蜂窝铆钉 【技术领域】
本发明涉及一种紧固件，该紧固件用于在不破坏该蜂窝结构本身情况下把蜂窝材料固定到其他结构上。
背景技术
蜂窝材料广泛地用在飞行器制造业，该蜂窝材料固定到例如金属板的其他材料上，以把飞行器结构保持在一起。目前，只有少数紧固件构造成把蜂窝材料固定到其他的材料上，以把飞行器结构保持在一起。然而，在使用这些紧固件时出现了许多缺点。例如，这些紧固件非常易膨胀而且安装起来麻烦，从而需要漫长的安装过程。
因此，需要一种把蜂窝材料固定到其他的材料上的紧固件，以把飞行器结构保持在一起，其中该紧固件克服了现有技术紧固件设计中的缺点。本发明供给了这种紧固件设计。
【发明内容】
发明的主要目的是提供一种用于把蜂窝材料固定到其他材料上的铆钉，其中该铆钉与当前用于相同目的的其他紧固件相比可迅速和方便地安装。
发明的另一个目地是提供一种蜂窝铆钉，该铆钉可可靠地把蜂窝材料固定到其他的材料上。
发明的另一个目的是提供一种蜂窝铆钉，该铆钉在把蜂窝结构不破坏该蜂窝本身时把蜂窝材料固定到其他的结构上。
发明的又一个的目的是提供一种蜂窝铆钉，该铆钉可被用于较大厚度材料。
发明的另一个目的是提供一种蜂窝铆钉，该铆钉在不使蜂窝材料破碎或者不使蜂窝材料固定的结构破碎情况下，坚固和可靠地夹持。
发明的另一个目的是提供一种蜂窝铆钉，该蜂窝铆钉只需要以单个的均匀尺寸孔钻穿蜂窝材料并固定在其中的结构上，用于蜂窝铆钉有效地把蜂窝材料固定到该结构上。
发明的又一个目的是提供一种用于使蜂窝铆钉轻松插入的孔，从而在蜂窝铆钉固定到该蜂窝材料和被固定的结构前，使蜂窝铆钉容易插入到该孔内。
简单地说，根据上面描述，发明提供一种蜂窝铆钉和安装该蜂窝铆钉以把蜂窝材料固定到需要结构上的方法。通过经由该材料钻孔而安装铆钉。铆钉的背面套管经由该孔一端插入，具有穿过其中插入的杆件的正面套管经由该孔另一端插入，从而杆件的头部和正面套管的套管部位于背面套管的套管部内。然后杆件从柱部被牵拉，从而该杆件的头部使背面套管的套管部膨胀成把铆钉固定到该材料上的材料。同时还提供一个锁环，在对该杆件持续牵拉后，把杆件锁定到该正面套管上。
【附图说明】
下面详细描述被认为新颖的发明特征。通过参考以下结合附图的说明，本发明结构与操作的原理和方式与其他目的和优点一起可得到最好理解，其中相同标号表示同样部件，其中：
图1是发明第一和第二实施例的蜂窝铆钉背面套管剖面侧视图；
图2是发明第一和第二实施例的蜂窝铆钉正面套管剖面侧视图；
图3是发明第一和第二实施例的蜂窝铆钉细长杆的侧视图；
图4-7是本发明蜂窝铆钉第一实施例的剖面图，其中示出了蜂窝铆钉固定到一个工件上；以及
图8-11是本发明蜂窝铆钉第二实施例的剖面图，其中示出了蜂窝铆钉固定到一个工件上。
【具体实施方式】
虽然本发明可以是不拘形式的实施例，附图中示出并在这里将详细地描述特定实施例，但应当理解的是，目前公开的内容应认为是发明原理范例，并不能把发明限制到那些举例的形式中。
图1-7示出了蜂窝铆钉的第一实施例100，而在图8-11中示出了蜂窝铆钉的第二实施例300。相似的部件用相似的标号来表示，其中第一实施例为一和二百，而第二实施例为三和四百。
下面参照在图1-7中所示的发明第一实施例的蜂窝铆钉100。该第一实施例的蜂窝铆钉100包括一个背面套管102、一个正面套管104、一个杆件106、一个内锁环108以及一个驱动砧座110。
从图1中清楚地示出，蜂窝铆钉100的背面套管102具有一个头部112和一个套管部114。该头部112位于背面套管102的第一端116，而套管部114从背面套管102头部112延伸到背面套管102的第二端118。背面套管102第一端116的头部112的外径为D1。从背面套管102的第一端116，该头部112向内到套管部114逐渐变细。该套管部114具有一个小于直径D1的均匀外径D2。
该套管部114具有一个孔腔120，该孔腔从背面套管102的第二端118朝向背面套管102第一端116延伸，但不是在该套管部114的整个长度上延伸。在套管部114内的孔腔120的直径D3小于直径D2。
