开缝衬套成型及对金属孔冷挤压效果研究
摘要
基于开缝衬套的冷挤压强化技术是指将带有开缝的衬套放入紧固孔内，将芯棒过
盈的从孔中穿过，使孔内壁材料发生一定塑性变形，产生一定的残余压应力，起到强
化紧固孔的作用。本文采用数值仿真和实验相结合的方法，对开缝衬套制备工艺进行
了改良，在不同条件下对基于开缝衬套冷挤压的金属孔强化效果进行了研究。
本文通过数值仿真发现带有成型缺陷的开缝衬套不仅会在紧固孔附近产生残余拉
应力降低疲劳强度，而且会破坏紧固孔的结构，造成破坏性影响。因此，针对开缝衬
套制备工艺进行了优化，将成型阶段分为带材预弯和卷曲成型两个步骤。对带材预弯
回弹阶段中板材厚度、预弯半径、摩擦系数和压边力设计正交实验，方差分析结果表
明板材厚度和预弯半径是影响带材预弯回弹的主要因素。研究发现当预弯半径与成型
半径一致时，开缝衬套制备效果较好，对开缝衬套的制备具有较好的适应性。
通过数值仿真研究了初孔直径为7.312mm，相对挤压量固定时，衬套厚度与芯
棒直径的配合关系。对受挤压孔残余应力分布和挤压量的分析表明，衬套厚度在
0.31mm~0.36mm时，基于开缝衬套的冷挤压效果的稳定性和残余应力分布的均匀性
较好。在此基础上，选取开缝衬套厚度为0.31mm，通过改良工艺进行衬套制备和金
属孔冷挤压强化实验，对比发现孔周残余应力分布与仿真结果较为吻合，通过疲劳实
验发现紧固孔在应用开缝衬套冷挤压技术之后，疲劳寿命提升5倍左右。
对不同孔边距和孔间距的开缝衬套冷挤压强化效果展开研究。在较小孔边距时，
仿真分析结果表明开缝衬套朝向孔边缘时，孔内无凸脊的产生，孔成椭圆形，对孔的
结构影响较大；当孔边距大于1.75D时，孔周受挤压后位移均匀，对冷挤压效果影响
较小。在确定开孔朝向和孔边距的基础上，通过数值仿真中数据传递的方法，对相邻
孔的不同孔间距做了研究。提取其过渡区域切向残余应力发现，孔间距较小时，在第
一次冷挤压孔的过渡区边缘出现正应力。当孔间距大于3D时，相邻孔的开缝衬套冷
挤压效果已无明显影响。对孔间距为1.5D时，在相邻孔内添加刚性填充块，冷挤压
效果得到明显改善。通过疲劳分析软件，基于Gerber疲劳寿命曲线进行疲劳寿命分
析，孔间距为1.5D时，冷挤压之后的疲劳寿命有所下降，增加刚性填充块之后疲劳
寿命提升3.5倍左右；孔间距为3D时，疲劳寿命提升5倍左右。
关键字：冷挤压强化；开缝衬套；制备工艺；疲劳试验；数值仿真
开缝衬套成型及对金属孔冷挤压效果研究
Abstract
Thecoldextrusionstrengtheningtechnologybasedonopen-slitbushingsrefersto
puttingthebushingswithopenslitsintothefasteningholesandpassingthemandrel
throughtheholeswithoverfilling,whichcausesacertainplasticdeformationofthematerial
insidetheholewallsandgeneratesacertainresidualcompressivestresstostrengthenthe
fasteningholes.Inthispaper,acombinationofnumericalsimulationsandexperimentsis
usedtoimprovethepreparationprocessofopen-slitbushingsandtostudytheeffectof
strengtheningmetalholesbasedoncoldextrusionofopen-slitbushingsunderdifferent