CN102950622B - 钻孔工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于通过第一和第二结构性构件钻孔的工具，其中在第一和第二结构性构件之间放置有一层液体衬垫。该工具包括具有限定在结构性构件内的待钻孔的位置的洞的钻具夹具以及被联接到钻具夹具的底表面的至少一部分的加热毯，所述工具被联接到所述结构性构件中处于接近液体衬垫的区域内的一个。还提供了在第一和第二结构性构件中钻孔的方法，其中在所述第一和第二结构性构件之间放置有一层液体衬垫，所述钻具夹具被联接到覆盖所述钻具夹具的底表面的至少一部分的加热毯，从而将所述工具联接到所述结构性构件中处于接近所述液体衬垫的区域内的一个，从而激活所述加热毯以便使得所述液体衬垫的温度升高超过固化温度一预定时段，通过所述钻具夹具内的所述孔向所述结构性构件和所述液体衬垫内钻孔。

Description

钻孔工具
技术领域
本公开涉及用于液体衬垫的钻孔工具并且更具体地涉及有助于液体衬垫的高温固化以及钻具夹具这两种功能的钻孔工具。
背景技术
通常通过穿过结构性构件钻孔并使用螺栓或其他这样的紧固装置将构件紧固在一起从而将例如用于航天工业中的复合材料结构的结构性构件结合在一起。为了确保正确地钻孔以及合适的装配，通常需要结构性构件之间的界面尽可能紧密/紧配合。不过，由于零件尺寸、形状和公差的原因，通常在这样的结构性构件之间存在空隙或间隙。
液体衬垫能够被用于减少或消除在这种结构性构件之间的空隙或间隙，以便能够精确地钻孔并且当施加孔时结构性构件之间的界面是紧密的。液体衬垫通常是粘稠树脂。常见液体衬垫的示例包括具有高压缩强度的环氧树脂材料。当两个结构性构件之间存在空隙或间隙时，足量的液体衬垫被施加到结构性构件之间以便填充空隙或间隙，并固化给定时间以便固化成硬化材料。液体衬垫可以在室温固化或在高温固化。施加热会大程度地加快固化过程。随后，穿过结构构件和液体衬垫钻孔以便允许应用紧固装置。
在利用液体衬垫时在结构性构件中的当前钻孔方法通常需要大量时间、大量步骤和大量工具，并且需要大量人力来施加和去除工具。例如，在典型方法中，首先在结构性构件之间施加液体衬垫，并且专用固化工具被施加到结构性构件以便固化液体衬垫。之后在开始钻孔过程之前需要去除固化工具。一旦被去除，则例如钻具夹具的钻孔工具可以被应用以便穿过结构性构件和液体衬垫来钻孔。因此，当利用液体衬垫时当前钻孔方法是低效的。
发明内容
因此，在本公开的第一方面，提供了在利用液体衬垫的结构性构件中钻孔的工具，其能够在不从结构性构件去除工具的情况下既固化液体衬垫又钻孔。该工具包括限定至少一个孔的钻具夹具（drilljig）以及被联接到钻具夹具的底表面的至少一部分的加热毯。加热毯可以限定基本与钻具夹具所限定的所述至少一个孔基本轴向对齐且具有该所述至少一个孔的至少直径的至少一个孔。
有利地，加热毯限定基本与钻具夹具所限定的所述至少一个孔基本轴向对齐且具有该所述至少一个孔的至少直径的至少一个孔。有利地，加热毯被连接到在钻具夹具的底表面内形成的凹槽以致加热毯的底表面与钻具夹具的底表面齐平。有利地，工具包括被置于钻具夹具和加热毯之间的隔绝层。有利地，钻具夹具由选自由金属、塑料或橡胶构成的组中的材料。有利地，加热毯包括包围缠绕阻丝网格的橡胶垫。有利地，加热毯被构造成向液体衬垫成提供至少大约华氏140度的温度。
在本公开的另一方面，提供用于穿过第一结构性构件和第二结构性构件钻孔的工具，且其中在第一和第二结构性构件之间放置一层液体衬垫。该工具包括具有限定待钻孔的位置的洞的钻具夹具以及被联接到钻具夹具的底表面的一部分的加热毯。加热毯可以具有基本与钻具夹具中的洞轴向对齐且具有该洞的至少直径的洞。通过将工具联接到接近液体衬垫区域的一个结构性构件以致加热毯邻近该结构性构件来使用该工具。
