孔角强化处理方法与流程

本发明涉及孔角处理领域，具体而言，涉及一种孔角强化处理方法。

背景技术：

机械结构与零件中常常加工有各种连接孔或工艺孔(以下称为孔结构)，主要分为连接孔结构、结构止裂孔和结构开孔等3类，孔结构构件常因孔的应力集中而导致疲劳破坏，有关调研表明，在飞机结构件的疲劳失效中，约有70％的疲劳裂纹源于孔结构。因此，孔成为孔结构构件的疲劳薄弱环节。而且孔结构构件的疲劳破坏常源于孔角或孔边处。

为解决孔结构的疲劳断裂问题，目前采用的主要技术措施有：球压处理、孔口端面压印、冷挤压扩孔等强化工艺。以上几种工艺的一个共同特点是孔角材料的塑性变形是通过准静态压力载荷来实现的。其中，球压处理和孔口端面压印所产生的塑性变形量较低，因此对孔的抗疲劳性能改善作用有限。

在冷挤压扩孔工艺中，挤压芯棒以过盈形式沿着初始孔的轴线方向强制穿过，使孔壁产生弹塑性变形和残余压应力。该工艺要求初始孔的表面光洁度高，挤压过程要有充分的润滑，否则极易造成孔壁表面损伤，适合于低过盈量的孔挤压强化。但大量的研究与应用表明，经冷挤压扩孔处理后，疲劳裂纹源集中萌生在挤压孔的入口孔角位置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供孔角强化处理方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明提供的孔角强化处理方法，采用孔角超声冲挤强化装置对被处理孔的孔角边缘进行超声频冲挤处理，使孔角附近材料产生塑性变形。

进一步的，所述孔角超声冲挤强化装置包括超声波发生器、换能器、变幅杆、工具头和壳体；

所述超声波发生器设置在壳体的一端；

所述换能器设置在所述壳体的内部；

所述变幅杆的一端连接所述壳体；

所述变幅杆的另一端设置有所述工具头；

所述工具头包括导向柱、冲挤部和连接部；

所述连接部的一端与所述冲挤部的一端固定连接；

所述连接部的另一端与所述变幅杆可拆卸连接；

所述冲挤部具有冲挤斜面，能够对孔角进行冲挤；

所述连接部、所述冲挤部和所述导向柱同轴设置。

进一步的，所述冲挤部的表面上设置有润滑剂。

进一步的，所述换能器远离所述变幅杆的一端设置有冷却扇。

进一步的，所述变幅杆通过固定环设置在所述壳体内；

所述固定环设置在所述变幅杆远离换能器的一端。

进一步的，所述换能器为磁致伸缩换能器或压电陶瓷换能器。

进一步的，所述变幅杆的振动方向为轴向振动。

进一步的，所述换能器和所述变幅杆同轴设置。

进一步的，所述壳体上还设置有手柄。

进一步的，对孔角进行振动冲挤后，采用机械或手工打磨工艺将孔角处产生的凸缘进行处理。

本发明提供的孔角强化处理方法，利用孔角超声冲挤强化装置对被处理孔的孔角边缘进行超声频冲挤处理，使孔角附近材料产生塑性变形，使孔角附近材料产生晶粒细化的效果，卸载后形成残余压应力，从而大幅提高孔的抗疲劳性能、抗应力腐蚀性能和耐磨性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明孔角强化处理装置的结构示意图；

图2为本发明孔角强化处理装置的工具头的结构示意图；

图3为本发明孔角强化处理装置的处理原理示意图。

附图标记：

1：壳体 2：换能器 3：变幅杆

4：止挡部 5：固定环 6：工具头

7：被处理件 8：冷却扇 9：手柄

10：超声波发生器 11：连接部 12：过渡部

13：冲挤部 14：导向柱 15：塑形变形区

16：被处理孔 17：孔角

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图所示，本发明提供了一种孔角强化处理方法，采用孔角超声冲挤强化装置对被处理孔的孔角边缘进行超声频冲挤处理，使孔角附近材料产生塑性变形。

