專利名稱：通過集中的應(yīng)力波在孔周圍產(chǎn)生有益應(yīng)力的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在提高疲勞壽命的零件制造，特別是用在其中具有緊固孔或切口，并且經(jīng)受反復(fù)或長期應(yīng)力的零件制造中的新方法和工具。更具體的說，本發(fā)明涉及利用應(yīng)力波方法加工零件的改進(jìn)技術(shù)，利用應(yīng)力波方法加工零件的改進(jìn)工具，和由此制造的精加工零件，其中零件具有更高的抗應(yīng)力疲勞特性。
背景技術(shù)：
金屬疲勞是受循環(huán)應(yīng)力的任何事物常見的一個(gè)問題。這樣的問題在運(yùn)輸設(shè)備，例如飛機(jī)、船舶、火車、汽車等中特別重要。金屬疲勞可被定義為通常以裂縫形式出現(xiàn)的，由于循環(huán)負(fù)載而發(fā)生在結(jié)構(gòu)中的漸進(jìn)損壞。該損壞模式不同于由于過載而引起的損壞。機(jī)翼的低表面是產(chǎn)生疲勞的負(fù)載形式的一個(gè)經(jīng)典實(shí)例。該機(jī)翼受到不同的由陣風(fēng)、操縱、滑行和起飛負(fù)載引起的循環(huán)應(yīng)力，其中某個(gè)特定零件超過了最終壽命便產(chǎn)生疲勞損壞。相似的，包括機(jī)身外殼和尾部壓力隔板的一架飛機(jī)的受壓機(jī)殼在每次飛行中經(jīng)受一次飛機(jī)內(nèi)部受壓的應(yīng)力循環(huán)。
疲勞損壞所固有的一個(gè)問題是既然它一般是在不導(dǎo)致結(jié)構(gòu)屈服的負(fù)載下發(fā)生的，所以它會(huì)會(huì)隱藏起來。最經(jīng)常觀察到的疲勞損壞是小裂縫從高度集中的應(yīng)力區(qū)域的引發(fā)和發(fā)展的。若未發(fā)現(xiàn)，一個(gè)裂縫可能一直發(fā)展到臨界尺寸。在該點(diǎn)，該單獨(dú)的構(gòu)件就會(huì)突然破壞。當(dāng)整個(gè)構(gòu)件相鄰部分的其它元件不能承受額外的不再由該破壞構(gòu)件承載的負(fù)載時(shí)，一個(gè)整體結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性破壞也會(huì)發(fā)生。
甚至固定的物體，例如鐵軌或者壓力容器，也會(huì)因循環(huán)應(yīng)力而在疲勞中破壞。鐵軌的循環(huán)負(fù)載是由來自于運(yùn)行在軌道未支撐跨距上方的車輪的重復(fù)負(fù)載引起的。實(shí)際上，疲勞破壞的一些最早的實(shí)例是在鐵道行業(yè)和橋梁建設(shè)行業(yè)中。突然的壓力容器破壞可以是由重復(fù)的增壓循環(huán)引起的疲勞損害產(chǎn)生的。重要的是，政府研究報(bào)道說，疲勞損壞在美國經(jīng)濟(jì)中是一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)因素。
疲勞可定義為通常以裂縫形式出現(xiàn)的，由于循環(huán)負(fù)載發(fā)生在結(jié)構(gòu)中的漸進(jìn)損害。裂縫一般發(fā)生在孔口(孔)、倒角、過渡半徑和其它橫截面有變化的位置，因?yàn)樵谶@樣的點(diǎn)處會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中。此外，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這樣的點(diǎn)包含引發(fā)裂縫的小瑕疵。而且，由一個(gè)孔或切口引起的在一個(gè)構(gòu)件例如一個(gè)機(jī)身或機(jī)翼外殼中的不連續(xù)性這一簡單事實(shí)，迫使在這樣的孔或切口的周邊加載負(fù)載。由于這種現(xiàn)象，一般發(fā)現(xiàn)與緊固孔或切口相鄰的結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力水平，至少要比將在沒有孔或切口的這樣的位置所受的正常應(yīng)力大三倍。
在本領(lǐng)域中一般認(rèn)為通過在這樣的孔或切口周圍給予有益的殘余應(yīng)力，可顯著地提高在一個(gè)穿孔或切口位置處的結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。迄今為止已采用了不同方法在這樣的孔或切口處給予有益的殘余應(yīng)力。已知的或已采用的方法包括輥拋光、表面噴丸處理和組合套筒冷脹、組合錐桿冷加工、噴丸加工以及襯墊壓花。通常，由剛提到的工藝給予的壓縮應(yīng)力是通過減少在孔邊緣施加的循環(huán)負(fù)載的最大應(yīng)力來提高疲勞壽命的?？偟膩碚f，這些工藝一般稱作冷加工。術(shù)語冷加工與金屬成型工藝相關(guān)，在所述金屬成型工藝中，加工溫度比金屬的再結(jié)晶溫度低。一個(gè)由Tukwila,Washington的Fatigue Technology Inc.采用的相似術(shù)語，“冷脹”，通常與冷加工可替換使用，但特定使用在它們的組合套筒冷脹工藝中。然而，在用于對孔冷加工的所有方法中，目前最廣泛采用的工藝是組合套筒工藝和組合錐桿工藝。這些工藝統(tǒng)稱作錐桿冷加工工藝。
從歷史意義上說，錐桿冷加工是嚴(yán)格通過手工工具實(shí)現(xiàn)的。例如，孔的組合套筒冷脹仍然是采用連接到氣動(dòng)液壓動(dòng)力機(jī)組的手持式液壓工具完成的。涉及工具選擇、工序和對冷脹工藝控制參數(shù)要求熟練的操作員才能可靠地產(chǎn)生適當(dāng)處理的孔。遺憾的是，要用一個(gè)熟練操作員來完成任務(wù)的不利之處在于，也會(huì)不斷產(chǎn)生不正確或不精確處理的危險(xiǎn)。并且，這樣勞動(dòng)密集型技術(shù)實(shí)際上防止了靜態(tài)過程控制所需要的自動(dòng)反饋。盡管該工藝在持續(xù)發(fā)展，但是組合套筒工藝的復(fù)雜性和目前采用的工具阻礙了自動(dòng)固定方面工藝的廣泛采用。該組合錐桿工藝是在發(fā)展的一個(gè)相似階段，是手工完成的，但也有一些小的自動(dòng)操作。
該錐桿冷加工工藝有一種特別的不利之處，即為了實(shí)現(xiàn)均勻的擴(kuò)張，它們要求起始孔的尺寸精度，通常允許直徑公差在從約0.002英寸至約0.003英寸的范圍內(nèi)。并且，在該工藝中需要一個(gè)小的起始孔，為了考慮到該孔永久性擴(kuò)張和隨后形成最終擴(kuò)孔，就有必要將該孔圓周位置的翻邊去除，以及在該孔內(nèi)的組合套筒或錐桿套工作位置將其邊緣外的軸向突起物去除，當(dāng)然也就確定了孔徑大小。而且，處理需要采用兩種擴(kuò)孔；一個(gè)是小的，用作起始孔的直徑，另一個(gè)是較大的，最終的孔直徑。
錐桿冷加工工藝的另一個(gè)不利的局限性是潤滑劑的殘余效應(yīng)的存在和需要。對于組合套筒冷脹工藝，起始孔必須不含殘余潤滑劑(用于鉆孔)以防止套在處理過程中受毀壞。一個(gè)毀壞的套可能非常難于去掉并且使得在標(biāo)準(zhǔn)尺寸之上加大孔直徑成為必要，以去除隨后的損壞。組合錐桿工藝采用一種液體十六醇潤滑劑，該潤滑劑必須在冷加工之后從孔中清除，為了保證適當(dāng)?shù)钠崃细街?。在任一種情況下，該冷加工的孔必須用溶劑清洗，以便將潤滑劑去除。這樣的化學(xué)溶劑是昂貴的，需要額外的用于操作和處理的工時(shí)，并且如果在使用或者處理期間不有效控制的話，其會(huì)對操作員和/或環(huán)境產(chǎn)生一種有害的作用。
錐桿冷加工工藝在現(xiàn)有技術(shù)中又一個(gè)局限性是它們對正處理的孔口表面即確定該孔的金屬壁面的影響。在該組合套筒中的“裂隙”和在一組合錐桿中的多個(gè)裂隙在7050型鋁和一些其它合金中會(huì)產(chǎn)生麻煩的剪切裂紋。剪切裂紋是靠近該裂隙的結(jié)構(gòu)材料中的小裂紋，它是由靠近該裂隙材料的相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。值得注意的是，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中7050型鋁的增加使用已大大增加了所述剪切裂紋的量。盡管這樣的裂紋一般被視為表面瑕疵而不予考慮，但是它們在裂紋的無損檢驗(yàn)中仍然產(chǎn)生假的正確性。
并且，在該錐桿冷加工工藝中，錐桿的滑行作用在該孔的圓周周圍，尤其是在該錐桿退出該孔的結(jié)構(gòu)側(cè)面上產(chǎn)生大量的翻邊。在該組合錐桿工藝中，可清楚地看見這一效應(yīng)，因?yàn)樵撳F桿是與該孔的側(cè)壁直接接觸的。該不利的翻邊可增加對微振磨損的敏感度，其可導(dǎo)致緊固接頭的壽命減少。此外，在結(jié)構(gòu)層層疊中的翻邊可導(dǎo)致接合面中密封劑的破裂。在一定程度上，當(dāng)對該最終孔的直徑確定大小時(shí)，該不利的翻邊可能會(huì)擴(kuò)大，但至少留下一些部分(并且正常是結(jié)實(shí)的部分)。
襯墊壓花是已被用來提高孔和其它切口疲勞壽命的另外一種工藝。這種工藝在1974年3月12日頒發(fā)給Phillips的關(guān)于“環(huán)狀墊應(yīng)力壓花”的美國專利US3,796,086中作了描述，并且在相關(guān)的，共同擁有的1974年4月16日頒發(fā)給Speakman的關(guān)于“環(huán)狀墊應(yīng)力壓花工具”的美國專利US3,434,327中作了描述。這種方法采用相對著的模具來對一個(gè)現(xiàn)有的孔或孔口冷加工。該襯墊壓花工藝在該切口周邊留下一典型的同心壓痕。該降低了厚度的壓痕是該工藝的一個(gè)主要缺點(diǎn)，因?yàn)樵摐p少了的截面厚度減小了該孔的承力面積。而且，該壓痕使得在處理了的緊固孔處附著薄結(jié)構(gòu)有了問題，因?yàn)楫?dāng)該緊固件拉緊時(shí)可將一塊板折彎。而且，該工藝并不試圖在對該孔進(jìn)行加工之前在一結(jié)構(gòu)上執(zhí)行環(huán)板壓花。
