技术领域
[0002] 本发明涉及一种开缝芯棒两次挤压强化的孔周残余应力均匀化的孔挤压强化方法，属于孔挤压强化的抗疲劳制造技术领域，尤其涉及采用开缝芯棒对带孔试样进行两次方向相反的挤压强化。
相关背景技术
[0003] 连接孔是飞机上较多的连接结构，通过在连接孔中安装紧固件将飞机结构之间进行相互连接，由于连接孔的存在，导致材料不连续，带孔试样在承受外加交变载荷作用下易于萌生疲劳裂纹，影响带孔试样的疲劳寿命。孔挤压强化是抗疲劳制造技术中简单有效的工艺，在航空领域应用广泛。然而，采用开缝衬套、实心芯棒对带孔试样进行孔挤压强化，挤压强化后试样孔壁形成不均匀的残余压应力，影响带孔试样的疲劳性能。
[0004] 公开号为CN111118270B的中国专利文件（下文简称文件1），提出了孔周残余应力均匀化冷挤压工艺和装置，该孔周残余应力均匀化冷挤压工艺，适用于直通孔，该冷挤压工艺包括通过第一芯棒沿第一轴向对直通孔进行第一次强化；通过第二芯棒沿第二轴向对直通孔进行第二次强化；其中，第一轴向与第二轴向相反，第一芯棒的进行强化部分的最大直径小于或等于第二芯棒的进行强化部分的最大直径。采用两步双向冷挤压强化后，直通孔的周向残余应力沿厚度方向分布更为均匀，且在两个端面的孔边均未产生残余拉应力，对提高强化孔的抗疲劳性能有利。该专利文件与本申请文件的主要区别：（1）孔挤压强化工具不同。文件1使用的孔挤压强化工具为衬套，且先后两次孔挤压强化使用的衬套厚度不同，而本申请中使用孔挤压强化工具为开缝芯棒，且两次孔挤压强化使用的开缝芯棒相同，降低了工艺成本。（2）孔挤压强化工艺。本申请中提到的开缝芯棒两次挤压强化，第二次挤压强化时需要将开缝芯棒旋转一定角度，目的是去除开缝芯棒第一次挤压强化时带孔试样孔壁形成的凸脊，孔周残余应力均匀化冷挤压工艺和装置专利文件对挤压芯棒的角度未限制。（3）铰削加工。本申请采用开缝芯棒进行两次挤压强化，需要进行铰削加工对挤压强化后的试样孔壁进行修整，目的使孔挤压强化后试样孔径达到终孔直径，文件1中未提到两次挤压强化后需要进行铰削加工。。
[0005] 公开号为：CN114085968A的中国专利文件（下文简称文件2），提出了一种开缝衬套冷挤压装配孔强化方法及配套工装装置，方法包括：步骤S1‑S5。配套工装包括挤压枪、挤压芯棒和衬套顶块；外壳体内设置有活塞腔，活塞腔内设置有伸缩活动机构，外壳体的前端设置有伸长端，伸长端内开设有与活塞腔连通的伸缩通道，伸缩通道内设置有伸缩杆，伸缩杆的一端与伸缩活动机构连接；挤压芯棒的端部设置有环形的第一挤压部，第一挤压部与第二挤压部之间设置有放置开缝衬套的过渡段；衬套顶块为上大下小的锥形管状结构，衬套顶块套在挤压芯棒上。其提出了利用开缝衬套对装配孔进行二次挤压强化的方法，实现整个装配孔应力值的均匀性,更好地保证强化质量和效果，进一步显著提高抗疲劳性能。该专利文件2与本申请文件的主要区别：（1）挤压强化工具。文件2中使用的孔挤压强化工具为开缝衬套，每进行一次挤压强化需要更换一个开缝衬套，而本申请文件中在带孔试样两次挤压强化过程均使用同一根芯棒。（2）孔挤压强化时挤压强化工具的开缝位置。