从图2中清楚地示出，蜂窝铆钉100的正面套管104具有一个头部122和一个套管部124。该头部122位于正面套管104第一端126，而套管部124从正面套管104头部122延伸到正面套管104的第二端128。在正面套管104第一端126的头部122的外径为D4。外径D4优选的是等于外径D1。从正面套管104的第一端126，该头部122向内到套管部124的第一部分132第一端130逐渐变细。正面套管124第一部分132的外径为D5。外径D5优选的是等于外径D2并小于直径D4。套管部124第一部分132的第二端134到套管部124第二部分138的第一端136向内逐渐变细。套管部124的第二部分138具有一个外径D6。优选的是，外径D6略微地小于直径D3。在这里更进一步描述这种正面套管104结构的作用。
该正面套管104具有一个从其中延伸的孔腔140，该孔从正面套管104的第二端128延伸到正面套管104的第一端126，其中正面套管104的第二端128也是套管部124第二部分138的第二端142。该孔腔140具有第一部分144、第二部分146和第三部分148。孔腔140的第一部分144位于正面套管104的第一端126，并具有直径D7。孔腔140的第一部分144在正面套管104的头部122中延伸。在正面套管104的第一端126近端，第一部分144的孔腔140的壁150到孔腔140的第二部分146向内逐渐变细。该孔腔140的第二部分146的直径为D8。直径D8小于直径D7。孔腔140的第二部分146从正面套管104的头部122内延伸到套管部124第一部分132的第二端134。该孔腔140的第三部分148在该套管部124的第二部分138的整个长度上延伸，并具有一个比直径D8较大的直径D9。由于直径D9比直径D8大，孔台肩152设置在孔腔140的第二和第三部分146、148之间的孔腔140内。
从图3中清楚地示出，该杆件106在其第一端156包括一个扩大的杆头部154和一个从那里延伸的细长柱158。该扩大的杆头部154具有直径D10，该直径略微地小于背面套管102的孔腔120直径D3。该扩大的杆头部154到细长柱158的第一部分160向内逐渐变细，其中该细长柱158具有直径D11，该直径小于直径D10并略微地小于在正面套管104的第三部分148的孔腔140直径D9。
细长柱158的第二部分162从该细长柱158的第一部分160伸出。第二部分162具有一个小于直径D11的直径D12，从而台肩164形成在细长柱158的第一和第二部分160、162之间。该直径D12略微地小于在正面套管104第二部分146的孔腔140直径D8。
该细长柱158的第三部分166从该细长柱158的第二部分162伸出。第三部分166具有一个小于直径D12的直径D13，从而台肩168形成在细长柱158的第三和第三部分162、166之间。
该细长柱158的第三部分166具有一个环形锁槽170，该锁槽170靠近细长柱158的台肩168和第二部分162形成。该细长柱158的第三部分166也具有一个牵拉部172，该牵拉部172靠近杆件106的第二端174并远离细长柱158的台肩168和第二部分162。该第三部分166具有多个环形牵拉槽176，以便它能通过传统的牵引式或者调整用工具178夹住。这样的工具在本领域中为大家所熟知，因此为了简化起见，已经省略了其细节。该第三部分166还包括在环形锁槽170和牵拉部172之间但靠近该环形锁槽170的中断切口179。
从图4中清楚示出的是，该内部锁环108具有一个增大厚度的锁定凸起部180，该凸起部180嵌入在环形锁槽170内。该内部锁环108的减小厚度锁紧套部182沿着细长的杆柱158的第三部分166朝向杆件106的第二端174延伸。该内部锁环108为均匀的圆柱状结构，从而在其中具有内部锁环108的细长的杆柱158的第三部分166具有这样一个直径，该直径优选的是与细长的杆柱158的第二部分162直径D12尺寸相同。该内部锁环108优选的是由可冷变形材料制成，这些材料例如为A-286的弥散硬化不锈钢，或者包含镍、铬和铁的合金，熟知的是由Inco AlloysInternational，Inc制造的INCONEL。
在图4中清楚地示出，驱动砧座110为圆盘状，并具有一个内径，该内径比细长柱158的第三部分166直径D13略大。
利用该蜂窝铆钉100把蜂窝材料184固定到至少一个第一工件186上，并如在这里描述的那样，固定在第一和第二工件186、188之间。该蜂窝材料184包括具有内外表面192、194的第一蜂窝蒙皮190，和具有内外表面198、200的第二蜂窝蒙皮196，以及设置在第一蜂窝蒙皮190内表面192和第二蜂窝蒙皮196外表面200之间的蜂窝内部202。如飞行器框架的第一工件186具有内外表面204、206，并靠在蜂窝材料184的第二蒙皮196上，从而第二蒙皮196的内表面198靠在第一工件186的外表面206上。如飞行器外板的第二工件188具有内外表面208、210，并靠在蜂窝材料184的第一蒙皮190上，从而第一蒙皮190的外表面194靠在第二工件188的内表面208上。该蜂窝材料184优选的是由铝或者钛形成。
