CN114992207A - 无铆钉紧固件和安装工具 - Google Patents

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CN114992207A CN202210634108.0A CN202210634108A CN114992207A CN 114992207 A CN114992207 A CN 114992207A CN 202210634108 A CN202210634108 A CN 202210634108A CN 114992207 A CN114992207 A CN 114992207A
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迈克·J·都伯利
科里·A·拉格斯代尔
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Abstract

一种用于将螺栓保持在结构件中的孔中的紧固件，该紧固件包括衬套，该衬套与保持部的底部表面一体地形成并且从保持部的底部表面延伸，衬套定尺寸成用于插入到结构件中的孔中并且衬套的壁厚在约0.005英寸至约0.030英寸的范围内，其中，衬套构造成在孔内膨胀，从而将膨胀的衬套牢固地联接在结构件的孔内并且将保持部锚固至结构件的围绕该孔的表面。一种用于安装紧固件的工具，该工具包括：渐缩式心轴，该渐缩式心轴构造成用于插入位于结构件的孔内的紧固件内；驱动机构，该驱动机构构造成使心轴穿过紧固件缩回，并且由此使紧固件膨胀；以及力传感器，该力传感器配置成用于对由驱动机构施加的用以使心轴穿过紧固件缩回的力进行测量。

Description

无铆钉紧固件和安装工具
本申请是国际申请日为2018年9月21日、中国国家申请号为201880061309.8(国际申请号为PCT/US2018/052220)且发明名称为“无铆钉紧固件和安装工具”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月22日提交的美国临时专利申请No.62/562,003、于2018年3月15日提交的美国临时专利申请No.62/643,636、于2018年5月18日提交的美国临时专利申请No.62/673,502以及于2018年9月21日提交的美国实用专利申请No.16/138,253的优先权和权益，上述申请中的每个申请的全部内容在此通过参引并入。
技术领域
公开了一种无铆钉紧固件和一种安装工具，并且更具体地，公开了一种具有薄壁衬套的无铆钉紧固件和一种构造成用于在将紧固件安装在结构件中时对力进行测量的安装工具。
背景技术
现有螺母板和类似的紧固件具有若干缺点。例如，一些螺母板仅经由粘合剂仅附接至结构件的表面，从而导致相对弱的附接以及相对应的趋向于松动和从结构件掉落的趋势。此外，结构件中的螺栓孔的任何冷加工必须与这种螺母板的安装分开进行，从而增加了劳动力和成本。其他螺母板包括桶状部，该桶状部在结构件中的螺栓孔内延伸并膨胀；然而，厚的桶状部壁需要增大的孔直径，这可能会使孔的边缘距离减小并且使结构件的使用寿命减少。其他螺母板具有多件式构型，所述多件式构型包括套筒，该套筒没有起到将这些螺母板锚固至结构件中的孔的作用，并且这些螺母板具有低扭矩输出阈值和其他缺点。此外，复合材料子结构件在飞行器机身中的逐渐增长的使用产生了对用于紧固系统、特别是用于主要组件的盲区部分的更好解决方案的需要。传统铆接螺母板保持部的使用由于在复合材料中钻孔、特别是螺母板铆钉所需的小孔的成本而成问题。目前，其他选择是有限的，并且其他选择包括：表面粘结式保持部，该表面粘结式保持部具有当之无愧的脱落名声；以及膨胀式保持部，该膨胀式保持部依靠摩擦来保持，同时受限于非常低的膨胀水平。因此，需要改进的紧固件。
发明内容
本公开涉及一种用于将螺栓保持在结构件中的孔中的紧固件。在各种实施方式中，紧固件可以包括：保持部，该保持部具有用于抵靠于结构件的围绕孔的表面定位的底部表面；以及衬套，该衬套与保持部的底部表面一体地形成并且从保持部的底部表面延伸，该衬套定尺寸成用于插入到结构件中的孔中并且该衬套的壁厚在约0.005英寸至约0.030英寸的范围内。衬套可以构造成在孔内膨胀，从而将膨胀的衬套牢固地联接在结构件的孔内并且将保持部锚固至结构件的围绕孔的表面。
在各种实施方式中，保持部可以包括螺母或用于接纳螺母的联接部，以用于紧固螺栓。在各种实施方式中，紧固件可以由单件金属材料机加工而成。
在各种实施方式中，衬套可以具有大致中空筒形的形状。在各种实施方式中，衬套的壁厚可以使孔的用于将衬套和螺栓容纳在孔的内部所需的直径最小化。在各种实施方式中，衬套可以构造成在孔内膨胀约3.5％。在一些实施方式中，衬套的膨胀可以将衬套与结构件的孔经由至少摩擦配合牢固地联接。
在各种实施方式中，紧固件还可以包括定位在保持部的第一侧和衬套的外表面中的至少一者上的粘合剂材料。在一些实施方式中，粘合剂材料可以至少定位在衬套的外表面上，并且衬套的膨胀增强了粘合剂材料与孔之间的粘结。粘合剂材料与孔之间的增强的粘结可以用于将膨胀的衬套牢固地联接在结构件的孔内。在一个实施方式中，粘合剂可以是压力活化的。
在另一方面，本公开涉及一种用于将紧固件安装至结构件的工具。在各种实施方式中，该工具可以包括：心轴，该心轴具有渐缩形状，该心轴构造成用于插入位于结构件的孔内的紧固件内；驱动机构，该驱动机构构造成使心轴穿过紧固件缩回，并且由此使紧固件在结构件的孔内膨胀；以及力传感器，该力传感器配置成用于对由驱动机构施加的用以使心轴穿过紧固件缩回的力进行测量。
在各种实施方式中，驱动机构可以包括导螺杆，该导螺杆与带螺纹套筒联接。使导螺杆旋转可以导致带螺纹套筒轴向移动以使心轴缩回及伸出。在一个实施方式中，导螺杆的头部可以构造成与电钻和冲击驱动器中的至少一者联接。在另一实施方式中，工具可以包括用于对驱动机构进行驱动的一体式驱动装置。
在各种实施方式中，工具还可以包括自由浮动部件，该自由浮动部件邻近于力传感器定位并且从工具的壳体的远端端部部分地延伸出。自由浮动部件可以构造成当心轴缩回以使紧固件膨胀时将自由浮动部件与结构件之间产生的压力传递至力传感器。在各种实施方式中，该工具还可以包括位于力传感器的相反两侧的第一压力板和第二压力板，所述第一压力板和第二压力板用于使由自由浮动部件施加的力均匀地分布并将所述力引导成垂直于力传感器作用。
在各种实施方式中，工具还可以包括处理器，该处理器配置成确定在紧固件的安装期间所施加的最大力和在紧固件的整个安装中所施加的总力中的至少一者。在一个实施方式中，处理器可以配置成存储最大力和总力中的至少一者或者对最大力和总力中的至少一者进行传输以用于远程存储。在一个实施方式中，处理器还可以配置成：将测量到的最大力和测量到的总力中的至少一者与对应力的预定范围进行比较，该预定范围限定了指示成功安装的力的范围；并且向工具的使用者自动提供指示测量到的力是否处于预定范围内的通知。
在各种实施方式中，工具还可以包括射频识别(RFID)读取器，该射频识别(RFID)读取器定位在工具的远端端部附近。RFID读取器可以配置成自动扫描位于紧固件上或紧固件中的RFID标签，并且处理器可以配置成将最大力和总力中的至少一者与RFID标签的标识相关联。
在又一方面，本公开涉及一种用于对与将紧固件安装在结构件中相关联的力进行测量的工具。在各种实施方式中，该工具可以包括：壳体适配器，该壳体适配器定形状并且定尺寸成用于联接至心轴拉动工具的鼻状件；心轴，该心轴具有渐缩形状，该心轴具有构造成用于联接至心轴拉动工具的近端端部和构造成用于插入位于结构件的孔内的紧固件内的远端部分；以及力传感器，以及力传感器，该力传感器配置成用于在安装期间对由驱动机构施加的用以使心轴穿过紧固件缩回的力自动进行测量。
在各种实施方式中，该工具还可以包括自由浮动部件，该自由浮动部件邻近于力传感器定位并且从壳体适配器的远端端部部分地延伸出。自由浮动部件可以构造成当心轴缩回以使紧固件膨胀时将自由浮动部件与结构件之间产生的压力传递至力传感器。在各种实施方式中，该工具还可以包括位于力传感器的相反两侧的第一压力板和第二压力板，所述第一压力板和第二压力板用于使由自由浮动部件施加的力均匀地分布并且将所述力引导成垂直于力传感器作用。
在各种实施方式中，该工具还可以包括处理器，该处理器配置成确定在紧固件的安装期间所施加的最大力和在紧固件的整个安装中所施加的总力中的至少一者。处理器可以配置成存储最大力和总力中的至少一者或者对最大力和总力中的至少一者进行传输以用于远程存储。在一个实施方式中，处理器还可以配置成：将测量到的最大力和测量到的总力中的至少一者与对应力的预定范围进行比较，该预定范围限定了指示成功安装的力范围；并且向工具的使用者自动提供指示测量到的力是否处于预定范围内的通知。
在各种实施方式中，该工具还可以包括射频识别(RFID)读取器，该射频识别(RFID)读取器定位在工具的远端端部附近。RFID读取器可以配置成自动扫描位于紧固件上或紧固件中的RFID标签，并且处理器可以配置成将最大力和总力中的至少一者与RFID标签的标识相关联。
附图说明
图1示出了本公开的紧固件100的代表性实施方式的立体图；
图2A、图2B、图2C和图2D示出了紧固件100的正视图、侧视图、俯视图和仰视图；
图2E描绘了联接器114，该联接器114包括用于接纳弹簧夹115a的凹槽115，该弹簧夹115a构造成将螺母116紧固在紧固件100上；
图3A、图3B和图3C示出了紧固件100的代表性实施方式在被安装在结构件10的孔12中时的俯视图、侧视图和横截面图；
图4A和图4B示出了根据本公开的代表性实施方式的用于将紧固件100安装在结构件10上的另一种方法；
图4C示出了在实施方式中，紧固件100可以包括一个或更多个孔118，所述一个或更多个孔118延伸穿过保持部110，以用于增强保持部110与结构件10的围绕孔的表面之间的粘合剂粘结；
图5是将本公开的紧固件100的各方面与现有螺母板的各方面进行比较的图表；
图6A和图6B描绘了紧固件100和厚壁螺母板的代表性实施方式；
图7A、图7B和图7C示出了薄壁紧固件100和代表性的厚壁螺母板的所需孔直径和由此产生的边缘距离的变化。
图8描绘了对使用狗骨几何形状的试样执行的恒定幅值疲劳测试；
图9A以图表形式图解展示了由代顿大学研究所(University of DaytonResearch Institute)在35KSI的恒定应力水平下进行的若干恒定幅值疲劳寿命测试的结果；