文件2中前后两次挤压强化时使用的开缝衬套的开缝位置对齐，这样经过两次挤压强化后试样孔壁的凸脊依然存在，而本申请文件中，带孔试样进行第二次开缝芯棒孔挤压强化时开缝芯棒旋转10‑30°的角度，这样可以消除开缝芯棒第一次挤压强化时带孔试样孔壁形成的凸脊。（3）挤压芯棒结构不同。文件2中第二次挤压强化时使用芯棒为实心芯棒，且实心芯棒包含两个挤压部，第一挤压部、第二挤压部，且第一挤压部的直径大于第二挤压部的直径，本申请文件中使用的挤压芯棒为开缝芯棒，挤压芯棒的挤压强化部位设置开缝，带孔试样能够实现单侧挤压强化，开缝芯棒的结构由连接段、导向段、前锥段、工作环、后锥段等组成，其中前锥段、工作环、后锥段为开缝芯棒的挤压强化部位，开缝芯棒两次挤压强化使用的芯棒为同一根开缝芯棒。（4）带孔试样两次挤压强化的形式不同。文件2中，将开缝衬套从装配孔的一端插入装配孔内，挤压工装装置驱动挤压芯棒收缩，挤压芯棒上的第一挤压部向后收缩挤压开缝衬套，第一挤压部完全抽出开缝衬套后，完成第一次挤压，将开缝衬套从装配孔中取出，更换一个新的开缝衬套装配到挤压芯棒上，将新的开缝衬套从装配孔的另一端插入装配孔内，且使用新的开衬套的开缝位置与第一次挤压使用的开缝衬套的开缝位置对齐，挤压工装装置驱动挤压芯棒收缩，挤压芯棒上的第一挤压部向后收缩挤压开缝衬套，第一挤压部完全抽出开缝衬套后，完成第二次挤压。本申请文件中，开缝芯棒正面穿过辅助板、带孔试样，匀速拉出插入支撑棒的开缝芯棒，完成带孔试样的第一次孔挤压强化，将带孔试样翻转180°，将开缝芯棒第一次孔挤压强化试样孔壁的挤入端作为开缝芯棒第二次孔挤压强化试样孔壁的挤出端，将开缝芯棒第一次孔挤压强化试样孔壁的挤出端作为开缝芯棒第二次孔挤压强化试样孔壁的挤入端，将开缝芯棒旋转10°～30°，对开缝芯棒的挤压强化部位施加力，使开缝芯棒挤压强化部位的开缝发生收缩，开缝芯棒能够正面穿过辅助板、开缝芯棒第一次孔挤压强化试样，在开缝芯棒中插入支撑棒，匀速拉出插入支撑棒的开缝芯棒，带孔试样完成开缝芯棒第二次孔挤压强化。
[0006] 综上所述，孔挤压强化技术中开缝衬套、实心芯棒应用较广泛，然而开缝衬套壁薄，孔挤压强化过程中易于发生大的塑性变形，导致开缝衬套不能进行重复使用，严重影响开缝芯棒孔挤压强化工艺成本，而实心芯棒的挤压强化部位直径大于带孔试样初孔直径，导致实心芯棒孔挤压强化工艺应用范围存在局限性。结合开缝衬套与实心芯棒，提出的开缝芯棒孔挤压强化工艺能够解决开缝衬套、实心芯棒存在的问题。但采用开缝芯棒对带孔试样进行一次挤压强化，孔挤压强化后试样孔壁挤入端、中间层、挤出端等位置承受的挤压力不同，试样孔壁发生的塑性变形程度不同，导致带孔试样孔挤压强化后试样孔壁形成不均匀的残余压应力。为此，本发明提出一种提升孔周残余应力均匀化程度的开缝芯棒挤压强化工艺，旨在实现开缝芯棒两次挤压强化后带孔试样孔壁形成均匀的残余压应力，提高带孔试样的疲劳性能。
具体实施方式
[0035] 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0036] 实施例1 开缝芯棒孔挤压强化过程图1是开缝芯棒一次孔挤压强化过程。包括如下步骤：
