一種結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，屬于機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域。該方法是以摩擦擠壓頭作為摩擦擠壓強(qiáng)化工具，在摩擦擠壓頭與連接孔間保持0.02～1mm擠壓過盈量的條件下，將摩擦擠壓頭旋轉(zhuǎn)并勻速插入結(jié)構(gòu)件上連接孔內(nèi)，然后靜止旋轉(zhuǎn)2～5s后拔出；摩擦擠壓頭的旋轉(zhuǎn)速度為100～1000rpm，插入速度為0.1～2mm/s，拔出速度為0.3～2mm/s；上述過程中在孔壁面附近形成殘余壓應(yīng)力，同時(shí)孔壁面附近的材料發(fā)生塑性流動(dòng)，并產(chǎn)生晶格畸變，位錯(cuò)密度增加，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化。本發(fā)明主要用于航空、航天、列車及船舶等工業(yè)中重要結(jié)構(gòu)件連接孔的強(qiáng)化。
【專利說明】
一種結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，主要用于航空、航天、列車及船舶等工業(yè)中重要結(jié)構(gòu)件連接孔的強(qiáng)化。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，飛機(jī)因發(fā)生故障而損毀的事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅到人們的生命安全。在飛機(jī)的各種故障中，機(jī)體損傷已占到總故障數(shù)量的30%以上。因此，飛機(jī)的總壽命主要決定于機(jī)體壽命。疲勞破壞是飛機(jī)機(jī)體喪失工作能力的根本原因，其中75?80%的疲勞破壞發(fā)生在機(jī)體結(jié)構(gòu)的連接部位。目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)件采用的主要連接手段仍然是機(jī)械連接，一架大型飛機(jī)上大約有150?200萬個(gè)連接件，只有解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的連接疲勞壽命問題，才能保證飛機(jī)的高壽命，進(jìn)而保證飛機(jī)使用的安全性和經(jīng)濟(jì)性。除了航空領(lǐng)域外，航天、列車及船舶等領(lǐng)域也面臨著同樣的問題。
[0003]—般來說，工藝因素往往是保證連接結(jié)構(gòu)具有高壽命的決定因素，包括連接孔的尺寸精度與表面質(zhì)量。在尺寸精度得到保證的前提下，連接孔的表面質(zhì)量是影響連接件疲勞壽命的主要因素?？椎谋砻尜|(zhì)量包括表面粗糙度、表面顯微組織與硬度、冷作硬化及殘余應(yīng)力層深度等。在加工過程中，即使加工精度很高，刀具也總會(huì)在孔的內(nèi)表面留下切削痕跡，這些刀痕所形成的高低不平的波紋會(huì)降低結(jié)構(gòu)連接件的強(qiáng)度。此外，對(duì)于航空、航天鋁合金及鈦合金等材料的壁板而言，一般是通過乳制工藝加工而成，材料內(nèi)部分布著均勻的縱向流線，如果在壁板表面加工圓孔，就不可避免地切斷材料流線，孔的邊緣形成薄弱地帶，在結(jié)構(gòu)服役過程中，易在該處萌生裂紋、擴(kuò)展、甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂。因此，需要對(duì)重要部位結(jié)構(gòu)件連接孔進(jìn)行有效強(qiáng)化。
[0004]目前，結(jié)構(gòu)件連接孔的主要強(qiáng)化技術(shù)有冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)、機(jī)械噴丸強(qiáng)化技術(shù)、干涉配合連接技術(shù)及滾壓強(qiáng)化技術(shù)。其中，冷擠壓和機(jī)械噴丸是目前國內(nèi)外廣泛用于結(jié)構(gòu)抗疲勞斷裂設(shè)計(jì)的行之有效的兩種強(qiáng)化技術(shù)。