图9B以图表形式展示了以四个不同的正交角度从孔散发出的残余环向应力和残余径向应力；
图10A和图10B示出了本公开的安装工具200的代表性实施方式的分解图和剖视图；
图11A描绘了力传感器222，该力传感器222连接至数字读出装置，该数字读出装置配置成在整个安装过程中对压力测量结果进行记录；
图11B、图11C示出了在各种实施方式中，数字读出装置可以每秒记录若干次压力测量结果(例如，每秒至少60次)，以便准确地捕获在安装期间由安装工具200施加至紧固件100的最大力和总力中的一者或两者；
图11D示出了在安装期间施加的所有力的曲线下的总面积；
图12A、图12B、图12C、图12D、图12E、图12F和图12G描绘了用于以安装工具200安装紧固件100的代表性过程的各个步骤；
图13A和图13B示出了用于对与安装紧固件100和/或扩张孔12相关联的力进行测量的力测量工具300的代表性实施方式的立体图和剖视图；
图14A、图14B、图14C和图14D示出了配置成用于与各种现有的拉出器400一起使用的适配器300的示意图；
图15A、图15B和图15C描绘了下述安装工具200和适配器300：所述安装工具200和适配器300根据具体实施方式设置有配置成扫描与每个紧固件100、结构件10和/或孔12相关联的RFID标签、条形码或类似标识符520的射频识别(RFID)读取器、条形码读取器或类似装置510；
图16A和图16B示出了下述安装工具200或适配器300：所述安装工具200或适配器300配备有用于对紧固件100附近的结构件10(或紧固件100本身)自动进行标记并至少指示安装是合格还是失败的装置600。
具体实施方式
本公开的实施方式涉及用于对插入穿过结构件10中的孔12的螺栓14进行紧固的紧固件100。特别地，本公开的紧固件100可以构造成用于附接至结构件10的相对表面，使得紧固件100可以自动地接纳并紧固螺栓14的延伸穿过孔12的远端部分。如所构造的，从结构件10的近端侧安装螺栓14的人不需要物理上接近结构件10的相反侧以将螺栓14在结构件10的孔12内紧固就位。尽管在本文中有时是在飞行器结构件的背景下进行描述的，但是应当注意的是，本紧固件100可以用于或适于在任何工业中使用，以用于对孔进行冷加工以及将螺栓保持在任何适合的结构件中。
本公开的紧固件100满足了对稳固的紧固件的长期需求，所述稳固的紧固件能够保持牢固地附接至结构件10，同时使孔12的用于将紧固件和螺栓14容纳在孔12内的直径最小化。更具体地，紧固件100的实施方式利用下述设计特征的组合来满足这些需求，所述设计特征的组合包括以非常薄壁的衬套为特征的单件式构型，该非常薄壁的衬套可以在孔12内膨胀而不会有损于将紧固件100连同可选的粘合剂牢固地锚固至结构件10。如所构造的，本公开的紧固件100表现出高扭矩输出性能，同时使任何所需的孔扩张最小化(并且由此保持边缘距离)。相关的益处包括减少的维护需求以及增加的结构件10的使用寿命，这是因为结构件10中的载荷可以分布在更多的孔/紧固件之间，并且由于用于容纳紧固件100的薄壁衬套所需的最小的额外孔扩张，裂纹或腐蚀可以在超过可允许的边缘距离限制之前被多次修复，如稍后更详细地描述的那样。
本公开的实施方式还涉及一种用于安装紧固件100(和其他类似紧固件)的安装工具200。特别地，安装工具200可以对在每个紧固件100的安装期间施加的心轴拉力自动进行测量，并且立即向使用安装工具200的技术人员提供关于安装是否在规范内执行(即，合格/失败)的反馈，这进而可以减少安装和维护时间，并且可以提高可靠性和零件寿命，还有其他益处。此外，安装工具200可以对所安装的每个紧固件100的安装力测量结果进行记录，并且由此创建可审查记录，该可审查记录可以被分析以改进安装和维护方案并且减少对在安装过程中进行监督的需要，还有其他益处。更进一步地，安装工具200的一些实施方式可以构造成将所测量的拉力与结构件10上的每个对应的紧固件100的位置相关联，从而有助于对可能需要修理、更换或检查的个别紧固件进行定位的工作，并且还允许对相关联的可审查记录进行基于位置的分析，如稍后更详细地描述的那样。
无铆钉紧固件100
图1示出了本公开的紧固件100的代表性实施方式的立体图。紧固件100总体上可以包括保持部110和衬套120，所述保持部110和衬套120可以彼此一体地形成为单件式构型。一般而言，保持部110可以构造成用于紧固插入穿过孔12的螺栓14的远端部分，并且衬套120可以构造成用于插入到孔12中，在孔12中，衬套120可以膨胀以将衬套120与孔12牢固地联接。在一些实施方式中，衬套120的膨胀可以经由膨胀的衬套120与孔12之间的摩擦而将衬套120与孔12牢固地联接，而在其他实施方式中，衬套120的膨胀可以用于增强衬套120与孔12之间的可选粘合剂130的粘结。不管是通过摩擦、增强的粘合剂粘结还是其组合，由于紧固件100的单件式构型，因此衬套120的膨胀可以用于将保持部110牢固地锚固至结构件10的围绕孔12的部分，如稍后更详细地描述的那样。衬套120的薄壁可以使容纳衬套120所必需的孔扩张量最小化，而衬套120的冷加工膨胀和由粘合剂130产生的粘合剂粘结可以组合以将衬套120坚固地紧固在孔12内，而不会使衬套120的薄壁屈曲或以其他方式损坏衬套120的薄壁。进而，本紧固件的单件式构型导致衬套120有助于将紧固件100牢固地锚固就位。
保持部110
图2A、图2B、图2C和图2D示出了紧固件100的正视图、侧视图、俯视图和仰视图。在示出的代表性实施方式中，紧固件100的保持部110总体上可以包括：底部表面112，该底部表面112构造成用于抵靠于结构件10的围绕孔12的表面定位；以及联接部114，该联接部114用于附接螺母116，该螺母116用于紧固螺栓14的从孔12延伸出的远端部分。
在各个实施方式中，保持部110的底部表面112可以定形状成提供抵靠于结构件10的围绕孔12的表面的齐平交界面。例如，在一个实施方式中，底部表面112可以是平坦的，以便提供与具有围绕孔12的平坦表面的结构件10齐平的交界面。类似地，在另一实施方式中，底部表面112可以具有设计成放置成与具有围绕孔12的弯曲表面的结构件10齐平的弯曲部。更具体地，在一个实施方式中，底部表面112可以具有凹形弯曲部，该凹形弯曲部定尺寸成提供与围绕孔12以类似方式定尺寸的凸形表面齐平的交界面，而在另一实施方式中，底部表面112可以具有凸形弯曲部，该凸形弯曲部定尺寸成提供与围绕孔12以类似方式定尺寸的凹形表面齐平的交界面。尽管保持部110的底部表面112优选地设计成提供与结构件10的围绕孔12的表面齐平的交界面，但是应当理解的是，在许多情况下可以以类似的方式执行紧固件100在底部表面112与结构件10的围绕孔12的表面之间具有非齐平交界面的实施方式，并且本公开不旨在限于这样。
在各种实施方式中，保持部110的联接部114可以包括构造成用于将螺母116保持成与衬套120对准的任何适合的机构或结构特征。特别地，联接部114可以将螺母116保持成使得螺母116的纵向轴线与衬套120的纵向轴线(所述两条纵向轴线在图2A中均为竖向)大致对准，使得当螺栓14被插入到衬套120中时，螺栓14的远端部分与螺母116的中心孔轴向对准地离开衬套120。如所构造的，联接部114可以允许各种尺寸和设计的螺母116与给定的紧固件100一起使用，并且可以在无需将紧固件100从结构件10移除的情况下将各种尺寸和设计的螺母116换出。在示出的实施方式中，联接部114包括凹槽115，该凹槽115用于接纳弹簧夹115a，该弹簧夹115a构造成将螺母116紧固在紧固件100上，如图2E中所示。应当认识到的是，凹槽115只是用于将螺母116保持成与衬套120对准的适合的联接部114的一个示例，并且本公开不旨在限于联接部114的任何特定设计。在另一实施方式中(未示出)，螺母116可以形成为保持部110的一部分或以其他方式附接至保持部110。然而，螺母116可以与保持部110相关联，螺母116在构造成用于紧固配备有外螺纹的螺栓114的实施方式中可以是带内螺纹的。
衬套120
仍然参照图2A、图2B、图2C和图2D，在示出的代表性实施方式中，紧固件100的衬套120可以从保持部110的底部表面122延伸，并且可以定形状成与结构件10中的孔12的形状一致。在代表性实施方式中，衬套120可以是大致筒形的，并且由此配装到由柱形钻头产生的标准孔中。在各种实施方式中，衬套120的长度可以构造成与结构件10中的孔12的深度大致相匹配，并且可以是大致中空的以容纳穿过衬套120的螺栓14。
如稍后更详细地描述的那样，使衬套120的外径最小化可以是有利的，以便使孔12的用于将衬套120和螺栓14容纳在孔12内所需的直径最小化。在各种实施方式中，衬套120总体上可以包括由厚度尺寸126(下文中称为“壁厚126”)隔开的外表面122和内表面124，如所示出的。在各种实施方式中，外表面122和内表面124可以限定衬套120的大致筒形且中空的本体的外径和内径。因此，在各种实施方式中，可以优选地使衬套120的内径和壁厚126最小化。
在操作中，螺栓14可以延伸穿过衬套120的由内表面124限定的中空部分，并且因此，在各种实施方式中，内表面124可以定尺寸成容纳螺栓14的外径。因此，在各种实施方式中，内表面124可以定尺寸成与螺栓112的外径相匹配或仅略超过螺栓112的外径。即便如此，由于衬套120可以在安装过程期间膨胀，因此在各种实施方式中，内表面124可以定尺寸成直径略小于在给定应用中使用的特定螺栓14的外径。例如，如果安装过程要求在安装期间衬套120膨胀3.5％，则内表面124可以定尺寸成具有成比例的较小直径(例如，小约1.5％至约4.5％)，并且一旦紧固件100被安装，则内表面124仍然容纳螺栓14。本领域普通技术人员将根据本公开的教示认识到衬套120在被安装在结构件10中时用于容纳螺栓14的适当内径。
