CN216857949U - 一种孔挤压强化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于孔挤压强化精密加工技术领域，公开了一种孔挤压强化装置。本实施例提供的孔挤压强化装置，包括超声换能器和挤压芯棒，挤压芯棒包括导向段，导向段上设置有工作环，工作环的直径大于导向段的直径，并且工作环的直径大于待挤压孔的孔径，挤压芯棒和超声换能器可拆卸连接，待挤压件能够在超声换能器的作用下经导向段移动至工作环。该孔挤压强化装置的挤压芯棒为可拆卸式，磨损后能够进行更换，从而降低孔挤压强化的工艺成本。

Description

一种孔挤压强化装置

技术领域

本实用新型涉及孔挤压强化精密加工技术领域，尤其涉及一种孔挤压强化装置。

背景技术

随着航空工业的发展，航空工业与国家经济、人民生活的关系越来越密切。航空飞机上的许多结构件需要通过结构件上装配孔与其他结构件进行装配，结构件在装配孔处容易发生应力集中，应力集中引起装配孔边缘产生疲劳裂纹，同时，在应力集中的影响下，疲劳裂纹扩展速率增加，从而降低带孔结构件的疲劳性能、缩短使用寿命，以致缩短航空飞机的服役寿命。因此，对带孔结构件装配孔孔壁进行挤压强化的工作显得尤其重要。

运用挤压芯棒对带孔结构件装配孔孔壁进行挤压强化，是一种应用广泛的孔挤压强化技术。挤压强化后，装配孔孔壁形成残余应力场，孔壁的微观组织细化，从而能够提高带孔结构件的疲劳强度。然而，使用挤压芯棒进行孔挤压强化，挤压芯棒的工作环与结构件装配孔孔壁直接接触，孔挤压强化过程中，挤压力过大，挤压芯棒工作环容易磨损。工作环磨损后，挤压芯棒便不能继续使用，导致整个孔挤压装置无法正常工作。

因此亟需提出一种孔挤压强化装置来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种孔挤压强化装置，该孔挤压强化装置的挤压芯棒为可拆卸式，磨损后能够进行更换，从而降低孔挤压强化的工艺成本。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种孔挤压强化装置，包括：

超声换能器；

挤压芯棒，所述挤压芯棒包括导向段，所述导向段上设置有工作环，所述工作环的直径大于所述导向段的直径，所述工作环的直径大于待挤压孔的孔径，所述挤压芯棒与所述超声换能器可拆卸连接，待挤压件能够在所述超声换能器的作用下经所述导向段移动至所述工作环。

可选地，所述超声换能器与所述挤压芯棒之间设置有振幅放大器，所述挤压芯棒与所述振幅放大器可拆卸连接。

可选地，所述振幅放大器与所述挤压芯棒螺纹连接。

可选地，所述振幅放大器与所述超声换能器可拆卸连接。

可选地，所述振幅放大器与所述超声换能器螺纹连接。

可选地，所述振幅放大器包括放大器主体和环状凸肋，所述环状凸肋套设于所述放大器主体上。

可选地，所述环状凸肋的数量为多个，多个所述环状凸肋沿所述放大器主体的轴向间隔设置。

可选地，所述超声换能器包括前端盖、后端盖、压电陶瓷片和连接轴，所述压电陶瓷片套设于所述连接轴上，所述前端盖与所述后端盖分别设置在所述连接轴的两端。

可选地，所述连接轴上设置有外螺纹，所述后端盖上设置有内螺纹，所述连接轴与所述后端盖螺纹连接。

可选地，所述压电陶瓷片的数量设置有多个，多个所述压电陶瓷片沿所述连接轴的轴向层叠设置。

有益效果：

本实用新型提供的孔挤压强化装置采用超声换能器和挤压芯棒连接，超声换能器用于为挤压芯棒提供轴向超声振动，以减小孔挤压强化过程中的挤压力，延缓挤压芯棒工作环的磨损。待挤压件能够套入挤压芯棒的导向段，沿导向段移动至工作环位置，在挤压过程中，工作环的表面和待挤压孔的内壁直接接触，由于挤压芯棒工作环的直径大于待挤压孔的孔径，超声振幅传递到挤压芯棒工作环的位置，工作环挤压待挤压件孔壁，孔壁发生塑性变形，从而实新装配孔的挤压强化。由于工作环部分直接和孔壁接触，易于磨损，而超声换能器不与待挤压件直接接触，不容易损坏，将挤压芯棒和超声换能器采用可拆卸的连接方式进行连接，在工作环发生磨损时，可单独对挤压芯棒进行更换，并且，针对不同孔径的待挤压件的挤压强化，可以选择具有相应直径大小的工作环的挤压芯棒，实现不同孔径的待挤压件的挤压强化，而无需对装置的其他部件进行更换，从而减小孔挤压强化的工艺成本。

