ЗАКЛЕПКА (ВАРИАНТЫ)
RIVET (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к заклепке для соединения деталей, в частности авиационных компонентов с отверстиями, которая содержит тело заклепки, имеющее головку заклепки с проходящей по оси полостью и стержень, примыкающий к головке заклепки, или состоящее из этой головки заклепки, и сердечник заклепки, содержащий существенно цилиндрический корпус и расширенную по отношению к диаметру сердечника головку сердечника, который своим корпусом входит вдоль полости в тело заклепки.
Уровень техники
Заклепки такого типа выпускаются большими партиями и широко применяются для соединения деталей. В частности, в тех случаях, когда соединяемые детали сделаны из различных материалов и способы соединения, например пайка, сварка или склейка, не могут быть использованы, соединение посредством заклепок представляет собой практически применяемую альтернативу. При этом в подлежащих соединению деталях сначала делаются отверстия, затем детали прикладываются друг к другу с совмещением осей отверстий. После этого на отверстие первой детали накладывается головка тела заклепки и неподвижно там фиксируется, а сердечник заклепки, проходящий сквозь отверстия, протягивается сквозь зафиксированную головку заклепки или сквозь стержень заклепки, примыкающий к головке заклепки, до тех пор, пока расширенная головка сердечника заклепки не упрется во вторую деталь либо расширенная головка сердечника заклепки не деформирует конец тела заклепки с образованием нежесткого соединения. Нежесткие соединения этого типа часто встречаются, например, в авиации, где приходится объединять отдельные компоненты из разнородных материалов.
Для того чтобы соединить клепкой детали различных типов, необходимо, как упоминалось выше, сделать в них отверстия, в которые можно поместить заклепку. На практике в таких случаях часто случается, что два сделанных под заклепку отверстия имеют различные диаметры. Если нужные отверстия выполнялись в деталях отдельно, то сложно получить отверстия с одинаковыми диаметрами. Но даже и в тех случаях, когда соединяемые детали, выполненные из разнородных материалов, складываются вместе и соответствующие отверстия прорезаются за один проход или одним сверлением, полученные таким образом отверстия могут иметь различные диаметры из-за различных свойств материалов. Кроме того, на форму и размер соответствующих отверстий может оказывать влияние и способ выполнения отверстия, как, например, в случае лазерной перфорации. Если детали с отверстиями различных диаметров соединены клепкой, то заклепка в отверстиях не может упираться в стенки всех отверстий или в обе детали. Соединение между деталями при этом осуществляется только за счет нежесткого крепления, и одна из деталей имеет некоторый люфт в плоскости, перпендикулярной оси отверстия. Соответственным образом ограничивается и нагрузочная способность клепаного соединения.
Предпринимались попытки решить эту проблему расширением нужного отверстия. Однако расширение отверстия представляет собой дополнительную операцию, требующую затрат времени и средств и, в частности, если говорить об авиационных компонентах, где в одной детали может потребоваться расширить тысячи отверстий, может существенно снизить производительность.
Раскрытие изобретения
С учетом описанного выше уровня техники задача изобретения состоит в создании заклепки упомянутого во введении типа, обеспечивающей экономичность соединения деталей с улучшенной нагрузочной способностью, даже и тогда, когда отверстия под заклепку в этих деталях имеют разные размеры.
Эта задача решается в заклепке упомянутого во введении типа, в которой у сердечника заклепки имеются ребра, проходящие вдоль оси по цилиндрическому корпусу, причем в предпочтительном варианте выполнения ребра расположены между головкой сердечника и полостью.
Преимуществом заклепки в соответствии с изобретением является, в частности, то, что, когда детали соединяются втягиванием сердечника заклепки в головку заклепки либо сквозь головку заклепки, заклепка, благодаря ребрам на цилиндрическом корпусе, упирается в обе стенки отверстий или деталей и скрепление может быть легко выполнено посредством нежесткого, а также и жесткого соединения. Неточности установки, обусловленные рассогласованием ориентации осей отверстий, при этом также могут быть скомпенсированы.
