本發(fā)明屬于機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)構(gòu)件連接孔的超聲擠壓復(fù)合強(qiáng)化方法及裝置，主要用于航空、航天、列車及船舶等工業(yè)中重要結(jié)構(gòu)件連接孔的強(qiáng)化。

背景技術(shù)：

目前，結(jié)構(gòu)件連接孔的主要強(qiáng)化技術(shù)有冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)、機(jī)械噴丸強(qiáng)化技術(shù)、干涉配合連接技術(shù)、滾壓強(qiáng)化技術(shù)及激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)。其中，冷擠壓和機(jī)械噴丸是目前國(guó)內(nèi)外廣泛用于結(jié)構(gòu)抗疲勞斷裂設(shè)計(jì)的行之有效的兩種強(qiáng)化技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外的內(nèi)外孔的內(nèi)表面強(qiáng)化工藝大多采用的是機(jī)械噴丸與冷擠壓強(qiáng)化。傳統(tǒng)機(jī)械噴丸的方法是在內(nèi)壁設(shè)置一個(gè)帶有錐角的反射裝置，將噴丸噴射到反射裝置上，是彈丸與孔內(nèi)壁發(fā)生碰撞，使孔內(nèi)壁產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而對(duì)孔內(nèi)壁起到強(qiáng)化作用，但是機(jī)械噴丸強(qiáng)化的方法受到孔徑的限制，當(dāng)孔徑小到一定程度時(shí)，此方法就不在適用，而且噴丸強(qiáng)化后也存在沿孔徑方向應(yīng)力分布不均勻的問題。冷擠壓強(qiáng)化的原理是用一個(gè)與待強(qiáng)化孔徑相比具有一定過盈量的芯棒采用強(qiáng)行擠壓的方式通過孔徑，擠壓力通過芯軸作用在孔內(nèi)壁上，使內(nèi)孔周圍產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。冷擠壓芯棒在擠壓過程中，由于芯軸與孔內(nèi)壁直接接觸，擠壓力大，極易發(fā)生折斷，特別是小孔(孔徑小于5mm)件的擠壓處理，折斷后的芯棒很難取出，對(duì)壁面造成劃痕。同時(shí)孔壁軸向流動(dòng)大，形成較高凸臺(tái)。開縫襯套冷擠壓后，在孔壁會(huì)留下一道線狀凸臺(tái)，需經(jīng)鉸孔才能保證孔壁面的機(jī)械要求，但鉸削對(duì)孔周的殘余應(yīng)力分布會(huì)產(chǎn)生較大的影響。[00]中國(guó)專利文獻(xiàn)cn103710494a一種基于超聲波的小孔強(qiáng)化方法及裝置，該方法是以壓電陶瓷柱為振動(dòng)部件，進(jìn)行極化后連接超聲波發(fā)生器，置于小孔內(nèi)部適當(dāng)位置，通過壓電陶瓷柱的旋轉(zhuǎn)和徑向運(yùn)動(dòng)撞擊小孔內(nèi)壁產(chǎn)生一定的塑性變形從而引入殘余應(yīng)力，對(duì)小孔內(nèi)壁進(jìn)行珩磨與強(qiáng)化。由于振動(dòng)部件的壓電陶瓷柱在使用之前需要進(jìn)行特殊的極化處理，用于小孔件處理壓電陶瓷柱電極也難連接，并容易損壞；強(qiáng)化處理需要較長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)存在殘余應(yīng)力分布不均勻問題。

中國(guó)專利文獻(xiàn)cn105734233a提供一種提高金屬工件疲勞壽命的超聲強(qiáng)化方法及其應(yīng)用，通過將金屬工件裝夾在超聲波加工機(jī)床上，利用超聲波加工刀具對(duì)金屬工件表面進(jìn)行超聲加工，該方法重點(diǎn)在于通過調(diào)整超聲波加工刀具對(duì)于加工工作面的不同壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面預(yù)置壓應(yīng)力，最終達(dá)到消除殘余應(yīng)力，提高疲勞壽命的目的。同時(shí)該超聲強(qiáng)化能使金屬工件表面晶粒細(xì)化，表面顯微硬度提高，耐磨性和耐腐蝕性提高，從而大幅度提高工件的疲勞壽命。該強(qiáng)化方法只能使工件表面加工殘余應(yīng)力降低，不能實(shí)現(xiàn)明顯的強(qiáng)化，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)孔內(nèi)壁強(qiáng)化。