[0005]冷擠壓強(qiáng)化可以分為芯棒冷擠壓和開縫襯套冷擠壓。傳統(tǒng)的冷擠壓工藝使用過盈芯棒直接擠壓孔壁，雖然工藝簡(jiǎn)單，但是會(huì)造成孔端翻邊，并嚴(yán)重?fù)p傷孔表面。開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)克服了傳統(tǒng)技術(shù)的不足，其在孔壁與芯棒間增加了一個(gè)開縫的襯套，用芯棒擠壓襯套，襯套再對(duì)孔壁進(jìn)行擠壓，從而克服了芯棒直接擠壓造成的孔壁軸向擦傷及孔角突起的弊病，已在多種結(jié)構(gòu)上得到了成功應(yīng)用，是目前制造業(yè)中最先進(jìn)的孔強(qiáng)化技術(shù)之一。然而開縫襯套擠壓工藝相對(duì)復(fù)雜，每次強(qiáng)化都需消耗一個(gè)開縫襯套，而且在強(qiáng)化后襯套開縫處為拉應(yīng)力狀態(tài)，會(huì)促進(jìn)裂紋的萌生與擴(kuò)展。此外，經(jīng)開縫襯套冷擠壓后，在孔壁會(huì)留下一道線狀凸臺(tái)，需經(jīng)鉸孔才能保證孔壁面的機(jī)械要求，但鉸削對(duì)孔周的殘余應(yīng)力分布會(huì)產(chǎn)生較大的影響。機(jī)械噴丸強(qiáng)化工藝復(fù)雜，孔徑小時(shí)，難以對(duì)孔的內(nèi)表面強(qiáng)化，而且受操作空間限制，很多關(guān)鍵部位的連接孔無法得到有效強(qiáng)化。特別是對(duì)于較小尺寸的連接孔來說，冷擠壓與機(jī)械噴丸都很困難，強(qiáng)化效果也不理想。
[0006]滾壓強(qiáng)化也是一種常用的孔強(qiáng)化技術(shù)，根據(jù)滾壓元件形狀的不同，可以分為滾珠式、滾輪式和滾柱式。通常滾輪式滾壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，剛性較好，滾壓變形區(qū)域及滾壓力均較大，然而這種滾壓器僅適合于滾壓較大直徑的孔；而滾珠式與滾柱式滾壓，兩者變形區(qū)域較小，一般適用于中小直徑的孔，然而其相應(yīng)滾壓器的結(jié)構(gòu)和操作也更加復(fù)雜。
[0007]隨著高功率激光器的研制和工程化應(yīng)用的不斷發(fā)展，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)以它無污染、易控制、強(qiáng)化效果顯著等優(yōu)點(diǎn)有著巨大的應(yīng)用前景。在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)將在提高結(jié)構(gòu)抗疲勞性能、全壽命周期中的可靠性，尤其是在小孔的強(qiáng)化方面，發(fā)揮不可替代的作用。然而，激光沖擊強(qiáng)化的技術(shù)成本太高，而且工藝復(fù)雜，目前，僅作為其它強(qiáng)化技術(shù)的補(bǔ)充。
[0008]綜上，現(xiàn)有的孔強(qiáng)化技術(shù)存在著強(qiáng)化效果不理想、操作繁瑣、效率低、適用范圍窄及成本高等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有孔強(qiáng)化技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，該方法不僅可以增強(qiáng)孔周邊材料抗裂紋萌生與擴(kuò)展的能力；而且能夠消除鉆孔時(shí)產(chǎn)生的壁面劃痕，提高孔的壁面質(zhì)量。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，效率高，適用范圍廣，成本低。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0011]—種結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，該方法是以摩擦擠壓頭作為摩擦擠壓強(qiáng)化工具，在摩擦擠壓頭與連接孔間保持0.02?1_擠壓過盈量的條件下，將摩擦擠壓頭旋轉(zhuǎn)并勻速插入結(jié)構(gòu)件上連接孔內(nèi)，然后靜止旋轉(zhuǎn)2?5s后拔出；其中:摩擦擠壓頭的旋轉(zhuǎn)速度為100?lOOOrpm，插入結(jié)構(gòu)件上連接孔內(nèi)的插入速度為0.1?2mm/s，從連接孔內(nèi)拔出的速度為0.3?2mm/s ;上述過程中在孔壁面附近形成殘余壓應(yīng)力，同時(shí)孔壁面附近的材料發(fā)生塑性流動(dòng)，并產(chǎn)生晶格畸變，位錯(cuò)密度增加，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化。
