Заклёпка и способ получения неразъёмного заклёпочного соединения деталей, не имеющих двухстороннего подхода к заклепочному шву
RIVET AND METHOD FOR OBTAINING A NON-DETACHABLE RIVET CONNECTION OF PARTS WITHOUT A TWO-WAY ACCESS TO THE RIVET SEAM

Изобретение относится к машиностроению, а также может быть использовано в авиастроении и других отраслях, для получения неразъемных соединений клепкой при производстве и ремонте высоконагруженных деталей из полимерных углекомпозиционных материалов, не имеющих двухстороннего подхода к заклепочному шву.
При выполнении клепальных работ при производстве и при ремонте конструкций летательных аппаратов имеются места, которые не допускают двухстороннего подхода к ремонтному участку. Известно изобретение заклепка и способ получения неразъемного заклепочного соединения деталей из композиционного материала (патент RU №2582472 опуб. 27.04.2016). Заклепка состоит из стержня, выполненного из полимерного композиционного материала с волокнами, ориентированными вдоль оси стержня, с цилиндрической головкой на одном конце и неотвержденной верхней частью стержня на другом конце, установленная в корпус, выполненный из отвержденного препрега родственного соединяемым деталям композиционного материала и состоящий из цилиндрических соосных закладной головки и втулки, при этом закладная головка прозенкована, а нижняя часть втулки выполнена на конус Между цилиндрической заклепкой и нижней частью втулки установлено кольцо из тканного неотвержденного препрега, при этом длина втулки корпуса равна толщине соединяемых деталей, а конус нижней части втулки корпуса находится под соединенными деталями на толщину кольца. Внешний диаметр втулки корпуса равен диаметру цилиндрической головки заклепки, а внутренний - диаметру стержня, внешний диаметр кольца внешнему диаметру втулки, при этом только на неотвержденную часть стержня установлена фторопластовая обечайка.
Недостатком такой заклепки является низкая надежность и прочность, что обусловлено недостаточной стяжкой соединяемых деталей в пакет, так как кольцо выполнено из неотвержденного препрега, а стержень и втулка не имеют резьбы.
Недостатком указанного способа является низкая технологичность и прочность заклепочного шва, обусловленные тем, что кольцо из препрега в момент установки находится в неотвержденном (неполимеризованном) состоянии, что приводит к недостаточной стяжке соединяемых деталей в пакет.
Известна заклепка и способ получения неразъемного заклепочного соединения в углекомпозитных конструкциях (патент RU №2691725 опуб. 17.06.2019), принято за прототип. Заклепка, состоящая из стержня, выполненного из полимерного композиционного материала с волокнами, ориентированными вдоль его оси, с цилиндрической головкой на одном конце, установленная в конус, состоящий из цилиндрически соосных закладной головки и втулки. При этом нижняя часть втулки выполнена на конус, между цилиндрической головкой заклепки и нижней частью втулки корпуса установлено кольцо, длина втулки корпуса равна толщине соединяемых деталей, а конус нижней части втулки корпуса находится под соединяемыми деталями на толщину кольца, внешний диаметр втулки корпуса равен диаметру цилиндрической головки заклепки, а внутренний - диаметру стержня, внешний диаметр кольца равен внешнему диаметру втулки. На стержне заклепки выполнена резьба во всю его длину и калиброванная шейка, расположенная от цилиндрической головки заклепки на расстоянии, равном толщине соединяемых деталей, от калиброванной шейки до конца стержня выполнена двухсторонняя продольная лыска, при этом втулка корпуса и стержень образуют винтовую пару, а закладная головка конуса имеет шестигранную форму, при этом кольцо выполнено из титанового сплава. Способ получения неразъемного заклепочного соединения, заключающийся в размещении заклепки в отверстиях соединяемых деталей, не имеющих двухстороннего подхода к закупочному шву. После размещения заклепки в соосных отверстиях соединяемых деталей вращают закладную головку корпуса заклепки до появления на уровне ее внешней поверхности калиброванной шейки стержня, а выступающую часть стержня удаляют по калиброванной шейке.
Недостатками данного изобретения является применение детали из сплава титана, что создает повышенное напряжение при эксплуатационном перепаде температур более 100°С, т.к. разница коэффициентов температурного линейного расширения титана и композиционного материала составляет порядка 10, заклепка и соединяемый материал будут подвергаться циклической нагрузке, что может неблагоприятно отразиться на заклепочном соединении. Кроме того, достаточно сложно из титанового цилиндра получить конус при помощи конусной детали из композиционного материала.
Данным изобретением решается задача создания конструкции заклепки полностью из углекомпозиционного материала, повышенной надежности и простого способа ее сборки при одностороннем подходе клепочному шву.
