CN110408756A - 旋转式孔冷挤压强化装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式孔冷挤压强化装置与方法，用于解决现有冷挤压装置导致孔周残余应力范围沿厚度方向分布不均的技术问题。技术方案是所述装置包括芯棒，还包括梯形挤压块、挤压驱动台、驱动手柄和制动挡块。所述方法中芯棒采用周向旋转运动代替轴向运动完成强化过程。即一端带有螺纹的芯棒在驱动手柄的配合下沿轴向运动推动梯形挤压块完成孔壁的局部挤压，利用制动挡块将芯棒与挤压驱动台、驱动手柄固连，旋转驱动手柄一周将梯形挤压块的挤压量均匀施加到孔周。采用旋转挤压强化的方式解决了残余应力在孔壁厚度方向不均的技术问题，使得在芯棒的入口处仍能获得较高的残余应力值，提升了孔周整体的疲劳强化效果。

Description

旋转式孔冷挤压强化装置与方法

技术领域

本发明涉及一种旋转式孔冷挤压强化装置，还涉及一种旋转式孔冷挤压强化方法。

背景技术

在航空制造领域，孔的冷挤压强化工艺能够很好地解决，机械连接孔受疲劳外载影响下孔周疲劳裂纹萌生的问题。其工艺方式是将一根经表面润滑、直径较大、硬度较高的圆锥形芯棒强行通过孔，这一过程迫使孔壁发生一系列的弹塑性变形，在孔周引入残余应力的同时消除了制孔机械损伤，从根本上减少了孔结构疲劳破坏的发生。

参照图4。文献“孔挤压强化技术研究进展与展望.航空学报.39-(2018):1-17.”公开了一种冷挤压装置。该装置包括芯棒3、开缝衬套8、顶帽9和拉枪10。在强化过程中首先将开缝衬套8安装在芯棒3的小直径端，然后将芯棒3和顶帽9分别从待强化孔2的两端安装到位，启动拉枪10将芯棒3从待强化孔2中拉出，完成连接孔的强化工艺。强化过程中由于孔最终要被胀大，孔壁材料承受巨大的挤压力在与挤压装置发生相对位移的过程中转化为摩擦力，导致孔壁材料随芯棒产生塑性流动。最终的结果使得孔壁材料逐渐向芯棒3挤出端聚集，造成挤出端的实际挤压量要大于挤入端的挤压量。强化工艺完成后残余应力范围沿孔壁厚度方向会呈梯形分布，孔挤出面最大，挤入面最小。挤入面较小的残余应力对于疲劳强化效果的贡献是有限的，此区域成为孔周材料抵抗疲劳破坏的薄弱环节。因此想进一步提高孔的冷挤压强化效果，残余应力沿孔壁厚度方向分布不均的问题必须得到妥善解决。

发明内容

为了克服现有冷挤压装置导致孔周残余应力范围沿厚度方向分布不均的不足，本发明提供一种旋转式孔冷挤压强化装置与方法。所述装置包括芯棒，还包括梯形挤压块、挤压驱动台、驱动手柄和制动挡块。所述方法中芯棒采用周向旋转运动代替轴向运动完成强化过程。即一端带有螺纹的芯棒在驱动手柄的配合下沿轴向运动推动梯形挤压块完成孔壁的局部挤压，利用制动挡块将芯棒与挤压驱动台、驱动手柄固连，旋转驱动手柄一周将梯形挤压块的挤压量均匀施加到孔周。采用旋转挤压强化的方式解决了残余应力在孔壁厚度方向不均的技术问题，使得在芯棒的入口处仍能获得较高的残余应力值，提升了孔周整体的疲劳强化效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种旋转式孔冷挤压强化装置，包括芯棒3，其特点是：还包括梯形挤压块4、挤压驱动台5、驱动手柄6和制动挡块7。所述芯棒3一端为锥形斜面另一端带有螺纹，芯棒3的螺纹端与挤压驱动台5、驱动手柄6中心的螺纹孔配合。挤压驱动台5为带有筋条的圆柱凸台，底部圆台外侧留有突出部分，与驱动手柄6凹槽紧密配合传导扭矩。挤压驱动台5顶部凹槽内安放梯形挤压块4与芯棒3锥形斜面相配合。芯棒3螺纹端开有矩形通槽，驱动手柄6底部开有方槽，矩形通槽和方槽用于放入制动挡块7，限制芯棒3相对于驱动手柄6的周向转动，芯棒3圆锥形斜面为梯形挤压块4提供稳定支撑。

一种旋转式孔冷挤压强化方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、将装配体1顶部放置在待强化孔2内，芯棒3螺纹段与挤压驱动台5、驱动手柄6底部的螺纹孔相连接；

步骤二、旋转驱动手柄6，芯棒3螺纹段进入驱动手柄6螺纹孔内，带动芯棒3圆锥形面对梯形挤压块4斜面施加压力，使梯形挤压块4沿径向外扩展，完成对待强化孔2局部孔壁的挤压；

步骤三、局部孔壁挤压完成后，在芯棒3螺纹段通槽与驱动手柄6底部方槽中塞入制动挡块7，限制挤压芯棒相对于挤压驱动台5和驱动手柄6的周向旋转自由度。

步骤四、再次旋转驱动手柄6，使梯形挤压块4在待强化孔2孔壁内旋转一周，完成整个旋转冷挤压强化过程。

本发明的有益效果是：所述装置包括芯棒，还包括梯形挤压块、挤压驱动台、驱动手柄和制动挡块。所述方法中芯棒采用周向旋转运动代替轴向运动完成强化过程。即一端带有螺纹的芯棒在驱动手柄的配合下沿轴向运动推动梯形挤压块完成孔壁的局部挤压，利用制动挡块将芯棒与挤压驱动台、驱动手柄固连，旋转驱动手柄一周将梯形挤压块的挤压量均匀施加到孔周。采用旋转挤压强化的方式解决了残余应力在孔壁厚度方向不均的技术问题，使得在芯棒的入口处仍能获得较高的残余应力值，提升了孔周整体的疲劳强化效果。