超聲拉絲、超聲拉拔軸是將縱向振動(dòng)或正交復(fù)合振動(dòng)超聲波振動(dòng)能傳遞到模具上，從而激勵(lì)振動(dòng)模具，然后被加工材料通過這樣的振動(dòng)模具進(jìn)行拉拔加工，進(jìn)而獲得超聲波振動(dòng)能對(duì)金屬材料塑性成型加工，該方法的模具孔硬度、強(qiáng)度大于絲材、棒材的，且以絲材、棒材為加工對(duì)象，使材料更利于軸向的塑性流動(dòng)，利于工件成型。該方法以利于軸向塑性流動(dòng)為目的，在振動(dòng)模態(tài)、振動(dòng)參數(shù)上與強(qiáng)化要求的工藝不同，更不希望產(chǎn)生強(qiáng)化效果。

中國(guó)專利文獻(xiàn)cn10162828公開了一種切向伸縮式超聲波扭轉(zhuǎn)換能器,換能器直接使前蓋體在切向方向產(chǎn)生純扭轉(zhuǎn)振動(dòng),經(jīng)過變幅桿放大后輸出大振幅扭轉(zhuǎn)振動(dòng),以切向直接驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單方式獲得了超聲波純扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。此換能器為純扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，無(wú)法改變振動(dòng)模態(tài)，不能適應(yīng)孔的強(qiáng)化的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有強(qiáng)化技術(shù)中存在的上述不足之處，發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)件連接孔的超聲擠壓復(fù)合強(qiáng)化方法。本發(fā)明的目的在于，通過超聲擠壓復(fù)合強(qiáng)化，不僅可以增強(qiáng)孔周邊材料抗裂紋萌生與擴(kuò)展的能力，而且能夠消除鉆孔時(shí)產(chǎn)生的壁面劃痕，提高孔的壁面質(zhì)量，提高操作可靠性和效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種結(jié)構(gòu)件連接孔的超聲擠壓強(qiáng)化方法，以芯棒作為超聲擠壓強(qiáng)化工具，在芯棒與連接孔之間保持2％～6％擠壓余量的條件下，將芯棒以10～60mm/min速度均勻通過連接孔，同時(shí)給芯棒加上15～80khz頻率的呼吸式超聲振動(dòng)，其交替式徑向振幅在3～50μm；

具體步驟如下：

(1)選擇工藝參數(shù)和芯棒型號(hào)尺寸，并保證一定的擠壓余量；

(2)定位對(duì)中，將芯棒與連接孔對(duì)準(zhǔn)，保證芯棒軸線與連接孔的軸線重合，在芯棒和連接孔的孔壁涂抹潤(rùn)滑劑；

(3)設(shè)置振動(dòng)模態(tài)和參數(shù)，啟動(dòng)超聲振動(dòng)部分；

(4)啟動(dòng)擠壓裝置，從而帶動(dòng)芯棒勻速緩慢的通過連接孔。

進(jìn)一步的，所述芯棒包括從上到下依次為導(dǎo)向段、前錐段、工作段和后錐段；前錐段、后錐段與工作段的連接均為平滑過渡；芯棒的工作段長(zhǎng)度不大于連接孔的深度。

進(jìn)一步的，所述芯棒的硬度大于連接孔孔處材料的硬度，芯棒表面粗糙度為ra≤0.2μm。

一種結(jié)構(gòu)件連接孔的超聲擠壓強(qiáng)化裝置，包括液壓缸、導(dǎo)向筒、超聲波發(fā)生器、超聲振動(dòng)部分、工作臺(tái)、支架；

所述液壓缸安裝在支架上方，且液壓缸的液壓桿與超聲振動(dòng)部分機(jī)械相連接；所述液壓缸的液壓桿外側(cè)套裝有導(dǎo)向筒，導(dǎo)向筒一端安裝在支架上；導(dǎo)向筒的豎直側(cè)上通過導(dǎo)線連接有超聲波發(fā)生器；所述超聲振動(dòng)部分的正下方設(shè)置有工作臺(tái)；所述工作臺(tái)安裝在支架內(nèi)部的底板面上。