正如1974年7月23日頒發(fā)給Leftheris的，并且發(fā)明名稱為“使金屬變形的方法和裝置”的美國專利US3,824,824所述，該應(yīng)力波現(xiàn)象以前就已用于通過使應(yīng)力波穿過工件而使金屬工件變形以即刻使該金屬變得有塑性。這樣的方法和相關(guān)的設(shè)備已用于金屬成形、鉚接和點(diǎn)焊操作。
另一屬于Leftheris的，1978年12月12日公開的，關(guān)于“加工一個(gè)孔的方法和裝置”的美國專利US4,129,028中的發(fā)明將錐桿冷加工與前述的應(yīng)力波工藝結(jié)合在一起。這一后提及的發(fā)明的目的是對一孔的精加工和尺寸特性同時(shí)進(jìn)行冷加工和控制。該工藝采用一個(gè)應(yīng)力波產(chǎn)生器，通過驅(qū)動(dòng)錐形的錐桿穿過或進(jìn)入一個(gè)現(xiàn)有的孔來處理既是直的又是錐形的起始孔。本發(fā)明指明了對于30微英寸RMS表面精整的精密公差孔的制作方法。然而，如同采用其它的錐桿冷加工方法一樣，這一項(xiàng)工藝需要一個(gè)精密公差的起始孔，并且遇到同在其它錐桿冷加工方法中一樣的翻邊問題。因而，雖然Leftheris的這種改進(jìn)認(rèn)識到利用應(yīng)力波來給予構(gòu)件中的殘余應(yīng)力足夠的量以提供提高的疲勞壽命將是有利的，該工藝仍然不得不使用相同的起始孔加工方法，該方法和錐桿冷加工工藝一起應(yīng)用。
另一提供一種對孔冷加工方法的嘗試是由Wong和Rajic提出的，在1993年5月27日公開的發(fā)明名稱為“提高孔的疲勞壽命”、WIPO國際公開號為WO93/09890的申請。該方法是在襯墊壓花方法上的一種改進(jìn)，因?yàn)樵谡幚淼臉?gòu)件中制造的壓痕比該孔直徑小得多，因而去除了提供在壓花方法中的不期望的同心環(huán)。并且，盡管這樣的提示是有利的，因?yàn)樗隋F桿和壓花工藝所需的準(zhǔn)備起始孔的需要，但該Wong的工藝的一個(gè)明顯的缺陷是其需要相對高的負(fù)載來對正處理的構(gòu)件進(jìn)行壓痕或冷加工?？紤]到最小的準(zhǔn)靜態(tài)錐桿負(fù)載對一塊板進(jìn)行初始壓痕是必要的，這一點(diǎn)就可以理解了。用于初始屈服(壓痕)的初始平均接觸壓力PM由下面的方程式測定PM=1.10×(壓縮屈服應(yīng)力)用于初始屈服或壓痕的負(fù)載P是通過把該錐桿的橫截面積與PM相乘而計(jì)算到的。因此錐桿負(fù)載(P)=1.10×(壓縮屈服應(yīng)力)×(錐桿橫截面積)具體來說，提高疲勞壽命所必需的負(fù)載要大得多。例如，Wong/Rajic所披露使用的0.063英寸(1.6mm)厚的2024-T3鋁樣品是用4.0mm(0.158英寸)直徑的圓柱狀錐桿冷加工的。利用這些參數(shù)的初始錐桿壓痕負(fù)載計(jì)算為835鎊(3714牛頓)。因?yàn)樵搲汉酃に嚤仨氁龀跏級汉圬?fù)載以實(shí)現(xiàn)疲勞壽命的提高，對于4.0mm(0.158英寸)直徑的錐桿，在Wong/Rajic試驗(yàn)中使用的壓力范圍為3595磅(15991N)到4045磅(17994N)。相比較而言，冷加工(壓痕)一個(gè)普通的1/4英寸(6.35mm)直徑的緊固件所必要的壓力可達(dá)到10，000磅(44484牛)這么高。遺憾的是，這樣巨大的負(fù)載需要大而笨重的機(jī)器如電動(dòng)壓力機(jī)、液壓機(jī)和落錘等，且因此它們無法廣泛用于自動(dòng)緊固系統(tǒng)。
剛提到用于自動(dòng)緊固的這樣笨重龐大設(shè)備的不實(shí)用性是由Zieve在美國專利4,862,043中提出的。Zieve在評論現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)器時(shí)聲稱，“一臺(tái)C-軛擠壓機(jī)是一種大且貴的設(shè)備，其在工件周圍延伸以提供一個(gè)整體的支承元件。然而，這樣的設(shè)備對于許多應(yīng)用來說是不實(shí)用的，因?yàn)榭讖缴疃?，即鉚釘與工件邊緣的距離的需求導(dǎo)致由于對于所需孔徑深度而要求相應(yīng)的剛度，使得一臺(tái)機(jī)器不切實(shí)際地大和昂貴”。很清楚該Wong/Rajic發(fā)明未指明將應(yīng)力波傳播到金屬中用于變形和隨后的殘余應(yīng)力發(fā)展。因此，它們也未預(yù)見到應(yīng)力波技術(shù)的使用能明顯減少處理設(shè)備或其支撐結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度和尺寸的需求。
Wong/Rajic所披露的錐桿是出于既壓痕又穿孔的目的而設(shè)計(jì)的。雖然它們的發(fā)明準(zhǔn)許錐桿的端部形狀為平底或圓錐形的，但它們并未使用錐桿端部的形狀來實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的分布最優(yōu)化。需要一個(gè)大而均勻的殘余應(yīng)力區(qū)域用來產(chǎn)生最高的疲勞壽命。具有平底端部的一個(gè)錐桿很適合用來成形或沖壓，但在板表面引起少量的殘余應(yīng)力。另一方面，具有圓錐形端部的錐桿提高了表面殘余應(yīng)力但趨向于徑向?qū)Σ牧稀熬砝辈a(chǎn)生顯著的翻邊。很清楚就該錐桿端部的結(jié)構(gòu)而論，現(xiàn)有技術(shù)并未使殘余應(yīng)力的范圍和深度最優(yōu)化。
該Wong/Rajic工藝也可用于利用兩種方法的任一種處理非圓形的切口。第一種方法采用具有孔的相同橫截面形狀的實(shí)心錐桿。第二種方法在對切口機(jī)加工之前利用實(shí)心圓形錐桿處理該切口的所選區(qū)域。該第二種方法與Landy的發(fā)明，美國專利US4,885,829相似，其利用組合套筒冷脹工藝來處理切口的所選過渡半徑。在對該切口機(jī)加工之后，足夠的殘余應(yīng)力保留在半徑處以提高疲勞壽命。另一屬于Easterbrook和Landy的發(fā)明，美國專利US4,934,170是利用符合孔形狀的工具來處理現(xiàn)有的非圓形孔和切口的。這些方法的共同弱點(diǎn)是僅僅對切塊的所選區(qū)域(半徑)進(jìn)行了冷脹。由僅僅對切口半徑范圍處理而引起的殘余應(yīng)力的不均勻性使得拉伸應(yīng)力在孔邊緣存在。這有可能減少疲勞壽命。
前述Zieve的發(fā)明和與它相似的其它發(fā)明用于利用電磁驅(qū)動(dòng)器來對鉚釘和緊固件進(jìn)行加工。然而，這樣的技術(shù)和裝置并不是用于在對孔機(jī)加工之前對一金屬構(gòu)件進(jìn)行冷加工的。因此，總之，由于設(shè)備的復(fù)雜和龐大，利用錐形錐桿方法、壓花、沖壓和諸如此類的方法對孔和其它切口冷加工的現(xiàn)有方法對于自動(dòng)緊固系統(tǒng)和其它自動(dòng)工作環(huán)境是不實(shí)用的。并且，目前已知的其他人采用的方法并不對導(dǎo)致潛在的疲勞壽命降低的非圓形切口的整個(gè)周邊進(jìn)行處理。最終，現(xiàn)有技術(shù)沉孔冷加工方法需要對形成的沉孔進(jìn)行再加工以實(shí)現(xiàn)所需的緊固件的平整。
因而，下面的內(nèi)容概述了當(dāng)前方法的缺點(diǎn)并且將用作與我的新穎的、改進(jìn)的應(yīng)力波制造方法相比較的基礎(chǔ)。迄今為止已知的工藝并不完全令人滿意，是因?yàn)樗鼈兺ǔＰ枰叽缫缶艿慕M合或?qū)嵭牡腻F桿，和一次性使用的組合套筒，這使得它們成本高；錐桿和套需要備件，當(dāng)使用它們時(shí)實(shí)際上提高了制造成本；“單一錐桿”方法需要一個(gè)孔直徑大致從0.003英寸變化到0.005英寸變化的不同錐桿，因?yàn)槊總€(gè)套與一特定的錐桿直徑相配，且因此，該錐桿系統(tǒng)沒有制作直徑范圍大的孔的靈活性；每個(gè)用“單一錐桿”方法處理的孔直徑需要兩套鉆孔器來精加工該孔，一個(gè)用于起始的尺寸，而另一個(gè)用于最終的尺寸；錐桿方法取決于工具和孔徑的尺寸，以對元件中的殘余應(yīng)力的量進(jìn)行控制，因此施加的擴(kuò)張僅根據(jù)工具的變化而改變；錐桿方法需要某些種類的潤滑劑；這樣的潤滑劑，并且尤其是液體，需要溶劑來清除；一個(gè)套筒中的多個(gè)裂隙或一個(gè)錐桿中的多個(gè)裂隙會(huì)在某些7000系列鋁合金中產(chǎn)生麻煩的剪切裂紋；對錐桿的拉伸作用與在工藝中實(shí)現(xiàn)的孔口擴(kuò)張相結(jié)合，在孔口的周圍產(chǎn)生大的表面破損和翻邊；組合套筒方法不容易與自動(dòng)化的需求相適應(yīng)，由于與當(dāng)前采用的自動(dòng)化固定設(shè)備相比較，該循環(huán)時(shí)間相當(dāng)長；將錐桿方法用到許多關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，例如飛機(jī)機(jī)身接合處和非圓形切口，一般成本都太昂貴；錐桿方法具有質(zhì)量控制/質(zhì)量保證工藝控制的局限，因?yàn)闄z測通常受一個(gè)熟練操作人員的人工測量的限制。
