專利名稱：用于緊固系統(tǒng)的混合套環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于緊固系統(tǒng)的混合套環(huán)，尤其是一種用于保護(hù)套環(huán)和結(jié)構(gòu)之間免受電化學(xué)(galvanic)腐蝕的混合套環(huán)。
背景技術(shù)：
諸如碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)之類的復(fù)合材料隨著復(fù)合技術(shù)的進(jìn)步在航空航天工業(yè)中得到越來越普遍的應(yīng)用。復(fù)合結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是接近凈形狀而制造，但復(fù)合結(jié)構(gòu)得鉆孔以便于使用機(jī)械緊固件進(jìn)行部件的聯(lián)結(jié)。選擇航空器結(jié)構(gòu)的緊固件的其中一個(gè)最重要的原則是緊固件與所聯(lián)結(jié)的部件之間的電化學(xué)腐蝕兼容性。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，用于緊固系統(tǒng)的套環(huán)包括套環(huán)本體，所述套環(huán)本體具有第一端部、與第一端部相對(duì)的第二端部、位于第二端部處并具有承載表面的凸緣；以及附接至套環(huán)本體的基底元件，所述基底元件包括覆蓋套環(huán)本體的承載表面的基底部以及聯(lián)結(jié)到套環(huán)本體的凸緣的固定部。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)本體由第一材料制成并且基底元件由第二材料制成，所述第二材料與第一材料電化學(xué)兼容(galvanically compatible)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一材料選自由招和招合金構(gòu)成的組。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二材料選自由鋼、合金鋼、鈦以及鈦合金構(gòu)成的組。在一個(gè)實(shí)施例中，基底元件的固定部卷曲在套環(huán)本體的凸緣上。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)本體包括從其第一端部向其第二端部延伸并形成內(nèi)壁的孔，其中基底元件包括延伸進(jìn)入本體元件的孔并覆蓋內(nèi)壁的一部分的密封部。在一個(gè)實(shí)施例中，基底元件包括適于相對(duì)于套環(huán)本體轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)基底元件。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)適于安裝到由復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)上。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)包括具有有機(jī)材料和非導(dǎo)電填料的涂層。在一個(gè)實(shí)施例中，有機(jī)材料為聚合物材料，并且非導(dǎo)電填料從由鋁色漆、鉻酸鹽油漆以及溶膠-凝膠涂層構(gòu)成的組中選擇。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層應(yīng)用到本體元件的每部分上。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層選擇性地應(yīng)用到本體元件上。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)是螺紋套環(huán)。在另一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)是旋鍛套環(huán)。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)本體具有第一端部以及與第一端部相對(duì)的第二端部，所述套環(huán)本體由第一材料制成；以及位于套環(huán)本體的第二端部處的凸緣，所述凸緣由第二材料制作，所述第二材料與第一材料電化學(xué)兼容。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)本體和凸緣相互一體成型。在一個(gè)實(shí)施例中，第一材料選自由鋁和鋁合金構(gòu)成的組。在一個(gè)實(shí)施例中，第二材料選自由鋼、合金鋼、鈦以及鈦合金構(gòu)成的組。


為了更全面地理解本發(fā)明，結(jié)合附圖參考示范性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，其中圖I是鎖緊螺栓緊固系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖；圖2A是適于在圖I所示的緊固系統(tǒng)中使用的混合套環(huán)的一個(gè)實(shí)施例的局部剖視立體圖，套環(huán)包括平坦基元件；圖2B是包括脊?fàn)罨自幕旌咸篆h(huán)的另一個(gè)實(shí)施例的局部剖視立體圖；
