KR20040029419A

KR20040029419A - 강성 및 성형성이 높은 리벳의 제조 방법

Info

Publication number: KR20040029419A
Application number: KR10-2004-7002067A
Authority: KR
Inventors: 리트윈스키에드워드; 투스키라마톨라에프.
Original assignee: 더 보잉 캄파니
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2003-05-01
Publication date: 2004-04-06
Also published as: JP2005519770A; EP1504133B1; US20040022603A1; CN1549869A; KR100583022B1; CN1295372C; ES2369006T3; US7534079B2; EP1504133A1; AU2003228810A1; US20030218053A2; US6854634B2; WO2003097889A1; US20040020967A1; US6843404B2

Abstract

성형성이 향상된 리벳을 제공한다. 리벳은 일단에 헤드를 갖는 섕크를 포함한다. 섕크 및 헤드는 정제된 입자 구조를 갖는다. 리벳은 먼저 소재 내에 정제된 입자 구조를 갖는 영역을 형성한 다음 리벳을 형성함으로써 정제된 입자 구조를 갖는 소재의 영역으로부터 제조된다. 정제된 입자 구조로 인하여 성형성, 강성, 인성, 내구성, 내부식성, 및 내피로성과 같은 기계적 성질이 향상된다. 리벳의 성형성이 향상됨으로써 리벳을 제조 및 설치하는 도중에 균열이 형성되어 퍼지는 현상이 감소된다.

Description

강성 및 성형성이 높은 리벳의 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING RIVETS HAVING HIGH STRENGTH AND FORMABILITY}

구조 어셈블리는 리벳과 같은 파스너를 사용하여 하나 이상의 구조 부재를 결합시켜 형성하는 것이 일반적이다. 중량 및 강성을 중요하게 고려해야 하는 항공 산업에 있어서, 구조 어셈블리의 조인트는 일반적으로 어셈블리의 수명이 다할 때까지 전단 응력, 압착 응력 및 장력 응력을 반복해서 받는다. 따라서, 리벳은 구조 어셈블리의 전체 중량에 악영향을 미치지 않고 양호한 기계적 강성 및 피로에 대한 내성을 가져야 한다. 또한, 구조 어셈블리는 습기 노출 및 온도 변동을 포함하는 주위 환경에 노출될 수 있기 때문에, 조인트는 부식 및 열 응력에 대한 양호한 내성을 가진 리벳으로 고정되어야 한다. 강성 및 중량 요구 조건을 해소하기 위하여, 종래의 리벳은 일반적으로 냉간 기계 가공으로 경화되거나 또는 침전 경화된 알루미늄 및 알루미늄 합금과 같은 강성 대 중량비가 높은 재료로 형성된다. 경량이며, 피로 및 부식에 대한 내성이 비교적 높은 다수의 고강성 알루미늄 합금을 이용할 수 있다는 점이 바람직하다. 불행하게도, 경화된 상태일 때, 고강성 알루미늄 합금은 리벳을 제조 및 설치하는 도중에 필요한 성형성이 부족할 수가 있으므로, 네킹(necking), 크래킹(cracking) 또는 테어링(tearing)에 의하여 불량으로끝날 수 있다.

불충분한 성형성과 관련된 문제를 해소하기 위하여, 리벳을 형성하는 제조 공정의 변형이 제안되었다. 상기 변형 중 한 가지는 연질 상태의 알루미늄 합금으로 리벳을 형성한 다음, 상기 리벳을 침전 경화에 의해 열처리하여 설치 및 사용하기 전에 리벳을 경화시킨다. 연질 상태의 알루미늄 합금의 성형성이 증가됨으로써 제조 도중에 네킹, 크래킹, 또는 테어링으로 인해 리벳이 불량으로 될 가능성이 감소된다. 그러나, 열처리는 리벳의 성형성을 감소시키게 되어, 전술한 바와 같이, 설치 도중에 불량을 야기할 수 있다. 또한, 열처리는 제조 도중에 추가의 단계를 거치게 됨으로써 리벳 및 얻어지는 구조 어셈블리의 제조 비용이 증가된다.

따라서, 리벳을 제조하는 개선된 방법이 필요하게 된다. 상기 방법은 리벳을 제조 및 설치하는 도중에 네킹, 크래킹, 또는 테어링의 가능성을 감소시키도록 높은 성형성을 갖는 리벳을 제공해야 한다. 또한, 상기 방법은 리벳 및 얻어진 구조 어셈블리의 제조 비용이 증가되지 않도록 비용 효율적이어야 한다. 또한, 리벳은 강성 대 중량비가 높고, 피로 및 부식에 대한 내성이 높을 뿐만 아니라 열 응력에 대한 내성을 가진 재료로 형성될 수 있어야 한다.

본 발명은 리벳에 관한 것으로서, 특히 강성 및 성형성이 높은 리벳의 제조 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 리벳으로 결합된 제1 및 제2 구조 부재를 포함하는 구조 어셈블리의 정면도이다.