有利地，加热毯具有基本与钻具夹具所限定的洞轴向对齐且具有该洞的至少直径的洞。有利地，加热毯被联接到在钻具夹具的底表面内形成的凹槽以致加热毯的底表面与钻具夹具的底表面齐平。有利地，该工具还包括被置于钻具夹具和加热毯之间的隔绝层。有利地，钻具夹具由选自由金属、塑料或橡胶构成的组中的材料。有利地，加热毯包括包围缠绕阻丝网格的橡胶垫。有利地，加热毯被构造成向液体衬垫成提供至少大约华氏140度的温度。
在本公开的另一方面，提供在第一和第二结构性构件内钻孔的方法，且其中在第一和第二结构性构件之间放置有一层液体衬垫。该方法包括：提供包括钻具夹具的钻孔工具，其中钻具夹具限定与加热毯联接的孔，该加热毯被联接到钻具夹具的底表面的至少一部分；将钻孔工具联接到在接近液体衬垫的区域内的一个结构性构件；激活加热毯以便使得液体衬垫的温度升高超过固化温度；等待液体衬垫固化；钻孔，通过钻孔夹具和加热毯内的孔进入并穿过第一结构性构件、第二结构性构件和固化的液体衬垫；以及从结构性构件去除工具。
有利地，在该方法中，加热毯限定基本与钻具夹具所限定的孔轴向对齐且具有该孔的至少直径的孔。有利地，该方法还包括从所述结构性构件去除所述工具。有利地，在该方法中，液体衬垫的温度被升高到大约华氏140度。有利地，在该方法中，加热毯被联接到在钻具夹具的底表面内形成的凹槽以致加热毯的底表面与钻具夹具的底表面齐平。有利地，该方法包括将隔绝层置于钻具夹具和加热毯之间。
当结合附图考虑优选实施例的详细说明时将显而易见到其他目的、特征和优点。
附图说明
图1是利用钻孔工具来钻孔并固化液体衬垫的步骤的图示。
图2A是示出了在被应用到待结合的结构之前钻孔工具的等轴视图的图示。
图2B是示出了沿图2A中的2B-2B截取的横截面的图示。
图3A是示出了被应用到待结合的结构的钻孔工具的等轴视图的图示。
图3B是示出了沿图3A中的3B-3B截取的横截面的图示。
图4A是示出了在被应用到待结合的结构之前钻孔工具的等轴视图的图示，其示出了正被钻入到结构内的孔。
图4B是示出了沿图4A中的4B-4B截取的横截面的图示。
图5A是示出了在从待结合的结构去除之前钻孔工具的等轴视图的图示，其示出了被钻入到结构内的孔。
图5B是示出了沿图5A中的5B-5B截取的横截面的图示。
图6A是示出了使用根据本公开的教导所形成的孔内所固定的紧固件将第一和第二结构结合在一起的等轴视图的图示。
图6B是示出了沿图6A中的6B-6B截取的横截面的图示。
图7A是示出了钻孔工具的第一实施例的等轴视图的图示，其被描绘为底侧面向上。
图7B是示出了钻孔工具的第二实施例的立体图的图示，其具有用于加热毯的凹槽，且被描绘为底侧面向上。
图7C是示出了钻孔工具的第三实施例的立体图的图示，其具有用于加热毯和在加热毯和钻具夹具之间的隔绝材料层的凹槽，且被描绘为底侧面向上。
现在将参考附图，其中不同附图中的类似元件具有相同附图标记。
具体实施方式
本公开提供用于与液体衬垫一起使用的钻孔工具以及使用该钻孔工具的方法。钻孔工具包括：钻具夹具，其具有指示待钻孔的位置的钻取对齐孔；以及所附加热毯，其覆盖钻具夹具底表面的至少一部分。加热毯还可以具有与钻具夹具内的孔对应且轴向对齐的孔。工具通过起到固化工具和钻具夹具双重作用来提供制造时间和成本的效率，并且省去了分离固化工具的需要并省去了与使用单独的固化工具有关的时间和劳力。此外，因为这个单个工具能够用作双重作用，所以在固化和钻孔期间提供了更便携的工具。
现在参考图1，示出并描述了利用钻孔工具来在高温钻孔并固化液体衬垫的方法。还将参考图2A-6B，其示出了利用钻孔工具的示例性设施，并且还参考图7A-7C，其示出了钻孔工具的多个附加实施例。