附图说明

图1是本实用新型提供的孔挤压装置的结构示意图；

图2是本实用新型提供的待挤压件和孔挤压装置的装配图；

图3是本实用新型提供的挤压芯棒的结构示意图；

图4是本实用新型提供的振幅放大器的结构示意图；

图5是本实用新型提供的超声换能器的结构示意图；

图6是本实用新型提供的具有多级放大结构的孔挤压装置的模态仿真结果；

图7是本实用新型提供的无多级放大结构的孔挤压装置的模态仿真结果。

图中：

10、待挤压件；100、超声换能器；110、前端盖；120、后端盖；130、压电陶瓷片；140、连接轴；200、挤压芯棒；210、导向段；220、工作环；300、振幅放大器；310、环状凸肋。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

基于目前的孔挤压强化工艺存在挤压芯棒不能重复使用、挤压强化效率低、挤压强化工艺成本高等问题，本实施例提供一种可拆卸式的孔挤压强化装置，旨在实现挤压芯棒的可更换，降低孔挤压强化工艺成本，提高挤压强化的效率。

图1为本实施例提供的孔挤压装置的结构示意图。图2所示为本实施例提供的待挤压件10和孔挤压装置的装配图。参见图1和图2，本实施例提供的孔挤压强化装置，包括超声换能器100和挤压芯棒200，挤压芯棒200包括导向段210，导向段210上设置有工作环220，工作环220的直径大于导向段210的直径，并且工作环220的直径大于待挤压孔的孔径，挤压芯棒200和超声换能器100可拆卸连接，待挤压件10能够在超声换能器100的作用下经导向段210移动至工作环220。

上述孔挤压强化装置通过将超声换能器100和挤压芯棒200连接，超声换能器100能够为挤压芯棒200提供轴向超声振动，从而减小孔挤压强化过程中的挤压力，延缓挤压芯棒200工作环220的磨损。待挤压件10能够套入导向段210，使待挤压件10处于工作环220的位置，工作环220的表面和待挤压孔的内壁直接接触，由于挤压芯棒200工作环220的直径大于待挤压孔的孔径，超声振幅传递到挤压芯棒200工作环220的位置，工作环220将挤压待挤压孔孔壁，使孔壁发生塑性变形，从而实现装配孔的挤压强化。由于工作环220部分直接和孔壁接触易于磨损，而超声换能器100不与待挤压件直接接触，不容易损坏，将挤压芯棒200和超声换能器100采用可拆卸的连接方式进行连接，能够单独对磨损的挤压芯棒200进行更换，其他零部件可以继续使用，另外，针对不同孔径的待挤压孔的挤压强化，可以选择具有相应直径的工作环220的挤压芯棒200，实现不同孔径的待挤压孔的挤压强化，而无需对装置的其他部件进行更换，从而降低孔挤压强化的工艺成本。

图3为本实施例提供的挤压芯棒200的结构示意图。参见图3，工作环220设置在导向段210的头部，工作环220的直径在中间位置最大，向两端逐渐减小。工作环220从挤压芯棒200的尾部套入导向段210，可以理解地，挤压芯棒200的型号应当根据待挤压孔的孔径进行选择。导向段210为具有一定长度的长轴，在进行孔挤压强化的过程中，挤压芯棒200能够产生沿挤压芯棒200轴向方向的超声振动，轴向方向的超声振动改变了挤压芯棒200的运动方式，减小了超声振动挤压芯棒200孔挤压强化过程中的挤压力，从而延缓了挤压芯棒200工作环220的磨损。

进一步地，超声换能器100和挤压芯棒200之间设置有振幅放大器300。参见图3和图4，振幅放大器300的一端和超声换能器100可拆卸连接，另一端连接于超声换能器100。可选地，振幅放大器300和挤压芯棒200之间采用螺纹连接的连接方式，具体地，在挤压芯棒200的尾部设置外螺纹，在振幅放大器300上设置内螺纹，连接时，将挤压芯棒200拧入振幅放大器300，当挤压芯棒200损坏无法继续使用或需要使用其他尺寸的挤压芯棒200时，将其从振幅放大器300拧下更换即可。这种连接方式连接十分方便，并且连接稳固，有效避免挤压芯棒200和振幅放大器300的相对晃动，影响孔挤压强化的效果。可选地，在振幅放大器300设置内螺纹的部位，设置一圈加强肋，以防止多次地螺纹连接造成连接处的破裂，保证其结构强度。可选地，在其他实施例中，也可以在挤压芯棒200的尾部设置内螺纹，在振幅放大器300的相应位置设置外螺纹，从而将两者进行螺纹连接。当然，也可以采用其他可拆卸的连接方式，只要是能够使挤压芯棒200进行更换的连接方式均在本申请的保护范围之内。

继续参见图4，振幅放大器300包括放大器主体和环状凸肋310，环状凸肋310套设在放大器主体上。设置的凸肋使放大器主体截面直径发生变化，超声振幅沿振幅放大器300轴向传递的过程中，实现轴向超声振幅的放大。可选地，环状凸肋310设置有多个，多个环状凸肋310沿放大器主体的轴向间隔设置，从而能够实现超声振幅的多级放大。在本实施例中，环状凸肋310设置有两个，在其他实施例中，环状凸肋310的数量可以根据使用需要进行设置。