目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎的特征我的新應(yīng)力波制造工藝可有利地從一個(gè)工件應(yīng)用到用于緊固件的孔、大孔、非圓形的切口以及應(yīng)用到其它的構(gòu)件中。在制造孔本身之前，為提高疲勞壽命而對工件進(jìn)行的處理具有明顯的技術(shù)和成本上的優(yōu)勢。該方法簡單，易于應(yīng)用到自動(dòng)控制的制造方法上，且在另一方面要比那些迄今為止使用或提出的制造方法優(yōu)越得多。
由前述看來，本發(fā)明的一個(gè)重要且基本的目的在于采用一種處理工件的新方法，以減少服役零件疲勞應(yīng)力的退化，和實(shí)現(xiàn)這種效果的新工具形狀。該方法和新工具簡化了制造成本，且重要的是，簡化并提高了零件制造中的質(zhì)量控制，從而使這些零件具有提高的疲勞壽命。
本發(fā)明的其它重要但更具體的目的是提供了一種改進(jìn)的，提高了經(jīng)受疲勞應(yīng)力的金屬零件使用期限的制造工藝，如這里描述的消除了對錐桿購買、儲(chǔ)存和保存的需要；消除了對組合套筒購買、儲(chǔ)存和保存的需要；消除了對組合套筒處理的需要；消除了在含有孔口結(jié)構(gòu)的制造中對潤滑劑和隨后清除的需要；使得在簡單的制造設(shè)備中可制造寬范圍的孔口直徑，其中可采用寬范圍的緊固件直徑；允許利用輸入應(yīng)力波中的能量，對殘余應(yīng)力的大小和深度作仔細(xì)的控制；利用進(jìn)入制造系統(tǒng)的靜態(tài)反饋使工藝控制得以實(shí)現(xiàn)，因而提高了質(zhì)量保證；消除了通常出現(xiàn)在錐桿制造方法中的工件的剪切裂紋；明顯減少或有效消除了與錐桿方法相關(guān)的表面破損和翻邊，因而明顯提高了疲勞壽命；易于適應(yīng)自動(dòng)化的制造設(shè)備，因?yàn)樯a(chǎn)循環(huán)時(shí)間與自動(dòng)化固定操作的循環(huán)時(shí)間大致相等或小一些；
消除了通常用在錐桿方法中的龐大的液壓制造設(shè)備，而代之以簡單的電磁設(shè)備；利用一種單一的擴(kuò)孔操作，而不是如以前通常運(yùn)用的兩種擴(kuò)孔操作，使得在疲勞處理之后孔口得以建立；成本足夠低，可有效地用在大量包括機(jī)身結(jié)構(gòu)在內(nèi)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中。
通過前述和所附權(quán)利要求以及隨后詳細(xì)的描述，正如在下面結(jié)合附圖所作的討論，本發(fā)明的其它重要目的、特征和別的優(yōu)點(diǎn)將變得一清二楚。
我現(xiàn)在已發(fā)明了，并且在此披露了一種改進(jìn)的冷金屬加工工藝，其采用應(yīng)力波，對受應(yīng)力疲勞而強(qiáng)度退化的零件中的孔和其它部件給予有益的殘余應(yīng)力。這一改進(jìn)的應(yīng)力波工藝不具有我所意識到的此前應(yīng)用的冷加工方法常見的上述缺陷。該工藝克服了應(yīng)力波冷加工工藝的以前所出現(xiàn)的缺點(diǎn)。并且，它消除了更常用的可替換工藝所必需的不期望的設(shè)備，例如龐大的液壓設(shè)備、精密錐桿、一次性使用的組合套筒和骯臟的潤滑劑。因而，可以相信我的新方法將顯著地減少制造成本。此外，我的應(yīng)力波工藝易于應(yīng)用在自動(dòng)化制造設(shè)備中。因此，這里描述的獨(dú)特工藝是一種在現(xiàn)今常用的包括錐桿工藝的其它工藝之上的重大的改進(jìn)。
我改進(jìn)的應(yīng)力波方法利用動(dòng)力探頭給予有益的應(yīng)力，該探頭沖擊一個(gè)金屬表面，最好是在與該表面垂直的方向上。該探頭的作用導(dǎo)致彈性和塑性應(yīng)力波發(fā)展并在金屬中傳播。在某些情況下，用一個(gè)靜止壓頭來支撐薄的工件材料。這樣的“支承”壓頭有助于塑性波從工件的另外一面反射。
在一種適當(dāng)施加和集中的塑性波已給予了大面積的殘余應(yīng)力之后，該區(qū)域立即為該孔做好準(zhǔn)備。一個(gè)鉆頭、鉆孔器或其它切削設(shè)備位于與探頭和砧座的沖擊區(qū)域同心的位置。當(dāng)對該孔機(jī)加工時(shí)，便發(fā)生了該孔周圍應(yīng)力的小回彈。這樣的回彈表現(xiàn)為該機(jī)加工孔的收縮。由于這個(gè)原因，用在我的應(yīng)力波方法中的切削工具會(huì)需要使用一種特征，該特征考慮在孔中向內(nèi)的金屬運(yùn)動(dòng)。要不然的話，該工件材料在該切削工具上就有可能固結(jié)。這一點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致工具壽命縮短或者使孔精加工惡化。對于一個(gè)鉆頭或鉆孔器，解決這個(gè)需要的一個(gè)簡單的辦法是提供一個(gè)倒錐的特征。因此，允許有益的殘余壓縮應(yīng)力保留在精加工構(gòu)件中。這些殘余壓縮應(yīng)力與在集中在孔邊緣處的潛在破壞應(yīng)力相抵消。
附圖簡要說明

圖1顯示的是沖頭中線在徑向上的標(biāo)準(zhǔn)接觸壓力分布σz/Pm的示意圖，對應(yīng)于結(jié)構(gòu)受到一個(gè)(a)錐形、(b)球形和(c)圓形平底沖頭的沖壓變形的結(jié)構(gòu)情況。
圖2顯示的是形成圖1中所示曲線的圓形平底沖頭進(jìn)行金屬冷加工時(shí)的豎直橫截面圖。
圖3顯示的是形成圖1中所示曲線的球形沖頭進(jìn)行金屬冷加工時(shí)的豎直橫截面圖。
圖4顯示的是形成圖1中所示曲線的錐形沖頭進(jìn)行金屬冷加工時(shí)的豎直橫截面圖。
圖5是一個(gè)工件結(jié)構(gòu)從沖頭中線開始沿徑向上的變形圖解說明，該工件結(jié)構(gòu)分別受到下述沖頭的沖壓變形，即對應(yīng)于(a)如圖2所示的平底圓柱形壓頭、(b)如圖3所示的球形壓頭和(c)圖6所述一實(shí)施例中的，文中提及的一種最佳的、均勻沖壓型壓頭。
圖6顯示的是文中提及的最佳加工壓頭的局部橫截面圖，并給出了該工具的主要形狀參數(shù)。
圖7闡明了利用我的應(yīng)力波方法在一個(gè)相對薄的工件上的小孔內(nèi)的預(yù)備工序。
圖8闡明了利用一個(gè)壓頭沖擊工件的一側(cè)面以產(chǎn)生一種應(yīng)力波并且在為建立一個(gè)孔而在預(yù)選的位置處在工件中形成一個(gè)凹坑的工序。
圖9表示已在一預(yù)選位置處形成一凹坑的工件，其中在該位置處期望建立一個(gè)例如″鉚釘-孔″的孔口。
圖10闡明了利用我改進(jìn)的應(yīng)力波方法采用一個(gè)壓頭在一工件上建立凹坑，而利用一個(gè)支撐工件的背襯鐵砧，準(zhǔn)備在一預(yù)選的位置處在該工件內(nèi)形成一個(gè)孔口的預(yù)備工序。
圖11闡明了利用我的應(yīng)力波方法通過采用一個(gè)壓頭沖擊工件的一側(cè)面以產(chǎn)生一種應(yīng)力波并且在為建立一個(gè)孔口例如″鉚釘-孔″而預(yù)選的位置處在工件中形成一個(gè)凹坑的工序。
圖12闡明了利用我改進(jìn)的應(yīng)力波方法通過采用一個(gè)壓頭既沖擊工件正面又沖擊其反面來產(chǎn)生一種應(yīng)力波并且在為建立一個(gè)孔口例如″鉚釘-孔″而預(yù)選的位置處在工件的兩側(cè)面中形成凹坑的預(yù)備工序。
圖13闡明了采用一個(gè)壓頭既沖擊工件正面又沖擊其反面來產(chǎn)生一種應(yīng)力波并且在為建立一個(gè)孔口例如″鉚釘-孔″而預(yù)選的位置處在工件的兩側(cè)面中形成凹坑的工序。
圖14闡明了我的用在應(yīng)力波冷加工中以在工件中產(chǎn)生所需的殘余應(yīng)力分布的最佳壓頭的另一實(shí)施例；在這一實(shí)施例中，為在該壓頭的邊緣處和接近該邊緣處與所需的曲率近似，在該邊緣采用一個(gè)或多個(gè)倒角。
圖15闡明了我的用在應(yīng)力波冷加工中以在工件中產(chǎn)生所需的殘余應(yīng)力分布的最佳壓頭的又一實(shí)施例；在這一實(shí)施例中，該壓頭采用了一個(gè)預(yù)先選擇的圓角半徑。
圖16是在利用我改進(jìn)的應(yīng)力波方法在為建立一個(gè)孔口而預(yù)選的位置處在工件的正反側(cè)面中形成凹坑的預(yù)備工序中的第一和第二最佳形狀壓頭的豎直橫截面圖。
圖17是在沖擊一個(gè)工件以在為建立一個(gè)孔口而預(yù)選的位置處在該工件的正反側(cè)面中形成凹坑的步驟中的第一和第二最佳形狀壓頭的豎直橫截面圖。
圖18是在正反側(cè)面都形成凹坑后的工件的橫截面圖。
圖19是其中已在為工件中形成一孔口而預(yù)選的位置處形成一凹坑的工件的透視圖。
圖20是在反面形成凹坑后的工件的橫截面圖。
圖21是在一工件中鉆一個(gè)孔口步驟的透視圖，其中為在一預(yù)選的位置處產(chǎn)生孔口已形成一個(gè)凹坑。
圖22闡明了利用我改進(jìn)的應(yīng)力波方法通過采用所選的，不等直徑的壓頭既沖擊工件正面又沖擊其反面來產(chǎn)生一種應(yīng)力波并且在為建立一個(gè)成形孔口例如″鉚釘-孔″，尤其是一個(gè)沉頭鉚釘-孔而預(yù)選的位置處在工件的兩面中形成凹坑的預(yù)備工序。
圖23闡明了采用所選的，不等直徑的壓頭既沖擊工件正面又沖擊其反面來產(chǎn)生一種應(yīng)力波并且在為建立一個(gè)成形孔口例如″鉚釘-孔″，尤其是一個(gè)沉頭鉚釘-孔而預(yù)選的位置處在工件的兩面中形成凹坑的工序。
圖24是利用我改進(jìn)的應(yīng)力波方法通過采用不同形狀和不等尺寸的壓頭既沖擊工件正面又沖擊其反面來產(chǎn)生一種應(yīng)力波并且在為建立一個(gè)孔口例如一個(gè)刻槽的″沉頭鉚釘-孔″而預(yù)選的位置處在工件的兩面中形成凹坑的預(yù)備工序的側(cè)視圖。