如前所述，为了使衬套120的外径最小化，使壁厚126最小化也可以是有利的。即便如此，如果壁厚126太小，则在衬套120不被损坏的情况下衬套120可能不会表现出膨胀以及由结构件10承受的各种载荷所需的结构强度。因此，在各种实施方式中，衬套120可以设置有针对前述考虑因素中的两个考虑因素而优化的壁厚126——即针对给定的应用承受预期的膨胀量和施加的载荷所需的最小壁厚。基于稍后描述的对各种设计和材料(例如，机加工的17-4不锈钢、不锈钢合金、钛)的分析和测试，衬套120在壁厚126处于从约0.005英寸至约0.030英寸的范围内或更大的情况下可以表现出必要的结构完整性。因此，在各种实施方式中，衬套120的壁厚可以在约0.005英寸至约0.030英寸的范围内，并且在一个实施方式中更优选地为约0.010英寸。当然，遵循本公开的教示的本领域普通技术人员将认识到针对给定应用的用于满足上述参考因素的适当的壁厚126而无需过多的实验。
如前所述，外表面122可以限定衬套120的外径，并且在一些实施方式中(例如，不存在中间的粘合剂130)，外表面122可以经由摩擦配合与孔12的内壁牢固地联接。为此，在各种实施方式中，外表面122可以包括下述纹理(未示出)：该纹理构造成使外表面122的摩擦系数增大，并且由此增强与孔12的摩擦配合。例如，外表面122可以设置有凸起的隆起部、凸起的交叉花纹或其他突出部以用于增强外表面122的摩擦系数。另外地或替代性地，在各种实施方式中，外表面122可以设置有构造成有助于将可选的粘合剂130保持在外表面122上的纹理。同样地，保持部110的底部表面122也可以设置有用于前述目的中的任一目的或两个目的的纹理(注意的是，底部表面122可以与结构件10的围绕孔12的表面接合，而不是孔12的内表面与衬套120的外表面122接合)。尽管纹理可以增大摩擦并且有助于将紧固件100锚固就位，但本领域普通技术人员将认识到的是，在某些应用中，纹理可能会损坏孔12的内表面，并且也许会不利地减小冷加工的使用寿命延长的益处。本领域普通技术人员将在无需过多的实验的情况下认识到用于增强锚固同时保持期望的零件寿命特性的适合的纹理(如果有的话)。
紧固件100的制造和构型
根据本公开中阐述的教示，在各种实施方式中，紧固件100可以由适合于附接至结构件10并将螺栓14保持在孔12中的任何材料构成。在各种实施方式中，紧固件100可以由下述金属材料构成：该金属材料具有高的结构强度以避免在安装期间以及在施加的载荷作用下撕裂或屈曲，但是该金属材料具有足够的延展性以用于在孔12内膨胀，如稍后所描述的那样。这类金属材料的代表性示例包括但不限于不锈钢(例如17-4级不锈钢、Custom 465级不锈钢)、钛及其合金。在不脱离本公开的范围的情况下，本领域普通技术人员将认识到其他适合的材料。
在各种实施方式中，保持部110和衬套120可以彼此一体地形成，并且由此提供具有单件式构型的紧固件100。如稍后更详细地描述的那样，该单件式构型可以允许衬套120在某种程度上用作用于将保持部110抵靠于结构件10的围绕孔12的表面紧固就位的锚固件。
为此，根据各种实施方式，衬套120可以由单件金属材料机加工而成。例如，代表性的制造方法可以以期望的材料、比如上述材料的原料开始。可以使用车床、CNC车床、瑞士型车床(Swiss lathe)、CNC铣床、CNC机加工中心或其他适合的工具将原料首先机加工成毛坯尺寸和形状，并且然后加工成最终尺寸。可以检查定尺寸的材料的尺寸精度，并且可以使用翻滚机、机械打磨、手动打磨、机械锉削、手动锉削或任何其他适合的工具和技术去除任何毛刺和粗糙边缘。接下来，可以对定尺寸的材料进行清洁，以去除可能存在于原始原料上的或在制造过程期间引入的任何油、润滑剂、切削液或其他污染物，并且可以去除任何异物金属颗粒和其他碎屑、比如可能已嵌入表面中的工具钢屑和金属屑。紧固件100可以经由化学清洗、化学蚀刻、钝化、阳极氧化、镀锌、电镀、粉末涂覆或其他适合的精加工工艺而精加工成具有用于保护材料(例如，防止腐蚀、氧化)的一个或更多个涂层。
通过冷膨胀安装紧固件100
图3A、图3B和图3C示出了紧固件100的代表性实施方式在安装在结构件10的孔12中时的俯视图、侧视图和横截面图。在各种实施方式中，紧固件100可以定位在结构件10的与螺栓14插入到孔12中的一侧相反的一侧，以便在螺栓14插入时接纳螺栓14的远端端部。如在图3C的横截面图中最佳所见的，衬套120位于孔12内，并且底部表面122定位成抵靠于结构件10的围绕孔12的表面。
一般而言，紧固件100可以根据本领域已知的标准冷加工过程安装在结构件10上。例如，可以准备好孔12(例如，钻孔、铰孔和清洁)，并且将紧固件100通过插入孔12中的衬套120以及保持部120的定位成抵靠于结构件10的围绕孔12的表面的底部表面122而定位，如上所述。接下来，可以将分体式套筒附接至适当尺寸的渐缩式心轴20，并且将分体式套筒穿过保持部110插入到衬套120中。可以将渐缩式心轴20附接至拉出器工具(例如，手动式、液压式、电动式(有线或电池供电式)等拉出器工具)并且然后对渐缩式心轴20进行拉动以使衬套120在孔12内膨胀。在衬套120与孔12之间不存在任何可选的粘合剂130，衬套120的膨胀可以经由衬套120的外表面122与孔12的内表面之间的摩擦配合将衬套120与孔12牢固地联接。即便如此，在使用粘合剂130的实施方式中也可能存在摩擦联接，但并不是贯穿衬套120与孔12之间的整个交界面均存在摩擦联接，比如在衬套120的膨胀期间一些粘合剂被挤出的情况下或者在粘合剂130仅施加于衬套120的外表面122的一部分的情况下可能存在摩擦联接。在这样的情况下，衬套120的外表面122的一部分可以与孔12的内表面直接接触，并且因此可以在这些区域中提供基于摩擦的联接。本紧固件100的单件式构型进而导致膨胀的衬套120有助于将保持部110锚固抵靠于结构件10的围绕孔12的表面。
值得注意的是，尽管分体式套筒通常用于减小使传统衬套(即壁厚为0.050英寸或更大的衬套)膨胀所需的拉力的量，但是测试表明，分体式套筒起到了在膨胀过程期间保护本紧固件100的相对薄壁的衬套120的作用。特别地，在未使用分体式套筒的情况下，由钛、Custom 465级不锈钢和17-4级不锈钢制成的且壁厚126为0.010英寸的紧固件100的某些原型在安装期间被损坏(即，被撕裂)。因此，分体式套筒和薄壁衬套(即，壁厚小于约0.030英寸的衬套)的组合提供了保护衬套在安装期间免受损坏的意想不到的结果，并且可以允许使用传统的冷膨胀技术使紧固件100相比于紧固件100原本能够达到的膨胀进一步膨胀(例如，多达约4.5％或更多)而不会引起损坏。
通过冷膨胀和粘合剂130安装紧固件100
图4A和图4B示出了根据本公开的代表性实施方式的用于将紧固件100安装在结构件10上的另一方法。在示出的方法中，可以将粘合剂130施加至紧固件100和/或结构件10的接触部分，以在紧固件100与结构件10之间形成粘合剂粘结。根据实施方式，由粘合剂130产生的粘合剂粘结可以用于将衬套120与孔12和/或将保持部110与表面10牢固地联接，并且由此防止紧固件100从孔12中扭转出或以其他方式从孔12中旋出以及从结构件10掉落。如所构造的，可能需要远超过约165英寸磅至约175英寸磅的扭矩以将紧固件100的各种实施方式从孔12中扭转出。
在各种实施方式中，粘合剂130可以包括适合于在紧固件100和结构件10的部件之间形成粘合剂粘结的任何粘合剂材料，并且粘合剂130可以至少部分地基于紧固件10和结构件10的特定材料和构型而变化。例如，许多飞行器结构件、比如机翼可以由金属材料或复合材料制成，并且因此可能具有不同的特性，从而需要不同的粘合剂以形成良好的粘结。可以适用于金属-金属粘结的代表性粘合剂130可以包括但不限于丙烯酸(例如PermaBondHM162)、双组分甲基丙烯酸酯(例如Huntsman Araldite F305)、双组分聚硫化物(例如PPGPS890)和双组分环氧树脂(例如3M Scotch Weld 405)，而可以适合于金属-复合材料粘结的代表性粘合剂130可以包括但不限于Master Bond EP31双组分环氧树脂、Supreme 10HT单组分环氧树脂、Master Bond的EP21TDCHT增韧环氧树脂粘合剂、3MTMScotch-WeldTM丙烯酸粘合剂DP8410NS、3MTMScotch-WeldTM多材料复合聚氨酯粘合剂DP6310NS等。
参照图4B，在各种实施方式中，粘合剂130可以施加至保持部110和衬套120中的一者或两者。特别地，在一个实施方式中，粘合剂130可以施加至保持部110的底部表面112，以在底部表面112与结构件10的围绕孔12的表面之间的交界面处提供粘合剂粘结。这种粘合剂粘结可以提供保持部110与结构件10之间的直接联接，这与仅依靠保持部110经由一体附接的衬套120和孔12的内表面的联接而间接联接至结构件10不同。
另外地或替代性地，在一个实施方式中，粘合剂130可以施加至衬套120的外表面122，以在外表面122与孔12的内表面之间的交界面处提供粘合剂粘结。在各种实施方式中，衬套120的膨胀通过使衬套120在孔12内对中并使衬套120的外表面122与孔12的内表面之间的任何间隙减小来增强该粘合剂粘结。使衬套120与孔12对中并且减小该间隙可以用于使由衬套120的外表面122与孔12的内表面之间的粘合剂提供的粘结层(bond line)变薄，并且由此增强了由粘合剂130提供的粘结。
在一些实施方式中，衬套120可以完全或主要通过由粘合剂130提供的粘合剂粘结与孔12牢固地联接。这可以是(但不限于)紧固件100在复合材料结构件10中的安装的特定特征，这是因为复合材料相比于金属材料倾向于更易碎，并且因此，复合材料在衬套120和孔12显著膨胀的情况下可能会破裂而不是压缩。即便如此，在各种实施方式中，衬套120仍然可以膨胀以增强由粘合剂130在衬套120与孔12之间形成的粘结，并且由此与在衬套120没有膨胀的情况下由粘合剂130原本可能产生的粘结相比提供了显著的改进。如上所述，在其他实施方式中，粘合剂130可以不是贯穿衬套120与孔12之间的整个交界面而存在的，并且如此，衬套120与孔12的直接接触的那些部分可以至少部分地经由摩擦而联接，并且由粘合剂130隔开的那些部分可以至少部分地经由粘合剂粘结而联接，该粘合剂粘结可以通过膨胀过程显著地增强。
