CN103121156A - 用于将套筒从孔移除的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于将套筒从孔移除的方法和装置，用于从在一个或多个元件（10）中形成的孔移除金属套筒（12）。套筒（12）可以是借助于过盈配合固定在孔中的冷胀的套筒（12）。该方法包括：借助于沿着一线切割（切割器26）到比套筒的厚度小的深度而从套筒（12）的内表面移除材料，以及随后从孔推压套筒（12）。

Description

用于将套筒从孔移除的方法和装置

技术领域

本发明涉及将套筒从孔移除的方法，并且涉及用于将套筒从孔移除的装置。更具体地但非排他性地，本发明涉及从飞行器结构中的孔移除金属套筒的方法，该套筒借助过盈配合固定在孔中，具体是借助冷作（cold-worked）套筒膨胀方法固定在孔中。本发明还涉及替换接纳在套筒中的固定件的方法和用于从孔移除金属套筒的装置。

背景技术

当固定元件与螺栓或其它穿过孔的固定件一起通过元件时，尤其是当元件由不同材料制成时，通常是提供例如为轴衬或轴承结构形式的套筒，以便使一个或多个元件内的孔形成有衬里。将套筒固定在孔内的一种方法是将套筒插入在孔中，然后在孔中冷胀该套筒。这样的技术用在“FTI”（美国西雅图的疲劳技术公司（Fatigue TechnologyInc））的GromEx^TM系统中。简而言之，接纳在部件的孔中的套筒借助液压拉出器单元（例如同样来自FTI的“Big Brute”Puller-PartNo.2720-008）而膨胀，该液压拉出器单元施加将芯轴拉动通过套筒的拉力，同时拉出器单元借助单元的鼻帽反作用拉力的至少一部分，该鼻帽抵靠部件的限定了孔的表面。然后，螺栓可以容纳在套筒内，以将部件固定到另一个元件或部件。在一些情况下，螺栓可以与套筒形成摩擦配合或过盈配合。

如果接纳在这样的套筒中的螺栓损坏而导致套筒的磨损或损坏，那么期望的是能够将套筒从孔移除，而不对围绕的材料造成损坏，使得替换套筒和螺栓可以插入到孔中。在一些情形下，能够同时移除螺栓和套筒。在螺栓和套筒固定地配合在孔中的其它情况下，较佳的是一次一个地移除套筒和螺栓。在这种情况下，螺栓通常可以通过能够施加足够的力（在例如航空的某些应用中通常超过10kN）的常规拉或推单元而容易地被移除。然后，可以移除套筒，但是所需的力被证明是较高的，例如在某些应用中大于50kN。已经发现的是，在某些情形下，移除套筒所需的力太高，而实际上无法采用现有设备所用的方法。这样的情形的实例包括例如试图移除长的套筒，或者试图移除在孔中已经膨胀的套筒，其中该孔延伸穿过多个元件，各个元件由具有不同硬度的不同材料制成。

本发明试图减轻上述问题。替代地或额外地，本发明试图提供将金属套筒从孔移除的改进的方法，该套筒借助过盈配合固定在孔中。

发明内容

根据第一个方面，本发明提供从孔移除金属套筒的方法，其中该方法包括：借助于沿着一线的加工（优选切割）而从套筒的内表面移除材料，以及随后从孔推压套筒。沿着该线的切割可以为利用划线工具沿着该线进行划线的形式。该方法的具体应用是，从飞行器结构（例如飞行器上的或用于飞行器的部件）中的孔移除套筒。

该方法的具体应用是，套筒已经借助于过盈配合固定在孔中，例如借助于将套筒冷胀在孔中。从套筒的内表面移除材料的步骤可能具有的优点在于，降低了过盈配合的效力和/或弱化了套筒，从而便于其随后的移除，而不会具有对围绕的材料（限定孔的材料）造成损坏的任何显著的风险。通过沿着一线的加工或切割从套筒的内表面移除材料可能具有的优点还在于，提供了容易地移除套筒的较为简单、快速和有效的方式。这样的方法的具体应用可以是利用这种孔-套筒布置的维护或维修方面，例如在飞行器维护领域中。

