本申请为111(a)类申请，与一共同拥有、共同待审、于2016年12月13日提交、名为“能弱化电磁影响可顺应环境的锥形密封紧固件”的第62/433,545号美国临时专利申请相关，并要求该美围临时专利申请的权益，该美围临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
本发明涉及紧固件，更具体地说，涉及具有环境顺应性的锥形密封件并且对电磁影响较弱的紧固件。
背景技术：
各向异性电阻特性和高接触电阻直接影响飞机内通过紧固件连接的电气连接区域的电流通路和产生的电场。这些电气不规则性也直接影响到飞机对高频波的电磁响应。人们希望获得一种紧固件，通过减少接触电阻和改变紧固件边缘的机电几何形状使紧固件头部周围具有更好的电气连续性。
技术实现要素：
本发明待解决的技术问题是提供一种能够降低所安装结构电磁影响的紧固件。
在一个实施例中，紧固件包括一套筒，所述套筒具有第一端部和与所述第一端部相对的第二端部的细长部分；一头部，所述头部位于所述细长部分的第一端部；以及位于所述细长部分的第二端部的内螺纹部分。所述头部包括位于具下侧的承压表面；一置于所述套筒内并且具有第一端部的穿芯螺栓，与所述穿芯螺栓第一端部相对的第二端部。所述穿芯螺栓第一端部上有一头部，具有邻近所述穿芯螺栓第二端部的外螺纹部分的杆部，所述穿芯螺栓的螺纹部分与所述套筒的螺纹部分通过螺纹啮合；一密封件与所述套筒相连，并且与所述套筒头部的承压表面并列。
在一个实施例中，所述密封件是由铜制成的。在一个实施例中，所述密封件包括密封部分和从所述密封部分开始有角度延伸的边缘。在一个实施例中，所述密封件包括从所述密封部分轴向延伸的管状部分。在一个实施例中，所述密封件的密封部分的厚度在大约5微米至100微米范围内。在一个实施例中，所述紧固件进一步包括置于所述套筒内部并环绕所述穿芯螺栓一部分的嵌件。在一个实施例中，所述套筒的细长部分包括邻近与所述嵌件的带状退火部分。在一个实施例中，所述嵌件包括具有内螺纹的管状部件，所述管状部件的内螺纹与所述穿芯螺栓的螺纹部分通过螺纹啮合。在一个实施例中，所述嵌件包括具有梯形截面的线圈弹簧，并盘绕在所述穿芯螺栓的螺纹部分周围和内部。在一个实施例中，所述穿芯螺栓的头部包括一平头。在一个实施例中，所述套筒头部的尺寸和形状适合接收所述穿芯螺栓的平头。在一个实施例中，所述穿芯螺栓包括与所述穿芯螺栓头部活动连接的第二头部，所述第二头部适合于使用紧固件安装工具咬合。
在另一个实施例中，结合了一种结构；一紧固件安装在所述结构中，所述紧固件包括一套筒，所述套筒具有第一端部和与所述第一端部相对的第二端部的细长部分；一头部，所述头部位于所述细长部分的第一端部；以及位于所述细长部分的第二端部的内螺纹部分。所述头部包括位于其下侧的承压表面，置于所述套筒内并且具有第一端部的穿芯螺栓，与所述穿芯螺栓第一端部相对的第二端部。所述穿芯螺栓第一端部上有一头部，具有邻近所述穿芯螺栓第二端部的外螺纹部分的杆部，所述穿芯螺栓的螺纹部分与所述套筒的螺纹部分通过螺纹啮合；一密封件与所述套筒相连，并且与所述套筒头部的承压表面并列。
在一个实施例中，所述密封件是由铜制成的。在一个实施例中，所述密封件包括密封部分和从所述密封部分开始有角度延伸的边缘。在一个实施例中，所述密封件包括从所述密封部分轴向延伸的管状部分。在一个实施例中，所述密封件的密封部分的厚度在大约5微米至100微米范围内。在一个实施例中，所述嵌件紧固件进一步包括置于所述套筒内部并环绕所述穿芯螺栓一部分的嵌件。在一个实施例中，所述套筒的细长部分包括邻近与所述嵌件的带状退火部分。在一个实施例中，所述嵌件包括具有内螺纹的管状部件，所述管状部件的内螺纹与所述穿芯螺栓的螺纹部分通过螺纹啮合。在一个实施例中，所述嵌件包括具有梯形截面的线圈弹簧，并盘绕在所述穿芯螺栓的螺纹部分周围和内部。在一个实施例中，所述穿芯螺栓的头部包括一平头。在一个实施例中，所述套筒头部的尺寸和形状适合接收所述穿芯螺栓的平头。在一个实施例中，所述穿芯螺栓包括与所述穿芯螺栓头部活动连接的第二头部，所述第二头部用于使用紧固件安装工具咬合。
