專利名稱：金屬材料部件和復(fù)合材料部件間的組裝方法
金屬材料部件和復(fù)合材料部件間的組裝方法本發(fā)明涉及金屬材料部件(例如，金屬支座)和復(fù)合材料部件(例如，夾層結(jié)構(gòu) 板)間的組裝方法。一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可應(yīng)用于需要組裝至少一個(gè)金屬材料部件與復(fù)合材料部件的情 況，尤其針對(duì)要承受相當(dāng)多的機(jī)械應(yīng)力的組裝。更特別地，本發(fā)明可應(yīng)用于組裝方法可能影 響航空結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和安全性的航空領(lǐng)域。本發(fā)明還可應(yīng)用于陸上車輛的領(lǐng)域，以組裝 用于形成輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的部件。在后續(xù)說(shuō)明中，“金屬材料部件”和“復(fù)合材料部件”被分別表述為“金屬部件”和
“復(fù)合部件”。已知可使用擴(kuò)大鏜孔以及干涉安裝固件的方法來(lái)增加兩個(gè)金屬部件間的組件的 疲勞壽命。這些擴(kuò)孔和干涉方法導(dǎo)致在鏜孔表面處以及在鏤空周圍在部件中的殘余壓應(yīng) 力。這些應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生如下效果在緊挨著鏜孔的鏜孔周圍減緩疲勞裂紋的觸發(fā)和擴(kuò)展。從 而增加了疲勞壽命。圖IA示出了被稱為“干涉安裝”的一種已知方法，該方法用于兩個(gè)金屬部件la、lb 間的組裝。該方法在于在這兩個(gè)金屬部件中實(shí)現(xiàn)孔眼4，孔眼的直徑Dm小于固件直徑D_ #(固件直徑D 是固件桿的直徑)。在固定孔眼中插入固件3時(shí)在孔眼周圍直接產(chǎn)生壓 應(yīng)力。圖IB示意性地示出了被稱為“擴(kuò)孔方法”的一種已知方法的另一示例，該方法用 于在金屬部件Ia與第二金屬部件Ib的組裝中在固定孔眼4周圍局部地產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。 使用擴(kuò)孔工具7。該方法包括如下步驟-通過(guò)傳統(tǒng)的鏜孔工具在兩個(gè)金屬部件中實(shí)現(xiàn)固定孔眼，選擇孔眼的直徑以使其 適合于擴(kuò)孔工具7的直徑，即孔眼的直徑Dws必須略小于擴(kuò)孔工具的直徑；-然后，使被稱為“拋光器”的擴(kuò)孔工具7穿過(guò)在前一步驟中實(shí)現(xiàn)的孔眼，該工具包 括橄欖形的擴(kuò)孔頭701，該擴(kuò)孔頭701具有大于固定孔眼的直徑Dar的直徑Di^,在擴(kuò)孔工 具7穿過(guò)孔眼時(shí)將在孔眼的內(nèi)壁上施加徑向作用，因此在孔眼周圍在兩個(gè)部件中產(chǎn)生殘余 壓應(yīng)力，以及最后-對(duì)固定孔眼再鏜孔以使孔眼直徑適合于固件桿的直徑，然后安裝該固件用于保 持兩部件的組裝。現(xiàn)有的兩種方法允許產(chǎn)生應(yīng)力以便增加在工作區(qū)域處的疲勞壽命，由于裂紋起源 于荷載區(qū)域中，因此這種應(yīng)力至關(guān)重要。在金屬部件和復(fù)合部件間的組裝范疇內(nèi)，不能再應(yīng)用存在嚴(yán)重?fù)p壞復(fù)合部件的風(fēng) 險(xiǎn)的如上所述的方法。復(fù)合材料部件在抗機(jī)械疲勞方面表現(xiàn)出優(yōu)良的特性，并且具有很強(qiáng)的剛性，同時(shí) 賦予結(jié)構(gòu)相當(dāng)小的質(zhì)量。這種部件尤其應(yīng)用在航空工業(yè)中(在航空工業(yè)中，這種部件被包 含在高強(qiáng)度荷載的結(jié)構(gòu)中)。然而，相比于金屬部件的情況，這種復(fù)合部件的組裝帶來(lái)了特 別的問(wèn)題。實(shí)際上，復(fù)合部件由通過(guò)浸漬樹(shù)脂的纖維(例如，浸漬環(huán)氧樹(shù)脂的碳纖維)的層疊而獲得的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。這種復(fù)合部件在纖維層的平面上具有有利的結(jié)構(gòu)特性，但在垂直于這 些平面的方向上(也就是說(shuō)，在部件厚度的方向上，使用該方向來(lái)放置固件)易于受起鱗現(xiàn) 象的影響。