도 2는 도 1의 구조 어셈블리의 평면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 리벳의 정면도이다.

도 4는 도 3의 리벳의 평면도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 리벳의 말단이 업셋된 후의 리벳의 정면도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 정제된 입자 구조를 갖는 영역을 형성하도록 소재를 마찰 휘젓기 용접하는데 사용된 마찰 휘젓기 용접 프로브의 사시도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 정제된 입자 구조를 갖는 소재의 사시도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 적어도 일부분이 정제된 입자 구조를 갖는 블랭크의 사시도이다.

도 9는 종래 기술에 공지된, AA 2017-T4 알루미늄 합금으로 형성된 리벳의 입자 구조를 대략 100배 확대시킨 흑백사진이다.

도 10은 종래 기술에 공지된, AA 2017-T4 알루미늄 합금으로 형성된 리벳의 입자 구조를 대략 500배 확대시킨 흑백사진이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, AA 2195-T6 알루미늄 합금으로 형성된 리벳의 정제된 입자 구조를 대략 100배 확대시킨 흑백사진이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, AA 2195-T6 알루미늄 합금으로 형성된 리벳의 정제된 입자 구조를 대략 500배 확대시킨 흑백사진이다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 결합을 위해 위치되고 리벳을 수용하는 애퍼춰를 형성하는 한 쌍의 구조 부재의 정면도이다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 13의 구조 부재에 의하여 형성된 애퍼춰 내에 삽입된 리벳의 정면도이다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른, 프레스에 위치된 도 14의 리벳의 정면도이다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른, 프레스에 의하여 부분적으로 업셋된 도 15의 리벳의 말단의 정면도이다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른, 프레스에 의하여 추가로 업셋된 도 16의 리벳의 말단의 정면도이다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 17의 리벳을 사용하여 구조 부재를 결합시켜 형성된 구조 어셈블리의 정면도이다.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 리벳 중 적어도 하나를 적어도 부분적으로 소모하는 기다란 용접 조인트에 의하여 결합된 구조 어셈블리의 평면도이다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른, 리벳의 제조 단계를 예시하는 흐름도이다.

도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 리벳의 제조 단계를 예시하는 흐름도이다.

본 발명은 리벳을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방법은 정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역을 형성하는 소재를제공하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 소재 제공 단계는 리벳의 치수를 결정하는 단계, 리벳의 치수에 따라 소재를 선택하는 단계, 및 정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역을 형성하도록 소재의 일부분을 마찰 휘젓기 용접(friction stir welding)하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 소재 제공 단계는 정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역을 형성하도록 회전형 마찰 휘젓기 용접 프로브를 소재 내에 삽입하는 단계를 포함한다. 회전형 마찰 휘젓기 용접 프로브는 정제된 입자 구조를 갖는 기다란 영역을 형성하도록 소정의 경로를 따라 소재를 관통하여 이동할 수 있다. 다음에, 정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역으로부터 블랭크(blank)를 제거한다. 일 실시예에서, 상기 블랭크 제거 단계는 정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역으로부터 블랭크를 펀칭하는 단계를 포함한다. 다음에, 블랭크가 리벳으로 형성된다. 일 실시예에서, 소재는 비정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역을 제거하도록 형성 단계에 이전에 기계 가공된다. 다른 실시예에서, 상기 형성 단계는 블랭크를 다이를 통해 압출 성형하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 형성 단계는 블랭크를 펀치로 스탬핑하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 제거 및 형성 단계는 반복된다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 리벳을 제조하는 방법은 소재를 제공하는 단계를 포함한다. 정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역이 소재에 형성된다. 일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 영역은 회전형 마찰 휘젓기 용접 프로브를 소재 내에 삽입하여 형성된다. 회전형 마찰 휘젓기 용접 프로브는 정제된입자 구조를 갖는 기다란 영역을 형성하도록 소정의 경로를 따라 이동할 수 있다. 제1 형성 단계에 이어서, 리벳은 정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역으로부터 형성된다. 일 실시예에서, 제2의 형성 단계는 정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역으로부터 블랭크를 제거하고, 상기 블랭크를 리벳으로 형성하는 단계를 포함한다. 상기 블랭크 제거 단계는 정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역으로부터 블랭크를 펀칭하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 블랭크는 상기 블랭크를 다이를 통해 압출 성형함으로써 리벳으로 형성된다. 다른 실시예에서, 블랭크는 상기 블랭크를 펀치로 스탬핑함으로써 리벳으로 형성된다. 또 다른 실시예에서, 상기 방법은 비정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역을 제거하도록 리벳을 형성하기 이전에 소재를 기계 가공하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 방법은 제2의 형성 단계를 반복하는 단계를 포함한다.