往一个实施例中，所述结构包含复合材料。在一个实施例中，所述结构基本是由复合材料制成的。在一个实施例中，所述结构部分是由复合材料制成的。在一个实施例中，所述结构包括金属材料。在一个实施例中，所述金属材料是铝。在一个实施例中，所述结构基本是由金属材料制成的。在一个实施例中，所述结构部分是由金属材料制成的。在一个实施例中，所述结构包括位于所述结构外表面的金属网，其中当所述紧固件处于安装位置时，所述紧固件的密封件与所述金属网直接接触并电气接触。在一个实施例中，所述金属网是由铜制成的，所述密封件是由铜制成的。
本发明的所述紧固件优于已有紧固件之处在于，包括穿芯螺栓，用于接收所述穿芯螺栓的套筒，与套筒连接并与套筒头部承压表面并列的密封件。当所述紧固件安装在结构内部时，所述密封件适应套筒头部与结构之间固有的微粗糙度，因此能够降低套筒头部周围的接触电阻，大幅增强所述紧固件和结构之间的电气接触，从而降低所述结构对电磁的影响。
附图简要说明
图1是本发明一个实施例中紧固件的侧视图；
图2是图1中所示紧固件所使用密封件的一个实施例的俯视图；
图3是图2中所示密封件的侧视图；
图4是图1中所示密封件的部分横截面透视视图，所示紧固件安装在多个工件上；
图5是图1中所示多个紧固件的俯视图，一些显示为处于工件内的预安装位置，一些显示为处于所述工件内部的已安装位置；
图6是图1中所示紧固件安装之后的平面俯视图；
图7是具有顺应密封件的紧固件的另一个实施例的侧视图；
图8是具有选定表面覆盖一种材料的针状部件，并且密封件与所述针状部件组装在一起的紧固件的另一个实施例的侧视图；
图9至图11是图8所示针状部件和密封件安装在结构中时的显微照片；
图12a和图12b分别是图8所示紧固件在打磨/刨削步骤前后的示意图；
图13和图14分别是图8所示安装在带有铜网层的一个结构中，带有和没有密封件的紧固件的照片。
附图详细说明
参阅图1至图4，在一个实施例中，紧固件10用于将多个工件100，102彼此固定在一起。在一个实施例中，所述紧固件10是盲孔螺栓紧固件。在一个实施例中，所述紧固件10包括穿芯螺栓12和套筒14，所述套筒的尺寸和形状适合接收所述穿芯螺栓12。在一个实施例中，所述套筒14包括细长部分15和位于其一端的头部16。在一个实施例中，所述头部16包括具有中心开孔17的第一表面18，所述中心开孔的尺寸和形状适合于接收所述穿芯螺栓12，以及与所述第一表面18相对的承压表面19(即所述头部16的底侧)。在一个实施例中，所述穿芯螺栓12包含位于所述套筒14头部16的第一表面18周围，并围绕所述套筒14的中心开孔17的多个凹槽20(参见图4)。在一个实施例中，所述凹槽20适合与位于紧固件安装工具一端的配合部位相接合(图中未显示)。在一个实施例中，所述套筒14的细长部分15包括内螺纹部分21(见图4)。
仍然参阅图1和图4，在一个实施例中，所述穿芯螺栓12包括具有第一端部和与所述第一端部相对的第二端部的细长柄22，其大小和形状可以穿过所述套筒14。在一个实施例中，所述套筒14的尺寸和形状适合插入所述工件100，102的开孔。在一个实施例中，所述穿芯螺栓12的柄22包括位于所述柄22的第二端部的平滑圆柱形部分24和螺纹部分26。在一个实施例中，所述柄22的螺纹部分26的直径小于所述柄22的平滑圆柱形部分24的直径。在一个实施例中，所述穿芯螺栓12的螺纹部分26适合于所述套筒14的螺纹部分21通过螺纹啮合。在一个实施例中，所述穿芯螺栓12包括位于所述柄22的第一端部，邻近所述平滑圆柱形部分24的第一头部28。在一个实施例中，所述头部28是截头圆锥形。在一个实施例中，所述头部28的相邻区域形成所述穿芯螺栓12的一部分且易碎，第二头部32具有花键或螺纹34(见图1)，所述花键或螺纹与安装工具(图中未示出)所连的适当驱动件紧密啮合。在一个实施例中，所述第一头部和第二头部28，32是一体成型的。在一个实施例中，所述第一头部和第二头部28，32间有断颈槽或所述穿芯螺栓12上最薄弱的部分36，在扭转剪切作用下将发生断裂以响应紧固件10安装完毕后对第二头部32施加的旋转力。
在某些实施例中，所述穿芯螺栓12和套筒14在结构和功能上与(1)美国专利号7308842，hufnagletal.，于2007年12月18日以huckinternational公司名义公布的，标题为《盲孔紧固件和用于安装所述盲孔紧固件的管口组件》，或(2)美国专利申请出版编号2016/0215804，hufnagletal.，于2016年7月28日以arconic公司的名义公布的，标题为《盲孔紧固件》的专利相似，其中的整体被并入此处，并成为本申请的一部分。