下面参见图4-7来讨论利用蜂窝铆钉100对第一和第二工件186、188之间蜂窝材料184进行固定的操作。
均匀直径的孔212穿过第一工件186、蜂窝材料184和第二工件188，该均匀直径略微大于背面套管102的套管部114直径D2和正面套管104套管部124的第二部分138直径D6。埋头孔214，216也分别形成在第一和第二工件186、188上的孔212中。埋头孔216的尺寸可容纳正面套管104的头部122，同时埋头孔214的尺寸可容纳背面套管102的头部112。由于避免了现有技术中对改变钻头尺寸以钻削不同尺寸的孔的需要或者一个以上工具的需要，因此，均匀直径孔212的钻削节约了时间。
在孔212和埋头孔214、216形成在蜂窝材料184和工件186、188内后，该蜂窝铆钉100定位在孔212和埋头孔214、216内。
通过把背面套管102的套管部114经由第一工件186、该蜂窝材料184的第二蒙皮196插入到孔212内，并进入到蜂窝材料184的蜂窝内部202，该背面套管102定位在该孔212内，从而背面套管102的头部112定位在埋头孔214，头部112与第一工件186的内表面204齐平。由于背面套管102的套管部114外径D2小于孔212的直径，背面套管102轻易地被插入孔212中。
通过把杆件106的细长柱158的第三部分166插入经过正面套管104孔腔140的第三部分148，其上具有内部锁环108的杆件106定位在正面套管104内。由于该扩大的杆头部154直径D10比孔腔140的第三部分148直径D9大，因此，扩大杆头部154没有在正面套管104的孔腔140内延伸，而是紧靠在该正面套管104的第二端128上。这样，具有直径D11的细长柱158第一部分160定位在具有直径D9的孔腔140的第三部分148内。具有直径D12的细长柱158第二部分162定位在孔腔140的第三部分148和具有直径D8的第二部分146内。位于细长柱158第三部分166的内部锁环108定位在孔腔140的第二部分146内。具有直径D13的细长柱158的第三部分166定位在孔腔140的第二部分146和第一部分144内，并延伸到正面套管104头部122之外。
如上所述，通过经由第二工件188、蜂窝材料184的第一蒙皮190，把杆件106的扩大杆头部154和正面套管104的套管部124插入到孔212内并进入到蜂窝材料184的内部202，在背面套管102定位在孔212内2后，正面套管104和杆件106一起结合定位在孔212内，从而正面套管104的头部122定位在埋头孔216内，头部122与第二工件188的外表面210齐平，同时杆件106的扩大杆头部154和正面套管104的套管部124第二部138的一部分定位在背面套管102的套管部114的孔腔120内。正面套管104的结构使该正面套管104适应均匀直径的孔212。正面套管104的套管部124在其第一和第二部分132、138之间逐渐变细，以使其第二部分138被插入背面套管102套管部114的孔腔120中。一个间隙218形成在背面套管102的套管部114和杆件106的扩大杆头部154之间。该间隙218是使正面和背面套管104、102由于安装而膨胀所需要的，这在蜂窝状结构中能轻易地满足。
该驱动砧座110位于细长柱158第三部分166周围，以紧靠在正面套管104的第一端126上。
在蜂窝铆钉100定位在孔212内后，该传统的牵拉式工具178绕细长柱158的第三部分166作为定位，如图4所示，从而其一端紧靠在驱动砧座110上，并在驱动砧座110上施加一个稳定、均匀的压力，以使正面套管104的头部122安放在孔212的埋头孔216内。该驱动砧座110避免了可膨胀牵拉工具部件的磨损和替换，显著地延长了牵拉工具178的寿命。