值得注意的是，由粘合剂130在膨胀的紧固件100与结构件10之间产生的增强的粘合剂粘结可以允许使用相对较薄壁的紧固件100，而完全不会牺牲紧固件100与结构件10之间的附接的整体强度。这种方法例如在使孔12的直径最小化比使紧固件100至结构件10的附接的强度最大化更重要的情况下可能是理想的。特别地，由粘合剂130产生的粘合剂粘结可以减轻或消除摩擦配合必须提供的对于将紧固件100锚固至结构件10的贡献的程度，从而减少了所需的膨胀量，并且因此允许使用相对较薄的壁厚126而不会引起损坏。例如，在这种情况下，可以利用具有相对较小的壁厚126(例如，约0.010英寸)的紧固件100，并且使该紧固件100膨胀至较小的程度(例如，介于约1.5％与约3.5％之间)以产生相对较弱的摩擦配合或不产生摩擦配合。然而，较弱的摩擦或缺少摩擦将通过由粘合剂130产生的粘合剂粘结来补偿(并且通过衬套120的小膨胀来增强)，并且因此将保持紧固件100至结构件10的附接的整体强度，并且孔12的直径相对于使用较厚壁的紧固件减小。换句话说，薄的壁厚126可以使容纳衬套120所必需的孔12扩张量最小化，同时冷加工和粘合剂130可以组合以将衬套120坚固地紧固在孔12内，而不会使衬套120的薄壁屈曲或以其他方式损坏衬套120的薄壁。
如上所述，应当注意的是，粘合剂130可以在将紧固件100附接至结构件10时、特别是在结构件10由复合材料形成的情况下起重要作用。例如用在飞行器结构件中的复合材料与金属结构件相比几乎没有塑性，并且因此所述复合材料可能无法使用高水平的膨胀来将衬套120紧固至孔12的侧面。在这种情况下，摩擦配合可能相对较弱。在一些实施方式中，该问题可以通过向衬套124的外表面122施加粘合剂130以使得衬套120的即使少量的膨胀使粘合剂130将衬套120与孔12的侧面均匀地密封和粘结来克服。
相反，在一些情况下，与使孔12的直径最小化相比，确保紧固件100非常坚固地附接至结构件10可能更为重要。在这种情况下，可以利用具有相对较大的壁厚126(例如，约0.030英寸，但仍然显著小于现有螺母板的传统的0.050”壁厚)的紧固件100，该紧固件100可以与粘合剂130一起使用或者不与粘合剂130一起使用，并且该紧固件100由于其相对较大的厚度可以显著地膨胀(例如，膨胀约3.5％至约5％)而不会损坏衬套120。如果使用粘合剂130，则所产生的粘合剂粘结由于被衬套120的膨胀增强而可以甚至比由前述较小的膨胀所产生的粘合剂粘结更强。另外或替代性地，所产生的粘合剂粘结可以对由衬套120的任何部分与孔12之间的摩擦配合提供的坚固的锚固效果进行补充，使得紧固件100非常坚固地紧固至结构件10。
应当认识到的是，粘合剂130可以另外或替代性地施加至结构件10(和孔12)的与紧固件100的这些部分接触的对应部分，以产生类似的效果。
现在参照图4C，在一个实施方式中，紧固件100可以包括一个或更多个孔118，所述一个或更多个孔118延伸穿过保持部110，以用于增强保持部110与结构件10的围绕孔12的表面之间的粘合剂粘结。孔118——孔118在这里示出为延伸穿过保持部110的包括底部表面122的底部部分——可以构造成允许粘合剂130沿不同的维度(例如，竖向)形成粘结，以加强保持部110与结构件10的围绕孔12的表面之间的粘合剂粘结。
在一些实施方式中，粘合剂130可以由技术人员在安装过程期间(例如，通过刷涂、喷涂、滚涂或浸渍)来施加，而在其他实施方式中，粘合剂130可以在制造时(例如，甚至在紧固件100被运送至技术人员以用于安装之前在工厂处)施加。在粘合剂130于制造时施加的实施方式中，粘合剂130可以例如施加至紧固件100并且以保护性材料覆盖，该保护性材料构造成正好在安装之前由技术人员剥离。在另一示例中，粘合剂130可以构造成是封装的且是压力活化的，这意味着粘合剂响应于施加的压力而松脱或变粘。如所构造的，封装的压力活化粘合剂130可以在制造、运输和处理时施加而不会造成杂乱，并且封装的压力活化粘合剂在被压靠于结构件10(例如，在衬套120的膨胀期间被压靠于孔12的内壁以及/或者在安装期间或在技术人员向下拧紧螺栓14时被压靠于结构件10的围绕孔12的表面)时被活化以形成粘合剂粘结，如图4B中所示。压力活化粘合剂130的代表性示例可以包括但不限于微囊化丙烯酸酯(例如，precote 80)、环氧树脂(例如，3M 2353)、丙烯酸(例如，Loctite 2040)。应当理解的是，一般而言，在制造期间而不是在安装期间施加粘合剂130的实施方式可以使技术人员将紧固件100安装在结构件10上所需的工作量、时间和成本减少。
替代性安装技术
在各种实施方式中，紧固件100可以根据若干另外的方法来安装。例如，在一个实施方式中，可以使用高频锤、液压或电动式拉出器来将心轴20拉动穿过孔12。该方法可以使将心轴20拉动穿过孔12所需的拉力大大减小。在另一实施方式中，心轴20可以附接至具有有利的齿轮比的小型齿轮箱，以便于使用者将心轴20拉动穿过孔12。小型齿轮箱的齿轮可以由手动扳手、电钻、气钻或任何其他适合的机钩接合。此外，心轴20可以设置有与心轴20的纵向轴线大致垂直地定向的凹口，以与齿轮接合。该方法可以使将心轴20拉动穿过孔12所需的力大大减小。在又一实施方式中，可以平行地布置有两个相对的螺纹杆并且所述螺纹杆与带螺纹的心轴20接合以帮助将心轴20拉动穿过孔12。平行的螺纹杆可以由手动扳手、电钻或气钻接合，并且在一个实施方式中，平行的螺纹杆可以被容纳在罩壳中。紧固件100连同类似的螺母板和其他紧固件也可以使用根据本公开的各种实施方式的安装工具200来安装，如稍后更详细地描述的那样。
紧固件100的潜在优点
图5是将本公开的紧固件100的各方面与现有螺母板的各方面进行比较的图表。与紧固件100相比，现有螺母板设计中的每种设计均具有一个或更多个缺点。
例如，参照图5的图表的第二行，一种类型的现有螺母板构造成粘结至结构件10的表面。由于这些螺母板缺少延伸到孔12中的桶形部或类似结构，因此这些螺母板不会像紧固件100那样锚固在孔12内。取而代之的是，这些螺母板仅依靠与孔12的表面的粘附，并且因此易于脱落。此外，用以修复孔12的任何冷加工均与这些紧固件的安装分开进行，从而增加了修复的时间。
移动至图5的图表的第三行，另一种类型的现有螺母板包括薄壁的“桶状部”(例如，0.008英寸厚)，该桶状部乍看起来似乎与紧固件100的衬套120类似，但是该螺母板的“桶状部”构造成更多地用作在安装期间的保护性套筒。如此，该套筒没有固定地附接至该螺母板的保持部(从而形成多件式构型)，并且该套筒与孔12的内部产生的摩擦配合不如紧固件100的膨胀的衬套120与孔12的内部产生的摩擦配合那样强。因此，这种类型的现有螺母板的套筒没有起到将自身锚固在孔12内的作用，并且因此——通过延伸——没有起到以紧固件100将保持部锚固至结构件10的方式来将保持部锚固至结构件10的作用。
现在参照图5的图表的第四行和最后一行，另一种类型的现有螺母板包括厚壁的桶状部(例如，0.040英寸至0.065+英寸厚)，该厚壁的桶状部与稍后在图6A和图6B中示出在紧固件100侧部的桶状部类似。由于这些螺母板的厚壁，这些螺母板能够被冷加工达到高膨胀水平，并且因此依靠膨胀的桶状部与孔12之间的产生的摩擦配合来紧固在结构件10上。如稍后更详细地描述的那样，需要大直径的孔12来容纳这些厚壁的螺母板，并且因此孔必须被钻削成彼此隔开较远且与结构件10的边缘隔开较远。这使每个孔在孔的边缘超出最小边缘距离限制之前可以被修复的次数减少，如稍后更详细地描述的那样。
现在转至图表的第一行，紧固件100的实施方式可以提供优于现有螺母板和类似紧固件的若干优点。特别地，相比于现有的无铆钉螺母板和类似的紧固件，紧固件100的各种实施方式可以更轻、更廉价、更可靠、并且安装更快且更容易。实际上，在军用飞行器(例如，F-18大黄蜂、F-35闪电和MQ-4C海神以及RQ-4全球鹰)上使用本公开的紧固件100代替使用现有的螺母板预估每架飞行器最多节省100,000美元。更具体地，紧固件100的实施方式可以提供优于现有螺母板和类似紧固件的下述优点中的至少一个或更多个优点：
1)疲劳性能
紧固件100与冷加工技术兼容，冷加工技术可以用于修复孔12周围的裂纹并防止在孔12周围形成新的裂纹。没有衬套120的螺母板和类似紧固件(例如，简单粘附至结构件10的表面的那些螺母板和类似紧固件)不能像紧固件100那样在孔12中被冷加工，并且因此不能享有对应的裂纹修复和预防的益处。当与冷加工过程结合时，如本紧固件和安装方法的各种实施方式中的情况那样，疲劳裂纹的发生率可以进一步减轻，从而也有助于增加结构件寿命。
2)边缘距离
在结构件10中已经检测到疲劳裂纹之后，疲劳裂纹通常通过扩大孔12来去除。在一些情况下，受损的孔12可以被冷加工以延长新形成的孔12和周围材料的寿命。通常有必要将受损的孔12扩大很多以容纳替换紧固件，特别是在紧固件具有厚的桶状部壁的情况下。通常，受损的孔12需要被扩大以充分消除裂纹的量小于受损的孔12需要被扩大以适应具有相对厚的桶状部壁的紧固件的量。
可以证明减小的边缘距离是有问题的，特别是在位于结构件10的边缘附近的孔12中是有问题的。随着孔12的中心与结构件10的边缘之间的距离(即，边缘距离)减小，结构件10在该区域中失效的可能性增大。一般而言，从保持结构完整性的观点来看，理想的是将边缘距离保持在约2以上，然而在一些情况下约1.5也是可接受的。如果边缘距离已经在2以下并且受损的孔12需要被扩大以修复疲劳裂纹，则边缘距离将进一步减小。最终到达孔12不能安全地进行任何进一步扩大的点，从而常常导致整个结构件10必须被更换或经受更重大的修复。
紧固件100的薄壁衬套120可以有助于减轻由维修而导致的边缘距离的减小。例如，尽管可能有必要将孔12扩大至边缘距离减小至1.5的程度以容纳相对厚壁的紧固件，但是该同一孔可以仅需要被扩大至边缘距离仅减小至1.8或1.7的程度以使扩大的孔12容纳紧固件100的相对薄的壁。