본 발명은 성형성이 향상된 리벳을 또한 제공한다. 리벳은 자신의 일단에 헤드를 갖는 섕크(shank)를 포함한다. 섕크 및 헤드는 입경이 실질적으로 약 5미크론 이하인 입자 구조를 포함한다. 일 실시예에서, 섕크 및 헤드는 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 또는 티타늄 합금을 포함한다. 다른 실시예에서, 헤드와 대향하는 섕크의 말단은 제2 헤드를 형성하도록 업셋되기에 적합하다.

본 발명은 제1 구조 부재, 및 경계면을 사이에 형성하도록 상기 제1 구조 부재에 인접하여 위치된 제2 구조 부재를 포함하는 구조 어셈블리를 또한 제공한다. 구조 어셈블리는 제1 및 제2 구조 부재를 경계면을 따라 적어도 부분적으로 결합시키는 적어도 하나의 리벳을 포함한다. 리벳은 입경이 실질적으로 약 5미크론 이하인 정제된 입자 구조를 포함한다. 제1 구조 부재 및 제2 구조 부재는 동일하거나 또는 동일하지 않은 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 구조 부재는 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 또는 티타늄 합금을 포함한다. 다른 실시예에서, 리벳은 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 또는 티타늄 합금을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 구조 부재는 제1 및 제2 구조 부재를 경계면을 따라 적어도 부분적으로 결합시키는 기다란 용접 조인트를 포함한다. 일 실시예에서, 기다란 용접 조인트는 상기 적어도 하나의 리벳 중 적어도 하나를 적어도 부분적으로 소모한다. 다른 실시예에서, 기다란 용접 조인트는 아크 용접 조인트, 저항 용접 조인트, 가스 용접 조인트, 또는 마찰 휘젓기 용접 조인트이다.

따라서, 셩형성이 향상된 리벳 및 상기 리벳을 제조하는 관련 방법을 제공한다. 상기 제조 방법은 항공 응용 분야의 구조 부재를 포함하는 구조 부재를 형성하도록 리벳을 비용 효율적으로 제조할 수 있다. 리벳은 성형성이 향상되어 리벳을 제조 및 설치하는 도중에 네킹, 크래킹, 또는 테어링을 감소시킨다. 또한, 리벳은 강성 대 중량비가 높고, 피로 및 부식에 대한 내성은 물론 열 응력에 대한 내성을 갖는 재료로 형성될 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 장점 및 특징과, 이들이 실행되는 방식은 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 예로 들어 개시한 다음의 상세한 설명으로부터 명백하게 이해할 수 있을 것이다.

다음에, 본 발명의 모두는 아니지만 일부의 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 실제로, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 본 명세서에 개시된 실시예에만 한정되는 것이 아니라, 이들 실시예는 상기 설명을 철저하고 완전하게 이해하도록 하고 당업자에게 본 발명의 범위를 충분하게 전달하도록 제공된 것이다. 동일 부재는 동일 도면 부호로 표기하였다.

도면, 특히 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조 어셈블리(1)가 예시되어 있다. 구조 어셈블리(1)는 제1 구조 부재(2), 및 경계면(6)이 사이에 형성되도록 상기 제1 구조 부재(2)에 인접하여 위치된 제2 구조 부재(3)를 포함한다. 구조 어셈블리(1)는 제1 및 제2 구조 부재(2, 3)를 함께 결합시키는 하나 이상의 리벳(4)을 포함한다. 구조 어셈블리(1)는 제1 및 제2 구조 부재(2, 3)를 관통하고 대응하는 리벳(4)을 수용하는 구조로 된 애퍼춰(5)를 또한 형성한다. 두 개의 구조 부재가 예시되어 있지만, 본 발명에 따라 함께 결합될 수 있는 구조 부재의 개수는 두 개에만 한정되지 않고, 한 개의 구조 부재 또는 세 개 이상의 구조 부재를 포함할 수 있다. 예를 들면, 일 실시예(도시되지 않음)에 따르면, 하나의 구조 부재 양쪽 말단이 함께 결합될 수 있다.

