一种金属结构件孔内表面电液强化装置及其强化方法

摘要

本发明提供了一种金属结构件孔内表面电液强化装置及其强化方法，根据电液效应，利用与高压脉冲电源相连接的电极对在末端放电或与电极对相连接的桥丝在放电过程中产生的瞬间大电流的高温放电通道，放电通道周围液体汽化迅速膨胀,在液体介质中产生强大的冲击波和高速水流动压，作用在待强化孔内壁，使孔内壁发生一定量的塑性变形，从而在孔的内表面引入残余压应力而实现强化效果。本发明的方法具有与孔壁无机械接触，残余压应力分布均匀，可强化孔的种类多，不受开孔零件结构形状限制，强化过程易于调节和控制等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及金属零件表面强化领域，具体是一种金属结构件孔内表面电液强化装置及其强化方法。

背景技术

机械零件中需要大量的孔来进行机械结构的连接和紧固，因此孔内壁质量的好坏对零件的使用性能有很大影响，尤其对零件的疲劳性能影响甚大。加工过程对孔内壁的损伤和孔自身材料的缺陷，这些部位大多数容易在零件的使用过程中产生疲劳源，疲劳源在交变载荷的作用下进而发展成疲劳裂纹，最终导致灾难性的疲劳破坏。因此孔的疲劳寿命很大程度上决定了零件的使用寿命。可以通过孔内壁强化工艺来改善孔内壁的机械性能，进而提高零件疲劳寿命。

目前国内外孔的内表面强化工艺大多采用的是机械喷丸与冷挤压强化。传统机械喷丸的方法是在孔内壁设置一个带有锥角的反射装置，将喷丸喷射到反射装置上，使弹丸与孔内壁发生碰撞，使孔内壁产生残余压应力，从而对孔内壁起到强化作用，但是机械喷丸的方法受到孔径的限制，当孔径小到一定程度时，此方法就不在适用，而且喷丸强化后也存在沿孔径方向应力分布不均匀的问题。冷挤压强化的原理是用一个与待强化孔径相比具有一定过盈量的芯棒采用强行挤压的方式通过孔径，挤压力通过芯轴作用在孔内壁上，使内孔的周围产生残余压应力。冷挤压强化由于受到芯棒材料的限制对一些高强度零件孔的强化并不适用。而且芯棒在挤压过程中极易发生折断，折断后的芯棒很难取出。同时冷挤压强化工艺也存在残余应力分布不均匀、微小孔径限制、与孔壁接触摩擦中易引入新的疲劳源、孔和挤压带孔板件尺寸需要精确配合而导致加工精度要求高等问题。

公开号为CN103710494A的中国专利公开了一种利用超声波的处理方法，将压电陶瓷柱与超声波发生器相连，压电陶瓷柱置于小孔内部适当位置，利用压电陶瓷柱的旋转和径向振动位移撞击小孔内壁，使孔内壁产生一定量的塑性变形从而引入残余压应力，对孔内壁起到强化作用。由于作为振动部件的压电陶瓷柱在使用之前需要进行较为严格的极化处理，因此需要较长的强化时间，同时也存在残余应力分布不均匀以及受到孔径限制等问题。

公开号为CN101126117A的中国专利公开了一种孔结构的激光冲击处理方法，该专利的特点是先开孔后强化，在进行孔内壁强化之前将芯棒或者衬套放置在孔内，芯棒或者衬套与处理孔表面平齐，完成激光冲击强化后去除保证强化后孔口的质量的芯棒或者衬套。这种强化方法存在的问题是在激光冲击强化后，芯棒或者衬套可能很难从小孔中取出或者在取出的过程中对小孔造成伤害，造成新的疲劳源的产生。

公开号为CN103589854A的中国专利公开了一种电磁强化方法，其在带孔板件端面或孔中放置强化线圈，同时在带孔板料端面放置背景磁场，在对孔进行强化中，强化线圈中通入快速变化的脉冲电流，从而带孔板件上产生感应涡流。在涡流和背景磁场的共同作用下，使孔的周围产生脉冲径向电磁力，使孔径向扩张，进而孔边产生塑性变形，使孔内壁产生残余压应力。此强化方法受到线圈的限制，并不能对孔径较小的孔进行强化，而且强化过程需要多套脉冲电源，大大增加了强化成本，线圈定位精度要求较高也是此电磁强化方法存在的一个问题。

因此，开发一种新的孔强化工艺，解决传统孔强化残余压应力分布不均匀、孔和挤压带孔板件尺寸需要精确配合而使加工精度要求高、强化工艺时间过长、芯棒或者衬套取出过程对孔造成的伤害、难以强化小孔、电磁强化需要多套脉冲电源而造成强化成本过高等问题，使孔沿径向产生均匀的压应力具有深远意义。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种金属结构件孔内表面电液强化装置及其强化方法，可强化孔的种类多，不受开孔零件结构形状限制，并且强化后残余压应力均匀度明显好于传统的喷丸强化以及孔冷挤压强化方式，使孔的使用寿命大幅度提高。

