本申请是2014年9月25日提交的名称为：“冷加工在复合材料和金属堆中的孔”的中国专利申请201410495340.6的分案申请。
本公开大体涉及在金属中的孔的冷加工，并且更具体地涉及用于冷加工在金属和复合材料层的堆中的孔的方法和工具。
背景技术：
在复合材料和金属构件之间有时需要形成紧固的接头。例如，在航空工业中，金属拼接元件可以被用于将复合材料机身框架的各区段连结在一起。同样地，金属剪切带可以被紧固至复合材料外部蒙皮。
在紧固的金属结构中的孔周围的潜在金属疲劳能够通过“冷加工”孔来减小。一种冷加工的方法包含放置对开套筒在孔中，并且拉动心轴通过套筒。对开套筒的使用允许单侧处理孔并且屏蔽孔以免于心轴的高干涉所产生的摩擦力。拉动心轴通过套筒扩展并且导致在围绕孔的金属结构中的材料的径向塑性流动，从而将该材料置于张力状态中。在去除心轴后，在围绕该孔的结构中存在残余压缩应力的环形区，其可以延伸到超过孔的边缘一个直径。
然而，当冷加工形成在金属和复合材料层的堆中的孔时，问题被提出。对开套筒在冷加工处理期间的扩展会导致围绕孔的复合材料层的不期望的变形，且/或产生聚集在对开套筒上的复合材料残余。这个问题的一种解决方法包含拆卸堆、冷加工在金属层中的孔并且然后将层重新组装成堆。然而，这个解决方法是耗时的、劳动强度大的且在一些应用中可能是不实际的。
因此，需要一种方法和工具，其用于冷加工在复合材料和金属堆中的孔而不用拆卸堆且可以从堆的一侧执行。
技术实现要素：
所公开的实施例提供一种用于冷加工在紧固接头中的复合材料和金属层的堆中的孔的方法和装置。该方法可以不需要拆卸堆来执行在金属层中的孔的冷加工。该方法减少或消除在冷加工处理期间复合材料层的不期望的变形，并且还可以减小或消除复合材料碎片和这些碎片在冷加工工具上的聚集。所公开的冷加工方法可以从堆的一侧执行。
根据一个公开的实施例，提供用于冷加工通过至少一个金属层和至少一个复合材料层构成的堆的孔的方法。工具被放置在孔中，并且干涉仅形成在工具和金属层之间。该工具用于仅向金属层施加向外的径向力。该工具通过径向扩展为与金属层接触且同时维持在工具和复合材料层之间的间隙来施加向外的径向力。可以通过在工具和金属层之间插入材料，或通过从在孔周围的复合材料层去除材料以在复合材料层和工具之间形成突出的金属带，来获得干涉。
根据另一公开的实施例，提供冷加工通过复合材料和金属层的堆的孔的方法。对开套筒被放入孔内，并且然后被扩展为仅与金属层接触同时维持在复合材料层和对开套筒之间的间隙。压缩应力通过对开套筒仅被施加到金属层。对开套筒通过拉动心轴通过对开套筒被扩展。通过在对开套筒和每个金属层之间插入材料，在复合材料层和对开套筒之间维持间隙。该间隙也可以通过在对开套筒和每个金属层之间插入材料被维持。插入材料可以通过添加材料到围绕孔的金属层或通过添加材料到对开套筒被执行。
根据进一步公开的实施例，提供用于冷加工在复合材料和金属层堆中的孔的工具。该工具包括能够被插入孔内的且具有围绕工具构件圆周地延伸的增加直径的带的可扩展工具构件。所述增加直径的带适于接触且将压缩应力仅施加至堆中的金属层。可扩展工具构件可以是对开套筒和心轴中的一个。
总之，根据本发明的一个方面，提供冷加工通过至少一个金属层和至少一个复合材料层构成的堆的孔的方法，其包括放置工具在孔中；仅在工具和金属层之间形成干涉；以及使用工具将向外的径向力仅施加到金属层。
有利地，该方法中使用工具施加向外的径向力通过径向地扩展工具为与金属层接触且同时维持在工具和复合材料层之间的间隙被实现。
有利地，该方法中形成所述干涉包括在工具与金属层之间插入材料。
有利地，该方法中插入材料通过仅在工具和金属层之间放置套管被实现。
有利地，该方法中插入材料包括在工具上形成材料带。
有利地，该方法中在工具上形成材料带通过火焰喷涂、电镀、微焊接和蚀刻中的一种被实现。
有利地，该方法中在工具与金属层之间插入材料包括施加材料至围绕孔的金属层。
有利地，该方法中施加材料至金属层通过电镀和微焊接中的一种被实现。
有利地，该方法中形成干涉通过从在孔周围的复合材料层去除材料以在复合材料层和工具之间形成突出的金属带被实现。