从套筒的内表面移除材料可能引起套筒的变形，从而易于其从孔移除。套筒的变形可能源自套筒在切割线的区域中被弱化以及形成孔的材料在套筒上的压缩力作用的组合。作为另外一种选择或除此之外，套筒的变形可能源自套筒中的内部应力（例如残余应力）。

有利地，借助于沿着该线切割到不大于套筒厚度、优选地小于套筒厚度的深度来执行从套筒的内表面移除材料的步骤。从套筒的内表面移除材料的步骤优选地包括沿着一线切割到不大于套筒厚度的90%，更优选地不大于80%。优选地，从套筒移除材料的步骤不涉及利用延伸穿过套筒的整个厚度的切割器进行切割。在期望再次使用同一个孔而不需要在再次使用之前修复孔的情况下，彻底穿过套筒的切割可能是不利的。优选地，该方法在从套筒移除材料和从孔移除套筒之间不包括切割到等于或大于套筒厚度的深度的任何步骤。

套筒优选地为一体式构造。套筒通常将具有两个敞开端部。套筒通常将具有第一端部，该第一端部沿轴向方向与第二端部相对。

从套筒的内表面移除材料的步骤可以包括以下步骤：使切割工具运动经过套筒的内表面，以便切割从套筒的第一端部延伸到第二端部的切割线。切割工具可以布置成在其切割时旋转，从而形成螺旋切割线。然而，为了简化和可靠起见，优选的是形成与套筒的轴线基本上平行的切割线。

一条切割线可能足以弱化套筒和/或弱化其与孔的附接。然而，可能需要在从孔推压套筒之前执行多个从套筒的内表面移除材料的步骤，例如以将已经形成的切割线切割到更深和/或在套筒中切割出多条离散的切割线。优选的是，不要从内表面移除材料到将被认为等同于切掉套筒或扩大套筒的程度。切掉或扩大套筒将出现使孔损坏的风险和/或消耗不必要的时间和能量。在某些应用中，孔的该区域中材料可能受到应力，和/或倾向于损坏，和/或具有的组合物或构造将使得即使微小损坏也是严重的问题，并且因此补救困难和/或昂贵。因此，优选的是，切割的距离之和（在单个套筒上执行该方法期间）小于套筒长度的6倍加上套筒周长的6倍之和。更优选地，切割的距离之和小于套筒长度的4倍加上套筒周长的4倍之和。

该方法可以使用不止一个切割工具。例如，第一切割工具可以用于从套筒移除材料的第一步骤，不同的第二切割工具可以用于从套筒移除材料的第二步骤。第一切割工具可以小于（切割到较浅的深度）第二切割工具。在某些应用中，使用两种不同的切割工具可能有利的是切割到基本上相同的深度。所述或每个切割工具优选地被布置成切割到单个预定的深度。

该方法的具体应用是，套筒为冷胀的套筒。冷胀的套筒是借助于通过冷作过程将套筒在原位置膨胀而已经配合到孔中的套筒。这样的过程通常在套筒和孔之间形成过盈配合。该方法可以包括借助这样的冷作套筒膨胀过程安装套筒的初始步骤。套筒可以具有内部残余应力，例如由冷作过程导致的应力。孔可以具有内部残余应力，例如由这样的冷作过程导致的应力。例如，孔的材料中的这种残余应力可以作用成克服套筒沿径向向外施加在限定孔的材料上的力而压缩套筒。因此，通过从套筒移除材料来弱化套筒可能在这样的力的作用下导致套筒的失效，由此方便从孔移除套筒。