각각의 구조 부재(2, 3)는 하나의 소재로부터, 공지된 제조 수단을 통하여, 얻고자 하는 구조 어셈블리(1)의 특정 설계 하중 및 사양에 요구되는 소정의 형상및 두께로 기계 가공될 수 있다. 예를 들면, CNC 밀링 기계가 필요한 경우 각각의 구조 부재(2, 3)를 기계 가공하는데 사용될 수 있다. 구조 부재(2, 3)는 한정되지 않고 단지 예로서 플레이트, 블록, 튜브형 부재, 및 만곡형 부재를 포함하는 다양한 구성으로 제조될 수 있다. 마찬가지로, 구조 부재(2, 3)는 얻고자 하는 구조 어셈블리(1)의 특정 설계 하중 및 사양에 요구되는 다양한 재료로 형성될 수 있다. 구조 부재(2, 3)는 한정되지 않고 단지 예로서 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 티타늄 합급, 또는 스틸 합금을 포함하는 강성 대 중량비가 높은 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 도 13에 예시된 바와 같이, 구조 부재(2, 3)는 공지된 제조 방법, 즉 드릴링 또는 펀칭을 사용하여 각각이 대응하는 리벳(4)을 수용하는 구조로 된 애퍼춰(5)를 형성하도록 사전에 기계 가공된다. 각각의 애퍼춰(5)의 치수 및 구성은 대응하는 리벳(4)의 치수 및 구성에 좌우된다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 각각의 리벳(4)은 헤드(11) 및 상기 헤드로부터 연장되는 섕크(10)를 갖는다. 도 14에 예시된 바와 같이, 각각의 리벳(4)의 섕크(10)는 제1 및 제2 구조 부재(2, 3)에 의하여 형성된 대응하는 애퍼춰(5)를 관통하는 구조로 된다. 리벳(4)의 헤드(11) 직경은 섕크(10)가 관통하는 제1 구조 부재(2)의 애퍼춰(5)보다 더 크다. 헤드(11)와 대향하는 섕크(10)의 말단(14)은 제1 및 제2 구조 부재(2, 3)에 의하여 형성된 대응하는 애퍼춰(5)를 관통하여 삽입되는 구조로 되고, 도 5 및 도 18에 예시된 바와 같이, 제2 헤드(12)를 형성하도록 업셋되는 구조로 된 캐버티(13)를 형성함으로써, 제1 및 제2 구조 부재를 적어도 부분적으로 함께 결합시킨다. 구조 부재를 결합시키는데 사용된 리벳(4)의 개수는구조 어셈블리(1)의 특정 설계 하중 및 사양에 좌우된다. 세 개 이상의 구조 부재를 갖는 구조 어셈블리에 있어서, 각각의 리벳(4)은 두 개 이상의 구조 부재를 결합시킬 수 있다.

리벳(4)은 정제된 입자 구조, 바람직하기로는 입경이 약 0.0002인치(대략 5미크론) 이하인 정제된 입자 구조를 갖도록 금속 또는 금속 합금으로 형성된다. 보다 바람직하기로는, 리벳은 일 실시예에 있어서는 필수적으로 또는 다른 실시예에 있어서는 실질적으로 입경의 크기가 대략 0.0001 내지 대략 0.0002인치(대략 3 내지 5미크론)의 범위 내의 정제된 입자 구조로 구성되고 등변 형상을 갖도록 금속 또는 금속 합금으로 형성된다. 도 6에 예시된 바와 같이, 정제된 입자 구조는 소재(20) 중 적어도 일부분을 비소모성 회전형 마찰 휘젓기 용접 프로브(19)로 혼합 또는 휘젓기하여 형성된다. 소재(20)는 상기 소재(20)로부터 형성될 리벳(4)의 개수 및 치수와 리벳의 재료 성질 요구 조건에 따라 선택되는 재료 저장품일 수 있다. 리벳(4), 즉 소재(20)는 얻고자 하는 구조 어셈블리(1)의 특정 설계 하중, 환경 조건,및 사양에 요구되는 대로 다양한 재료로부터 형성될 수 있다.

소재(20)를 혼합하기 위하여, 소재를 종래의 클램프(도시되지 않음)로 마찰 휘젓기 용접 기계의 작업대에 먼저 고정시킨다. 마찰 휘젓기 용접 프로브(19)를 마찰 휘젓기 용접 기계의 회전가능 스핀들(18)에 부착시킨다. 마찰 휘젓기 용접 기계는 스핀들(18)을 회전시킴으로써 프로브(19)를, 예를 들면, 화살표(24)로 표시된 방향으로 회전시키는 드릴 또는 밀링 기계(도시되지 않음)와 같은 장치를 포함할 수 있다. 회전가능 스핀들(18)은 소재(20)의 표면과 평행, 예를 들면,화살표(25)로 표시된 방향으로 프로브(19)를 이동시키기에 적합한 것이 바람직하다. 마찰 휘젓기 용접 프로브(19)는 소재(20)의 외면을 강제로 관통되기 때문에, 프로브(19)와 소재(20) 사이에 마찰이 발생된다. 회전형 프로브(19)를 수용하도록 개구가 소재(20)의 외면에 사전 드릴링되거나 또는 태핑될 수 있지만, 회전형 프로브(19)는 소재의 외면 내로 직접 밀어 넣어지는 것이 바람직하다. 마찰은 프로브(19)에 근접한 소재(20)의 일부분을 가소화시키기에 충분한 열에너지를 발생시킨다. 보다 구체적으로, 프로브가 소재(20) 내에 삽입되면, 회전형 프로브(19)는 소재(20)의 외면과 평행인 전단 작용에 의하여 프로브(19)의 쇼울더(19a) 하측을 혼합시킨다. 또한, 회전형 프로브(19)는 프로브 축과 평행인 프로브(19)의 나사산을 가진 부분 둘레를 혼합시킨다. 마찰 휘젓기 용접을 일반적으로 설명하기 위하여 토머스 외에 허여된 미합중국 특허 제5,460,317호를 참조하고, 상기 특허의 내용 전부를 참조하여 결합시켰다. 프로브(19)는 소재(20) 전체에 걸치거나 또는 소재(20)의 특정 영역 또는 영역들(21)을 마찰 휘젓기 용접 또는 혼합하도록 선택되는 소정의 경로를 따라 일정하지 않게 이동될 수 있다. 냉간 시, 회전형 프로브(19)에 의하여 혼합된 소재(20)의 영역 또는 영역들(21)은 강성, 인성, 내구성, 내피로성, 및 내부식성이 향상된 정제된 입자 구조를 가짐으로써 재료에 균열이 형성되어 퍼지는 것이 방지된다. 따라서, 소재(20)에는 정제된 입자 구조를 갖는 소재(20)의 적어도 하나의 영역이 형성된다.

