本發(fā)明屬于機械加工技術領域，具體涉及一種結構件連接孔的超聲擠壓復合強化方法及裝置，主要用于航空、航天、列車及船舶等工業(yè)中重要結構件連接孔的強化。

背景技術：

目前，結構件連接孔的主要強化技術有冷擠壓強化技術、機械噴丸強化技術、干涉配合連接技術、滾壓強化技術及激光沖擊強化技術。其中，冷擠壓和機械噴丸是目前國內(nèi)外廣泛用于結構抗疲勞斷裂設計的行之有效的兩種強化技術。

國內(nèi)外的內(nèi)外孔的內(nèi)表面強化工藝大多采用的是機械噴丸與冷擠壓強化。傳統(tǒng)機械噴丸的方法是在內(nèi)壁設置一個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)生殘余壓應力，從而對孔內(nèi)壁起到強化作用，但是機械噴丸強化的方法受到孔徑的限制，當孔徑小到一定程度時，此方法就不在適用，而且噴丸強化后也存在沿孔徑方向應力分布不均勻的問題。冷擠壓強化的原理是用一個與待強化孔徑相比具有一定過盈量的芯棒采用強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，對壁面造成劃痕。同時孔壁軸向流動大，形成較高凸臺。開縫襯套冷擠壓后，在孔壁會留下一道線狀凸臺，需經(jīng)鉸孔才能保證孔壁面的機械要求，但鉸削對孔周的殘余應力分布會產(chǎn)生較大的影響。[00]中國專利文獻cn103710494a一種基于超聲波的小孔強化方法及裝置，該方法是以壓電陶瓷柱為振動部件，進行極化后連接超聲波發(fā)生器，置于小孔內(nèi)部適當位置，通過壓電陶瓷柱的旋轉和徑向運動撞擊小孔內(nèi)壁產(chǎn)生一定的塑性變形從而引入殘余應力，對小孔內(nèi)壁進行珩磨與強化。由于振動部件的壓電陶瓷柱在使用之前需要進行特殊的極化處理，用于小孔件處理壓電陶瓷柱電極也難連接，并容易損壞；強化處理需要較長的時間，同時存在殘余應力分布不均勻問題。

中國專利文獻cn105734233a提供一種提高金屬工件疲勞壽命的超聲強化方法及其應用，通過將金屬工件裝夾在超聲波加工機床上，利用超聲波加工刀具對金屬工件表面進行超聲加工，該方法重點在于通過調(diào)整超聲波加工刀具對于加工工作面的不同壓力來實現(xiàn)對金屬表面預置壓應力，最終達到消除殘余應力，提高疲勞壽命的目的。同時該超聲強化能使金屬工件表面晶粒細化，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。該強化方法只能使工件表面加工殘余應力降低，不能實現(xiàn)明顯的強化，也無法實現(xiàn)對孔內(nèi)壁強化。

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

中國專利文獻cn10162828公開了一種切向伸縮式超聲波扭轉換能器,換能器直接使前蓋體在切向方向產(chǎn)生純扭轉振動,經(jīng)過變幅桿放大后輸出大振幅扭轉振動,以切向直接驅動的簡單方式獲得了超聲波純扭轉振動。此換能器為純扭轉振動，無法改變振動模態(tài)，不能適應孔的強化的要求。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有強化技術中存在的上述不足之處，發(fā)明了一種結構件連接孔的超聲擠壓復合強化方法。本發(fā)明的目的在于，通過超聲擠壓復合強化，不僅可以增強孔周邊材料抗裂紋萌生與擴展的能力，而且能夠消除鉆孔時產(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。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：

一種結構件連接孔的超聲擠壓強化方法，以芯棒作為超聲擠壓強化工具，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，同時給芯棒加上15～80khz頻率的呼吸式超聲振動，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)和芯棒型號尺寸，并保證一定的擠壓余量；

