一种增大挤压孔周向残余压应力的方法及其应用

1.本发明涉及孔结构疲劳强化技术领域，具体而言，涉及一种增大挤压孔周向残余压应力的方法及其应用，更具体地，涉及一种增大挤压孔周向残余压应力的方法、一种工件的制备方法和一种工件。


背景技术：

2.孔结构是一种机械装备结构中常见的结构，用于紧固件连接。设备中的部件，由于具有孔结构，使部件不具有连续性，往往会造成应力集中，在交变疲劳载荷作用下，容易发生疲劳断裂。并且，孔结构发生疲劳断裂的疲劳源通常萌生在孔边或孔壁。
3.挤压孔是指，采用直径大于孔初始直径的芯棒或球体对孔进行挤压处理，使芯棒或球体挤入并通过孔，迫使孔壁材料发生弹塑性变形而形成的孔。
4.在挤压处理后，挤压孔的孔壁的邻近材料因为弹塑性变形，会在孔壁形成周向残余压缩应力，该残余压缩应力可以有效提高孔结构的疲劳强度。但是，在挤压处理后，由于挤入端周向残余压缩应力最小，因此挤压孔的疲劳裂纹通常在挤入端萌生。
5.因此，挤入端周向残余压缩应力成为了制约挤压孔结构疲劳强度进一步提高的瓶颈。基于此，提供一种增大挤压孔挤入端周向残余压缩应力的方法具有重要意义。
6.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

7.本发明的第一目的在于提供一种增大挤压孔周向残余压应力的方法，所述的方法通过设置具有预制孔的预置结构件，使挤压芯棒在通过待处理工件的挤压孔之前先通过预置结构件的预制孔，能够抑制或减轻在冷挤压过程中待处理工件的材料(尤其是挤入端材料)沿挤压孔的轴向方向向外部流动，进而增大该挤入端材料沿挤压孔的周向的塑性变形程度，即增大了待处理工件挤入端的周向残余压应力，从而有效提高了挤压孔的疲劳强度，减少孔裂发生。
8.本发明的第二目的在于提供一种工件的制备方法，该方法能够提高工件中的孔的疲劳强度，从而延长其使用寿命。
9.本发明的第三目的在于提供一种工件，该工件中的孔结构不易发生疲劳断裂，因此延长了其使用寿命，降低了使用成本。
10.为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
11.本发明提供了一种增大挤压孔周向残余压应力的方法，包括如下步骤：
12.在待挤压的挤压孔上设置一个具有预制孔的预置结构件，所述预置结构件与所述挤压孔的待处理工件相连接，并且所述预制孔和所述挤压孔的形状为圆柱孔，所述预制孔和所述挤压孔的轴线相重合；
13.将挤压芯棒通过所述预制孔进入所述待挤压的挤压孔，并穿过所述挤压孔，增大挤压孔的周向残余压应力。
14.优选地，所述预制孔和所述挤压孔的内径之差不大于0.015mm。
15.优选地，所述预制孔和所述挤压孔的内径相同。
16.优选地，所述连接为可拆卸式连接；
17.优选地，所述可拆卸式连接所用的固定装置包括弓形夹和/或磁吸装置。
18.优选地，所述预制孔和/或所述挤压孔的横截面的直径为6～30mm。
19.优选地，所述预置结构件的硬度不小于所述待处理工件的硬度。
20.优选地，所述预置结构件的厚度不小于2mm。
21.本发明提供了一种工件的制备方法，包括如上所述的增大挤压孔周向残余压应力的方法。
22.本发明提供了一种工件，采用如上所述的工件的制备方法制得。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.(1)本发明通过在待挤压的挤压孔的挤入端预置一个具有预制孔的预置结构件，并使预置结构件与挤压孔的待处理工件相连接，使预制孔和挤压孔的轴线相重合，能够抑制或减轻挤压过程中挤压孔的挤入端材料沿该孔的轴向向外部流动，从而加大材料沿孔的周向的塑性变形程度，实现挤压孔挤入端的周向残余压应力增大的目的，从而提高挤压孔的疲劳强度，减少孔裂发生。
25.(2)本发明提供的工件中的孔结构不易发生疲劳断裂，因此延长了其使用寿命，降低了使用成本。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为现有技术中常规挤压处理过程的示意图；
28.图2为现有技术中常规挤压处理过程的另一示意图；
29.图3为本发明提供的预置结构件和待处理工件的连接示意图。
