CN101437649A - 用于孔的冷扩张的扩张工具 - Google Patents

Abstract

一种用于孔的冷扩张的工具(10)包括一个本体(14)，它具有至少一个柱形部分(16)，该部分具有在该本体(14)的轴线方向的一个内孔(24)。该本体(14)沿圆周方向包括多个构件(18，18a，18b，18c)，它们在本体(14)的径向方向上可移动，这样，该本体(14)的柱形部分(16)的外径可以改变。另外，提供了一个芯件(26，26c)，它可插入到该内孔(24)之中，其中至少该芯件(26，26c)和内孔(24)之一包括具有变化的直径的一个部分(28)，并且该内孔(24)和芯件(26，26c)在芯件插入时彼此相接触，这样，取决于芯件(26，26c)在轴线方向上插入内孔(24)的深度，这些构件(18，18a，18b，18c)径向朝外地移动并且该本体(14)的柱形部分(16)的外径增大。

Description

用于孔的冷扩张的扩张工具

本发明涉及在金属工件中用于孔的冷扩张的一种工具，特别是在板形结构部件上具有基本上为圆形截面的孔。

例如在航空器中，构造孔形成在由金属材料制成的板形结构部件中，除其他之外，这些构造孔用于插入和固定安装装置。众所周知，在这种结构的永久性或循环性载荷、特别是在交变载荷的情况下，这类孔的周围会出现裂缝，并且如果没有及时地识别和修复它们，这些裂缝可以增长并在更大程度上导致结构失效。

为避免这种情况，人们知道在钻孔之后通过冷加工硬化使直接邻近孔的金属工件的周围发生塑性变形，以便围绕孔形成一个压缩性剩余应力或者自平衡应力的区域，由于一个更高的强度和重叠的张力场，该区域防止在循环载荷的情况下发生的裂缝或者使产生裂缝的可能性降低。因此，延长了金属结构中这些孔的疲劳寿命时间。

利用冷加工扩张，通过对孔进行扩张在孔的边界区域形成压缩应力。通常这可以利用一个锥形芯件(芯轴)来实现，拉动该芯件穿过先前已经插入了一个套管的孔。当芯件和套管的组件被拉动穿过该孔或者芯件被拉动穿过孔的套管时(为此通常使用一个液压牵拉机)，由于事实上芯件与套管一起的直径大于孔的初始直径，孔周围的材料发生塑性变形。特别是，孔被扩张，这样芯件可以穿过该孔。然而，对于例如高性能铝合金材料，一个相应的方法可以在钻孔的边缘导致裂缝的形成并且在钻孔周围形成一个不规则的应变场。

从US 3,892,121中已知一种装置，其中一个圆锥形芯件和一个套管首先穿过孔，并且随后该芯件反向地穿过套管，其中该芯件的一个具有较大直径的部分使套管并且相应地使该孔发生形变。

从EP 0 131 648 A2中也已知一个相应的装置。

为了在加工后便于将套管从孔中移除，EP 0 581 385 B1使用了一个分离套管，它在芯件穿过后可以被压缩并因此可以从孔中移除。

在将芯件穿过套管和孔后并且在移除套管后，该孔进行绞孔处理，然而，其中压缩性剩余应力仍然大于在边界区域的应力。

利用已知的用于孔的冷扩张的装置，通过套管和芯件尺寸的组合可以确定一个工件的变形。这意味着在孔附近的工件变形还取决于扩张(压缩)，即套管和芯件的几何尺寸。

由此开始，本发明的一个目的是提供一种用于孔的冷扩张的工具，该工具确保一种高的可重复性，并且允许在孔周围的一种基于应力控制的工件变形。

通过具有权利要求1的特征的一种工具实现了这一目的。从属权利要求定义了优选实施方案。

本发明基于以下的构思：利用多个构件来形成工具的一部分(该工具要被引入待加工的一个孔中)，这样该部分可径向地扩张。例如，具有圆形外截面(该截面被形成为一个厚壁的环)的工具的一个柱状部分能够以蛋糕样的方式(即在径向上)被分裂成多个环段，它们具有例如相同的中心角。通过将该工具的另一个构件(芯件)引入工具中的一个内孔之中，有待引入该孔的本体的多个构件被径向地向外移动，并因此作用在有待加工的孔的内周上。