孔可以由布置在层叠件中的多个不同的元件限定。在这种情形下，孔可以被认为穿过每个元件。不同的元件可以均由不同的材料制成。本发明特别应用于这样的情形，原因是套筒的膨胀程度、形成孔的材料的压缩以及随后套筒和孔材料的放松都将取决于限定孔的材料的组合物。在不同的材料形成孔的不同部分的情况下，套筒的形状及其与孔的相互作用可以根据限定孔的材料而沿着其长度稍稍变化。沿着套筒长度的这种变化可能使得推出套筒（不具有本发明的优点）更加困难，要求甚至更高而不太实用的推出载荷。例如，可能的情况是，某些碳纤维强化的塑性复合材料的松弛趋势比某些金属合金小。从而，如果需要从适度地紧密配合的合金区域到相对更紧密配合的CFRP区域移除套筒，那么在试图移除套筒之前不从套筒移除任何材料的情况下所需的推出力将会增大。

套筒的长度可以大于50mm。套筒的长度优选地大于75mm。套筒的长度可以大于100mm。套筒的直径可以大于15mm。套筒的直径优选地大于20mm。套筒的直径可以大于25mm。本发明的方法可以具有更多的应用，可以应用于套筒和孔之间接触表面积较大的情况。套筒的厚度可以在0.5mm到5mm之间。

优选地借助一装置执行从所述套筒的内表面移除材料的步骤，该装置施加拉力，所述拉力将切割工具拉过所述孔并且拉向所述孔的第一端部，而该装置借助于该装置的支撑结构作用所述拉力的至少一部分，所述支撑结构在所述孔的所述第一端部处抵靠限定所述孔的材料。

沿着该线进行切割的速度优选地小于10ms^-1，更优选地小于5ms^-1，并且可以小于1ms^-1。低的切割行进速度便于较好地控制切割并且降低损坏的风险。

根据本发明的第二个方面，还提供替换接纳在套筒中的固定件的方法，其包括以下步骤：通过执行根据如本文所述或要求保护的本发明第一个方面的方法来从孔移除套筒。本发明第二个方面的方法可以包括以下步骤：提供具有孔的结构，金属套筒借助于过盈配合固定在该孔中，该套筒贯穿地容纳固定件，从套筒移除固定件，移除套筒，将替换套筒配合在孔中，以及接下来将固定件配合在套筒中。配合在替换套筒中的固定件可以是替换固定件。固定件可以为螺栓的形式。固定件可以接纳在飞行器外挂架结构的孔中。可以借助于将套筒冷胀在孔中来执行将替换套筒配合在孔中的步骤。可以借助于一装置来执行将套筒冷胀在孔中。相同的装置还可以用在以下的步骤中：在移除套筒的方法期间从套筒的内表面移除材料。该方法可以作为例如在飞行器结构上的维护或维修过程的一部分而执行，无论在飞行器上还是与飞行器分离。

根据本发明的第三个方面，还提供用于执行根据本文所述或要求保护的本发明第一个或第二个方面的本发明方法的装置。该装置优选地包括切割工具。切割工具优选地可移除地安装在轴上。切割工具可以为切割头部的可移除地安装在轴上的部分。该装置的轴优选地被布置成沿轴的方向施加至少10kN的纵向力。该装置优选地能够施加至少50kN的纵向力，优选地为拉力。该装置可以形成用于执行本发明的方法的工具套件（或零件套件）的一个部分。装置可以例如设置有两个或更多个切割头部或切割工具。所述或每个切割头部可以包括切屑收集部分。轴可以包括或附接到适配器部分，以允许该轴连接到现有的载荷生成设备（例如液压拉出器单元）。

当然，应当理解，关于本发明的一个方面描述的特征可以结合到本发明的其它方面中。例如，本发明的方法可以结合有参考本发明的设备描述的任何特征，反之亦然。以举例的方式，（本发明的设备的）该装置可以包括支撑结构，例如鼻帽等，以用于在孔的第一端部处抵靠限定孔的材料，以作用拉动载荷。