优选的实施方式为，孔角超声冲挤强化装置，包括超声波发生器10、换能器2、变幅杆3、工具头6和壳体1；

所述超声波发生器10设置在壳体1的一端；

所述换能器2设置在所述壳体1的内部；

所述变幅杆3的一端连接所述壳体1；

所述变幅杆3的另一端设置有所述工具头6；

所述工具头6包括导向柱14、冲挤部13和连接部11；

所述连接部11的一端与所述冲挤部13的一端固定连接；

所述连接部11的另一端与所述变幅杆3可拆卸连接；

所述冲挤部13的为圆台；

所述圆台的底面较大的一端与所述连接部11固定连接；

所述圆台的底面较小的一端与所述导向柱14的一端固定连接；

所述连接部11、所述冲挤部13和所述导向柱14同轴设置。

本发明提供一种用于零件或结构上孔的孔角17强化处理装置。由超声冷冲挤枪、工具头6和超声波发生器10组成。组件的构成与作用如下：

超声冷冲挤枪的作用是为工具头6提供超声频冲挤力。超声冷冲挤枪由换能器2、壳体1和变幅杆3组成。其中，换能器2和变幅杆3机械连接在一起，并与外壳连接在一起。换能器2将来自超声波发生器10的电振荡信号转换成同频率的机械振动，并经变幅杆3进行聚能和振幅放大后驱动工具头6。通过操作柄可以对超声冷冲挤枪进行手持操作，也可以与机床连接，实现在机床上进行孔的超声冷冲挤强化。超声冷冲挤枪的主要技术参数为：振动频率在15kHz～30kHz之间，变幅杆3端部的输出振幅在10μm～50μm之间。

工具头6具有导向柱14、冲挤部13和连接部11，其作用是接受来自变幅杆3的超声频振动，并通过冲挤部13对被处理孔的孔角17的边缘进行冲击冲挤作用，使孔角17边缘材料产生塑性变形区，从而实现孔角17强化的目的。超声振动方向与超声冲挤工具头6的轴线同轴，连接部11以机械连接方式与变幅杆3的输出端紧固相连。冲挤部13的侧面可以是锥面，圆弧面、悬链线曲面或指数曲面，但不限于上述几种曲面，导向柱14用于定位和导向。冲挤部13的表面粗糙度Ra小于0.5微米，硬度根据被处理材料确定，一般HRC在45～65之间。

在连接部11和冲挤部13之间设置有过渡部12；过渡部12的一端与连接部11过渡连接；过渡部12的另一端与冲挤部13固定连接。

通过过渡部12的设置，能够将连接部11和冲挤部13的结构进行灵活变化，且连接部11和冲挤部13的距离也变为可调，进而可以根据实际的被处理孔16的具体情况对过渡部12进行调整，以达到最佳的处理效果。

超声波发生器10用于将工频交流电转换成超声频电振荡信号，并经电缆传入超声冷冲挤枪，以驱动换能器2将电振荡转换成同频的纵波机械振动。超声波发生器10的输出电频率在15kHz～30kHz之间。

本发明的技术原理为：在超声频振动激励下工具头6的冲挤部13对被处理件7上的初始孔的孔角17边缘材料进行冲击冲挤，使其产生塑性变形，并使塑性变形区15内的晶粒被细化，卸载后因孔壁周围材料的弹性恢复使孔角17附近材料产生周向残余压应力。细晶强化和残余压应力的联合作用使孔的抗疲劳性能，抗应力腐蚀性能和耐磨性得到提高。与静冲挤强化不同，本发明的超声冲挤孔角17强化，因高应变速率、应力波叠加、温度效应和应力应变循环会使被处理材料产生声软化效应，从而降低被处理材料的流变抗力，在产生剧烈塑性变形的同时，不会造成被处理件7宏观变形，而且晶粒细化效果明显。

本装置与静载荷孔角冲挤强化不同，采用了超声波振动驱动孔角17冲挤工具头6。由于声软化效应和动态冲击冲挤，孔角17边缘材料局部塑性变形剧烈，晶粒细化效果明显。可在孔角17区域引入大深度、高幅值的残余压应力。对工件施加的静压力小，可处理薄壁件孔结构，不会造成宏观变形。可在孔角17生成倒角或倒圆，有效降低孔角17应力集中。

优选的实施方式为，所述冲挤部13的表面上设置有润滑剂。

在工具头6的冲挤部13的表面上涂抹少量的润滑剂，可以有效的避免冲挤部13与孔角17之间的较大摩擦对孔角17造成的损伤。

所用润滑剂一般为耐压性能好的固体润滑剂，如经润滑油调和的石墨，或经润滑油调和的二硫化钼，也可以使用油类润滑剂，如动物油、植物油和矿物油，注意润滑层不易太厚。

优选的实施方式为，所述换能器2远离所述变幅杆3的一端设置有冷却扇8。

在换能器2远离变幅杆3的一端设置冷却扇8，且冷却扇8也设置在壳体1内部，这样，能够通过冷却扇8的转动，对换能器2进行散热，进而增加换能器2的工作寿命和工作效率，避免了换能器2由于过热而不得不停止工作的情况出现。