[0012]該方法中所用摩擦擠壓頭包括圓柱段和圓臺(tái)端，圓柱段與圓臺(tái)端的連接處為平滑過渡。
[0013]該方法具體包括如下步驟:
[0014](I)定位對(duì)中:將摩擦擠壓頭對(duì)準(zhǔn)連接孔，保證摩擦擠壓頭的軸線與連接孔的軸線重合。
[0015](2)旋轉(zhuǎn)插入:將摩擦擠壓頭以設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)，再將旋轉(zhuǎn)著的摩擦擠壓頭沿連接孔的軸線方向插入孔內(nèi)。
[0016](3)靜止旋轉(zhuǎn):當(dāng)摩擦擠壓頭完全插入連接孔內(nèi)(指連接孔內(nèi)都為摩擦擠壓頭的圓柱段時(shí))，停止插入，并保持摩擦擠壓頭繼續(xù)靜止旋轉(zhuǎn)所需時(shí)間；所述靜止旋轉(zhuǎn)是指摩擦擠壓頭僅作繞其軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0017](4)旋轉(zhuǎn)拔出:將旋轉(zhuǎn)著的摩擦擠壓頭沿孔的軸線方向從孔內(nèi)拔出。
[0018]在上述強(qiáng)化過程中，所述擠壓過盈量是指摩擦擠壓頭的圓柱段與連接孔之間的半徑過盈量，即單面過盈量。
[0019]所述結(jié)構(gòu)件連接孔處的材料為鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金、鈦、鈦合金、高溫合金、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、超高強(qiáng)度鋼或不銹鋼。
[0020]所述連接孔在強(qiáng)化處理前的尺寸為:孔徑3?100mm，深度I?30mm ;摩擦擠壓頭圓柱段的長(zhǎng)度應(yīng)大于連接孔的深度。
[0021]所述摩擦擠壓頭的硬度應(yīng)大于連接孔處材料的硬度，摩擦擠壓頭的表面粗糙度Ra < 0.2 μ m。
[0022]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0023]1、本發(fā)明為結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，該方法是以摩擦擠壓頭作為摩擦擠壓強(qiáng)化工具，在摩擦擠壓頭與連接孔間保持0.02?Imm擠壓過盈量的條件下，將摩擦擠壓頭旋轉(zhuǎn)并勻速插入結(jié)構(gòu)件上連接孔內(nèi)對(duì)其進(jìn)行摩擦擠壓強(qiáng)化；該過程中，在摩擦擠壓頭的擠壓作用下，孔壁面附近形成殘余壓應(yīng)力，在服役條件下可以抵消部分拉應(yīng)力，改善孔周圍的應(yīng)力環(huán)境。在摩擦擠壓頭的旋轉(zhuǎn)摩擦作用下，孔壁面附近的材料發(fā)生塑性流動(dòng)，并產(chǎn)生晶格畸變，位錯(cuò)密度增加。以上兩方面共同作用增強(qiáng)了孔周邊材料抗裂紋萌生與擴(kuò)展的能力。
[0024]2、本發(fā)明中摩擦擠壓頭的旋轉(zhuǎn)摩擦作用還能夠消除鉆孔時(shí)產(chǎn)生的壁面劃痕，提高孔的壁面質(zhì)量。
[0025]3、本發(fā)明通過控制摩擦擠壓頭轉(zhuǎn)速、插入速度、靜止旋轉(zhuǎn)時(shí)間及拔出速度，并與適當(dāng)?shù)臄D壓過盈量(0.02?Imm)相配合，可以使連接孔壁面附近材料的溫度達(dá)到50?100°C，從而使材料產(chǎn)生一定程度的軟化，與冷擠壓強(qiáng)化相比，摩擦擠壓頭插入時(shí)需要的下壓力更小，消耗的能量更少，成本更低。
[0026]4、本發(fā)明強(qiáng)化方法中，摩擦擠壓頭可以安裝在通用的機(jī)床主軸上使用；也可以是工業(yè)上常用的機(jī)器人手臂。因此，與現(xiàn)有的孔強(qiáng)化技術(shù)相比，該方法更加靈活，其適用范圍更廣。
