一种采用开缝衬套冷挤压强化装配孔的工艺

一种采用开缝衬套冷挤压强化装配孔的工艺
1.技术领域
2.本发明提出一种可重复使用多开缝衬套孔冷挤压强化工艺，属于孔冷挤压强化精密加工技术领域，尤其涉及采用可重复使用多开缝衬套对带孔工件装配孔进行冷挤压强化。
技术背景
3.铝合金、钛合金是一种质量轻、强度高、各项力学性能优异的航空材料，在航空零部件中得到广泛应用。针对宽体客机典型结构装配孔，需要在装配孔中安装紧固件进行装配。装配孔的孔边形成应力集中，容易产生裂纹，进而降低了结构的疲劳性能，减小了结构的服役寿命。因此增加铝合金、钛合金带孔工件的疲劳性能和抗疲劳强度、延长带孔工件的服役寿命显得极其重要。带孔工件孔的冷挤压强化技术不改变带孔工件的形式、材料、重量，对带孔工件进行局部强化，从而增加带孔工件的疲劳性能和抗疲劳强度、延长其服役寿命。采用开缝衬套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，带孔工件冷挤压强化过程中衬套开缝处产生的凸脊较大，引起铰削量大，残余应力损失大，从而导致带孔工件孔壁残余应力场不均匀，不能满足宽体客机带孔结构件性能要求。开缝衬套经过挤压强化后发生大的塑性变形，导致开缝衬套不能进行重复使用，严重增加了孔冷挤压强化工艺成本。
4.公开号为cn210614685u的中国专利公开了一种用于冷挤压设备的三瓣式衬套，包括三瓣式衬套体、弹性环、顶紧装置，所述三瓣式衬套体分为三瓣，每相邻两瓣衬套之间通过弹性环连接在一起，所述顶紧装置端面有导孔，三瓣式衬套体的导轨可沿导孔做径向运动。该三瓣式衬套可多次重复使用，加快了孔冷挤压的速度。公开号为cn105666036a的中国专利申请公开了一种孔与衬套二次挤压强化的装配方法，首先用具有一定挤压量的挤压棒(3)通过挤压拉拔枪(1)对孔(4)进行一次强化，再将按要求配制的衬套(5)放入孔(4)中，用具有一定挤压量的挤压棒(3)通过挤压拉拔枪(1)对孔(4)进行再一次强化同时完成衬套(5)装配。


技术实现要素：

5.针对孔冷挤压开缝衬套强化技术，孔冷挤压强化过程中衬套开缝处产生较大凸脊，引起铰削量大，导致残余应力损失大，使带孔工件孔壁形成不均匀的表层残余应力场，不能满足装配孔结构件性能要求；使用开缝衬套进行孔冷挤压强化后，开缝衬套发生变形较大，不能进行重复使用，增加孔冷挤压强化技术成本的问题。本发明提出一种采用开缝衬套冷挤压强化装配孔的工艺，该发明可以实现多开缝衬套的可重复使用，降低孔冷挤压强化工艺成本；使带孔工件装配孔孔壁形成均匀残余应力场，延长带孔工件疲劳寿命。
6.技术方案本发明提出一种采用开缝衬套冷挤压强化装配孔的工艺，衬套上开设多条开缝，对带孔工件装配孔冷挤压强化过程中，挤压力平均分配给每条开缝，开缝衬套发生变形小，易复原，实现开缝衬套的可重复使用。开缝衬套发生变形小，开缝处产生的凸脊小，铰削量小，装配孔孔壁残余应力损失小，从而使带孔工件孔壁形成均匀的残余应力场，提高带孔工件的服役寿命，满足带孔工件装配性能要求。
7.（1）开缝衬套穿过挤压芯棒一端置于导向段，并通过尾部的螺纹固到夹具上，挤压芯棒与开缝衬套穿过辅助板、带孔工件，完成安装。
8.辅助板放置在带孔工件的前面，辅助板孔与带孔工件装配孔孔径相同且同轴。可以避免挤压芯棒从带孔工件拉出时，由于挤压力的作用使带孔工件拉出端孔口变形。
9.（2）将挤压芯棒匀速拉出带孔工件装配孔时，挤压芯棒工作环挤压开缝衬套，对装配孔实施挤压强化。
10.开缝衬套中部与前段固定为一体，避免拉出挤压芯棒的过程中带动开缝衬套前端一起运动。
11.开缝衬套中部开设的开缝数量与衬套前端开缝数量相同，但中部开缝宽度大于前端开缝宽度。对衬套中部开缝进行施加挤压力，可以使衬套中部、前端开缝收缩，可以实现直径小于衬套开缝未收缩状态下孔的挤压强化。
12.多开缝衬套中部开缝终点处有止纹孔，止纹孔可以避免衬套因开缝的存在而产生裂纹。