圖25是一個(gè)局部橫截面圖，闡明了利用我改進(jìn)的應(yīng)力波方法通過采用不同形狀和不等尺寸的壓頭既沖擊工件正面又沖擊其反面的預(yù)備工序，并且利用在每個(gè)壓頭的中心接收縫中接收的導(dǎo)向工具來確定該壓頭的中心。
圖26是一個(gè)局部橫截面圖，闡明了利用我改進(jìn)的應(yīng)力波方法通過采用相同形狀和尺寸的壓頭既沖擊工件正面又沖擊其反面的預(yù)備工序，并且利用在每個(gè)壓頭的中心接收縫中接收的導(dǎo)向工具來確定該壓頭的中心。
圖27是一橫截面圖，顯示了利用我改進(jìn)應(yīng)力波方法的再一實(shí)施例，通過采用相同形狀的壓頭和采用在壓頭和工件之間的消耗墊片，既沖擊工件正面又沖擊其反面的預(yù)備工序。
圖28是一橫截面圖，闡明了利用我改進(jìn)的應(yīng)力波方法既沖擊工件正面又沖擊其反面來在預(yù)選的位置處產(chǎn)生凹坑的過程中，在工件的相反側(cè)面把相對的壓頭從它們各自的消耗墊片上相分離的工序。
圖29是一側(cè)視圖，闡明了在一對準(zhǔn)預(yù)選的位置處鉆一對相對準(zhǔn)的工件的預(yù)備工序，其中使用的工件在正反側(cè)面都有凹坑，并且為了在對于第一和第二工件之間搭接處的理想位置產(chǎn)生有益的殘余應(yīng)力，已確定了該凹坑的中心。
圖30是一側(cè)視圖，闡明了在對準(zhǔn)預(yù)選的位置處鉆一對相對準(zhǔn)的工件的預(yù)備工序，其中使用的工件中只有一個(gè)工件是通過我改進(jìn)的提高疲勞壽命的應(yīng)力波方法準(zhǔn)備的，并且為了在對于搭接處有益殘余應(yīng)力的理想位置固定第一和第二工件，已在第二工件的理想位置之上確定了第一工件中凹坑的中心。
圖31是一個(gè)具有一非圓形孔結(jié)構(gòu)的頂視圖，該結(jié)構(gòu)可用我改進(jìn)的應(yīng)力波工藝有利地處理以在與該孔內(nèi)邊緣壁相鄰的理想位置處提供有益的殘余應(yīng)力水平。
圖32是另一具有一非圓形孔結(jié)構(gòu)的頂視圖，該結(jié)構(gòu)可用我改進(jìn)的應(yīng)力波工藝有利地處理以在該結(jié)構(gòu)中理想的位置處提供有益的殘余應(yīng)力水平。
圖33是一對反向、中空、過大壓頭的透視圖，該壓頭可至少沿著其外圓周、以一種處理工件中過大或非圓形孔的最佳方式成形。
圖34是一對中空、過大壓頭的豎直橫截面圖，該壓頭是在為了在一過大或非圓形切口中的理想位置處產(chǎn)生有益的殘余應(yīng)力而在結(jié)構(gòu)上給予一種應(yīng)力波之前，該剖面在位于與工件的正反面相鄰的位置處的工序中的。
圖35是一對中空、過大壓頭的豎直橫截面圖，該壓頭是在對工件的正反側(cè)面沖擊的工序中的，同時(shí)為了在一過大或非圓形切口中的理想位置處產(chǎn)生有益的殘余應(yīng)力而在結(jié)構(gòu)上給予一種應(yīng)力波。
圖36僅是圖34和35中所示結(jié)構(gòu)的豎直橫截面圖，但現(xiàn)在顯示了在利用我的最佳壓頭在結(jié)構(gòu)中給予有益殘余應(yīng)力的位置處，正反面中的凹坑。
圖37是在圖34、35和36中首先顯示的過大結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)在顯示了在切割必要的材料以形成理想尺寸的孔口之后的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)實(shí)際上從正面到反面沿著確定穿過該結(jié)構(gòu)孔口的內(nèi)側(cè)壁的預(yù)選部分都均勻保持著有益的殘余應(yīng)力。
圖38是被一平底圓柱沖頭式壓頭所作用的三個(gè)工件的模塊化分解橫截面圖，詳細(xì)地顯示了該壓頭在該工件中產(chǎn)生的應(yīng)力場。
圖39是如圖38所示，在被一平底圓柱沖頭冷加工之后，三個(gè)工件的模塊化分解橫截面圖，詳細(xì)地顯示了在鉆孔以產(chǎn)生一個(gè)穿過該工件的孔口之后在該工件中存在的應(yīng)力場。
圖40是正反面被一平底圓柱沖頭式壓頭所作用的三個(gè)工件的模塊化分解橫截面圖，詳細(xì)地顯示了該壓頭在該工件中產(chǎn)生的應(yīng)力場。
圖41是如圖38所示，在被一平底圓柱沖頭冷加工之后，三個(gè)工件的模塊化分解橫截面圖，詳細(xì)地顯示了在鉆孔以產(chǎn)生一個(gè)該工件中的孔口之后，在該工件中存在的應(yīng)力場。
圖42是利用壓頭和工件與每個(gè)壓頭之間的一個(gè)消耗墊片體在將應(yīng)力波引到工件的工序之后，三個(gè)工件的模塊化分解橫截面圖，工件組的正反側(cè)面都給予了所需的變形。
圖43是在如圖42所示的利用壓頭和工件與每個(gè)壓頭之間的一個(gè)消耗墊片體工序之后，在工件的預(yù)選位置處鉆一個(gè)孔口的工序之后的三個(gè)工件的模塊化分解橫截面圖，清晰顯示了大體均勻沿工件孔口的內(nèi)邊緣壁分布的理想且有益的殘余應(yīng)力分布。
圖44是相對于一個(gè)結(jié)構(gòu)中的孔(孔口)邊緣徑向的切向應(yīng)力(每平方英寸一千鎊)的圖表，該結(jié)構(gòu)已通過現(xiàn)有技術(shù)平底圓柱錐桿方法進(jìn)行了冷加工。
圖45是相對于一個(gè)結(jié)構(gòu)中的孔(孔口)邊緣徑向的殘余切向應(yīng)力的圖表，該結(jié)構(gòu)已利用我改進(jìn)的應(yīng)力波方法中一個(gè)最佳圓柱壓頭的實(shí)施例進(jìn)行了冷加工。
圖46是相對于一個(gè)結(jié)構(gòu)中的孔(孔口)邊緣徑向的殘余切向應(yīng)力的圖表，與利用2024-T3鋁制造結(jié)構(gòu)的表面和孔口中央-平面殘余切向應(yīng)力相比較，該結(jié)構(gòu)已利用了組合套筒方法來提高疲勞壽命。
圖47是對于由以下?lián)p壞引起的周期的最大凈應(yīng)力循環(huán)半對數(shù)圖表，即(a)由波音公司報(bào)道的未處理的樣品結(jié)果，(b)由波音公司報(bào)道的經(jīng)過冷脹處理的樣品結(jié)果；(c)未處理的屬于在此處理和試驗(yàn)類型的控制樣品；(d)通過在此提及的改進(jìn)應(yīng)力波方法處理的樣品結(jié)構(gòu)的結(jié)果。
圖48闡明了一個(gè)利用緊固件將第一和第二結(jié)構(gòu)零件連接的結(jié)構(gòu)的局部橫截面圖，其中第一和第二結(jié)構(gòu)零件中的每一個(gè)其緊固孔由我改進(jìn)的應(yīng)力波方法來準(zhǔn)備以在結(jié)構(gòu)零件中給予有益的殘余應(yīng)力。
圖49提供了利用一個(gè)沉孔式緊固件將第一和第二結(jié)構(gòu)零件連接的第二結(jié)構(gòu)的局部橫截面圖，其中第一和第二結(jié)構(gòu)零件中的每一個(gè)其緊固孔由我改進(jìn)的應(yīng)力波方法來準(zhǔn)備以在精加工結(jié)構(gòu)零件中提高疲勞壽命。
圖50是顯示了利用我改進(jìn)的應(yīng)力波方法的再一實(shí)施例來沖擊工件單一側(cè)面的預(yù)備工序的橫截面圖，這里顯示了為了在精加工結(jié)構(gòu)中的緊固孔附近提供有益的殘余應(yīng)力，通過利用一個(gè)壓頭和該壓頭與該工件之間的一個(gè)消耗墊片，在工件的反面上加工，當(dāng)然，在該工件的反面也可類似進(jìn)行加工。
說明在我發(fā)明的創(chuàng)新性冷金屬加工工藝中，有效地使用應(yīng)力波，以將有益的殘余應(yīng)力傳給孔和其它零件，它們要受到由疲勞破壞所導(dǎo)致的強(qiáng)度降低。應(yīng)力波方法使用動(dòng)力壓頭產(chǎn)生有益的應(yīng)力，壓頭垂直于工件表面沖擊工件表面。動(dòng)力壓頭以一定的速度和足夠大的力作用在工件上，這種作用會(huì)產(chǎn)生彈性波和塑性波并使它們沿工件傳播。
與現(xiàn)有技術(shù)中的各種方法不同，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過仔細(xì)地控制施加到工件上的壓力的大小和分布，在工件中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力基本上能在截面方向上分層分布，因此沿通過構(gòu)件的一個(gè)孔的側(cè)壁輪廓面能保持一個(gè)基本均勻的殘余切向應(yīng)力。為了理解這種現(xiàn)象，請參照圖1，圖1表示在距離沖頭中心線沿徑向距離處的標(biāo)準(zhǔn)接觸壓力分布σz/Pm，這是針對一個(gè)經(jīng)受變形的構(gòu)件，變形由(a)一個(gè)錐形，(b)一個(gè)球形，和(c)一個(gè)環(huán)形平底沖頭造成的。當(dāng)使用具有圖2所示的一個(gè)環(huán)形平底62的沖頭60時(shí)，只在靠近接合區(qū)域中心處壓力比較均勻，在靠近接觸區(qū)域邊緣的地方壓力按指數(shù)規(guī)律增長，其中會(huì)出現(xiàn)剪切，如圖1中的虛線64所示。因此，當(dāng)壓頭在其整個(gè)表面范圍上均勻地移動(dòng)材料時(shí)，平底圓柱形壓頭在厚的板材上施加大范圍的殘余應(yīng)力時(shí)是有效的。遺憾的是，平底圓柱形壓頭端部的周邊剪切受加工構(gòu)件的表面邊緣，導(dǎo)致工件表面上小范圍的殘余應(yīng)力。結(jié)果，殘余應(yīng)力量的減少(詳細(xì)地見圖38和39，這在后面將要討論)導(dǎo)致使用這種方法加工的構(gòu)件的疲勞壽命降低。
