一種金屬零件孔邊r型面微擠壓的抗疲勞製造裝置製造方法
2023-06-01 19:07:26 2
一種金屬零件孔邊r型面微擠壓的抗疲勞製造裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種金屬零件孔邊R型面微擠壓的抗疲勞製造裝置。為了彌補孔的冷擠壓強化過程中只是對孔壁產生強化作用，而對孔邊強化作用不明顯的缺點，所述抗疲勞製造裝置包括分別位於試驗件金屬零件孔上下側面的上、下擠壓頭，該上擠壓頭的下部和下擠壓頭的上部均位於金屬零件孔內，且上、下擠壓頭均具有擠壓頭圓角；所述上、下擠壓頭上開有螺栓孔，穿過該螺栓孔的拔拉螺栓與外部壓力設備相連。本實用新型主要通過對孔邊R型面施加一定載荷作用，使其發生局部微小塑性變形，改變其宏觀輪廓和表面完整性，從而提高其抗疲勞性能。本實用新型使用的載荷較小，不會對零件造成損傷，並且直接強化疲勞薄弱區，抗疲勞效果顯著。
【專利說明】一種金屬零件孔邊R型面微擠壓的抗疲勞製造裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及金屬零件小孔孔邊R局部的抗疲勞製造領域，具體為一種金屬零件孔邊R型面微擠壓的抗疲勞製造裝置。
【背景技術】
[0002]失效分析結果表明，航空零件發生斷裂80%是以疲勞方式發生，因此對其疲勞性能的要求較高。隨著零件材料強度增大，但隨之而來的是其應力集中敏感度高，其疲勞強度隨應力集中係數(Kt)值的提高大幅度下降。並且零件疲勞裂紋多萌生於應力集中部位。零件上的孔是結構的不連續處，也是零件中最常見的應力集中形式，如何改善帶孔零件的疲勞性能是工程應用中所面臨的一大現實問題。
[0003]抗疲勞製造技術是以控制、改善材料和零件表面完整性為手段，以提高疲勞性能為目標的一類技術。零件孔最常用的抗疲勞製造技術是冷擠壓強化技術，冷擠壓強化使用具有一定過盈量芯棒強行穿過小孔後形成一定塑性變形，強化層內殘餘應力和微觀組織的改善對提高孔疲勞性能具有顯著作用。孔冷擠壓強化技術強化部位是孔壁，對孔邊作用不明顯，而孔邊是應力集中最嚴重的部位，也就是服役過程中受載荷最大和最易發生疲勞斷裂的部位。因此，孔邊的抗疲勞製造是孔製造的重中之重，也是整個零件製造的關鍵技術。
實用新型內容
[0004]為了彌補孔的冷擠壓強化過程中只是對孔壁產生強化作用，而對孔邊強化作用不明顯的缺點，本實用新型旨在提供一種金屬零件孔邊R型面微擠壓的抗疲勞製造裝置，通過該裝置可以使孔邊R宏觀輪廓變得更平滑、加工刀痕變淺及其殘餘應力狀態得到改善，從而延長其疲勞壽命，提高其抗疲勞性能。
[0005]為了實現上述目的，本實用新型所採用的技術方案是:
[0006]一種金屬零件孔邊R型面微擠壓的抗疲勞製造裝置，其特徵在於，包括分別位於試驗件金屬零件孔上下側面的上擠壓頭和下擠壓頭，該上擠壓頭的下部和下擠壓頭的上部均位於金屬零件孔內，且上擠壓頭和下擠壓頭均具有與金屬零件孔邊R型面相配合的擠壓頭圓角；所述上擠壓頭和下擠壓頭上開有螺栓孔，穿過該螺栓孔的拔拉螺栓的螺栓頭位於上擠壓頭的上端面，拔拉螺栓的螺杆與外部壓力設備相連。
[0007]以下為本實用新型的進一步改進的技術方案:
[0008]根據本實用新型的實施例，所述金屬零件孔的孔徑優選為10mnT20mm。
[0009]為了保證取得比較好的微擠壓效果，所述擠壓頭圓角的弧面半徑為金屬零件孔倒圓角半徑R?R+0.05mm。