전술한 바와 같이, 회전형 프로브(19)는 소재(20)의 특정 영역 또는 영역들(21)을 마찰 휘젓기 용접 또는 혼합하는데 사용될 수 있거나, 또는 다른 실시예(도시되지 않음)에서는, 회전형 프로브(19)는 소재(20) 모두 또는 대체적으로 모두를 마찰 휘젓기 용접 또는 혼합하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 출원의 양수인은 발명의 명칭 "정제된 입자 구조를 제조하는 방법 및 장치"로 동시 출원된 공동 소유인 미합중국 특허출원 제 호에 개시된 바와 같이 소재의 입자 구조를 정제하는 방법 및 장치를 개발하였고, 상기 출원의 내용 전부를 참조하여 본 명세서에 결합시켰다.

도 7 및 도 8에 예시된 바와 같이, 비정제된 입자 구조를 갖는 소재(20)의 영역 또는 영역들(22)은, 예를 들면, 소재(20)를 기계 가공함으로써 소재(20)로부터 제거될 수 있어 정제된 입자 구조를 갖는 소재(20)의 영역 또는 영역들을 실질적으로 포함하는 블랭크(23)를 형성하게 된다. 또한, 블랭크(23)는 정제된 입자 구조를 갖는 소재(20)의 영역 또는 영역들(21)로부터 블랭크를 펀칭함으로써 형성될 수 있다. 리벳(4)은, 당해 기술에 공지된 바와 같이, 소재(20) 또는 블랭크(23)로부터 스탬핑, 펀칭, 압출 성형, 또는 밀링될 수 있다. 예를 들면, 리벳(4)은 블랭크(23)를 다이를 통해 압출 성형하거나 또는 블랭크(23)를 펀치로 스탬핑하여 형성될 수 있다. 리벳(4)이 비용 효율적으로 제조될 수 있도록 하나의 블랭크(23)를 사용하여 다수의 리벳(4)을 형성하는 것이 바람직하다.

도 11 및 도 12를 참조하면, AA 2195-T6 알루미늄 합금을 사용하여 본 발명에 따라 형성된 리벳(4)의 정제된 입자 구조의 100배 및 500배 확대도가 각각 예시되어 있다. 반대로, 도 9 및 도 10은 AA 2017-T4 알루미늄 합금으로 형성된 종래의 리벳 입자 구조의 100배 및 500배 확대도가 예시되어 있다. 본 발명에 따라 형성된 리벳(4)은 균열이 형성되어 퍼지는 것을 방지하는 정제된 입자 구조, 즉 제조 및 설치 도중에 네킹, 크래킹, 또는 테어링에 견딜 수 있도록 성형성이 향상된 정제된 입자 구조를 갖는 것이 바람직하다. 임의의 특정 이론으로 한정하려는 것은 아니지만, 본 발명에 따라 리벳(4)을 형성하는 정제된 입자 구조 또는 미립자 구조는 변위 동작을 제공하는 총 입자 경계 면적이 더 크기 때문에 종래의 리벳을 형성하는데 사용된 비정제된 입자 구조 또는 굵은 입자 재료보다 성형성이 더 양호하다. 이것은 냉간 작업으로 야기되는 입경과 성형성 간의 종래의 관계에 반하는 것으로서, 냉간 작업은 강성은 증가되고 입경은 정교하게 되지만 성형성은 감소된다.

도 13 내지 도 18을 참조하면, 구조 어셈블리(1)는 구조 부재(2, 3)가 이들 사이에 경계면(6)을 형성하도록 제1 구조 부재(2)를 제2 구조 부재(3)에 대하여 위치시켜 구성된다. 애퍼춰 또는 애퍼춰들(5)은, 도 13에 예시된 바와 같이, 예를 들어 드릴링에 의하여 구조 부재(2, 3) 내에 형성된다. 애퍼춰(5)는 구조 부재(2, 3)를 서로에 대하여 위치시키기 이전이나 이후에 형성될 수 있다. 구조 부재(2, 3) 내에 형성된 애퍼춰(5)의 개수는 구조 부재(2, 3)를 결합시키는데 사용될 리벳(4)의 개수에 따라 정해진다. 도 14에 예시된 바와 같이, 각각의 리벳(4)의 섕크(10)는 제1 및 제2 구조 부재(2, 3)에 의하여 형성된 대응하는 애퍼춰(5) 내에 삽입 및 관통되어, 캐버티(13)를 형성하는 섕크(10)의 말단(14)이 제2 구조 부재(3)의 애퍼춰로부터 연장된다.