在步骤102，并且参考图2A和图2B，提供第一结构202、第二结构204和一层液体衬垫216。第一结构202和第二结构204包括要通过螺栓或需要钻孔的其他紧固方法被连结在一起的组件。在这样的组件中，在第一结构202和第二结构204之间会存在不期望的空隙或间隙。
为了填充这样的空隙，可以使用液体衬垫216。典型的液体衬垫216由具有高的压缩强度的环氧基材料构成。这样的液体衬垫216通常用于填充一定厚度以下的空隙。适用于碳复合材料的一个商业可用的液体衬垫的示例是从加利福尼亚BayPoint的HysolCorporation可获得的HysolBrandLiquidShims。
待结合的第一结构202和第二结构204可以是广泛材料中的任意材料。本公开的钻孔工具206在将碳复合材料结构连结在一起的背景下具体有益，因为它们允许从加热毯到液体衬垫层的充分热传递。不过，钻孔工具可以用于充分导热的任意材料或者用于使用其加热毯能够充分加热液体衬垫底层的任意其他材料。
工具206还在航天部件所用的碳复合材料的背景下具体有益，这是由于会产生空隙或间隙的严格零件尺寸公差的原因。不过，应该理解，钻孔工具可以用于在使用这种衬垫的任意背景中的液体衬垫施加热并且因此加速液体衬垫的固化。
液体衬垫216施加于两个结构中的一个并且结构被联接在一起。如果需要的话，则压力可以施加于结构从而挤出任意不必要的液体衬垫216。可选地，在结构性元件202、204被联接在一起之后，可以通过例如注射器的装置来施加液体衬垫216。
在步骤104，提供包括与加热毯210联接的钻具夹具208的钻孔工具206。钻具夹具208被提供用于有助于快速并准确地在结构202、204内定位和钻孔，并且可以由例如铝或纤维玻璃的刚性材料制成，或者对于不均匀或波形（contoured）零件可以由例如橡胶的柔性材料制成以便符合零件表面。钻具夹具208的形状、尺寸和构造可以由所用的待结合结构的形状、尺寸、构造和位置来确定。
钻具夹具208限定一个或更多个孔212，其指示出底层结构内孔的位置并且有助于在底层结构内钻孔。钻具夹具208基于预确定的钻孔构造而辅助对齐钻孔。因此钻具夹具具有至少一个孔212，将通过该孔212向结构性元件202、204内钻孔。钻具夹具208还具有用于在结构上定位并且取向钻具夹具208的部件。这个部件可以包括配合的孔和加工销。在图2A和图2B中，加工销211被示为插入通过钻具夹具208内的孔212并且与第一和第二结构202、204上存在的一组配合孔213对齐，以便将工具206上的孔212恰当地对齐于结构202、204上将要制孔的点。配合孔213可以包括要被钻取的孔的全部数量中的小子集并且可以是尺寸不足的孔。可替代加工销211的是，Cleco型临时紧固件可以被插入通过钻具夹具内的孔并且被插入到结构202、204内的配合孔213内。Cleco是用于代替铆钉的一种临时紧固件，并且由装纳销的圆筒形轴构成。该销被弹簧加载并且具有头部和带分叉的尾部。Cleco被尾部先行地插入通过待结合的两个结构。当头部被按压时，分叉伸出Cleco，并且当头部随后被释放时分叉缩回，不过向外延伸并且卡住结构中的一个结构的表面，从而将Cleco保持就位。接近头部的凸缘将Cleco固定到另一结构，从而将两个结构抵靠彼此保持就位。
为了使用钻具夹具208，钻具夹具208被置于需要孔的结构202、204上的位置之上并且被对齐成使得钻具夹具206内的孔212对应于结构上需要孔的区域。如果结构不包括液体衬垫，并且不需要固化，则钻具可以被用于通过钻具夹具208内的孔而在结构中钻孔。