本发明提供的强化装置包括内部开有放电空腔的放电水箱，带孔板料的待强化孔位于放电空腔内；放电水箱外壁安装有穿过外壁的电极紧固件，电极紧固件内固定有绝缘套筒，放电电极穿过绝缘套筒插入带孔板料的待强化孔中，放电电极两端连入高压脉冲电路形成回路。

针对较薄的带孔板料，电水箱两侧壁安装有一对穿过侧壁的电极紧固件，每个电极紧固件内均固定有绝缘套筒，两根放电电极的一端分别穿过两侧的绝缘套筒插入带孔板料的待强化孔中与待强化孔同轴，另一端通过桥丝连入高压脉冲电路形成回路。

针对较厚的带孔板料，电水箱两侧壁安装有一对穿过侧壁的电极紧固件，每个电极紧固件内均固定有绝缘套筒，两根放电电极分别穿过两侧的绝缘套筒插入带孔板料的待强化孔中，两根放电电极之间通过桥丝相连，串联连入高压脉冲电路形成回路。

带孔板料的待强化孔孔轴线为曲线，所述的将两根放电电极连接的桥丝与待强化孔的轴线曲率走向一致。

当带孔板料的待强化孔为盲孔时，放电电极伸入盲孔中的部分通过螺旋状桥丝与盲孔底部连接，放电电极与盲孔板料串联连入高压脉冲电路形成回路。

若带孔板料为管材，待测孔为管材侧表面上的孔，电水箱顶部和一侧壁分别安装有穿过放电水箱外壁的电极紧固件，每个电极紧固件内均固定有绝缘套筒，两根放电电极的分别穿过绝缘套筒插入带孔板料的待强化孔中，两根放电电极之间通过桥丝相连，串联连入高压脉冲电路形成回路，其中两根放电电极的极线互成90°排布。

针对一般的小型带孔板料，所述的电水箱包括通过紧固件紧固的底座和顶部，底座和顶部接触表面通过密封橡胶密封。

针对较大的带孔板料，所述的电水箱包括上箱体和下箱体，上下箱体分别通过紧固件与带孔板料紧固，接触表面通过密封橡胶密封。

本发明还提供了一种金属结构件孔内表面电液强化方法，包括以下步骤：

1）将带孔板料的待强化孔固定在放电水箱的放电空腔中；

2）根据带孔板料的类型选择对应的放电电极插入待强化孔中；

3）向放电空腔中加水，并排空放电室内空气；

4）将放电电极通过桥丝接入高压脉冲电路，电极发生放电，产生的冲击波和高速水流动压作用在孔内壁，使孔内壁发生塑性变形；

5）更换桥丝重复步骤4），待强化孔沿径向形成残余压应力层，完成强化。

向放电室内加水，并排空放电室内空气，保证放电室上下腔密封性良好。

电极对接入高压脉冲电源。

其中根据待强化孔的类型选择对应的放电电极具体为：

1）若待带孔板料较薄，使用两根放电电极，两根放电电极分别插入带孔板料的待强化孔中与待强化孔同轴；

2）若待带孔板料较厚，使用两根放电电极，两根放电电极分别插入带孔板料的待强化孔中，两根放电电极之间通过桥丝串联；

3）若带孔板料为曲面，使用两根放电电极，两根放电电极分别插入带孔板料的待强化孔中，两根放电电极之间通过桥丝串联，桥丝与待强化孔的轴线曲率走向一致；

4）若带孔板料的待强化孔为盲孔，使用一根放电电极，放电电极插入盲孔中通过螺旋状桥丝与盲孔底部连接；

5）若带孔板料为管材，待测孔为管材侧表面上的孔，使用两根放电电极，两根放电电极的极线互成90°排布。

本发明有益效果在于：

1、本发明中在用铜丝或者铝丝连接电极的方案下，所产生的冲击波以及高速水流动压以圆柱状辐射的形式通过介质水作用于内表面，作用力均匀，因而其强化后残余压应力均匀度明显好于传统的喷丸强化以及孔冷挤压强化方式，因而寿命有大幅度提高。

2、本发明中电极或作为桥线的铜丝或铝丝并不与孔壁接触，因而不会存在如激光冲击方法在芯棒取出的过程会破坏孔壁表面质量以及产生新的疲劳源的现象。

3、本发明可以非常容易地通过调节与电极相连的电容器两端的电压或者电容值来改变放电电能的大小，调节强化效果，避免了传统方式需要更换不同直径的芯棒来实现对不同孔径的孔的表面强化。