當(dāng)使用一個(gè)如圖3中剖面圖所示的具有球形底部68的沖頭66時(shí)，接觸區(qū)域中部(圖1中基準(zhǔn)線0.00)的壓力增加，接觸壓力朝接觸區(qū)域的邊緣方向成指數(shù)規(guī)律下降，如圖1中的實(shí)線70所示。因此，具有球形端部形狀的壓頭在板材表面提供大范圍的有益應(yīng)力，但缺乏處理厚構(gòu)件的能力，這是由于球形的接觸面積較小。另外，這種球形壓頭的形狀往往會(huì)在工件表面引起大量的擾動(dòng)，為了提供一個(gè)合適的最終產(chǎn)品則要求更加小心。
如果使用一個(gè)如圖4中剖面圖所示的錐形沖頭72時(shí)，由沖頭72施加的壓力在靠近接觸區(qū)域中部的地方非常高，但朝邊緣方向則急速下降，如圖1中的虛線74所示。由于它們往往會(huì)撕破表面并徑向向外移動(dòng)表面，所以在產(chǎn)生所需的殘余應(yīng)力分布時(shí)，這種錐形壓頭不是非常有效。
在構(gòu)件的所需位置產(chǎn)生有益殘余應(yīng)力的方法中，可以測出通過一種優(yōu)化的壓頭工具形狀在工件上得到的凹陷量。這種現(xiàn)象在圖5中以圖表形式示出，它比較距離接觸表面區(qū)域中心線的徑向位置處的凹陷量，其中分別由球形、平底和優(yōu)化的壓頭作用在接觸表面區(qū)域上形成的。通過一個(gè)球形壓頭，例如圖3中所示的壓頭得到的凹陷量如圖5中的線80所示。通過一個(gè)平底圓柱壓頭，例如圖2中所示的壓頭得到的彎曲如圖5中的線82所示。
重要的是，由改進(jìn)的優(yōu)化壓頭產(chǎn)生的壓力分布導(dǎo)致工件中的凹陷，與傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)的平底沖頭相比，在接觸區(qū)域的中部導(dǎo)致更大的凹陷，但在接觸區(qū)域的邊緣，導(dǎo)致較小的凹陷(因此，較少的剪切)，其中優(yōu)化壓頭給接觸表面提供均勻的壓力。參見圖5，虛線84表示我的優(yōu)化壓頭施加在工件上得到的可變凹陷。
圖6是一個(gè)局部橫剖圖，表示此處所給的一個(gè)優(yōu)化的壓頭工具，并示出這種工具的主要形狀參數(shù)。為了討論的目的，在徑向向外的方向上，圖6最好被設(shè)想為一個(gè)圓形壓頭90或具有一定形狀接觸輪廓面92的沖頭的半個(gè)剖面圖，此后將進(jìn)一步討論92。整體半徑是a，在沿接觸輪廓面92徑向向外的任何預(yù)選位置處的實(shí)時(shí)半徑是r。對于初始的屈服(凹陷)，初始的平均接觸壓力PM沿垂直方向Z并在圖6中以向下的箭頭示出，而且該平均接觸壓力是由沿接觸輪廓面92，或一般如下所示在壓頭90的接觸端94中的任意點(diǎn)處的實(shí)時(shí)接觸壓力σz提供的。
在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)優(yōu)選壓頭90的接觸輪廓面92的形狀是由作用在一個(gè)被選工件上的一個(gè)均勻壓力所產(chǎn)生的凹坑的向下凹陷的形狀決定的。通過將由均勻壓力所產(chǎn)生的工件中的預(yù)選深度的凹陷的形狀選作接觸端94的接觸輪廓面92的形狀，可以確定改進(jìn)的壓頭的優(yōu)化形狀。這種凹陷的形狀，或更精確地如圖所示，工具90中的接觸輪廓面92的形狀由如下的橢圓積分公式給出uZ=C(4(1-v2))PMaE0∫x/21-r2a2sin2θdθ]]>其中a=均勻壓力的一個(gè)預(yù)選半徑C=一個(gè)約從1至4變化的常數(shù)，與在所選工件中產(chǎn)生預(yù)選應(yīng)力水平的所選材料中的優(yōu)化深度相關(guān)E=彈性模量PM=接觸壓力分布r=徑向距離
uz=工件的垂直位移v=泊松比由于在接觸面92的中心，即接觸中心，其中r=0的下方，相對于工件的第一表面測量的垂直位移由下述公式給出uz=[2(1-v2)PMa]/E在凹坑的外邊緣(其中r=壓頭的整個(gè)半徑)，相對于工件的第一表面測量的垂直位移由下述公式給出uz=[4(1-v2)PMa]/E總的來說，改進(jìn)壓頭90的最終形狀與平底沖頭有點(diǎn)象，但沿低半徑距離(r/a)點(diǎn)(r/a不超過0.66或稍大)有一個(gè)逐漸傾斜的表面104，而且沿高半徑距離(r/a)點(diǎn)(其中r/a大于0.66或超過0.75左右)有一個(gè)成圓角的邊緣表面106。
一種壓頭90′的另一個(gè)實(shí)施例如圖14所示，其制造稍容易些。在此實(shí)施例中，上面論及的接觸面92被一個(gè)相對平的中部110和一個(gè)或多個(gè)較平的削邊代替。此處，一個(gè)邊112表示在壓頭90′的第一側(cè)114上，兩個(gè)邊116和118表示在壓頭90′的第二側(cè)120上。如所描述的，邊112從平的中部110偏離一個(gè)角度(α)，該角最好在30度到60度的范圍之間。另外，邊116從平的中部110偏離一個(gè)角度(β)，該角最好在0度到15度的范圍之間。在那些需要一個(gè)第二削角的工具中，第二削角(τ)基本上與α相同，即位于30度到60度之間。
在圖15中，還表示出了壓頭90″的又一個(gè)實(shí)施例。取決于構(gòu)成一個(gè)特定構(gòu)件的材料以及必需在工件中提供以被用在這種結(jié)構(gòu)中的有益殘余應(yīng)力的量，在某些情況中，通過使用一種具有一個(gè)圓拱接觸端120的簡單壓頭90″可以得到此處所給的結(jié)果，至少是在相當(dāng)程度上。在這種情況中，發(fā)現(xiàn)接觸端120的形狀可描述為具有一個(gè)半徑為R的曲率，其中半徑R等于或位于2D和8D之間。當(dāng)根據(jù)上面所示的半徑重新描述時(shí)，R一直從(2a)到8(2a)之間，即4a和16a之間R位于3D和5D之間較好，而且R為3.2D最好。
現(xiàn)在看圖7,8和9，表示使用一個(gè)動(dòng)力壓頭130通過與工件132接觸的接觸端131產(chǎn)生應(yīng)力波的過程。圖7表示一個(gè)(此處，上)直徑為2a的預(yù)選壓頭30，該壓頭30設(shè)置在工件132的中心線134上并與其對準(zhǔn)，在工件中要做一個(gè)預(yù)選直徑為AD的孔。在圖8中，表示動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的壓頭130沿參考箭頭138的方向并進(jìn)入工件132的正面140以在工件132中產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波的工序。圖9表示響應(yīng)動(dòng)力壓頭130的沖擊而產(chǎn)生的穿過工件132的應(yīng)力波的一個(gè)模擬圖。對于一個(gè)突然的壓力撞擊，例如通過一個(gè)動(dòng)力壓頭130作用在工件132上，一個(gè)壓力彈性波150沖擊工件，并通過工件的T厚度。該波跟隨有一個(gè)傳播較慢的塑性波152。彈性波以下述速度通過金屬c=(E/ρ)1/2其中c=材料中的聲速ρ=材料密度塑性波前沿的速度較復(fù)雜，大體如下表示c=[s(ε)/ρ)]1/2其中S(ε)=變形模量(彈性或塑性)，等于應(yīng)力變化與應(yīng)變速度變化之比(dσ/dε)。
在改進(jìn)的應(yīng)力波工藝中，應(yīng)該注意通過把壓頭130的接觸端131做成一定形狀，應(yīng)力波通常匯聚在壓頭130撞擊工件132的方向并位于壓頭的接觸端131和工件132的第一表面或正面之間。
現(xiàn)在看圖10和11，表示一種略不相同的方法，其中工件132設(shè)有一個(gè)支承砧座160，以從工件132的第二表面或反面162支承工件132。在圖10中，表示使用改進(jìn)的應(yīng)力波方法用一個(gè)壓頭130在工件上產(chǎn)生凹坑的預(yù)備工序，以備在工件中的一預(yù)定位置處形成一個(gè)孔。圖11表示用壓頭130沖擊工件132一側(cè)的工序，以產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波并在工件132中的一預(yù)定位置處形成一個(gè)凹坑，而在凹坑中需要形成一個(gè)孔，例如一個(gè)“鉚釘孔”。
在圖12和13中，表示一種兩側(cè)法，即使用改進(jìn)的應(yīng)力波方法，該方法用一個(gè)第一壓頭130(1)和一個(gè)第二壓頭130(2)沖擊一個(gè)工件132的正面140和反面162側(cè)，以產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波并在工件的兩側(cè)在預(yù)定的位置處形成凹坑170(見圖18)，該位置處希望形成一個(gè)孔，例如一個(gè)直徑為AD的“鉚釘孔”。分別用壓頭130(1)和壓頭130(2)沖擊一個(gè)工件132的正面140和反面162，以產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波150并在工件132的兩側(cè)在預(yù)定的位置處形成凹坑170，該位置處其形成一個(gè)孔，例如一個(gè)“鉚釘孔”。該技術(shù)的詳細(xì)情況見圖16,17,18和19，其中壓頭130(1)和壓頭130(2)以局部視圖示出。另一種理解該工藝的改進(jìn)之處的方法是看圖17，其中工件132′正被壓頭130(1)和壓頭130(2)沖擊。參考箭頭200,202,204和206表示工件所經(jīng)受的相同撞擊壓力線。應(yīng)該注意，當(dāng)沿壓頭的徑向距離r/a從一側(cè)到一側(cè)測量時(shí)，工件132′在z方向(垂直方向)上不被壓入相同的量，如圖5中所描述過的。換句話說，參考箭頭200從壓頭130(1)到壓頭130(2)的長度比徑向在內(nèi)的參考箭頭202的長，箭頭202也從壓頭130(1)到壓頭130(2)延伸。y方向(一側(cè)到一側(cè))。同樣，參考箭頭206從壓頭130(1)到壓頭130(2)的長度比徑向在內(nèi)的參考箭頭204的長，箭頭204也從壓頭130(1)到壓頭130(2)延伸。因此，在參考箭頭200和202表示的位置處的相等壓力導(dǎo)致工件132′的不均勻變形。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的這種曲線的理想坡度如圖6所描述的。
