NO163643B

NO163643B - Framgangsmaate for aa sammenfoeye flere materiallag.

Info

Publication number: NO163643B
Application number: NO843288A
Authority: NO
Inventors: Larry Salter
Original assignee: Larry Salter; Briles Paul R
Priority date: 1983-08-22
Filing date: 1984-08-17
Publication date: 1990-03-19
Also published as: DK398784A; US4974989A; NO163643C; IT8483625A0; IT1199598B; FR2551147B1; ES535312A0; DK398784D0; SE8404150L; JPS6060313A; DE3430914C2; ES296385U; SE8404150D0; JPH0240122B2; IL72698A0; GB2145492A; GB8400969D0; FR2551147A1; SE459272B; NO843288L

Description

Denne oppfinnelsen vedrører en framgangsmåte i samsvar med innledningen til patentkrav 1, for å sammenføye flere lag av materialer.

Det er kjent å bruke ei konisk boring og en konisk bolt for å skape forspenning ved fastgjøring av en lagdannelse av materialer, f.eks. fea US-PS 3.270.410. I dette patentskriftet beskrives bruk av en konisk boring i en lagdannelse av forskjellige metaller som opptar en bolt med samme konisitet som boringa. Dette patentskriftet beskriver en anordning og en framgangsmåte for å forspenne den koniske boringa for å oppnå en jevnere og mer nøyaktig sikring av mater ialene.

Innholdet i dette patentskriftet er vel kjent og brukes for å oppnå sammenpasning mellom en konisk bolt og ei konisk boring, hvor bolten og boringa har samme konisitet.

Visse forbedringer er gjort, f.eks. i US-PS 4.048.898.

I dette patentskriftet blir monteringen av et festeorgan til lagsammenstillingen forenklet ved å lage ei hylse med utvendig ens diameter og innvendig konisitet tilpasset

> konisiteten til en bolt som skal innsettes. Monteringen på bruksstedet ble forenklet ved at det bare var nødvendig å bore et hull med en bestemt diameter i lagsammenstillingen og at det komplette settet av hylse og bolt blir innsatt i sammenstillingen med den koniske bolten innsatt, for å skape i forspenning i den koniske boringa ved utvidelse av hylsa når bolten skrues fast. Monteringen ble gjort mer nøyaktig, fordi hylsa og bolten kan bearbeides nøyaktig under

tilvirkningstoleranser i et maskinverksted, mens sluttmonter-ingen bate krevet at det bare skal bores et tett hull. Dette opplegget fjerner behovet for boring av et konisk hull på stedet, noe som klart er kostbart, vanskelig og tidkrevende, og i beste fall uproduktivt. Det finnes ei rekke andre festeorganer som utnytter ei konisk boring og en konisk bolt, såsom US-patentskrifter 2.525.117, 3.034.611 og 3.271.058

for å nevne noen. I alle disse tilfellene med ei konisk boring og en konisk bolt, har konisiteten vætt konstant for å fastlegge et gitt inngrep som skulle være konstant over hele bolten fra den største til den minste diameteren. Kjente organ av dette slag utnytter derfor ei konisk boring som samvirker med en konisk bolt, hvor bolt og boring har samme konisitet. Opplegget med å bruke en gitt konisitet, målt i mm, uavhengig av diameteren, vil resultere i et gitt inngrep mellom boringa og bolten, uten hensyn til materialets elastiske egenskaper.