[0010]採用本實用新型進行金屬零件孔邊R型面微擠壓的抗疲勞工藝時，包括如下步驟:
[0011]I)準備好帶有壓力表的壓力設備，選用與試驗件金屬零件孔徑及孔邊R相匹配的擠壓頭；[0012]2)清除擠壓頭及金屬零件孔周圍的汙物，將上、下擠壓頭分別安放在金屬零件孔的兩側孔邊R上，將拉拔螺栓的螺杆穿過上、下擠壓頭的中心孔，並與壓力設備固定相連；
[0013]3)啟動壓力設備，通過拉拔螺栓對金屬零件孔邊R施加壓力，達到20MPa?28MPa後，保持壓力值一段時間不變，然後卸載壓力，取出試驗件。
[0014]達到規定的壓力值後，保持壓力值不變的時間最好是6?10秒鐘。
[0015]鑑於上述結構，本實用新型用於金屬零件小孔孔邊R局部的抗疲勞製造技術的工藝特點是使用擠壓頭，在機械力的作用下使孔邊R型面發生局部微小塑性變形，使其宏觀輪廓變得更平滑、加工刀痕變淺及其殘餘應力狀態得到改善，從而延長其疲勞壽命，提高其抗疲勞性能；具體實施方法為:
[0016]1、第一步:選定合理的擠壓工具
[0017]擠壓工具包括專用擠壓頭及壓力設備。專用擠壓頭可根據孔徑及孔邊R自行設計製造。壓力設備應根據零件結構及現場條件，可用液壓或工具機等設備，但壓力可讀並可控。
[0018]2、第二步:孔邊R型面微擠壓試驗，確定被擠壓的孔邊R型面產生微小塑變量所需的擠壓力
[0019]孔邊R型面微小塑變量不易測量，但可以通過表面形貌的變化觀察到，並通過試驗件疲勞試驗衡量其效果，間接反映其塑變量。由於不同材料達到理想的抗疲勞效果所需的微小塑變量不同，以及同一材料不同孔徑的各種孔邊R型面要產生某一微小塑變量所需的擠壓力也不同，因此，針對給定材料及孔徑的孔邊R，設計各種力值，進行疲勞試驗以確定合理的擠壓力。擠壓力過小，孔邊R型面不產生變形或變形過小，強化效果不明顯，擠壓力過大，則變形過大，容易產生微裂紋，抵消強化效果。
[0020]3、第三步:孔邊R型面微擠壓加工
[0021]採用上述選定的擠壓工具及確定出的擠壓力，對給定材料及孔徑的孔邊R進行機械力擠壓，以達到所需的微小塑變量，提高帶孔零件的疲勞性能。
[0022]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0023]I)孔邊R型面微擠壓技術使用載荷較小，不會對零件造成損傷；
[0024]2)孔邊R型面微擠壓技術直接強化疲勞薄弱區，抗疲勞效果更加顯著。
[0025]以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步闡述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本實用新型抗疲勞製造裝置的結構原理圖；
[0027]圖2是圖1的A— A剖視圖；
[0028]圖3是圖2中I處的局部放大圖；
[0029]圖4是孔口微擠壓如後表層形貌不意圖；
[0030]圖5是孔口微擠壓前後孔口宏觀輪廓外形圖；
[0031]圖6是孔口微擠壓前後表面形貌對比示意圖。
[0032]在圖中
[0033]I一試驗件；2—上擠壓頭；3—被擠壓的孔邊R ; 4一下擠壓頭；
[0034]5—拉拔螺栓；6—擠壓頭圓角。【具體實施方式】
