[发明专利]可变径旋转冷挤压强化工艺装置

说明书

本发明提供了一种可变径旋转冷挤压强化工艺装置，包括芯棒以及可滑动地套设于芯棒上且彼此固接的衬套和固定筒，衬套由多个周向排列的扇形衬套块组成，固定筒远离衬套的另一端与电机以及管路系统连接，芯棒包括锥形圆柱体和等径圆柱体，衬套的内部形成锥形通孔，每个扇形衬套块均包括本体和凸台，本体的外表面上具有排布紧密且规则的球形凸起。本发明通过衬套的表面的紧密排布的球形凸起，有利于提高所加工的内孔的疲劳寿命；且将芯棒的形状设置为具有锥形圆柱体，避免了采用方锥形芯棒磨损所造成的对挤压精度的影响；此外，将孔挤压与铰孔工艺相结合，提高所加工的内孔表面的光洁度，保证加工的连续性，进而提高了加工的精度与加工的效率。

技术领域

本发明涉及材料强化领域，具体涉及一种冷挤压强化工艺装置。

背景技术

紧固孔是飞机构件上典型的应力集中部位,在交变载荷的作用下极易产生疲劳裂纹,从而导致整机的安全性、可靠性和使用寿命都大大降低。因此,在设计、选材和制造中,如何尽可能减小紧固孔应力集中的影响,改善飞机结构的抗疲劳性能,延长使用寿命,确保飞机结构的可靠性和安全性,是设计和材料研究者的重要研究课题。

1881年H.R.赫兹最早研究了玻璃透镜在使它们相互接触的力作用下发生的弹性变形。他假设：①接触区发生小变形。②接触面呈椭圆形。③相接触的物体可被看作是弹性半空间,接触面上只作用有分布的垂直压力。凡满足以上假设的接触称为赫兹接触。当接触面附近的物体表面轮廓近似为二次抛物面,且接触面尺寸远比物体尺寸和表面的相对曲率半径小时，由赫兹理论可得到与实际相符的结果。在赫兹接触问题中,由于接触区附近的变形受周围介质的强烈约束，因而各点处于三向应力状态，且接触应力的分布呈高度局部性，随离接触面距离的增加而迅速衰减。此外，接触应力与外加压力呈非线性关系，并与材料的弹性模量和泊松比有关。

在工程实践中,通常对紧固孔进行表面强化处理来提高飞机的寿命。强化技术(fatiguelife enhancement methods,FLEM)是增强飞机疲劳寿命的措施的简称,它是指在不改变结构形式、材料,不增加结构重量的前提下,经过对结构重要部位和关键部位的强化工艺处理,而达到提高结构疲劳寿命的目的[钱晓明,姜银方,管海兵,等.飞机结构件紧固孔强化技术综述[J].机械强度,2011,33(5):749-753]。如今,紧固孔强化技术主要有冷挤压、干涉配合、滚压、机械喷丸和激光冲击强化。

孔挤压作为目前国际上应用最为广泛的连接孔强化手段，在工艺控制良好的情况下，可提高紧固孔疲劳寿命3倍以上[王燕礼,朱有利,曹强,等.孔挤压强化技术研究进展与展望[J].航空学报,2018(2):1-17]，其原理是将一个直径大于孔径、硬度高于连接孔材料的芯棒或圆球挤过连接孔，迫使孔壁材料发生弹塑性变形，在孔壁引入大深度高幅值可控残余压应力层，改善孔结构在外载荷作用下的孔边局部应力分布状态，大幅提高连接孔疲劳强度。

目前使用最广泛的孔挤压工艺包括开缝衬套挤压和开缝芯棒挤压。

其中，开缝衬套挤压工艺对孔内表面加工后，沿板的厚度方向会产生较大的应力梯度，对内孔的疲劳寿命有较大的影响，此外，开缝衬套上具有直槽，该直槽会在孔内表面产生凸脊，凸脊处产生应力集中，造成微裂纹的萌生与扩展，因此，在进行孔挤压工艺后，还需二次加工，即对内孔铰孔，以消除凸脊的影响，两道工序的不连续性降低了加工效率。