캐버티(13)를 형성하는 섕크(10)의 말단(14)은 "업셋팅"이라고 알려진 공정에서 변형된다. 한 가지 업셋팅 방법에 있어서, 섕크(10)의 말단(14)은 압착력을섕크(10)에 인가함으로써 변형된다. 예를 들면, 도 15 내지 도 18에 화살표(16a, 16b)로 예시된 바와 같이, 프레스(15)가 섕크(10)의 말단(14) 및 리벳(4)의 헤드(11)에 압착력을 인가하는데 사용될 수 있다. 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 프레스(15)에 의하여 인가된 힘은 섕크(10)의 말단(14) 및 상기 말단 내에 형성된 캐버티(13)를 압착하여 변형 또는 "업셋"시킨다. 섕크(10)의 말단이 변형됨으로써, 도 18에 예시된 바와 같이, 말단(14)의 직경을 증가시켜 제2 헤드(12)를 형성한다. 제2 헤드(12)의 직경은 리벳(4)이 제1 및 제2 구조 부재(2, 3)를 결합시켜 구조 어셈블리(1)를 형성하도록 제2 구조 부재(3)의 대응하는 애퍼춰(5)의 직경보다 더 크다. 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 다른 방법 및 장치를 사용하여 리벳(4)의 섕크(10)의 말단(14)을 업셋팅할 수 있다. 예를 들면, 리벳(4)은 종래의 리벳 건(rivet gun)(도시되지 않음)을 사용하여 설치될 수 있다.

전술한 다른 장점 외에, 본 발명의 리벳(4)은 구조 부재(2, 3)를 결합시키는 다른 공지된 방법에도 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 19에 도시된 바와 같이, 기다란 용접 조인트(25)가 구조 어셈블리(1)를 형성하기 위하여 구조 부재(2, 3)를 적어도 부분적으로 결합시키도록 형성될 수 있다. 용접 조인트(25)는 아크 용접, 저항 용접, 가스 용접, 및 마찰 용접을 포함하는 여러 가지 방법으로 형성될 수 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 기다란 용접 조인트(25)는 하나 이상의 리벳(4)을 소모할 수 있다.

기다란 용접 조인트(25)가 마찰 휘젓기 용접 조인트를 포함하는 경우, 구조 부재(2, 3)는 유사하거나 또는 유사하지 않은 금속 중 어느 한 가지로 형성될 수있다. 바람직하기로는, 구조 부재(2, 3)는 마찰 휘젓기 용접 및 리벳(4)에 의하여 결합되기 때문에, 구조 부재(2, 3)는 종래의 융해 용접 기술에 의하여 결합시키기에 용접이 불가능하거나 또는 비경제적일 수 있는 유사하지 않은 금속으로 형성될 수 있다. 용접이 불가능한 재료는, 종래의 융해 용접 기술로 결합시킬 때, 용접이 경화되는 도중에 균열되기 쉬운 비교적 약한 용접 조인트를 형성하게 된다. 상기 재료에는 알루미늄 및 일부 알루미늄 합금, 특히 AA 시리즈 2000 및 7000 합금이 포함된다. 마찰 휘젓기 용접 및 리벳(4)을 사용함으로써 용접이 불가능한 재료로 형성된 구조 부재(2, 3)가 단단하게 결합될 수 있다. 또한, 마찰 휘젓기 용접 및 리벳(4)은 용접가능한 재료를 다른 용접가능 재료 및 용접 가능하지 않은 재료에 단단하게 결합시키는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 구조 부재(2, 3) 중 하나 또는 양자 모두는 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 또는 티타늄 합금으로 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 상기 실시예에 있어서, 구조 부재(2, 3)를 형성하는 재료는 경량이고 강성이 높은 다양한 금속 및 합금으로부터 선택될 수 있으므로 항공 산업에서 매우 중요한 관심사인 얻고자 하는 구조 어셈블리(1)의 전체 중량을 용이하게 감소시킬 수 있다.

