有圆锥形端部的锥杆提高了表面残余应力但趋向于径向对材料“卷拉”并产生显著的翻边。很清楚就该锥杆端部的结构而论，现有技术并未使残余应力的范围和深度最优化。
该Wong/Rajic工艺也可用于利用两种方法的任一种处理非圆形的切口。第一种方法采用具有孔的相同横截面形状的实心锥杆。第二种方法在对切口机加工之前利用实心圆形锥杆处理该切口的所选区域。该第二种方法与Landy的发明，美国专利US4,885,829相似，其利用组合套筒冷胀工艺来处理切口的所选过渡半径。在对该切口机加工之后，足够的残余应力保留在半径处以提高疲劳寿命。另一属于Easterbrook和Landy的发明，美国专利US4,934,170是利用符合孔形状的工具来处理现有的非圆形孔和切口的。这些方法的共同弱点是仅仅对切块的所选区域(半径)进行了冷胀。由仅仅对切口半径范围处理而引起的残余应力的不均匀性使得拉伸应力在孔边缘存在。这有可能减少疲劳寿命。
前述Zieve的发明和与它相似的其它发明用于利用电磁驱动器来对铆钉和紧固件进行加工。然而，这样的技术和装置并不是用于在对孔机加工之前对一金属构件进行冷加工的。因此，总之，由于设备的复杂和庞大，利用锥形锥杆方法、压花、冲压和诸如此类的方法对孔和其它切口冷加工的现有方法对于自动紧固系统和其它自动工作环境是不实用的。并且，目前已知的其他人采用的方法并不对导致潜在的疲劳寿命降低的非圆形切口的整个周边进行处理。最终，现有技术沉孔冷加工方法需要对形成的沉孔进行再加工以实现所需的紧固件的平整。
因而，下面的内容概述了当前方法的缺点并且将用作与我的新颖的、改进的应力波制造方法相比较的基础。迄今为止已知的工艺并不完全令人满意，是因为：
它们通常需要尺寸要求精密的组合或实心的锥杆，和一次性使用的组合套筒，这使得它们成本高；
锥杆和套需要备件，当使用它们时实际上提高了制造成本；
“单一锥杆”方法需要一个孔直径大致从0.003英寸变化到0.005英寸变化的不同锥杆，因为每个套与一特定的锥杆直径相配，且因此，该锥杆系统没有制作直径范围大的孔的灵活性；
每个用“单一锥杆”方法处理的孔直径需要两套钻孔器来精加工该孔，一个用于起始的尺寸，而另一个用于最终的尺寸；
锥杆方法取决于工具和孔径的尺寸，以对元件中的残余应力的量进行控制，因此施加的扩张仅根据工具的变化而改变；
锥杆方法需要某些种类的润滑剂；这样的润滑剂，并且尤其是液体，需要溶剂来清除；
一个套筒中的多个裂隙或一个锥杆中的多个裂隙会在某些7000系列铝合金中产生麻烦的剪切裂纹；
对锥杆的拉伸作用与在工艺中实现的孔口扩张相结合，在孔口的周围产生大的表面破损和翻边；
组合套筒方法不容易与自动化的需求相适应，由于与当前采用的自动化固定设备相比较，该循环时间相当长；
将锥杆方法用到许多关键结构，例如飞机机身接合处和非圆形切口，一般成本都太昂贵；
锥杆方法具有质量控制/质量保证工艺控制的局限，因为检测通常受一个熟练操作人员的人工测量的限制。
目的、优点和新颖的特征
我的新应力波制造工艺可有利地从一个工件应用到用于紧固件的孔、大孔、非圆形的切口以及应用到其它的构件中。在制造孔本身之前，为提高疲劳寿命而对工件进行的处理具有明显的技术和成本上的优势。该方法简单，易于应用到自动控制的制造方法上，且在另一方面要比那些迄今为止使用或提出的制造方法优越得多。
由前述看来，本发明的一个重要且基本的目的在于采用一种处理工件的新方法，以减少服役零件疲劳应力的退化，和实现这种效果的新工具形状。该方法和新工具简化了制造成本，且重要的是，简化并提高了零件制造中的质量控制，从而使这些零件具有提高的疲劳寿命。
本发明的其它重要但更具体的目的是提供了一种改进的，提高了经受疲劳应力的金属零件使用期限的制造工艺，如这里描述的：
消除了对锥杆购买、储存和保存的需要；
消除了对组合套筒购买、储存和保存的需要；
消除了对组合套筒处理的需要；
消除了在含有孔口结构的制造中对润滑剂和随后清除的需要；
使得在简单的制造设备中可制造宽范围的孔口直径，其中可采用宽范围的紧固件直径；
允许利用输入应力波中的能量，对残余应力的大小和深度作仔细的控制；
利用进入制造系统的静态反馈使工艺控制得以实现，因而提高了质量保证；
消除了通常出现在锥杆制造方法中的工件的剪切裂纹；
明显减少或有效消除了与锥杆方法相关的表面破损和翻边，因而明显提高了疲劳寿命；
易于适应自动化的制造设备，因为生产循环时间与自动化固定操作的循环时间大致相等或小一些；
消除了通常用在锥杆方法中的庞大的液压制造设备，而代之以简单的电磁设备；
利用一种单一的扩孔操作，而不是如以前通常运用的两种扩孔操作，使得在疲劳处理之后孔口得以建立；
成本足够低，可有效地用在大量包括机身结构在内的关键结构中。
通过前述和所附权利要求以及随后详细的描述，正如在下面结合附图所作的讨论，本发明的其它重要目的、特征和别的优点将变得一清二楚。
我现在已发明了，并且在此披露了一种改进的冷金属加工工艺，其采用应力波，对受应力疲劳而强度退化的零件中的孔和其它部件给予有益的残余应力。这一改进的应力波工艺不具有我所意识到的此前应用的冷加工方法常见的上述缺陷。该工艺克服了应力波冷加工工艺的以前所出现的缺点。并且，它消除了更常用的可替换工艺所必需的不期望的设备，例如庞大的液压设备、精密锥杆、一次性使用的组合套筒和肮脏的润滑剂。因而，可以相信我的新方法将显著地减少制造成本。此外，我的应力波工艺易于应用在自动化制造设备中。因此，这里描述的独特工艺是一种在现今常用的包括锥杆工艺的其它工艺之上的重大的改进。