4、本发明中对孔的尺寸精度要求低，一定尺寸范围内的孔均可以取得一致的强化效果。

5、在需要对孔进行多次放电强化时可快速更换桥丝，这大大提高了孔强化的效率，同时在对带孔板件强度较高的孔进行强化时可采用多次放电的形式来使孔内壁达到理想的均匀一致的残余压应力层。

6、本发明中可以强化较大尺寸范围内和不同形状的孔，可强化孔的种类多，不受开孔零件结构形状限制，可强化开在平面板料上、管件侧表面上或复杂曲面上的直轴线和弯曲轴线通孔或者盲孔等,强化过程易于调节和控制。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的金属结构件孔内表面电液强化装置结构示意图。

图2为本发明实施例二提供的金属结构件孔内表面电液强化装置结构示意图。

图3为本发明实施例三中带孔板料为曲面时所用的强化装置结构示意图。

图4为本发明实施例三中带强化孔孔轴线为曲线时桥丝示意图。

图5为本发明实施例四提供的金属结构件孔内表面电液强化装置结构示意图。

图6为本发明实施例五提供的金属结构件孔内表面电液强化装置结构示意图。

图7为本发明实施例六提供的金属结构件孔内表面电液强化装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例一

如图1所示，实施例一提供的装置包括内部开有放电空腔的放电水箱9，电水箱9包括通过紧固件紧固的底座和顶部7，底座和顶部7接触表面通过密封橡胶8密封。放电水箱9外壁上开有进水口20和排水口19。带孔板料16通过固定板17装夹好固定在放电水箱9的放电空腔内。电水箱9两侧壁安装有一对穿过侧壁的电极紧固件15，电极紧固件15通过密封圈14与电水箱9侧壁密封。每个电极紧固件15内均通过绝缘固定件12固定有绝缘套筒11.两根放电电极18分别穿过两侧的绝缘套筒11插入带孔板料16的待强化孔中，放电电极18与绝缘套筒11之间通过电极压盖10固定。两根放电电极18之间用铜丝或者铝丝作为桥丝相连，串联连入高压脉冲电路形成回路。

该装置的工作方法为：

1）带孔板料16通过固定板17装夹好固定在放电水箱9的放电空腔内；

2）向放电空腔中通入液态水13，并排空放电室内空气；

3）将放电电极通过桥丝接入高压脉冲电路，闭合开关1，经升压变压器4升压后的高压交流电通过整流器2得到的高压直流电作用在电容器3两端，电容器开始充电，当电容器充电到一定数值时，电子触发器6激活，电容器3中储存的电能经安全保护系统5作用在两个电极上，电能沿着桥丝释放，桥丝释放。桥丝瞬间汽化，周围产生高温的放电通道，放电通道周围液体汽化迅速膨胀，在液体水13中产生强大的冲击波和高速水流动压，冲击波以及高速水流动压以圆柱状辐射的形式通过介质水作用于孔内壁，使孔内壁发生一定量的塑性变形。

4）为了得到孔强化后沿径向形成均匀残余应力层，可选择合适的放电参数，采用多次放电的形式来提高强化效果。具体操作为当一次放电结束后可通过更换铜丝或铝丝进行下进行后续的多次放电，使带孔板件孔沿径向形成理想的残余压应力层。

实施例二

如图2所示，在带孔板件较薄情况下，其余结构与实施例一相同，区别在于采用电极对直接放电的形式对孔进行强化，两根放电电极的插入待强化孔中与待强化孔同轴，两根放电电极之间不接触，放电电极另一端通过桥丝连入高压脉冲电路形成回路。

实施例三

当带孔板料为曲面情况下（如图3所示），为了使孔的强化效果较好，可根据孔附近板料表面的曲面特征来制造与其接触的固定板形状，然后再对孔进行电液强化。

当零件上所开孔轴线为曲线时（如图4所示），为得到较好的强化效果，可使电极间的桥丝与待强化孔的轴线曲率走向一致，然后再对孔进行电液强化。根据本发明的第三实施例采用的装置结构与第一实施例相似，此处不再赘述。

实施例四

如图5所示，在带孔结构件的尺寸较大或者不便安装在放电室中进行电液强化时，可改进放电水箱的结构，使其分为上箱体和下箱体，上下箱体分别通过紧固件与带孔板料紧固，其与结构件上待强化孔周围的上下表面分别形成密封腔并压紧，其余结构与实施例一相似。

实施例五

如图6所示，对于结构零件上盲孔的电液强化，可将零件上盲孔底面作为一个电极，并按图中方式采用铜丝或铝丝制得的桥丝将盲孔底面与电极连接起来，以便电液强化时在孔内形成合适的放电通道，其余结构与实施例一相似。

实施例六

如图7所示，对于开在管材侧表面上的孔进行电液强化时，两电极轴线可按互成90°的方式排布，其余结构与实施例一相似。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。