СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ВВЕДЕНИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
CONNECTING ELEMENT AND METHOD OF INTRODUCING THE CONNECTING ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к соединительному элементу, в частности к бобышке для термического замыкания материалом, предназначенному для введения, по меньшей мере, в одну деталь, в частности для введения в сотовую деталь, содержащую полости и имеющую, в частности, форму пластины, под действием давления и вращения, причем соединительный элемент содержит базовую часть, содержащую термопласт, причем соединительный элемент имеет продольную ось и выполнен с возможностью вращения вокруг продольной оси, причем соединительный элемент имеет верхнюю сторону с точкой присоединения инструмента и нижнюю сторону, противоположную верхней стороне. Кроме того, изобретение относится к способу введения такого соединительного элемента в сотовую деталь, содержащую полости и имеющую, в частности, форму пластины.
Уровень техники
Из уровня техники уже известны сопоставимые соединительные элементы. Например, в патентной заявке DE 10 2014 204 449 А1 раскрыт подобный соединительный элемент. Кроме того, в патентной заявке DE 10 2015 208 671 А1 раскрыт соединительный элемент с признаками, раскрытыми в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
В частности, такие соединительные элементы используются в авиастроении для введения в одну или несколько сотовых деталей. При одновременном введении в несколько сотовых деталей можно реализовать соединение сотовых деталей друг с другом. При установке в одну сотовую деталь можно закрепить на сотовой детали функциональные элементы, расположенные на соединительном элементе. Так, например, известны соединительные элементы со своеобразным центральным отверстием, которое при установленном в сотовую деталь соединительном элементе может быть использовано для введения кабелей или иных подобных элементов.
При этом сотовые детали обычно содержат нижний слой, покровный слой и сотовую структуру, расположенную между нижним и покровным слоями. Предпочтительно, нижний и покровный слои изготовлены из стекловолокнистых матов, пропитанных эпоксидной смолой, а сотовая структура - из арамидных волокон или бумаги, пропитанной фенольной смолой.
При введении известных из уровня техники соединительных элементов обнаружилось, что их крепление в сотовых деталях иногда оказывается недостаточно надежным, вследствие чего соединительные элементы снова отделяются от сотовых деталей. При этом именно в авиастроении необходима постоянная надежность крепления соединительных элементов. С другой стороны, учитывая зачастую большое количество соединений в авиастроении, существует потребность в недорогом соединительном элементе.
Раскрытие сущности изобретения
Таким образом, задачей изобретения является разработка соединительного элемента для введения в сотовую деталь, отличающегося возможностью прочного и надежного крепления в сотовых деталях и экономичностью изготовления.
Поставленная задача решена соединительным элементом с признаками, раскрытыми в пункте 1 формулы изобретения. Соединительный элемент такого типа отличается тем, что на окружной поверхности базовой части соединительного элемента, расположенной между верхней и нижней стороной, предусмотрен расширяющийся участок из термически активируемого расширяемого материала.
Предпочтительно, соединительный элемент, по существу, вращательно симметричен и в области на верхней стороне базовой части содержит точку присоединения инструмента для передачи крутящего момента. Это позволяет нагрузить соединительный элемент осевым усилием в направлении продольной оси для введения в сотовую деталь и одновременно привести соединительный элемент во вращение вокруг продольной оси.
При введении в сотовую деталь термически активируемый расширяемый материал расширяющегося участка может расширяться в полости сотовой структуры сотовой детали за счет тепла, образующегося при трении между соединительным элементом и сотовой деталью, вследствие чего под покровным слоем сотовой детали образуется дополнительное поднутрение, позволяющее надежно закрепить соединительный элемент в сотовой детали.
В первом предпочтительном варианте осуществления соединительного элемента в базовой части предусмотрена канавка, в которой находится расширяющийся участок. При этом особенно предпочтителен вариант, в котором канавка имеет кольцевую форму. При этом возможен вариант, в котором канавка будет иметь прямоугольное или полукруглое сечение. Разумеется, допускается любое иное поперечное сечение канавки, не вызывающее затруднений в производстве. Также оказался выгодным вариант, в котором поверхность расширяющегося участка в состоянии при поставке находится заподлицо с окружной поверхностью базовой части. Предпочтительно, канавка расположена в направлении продольной оси в верхней трети или верхней четверти, то есть в трети или четверти, обращенной к верхней стороне, то есть поднутрение, которое может быть образовано расширяемым материалом, может быть введено в области покровного слоя сотовой детали.