具体实施方式
30.下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
31.本发明提供了一种增大挤压孔周向残余压应力的方法，包括如下步骤：
32.在待挤压的挤压孔上设置一个具有预制孔的预置结构件，所述预置结构件与所述挤压孔的待处理工件相连接，并且所述预制孔和所述挤压孔的形状为圆柱孔，所述预制孔和所述挤压孔的轴线相重合；
33.将挤压芯棒通过所述预制孔进入所述待挤压的挤压孔，并穿过所述挤压孔，增大挤压孔的周向残余压应力。
34.其中，所述周向是指沿所述圆柱状挤压孔的周向方向。
35.如图1和图2所示，为现有技术中进行挤压处理的示意图，从图1和图2能够看出，经过常规的挤压处理后，挤入端材料和挤出端沿孔的轴向流出严重。
36.经分析，挤压孔壁周向残余压缩应力分布并不均匀。具体地，沿挤压孔的径向方向，呈先增大后减小的勺子形状分布；沿挤压孔的轴向方向，挤入端最小，挤出端次之，孔壁中间靠向挤出端位置最大。
37.分析认为，挤出端周向残余压缩应力最小的原因主要是：孔端是自由表面，当芯棒或球体挤入挤压孔后，材料会向挤入端孔表面和挤出端轴向流出，从而导致挤入端材料周向弹塑性变形程度降低。
38.基于此，为了实现挤入端周向残余压应力增大的目的，本发明提供了一种增大挤压孔的挤入端和挤出端，尤其是挤入端的周向残余压应力的方法。
39.具体地，本发明提供的增大挤压孔周向残余压应力的方法，通过设置具有预制孔的预置结构件，使挤压芯棒在通过待处理工件的挤压孔之前先通过预置结构件的预制孔，能够抑制或减轻在冷挤压过程中待处理工件的材料(尤其是挤入端材料)沿挤压孔的轴向方向向外部流动，即，使待处理工件的材料(尤其是挤入端材料)沿挤压孔的周向方向流动，增大待处理工件挤入端材料沿挤压孔的周向的塑性变形程度，增大待处理工件挤入端的周向残余压应力，从而有效提高挤压孔的疲劳强度，减少孔裂的发生。
40.其中，本技术在所述挤压处理的过程中，采用了将挤压芯棒先通过预置结构件的预制孔、然后再通过待处理工件的挤压孔的手段，能够同时实现待处理工件的挤入端和挤出端的周向残余压应力增大。但是，如前所述，对于提高孔结构的疲劳强度而言，提高待处理工件的挤入端的周向残余压应力更有意义，因为孔结构的疲劳裂纹通常在挤入端萌生。因此，本技术通过将挤压芯棒依次通过预制孔和挤压孔，进行挤压处理，能够显著增大挤压孔的挤入端的周向残余压应力，从而有效提高挤压孔的疲劳强度，延长待处理工件的使用寿命。
41.优选地，所述预制孔和所述挤压孔的内径之差不大于0.015mm，还可以选择不大于0.01mm、不大于0.005mm或不大于0.001mm。
42.所述预制孔和所述挤压孔的内径最好相近，例如两者的内径之差不大于0.015mm，这样有利于使挤压孔的挤入端材料沿其周向方向流动，从而增大待处理工件挤入端的周向残余压应力。
43.优选地，所述预制孔和所述挤压孔的内径相同。
44.当所述预制孔和所述挤压孔的内径相同时，能够进一步增大待处理工件挤入端的周向残余压应力。
45.优选地，所述连接为可拆卸式连接。
46.在进行挤压处理之前，将所述预置结构件与所述待处理工件进行连接，这样能够保证在挤压处理过程中挤压芯棒顺利地依次通过所述预制孔和所述挤压孔；在挤压处理完成后，即可将活动连接的所述预置结构件和所述待处理工件进行拆卸，所述预置结构件可用于后续其他待挤压的挤压孔的挤压处理。
47.优选地，所述可拆卸式连接所用的固定装置包括弓形夹和/或磁吸装置。
48.其中，所述固定装置用以防止工件在加工过程中产生位移，从而保证挤压过程稳定进行。
49.所述磁吸装置是指利用磁铁的磁力同性相吸，异性相斥的原理的装置。
50.优选地，所述预制孔和/或所述挤压孔的横截面的直径为6～30mm，包括但不限于7mm、9mm、10mm、15mm、20mm、25mm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
51.当预制孔和/或挤压孔的横截面直径在上述范围内时，具有更好的增大挤压孔挤入端的周向残余压应力的效果。
52.优选地，所述预置结构件的硬度不小于所述待处理工件的硬度。
