PL232340B1 - Narzędzie do nagniatania otworów w blachach - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest narzędzie do umacniania powierzchni otworów z jednostronnym dostępem w elementach o małej sztywności przez nagniatanie toczne lub ślizgowe. Może mieć ono zastosowanie do umacniania przeciwzmęczeniowego okolic otworów łączeniowych w blachach poszyciowych samolotów, a także w innych urządzeniach, w których połączenia nitowe i śrubowe są narażone na cykliczne naprężenia. Narzędzie do nagniatania otworów w blachach, charakteryzuje się tym, że stanowi go tuleja (1) z umieszczonym w jej przestrzeni wewnętrznej (2) trzpieniem (3) z końcówką (4) w kształcie stożka (5) na powierzchni której umieszczone są elementy dogniatające (6) usytuowane równocześnie w wycięciach w ścianie tulei (1), przy czym trzpień (3) połączony jest z tuleją (1) poprzez element sprzęgający (8), którego końcówki są usytuowane we wzdłużnych wycięciach (10) tulei (1). Od strony uchwytu (11) na tulei (1) umieszczona jest obudowa (12) połączona z nią poprzez osiowo-promieniowe łożysko (13) oraz łożysko oporowe (14), pomiędzy którymi znajduje się sprężyna (16). Poza tym obudowa (12) jest wyposażona w dźwignię przesuwu (17) trzpienia (3) względem elementów dogniatających (6). Narzędzie również charakteryzuje się tym, że elementy nagniatające (6) stanowią stożkowe rolki o kącie zbieżności równym kątowi zbieżności stożka trzpienia (3). Również narzędzie zgodne z wynalazkiem jako elementy nagniatające (6) może posiadać nagniataki ślizgowe.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest narzędzie do umacniania powierzchni otworów z jednostronnym dostępem w elementach o małej sztywności przez nagniatanie toczne lub ślizgowe. Może mieć ono zastosowanie do umacniania przeciwzmęczeniowego okolic otworów łączeniowych w blachach poszyciowych samolotów, a także w innych urządzeniach, w których połączenia nitowe i śrubowe są narażone na cykliczne naprężenia.

Jeden z istotnych problemów konstrukcyjnych, z punktu widzenia trwałości, w przemyśle lotniczym czy też kolejnictwie, stanowią elementy łączone za pomocą nitów lub śrub. Połączenia śrubowe są nadal powszechnie stosowane do łączenia szyn kolejowych a niektóre samoloty Boeing mają do 1,5 min połączeń nitowanych. Krytyczne miejsca to obszary wokół otworów mieszczących nity lub śruby mocujące, będące naturalnymi koncentratorami naprężeń. W okresie eksploatacji samolotu, takie połączenia są narażone na działanie cyklicznych naprężeń rozciągających, a otwory pod nity działają jako czynniki wywołujące spiętrzenie naprężeń i często są miejscem inicjacji pęknięć zmęczeniowych. Takie zapoczątkowane pęknięcie zmęczeniowe może rozprzestrzeniać się aż do krytycznej wielkości, a to skutkuje zniszczeniem zmęczeniowym danego elementu. Analiza zaistniałych awarii i uszkodzeń tych połączeń wykazuje, że jedną z najważniejszych ich przyczyn jest właśnie zmęczenie materiału wokół wymienianych otworów będące skutkiem obciążenia cyklicznego konstrukcji. Stanowi to szczególne niebezpieczeństwo w konstrukcjach lotniczych, gdyż jest bezpośrednio skorelowane często z narażeniem życia wielu ludzi.

Powszechnie wiadomo, że obecność ściskających naprężeń własnych wokół otworów mieszczących elementy mocujące jest zasadniczym warunkiem zwiększenia trwałości i bezpieczeństwa połączeń konstrukcji metalowych. Naprężenia ściskające zasklepiają istniejące pęknięcia pierwotne i utrudniają rozwój nowych. Dlatego też, w nowoczesnych wyrobach, dąży się do uzyskania takiego stanu naprężeń ściskających w drodze zastosowania specjalnych metod obróbki w końcowym etapie wykonywania tych otworów.

Znanym sposobem wprowadzania wstępnych naprężeń ściskających w rejonie otworu jest proces umacniania na zimno - nagniatanie. Konwencjonalne metody nagniatania to rolkowanie, kulkowanie lub walcowanie na zimno. Ich głównym efektem jest wygładzenie powierzchni a głębokość zalegania naprężeń ściskających jest niewielka. Nie jest możliwe ich zastosowanie do umacniania otworów w cienkich blachach o grubościach od 1 do 5 mm.

