CN110873107A - 带断裂槽螺钉的紧固件、连接件与安装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种螺钉，包括头部(22)和螺纹部分，头部端部形成端面(32)，近似位于垂直于主轴的第一平面上。此螺钉还包含一个与头部紧密接触的夹持构件(30)，夹持构件与头部端的接合部(50)包含一个围绕主轴呈螺旋状的断裂槽(52)。断裂槽的一部分具有圆弧部分(60)，其中圆弧的中心(68)基本上分布在第一平面上，因此，包括断裂槽(52)表面的平面与所述第一平面近似重合。

Description

带断裂槽螺钉的紧固件、连接件与安装方法
技术领域
本发明涉及一种沿主轴延伸且包含头部与螺纹部分的螺钉。其中，螺纹端与头部端保持相对，端面垂直于主轴。此螺钉还包含一个夹持构件，该夹持构件位于与螺纹端相对的头部端，夹持构件与头部端的接合部包含一个围绕主轴呈螺旋状的断裂槽。当扭转应力高于设定阈值时，断裂槽将发生断裂。
本发明应用于匹配相应螺钉的盲孔紧固件，即通过所述结构的一侧(通常称为“可接触”侧)实现紧固。上述紧固件主要用于飞行器的装配。
背景技术
关于匹配上述类型螺钉的盲孔紧固件及安装方法，请参考以发明申请人命名的文件FR3016417和文件FR3053745。
螺钉的夹持构件用于固定紧固件，然后通过牵引运动、旋转或单一旋转运动，将其安装于结构中。一旦形成安装构型，如继续旋转，将导致夹持构件和螺钉头部分离断裂。当头部安装在结构或套筒的沉头孔中时，头部将与结构的外表面齐平。
在航空领域中，基于空气动力学考量，结构件均呈现光滑表面，无凹凸不平现象。因此，夹持构件断裂后的螺钉头部表面须尽可能保持光滑。否则，螺钉断裂区域将呈现凸起或凹陷表面。
螺钉断裂区域若出现凸起，随后需进行修边操作，该步骤将产生额外费用与时间，如专利EP 2 042 250 B1中所述。螺钉断裂区域若出现凹陷，则会造成航空阻力。
发明内容
本发明即为解决上述问题而设计，旨在通过重新配置螺丝以使断裂槽的几何形状得到优化。
为此，本发明中上述螺钉的特征在于，在包括主轴的第二平面中，断裂槽部分呈圆弧状，其中圆弧部分的中心基本分布在第一平面上，因此，包含断裂槽表面的平面与所述第一平面近似重合。
根据本发明的其他优势，螺钉包含一个或多个以下特征，这些特征单独存在或以任何可行的方法进行组合：
-断裂槽的圆弧部分包含第一部分与第二部分，它们分别位于螺钉头部以及螺钉第一平面两侧的夹持构件上，所述第一部分相对于螺钉的第一端面，在螺钉头部形成一个空腔；
-断裂槽上带有与圆弧部分相切的第一和第二唇缘，且近似截锥形，此第一和第二唇缘分别位于螺钉头部和夹持构件上；
-第一唇缘与螺钉头部的端面形成第一夹角，与第二唇缘形成第二夹角；第一夹角在5°和25°之间，其中10°和15°之间更优；第二夹角在15°和60°之间，其中25°和35°之间更优，接近30°时为最佳；
-螺钉头部采用沉头设计；
-螺钉还包括位于头部和螺纹之间的螺杆，该螺杆通过榫肩的方式连接两个圆柱体部分，第一部分与螺钉头部相接，形成第一直径，第二部分与螺纹部分相接，形成小于第一直径的第二直径。
本发明还涉及另一种紧固件，该紧固件包含一个上述螺钉以及一个套筒(包括沿主轴线邻接的凸缘与圆柱体)；套筒主体包括：一个可形成外球的变形区域；以及一个与螺纹匹配的螺母部分。
作为本发明的一个优势，套筒凸缘呈截锥形并可匹配螺钉沉头，与套筒主体相对的凸缘端面，位于垂直于主轴的第三平面上。
本发明的另外一个构件包括：一个至少含有两个相对平面的结构，每个平面上配备钻孔；及如上所述的紧固件。套筒凸缘与螺钉头部相接触并与钻孔相邻接；套筒主体的变形区域呈球状安装构型，与结构的第二平面相接触；并且螺钉头部与夹持构件保持分离，所述头部断裂面与螺钉端面和套筒凸缘端面近似共面。
根据本发明的优势，断裂面以断裂槽圆弧的第一部分为边缘。
本发明还涉及上述紧固件与包含第一与第二相对平面且各表面均带有钻孔的结构的安装方法，所述方法依次包含以下步骤：将螺钉的螺纹部分与套筒螺母进行组装，所述套筒主体的变形区域呈初始圆柱构型；在第一平面的一侧，将套筒嵌入钻孔内；保持套筒凸缘与第一平面相接触；将螺钉引入或拧入套筒，直到形成与第二平面接触的外球；围绕螺钉头部沿主轴扭转夹持构件，直到断裂槽断裂，并在头部形成断裂面。