我改进的应力波方法利用动力探头给予有益的应力，该探头冲击一个金属表面，最好是在与该表面垂直的方向上。该探头的作用导致弹性和塑性应力波发展并在金属中传播。在某些情况下，用一个静止压头来支撑薄的工件材料。这样的“支承”压头有助于塑性波从工件的另外一面反射。
在一种适当施加和集中的塑性波已给予了大面积的残余应力之后，该区域立即为该孔做好准备。一个钻头、钻孔器或其它切削设备位于与探头和砧座的冲击区域同心的位置。当对该孔机加工时，便发生了该孔周围应力的小回弹。这样的回弹表现为该机加工孔的收缩。由于这个原因，用在我的应力波方法中的切削工具会需要使用一种特征，该特征考虑在孔中向内的金属运动。要不然的话，该工件材料在该切削工具上就有可能固结。这一点会导致工具寿命缩短或者使孔精加工恶化。对于一个钻头或钻孔器，解决这个需要的一个简单的办法是提供一个倒锥的特征。因此，允许有益的残余压缩应力保留在精加工构件中。这些残余压缩应力与在集中在孔边缘处的潜在破坏应力相抵消。
附图简要说明
图1显示的是冲头中线在径向上的标准接触压力分布σz/Pm的示意图，对应于结构受到一个(a)锥形、(b)球形和(c)圆形平底冲头的冲压变形的结构情况。
图2显示的是形成图1中所示曲线的圆形平底冲头进行金属冷加工时的竖直横截面图。
图3显示的是形成图1中所示曲线的球形冲头进行金属冷加工时的竖直横截面图。
图4显示的是形成图1中所示曲线的锥形冲头进行金属冷加工时的竖直横截面图。
图5是一个工件结构从冲头中线开始沿径向上的变形图解说明，该工件结构分别受到下述冲头的冲压变形，即对应于(a)如图2所示的平底圆柱形压头、(b)如图3所示的球形压头和(c)图6所述一实施例中的，文中提及的一种最佳的、均匀冲压型压头。
图6显示的是文中提及的最佳加工压头的局部横截面图，并给出了该工具的主要形状参数。
图7阐明了利用我的应力波方法在一个相对薄的工件上的小孔内的预备工序。
图8阐明了利用一个压头冲击工件的一侧面以产生一种应力波并且在为建立一个孔而在预选的位置处在工件中形成一个凹坑的工序。
图9表示已在一预选位置处形成一凹坑的工件，其中在该位置处期望建立一个例如″铆钉-孔″的孔口。
图10阐明了利用我改进的应力波方法采用一个压头在一工件上建立凹坑，而利用一个支撑工件的背衬铁砧，准备在一预选的位置处在该工件内形成一个孔口的预备工序。
图11阐明了利用我的应力波方法通过采用一个压头冲击工件的一侧面以产生一种应力波并且在为建立一个孔口例如″铆钉-孔″而预选的位置处在工件中形成一个凹坑的工序。
图12阐明了利用我改进的应力波方法通过采用一个压头既冲击工件正面又冲击其反面来产生一种应力波并且在为建立一个孔口例如″铆钉-孔″而预选的位置处在工件的两侧面中形成凹坑的预备工序。
图13阐明了采用一个压头既冲击工件正面又冲击其反面来产生一种应力波并且在为建立一个孔口例如″铆钉-孔″而预选的位置处在工件的两侧面中形成凹坑的工序。
图14阐明了我的用在应力波冷加工中以在工件中产生所需的残余应力分布的最佳压头的另一实施例；在这一实施例中，为在该压头的边缘处和接近该边缘处与所需的曲率近似，在该边缘采用一个或多个倒角。
图15阐明了我的用在应力波冷加工中以在工件中产生所需的残余应力分布的最佳压头的又一实施例；在这一实施例中，该压头采用了一个预先选择的圆角半径。
图16是在利用我改进的应力波方法在为建立一个孔口而预选的位置处在工件的正反侧面中形成凹坑的预备工序中的第一和第二最佳形状压头的竖直横截面图。
图17是在冲击一个工件以在为建立一个孔口而预选的位置处在该工件的正反侧面中形成凹坑的步骤中的第一和第二最佳形状压头的竖直横截面图。
图18是在正反侧面都形成凹坑后的工件的横截面图。
图19是其中已在为工件中形成一孔口而预选的位置处形成一凹坑的工件的透视图。
图20是在反面形成凹坑后的工件的横截面图。
图21是在一工件中钻一个孔口步骤的透视图，其中为在一预选的位置处产生孔口已形成一个凹坑。
图22阐明了利用我改进的应力波方法通过采用所选的，不等直径的压头既冲击工件正面又冲击其反面来产生一种应力波并且在为建立一个成形孔口例如″铆钉-孔″，尤其是一个沉头铆钉-孔而预选的位置处在工件的两面中形成凹坑的预备工序。
图23阐明了采用所选的，不等直径的压头既冲击工件正面又冲击其反面来产生一种应力波并且在为建立一个成形孔口例如″铆钉-孔″，尤其是一个沉头铆钉-孔而预选的位置处在工件的两面中形成凹坑的工序。
图24是利用我改进的应力波方法通过采用不同形状和不等尺寸的压头既冲击工件正面又冲击其反面来产生一种应力波并且在为建立一个孔口例如一个刻槽的″沉头铆钉-孔″而预选的位置处在工件的两面中形成凹坑的预备工序的侧视图。
图25是一个局部横截面图，阐明了利用我改进的应力波方法通过采用不同形状和不等尺寸的压头既冲击工件正面又冲击其反面的预备工序，并且利用在每个压头的中心接收缝中接收的导向工具来确定该压头的中心。
图26是一个局部横截面图，阐明了利用我改进的应力波方法通过采用相同形状和尺寸的压头既冲击工件正面又冲击其反面的预备工序，并且利用在每个压头的中心接收缝中接收的导向工具来确定该压头的中心。
图27是一横截面图，显示了利用我改进应力波方法的再一实施例，通过采用相同形状的压头和采用在压头和工件之间的消耗垫片，既冲击工件正面又冲击其反面的预备工序。
图28是一横截面图，阐明了利用我改进的应力波方法既冲击工件正面又冲击其反面来在预选的位置处产生凹坑的过程中，在工件的相反侧面把相对的压头从它们各自的消耗垫片上相分离的工序。
图29是一侧视图，阐明了在一对准预选的位置处钻一对相对准的工件的预备工序，其中使用的工件在正反侧面都有凹坑，并且为了在对于第一和第二工件之间搭接处的理想位置产生有益的残余应力，已确定了该凹坑的中心。