Monteringen av den koniske bolten krever ei monterings-ktaft som må overvinne inngrepet mellom hele stammen til den koniske bolten og hele hullflata, som er i direkte kontakt. For en gitt boltdiamter er monteringskrafta styrt og begrenset av det festeelementet som brukes, såsom gjengene på den nederste delen av bolten. Denne begrensningen bestemmes av diameteren på bolten. Dette vil naturligvis begrense inngrepet mellom den koniske bolten og den koniske boringa til en minimumsverdi på f.eks. 0,0025, som er en nominell verdi, når et ingrep ("intetference") på f.eks. 0,020 til 0,025 cm burde brukes. Med andre ord, avhengig av diameteren, vil den nødvendige ekstra monteringskrafta hindre fordelingen av inngrep på bestemte steder og følgelig danne begrensninger i bruken av bolten for en lagdannelse med mange lag. Fra GB-PS 1.178.293 og GB-PS 1.524.866 er kjent framgangsmåter for montering av bolt, der forbindelsen dannes ved at det bores et hull, en konisk bolt settes inn, og mutteren trekkes til. I disse kjente framgangsmåter beskrives ikke utvelgelsen av konisitetsforholdet mellom tapp og boring.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å skape en framgangsmåte for å sammenføye flere lag av materialer, uten de ulemper som forefinnes ved kjent teknikk.

Ifølge oppfinnelsen kan dette oppnås ved framgangsmåten i samsvar med den karakteriserende delen av patentkrav 1. Fordi kontakten mellom den koniske bolten og den koniske boringa bare vil finne sted ved en bestemt diameter og ikke over hele boringa, vil monteringskreftene bli lavere og det vil derfor være mulig å oppnå et bedre inngrep og anleggskontakt opp mot 100% ved montering mellom den koniske bolten og den koniske boringa og uten de høye monteringskreftene som er kjent fra tidligere bolter.

Fordelene ved oppfinnelsen oppnås ved å påføre en trinnvis stigende ekspansjonskraft på den koniske boringa, hvilket krever lavere monteringskraft enn når en forsøker å påføre ei ekspansjonskraft langs hele boltstammen i anlegg med ei konisk boring.

Ved gjennomføringen av framgangsmåten ifølge oppfinnelsen blir det laget ei konisk boring gjennom laget eller lagene av materialer som skal festes. I et utførelseseksempel er lagene vanligvis en stabel ellet lagsammenstilling av forskjellige metaller, såsom aluminium, titan og ikke-metaller, såsom sammensetninger ("composities"). En trinnvis kraftstigning påføres materialsammenstillingen over hovedsakelig hele dybden av boringa inntil det har skjedd en permanent deformasjon av boringa. Ifølge oppfinnelsen oppnås deformasjon ved å bruke en konisk bolt som har en konisitet forskjellig fra boringa i materialet. Denne konisiteten kan være større eller mindre enn konisiteten til boringa.

En konisk bolt eller tapp med en konisitet større enn konisiteten i boringa velges når en ønsker å øke utvidelsen av den største diameteren i boringa i materialet.

En konisk bolt eller tapp med en konisitet mindre enn boringa velges når en ønsker å øke utvidelsen av den minste diameteren i boringa.

Den koniske bolten ellet tappen blir innsatt i boringa for å gi inngrepspasning mellom bolten og boringa, slik at materiallagene forspennes selektivt på bestemte deler av boringa. Denne forskjellen i konisitet kan dermed utnyttes for å oppnå et meget godt anlegg over hele boringa, noe som eliminerer kostbar tilvirkning av hull.

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet ytterligere under henvisning til tegningene, der: fig. 1 viser et vertikalsnitt gjennom to forskjellige materialer som skal festes, med ei gjennomgående konisk bot ing,

fig. 2 viser en konisk bolt delvis innsatt i boringa i fig. 1.

fig. 3 viser ei rett boring formet gjennom forskjellige plater som skal festes,

fig. 4 viser ei kombinert konisk hylse og en konisk bolt delvis innsatt i den rette boringa i fig. 3,

fig. 5 viser kombinasjonen av hylse og bolt innsatt i den rette boringa i fig. 3,

fig. 6 viser en konisk bolt med en konisitet som er større enn for den koniske boringa,

fig. 7 viser en konisk bolt med en konisitet som er større enn for den koniske boringa,

fig. 8 viser en kombinert konisk bolt og ei konisk hylse, hvor bolten har større konisitet enn hylsa, mens

fig. 9 viser en kombinert konisk bolt og konisk hylse hvor bolten har mindre konisitet enn hylsa.