特别地，孔12必须被钻削或扩张成具有足够的直径以将给定的螺栓14和紧固件容纳在孔12内。对于给定尺寸的螺栓14，孔12必须具有较大的直径以容纳具有较厚壁的紧固件，然而，具有较薄壁的紧固件可以被容纳在较小直径的孔12中。因为本公开的紧固件100以比一些现有螺母板和类似紧固件的壁薄的壁为特征，所以紧固件100需要相对较小的孔12。如此，在新的创建期间，在不违反最小边缘距离要求的情况下，对应的孔12可以被钻削成更靠近结构件10的边缘。同样地，在边缘距离变小以致于必须更换结构件10之前，对应的孔12可以使用冷加工修复多次。因此，紧固件100可以用在其他紧固件由于边缘距离要求而不能使用的许多情况中，并且按照推论，紧固件100可以通过允许在边缘附近进行修复而不是必须更换结构件10来延长结构件10的寿命。同样地，由紧固件100提供的减小的边缘距离影响可以允许替换现有结构件上的表现不佳的其他类型的紧固件。例如，F-35使用了倾向于经常掉落的表面紧固件(例如，Click Bond牌螺母板，所述螺母板没有延伸到孔中，而是仅坐置在结构件的表面上)；然而，由于F-35飞行器上的边缘距离相对于可接受极限通常非常紧张，因此可能无法用现有的较厚壁的紧固件替换这些表面紧固件，因为边缘距离将会减小到超出可接受极限。另一方面，本公开的薄壁紧固件由于减小的边缘距离影响而可以适合于替换这些表面紧固件。此外，在进行新的创建而非修复的情况下，通过使孔直径最小化并且因此减小边缘距离约束，设计者在将孔定位在结构件上的、设计者希望的任何位置的方面具有更大的灵活性。
例如，考虑图6A和图6B中示出的紧固件100和厚壁螺母板的代表性实施方式。紧固件100的衬套120具有0.010英寸壁厚126，而代表性的厚壁螺母板的桶状部的厚度为约0.050英寸或者是紧固件100的厚度的五倍。
图7A、图7B和图7C示出了图6A和图6B中所呈现的薄壁紧固件100和代表性的厚壁螺母板的所需的孔直径和由此产生的边缘距离的变化。具体地，图7A表示基线，其中，孔12经历了裂纹或腐蚀并且需要修复。在修复之前，原始孔12具有0.250英寸的直径，并且原始孔12定位成该原始孔12的中心距结构件10的边缘0.500英寸，从而使原始孔12的外边缘距结构件10的边缘0.375英寸。如所构造的，原始孔12具有2.0的边缘距离。为了清楚起见，边缘距离或“e/D”是用于表达孔距结构件的边缘有多近的度量，其中，“e”是从孔12的中心至结构件10的边缘的距离，并且D是孔12的直径。在图7A中，e＝0.500英寸并且D＝0.25英寸，所以e/D＝2.0。
现在参照图7B，孔12已在本公开的薄壁紧固件100的安装期间被钻削和冷加工。薄壁紧固件100的壁厚126为0.010英寸，因此孔12必须扩张总共0.02英寸，以适应衬套120的每一侧的厚度增加0.010英寸。所产生的孔12的直径现在为0.270英寸，并且因此边缘距离减小了仅7.4％，从图7A中的2.0减小至图7B中的1.852。
相比之下，现在参照图7C，螺母板的厚壁需要孔12扩张至与使用本公开的薄壁紧固件100时所需的程度相对的更大程度。具体地，示出的厚壁螺母板的壁厚为0.050英寸(为紧固件100的壁厚的五倍)，并且因此原始孔12必须扩张总共0.100英寸，以适应厚壁螺母板的桶状部的每一侧的厚度增加0.050英寸。所产生的孔12的直径现在为0.350英寸，并且因此边缘距离显著地减小了28.6％，从图7A中的2.0减小至图7C中的1.428。
换句话说，在修复结构件10的情况下，孔12需要扩张以容纳本公开的薄壁紧固件100的量显著小于容纳厚壁螺母板所需的量。尽管孔12扩张了，但是孔12的外边缘保持相对远离结构件10的边缘，并且因此在使用本公开的薄壁紧固件100时，边缘距离大部分被保留。相反，由于孔12需要扩张得更多以容纳厚壁的螺母板，因此孔12的外边缘更靠近结构件10的边缘而终止。因此，相比于薄壁紧固件100，在使用厚壁螺母板时边缘距离会显著减小。
3)可靠性
独特地，紧固件100结合了薄壁衬套120的益处与冷加工的益处，同时紧固件100牢固地锚固至结构件10，使得紧固件100不会轻易脱落或旋出。
长期以来需要一种可以提供这样的益处组合的紧固件，但是到目前为止，还没有人找到适合的设计。如附录B中附于本文档的实验数据所示，适合于在单件式设计中使用粘合剂来实现这些组合的益处的适合的壁厚和膨胀百分比的特定范围不容易确定。这些参数和修改的看似明显的组合导致了失效，比如紧固件的屈曲和/或低扭矩输出值。
锚固可以通过摩擦配合和增强的粘合剂粘结中的一者或摩擦配合和增强的粘合剂粘结的组合来实现。摩擦配合由冷加工过程形成，并且粘合剂粘结可以通过衬套120膨胀时的冷加工过程来增强。冷加工过程可以定制(例如，设定成约3.5％的膨胀率)成使得冷膨胀不会使桶状部的薄壁屈曲，但仍然使桶状部膨胀至足以具有下述各者中的一者或组合：(i)与孔的紧密摩擦配合，以及(ii)增强的粘合剂粘结，如上面进一步描述的那样。单件式构型确保了桶状部与孔之间的摩擦配合和粘合剂粘结起到牢固地锚固保持部部分的作用。飞行器结构件表面的保持部部分之间的交界面处的粘合剂进一步增强了紧固件的可靠性。
4)安装时间和成本
如上所述，紧固件100容易安装且安装快速。可以使用现有设备，从而减少了工装和培训时间。停机时间(例如，包括结构件10的飞行器因相关维修而停止服务的时间量)由于孔12可以通过紧固件100来维修的简便性和速度以及由于所产生的结构件10寿命增加而减小。
实验结果
由PartWorks对具有敞开孔或插入的由钛或不锈钢合金制成的RNP的铝制试件进行了扭矩输出测试。试件为1/4”或1/8”厚。我们的方法并不一定依靠大量的膨胀来保持，因此我们能够将膨胀水平改变至对于材料或应用而言最佳的水平，而无需担忧保持。
对使用狗骨几何形状的试样进行了恒定幅值疲劳测试，如图8中所示。试件包括中心孔，其中，若干试样在孔中还包括无铆钉螺母板(RNP)。PartWorks实施了所有试样机加工和RNP安装。净截面施加应力在25ksi至35ksi的范围内，其中，达到失效的目标在200,000次循环以下(这导致净截面施加应力停留在35ksi上)，并且用以完成测试的循环频率在性能周期内。记录了达到失效的循环次数。
通过对超薄壁螺母板进行冷膨胀并围绕孔建立残余压缩应力，数据表明，由该过程产生的寿命提高了平均7.7倍——大于飞行器是新的时孔的寿命。这是在35ksi的净截面应力下测试的所有样品的最大应力与达到失效的循环次数的绘图。该绘图示出了机加工完成时的表面条件下的敞开孔试件作为用于比较的基线。与基线样品相比，具有腐蚀损坏的敞开孔样品显示出了寿命方面的弊端，而与机加工完成时的基线数据和经腐蚀的敞开孔的数据相比，具有无铆钉螺母板紧固件的腐蚀损坏样品显示出了寿命方面的增加(7.66x和7.82x)。最后，与机加工完成时的敞开孔试件寿命相比，具有无铆钉螺母板紧固件的机加工完成时的样品显示出了寿命方面的显著增加。
据我们所知，这是首次有人证明了一种对于腐蚀的飞行器结构件的解决方案，该解决方案产生了相同或更好的结构寿命提高，并且此外，同时通过使用超薄壁螺母板以及粘合剂而维持了可接受的边缘距离和足够的扭矩输出值。
图9A以图表形式图解展示了由代顿大学研究所(University of DaytonResearch Institute)在35KSI的恒定应力水平下进行的若干恒定幅值疲劳寿命测试的结果。从该图表可以清楚地看出，在两个实例中，经腐蚀的样品——其始于新的/未使用的敞开孔样品的缺损——的疲劳寿命在安装两个RNP紧固件之后实际上超过了新的/未使用的敞开孔样品的疲劳寿命，其中，这两个实例在安装两个RNP紧固件之前及之后的结果几乎均是相同的。据我们所知，这是首次证明这一重大成果。
下面的表I以表格形式表示了图9A中的数据。根据该数据清楚的是，对具有嵌件的经腐蚀的样品的两次测试之间的疲劳寿命结果的一致性如何：与经腐蚀的敞开孔样品的疲劳寿命相比，提高了7.66倍和7.82倍。这远高于5倍提高的目标提高，并且如图9A中所示，这是足以超过如全新一样的敞开孔样品的疲劳寿命的提高。
Figure BDA0003681279090000201
Figure BDA0003681279090000211
表I
还进行了频谱测试，此处使用F-18翼根弯曲频谱。这是从F-18机队使用的数百万飞行小时数得出的，并且进行了调整以表示使用严重度的第90百分位数，如同标准海军设计实践一样。该频谱具有高峰值应力，该高峰值应力可能通过超过局部屈服应力并使由冷加工过程给予的残余压缩应力减小而对冷加工的孔的寿命提高产生负面影响。这是短边缘距离孔的普遍问题并且是我们选择薄壁构思的原因之一，即为了避免短边缘距离情况。
下表示出了在安装紧固件(嵌件)之前和之后对两个未腐蚀样品的恒定幅值疲劳寿命测试的结果。该表证明在.010”薄壁紧固件的情况下疲劳寿命的增加超过该样品的原始寿命的五倍。这是据我们所知首次证明了：在薄壁紧固件具有其所有益处——改善的边缘距离、在给定恒定的施加载荷和零件重量的情况下具有较低的净应力以及在复合材料中的灵活使用——的同时，薄壁紧固件仍然能够满足或超过寿命延长的益处，这在此前仅能够利用较厚壁(.040及以上)紧固件达到。
Figure BDA0003681279090000221
表II
图9B是以四个不同的正交角度从孔散发出的残余环向应力和残余径向应力的图表展示。该图表明显证明了在现有技术中发现的类似的应力模式。这很重要，因为它证明了使用薄壁螺母板提供了与前代较厚壁螺母板相同的样品中残余应力模式。这很重要，因为残余应力已经被显示为疲劳寿命的最佳代表，从而进一步提供了下述证据：本文中所公开的薄壁螺母板将产生与厚壁螺母板类似的疲劳寿命益处，而没有边缘距离限制。残余应力通常始于距孔1mm处，这确实能够使裂纹萌生，但在孔周围1mm半径处提供了以防进一步开裂的“壁”。这可以在距孔的边缘1mm处的-20KSI至-37KSI的应力值中看出。
安装工具200
图10A和图10B示出了本公开的安装工具200的代表性实施方式的分解图和剖视图。安装工具200总体上可以包括分别用于安装和对施加的安装力进行测量的拉动组件210和力测量组件220。更具体地，拉动组件210可以构造成用于使紧固件100的衬套120在结构件10的孔12内膨胀，并且力测量组件220可以构造成用于在安装期间对由拉动组件210施加至紧固件100的拉力进行测量。如所构造的，安装工具200的实施方式可以提供简单且有效的一步式安装过程，其中，在紧固件100的安装期间对安装力自动进行测量。如稍后更详细地描述的那样，安装工具200可以构造成对测量到的安装力进行评估，并且就安装是否成功向技术人员提供即时反馈，这进而可以减少安装和维护时间，并且提高可靠性和零件寿命，还有其他益处。此外，安装工具200可以对所安装的每个紧固件100的安装力测量结果进行记录，并且由此创建可审查记录，该可审查记录可以被分析以改进安装和维护方案并且减少对在安装过程中进行监督的需要，还有其他益处。尽管贯穿本公开可以在安装紧固件100的情况下对安装工具200进行描述，但是应当认识到的是，安装工具200可以用于将任何数目的适合的紧固件、比如现有螺母板安装在结构件10上，所述适合的紧固件特别是包括构造成插入到孔12中并在孔12内膨胀的与衬套120类似的部件的那些紧固件。