如图5所示，该牵拉式工具178在驱动砧座110上施加一个向下压缩力F1，以把背面和正面套管102、104保持在位，同时向杆件106细长柱158的牵拉部172施加一个向上的拉力F2。该力F2使扩大杆头部154为靠近正面套管104第二端128的正面套管104套管部124的第二部138加压，随后为靠近背面套管102第二端118的背面套管102的套管部114加压。正面和背面套管104、102的套管部124、114的分别加压，使该正面和背面套管104、102咬合在一起，并把蜂窝铆钉100的接合点固定在蜂窝材料184内。
如图6所示，当牵拉工具178持续对杆件106细长柱158的牵拉部172施加力F2时，内部锁环108锁紧套部182与驱动砧座110接触，迫使内部锁环108的锁紧套部182变形并填充到正面套管104孔腔140的第一部分144内。内部锁环108变形到正面套管104孔腔140的第一部分144，可把杆件106和正面套管104牢固地锁定在一起。该内部锁环108增加了连接的整体性和可靠性，并在安装后是可看得见的。该内部锁环108也可阻止杆件106发出咔嗒声，并且在保持定位时，进一步帮助确保穿过蜂窝铆钉100的剪切载荷。
通过牵拉工具178对力F2的连续施加可使杆件106的细长柱158在中断切口179处断裂，如图7所示，提供了齐平和无毛刺安装。
下面注意在图8-11中所示的蜂窝铆钉300的第二实施例。第二实施例的蜂窝铆钉300包括一个背面套管302、一个正面套管304、一个杆件106、一个外部锁环309以及一个移动垫圈311。
该蜂窝铆钉300的背面套管302、正面套管304和杆件306与蜂窝铆钉100的背面套管102、正面套管104和杆件106相同，因此，对这些部件描述就不再重复。同样地，蜂窝材料384和工件386、388与蜂窝材料184和工件186、188也是相同，因此，对其描述也不再重复。
在图8中清楚地示出，该外部锁环309具有环形的圆柱形状，用于蜂窝铆钉300的调整或者锁定。该外部锁环309围绕中断颈部379和牵拉部372之间的细长柱306的第三部分366放置。该外部锁环309具有一个略微地大于细长柱306的第三部分366的直径D13大的内径和一个外径，该外径比其内径较大，同时略微地小于正面套管304内孔腔340第一部分344的直径D7。该外部锁环309优选的是由可冷变形材料制成，这些材料例如为A-286的弥散硬化不锈钢，或者包含镍、铬和铁的合金，熟知的是由Inco Alloys International，Inc制造的INCONEL。
在图8中清楚地示出，移位垫圈311具有一个上垫圈元件420和一个下垫圈元件422，如图所示，这两个垫圈同心布置，但彼此轴向偏离。如附图所示，一个受剪段424用于把上垫圈元件420和下垫圈元件422连接在一起。在下文中更清楚的是，在受剪段424切断或者断裂后，上垫圈元件420的尺寸可以使其自由、可滑动嵌入在下垫圈元件422的内部尺寸或者结构。
下面参见图8-11来讨论利用蜂窝铆钉300对第一和第二工件386、388之间蜂窝材料388进行固定的操作。
均匀直径的孔412穿过第一工件386、蜂窝材料384和第二工件388，该均匀直径略微大于背面套管302的套管部314直径D2和正面套管304套管部324的第二部分338直径D6。埋头孔414，416也分别形成在第一和第二工件工件386、388上的孔412中。埋头孔416的尺寸可容纳正面套管304的头部322，而埋头孔414的尺寸可容纳孔背面套管302的头部312。由于避免了现有技术中对改变钻头尺寸以钻削不同尺寸的孔的需要或者一个以上工具的需要，因此，均匀直径孔412的钻削节约了时间。
在孔414和埋头孔414、416形成在蜂窝材料384和工件386、388内后，该蜂窝铆钉300定位在孔412和埋头孔414、416内。
通过把背面套管302的套管部314经由第一工件386、该蜂窝材料384的第二蒙皮396插入到孔412内，并进入到蜂窝材料384的蜂窝内部402，该背面套管302定位在该孔412内，从而背面套管302的头部312定位在埋头孔414内，同时头部312与第一工件386的内表面304齐平。由于背面套管302的套管部314外径D2小于孔412的直径，背面套管302轻易地被插入孔412中。
