[发明专利]一种基于磁致伸缩的小孔内壁强化方法及装置

说明书

技术领域

    本发明属于零件表面强化领域，具体的说是直径为1~3mm小孔，也适合更大孔应力集中严重的内表面强化。

背景技术

     在航空航天等领域的机械结构中，孔在机械连接机构占有重要地位，一般而言，孔是整个零件的应力集中部位，零部件往往都是从孔位置开始发生失效而导致整个零件的报废。换言之，由于孔本身的低寿命降低整个零部件的使用寿命。因此，急待有效的小孔强化工艺，目的就是为了改善带孔零部件的机械性能，从而在使用的过程中有更长的疲劳寿命。

     目前国内外孔的强化工艺采用较多的是机械喷丸、冷挤压和激光冲击强化处理。传统机械喷丸的方法对孔壁进行强化，即在孔内设置一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撞击，从而起到强化的效果，但是这种强化方法受到孔尺寸的限制，当孔径小到一定程度的时候就无法或者很难实现。

     冷挤压强化小孔技术即将一开缝衬套放入孔中，芯棒塞入孔使开缝衬套膨胀来间接挤压紧固孔内壁，使零件产生塑性变形产生强化作用。但是这种强化方法需要设计模具，无法产生孔内壁的正向残余应力，强化效果不明显。同时小孔的直径和零件本身的形状也会使模具设计难度加大。

陈洁的专利CN102205488A中叙述了一种开缝衬套冷挤压加工孔的办法，其原理是将开缝衬套装在一根具有过盈量的锥形挤压棒上，使挤压芯棒强行通过零件内孔，挤压力通过开缝衬套均匀传递到零件的内孔壁上，使内孔的周围产生残余压应力，但是在挤压过程中极易断棒，生产成本太大。

激光冲击强化小孔技术将能量吸收杆置于小孔适当位置，利用激光诱导能量吸收杆产生等离子爆炸，产生冲击波从而使小孔内壁强化。这种方法对直径小于3mm的小孔强化效果受到限制，强化结果难以得到保证。

专利CN101126117A叙述了一种孔结构的激光冲击处理方法，其实施方法为在激光冲击强化之前将芯棒或衬套放置于孔内，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芯棒或者衬套，该专利的特点是先开孔后强化，加入芯棒或者是衬套是为了保证孔口位置激光冲击强化后不变形，保证强化后孔口的质量，但是采用这种强化方法很可能在激光冲击强化后，芯棒或者衬套很难从小孔中取出或者是无法取出,也很容易对小孔造成伤害。

磁致伸缩执行器是利用磁致伸缩材料在外加磁场作用下发生形变这一特性，实现电磁能向机械能转换的一种换能器。目前在机械加工领域中，主要是利用磁致伸缩执行器输出的轴向位移实现高分辨率的微量进给，如车削加工，孔加工等，邬义杰等在2004年浙江大学学报(工学版)第38卷的1185-1189页，发表的基于超磁致伸缩材料的活塞异形销孔加工原理研究中，通过将超磁致伸缩材料嵌入到刀具中研制了一种活塞异形销孔加工系统。但是，目前尚无有关利用磁致伸缩执行器输出径向位移实现小孔强化的报道。

发明内容

本发明的目的是要提供一种金属板料小孔内壁强化方法及装置，具体的说是针对直径为1-3mm的小孔，通过在小孔内壁引入适当的残余应力，可以有效提供小孔的疲劳寿命，该方法通过磁致伸缩的超声导波理论，利用磁致伸缩效应产生的L（0,1）模态导波径向振动作用与小孔内壁，从而达到强化小孔的效果，本专利还可以对直径大于3mm的内孔内壁进行强化。

本发明由信号发生器、功率放大器、磁致伸缩执行机构、变幅杆和撞击棒组成。由信号发生器产生所需信号经功率放大器进行能量放大后，驱动磁致伸缩执行机构内部的电磁线圈，根据磁致伸缩效应原理，沿铁磁棒产生低频L(0,1)模态导波，其振动位移主要为径向振动，铁磁棒下端连接变幅杆，用于将振动位移进行放大，将撞击棒伸入到小孔内合适位置，利用磁致伸缩效应产生的径向振动通过撞击棒撞击小孔内壁，使孔壁引入残余压应力实现强化效果。

一种基于磁致伸缩的小孔内壁强化方法，其特征在于，具体步骤为，

A）根据需要强化的小孔尺寸，制作相应尺寸的撞击棒和变幅杆，撞击棒和变幅杆的截面为凸轮型，变幅杆的最大向径等于铁磁棒的半径，撞击棒与变幅杆的凸轮基圆中心轴同轴且固定连接； 

B）将变幅杆安装在磁致伸缩执行机构的铁磁棒下端，铁磁棒为圆柱状，变幅杆的凸轮基圆中心轴与铁磁棒的圆形截面中心轴同心；

C）磁致伸缩执行机构将撞击棒伸入小孔内部，撞击棒的凸轮基圆中心轴与小孔的圆形截面中心轴同心；