一种紧固孔加工强化方法与流程

本发明涉及激光表面加工及机械加工领域，更具体的说，涉及一种航空、航天、高铁、核电等领域的紧固孔或安装孔加工及表面强化延寿技术和方法。

背景技术：

目前，航空飞行器及发动机结构中各关键部件大多采用铆接和螺栓方式进行连接，在零件生产时需要加工数量众多的孔结构，这些孔结构在服役过程中在交变载荷下容易发生疲劳破坏。现有研究表明，通过对孔结构表面进行强化处理，改善孔结构的应力分布状态可有效延缓疲劳裂纹的萌生，提高带孔构件的服役寿命和整体安全性。

传统强化方法主要有机械喷丸和冷挤压强化。在机械喷丸过程中，由于弹丸运动轨迹无法精确控制，通常会导致强化效果不稳定，冲击表面的粗糙度降低且容易产生微裂纹。另外，由于弹丸发射装置尺寸固定且灵活性差，对直径较小的孔无法进行强化。冷挤压强化工艺流程复杂，对芯轴的强度要求较高，挤压过程还会降低孔径精度。在进行小孔强化时，芯轴还容易发生断裂而无法拔出，严重降低生产效率。

激光冲击强化技术是利用高能激光束产生的冲击波对材料进行加工表面强化，可在材料表面及一定深度形成较大的残余压应力，有效抑制疲劳裂纹的萌生。但是对已加工好的孔结构进行冲击强化处理时，孔角区域容易发生塌陷，降低孔结构的使用寿命；而采用特殊的激光反射装置虽然可以对孔内壁进行冲击强化，但是会影响孔径大小，降低孔结构精度，并且无法对小直径紧固孔内壁进行强化。因此，对各类孔结构进行激光冲击强化时，主要采用的是先冲击后开孔的工艺，通常在未进行任何加工的板材上进行单面或双面冲击强化后，直接加工出所需紧固孔。然而，在航空航天领域中涉及到的带孔构件尺寸较大且孔数目较多，若采用常见的先冲击后开孔工艺，存在冲击区域面积大、定位困难等难题，降低生产效率。并且在实际生产中，紧固孔的加工流程较为特殊，通常需要预开定位小孔，再逐一进行对定位小孔进行扩孔得到所需孔径的紧固孔，而目前还没有相应的激光冲击强化方法。

技术实现要素：

为此，本发明主要针对航空航天领域带孔构件加工过程中紧固孔强化工艺及流程存在的不足，提出了一种紧固孔加工强化方法，以在孔结构区域形成合理的残余压力场，提高带孔构件的使用寿命与安全性能。

本发明一种紧固孔加工强化方法，包括以下步骤：

(1)、根据紧固孔直径d确定定位小孔直径d1，并在工件的紧固孔开孔区域中心钻出定位小孔；

(2)、通过定位小孔进行准确定位，在工件正面与反面由内至外依次铺设吸收层和约束层并量取对称的冲击区域，对冲击区域进行激光冲击强化；

(3)、激光冲击强化过程结束后，对定位小孔进行扩孔或扩孔后再铰孔，得到直径为d的紧固孔。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：该紧固孔加工强化方法先根据紧固孔孔径在开孔位置开定位小孔，然后通过定位小孔在工件正、反两面对称位置进行激光冲击强化，在孔结构周围形成合理的残余压应力分布，最终经过扩孔或铰孔工艺获得精度高且内壁光滑的紧固孔，提高孔结构的抗疲劳性能，提高带孔构件的使用寿命与安全性能。