В особо предпочтительном варианте осуществления соединительного элемента термически активируемый материал представляет собой термопласт, содержащий, в частности, термически активируемый вспенивающий агент. При этом возможен вариант, в котором вспенивающий агент сублимируется при нагревании.
Предпочтительно, термически активируемый расширяемый материал выполнен с возможностью расширения под действием тепла. Таким образом, термически активируемый расширяемый материал может расширяться в полости сотовой детали за счет тепла от трения, выделяющегося при введении в сотовую деталь.
Также выгоден вариант, в котором предусмотрена металлическая втулка, расположенная в базовой части и концентрически относительно продольной оси. Предпочтительно, втулка содержит круглое цилиндрическое отверстие, что позволяет протянуть через отверстие кабель, когда соединительный элемент вставлен в элемент или сотовую деталь. При этом, предпочтительно, длину соединительного элемента в направлении продольной оси выбирают таким образом, чтобы соединительный элемент, вставленный в сотовую деталь, полностью проходил через сотовую деталь. Поскольку при введении соединительного элемента в сотовую деталь происходит частичное расплавление соединительного элемента, возможен вариант, в котором исходная длина соединительного элемента будет примерно на 30% превышать толщину сотовой детали.
Предпочтительно, металлическую втулку изготавливают из алюминия или нержавеющей стали.
Следующий особенно выгодный вариант осуществления соединительного элемента отличается тем, что металлическая втулка содержит обработанную плазмой поверхность и по меньшей мере частично покрыта термопластом базовой части. При этом особенно предпочтителен вариант, в котором поверхность втулки азотирована плазмой. Это позволяет улучшить адгезию термопласта к металлической втулке. В качестве альтернативы или дополнения возможен вариант, в котором втулка имеет область, форма которой отличается от круглого цилиндра и препятствует проворачиванию втулки в термопласте, например, четырехгранную или шестигранную головку. Тем не менее, также возможен вариант, в котором на поверхности втулки имеется насечка, рифление и/или канавки. Однако выполнение ребер, канавок или насечки, а также использование четырехгранной или шестигранной головки дает в итоге сравнительно большие соединительные элементы, учитывая необходимую толщину стенок втулки и размеры четырехгранной или шестигранной головки. Следовательно, плазменная обработка поверхности оказалась особенно выгодной потому, что она позволяет использовать металлические втулки со сравнительно тонкими стенками.
Предпочтительно, металлическая втулка закрыта в области нижней стороны базовой частью, или базовая часть в области нижней стороны содержит отверстие, расположенное концентрически относительно продольной оси соединительного элемента. Если металлическая втулка закрыта в области нижней стороны базовой частью, то предпочтителен вариант, в котором через нижнюю сторону базовой части при введении в сотовую деталь проходит инструмент, в частности, инструмент, приводящий соединительный элемент, в результате чего образуется отверстие, проходящее через соединительный элемент вдоль продольной оси от верхней до нижней стороны. Соответственно, кабели могут быть пропущены через металлическую втулку соединительного элемента, вставленного в сотовую деталь.
В следующем предпочтительном варианте осуществления термопласт базовой части представляет собой полиамид или полипропилен. При этом возможен вариант, в котором базовая часть полностью выполнена из термопласта. Также возможен вариант, в котором базовая часть выполнена из термопласта с соответствующей долей стекловолокна. Предпочтительно, термопласт представляет собой полиамид 6, полиамид 66 или полиамид 666.
В следующем особо предпочтительном варианте осуществления соединительного элемента соединительный элемент имеет радиус от 1 мм до 2 мм в области перехода между нижней стороной и окружной поверхностью. Такой радиус оказался особенно выгодным по технологическим причинам.
Кроме того, поставленная задача решена способом с признаками, раскрытыми в пункте 11 формулы, для введения соединительного элемента по любому из пунктов 1-10 в сотовую деталь, в частности, в сотовую деталь в форме пластины, содержащую полости. Способ отличается вращением соединительного элемента вокруг его продольной оси и приложением осевого усилия вдоль продольной оси соединительного элемента в направлении сотовой детали с помощью инструмента, с обеспечением расширения термически активируемого расширяемого материала под действием тепла, выделяемого при трении между соединительным элементом и сотовой деталью, в частности, в полости сотовой детали. Это позволяет обойтись без предварительного просверливания сотовой детали.
В первом предпочтительном варианте способа соединительный элемент вводят в сотовую деталь таким образом, чтобы после введения он полностью прошел через сотовую деталь в направлении продольной оси соединительного элемента.