附图说明
通过阅读说明书可以更清晰地理解本发明，下面将通过非限制性示例并参考附图做出描述，其中：
-图1是本发明某安装实施例中螺钉的初始构型图；
-图2是图1所示螺钉的局部剖视图；
-图3是本发明某安装实施例中一个包含紧固件的连接件的局部剖视图，所述紧固件包括呈现安装构型的图1所示螺钉；
-图4是图3所示结构的局部剖视图；
-图5是本发明某安装实施例中一个包含紧固件的连接件的局部剖视图，所述紧固件包括呈现安装构型的图1所示螺钉；
-图6是一张包含紧固件的连接件的照片，所述紧固件呈现现有技术的安装构型，其中照片展示了紧固件头部的一部分；以及
-图7是图6所示紧固件头部呈现安装构型的局部剖视图。
具体实施方式
图1展现了处于初始构型的螺钉(10)。螺钉(10)为紧固件(12)的一部分，且可被连接到结构(14)上，以形成连接件(16)。图3展现了紧固件(12)与连接件(16)，其中螺钉(10)处于第二种构型状态，即安装构型。
包含头部(22)的螺钉(10)沿着主轴(20)延伸，螺杆(24)与螺纹部分(26)则沿主轴邻接。位于主轴(20)上螺钉(10)的第一端(28)由螺纹部分(26)的自由端所形成。
螺钉(10)还包括一个夹持构件(30)。在图1所示的初始构型中，所述夹持构件(30)与头部(22)相邻接，并形成位于主轴(20)上螺钉(10)的第二端。
相对而言，螺钉(10)宜采用金属材质，例如由A286型不锈钢或钛合金制成。
头部(22)的一端形成近似垂直于主轴(20)的端面(32)。精确而言，该端面(32)呈圆冠形。
如安装实施例所示，头部(22)为沉头。具体来说，头部(22)呈截锥形，端面(32)对应于锥体的扩口端。在多种未展示的构型中，螺钉头部呈凸起状。
头部(22)的第二端与螺杆(24)相互连接。在所示安装实施例中，螺杆(24)包含第一部分(34)与第二部分(36)，这两部分通过榫肩(38)相连。第一部分(34)与第二部分(36)沿着主轴(20)，呈圆柱形。与头部(22)邻接的第一部分(34)的直径大于与螺纹部分(26)邻接的第二部分(36)的直径。螺杆(24)与文档FR3053745中描述的螺杆相类似。
在多种未展示的构型中，头部(22)与螺纹部分(26)之间的螺杆呈圆柱形，且直径恒定。
螺钉(10)的夹持构件(30)可与安装工具配合，以便自动安装紧固件(12)。夹持构件(30)包括第一夹持部分(40)与第二夹持部分(42)，这两部分通过锁定部分(44)相连接。第一夹持部分(40)、第二夹持部分(42)与锁定部分(44)分别用于将紧固件(12)放入装配工具中、传递扭矩，以及限制紧固件在装配工具中的轴向移动。关于包含该夹持构件的紧固件与装配工具配合使用的方法，请参考文档FR3016417。
在图1所示的初始构型中，夹持构件(30)通过图2中的接合部(50)与头部(22)相连。沿着主轴(20)，接合部(50)包含夹持构件(30)和螺钉(10)最短的一部分。接合部(50)主要包括断裂槽(52)，该断裂槽沿主轴(20)可承受一定的水平应力，当围绕主轴的扭转应力超出阈值时，断裂槽发生断裂。
断裂槽(52)围绕主轴(20)呈螺旋状。图2展现了螺钉(10)接合部(50)的详细视图，以及包含主轴(20)在内的断裂槽(52)局部截面视图。
断裂槽(52)包括一个内弯曲中心(60)，经第一唇缘(62)与第二唇缘(64)所延伸。所述唇缘(62、64)位于内弯曲中心(60)的两侧，它们分别在头部(22)和夹持构件(30)上。第一唇缘(62)与第二唇缘(64)呈截锥形。第一唇缘(62)的自由边缘(66)形成了头部(22)圆形端面(32)的内边缘。
在图2所示截面中，中心部分(60)具有圆弧形截面，其中第一唇缘(62)和第二唇缘(64)的母线与该圆弧相切。圆弧中心部分(68)近似位于头部(22)端面(32)上。
因此，中心部分(60)包含第一部分(70)和第二部分(72)，它们位于头部端面(32)的正反面。相对于头部端面(32)，所述第一部分(70)和第一唇缘(62)在头部(22)位置形成了一个空腔。