還參照圖16和17，用于分析儀器的一些參考標(biāo)號還表示在圖38到圖43中?？梢钥闯?，工件132′被隨意地分成三部分132(A)，132(B)和132(C)，如圖中的分隔線U和L所示。在圖38到43中，下面還要進(jìn)一步討論，分隔線用于將工件132′的應(yīng)力分析圖按區(qū)塊分為三層，分別由132(A),132(B)和132(C)表示。
圖18和20分別表示一個(gè)工件132′和132，其中在工件132′的兩側(cè)或在工件132的一側(cè)已經(jīng)形成一個(gè)所需的凹坑170。應(yīng)該注意，如圖17中所示，當(dāng)受壓時(shí)，實(shí)際的凹坑深度DP可能比壓頭130(1)和/或壓頭130(2)縮回后的凹坑深度H稍大一些，這是由于一旦撤去壓頭(們)的變形壓力，工件會(huì)輕微地彈性反彈。
如圖21所示，具有一個(gè)后錐角(λ)的后錐形鉆可以用來有效地去掉工件132或132′中不想要的金屬。用于得到一個(gè)直徑為AD的孔的工作面直徑DD最好比凹坑直徑D(170)大2Q的距離，其中Q代表從一個(gè)凹坑的邊220到鉆孔的邊222的徑向距離。在任何情況中，Q較小，但在某些情況中，可以減小為0。
圖22直到26表示本發(fā)明方法的變型，其可以用來實(shí)現(xiàn)特殊情況中所需要的結(jié)果。首先，在圖22中，提供具有接觸端302的一個(gè)第一壓頭300和具有一個(gè)接觸端306的一個(gè)第二壓頭304，其中接觸端302和接觸端306具有不同的表面面積。圖22表示使用這種不同面積壓頭進(jìn)行的預(yù)備工序，圖23表示在第一壓頭300和第二壓頭304上提供一個(gè)動(dòng)力脈沖以在工件332上形成一個(gè)應(yīng)力波，用以在其中產(chǎn)生一個(gè)凹坑。因此，如圖22所示，使用這種改進(jìn)的應(yīng)力波方法的預(yù)備工序容許用選擇的、不等直徑或非標(biāo)準(zhǔn)形狀的壓頭沖擊一個(gè)工件的正面和反面，以產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波并在工件的兩側(cè)在預(yù)定的位置處形成凹坑，該位置處希望形成一定形狀的孔，例如一個(gè)“鉚釘孔”，或者最好是一個(gè)埋頭鉚釘孔。圖23表示實(shí)際工序，即用選擇的、不等直徑或非標(biāo)準(zhǔn)形狀的壓頭300和306沖擊一個(gè)工件的正面或反面，以產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波并在工件332的兩側(cè)在預(yù)定的位置處形成凹坑，該位置處希望形成一個(gè)孔，例如一個(gè)“鉚釘孔”，或者最好是一個(gè)直徑為AD的埋頭鉚釘孔。
當(dāng)使用切角或埋頭型鉚釘時(shí)，圖24所示的裝備可有效地用來使用這種改進(jìn)的應(yīng)力波方法，以用具有不同形狀和不同尺寸的壓頭370(具有接觸端371)和372沖擊一個(gè)工件362的正面340和反面362，以產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波并在工件362的兩側(cè)在預(yù)定的位置處形成凹坑，該位置處希望形成一個(gè)孔，例如一個(gè)埋頭374邊的“鉚釘孔”。在這種情況中，壓頭372設(shè)有一個(gè)斜切邊376，以在所需的方向上及壓頭372的垂直表面端378施加應(yīng)力。
圖25和26表示一個(gè)定位孔的使用，該孔由工件378中的壁380限定。在圖25中，一個(gè)細(xì)長的定位軸382穿過工件278伸出并被壓頭372′中具有與其相伴的、互補(bǔ)尺寸和形狀的接收室384容納。同樣地，在圖26中，一個(gè)細(xì)長的定位軸382，最好被固定到壓頭370″的末端371″，穿過工件378伸出并被具有與其相伴的、互補(bǔ)尺寸和形狀的接收室384″容納。
圖25和26都是局部橫剖圖，它們表示使用改進(jìn)的應(yīng)力波方法的預(yù)備工序，該方法用不同形狀和不同尺寸的壓頭沖擊工件378的正面390和反面392，而且其中壓頭通過定位導(dǎo)引件被對中，定位導(dǎo)引件裝在至少一個(gè)壓頭中的居中接收槽中。
現(xiàn)在看圖27，表示使用改進(jìn)的應(yīng)力波方法的又一個(gè)實(shí)施例的預(yù)備工序，該方法用于沖擊一個(gè)工件的正面和反面。此處，使用具有相同形狀和尺寸的壓頭430(1)和430(2)。該方法中的變化在于在壓頭430(1)和工件432的正面431之間使用一個(gè)消耗墊片W(1)。同樣，在壓頭430(2)和工件432的反面434之間使用一個(gè)消耗墊片W(2)。每個(gè)消耗墊片具有一個(gè)工件側(cè)WW和一個(gè)壓頭側(cè)WI。工件側(cè)WW撞擊工件，而且當(dāng)墊片擠壓在工件432和一個(gè)壓頭之間時(shí)，片W(1)和/或W(2)輕微變形，從所用壓頭的半徑距離徑向向外一個(gè)小的距離QW把力傳播到工件，該力在各個(gè)壓頭的接觸端462或464的端部之外迅速下降。在墊片W(1)和W(2)的動(dòng)力沖擊的工序之后，在上面論及的方法中，釋放相對的壓頭430(1)和430(2)的工序如圖28所示。此處，一個(gè)橫剖圖表示相對的壓頭在一個(gè)工件432的相對兩側(cè)上從各個(gè)消耗墊片W(1)和W(2)放開的情況，同時(shí)使用改進(jìn)的應(yīng)力波方法沖擊一個(gè)工件432的正面431和反面434以在預(yù)定位置產(chǎn)生凹坑450和454。消耗墊片W(1)和W(2)的材料最好相同或相似于構(gòu)成工件432的材料，但應(yīng)該理解該方法并不局限于此，而且任何能夠提供殘余應(yīng)力均勻分布的材料都可以使用，這在下面將要進(jìn)一步討論。只要工件432上的壓力分布基本上是均勻的，其中假設(shè)要在工件中形成的孔需要筆直的側(cè)壁，但是可以從許多形狀中選擇壓頭430(1)的接觸端462和壓頭430(2)的接觸端464。顯然，應(yīng)該理解實(shí)際的孔邊位置480可以沿壓頭430(1)或430(2)的周邊482徑向在內(nèi)或徑向在外。同樣，限定通過工件432的孔的預(yù)定側(cè)壁可以在以前論及的區(qū)域QW的徑向向內(nèi)(壁480)或在該區(qū)內(nèi)，或在區(qū)域QW的徑向向外(壁480)。側(cè)壁位置的選擇取決于不同的因素，最重要的當(dāng)然是處理過程后、在預(yù)定的側(cè)壁位置處所需有益殘余應(yīng)力量，以及在一個(gè)緊固件802的周邊800處一個(gè)輕微的凹入ID是否是有益的。關(guān)于這一點(diǎn)，參見圖49，其表示一個(gè)緊固件802的周邊800，鄰近處有一個(gè)小的凹入ID。圖49特別有意思，這是由于它給出了一個(gè)示意，即可以根據(jù)此處描述的方法預(yù)備一個(gè)埋頭型外側(cè)壁804，以在構(gòu)件808的主體806內(nèi)提供所需的有益殘余應(yīng)力分布。同樣，可以處理鄰近垂直側(cè)壁814的構(gòu)件812的主體810，以在主體810內(nèi)提供所需的有益的殘余應(yīng)力分布。如圖49所示，通常設(shè)置一個(gè)具有一個(gè)向外突出的頭部842的緊固件840來連接構(gòu)件844和846。在這種結(jié)構(gòu)中，分別由側(cè)壁848和850限定的孔用來容納所述緊固件。在兩個(gè)構(gòu)件844和846中都會(huì)產(chǎn)生有益的殘余應(yīng)力。
盡管一般希望大多數(shù)構(gòu)件基本上會(huì)受益于正反面所給與的提高的抗疲勞性，但在某些情況中，當(dāng)只用改進(jìn)的應(yīng)力波方法處理一側(cè)時(shí)，就會(huì)得到所希望的結(jié)果。構(gòu)件的這種單側(cè)處理法參見圖50。該橫剖圖表示使用改進(jìn)的應(yīng)力波方法的又一個(gè)實(shí)施例的預(yù)備工序，該方法沖擊一個(gè)工件432′的一側(cè)，示出僅對工件正面431′的加工。反面434′可以同樣被加工，通過使用一個(gè)壓頭和一個(gè)位于壓頭和工件432′之間的消耗墊片，為得是在靠近由工件432′加工成的最終構(gòu)件中的緊固件孔處提供有益的殘余應(yīng)力。
圖29和30表示在一個(gè)對準(zhǔn)的預(yù)定位置給一對工件鉆孔的預(yù)備工序。在圖29中，其中一個(gè)具有凹坑502和504的工件500和其中具有凹坑512和514的工件510沿一條中心線對準(zhǔn)，因此通過用預(yù)定直徑DX的鉆516鉆通孔，可以在工件500和510中形成一個(gè)同心孔。同樣，在圖30中，工件500和工件520(其中還沒有產(chǎn)生有益的應(yīng)力分布)沿一條中心線對準(zhǔn)，因此通過鉆516可以形成貫通兩個(gè)工件的同心孔。在圖29和30中，使用至少一個(gè)工件可以形成搭接型接頭，在工件中設(shè)有一個(gè)具有提高的疲勞壽命的緊固件安裝孔，這通過在正面和反面預(yù)備凹坑實(shí)現(xiàn)，而且在其中居中地形成凹坑，為得是相對于最終的緊固件安裝孔在所希望的位置處產(chǎn)生有益的殘余應(yīng)力。