图30是一侧视图，阐明了在对准预选的位置处钻一对相对准的工件的预备工序，其中使用的工件中只有一个工件是通过我改进的提高疲劳寿命的应力波方法准备的，并且为了在对于搭接处有益残余应力的理想位置固定第一和第二工件，已在第二工件的理想位置之上确定了第一工件中凹坑的中心。
图31是一个具有一非圆形孔结构的顶视图，该结构可用我改进的应力波工艺有利地处理以在与该孔内边缘壁相邻的理想位置处提供有益的残余应力水平。
图32是另一具有一非圆形孔结构的顶视图，该结构可用我改进的应力波工艺有利地处理以在该结构中理想的位置处提供有益的残余应力水平。
图33是一对反向、中空、过大压头的透视图，该压头可至少沿着其外圆周、以一种处理工件中过大或非圆形孔的最佳方式成形。
图34是一对中空、过大压头的竖直横截面图，该压头是在为了在一过大或非圆形切口中的理想位置处产生有益的残余应力而在结构上给予一种应力波之前，该剖面在位于与工件的正反面相邻的位置处的工序中的。
图35是一对中空、过大压头的竖直横截面图，该压头是在对工件的正反侧面冲击的工序中的，同时为了在一过大或非圆形切口中的理想位置处产生有益的残余应力而在结构上给予一种应力波。
图36仅是图34和35中所示结构的竖直横截面图，但现在显示了在利用我的最佳压头在结构中给予有益残余应力的位置处，正反面中的凹坑。
图37是在图34、35和36中首先显示的过大结构，但现在显示了在切割必要的材料以形成理想尺寸的孔口之后的结构，这一结构实际上从正面到反面沿着确定穿过该结构孔口的内侧壁的预选部分都均匀保持着有益的残余应力。
图38是被一平底圆柱冲头式压头所作用的三个工件的模块化分解横截面图，详细地显示了该压头在该工件中产生的应力场。
图39是如图38所示，在被一平底圆柱冲头冷加工之后，三个工件的模块化分解横截面图，详细地显示了在钻孔以产生一个穿过该工件的孔口之后在该工件中存在的应力场。
图40是正反面被一平底圆柱冲头式压头所作用的三个工件的模块化分解横截面图，详细地显示了该压头在该工件中产生的应力场。
图41是如图38所示，在被一平底圆柱冲头冷加工之后，三个工件的模块化分解横截面图，详细地显示了在钻孔以产生一个该工件中的孔口之后，在该工件中存在的应力场。
图42是利用压头和工件与每个压头之间的一个消耗垫片体在将应力波引到工件的工序之后，三个工件的模块化分解横截面图，工件组的正反侧面都给予了所需的变形。
图43是在如图42所示的利用压头和工件与每个压头之间的一个消耗垫片体工序之后，在工件的预选位置处钻一个孔口的工序之后的三个工件的模块化分解横截面图，清晰显示了大体均匀沿工件孔口的内边缘壁分布的理想且有益的残余应力分布。
图44是相对于一个结构中的孔(孔口)边缘径向的切向应力(每平方英寸一千镑)的图表，该结构已通过现有技术平底圆柱锥杆方法进行了冷加工。
图45是相对于一个结构中的孔(孔口)边缘径向的残余切向应力的图表，该结构已利用我改进的应力波方法中一个最佳圆柱压头的实施例进行了冷加工。
图46是相对于一个结构中的孔(孔口)边缘径向的残余切向应力的图表，与利用2024-T3铝制造结构的表面和孔口中央-平面残余切向应力相比较，该结构已利用了组合套筒方法来提高疲劳寿命。
图47是对于由以下损坏引起的周期的最大净应力循环半对数图表，即(a)由波音公司报道的未处理的样品结果，(b)由波音公司报道的经过冷胀处理的样品结果；(c)未处理的属于在此处理和试验类型的控制样品；(d)通过在此提及的改进应力波方法处理的样品结构的结果。
图48阐明了一个利用紧固件将第一和第二结构零件连接的结构的局部横截面图，其中第一和第二结构零件中的每一个其紧固孔由我改进的应力波方法来准备以在结构零件中给予有益的残余应力。
图49提供了利用一个沉孔式紧固件将第一和第二结构零件连接的第二结构的局部横截面图，其中第一和第二结构零件中的每一个其紧固孔由我改进的应力波方法来准备以在精加工结构零件中提高疲劳寿命。
图50是显示了利用我改进的应力波方法的再一实施例来冲击工件单一侧面的预备工序的横截面图，这里显示了为了在精加工结构中的紧固孔附近提供有益的残余应力，通过利用一个压头和该压头与该工件之间的一个消耗垫片，在工件的反面上加工，当然，在该工件的反面也可类似进行加工。
说明
在我发明的创新性冷金属加工工艺中，有效地使用应力波，以将有益的残余应力传给孔和其它零件，它们要受到由疲劳破坏所导致的强度降低。应力波方法使用动力压头产生有益的应力，压头垂直于工件表面冲击工件表面。动力压头以一定的速度和足够大的力作用在工件上，这种作用会产生弹性波和塑性波并使它们沿工件传播。
与现有技术中的各种方法不同，已经发现通过仔细地控制施加到工件上的压力的大小和分布，在工件中产生的残余应力基本上能在截面方向上分层分布，因此沿通过构件的一个孔的侧壁轮廓面能保持一个基本均匀的残余切向应力。为了理解这种现象，请参照图1，图1表示在距离冲头中心线沿径向距离处的标准接触压力分布σz/Pm，这是针对一个经受变形的构件，变形由(a)一个锥形，(b)一个球形，和(c)一个环形平底冲头造成的。当使用具有图2所示的一个环形平底62的冲头60时，只在靠近接合区域中心处压力比较均匀，在靠近接触区域边缘的地方压力按指数规律增长，其中会出现剪切，如图1中的虚线64所示。因此，当压头在其整个表面范围上均匀地移动材料时，平底圆柱形压头在厚的板材上施加大范围的残余应力时是有效的。遗憾的是，平底圆柱形压头端部的周边剪切受加工构件的表面边缘，导致工件表面上小范围的残余应力。结果，残余应力量的减少(详细地见图38和39，这在后面将要讨论)导致使用这种方法加工的构件的疲劳寿命降低。