因为可以控制进行冷变形加工的工具部分的直径的增加，通过使芯件或者内部构件中的至少一个具有一个改变直径的部分，这样通过调整该芯件插入内孔的深度，可以控制用于孔的冷扩张的工具的柱状成型部分的多个部件径向向外的移动量，这就有可能通过所施加的力来控制该变形，这表现为该工具的柱状部分的外径的增加。另外，根据实际的原始孔尺寸和所希望的有待引入该孔边界区域中的应力，通过根据本发明工具使用一件单一的工具即能够可变化地控制变形的量值。此外，该变形力是在施加整体的径向方向上，而同时无需在孔的轴向上施加张力，因为没有将芯件或者类似的构件拉动穿过该孔。

优选地，在该工具上提供一种装置，它允许对芯件插入内孔的深度进行监测或者控制。优选地，该装置可以通过在该芯件上的一个外螺纹和在一个装置上的内螺纹来形成，该装置确定芯件和本体在其原始位置上在轴向上的相对位置。利用该螺纹装置通过将芯件旋转一个特定的旋转角，相应地，将芯件引入内孔中的深度可以相对于已知的螺纹节距而被精确地确定并且例如利用位于芯件上的一个标签可以容易地进行检查和监测。由于芯件的引入深度确定了该工具的柱状部分直径的变化，当芯件与由几个构件形成的柱状的本体部分之间的初始位置已知时，可以精确地确定引入到该孔周围的应力。当然，还可以用不同的方式实施芯件的定位(例如，使用由力、液压或气动装置控制的装置，必要时额外使用一个止动件，或者利用一个分离的制动螺丝)。

根据一个特别优选的实施方案，该内孔和/或者芯件被形成为具有圆锥形逐渐变细的表面，尤其是互补的表面，这样芯件进入内孔的运动允许对变形的量进行精细地调整。

根据另一个优选实施方案，提供一个弹性装置，该装置将本体的径向地向外移动的这些构件偏置进入一个位置，其中它们采取一个最小的直径。例如，可以通过一个弹性盖或者环形构件来形成该装置，该弹性盖或者环形构件安装在滑动部分的上方或者周围，例如在一个圆周形凹槽内。可替代地，例如，它有可能形成要引入到有待进行扩张的孔中的本体的柱状部件的一部分，以并且在轴向上连接到该本体的这些径向可移动的构件上，这样这些分割的部件与其进行弹性地连接，并且能够向外地移动或向外地弯曲。

优选地，根据有待加工的这些孔的圆形截面由多个构件形成的该本体的柱形部分在它的外侧上具有一个圆截面的柱形。这允许将剩余压缩性应力平滑地引入这些孔的周围而没有相关的局域剩余拉伸应力的集中。

根据一个优选实施方案，该柱状成形部件的多个构件被形成为使它们的侧面穿过该柱形部分的纵向轴线而延伸。优选地，该柱状成形部件的单个构件形状完全一致，尤其是包括相同的中心角，这意味着当该柱状部分的多个构件位于具有最小直径的位置上时，该工具形成一个封闭的柱状表面。这样具有的优点是比较容易构造该工具。

根据一个替代实施方案，该柱形部件是由具有不同形状的一些构件形成，进一步优选地由总共具有两种或多种形状的多个构件来形成。优选地，这些具有不同形状的多个构件优选地在它们的最大直径的位置上(即，所要达到的最终直径的位置)形成一个闭合的外柱形表面，这就意味着以一个特定扩张比率对具有待加工的一个特定初始孔尺寸的一个孔的一种无裂隙的扩张是可能的，并且在对孔进行冷扩张时，可以避免由于工具对该孔的圆周的非均匀影响而产生的局部应力聚集。优选地，这些不同的构件包括多个侧面，这些侧面并不延伸穿过工具的柱状部件的柱体的纵向轴线，这样当芯件从内孔种抽出时，优选地位于两个相邻构件之间的一个构件比相邻的构件更快地向内移动，这样在扩张情况下没有任何不连续性的工具可以被压缩到更小的外尺寸。

根据一个优选的实施方案，该本体的芯件和内孔具有一个多边形的截面。具体地，优选的是在垂直于纵向轴线或者插入方向的一个方向上，它们具有正方截面的互补的棱柱形状。该芯件的这种特定的形状支持在工件中力的均匀引入，并因此产生了明显提高的材料的可流动性。当控制了芯件在轴向上的线性运动时，即得到一个均匀的强度场，该强度场对于有效地增加疲劳耐受性是必不可少的。而且，这允许在不形成裂缝的情况下对形成于高性能材料上的孔进行扩张。特别是，尤其如果材料的流动性与本体的这些构件相关这样要考虑材料的各向异性(例如，由板形材料的轧制方向所导致的)的特性，那么钻孔沿着板材整个厚度的平滑扩张就成为可能。