（1）带孔试样安装。开缝芯棒挤压强化段（包括：前锥段3、工作环4、后锥段5）存在开缝，孔挤压强化前对开缝芯棒挤压强化段施加力，则开缝发生收缩，工作环4直径小于带孔试样7初孔直径，开缝芯棒从挤压强化段依次穿过辅助板6、带孔试样7后。辅助板6、带孔试样7放置于开缝芯棒导向段2，且带孔试样7安装过程中开缝芯棒不对试样孔壁进行挤压强化。
[0037] （2）安装支撑棒。从远离试样的一端向开缝芯棒中插入支撑棒‑8，在支撑棒8的支撑作用下，开缝芯棒挤压强化段不发生收缩，工作环4直径大于带孔试样7初孔直径。
[0038] （3）带孔试样一次孔挤压强化。从带孔试样7中匀速拉出插入支撑棒8的开缝芯棒，开缝芯棒与带孔试样7孔壁直接接触，开缝芯棒挤压强化试样孔壁，孔壁材料发生弹塑性变形，孔壁形成有益的残余压应力，完成带孔试样的一次挤压强化。
[0039] 实施例2 开缝芯棒两次孔挤压强化工艺一、方案设置：
方案1：开缝芯棒同向两次挤强化，其中，第二次孔挤压强化的方向与第一次孔挤压强化的方向相同。
[0040] 方案2：开缝芯棒异向两次挤压强化，其中，第二次孔挤压强化的方向与第一次孔挤压强化的方向相反。
[0041] 方案3：开缝芯棒一次挤压强化+开缝芯棒旋转一定角度同向两次挤压强化，是在方案1的基础上，开缝芯棒进行第二次孔挤压强化时开缝芯棒旋转一定角度。
[0042] 方案4：开缝芯棒一次挤压强化+开缝芯棒旋转一定角度异向两次挤压强化，是在方案3的基础上，开缝芯棒进行第二次孔挤压强化时开缝芯棒旋转一定角度。
[0043] 其中方案3、方案4的“旋转一定角度”是指“开缝芯棒旋转10°～30°”。
[0044] 二、实施过程：图2是开缝芯棒同向两次挤压强化的示意图。按照实施例1完成带孔试样7一次挤压强化后，重复一次同样过程，实现带孔试样7的开缝芯棒同向两次挤压强化。
[0045] 图3是开缝芯棒异向两次挤压强化的示意图。按照实施例1完成带孔试样7一次挤压强化后，将得到的带孔试样翻转180°，把开缝芯棒第一次挤压强化试样孔壁的挤入端作为挤出端，把挤出端作为挤入端，重复实施例1的孔挤压强化过程，实现带孔试样7的开缝芯棒异向两次挤压强化。
[0046] 图4是开缝芯棒一次挤压强化+开缝芯棒旋转一定角度同向两次挤压强化的示意图。按照实施例1完成带孔试样7一次挤压强化后，将开缝芯棒旋转一定角度，重复实施例1的过程，实现带孔试样7的开缝芯棒一次挤压强化+开缝芯棒旋转一定角度同向两次挤压强化。
[0047] 图5是开缝芯棒一次挤压强化+开芯棒旋转一定角度异向两次挤压强化。按照实施例1完成带孔试样7一次挤压强化后，将得到的带孔试样翻转180°，把试样的挤入端作为挤出端，挤出端作为挤入端，将开缝芯棒旋转一定角度，重复实施例1的过程，可以实现带孔试样7的开缝芯棒一次挤压强化+开芯棒旋转一定角度异向两次挤压强化。
[0048] 三、结果说明与分析其中，方案1、方案2，开缝芯棒的第二次孔挤压强化不能消除开缝芯棒第一次孔挤压强化过程中孔壁形成的凸脊，开缝芯棒第二次孔挤压强化后增加了开缝芯棒第一次孔挤压强化后孔壁形成的凸脊高度。因此，运用有限元仿真分析法对比方案3、方案4的孔挤压强化效果，优选出孔挤压强化效果最佳的开缝芯棒两次孔挤压强化工艺方法。