在图2所示截面中，第一唇缘(62)与头部(22)端面(32)形成第一夹角a，与第二唇缘(64)形成第二夹角b。
第一夹角α在5°和20°之间，介于10°到15°之间时更优。
第二夹角β在15°和60°之间，介于25°到35°之间时更优。第二夹角β在接近35°时为最佳。
下面将介绍图3的连接件(16)，该连接件包括呈现安装构型的结构(14)与紧固件(12)。
结构(14)宜由多个堆叠构件所形成，然后由紧固件(12)固定。图3仅呈现一个构件。
结构(14)包含对立平行的两个平面：第一平面(72)和第二平面(74)。操作员可接触到第一平面(72)。第二平面(74)则可能无法接触。
结构(14)的每个平面(72、74)上均包含一个钻孔(76)。钻孔(76)垂直于结构(14)的两个平面(72、74)。
钻孔(76)包含一个与第一平面(72)相邻接的沉头表面(82)，以及与沉头表面相连并延伸至第二平面(74)的圆柱表面(84)。沉头表面(82)呈截锥形。
紧固件(12)包括上文所述的螺钉(10)以及套筒(86)。套筒与螺钉(10)同为金属材质。
套筒(86)包括相邻接的扩口凸缘(88)和管状体(90)。凸缘(88)的自由端(92)形成一个近似平坦的圆冠面。
管状体(90)包括：适用于接收螺杆(24)的夹紧区域(94)、与夹紧区域相邻的变形区(96)；与变形区相邻且和螺钉(10)的螺纹(26)匹配的螺母(98)部分。在未展示的紧固件(12)的初始构型中，套筒(86)的管状体(90)呈圆柱形。类似紧固件(12)的构件介绍，请参考文档FR3053745。
在图3所示的安装构型中，套筒(86)插入结构(14)的钻孔(76)中，且螺钉(10)插入所述的套筒中。套筒凸缘(88)与钻孔(76)的沉头表面(82)匹配，并可容纳螺钉(10)的头部(22)。结构(14)的第一平面(72)、套筒(86)的自由端面(92)以及螺钉(10)的端面(32)近似共面。
此外，管状体(90)的变形区(96)形成一个外球状体(100)，该外球与结构(14)的第二平面(74)相接触。
最后，夹持构件(30)与螺钉(10)的头部(22)保持分离。图3中未显示夹持构件(30)。
因此，在安装构型中，头部(22)的断裂面(102)取代了初始构型中的接合部(50)。从图4和图5可以看出，断裂面(102)以圆形凹槽(104)为边缘，该凹槽由断裂槽(52)中心部分(60)的第一部分(70)与第一唇缘(62)所形成。
断裂面(102)与端面(32)近似共面，以便在螺钉(10)的头部(22)形成尽可能光滑的表面。
中心部分(60)的圆弧中心(68)位于头部端面(32)上，接合部(50)的最短部分亦位于该端面上。在安装连接件(16)的过程中，该构型可调整接合部的断裂几何形状。安装方法如下所述：
首先，组装螺钉(10)和套筒(86)，以形成紧固件(12)。具体来说，将螺钉(10)的第一端面(28)从凸缘(88)侧插入套筒(86)；然后将螺钉的螺纹部分(26)拧入套筒的螺母部分(98)，直到螺钉的头部(22)与凸缘(88)相触，即截锥形互相匹配。初始构型中未展示的紧固件(12)便由此形成。
后续步骤需借助安装工具连接螺钉(10)的夹持构件(30)，具体方法与文档FR3016617和文档FR3053745中所述步骤相类似。
初始构型的紧固件(12)从结构(14)的第一平面(72)一侧插入钻孔(76)中，直到套筒(86)的凸缘(88)与钻孔的沉头表面(82)相接触。因此，结构(14)的第一平面(72)与套筒(86)的自由端面(92)近似共面。套筒的螺母部分(98)、变形区(96)以及螺钉的螺纹部分(26)在结构(14)的第二平面(74)一侧向外凸起。
然后将套筒(86)固定在钻孔(76)内，例如可通过向凸缘(88)的自由端(92)施加轴向推力。同时，对螺钉(10)施加轴向牵引力，以使结构(14)足够接近螺钉的第一端面(28)。套筒的螺母部分(98)受所述第一端面(28)的位移所驱动，引发变形区(96)的塑性变形。所述塑性变形将形成外球状体(100)，该球体与结构的第二平面(74)相接触。
凸缘(88)和沉头表面(82)，以及外球状体(100)和第二平面(74)，形成了对立的挡块，挡块在轴向方向上卡住了结构(14)中钻孔(76)内的紧固件(12)。