当使用一个如图3中剖面图所示的具有球形底部68的冲头66时，接触区域中部(图1中基准线0.00)的压力增加，接触压力朝接触区域的边缘方向成指数规律下降，如图1中的实线70所示。因此，具有球形端部形状的压头在板材表面提供大范围的有益应力，但缺乏处理厚构件的能力，这是由于球形的接触面积较小。另外，这种球形压头的形状往往会在工件表面引起大量的扰动，为了提供一个合适的最终产品则要求更加小心。
如果使用一个如图4中剖面图所示的锥形冲头72时，由冲头72施加的压力在靠近接触区域中部的地方非常高，但朝边缘方向则急速下降，如图1中的虚线74所示。由于它们往往会撕破表面并径向向外移动表面，所以在产生所需的残余应力分布时，这种锥形压头不是非常有效。
在构件的所需位置产生有益残余应力的方法中，可以测出通过一种优化的压头工具形状在工件上得到的凹陷量。这种现象在图5中以图表形式示出，它比较距离接触表面区域中心线的径向位置处的凹陷量，其中分别由球形、平底和优化的压头作用在接触表面区域上形成的。通过一个球形压头，例如图3中所示的压头得到的凹陷量如图5中的线80所示。通过一个平底圆柱压头，例如图2中所示的压头得到的弯曲如图5中的线82所示。
重要的是，由改进的优化压头产生的压力分布导致工件中的凹陷，与传统的现有技术的平底冲头相比，在接触区域的中部导致更大的凹陷，但在接触区域的边缘，导致较小的凹陷(因此，较少的剪切)，其中优化压头给接触表面提供均匀的压力。参见图5，虚线84表示我的优化压头施加在工件上得到的可变凹陷。
图6是一个局部横剖图，表示此处所给的一个优化的压头工具，并示出这种工具的主要形状参数。为了讨论的目的，在径向向外的方向上，图6最好被设想为一个圆形压头90或具有一定形状接触轮廓面92的冲头的半个剖面图，此后将进一步讨论92。整体半径是a，在沿接触轮廓面92径向向外的任何预选位置处的实时半径是r。对于初始的屈服(凹陷)，初始的平均接触压力PM沿垂直方向Z并在图6中以向下的箭头示出，而且该平均接触压力是由沿接触轮廓面92，或一般如下所示在压头90的接触端94中的任意点处的实时接触压力σz提供的。
在一个实施例中，一个优选压头90的接触轮廓面92的形状是由作用在一个被选工件上的一个均匀压力所产生的凹坑的向下凹陷的形状决定的。通过将由均匀压力所产生的工件中的预选深度的凹陷的形状选作接触端94的接触轮廓面92的形状，可以确定改进的压头的优化形状。这种凹陷的形状，或更精确地如图所示，工具90中的接触轮廓面92的形状由如下的椭圆积分公式给出： u Z = C ( 4 ( 1 - v 2 ) ) P M a E 0 ∫ x / 2 1 - r 2 a 2 si n 2 θdθ 其中：
a=均匀压力的一个预选半径
C=一个约从1至4变化的常数，与在所选工件中产生预选应力水平的所选材料中的优化深度相关
E=弹性模量
PM=接触压力分布
r=径向距离
uz=工件的垂直位移
v=泊松比
由于在接触面92的中心，即接触中心，其中r=0的下方，相对于工件的第一表面测量的垂直位移由下述公式给出：
         uz=[2(1-v2)PMa]/E
在凹坑的外边缘(其中r=压头的整个半径)，相对于工件的第一表面测量的垂直位移由下述公式给出：
         uz=[4(1-v2)PMa]/E
总的来说，改进压头90的最终形状与平底冲头有点象，但沿低半径距离(r/a)点(r/a不超过0.66或稍大)有一个逐渐倾斜的表面104，而且沿高半径距离(r/a)点(其中r/a大于0.66或超过0.75左右)有一个成圆角的边缘表面106。
一种压头90′的另一个实施例如图14所示，其制造稍容易些。在此实施例中，上面论及的接触面92被一个相对平的中部110和一个或多个较平的削边代替。此处，一个边112表示在压头90′的第一侧114上，两个边116和118表示在压头90′的第二侧120上。如所描述的，边112从平的中部110偏离一个角度(α)，该角最好在30度到60度的范围之间。另外，边116从平的中部110偏离一个角度(β)，该角最好在0度到15度的范围之间。在那些需要一个第二削角的工具中，第二削角(τ)基本上与α相同，即位于30度到60度之间。
在图15中，还表示出了压头90″的又一个实施例。取决于构成一个特定构件的材料以及必需在工件中提供以被用在这种结构中的有益残余应力的量，在某些情况中，通过使用一种具有一个圆拱接触端120的简单压头90″可以得到此处所给的结果，至少是在相当程度上。在这种情况中，发现接触端120的形状可描述为具有一个半径为R的曲率，其中半径R等于或位于2D和8D之间。当根据上面所示的半径重新描述时，R一直从(2a)到8(2a)之间，即4a和16a之间R位于3D和5D之间较好，而且R为3.2D最好。
现在看图7,8和9，表示使用一个动力压头130通过与工件132接触的接触端131产生应力波的过程。图7表示一个(此处，上)直径为2a的预选压头30，该压头30设置在工件132的中心线134上并与其对准，在工件中要做一个预选直径为AD的孔。在图8中，表示动力驱动的压头130沿参考箭头138的方向并进入工件132的正面140以在工件132中产生一个应力波的工序。图9表示响应动力压头130的冲击而产生的穿过工件132的应力波的一个模拟图。对于一个突然的压力撞击，例如通过一个动力压头130作用在工件132上，一个压力弹性波150冲击工件，并通过工件的T厚度。该波跟随有一个传播较慢的塑性波152。弹性波以下述速度通过金属：
         c=(E/ρ)1/2其中
c=材料中的声速
ρ=材料密度
塑性波前沿的速度较复杂，大体如下表示：
         c=[s(ε)/ρ)]1/2其中