有利地，该方法中放置工具在孔中包括放置套筒在孔中，并且使用工具施加向外的径向力包括通过拉动心轴通过套筒扩展套筒。
根据本发明的另一方面，提供冷加工通过复合材料和金属层的堆的孔的方法，其包括把对开套筒插入孔内；扩展对开套筒为仅与金属层接触同时维持在复合材料层和对开套筒之间的间隙；以及将压缩应力通过对开套筒仅施加到金属层。
有利地，该方法中扩展对开套筒通过拉动心轴通过对开套筒被实现。
有利地，该方法中维持在复合材料层和对开套筒之间的间隙包括在复合材料层和每个金属层之间插入材料。
有利地，该方法进一步包括在对开套筒和每个金属层之间插入材料。
有利地，该方法中插入材料包括通过添加材料到围绕孔的金属层减小在每个金属层处的孔的内直径。
有利地，该方法中添加材料通过如下一种被实现：
电镀，
微焊接，
激光烧结，
添加剂制造。
有利地，该方法中插入材料包括添加材料至对开套筒。
有利地，该方法中添加材料至对开套筒通过火焰喷涂、电镀、微焊接和蚀刻中的一种被实现。
根据本发明的又一方面，提供用于冷加工在复合材料和金属层堆中的孔的工具，其包括能够被插入孔内的且具有围绕工具构件圆周地延伸的增加直径的带的可扩展工具构件，其中所述增加直径的带适于接触并且将压缩应力仅施加到堆中的金属层。
有利地，该工具中可扩展工具构件是对开套筒和心轴中的一个。
特征、功能和优点可以在本发明的不同实施例中独立地获得或可以在其他实施例中相结合，其中参照下面的描述和附图能够看出进一步地细节。
附图说明
被认为是示例性实施例的特征的新颖特征在所附的权利要求中被提出。然而，当结合附图阅读时，示例性实施例以及其使用的优选模式、进一步地目标和优点将通过参考本发明的示例性实施例的以下详细描述最好地被理解，其中：
图1是在复合材料和金属堆中的紧固接头处的透视图的图示。
图2是沿在图1中的线2-2所截取的剖视图的图示。
图3是具有穿过其中形成的孔的复合材料和金属堆的剖视图的图示。
图4是类似于图3的图示，但其示出对开套筒已被安装在孔中。
图5是类似于图4的图示，但其示出心轴组件已被安装在对开套筒中。
图6是在图5中被指定为图6区域的图示。
图7是类似于图6的图示，但其示出对开套筒已被扩展成冷加工围绕孔的金属层的区域。
图8是其上具有被施加的材料带的对开套筒的透视图的图示。
图8a是沿在图8中的线8a-8a所截取的剖视图的图示。
图8b是类似于图8a的图示，但其示出与对开套筒集成的带的替代性形式。
图9是套管的等距视图的图示，其可以围绕对开套筒被放置。
图10是类似于图6的图示，但其示出间隔构件作为材料带被施加到围绕孔的金属层的区域。
图11是类似于图3的图示，其示出替代性冷加工方法，其中材料从复合材料层去除。
图12是类似于图11的图示，但其示出对开套筒已被安装在孔中，为了清楚的目的没有示出心轴组件。
图13是在图12中被指定为图13区域的图示。
图14是类似于图13的图示，但其示出对开套筒已被扩展为与金属层接触。
图15是堆的剖视图，该堆包含复合材料和金属的多个穿插层，对开套筒已被插入通过堆的孔内，但还未扩展为与金属层接触。
图16是冷加工在复合材料和金属堆中的孔的方法的流程图的图示。
图17是飞行器生产和使用方法的流程图的图示。
图18是飞行器的框图的图示。
具体实施方式
参考图1和图2，结构21包含具有紧固接头22的复合材料和金属堆22。在本文中有时也被称为复合材料和金属堆22的堆22可以包括被夹在两个复合材料层26、28之间的单个金属层24，然而堆22也可以包括复合材料层26、28和金属层24的任何数量或组合，在最简形式中包括单个金属层24和单个复合材料层26。通过穿过对应孔40的一个或更多个紧固件30将在示出的接头20中的层24、26、28紧固在一起，其中所述孔穿过层24、26、28。在该范例中，紧固件30包括具有柄32、头部34和如螺母36的保持器的螺栓，不过紧固件30可以是适用于该应用的任何各种其他紧固件形式，例如但不限于埋头铆钉。
根据下文讨论的所公开实施例，孔40被冷加工以便在围绕孔40的金属层24的区域38(图2)内形成残余压缩应力。这些残余应力给金属层24提供了疲劳抗性，并且试图阻止在围绕孔40的金属层24内随时间可能形成的任意小裂纹。