拉动组件210
在各种实施方式中，拉动组件210总体上可以包括渐缩式心轴211和驱动机构201，该驱动机构201构造成使心轴211缩回以用于使紧固件100在孔12内膨胀。在示出的代表性实施方式中，驱动机构201总体上可以包括导螺杆212和带螺纹螺旋件213。一般来说，导螺杆212可以被转动(例如被冲击驱动器转动)以驱动带螺纹套筒213，从而使渐缩式心轴211在安装过程期间伸出和缩回，如稍后更详细地描述的那样。在各种实施方式中，安装工具200还可以包括导螺杆轴承214、导引杆215和心轴导引件216，所有这些部件可以被容纳在壳体217内，如下面更详细地描述的那样。
带螺纹套筒213可以构造成在操作期间在壳体217内沿着纵向轴线行进。带螺纹套筒213的运动可以通过沿顺时针方向或逆时针方向转动导螺杆212来启动。参照图10A，带螺纹套筒213可以构造成在导螺杆212沿顺时针方向转动的情况下沿第一方向(例如，朝向安装工具12的远端端部，这里示出为向下)行进，并且带螺纹套筒213可以构造成在导螺杆212沿逆时针方向转动的情况下沿相反的第二方向(例如，朝向安装工具12的近端端部，这里示出为向上)行进。导螺杆轴承214可以位于壳体217中，其目的是将导螺杆212定位成与带螺纹套筒213对准，并且由此提供导螺杆212的平滑旋转。
在各种实施方式中，带螺纹套筒213可以通过导引杆215定位在壳体217内。导引杆215在壳体217内可以是静止的，使得导引杆215防止带螺纹套筒213在操作期间绕安装工具200的纵向轴线旋转。带螺纹套筒213的运动在近端方向上可以受位于安装工具200的近端端部处的导螺杆轴承214限制，并且在远端方向上可以受第一压力板224a限制。
心轴211附接至带螺纹套筒213的远端端部。在各种实施方式中，心轴211可以附接至带螺纹套筒213使得在操作期间心轴211与带螺纹套筒213一起沿远端方向和近端方向行进。在各种实施方式中，在安装工具200的远端部段中可以设置有一个或更多个心轴导引件216(示出为3个)。心轴导引件216可以构造成一起工作以允许心轴211在操作期间进入及退出安装工具200的远端端部。壳体216可以包括端盖216b、216c，所述端盖216b、216c构造成分别定位在壳体本体216a的远端端部和近端端部上。端盖216b、216c可以构造成将前述内部部件容纳在壳体本体216a内，并且端盖216b、216c可以通过一个或更多个保持螺栓216d而被保持就位。
力测量组件220
在各种实施方式中，力测量组件220总体上可以包括力传感器222(例如，载荷传感器)和自由浮动部件202。在示出的代表性实施方式中，心轴导引件216用作自由浮动部件202，然而在不脱离本公开的范围的情况下，本领域普通技术人员将认识到适合于以当前描述的方式起作用的其他自由浮动部件。
一般而言，在各种实施方式中，力传感器222可以邻近于自由浮动部件202定位在壳体217内，并且自由浮动部件202(例如，心轴导引件216)可以部分地延伸超过壳体217的远端端部(即，超过端盖217c)。如所构造的，当心轴211缩回到壳体217中时，用于拉动心轴211的力将从拉动组件210传递至力测量组件220。特别地，在安装过程期间，心轴导引件216的从壳体217的远端端部延伸出的部分与正在被安装紧固件100的结构件10接触，并且因此，在心轴211被拉动组件210缩回以使衬套210膨胀时，心轴导引件216承担安装工具200与结构件10之间产生的压力。进而，心轴导引件216将施加的压力传递至邻近的力传感器222。在一个实施方式中，载荷传感器211可以配置成对约0磅至约10,000磅之间的压力进行测量，并且由此适应各种安装。
在各种实施方式中，力测量组件220还可以包括构造成用于将安装力均匀地分布到载荷传感器210上的一个或更多个部件224。在代表性实施方式中，这些可选部件可以包括一个或更多个压力板224，所述一个或更多个压力板224定位在载荷传感器210与拉动组件210的部件之间，以接收与心轴211的拉动相关联的力并将所述力沿垂直方向均匀地分布到力传感器222上。例如，在示出的实施方式中，第一压力板224a和第二压力板224b可以定位在力传感器222的相反两侧。更具体地，第一压力板224a可以位于力传感器222的近端侧与壳体本体217a内的向内延伸的凸缘之间，如所示出的那样，并且第二压力板224b可以位于力传感器222的远端侧与自由浮动部件202(例如，心轴导引件216)之间。如所构造的，心轴导引件216在心轴211被拉动组件210缩回以使衬套210膨胀时承担安装工具200与结构件10之间产生的压力，并且心轴导引件216将所施加的压力传递至第二压力板224b。进而，第二压力板224b将所传递的力分布至力传感器222的远端侧。抵靠于力传感器222的近端侧定位的第一压力板224a实际上用作平坦挡块，第二压力板224b与该平坦挡块夹置力传感器222，并且由此第一压力板224a与第二压力板224b协同工作，以进一步帮助将所施加的力均匀且垂直于力传感器222地分布。在各种实施方式中，心轴导引件216、压力板224a、224b和力传感器222可以在壳体217内自由浮动，并且通过底部盖217c被保持在壳体217中。术语“自由浮动”是指以下事实：这些零件制造成具有比壳体本体217a的内径小的外径，使得这些零件可以根据需要在壳体217内移动以在力传感器222上提供均匀且垂直的力。
现在参照图11A，在各种实施方式中，力传感器222可以连接至数字读出装置，该数字读出装置配置成对整个安装过程中的压力测量结果进行记录。在一个实施方式中，可以通过使连接力传感器222和数字读出装置的线延伸穿过壳体本体217a的侧部、如直接连接至数字读出装置来形成有线连接，如所示出的那样。在另一实施方式中，数字读出器是嵌入在工具中的屏幕。
现在参照图11B和图11C，在各种实施方式中，数字读出装置可以每秒记录若干次压力测量结果(例如，每秒至少60次)，以便准确地捕获在安装期间由安装工具200施加至紧固件100的最大力和总力中的一者或两者。在一个实施方式中，数字读出装置可以以约50Hz至约999Hz之间的速率对所施加的力进行采样。根据记录在数字读出装置上的压力测量结果，可以做出关于安装的合格/失败判定。例如，数字读出装置可以被编程为具有可接受的力的范围，在该范围内，紧固件100的安装被认为是成功的，并且在该范围之外安装被认为是不成功的。根据特定的应用和情况，数字读出装置可以将测量到的最大力与被认为对于成功安装而言可接受的最大力的范围进行比较，并且/或者可以将由力传感器222在整个安装中记录的总力(即，(在安装期间所施加的所有力的曲线下方的总面积，如图11D中所示)与被认为对于成功安装而言可接受的总力的范围进行比较。用在确定用于合格/失败判定的可接受的力的范围中的标准可以包括但不限于：结构件10的一种材料特性或组合材料特性(例如，类型、等级)、结构件10的尺寸(特别是厚度)以及紧固件100的尺寸(特别是紧固件100的衬套120的壁厚126)等。为此，数字读出装置可以设置有选择器按钮或允许使用安装工具200的技术人员选择这些标准的另一适合的接口，如图11B和图11C中所示。例如，该接口可以允许技术人员选择结构件10的材料类型(例如，铝、钢、钛及其等级)、结构件10的厚度(例如，0.040、0.060、0.090、0.100、0.125、0.188、0.250)以及紧固件100的直径(例如，#6、#8、#10、1/8、3/16、1/4、5/16、3/8、7/16、1/2)。
在各种实施方式中，数字读出装置可以向使用安装工具200的技术人员自动提供关于测量到的安装力是否落在可接受范围内(即，合格/失败)的视觉、听觉、触觉或其他形式的通知。例如，数字读出装置可以在其屏幕上呈现合格/失败消息，或者灯可以点亮(例如，绿色表示成功，红色表示失败)和/或闪烁(例如，闪烁表示成功，常亮表示失败)以指示安装是合格还是失败。另外或替代性地，数字读出装置可以产生指示合格/失败的听觉通知，比如单次蜂鸣表示合格并且多次连续蜂鸣表示失败。更进一步地，数字读出装置可以另外或替代性地提供合格/失败的触觉指示，比如短振动表示合格并且多次连续振动表示失败。
代表性安装过程
图12A、图12B、图12C、图12D、图12E、图12F和图12G描绘了用于通过安装工具200安装紧固件100的代表性过程的各个步骤。图12A展示了工具处于其完全伸出状态，准备开始安装过程。接下来，如图12B中所示，可以将分体式套筒218定位在心轴211上。在一个实施方式中，可以通过使分体式套筒218在心轴211的远端端部上滑动并将分体式套筒218定位成使得分体式套筒218的近端端部与心轴导引件216接触来将分体式套筒218手动地附接至心轴211的外径。现在参照图12C，可以将心轴211(该心轴211上具有分体式套筒218)插入到结构件10中的孔12中。可以将安装工具200定位成使得心轴导引件216与基板10的围绕孔12的表面接触。接下来，如图12D中所示，可以将紧固件100定位在孔12中，使得内表面124(未示出)绕心轴211上的分体式套筒218定位。更具体地，在一个实施方式中，可以使紧固件100、首先是衬套120在心轴211和分体式套筒218上滑动并且朝向孔12滑动，直到底部表面112(未示出)与结构件10的围绕孔12的表面接触为止，如所示出的那样。
现在参照图12E，可以将驱动装置(例如，气动式、液压式、电池供电式或手动式驱动装置)比如示出的冲击驱动器附接至导螺杆212的位于安装工具200的近端端部处的头部。当然，在一些实施方式中，安装工具200还可以包括用于对驱动机构201进行驱动的一体式驱动装置，比如电动马达和任何必要的传动装置。接下来，如图12F中所示，然后可以启动驱动装置以使导螺杆212沿顺时针方向或逆时针方向转动。导螺杆212的顺时针旋转将带螺纹套筒213朝向安装工具200的近端端部拉动，从而使心轴211缩回到壳体217中。可以将心轴211旋拧到带螺纹套筒213的远端端部中，并且因此心轴211与带螺纹套筒213行进相同的距离和方向。在该安装步骤期间，分体式套筒218、紧固件100和结构件10保持静止，并且心轴导引件216保持与结构件10接触。在带螺纹套筒213沿近端方向行进并且心轴211缩回到壳体217中时，绕心轴211定位的分体式套筒218与心轴导引件216接触并保持在静止位置，直到心轴211完全缩回到壳体217中为止。渐缩式心轴的缩回使得紧固件100的衬套120在孔12内膨胀，从而对孔12进行冷加工并且在衬套120与孔12之间形成摩擦配合或经由粘合剂130形成增强粘结，如前所述。在驱动装置已使导螺杆212转动直到带螺纹套筒213与导螺杆轴承214接触之后，使驱动装置停止。现在参照图12G，在紧固件100牢固地安装在孔12内的情况下，心轴211可以完全缩回到壳体217中，并且可以将分体式套筒218从紧固件100内手动地移除。