13.有益效果本发明采用开缝衬套冷挤压强化装配孔的工艺，具有以下优点：1. 开缝衬套对称开设多条开缝，挤压力平均分配给每条开缝，开缝衬套变形小，开缝衬套处于弹性变形阶段，易复原，可重复使用。
14.2. 开衬套材料比被挤压工件材料硬度高，使用开缝衬套对带孔工件进行冷挤压强化过程中，开缝衬套每条开缝处承受的挤压力小，由于开缝衬套材料硬度高，所以开缝衬套发生的塑性变形小。
15.3. 多开缝衬套开缝处产生小的凸脊，则凸脊生成高度小，铰削量小，表层残余应力损失小，使带孔工件孔壁形成均匀的残余应力场，提高带孔工件的服役寿命、疲劳增益。
附图说明
16.图1是一种采用开缝衬套冷挤压强化装配孔的工艺流程图；图2是本发明一种采用开缝衬套冷挤压强化装配孔的强化状态示意图；图3是挤压芯棒示意图；图4是多开缝衬套示意图；图5是tc4钛合金板装配孔挤入端距孔壁的距离与切向残余应力的变化；图6是tc4钛合金板装配孔中间层距孔壁的距离与切向残余应力的变化；图7是tc4钛合金板装配孔挤出端距孔壁的距离与切向残余应力的变化。
17.其中：挤压芯棒工作环
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1、带孔工件
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2、辅助板
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3、开缝衬套
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4、挤压芯棒
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5、挤压芯棒导向段
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6、开缝
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7、螺纹
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8、开缝
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9、止纹孔
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10。
具体实施方式
18.下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
19.实施例1图1是一种采用开缝衬套冷挤压强化装配孔的工艺流程图；图2是本发明一种采用开缝衬套冷挤压强化装配孔的强化状态示意图。
20.（1）开缝衬套4穿过挤压芯棒5一端置于导向段6，通过尾部的螺纹8固到夹具上。挤压芯棒5与开缝衬套4穿过辅助板3、带孔工件2。辅助板3放置在带孔工件2的前面，辅助板孔与带孔工件装配孔孔径相同且同轴。
21.（2）将挤压芯棒5以匀速拉出带孔工件2装配孔时，挤压芯棒工作环1挤压开缝衬套4，开缝衬套上开设多条开缝，对孔挤压强化过程中，挤压力平均分配给开缝衬套的每条开缝，每条开缝承受的挤压力小，开缝处产生的凸脊小，铰削量小，引起表层残余应力小，从而使带孔工件装配孔孔壁形成均匀的残余应力场。
22.图3是挤压芯棒示意图，挤压芯棒的尾端设有螺纹，另一端设有导向段6，截面为等腰梯形，靠近导向段的端部，轴向设置一圈工作环1，直径略大于挤压芯棒5，用于对衬套施加压力。
23.图4是开缝衬套4的示意图，开缝衬套包括前端、中部和尾部，其中尾部设有螺纹方便固定。前端和中部均设有开缝，且数量相同。但中部的开缝7比前端的开缝9更宽。对衬套中部进行施加挤压力，可以使衬套中部、前端开缝收缩，可以实现直径小于衬套开缝未收缩状态下孔的挤压强化。开缝衬套中部开缝终点处有止纹孔10，止纹孔可以避免衬套因开缝的存在而产生裂纹。