如将在下面更详细讨论的，在堆22已被组装后，冷加工方法可以完全地从堆22的一侧45来执行。所公开的冷加工方法通过仅施加力到金属层24且同时基本上避免向复合材料层26、28的任意直接施力被执行，其中该直接施力可能使复合材料层26、28变形或对复合材料层26、28具有其他不良影响。
现参考图3和图4，为了冷加工孔40，可以包括但不限于对开套筒42的可扩展工具从堆22的一侧45被插入孔40内。对开套筒42包括其内具有纵向狭缝50的大体圆柱形壁52以及将对开套筒42安放在围绕孔40的表面46上的圆周肩44。对开套筒42是中空的且具有外直径d2，该外直径通常名义上小于孔40的内直径d1。
对开套筒42可以由任何合适的材料形成，该材料是基本刚性的和不可压缩的，但其是可屈服的以允许对开套筒42扩展。如将在下面讨论的，通过仅在对开套筒42和金属层24之间产生干涉来实现围绕孔40的金属层24的区域38的冷加工。
在一个实施例中，可以通过在对开套筒42和金属层24之间插入如带状间隔构件48的材料来获得在对开套筒42和金属层24之间的期望的干涉。间隔构件48可以基本围绕对开套筒42的整个圆周延伸。间隔构件48可以具有一定高度h，其基本等于金属层24的厚度t。间隔构件48具有一定厚度t，这取决于应用，但当对开套筒42已扩展时其足以维持在对开套筒42的外直径d2和复合材料层26、28之间的间隙g。
在图4所示的实施例中，在对开套筒42的外直径d2上形成间隔构件48，或者该间隔构件48可以被附接到对开套筒42的外直径d2，然而正如下面将讨论的，其他技术也可以被用于在对开套筒42和复合材料层26、28之间产生期望的间隙g。
现参考图5和图6，心轴56可以被滑动地容纳在对开套筒42内并且穿过具有被安放在堆22的表面上的环形唇62的头部60。在头部60上的合适的牵引器63与心轴56相耦合。牵引器63可以包括任何合适的装置，如气压缸等，其向上地拉动58心轴56通过对开套筒42。在另一些实施例中，心轴56可以被推动而不是拉动通过对开套筒42。心轴56包括具有外直径d3的扩大的头部部分56a，该外直径d3大于对开套筒42的内直径。
当心轴56被拉动58通过对开套筒42时，头部部分56a促使对开套筒42径向扩展68(图6)。如图7所示，对开套筒42的径向扩展促使间隔构件48与金属层24接触。间隔构件48传送并且施加向外的径向力f到围绕孔40的金属层24上。径向力f导致在金属层24的区域38中的材料屈服并且被置于在张力状态中。当对开套筒42从孔40去除时，在区域38中的金属材料从张力状态转变为压缩状态。
应当注意，对开套筒42和内部心轴56的组合仅仅是可以被用于实施本公开的方法的广泛的工具的示例。例如，但不限于，可以通过使用可扩展心轴(未示出)以及被放置在金属层24和可扩展心轴之间的间隔构件48来实现仅金属层24具有的期望的干涉。
图8和图8a示出对开套筒42的一种形式，其类似于上述讨论的在图4-7中所示的。在这个例子中，具有高度h和厚度t的带状间隔构件48围绕对开套筒42的圆周延伸。间隔构件48可以包括合适的不可压缩材料，其可以通过使用任何各种技术被形成在壁52上或附接到壁52。例如，间隔构件48可以通过电镀、火焰喷涂、激光烧结或微焊接材料到壁52上而被直接地形成在壁52上。在另一实施例中，在图8b中所示，间隔构件48a可以通过使用蚀刻、机械加工或其他材料去除工艺从对开套筒42去除材料而与对开套筒42一体成形。
参考图9，在另一实施例中，在对开套筒42和材料层24之间的期望的干涉可使用间隔构件48b来获得，该间隔构件48b包括套管54，其可以滑过对开套筒42并且在壁52上的期望的纵向位置固定就位、与金属层24对齐。
图10示出用于获得期望的干涉的又一种技术，该期望的干涉用于仅接触和冷加工金属层24。在这个实施例中，间隔构件48c包括具有厚度t的材料层，其被直接地形成在围绕孔40的金属层24的区域上。形成间隔构件48c的材料通过使用电镀、微焊接、火焰喷涂、激光烧结或其他合适的附加工艺可以被施加到金属层24。在冷加工金属层24后，可以通过铰孔40至最终期望的孔直径，或通过其他合适的材料去除技术，来去除间隔构件48c。