发明还可以应用到混合-复合材料/混合-复合叠片上，例如铝/碳纤维增强塑料(AI/CFRP)，其中例如Al成分可以独立于CFRP部分而进行扩张，并不与该部分相接触。没有必要卸下这部分以扩张该Al成分。而且，可以避免在钻孔或者孔的表面或者壁面上的摩擦，这样就不必在扩张之后进行额外的加工。

以下基于附图对本发明进行详细说明，在附图中：

图1示出一个用于孔的冷扩张的工具的第一实施方案的透视图；

图2示出了第二实施方案中通过用于孔的冷扩张工具的一个柱形部分的截面视图；

图3示出一个第三实施方案中的芯件的透视图；并且

图4示出第三实施方案的本体的一个部分的透视图。

图1以一个透视图示出了用于(尤其是在金属材料中)孔的冷扩张的一种工具。工具10包括支撑一个本体14和引导该本体14的一个工具盖12。本体14包括具有外部柱形并且可以被引入一个孔(未示出)的一个部分16，该孔有待于通过冷扩张进行扩展，其中在图1所示的位置上，该本体14的柱形部分16具有最小的直径，优选地，待扩张的孔具有的一个直径略大于柱形部分16的外直径。优选地，柱形部分16的外直径被确定为使它可以插入到孔或者钻孔中而没有遇到摩擦阻力。

包括柱形部分16的本体14由多个相同的厚壁的构件18(环段)构成(在所示实施方案中有八个)，这些构件以蛋糕的形式分割本体14以及尤其是柱状部分16。到本体14的一个邻近构件18的这些边界面分别在径向上延伸，即，在穿过本体14的柱体纵向轴线A的它们的虚拟延伸的平面中。在所示实施方案中这些构件18的中心角彼此相等，具体地，分别为45度。

在工具盖12中还提供了本体14的一个实质上柱形的部分20，它具有比柱形部分16更大的一个外直径并且它包括一个凹槽22，例如，其中可以插入一个橡胶环(未示出)用于将形成本体14的这些构件18保持在它们的最小直径的位置上，并且用于使它们偏置进入此位置中。

在本体14的径向上这些构件18是可滑动的，这样可以将它们从图1所示的位置对抗例如橡胶环的偏置力而径向地向外地移动，这样本体14的柱状部分16定义大于它的初始外径的一个外径并且大于有待扩张的孔的初始内径，其中在两个相邻构件18之间分别地形成小缝隙。通过适当的引导件13可以确保径向移动方向。

该本体14进一步配备有一个适合的内孔24(这里是一个圆锥形的内孔，即，在垂直于纵向轴线每一个截面中是圆的)，在该内孔中可以插入一个芯件26，该芯件在它的部件28中(该部件可插入内孔24中)是圆锥形的或截头的，它具有垂直于其纵向轴线的圆截面。优选地，内孔24也是圆锥形的，与芯件26的圆锥体互补，这样芯件26和内孔在图1所示的位置中至顶向底变窄。

芯件26进一步包括具有外螺纹的一个部分30，该部分顶住在工具盖12上形成的一个内螺纹33。进一步地，芯件26在其上端部装配有一个蝶型螺母形状的夹持表面34，它一方面确定了芯件26围绕轴线A的旋转位置并且允许对其进行监测，而另一方面提供了用于旋转工具或一个类似装置的一个工作表面。

此外，盖12用于将本体14和芯件26相对于轴线A的轴向在它们最初的位置上彼此相对应地进行定位，例如通过在轴向方向上提供用于较大直径的部分的适当的止挡表面。

通过转动芯件26的夹持表面34，这相对地向本体14移动了一段距离在轴A的轴向上进入本体14，该距离取决于旋转角度的而由螺纹30，32确定。该距离是通过旋转角度和螺纹节距来限定。本体14和芯件26的锥形面24，28，各自在将芯件26插入本体14的内孔24之中时引起本体14的构件18在轴向脱出，包括本体14的柱形部分16。由此一个力在径向上被施加的有待加工的内孔上，其中引入了本体14，尤其是本体的柱形部分16，并且孔的边界区域被压缩，这导致了一种压缩或硬化，并因此引入了压缩性应力。该本体14扩张的量，并因此孔的边界区域的硬化或压缩以及有待加工的孔的扩张可由芯件26插入内孔24的插入深度来确定，其中通过由螺纹32，30的帮助的定位作用，一种精确的定位并相应地，以一个准精预定的量或限定的力进行的一种冷扩张成为可能。有待扩张的孔或钻孔的最终的形状或最后的直径可以在一个直径范围内可变地进行选择，该直径范围可以通过一个单一的工具而实现。