Do realizacji tego zabiegu znane jest zespolone narzędzie będące przedmiotem polskiego zgłoszenia patentowego nr P.409182 do wykonywania otworów i ich nagniatania. Posiada ono uchwyt i integralnie z nim sprzężone nawiertak, wiertło oraz rozwiertak, lub wiertło i rozwiertak albo tylko wiertło. Charakteryzuje się tym, że na uchwycie ponad elementami przeznaczonymi do wykonywania otworów suwliwie usytuowany jest nagniatak, który stanowi tuleja rozprężna z kołnierzem i otworem stożkowym, posiadająca na obwodzie osiowe rozcięcia, natomiast na kołnierzu posiada co najmniej dwa kły, przy czym jej średnica zewnętrzna w stanie nierozprężonym jest mniejsza do 0,1 mm od średnicy narzędzia bezpośrednio za nią usytuowanego, licząc od góry uchwytu. Z kolei powyżej nagniataka na uchwycie usytuowany jest stożek rozprężający sprzężony z nim na stałe, wymiarowo dostosowany do otworu nagniataka, posiadający kołnierz z rowkami na kły wymienionego nagniataka. Narzędzie to, przy jego stosowaniu do wykonywania i dogniatania otworów w jednym zabiegu w bardzo cienkich elementach z tylko jednostronnym dostępem, powoduje ich deformację.

Podobnie w opisie ochronnym wzoru użytkowego nr PL 68863 Y1 przedstawione jest również narzędzie do nagniatania otworów posiadające trzpień do mocowania w uchwycie obrabiarki, na którym na stałe osadzony jest stożek rozprężający oraz suwliwie nagniatak w postaci tulei rozprężnej z kołnierzem i otworem stożkowym posiadającej na obwodzie osiowe rozcięcia a na kołnierzu co najmniej dwa kły, przy czym stożek rozprężający wymiarowo jest dostosowany do stożkowego otworu nagniataka, a jego dolne czoło połączone jest na stałe z łożyskiem oporowym.

Również z opisu patentowego USA nr 7770276 znane jest narzędzie do jednoczesnego rozwiercania i nagniatania otworów. Część nagniatająca to, podobnie jak skrawająca, również rozwiertak, ale o ostrzach skierowanych przeciwnie, które ślizgając się po uprzednio rozwiercanej powierzchni powodują jej umocnienie.

Wszystkie z podanych metod wprowadzają naprężenia ściskające w strefę przypowierzchniową otworów w cienkich blachach, jednak mają one poważne wady: występowanie sił osiowych podczas obróbki, niesymetryczny gradient wprowadzanych naprężeń i pojawiające się odkształcenia cienkich,

PL 232 340 B1 mało sztywnych blach o grubości od 1 do 5 mm. Oprócz wspomnianych wad, narzędzie będące przedmiotem amerykańskiego opisu patentowego charakteryzuje się tym, że przy jego stosowaniu uzyskuje się znikomy efekt umacniania, przy czym brak jest możliwości jego regulacji.

Okazało się, że poprzez zmienioną konstrukcję narzędzia do nagniatania otworów w blachach można te wady wyeliminować.

Narzędzie do nagniatania otworów w blachach, zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że stanowi go tuleja z umieszczonym w jej przestrzeni wewnętrznej trzpieniem z końcówką w kształcie stożka na powierzchni której umieszczone są elementy dogniatające usytuowane równocześnie w wycięciach w ścianie tulei, przy czym trzpień połączony jest z tuleją poprzez element sprzęgający, którego końcówki są usytuowane we wzdłużnych wycięciach tulei. Od strony uchwytu na tulei umieszczona jest obudowa połączona z nią poprzez osiowo-promieniowe łożysko oraz łożysko oporowe, pomiędzy którymi znajduje się sprężyna. Poza tym obudowa wyposażona jest w dźwignię przesuwu trzpienia względem elementów dogniatających.

Narzędzie zgodne z wynalazkiem również charakteryzuje się tym, że elementy nagniatające stanowią stożkowe rolki o kącie zbieżności równym kątowi zbieżności stożka trzpienia.

Również narzędzie zgodne z wynalazkiem jako elementy nagniatające może posiadać nagniataki ślizgowe.