進(jìn)一步的，所述超聲振動(dòng)部分包括換能器、前端蓋、壓電陶瓷片、后端蓋、電極片和絕緣片；所述換能器一側(cè)上垂直安裝有芯棒；所述換能器另一側(cè)與前端蓋固定相連接；前端蓋與后端蓋之間依次設(shè)置有絕緣片、電極片與壓電陶瓷片；所述前端蓋與后端蓋之間通過緊固螺釘連接。

進(jìn)一步的，所述工作臺(tái)包括扇形壓板與凸型件；凸型件通過螺栓連接于支架上。

進(jìn)一步的，所述超聲振動(dòng)部分可根據(jù)需要選擇超聲振動(dòng)模態(tài)，壓電陶瓷片的極化方向根據(jù)振動(dòng)模態(tài)的要求進(jìn)行選擇。

一種結(jié)構(gòu)件連接孔的超聲擠壓強(qiáng)化方法，該方法是以芯棒作為超聲擠壓強(qiáng)化工具，在芯棒與連接孔之間保持2％～6％擠壓余量的條件下，將芯棒以10～60mm/min速度均勻通過連接孔，同時(shí)給芯棒加上15～80khz頻率的呼吸式超聲振動(dòng)，交替式徑向振幅在3～50μm，整個(gè)過程采取的是拉拔擠壓方式；上述過程中在孔壁面附近形成殘余壓應(yīng)力，加深了徑向殘余壓應(yīng)力層，產(chǎn)生晶格畸變，位錯(cuò)密度增加，同時(shí)減少了孔壁面附近的材料軸向塑性流動(dòng)，使孔表面光整，凸臺(tái)減小。

該方法中所用的芯棒包括前導(dǎo)向段、前錐段、工作段、后錐段，錐段與圓柱段的連接地方為平滑過渡。；芯棒圓柱段的長(zhǎng)度應(yīng)小于連接孔的深度。

該方法具體包括如下步驟：

(1)選擇工藝參數(shù)和芯棒型號(hào)尺寸，并保證一定的擠壓余量；

(2)定位對(duì)中，將芯棒與連接孔對(duì)準(zhǔn)，保證芯棒軸線與連接孔的軸線重合，在芯棒和孔壁涂抹潤(rùn)滑劑；

(3)設(shè)置振動(dòng)模態(tài)和參數(shù)，啟動(dòng)超聲振動(dòng)裝置；

(4)啟動(dòng)擠壓裝置，將芯棒勻速緩慢的通過連接孔。

(1)選擇工藝參數(shù)和芯棒型號(hào)尺寸，并保證一定的擠壓余量；

(2)定位對(duì)中，將芯棒與連接孔對(duì)準(zhǔn)，保證芯棒軸線與連接孔的軸線重合，在芯棒和孔壁涂抹潤(rùn)滑劑；

(3)設(shè)置振動(dòng)模態(tài)和參數(shù)，啟動(dòng)超聲振動(dòng)裝置；

(4)啟動(dòng)擠壓裝置，將芯棒勻速緩慢的通過連接孔。

在上述強(qiáng)化過程中，所述過擠壓余量是指芯棒的圓柱段直徑d1與連接孔直徑d0之間的相對(duì)擠壓量e，即e＝(d1-d0)/d0。

該方法所述結(jié)構(gòu)件連接孔處的材料為鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金、鈦、鈦合金、高溫合金、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、超高強(qiáng)度鋼或不銹鋼。

該方法所述連接孔在強(qiáng)化處理前的尺寸為：孔徑大于1.5mm，深度大于1mm該方法所述芯棒的硬度應(yīng)大于連接孔處材料的硬度，芯棒的表面粗糙度ra≤0.2μm。

本發(fā)明還涉及一種實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)件連接孔的超聲擠壓強(qiáng)化裝置，由超聲波發(fā)生器、超聲振動(dòng)部分、工作臺(tái)、導(dǎo)向筒、液壓缸、支架部分組成，超聲振動(dòng)系統(tǒng)與液壓桿用螺紋套筒連接，液壓缸、導(dǎo)向筒分別安裝于支架頂板的兩側(cè)，工作臺(tái)安裝于支架底板上。