附图说明

现在将参考附图，仅仅以举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1示出了孔中的套筒；

图2示出了根据本发明第一实施例的套筒移除装置的横截面，该套筒移除装置包括头部和轴；

图3a示出了第一实施例的装置的轴的横截面；

图3b示出了第一实施例的装置的头部的横截面；

图3c为头部的沿图3b中的线A-A截取的截面图；

图4到8为示出了根据第一实施例的方法使用套筒的截面图；and

图9和10示出了第二实施例的套筒移除方法。

具体实施方式

图1示出了飞行器结构10，在该飞行器结构10中形成有孔。在该孔中具有冷胀的奥氏体不锈钢套筒12，该套筒12借助过盈配合固定在孔中。借助将未膨胀的套筒插入到孔中，然后使金属膨胀而冷作金属，由此增大内径和外径这样的手段来产生过盈配合。这种冷作套筒系统的实例由美国西雅图401Andover Park East的疲劳技术公司以“Grom-Ex”的商标名提供。这样的套筒用来提供用于接纳螺栓或其它固定装置的轴衬。套筒可以通过利用液压拉出器单元使套筒膨胀而配合在孔中，液压拉出器单元施加拉力，该拉力将直径增大的芯轴拉过套筒，从而使套筒膨胀。

这种套筒系统的一种应用是提供将外挂架结构附接到飞行器的机翼结构的手段，同时还提供增强复合或局部复合的机翼结构中的雷击保护的手段。在这个实施例中，套筒的长度为大约100mm，直径为大约25mm。套筒的厚度为大约1mm。

图2示出了根据本发明第一实施例的套筒移除装置20，其用于将冷胀的金属套筒12从飞行器结构10移除。装置20包括轴22，轴22上借助螺纹配合件25（M12粗牙螺纹（course thread））安装有头部24。头部24包括切割工具刃部26，该切割刃部26与头部中的切屑收集部分28相邻。头部24和轴22都由“303型”不锈钢（由汽车工程师协会–SAE定义）制成。切割工具刃部26为涂覆有钛铝氮化物（TiAlN）的碳化物金属35度菱形双面车削插入件的形式，例如可得自Cromwell Tools Limited of 65 Chartwell Drive，Wigston，LeicesterLE181AT的Iscar’s“VNMG 12T304-NF INSERT GRADEIC907”插入件。

图3a和3b分别示出了彼此分离的轴22和头部24。参照图3a，轴22包括阳螺纹前端部25a，以用于附接头部。轴22在其另一端部处还包括适配器元件27，以用于附接到气动拉引工具。图3a所示的轴的长度为大约250mm。

参照图3b，头部24包括阴螺纹配合件25b，以用于方便将头部附接到轴22上的对应的阳配合件25a。头部24的外径基本上等于套筒12的内径，使得当头部24插入到套筒12中时在头部24和套筒12之间几乎没有游隙。头部为大约100mm长。

图3c为头部24的沿图3b所示的平面A-A截取的横截面图。所示的横截面图示出了头部的切割刃部26，该切割刃部26固定地紧固到头部24。

现在将参照图4到8描述根据第一实施例的套筒移除装置20的使用，这些图以示意性横截面示出了用于移除配合在飞行器部件10限定的孔中的冷作套筒12的方法的步骤。在这种情况下，飞行器部件为外挂架配合件，使得部件10上方的空间为燃料箱的内部，而部件10下方的空间为飞行器机翼的底侧下方的区域。

