一种小孔内壁强化装置及方法

摘要

本发明公开了一种小孔内壁强化装置及方法，该小孔内壁强化装置包括金属负载(1)、第一电极(2)、第二电极(3)和金属气化电路，所述金属负载(1)穿设于带孔零件(11)的孔内，所述第一电极(2)和第二电极(3)分别连接于金属负载(1)的两端，所述金属气化电路与第一电极(2)和第二电极(3)连接，金属气化电路、第一电极(2)、第二电极(3)和金属负载(1)构成电路回路，金属气化电路放电时使金属负载(1)气化。该小孔内壁强化装置强化效果好、结构简单、所需装备能量小。

权利要求

1.一种小孔内壁强化装置，其特征在于：包括金属负载(1)、第一电极(2)、第二电极(3)和金属气化电路，所述金属负载(1)穿设于带孔零件(11)的孔内，所述第一电极(2)和第二电极(3)分别连接于金属负载(1)的两端，所述金属气化电路与第一电极(2)和第二电极(3)连接，金属气化电路、第一电极(2)、第二电极(3)和金属负载(1)构成电路回路，金属气化电路放电时使金属负载(1)气化；所述金属负载(1)的外部套设有弹性套管(10)。

2.根据权利要求1所述的小孔内壁强化装置，其特征在于：所述金属气化电路包括变压器(4)、脉冲电容器(5)、电阻(6)、电感(7)和高压放电开关(8)，电源输入端与所述变压器(4)和脉冲电容器(5)一起构成充电电路，所述脉冲电容器(5)、电阻(6)、电感(7)、高压放电开关(8)、第一电极(2)、第二电极(3)和金属负载(1)一起构成放电回路。

3.根据权利要求1所述的小孔内壁强化装置，其特征在于：所述金属负载(1)为不等径金属负载(1)，金属负载(1)对应于带孔零件(11)的孔内壁处的横截面小于金属负载(1)两端的横截面。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的小孔内壁强化装置，其特征在于：多个所述带孔零件(11)叠层布置，多个带孔零件(11)上的孔位置对齐，所述金属负载(1)穿设在叠层布置的带孔零件(11)的孔内。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的小孔内壁强化装置，其特征在于：所述带孔零件(11)上开有多个孔，每个所述孔内均穿设有所述金属负载(1)，多根金属负载(1)串并联连接。

6.一种采用如权利要求2～5中任一项所述的装置对小孔内壁进行强化的方法，包括以下步骤：

S1、将金属负载(1)穿设在带孔零件(11)的孔内，金属负载(1)的两端分别与第一电极(2)和第二电极(3)连接，变压器(4)的初级线圈L1与电源输入端相连接，变压器(4)的次级线圈L2与脉冲电容器(5)的两端相连接形成充电电路，脉冲电容器(5)、电阻(6)、电感(7)、第一电极(2)、金属负载(1)、第二电极(3)和高压放电开关(8)用导线连接构成放电回路；

S2、高压放电开关(8)断开，通过变压器(4)进行升压并对脉冲电容器(5)充电，当脉冲电容器(5)的充电电压达到设定值后充电电路停止工作；

S3、高压放电开关(8)闭合，脉冲电容器(5)放电使金属负载(1)气化，金属负载(1)气化后产生的气体压强作用于带孔零件(11)的孔内壁，在孔内壁形成残余压应力层，即完成孔内壁的强化。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中，在金属负载(1)的外部套设弹性套管(10)；所述步骤S3中，脉冲电容器(5)放电使金属负载(1)气化，金属气化产生的气体压强驱动弹性套管(10)膨胀，将气体压强均匀地施加在孔内壁上，在孔内壁形成均匀的残余压应力层。

说明书

一种小孔内壁强化装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及材料表面强化和材料加工技术领域，具体涉及一种小孔内壁强化装置及方法。