由固定裝置施加的壓迫作用可能在孔眼處造成起鱗現(xiàn)象。按照用來(lái)避免起鱗現(xiàn)象 的一般方式，必須使得在固定區(qū)域處(即在固定孔眼的內(nèi)壁和固定構(gòu)件之間的界面處)產(chǎn) 生的應(yīng)力最小化。為此，與將金屬部件與另一金屬部件組裝的情況相反，通常實(shí)現(xiàn)直徑略 大于固件直徑的固定孔眼，以便在孔眼內(nèi)壁和固件的外表面之間留出足夠的間隙以避免干 涉。在航空結(jié)構(gòu)中，金屬部件和復(fù)合部件的共存導(dǎo)致經(jīng)常要對(duì)金屬部件與復(fù)合部件進(jìn) 行組裝。這可能涉及到不同結(jié)構(gòu)的兩塊板之間的接合、或者涉及到局部加固，例如復(fù)合板上 的金屬加強(qiáng)肋或加固件。在這樣的組裝中，或者選擇在孔眼壁和固件之間包含間隙的組裝，因此這種安裝 在疲勞壽命上對(duì)于金屬部件不利；或者選擇利用干涉的組裝，而這種安裝存在損壞復(fù)合部 件的風(fēng)險(xiǎn)。一種解決方案在于，在金屬部件中以及在復(fù)合部件(這兩個(gè)部件是分開(kāi)的)中獨(dú) 立地實(shí)現(xiàn)用于固定的孔眼，然后在沒(méi)有復(fù)合部件的情況下在金屬部件中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力， 然后在第二時(shí)段中將復(fù)合部件對(duì)著金屬部件放置以進(jìn)行組裝。該解決方案并不令人滿意， 實(shí)際上，在這種情況下，必須預(yù)先精確地確定孔眼的位置從而在組裝時(shí)將孔眼對(duì)準(zhǔn)以使固 件穿過(guò)。這種對(duì)準(zhǔn)在工業(yè)上是不可實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)未公開(kāi)的在先申請(qǐng)中提出另一種解決方案，該方案在于在金屬部件中和在復(fù) 合部件中實(shí)現(xiàn)固定孔眼，然后在復(fù)合部件一側(cè)的孔眼中進(jìn)行新的鏜孔，以便獲得比擴(kuò)孔工 具的直徑大的內(nèi)徑。因此，在固定孔眼中存在兩個(gè)內(nèi)徑使得能夠只在金屬部件中產(chǎn)生殘余 壓應(yīng)力。但是，該解決方案必須具有在復(fù)合部件側(cè)的入口，甚至每側(cè)都必須具有入口。因此，本發(fā)明的目的在于，尋求在不對(duì)金屬部件的疲勞壽命造成損失并且不損害 復(fù)合部件的情況下借助于固件來(lái)解決金屬部件和復(fù)合部件間的組裝問(wèn)題。本發(fā)明的另一目的是能夠提出一種即便在只有金屬部件側(cè)的一個(gè)入口的情況下 也能夠應(yīng)用的解決方案。為此，本發(fā)明旨在一種金屬材料部件和復(fù)合材料部件間的組裝方法，所述部件間 的組裝是借助于固定構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明，該方法包括如下步驟，其中-在兩個(gè)部件中進(jìn)行預(yù)鉆孔，以便在金屬材料部件中和在復(fù)合材料部件中形成具 有直徑Dl的鏤空，-在所述鏤空中在部件的厚度的方向上放置直徑可變的插入件，所述插入件包括 空心主體和至少一個(gè)凸緣，該凸緣至少有一部分緊貼部件的外表面，所述插入件用于接納 固定構(gòu)件，-通過(guò)利用外徑與插入件的內(nèi)徑匹配的擴(kuò)孔工具進(jìn)行的徑向擴(kuò)孔，在插入件的內(nèi) 壁上沿著插入件的周緣在兩個(gè)部件的至少一個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，_對(duì)插入件的主體的鏤空再鏜孔，使得插入件的最終內(nèi)徑D最終明顯大于固定構(gòu)
4件的外徑，以在插入件的內(nèi)壁和固定構(gòu)件的外表面之間留出間隙，以及-將固定構(gòu)件置入插入件中，以將金屬部件和復(fù)合部件保持為一體。本發(fā)明還涉及使用如上所述的用于實(shí)現(xiàn)將復(fù)合材料部件(例如夾層結(jié)構(gòu)板)固定 在金屬材料部件(例如板的支座)上的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)。通過(guò)閱讀隨后的描述并參照附圖