用于现有拉出器的力测量适配器300
图13A和图13B示出了用于对与安装紧固件100和/或扩张孔12(例如，在冷加工过程期间)相关联的力进行测量的力测量工具300的代表性实施方式的立体图和剖视图。不同于包括既用于拉动心轴又用于测量安装力和/或冷加工力的部件的安装工具200，在各种实施方式中，力测量工具300可以构造成安装在现有拉出器上并对由现有拉出器产生的这样的力进行测量。因此，安装工具300有时可以被称为“适配器300”。适配器300总体上可以包括：适配器组件310，该适配器组件310构造成与拉出器400联接；以及力测量组件320，该力测量组件320与安装工具200的力测量组件类似。
在各种实施方式中，适配器组件310可以包括适配器312，该适配器312定形状并定尺寸成用于与传统拉出器400的鼻部或类似的远端部分410联接，如稍后参照图14A、图14B、图14C和图14D更详细地示出和描述的那样。适配器组件310可以附加地包括心轴适配器314，在各种实施方式中，该心轴适配器314可以代替通常可以被包括在传统心轴400中或附接至传统心轴400的心轴。特别地，心轴适配器314可以包括下述心轴：该心轴具有定尺寸并定形状成用于与传统拉出器400的心轴接纳部414联接的近端端部，如稍后参照图14A、图14B、图14C和图14D更详细地示出和描述的那样。适配器组件310的这些部件与拉出器400结合，以将心轴314拉动穿过孔12从而对孔进行冷加工和/或使紧固件100膨胀，这与安装工具200的拉动组件210类似。
在各种实施方式中，力测量组件320可以包括力传感器322和自由浮动部件302，如图13B中所示。这些部件可以定位并布置成与安装工具200的力传感器222和自由浮动部件202类似地起作用。也就是说，当适配器300安装在拉出器400上并且操作拉出器400以拉动心轴时，自由浮动部件302对力传感器322施加轴向力，并且由此对安装和/或冷加工操作的相关联的力进行测量。尽管未示出，但是在一些实施方式中，适配器300的力测量组件320还可以包括与力测量组件220的那些板类似的[板]。
应当理解的是，对安装工具200的力测量组件220的各个部件及其对应的布置和功能的描述在此被并入并且适于在力测量组件320中使用。此外，适配器300可以连接至数字读出装置，该数字读出装置配置成对整个安装过程中的压力测量结果进行记录，其与关于安装工具200所描述的数字读出装置类似。
图14A、图14B、图14C和图14D示出了构造成用于与各种现有拉出器400一起使用的适配器300的示意图。例如，图14A示出了构造成安装在Fatigue Technology(FTI)牌枪式拉出器上的壳体适配器300。适配器组件310可以定位并紧固至FTI枪式拉出器400的鼻部410。特别地，心轴适配器314可以是带外螺纹的，使得心轴适配器314可以被旋拧到FTI枪式拉出器400的带内螺纹的心轴接纳部414中，并且壳体适配器312可以定尺寸成用于摩擦配合在FTI枪式拉出器400的鼻部410上。如所构造的，当FTI枪式拉出器400被启动时，适配器300的心轴被拉动穿过孔和/或紧固件，并且力测量组件320对相关联的力进行测量。
作为另一示例，图14B示出了构造成安装在West Coast Industries(WCI)牌枪式拉出器上的适配器300。适配器组件310可以定位并紧固至WCI枪式拉出器400的鼻部。特别地，心轴适配器314可以是带外螺纹的，使得心轴适配器314可以被旋拧到WCI枪式拉出器400的带内螺纹的心轴接纳部414中，并且壳体适配器312可以是带内螺纹的，使得壳体适配器312可以被旋拧到WCI枪式拉出器的鼻部上的外螺纹412上。如所构造的，当WCI枪式拉出器400被启动时，适配器300的心轴被拉动穿过孔和/或紧固件，并且力测量组件320对相关联的力进行测量。
在又一示例中，图14C和图14D示出了构造成安装在Fastening SystemsInternational(FSI)牌枪式拉出器上的适配器300。适配器组件310可以定位并紧固至FSI枪式拉出器400的套筒410。特别地，心轴适配器314可以是带外螺纹的，使得心轴适配器314可以被旋拧到FSI枪式拉出器400的带内螺纹的延伸式直拉头414中，并且壳体适配器312可以是带内螺纹的，使得壳体适配器312可以被旋拧到FSI枪式拉出器的可调节适配器轴的外螺纹412上。如所构造的，当FSII枪式拉出器400被启动时，适配器300的心轴被拉动穿过孔和/或紧固件，并且力测量组件320对相关联的力进行测量。
跟踪结构件10上的拉力测量结果
在各种实施方式中，安装工具200和适配器300可以构造成将拉力测量结果与安装在结构件10中的每个对应紧固件100的位置相关联。如所构造的，安装工具200和适配器300可以提供给予给定结构件10中的各个紧固件100的拉力的可审查记录。
特别地，通过将每个拉力与每个对应的紧固件的位置相关联，安装工具200和适配器300可以允许对可能需要其他动作的特定紧固件100进行识别。例如，考虑下述情况：在该情况中，紧固件被认为在给定的力的范围内成功安装，但是在未来的检查之后，判定该范围的上端值过高，因为许多紧固件表现出衬套120损坏并且随后掉落出来。在这种情况下，识别哪些剩余紧固件100是以损坏发生的那个阈值以上的力来安装的可能是有益的，使得这样的剩余紧固件可以被修复或更换。
另外或替代性地，通过将每个拉力与每个对应的紧固件的位置相关联，安装工具200和适配器300可以允许确定针对未来安装的调整。例如，考虑结构件10在某些紧固件100或相关联的孔12中似乎表现出问题(例如，紧固件扭转出，或高于孔周围的正常裂纹/腐蚀)。在这种情况下，维护人员能够对由安装工具200提供的拉力的可审查记录进行分析，以对结构件10(以及同一运载器上或机队中其他运载器上的类似结构件)的受该问题影响(无论是由于结构件10上在该位置处的载荷增加还是其他原因)的部分进行识别，并且对这些位置处的可接受拉力的范围进行修订，以用于机队中的类似运载器上的即时维护或未来安装。
为此，现在参照图15A、图15B和图15C，在各种实施方式中，安装工具200和适配器300可以根据特定的实施方式设置有配置成扫描与每个紧固件100、结构件10和/或孔12相关联的射频识别(RFID)标签、条形码的或类似标识符520的射频识别(RFID)读取器、条形码读取器、或类似装置510。为了简单起见，并且不旨在限制本公开，将仅在RFID技术的情况下对这些实施方式进行描述，其中，安装工具200包括RFID读取器510，并且每个紧固件100、结构件10和/或孔12包括被动RFID标签520。在代表性实施方式中，每个紧固件100可以设置有唯一的RFID标签520，该RFID标签520在每个特定紧固件被安装时由适配器300(图15B)或安装工具200(图15C)上的RFID读取器510扫描。为了提高安装效率，并且/或者避免意外忘记扫描一个或更多个紧固件100上的RFID标签520，RFID读取器510可以配置成在每个紧固件100的安装期间扫描RFID标签520。例如，安装工具200和适配器300可以被编程成使得为驱动装置提供动力以拉动心轴211同时还用于自动启动RFID读取器510。如所构造的，安装工具200的RFID读取器510将定位成靠近正被安装的特定紧固件100的RFID标签520，并且因此可以读取该特定RFID标签520的标识，同时不会读取存储在安装于附近或等待安装的(例如，由技术人员携带的容器中的)紧固件的RFID标签520上的标识。为此，在一个实施方式中，RFID读取器510可以定位在安装工具200或适配器300的远端端部附近，如所示出的那样，以使在安装过程期间RFID读取器510与正被安装的紧固件100的RFID标签520之间的距离最小化。RFID标签520可以位于紧固件100上的任何适合的位置，并且在一个实施方式中，RFID标签520可以被植入紧固件100的正面上的腔中。
在一个实施方式中，RFID读取器510可以具有与数字读出装置或存储拉力测量结果和相关联的位置的其他电子系统(例如，计算机、配对的可移动装置等)的有线连接，而在另一实施方式中，RFID读取器510可以(例如，经由蓝牙、无线个域网或其他无线协议)与这样的系统无线通信。作为远程存储关于每个安装的拉力、合格/失败指示及其他相关参数的附加或替代，在一个实施方式中，安装工具200或适配器300可以配置成将测量到的拉力和相关联的信息写入对应的紧固件100上的RFID标签520。
类似地，现在参照图16A和图16B，在一个实施方式中，安装工具200或适配器300可以配备有装置600，该装置600用于对紧固件100附近的结构件10(或紧固件100本身)自动进行标记并至少指示安装是合格还是失败。例如，安装工具200或适配器300可以包括位于其远端端部附近的喷涂装置600，该喷涂装置600配置成分别在安装合格或失败的情况下在孔12附近自动喷涂绿点或红点。尽管喷涂装置600被示出为外部附件，但是应当认识到的是，喷涂装置600可以在内部一体化在安装工具200或适配器300内。此外，在各种实施方式中，可延伸的墨水笔或其他这样的标记装置可以代替喷涂装置600。如果安装失败，则技术人员可以返回至标记有红点的那些紧固件，并且在通过视觉检查或其他检查得到依据的情况下对每个紧固件进行维修/更换。另外或替代性地，技术人员可以将失败的紧固件安装保留原样，并且维护人员可以在执行结构检查时特别注意标记有红点的紧固件100。
