一种金属零件孔边r型面微挤压的抗疲劳制造装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种金属零件孔边R型面微挤压的抗疲劳制造装置。为了弥补孔的冷挤压强化过程中只是对孔壁产生强化作用，而对孔边强化作用不明显的缺点，所述抗疲劳制造装置包括分别位于试验件金属零件孔上下侧面的上、下挤压头，该上挤压头的下部和下挤压头的上部均位于金属零件孔内，且上、下挤压头均具有挤压头圆角；所述上、下挤压头上开有螺栓孔，穿过该螺栓孔的拔拉螺栓与外部压力设备相连。本实用新型主要通过对孔边R型面施加一定载荷作用，使其发生局部微小塑性变形，改变其宏观轮廓和表面完整性，从而提高其抗疲劳性能。本实用新型使用的载荷较小，不会对零件造成损伤，并且直接强化疲劳薄弱区，抗疲劳效果显著。
【专利说明】一种金属零件孔边R型面微挤压的抗疲劳制造装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及金属零件小孔孔边R局部的抗疲劳制造领域，具体为一种金属零件孔边R型面微挤压的抗疲劳制造装置。
【背景技术】
[0002]失效分析结果表明，航空零件发生断裂80%是以疲劳方式发生，因此对其疲劳性能的要求较高。随着零件材料强度增大，但随之而来的是其应力集中敏感度高，其疲劳强度随应力集中系数(Kt)值的提高大幅度下降。并且零件疲劳裂纹多萌生于应力集中部位。零件上的孔是结构的不连续处，也是零件中最常见的应力集中形式，如何改善带孔零件的疲劳性能是工程应用中所面临的一大现实问题。
[0003]抗疲劳制造技术是以控制、改善材料和零件表面完整性为手段，以提高疲劳性能为目标的一类技术。零件孔最常用的抗疲劳制造技术是冷挤压强化技术，冷挤压强化使用具有一定过盈量芯棒强行穿过小孔后形成一定塑性变形，强化层内残余应力和微观组织的改善对提高孔疲劳性能具有显著作用。孔冷挤压强化技术强化部位是孔壁，对孔边作用不明显，而孔边是应力集中最严重的部位，也就是服役过程中受载荷最大和最易发生疲劳断裂的部位。因此，孔边的抗疲劳制造是孔制造的重中之重，也是整个零件制造的关键技术。
实用新型内容
[0004]为了弥补孔的冷挤压强化过程中只是对孔壁产生强化作用，而对孔边强化作用不明显的缺点，本实用新型旨在提供一种金属零件孔边R型面微挤压的抗疲劳制造装置，通过该装置可以使孔边R宏观轮廓变得更平滑、加工刀痕变浅及其残余应力状态得到改善，从而延长其疲劳寿命，提高其抗疲劳性能。
[0005]为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是:
[0006]一种金属零件孔边R型面微挤压的抗疲劳制造装置，其特征在于，包括分别位于试验件金属零件孔上下侧面的上挤压头和下挤压头，该上挤压头的下部和下挤压头的上部均位于金属零件孔内，且上挤压头和下挤压头均具有与金属零件孔边R型面相配合的挤压头圆角；所述上挤压头和下挤压头上开有螺栓孔，穿过该螺栓孔的拔拉螺栓的螺栓头位于上挤压头的上端面，拔拉螺栓的螺杆与外部压力设备相连。
[0007]以下为本实用新型的进一步改进的技术方案:
[0008]根据本实用新型的实施例，所述金属零件孔的孔径优选为10mnT20mm。
[0009]为了保证取得比较好的微挤压效果，所述挤压头圆角的弧面半径为金属零件孔倒圆角半径R?R+0.05mm。
[0010]采用本实用新型进行金属零件孔边R型面微挤压的抗疲劳工艺时，包括如下步骤:
[0011]I)准备好带有压力表的压力设备，选用与试验件金属零件孔径及孔边R相匹配的挤压头；[0012]2)清除挤压头及金属零件孔周围的污物，将上、下挤压头分别安放在金属零件孔的两侧孔边R上，将拉拔螺栓的螺杆穿过上、下挤压头的中心孔，并与压力设备固定相连；
[0013]3)启动压力设备，通过拉拔螺栓对金属零件孔边R施加压力，达到20MPa?28MPa后，保持压力值一段时间不变，然后卸载压力，取出试验件。
[0014]达到规定的压力值后，保持压力值不变的时间最好是6?10秒钟。
[0015]鉴于上述结构，本实用新型用于金属零件小孔孔边R局部的抗疲劳制造技术的工艺特点是使用挤压头，在机械力的作用下使孔边R型面发生局部微小塑性变形，使其宏观轮廓变得更平滑、加工刀痕变浅及其残余应力状态得到改善，从而延长其疲劳寿命，提高其抗疲劳性能；具体实施方法为:
[0016]1、第一步:选定合理的挤压工具
[0017]挤压工具包括专用挤压头及压力设备。专用挤压头可根据孔径及孔边R自行设计制造。压力设备应根据零件结构及现场条件，可用液压或机床等设备，但压力可读并可控。
[0018]2、第二步:孔边R型面微挤压试验，确定被挤压的孔边R型面产生微小塑变量所需的挤压力
[0019]孔边R型面微小塑变量不易测量，但可以通过表面形貌的变化观察到，并通过试验件疲劳试验衡量其效果，间接反映其塑变量。由于不同材料达到理想的抗疲劳效果所需的微小塑变量不同，以及同一材料不同孔径的各种孔边R型面要产生某一微小塑变量所需的挤压力也不同，因此，针对给定材料及孔径的孔边R，设计各种力值，进行疲劳试验以确定合理的挤压力。挤压力过小，孔边R型面不产生变形或变形过小，强化效果不明显，挤压力过大，则变形过大，容易产生微裂纹，抵消强化效果。