优选的实施方式为，所述变幅杆3通过固定环5设置在所述壳体1内；

所述固定环5设置在所述变幅杆3远离换能器2的一端。

将变幅杆3通过固定环5固定设置在壳体1内，能够增加变幅杆3与在壳体1内的稳定性和牢固性，有效的避免了变幅杆3在振动的时候在壳体1内窜出的情况出现。

固定环5的内侧与变幅杆3的外侧相抵，固定环5的外侧与壳体1的内侧相抵，在变幅杆3上设置一个与壳体1相配合的止挡部4，固定环5和壳体1将止挡部4夹在中间，避免了变幅杆3的窜动，进而保证了变幅杆3的正常工作。

固定环5与壳体1之间的连接方式可以是焊接，也可以是螺纹连接，还可以是过盈配合，其只要能够将固定环5固定设置在壳体1内部即可。

优选的实施方式为，所述换能器2为磁致伸缩换能器或压电陶瓷换能器。

金属磁致伸缩换能器的机械强度高，工作效能稳定，单位面积辐射功率大，单体功率容量大。在高强度超声领域，因耐机械冲击和电冲击能力强而得到广泛应用。磁致伸缩换能器因为具有较低的Q值(Q是能量峰值的锐度)，所以它能传递很宽的频率，例如：对于20kHz的超声波磁致伸缩换能器传递频率范围是17～23kHz。

压电陶瓷换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。在简单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上产生一定的磁场强度E，它们之间有一简单的线性关系E＝gF；反之，当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料时，材料的伸缩形变S与电压U也有线性关系S＝dU。比例常数g、d称为压电常数，与材料性质有关。由于E、S、F、U之间具有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的来源；同样也可以使声压变化转变为电压的变化来接收声信号。

优选的实施方式为，所述变幅杆3的振动方向为轴向振动。

变幅杆3的轴向振动，能够给被处理件7提供最强烈的振动，进而达到最大程度的将振动传递给被处理件7，以达到通过冲挤部13对被处理孔16的孔角17边缘进行冲击冲挤作用，使孔角17附近材料产生塑性变形和晶粒细化的效果，卸载后形成残余压应力。

优选的实施方式为，所述换能器2和所述变幅杆3同轴设置。

将换能器2和变幅杆3同轴设置，其作用同变幅杆3的振动方向一样，也是为了能够将换能器2的振动最大程度的传递给被处理件7。

优选的实施方式为，所述壳体1上还设置有手柄9。

在壳体1上设置手柄9，可以通过手柄9来对整个孔角17强化处理装置进行把持，或连接在机床上操作，使操作更为方便。

优选的实施方式为，对孔角17进行振动冲挤后，采用机械或手工打磨工艺将孔角17处产生的凸缘进行处理。

整个处理方法主要过程包括如下步骤：

1)打磨去除被处理孔16上的加工毛刺，用乙醇或酒精去除孔壁污染物。

2)检查超声冲挤工具头6表面质量，并用乙醇或酒精去除表面污染物。

3)在超声冲挤工具头6的冲挤工作面上涂抹少量的润滑剂，所用润滑剂一般为耐压性能好的固体润滑剂，如经润滑油调和的石墨，或经润滑油调和的二硫化钼，也可以使用油类润滑剂，如动物油、植物油和矿物油，注意润滑层不易太厚。

4)通过超声冷冲挤枪上的操作柄和超声冲挤工具头6上的导向杆将超声冲挤工具头6置入被处理孔16，使冲挤工作面与孔角17接触，并略施压力(压力一般在1～5Kg)，同时保持冲挤工具头6与被处理孔16同轴。

5)开启超声波发生器10对孔角17边缘进行超声冲挤，超声冲挤时间依被处理材料和要求不同，一般在15～120秒之间。

6)处理结束后，关闭超声发生器，移去超声冷冲挤枪。

7)超声冲挤强化一般会在孔边缘产生一定的凸缘，如果被处理孔16为栓接或铆接孔，则应采用机械或手工打磨工艺将凸缘去除，打磨时应注意不能伤及强化面，而且打磨去除材料不易过多。

8)超声冲挤强化和打磨处理后，在孔角17附近喷淋防锈涂层，以免孔壁腐蚀或氧化。

本发明提供的孔角17强化处理装置，采用换能器2将超声波发生器10发出的超声波转换为机械振动，再通过变幅杆3的增幅后，将振动传递给工具头6上的冲挤部13，通过冲挤部13对孔角17边缘进行超声频冲挤处理，使孔角17附近材料产生塑性变形，进而在孔角17附近材料产生晶粒细化的效果，卸载后形成残余压应力。本发明在孔角17附近引入大深度、高幅值残余压应力；使孔角17附近材料形成超细晶；在孔角17生成倒角或倒圆过渡，降低孔角17应力集中；对工件施加的静压力小，可处理薄壁件孔结构；大幅提高孔的抗疲劳、抗应力腐蚀性能和耐磨性

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。