Использование ребер в соответствии с настоящим изобретением также дает и другое преимущество, состоящее в том, что при установке заклепки материал соединяемых деталей или тела заклепки может затекать в свободное пространство между ребрами, в результате чего может быть облегчено либо даже сделано возможным протягивание сердечника заклепки, сравнимого с воображаемым вариантом конического сердечника заклепки.
С точки зрения получения однородно высокой нагрузочной способности клепаного соединения симметричное по кругу расположение ребер вокруг продольной оси сердечника заклепки дает преимущество.
Кроме того, примыкание ребер к головке сердечника заклепки важно с точки зрения использования ребер на максимально возможной длине или достижения максимального эффекта от их использования.
В ходе испытаний было показано, что с точки зрения получения максимальной поверхности соприкосновения со средним давлением на поверхность между сердечником заклепки и стержнем заклепки или деталями и, соответственно, высокой нагрузочной способности в значениях прочности клепаного соединения полезно, если ребра по крайней мере в некоторых местах имели круговой или остроугольный внешний контур.
Для того чтобы для втягивания сердечника заклепки не требовалось применения большой силы, ребра по крайней мере частично могут иметь клиновидную поверхность. С другой стороны, ребра могут быть сделаны с неизменным сечением по всей их длине вдоль оси, что предпочтительно с точки зрения получения высокого поверхностного давления между ребрами и деталями или стержнем тела заклепки. Также возможно, чтобы ребра, если смотреть от головки сердечника заклепки в направлении головки заклепки, сначала имели область с постоянным поперечным сечением, к которой примыкают области с сужающимся или клиновидным сечением. Благодаря этому возможно легко втягивать сердечник заклепки, развивая при этом высокое поверхностное давление.
Сердечник заклепки в предложенной в настоящем изобретении заклепке может быть выполнен полым. Однако целесообразно выполнять сердечник заклепки сплошным, поскольку в этом случае сердечник заклепки сможет лучше противостоять действующим на него радиальным силам, клепаное соединение будет обладать большей жесткостью и большая растягивающая сила может быть приложена к сердечнику заклепки при его втягивании без его разрушения.
Ребра могут быть нанесены на сердечник заклепки после его изготовления, например, пайкой, или наклейкой, или иным способом. Однако каждая точка соединения представляет потенциально слабое место при воздействии напряжений, из-за чего в предпочтительном варианте выполнения сердечник заклепки делается в виде цельного изделия. Подходящими и простыми способами изготовления сплошного сердечника заклепки с продольно расположенными ребрами являются накатка и наклеп. Было установлено, что в предпочтительном варианте стержень тела заклепки имеет постоянный наружный диаметр, при этом первый конец стержня заклепки граничит с полостью головки заклепки, а второй конец стержня заклепки соприкасается с головкой сердечника заклепки, имеющей по крайней мере тот же наружный диаметр, причем у стержня заклепки имеется область расширения в направлении от первого конца ко второму концу с постоянным внутренним диаметром и прилегающая область сжатия с по крайней мере частично увеличивающимся внутренним диаметром, а также опорная поверхность для ребер в области, соответствующей области сжатия стержня заклепки.
В данном варианте выполнения применительно к глухой заклепке благодаря ребрам может быть достигнуто высокое поверхностное давление между сердечником заклепки и стержнем заклепки, а также между стержнем и деталями после установки заклепки. Ребра обеспечивают возможность, с одной стороны, втягивать сердечник заклепки, прилагая для этого меньшее усилие по сравнению с обычным, поскольку материал стержня может частично вытекать в свободное пространство между ребрами, и благодаря деформации достигается настолько высокое уплотнение, что обеспечивается соединение с высокой нагрузочной способностью, при этом втягивание сердечника заклепки не становится более затрудненным или требующим большего усилия. С другой стороны, при втягивании сердечника ребра возникает по крайней мере частичное расширение стержня заклепки и вдавливание его в стенки отверстий деталей с образованием жесткого соединения, поэтому после установки заклепки стержень и сердечник заклепки, а также стержень заклепки и детали крепко соединены друг с другом. Таким образом, обеспечивается как нежесткое, так и отличное жесткое соединение между сердечником заклепки и стержнем заклепки, с одной стороны, и между стержнем заклепки и деталями, с другой стороны. Для специальных целей, например, когда головка заклепки и стержень заклепки после установки заклепки подвержены изменяющимся нагрузкам, головка и стержень тела заклепки могут быть сделаны из различных материалов. Например, головка заклепки и стержень тела заклепки могут быть изготовлены независимо как отдельные изделия, образующие комплект с сердечником заклепки, который объединяется только при образовании клепаного соединения. В этом случае отдельные компоненты могут быть сделаны из различных материалов, выбранных исходя из ожидаемых напряжений в конкретном отдельном компоненте. Также возможно, чтобы тело заклепки было сделано из одного материала, но имело различные свойства в области головки заклепки и в области стержня, например, после местной термической обработки или термомеханической обработки головки заклепки.