Ved fastgjøting av flere metallplater ved flybygging, hvor styrkeforholdene er kritiske, brukes det vanligvis festeorganer av den typen som er beskrevet i US-PS 3.270.410 og 4.048.898. Det er her tale om koniske bolter med eller uten hylse.

Koniske bolter brukes i koniske boringer i en lagsammenstilling med flere materialplater sammen, idet bolt og boring har samme konisitet. Ved bruk av hylse blir ei rett boring boret i lagsammenstillingen og en kombinert hylse-bolt med en utvendig diameter som er jevn og sylindrisk og en indre konisitet sammen med en konisk tapp blir rukt, idet kombinajonen blir innsatt i hullet og deretter sammenføyd.

Begge disse framgangsmåtene har funnet bred utnyttelse og begge er basert på det faktum at en inngrepspasning oppstår mellom den koniske tappen og det omsluttende koniske hullet, enten dette er ei hylse eller ei konisk boring. Betegnelsen "inngrep" {"interference") er blitt valgt for å gi uttrykk for at hylsa eller boriga må utvides til en utvendig diameter som er større enn den opprinnelige, hvilket presser hullet sideveis utover slik at bolten forankres. Betegnelsen inngrepspasning kan brukes for bolter, muttere og andre sammenføyninger hvor det skjer en tilsvarende effekt.

Kreftene som kreves for å montere den koniske bolten enten den er i ei konisk boring eller ei konisk hylse, er en funksjon av det relative inngrep som foreligger mellom bolt og boring eller hylse (mm pr. diameter).

Monteringskrafta som kreves for å motvirke friksjonen mellom den koniske bolten og boringa i forhold til inngreps-pasningen som kreves begrenses av diameteren på bolten og fastspenningsorganet som finnes ved den nedre enden av denne og som trekkes til for å trekke bolten inn i inngrep.

Metallene som brukes ved slike lagsammenstillinger eller lamineringer i flybygging omfatter vanligvis titan og aluminium samt blandingsprodukter med varierende tykkelse og de varierende inngrep som kreves for å utvikle de nødvendige radialkreftene som gir tilstrekkelig forspenning til å etablere riktig festing av materialene, kan ikke alltid oppnås, fordi de høye montetingskreftene skaper en utilfreds-stillende forspenningstilstand fot bolten, tappen, naglen eller liknende.

Økning av inngrepet for å forsterke forspenningen vil ikke løse problemet, fordi fastspenningsorganene kan bli for svake. Dette problemet er blitt funnet å være årsak til tretthetssvikt i mange tilsynelatende tilfredsstillende forspente festeorganer, hvor det et blitt fastslått ved

analyse, at de nødvendige radiale spenningene for å gi riktig forspenning av festeorganene ikke er blitt utviklet eller fordelt riktig, og det har dermed oppstått en tretthetssvikt eller svikt på gtunn av spenningskorrosjon i en sammenføyning som ellers har vært tilsynelatende tilfredsstillende.

Oppfinnelsen gjelder hovedsakelig å redusere monteringskrafta ved koniske bolter med eller uten hylse og å oppnå høyere grad av samsvar mellom festeotganet og hullet under tilvirkningen av hullét, slik at monteringstiden blir kortere.

I fig. 1 er det vist to sammenlagte plater av materialet som skal sammenføyes og som er betegnet hhv. 10 og 12. Ei konisk boring 14 er tildannet gjennom platene 10 og 12, med en vid ende 16 og en trang ende 18. Konisiteten i boringa 14 er jevn fra enden 16 til enden 18. 1 fig. 2 er det vist en jevnt konisk bolt 20 med et hode 22 ved en ende og en gjenget del ved den andre, idet denne er innsatt i boringa 14. Konisiteten til bolten 20 et den samme som for boringa 14. Sluttsammenføyning av bolten 20 i boringa 14 oppnås i eksemplet med en mutter 25 plassert på gjengene 24, idet denne utvikler ei monteringskraft som er nødvendig for å trekke bolten inn i hullet til sin endelige inngrepsstilling.

Vanligvis er den nominelle konisiteten til bolten og boringa 0,005 cm for alle diametre, hvilket betyr at de vil være et inngrep på 0,005 cm for hver diameter.