现注意指向图11、图12和图13，其示出仅冷加工金属层24同时基本避免与复合材料层26、28相接触的方法的又一实施例。如图11所示，围绕孔40从每个复合材料层26、28去除材料70的厚度t。材料70可以使用任何合适的材料去除技术被去除，如通过机械加工。替代性地，在堆22被组装之前，孔40可以被形成在金属层24内，其直径小于完孔40的最终直径。通过使用这些技术中的任一种，复合材料层26、28相对于在孔40内的金属层24凹陷。因此，在金属层24内的孔40的直径小于在复合材料层26、28中的任一个中的孔的直径。由于在直径上的这些差异，金属层24的内边缘72突出至孔40内超过复合材料层26、28。
图12和图13示出对开套筒42已被安装在孔40内，但在它通过内部心轴(未示出)被扩展之前。如最好参见图13，在对开套筒壁52和金属层24之间存在少量间隙65以适应对开套筒壁52到孔40内的插入。参考图14，对开套筒42的扩展导致对开套筒壁52接合金属层24的突出的内边缘72并且施加力f于金属层24。因为复合材料层26、28的边缘相对于金属层的突出的内边缘72凹进，所以当对开套筒42完全地扩展时，在复合材料层26、28和对开套筒42之间存在间隙g，因此对开套筒42仅冷加工金属层24。在冷加工金属层24后，可以通过铰孔40至最终期望的孔直径，或通过其他合适的材料去除技术，来去除突出的内边缘72。
如先前提到的，所公开的方法和装置可以被用于冷加工在堆中的孔，该堆包括金属和复合材料层的任何数量或组合。例如，参考图15，该方法可以被用于冷加工在堆75中的孔40，该堆包括穿插在复合材料层78之间的多个金属层76。为了仅冷加工金属层76，多个间隔构件48被插在金属层76和可扩展的对开套筒42之间。在这个例子中，间隔构件48被形成在对开套筒42上，但如先前讨论的，其他技术也可以被用于仅在对开套筒42和金属层76之间形成干涉。
图16示出冷加工在复合材料和金属堆22中的孔40的方法的步骤。在80处开始，复合材料和金属层被设置成堆22，且在82处，通过使用任何合适的技术(例如但不限于，钻孔)在堆22中形成孔40。在84处，如先前描述的对开套筒42的工具被插入孔40内。在步骤86处，仅在工具和金属层之间形成干涉，使得复合材料层从工具隔离和隔开。该干涉可以通过使用在步骤88、90和92处示出的几种技术中的任意技术来实现。在步骤88处，材料可以在与堆中的金属层对齐的位置处被添加到工具。替代性地，如步骤90，金属可以被添加到围绕孔40的金属层24以便减小在金属层24处的孔40的内直径。在步骤89或90的任一个中的金属的添加可以通过各种技术(如先前讨论的那些以及其他添加剂制造工艺)中的任意技术来实现。在另一变型中，在步骤92处，复合材料层可以通过围绕孔40紧接着从复合材料层的区域去除材料而凹进，从而复合材料层相对于金属层凹进。
在步骤94处，该工具被扩展以便将径向压缩应力仅施加到金属层。在该步骤期间，该工具不会与复合材料层相接触或施加力到复合材料层。由于该径向压缩应力的原因，围绕孔40冷加工金属层。在步骤96处，该工具可以缩回，并且然后在步骤98处从孔被去除。在步骤100处，根据需要，孔40可以被铰到最终期望的直径。
本发明的实施例可以发现在各种潜在应用中的使用，尤其是在运输工业，包括例如航空、船舶、汽车应用和其中可以使用在复合材料层和金属层之间的紧固接头的其他应用。因此，现参考图17和图18，本发明的实施例可以被用于如在图17中所示的飞行器制造和使用方法102和在图18中所示的飞行器104的背景中。所公开的实施例的飞行器应用可以包括例如但不限于，冷加工在复合材料和金属堆中的孔，如在金属剪切条和复合材料蒙皮之间，或在金属拼接件和形成机身122的一部分的复合材料框架区段之间。在预生产期间，示例性方法102可以包括飞行器104的规格和设计106以及材料采购108。在生产期间，发生飞行器104的部件和子组件制造110以及系统集成112。其后，飞行器104可以通过认证和交付114以便投入使用118。而在顾客使用时，飞行器104被安排用于日常维护和维修120，这也可以包括修改、重新配置、翻新等。