Когда внутренняя поверхность стержня заклепки в области сжатия формируется в соответствии с поверхностью сердечника заклепки, на которой сделаны ребра, между стержнем тела заклепки и деталями, а также между стержнем и сердечником заклепки может быть достигнуто высокое поверхностное давление. В этом варианте выполнения заклепки достигается нежесткое соединение, а также жесткое соединение по всей поверхности, чем обеспечивается получение клепаных соединений с высокой нагрузочной способностью.
Краткое описание чертежей
Ниже приводится более подробное описание изобретения, основанное на примерах выполнения, проиллюстрированных приложенными чертежами, на которых:
Фиг.1 представляет сердечник заклепки в соответствии с изобретением;
Фиг.2 - глухую заклепку перед установкой;
Фиг.3 - глухую заклепку после установки;
Фиг.4 - заклепку с потайной головкой после установки;
Фиг.5 - ребро, расположенное на корпусе сердечника заклепки, которое имеет, по существу, одинаковое поперечное сечение по всей его длине вдоль оси;
Фиг.6 - ребро, расположенное на корпусе сердечника заклепки, которое имеет плоскую клиновидную поверхность и, по существу, круговой дугообразный наружный контур;
Фиг.7 - ребро, расположенное на корпусе сердечника заклепки, которое имеет скругленную клиновидную поверхность и остроугольный наружный контур;
Фиг.8 - фрагмент заклепки в соответствии с изобретением, тело которой состоит из нескольких компонентов;
Фиг.9 - фрагмент изображения другой заклепки, тело которой состоит из нескольких компонентов.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 в качестве примера показан сердечник 2 заклепки, предназначенный для заклепки в соответствии с изобретением. Сердечник 2 заклепки, изготовленный в основном из металлического материала и в предпочтительном варианте выполненный целиком из высокопрочного стального сплава, имеет, в целом, сплошной цилиндрический корпус 26 с продольной осью Х и диаметром D. На корпусе 26 могут быть сделаны пазы 23, расположенные в плоскостях, перпендикулярных продольной оси X, и проходящие вокруг этой оси, как это схематически показано на Фиг.1. Через эти пазы сердечник 2 заклепки соединяется с головкой заклепки при установке заклепки или образует жесткое соединение с головкой заклепки после установки заклепки. В предпочтительном варианте выполнения эти пазы расположены несимметрично для увеличения начального натяжения. Кроме того, имеются пазы 25, посредством которых производится вытягивание сердечника 2 заклепки с помощью установочного устройства.
Далее, на сердечнике 2 заклепки имеется заданная точка 24 разрыва, в которой должен происходить разрыв сердечника 2 заклепки в конце процесса установки либо после завершения клепки, поэтому конец сердечника 2 заклепки в предпочтительном варианте срезается примерно заподлицо с головкой заклепки. Кроме того, на одном конце сердечника 2 заклепки имеется головка 21 сердечника заклепки, расширенная по сравнению с диаметром D корпуса 26, к которой примыкают ребра 22 головки сердечника заклепки. Ребра 22 проходят параллельно продольной оси Х сердечника 2 заклепки и расположены симметрично вокруг продольной оси X, причем число ребер 22 зависит от диаметра D цилиндрического корпуса 26 и, например, составляет от 4 до 10 при диаметре D, равном 10 мм. Поэтому, с одной стороны, сердечник 2 заклепки может быть легко втянут, а с другой стороны, развивается высокое давление на поверхности между сердечником 2 заклепки и стержнем или деталями.