[0027]5、本發(fā)明強(qiáng)化方法不需要額外的輔助器材，如冷擠壓強(qiáng)化時(shí)需要襯套，而且操作步驟簡(jiǎn)單，效率高，適用于多種金屬材料孔的強(qiáng)化。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法的基本原理；其中:(a)強(qiáng)化前；(b)旋轉(zhuǎn)插入及靜止旋轉(zhuǎn)；(c)旋轉(zhuǎn)拔出。
[0029]圖2是本發(fā)明采用的摩擦擠壓頭結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖3是摩擦擠壓強(qiáng)化前后連接孔的對(duì)比照片；其中:(a)強(qiáng)化前；(b)強(qiáng)化后。
[0031]圖4是摩擦擠壓強(qiáng)化后連接孔壁周圍的殘余應(yīng)力分布；其中:(b)為(a)中區(qū)域A的殘余應(yīng)力分布情況。
[0032]圖中:1_連接孔；2_摩擦擠壓頭；21_圓臺(tái)端；22_圓柱段；3_結(jié)構(gòu)件母板。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0034]本發(fā)明為結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，該方法是以摩擦擠壓頭2作為摩擦擠壓強(qiáng)化工具進(jìn)行操作，所用摩擦擠壓頭2為圓柱狀工具，包括圓柱段22和圓臺(tái)端21，圓柱段22與圓臺(tái)端21的連接處為平滑過渡，如圖2所示。
[0035]本發(fā)明摩擦擠壓強(qiáng)化方法原理如圖1 (a) - (c)，結(jié)構(gòu)件母板3上具有連接孔I，在摩擦擠壓頭2與連接孔I間保持0.02?1_擠壓過盈量的條件下，將摩擦擠壓頭2旋轉(zhuǎn)并勻速插入結(jié)構(gòu)件上連接孔I內(nèi)，然后靜止旋轉(zhuǎn)2?5s后拔出；其中:摩擦擠壓頭2的旋轉(zhuǎn)速度為100?lOOOrpm，插入結(jié)構(gòu)件上連接孔I內(nèi)的插入速度為0.1?2mm/s，從連接孔I內(nèi)拔出的速度為0.3?2mm/s ;經(jīng)上述強(qiáng)化處理后，一方面，在摩擦擠壓頭2的擠壓作用下，連接孔I壁面附近形成殘余壓應(yīng)力，在服役條件下可以抵消部分拉應(yīng)力，改善連接孔I周圍的應(yīng)力環(huán)境；另一方面，在摩擦擠壓頭2的旋轉(zhuǎn)摩擦作用下，孔I壁面附近的材料發(fā)生塑性流動(dòng)，并產(chǎn)生晶格畸變，位錯(cuò)密度增加。以上兩方面共同作用增強(qiáng)了連接孔I周邊材料抗裂紋萌生與擴(kuò)展的能力。此外，摩擦擠壓頭2的旋轉(zhuǎn)摩擦作用還能夠消除鉆孔I時(shí)產(chǎn)生的壁面劃痕，提高連接孔I的壁面質(zhì)量。
[0036]實(shí)施例1
[0037]本實(shí)施例是對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)件上的連接孔進(jìn)行摩擦擠壓強(qiáng)化處理，其中，母板為2mm厚的7B04鋁合金薄板，連接孔強(qiáng)化前孔徑為5.6mm。摩擦擠壓頭材料選擇In718合金，其硬度值遠(yuǎn)大于7B04鋁合金的硬度，摩擦擠壓頭圓柱段的直徑為6_、圓柱段長(zhǎng)度為5_，摩擦擠壓頭的表面粗糙度Ra值為0.2 μ m，單面擠壓過盈量為0.2mm。具體強(qiáng)化處理過程如下:
[0038]步驟一:定位對(duì)中。將摩擦擠壓頭對(duì)準(zhǔn)連接孔，保證摩擦擠壓頭的軸線與連接孔的軸線重合。
[0039]步驟二:旋轉(zhuǎn)插入。將摩擦擠壓頭以10rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，再將旋轉(zhuǎn)著的摩擦擠壓頭以0.5mm/s速度插入連接孔。
[0040]步驟三:靜止旋轉(zhuǎn)。當(dāng)摩擦擠壓頭的圓臺(tái)端完全伸出連接孔時(shí)，停止插入，并保持摩擦擠壓頭繼續(xù)以10rpm的轉(zhuǎn)速靜止旋轉(zhuǎn)2s。
[0041]步驟四:旋轉(zhuǎn)拔出。將摩擦擠壓頭以0.5mm/s速度從連接孔內(nèi)拔出。
[0042]本實(shí)施例中，擠壓過盈量、摩擦擠壓頭轉(zhuǎn)速、插入速度、靜止旋轉(zhuǎn)時(shí)間以及拔出速度相配合可以使連接孔I壁面附近材料的溫度達(dá)到約70°C。