加热毯210可以是能够提供通过结构的足够热来固化液体衬垫216的各种材料中的任意材料。一种适当类型的加热毯210由硅橡胶垫构成，且该硅橡胶垫包含在两层纤维玻璃增强硅橡胶之间被硫化的缠绕阻丝网格。适当的加热毯可以例如从华盛顿州西雅图的HeatconCompositeSystems获得。加热毯210可以由外部电源（未示出）提供动力，且该加热毯210被连接于从加热毯210延伸出的一条或更多条电线221。电线221的外端可以匹配用于将电线连接到电源的任意类型商用器件，例如插头或其他快拔型连接器。电线可以装配保护性材料来防止由来自加热毯的热量所导致的损坏。
加热毯210被形成为具有与钻具夹具208的形状对应的形状，并且具有与钻具夹具208内的孔212对应的孔214。因此，钻孔工具206具有穿过工具的两个部件（即加热毯210和钻具夹具208）的孔212、214。加热毯内的多孔基本与钻具夹具内的孔轴向对齐并且至少具有钻具夹具内的孔的直径。这种构造允许在钻孔工具206就位的同时向结构内钻孔。
加热毯可以覆盖围绕钻具夹具内的孔的整个底部表面，或者可以仅覆盖底部表面的一部分。因此，加热毯可以是一种连续层的加热毯，或可以包括沿钻具夹具的长度或宽度间隔开的一组条，或者具有其他类似构造来覆盖钻具夹具的底表面的至少一部分，只要钻具夹具内的孔没有被覆盖。加热毯还可以包括比钻具夹具的长度或宽度更窄的条。
在决定加热毯形状时的一个因素是热分布。有利的是足量的热从加热毯到达液体衬垫层的所有区域以致液体衬垫在期望时间量内固化。这对于液体衬垫层的接近要被钻孔的位置的那些部分是特别真实的。
一种有助于确保向液体衬垫层的足量热传递的方式是提供被成形为在整个液体衬垫层正上方的加热毯。这确保了热源在液体衬垫层的所有部分的正上方。不过，这种构造会不是必须的，因为热可以从加热毯传播到不位于加热毯正下方的位置。因此，可接受的是使用不完全覆盖液体衬垫层的加热毯。不过，加热毯优选地覆盖充分量的液体衬垫以便提供足量热来固化液体衬垫的整个区域。所需的加热毯的量将取决于结构的材料、结构的厚度、结构的形状和其他因素。例如，因为提供给液体衬垫的热量随加热毯材料和液体衬垫层之间的距离增加而减少，所以具有较大厚度的结构会需要更多的加热毯材料存在于液体衬垫层正上方。
图7A-7C描绘了倒置取向的钻孔工具的多个实施例。
图7A示出了钻孔工具（即图2A-6B中示出的钻孔工具206）的第一实施例，其包括如上所述与钻具夹具的平坦底表面联接的加热毯。钻孔工具206的底表面（也被称为“加热毯一侧”）218被示为指向上。加热毯210的形状和尺寸优选地匹配钻具夹具208的形状和尺寸，以致加热毯210的底表面是钻孔工具206的底表面。
图7B描绘了钻孔工具706的实施例，其中钻具夹具708具有在钻具夹具708的底表面的至少一部分内的凹槽714，其由钻具夹具的底表面所形成的边界718围绕。凹槽应该足够深以便允许加热毯卡配在凹槽内以致加热毯的底表面713与钻具夹具708的底表面的边界齐平。因此，钻孔工具的底表面由加热毯710的底表面713和边界718构成。因此，当钻孔工具706处于安装构造（即抵靠要被加热的结构）时，加热毯和底表面的边界安放成齐平地抵靠该结构。
图7C描绘了钻孔工具726的实施例，其中钻具夹具728具有与图7B所示实施例类似的凹槽734。在这个实施例中，凹槽734由一层绝缘材料736覆盖从而阻止大量的热从加热毯730传递到钻具夹具728。如果例如钻具夹具728是良好的热导体，或者如果钻具夹具728由能够被翘曲、熔化或由于暴露于高温而以其他方式被不良影响，这由于多种原因是有利的。绝缘材料还可以用于图7A中的加热毯210和钻孔夹具208之间。