將更好地理解本發(fā)明。這些附圖是作為示例給出 的，而絕非限制本發(fā)明。這些附圖表示-圖IA是實(shí)施根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的干涉安裝方法的兩個(gè)金屬部件間的組件的截面圖；-圖IB是實(shí)施根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的另一方法的兩個(gè)金屬部件間的組件的截面圖；-圖2A、圖2B、圖2C、圖2D和圖2E示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的金屬部件和復(fù) 合部件間的組裝方法的各個(gè)步驟；-圖3A、圖3B、圖3C、圖3D示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的金屬部件和復(fù)合部件 間的組裝方法的各個(gè)步驟。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的方法可應(yīng)用于金屬部件1和復(fù)合部件2間的組裝，金屬部 件1和復(fù)合部件2是兩個(gè)分開(kāi)的部件并且通過(guò)固定構(gòu)件(該固定構(gòu)件被放置在在所述部件 中實(shí)現(xiàn)的鏜孔中)來(lái)保持這個(gè)兩個(gè)部件對(duì)置。本發(fā)明的主要設(shè)想是能夠在金屬部件和復(fù)合部件間的組裝之前先通過(guò)擴(kuò)孔方法 在鏜孔周圍在金屬部件中產(chǎn)生應(yīng)力而不損害復(fù)合部件。應(yīng)力的存在使得能夠增加金屬部件 中的疲勞壽命并減緩裂紋的擴(kuò)展。為此，必須在沒(méi)有與復(fù)合部件的干涉的情況下實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔方法的步驟，以避免在復(fù) 合部件內(nèi)部產(chǎn)生會(huì)損害復(fù)合部件的應(yīng)力。此外，即便在只有金屬部件側(cè)的一個(gè)入口的情況下也應(yīng)該能夠?qū)嵤┰摂U(kuò)孔方法。圖2A、圖2B、圖2C、圖2D和圖2E中示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的擴(kuò)孔方法的 各個(gè)步驟，所述第一實(shí)施方式針對(duì)通過(guò)固定構(gòu)件11的金屬部件1和復(fù)合部件2間的組裝。 固定構(gòu)件11是由鋼或者鈦制成的螺栓。作為示例，金屬部件1可以用鋁合金來(lái)制造，而復(fù)合部件2可以用包括由樹(shù)脂固定 的纖維(例如碳纖維)的復(fù)合材料來(lái)制造。作為示例，金屬材料部件1是金屬支座，而復(fù)合材料部件2是夾層結(jié)構(gòu)板。在兩個(gè)部件1、2中進(jìn)行預(yù)鉆孔以便在金屬材料部件1和復(fù)合材料部件2中形成具 有直徑Dl的鏤空6 (圖2A)。通過(guò)傳統(tǒng)的鏜孔工具5實(shí)現(xiàn)該預(yù)鉆孔。然后，將直徑可變的插入件9在部件厚度的方向上放入該鏤空6中(圖2B)。插入 件包括用于使固定構(gòu)件11穿過(guò)的空心主體12和與兩個(gè)部件中的一個(gè)的外表面101緊貼的 凸緣10。在圖2B中示出的示例中，凸緣緊貼金屬部件1的外表面。優(yōu)選地，可以在凸緣和 金屬部件的外表面之間布置粘合層，以確保插入件在鏤空中的固定。在本發(fā)明的變型中，在組件的每一側(cè)均具有入口，插入件可以在空心主體的兩端 均包含緊貼部件外表面的凸緣。該插入件的功能在于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔工具和兩個(gè)部件的對(duì)接。在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，當(dāng)插入件被放置在所述鏤空6中時(shí)，該插入件9包含 下部和上部，下部具有對(duì)應(yīng)于復(fù)合材料部件2的內(nèi)徑D2，上部具有對(duì)應(yīng)于金屬材料部件1的 內(nèi)徑D3。插入件的下部的內(nèi)徑D2介于鏤空的直徑Dl和插入件的上部的內(nèi)徑D3之間。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式，插入擴(kuò)孔工具7，擴(kuò)孔工具7的擴(kuò)孔直徑D4大于插入 件的內(nèi)徑D2和D3(圖2C)。