圖2C是包括旋轉(zhuǎn)基底元件的混合套環(huán)的另一個(gè)實(shí)施例的局部剖視立體圖；圖2D是包括一體成型的凸緣的混合套環(huán)的另一個(gè)實(shí)施例的局部剖視立體圖；圖3是示出各種套環(huán)材料的特定抗拉強(qiáng)度(UTS/密度)的比較的圖表；圖4是安裝在碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)結(jié)構(gòu)上的多個(gè)混合套環(huán)的實(shí)施例的立體圖；圖5是示出在緊固件安裝期間通過原位冷加工而獲得的混合套環(huán)的功能梯度微觀結(jié)構(gòu)的顯微圖；圖6是示出鋁混合套環(huán)對(duì)比鈦套環(huán)的抗拉強(qiáng)度的圖表，從而表明具有同等的強(qiáng)度極限；圖7是在鹽噴霧腐蝕測(cè)試后與復(fù)合板進(jìn)行測(cè)試的混合套環(huán)的實(shí)施例的立體圖。
具體實(shí)施例方式在一個(gè)實(shí)施例中，混合套環(huán)10適于防止電化學(xué)腐蝕并且相對(duì)傳統(tǒng)的鈦鎖緊螺栓套環(huán)(titanium lockbolt collar)降低了重量。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)10將電化學(xué)兼容的基底元件14與本體元件12相結(jié)合。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)10是具有受控旋鍛(swaging)特征的鎖緊螺栓套環(huán)，并且用在如圖I所示的具有螺紋銷18的緊固組件16中，以用于緊固多個(gè)工件20、22。在一個(gè)實(shí)施例中，緊固組件16包括插入工件20、22的對(duì)準(zhǔn)孔中的襯套24，緊固組件16的尺寸和形狀被設(shè)計(jì)成接收銷18。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)10用在航空航天應(yīng)用場(chǎng)合中，例如航空器。在其他的實(shí)施例中，套環(huán)10可用于其他的應(yīng)用場(chǎng)合和領(lǐng)域。參見圖2A至2C，套環(huán)10包括相對(duì)較軟且可變形的本體元件12，以及電化學(xué)兼容的基底元件14。在一個(gè)實(shí)施例中，基底元件14是適合于復(fù)合結(jié)構(gòu)的墊圈，如圖2A至2C所示。在另一個(gè)實(shí)施例中，套圈10僅包括軟的且可變形的本體元件12,如圖2D所示,所述本體兀件12適合金屬結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，用于軟的且可變形的本體元件12的材料可以包括但不限于鋁及其合金，如2099、7075、2024以及6061。圖3的圖表示出了各種套環(huán)材料的特定抗拉強(qiáng)度(UTS/密度)的比較。特別地，在一個(gè)實(shí)施例中，所述圖表示出了鋁2099的特定抗拉強(qiáng)度與用于制造套環(huán)的其它材料的有利對(duì)比。圖4示出了安裝在碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)工件上的多個(gè)套環(huán)10的實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)10可以具有納米晶粒結(jié)構(gòu)，通過在緊固件安裝過程中經(jīng)由原位成型工藝?yán)浼庸ぬ篆h(huán)10并產(chǎn)生功能梯度材料(FGM)來獲得所述納米晶粒結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在一個(gè)實(shí)施例中，該微觀結(jié)構(gòu)下的梯度導(dǎo)致橫跨套環(huán)10的橫截面的性能梯度并提供了必要的功能特性，即，與鈦套環(huán)大致相等的較高抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度以及較高的耐腐蝕性。在一個(gè)實(shí)施例中，還通過改變套環(huán)10的外部直徑控制套環(huán)10的冷加工程度，以提供特定數(shù)量的變形結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，用于套環(huán)10大小的特定套環(huán)外部直徑尺寸維持為改進(jìn)性能所需的臨界變形，但是保持低于可導(dǎo)致套環(huán)10在安裝過程中發(fā)生意想不到的裂紋的水平。在其他的實(shí)施例中，能夠通過其他冷加工的手段(如攻絲或者滾絲操作)制造其他類型緊固件(如脆性的套環(huán))中的FGM。在其他的實(shí)施例中，套環(huán)10包括具有有機(jī)材料和非導(dǎo)電填料的組合的涂層。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層的有機(jī)材料能夠包括聚合物系列，如環(huán)氧樹脂，并且非導(dǎo)電填料能夠包括招色漆(aluminum pigmented paint)、鉻酸鹽油漆(chromated paint)以及溶膠-凝膠涂層系列。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層能夠應(yīng)用到套環(huán)10的每部分上，特別是本體元件12上。