S(ε)=变形模量(弹性或塑性)，等于应力变化与应变速度变化之比(dσ/dε)。
在改进的应力波工艺中，应该注意通过把压头130的接触端131做成一定形状，应力波通常汇聚在压头130撞击工件132的方向并位于压头的接触端131和工件132的第一表面或正面之间。
现在看图10和11，表示一种略不相同的方法，其中工件132设有一个支承砧座160，以从工件132的第二表面或反面162支承工件132。在图10中，表示使用改进的应力波方法用一个压头130在工件上产生凹坑的预备工序，以备在工件中的一预定位置处形成一个孔。图11表示用压头130冲击工件132一侧的工序，以产生一个应力波并在工件132中的一预定位置处形成一个凹坑，而在凹坑中需要形成一个孔，例如一个“铆钉孔”。
在图12和13中，表示一种两侧法，即使用改进的应力波方法，该方法用一个第一压头130(1)和一个第二压头130(2)冲击一个工件132的正面140和反面162侧，以产生一个应力波并在工件的两侧在预定的位置处形成凹坑170(见图18)，该位置处希望形成一个孔，例如一个直径为AD的“铆钉孔”。分别用压头130(1)和压头130(2)冲击一个工件132的正面140和反面162，以产生一个应力波150并在工件132的两侧在预定的位置处形成凹坑170，该位置处其形成一个孔，例如一个“铆钉孔”。该技术的详细情况见图16,17,18和19，其中压头130(1)和压头130(2)以局部视图示出。另一种理解该工艺的改进之处的方法是看图17，其中工件132′正被压头130(1)和压头130(2)冲击。参考箭头200,202,204和206表示工件所经受的相同撞击压力线。应该注意，当沿压头的径向距离r/a从一侧到一侧测量时，工件132′在z方向(垂直方向)上不被压入相同的量，如图5中所描述过的。换句话说，参考箭头200从压头130(1)到压头130(2)的长度比径向在内的参考箭头202的长，箭头202也从压头130(1)到压头130(2)延伸。y方向(一侧到一侧)。同样，参考箭头206从压头130(1)到压头130(2)的长度比径向在内的参考箭头204的长，箭头204也从压头130(1)到压头130(2)延伸。因此，在参考箭头200和202表示的位置处的相等压力导致工件132′的不均匀变形。本发明的一个实施例的这种曲线的理想坡度如图6所描述的。
还参照图16和17，用于分析仪器的一些参考标号还表示在图38到图43中。可以看出，工件132′被随意地分成三部分132(A)，132(B)和132(C)，如图中的分隔线U和L所示。在图38到43中，下面还要进一步讨论，分隔线用于将工件132′的应力分析图按区块分为三层，分别由132(A),132(B)和132(C)表示。
图18和20分别表示一个工件132′和132，其中在工件132′的两侧或在工件132的一侧已经形成一个所需的凹坑170。应该注意，如图17中所示，当受压时，实际的凹坑深度DP可能比压头130(1)和/或压头130(2)缩回后的凹坑深度H稍大一些，这是由于一旦撤去压头(们)的变形压力，工件会轻微地弹性反弹。
如图21所示，具有一个后锥角(λ)的后锥形钻可以用来有效地去掉工件132或132′中不想要的金属。用于得到一个直径为AD的孔的工作面直径DD最好比凹坑直径D(170)大2Q的距离，其中Q代表从一个凹坑的边220到钻孔的边222的径向距离。在任何情况中，Q较小，但在某些情况中，可以减小为0。
图22直到26表示本发明方法的变型，其可以用来实现特殊情况中所需要的结果。首先，在图22中，提供具有接触端302的一个第一压头300和具有一个接触端306的一个第二压头304，其中接触端302和接触端306具有不同的表面面积。图22表示使用这种不同面积压头进行的预备工序，图23表示在第一压头300和第二压头304上提供一个动力脉冲以在工件332上形成一个应力波，用以在其中产生一个凹坑。因此，如图22所示，使用这种改进的应力波方法的预备工序容许用选择的、不等直径或非标准形状的压头冲击一个工件的正面和反面，以产生一个应力波并在工件的两侧在预定的位置处形成凹坑，该位置处希望形成一定形状的孔，例如一个“铆钉孔”，或者最好是一个埋头铆钉孔。图23表示实际工序，即用选择的、不等直径或非标准形状的压头300和306冲击一个工件的正面或反面，以产生一个应力波并在工件332的两侧在预定的位置处形成凹坑，该位置处希望形成一个孔，例如一个“铆钉孔”，或者最好是一个直径为AD的埋头铆钉孔。
当使用切角或埋头型铆钉时，图24所示的装备可有效地用来使用这种改进的应力波方法，以用具有不同形状和不同尺寸的压头370(具有接触端371)和372冲击一个工件362的正面340和反面362，以产生一个应力波并在工件362的两侧在预定的位置处形成凹坑，该位置处希望形成一个孔，例如一个埋头374边的“铆钉孔”。在这种情况中，压头372设有一个斜切边376，以在所需的方向上及压头372的垂直表面端378施加应力。
图25和26表示一个定位孔的使用，该孔由工件378中的壁380限定。在图25中，一个细长的定位轴382穿过工件278伸出并被压头372′中具有与其相伴的、互补尺寸和形状的接收室384容纳。同样地，在图26中，一个细长的定位轴382，最好被固定到压头370″的末端371″，穿过工件378伸出并被具有与其相伴的、互补尺寸和形状的接收室384″容纳。
图25和26都是局部横剖图，它们表示使用改进的应力波方法的预备工序，该方法用不同形状和不同尺寸的压头冲击工件378的正面390和反面392，而且其中压头通过定位导引件被对中，定位导引件装在至少一个压头中的居中接收槽中。