(2)定位對中，將芯棒與連接孔對準，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滑劑；

(3)設置振動模態(tài)和參數(shù)，啟動超聲振動部分；

(4)啟動擠壓裝置，從而帶動芯棒勻速緩慢的通過連接孔。

進一步的，所述芯棒包括從上到下依次為導向段、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；芯棒的工作段長度不大于連接孔的深度。

進一步的，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。

一種結構件連接孔的超聲擠壓強化裝置，包括液壓缸、導向筒、超聲波發(fā)生器、超聲振動部分、工作臺、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部分機械相連接；所述液壓缸的液壓桿外側套裝有導向筒，導向筒一端安裝在支架上；導向筒的豎直側上通過導線連接有超聲波發(fā)生器；所述超聲振動部分的正下方設置有工作臺；所述工作臺安裝在支架內(nèi)部的底板面上。

進一步的，所述超聲振動部分包括換能器、前端蓋、壓電陶瓷片、后端蓋、電極片和絕緣片；所述換能器一側上垂直安裝有芯棒；所述換能器另一側與前端蓋固定相連接；前端蓋與后端蓋之間依次設置有絕緣片、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。

進一步的，所述工作臺包括扇形壓板與凸型件；凸型件通過螺栓連接于支架上。

進一步的，所述超聲振動部分可根據(jù)需要選擇超聲振動模態(tài)，壓電陶瓷片的極化方向根據(jù)振動模態(tài)的要求進行選擇。

一種結構件連接孔的超聲擠壓強化方法，該方法是以芯棒作為超聲擠壓強化工具，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，同時給芯棒加上15～80khz頻率的呼吸式超聲振動，交替式徑向振幅在3～50μm，整個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力，加深了徑向殘余壓應力層，產(chǎn)生晶格畸變，位錯密度增加，同時減少了孔壁面附近的材料軸向塑性流動，使孔表面光整，凸臺減小。

該方法中所用的芯棒包括前導向段、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。；芯棒圓柱段的長度應小于連接孔的深度。

該方法具體包括如下步驟：

(1)選擇工藝參數(shù)和芯棒型號尺寸，并保證一定的擠壓余量；

(2)定位對中，將芯棒與連接孔對準，保證芯棒軸線與連接孔的軸線重合，在芯棒和孔壁涂抹潤滑劑；

(3)設置振動模態(tài)和參數(shù)，啟動超聲振動裝置；

(4)啟動擠壓裝置，將芯棒勻速緩慢的通過連接孔。

(1)選擇工藝參數(shù)和芯棒型號尺寸，并保證一定的擠壓余量；

(2)定位對中，將芯棒與連接孔對準，保證芯棒軸線與連接孔的軸線重合，在芯棒和孔壁涂抹潤滑劑；

(3)設置振動模態(tài)和參數(shù)，啟動超聲振動裝置；

(4)啟動擠壓裝置，將芯棒勻速緩慢的通過連接孔。

在上述強化過程中，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之間的相對擠壓量e，即e＝(d1-d0)/d0。

該方法所述結構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、碳素結構鋼、合金結構鋼、超高強度鋼或不銹鋼。

該方法所述連接孔在強化處理前的尺寸為：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)明還涉及一種實現(xiàn)上述結構件連接孔的超聲擠壓強化裝置，由超聲波發(fā)生器、超聲振動部分、工作臺、導向筒、液壓缸、支架部分組成，超聲振動系統(tǒng)與液壓桿用螺紋套筒連接，液壓缸、導向筒分別安裝于支架頂板的兩側，工作臺安裝于支架底板上。

所述結構件連接孔的超聲擠壓強化裝置的超聲振動部分由換能器、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、后端蓋通過預緊螺釘(套有絕緣管)連接，變幅桿小端與芯棒以精密細牙螺紋連接。

所述換能器中變幅桿與前端蓋為一整體。

所述結構件連接孔的超聲擠壓強化裝置的工作臺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)點及有益效果：