参阅图1至图3，在一个实施例中，顺应密封元素38连接至所述套筒14的细长部分15，并与所述套筒14头部16的承压表面19并列。在一个实施例中，所述密封件38与所述套筒14分开且不同。在一个实施例中，所述密封件38位于所述工件100的孔内，在安装紧固件10期间所述套筒14可以插入并与所述密封件38接触。在一个实施例中，所述密封件38是截头锥形，包括位于中心位置的环形孔40，所述环形孔的尺寸和形状适合容纳所述套筒14的细长部分15并与所述套筒14头部16的承压表面19并列。在一个实施例中，所述密封件38包括密封部分42。在一个实施例中，所述密封部分42是截头锥形。在另一个实施例中，边缘44从所述密封部分42的一侧延伸。在一个实施例中，所述边缘44从所述密封部分42向上呈一定角度。在一个实施例中，所述边缘44从所述密封部分42开始倾斜并向上呈一定角度。在另一个实施例中，管状部分46从密封部分42的对侧沿着轴向延伸(即与所述边缘44相对。在一个实施例中，所述管状部分46的长度与所述密封元件38的总长度比非常短。在一个实施例中，所述密封元素38是由铜制成的。在一个实施例中，所述密封件38的密封部分42的厚度在大约5微米至100微米范围内。
在某些实施例中，所述密封件在结构和功能上美国专利申请号2016/0281760，kamal等，2016年9月29日公布，标题为《带有顺应密封件的镀膜紧固件》中披露的相应元件一致或类似，其中的全部内容以引用的方式并入本文。
参阅图4，在一个实施例中，所述紧固件10包含嵌件48。在一个实施例中，所述嵌件48的内螺纹可以接受所述穿芯螺栓12的螺纹部分26，并通过螺纹与其啮合。在一个实施例中，所述嵌件48是由具有润滑特性的材料制成的。在一个实施例中，所述嵌件48包括铜。在其他实施例中，所述嵌件48可包括具有适合防止螺纹磨损的摩擦特性，并且具有足够可塑性以助形成套管14球头的其他材料(例如其他金属、塑料等)。在某些实施例中，所述嵌件48在结构和功能上与美国专利申请编号2016/0215804中披露的相应元件类似，其中的全部内容以引用的方式并入本文并构成本文的一部分。在一个实施例中，套管14的细长部分15包括带状退火部分以助于形成套管14的球头。在一个实施例中，带状退火部分邻近嵌件48。在一个实施例中，所述紧固件10不包括所述嵌件48且所述带状退火部分有助于形成套管14的球头。
在一个实施例中，提供具有管口组件的旋转安装工具(未在图中显示)用于设置紧固件10。在一个实施例中，所述穿芯螺栓12第二头部32的花键或螺纹34与安装工具驱动件上的互补花键或螺纹相啮合(未在图中示出)。如上所示，所述凹槽20适合与位于所述紧固件安装工具一端的配合部位相啮合。
相对所述套筒14旋转所述穿芯螺栓12可以压缩所述嵌件48。所述嵌件48向外变形(即远离所述穿芯螺栓12)，套筒14相应地变形。所述嵌件48和套筒14的这种变形导致形成球头50(见图4)。所述工件100，102固定在所述工件102盲端上的球头50与位于所述工件100上安装工具可以触及一侧的所述套筒14的头部16之间。在安装过程中，所述穿芯螺栓12上将产生扭转载荷，断颈槽或部分36将在扭转或旋转剪切作用下断裂，第二头部32在所示的断颈槽36处断开，且穿芯螺栓12的第一头部28将与套筒14的头部16齐平或基本齐平，如图4中所示。此外，所述密封件38适用于在机械载荷尽可能小的条件下，使所述紧固件10(例如所述套筒14头部16的承压表面19)与所述工件100之间的真实接触面积尽可能增大。在一个实施例中，所述工件100，102包括复合材料。在另一个实施例中，所述工件100，102基本由复合材料制成。在另一个实施例中，所述工件100，102部分由复合材料制成。在另一个实施例中，所述工件100，102包括金属材料。在一个实施例中，所述金属材料是铝。在另一个实施例中，所述工件100，102由金属材料制成。在另一个实施例中，所述工件100，102部分由金属材料制成。
在一个实施例中，所述顺应密封件38包括多层结构，所述多层结构包括较软但具有高导电性，提供宏观顺应性的基层以及提供微观顺应性的柔软顶层。