다음에 도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른, 리벳을 제조하는데 실행되는 동작이 예시되어 있다. 상기 방법은 정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역을 형성하는 소재를 제공하는 단계를 포함한다. 블록(30)을 참조하라. 일 실시예에 있어서, 상기 소재 제공 단계는 리벳의 치수를 결정하는 단계, 상기 리벳의 치수에 따라 소재를 선택하는 단계, 및 정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역을 형성하도록 상기 소재의 일부분을 마찰 휘젓기 용접하는 단계를 포함한다. 블록(32, 32, 33)을 참조하라. 다른 실시예에 있어서, 상기 소재 제공 단계는 정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역을 형성하도록 회전형 마찰 휘젓기 용접 프로브를 소재 내에 삽입하는 단계를 포함한다. 블록(34)을 참조하라. 회전형 마찰 휘젓기 용접 프로브는 소정의 경로를 따라 소재를 관통하여 이동될 수 있다. 블록(35)을 참조하라. 상기 방법은 정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역으로부터 블랭크를 제거하는 단계를 포함한다. 블록(36)을 참조하라. 일 실시예에 있어서, 소재는 비정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역을 제거하도록 기계 가공된다. 블록(37)을 참조하라. 다른 실시예에 있어서, 블랭크는 정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역으로부터 펀칭된다. 블록(38)을 참조하라. 다음에, 블랭크는 리벳으로 형성된다. 블록(39)을 참조하라. 일 실시예에 있어서, 상기 형성 단계는 다이를 통해 블랭크를 압출 성형하는 단계를 포함한다. 블록(40)을 참조하라. 다른 실시예에 있어서, 상기 형성 단계는 블랭크를 펀치로 스탬핑하는 단계를 포함한다. 블록(41)을 참조하라. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 제거 및 형성 단계는 추가의 리벳을 형성하도록 반복된다. 블록(42)을 참조하라.

다음에 도 21을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리벳을 제조하는데 실행되는 동작이 예시되어 있다. 상기 방법은 소재를 제공하는 단계를 포함한다. 블록(50)을 참조하라. 정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역이 소재 내에 형성된다. 블록(51)을 참조하라. 일 실시예에 있어서, 상기 형성 단계는 회전형마찰 휘젓기 용접 프로브를 소재 내에 삽입하는 단계를 포함한다. 또한 상기 방법은 회전형 마찰 휘젓기 용접 프로브를 소정의 경로를 따라 이동시키는 단계를 포함한다. 블록(53)을 참조하라. 다른 실시예에 있어서, 소재는 비정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역을 제거하도록 기계 가공된다. 블록(54)을 참조하라. 리벳이 정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역으로부터 형성된다. 블록(55)을 참조하라. 일 실시예에 있어서, 리벳을 형성하는 단계는 정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역으로부터 블랭크를 제거하는 단계를 포함한다. 블록(56)을 참조하라. 상기 제거 단계는 정제된 입자 구조를 갖는 소재의 적어도 하나의 영역으로부터 블랭크를 펀칭하는 단계를 포함할 수 있다. 블록(57)을 참조하라. 다음에 블랭크는 리벳으로 형성된다. 블록(58)을 참조하라. 일 실시예에 있어서, 리벳은 다이를 통해 블랭크를 압출 성형하여 형성된다. 블록(59)을 참조하라. 다른 실시예에 있어서, 리벳은 블랭크를 펀치로 스탬핑함으로써 형성된다. 블록(60)을 참조하라. 리벳의 형성 단계는 추가의 리벳을 형성하도록 반복된다. 블록(61)을 참조하라.

본 발명의 여러 가지 변형 및 다른 실시예는 상세한 설명 및 첨부 도면에 나타낸 지침의 장점을 갖는 본 발명 관련 기술 분야의 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정의 실시예에만 한정되지 않고 다른 변형 및 실시예도 특허청구범위 내에 포함되는 것이다. 본 명세서에는 특정 용어가 사용되었지만, 이들 용어는 한정하기 위한 의도가 아니라 단지 설명을 위한 일반적인 의미로 사용되었다.

Claims

리벳을 제조하는 방법에 있어서,

정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역을 형성하는 소재(workpiece)를 제공하는 단계,

정제된 입자 구조를 갖는 상기 소재의 상기 적어도 하나의 영역으로부터 블랭크를 제거하는 단계, 및

상기 블랭크를 리벳으로 형성하는 단계

를 포함하는 리벳 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 블랭크 제거 단계는 정제된 입자 구조를 갖는 상기 소재의 상기 적어도 하나의 영역으로부터 상기 블랭크를 펀칭하는 단계를 포함하는 리벳 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 소재 제공 단계는

상기 리벳의 치수를 결정하는 단계,

상기 리벳의 치수에 따라 상기 소재를 선택하는 단계, 및

정제된 입자 구조를 갖는 상기 적어도 하나의 영역을 형성하도록 상기 소재의 일부분을 마찰 휘젓기 용접하는 단계

를 포함하는 리벳 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 소재 제공 단계는

정제된 입자 구조를 갖는 상기 적어도 하나의 영역을 형성하도록 회전형 마찰 휘젓기 용접 프로브를 상기 소재 내에 삽입하는 단계를 포함하는 리벳 제조 방법.
제4항에 있어서,

상기 회전형 마찰 휘젓기 용접 프로브를 소정의 경로를 따라 상기 소재를 관통하여 이동시키는 단계를 더 포함하는 리벳 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 리벳 형성 단계는 상기 블랭크를 다이를 통해 압출 성형하는 단계를 포함하는 리벳 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 리벳 형성 단계는 상기 블랭크를 펀치로 스탬핑하는 단계를 포함하는 리벳 제조 방법.
제1항에 있어서,