在图7A、图7B和图7C所示的钻孔工具206、706、726的每个实施例中，可以通过冲压、切割或钻取而通过加热毯制孔。加热毯还可以被定制成具有这种孔。如果从加热毯冲压、切割或钻取出孔，则可以使用电和/或热绝缘材料来防止毯内的内部加热元件的暴露。加热毯可以使用粘结剂被结合到或使用适当紧固件被机械紧固到钻具夹具。
在图2A和图2B中，第一结构202、第二结构204和钻孔工具206被示出。钻孔工具206被示为包括钻具夹具208和加热毯210，这二者均具有从中延伸通过的孔212、214。第一结构201和第二结构204被示出具有被置于其间的一层液体衬垫216。在这种构造中的液体衬垫216是未固化的。
在步骤106中并且如图3A和图3B所示，钻孔工具206被联接到第一结构202或第二结构204（在图3A和图3B中是被联接到第二结构204）中的任一，且工具的加热毯210一侧218面向结构204，以致热可以被直接施加于结构204。工具206的孔212与结构204上要被钻孔位置的点对齐。
钻孔工具206可以通过使用粘结剂或通过物理附接机构中的任一种被附接到第一结构202或第二结构204。
在步骤108中，加热毯210被激活从而通过结构204向液体衬垫216施加热，并且加速其固化。对于典型热固性液体衬垫216，例如环氧基液体衬垫216，能够在大约140°F在大约1小时内完成固化。在没有热量来加速的情况下，室温固化类似地液体衬垫216会花费大约9个小时或更久。因此，工具206在减少制造时间方面具有显著优势。可以在不需要加热毯210的情况下在不激活加热毯的情况下使用工具206。
在步骤110，在激活加热毯210之后，液体衬垫216保持固化一个预定时间量。
在步骤112并且如图4A和图4B所示，在液体衬垫已经固化之后，钻具220被用于钻孔通过结构204和202以及液体衬垫216，如孔212、214所示。如果存在小直径的配合孔，则那些孔将会打开到完全尺寸。
在步骤114并且如图5A和图5B所示，钻孔工具206被去除。留下了第一结构202和第二结构204以及一层被固化衬垫222，其均具有通过理想位置被钻取的孔。
在步骤116并且如图6A和图6B所示，第一结构202和第二结构204以及该层被固化衬垫222（现在其具有从中通过的孔）可以由紧固件224连接。紧固件224可以包括带螺母的螺栓，其中螺栓被穿过第一结构202和第二结构204内的孔并且使用螺母固定。紧固件224可以可替代地包括使用通过孔连接两个结构的各种紧固件中的任意紧固件。
应该理解，图2A-6B仅是示例性的，并且上述钻孔工具可以用于广泛的结构类型、形状和孔构造。
因此作为本公开主题的钻孔工具允许以简单直接方式来应用加热元件和钻具对齐工具（钻具夹具），而不需要多次零件改变。这节省了时间、劳动力和资金成本，并且减少了需要液体衬垫的钻孔过程的复杂性。此外，本公开有助于高温固化液体衬垫从而显著减少形成需要这种液体衬垫的零件所必须的时间。
虽然已经参考各种实施例描述了本公开，不过本领域的技术人员将理解，可以做出各种改变，并且等价物可以代替其中元件，而不会背离于本公开的范围。此外，可以做出许多改型从而使得具体情况适应本公开的教导，而不背离于其实质范围。因此，本公布不被限制于这里公开的用于执行本公开方法的具体实施例，而是本公开将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (12)

1.一种用于在第一结构性构件(202)和第二结构性构件(204)内钻孔的工具(206)，其中在所述第一结构性构件(202)和所述第二结构性构件(204)之间具有一层液体衬垫(216)，包括：
钻具夹具(208)，该钻具夹具(208)具有与将要在所述第一和第二结构性构件(202、204)内钻取的至少一个钻取孔对应的至少一个夹具孔(212)；以及