优选的，步骤(1)中的紧固孔直径d为2～40mm，定位小孔直径d1为紧固孔直径d的1/4～1/2。

加工定位小孔的目的是便于工厂施工操作和精准定位，可精确定位工件正、反面激光冲击强化区域，保证残余压应力场分布均匀。

优选的，步骤(1)中定位小孔的中轴线与紧固孔中轴线须保证重合。

优选的，步骤(2)中冲击区域为边长为2～5倍紧固孔直径d的方形冲击区域或直径为2～5倍紧固孔直径d的圆形冲击区域，并且冲击区域中心与定位小孔圆心重合。

优选的，吸收层为铝箔或黑漆，用于提高材料表面的激光吸收率，厚度为30μm～200μm。

优选的，约束层为匀速流动的水流，水流水层厚度为2mm～8mm。

优选的，步骤(2)中激光冲击强化工艺的参数为：激光光斑直径采用2～10mm，单脉冲能量采用2j～80j，光斑搭接率为10～80％。

优选的，激光光斑大小及单脉冲能量根据工件板厚和定位小孔孔径进行具体选择，当工件板厚或定位小孔孔径较大时，优先选择较大的光斑直径，并适当增加单脉冲能量，提高激光冲击强化作用深度及激光冲击强化效率。

优选的，步骤(2)中可单独依次或同时对工件正面及反面进行激光冲击强化，冲击强化次数为1～5次。

优选的，步骤(3)中若最终紧固孔内壁精度要求不高，则选择直径为紧固孔直径d的扩孔钻将定位小孔加工为最终的紧固孔；若紧固孔内壁精度要求较高，则选择直径比紧固孔直径d小0.1～0.5mm的扩孔钻扩大定位小孔孔径后，再选择直径为紧固孔直径d的铰孔钻进行最后的铰孔，获得内壁质量较高的紧固孔。

本发明提供的紧固孔加工强化方法，与现有的孔强化技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提出的紧固孔加工强化方法更加符合实际工厂孔结构的生产流程，并且该方法仅需常规开孔及激光强化设备就可加工及强化不同孔径的紧固孔，降低了设备及生产成本。

(2)本发明通过定位小孔精确控制正、反面冲击强化区域，可获得对称分布的残余压应力场。尤其是在对尺寸较大、需开孔数较多的工件进行加工时，利用定位小孔可快速、准确对孔结构正、反两面进行激光冲击强化，提高生产效率。

(3)本发明由于激光冲击强化后，还需要进行扩孔或先扩孔再铰孔工艺，可获得精度及内壁质量较高的紧固孔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明紧固孔加工及激光冲击强化的流程示意图。

图2为本发明方形激光冲击强化范围示意图。

图3为本发明圆形激光冲击强化范围示意图。

图中，1、工件，2、定位小孔，3、紧固孔开孔区域，4、紧固孔中轴线，5、激光束，6、约束层，7、吸收层，8、紧固孔，9、方形冲击区域，10、激光光斑，11、圆形冲击区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明一种紧固孔加工强化方法，如图1所示(图中a代表正面，b代表反面)，包括以下步骤：

(1)、根据紧固孔8直径d确定定位小孔2直径d1，并在工件1的紧固孔开孔区域3中心钻出定位小孔2；

(2)、通过定位小孔2进行准确定位，在工件1正面与反面由内至外依次铺设吸收层7和约束层6并量取对称的冲击区域，对冲击区域进行激光冲击强化；

(3)、激光冲击强化过程结束后，对定位小孔2进行扩孔或扩孔后再铰孔，得到直径为d的紧固孔8。

为了进一步优化上述技术方案，步骤(1)中的紧固孔8直径d为2～40mm，定位小孔2直径d1为紧固孔8直径d的1/4～1/2。

为了进一步优化上述技术方案，步骤(1)中定位小孔2的中轴线与紧固孔中轴线4须保证重合。

为了进一步优化上述技术方案，如图2、图3所示，步骤(2)中冲击区域为边长为2～5倍紧固孔8直径d的方形冲击区域9或直径为2～5倍紧固孔8直径d的圆形冲击区域11，并且冲击区域中心与定位小孔2圆心重合。