因此，當(dāng)將擴(kuò)孔工具7插入到插入件的空心主體12中時(shí)，該工 具對(duì)插入件內(nèi)壁在整體上施加徑向作用，從而在插入件周圍在金屬部件中和在復(fù)合部件中 同時(shí)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。由于直徑D2很輕微地小于直徑D4，因此，金屬部件中的擴(kuò)孔率高于 復(fù)合部件中的擴(kuò)孔率。因此，通過(guò)直徑在部件厚度方向上變化的插入件，能夠控制擴(kuò)孔方法，尤其是能夠 優(yōu)先考慮金屬部件中的擴(kuò)孔率，以改善疲勞壽命同時(shí)防止復(fù)合部件可能的起鱗。在兩個(gè)部件間的組裝之前先在兩個(gè)部件中實(shí)現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，這使得能夠在金屬部 件中實(shí)現(xiàn)直徑大于固定構(gòu)件的直徑的鉆孔，以便能與制造公差兼容并且在可能的情況下允 許部件的互換性。在最終步驟(圖2D和圖2E)中，對(duì)插入件的主體12的鏤空再鏜孔，以使插入件的 最終內(nèi)徑D最終明顯大于固定構(gòu)件11的外徑，以在插入件的內(nèi)壁和固定構(gòu)件的外表面之間 留出間隙，并且將固定構(gòu)件11放置在插入件中以將金屬部件和復(fù)合部件保持為一體以實(shí) 現(xiàn)組裝。插入件9為金屬材料制成的整體部件，其彈性模量和塑性屈服應(yīng)力大于組件的金 屬部件的彈性模量和塑性屈服應(yīng)力。優(yōu)選地，插入件9由鋼、鈦或因瓦合金制成。擴(kuò)孔工具7包括管狀主體702和擴(kuò)孔頭701，管狀主體702的外徑D5小于插入件 的內(nèi)徑D2和D3，并且在該實(shí)施方式中擴(kuò)孔頭701的外徑D4同時(shí)大于插入件的內(nèi)徑D3和直 徑D4。圖3A、圖3B、圖3C和圖3D示出本發(fā)明的第二實(shí)施方式，其中，為了在復(fù)合部件中 避免所有起鱗的風(fēng)險(xiǎn)，本發(fā)明的方法使得能夠不對(duì)復(fù)合部件擴(kuò)孔而僅對(duì)金屬部件擴(kuò)孔，也 就是說(shuō)，只在插入件周圍在金屬部件中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。為此，使用具有擴(kuò)孔直徑D4的擴(kuò)孔工具7，擴(kuò)孔直徑D4既大于內(nèi)徑D3而又小于內(nèi) 徑D2。因此，當(dāng)該工具穿過(guò)插入件11的空心主體時(shí)，其僅對(duì)插入件內(nèi)壁的與金屬材料部件 1對(duì)應(yīng)的上部施加徑向作用，從而僅在金屬材料部件中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力?；诮饘俨考?例如金屬支座)和復(fù)合部件(例如夾層結(jié)構(gòu)板)間的組裝，上述 方法可被用于制造所有類型的飛行器結(jié)構(gòu)100或所有類型的陸上車輛。
權(quán)利要求
一種金屬材料部件(1)和復(fù)合材料部件(2)間的組裝方法，所述部件間的組裝是借助于固定構(gòu)件(11)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其特征在于所述方法包括如下步驟，其中 在這兩個(gè)部件中進(jìn)行預(yù)鉆孔，以便在所述金屬材料部件(1)中和在所述復(fù)合材料部件(2)中形成具有直徑D1的鏤空(6)， 在所述鏤空(6)中在所述部件的厚度的方向上放置直徑能夠變化的插入件(9)，所述插入件包括空心主體(12)和至少一個(gè)凸緣(10)，所述凸緣(10)至少有一部分緊貼一個(gè)部件的外表面(101)，所述插入件(9)用于接納所述固定構(gòu)件(11)， 通過(guò)利用外徑與所述插入件的內(nèi)徑匹配的擴(kuò)孔工具(7)進(jìn)行的徑向擴(kuò)孔，在所述插入件內(nèi)壁上沿著所述插入件(9)的周緣在所述兩個(gè)部件的至少一個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力， 對(duì)所述插入件的所述主體(12)的所述鏤空再鏜孔，使得所述插入件的最終內(nèi)徑D最終明顯大于所述固定構(gòu)件(11)的外徑，以在所述插入件的內(nèi)壁和所述固定構(gòu)件的外表面之間留出間隙，以及 將所述固定構(gòu)件(11)放入所述插入件中，以將所述金屬部件和所述復(fù)合部件保持為一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述插入件被放置在所述鏤空(6)中 