一种结构件连接孔的摩擦挤压强化方法
【专利摘要】本发明公开了一种结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，属于机械加工技术领域。该方法是以摩擦挤压头作为摩擦挤压强化工具，在摩擦挤压头与连接孔间保持0.02～1mm挤压过盈量的条件下，将摩擦挤压头旋转并匀速插入结构件上连接孔内，然后静止旋转2～5s后拔出；摩擦挤压头的旋转速度为100～1000rpm，插入速度为0.1～2mm/s，拔出速度为0.3～2mm/s；上述过程中在孔壁面附近形成残余压应力，同时孔壁面附近的材料发生塑性流动，并产生晶格畸变，位错密度增加，从而实现对结构件连接孔的摩擦挤压强化。本发明主要用于航空、航天、列车及船舶等工业中重要结构件连接孔的强化。
【专利说明】
一种结构件连接孔的摩擦挤压强化方法
技术领域
[0001]本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，主要用于航空、航天、列车及船舶等工业中重要结构件连接孔的强化。
【背景技术】
[0002]近些年来，飞机因发生故障而损毁的事故时有发生，严重威胁到人们的生命安全。在飞机的各种故障中，机体损伤已占到总故障数量的30%以上。因此，飞机的总寿命主要决定于机体寿命。疲劳破坏是飞机机体丧失工作能力的根本原因，其中75?80%的疲劳破坏发生在机体结构的连接部位。目前飞机结构件采用的主要连接手段仍然是机械连接，一架大型飞机上大约有150?200万个连接件，只有解决飞机结构件的连接疲劳寿命问题，才能保证飞机的高寿命，进而保证飞机使用的安全性和经济性。除了航空领域外，航天、列车及船舶等领域也面临着同样的问题。
[0003]—般来说，工艺因素往往是保证连接结构具有高寿命的决定因素，包括连接孔的尺寸精度与表面质量。在尺寸精度得到保证的前提下，连接孔的表面质量是影响连接件疲劳寿命的主要因素。孔的表面质量包括表面粗糙度、表面显微组织与硬度、冷作硬化及残余应力层深度等。在加工过程中，即使加工精度很高，刀具也总会在孔的内表面留下切削痕迹，这些刀痕所形成的高低不平的波纹会降低结构连接件的强度。此外，对于航空、航天铝合金及钛合金等材料的壁板而言，一般是通过乳制工艺加工而成，材料内部分布着均匀的纵向流线，如果在壁板表面加工圆孔，就不可避免地切断材料流线，孔的边缘形成薄弱地带，在结构服役过程中，易在该处萌生裂纹、扩展、甚至发生结构断裂。因此，需要对重要部位结构件连接孔进行有效强化。
[0004]目前，结构件连接孔的主要强化技术有冷挤压强化技术、机械喷丸强化技术、干涉配合连接技术及滚压强化技术。其中，冷挤压和机械喷丸是目前国内外广泛用于结构抗疲劳断裂设计的行之有效的两种强化技术。
[0005]冷挤压强化可以分为芯棒冷挤压和开缝衬套冷挤压。传统的冷挤压工艺使用过盈芯棒直接挤压孔壁，虽然工艺简单，但是会造成孔端翻边，并严重损伤孔表面。开缝衬套冷挤压强化技术克服了传统技术的不足，其在孔壁与芯棒间增加了一个开缝的衬套，用芯棒挤压衬套，衬套再对孔壁进行挤压，从而克服了芯棒直接挤压造成的孔壁轴向擦伤及孔角突起的弊病，已在多种结构上得到了成功应用，是目前制造业中最先进的孔强化技术之一。然而开缝衬套挤压工艺相对复杂，每次强化都需消耗一个开缝衬套，而且在强化后衬套开缝处为拉应力状态，会促进裂纹的萌生与扩展。此外，经开缝衬套冷挤压后，在孔壁会留下一道线状凸台，需经铰孔才能保证孔壁面的机械要求，但铰削对孔周的残余应力分布会产生较大的影响。机械喷丸强化工艺复杂，孔径小时，难以对孔的内表面强化，而且受操作空间限制，很多关键部位的连接孔无法得到有效强化。特别是对于较小尺寸的连接孔来说，冷挤压与机械喷丸都很困难，强化效果也不理想。