비정제된 입자 구조를 갖는 상기 소재의 적어도 하나의 영역을 제거하기 위하여 상기 리벳 형성 단계 이전에 상기 소재를 기계 가공하는 단계를 더 포함하는 리벳 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 블랭크 제거 및 상기 리벳 형성 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 리벳 제조 방법.
리벳을 제조하는 방법에 있어서,

소재를 제공하는 단계,

상기 소재에 정제된 입자 구조를 갖는 적어도 하나의 영역을 형성하는 단계, 및

상기 영역 형성 단계에 이어서, 정제된 입자 구조를 갖는 상기 적어도 하나의 영역으로부터 리벳을 형성하는 단계

를 포함하는 리벳 제조 방법.
제10항에 있어서,

상기 영역 형성 단계는 회전형 마찰 휘젓기 용접 프로브를 상기 소재 내에 삽입하는 단계를 포함하는 리벳 제조 방법.
제11항에 있어서,

상기 회전형 마찰 휘젓기 용접프로브를 소정의 경로를 따라 이동시키는 단계를 더 포함하는 리벳 제조 방법.
제10항에 있어서,

상기 리벳 형성 단계는

정제된 입자 구조를 갖는 상기 소재의 상기 적어도 하나의 영역으로부터 블랭크를 제거하는 단계, 및

상기 블랭크를 리벳으로 형성하는 단계

를 포함하는 리벳 제조 방법.
제13항에 있어서,

상기 블랭크 제거 단계는 정제된 입자 구조를 갖는 상기 소재의 상기 적어도 하나의 영역으로부터 상기 블랭크를 펀칭하는 단계를 포함하는 리벳 제조 방법.
제13항에 있어서,

상기 블랭크를 리벳으로 형성하는 단계는 상기 블랭크를 다이를 통해 압출 성형하는 단계를 포함하는 리벳 제조 방법.
제13항에 있어서,

상기 블랭크를 리벳으로 형성하는 단계는 상기 블랭크를 펀치로 스탬핑하는 단계를 포함하는 리벳 제조 방법.
제10항에 있어서,

비정제된 입자 구조를 갖는 상기 소재의 적어도 하나의 영역을 제거하기 위하여 상기 리벳 형성 단계 이전에 상기 소재를 기계 가공하는 단계를 더 포함하는 리벳 제조 방법.
제10항에 있어서,

상기 리벳 형성 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 리벳 제조 방법.
자신의 일단에 헤드를 갖는 섕크를 포함하고,

상기 섕크 및 상기 헤드는 실질적으로 약 5 미크론 이하의 입경을 갖는 입자 구조를 포함하는

리벳.
제19항에 있어서,

상기 섕크 및 상기 헤드는 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 및 티타늄 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 재료를 포함하는 리벳.
제19항에 있어서,

상기 헤드와 대향하는 상기 섕크의 말단은 제2 헤드를 형성하도록 업셋(upset)되기에 적합한 리벳.
제1 구조 부재,

상기 제1 구조 부재에 인접하여 위치되며 자신과의 사이에 경계면을 형성하는 제2 구조 부재, 및

상기 제1 및 제2 구조 부재를 상기 경계면을 따라 적어도 부분적으로 결합시키는 적어도 하나의 리벳

을 포함하고,

상기 적어도 하나의 리벳은 실질적으로 약 5 미크론 이하의 입경을 갖는 정제된 입자 구조를 포함하는

구조 어셈블리.
제22항에 있어서,

상기 제1 구조 부재 및 상기 제2 구조 부재는 상이한 재료를 포함하는 구조 어셈블리.
제22항에 있어서,

상기 제1 구조 부재 및 상기 제2 구조 부재는 동일한 재료를 포함하는 구조 어셈블리.
제22항에 있어서,

상기 적어도 하나의 리벳은 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 및 티타늄 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 재료를 포함하는 구조 어셈블리.
제22항에 있어서,

상기 제1 및 제2 구조 부재 중 적어도 하나는 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 및 티타늄 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 재료를 포함하는 구조 어셈블리.
제22항에 있어서,

상기 제1 및 제2 구조 부재를 상기 경계면을 따라 적어도 부분적으로 결합시키는 기다란 용접 조인트를 더 포함하는 구조 어셈블리.
제27항에 있어서,

상기 기다란 용접 조인트는 상기 적어도 하나의 리벳 중 적어도 하나를 적어도 부분적으로 소모하는 구조 어셈블리.
제27항에 있어서,

상기 기다란 용접 조인트는 아크 용접 조인트, 저항 용접 조인트, 가스 용접 조인트, 및 마찰 휘젓기 용접 조인트로 이루어지는 군에서 선택된 용접 조인트를 포함하는 구조 어셈블리.