背景技术

[0002] 紧固件是飞机构件上典型的应力集中细节，在交变载荷的作用下极易产生疲劳裂纹，从而导致整机的安全性、可靠性和使用寿命都大大降低。在工程实践中，通常对紧固孔进行表面强化处理来提高飞机的寿命。紧固孔强化技术主要有：冷挤压、滚压和机械喷丸。这些强化方法的机理都是在孔表面产生残余压应力层，以降低局部疲劳危险点承受载荷的平均应力。其中冷挤压技术是比较成熟有效的一类，在飞机制造中得到广泛应用。但冷挤压方式存在挤压物容易损伤孔壁表面、接触摩擦引入新的疲劳源、残余应力分布不均匀、较小孔件时挤压与干涉配合实施困难等问题。

[0003] 脉冲磁场力具有力大、迅速且无接触等特点，因而人们提出了一些使用脉冲电磁力来实现孔强化的方法。该方法一般情况下，都是将强化线圈插入孔中，然后在线圈中通过时变的脉冲电流，在孔壁上感应涡流，从而对孔壁产生磁场压应力，使孔边发生微小的塑性变形。放电结束后，孔壁产生残余压应力层，从而提高孔的抗疲劳能力。但是线圈通常采用一定厚度的铜导线绕制而成，相邻线圈匝数之间需要填充绝缘材料，因此很难制作与小孔相适应的小型线圈；即使采用很细的导线能够制作出强化线圈，但导线太细，电阻增大，通过大的脉冲电流后，线圈易过热导致线圈结构破坏。

[0004] 在专利“一种电磁孔强化方法”中，李亮等提出在带孔板件的端面或孔中放置强化线圈，同时在带孔板件端面放置背景线圈。分别为强化线圈和背景线圈设置短脉冲和长脉冲，实现在孔周围产生脉冲径向电磁力。在文献“基于双级线圈径向驱动的孔电磁强化方法研究”中，周中玉等采用数值模拟和实验手段证明采用强化线圈和背景线圈组成的双极线圈，可以对6mm的小孔实现孔强化，提高疲劳强度。但是整个强化装置需要两套电磁成形系统，需要准确控制两套系统的放电时间。并且强化系统和背景系统的存储能量分别达到200KJ和1MJ。这导致整个强化系统复杂，强化效率很低，难以实现大规模的工业应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种强化效果好、结构简单、所需装备能量小的小孔内壁强化装置及方法。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

[0007] 一种小孔内壁强化装置，包括金属负载、第一电极、第二电极和金属气化电路，所述金属负载穿设于带孔零件的孔内，所述第一电极和第二电极分别连接于金属负载的两端，所述金属气化电路与第一电极和第二电极连接，金属气化电路、第一电极、第二电极和金属负载构成电路回路，金属气化电路放电时使金属负载气化。本发明通过在带孔零件的孔内穿设金属负载，通过金属气化电路使金属负载高温气化，金属气化会产生强大的气体压强使孔内壁发生微小的塑性变形，形成残余压应力层；并且，金属气化形成的高温等离子体喷涂于孔内壁表面，形成金属薄膜层，实现对零件孔内壁的表面强化。

[0008] 上述的小孔内壁强化装置，优选的，所述金属气化电路包括变压器、脉冲电容器、电阻、电感和高压放电开关，电源输入端与所述变压器和脉冲电容器一起构成充电电路，所述脉冲电容器、电阻、电感、高压放电开关、第一电极、第二电极和金属负载一起构成放电回路。先通过变压器对脉冲电容器进行充电，再由脉冲电容器放电，金属负载在大电流下自身温度迅速升高，实现金属负载的高温气化。

[0009] 上述的小孔内壁强化装置，优选的，所述金属负载的外部裹敷有功能涂层。该功能涂层可以是耐高温腐蚀涂层、抗磨损涂层、隔热涂层或抗电磁波涂层等。当大电流通过金属负载使金属负载气化时，金属负载外部所裹敷的功能涂层材料发生融化，金属负载气化所产生的气体压强驱动融化的涂层高速喷射到孔内壁，通过气体压强在孔内壁表面形成残余压应力层和金属薄膜层的同时，通过涂层材料的融敷形成喷涂沉积层。根据功能涂层材料的不同，可实现孔内壁耐高温腐蚀、抗磨损、隔热、抗电磁波等多种功能，实现孔内壁表面的双层强化。功能涂层材料的种类可根据需要实现的不同功能进行选择。