時(shí)，所述插入件(9)包括下部和上部，所述下部具有對(duì)應(yīng)于所述復(fù)合材料部件(2)的內(nèi)徑 D2，所述上部具有對(duì)應(yīng)于所述金屬材料部件(1)的內(nèi)徑D3，所述內(nèi)徑D2大于D3并介于所述 鏤空的直徑Dl和所述插入件(11)的上部的內(nèi)徑D3之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)孔工具(7)的擴(kuò)孔直徑 D4大于所述插入件的內(nèi)徑D2和D3，以使所述工具對(duì)所述插入件的內(nèi)壁在整體上施加徑向 作用，從而在所述金屬材料部件中和在所述復(fù)合材料部件中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，所述金屬部 件中的擴(kuò)孔率高于所述復(fù)合部件中的擴(kuò)孔率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)孔工具(7)的擴(kuò)孔直徑D4 既大于所述內(nèi)徑D3而又小于所述內(nèi)徑D2，以使所述工具僅對(duì)所述插入件的內(nèi)壁的與所述 金屬材料部件對(duì)應(yīng)的上部施加徑向作用，因此僅在所述金屬材料部件中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4之一所述的方法，其特征在于，所述插入件是由金屬材料制成的 整體部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述金屬材料選自鋼、鈦以及因瓦合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6之一所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)孔工具包括管狀主體 (702)和擴(kuò)孔頭(701)，所述管狀主體(702)的外徑D5小于所述插入件的內(nèi)徑D2和D3，所 述擴(kuò)孔頭(701)的外徑D4至少大于所述插入件的內(nèi)徑D3。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述金屬材料部件(1)為金屬支 座，而所述復(fù)合材料部件(2)為夾層結(jié)構(gòu)板。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的用于在金屬材料部件上組裝復(fù)合材料部件的方法用 于實(shí)現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬材料部件(1)和復(fù)合材料部件(2)間的組裝方法，所述部件間的組裝是借助于固定構(gòu)件(11)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其特征在于所述方法包括如下步驟，其中-在這兩個(gè)部件中進(jìn)行預(yù)鉆孔，以便在金屬材料部件(1)中和在復(fù)合材料部件(2)中形成具有直徑D1的鏤空(6)，-在所述鏤空(6)中在部件的厚度的方向上放置直徑可變的插入件(9)，所述插入件包括空心主體(12)和至少一個(gè)凸緣(10)，該凸緣(10)至少有一部分緊貼一個(gè)部件的外表面(101)，所述插入件(9)用于接納固定構(gòu)件(11)，-通過(guò)利用外徑與插入件的內(nèi)徑匹配的擴(kuò)孔工具(7)進(jìn)行的徑向擴(kuò)孔，在插入件的內(nèi)壁上沿著插入件(9)的周緣在兩個(gè)部件的至少一個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，-對(duì)插入件的主體(12)的鏤空再鏜孔，使得插入件的最終內(nèi)徑D最終明顯大于固定構(gòu)件(11)的外徑，以在插入件的內(nèi)壁和固定構(gòu)件的外表面之間留出間隙，以及-將固定構(gòu)件(11)放入插入件中，以將金屬部件和復(fù)合部件保持為一體。
文檔編號(hào)F16B5/04GK101981328SQ200980111697
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日
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