[0043]圖3所示是摩擦擠壓強(qiáng)化前后連接孔的對(duì)比照片，從圖中可以看到，強(qiáng)化處理后，孔的壁面更為光潔，壁面質(zhì)量更好。
[0044]結(jié)構(gòu)件上連接孔在強(qiáng)化處理前，孔壁周圍并不具有應(yīng)力，本實(shí)施例對(duì)其進(jìn)行摩擦擠壓強(qiáng)化后孔壁周圍出現(xiàn)殘余應(yīng)力，分布情況如圖4所示?？梢钥吹?，孔壁附近絕大部分區(qū)域?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力，在服役條件下能夠抵消部分拉應(yīng)力，從而改善孔周圍的應(yīng)力環(huán)境，增強(qiáng)其抗裂紋萌生與擴(kuò)展的能力，提高孔的服役壽命。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，其特征在于:該方法是以摩擦擠壓頭作為摩擦擠壓強(qiáng)化工具，在摩擦擠壓頭與連接孔間保持0.02?1_擠壓過盈量的條件下，將摩擦擠壓頭旋轉(zhuǎn)并勻速插入結(jié)構(gòu)件上連接孔內(nèi)，然后靜止旋轉(zhuǎn)2?5s后拔出；其中:摩擦擠壓頭的旋轉(zhuǎn)速度為100?lOOOrpm，插入結(jié)構(gòu)件上連接孔內(nèi)的插入速度為0.1?2mm/s，從連接孔內(nèi)拔出的速度為0.3?2mm/s。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，其特征在于:所述摩擦擠壓頭包括圓柱段和圓臺(tái)端，圓柱段與圓臺(tái)端的連接處為平滑過渡。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，其特征在于:該方法具體包括如下步驟: (1)定位對(duì)中:將摩擦擠壓頭對(duì)準(zhǔn)連接孔，保證摩擦擠壓頭的軸線與連接孔的軸線重合； (2)旋轉(zhuǎn)插入:將摩擦擠壓頭以設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)，再將旋轉(zhuǎn)著的摩擦擠壓頭沿連接孔的軸線方向插入孔內(nèi)； (3)靜止旋轉(zhuǎn):當(dāng)摩擦擠壓頭完全插入連接孔內(nèi)時(shí)，停止插入，并保持摩擦擠壓頭繼續(xù)靜止旋轉(zhuǎn)所需時(shí)間； (4)旋轉(zhuǎn)拔出:將旋轉(zhuǎn)著的摩擦擠壓頭沿孔的軸線方向從孔內(nèi)拔出。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，其特征在于:所述擠壓過盈量是指摩擦擠壓頭的圓柱段與連接孔之間的半徑過盈量，即單面過盈量。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，其特征在于:所述結(jié)構(gòu)件連接孔處的材料為鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金、鈦、鈦合金、高溫合金、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、超高強(qiáng)度鋼或不銹鋼。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，其特征在于:所述連接孔在強(qiáng)化處理前的尺寸為:孔徑3?100mm，深度I?30mmo7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，其特征在于:摩擦擠壓頭圓柱段的長(zhǎng)度應(yīng)大于連接孔的深度。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強(qiáng)化方法，其特征在于:所述摩擦擠壓頭的硬度應(yīng)大于連接孔處材料的硬度，摩擦擠壓頭表面粗糙度Ra < 0.2 μπι。
【文檔編號(hào)】B23P9/02GK105855791SQ201510026828
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年1月19日
【發(fā)明人】王敏, 朱智, 張會(huì)杰, 于濤, 張驍, 楊廣新, 蘇琳
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所