[0006]滚压强化也是一种常用的孔强化技术，根据滚压元件形状的不同，可以分为滚珠式、滚轮式和滚柱式。通常滚轮式滚压器结构简单，易于制造，刚性较好，滚压变形区域及滚压力均较大，然而这种滚压器仅适合于滚压较大直径的孔；而滚珠式与滚柱式滚压，两者变形区域较小，一般适用于中小直径的孔，然而其相应滚压器的结构和操作也更加复杂。
[0007]随着高功率激光器的研制和工程化应用的不断发展，激光冲击强化技术以它无污染、易控制、强化效果显著等优点有着巨大的应用前景。在飞机设计制造中，激光冲击强化技术将在提高结构抗疲劳性能、全寿命周期中的可靠性，尤其是在小孔的强化方面，发挥不可替代的作用。然而，激光冲击强化的技术成本太高，而且工艺复杂，目前，仅作为其它强化技术的补充。
[0008]综上，现有的孔强化技术存在着强化效果不理想、操作繁琐、效率低、适用范围窄及成本高等问题。
【发明内容】
[0009]针对现有孔强化技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，该方法不仅可以增强孔周边材料抗裂纹萌生与扩展的能力；而且能够消除钻孔时产生的壁面划痕，提高孔的壁面质量。本发明操作简单，效率高，适用范围广，成本低。
[0010]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0011]—种结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，该方法是以摩擦挤压头作为摩擦挤压强化工具，在摩擦挤压头与连接孔间保持0.02?1_挤压过盈量的条件下，将摩擦挤压头旋转并匀速插入结构件上连接孔内，然后静止旋转2?5s后拔出；其中:摩擦挤压头的旋转速度为100?lOOOrpm，插入结构件上连接孔内的插入速度为0.1?2mm/s，从连接孔内拔出的速度为0.3?2mm/s ;上述过程中在孔壁面附近形成残余压应力，同时孔壁面附近的材料发生塑性流动，并产生晶格畸变，位错密度增加，从而实现对结构件连接孔的摩擦挤压强化。
[0012]该方法中所用摩擦挤压头包括圆柱段和圆台端，圆柱段与圆台端的连接处为平滑过渡。
[0013]该方法具体包括如下步骤:
[0014](I)定位对中:将摩擦挤压头对准连接孔，保证摩擦挤压头的轴线与连接孔的轴线重合。
[0015](2)旋转插入:将摩擦挤压头以设定的速度旋转，再将旋转着的摩擦挤压头沿连接孔的轴线方向插入孔内。
[0016](3)静止旋转:当摩擦挤压头完全插入连接孔内(指连接孔内都为摩擦挤压头的圆柱段时)，停止插入，并保持摩擦挤压头继续静止旋转所需时间；所述静止旋转是指摩擦挤压头仅作绕其轴线的旋转运动。
[0017](4)旋转拔出:将旋转着的摩擦挤压头沿孔的轴线方向从孔内拔出。
[0018]在上述强化过程中，所述挤压过盈量是指摩擦挤压头的圆柱段与连接孔之间的半径过盈量，即单面过盈量。
[0019]所述结构件连接孔处的材料为铝、铝合金、镁、镁合金、铜、铜合金、钛、钛合金、高温合金、碳素结构钢、合金结构钢、超高强度钢或不锈钢。
[0020]所述连接孔在强化处理前的尺寸为:孔径3?100mm，深度I?30mm ;摩擦挤压头圆柱段的长度应大于连接孔的深度。
[0021]所述摩擦挤压头的硬度应大于连接孔处材料的硬度，摩擦挤压头的表面粗糙度Ra < 0.2 μ m。
[0022]本发明具有以下优点及有益效果:
[0023]1、本发明为结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，该方法是以摩擦挤压头作为摩擦挤压强化工具，在摩擦挤压头与连接孔间保持0.02?Imm挤压过盈量的条件下，将摩擦挤压头旋转并匀速插入结构件上连接孔内对其进行摩擦挤压强化；该过程中，在摩擦挤压头的挤压作用下，孔壁面附近形成残余压应力，在服役条件下可以抵消部分拉应力，改善孔周围的应力环境。在摩擦挤压头的旋转摩擦作用下，孔壁面附近的材料发生塑性流动，并产生晶格畸变，位错密度增加。以上两方面共同作用增强了孔周边材料抗裂纹萌生与扩展的能力。