然后，使用安装工具，围绕主轴(20)对夹持构件(30)施加扭矩。螺钉(10)的螺纹部分(26)因此被拧入套筒(86)的螺母部分(98)，直至头部(22)与凸缘(88)相触。头部端面(32)因此与套筒(86)的自由端(92)以及结构(14)的第一平面(72)近似共面。
对夹持构件(30)持续施加扭矩，直至达到断裂槽(52)断裂的扭转应力阈值。然后，螺钉(10)在接合部(50)处断裂，夹持构件(30)与头部(22)因此而分离。
螺钉头部(22)原本的接合部(50)被断裂面(102)所替代。考虑到上述断裂槽(52)的构型，与夹持构件(30)最小直径对应的断裂面(102)与头部端面(32)形成近似共面。事实上，若考虑测量误差(例如微米级)，断裂面(102)与头部端面(32)相比较，轴向偏移不超过15微米。
然后，如图3所示，连接件(16)处于安装构型，该图未显示夹持构件(30)。在结构(14)的第一平面(72)上，螺钉(10)的头部(22)具有圆形凹槽(104)外，呈现近似平坦光滑的平面(32、102)。
因此，连接件(16)在结构(14)的第一平面(72)侧呈现最佳表面。
发明申请人在结构(14)的代表性试件(200)上完成了紧固件(12)的安装测试。如图5所示，紧固件(12)处于安装构型，此处主轴(20)处于竖直状态。横穿主轴(20)的第一条水平线202决定了头部端面(32)的最低点Y与最高点X。在最高点X和最低点Y之间计算第一个高度Z0°。然后，根据横穿主轴(20)的第二条水平线(相对第一条水平线偏移90°)，进行第二次类似的高度测量Z90°。平面度即为每次紧固件测量的高度Z0°和Z90°之差。下面表1列出了平面度的结果：
Figure BDA0002190133230000081
表1
平均平面度在5至15微米之间，这表明在一个非常薄的平面上有断裂。借助断裂槽的圆弧部分，结构能够达到该平面度。
申请人还测量了结构与套筒之间、结构与螺钉之间的高度差，以确定露头(英语中被称为“富余量”)。
为此，将18个紧固件安装在与沉头紧固件具有同等数量铣削孔的试件中。以结构的第一平面(72)作为基准面，分别测量结构平面和套筒凸缘端面(92)、结构平面和螺钉头部端面(32)以及结构平面和断裂面(102)之间最低点和最高点的高度差。
对于每一个安装的紧固件，计算包括套筒凸缘端面(92)、螺钉头部端面(32)和断裂面(102)之间的最大偏差。计算最大偏差所用的数值以粗体表示，见下表2：
Figure BDA0002190133230000091
表2
由于结构与套筒之间的高度差取决于铣削的质量和/或尺寸，结果表明，如果套筒端面(92)与结构第一平面(72)保持严格齐平，则断裂面(102)与头部端面(32)和套筒端面近似共面，差值介于7至16微米之间，平均值为10微米。断裂面(102)和头部端面(32)之间的共面性在同一区间中变化。这种优异的共面性得益于凹槽(52)径向部分的圆心所在平面与螺钉头部端面(32)保持共面。
申请人对WO2007/100906号专利申请中描述的现有技术的紧固件进行了一系列测试。此类紧固件包括一个含头部(300)和螺纹部分的螺钉，及与螺纹部分相对且与头部紧密相连的夹持构件。当扭转应力高于设定阈值时，螺钉将发生断裂。该紧固件包括一个套筒(302)，该套筒带有凹槽(304)，用于在螺钉旋转时保持套筒固定。图6和图7显示了此类紧固件的安装构型。
螺钉包括向结构(S)外侧的凸起(306)，其高度(310)介于0.131毫米至0.279毫米之间，高于头部端面(308)。鉴于包含断裂面在内的平面厚度达到148微米，因此，这种紧固件的平面度较低。
图7显示的双轴剖面图表明，螺钉的头部(300)和夹持构件之间没有断裂槽，因此，构件断裂面远远高出头部端面所在平面，断裂面所在平面和头部端面之间的最大偏差达到279微米。
当然，本发明不仅仅限于所描述的示例。本发明可用于仅通过对夹持构件施加扭矩即可完成安装的紧固件，例如WO 2004/104429，或WO2016/118694，或WO2007/100906，或WO2014/074862，或WO2013043673专利申请中所描述的紧固件。夹持构件可能与上述形状有所不同，只要其形状能够传递扭矩即可。其形状可能是一个简单的圆柱体，该圆柱体由一个包括笼式导辊的安装前端驱动，如WO2014/187821号申请所述。