На Фиг.2 представлено поперечное сечение глухой заклепки в соответствии с изобретением с показанным на Фиг.1 сердечником 2 заклепки после введения в отверстия двух соединяемых деталей 3, 4, но до постановки заклепки. Кроме описанного сердечника 2 заклепки глухая заклепка содержит тело 1 заклепки с головкой 11 заклепки и стержень 12, один конец 121 которого примыкает к проходящей вдоль оси полости головки 11 заклепки. Стержень 12 имеет постоянный наружный диаметр. Головка 21 сердечника 2 заклепки расположена в области второго конца 122 стержня, причем головка 21 сердечника заклепки в области соединения со стержнем 12 имеет тот же наружный диаметр, что и стержень, а далее сужается на конус. Этим обеспечивается введение заклепки, даже при отсутствии доступа к детали 3.
Тело 1 заклепки имеет внутри существенно цилиндрическую полость в области головки 11 заклепки и примыкающую к ней область А расширения стержня 12, при этом в полость вводится имеющий соответствующий размер цилиндрический корпус 26 сердечника 2 заклепки. В области сжатия S, примыкающей к области А расширения, внутренний диаметр стержня 12 увеличен по сравнению с диаметром в области А для размещения ребер 22 сердечника 2 заклепки. Величина увеличенного внутреннего диаметра стержня 12 выбирается таким образом, чтобы ребра 22 упирались изнутри в стержень 12 в некоторых точках. Отдельные части заклепки больше не отделяются друг от друга, чем облегчается работа с заклепкой при сборке. Показанное на Фиг.2 состояние возникает, как было сказано, перед установкой заклепки, а значит, перед тем, как сердечник 2 заклепки втянут в тело 1 заклепки. Если требующиеся для установки заклепки отверстия в деталях 3, 4 имеют различные диаметры, стержень 12 не упирается в обе детали 3, 4, а имеет зазор 31 с деталью 3, а также, возможно, и с деталью 4. Если далее сердечник 2 заклепки втягивать в тело 1 заклепки приложением тянущего усилия к пазам 25, одновременно удерживая тело заклепки за головку 11 заклепки, головка 21 сердечника заклепки, помещенная на стержень 12, сжимает или деформирует стержень 12 с его второго конца 122 таким образом, что он складывается и образуется замыкающая головка. В то же время ребра 22, прилегающие к головке 21 сердечника заклепки, проникают в область стержня 12, имеющую меньший внутренний диаметр, и разжимают в этом месте стержень 12, благодаря чему устраняется зазор 31 между стержнем 12 и деталью 3. При расширении, если сплошной сердечник 2 заклепки упирается в стержень 12 только в области ребер 22, излишний материал стержня 12 также может быть выдавлен в свободные промежутки между ребрами 22, благодаря чему достигаются хорошее жесткое соединение и благоприятное распределение напряжений в заклепке и деталях 3 и 4. Поскольку толщина стенки стержня 12 на конце 122 невелика и сердечник 2 заклепки легко скользит в стержень 12 благодаря вытянутым ребрам 22, для установки заклепки требуется небольшое усилие. В конце процесса установки зазор 31 между стержнем 12 и деталями 3 и 4, а также промежуток между деталями наконец исчезают и между деталями 3, 4 создается нежесткое и жесткое соединение.
После установки заклепки корпус 26 упирается во внутреннюю поверхность 13 головки 11 заклепки и в стержень 12 практически всей поверхностью. Это состояние показано на Фиг.3. В предпочтительном варианте выполнения, как уже упоминалось, пазы 23 располагаются несимметрично либо имеют пилообразное сечение, как показано на увеличенном изображении сечения на Фиг.3.
Для специалиста очевидно, что между деталью 4 и стержнем 12 перед установкой заклепки также может быть зазор. В этом случае при установке заклепки зазор между стержнем 12 и деталью 3, а также зазор между стержнем 12 и деталью 4 будет перекрыт благодаря деформации стержня 12. Аналогично, изобретение охватывает и варианты выполнения, где стенка стержня 12 имеет постоянную толщину.