При этом оказался особенно предпочтительным вариант, в котором соединительный элемент содержит металлическую втулку, расположенную в базовой части и концентрически относительно продольной оси, при этом после введения через втулку пропускают кабели. Это позволяет пропустить кабели через сотовую деталь. Если используется соединительный элемент, в котором металлическая втулка закрыта в области нижней стороны базовой частью, предпочтителен вариант, в котором во время введения соединительного элемента через базовую часть в области нижней стороны соединительного элемента вводят инструмент таким образом, чтобы образовалось отверстие, проходящее через соединительный элемент вдоль продольной оси от верхней стороны до нижней стороны.
В следующем предпочтительном варианте соединительный элемент нагружают при помощи инструмента осевым усилием от примерно 800 Η до примерно 1200 Н, предпочтительно примерно 1000 Н.
Предпочтительно, соединительный элемент вращают инструментом с частотой от примерно 4000 об/мин до примерно 6000 об/мин, предпочтительно, примерно 5000 об/мин.
Краткое описание чертежей
Прочие признаки и предпочтительные варианты осуществления раскрыты в нижеследующем описании и используются для детального описания и разъяснения изобретения. На фигурах изображено:
Фигура 1: разрез первого варианта осуществления соединительного элемента, предложенного изобретением, по линии А-А на фиг.5.
Фигура 2: разрез второго варианта осуществления соединительного элемента, предложенного изобретением, по линии А-А на фиг.5.
Фигура 3: разрез третьего варианта осуществления соединительного элемента, предложенного изобретением, по линии А-А на фиг.5.
Фигура 4: разрез четвертого варианта осуществления соединительного элемента, предложенного изобретением, по линии А-А на фиг.5.
Фигура 5: план соединительного элемента, предложенного изобретением, согласно фигурам 1-4.
Фигура 6: схематичное изображение введения соединительного элемента, соответствующего уровню техники, в сотовую деталь.
Осуществление изобретения
На фиг.1-4 изображены различные варианты осуществления соединительного элемента 10 в соответствии с изобретением в разрезе вдоль линии А-А на фиг.5. При этом соответствующие элементы имеют соответствующие ссылочные обозначения.
На фиг.6 схематично изображены известные из уровня техники соединительные элементы 10, также называемые бобышками для термического замыкания материалом, которые предназначены для введения в сотовую деталь 14 в форме пластины, содержащую полости 12, под действием давления и вращения.
Соединительные элементы 10 имеют, по существу, вращательно симметричную форму и содержат базовую часть 16, содержащую термопласт. Кроме того, соединительные элементы 10 содержат продольную ось 18 и выполнены с возможностью вращения вокруг продольной оси 18. Соединительные элементы 10 содержат верхнюю сторону 20 с точкой 22 присоединения инструмента для передачи крутящего момента и нижнюю сторону 24, противоположную верхней стороне 20.
В частности, такие соединительные элементы 10 используются в авиастроении для введения в одну или несколько сотовых деталей 14, как показано на фиг.6. Как хорошо видно на фиг.6, сотовые детали 14 обычно содержат базовый слой 26, покровный слой 28 и сотовую структуру 30, расположенную между базовым слоем 26 и покровным слоем 28. Предпочтительно, базовый слой 26 и покровный слой 28 изготовлены из стекловолокнистых матов, пропитанных эпоксидной смолой, причем сотовая структура 30 изготовлена из арамидных волокон или бумаги, пропитанной фенольной смолой.
Для введения в сотовую деталь 14 соединительный элемент 10 приводят во вращение в направлении стрелки 34 при помощи инструмента 32, установленного в точке 22 присоединения инструмента, и нагружают осевым усилием, действующим вдоль продольной оси 18 в направлении сотовой детали 14, то есть в направлении стрелки 36. Точка 22 присоединения инструмента на соединительных элементах 10, изображенных на фигурах 1-5, содержит, как отчетливо показано на фиг.5, три эксцентрично расположенных глухих отверстия 33.
При введении соединительных элементов 10, изображенных на фиг.6 и известных из уровня техники, обнаружилось, что надежность их крепления в сотовых деталях 14 иногда оказывается недостаточной, вследствие чего некоторые соединительные элементы 10 снова отделяются от сотовых деталей 14.
Поэтому предложенные изобретением соединительные элементы 10, изображенные на фиг.1-5, на своей окружной поверхности 38 базовой части 16 между верхней стороной 20 и нижней стороной 24 содержат расширяющийся участок 40 из термически активируемого расширяемого материала. Для этого в базовой части 16 в области верхней четверти со стороны верхней стороны 20 предусмотрена круговая канавка 42, в которой расширяющийся участок 40 расположен таким образом, чтобы поверхность 44 расширяющегося участка 40 в состоянии при поставке располагалась заподлицо с окружной поверхностью 38 базовой части 16.