在进行了冷扩张以后，通过与插入的螺旋运动相反方向的一个螺旋运动，将芯件26从本体14的内孔24中移除，其中在凹槽22中的弹性构件迫使本体14的这些构件18径向地内向移动。相应地，本体14可以无问题从扩张的孔中移除。

由于良好地可限定的、可重复的以及灵活地可确定的本体14的柱形部分16的目标直径，有可能确定在孔中重复地进行的扩张，例如对其进行调整。此外，在一个小的，确定范围内的具有一个初始直径的孔可以通过一个单一的工具在该工具10的可能的扩张范围内被扩张为一个任意的新的孔直径。该冷加工工具10的多个段向外推挤的力量与旋转力矩或压力直接成比例，该力矩或压力是通过芯件26相对于本体14的旋转或移动以及几何形状的孔和材料特性而施加在该工具10之中，其中通过力量而确定的该有待扩张的孔的扩张成为可能。完成冷加工之后该工具可以容易地移除。

为达到一个无分裂的扩张，在图1显示的工具10可以根据图2的截面视图进行修改。因此，仅修改本体14和构成本体14的这些构件18，这样本体14不是通过一个简单柱形环体以相同部分的蛋糕分割方式来形成的，而是相反地，是通过关于它们的形状由多个对应部分的特别适配而形成的。

图2示出穿过工具10的本体14柱形部分16的一个相应的截面视图。由于将本体10的柱形部分16的外直径确定为使从一个封闭的圆周表面形成本体14的这些构件18a，18b处于一个目标外直径，该外径对应于有待加工的孔扩张的直径，应力集中(因为鉴于在根据图1的实施例该工具的非接触部分，它们产生在接触部分中)可以被避免。

因此，根据图2，该工具是由非一致性的构件18a和18b形成，在本实施例中显示了分别沿着圆周交替提供的其中三个构件。构件18a，18b不同于实施例1中的构件18之处在于到相邻构件18b不同地对齐的接触表面。而根据图1的实施例，对应的接触面在它们的虚拟的延长面中越过柱体的轴线A，交叉线沿边界表面38处于到这个平面的一个角度中。在构件18a之间提供了另外的构件18b，它们具有的侧表面也不通过轴线A，但它们是沿着边界面40对于径向方向直接略微向外。

图2示出了本体14的最大扩张的位置。如果要将外直径减小以便移除工具，例如减小到图2中虚线所示的外圆周，则具有圆锥形表面28的芯件26(参见图1)必须从内孔24提升并且移除。例如通过在构件部分18b(参见图1)的多个部分中围绕凹槽22的局部变厚橡胶构件所施加的一个应力将首先沿径方向内向移动这些构件18b。随后例如通过图1凹槽22一个较薄部分的环形橡胶构件施加一个应力，构件18a可以沿径方向内向移动，例如，彼此接近，这样外径总体上被减小。在外径减少的情况下根据图2的实施例在本体14的柱形部分16上没有闭合的外圆周表面。

图3和4示出形成本体14和芯件26c的这些部分18c的另一个实施方案。与以上实施方案相比，芯件26c是通过纯平移运动无旋转地引入本体14的内孔24。芯件26c在其有待插入内孔24的部分中在与其纵轴或其插入方向垂直的一个切面方向上具有一个多边形截面，特别是正方形的截面(其中它在插入方向逐渐变细)这样总体上导致一个截头的棱锥形状。相应地，本体14构形为四个均匀分布的部分，其中由这些部分形成的内孔24对应于芯件26的形状，这样每个构件18c在组装时具有形成内孔24的一个均匀的、平的表面。特别是，优选该本体14是由一定数目的构件18c构成，该数目对应于形成芯件26c多边形的边或角的的数目。

特别是，在将芯件26c插入内孔24时，芯件26c和本体14的内孔24的正方形截面显示出产生一种均匀的、一致的力量分布。这在内部导致芯件或孔在形成该孔的板材的整个厚度上的一种均匀的扩张。此外，在使用具有正方形截面的芯件26c时，在安置扩张工具时优选将形成工件的材料的可流动性被考虑在内，尤其是这样使工件各向异性的性质(例如板型材料的轧制方向)被考虑在内。