在另一個(gè)實(shí)施例中，涂層能夠根據(jù)期望的接合點(diǎn)性能選擇性地應(yīng)用到本體元件12上。在另一個(gè)實(shí)施例中，本體元件12的外表面能夠包括含有第一材料的涂層,并且本體元件12的內(nèi)表面能夠包括含有與第一材料不同的第二材料的涂層。 在一個(gè)實(shí)施例中，通過使用緊密配合的基底元件14 (如插在本體元件12的承載表面26下并覆蓋承載表面26的自備墊圈(captive wahser))使套環(huán)10與更貴重的結(jié)構(gòu)(如復(fù)合物)電隔離。在一個(gè)實(shí)施例中，基底元件14能夠選自一組已知與復(fù)合結(jié)構(gòu)電化學(xué)兼容的金屬材料。在一個(gè)實(shí)施例中，這些材料包括鋼，鈦，及其合金。在其他的實(shí)施例中，可以使用其它的合金和非金屬材料。在一個(gè)實(shí)施例中，基底元件14不僅提供套環(huán)10和CFRP構(gòu)件之間的電化學(xué)腐蝕保護(hù)，還作為緊固系統(tǒng)16的其中一個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件發(fā)揮了重要的作用。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖2A所示，基底元件14包括覆蓋本體元件12的承載表面26的平坦基底28以及卷曲并固定在本體元件12的凸緣32上的固定部30。在一個(gè)實(shí)施例中，固定部30相對(duì)于基底28成角度地傾斜。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖2B所示,基底元件14包括與圖2A所示的基底元件14結(jié)構(gòu)類似的脊?fàn)罨?4，還包括延伸進(jìn)入本體元件12的孔38內(nèi)并部分地覆蓋本體元件12的內(nèi)壁40的密封部36。在一個(gè)實(shí)施例中，密封部36作為用于防止水汽和其他外部元件滲入本體元件12的孔38的密封件。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖2C所示,基底元件14包括旋轉(zhuǎn)基底元件42，其中在本體元件12的凸緣32和密封部30之間形成空隙44或間隙，由此允許旋轉(zhuǎn)基底元件42能相對(duì)于本體元件12轉(zhuǎn)動(dòng),反之亦然。在一個(gè)實(shí)施例中，前述的基底元件14是剛性的，并且因此，基底元件14在緊固件安裝過程中能夠適應(yīng)任何可能的孔不對(duì)準(zhǔn)，從而形成自對(duì)準(zhǔn)緊固件。在一個(gè)實(shí)施例中，如在工件20、22的孔過大或者不對(duì)準(zhǔn)的情況下，基底元件14填充孔與銷18之間的任何間隙中并輔助對(duì)準(zhǔn)銷18。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)套環(huán)10應(yīng)用在復(fù)合結(jié)構(gòu)中時(shí)，基底元件14減輕復(fù)合承載變形。在一個(gè)實(shí)施例中，基底元件14使本體元件12能夠在安裝過程中形成為不直接接觸該結(jié)構(gòu)。結(jié)果，這防止套環(huán)10的變形(即表面摩擦)平移到結(jié)構(gòu)中。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)10對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)合都是電化學(xué)兼容的，重量更輕，并且比鈦緊固件便宜，以及具有與鈦緊固件相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，如圖6的圖表所示。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)10比相當(dāng)?shù)拟佁篆h(huán)輕大約30-50%，原因在于本體元件12采用了更低密度的材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)10比相當(dāng)?shù)拟佁篆h(huán)輕大約40%。
圖7示出了多個(gè)套環(huán)10在鹽噴霧腐蝕測(cè)試后與復(fù)合板測(cè)試的實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)10在經(jīng)過250個(gè)小時(shí)的鹽噴霧暴露后沒有顯示任何電化學(xué)腐蝕的跡象。應(yīng)當(dāng)理解的是，本文描述的實(shí)施例僅是示例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可作出各種變動(dòng)和更改。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)10可以是螺紋構(gòu)件。在一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)10可以是具有用于將其對(duì)準(zhǔn)到銷18的螺紋部上的內(nèi)部螺紋的輕微螺紋的套環(huán)，并且之后，套環(huán)10能夠旋鍛到銷18上。