應(yīng)該理解使用改進(jìn)的應(yīng)力波方法可以形成非普通結(jié)構(gòu)的、非圓形的孔，以在靠近孔內(nèi)側(cè)壁的所希望位置處提供有益的殘余應(yīng)力。在圖31和32中，表示兩個(gè)這種構(gòu)件600和602的頂視圖。在構(gòu)件600中，設(shè)置一個(gè)基本上為橢圓形的內(nèi)側(cè)壁604。在構(gòu)件602中，設(shè)置一個(gè)具有圓角606,608,610和612的平行四邊形604形狀的孔。因此，其中具有非圓形孔的構(gòu)件能用改進(jìn)的應(yīng)力波方法有效地處理，以在構(gòu)件中的所希望位置處提供有益的殘余應(yīng)力。
為了在大尺寸的圓形孔或非圓形孔中提供有益的殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)提供如圖33,34和35所示的相對的、中空的、大尺寸壓頭是有用的。這種壓頭630(1)和630(2)能以優(yōu)化的方式至少分別沿壓頭630(1)和630(2)的接觸端662和664的外周邊P加工成一定的形狀，以處理工件632中的大尺寸或非圓形孔。在圖33中，表示這種壓頭630(1)和630(2)的一個(gè)透視圖。在圖34中，表示一對中空的大尺寸壓頭630(1)和630(2)的一個(gè)豎直剖面圖，它們位于鄰近工件632的正面690和反面692的位置處，將要在為了在一個(gè)大尺寸或非圓形切口中的所希望位置處產(chǎn)生有益的殘余應(yīng)力而在工件上施加一個(gè)應(yīng)力波。特別是在圖34中，以及圖35,36和37中，注意虛線700和702表示穿過工件632的一個(gè)內(nèi)孔的壓入尺寸，側(cè)壁704和706基本上沿700和702處表示的線形成。在圖37中，示出一個(gè)端壁708，其可以位于圖33的透視圖中所示的壓頭后部的另一橫截面位置處。注意正面690上的凹坑694和695及反面692上的凹坑696和697從虛線700和702表示的側(cè)壁向內(nèi)(此處對于圓形壓頭，為徑向向內(nèi))設(shè)置，因此，有益的殘余應(yīng)力位于一個(gè)大尺寸或非圓形切口中的希望位置處。
在加工以除去不想要的材料之前的被處理工件632如圖37所示。大尺寸或非圓形切口的處理方法最終表示在圖27中，該圖表示內(nèi)側(cè)壁704,706和708如何在工件632的正面和反面之間延伸而在構(gòu)件中具有有益的殘余應(yīng)力。
現(xiàn)在注意圖38到43，其中對優(yōu)化的應(yīng)力波方法和現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)果進(jìn)行了比較并示出了改進(jìn)之處。圖38表示用一個(gè)平底圓柱形沖頭冷加工之后的作為一組的三個(gè)工件層的一個(gè)按比例的分解橫剖圖。詳細(xì)的顏色代碼表示在圖39中，在側(cè)面有一個(gè)圖注，以磅/每平方英寸表示有益的殘余應(yīng)力，通過鉆孔而在工件中形成一個(gè)孔之后在工件中存在的殘余應(yīng)力場僅給工件提供在正面附近很小的有益殘余應(yīng)力增加，同樣提供在反面附近增加的很小的有益殘余應(yīng)力。但是，這種現(xiàn)有技術(shù)在孔的中間平面處產(chǎn)生顯著的有益殘余應(yīng)力，如圖39所示。遺憾的是，疲勞裂縫會(huì)出現(xiàn)在表面(或在正面或在反面)并蔓延。
相反，采用本發(fā)明的優(yōu)化壓頭并使用所給的方法，通過仔細(xì)地觀察圖40和圖41的結(jié)果，可以清楚地看出，在這三個(gè)工件層的按比例分解橫剖圖中，有益的殘余應(yīng)力基本上在工件的整個(gè)范圍內(nèi)均勻分布，其中用一個(gè)優(yōu)化的壓頭作用在工件的正面和反面。特別是在圖41中，可以看出，在通過鉆孔而在工件中形成一個(gè)孔后，工件提供一個(gè)均勻的有益殘余應(yīng)力分布。
如圖42和43所示，在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，表示在使用相對的壓頭及位于工件和每個(gè)壓頭之間的一個(gè)消耗墊片將應(yīng)力波輸入工件的工序之后的三個(gè)工件層的分解橫剖圖。所希望的變形被施加到工件的正面和反面中。
顯然，圖43表示三個(gè)工件的一個(gè)按比例分解的橫剖圖，其處于在一個(gè)工件的預(yù)定位置處鉆孔的工序之后，并在圖42所示的使用壓頭及工件和每個(gè)壓頭之間的消耗墊片的工序之后，并清楚地示出沿工件中孔的內(nèi)側(cè)壁基本上均勻分布的所希望的有益殘余應(yīng)力。因此，可以清楚地看出在側(cè)壁實(shí)現(xiàn)了有益殘余應(yīng)力的均勻分布。
通過比較圖44和圖45可以進(jìn)一步證實(shí)上述發(fā)現(xiàn)。在圖44中，表示切向應(yīng)力(每平方英寸千磅)與距離構(gòu)件中的一個(gè)孔(口)邊的徑向距離之間的關(guān)系，其中用現(xiàn)有技術(shù)的平底圓柱錐桿方法對構(gòu)件進(jìn)行了冷加工。顯然，在離正面或反面孔邊的一定距離處，應(yīng)力間存在大的偏差。但是，用本發(fā)明的改進(jìn)應(yīng)力波方法并使用優(yōu)化的圓柱形壓頭，在表面和中間區(qū)域，有益殘余應(yīng)力變得相當(dāng)接近。
實(shí)際上，改進(jìn)的方法提供了至少和組合套筒法一樣好的有益殘余應(yīng)力，如圖46所示。在此圖中，表示構(gòu)件中的切向應(yīng)力與距離一個(gè)孔(洞)邊的徑向距離之間的關(guān)系，該構(gòu)件使用提高疲勞壽命的組合套筒法，并與用2024-T3型鋁制造的一個(gè)構(gòu)件的表面及孔的中間平面處的殘余切向應(yīng)力進(jìn)行比較。
重要的是，當(dāng)直接進(jìn)行疲勞壽命的比較時(shí)，如圖47中所示，使用本發(fā)明方法處理的構(gòu)件顯然提高了疲勞壽命。圖47是一個(gè)最大凈應(yīng)力對破壞循環(huán)的半對數(shù)圖，針對(a)由波音公司報(bào)告的未處理試樣結(jié)果，(b)由波音公司報(bào)告的部分冷脹處理的試樣結(jié)果；(c)具有此處處理和實(shí)驗(yàn)類型的未處理控制試樣及(d)用本發(fā)明的改進(jìn)應(yīng)力波方法處理構(gòu)件的試樣結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明所處理的試樣疲勞壽命在400,000到循環(huán)4,000,000之間，或多或少取決于施加的負(fù)載，并稍超過工業(yè)上最常采用的方法之一即冷脹法的預(yù)期壽命。
應(yīng)該注意，本發(fā)明可以和任何簡便的裝置一起使用，這種結(jié)果促使具有足夠力的壓頭在工件中有效地產(chǎn)生必需的應(yīng)力波。在這方面，為了實(shí)現(xiàn)所述結(jié)果并實(shí)施本發(fā)明的改進(jìn)應(yīng)力波方法，機(jī)電沖擊型裝置，例如上面提及的Zieve專利中披露的，或在提及的其它專利中披露或在現(xiàn)有技術(shù)中以其它方式公開的，可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員有效地應(yīng)用。
可以理解，本發(fā)明的用于冷加工工件以減少工件的疲勞強(qiáng)度降低的應(yīng)力波方法是對現(xiàn)有技術(shù)中涉及疲勞問題的冷加工金屬工件方法的一個(gè)重大改進(jìn)。這種應(yīng)力波方法從一個(gè)新的觀點(diǎn)處理冷加工工藝，最好通過加工之前整體處理孔。通過消除擴(kuò)延錐桿、套筒和潤滑劑，該應(yīng)力波方法改進(jìn)了目前使用的處理方法。
在我的改進(jìn)應(yīng)力波方法中，殘余應(yīng)力大小和深度的控制是由應(yīng)力波的特性決定的，而不是由加工公差決定的。顯然，應(yīng)力波方法易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化并能被用于任何自動(dòng)固定的環(huán)境。應(yīng)力波方法還消除了通過錐桿方法進(jìn)行膨脹的過程中所引起的孔周圍的扭曲和撕裂。盡管只詳細(xì)地描述了本發(fā)明的一些實(shí)施例，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，顯然可以對我的新穎應(yīng)力波冷加工工藝及完成這種工藝的裝置進(jìn)行變型，并以其它具體的形式實(shí)施。因此，總之此處所給的實(shí)施例是示例性的而且沒有任何限制。就這點(diǎn)而論，權(quán)利要求旨在覆蓋此處所述的結(jié)構(gòu)，并且不僅是結(jié)構(gòu)的等效物，而且是等效的結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明的范圍旨在包括此處所示的所有變型，不論是否在說明書中或附圖中，包括用以描述這些變型的語言的廣泛含義及適當(dāng)范圍。
因此可以看出，前述目的，包括那些可以從前述說明中明顯看出的目的被有效地實(shí)現(xiàn)了。由于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施金屬加工的方法時(shí)會(huì)有一定的變化，所以可以理解在不偏離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的范圍時(shí)，可以以其它的具體形式實(shí)施。許多其它的實(shí)施例也能得到利用上面披露的原理所得到的優(yōu)點(diǎn)。因此，可以理解本發(fā)明的前述代表性實(shí)施例的描述只是為了說明及理解本發(fā)明，并不旨在具有排斥性或限制性，或者將發(fā)明限定到所披露的具體形式上。