第一操作器（图中未示出）位于套筒12下方，第二操作器（图中未示出）位于套筒12上方，并且在燃料箱空间（倒空以用于进行维护）内。装置20的轴22经由适配器27附接到液压拉出器单元（在图中仅仅示出其鼻帽30），该液压拉出器单元为Big Brute Puller（PartNo.2720-008，来自FTI）的形式。然后，轴22由第一操作器向上穿过套筒12而进入飞行器箱孔口（见图4）。然后，第二操作器将工具的头部24螺纹连接到轴22（见图5）上并且将其定位到套筒12的唇缘12l的边缘上。然后，第一操作器定位和设定拉出器单元，使得头部24保持在套筒12的唇缘上，同时拉出器单元的鼻帽30接合部件10和套筒12的底侧。然后，启动拉出器单元，使得轴22和头部24（同时由此切割工具刃部26）被向下拉过套筒12，其中切割工具刃部26被牵引经过套筒12的内表面（见图6）。从而，切割刃部26在套筒12的侧壁中切割形成纵向凹槽，从而使其弱化。切割的凹槽的深度为大约0.5mm。从套筒移除的废弃材料（切屑）收集在切屑收集部分28中。然后，从部件10的底侧移除拉出器单元，如图7所示。从而，由于来自部件10的作用在套筒上的压缩力，所以结构上被弱化的套筒12变形，并且部分地脱落（如图7中示意性地示出），从而方便其移除。然后，脱落的套筒12可以利用手的力和尼龙芯轴或者利用也通过手在部件10下方原位置处作用的轻的牵伸力而被推出（见图8）。然后，可以移除头部24，以准备重复该方法，而将另一个套筒从不同的孔移除。

图9和10示出了根据第二实施例的移除套筒的方法。在这种情况下，部件10（见图9）为层叠件的形式，该层叠件包括三个独立的元件，也就是顶部钛层10a（外挂架结构）、中间CFRP层10b（机翼覆盖件）和底部铝合金层10c（载荷分散器）。层叠件的厚度为大约165mm。容纳在层叠件的孔中的套筒的直径为大约32mm，长度为大约165mm，壁厚度为大约1mm。由于形成层叠件的元件的不同材料的不同结构特性，所以套筒与每个元件的相互作用不同，这使其从孔移除更加困难。在不首先切割套筒的情况下，有可能需要大于250kN的力来单独通过力移除套筒。从而，根据第二实施例的方法需要沿着套筒12的长度切割若干个纵向凹槽，向下切割的深度为大约0.75mm（即套筒深度的75%）。

使用第一切割头部24a进行第一凹槽的切割（切割到0.5mm的深度），其中切割刃部26a构造为以与以上参照图4至7所述的完全相同的方式向下切割深度为0.5mm的凹槽。然后（即从图9所示的位置），重复该过程，使得再次加工第一凹槽，以使凹槽的深度变深。为此，用于第二切割头部24b替换第一切割头部24a，该第二切割头部24b被构造为向下切割深度为0.75mm的凹槽，如图10示意性地示出。从而，第一操作器松脱第一头部24a并且使得轴22返回穿过套筒12。然后，第二头部24b通过第二操作器附接到轴22并且随后被向下牵引穿过套筒，从而沿着其路径切割较深的凹槽。然后在围绕套筒的多个沿圆周间隔开的位置处重复该过程，以便在套筒中形成多个沿纵向加工的凹槽。以这种方式一次弱化的套筒容易变形，并且容易以小于100kN的纵向力推出。然而，仍然可能需要液压工具来帮助套筒的弹出。

在第三实施例中（未单独示出），在套筒的长度上沿纵向切割两条线，这两条线彼此相对（即围绕套筒间隔开大约180度）。在第三实施例中，第二操作器在其工作范围内在过程开始时具有两个切割头部，这两个切割头部均被构造为切割到相同的深度。（切割头部可以是基本上相同的。）于是，在单个套筒移除期间，第一操作器不需要将任何切割头部传递到第二操作器。然而，操作器中的一个或两个需要确保第二头部的切割刃部在与第一头部切割的凹槽大致相对的位置处切割凹槽。

第一、第二和第三实施例均涉及借助以受控的方式沿着一线切割到预先选择的深度而从套筒的内表面选择性地移除材料。从而，这些实施例提供以受控的简单且有效的方式从孔移除冷胀套筒的手段。

虽然已经参考具体实施例描述和示出了本发明，但是本领域技术人员应当理解，本发明自身具有本文中未具体示出的许多不同的变型。仅仅以举例的方式，现在将描述某些可能的变型。

