[發(fā)明專利]一種孔的拉扭耦合冷擠壓強化芯棒及其強化方法

有效

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• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111635983B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設計）人: 左楊杰;曹增強;張岐良
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學
• 主分類號: C21D7/04
• 分類號: C21D7/04;C22F1/00
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙) 51229
• 代理人: 李亞男

本發(fā)明公開了一種孔的拉扭耦合冷擠壓強化芯棒及其強化方法，包括芯棒本體；芯棒本體包括芯棒強化頭、芯棒中部和芯棒尾部；芯棒強化頭的前、后兩端均為錐形面，芯棒強化頭中間部位的外輪廓為圓柱面，圓柱面上間隔相同的圓心角沿芯棒長度方向切除圓心角對應的扇形圓柱面；芯棒中部為圓柱形，圓柱形表面開設矩形槽；芯棒尾部開設螺紋，并與拉伸裝置螺紋連接。本發(fā)明通過間隔相同的圓心角沿芯棒長度方向切除圓心角對應的扇形圓柱面，減小了強化過程中芯棒與孔壁的接觸面積50％，減小拉伸方向理論強化阻力50％，降低了高強化量、大直徑孔的冷擠壓強工藝難度，有效地解決了高強化量、大直徑孔結(jié)構(gòu)強化阻力大導致的無法強化的問題。

技術領域

本發(fā)明屬于機械加工的技術領域，具體涉及一種孔的拉扭耦合冷擠壓強化芯棒及其強化方法。

背景技術

機械連接以其工藝簡單、可靠性好、便于拆卸、傳載大等優(yōu)點在航空航天領域被廣泛應用，例如在飛機裝配制造中其占飛機連接結(jié)構(gòu)的70％以上。盡管機械連接具有諸多優(yōu)點，但機械連接孔破壞了整體結(jié)構(gòu)完整性，并造成應力集中、局部損傷等不利影響，同時引起外載荷下孔周應力分布復雜，屬于典型的結(jié)構(gòu)危險點。特別在周期載荷下，研究表明，飛行疲勞事故中，有70％以上的疲勞裂紋起始于連接部位，50％～90％的飛機疲勞源于緊固孔的疲勞破壞。因此，機械連接孔結(jié)構(gòu)的疲勞性能強化對于提升航空航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的服役可靠性意義重大。

目前，冷擠壓強化是航空航天機械連接孔結(jié)構(gòu)疲勞性能強化最主要的工藝方法之一，主要分為直接冷擠壓強化和帶襯套冷擠壓強化。通常情況下，直接冷擠壓強化通過芯棒對孔壁進行冷擠壓，迫使孔壁發(fā)生塑性變形，孔周形成有益殘余壓應力，同時孔壁材料微觀組織結(jié)構(gòu)得到改善，進而提高連接孔結(jié)構(gòu)疲勞壽命。然而，由于強化量的存在，直接強化過程中孔軸向?qū)⑿纬擅黠@的強化阻力，強化阻力導致孔壁材料沿孔軸向流動，造成孔周應力分布紊亂，同時在孔出口處形成明顯的“凸瘤”，進而演變?yōu)榈湫偷膽形ｋU點。此外，在高強化量或大直徑孔的情況下，強化阻力將導致直接冷擠壓強化無法進行甚至芯棒拉斷。帶襯套冷擠壓強化(如開縫襯套和壓合襯套冷擠壓強化)通過襯套過渡，避免了芯棒和孔壁直接接觸，可顯著減小孔壁沿孔軸向流動，但仍然不能解決強化方向上強化阻力過大的難題，且襯套制造工藝要求苛刻，襯套價格十分昂貴。

為了避免使用襯套，專利號為201510026586.3的發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)件連接孔的摩擦擠壓強化工具和方法，該發(fā)明將摩擦擠壓頭旋轉(zhuǎn)并勻速插入連接孔內(nèi)，然后靜止旋轉(zhuǎn)2～5s后拔出。該方法可在孔壁面附近形成較均勻分布的殘余壓應力，避免了強化阻力在孔軸向引起的殘余應力紊亂，同時孔壁面附近材料產(chǎn)生晶格畸變、位錯密度增加，從而實現(xiàn)對連接孔的摩擦擠壓強化。然而，該方法亦不能減小強化阻力，在高強化量、大直徑孔中應用困難。為了減小強化阻力的不利影響，專利號為201910637084.2的發(fā)明則公開了一種旋轉(zhuǎn)式孔冷擠壓強化裝置與方法，該發(fā)明首先通過帶有螺紋的芯棒在驅(qū)動手柄的配合下沿軸向運動推動梯形擠壓塊完成孔壁的局部擠壓，然后旋轉(zhuǎn)驅(qū)動手柄一周將梯形擠壓塊的擠壓量均勻施加到孔周，解決了殘余應力在孔壁厚度方向不均的問題，提升了孔周整體的疲勞強化效果。然而，該發(fā)明因為強化裝置結(jié)構(gòu)設計的限制，可實現(xiàn)的最大強化量較低，不適合大直徑孔強化，且強化頭結(jié)構(gòu)尺寸較大，在小直徑孔結(jié)構(gòu)中應用亦存在較大局限性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術中的上述不足，提供一種孔的拉扭耦合冷擠壓強化芯棒及其強化方法，以解決高強化量、大直徑孔結(jié)構(gòu)強化阻力大導致的無法強化的問題。

為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是：

一種孔的拉扭耦合冷擠壓強化芯棒，其包括芯棒本體；芯棒本體包括芯棒強化頭、芯棒中部和芯棒尾部；芯棒強化頭的前、后兩端均為錐形面，芯棒強化頭中間部位的外輪廓為圓柱面，圓柱面上間隔相同的圓心角沿芯棒長度方向切除圓心角對應的扇形圓柱面；芯棒中部為圓柱形，圓柱形表面開設矩形槽；芯棒尾部開設螺紋，并與拉伸裝置螺紋連接。

優(yōu)選地，圓心角的角度為90°、60°、45°、36°或30°。