图5显示多个紧固件10，其中显示在左侧的两个位于工件内的预安装位置，其显示在右侧的两个位于工件内的安装位置。图6显示工件内安装的紧固件10，经过刨削步骤后使去除头部32所导致断开部分36的残余处平滑。
图7显示具有针状部件112的紧固件110的一个实施例，所述针状部件带有顺应密封件138。关于所述针状部件112和密封件138的更多详细信息在前述引入的美国专利申请2016/0281760中有说明。图8显示具有针状部件212的紧固件210的另一个实施例，所述针状部件的选定表面覆盖有一种材料，密封件238与所述针状部件212组装在一起。关于所述针状部件212和密封件238的更多详细信息在前述引入的美国专利申请2016/0281760中有说明。
图9至图11是图8所示安装在结构400中的针状部件212和密封件238的显微照片。所述密封件238适用于在机械载荷尽可能小的条件下，使所述紧固件(例如所述针状部件212头部的承压表面)与所述结构400之间的真实接触面积尽可能增大。
图12a和图12b分别是图8中已安装紧固件210在打磨前后的示意图，图13和图14是图8中带有或不带有密封件238的已安装紧固件210在带有铜网500的结构中的照片。所述包括打磨步骤的安装方法在上述美国专利申请2016/0281760中有进一步详细讨论。
在一个实施例中，所述紧固件10、110、210优化电气连续性并改变紧固件10、110、210之间的电磁响应及具相关周边结构.除所述紧固件10、110、210的电场平滑功能之外，改进电流传输直接影响在防雷用途中的性能。所述紧固件10、110、210适用于飞机内部和外部用途的特定紧固要求.此外，可以调整所述密封件38、138、238的多层金属设计和所述紧固件10、110、210的几何特征以优化特定的物理要求.
尽管所述紧固件10、110、210适合在飞机的金属和复合材料结构中使用和安装，其顺应性使紧固件10、110、210之间能够直接连接，扩展的金属网500经常用于防雷击保护的复合材料外表面(参阅图12a，图12b，图13和图14)。由于紧固件孔有明显的几何形状变化并且紧固件10、110、210的轴向位置有时基本齐平，使用密封件38、138、238可以实现与紧固件头部(例如套筒头和销头)周围的网500上的接触点有连续的电接触.增强网/材料连接优化了网筋的电流负载分布，提高了寿命，增加了有效传输到外表面的电流或电磁波能量。由于紧固件10、110、210的重量轻，使得这些特性在许多航空航天应用中具有巨大的优势，使具非常受广泛，并使飞机制造商能够通过使用较低密度的网(较低的飞机重量)实现更好的重量/性能比，同时改善飞机表面的阻抗特性。
在一个实施例中，紧固件界面区域的物理变化导致电磁特性的改善。在一个实施例中，所述紧固件10、110、210可以尽可能减小所述结构与紧固件头部边缘/曲面之间通常形成的间隙。卓越的电连续性和表面不规则性的下降改善了电磁波响应，尽可能减少对雷达吸波材料(ram)的需求，以确保获得均匀的低散射电气网络。例如，对于紧固件10，可变形嵌件48强迫所述套筒14径向扩展，以形成所述球节50，从而与所述结构的内表面建立电气连接.在一个实施例中，所述紧固件10的电触点有效减小了紧固件头部16与球节50和所述结构(例如工件102)之间接触区域的电势差，不仅改善了电流和电场响应，而且为电磁波的连续传播提供了直接路径。因此，所述紧固件10显著降低内部电气不连续性，并使尽可能减少紧固件10内的浮接表面和边缘，从而减少电磁波散射(减少雷达截面积)并尽可能降低对电磁的影响。
此外，所述紧固件10建立了紧密的电气接合，可以沿着所述紧固件头部(例如所述套筒14的头部16和所述密封件38)整个表面更深入穿透所述结构，进一步减少电磁波散射形成表面下方不连续性的可能性。使用所述紧固件10可以明显提高电气路径的完整性，其均匀的表面特性可以获得非常需要的增强空气动力喷涂表面。
应该理解的是，此处所描述的实施例仅仅是示例性的，并且本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种变更和修改。所有这些变化和修改都应包括在本发明的范围内，如所附权利要求所示。