所述結(jié)構(gòu)件連接孔的超聲擠壓強(qiáng)化裝置的超聲振動(dòng)部分由換能器、變幅桿、芯棒、超聲波發(fā)生器組成，前端蓋、壓電陶瓷片組、絕緣片、電極片、后端蓋通過預(yù)緊螺釘(套有絕緣管)連接，變幅桿小端與芯棒以精密細(xì)牙螺紋連接。

所述換能器中變幅桿與前端蓋為一整體。

所述結(jié)構(gòu)件連接孔的超聲擠壓強(qiáng)化裝置的工作臺(tái)有扇形壓板與凸型件組成，凸型件通過螺栓連接于支架上。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

1、本發(fā)明為結(jié)構(gòu)件連接孔的超聲擠壓強(qiáng)化方法，該方法是以呼吸式超聲振動(dòng)芯棒作為超聲擠壓強(qiáng)化工具，在芯棒與連接孔之間保持2％～6％擠壓余量的條件下，將超聲振動(dòng)芯棒緩慢勻速的通過連接孔，對(duì)孔進(jìn)行超聲擠壓強(qiáng)化。該過程中，在擠壓余量的共同擠壓作用下，孔壁面附近形成殘余壓應(yīng)力，在服役條件下可以抵消部分拉應(yīng)力，改善孔周圍的應(yīng)力環(huán)境。在芯棒呼吸式超聲徑向振動(dòng)作用下，在孔壁面增加了擠壓余量，徑向殘余應(yīng)力層加深，產(chǎn)生晶格畸變，位錯(cuò)密度增加。

2、本發(fā)明中呼吸式超聲擠壓芯棒作用還能夠消除開孔時(shí)產(chǎn)生的壁面劃痕，提高孔壁質(zhì)量，免去鉸削工藝。

3、本發(fā)明控制芯棒長(zhǎng)度、振動(dòng)頻率、加載電壓、擠壓速度，并與適當(dāng)?shù)臄D壓余量配合(2％～6％)相配合，與純芯棒擠壓相比，拉拔力更小，芯棒不易斷，消耗的能量更少，成本更低。

4、減少拉拔擠壓力，增加了操作的可靠性。普通芯棒擠壓極易發(fā)生折斷，孔徑小于5mm的擠壓處理，折斷后的芯棒很難取出，因此特別是有利于無(wú)法采用普通芯棒擠壓強(qiáng)化的小孔結(jié)構(gòu)的處理。

5、本發(fā)明強(qiáng)化方法不需要額外的輔助器材，如冷擠壓強(qiáng)化時(shí)需要襯套，而且操作簡(jiǎn)單可靠，效率高，適用于多種金屬材料孔的強(qiáng)化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明芯棒與連接孔配合的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中芯棒呼吸式振動(dòng)狀態(tài)示意圖；

圖3是圖1中超聲擠壓復(fù)合強(qiáng)化方法過程示意圖；

圖4是圖3中超聲擠壓強(qiáng)化與芯棒擠冷壓擠壓接觸力-時(shí)間曲線圖；

圖5是圖1中復(fù)合超聲擠壓裝置的示意圖；

圖6是圖5中換能器結(jié)構(gòu)圖；

圖7為圖6的局部放大示意圖；

圖8是圖5中工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖；

圖9為圖8工作臺(tái)的剖視示意圖。

附圖標(biāo)記如下：

1.芯棒；101.導(dǎo)向段；102.前錐段；103.工作段；104.后錐段；2.結(jié)構(gòu)件母板；201.拉擠起始；202.拉擠進(jìn)行中；203.拉擠完成；3.連接孔；301.普通擠壓接觸力；302.超聲擠壓接觸力；4.液壓缸；5.導(dǎo)向筒；6.超聲波發(fā)生器；7.超聲振動(dòng)部分；72.換能器；721.前蓋板；722.壓電陶瓷片；723.緊固螺釘；724.后端蓋；725.電極片；726.絕緣套管；727.絕緣片；8.工作臺(tái)；81.扇形壓板；82.支撐釘；83.凸型件；831.上板；832.側(cè)板；9.支架。

