[发明专利]通过集中的应力波在孔周围产生有益应力的方法和装置

说明书

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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。