现在看图27，表示使用改进的应力波方法的又一个实施例的预备工序，该方法用于冲击一个工件的正面和反面。此处，使用具有相同形状和尺寸的压头430(1)和430(2)。该方法中的变化在于在压头430(1)和工件432的正面431之间使用一个消耗垫片W(1)。同样，在压头430(2)和工件432的反面434之间使用一个消耗垫片W(2)。每个消耗垫片具有一个工件侧WW和一个压头侧WI。工件侧WW撞击工件，而且当垫片挤压在工件432和一个压头之间时，片W(1)和/或W(2)轻微变形，从所用压头的半径距离径向向外一个小的距离QW把力传播到工件，该力在各个压头的接触端462或464的端部之外迅速下降。在垫片W(1)和W(2)的动力冲击的工序之后，在上面论及的方法中，释放相对的压头430(1)和430(2)的工序如图28所示。此处，一个横剖图表示相对的压头在一个工件432的相对两侧上从各个消耗垫片W(1)和W(2)放开的情况，同时使用改进的应力波方法冲击一个工件432的正面431和反面434以在预定位置产生凹坑450和454。消耗垫片W(1)和W(2)的材料最好相同或相似于构成工件432的材料，但应该理解该方法并不局限于此，而且任何能够提供残余应力均匀分布的材料都可以使用，这在下面将要进一步讨论。只要工件432上的压力分布基本上是均匀的，其中假设要在工件中形成的孔需要笔直的侧壁，但是可以从许多形状中选择压头430(1)的接触端462和压头430(2)的接触端464。显然，应该理解实际的孔边位置480可以沿压头430(1)或430(2)的周边482径向在内或径向在外。同样，限定通过工件432的孔的预定侧壁可以在以前论及的区域QW的径向向内(壁480)或在该区内，或在区域QW的径向向外(壁480)。侧壁位置的选择取决于不同的因素，最重要的当然是处理过程后、在预定的侧壁位置处所需有益残余应力量，以及在一个紧固件802的周边800处一个轻微的凹入ID是否是有益的。关于这一点，参见图49，其表示一个紧固件802的周边800，邻近处有一个小的凹入ID。图49特别有意思，这是由于它给出了一个示意，即可以根据此处描述的方法预备一个埋头型外侧壁804，以在构件808的主体806内提供所需的有益残余应力分布。同样，可以处理邻近垂直侧壁814的构件812的主体810，以在主体810内提供所需的有益的残余应力分布。如图49所示，通常设置一个具有一个向外突出的头部842的紧固件840来连接构件844和846。在这种结构中，分别由侧壁848和850限定的孔用来容纳所述紧固件。在两个构件844和846中都会产生有益的残余应力。
尽管一般希望大多数构件基本上会受益于正反面所给与的提高的抗疲劳性，但在某些情况中，当只用改进的应力波方法处理一侧时，就会得到所希望的结果。构件的这种单侧处理法参见图50。该横剖图表示使用改进的应力波方法的又一个实施例的预备工序，该方法冲击一个工件432′的一侧，示出仅对工件正面431′的加工。反面434′可以同样被加工，通过使用一个压头和一个位于压头和工件432′之间的消耗垫片，为得是在靠近由工件432′加工成的最终构件中的紧固件孔处提供有益的残余应力。
图29和30表示在一个对准的预定位置给一对工件钻孔的预备工序。在图29中，其中一个具有凹坑502和504的工件500和其中具有凹坑512和514的工件510沿一条中心线对准，因此通过用预定直径DX的钻516钻通孔，可以在工件500和510中形成一个同心孔。同样，在图30中，工件500和工件520(其中还没有产生有益的应力分布)沿一条中心线对准，因此通过钻516可以形成贯通两个工件的同心孔。在图29和30中，使用至少一个工件可以形成搭接型接头，在工件中设有一个具有提高的疲劳寿命的紧固件安装孔，这通过在正面和反面预备凹坑实现，而且在其中居中地形成凹坑，为得是相对于最终的紧固件安装孔在所希望的位置处产生有益的残余应力。
应该理解使用改进的应力波方法可以形成非普通结构的、非圆形的孔，以在靠近孔内侧壁的所希望位置处提供有益的残余应力。在图31和32中，表示两个这种构件600和602的顶视图。在构件600中，设置一个基本上为椭圆形的内侧壁604。在构件602中，设置一个具有圆角606,608,610和612的平行四边形604形状的孔。因此，其中具有非圆形孔的构件能用改进的应力波方法有效地处理，以在构件中的所希望位置处提供有益的残余应力。
为了在大尺寸的圆形孔或非圆形孔中提供有益的残余应力，发现提供如图33,34和35所示的相对的、中空的、大尺寸压头是有用的。这种压头630(1)和630(2)能以优化的方式至少分别沿压头630(1)和630(2)的接触端662和664的外周边P加工成一定的形状，以处理工件632中的大尺寸或非圆形孔。在图33中，表示这种压头630(1)和630(2)的一个透视图。在图34中，表示一对中空的大尺寸压头630(1)和630(2)的一个竖直剖面图，它们位于邻近工件632的正面690和反面692的位置处，将要在为了在一个大尺寸或非圆形切口中的所希望位置处产生有益的残余应力而在工件上施加一个应力波。特别是在图34中，以及图35,36和37中，注意虚线700和702表示穿过工件632的一个内孔的压入尺寸，侧壁704和706基本上沿700和702处表示的线形成。在图37中，示出一个端壁708，其可以位于图33的透视图中所示的压头后部的另一横截面位置处。注意正面690上的凹坑694和695及反面692上的凹坑696和697从虚线700和702表示的侧壁向内(此处对于圆形压头，为径向向内)设置，因此，有益的残余应力位于一个大尺寸或非圆形切口中的希望位置处。