与所述钻具夹具(208)的底表面(218)的至少一部分联接的加热毯(210)，
其中所述加热毯(210)包括包绕缠绕阻丝网格的橡胶垫，并且所述工具(206)被联接到所述第一和第二结构性构件(202、204)中处于接近所述液体衬垫(216)的区域内的一个。
2.根据权利要求1所述的工具(206)，其中：
所述加热毯(210)限定与所述钻具夹具(208)所限定的所述至少一个夹具孔(212)基本轴向对齐的至少一个加热毯孔(214)，并且所述加热毯(210)内的所述至少一个加热毯孔(214)至少具有与所述钻具夹具(208)所限定的所述至少一个夹具孔(212)的直径一样大的直径。
3.根据权利要求1所述的工具(206)，其中所述加热毯(210)被联接到在所述钻具夹具(208)的底表面(218)内形成的凹槽(714)以致所述加热毯(210)的底表面(713)与所述钻具夹具(208)的底表面(218)齐平。
4.根据权利要求1所述的工具(206)，还包括位于所述钻具夹具(208)和所述加热毯(210)之间的绝缘层。
5.根据权利要求1所述的工具(206)，其中：
所述钻具夹具(208)由从由金属、塑料或橡胶构成的组中选择的材料制成。
6.根据权利要求1所述的工具(206)，其中：
所述加热毯(210)被构造成向一层液体衬垫(216)提供至少华氏140度的温度。
7.一种在第一结构性构件(202)和第二结构性构件(204)中钻孔的方法，其中在所述第一结构性构件和所述第二结构性构件之间具有一层液体衬垫(216)，所述方法包括：
提供用于钻孔的工具(206)，其包括钻具夹具(208)，该钻具夹具(208)具有与将要在所述第一和第二结构性构件(202、204)内钻取的钻取孔对应的夹具孔(212)，所述钻具夹具(208)被联接到加热毯(210)，该加热毯(210)覆盖所述钻具夹具(208)的底表面(218)的至少一部分；
将所述工具(206)联接到所述第一和第二结构性构件(202、204)中处于接近所述液体衬垫(216)的区域内的一个；
激活所述加热毯(210)从而使得所述液体衬垫(216)的温度升高超过固化温度一预定时段；以及
通过所述钻具夹具(208)内的所述夹具孔(212)向所述第一和第二结构性构件(202、204)和所述液体衬垫(216)内钻孔。
8.根据权利要求7所述的在第一结构性构件(202)和第二结构性构件(204)中钻孔的方法，其中：
所述加热毯(210)限定与所述钻具夹具(208)所限定的夹具孔(212)基本轴向对齐的加热毯孔(214)，且所述加热毯(210)内的所述加热毯孔(214)至少具有与所述钻具夹具(208)所限定的所述夹具孔(212)的直径一样大的直径。
9.根据权利要求7所述的在第一结构性构件(202)和第二结构性构件(204)中钻孔的方法，还包括从所述第一和第二结构性构件(202、204)移除所述工具(206)。
10.根据权利要求7所述的在第一结构性构件(202)和第二结构性构件(204)中钻孔的方法，其中所述液体衬垫(216)的温度被升高到至少华氏140度。
11.根据权利要求7所述的在第一结构性构件(202)和第二结构性构件(204)中钻孔的方法，其中所述加热毯(210)被联接到在所述钻具夹具(208)的底表面(218)内形成的凹槽(714)以致所述加热毯(210)的底表面(713)与所述钻具夹具(208)的底表面(218)齐平。
12.根据权利要求7所述的在第一结构性构件(202)和第二结构性构件(204)中钻孔的方法，还包括在所述钻具夹具(208)和所述加热毯(210)之间提供绝缘层。
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