[0010] 上述的小孔内壁强化装置，优选的，所述金属负载为不等径金属负载，金属负载对应于带孔零件的孔内壁处的横截面小于金属负载两端的横截面。金属负载可以是各种不同直径的等截面圆柱形金属材料，也可以是不等径的金属材料，具体材质可以是铜丝或铁丝等。当使用不等径的金属材料作为金属负载时，优选与带孔零件的孔内壁对应位置处金属负载的横截面小于金属负载两端的横截面。由于金属材料的直径越小，其电阻就越大，同样电流作用下的金属负载的温升越大，越容易发生气化，采用这种不等径的金属负载气化产生的气体压强更加集中在孔内壁，可以达到更好的强化效果。

[0011] 上述的小孔内壁强化装置，优选的，所述金属负载的外部套设有弹性套管。金属负载气化时所产生的气体压强驱动弹性套管发生弹性膨胀，弹性套管外壁正对孔内壁，可将金属负载气化产生的气体压强均匀的施加在孔内壁，在孔内壁产生均匀的残余压应力层。当放电结束后，弹性套管内部的气体压强消失，套管因为弹性变形而恢复初始状态。

[0012] 上述的小孔内壁强化装置，优选的，多个所述带孔零件叠层布置，多个带孔零件上的孔位置对齐，所述金属负载穿设在叠层布置的带孔零件的孔内。如此，可以实现多件带孔零件的同时强化，提高强化效率。

[0013] 上述的小孔内壁强化装置，优选的，所述带孔零件上开有多个孔，每个所述孔内均穿设有所述金属负载，多根金属负载串并联连接。这样，当脉冲电容器放电后，每个孔中的金属负载均高温气化，实现对多个孔的强化成形，进一步提高强化效率。

[0014] 作为一个总的技术构思，本发明另一方面提供了一种小孔内壁强化方法，采用上述的装置对小孔内壁进行强化，具体包括以下步骤：

[0015] S1、将金属负载穿设在带孔零件的孔内，金属负载的两端分别与第一电极和第二电极连接，变压器的初级线圈L1与电源输入端相连接，变压器的次级线圈L2与脉冲电容器的两端相连接形成充电电路，脉冲电容器、电阻、电感、第一电极、金属负载、第二电极和高压放电开关用导线连接构成放电回路；

[0016] S2、高压放电开关断开，通过变压器进行升压并对脉冲电容器充电，当脉冲电容器的充电电压达到设定值后充电电路停止工作；

[0017] S3、高压放电开关闭合，脉冲电容器放电使金属负载气化，金属负载气化后产生的气体压强作用于带孔零件的孔内壁，在孔内壁形成残余压应力层，即完成孔内壁的强化。

[0018] 上述的方法，优选的，所述步骤S1中，在所述金属负载的外部裹敷有功能涂层；所述步骤S3中，脉冲电容器放电使金属负载气化，同时使金属负载外部裹敷的功能涂层融化，金属负载气化后产生的气体压强驱动融化的功能涂层高速喷射到孔内壁上，在孔内壁形成残余压应力层和喷涂沉积层，实现孔内壁的双层强化。

[0019] 上述的方法，优选的，所述步骤S1中，在金属负载的外部套设弹性套管；所述步骤S3中，脉冲电容器放电使金属负载气化，金属气化产生的气体压强驱动弹性套管膨胀，将气体压强均匀地施加在孔内壁上，在孔内壁形成均匀的残余压应力层。

[0020] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0021] (1)与现有的冷挤压、滚压和机械喷丸的小孔强化技术相比，本发明利用金属负载高温气化在小孔内壁产生残余压应力层和金属薄膜层，所得的残余压应力层分布更加均匀，也避免了强化过程对小孔内壁表面的损伤。

[0022] (2)与现有的电磁强化小孔的方法相比，本发明只需将金属负载气化既可以在小孔内壁产生强大的气体压强，形成残余压应力层和金属薄膜层，从而极大的降低了对电磁强化装备的要求。

[0023] (3)本发明的强化装置中，金属负载的尺寸可以很小，因此，对待强化的孔的尺寸没有限制，通过调整金属丝或金属薄片的尺寸，可以实现任意形状、任意尺寸孔的强化，适用范围更广。