[0020]3、第三步:孔边R型面微挤压加工
[0021]采用上述选定的挤压工具及确定出的挤压力，对给定材料及孔径的孔边R进行机械力挤压，以达到所需的微小塑变量，提高带孔零件的疲劳性能。
[0022]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0023]I)孔边R型面微挤压技术使用载荷较小，不会对零件造成损伤；
[0024]2)孔边R型面微挤压技术直接强化疲劳薄弱区，抗疲劳效果更加显著。
[0025]以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步阐述。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本实用新型抗疲劳制造装置的结构原理图；
[0027]图2是图1的A— A剖视图；
[0028]图3是图2中I处的局部放大图；
[0029]图4是孔口微挤压如后表层形貌不意图；
[0030]图5是孔口微挤压前后孔口宏观轮廓外形图；
[0031]图6是孔口微挤压前后表面形貌对比示意图。
[0032]在图中
[0033]I一试验件；2—上挤压头；3—被挤压的孔边R ; 4一下挤压头；
[0034]5—拉拔螺栓；6—挤压头圆角。【具体实施方式】
[0035]一种金属零件孔边R型面微挤压的抗疲劳制造装置，图1和2是试验过程中试验件1、上挤压头2和4及拉拔螺栓5之间的位置关系，拉拔螺栓5与外部压力设备相连，产生拉力，使上挤压头2与下挤压头4做相向运动，从而使上挤压头2和4的圆角6对试验件被挤压的孔边R 3产生挤压力，使其发生微小塑性变形，改变其宏观轮廓和表面完整性，从而提高其抗疲劳性能。其中，上、下挤压头2，4圆角为R+0.05 0，其中R为被挤压的孔边倒圆。控制孔边R、挤压头圆角、挤压力，使孔边R型面发生适当的微小塑性变形，是提高带孔零件疲劳性能的关键。
[0036]本实施例以采用本实用新型对超高强度钢23Col4Nil2Cr3MoE(A-100)钢拉-拉疲劳试验件上的Φ15小孔孔边实施微挤压强化为例，具体步骤如下:
[0037]I)准备好压力设备(带有压力表)，选用与金属零件孔径及孔边R相匹配的两个挤压头2，4 ；
[0038]2)清除挤压头及金属零件孔周围的污物，将挤压头分别安放在金属零件孔的两侧孔边R上，将拉拔螺栓穿过上、下挤压头的中心孔，并与压力设备相连、固定；
[0039]3)启动压力设备，给金属零件孔施加压力，达到25MPa后，保持压力值不变约6~10秒钟，卸载压力，取出试验件I。
[0040]孔边在外力挤压作用下，将发生宏观和微观形貌的改变，并在挤压表层形成一定深度的强化层，如图4所示，具体变化体现在以下三个方面:
[0041]I)对比A-100钢Φ 15mm的小孔孔边强化处理前后宏观轮廓见图5，处理前对孔边进行了倒圆处理，但由于加工刀具与工件表面未完全贴合，造成孔边倒圆面有棱角，孔边微挤压后，棱角被去除，孔壁和外表面形成了圆滑过渡。零件受载状态下，圆滑过渡具有更小的应力集中。
[0042]2)对比A-100钢Φ 15mm的小孔孔边强化处理前后微观形貌见图6，挤压前表面加工刀痕较深，表面粗糙度Ra值为1.0 μ m，微挤压强化后刀痕深度变浅，部分被去除，表面粗糙度Ra值降低为0.3μπι。
[0043]3)对比Α-100钢Φ 15mm的小孔孔边强化处理前后表层残余应力值见表1，孔边未处理试验件残余压应力值较低，表面值仅-150MPa，微挤压处理后孔边残余压应力值大幅度提高，表面值达到_485MPa，且在深度120 μ m的位置仍然具有_155MPa的残余压应力值。
[0044]表1孔边挤压前后的残余应力值对比表
[0045]
【权利要求】
1.一种金属零件孔边R型面微挤压的抗疲劳制造装置，其特征在于，包括分别位于试验件(I)金属零件孔上下侧面的上挤压头(2)和下挤压头(4)，该上挤压头(2)的下部和下挤压头(4)的上部均位于金属零件孔内，且上挤压头(2)和下挤压头(4)均具有与金属零件孔边R (3)型面相配合的挤压头圆角(6);所述上挤压头(2)和下挤压头(4)上开有螺栓孔，穿过该螺栓孔的拔拉螺栓(5)的螺栓头位于上挤压头(2)的上端面，拔拉螺栓(5)的螺杆与外部压力设备相连。
2.根据权利要求1所述的金属零件孔边R型面微挤压的抗疲劳制造装置，其特征在于，所述金属零件孔的孔径为10mnT20mm。
3.根据权利要求1所述的金属零件孔边R型面微挤压的抗疲劳制造装置，其特征在于，所述挤压头圆角(6)的弧面半径为金属零件孔倒圆角半径ITR+0.05mm。
【文档编号】C21D7/04GK203429211SQ201320533939
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】张志刚, 汤智慧, 翟甲友, 王强 申请人:中航飞机起落架有限责任公司