方法102的每个过程可以通过系统集成商、第三方和/或操作者(例如，顾客)来执行或实施。对于本描述的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞行器制造商和主系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的销售商、分包商和供应商；并且操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图17所示，通过示例性方法102生产的飞行器104可以包括具有多个系统124和内部126的机身122。高级系统124的示例包括推进系统128、电气系统130、液压系统132和环境系统134中的一个或更多个。可以包括任意数量的其他系统。虽然航空航天例子被示出，不过本发明的原理可以用于其他工业，如航海和汽车工业。
本文所体现的系统和方法在生产和使用方法102中的任一个或更多个阶段期间可以被采用。例如，对应于生产过程110的部件和子组件可以以类似于当飞行器在使用118中时生产的部件或子组件的方式被制造或加工。此外，一个或更多个设备实施例、方法实施例或其组合可以在生产阶段110和112期间被利用，例如，通过大体上加快飞行器104的装配或降低飞行器104的成本。类似地，一个或更多个设备实施例、方法实施例或其组合可以当飞行器104在使用中时被利用，例如但不限于，维护和维修120时。
不同的示例性实施例的描述已经被呈现以用于说明和描述的目的，并且不旨在是详尽无遗的或将实施例限制成所公开的形式。对于本领域的那些普通技术人员，许多修改和变化将是显而易见的。此外，相比于其他期望的实施例，不同的示例性实施例可以提供不同的优点。所选择的一个或更多个实施例被选择并描述以便最好地解释实施例的原理、实际应用，并且以便确保本领域的其他的普通技术人员能够针对具有适合于预期的具体用途的各种修改的实施例来理解本公开。
1.一种冷加工通过至少一个金属层和至少一个复合材料层构成的堆的孔的方法，其包含：
放置工具在所述孔中；
仅在所述工具和所述金属层之间形成干涉；以及
使用所述工具将向外的径向力仅施加到所述金属层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述工具施加向外的径向力是通过径向地扩展所述工具为与所述金属层接触且同时维持在所述工具和所述复合材料层之间的间隙被实现的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中形成所述干涉包括在所述工具和所述金属层之间插入材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其中插入所述材料是通过仅在所述工具和所述金属层之间放置套管被实现的。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的方法，其中插入所述材料包括在所述工具上形成材料带。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述工具上形成所述材料带是通过火焰喷涂、电镀、微焊接和蚀刻中的一种被实现的。
7.根据权利要求3所述的方法，其中在所述工具和所述金属层之间插入所述材料包括施加所述材料到围绕所述孔的所述金属层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中施加所述材料到所述金属层是通过电镀和微焊接中的一种被实现的。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中形成所述干涉是通过围绕所述孔从所述复合材料层去除所述材料以便在所述复合材料层和所述工具之间形成突出的金属带被实现的。
10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中：
放置所述工具在所述孔中包括放置套筒在所述孔中，以及
使用所述工具施加向外的径向力包括通过拉动心轴通过所述套筒而扩展所述套筒。
技术总结