En nærmere beraktning av geometrien som er vist i fig. 1 viset at den tadiale spenningen som utvikles i den videste enden 16 på plata 10 vil være mindre enn spenningen som utvikles ved den trangeste enden 18 på plata 12. Dette viser med andre ord at inngrepet uttrykt i cm pr. cm diameter eller spenningen uttrykt i kp/cm ved den største diameteren vil være lavere enn ved den minste diameteren, når det foreligger et jevnt inngrep uttrykt i cm/cm diameter. Enkelt uttrykt vil dannelsen av ei gitt kraft over et stort område gi lavere spenning pr. flateenhet.

Spenningen som utvikles ved den videste enden 16 kan ellet kan ikke væte tilsttekkelig til å fotspenne materialet og gi en god forbindelse og dette ukjente forhold har vist seg å være årsak til svikt i visse fotbindelset med høy spenning. Den nærliggende løsning på et slikt problem er å løse inngrepet fra f.eks. fra 0,005 til f.eks. 0,01 eller 0,012 cm/cm diameter, og på denne måten utvikle den nødvendige spenning ved den største diameteten til å gi tilfredsstillende forspenning av forbindelsen.

Uheldigvis vil den totale diameteren på bolten og på gjengene på den nederste delen, såsom ved 24 på bolten 20, begtense den totale krafta som er disponibel for monteringen.

En slik løsning med høy kraft har krevd bruk av bolter med bedre styrkeegenskaper enn nødvendig for å gi den festeevne som kreves for å utvikle de ønskete høyere monteringskreftene. Bruken av disse høyfaste boltene med delvis bedre egenskaper enn nødvendig, er klart en ulempe ved temontering av flyutstyr, i betraktning av de høye enhetsprisene og det store antall boltet som btukes i et fly.

Det samme problemet foreligge ved bolter med hylser, som illusttert i fig. 3, 4 og 5.

I fig. 3 er det vist to plater 10 og 12 som er lagt over hverandre, hvor det i dette tilfelle et lagt ei tett boring 30 som etter definisjon er uten konisitet. Den har med andre ord lik diametet i begge ender.

I fig. 4 er det vist ei hylse 34 og en bolt 36 hvor den utvendige diameteren 38 på hylsa er konstant, mens den innvendige diameteren 40 er konisk. Vanligvis er konisiteten den samme fot bolten 36 og hylsebotinga 40. Bolten hat et hode 42 ved en ende og gjenget 44 ved den andte. I fig. 5 et det vist hvordan den sammensatte hylsa 34 og bolten 36 er innsatt i boringa 30. En festemutter blir gjenget på gjengedelen 44 og skrudd til for å trekke bolten 36 på plass. Monteringskreftene som utvikles er et resultat av mutteren sitt anlegg mot gjengene 44 slik at bolten trekkes inn i hylsa 34.

Uheldigvis vil det samme ptoblemet foreligge ved monteringen av den koniske hylsa som ved de festesystemet som er vist i fig. 1 og 2.

Spenningen som utvikles ved den videste enden av bolten vil alltid væte mindre enn spenningen som dannes ved den andre enden ved alle utforminger som konstant inngrep regnet i cm/cm diametet. Kjente festesystemet har ingen løsning på dette ptoblemet bortsett fta økning av tilttekkingskrafta, noe som betyr bruk av stetkete bolter enn det som er nødvendig med hensyn til kravet om å skape spenninger ved den videste enden av bolten for detmed å forspenne boringa riktig og hindte ttetthetssvikt.

Oppfinnelsen løser disse problemene ved å øke spenningen i utvalgte deler av bolten hvor det kreves høyere spenninger og samtidig tedusere montetingskreftene og tiden som er nødvendig for å utvikle hhv. forspenningene og anleggstrykk.

Ifølge oppfinnelsen er konisiteten til bolten bevisst gjott forskjellig fra konisiteten til boringen gjennom de sammenlagte matetialene.