因此，可以确保围绕孔的整个圆周的一种均匀和平滑的剩余应力的分布。

类似于以上的实施方案，轴向力没有被传递到工件上，这样可以避免弯曲。此外，还可避免在孔壁上的摩擦，这样在冷扩张以后不必再提供一个后续的工作步骤。因为该工具是比较简单，它也可以容易地插入内部钻孔中，这些孔通常不是容易地可触及的。这进而导致降低生产成本。

如果使用根据图3和4的扩张工具，必须适当选择监测芯件26插入本体14的孔24内的深度的装置，即这些螺纹必须被替换，因为在将芯件26c插入内孔24时根据图3和4的装置依靠一种纯的线性运动。例如可以使用不同的停止件。

参考标号

10    工具

12    工具盖

14    本体

13    引导件

16    部分

18    构件

22    凹槽

24    内孔

26    芯件

28    表面

30    螺纹

32    螺纹

34    夹持表面

38    接触面

40    接触面

A     纵向轴

Claims (15)

1.用于孔的冷扩张的工具(10)，包括一个本体(14)，该本体包括至少一个柱形部分(16)，该部分具有在该本体(14)的轴向方向上的一个内孔(24)，其中该本体(14)沿其外周方向包括在该本体(14)的径向上可移动的多个构件(18，18a，18b，18c)，这样该本体(14)的柱形部分(16)的外直径可以改变，以及一个芯件(26，26c)，该芯件可以插入该内孔(24)，其中该芯件(26，26c)或该内孔(24)中至少一个包括具有改变的直径的一个部分(28)，并且该内孔(24)与该芯件(26，26c)在插入该芯件(26，26c)时彼此进进行接触，这样取决于该芯件(26，26c)在轴线方向上插入该内孔(24)的深度，这些构件(18，18a，18b，18c)径向朝外地移动并且该本体(14)的柱形部分(16)的外径增大。

2.根据权利要求1所述的工具(10)，其特征在于该内孔(24)在该芯件(26，26c)的插入方向上具有一个圆锥形逐渐变细的形状。

3.根据权利要求1或2所述的工具(10)，其特征在于该芯件(26，26c)具有一个圆锥形逐渐变细的面(28)作为一个接触面。

4.根据以上权利要求中任何一项所述的工具(10)，进一步包括一个弹性装置，该装置将该本体(14)的这些构件(18，18a，18b，18c)偏置进入一个位置，其中它们采取一个最小的直径。

5.根据权利要求4所述的工具(10)，其特征在于该弹性装置是一个弹性帽或环构件，该构件从外面包绕该本体(14)。

6.根据以上权利要求中任何一项所述的工具(10)，其特征在于该本体(14)的柱形部分(16)具有一个圆形截面。

7.根据以上权利要求中任何一项所述的工具(10)，其特征在于提供了一个用于监测该芯件(26，26c)进入该内孔(24)的插入深度的装置(12，30，32，34)。

8.根据权利要求7所述的工具(10)，其特征在于该用于监测插入深度的装置包括在该芯件(26)上的螺纹装置(30)，以及用于将该芯件(26)与该本体(14)在轴向上相对定位的一个装置(12)上的螺纹装置(32)。

9.根据以上权利要求中任何一项所述的工具(10)，其特征在于该柱形部分(16)的这些构件(18，18c)的分离线延伸通过该柱形部分(16)的纵向轴线(A)。

10.根据权利要求9所述的工具(10)，其特征在于该柱形部分(16)是在多个构件(18)中均匀地分割，这些构件在它们的最小的直径位置中形成一个闭合的圆柱轮廓作为外轮廓。

11.根据权利要求1到8中任何一项所述的工具(10)，其特征在于该柱形部分(16)是由具有不同形状的多个构件(18a，18b)形成，这些构件在它们的最大的直径位置形成一个闭合的圆柱轮廓作为外轮廓。

12.根据权利要求11所述的工具(10)，其特征在于这些构件(18a，18b)的接触表面(38，40)是在到该柱形部分(16)的径向上的一个角度之下。

13.根据以上权利要求中任何一项所述的工具(10)，其特征在于该内孔(24)以及该芯件(26c)在垂直于纵轴线的方向上具有一个多边形截面。

14.根据权利要求13所述的工具(10)，其特征在于多边形是一个正方形。

15.根据权利要求13或14中任何一项所述的工具(10)，其特征在于该本体(14)是由多个构件(18c)形成，这些构件对应于该内孔(24)以及该芯件(26c)的多边形的边数，这样每一构件(18c)的一个平表面对应于该内孔(24)的多边形的被截顶的形状的一个所述的表面。

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