1、本發(fā)明為結構件連接孔的超聲擠壓強化方法，該方法是以呼吸式超聲振動芯棒作為超聲擠壓強化工具，在芯棒與連接孔之間保持2％～6％擠壓余量的條件下，將超聲振動芯棒緩慢勻速的通過連接孔，對孔進行超聲擠壓強化。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力，在服役條件下可以抵消部分拉應力，改善孔周圍的應力環(huán)境。在芯棒呼吸式超聲徑向振動作用下，在孔壁面增加了擠壓余量，徑向殘余應力層加深，產(chǎn)生晶格畸變，位錯密度增加。

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)明控制芯棒長度、振動頻率、加載電壓、擠壓速度，并與適當?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法采用普通芯棒擠壓強化的小孔結構的處理。

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

附圖說明

圖1是本發(fā)明芯棒與連接孔配合的結構示意圖；

圖2是圖1中芯棒呼吸式振動狀態(tài)示意圖；

圖3是圖1中超聲擠壓復合強化方法過程示意圖；

圖4是圖3中超聲擠壓強化與芯棒擠冷壓擠壓接觸力-時間曲線圖；

圖5是圖1中復合超聲擠壓裝置的示意圖；

圖6是圖5中換能器結構圖；

圖7為圖6的局部放大示意圖；

圖8是圖5中工作臺結構圖；

圖9為圖8工作臺的剖視示意圖。

附圖標記如下：

1.芯棒；101.導向段；102.前錐段；103.工作段；104.后錐段；2.結構件母板；201.拉擠起始；202.拉擠進行中；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.導向筒；6.超聲波發(fā)生器；7.超聲振動部分；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；81.扇形壓板；82.支撐釘；83.凸型件；831.上板；832.側板；9.支架。

具體實施方式：

下面將結合附圖對本法明做進一步的詳細說明。

本發(fā)明是一種能夠對結構件連接孔3的超聲擠壓強化方法，該方法是以呼吸式超聲振動芯棒1作為擠壓工具進行操作，呼吸式超聲振動芯棒振動狀態(tài)如圖2。所用擠壓芯棒為圓柱狀工具如圖1，包括導向段101、前錐段102、工作段103、后錐段104。

本發(fā)明超聲擠壓強化方法原理如圖1所示，結構件母板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的軸線對準，將芯棒3緩慢與連接孔3接觸少許后，將芯棒1激勵成如圖2所示呼吸式超聲振動狀態(tài)，勻速通過母板2上連接孔3如圖3，實現(xiàn)超聲擠壓強化；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，芯棒1交替式徑向振幅在3～50μm，整個過程采取的是拉拔擠壓方式；經(jīng)過上述強化處理后，一方面，在呼吸式超聲振動芯棒1的擠壓作用下，連接孔3壁面附近形成殘余壓應力，加深了徑向殘余壓應力層，在服役條件下可以抵消部分拉應力，改善連接孔3周圍的應力環(huán)境；另一方面，在呼吸式超聲振動芯棒1的作用下，孔壁面附近的材料軸向塑性流動減小，徑向塑性變形增大，并產(chǎn)生晶格畸變，位錯密度增加。以上兩方面共同作用增強了連接孔3周邊材料抗裂紋萌生與擴展的能力。此外，芯棒1呼吸式超聲振動作用下，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，還能夠消除開孔時產(chǎn)生的壁面劃痕，提高孔的連接質(zhì)量。

利用本實例的強化方法，在超聲擠壓與普通擠壓強化的擠壓工藝參數(shù)的相同情況下，兩種擠壓過程的接觸擠壓力如圖4所示，橫坐標為擠壓時間，縱坐標為擠壓接觸力，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。

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

所述結構件連接孔的超聲擠壓強化裝置的超聲振動部分如圖6和7，由換能器72(變幅桿與其設計為一體)，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、最左側壓電陶瓷片722相連，每對壓電陶瓷片722間都有電極片725相連，最右側壓電陶瓷片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，設計為換能器72的一部分。

所述結構件連接孔的超聲擠壓強化裝置的工作臺如圖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8的支撐部分，扇形壓板81螺紋連接于凸型件83側板832上，支撐釘82過渡配合于凸型件83的上板831上。

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