一种挤压装置的制作方法

1.本实用新型涉及孔冷挤压强化设备技术领域，尤其涉及一种挤压装置。


背景技术：

2.航空飞机上大多数零部件上都开设有装配孔，不同的零部件之间通过在装配孔中安装紧固件进行连接装配，从而造成了装配孔的孔边易于形成应力集中，从而容易产生裂纹，进而降低了零部件的疲劳性能，减小了零部件的服役寿命。
3.为了解决上述问题，现有技术中采用开缝衬套和实芯挤压装置对带孔结构件进行冷挤压强化是当前飞行器制造业中比较先进的孔冷挤压强化技术，可以延缓装配孔周围裂纹产生、增加装配孔工件疲劳性能、延长其服役寿命。然而，采用开缝衬套，使得开缝衬套与装配孔孔壁间接接触，挤压量一部分作用于孔壁而另一部分会造成开缝衬套的塑性变形，减少开缝衬套的使用寿命，使其不能进行多次挤压强化，增加孔挤压强化工艺成本。而采用实芯挤压装置，挤压装置与孔壁直接接触，由于实芯挤压装置的直径为不变量，因此该方法不能进行大挤压量的挤压强化，导致装配孔挤压强化效果不显著。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种可进行多次挤压强化、装配孔挤压强化效果好且寿命长的挤压装置。
5.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种挤压装置，包括：
7.芯棒，一端为工作端，工作端轴向的中央开设有安装孔，工作端自由端的周向上间隔凸设有多个工作环，工作环的直径大于工件的装配孔的孔径，安装孔的孔壁沿芯棒的轴向开设有挤压缝，以使工作环的直径可缩小，工件能够套设于工作端；
8.支撑棒，插设于安装孔中，以限制工作环直径的大小。
9.作为优选地，工作端包括：
10.工作部，工作环设置于工作部的周向上；
11.放置部，工件穿过工作部套设于放置部；以及
12.过渡部，工作部的直径大于放置部的直径，过渡部位于工作部与放置部之间，并由工作部向放置部均匀过渡。
13.作为优选地，工作部的自由端的直径逐渐减小，以为工件提供安装导向。
14.作为优选地，工作环与工作部之间设有过渡圆角。
15.作为优选地，相邻两个工作环之间的距离小于工件的厚度。
16.作为优选地，挤压缝的终点处开设有止纹孔。
17.作为优选地，挤压缝的长度与安装孔的直径之间的比值小于7。
18.作为优选地，支撑棒的一端直径逐渐减小。
19.作为优选地，支撑棒的长度长于安装孔的深度。
20.作为优选地，挤压装置还包括：
21.两个辅助板，工件的两个均设有一个辅助板，辅助板的中央开设有与工件装配孔的直径相同的过孔。
22.有益效果：本实用新型的挤压装置通过在芯棒的工作端开设有安装孔，安装孔的孔壁沿芯棒的轴向开设有挤压缝，使得设置于工作端外周的直径大于工件装配孔的工作环的直径可缩小，从而使得工件能够通过装配孔套设于芯棒上。通过在芯棒的工作端上间隔凸设有多个工作环，以及支撑棒，支撑棒在芯棒抽出工件装配孔前插设于安装孔内，以对安装孔的侧壁提供支撑，在芯棒抽出工件装配孔的过程中装配孔受到工作环多次挤压强化使得装配孔壁形成均匀的残余应力场，从而能够延长工件的使用寿命。与此同时，支撑棒能够使得工作环的直径不会改变保证装配孔良好的挤压效果的同时工作环不会发生塑性变形，保证挤压装置的使用寿命。
附图说明
23.图1是本实用新型实施例提供的挤压装置的结构示意图一；
24.图2是本实用新型实施例提供的挤压装置的结构示意图二；
25.图3是本实用新型实施例提供的芯棒的结构示意图；
26.图4是本实用新型实施例提供的支撑棒的结构示意图；
27.图5是本实用新型实施例提供的工件的结构示意图；
28.图6是本实用新型实施例提供的辅助板的结构示意图；
29.图7是本实用新型实施例提供的装配孔的孔壁挤入层距孔壁距离与残余应力的变化图；
30.图8是本实用新型实施例提供的装配孔的孔壁中间层距孔壁距离与残余应力的变化图；
31.图9是本实用新型实施例提供的装配孔的孔壁挤出层距孔壁距离与残余应力的变化图；
32.图10是本实用新型实施例提供的三种情况的装配孔的孔壁挤入层距孔壁距离与残余应力的变化图；
33.图11是本实用新型实施例提供的三种情况的装配孔的孔壁中间层距孔壁距离与残余应力的变化图；
34.图12是本实用新型实施例提供的三种情况的装配孔的孔壁挤出层距孔壁距离与残余应力的变化图。
35.图中：
36.100、芯棒；110、工作端；111、工作部；1111、工作环；1112、过渡圆角；112、放置部；113、过渡部；114、挤压缝；1141、止纹孔；115、安装孔；120、安装端；
37.200、支撑棒；
38.300、工件；310、装配孔；