Fig. 6 og 7 viset en utførelsesform av oppfinnelsen uten hylse, mens fig. 8 og 9 viser en utførelsesform hvor bolten er satt inn i ei hylse.

I fig. 6 er det vist to plater 10 og 12 som har ei konisk boring 14. I boringa er det plassert en bolt 60 med konisitet 62 som er støtte enn konisiteten til boringa 14. Bolten er konvensjonelt utformet på andre måter og har et hode 64 ved en ende og gjenget 66 for festing med en muttet ved den andre.

Den videste enden av den koniske boringa er plassert ved 70 i plate 10, mens den trangeste delen 72 er plassert i plate 12 ved den motsatte enden.

Den koniske bolten 60, med større konisitet enn boringa 14, vil berøre den største diameteren 70 i plata 10 før den berører noen annen del av hullet og følgelig vil den del av boringa 14 som har størst diameter bli utsatt for trykk-krefter og spenning føt noen annen del av boringa.

Berøring mellom bolten og boringa vil således fortsette kontinuetlig trinnvis etter hvert som mutteren trekkes til, hvilket resulterer i ei redusert monteringskraft som et resultat av den ttinnvise kontaktdannelsen, istedet for den komplette flatekontakten som ville vært tilfelle ved en utførelsesform i samsvar med fig. 1 og 2.

Som et resultat av bruken av en konisk bolt med større konisitet enn boringa, er det nå mulig å øke spenningen ved den videste delen av boringa samtidig som montetingskreftene som er nødvendig for å skape en tilfredsstillende forbindelse blir redusert.

Som et alternativ er det mulig å øke inngrepet mellom bolten og hullet og på den måten øke spenningen ved den videste diameteten av hullet, uten å øke monteringskreftene i fothold til kjente løsninger. En må være klar over at det et strekkreftene på gjengene eller festedelen av monterigs-bolten som et den begtensende faktoren ved utviklingen av de kreftene som trenges mellom bolten og boringa.

Det skal her nevnes litt om bruken av slike festebolter. Ved flybygging er det vanlig å bruke titan og aluminium slik at festeorganene må sammenføye to matetialer med forskjellige styrkeegenskaper. Den som skal bruke festeorganene vet om det sterkeste metallet et øverst eller nederst. Oppfinnelsen gjør det mulig å velge mellom boltet som har konisitet større eller mindre enn den koniske boringa.

I fig. 6 kan en f.eks. anta at plate 10 er aluminium og plate 12 er titan. Det et velkjent at titanplater kan tåle spenninger i størrelsesorden 280 kp/cm 3 mens aluminiums-

3

plater kan tåle omtrent 140 kp/cm .

I dette tilfelle vil brukeren, som vet at titanplata 12 et nederst og aluminiumsplata 10 er øverst, bruke en konisk bolt 60 med større konisitet enn boringa 14. Den videste delen av bolten ville betøre den videste delen av boringa 70 og tiltrekkingen av mutteren vitle skape krefter som stiger trinnvis etter hvert som boltflata betøtet mer og mer av den koniske boringa. I tillegg vil aluminiumsmatetialet i den delen som har størst diameter presses sammen først, før det dannes kontakt mot plata 12 av titan. På denne måten blir den videste delen av boringa utvidet trinnvis, hvilket betyr at metallet med lavest styrke utvides føt metallet med størst styrke, noe som redusere de nødvendige montetingskreftene.

I fig. 7 ec det vist et utførelseseksempel hvor ei titanplate 12 er plassert over ei aluminiumsplate 10. I ei konisk boring 14 er det innsatt en bolt 80 med et hode 82 ved en ende og en gjenget del 84 ved den andre. I dette tilfellet har bolten 80 en konisitet som er mindre enn boringa 14.

Brukeren, som vet at titanplata 12 ligger overst, vil derfor bruke en bolt med en konisitet som er mindre enn konisiteten i boringa, for å sikre at berøringen mellom bolten og boringa skjer først ved enden 72. Festemutteten (ikke vist) på gjengene 84 vil bli ttukket trinnvis i sin sluttstilling og skape trykkrefter først ved enden 7 og deretter ttinnvis langs berøringsflata mellom bolten og botinga 14 inntil bolten er på plass.