[0049] 1、通过建立开缝芯棒两次孔挤压强化三维有限元仿真分析模型，提取带孔试样孔壁挤入端、中间层、挤出端等位置的切向残余应力。开缝芯棒两次孔挤压强化带孔试样孔壁残余应力变化规律，如图6所示。
[0050] 试样孔壁挤入端，方案4的孔壁形成的残余压应力大于方案3；试样孔壁中间层，方案3、4形成的残余压应力相接近；
试样孔壁挤出端，方案3孔壁形成的残余压应力大于方案4。
[0051] 方案4的孔壁挤入端与挤出端形成的残余压应力较接近。
[0052] 方案3的孔壁形成的残余压应力大于开缝芯棒一次挤压强化。
[0053] 2、方案1“开缝芯棒同向两次挤压强化”，带孔试样的挤压强化方向相同，开缝芯棒孔挤压强化过程中孔壁材料沿轴向方向发生金属流动，减小了试样孔壁挤入端的实际挤压量，增加了试样孔壁挤出端的实际挤压量，引起带孔试样两次同向挤压强化后试样孔壁挤出端的残余压应力大于挤入端。
[0054] 方案2“开缝芯棒异向两次挤压强化”，带孔试样的挤压强化方向相反，开缝芯棒孔挤压强化过程中孔壁材料沿轴向方向发生金属流动，开缝芯棒第一次孔挤压强化孔壁材料的金属流动由试样孔壁挤入端流向孔壁挤出端，开缝芯棒第一次挤压强化后带孔试样翻转180°，开缝芯棒第一次挤压强化试样孔壁的挤入端是开缝芯棒第二次挤压强化试样的挤出端，开缝芯棒第一次挤压强化试样孔壁的挤出端是开缝芯棒第二次挤压强化试样孔壁的挤入端，开缝芯棒第二次孔挤压强化孔壁材料的金属流动由试样孔壁挤出端流向挤入端，开缝芯棒异向两次孔挤压强化后试样孔壁挤入端、挤出端塑性变形程度较均匀，孔壁挤入端、挤出端形成的残余压应力较均匀。
[0055] 方案3“开缝芯棒同向两次挤压强化”、方案4“开缝芯棒异向两次挤压强化”，开缝芯棒对带孔试样进行了两次挤压强化，且开缝芯棒进行第二次孔挤压强化时将开缝芯棒旋转一定角度，消除了开缝芯棒第一次孔挤压强化时孔壁形成的凸脊，带孔试样经过两次挤压强化后孔壁材料的塑性变形程度大于开缝芯棒一次挤压强化，引起带孔试样两次挤压强化后试样孔壁形成的残余压应力大于开缝芯棒一次挤压强化。开缝芯棒进行第二次挤压强化时，开缝芯棒需要旋转10°～30°。由于开缝芯棒存在开缝，开缝芯棒孔挤压强化后试样孔壁形成凸脊，若开缝芯棒进行第二次孔挤压强化时与第一次孔挤压强化时开缝芯棒的位置、方向相同，开缝芯棒第二次挤压强化后孔壁形成的凸脊未消失，且凸脊高度大于第一次孔挤压强化后试样孔壁形成的凸脊高度。开缝芯棒第二次孔挤压强化时将开缝芯棒旋转10°～30°，开缝芯棒第二次孔挤压强化能够消除开缝芯棒第一次孔挤压强化后孔壁形成的凸脊。若开缝芯棒进行第二次孔挤压强化时开缝芯棒旋转的角度太小或太大，将无法消除开缝芯棒第一次孔挤压强化后孔壁形成的凸脊。
[0056] 综上所述，方案4的孔挤压强化效果最佳，即将带孔试样第一次开缝芯棒孔挤压强化后，由于开缝芯棒存在开缝，开缝芯棒孔挤压强化后试样孔壁形成凸脊。然后将试样翻转180°，使开缝芯棒第一次孔挤压强化试样的挤入端作为开缝芯棒第二次孔挤压强化试样的挤出端，开缝芯棒第一次孔挤压强化试样的挤出端作为开缝芯棒第二次孔挤压强化试样的挤入端，且将开缝芯棒旋转10°～30°，进行开缝芯棒的第二次挤压强化，提升孔周残余应力均匀化程度。