39.400、辅助板；410、过孔。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
41.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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实用新型中的具体含义。
42.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
43.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
44.本实施例提供一种挤压装置，可对装配成航空飞行器的零部件上的装配孔进行挤压，使得装配孔壁形成均匀的残余应力场，从而延长零部件的使用寿命。
45.现有技术往往采用开缝衬套和实心挤压装置对带孔结构件进行冷挤压强化。但是，采用开缝衬套的方式会造成开缝衬套的塑性变形，减少开缝衬套的使用寿命，使其不能进行多次挤压强化，增加孔挤压强化工艺成本。而采用实心挤压装置，由于实心挤压装置的直径为不变量，因此该方法不能进行大挤压量的挤压强化，导致装配孔挤压强化效果不显著。
46.为了解决上述问题，如图1-图2所示，本实施例的挤压装置包括芯棒100及支撑棒200，其中芯棒100一端为工作端110，工作端110轴向的中央开设有安装孔115，工作端110的自由端的外周上间隔凸设有多个直径大于工件300的装配孔310的工作环1111，安装孔115的孔壁沿芯棒100的轴向开设有挤压缝114，以使工作环1111的直径可缩小，工件300能够套设于工作端110。支撑棒200在芯棒100抽出装配孔310前插设于安装孔115内，以对安装孔115的侧壁提供支撑，在芯棒100抽出装配孔310的过程中装配孔310受到工作环1111多次挤压强化使得装配孔310的孔壁形成均匀的残余应力场，从而延长工件300的使用寿命。与此同时，支撑棒200能够使得工作环1111的直径不会改变保证装配孔310良好的挤压效果的同时工作环1111不会发生塑性变形，保证挤压装置的使用寿命。
47.接下来对芯棒100进行详细的说明，如图3所示，芯棒100一端为工作端110，另一端为安装端120，其中安装端120安装于抽拉设备上，抽拉设备能够给芯棒100提供抽拉力，使得芯棒100的工作端110能够抽出工件300的装配孔310。可选地，抽拉设备可以是伸缩电机，安装端120上设有螺纹，安装端120可以旋拧于伸缩电机的输出端。当然，抽拉设备也可以是
别的结构，只要能够带动芯棒100实现抽拉运动即可，在此本实施例不做具体的限定。工作端110包括工作部111、放置部112与过渡部113，其中工作环1111设置于工作部111的周向上，工件300穿过工作部111套设于放置部112，工作部111的直径大于放置部112的直径，过渡部113位于工作部111与放置部112之间，并由工作部111向放置部112均匀过渡。工作部111能够避免工作环1111与芯棒100之间过渡剧烈造成工作环1111与芯棒100的连接处产生应力集中而减少芯棒100的寿命。过渡部113能够使得芯棒100在抽出装配孔310时装配孔310逐渐且均匀的受力，避免放置部112与工作部111之间过渡剧烈装配孔310在由放置部112到达工作部111时过渡困难并且避免放置部112与工作部111的连接处受力较大而损坏。
48.进一步地，工作环1111与工作部111之间设有过渡圆角1112，够防止工件300在经过工作环1111时工作部111上产生应力集中，防止装配孔310的孔壁被破坏，有效避免疲劳裂纹萌生。
49.进一步地，相邻两个工作环1111之间的距离小于工件300的厚度，从而使得工件300的装配孔310的孔壁在经过工作环1111时能够连续不间断的受到工作环1111的作用而最终获得良好的力学效果，避免由于相邻两个工作环1111之间距离相差太远而造成的回弹问题。
50.在本实施例中工件300的厚度为3mm，因此本实施例的相邻两个工作环1111之间的距离小于3mm，当然在别的实施例中相邻两个工作环1111之间的距离要根据对应实施例的工件300的厚度决定。
51.作为可选方案，如图3所示，工作部111的自由端的直径朝向自由端逐渐减小，从而为工件300提供导向，便于工件300穿过自由端套设于放置部112。
52.如图3所示，挤压缝114的终点位于放置部112，且挤压缝114的重点处开设有止纹孔1141。止纹孔1141能够避免由于开缝的存在而发生裂纹，保证芯棒100的使用寿命。
53.进一步地，挤压缝114的长度与安装孔115直径之间的比值小于7，从而保证芯棒100的刚度。