此外，如上所述，本发明也适用于螺钉头部凸起的情况。对于包括此类螺钉的紧固件，套筒的自由端和螺钉的端面并未保持共面，但所述端面更为平整顺滑。

Claims (10)

1.一种螺钉(10)，沿主轴(20)延伸，包括头部(22)和螺纹部分(26)，头部端部与螺纹部分相对，头部端面(32)近似位于垂直于主轴的第一平面上，
此螺钉还包含一个夹持构件(30)，该夹持构件位于与螺纹端相对的头部端，夹持构件与头部端的接合部(50)包含一个围绕主轴呈螺旋状的断裂槽(52)，当扭转应力高于设定阈值时，断裂槽将发生断裂，
其特征在于，在包括主轴的第二平面中，断裂槽部分具有圆弧部分(60)，其中圆弧部分的中心(68)基本分布在第一平面上，因此，包括断裂槽(52)表面(102)的平面与上述第一平面近似重合。
2.根据权利要求1所述的螺钉，断裂槽的圆弧部分(60)包括第一(70)和第二(72)部分，分别位于头部(22)和第一平面两侧的夹持构件(30)上，
所述第一部分(70)在头部相对于第一端面(32)形成空腔(104)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的螺钉，其中断裂槽上带有与圆弧部分(60)相切的第一(62)和第二(64)唇缘，且近似截锥形，此第一和第二唇缘分别位于螺钉头部(22)和夹持构件(30)上。
4.根据权利要求3所述的螺钉，其中
第一唇缘(62)与头部端面(32)形成第一夹角(α)，且和第二唇缘(64)形成第二夹角(β)；
第一夹角α在5°和25°之间，介于10°到15°之间时更优；及
第二夹角β在15°和60°之间，介于25°到35°之间时更优，接近30°时为最佳。
5.根据上述权利要求之一所述的螺钉，其中头部(22)为沉头。
6.一种紧固件(12)，包括：
一个根据上述权利要求之一所述的螺钉(10)；以及
一个套筒(86)，其中包括一个凸缘(88)和一个近似圆柱状的管状体(90)，沿主轴相邻；
套筒主体包括：一个可形成外球状体(100)的变形区域(96)；和一个可与螺钉螺纹部分(26)匹配的螺母部分(98)。
7.根据权利要求6与权利要求5结合所述的紧固件，其中套筒凸缘(88)呈截锥状，用于容纳螺钉的沉头(22)，
与套筒主体相对的凸缘端面(92)近似位于垂直于主轴的第三平面上。
8.一种连接件(16)，包括：
至少有一个结构(14)，其中包括相对的第一平面(72)和第二平面(74)，和位于上述每个平面的一个钻孔(76)；以及
根据权利要求6或权利要求7所述的一个紧固件(12)，
其中：
套筒凸缘(88)与螺钉头部(22)接触，并被限定在结构的钻孔(76)中；
套筒主体的变形区(96)处于安装的结构中，以外球状体(100)形式与结构的第二平面(74)接触；以及
螺钉(10)的头部(22)和夹持构件(30)保持分离，头部带有断裂面(102)，与螺钉头部端面(32)和套筒凸缘端面(92)近似共面。
9.根据权利要求8与权利要求2结合所述的连接件，其中断裂面(102)以断裂槽(52)圆弧部分(60)的第一部分(70)为边缘。
10.根据权利要求6或权利要求7所述的将紧固件(12)安装在结构(14)上的方法，该结构包括相对的第一平面(72)和第二平面(74)，以及位于上述每个平面的钻孔(76)，该方法依次包含以下步骤：
将螺钉(10)的螺纹部分(26)与套筒(86)的螺母部分(98)进行组装，所述套筒主体的变形区域(96)呈初始圆柱构型；
在第一平面(72)的一侧，将套筒嵌入结构(14)的钻孔(76)中；
保持凸缘(88)和第一平面相接触；
将螺钉拉伸或拧入套筒内，直至形成与第二平面接触的外球状体(100)；及
使夹持构件(30)相对于螺钉头部(22)绕主轴扭转，直到断裂槽(52)断裂，并在螺钉头部形成断裂面(102)。
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