Термически активируемый расширяемый материал выполнен с возможностью расширения под действием тепла. Термически активируемый материал представляет собой термопласт, содержащий термически активируемый вспенивающий агент. При этом возможен вариант, в котором вспенивающий агент сублимируется при нагревании. Термопласт базовой части 16 представляет собой полиамид (полиамид 6, полиамид 66 или полиамид 666) или полипропилен. При этом возможен вариант, в котором базовая часть 16 полностью состоит из термопласта. Также возможен вариант, в котором базовая часть 16 состоит из термопласта с соответствующей долей стекловолокна.
При введении в сотовую деталь 14 термически активируемый расширяемый материал расширяющегося участка 40 может расширяться в полости 12 сотовой структуры 30 сотовой детали 14 под действием тепла, выделяющегося при трении между соединительным элементом 10 и сотовой деталью 14, таким образом, чтобы под покровным слоем 28 сотовой детали 14 могло образовываться дополнительное поднутрение, позволяющее надежно удерживать соединительный элемент 10 в сотовой детали 14. При введении в сотовую деталь 14 соединительный элемент 10 посредством инструмента 32 нагружают осевым усилием примерно от 800 Η до примерно 1200 Н, предпочтительно около 1000 Н, и приводят во вращение с частотой от 4000 об/мин до 6000 об/мин, предпочтительно 5000 об/мин.
Соединительные элементы, изображенные на фигурах 1-5, имеют длину 46 (для наглядности указанную на фиг.6) в направлении продольной оси 18, выбранную таким образом, чтобы соединительный элемент 10, вставленный в сотовую деталь 14, полностью проходил через сотовую деталь 14. Поскольку при введении соединительного элемента 10 в сотовую деталь происходит частичное расплавление соединительного элемента 10, исходная длина 46 соединительного элемента 10 примерно на 30% превышает толщину 48 сотовой детали 14.
По технологическим причинам соединительные элементы, изображенные на фиг.1-4, имеют радиус 50 в области перехода между нижней стороной 24 и окружной поверхностью 38 величиной от 1 мм до 2 мм.
В базовой части 16 соединительного элемента 10, изображенного на фиг.1, предусмотрено только одно сквозное отверстие 52, расположенное концентрически относительно продольной оси 18.
Соединительные элементы, изображенные на фигурах 2-4, содержат металлическую втулку 54, которая расположена в базовой части 16 концентрически относительно продольной оси 18 и, по меньшей мере, частично покрыта термопластом базовой части 16. В данном случае металлическая втулка 54 изготовлена из алюминия. Также возможен вариант, в котором металлическая втулка 54 изготовлена из нержавеющей стали.
Для предотвращения проворачивания относительно термопласта базовой части 16 металлическая втулка 54, изображенная на фигуре 2, содержит четырехгранную или шестигранную головку 56. Также возможен вариант, в котором на поверхности 58 втулки 54 предусмотрена насечка, ребра и/или канавки.
Металлические втулки 54, изображенные на фиг.3 и 4, имеют поверхность 58, обработанную плазмой. Это позволяет улучшить адгезию термопласта к металлической втулке 54. Кроме того, металлические втулки 54 соединительных элементов, изображенных на фигурах 3 и 4, содержат отверстие 60 в форме круглого цилиндра, благодаря чему при введенном в сотовую деталь 14 соединительном элементе 10 через отверстие 60 могут быть протянуты кабели.
Базовая часть 16 соединительных элементов 10, изображенных на фигурах 2 и 3, содержит отверстие 62, расположенное концентрически относительно продольной оси 18 соединительного элемента 10. В соединительном элементе 10, изображенном на фиг.4, металлическая втулка 54 закрыта в области нижней стороны 24 базовой частью 16. Если металлическая втулка 54 закрыта в области нижней стороны 24 базовой частью 16, то при введении в сотовую деталь 14 потребуется ввести инструмент 32, приводящий соединительный элемент 10, через нижнюю сторону 24 базовой части 16 таким образом, чтобы получить отверстие, проходящее через соединительный элемент 10 вдоль продольной оси 18 от верхней стороны 20 до нижней стороны 24. Это позволяет протянуть кабели через сотовую деталь 14 посредством металлической втулки 54.
В целом, удалось создать недорогую возможность обеспечения долговременного надежного крепления соединительного элемента 10 в сотовой детали 14.