[0024]2、本发明中摩擦挤压头的旋转摩擦作用还能够消除钻孔时产生的壁面划痕，提高孔的壁面质量。
[0025]3、本发明通过控制摩擦挤压头转速、插入速度、静止旋转时间及拔出速度，并与适当的挤压过盈量(0.02?Imm)相配合，可以使连接孔壁面附近材料的温度达到50?100°C，从而使材料产生一定程度的软化，与冷挤压强化相比，摩擦挤压头插入时需要的下压力更小，消耗的能量更少，成本更低。
[0026]4、本发明强化方法中，摩擦挤压头可以安装在通用的机床主轴上使用；也可以是工业上常用的机器人手臂。因此，与现有的孔强化技术相比，该方法更加灵活，其适用范围更广。
[0027]5、本发明强化方法不需要额外的辅助器材，如冷挤压强化时需要衬套，而且操作步骤简单，效率高，适用于多种金属材料孔的强化。
【附图说明】
[0028]图1是本发明结构件连接孔的摩擦挤压强化方法的基本原理；其中:(a)强化前；(b)旋转插入及静止旋转；(c)旋转拔出。
[0029]图2是本发明采用的摩擦挤压头结构示意图。
[0030]图3是摩擦挤压强化前后连接孔的对比照片；其中:(a)强化前；(b)强化后。
[0031]图4是摩擦挤压强化后连接孔壁周围的残余应力分布；其中:(b)为(a)中区域A的残余应力分布情况。
[0032]图中:1_连接孔；2_摩擦挤压头；21_圆台端；22_圆柱段；3_结构件母板。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0034]本发明为结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，该方法是以摩擦挤压头2作为摩擦挤压强化工具进行操作，所用摩擦挤压头2为圆柱状工具，包括圆柱段22和圆台端21，圆柱段22与圆台端21的连接处为平滑过渡，如图2所示。
[0035]本发明摩擦挤压强化方法原理如图1 (a) - (c)，结构件母板3上具有连接孔I，在摩擦挤压头2与连接孔I间保持0.02?1_挤压过盈量的条件下，将摩擦挤压头2旋转并匀速插入结构件上连接孔I内，然后静止旋转2?5s后拔出；其中:摩擦挤压头2的旋转速度为100?lOOOrpm，插入结构件上连接孔I内的插入速度为0.1?2mm/s，从连接孔I内拔出的速度为0.3?2mm/s ;经上述强化处理后，一方面，在摩擦挤压头2的挤压作用下，连接孔I壁面附近形成残余压应力，在服役条件下可以抵消部分拉应力，改善连接孔I周围的应力环境；另一方面，在摩擦挤压头2的旋转摩擦作用下，孔I壁面附近的材料发生塑性流动，并产生晶格畸变，位错密度增加。以上两方面共同作用增强了连接孔I周边材料抗裂纹萌生与扩展的能力。此外，摩擦挤压头2的旋转摩擦作用还能够消除钻孔I时产生的壁面划痕，提高连接孔I的壁面质量。
[0036]实施例1
[0037]本实施例是对铝合金结构件上的连接孔进行摩擦挤压强化处理，其中，母板为2mm厚的7B04铝合金薄板，连接孔强化前孔径为5.6mm。摩擦挤压头材料选择In718合金，其硬度值远大于7B04铝合金的硬度，摩擦挤压头圆柱段的直径为6_、圆柱段长度为5_，摩擦挤压头的表面粗糙度Ra值为0.2 μ m，单面挤压过盈量为0.2mm。具体强化处理过程如下:
[0038]步骤一:定位对中。将摩擦挤压头对准连接孔，保证摩擦挤压头的轴线与连接孔的轴线重合。
[0039]步骤二:旋转插入。将摩擦挤压头以10rpm的转速旋转，再将旋转着的摩擦挤压头以0.5mm/s速度插入连接孔。
[0040]步骤三:静止旋转。当摩擦挤压头的圆台端完全伸出连接孔时，停止插入，并保持摩擦挤压头继续以10rpm的转速静止旋转2s。