Указанный технический результат достигается тем, что заклепка содержит стержень, выполненный из полимерного композиционного материала с волокнами, ориентированными вдоль его оси, цилиндрическую головку на одном конце. На стержне выполнена резьба во всю его длину и калиброванная шейка, расположенная от цилиндрической головки заклепки на расстоянии, равном толщинам соединяемых деталей, шайбы и высоте гайки, от калиброванной шейки до конца стержня выполнена двухсторонняя продольная лыска. На цилиндрическую головку установлена шайба из отвержденного полимерного композиционного материала, ее диаметр больше размера соосных отверстий соединяемых деталей на 0,5…5 мм, а наружный диаметр шайбы выполнен в виде лепестков, позволяющих проходить через отверстия соединяемых деталей. На шайбу устанавливается втулка из препрега композиционного материала, которая при сборке сжимается гайкой из отвержденного композиционного материала.
Заклепка работает следующим образом: предварительно собранную ее устанавливают в отверстия соединяемых деталей, при этом лепестки слегка упруго деформируются, а пройдя отверстия, шайба за счет пружинения становится плоской, что застопорит заклепку при движении в обратном направлении. Затем производят завинчивание гайки, которая сжимает втулку из препрега композиционного материала, далее удаляют конец стержня по калиброванной шейке. Для отверждения препрега композиционного материала втулки проводят нагрев до температуры полимеризации используемого композиционного материала, например радиационной лампой.
Таким образом, соединяемые детали, стержень заклепки, шайба, гайка и втулка после полимеризации превращаются в единое целое, что необходимо для надежной работы изделия.
Фиг. 1 - конструкция заклепки, фиг. 2 - шайба, фиг. 3 - приспособление для установки заклепки в отверстия соединяемых деталей, фиг. 4 - установка заклепки в отверстия соединяемых деталей, фиг. 5 - окончательная сборка заклепки.
Заклепка (фиг. 1) содержит стержень 1 с цилиндрической головкой 2, на которой расположена шайба 3, на последнюю опирается втулка 4, изготовленная из препрега композиционного материала, которая сжимается гайкой 5, изготовленной из отвержденного композиционного материала.
Стержень 1 (фиг. 1) заклепки выполнен из полимерного композиционного материала с волокнами, ориентированными вдоль его оси, на одном конце с цилиндрической головкой 2 и имеет резьбу на всю длину стержня. На стержне имеется двусторонняя лыска 6 и калиброванная шейка 7, которая располагается от цилиндрической головки на расстоянии, равном толщинам соединямых деталей 10, шайбе 3 и высоте гайки 5 (фиг. 3, фиг. 5). Шайба 3 (фиг. 2) изготовлена из отвержденного композиционного материала с наружным диаметром 8 больше на 0,5…5 мм размера отверстий 9 соединяемых деталей 10 (фиг 3, фиг. 5), на наружном диаметре шайбы 3 выполнены вырезы 11, которые позволяют лепесткам 12 (фиг. 3) упруго деформироваться при прохождении через отверстия 9 соединяемых деталей 10, а после прохождения отверстия шайба 3 за счет пружинения становится плоской и стопорит возврат заклепки (фиг. 3).
Например, для установки заклепки (фиг. 3) в отверстия 9 соединяемых деталей 10, чтобы легче преодолеть сопротивление упругой деформации лепестков 12, достаточно применить простое приспособление. Металлический нажим 14 в месте контакта с шайбой 3 имеет диаметр, равный или меньше внутреннего диаметра 15 лепестков 12 (фиг. 2), (фиг. 3). После установки нажима 14 на стержень 1 навичивается гайка 5, такая сборка вставляется в отверстия 9 и, преодолевая сопротивление упругой деформации лепестков 12 шайбы 3, проходит через отверстия 9 (фиг. 3). Шайба 3 становится плоской и исключает возврат стержня 1 из отверстий 9. Для удержания стержня 1 с шайбой 3 в отверстиях 9 применяют стопор 16, который удерживает стержень 1 за калиброванную шейку 7 (фиг. 4). Свинчивают гайку 5, удаляют нажим 14, устанавливают втулку 4 и гайку 5, снимают стопор 16, проводят окончательную сборку заклепки. После затяжки гайки 5, выступающий конец 13 стержня 1 удаляют по калиброванной шейке 7. Проводят нагрев, например, радиационной лампой заклепки до температуры полимеризации препрега композиционного материала втулки 4 (фиг. 5).
Таким образом, соединяемые детали, стержень заклепки, шайба, гайка и втулка превращаются в единое целое, что необходимо для надежной работы изделия.