53.在本发明一些具体的实施方式中，所述预置结构件与所述待处理工件的硬度之差不小于1hrc或10hb，还可以选择不小于2hrc或20hb，甚至3hrc或30hb。
54.当预置结构件与待处理工件的硬度接近时，能够达到更好的增大挤压孔挤入端的周向残余压应力的效果。
55.优选地，所述预置结构件的厚度不小于2mm，还可以选择不小于3mm或不小于4mm。
56.预置结构件的厚度会影响抑制或减轻在挤压过程中待处理工件的挤入端材料沿挤压孔的轴向方向向外部流动的效果，因此，当预置结构件的厚度在上述范围内时，能够达到更好的增大挤压孔挤入端的周向残余压应力的效果。
57.在本发明一些具体的实施例中，所述挤压芯棒的最大直径大于所述挤压孔的直径。
58.在本发明一些具体的实施例中，所述挤压芯棒还连接有用于提供挤压力的动力装置。
59.在本发明一些具体的实施例中，在所述增大挤压孔周向残余压应力的方法中，挤压的方法包括冷挤压、热挤压和温挤压。
60.优选地，所述挤压为冷挤压。
61.如图3所示，为本技术提供的预置结构件和待处理工件的连接示意图。
62.本发明还提供了一种工件的制备方法，包括如上所述的增大挤压孔周向残余压应力的方法。
63.本发明提供的工件的制备方法，能够提高工件中的孔的疲劳强度，从而延长其使用寿命。
64.本发明还提供了一种工件，采用如上所述的工件的制备方法制得。
65.本发明提供的工件中的孔结构不易发生疲劳断裂，因此能够有效延长其使用寿命，降低使用成本。
66.实施例1
67.以具有孔结构的7b04-t651铝合金(即具有待挤压的挤压孔的待处理工件)为例，7b04-t651铝合金板厚10mm，硬度为hb158，在该待挤压的挤压孔的挤入端预置一个具有的预制孔的预置结构件，预置结构件材质为ta15钛合金，硬度为hb195，厚度为5mm，使预置结构件与挤压孔的待处理工件通过弓形夹相连接，并使预制孔和挤压孔的轴线相重合(预制孔和挤压孔均为圆柱孔)。3％相对挤压量冷挤压后，7b04-t651铝合金挤压孔挤入端残余压应力值为-160mpa。
68.实施例2
69.以具有孔结构的6061-t6铝合金(即具有待挤压的挤压孔的待处理工件)为例，6061-t6铝合金板厚3mm，在该待挤压的挤压孔的挤入端预置一个具有的预制孔的预置结构件，预置结构件材质同为6061-t6铝合金，厚度为3mm，使预置结构件与挤压孔的待处理工件通过磁吸相连接，并使预制孔和挤压孔的轴线相重合(预制孔和挤压孔均为圆柱孔)。3％相对挤压量冷挤压后，6061-t6铝合金挤压孔挤入端残余压应力值为-142mpa。
70.对比例1
71.本对比例进行挤压处理的操作方法与实施例1基本相同，区别仅在于，不设置预置结构件，而是直接对待挤压的挤压孔进行冷挤压。3％相对挤压量冷挤压后，7b04-t651铝合金挤压孔挤入端残余压应力值为-56mpa。
72.这就说明，常规的挤压处理，挤压孔挤入端的周向残余压缩应力相对较小。
73.通过对比实施例1和对比例1可以知道，通过设置一个具有预制孔的预置结构件，使挤压芯棒依次通过预制孔和挤压孔进行冷挤压，7b04-t6孔结构(即挤压孔)的挤入端残余压应力值有较大改变，这种改变有助于提高7b04-t6孔结构的抗疲劳性能。这就说明，采用本发明所提供的方法，可以有效增大挤压孔挤入端的周向残余压缩应力。
74.对比例2
75.本对比例进行挤压处理的操作方法与实施例2基本相同，区别仅在于，不设置预置结构件，而是直接对待挤压的挤压孔进行冷挤压。3％相对挤压量冷挤压后，6061-t6铝合金挤压孔挤入端残余压应力值为-65mpa。
76.这就说明，常规的挤压处理，挤压孔挤入端的周向残余压缩应力相对较小。
77.通过对比实施例2和对比例2，表明，通过设置一个具有预制孔的预置结构件，使挤压芯棒依次通过预制孔和挤压孔进行冷挤压，6061-t6铝合金孔结构(即挤压孔)的挤入端残余压应力值有较大改变，这种改变有助于提高6061-t6铝合金孔结构的抗疲劳性能。这就说明，采用本发明所提供的方法，可以有效增大挤压孔挤入端的周向残余压缩应力。
78.尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。