54.进一步地，多条挤压缝114对称开设于安装孔115的孔壁上，从而使得当芯棒100抽出装配孔310的时候工作环1111对装配孔310的孔壁的挤压力是均匀的，从而保证了工件300良好的加工效果。
55.接下来对支撑棒200进行详细的说明，如图1-图2以及图4所示，支撑棒200插入安装孔115的端部的直径逐渐减小从而形成导向，便于支撑棒200的插入。
56.进一步地，支撑棒200的长度长于安装孔115的深度，从而给与芯棒100足够的支撑力，使得芯棒100在抽出装配孔310时拥有足够的刚强度使得装配孔310的孔壁得到充分的加工。
57.作为可选方案，如图1、图2以及图6所示，挤压装置还包括两个辅助板400，工件300的两侧均有一个辅助板400，辅助板400的中央开设有与装配孔310直径相同的过孔410，辅助板400能够在芯棒100抽出工件300的过程中保护装配孔310的孔壁不会受力而变形，从而保证工件300的加工质量。
58.为了验证本实施例的挤压装置的加工效果，运用abaqus有限元仿真分析软件，建立芯棒100、支撑棒200以及工件300的三维有限元仿真分析模型，其中工件300为tc4钛合金带孔结构件，尺寸为60mm
×
60mm
×
10mm，中心孔直径为12.12mm，开缝挤压芯棒100的开缝数
量为4，开缝宽度为0.8mm，工作环1111直径为12.173mm，进行相对挤压量为5％的孔挤压强化过程模拟。孔挤压强化仿真分析模型中，材料属性、网格划分情况、边界和约束条件均相同，仅改变挤压芯棒100工作环1111数量，对比分析挤压次数对带孔结构件孔壁形成残余应力场的影响。
59.孔挤压强化后，装配孔310的孔壁形成径向、切向、沿板厚三个方向的残余压应力，而孔壁切向残余应力对工件300性能影响最大，因此仅对装配孔310的孔壁不同位置形成的切向残余应力进行分析。
60.提取芯棒100、装配孔310的孔壁不同位置的切向残余应力，此时将装配孔310的孔壁分为均匀的三层，该三层为孔壁挤入层、孔壁中间层以及孔壁挤出层。
61.由图7-图9可知，相同孔挤压强化次数，距孔壁相同距离，孔壁挤入层形成的压应力场小于中间层与挤出层。随着距孔壁距离的逐渐增加，孔壁中间层与挤出层形成残余应力场的变化趋势相同。不同孔挤压强化次数，孔壁挤入层、中间层以及挤出层形成的残余压应力场层深没有发生改变，但孔壁挤入层的表面残余压应力与最大残余压应力提高显著，孔壁中间层与挤出层形成的残余压应力场变化不显著。由于相同挤压强化次数条件下，孔壁挤入层形成的残余压应力场小于中间层与挤出层，工件300承受外部载荷时，孔壁挤入层易于萌生疲劳裂纹。通过对装配孔310的孔壁进行连续、多次挤压强化，显著提高了挤入层孔壁表面残余压应力、增大挤入层最大残余压应力，因此对工件300进行合理的多次挤压强化可以提高疲劳强度，延长服役寿命。
62.进一步地，为了验证本实施例的挤压装置的结构对工件300的加工效果为最优的，本实施例还利用abaqus有限元仿真分析软件对另外两个不同情况进行了模拟分析，以和上述的挤压装置的结果进行对比。将上述的情况定为情况一，另外两个情况如下：
63.情况二：芯棒100上相邻两个工作环1111之间的距离为10mm，工件300的厚度小于10mm，一个工作环1111挤压完成，装配孔310孔壁发生回弹后，另一个工作环1111开始进行挤压强化。
64.情况三：芯棒100上相邻两个工作环1111之间的距离为24mm，且工作环1111与工作部111之间设有过渡结构，使得工作环1111相工作部111均匀过渡。
65.提取以上三种情况的芯棒100的装配孔310孔壁不同位置的切向残余应力，得到图10-图12所示的结果。
66.由图10-图12可知，三种情况的芯棒100对装配孔310进行挤压强化后，孔壁挤入层孔壁形成的残余应力场大于中间层与挤出层。由于三种情况的芯棒100仅结构形式不同，工作环1111直径相同，则孔挤压强化后孔壁挤入层、孔壁中间层以及孔壁挤出层形成的残余压应力场层深相同，但情况一的装配孔310挤压强化后在孔壁挤入层与孔壁挤出层形成的表面残余压应力与最大残余压应力明显大于情况二和情况三。
67.由于装配孔310孔壁挤入端形成的残余应力场小于中间层与挤出层，则工件300受到外加交变载荷时，孔壁挤入层先发生疲劳破坏。情况一的装配孔310挤压强化后孔壁挤入层形成的表面残余压应力与最大残余压应力较情况二和情况三显著，因此，情况一的孔挤压强化效果优于情况二和情况三。
68.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各
种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。