在加工以除去不想要的材料之前的被处理工件632如图37所示。大尺寸或非圆形切口的处理方法最终表示在图27中，该图表示内侧壁704,706和708如何在工件632的正面和反面之间延伸而在构件中具有有益的残余应力。
现在注意图38到43，其中对优化的应力波方法和现有技术的结果进行了比较并示出了改进之处。图38表示用一个平底圆柱形冲头冷加工之后的作为一组的三个工件层的一个按比例的分解横剖图。详细的颜色代码表示在图39中，在侧面有一个图注，以磅/每平方英寸表示有益的残余应力，通过钻孔而在工件中形成一个孔之后在工件中存在的残余应力场仅给工件提供在正面附近很小的有益残余应力增加，同样提供在反面附近增加的很小的有益残余应力。但是，这种现有技术在孔的中间平面处产生显著的有益残余应力，如图39所示。遗憾的是，疲劳裂缝会出现在表面(或在正面或在反面)并蔓延。
相反，采用本发明的优化压头并使用所给的方法，通过仔细地观察图40和图41的结果，可以清楚地看出，在这三个工件层的按比例分解横剖图中，有益的残余应力基本上在工件的整个范围内均匀分布，其中用一个优化的压头作用在工件的正面和反面。特别是在图41中，可以看出，在通过钻孔而在工件中形成一个孔后，工件提供一个均匀的有益残余应力分布。
如图42和43所示，在一个特别优选的实施例中，表示在使用相对的压头及位于工件和每个压头之间的一个消耗垫片将应力波输入工件的工序之后的三个工件层的分解横剖图。所希望的变形被施加到工件的正面和反面中。
显然，图43表示三个工件的一个按比例分解的横剖图，其处于在一个工件的预定位置处钻孔的工序之后，并在图42所示的使用压头及工件和每个压头之间的消耗垫片的工序之后，并清楚地示出沿工件中孔的内侧壁基本上均匀分布的所希望的有益残余应力。因此，可以清楚地看出在侧壁实现了有益残余应力的均匀分布。
通过比较图44和图45可以进一步证实上述发现。在图44中，表示切向应力(每平方英寸千磅)与距离构件中的一个孔(口)边的径向距离之间的关系，其中用现有技术的平底圆柱锥杆方法对构件进行了冷加工。显然，在离正面或反面孔边的一定距离处，应力间存在大的偏差。但是，用本发明的改进应力波方法并使用优化的圆柱形压头，在表面和中间区域，有益残余应力变得相当接近。
实际上，改进的方法提供了至少和组合套筒法一样好的有益残余应力，如图46所示。在此图中，表示构件中的切向应力与距离一个孔(洞)边的径向距离之间的关系，该构件使用提高疲劳寿命的组合套筒法，并与用2024-T3型铝制造的一个构件的表面及孔的中间平面处的残余切向应力进行比较。
重要的是，当直接进行疲劳寿命的比较时，如图47中所示，使用本发明方法处理的构件显然提高了疲劳寿命。图47是一个最大净应力对破坏循环的半对数图，针对(a)由波音公司报告的未处理试样结果，(b)由波音公司报告的部分冷胀处理的试样结果；(c)具有此处处理和实验类型的未处理控制试样及(d)用本发明的改进应力波方法处理构件的试样结果。实验表明本发明所处理的试样疲劳寿命在400,000到循环4,000,000之间，或多或少取决于施加的负载，并稍超过工业上最常采用的方法之一即冷胀法的预期寿命。
应该注意，本发明可以和任何简便的装置一起使用，这种结果促使具有足够力的压头在工件中有效地产生必需的应力波。在这方面，为了实现所述结果并实施本发明的改进应力波方法，机电冲击型装置，例如上面提及的Zieve专利中披露的，或在提及的其它专利中披露或在现有技术中以其它方式公开的，可以由本领域的技术人员有效地应用。
可以理解，本发明的用于冷加工工件以减少工件的疲劳强度降低的应力波方法是对现有技术中涉及疲劳问题的冷加工金属工件方法的一个重大改进。这种应力波方法从一个新的观点处理冷加工工艺，最好通过加工之前整体处理孔。通过消除扩延锥杆、套筒和润滑剂，该应力波方法改进了目前使用的处理方法。
在我的改进应力波方法中，残余应力大小和深度的控制是由应力波的特性决定的，而不是由加工公差决定的。显然，应力波方法易于实现自动化并能被用于任何自动固定的环境。应力波方法还消除了通过锥杆方法进行膨胀的过程中所引起的孔周围的扭曲和撕裂。尽管只详细地描述了本发明的一些实施例，但对于本领域的技术人员而言，在不偏离本发明范围的情况下，显然可以对我的新颖应力波冷加工工艺及完成这种工艺的装置进行变型，并以其它具体的形式实施。因此，总之此处所给的实施例是示例性的而且没有任何限制。就这点而论，权利要求旨在覆盖此处所述的结构，并且不仅是结构的等效物，而且是等效的结构。因此，本发明的范围旨在包括此处所示的所有变型，不论是否在说明书中或附图中，包括用以描述这些变型的语言的广泛含义及适当范围。
因此可以看出，前述目的，包括那些可以从前述说明中明显看出的目的被有效地实现了。由于根据本发明实施金属加工的方法时会有一定的变化，所以可以理解在不偏离本发明的精神或本质特征的范围时，可以以其它的具体形式实施。许多其它的实施例也能得到利用上面披露的原理所得到的优点。因此，可以理解本发明的前述代表性实施例的描述只是为了说明及理解本发明，并不旨在具有排斥性或限制性，或者将发明限定到所披露的具体形式上。
除了一些特征相互排斥的哪些组合，本说明书所披露的所有特征(包括任何所附的权利要求，附图及摘要)可以任意组合。除非特别注明的，本说明书所披露的每个特征(包括任何所附的权利要求，附图及摘要)可以被具有相同或相似目的的其它特征替换。因此，除非特别注明的，每个被披露的特征是具有一系列相同或类似特征的一个实例。另外，当为了使读者使用所述的某些实施例而描述某些材料时，这些建议并不将权利要求限定到所披露的材料中，而且可以理解，其它的材料，包括其它金属和各种组合物可以采用我的方法，并用于制造本发明的新颖构件。