В отличие от показанного на Фиг.2 и 3 варианта выполнения возможно, используя ту же геометрию конструкции ребер, нанести их на стержне заклепки вместо сердечника заклепки, однако это сопряжено с большими производственными затратами, поскольку нанесение ребер внутри стержня более сложно, чем нанесение ребер на наружной стороне сердечника заклепки.
На Фиг.4 показана заклепка в соответствии с изобретением, в которой после установки заклепки тело 1 заклепки содержит только головку 12 заклепки, а стержень отсутствует. Сердечник 2 заклепки, содержащий головку 21 сердечника заклепки, выполненную в виде потайной головки, позволяет установить заклепку заподлицо с поверхностью детали 3. В этом варианте выполнения ребра 22 сердечника 2 заклепки упираются непосредственно в детали 3, 4, которые деформируются на отверстиях при установке заклепки, чем обеспечивается жесткое соединение.
На Фиг.5-7 показаны возможные варианты выполнения ребер 22, хорошо зарекомендовавшие себя в испытаниях. Как показано на Фиг.5, ребро 22 может быть выполнено с существенно постоянным поперечным сечением по его продольной протяженности и иметь примерно круговой дугообразный наружный контур 221. При установке заклепки согласно Фиг.2 круговые дугообразные фронтальные поверхности 222, 223, проходящие параллельно продольной оси Х сердечника 2 заклепки, скользят вдоль стержня 12 и расширяют его. Одновременно материал стержня 12 может вытекать в свободные промежутки между ребрами 22 и оставаться там на боковых поверхностях 224 ребер.
В усовершенствованном по сравнению с показанным на Фиг.5 варианте выполнения ребра 22 согласно Фиг.6 также могут иметь наклонную фронтальную поверхность 223, которая выполняет роль клина и упрощает скольжение сердечника 2 заклепки при его втягивании.
Наконец, на Фиг.7 представлен наиболее предпочтительный вариант выполнения ребер 22. Указанная форма ребер 22 обеспечивает высокое поверхностное давление или оптимизацию напряжений в заклепке и деталях 3, 4 в сочетании с простотой втягивания при установке.
В других возможных вариантах выполнения ребра 22 могут быть изменяемыми и/или иметь различные поперечные сечения.
Ребра 22 имеют длину L1 и такую ширину, что при втягивании сердечника 2 заклепки происходит расширение стержня 12 или деталей 3, 4. Если длина ребер составляет по крайней мере 25%, а лучше более 40%, длины L корпуса 26 между головкой 21 сердечника заклепки и заданной точкой 24 разрыва и/или ребра 22 в области В расположения ребер (Фиг.1) закрывают по крайней мере 40%, а лучше более 50%, наружной поверхности корпуса 26, может быть достигнуто особенно эффективное расширение стержня 12 и затекание материала между ребрами 22, что особенно важно с точки зрения получения высокого поверхностного давления.
Наконец, на Фиг.8 и 9 представлены варианты выполнения заклепки в соответствии с изобретением, которые показали высокую эффективность в отношении ликвидации осевого зазора 6. В этих вариантах выполнения тело 1 заклепки содержит стержень 12, состоящий из нескольких частей, благодаря чему перед и/или во время формирования замыкающей головки на деталь 3 действует осевая сила. Например, в варианте выполнения, показанном на Фиг.8, при втягивании сердечника 2 заклепки верхняя трубка 123 тела заклепки расширяется ребрами 22, зазор между трубкой и верхним листом 3 исчезает и далее верхняя трубка 123 вместе с верхним листом 3 продолжает движение и зазор 6 между листами перекрывается еще до того, как произойдет дальнейшее расширение верхней трубки 123, а также и нижней трубки 124 тела заклепки, и образуется жесткое соединение с высокой нагрузочной способностью.
В варианте выполнения, показанном на Фиг.9, также предусмотрено, что действующая по оси сила прикладывается к детали 3 еще до начала расширения стержня 12 в направлении деталей 3 и 4 с образованием жесткого соединения, поэтому зазор 6 может быть закрыт. Вместо представленного варианта выполнения стержня, содержащего несколько компонентов, стержень может быть выполнен в виде одной детали с заданной точкой разрыва или одной или более заданными точками деформации.