24.该实施例中，开缝数量为4条，对称设置在衬套的轴向长度方向。带孔工件装配孔冷挤压强化过程中，挤压力平均分配给开缝衬套的每条开缝，每条开缝处承受小的挤压力，发生的变形小，开缝衬套处于弹性变形阶段，易复形。
25.实施例2运用abaqus有限元仿真分析软件对60mm
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60mm
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10mm，中心孔直径为12.12mm的tc4钛合金板装配孔，运用单开缝衬套、4开缝衬套进行挤压量为5%的孔冷挤压强化过程仿真。
26.钛合金带孔工件装配孔冷挤压强化后，装配孔孔壁产生径向、切向、沿板厚三个方向的残余应力，然而钛合金带孔工件在服役过程中承受交变载荷，装配孔孔壁三个方向的残余应力对带孔工件使用性能影响最大的是切向残余应力。因此，实施例2中仅分析孔冷挤压强化后钛合金带孔工件装配孔孔壁不同位置距孔壁的距离与切向残余应力的变化情况。
27.基于单开缝衬套、4开缝衬套孔冷挤压强化仿真过程，得到tc4钛合金板装配孔挤入端距孔壁的距离与切向残余应力的变化如图5所示；装配孔中间层距孔壁的距离与切向残余应力的变化如图6所示；装配孔挤出端距孔壁的距离与切向残余应力的变化如图7所示。
28.由tc4钛合金带孔工件装配孔挤入端、中间层、挤出端三个不同位置距孔壁的距离与切向残余应力的变化规律可知：相同挤压量下，随着距孔壁距离的逐渐增加，使用单开缝衬套、4开缝衬套对装配孔进行冷挤压强化，装配孔孔壁在挤入端、中间层、挤出端不同位置处的切向残余应力呈现相似的变化规律，且挤入端的切向残余应力小于中间层、挤出端；在
装配孔孔壁挤入端，单开缝衬套挤压强化后孔壁产生的最大残余压应力为480mpa，残余压应力层深为5.1mm。4开缝衬套挤压强化后孔壁产生的最大残余压应力为510mpa，残余压应力层深为5.8mm，且距孔壁相同位置4开缝衬套挤压强化后孔壁产生的残余压应力大于单开缝衬套；在装配孔孔壁中间层，单开缝衬套、4开缝衬套挤压强化后孔壁产生的残余压应力层深相同，且在距孔壁相同位置4开缝衬套挤压强化后孔壁产生的残余压应力大于单开缝衬套。在装配孔孔壁挤出端，4开缝衬套挤压强化后孔壁产生的残余压应力层深为5.8mm，单开缝衬套挤压强化后孔壁产生的残余压应力层深为4.6mm，且距孔壁相同位置4开缝衬套挤压强化后孔壁产生的残余压应力大于单开缝衬套。
29.运用单开缝衬套、4开缝衬套对钛合金带孔工件装配孔进行冷挤压强化，相同挤压量、衬套相同开缝宽度下，单开缝衬套冷挤压强化过程中衬套开缝处承受的挤压力大，衬套开缝处产生大的凸脊，大的凸脊导致大的铰削量，铰削量越大对孔壁产生的残余应力场影响较大；4开缝衬套冷挤压强化过程中由于衬套上开缝均匀分散，衬套每条开缝处承受的挤压力、衬套每条开缝宽度均匀小于单开缝衬套，所以4开缝衬套开缝处产生的凸脊小，小的凸脊引起铰削量小，铰削量小对孔壁产生的残余应力场影响小。
30.孔冷挤压强化后装配孔孔壁产生的残余应力场可以改善带孔工件组织性能、有效抑制孔边疲劳裂纹产生、延缓疲劳裂纹扩展速率，增大疲劳裂纹扩展区面积，从而提高带孔工件的疲劳性能、增大带孔工件的疲劳强度、延长带孔工件服役寿命。运用单开缝衬套、4开缝衬套对tc4钛合金带孔工件装配孔进行冷挤压强化，在装配孔孔壁挤入端4开缝衬套冷挤压强化后产生的残余压应力层深、最大残余压应力均大于单开缝衬套；在装配孔孔壁中间层，单开缝衬套、4开缝衬套冷挤压强化后孔壁产生的残余压应力层深相同；在装配孔孔壁挤出端，4开缝衬套冷挤压强化后孔壁产生的残余压应力层深大于单开缝衬套，距孔壁相同位置4开缝衬套冷挤压强化后孔壁产生的残余压应力大于单开缝衬套。4开缝衬套孔冷挤压强化后装配孔孔壁在开缝处产生的凸脊小，铰削量小，对装配孔孔壁产生的残余应力场小。
31.综上所述，使用多开缝衬套对带孔工件装配孔进行冷挤压强化，能够增大带孔工件装配孔孔壁残余应力场，从而提高带孔工件疲劳强度，延长带孔工件服役寿命。