[0024] (4)通过将多个带孔零件叠层布置，可以同时实现对多个零件的强化，提高强化效率；更进一步地，将多个带有多个孔的零件叠层布置，并将多根金属负载分别穿设在叠层布置的零件的多个孔中，再串并联起来，即可将带多个孔的多个零件同时强化，极大的提高了强化效率。

[0025] (5)通过在金属丝外部裹敷其它的涂层材料，不但可以在小孔内壁表面产生残余压应力层和金属薄膜层，同时可在小孔内壁形成喷涂沉积层；可根据实际要求，选择不同的喷涂沉积层材料，从而可实现耐高温腐蚀、抗磨损、隔热、抗电磁波等功能，最终实现小孔内壁表面的双层强化。

[0026] (6)通过在金属负载的外部套设弹性套管，可将金属负载气化后产生的气体压强均匀地施加在小孔内壁表面，从而在小孔内壁表面形成均匀的残余压应力层。

附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，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。

[0028] 图1为本发明实施例1的一种强化装置的结构示意图(金属负载为等径金属丝)。

[0029] 图2为图1的强化装置放电后金属气化的示意图。

[0030] 图3为本发明实施例1的另一种强化装置的结构示意图(金属负载为不等径金属丝)。

[0031] 图4为本发明实施例1的另一种强化装置的结构示意图(金属负载外裹敷功能涂层)。

[0032] 图5为图4的强化装置放电后金属气化的示意图。

[0033] 图6为矩形带孔零件和矩形金属负载的俯视示意图。

[0034] 图7为矩形带孔零件和矩形金属负载的剖视示意图。

[0035] 图8为本发明实施例1的强化装置中多个带孔零件叠层布置时的结构示意图。

[0036] 图9为本发明实施例2的强化装置的结构示意图(金属负载外套设弹性套管)。

[0037] 图例说明：

[0038] 1、金属负载；2、第一电极；3、第二电极；4、变压器；5、脉冲电容器；6、电阻；7、电感；8、高压放电开关；9、功能涂层；10、弹性套管；11、带孔零件。

具体实施方式

[0039] 为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

[0040] 需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

[0041] 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

[0042] 实施例1：

[0043] 如图1至图8所示，一种本发明的小孔内壁强化装置，该装置主要包括金属负载1、第一电极2、第二电极3和金属气化电路。其中，金属负载1穿设于带孔零件11的孔内，第一电极2和第二电极3分别夹紧连接在金属负载1的两端，金属气化电路与第一电极2和第二电极3相连接。该金属气化电路、第一电极2、第二电极3和金属负载1共同构成电路回路。该金属气化电路具体包括变压器4、脉冲电容器5、电阻6、电感7和高压放电开关8。电源输入端与变压器4和脉冲电容器5一起构成充电电路。变压器4的初级线圈L1与电源输入端相连接，变压器4的次级线圈L2与脉冲电容器5的两端相连接；脉冲电容器5、电阻6、电感7、高压放电开关
8、第一电极2、第二电极3和金属负载1一起构成放电回路。

[0044] 该小孔内壁强化装置使用时，先断开高压放电开关8，通过变压器4将电源输入端的220V或330V电压进行升压，并对脉冲电容器5充电，当充电电压达到设定值(可将金属负载1高温气化)后，充电电路停止工作；然后闭合高压放电开关8，脉冲电容器5放电，金属负载1在大电流下自身温度迅速升高，金属负载1直接气化，产生强大的气体压强，气体压强作用于孔内壁，使孔内壁发生微小的塑性变形，形成残余压应力层；此外，金属负载1气化形成的高温金属等离子体喷涂于孔内壁表面，形成金属薄膜层，最终实现孔内壁的表面强化。该小孔内壁强化装置强化效果好、结构简单、所需装备能量小，易于实现大规模的工业应用。

[0045] 如图4所示，本实施例中，为了提高孔内壁的其他方面的性能，可以在金属负载1的外部裹敷功能涂层9。该功能涂层9可以是耐高温腐蚀涂层、抗磨损涂层、隔热涂层、抗电磁波涂层等，以分别提高孔内壁的耐高温腐蚀性能、抗磨损性能、隔热性能和抗电磁波性能。具体选择何种功能涂层9可根据实际工程需要进行选择。