通过把杆件306细长柱358的第三部分366插入经过正面套管304孔腔340的第三部分348，杆件306定位在正面套管304内。由于该扩大的杆头部354直径D10比孔腔340的第三部分348直径D9大，因此，扩大杆头部354没有在正面套管304的孔腔340内延伸，而是紧靠在该正面套管304的第二端328上。这样，具有直径D11的细长柱358的第一部分360定位在具有直径D9的孔腔340的第三部分348内。具有直径D12的细长柱358的第二部分362定位在具有直径D8的孔腔340的第三部分348和第二部分346内。具有直径D13的细长柱358的第三部分366定位在孔腔340的第二部分346和第一部分344内，并延伸到正面套管304头部322之外。
如上所述，通过经由第二工件388、蜂窝材料384的第一蒙皮390，把杆件306的扩大杆头部354和正面套管304的套管部324插入到孔412，并进入到蜂窝材料384的内部302，背面套管302定位在孔412内后，正面套管304和杆件306一起结合定位在孔412内，从而正面套管304的头部322定位在埋头孔416内，头部322与第二工件388的外表面410齐平，同时杆件306的扩大杆头部354和正面套管304的套管部324的第二部分338的一部分定位在背面套管302的套管部314的孔320内。正面套管304的结构使该正面套管304适应均匀直径的孔412。正面套管304的套管部324在其第一和第二部分332、338之间逐渐变细，以使其第二部分338被插入背面套管302套管部114的孔320中。一个间隙418形成在背面套管302的套管部314和杆件306的扩大杆头部354之间。该间隙418是使正面和背面套管304、302由于安装而膨胀所需要的，这在蜂窝状结构中能轻易地满足。
该外部锁环308围绕细长柱358的第三部分366放置，从而该外部锁环308位于正面套管304孔腔340的第一部分344附近或者部分位于其中。
该调整垫圈310围绕细长柱358第三部分366放置，从而该下垫圈元件422的底面426紧靠在正面套管304的第一端326上，同时上垫圈元件420的底面428紧靠外部锁环308上。
在蜂窝铆钉300定位在孔412后，该传统的牵拉式工具378绕细长柱358的第三部366定位，如图8所示，从而其一端紧靠在移位垫圈311的上垫圈元件420顶面430上，并在移位垫圈311上施加一个稳定、均匀的压力，以使正面套管304的头部322安放在孔412的埋头孔216内。该移位垫圈311避免了可膨胀牵拉工具部件的磨损和替换，显著地延长了牵拉工具378的寿命，同时还具有另外的功能，该将在这里描述。
如图9所示，该牵拉式工具378在移位垫圈311上施加一个向下压缩力F1，以把背面和正面套管302、304保持在位，同时向杆件306的细长柱198的牵拉部372施加一个向上的拉力F2。该力F2使扩大杆头部354为靠近正面套管304第二端328的正面套管304的套管部324的第二部338加压，随后为靠近背面套管302的第二端318的背面套管302的套管部314加压。正面和背面套管304、302的套管部324、314分别加压，使该正面和背面套管304咬合在一起，并把蜂窝铆钉300的接合点固定在蜂窝材料184内。
如图10所示，当该牵拉工具378持续把力F1施加到该调整垫圈311的上垫圈元件420时，该力F1克服受剪段424的抗剪强度，使上垫圈区段420从下垫圈区段422切断。当上垫圈区段420从该下垫圈区段422上切断时，同时当牵拉工具378把力F1施加到该上垫圈元件420时，该上垫圈元件420被迫使向下进入到该外部锁环309内。该外部锁环309从而迫使变形进入到正面套管304的孔腔340的第一部分344，并进入到杆件306的环形锁槽370内。该外部锁环309变形进入到正面套管304的孔腔340的第一部分344，并进入到杆件306的环形锁槽370内，这样牢固地使杆件306和正面套管304锁定在一起。该外部锁定环308增加了连接的整体性和可靠性，并在安装后是可看得见的。该外部锁环308也可阻止杆件306发出咔嗒声，并且在保持定位时，进一步帮助确保穿过蜂窝铆钉300的剪切载荷。
通过牵拉工具378对力F2的连续施加可使杆件306的细长柱358在中断切口379处断裂，如图11所示，提供了齐平和无毛刺安装。
另外，当调整垫圈311本身碎裂时，留下容易找到和拆卸的实体(solid)垫圈。
从而，本发明实施例的蜂窝铆钉100、300提供一种用于把蜂窝材料固定到其他材料上的铆钉，其中该铆钉与当前用于相同目的的其他的紧固件相比可迅速和方便地安装。
尽管已经示出了和描述了发明的优选实施例，本领域的技术人员可以认识到，在不脱离上述描述和附加权利要求书的精神和范围的前提下能够进行各种修改。