除了一些特征相互排斥的哪些組合，本說明書所披露的所有特征(包括任何所附的權(quán)利要求，附圖及摘要)可以任意組合。除非特別注明的，本說明書所披露的每個(gè)特征(包括任何所附的權(quán)利要求，附圖及摘要)可以被具有相同或相似目的的其它特征替換。因此，除非特別注明的，每個(gè)被披露的特征是具有一系列相同或類似特征的一個(gè)實(shí)例。另外，當(dāng)為了使讀者使用所述的某些實(shí)施例而描述某些材料時(shí)，這些建議并不將權(quán)利要求限定到所披露的材料中，而且可以理解，其它的材料，包括其它金屬和各種組合物可以采用我的方法，并用于制造本發(fā)明的新穎構(gòu)件。
所附權(quán)利要求旨在覆蓋本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變型、等效物及替換物。因此，權(quán)利要求旨在覆蓋此處所述的結(jié)構(gòu)、裝置和方法，不僅包括其等效物或結(jié)構(gòu)上的等效物，而且包括等效結(jié)構(gòu)或方法。如此處及所附權(quán)利要求所述，本發(fā)明的范圍旨在包括根據(jù)所提供的實(shí)施例進(jìn)行的各種變型，其中實(shí)施例被廣義及適當(dāng)范圍的權(quán)利要求語言描述，并根據(jù)此處包含的術(shù)語或其等效物進(jìn)行解釋。
權(quán)利要求
1．一種用于加工一個(gè)構(gòu)件以提高所述構(gòu)件在選定位置處的疲勞壽命的工具，所述構(gòu)件包括一個(gè)第一表面，一個(gè)第二表面及一個(gè)位于它們之間的主體，所述主體適于在其中形成一個(gè)孔，該孔具有至少一個(gè)在所述第一表面和所述第二表面之間延伸的側(cè)壁，所述工具包括一個(gè)第一壓頭，所述第一壓頭包括一個(gè)接觸端，用于接合并使所述構(gòu)件的所述第一表面變形，以在所述構(gòu)件的所述主體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)殘余應(yīng)力分布，其特征在于所述第一壓頭的所述接觸端的表面形狀基本上與下述形狀相符，這種形狀將通過所述接觸端和所述第一表面之間的一個(gè)接觸區(qū)域，通過在所述構(gòu)件的所述第一表面形成一個(gè)均勻的壓力分布而在所述構(gòu)件的所述第一表面產(chǎn)生一個(gè)凹坑而形成。
2．如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于還包括一個(gè)第二壓頭，所述第二壓頭包括一個(gè)接觸端，用于接合并使所述構(gòu)件的所述第二表面變形，以在所述構(gòu)件的所述主體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)殘余應(yīng)力分布，其中，所述第二壓頭的所述接觸端的表面形狀基本上與下述形狀相符，這種形狀將通過所述接觸端和所述第二表面之間的一個(gè)接觸區(qū)域，通過在所述構(gòu)件的所述第二表面形成一個(gè)均勻的壓力分布而在所述構(gòu)件的所述第二表面產(chǎn)生一個(gè)凹坑而形成。
3．如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述第一壓頭包括一個(gè)，因此沿所述構(gòu)件中的所述孔的所述至少一個(gè)側(cè)壁的所述殘余應(yīng)力分布基本上是均勻的。
4．如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述第一壓頭是中空的。
5．如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述第一壓頭是實(shí)心的的。
6．如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述接觸端是光滑彎曲的。
7．如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述接觸端包括至少一個(gè)斜邊。
8．如權(quán)利要求7所述的工具，其特征在于所述壓頭的所述接觸端包括至少兩個(gè)斜邊。
9．如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的工具，還包括至少一個(gè)消耗件，所述消耗件有一定的尺寸和形狀，以插在所述壓頭和所述第一工件之間。
10．如權(quán)利要求2所述的工具，其特征在于所述第一壓頭和所述第二壓頭具有不等的橫截面。
11．一種加工一個(gè)構(gòu)件以提高所述構(gòu)件在選定位置處的疲勞壽命的方法，所述構(gòu)件包括一個(gè)第一表面，一個(gè)第二表面及一個(gè)位于它們之間的主體，所述主體適于在其中形成一個(gè)孔，該孔具有至少一個(gè)在所述第一表面和所述第二表面之間延伸的側(cè)壁，所述方法包括提供一個(gè)第一壓頭，所述第一壓頭包括一個(gè)接觸端，用于接合并使所述構(gòu)件的所述第一表面變形，以在所述構(gòu)件的所述主體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)殘余應(yīng)力分布，其中所述第一壓頭的所述接觸端的表面形狀基本上與下述形狀相符，這種形狀將通過所述接觸端和所述第一表面之間的一個(gè)接觸區(qū)域，通過在所述構(gòu)件的所述第一表面形成一個(gè)均勻的壓力分布而在所述構(gòu)件的所述第一表面產(chǎn)生一個(gè)凹坑而形成，用足夠的力使所述第一壓頭接合所述工件而在所述工件中產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波，以便在所述工件中引起一個(gè)凹坑形式的變形，將所述第一壓頭從所述工件脫開，加工所述工件以形成一個(gè)預(yù)定尺寸和形狀的孔，從而沿所述孔的側(cè)壁提供基本均勻的殘余應(yīng)力，以提高所述工件的疲勞壽命。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括提供一個(gè)第二壓頭，所述第二壓頭包括一個(gè)接觸端，用于接合并使所述構(gòu)件的所述第二表面變形，以在所述構(gòu)件的所述主體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)殘余應(yīng)力分布，其中所述第二壓頭的所述接觸端的表面形狀基本上與下述形狀相符，這種形狀將通過所述接觸端和所述第二表面之間的一個(gè)接觸區(qū)域，通過在所述構(gòu)件的所述第二表面形成一個(gè)均勻的壓力分布而在所述構(gòu)件的所述第二表面上產(chǎn)生一個(gè)凹坑而形成，使所述第二壓頭接合所述工件，以在所述工件中引起一個(gè)凹坑形式的變形，將所述第二壓頭從所述工件脫開。
13．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述第一壓頭包括一定形狀的外形，使沿所述構(gòu)件中的所述孔的所述至少一個(gè)側(cè)壁的所述殘余應(yīng)力分布基本上是均勻的。
14．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述第一壓頭是中空的。
15．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述第一壓頭是實(shí)心的的。
16．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述接觸端是光滑彎曲的。
17．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述接觸端包括至少一個(gè)斜邊。
18．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述壓頭的所述接觸端包括至少兩個(gè)斜邊。
19．如權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的方法，還包括至少一個(gè)消耗件，所述消耗件有一定的尺寸和形狀，以插在所述壓頭和所述第一工件之間。
20．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述第一壓頭和所述第二壓頭具有不等的橫截面。
全文摘要
一種工具及采用工具(90,130)在一個(gè)基板(132)中產(chǎn)生有益殘余應(yīng)力以提供結(jié)構(gòu)高疲勞壽命的方法。提供應(yīng)力波(159,152)以加工一個(gè)基板,沿工件中的一個(gè)均勻壓力分布在工件中形成一個(gè)凹坑(170)。使用該方法,在一個(gè)工件中的孔的表面和中間面產(chǎn)生均勻的有益殘余應(yīng)力,以提高整體疲勞壽命。描述了一種改進(jìn)的工件形狀(92),其具有一個(gè)平滑的曲面,而不是一個(gè)平底沖頭。另外,使用一個(gè)消耗墊片(W)提供了附加的均勻有益應(yīng)力分布。
文檔編號B21J5/00GK1300245SQ99804121
公開日2001年6月20日 申請日期1999年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月17日
發(fā)明者埃里克·T·伊斯特布魯克 申請人:應(yīng)力波公司