为了进一步优化上述技术方案，吸收层7为铝箔或黑漆，厚度为30μm～200μm。

为了进一步优化上述技术方案，约束层6为匀速流动的水流，水流水层厚度为2mm～8mm。

为了进一步优化上述技术方案，步骤(2)中激光冲击强化工艺的参数为：激光光斑10直径采用2～10mm，单脉冲能量采用2j～80j，光斑搭接率为10～80％。

为了进一步优化上述技术方案，激光光斑10大小及单脉冲能量根据工件1板厚和定位小孔2孔径进行具体选择，当工件1板厚或定位小孔2孔径较大时，优先选择较大的光斑直径，并适当增加单脉冲能量。

为了进一步优化上述技术方案，步骤(2)中可单独依次或同时对工件1正面及反面进行激光冲击强化，冲击强化次数为1～5次。

为了进一步优化上述技术方案，步骤(3)中若最终紧固孔8内壁精度要求不高，则选择直径为紧固孔8直径d的扩孔钻将定位小孔2加工为最终的紧固孔8；若紧固孔8内壁精度要求较高，则选择直径比紧固孔8直径d小0.1～0.5mm的扩孔钻扩大定位小孔2孔径后，再选择直径为紧固孔8直径d的铰孔钻进行最后的铰孔。

下面根据图1-3及具体实施例详细描述本发明的紧固孔加工强化方法。

实施例一：

本实例中采用厚度为5mm的2219c10s铝合金板材，需要开直径为4mm的紧固孔8。如附图1所示，首先根据紧固孔8直径确定定位小孔2直径为1mm，然后在紧固孔开孔区域3中心钻出直径为1mm的定位小孔2，保证定位小孔2的中轴线与紧固孔中轴线4重合。

定位小孔2加工完毕后，在铝合金工件1正面与反面喷涂厚度为60μm的黑漆作为吸收层7，增强工件对激光能量的吸收率，选用厚度为3mm的匀速流动的水流层作为约束层6。然后由定位小孔2定位，在工件1的正面和反面量取对称的激光冲击区域，激光冲击区域选用边长为20mm的方形冲击区域9，如附图2所示。如附图1所示，箭头a代表射出的激光束5，激光冲击强化工艺参数为：激光光斑10直径为4mm，单脉冲能量为10j，光斑搭接率为60％。对正面方形冲击区域9完成2次冲击强化后，再对背部方形冲击区域9进行2次冲击强化。此时可在工件1正、反表面及厚度方向形成较大且对称分布的残余压应力。

激光冲击强化过程结束后，选用直径为3.8mm的扩孔钻头将定位小孔2孔径扩大，再选用直径为4mm的铰孔钻头进行铰孔，通过去除适量内壁金属，获得精度及孔壁质量都较高的紧固孔8。

实施例二：

本实例中采用厚度为10mm的tc4钛合金板材，需要开直径为40mm的紧固孔。如附图1所示，首先根据紧固孔直径确定定位小孔直径为10mm，然后在紧固孔开孔区域3中心钻出直径为10mm的定位小孔2，保证定位小孔2的中轴线与紧固孔中轴线4重合。

定位小孔2加工完毕后，在钛合金工件1正面与反面贴附厚度为200μm的铝箔作为吸收层7，增强工件对激光能量的吸收率，选用厚度为8mm的匀速流动的水流层作为约束层6。然后由定位小孔2定位，在工件1的正面和反面量取对称的激光冲击区域，激光冲击区域选用直径为80mm的圆形冲击区域11，如附图3所示。如附图1所示，箭头a代表射出的激光束5，激光冲击强化工艺参数为：激光光斑10直径为10mm，单脉冲能量为80j，光斑搭接率为30％。同时对工件1正面和背面圆形冲击区域11进行5次激光冲击强化，此时可在工件1正、反表面及厚度方向形成较大且对称分布的残余压应力。

激光冲击强化过程结束后，选用直径为39.5mm的扩孔钻头将定位小孔2孔径扩大，再选用直径为40mm的铰孔钻头进行铰孔，通过去除适量内壁金属，获得精度及孔壁质量都较高的紧固孔8。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。