开缝衬套冷挤压强化孔疲劳寿命仿真及其预测系统开发.docx

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1、第一章绪论随着科学技术的飞速发展，现代工业设备在高温、高速、高压等条件下使用的场合越来越多，承受的交变应力也越来越高，疲劳破坏问题日益突出。因此，机械零件的抗疲劳设计和制造已成为现代工业生产中的重要课题。1.1抗疲劳制造技术目前有关抗疲劳强化制造的方法多种多样，主要体现在物理、化学、机械和高能束处理四个方面[1]，如图1.1所示。图1.1抗疲劳制造技术分类(1)物理方法主要是指表面淬火处理，即生产中的火焰淬火、高频和中频感应加热淬火以及近年来发展的超音频、双频感应加热淬火等，其特点是不改变表层化学成分，通过表层相变来提高零件的疲劳强度

2、。(1)化学方法包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等，它是利用化学热处理改变表面化学成分，并形成单相或多相的扩散层。近年来又出现了离子渗碳、真空扩渗、渗硼和多元共渗等新方法。(2)高能束处理是抗疲劳制造领域的一个新的途径，它是在材料局部表面施以极高密度的能量，并使之发生物理、化学变化，显著达到抗疲劳增寿的目的。目前正在研宄和应用的有激光冲击、激光相变硬化、激光合金化以及等离子轰击等，这是一个极有发展前途的抗疲劳制造方法。(3)机械方法的一个突出特点是利用冷形变技术，使金属材料表面产生形变硬化层，并引入高的残余应力，从而显著提高机械零件的抗疲劳断

3、裂和抗应力腐蚀开裂的能力，主要包括滚压、挤压、喷丸、干涉配合和抛光处理等，是抗疲劳制造的一种主要方法。冷挤压技术是抗疲劳制造中机械方法的一种，较多应用于中小型锻件规模化生产中。与常规模锻工艺相比，具有“优质、高产、低消耗、低成本”的优点，可以节材30%〜50%，节能40%〜80%，而且能够提高锻件质量，改善作业环境[2]。孔冷挤压强化技术在孔的表面质量、孔表面层与组织结构一致性及抗疲劳强化效果等方面均取得满意的效果，因此，国外航空、汽车等行业都采用了孔的冷挤压强化技术。1.2孔冷挤压强化技术1.2.1孔冷挤压工艺孔的冷挤压加工是利用装

4、在挤压枪上的挤压棒，在一定的压力和挤压速度下挤压孔壁，使孔壁金属产生塑性变形，从而使孔径达到所需尺寸。挤压过程中，孔壁金属处于三向压力状态，有利于提高金属材料的塑性。挤压后，金属材料的晶粒更加细小而密实，金属流线不被切断且产生加工硬化，使得冷挤压孔的表面强度大为提高，并获得较高的尺寸精度和表面光洁度[3_4]。孔的冷挤压强化技术主要方法[5_6]如图1.2所示。图1.2孔冷挤压强化技术的方法(1)滚压抛光处理是利用均布在圆周上的数对高硬度滚柱的螺旋运动使初孔稍有胀大，将孔壁粗糙表面的波峰推到波谷处，以提高内孔壁的表面质量，如图1.3所

5、示；(2)球压处理是将钢球挤过预先经过润滑的孔，如图1.4所示；(3)孔口端面压印强化是对各种孔径的边缘实施破坏，降低由于几何因素所造成的应力集中，如图1.5所示；(4)直接芯棒挤压是把经过充分润滑的锥形挤压芯棒以过盈形式强行通过经铣削或拉削的初始孔，挤压棒直接作用于孔壁，使孔壁受压后产生弹塑性变形，形成残余压应力层，从而有效地抵制损伤和裂纹的产生和扩展，如图1.6所示；图1.3滚压抛光处理图1.4球压处理图1.5孔口端面压印强化图1.6直接芯棒挤压(5)套管挤压方法类似于无缝衬套挤压强化法，只是用套管代替了衬套；(6)带衬套挤压强化

6、原理和无衬套挤压的一样，为避免挤压棒与孔壁的直接接触，在挤压时，孔壁和挤压棒之间使用衬套，图1.7为开缝衬套挤压工艺示意图。1-挤压芯棒；2-开缝衬套；3-拉拔组件；4-零件夹层图1.7开缝衬套挤压强化工艺示意图带衬套挤压可分为两种，一种为无缝衬套挤压；另一种为开缝衬套挤压。无缝衬套挤压由于衬套比较薄，与孔配合的精度要求较高，加上衬套材料为高强度、高弹性的不锈钢，因而衬套加工较困难。另外，挤压后的衬套一般停留在孔内，在工作状态下，两者必然会相互滑动，从而引起孔壁刮伤，目前已很少使用无缝衬套挤压法。开缝衬套挤压是目前工业先进国家应用较广

7、泛的一种强化工艺。为了保证挤压过程中衬套不被挤皱或挤烂，要求衬套材料必须是高强度、高弹性的不锈钢。挤压完后，工件发生微小的塑性变形。与无缝衬套挤压不同的是，挤压后衬套不留在孔中。开缝衬套在挤压过程中会随着挤压棒而扩张，这样在挤压完后，衬套开口处便会留一凸台，凸台处是挤压强化最薄弱的地方，而且由于衬套的两个开口边有切割作用，使得凸台底部可能存在潜在微裂纹，所以用该工艺加工完后，需将凸台及微裂纹切除。由于衬套有缝，使得挤压量可以取的较大，因而产生的残余应力较大，疲劳寿命提高的幅度也随之增大，强化效果较理想。开缝衬套的外形如图1.8所示，开

8、缝衬套冷挤压常用挤压设备为挤压枪，图1.9是一种挤压枪的实物照片。图1.9挤压枪的实物照片1.2.2冷挤压工艺操作过程以带开缝衬套冷挤压工艺为例[1]，其挤压过程如图1.10所示，利用衬套上的轴向切缝，将一内壁用干膜润滑