Zaletą narzędzia zgodnego z wynalazkiem jest całkowita eliminacja sił 90 osiowych podczas nagniatania otworu. Dzięki temu wstępne naprężenia ściskające w rejonie otworu są rozłożone równomiernie, nie tak jak w przypadkach wcześniej opisywanych, gdzie największe naprężenia generują się w strefie wejścia narzędzia w otwór. Takie rozwiązanie poprawia właściwości zmęczeniowe, rejon otworów jest bardziej odporny na skutki naprężeń cyklicznych o zróżnicowanych wartościach, jak również umożliwia obróbkę otworów do których nie ma dwustronnego dostępu. Istnieje możliwość wykorzystania narzędzia poprzez jego mocowanie w uchwycie wiertarki w sposób umożliwiający swobodne nim operowanie zwłaszcza w przypadku użycia przy dużych elementach. Opcja kontroli wartości nagniatania za pomocą dźwigni, nie jest stosowana w żadnym, z wcześniej opisywanych urządzeń. Daje to możliwość dopasowania wartości rozprężenia do potrzeb technologicznych.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym na fig. 1 przedstawiono narzędzie zgodne z wynalazkiem w przekroju osiowym, natomiast na fig. 2 i fig. 3 pokazano alternatywne stosowanie elementów nagniatających, a na fig. 4 zobrazowano sprężenie trzpienia z tuleją umożliwiające jego przesuw względem tej tulei.

Jak to przedstawiono na fig. 1 narzędzie do nagniatania otworów w blachach stanowi tuleja 1 z umieszczonym w jej przestrzeni wewnętrznej 2 trzpieniem 3 z końcówką 4 w kształcie stożka 5 na powierzchni której umieszczone są elementy nagniatające 6 usytuowane równocześnie w wycięciach 7 w ścianie tulei 1. Wymieniony trzpień 3 połączony jest z tuleją 3 poprzez element sprzęgający, który stanowi kołek 8, przy czym jego końcówki 9 są usytuowane we wzdłużnych wycięciach 10 tulei 1. Od strony uchwytu 11 na tulei 1 umieszczona jest obudowa 12 połączona z nią poprzez osiowopromieniowe łożysko 13 oraz łożysko oporowe 14 wsparte na płytce 15 połączonej z tuleją 1. Pomiędzy wymienionymi: płytką 15 i łożyskiem 13 znajduje się sprężyna 16. Obudowa 12 jest połączona z dźwignią 17. Jak to pokazano na fig. 2 i fig. 3 elementy dogniatające mogą stanowić stożkowe rolki 18, lub klinowe nagniataki ślizgowe 19, korzystnie z zewnętrzną powierzchnią pokrytą powłoką syntetycznego diamentu.

W celu realizacji procesu nagniatania w początkowej fazie obróbki narzędzie, bez kontaktu elementów nagniatających 6 z powierzchnią obrabianą, jest wprowadzane do otworu na odpowiednią głębokość. Następnie, za pomocą dźwigni 17 trzpień 3, poprzez osiowo-promieniowe łożysko 13 oraz kołek 8, jest podnoszony. To sprawia, że stożek 4 na trzpieniu 3 powoduje wysunięcie elementów nagniatających 6, i nagniatają one powierzchnię otworu. Dalsze przesuwanie dźwigni 17, powoduje zwiększanie nacisku stożka 4 na elementy nagniatające 6 i zwiększanie ich rozstawienia a tym samym średnicy nagniatanego otworu i coraz większe jego umocnienie. Po osiągnięciu zamierzonej średnicy lub zamierzonego umocnienia, co jest sygnalizowane poprzez przemieszczenie do pozycji granicznej, obróbka jest kończona przez zwolnienie dźwigni 17. Powoduje to powrót całego układu do stanu początkowego, poprzez sprężynę 16.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Narzędzie do nagniatania otworów w blachach, znamienne tym, że stanowi go tuleja (1) z umieszczonym w jej przestrzeni wewnętrznej (2) trzpieniem (3) z końcówką (4) w kształcie stożka (5) na powierzchni której umieszczone są elementy dogniatające (6) usytuowane równocześnie w wycięciach (7) w ścianie tulei (1), przy czym trzpień (3) połączony jest z tuleją (1 poprzez element sprzęgający (8), którego końcówki (9) są usytuowane we wzdłużnych wycięciach (10) tulei (1), z kolei od strony uchwytu (11) na tulei (1 umieszczona jest obudowa (12) połączona z nią poprzez osiowo-promieniowe łożysko (16) oraz łożysko oporowe (14) pomiędzy którymi znajduje się sprężyna (16), poza tym obudowa (12) jest wyposażona w dźwignię przesuwu (17) trzpienia (3) względem elementów dogniatających (6).
2. 2. Narzędzie do nagniatania otworów w blachach zgodne z zastrz. 1, znamienne tym, że elementy nagniatające (6) stanowią stożkowe rolki (18) o kącie zbieżności równym kątowi zbieżności stożka trzpienia (3).
3. 3. Narzędzie do nagniatania otworów w blachach zgodne z zastrz. 1, znamienne tym, że elementy nagniatające (6) stanowią nagniataki ślizgowe (19).