在某些应用中，套筒中切割的凹槽的深度可能需要增大，以延伸到接近套筒的整个厚度。

凹槽的切割可以包括形成从凹槽的内表面移除的材料的多条线（例如三个或更多个），每条线仅仅加工一次。

第二实施例可以包括在进行切割之前将所有的线切割到指定的深度，如果相对于被加工的套筒需要的话，可以加工到更深的深度。

切割的线不需要平行于套筒的轴线。

容易理解的是，可以采用不同尺寸和几何形状的套筒和切割工具，并且材料可以根据应用而变化。

套筒不必是用于航空或航天应用中的套筒。

在前述说明中提及具有已知的、明显的或可预知的等效形式的整体和组成部分的情况下，这些等效形式作为单独列出的形式而结合在本文中。应当参考权利要求来确定本发明的真实范围，其应当被构造为包含任何这样的等效形式。读者还应当理解，描述为优选的、有利的、便利的等的本发明的整体或特征是任选的，并不限制独立权利要求的范围。此外，应当理解，这样任选的整体或特征虽然在本发明的一些实施例中可能是有利的，但是在其它实施例中可以不是期望的并且可以因此而不存在。

Claims (15)

1.一种将金属套筒从飞行器结构的孔中移除的方法，所述套筒借助过盈配合固定在所述孔中，其中所述方法包括以下步骤：

-通过沿着一线切割到比所述套筒的厚度小的深度而从所述套筒的内表面移除材料，以及

-随后从所述孔推压所述套筒。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述套筒具有第一端部，所述第一端部沿轴向方向与第二端部相对，从所述套筒的内表面移除材料的步骤包括以下步骤：使切割工具运动越过所述套筒的内表面，以便切割出从所述套筒的所述第一端部延伸到所述第二端部的切割线。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述切割工具切割出与所述套筒的轴线基本上平行的切割线。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括在执行从所述孔推压所述套筒的步骤之前，执行多个从所述套筒的内表面移除材料的步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个从所述套筒的内表面移除材料的步骤包括沿着切割线进行切割的第一步骤和更深地切割同一个切割线的第二步骤。

6.根据权利要求5所述的方法，其中利用第一切割工具执行形成切割线的第一步骤，并且利用不同的第二切割工具执行形成较深切割线的第二步骤。

7.根据权利要求4到6中任一项所述的方法，其中所述多个从所述套筒的内表面移除材料的步骤被执行为使得在所述套筒中形成多条离散的切割线。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述套筒为冷胀的套筒。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述孔由层叠布置的多个不同的元件限定，所述孔穿过每个元件，并且不同的元件均由不同的材料制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述套筒的长度大于50mm，直径大于15mm。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中借助一装置执行从所述套筒的内表面移除材料的步骤，该装置施加拉力，所述拉力将切割工具向所述孔的第一端部拉动通过所述孔，而该装置借助于该装置的支撑结构反作用所述拉力的至少一部分，所述支撑结构在所述孔的所述第一端部处抵靠限定所述孔的材料。

12.一种替换接纳在套筒中的固定件的方法，其中所述方法包括以下步骤：

-提供具有孔的结构，金属套筒借助过盈配合固定在所述孔中，所述套筒容纳贯穿该套筒的固定件，

-从所述套筒移除所述固定件，

-通过执行根据前述权利要求中任一项所述的方法将所述套筒从所述孔移除，

-将替换套筒配合在所述孔中，以及

-将固定件配合在所述替换套筒中。

13.根据引用权利要求11的权利要求12所述的替换固定件的方法，其中借助于将所述套筒利用所述装置冷胀在所述孔中来执行将替换套筒配合在所述孔中的步骤。

14.根据权利要求12或13所述的替换固定件的方法，其中所述套筒固定在飞行器结构的孔中。

15.根据权利要求12到14中任一项所述的替换固定件的方法，其中所述固定件为接纳在飞行器外挂架结构的孔中的螺栓，并且所述方法作为维护或维修过程的一部分执行。

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