Som beskrevet i forbindelse med fig. 6, vil trykk-kteftene også her utvikles mellom bolten og aluminiums-delen før den skjer mellom bolten og titandelen, hvilket sikrer ei redusert monteringskraft før titandelen blit utvidet og sammenptesset p^tilfredsstillende måte.

Betraktning av fig. 6 og 7 vil vise at det ikke alltid er nødvendig eller krevet at den videste delen av den koniske botinga blit utvidet føtst, men at metall med lavete spenningstoletanse i ei., lagsammenstilling kan utvides først, slik at den totale monteringskrafta på denne måten reduseres, idet anlegg mellom bolt og boring utvikles gradvis under tiltrekkingen.

I fig. 8 er det vist to plater 10 og 12 med ei hylse 90 og en bolt 96. Hylsa 90 har innvendig konisitet 92 og bolten 96 har et hode 98 ved en ende og gjenger 100 ved den andre. Konisiteten til bolten 96 er større enn til boringa 92 av samme årsaker som beskrevet i forbindelse med fig. 6.

I fig. 8 kan vi anta at brukeren ved at plata 10 er av aluminium og plata 12 et av titan, og følgelig er bolten utført med større konisitet enn boringa 92.

I fig. 9 er det vist ei hylse 90 innsatt i ei lagsammenstilling, hvor ei aluminiumsplate 10 befinnet seg under ei titanplate 12. Hylsa 90 hat innvendig konisitet 92 og er vist med en konisk bolt 104 innsatt, idet bolten har et hode 106 ved en ende og festegjenger ved den andre.

I dette tilfelle vet brukeren at titanplata 12 et øverst og vil btuke en bolt 104 med en konisitet som er mindre enn konisiteten 92 til hylsa 90 for å sikre at berøring mellom bolt og hylse først skjet i omtådet fot aluminiumsplata 10.

Oppfinnelsen kan altså utnyttes for valg av bolter som er forskjellig koniske fra boringa, både når denne er utformet direkte i materialet som skal sammenføyes og i ei hylse som kan innsettes i disse.

Oppfinnelsen gjør det mulig for brukerne å utnytte den riktige konsiteten på den riktige bolten, fot å redusere de nødvendige monteringskrefene og sikre at det mest kritiske materialet utvides føtst som et middel fot å redusere den samlete monteringskrafta og sikre at tilfredsstillende innlegg og anlegg oppnås.

Det skulle være klart at det et forholdet mellom konisiteten til bolt og boring som styrer reduksjonen av monteringskrafta. Det er derfor mulig å forandre konisiteten i de to delene relativt for å oppnå de samme resultatene. Det er imidlertid antatt at konisiteten i boringa vil være den samme i alle tilfeller og at brukeren vil utnytte bolter med forskjellig konisitet for å oppnå de resultatene som ønskes.

Claims

1. Framgangsmåte for å sammenføye flere lag (10,12) av materialer, hvor det føres et konisk festeorgan (60,80,96,104) gjennom ei konisk boring (14,92) i materiallagene eller i ei hylse (90) som er ført gjennom materiallagene og hvor festeorganet deretter føres i anleggsinngrep med den koniske boringa (14,92), karakterisert ved at festeotganet (60,80,96,104) velges med en konisitet fotskjellig fra konisiteten i botinga (14,92) over hele lengden av denne.

2. Framgangsmåte i samsvar med krav 1, karakt et isett ved at konisiteten på festeorganet (60,96) velges større eller mindre enn konisiteten på botinga (14,92), avhengig av om den støtste diameteren på botinga (14,92) et i et matetiallag (10,12) som er mer henholdsvis mindre deformerbart enn det påfølgende materiallaget.

3. Framgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at festeorganet (60,80,96,104) velges slik at det oppnås linjekontakt først ved den ene enden av boringa (14,92) og idet materiallaget (10,12) som er lettest deformerbart.