[0041]步骤四:旋转拔出。将摩擦挤压头以0.5mm/s速度从连接孔内拔出。
[0042]本实施例中，挤压过盈量、摩擦挤压头转速、插入速度、静止旋转时间以及拔出速度相配合可以使连接孔I壁面附近材料的温度达到约70°C。
[0043]图3所示是摩擦挤压强化前后连接孔的对比照片，从图中可以看到，强化处理后，孔的壁面更为光洁，壁面质量更好。
[0044]结构件上连接孔在强化处理前，孔壁周围并不具有应力，本实施例对其进行摩擦挤压强化后孔壁周围出现残余应力，分布情况如图4所示。可以看到，孔壁附近绝大部分区域为残余压应力，在服役条件下能够抵消部分拉应力，从而改善孔周围的应力环境，增强其抗裂纹萌生与扩展的能力，提高孔的服役寿命。
【主权项】
1.一种结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，其特征在于:该方法是以摩擦挤压头作为摩擦挤压强化工具，在摩擦挤压头与连接孔间保持0.02?1_挤压过盈量的条件下，将摩擦挤压头旋转并匀速插入结构件上连接孔内，然后静止旋转2?5s后拔出；其中:摩擦挤压头的旋转速度为100?lOOOrpm，插入结构件上连接孔内的插入速度为0.1?2mm/s，从连接孔内拔出的速度为0.3?2mm/s。2.根据权利要求1所述的结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，其特征在于:所述摩擦挤压头包括圆柱段和圆台端，圆柱段与圆台端的连接处为平滑过渡。3.根据权利要求1或2所述的结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，其特征在于:该方法具体包括如下步骤: (1)定位对中:将摩擦挤压头对准连接孔，保证摩擦挤压头的轴线与连接孔的轴线重合； (2)旋转插入:将摩擦挤压头以设定的速度旋转，再将旋转着的摩擦挤压头沿连接孔的轴线方向插入孔内； (3)静止旋转:当摩擦挤压头完全插入连接孔内时，停止插入，并保持摩擦挤压头继续静止旋转所需时间； (4)旋转拔出:将旋转着的摩擦挤压头沿孔的轴线方向从孔内拔出。4.根据权利要求3所述的结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，其特征在于:所述挤压过盈量是指摩擦挤压头的圆柱段与连接孔之间的半径过盈量，即单面过盈量。5.根据权利要求1所述的结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，其特征在于:所述结构件连接孔处的材料为铝、铝合金、镁、镁合金、铜、铜合金、钛、钛合金、高温合金、碳素结构钢、合金结构钢、超高强度钢或不锈钢。6.根据权利要求3所述的结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，其特征在于:所述连接孔在强化处理前的尺寸为:孔径3?100mm，深度I?30mmo7.根据权利要求3所述的结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，其特征在于:摩擦挤压头圆柱段的长度应大于连接孔的深度。8.根据权利要求1所述的结构件连接孔的摩擦挤压强化方法，其特征在于:所述摩擦挤压头的硬度应大于连接孔处材料的硬度，摩擦挤压头表面粗糙度Ra < 0.2 μπι。
【文档编号】B23P9/02GK105855791SQ201510026828
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月19日
【发明人】王敏, 朱智, 张会杰, 于涛, 张骁, 杨广新, 苏琳
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所