在其他的實(shí)施例中，套環(huán)18可包括用于前述對(duì)準(zhǔn)目的的單線螺紋，如Dixon在美國(guó)專利US4867625中公開的那樣，該專利在此一并引用作為參考。在另一個(gè)實(shí)施例中，套環(huán)10的本體元件12可以是兩件式元件，以使得本體元件12的細(xì)長(zhǎng)管狀構(gòu)件由軟的且可變形的材料制成，如上述的鋁及其合金，并且凸緣由電化學(xué)兼容的材料制作，如上述的鈦、鋼及其合金，并且其中管狀構(gòu)件和凸緣相互附接。在一個(gè)或更 多的實(shí)施例中，管狀構(gòu)件和凸緣部通過摩擦焊接、粘接劑或者其他本領(lǐng)域中所知的合適的附接手段彼此附接。應(yīng)當(dāng)理解的是，本文描述的實(shí)施例僅是示例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可作出各種變動(dòng)和更改。所有這些變動(dòng)和更改都意欲包括在所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種套環(huán)，其包括 套環(huán)本體，所述套環(huán)本體具有第一端部、與第一端部相對(duì)的第二端部、以及位于第二端部處并具有承載表面的凸緣；以及 附接至套環(huán)本體的基底元件，所述基底元件包括覆蓋套環(huán)本體的承載表面的基底部以及聯(lián)結(jié)到套環(huán)本體的凸緣的固定部。
2.如權(quán)利要求I所述的套環(huán)，其特征在于，套環(huán)本體由第一材料制成并且基底元件由第二材料制成，所述第二材料與第一材料電化學(xué)兼容。
3.如權(quán)利要求2所述的套環(huán)，其特征在于，第一材料選自由鋁和鋁合金構(gòu)成的組。
4.如權(quán)利要求3所述的套環(huán)，其特征在于，第二材料選自由鋼、合金鋼、鈦以及鈦合金構(gòu)成的組。
5.如權(quán)利要求2所述的套環(huán)，其特征在于，基底元件的固定部卷曲在套環(huán)本體的凸緣上。
6.如權(quán)利要求2所述的套環(huán)，其特征在于，套環(huán)本體包括從其第一端部向其第二端部延伸并形成內(nèi)壁的孔，其中基底元件包括延伸進(jìn)入本體元件的孔并覆蓋內(nèi)壁的一部分的密封部。
7.如權(quán)利要求2所述的套環(huán)，其特征在于，基底元件包括適于相對(duì)于套環(huán)本體轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)基底元件。
8.如權(quán)利要求2所述的套環(huán)，其特征在于，套環(huán)適于安裝到由復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)上。
9.如權(quán)利要求2所述的套環(huán)，其特征在于，進(jìn)一步包括具有有機(jī)材料和非導(dǎo)電填料的涂層。
10.如權(quán)利要求7所述的套環(huán)，其特征在于，有機(jī)材料為聚合物材料，并且非導(dǎo)電填料從由鋁色漆、鉻酸鹽油漆以及溶膠-凝膠涂層構(gòu)成的組中選擇。
11.如權(quán)利要求9所述的套環(huán)，其特征在于，涂層應(yīng)用到本體元件的每部分上。
12.如權(quán)利要求9所述的套環(huán)，其特征在于，涂層選擇性地應(yīng)用到本體元件上。
13.如權(quán)利要求2所述的套環(huán)，其特征在于，套環(huán)是螺紋套環(huán)。
14.如權(quán)利要求2所述的套環(huán)，其特征在于，套環(huán)是旋鍛套環(huán)。
15.一種套環(huán)，其包括 套環(huán)本體，所述套環(huán)本體具有第一端部以及與第一端部相對(duì)的第二端部，所述套環(huán)本體由第一材料制成；以及 位于套環(huán)本體的第二端部處的凸緣，所述凸緣由第二材料制作，所述第二材料與第一材料電化學(xué)兼容。
16.如權(quán)利要求15所述的套環(huán)，其特征在于，套環(huán)本體和凸緣相互一體成型。
17.如權(quán)利要求16所述的套環(huán)，其特征在于，第一材料選自由鋁和鋁合金構(gòu)成的組。
18.如權(quán)利要求17所述的套環(huán)，其特征在于，第二材料選自由鋼、合金鋼、鈦以及鈦合金構(gòu)成的組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種套環(huán)，其包括具有凸緣和承載表面的套環(huán)本體，以及附接到套環(huán)本體的基底元件。基底元件包括覆蓋套環(huán)本體的承載表面的基底部，以及聯(lián)接到套環(huán)本體的凸緣的固定部。基底元件可以是平坦基底元件、脊?fàn)罨自蛘咝D(zhuǎn)基底元件。固定部可以卷曲到套環(huán)本體的凸緣上。套環(huán)本體由第一材料制成并且基底元件由第二材料制成，第二材料與第一材料電化學(xué)兼容。第一材料可以是鋁或者鋁合金，而第二材料可以是鋼、合金鋼、鈦或者鈦合金。套環(huán)適于安裝在由復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)上。
文檔編號(hào)F16B19/00GK102734292SQ20121019554
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者H·穆拉茲莫格魯, L·海洛克, R·平海羅 申請(qǐng)人:美鋁公司