以下结合附图和实施例详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明旋转式孔冷挤压强化装置的装配图。

图2是本发明旋转式孔冷挤压强化装置的爆炸图。

图3是图2中的梯形挤压块在孔壁施加局部挤压量的原理图。

图4是背景技术孔冷挤压装置的装配图。

图中，1-装配体，2-待强化孔，3-芯棒，4-梯形挤压块，5-挤压驱动台，6-驱动手柄，7-制动挡块，8-开缝衬套，9-顶帽，10-拉枪。

具体实施方式

参照图1－3。本发明旋转式孔冷挤压强化装置，包括芯棒3，还包括梯形挤压块4、挤压驱动台5、驱动手柄6和制动挡块7。芯棒3一端为锥形斜面另一端带有螺纹，芯棒3的螺纹端与挤压驱动台5、驱动手柄6中心的螺纹孔配合。挤压驱动台5为带有筋条的圆柱凸台，底部圆台外侧留有突出部分，与驱动手柄6凹槽紧密配合传导扭矩。挤压驱动台5顶部凹槽内安放梯形挤压块4与芯棒3锥形斜面相配合。在对孔局部孔壁挤压阶段，梯形挤压块4周向各面被挤压驱动台5圆柱上的方形槽孔限制。当芯棒3受力沿轴向运动时，由于梯形挤压块4周向各面被约束，芯棒3斜面上的反作用力只能推动梯形挤压块4向右侧移动，完成孔壁局部挤压量的施加。芯棒3螺纹端开有矩形通槽，当局部挤压完成后在驱动手柄6底部方槽与芯棒3通槽中塞入制动挡块7，限制芯棒3相对于驱动手柄6的周向转动，芯棒3圆锥形斜面为梯形挤压块4提供稳定支撑，保证局部挤压量在驱动手柄6旋转一周过程中施加到整个孔壁范围。

一种旋转式孔冷挤压强化方法具体包括以下步骤：

步骤一、将装配体1顶部放置在待强化孔2内，芯棒3螺纹段与挤压驱动台5、驱动手柄6底部的螺纹孔相连接；

步骤二、旋转驱动手柄6，芯棒3螺纹段进入驱动手柄6螺纹孔内，带动芯棒3圆锥形面对梯形挤压块4斜面施加压力，使梯形挤压块4沿径向外扩展，完成对待强化孔2局部孔壁的挤压；

步骤三、局部孔壁挤压完成后，在芯棒3螺纹段通槽与驱动手柄6底部方槽中塞入制动挡块7，限制挤压芯棒相对于挤压驱动台5和驱动手柄6的周向旋转自由度。

步骤四、再次旋转驱动手柄6，使梯形挤压块4在待强化孔2孔壁内旋转一周，完成整个旋转冷挤压强化过程。

本发明通过将芯棒3抽拉式挤压改为旋转式挤压的方式，有效的避免了孔壁材料随芯棒3轴向流动所造成的孔壁出口处实际挤压量增大，残余应力大小沿厚度方向分布不均的技术问题。本发明强化方法引入的残余应力层更加均匀，提升了芯棒挤入面的残余应力大小，消除了强化效果的薄弱环节。

Claims (2)

1.一种旋转式孔冷挤压强化装置，包括芯棒(3)，其特征在于：还包括梯形挤压块(4)、挤压驱动台(5)、驱动手柄(6)和制动挡块(7)；所述芯棒(3)一端为锥形斜面另一端带有螺纹，芯棒(3)的螺纹端与挤压驱动台(5)、驱动手柄(6)中心的螺纹孔配合；挤压驱动台(5)为带有筋条的圆柱凸台，底部圆台外侧留有突出部分，与驱动手柄(6)凹槽紧密配合传导扭矩；挤压驱动台(5)顶部凹槽内安放梯形挤压块(4)与芯棒(3)锥形斜面相配合；芯棒(3)螺纹端开有矩形通槽，驱动手柄(6)底部开有方槽，矩形通槽和方槽用于放入制动挡块(7)，限制芯棒(3)相对于驱动手柄(6)的周向转动，芯棒(3)圆锥形斜面为梯形挤压块(4)提供稳定支撑。

2.一种旋转式孔冷挤压强化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将装配体(1)顶部放置在待强化孔(2)内，芯棒(3)螺纹段与挤压驱动台(5)、驱动手柄(6)底部的螺纹孔相连接；

步骤二、旋转驱动手柄(6)，芯棒(3)螺纹段进入驱动手柄(6)螺纹孔内，带动芯棒(3)圆锥形面对梯形挤压块(4)斜面施加压力，使梯形挤压块(4)沿径向外扩展，完成对待强化孔(2)局部孔壁的挤压；

步骤三、局部孔壁挤压完成后，在芯棒(3)螺纹段通槽与驱动手柄(6)底部方槽中塞入制动挡块(7)，限制挤压芯棒相对于挤压驱动台(5)和驱动手柄(6)的周向旋转自由度；

步骤四、再次旋转驱动手柄(6)，使梯形挤压块(4)在待强化孔(2)孔壁内旋转一周，完成整个旋转冷挤压强化过程。