[0046] 当在金属负载1的外部裹敷上述功能涂层9时，当脉冲电容器5的充电电压达到设定值后，闭合高压放电开关8，脉冲电容器5放电，大电流通过金属负载1使金属负载1发生气化，同时金属负载1外部所裹敷的功能涂层9发生融化。金属负载1气化所产生的气体压强驱动融化的涂层高速喷射到孔内壁表面。气体压强作用于孔内壁，在孔内壁表面形成残余压应力层和金属薄膜层的同时，涂层材料融敷并在气体压强的驱动下在孔内壁形成喷涂沉积层，根据功能涂层9材料的不同可形成具有不同功能的喷涂沉积层。最终实现孔内壁的双层强化。裹敷功能涂层9时金属气化的示意图如图5所示。

[0047] 金属负载1的形状可根据带孔零件11上孔的形状进行设置。如孔的形状为圆形时可采用圆形的等径金属丝作为金属负载1，其结构如图1所示，金属气化后的示意图如图2所示。若孔的形状为矩形，则金属负载1可选用矩形的金属薄片，其结构如图6和图7所示。金属负载1优选采用不等径的金属丝或金属薄片，此时，金属负载1对应于带孔零件11的孔内壁处的横截面小于金属负载1两端的横截面(即金属负载1为两头粗中间细的结构，参见图3)。而金属负载1的材质可以为铜、铁或者其他金属材料。采用这种不等径的金属负载1，由于金属负载1的直径越小，电阻就越大，同样电流作用下金属负载1的温升就越大，越容易发生气化，可减小金属气化所需能量；此外，这种不等径的金属负载1气化后产生的气体压强更加集中在孔内壁，更加有利于形成残余压应力层，可提高强化成形效果。

[0048] 本实施例中，多个带孔零件11可叠层布置，将多个带孔零件11上的孔位置对齐，将金属负载1穿设在叠层布置的带孔零件11的孔内(参见图8)。这样可以同时对多个带孔零件11进行小孔内壁强化，提高强化效率。此外，带孔零件11上可以开有多个孔，在每个孔内均穿设金属负载1，多根金属负载1串并联连接。这样，当脉冲电容器5放电后，每个孔中的金属负载1均高温气化，一次放电即可实现对多个孔的强化成形，提高强化效率。更进一步地，可将多个带有多个孔的零件叠层布置，将多根金属负载1分别穿设在多个孔中，这样，一次放电即可实现对多个零件的多个孔的强化成形，极大地提高了强化效率。

[0049] 实施例2：

[0050] 如图9所示，一种本发明的小孔内壁强化装置，该装置的主要结构与实施例1相同，只是在金属负载1上对应孔内壁位置处套设有一个弹性套管10，并且在金属负载1的外部不裹敷涂层。

[0051] 该小孔内壁强化装置使用时，先将高压放电开关8断开，通过变压器4进行升压并对脉冲电容器5充电，当脉冲电容器5的充电电压达到设定值后充电电路停止工作；然后高压放电开关8闭合，脉冲电容器5放电使金属负载1气化，金属负载1气化后产生的气体压强驱动弹性套管10发生弹性膨胀，将气体压强均匀地施加在孔内壁上，在孔内壁形成均匀的残余压应力层，即完成孔内壁的强化。当放电结束后，套管内部的气体压强消失，套管因为弹性变形而恢复初始形状。采用这样的小孔内壁强化装置可以在孔内壁上形成更加均匀的残余压应力层，提高零件的小孔内壁强化质量。

[0052] 当然，与实施例1相同，本实施例中的金属负载1的形状也可以根据带孔零件11上孔的形状进行设置。如可以采用圆形的等径金属丝，也可以是矩形的金属薄片。金属负载1同样优选采用不等径的金属丝或金属薄片。也可将多个带孔零件11进行叠层布置，同时对多个带孔零件11进行小孔内壁强化；并且带孔零件11上可以开有多个孔，在每个孔内均穿设金属负载1，多根金属负载1串并联连接，实现对多个零件、多个孔的同时强化成形。

[0053] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。