具體實(shí)施方式：

下面將結(jié)合附圖對(duì)本法明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明是一種能夠?qū)Y(jié)構(gòu)件連接孔3的超聲擠壓強(qiáng)化方法，該方法是以呼吸式超聲振動(dòng)芯棒1作為擠壓工具進(jìn)行操作，呼吸式超聲振動(dòng)芯棒振動(dòng)狀態(tài)如圖2。所用擠壓芯棒為圓柱狀工具如圖1，包括導(dǎo)向段101、前錐段102、工作段103、后錐段104。

本發(fā)明超聲擠壓強(qiáng)化方法原理如圖1所示，結(jié)構(gòu)件母板2上具有連接孔3，在芯棒1與連接孔3保持2％～6％擠壓余量的條件下，使芯棒1的軸線與連接孔3的軸線對(duì)準(zhǔn)，將芯棒3緩慢與連接孔3接觸少許后，將芯棒1激勵(lì)成如圖2所示呼吸式超聲振動(dòng)狀態(tài)，勻速通過母板2上連接孔3如圖3，實(shí)現(xiàn)超聲擠壓強(qiáng)化；其中：芯棒1以10～60mm/min速度均勻通過連接孔3，芯棒1加上15～80khz頻率的呼吸式超聲振動(dòng)，芯棒1交替式徑向振幅在3～50μm，整個(gè)過程采取的是拉拔擠壓方式；經(jīng)過上述強(qiáng)化處理后，一方面，在呼吸式超聲振動(dòng)芯棒1的擠壓作用下，連接孔3壁面附近形成殘余壓應(yīng)力，加深了徑向殘余壓應(yīng)力層，在服役條件下可以抵消部分拉應(yīng)力，改善連接孔3周圍的應(yīng)力環(huán)境；另一方面，在呼吸式超聲振動(dòng)芯棒1的作用下，孔壁面附近的材料軸向塑性流動(dòng)減小，徑向塑性變形增大，并產(chǎn)生晶格畸變，位錯(cuò)密度增加。以上兩方面共同作用增強(qiáng)了連接孔3周邊材料抗裂紋萌生與擴(kuò)展的能力。此外，芯棒1呼吸式超聲振動(dòng)作用下，能夠降低擠壓過程中的拉拔力、摩擦力，有效解決較小連接孔3擠壓過程中的芯棒1斷裂問題，還能夠消除開孔時(shí)產(chǎn)生的壁面劃痕，提高孔的連接質(zhì)量。

利用本實(shí)例的強(qiáng)化方法，在超聲擠壓與普通擠壓強(qiáng)化的擠壓工藝參數(shù)的相同情況下，兩種擠壓過程的接觸擠壓力如圖4所示，橫坐標(biāo)為擠壓時(shí)間，縱坐標(biāo)為擠壓接觸力，曲線301為普通擠壓接觸力，曲線302為超聲擠壓接觸力，超聲擠壓接觸力平均值要小于普通擠壓接觸力的平均值。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置如圖5，包括液壓缸4、導(dǎo)向筒5、超聲波發(fā)生器6、超聲振動(dòng)部分7、工作臺(tái)8、支架9，超聲振動(dòng)部分7與液壓缸4用螺紋套筒連接，液壓缸4、導(dǎo)向筒5分別安裝于支架9頂板的兩側(cè)，工作臺(tái)8安裝于支架9底板上。

所述結(jié)構(gòu)件連接孔的超聲擠壓強(qiáng)化裝置的超聲振動(dòng)部分如圖6和7，由換能器72(變幅桿與其設(shè)計(jì)為一體)，芯棒1與換能器72螺紋連接，換能器72前蓋板721的右表面依次絕緣片727、電極片725、最左側(cè)壓電陶瓷片722相連，每對(duì)壓電陶瓷片722間都有電極片725相連，最右側(cè)壓電陶瓷片722依次與電極725片、絕緣片727、后端蓋724相連，換能器72整體由套有絕緣套管726的緊固螺釘723相連接。

所述換能器中前端蓋721具有變幅桿的作用，設(shè)計(jì)為換能器72的一部分。

所述結(jié)構(gòu)件連接孔的超聲擠壓強(qiáng)化裝置的工作臺(tái)如圖8和9，由扇形壓板81與支撐釘82、凸型件83組成，凸型件83作為工作臺(tái)8的支撐部分，扇形壓板81螺紋連接于凸型件83側(cè)板832上，支撐釘82過渡配合于凸型件83的上板831上。

所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。