进一步地，参见图4和图5，振幅放大器300和超声换能器100之间也可采用可拆卸的连接方式。具体地，在振幅放大器300的尾部设置外螺纹，在超声换能器100上设置内螺纹，两者进行螺纹连接。在其他实施例中，振幅放大器300和超声换能器100之间可以采用其他结构形式进行可拆卸连接，也可以采用不可拆卸的连接方式。

继续参见图5，超声换能器100包括前端盖110、后端盖120、压电陶瓷片130和连接轴140。压电陶瓷片130套设在连接轴140上，前端盖110和后端盖120分别设置在连接轴140的两端。前端盖110用于和振幅放大器300连接，后端盖120对压电陶瓷片130的位置起到限定作用。前端盖110与连接轴140之间可采用螺纹连接等可拆卸的连接方式，也可以采用不可拆卸的固定连接或一体成型。为方便压电陶瓷片130的安装，本实施例中，连接轴140和后端盖120采用螺纹连接，具体地，连接轴140上设置有外螺纹，后端盖120上设置有内螺纹。

进一步地，压电陶瓷片130的数量设置有多个，示例性地，可以为4个、8个、12个或其他数量，多个压电陶瓷片130沿连接轴140的轴向层叠设置。增加压电陶瓷片130的数量能够增加超声换能器100的振幅和功率，输出能量更强。

本实施例中孔挤压强化装置的工作原理及操作步骤如下：

待挤压件10进行挤压强化之前，从挤压芯棒200的末端穿过，放置在导向段210，然后，将挤压芯棒200连接到振幅放大器300上，完成待挤压件10、挤压芯棒200和振幅放大器300的装配。振幅放大器300可在待挤压件10装配到挤压芯棒200之前或之后和超声换能器100进行连接。装配完成之后，启动电源。挤压芯棒200沿待装配件轴向运动过程中，超声换能器100产生轴向超声振动，通过超声振幅的多级放大结构，将较大的超声振幅传递到挤压芯棒200的工作环220位置，工作环220挤压待挤压件10的孔壁，使孔壁发生塑性变形，从而实现强化效果。

运用ANSYS有限元仿真分析软件对具有多级放大结构的超声振动挤压芯棒200进行模态仿真分析，得到仿真结果如图6所示；对无多级放大结构的超声振动挤压芯棒200进行模态仿真分析，得到仿真结果如图7所示。

当激振频率为1时，图6中具有多级放大结构的挤压芯棒200工作环220位置处的最大超声振幅约2.6μm，而图7中无多级放大结构的挤压芯棒200工作环220位置处的最大超声振幅约2.3μm。对比分析结果表明，相同激振频率下，具有多级放大结构的挤压芯棒200工作环220位置产生的最大超声振幅明显大于无多级放大结构的挤压芯棒200，则进一步说明多级超声振幅放大结构可以实现挤压芯棒200轴向超声振幅的放大。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种孔挤压强化装置，其特征在于，包括：

超声换能器(100)；

挤压芯棒(200)，所述挤压芯棒(200)包括导向段(210)，所述导向段(210)上设置有工作环(220)，所述工作环(220)的直径大于所述导向段(210)的直径，所述工作环(220)的直径大于待挤压孔的孔径，所述挤压芯棒(200)与所述超声换能器(100)可拆卸连接，待挤压件(10)能够在所述超声换能器(100)的作用下经所述导向段(210)移动至所述工作环(220)。

2.根据权利要求1所述的孔挤压强化装置，其特征在于，所述超声换能器(100)与所述挤压芯棒(200)之间设置有振幅放大器(300)，所述挤压芯棒(200)与所述振幅放大器(300)可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的孔挤压强化装置，其特征在于，所述振幅放大器(300)与所述挤压芯棒(200)螺纹连接。

4.根据权利要求2所述的孔挤压强化装置，其特征在于，所述振幅放大器(300)与所述超声换能器(100)可拆卸连接。

5.根据权利要求2所述的孔挤压强化装置，其特征在于，所述振幅放大器(300)与所述超声换能器(100)螺纹连接。

6.根据权利要求2所述的孔挤压强化装置，其特征在于，所述振幅放大器(300)包括放大器主体和环状凸肋(310)，所述环状凸肋(310)套设于所述放大器主体上。

7.根据权利要求6所述的孔挤压强化装置，其特征在于，所述环状凸肋(310)的数量为多个，多个所述环状凸肋(310)沿所述放大器主体的轴向间隔设置。

8.根据权利要求1所述的孔挤压强化装置，其特征在于，所述超声换能器(100)包括前端盖(110)、后端盖(120)、压电陶瓷片(130)和连接轴(140)，所述压电陶瓷片(130)套设于所述连接轴(140)上，所述前端盖(110)与所述后端盖(120)分别设置在所述连接轴(140)的两端。

9.根据权利要求8所述的孔挤压强化装置，其特征在于，所述连接轴(140)上设置有外螺纹，所述后端盖(120)上设置有内螺纹，所述连接轴(140)与所述后端盖(120)螺纹连接。

10.根据权利要求8所述的孔挤压强化装置，其特征在于，所述压电陶瓷片(130)的数量设置有多个，多个所述压电陶瓷片(130)沿所述连接轴(140)的轴向层叠设置。

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