[发明专利]一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置及其运行工艺

说明书

本发明提出一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置及其运行工艺，该装置中超声振动装置的前端盖与压电陶瓷交界处为节面，设置法兰。前端盖与锥形变幅杆一体设计，与可变直径挤压芯棒连接，超声振子的振幅通过变幅杆进行放大，实现挤压芯棒前端超声振动，超声换能器与超声波发生器连接，提供超声振动电源，挤压芯棒由推杆和芯棒套管装配组成，芯棒套管放置于孔结构件中，由于推杆前端存在锥度，芯棒套管上存在开缝，旋转螺杆将推杆插入，使挤压芯棒前端直径增大，提供孔挤压工艺需要的过盈量。挤压芯棒的轴向超声振动能够改变孔挤压强化过程中挤压芯棒与装配孔孔壁之间的摩擦形式，降低孔挤压强化过程中的挤压力，减小孔壁材料回弹，改善孔壁表面质量，提高孔挤压强化效果。

技术领域

本发明涉及一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置及其运行工艺，属于结构件装配孔的抗疲劳强化技术领域，尤其涉及将超声辅助加工技术与孔挤压强化技术相结合，形成减小挤压力，改善孔壁表面质量，提高疲劳性能的超声挤压复合强化技术。

背景技术

在航空航天领域中，孔结构的可靠性是飞行器在设计过程中重要的一点。大多数结构都要通过连接孔进行螺栓连接或铆钉连接进行装配，孔的存在使得结构件出现材料的不连续，在孔附近造成应力集中，在交变载荷下导致孔结构萌生裂纹，降低了结构的可靠性以及使用寿命，因此，需要对孔进行挤压强化以提高疲劳性能。

孔挤压强化技术具有不增加结构件重量、不改变结构件形式和材料等特点，通过挤压后孔壁引入一定深度的残余压应力层，在孔受载时中和一部分外载荷；挤压同时细化晶粒，提高孔壁显微硬度，金相组织的改变与硬化层对抑制裂纹的萌生和扩展起到重要作用，从而提高孔的疲劳性能。孔挤压技术应用中，应用最广泛的是衬套挤压。通过衬套和芯棒的配合达到过盈对孔进行挤压强化，衬套挤压强化过程中衬套起到对孔壁的保护作用，但在挤压力作用下，衬套发生塑性变形，无法再次进行挤压强化，与之搭配使用的实心挤压芯棒在挤压过程中也承受较大挤压力，产生一定的磨损甚至卡棒、断棒。使得孔挤压强化过程产生较高的成本；同时实心挤压芯棒挤压衬套，芯棒与衬套再挤压孔，过程中衬套吸收掉一部分挤压量，造成挤压强化效果削减。

目前，孔挤压已有方案均是采用挤压强化工具的过盈量对孔进行挤压，挤压后铰削至终孔直径。孔挤压过程中受到挤压力的限制，使得无法采用较高挤压量。挤压工具存在严重磨损，无法保证强化效果。研究的方案多基于实验情况出发，实际应用中，要求工具从一侧进入，同时要保证操作性等，所以在成本、以及强化效果方面，缺少更优的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术中，孔挤压强化过程直接芯棒挤压存在装配问题应用不方便、挤压方案单一，开缝衬套挤压高成本、挤压力过大对工具的损伤等问题，本发明提供了一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置及其运行工艺，实现了芯棒的快捷方便装配，且可调节直径和挤压方案，同时实现挤压芯棒前端的轴向振动，挤压时保证径向偏差，振动时接触状态改变，芯棒轴向运动与超声振动两种运动叠加，有益于挤压过程力的减小，改善金属挤压后回弹情况以及提高孔壁强化后表面质量。

为实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种可分离式的挤压芯棒超声振动孔挤压强化装置，包括用于同拉伸试验机连接的连接板（1）、立柱（2）、超声振动装置（3）、压紧圆盘（4）、紧固盖板（5）、推杆（9）、芯棒套管（10）；

其中连接板（1）承载整个超声孔挤压强化装置，中心设螺纹孔，其通过螺纹连接件固定在拉伸试验机上，连接板上的中心孔大于螺纹连接件孔径。连接板通过轴肩和圆螺母实现轴向固定，完成与拉伸试验机的连接；在挤压时，为芯棒轴向运动提供拉力。

连接板（1）与紧固盖板（5）之间通过四根立柱（2）相连，采用螺母来完成约束。结构安装和拆修简便，将总拉力分为四部分，均匀传递至紧固盖板。紧固盖板（5）设置内凹圆槽，直径略大于超声振动装置（3）法兰直径，将法兰可嵌入其中，通过通孔的自定心，法兰另一侧，设置压紧圆盘（4），压紧圆盘（4）与紧固盖板（5）采用四颗螺栓相连，在螺栓作用下，实现法兰的固定。