由于配置有RFID读取器510和RFID标签520，因此工程师可以对相关联的拉力可审查记录进行分析，并且技术人员可以通过扫描结构件10中安装的紧固件100的RFID标签520对需要维修、更换或检查的那些紧固件进行定位。在各种实施方式中，结构件10可以另外或替代性地设置有RFID标签520，使得技术人员可以对包含特定紧固件100的特定结构件更容易地进行定位。在一个实施方式中，技术人员可以遵循用于安装紧固件100的特定的路径和顺序(例如，限定一致的起点并且以一致的图案远离起点进行工作)，并且由此便于对结构件10上需要维护的特定紧固件100进行定位的工作。
另外或替代性地，在各种实施方式中，安装工具200或适配器300可以构造成对安装在结构件10中的可以被跟踪的每个紧固件100的精确位置进行跟踪，并且将该精确位置与相关联的拉力一起存储。在一个这样的实施方式中，可以使用投影系统来投影光束，从而在新的创建期间指示孔12在结构件10上应钻削在何处。特别地，投影系统可以利用结构件10的3D模型和期望的孔12位置(例如，CAD模型、或经由3-D扫描创建的结构件12本身的模型)来创建投影图案，该投影图案构造成在将要钻削孔12并安装紧固件100的各个位置处将独立的光束瞄准到结构件10本身上。每个光束可以具有不同的特性(例如，颜色、波长)，以用于指示每个相应位置处将要安装的紧固件100的类型和尺寸。与投影系统相关联的显示装置可以向技术人员提供指令，并且在整个安装过程中对安装工具200或适配器300的位置进行跟踪。安装工具200或适配器300甚至可以配备有光学传感器，该光学传感器配置成在将紧固件100安装在结构件10上的对应位置处的期间对投影到该位置上的光束的特性自动进行扫描，并且由此将测量到的拉力与和该特定光束所关联的位置相关联。在另一这样的实施方式中，安装工具可以通过增强现实投影系统、比如德尔塔西格玛公司(Delta SigmaCorp)的ProjectionWorksTM经由一组插件任务来集成，以利用插件任务的无线个域网无线通信链接来从该工具导引数据收集并评估所安装的螺母板的质量。所产生的数据将记录在数据库中，并且然后可以使用ProjectionWorks将结果直接投影到工作零件上。
作为将拉力与每个紧固件100的位置相关联的附加或替代，在各种实施方式中，安装工具200或适配器300可以配置成警告或防止技术人员执行不正确或其他不期望的安装。例如，在安装工具200或适配器300处于错误的位置(例如，在结构件10中的错误的孔12附近)或即将执行错误的动作(例如，施加在对于成功安装而言合适的力的范围之外的力)的情况下，软件可以配置成发出警告声并且/或者阻止安装工具200或适配器300起作用，直到安装工具200或适配器300处于正确的位置或配置成执行适当的动作为止。
尽管已经详细描述了本公开及其优点，但是应当理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。此外，本申请的范围不旨在限于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施方式。如本领域普通技术人员将从本公开中容易地理解的，根据本公开，可以利用目前存在或稍后将要开发的、与本文中所描述的对应实施方式执行大致相同的功能或实现大致相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在所述权利要求的范围内。

Claims (28)

1.一种紧固件系统，包括：
用于将螺栓保持在结构件中的孔中的紧固件，所述紧固件包括：
保持部，所述保持部具有用于抵靠于所述结构件的围绕所述孔的表面定位的底部表面；
衬套，所述衬套与所述保持部的所述底部表面一体地形成并且从所述保持部的所述底部表面延伸，所述衬套具有绕所述衬套的整个周部延伸的连续光滑的外表面，所述衬套定尺寸成用于插入到所述结构件的所述孔中，并且所述衬套的壁厚在约0.005英寸至约0.030英寸的范围内；以及
定位在所述衬套的所述外表面上的粘合剂材料；
心轴，所述心轴具有不可变形的构型并且构造成穿过所述紧固件缩回以使所述衬套在所述孔内膨胀，这种膨胀适于：(i)增强所述粘合剂材料与所述孔之间的粘结并由此经由摩擦和粘合剂粘结的组合将膨胀的所述衬套牢固地联接在所述结构件的所述孔内，(ii)将所述保持部锚固至所述结构件的围绕所述孔的所述表面，以及(iii)向围绕所述孔的所述结构件的一部分中赋予均匀的残余应力。
2.根据权利要求1所述的紧固件系统，其中，所述保持部包括螺母或用于接纳螺母的联接部，以用于紧固所述螺栓。
3.根据权利要求1所述的紧固件系统，其中，所述紧固件由单件金属材料机加工而成。
4.根据权利要求1所述的紧固件系统，其中，所述衬套具有大致中空筒形的形状。
5.根据权利要求1所述的紧固件系统，其中，所述衬套的所述壁厚使所述孔的用于将所述衬套和所述螺栓容纳在所述孔的内部所需的直径最小化。
6.根据权利要求1所述的紧固件系统，其中，所述衬套构造成在所述孔内膨胀约3.5％。
7.根据权利要求1所述的紧固件系统，还包括对定位在所述衬套的所述外表面上的所述粘合剂材料进行封装的材料，所述材料适于在施加压力时使定位在所述衬套的所述外表面上的所述粘合剂材料暴露，从而允许定位在所述衬套的所述外表面上的暴露的所述粘合剂材料形成与所述孔的粘合剂粘结。
8.根据权利要求1所述的紧固件系统，还包括保护性材料，所述保护性材料覆盖定位在所述衬套的所述外表面上的所述粘合剂材料并且构造成在插入所述结构件中的所述孔中之前被剥离。
9.根据权利要求1所述的紧固件系统，还包括定位在所述保持部的所述底部表面上的粘合剂材料。
10.根据权利要求1所述的紧固件系统，其中，所述衬套沿着所述衬套的整个长度具有恒定的壁厚。
11.一种用于使紧固件在结构件的孔内膨胀的方法，所述方法包括：
将紧固件安置在结构件的孔中，所述紧固件包括：
保持部，所述保持部具有用于抵靠于所述结构件的围绕所述孔的表面定位的底部表面；
衬套，所述衬套与所述保持部的所述底部表面一体地形成并且从所述保持部的所述底部表面延伸，所述衬套具有绕所述衬套的整个周部延伸的连续光滑的外表面，所述衬套定尺寸成用于插入到所述结构件的所述孔中，并且所述衬套的壁厚在约0.005英寸至约0.030英寸的范围内；以及
定位在所述衬套的所述外表面上的粘合剂材料；
使心轴穿过所述紧固件缩回以使所述衬套在所述孔内膨胀以用于：(i)增强所述粘合剂材料与所述孔之间的粘结并由此经由摩擦和粘合剂粘结的组合将膨胀的所述衬套牢固地联接在所述结构件的所述孔内，(ii)将所述保持部锚固至所述结构件的围绕所述孔的所述表面，以及(iii)向围绕所述孔的所述结构件的一部分中赋予均匀的残余应力。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述保持部包括螺母或用于接纳螺母的联接部，以用于紧固所述螺栓。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述紧固件由单件金属材料机加工而成。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述衬套具有大致中空筒形的形状。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述衬套的所述壁厚使所述孔的用于将所述衬套和所述螺栓容纳在所述孔的内部所需的直径最小化。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述衬套构造成在所述孔内膨胀约3.5％。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述紧固件还包括对定位在所述衬套的所述外表面上的所述粘合剂材料进行封装的材料，所述材料适于在施加压力时使定位在所述衬套的所述外表面上的所述粘合剂材料暴露，从而允许定位在所述衬套的所述外表面上的暴露的所述粘合剂材料形成与所述孔的粘合剂粘结。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述紧固件还包括保护性材料，所述保护性材料覆盖定位在所述衬套的所述外表面上的所述粘合剂材料并且构造成在插入所述结构件中的所述孔中之前被剥离。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述紧固件还包括定位在所述保持部的所述底部表面上的粘合剂材料。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述衬套沿着所述衬套的整个长度具有恒定的壁厚。
21.一种用于将螺栓保持在结构件中的孔中的紧固件，所述紧固件包括：
保持部，所述保持部具有用于抵靠于所述结构件的围绕所述孔的表面定位的底部表面；
衬套，所述衬套与所述保持部的所述底部表面一体地形成并且从所述保持部的所述底部表面延伸，所述衬套具有绕所述衬套的整个周部延伸的连续光滑的外表面，所述衬套在中性状态下定尺寸成用于插入到所述结构件的所述孔中，并且所述衬套的壁厚在约0.005英寸至约0.030英寸的范围内；
定位在所述衬套的所述外表面上的粘合剂材料；以及
保护性材料，所述保护性材料覆盖所述粘合剂材料并且构造成在插入所述结构件中的所述孔中之前被剥离，
其中，所述衬套构造成在所述孔内膨胀至膨胀状态，在所述膨胀状态下所述衬套具有比所述中性状态下更大的直径，这种膨胀适于：(i)增强所述粘合剂材料与所述孔之间的粘结并由此经由摩擦和粘合剂粘结的组合将膨胀的所述衬套牢固地联接在所述结构件的所述孔内，(ii)将所述保持部锚固至所述结构件的围绕所述孔的所述表面，以及(iii)向围绕所述孔的所述结构件的一部分中赋予均匀的残余应力。
22.根据权利要求21所述的紧固件，其中，所述保持部包括螺母或用于接纳螺母的联接部，以用于紧固所述螺栓。
23.根据权利要求21所述的紧固件，其中，所述紧固件由单件金属材料机加工而成。
24.根据权利要求21所述的紧固件，其中，所述衬套具有大致中空筒形的形状。
25.根据权利要求21所述的紧固件，其中，所述衬套的所述壁厚使所述孔的用于将所述衬套和所述螺栓容纳在所述孔的内部所需的直径最小化。
26.根据权利要求21所述的紧固件，其中，所述衬套构造成在所述孔内膨胀约3.5％。
27.根据权利要求21所述的紧固件，还包括定位在所述保持部的所述底部表面上的粘合剂材料。
28.根据权利要求21所述的紧固件，其中，所述衬套沿着所述衬套的整个长度具有恒定的壁厚。
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