所附权利要求旨在覆盖本发明范围内的所有变型、等效物及替换物。因此，权利要求旨在覆盖此处所述的结构、装置和方法，不仅包括其等效物或结构上的等效物，而且包括等效结构或方法。如此处及所附权利要求所述，本发明的范围旨在包括根据所提供的实施例进行的各种变型，其中实施例被广义及适当范围的权利要求语言描述，并根据此处包含的术语或其等效物进行解释。

Claims (20)

1．一种用于加工一个构件以提高所述构件在选定位置处的疲劳寿命的工具，所述构件包括一个第一表面，一个第二表面及一个位于它们之间的主体，所述主体适于在其中形成一个孔，该孔具有至少一个在所述第一表面和所述第二表面之间延伸的侧壁，所述工具包括：
一个第一压头，所述第一压头包括一个接触端，用于接合并使所述构件的所述第一表面变形，以在所述构件的所述主体内产生一个残余应力分布，其特征在于：
所述第一压头的所述接触端的表面形状基本上与下述形状相符，这种形状将通过所述接触端和所述第一表面之间的一个接触区域，通过在所述构件的所述第一表面形成一个均匀的压力分布而在所述构件的所述第一表面产生一个凹坑而形成。
2．如权利要求1所述的工具，其特征在于：还包括一个第二压头，所述第二压头包括一个接触端，用于接合并使所述构件的所述第二表面变形，以在所述构件的所述主体内产生一个残余应力分布，
其中，所述第二压头的所述接触端的表面形状基本上与下述形状相符，这种形状将通过所述接触端和所述第二表面之间的一个接触区域，通过在所述构件的所述第二表面形成一个均匀的压力分布而在所述构件的所述第二表面产生一个凹坑而形成。
3．如权利要求1所述的工具，其特征在于：所述第一压头包括一个，因此沿所述构件中的所述孔的所述至少一个侧壁的所述残余应力分布基本上是均匀的。
4．如权利要求1所述的工具，其特征在于：所述第一压头是中空的。
5．如权利要求1所述的工具，其特征在于：所述第一压头是实心的的。
6．如权利要求1所述的工具，其特征在于：所述接触端是光滑弯曲的。
7．如权利要求1所述的工具，其特征在于：所述接触端包括至少一个斜边。
8．如权利要求7所述的工具，其特征在于：所述压头的所述接触端包括至少两个斜边。
9．如权利要求1或权利要求2所述的工具，还包括至少一个消耗件，所述消耗件有一定的尺寸和形状，以插在所述压头和所述第一工件之间。
10．如权利要求2所述的工具，其特征在于：所述第一压头和所述第二压头具有不等的横截面。
11．一种加工一个构件以提高所述构件在选定位置处的疲劳寿命的方法，所述构件包括一个第一表面，一个第二表面及一个位于它们之间的主体，所述主体适于在其中形成一个孔，该孔具有至少一个在所述第一表面和所述第二表面之间延伸的侧壁，所述方法包括：
提供一个第一压头，所述第一压头包括一个接触端，用于接合并使所述构件的所述第一表面变形，以在所述构件的所述主体内产生一个残余应力分布，其中所述第一压头的所述接触端的表面形状基本上与下述形状相符，这种形状将通过所述接触端和所述第一表面之间的一个接触区域，通过在所述构件的所述第一表面形成一个均匀的压力分布而在所述构件的所述第一表面产生一个凹坑而形成，
用足够的力使所述第一压头接合所述工件而在所述工件中产生一个应力波，以便在所述工件中引起一个凹坑形式的变形，
将所述第一压头从所述工件脱开，
加工所述工件以形成一个预定尺寸和形状的孔，从而沿所述孔的侧壁提供基本均匀的残余应力，以提高所述工件的疲劳寿命。
12．如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
提供一个第二压头，所述第二压头包括一个接触端，用于接合并使所述构件的所述第二表面变形，以在所述构件的所述主体内产生一个残余应力分布，
其中所述第二压头的所述接触端的表面形状基本上与下述形状相符，这种形状将通过所述接触端和所述第二表面之间的一个接触区域，通过在所述构件的所述第二表面形成一个均匀的压力分布而在所述构件的所述第二表面上产生一个凹坑而形成，
使所述第二压头接合所述工件，以在所述工件中引起一个凹坑形式的变形，
将所述第二压头从所述工件脱开。
13．如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一压头包括一定形状的外形，使沿所述构件中的所述孔的所述至少一个侧壁的所述残余应力分布基本上是均匀的。
14．如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一压头是中空的。
15．如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一压头是实心的的。
16．如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述接触端是光滑弯曲的。
17．如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述接触端包括至少一个斜边。
18．如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述压头的所述接触端包括至少两个斜边。
19．如权利要求11或权利要求12所述的方法，还包括至少一个消耗件，所述消耗件有一定的尺寸和形状，以插在所述压头和所述第一工件之间。
20．如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述第一压头和所述第二压头具有不等的横截面。
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