[0035]一種金屬零件孔邊R型面微擠壓的抗疲勞製造裝置，圖1和2是試驗過程中試驗件1、上擠壓頭2和4及拉拔螺栓5之間的位置關係，拉拔螺栓5與外部壓力設備相連，產生拉力，使上擠壓頭2與下擠壓頭4做相向運動，從而使上擠壓頭2和4的圓角6對試驗件被擠壓的孔邊R 3產生擠壓力，使其發生微小塑性變形，改變其宏觀輪廓和表面完整性，從而提高其抗疲勞性能。其中，上、下擠壓頭2，4圓角為R+0.05 0，其中R為被擠壓的孔邊倒圓。控制孔邊R、擠壓頭圓角、擠壓力，使孔邊R型面發生適當的微小塑性變形，是提高帶孔零件疲勞性能的關鍵。
[0036]本實施例以採用本實用新型對超高強度鋼23Col4Nil2Cr3MoE(A-100)鋼拉-拉疲勞試驗件上的Φ15小孔孔邊實施微擠壓強化為例，具體步驟如下:
[0037]I)準備好壓力設備(帶有壓力表)，選用與金屬零件孔徑及孔邊R相匹配的兩個擠壓頭2，4 ；
[0038]2)清除擠壓頭及金屬零件孔周圍的汙物，將擠壓頭分別安放在金屬零件孔的兩側孔邊R上，將拉拔螺栓穿過上、下擠壓頭的中心孔，並與壓力設備相連、固定；
[0039]3)啟動壓力設備，給金屬零件孔施加壓力，達到25MPa後，保持壓力值不變約6~10秒鐘，卸載壓力，取出試驗件I。
[0040]孔邊在外力擠壓作用下，將發生宏觀和微觀形貌的改變，並在擠壓表層形成一定深度的強化層，如圖4所示，具體變化體現在以下三個方面:
[0041]I)對比A-100鋼Φ 15mm的小孔孔邊強化處理前後宏觀輪廓見圖5，處理前對孔邊進行了倒圓處理，但由於加工刀具與工件表面未完全貼合，造成孔邊倒圓面有稜角，孔邊微擠壓後，稜角被去除，孔壁和外表面形成了圓滑過渡。零件受載狀態下，圓滑過渡具有更小的應力集中。
[0042]2)對比A-100鋼Φ 15mm的小孔孔邊強化處理前後微觀形貌見圖6，擠壓前表面加工刀痕較深，表面粗糙度Ra值為1.0 μ m，微擠壓強化後刀痕深度變淺，部分被去除，表面粗糙度Ra值降低為0.3μπι。
[0043]3)對比Α-100鋼Φ 15mm的小孔孔邊強化處理前後表層殘餘應力值見表1，孔邊未處理試驗件殘餘壓應力值較低，表面值僅-150MPa，微擠壓處理後孔邊殘餘壓應力值大幅度提高，表面值達到_485MPa，且在深度120 μ m的位置仍然具有_155MPa的殘餘壓應力值。
[0044]表1孔邊擠壓前後的殘餘應力值對比表
[0045]
【權利要求】
1.一種金屬零件孔邊R型面微擠壓的抗疲勞製造裝置，其特徵在於，包括分別位於試驗件(I)金屬零件孔上下側面的上擠壓頭(2)和下擠壓頭(4)，該上擠壓頭(2)的下部和下擠壓頭(4)的上部均位於金屬零件孔內，且上擠壓頭(2)和下擠壓頭(4)均具有與金屬零件孔邊R (3)型面相配合的擠壓頭圓角(6);所述上擠壓頭(2)和下擠壓頭(4)上開有螺栓孔，穿過該螺栓孔的拔拉螺栓(5)的螺栓頭位於上擠壓頭(2)的上端面，拔拉螺栓(5)的螺杆與外部壓力設備相連。
2.根據權利要求1所述的金屬零件孔邊R型面微擠壓的抗疲勞製造裝置，其特徵在於，所述金屬零件孔的孔徑為10mnT20mm。
3.根據權利要求1所述的金屬零件孔邊R型面微擠壓的抗疲勞製造裝置，其特徵在於，所述擠壓頭圓角(6)的弧面半徑為金屬零件孔倒圓角半徑ITR+0.05mm。
【文檔編號】C21D7/04GK203429211SQ201320533939
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年8月30日 優先權日:2013年8月30日
【發明者】張志剛, 湯智慧, 翟甲友, 王強 申請人:中航飛機起落架有限責任公司