干涉安装无耳凸缘托板自锁螺母及其锁定工装的制作方法

本发明涉及一种紧固连接装置。

背景技术：

目前，在航空、航天等领域的机械结构中，若干层板结构(包括铝合金6061或7075、钛合金Ti6Al4V、碳纤维复合材料T700/M21等)可以使用椭圆头螺母3和螺栓进行连接，连接结构见图1，包括椭圆头螺母3和螺栓6，采用一个椭圆头螺母3和一个螺栓6将结构板一1和结构板二2连接。椭圆头螺母3的锥面与结构板2的锥面配合放置，然后使用拉铆工具5拉铆，使椭圆头螺母3中间最薄处最先发生变形，形成变形区域，装配螺栓6，装配完成。

这种椭圆头螺母连接有以下几个缺点：

(1)椭圆头螺母头部要求高，采用模具镦制，模具用紫铜电极电加工，因此，螺母的头部积累误差大，增加了螺母头部的加工难度。

(2)如图1(a)所示，结构板2上的沉头孔使材料强度降低，沉头孔深度及锥面的表面粗糙度不易保证，容易产生疲劳裂纹。

(3)螺母变形区域所在的内、外表面粗糙度要求高，不易保证，如图2(c)所示的拉铆时变形区的变形很大，易产生裂纹。

(4)拉铆时，变形区形状自由形成，变形不均匀使螺母螺纹轴线发生偏离，超过一定角度A°时(如图3所示)，螺栓6不能拧入螺母3中。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种干涉安装无耳凸缘托板螺母，能够提高结构可靠性，降低装配加工难度，减少裂纹源的产生，提高装配精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种干涉安装无耳凸缘托板螺母，为中空圆柱体，外壁中部沿周向有凸台，内孔为台阶孔，两端内径小于中段内径，内孔至少有一端开口，另一端内壁有内螺纹。

所述开口端外径与待装配结构板的通孔内径配合，装配后与开口端外壁与待装配结构板的通孔内壁产生4％的干涉量。

所述中空圆柱体和凸台的材质为304不锈钢。

本发明还提供一种上述干涉安装无耳凸缘托板螺母的锁定工装，包括锥形开槽弹性夹、压缩弹簧、芯棒和弹簧挡块；所述芯棒为台阶圆柱，大直径一端固连弹簧挡块，小直径一端沿周向有凸起，小直径段侧壁沿轴向开槽；所述的锥形开槽弹性夹一端侧壁开有至少一条锥形开槽；所述的芯棒嵌套在所述的锥形开槽弹性夹内，锥形开槽弹性夹被限位在芯棒的凸起和弹簧挡块之间，压缩弹簧被压缩在锥形开槽弹性夹未开槽一端和弹簧挡块之间；所述的锥形开槽弹性夹向芯棒轴线收缩时，芯棒侧壁的开槽被锥形开槽弹性夹包容，锥形开槽弹性夹的外径小于干涉安装无耳凸缘托板螺母开口端的内径；所述的芯棒一端的凸起进入锥形开槽弹性夹的开槽一端时，锥形开槽弹性夹背向芯棒轴线扩张，锥形开槽弹性夹的外径大于干涉安装无耳凸缘托板螺母开口端的内径。

所述芯棒一端的凸起和芯棒外壁之间通过锥面过渡。

所述锥形开槽弹性夹和芯棒的材质均为A286高温合金。

本发明的有益效果是：

1)提高结构可靠性

螺母外圆柱面与结构板内孔的配合面为圆柱面，易加工，不存在积累误差，并与被连接的结构板内孔采用约为4％的干涉配合，使结构板孔内壁产生适当的径向压应力区，提高结构板疲劳强度，同时外来的杂质不易进入两者的结合面。

2)降低装配加工难度

结构板的安装孔为直的通孔，加工难度比锥面低，易加工。

3)大大降低裂纹源

不存在大变形区，大大降低裂纹源的产生。

4)提高装配精度

螺母螺纹轴线与装配螺栓螺纹轴线偏离角A度降低，不易发生偏离。

附图说明

图1是现有技术的装配示意图，其中(a)为装配前爆炸视图，(b)为装配图；

图2是现有技术的装配过程示意图，其中(a)为拉铆前剖视图，(b)为拉铆过程剖视图，(c)为拉铆完成剖视图；

图3是现有技术装配轴线偏离装配示意图，图中的偏离角度为A°；

图4是本发明的装配前示意图，其中(a)为装配主视图，(b)为装配爆炸图；

图5是本发明的装配过程示意图，其中(a)为装配前剖视图，(b)为锥形开槽弹性夹完全进入无耳凸缘托板螺母的初孔中，(c)为芯棒沿轴向向下移动，(d)为芯棒完全脱离初孔，(e)为对无耳凸缘托板螺母的孔径φd₂进行铰孔，(f)为装配完毕示意图；

图中，1-结构板一，2-结构板二，3-无耳凸缘托板螺母，4-垫片，5-拉铆工工具，6-螺栓，7-锥形开槽弹性夹，8-压缩弹簧，9-芯棒，10-弹簧挡块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的特点在于螺母外圆柱面与结构板内孔的配合面为圆柱面，易加工，采用机械加工的方式加工，不存在积累误差，并与被连接的结构板内孔采用约为4％的干涉配合，使结构板孔内壁产生适当的径向压应力区，提高连接性能。结构板装配孔径大于正常孔径φd时，可以依次采用一级加大孔或二级加大孔；同时，无耳凸缘托板螺母外径依次对应一级加大轴或二级加大轴。

本发明包括无耳凸缘托板螺母和一套装配工具(主要零件有锥形开槽弹性夹7、压缩弹簧8、芯棒9和弹簧挡块10等零件)。

所述的无耳凸缘托板螺母为中空圆柱体，外壁中部沿周向有凸台，内孔为台阶孔，两端内径小于中段内径，内孔至少有一端开口，另一端内壁有内螺纹。

所述开口端外径与待装配结构板的通孔内径配合，装配后与开口端外壁与待装配结构板的通孔内壁产生4％的干涉量。

所述的装配工具包括锥形开槽弹性夹、压缩弹簧、芯棒和弹簧挡块；所述芯棒为台阶圆柱，大直径一端固连弹簧挡块，小直径一端沿周向有凸起，小直径段侧壁沿轴向开槽；所述的锥形开槽弹性夹一端侧壁开有至少一条锥形开槽；所述的芯棒嵌套在所述的锥形开槽弹性夹内，锥形开槽弹性夹被限位在芯棒的凸起和弹簧挡块之间，压缩弹簧被压缩在锥形开槽弹性夹未开槽一端和弹簧挡块之间；所述的锥形开槽弹性夹向芯棒轴线收缩时，芯棒侧壁的开槽被锥形开槽弹性夹包容，锥形开槽弹性夹的外径小于干涉安装无耳凸缘托板螺母开口端的内径；所述的芯棒一端的凸起进入锥形开槽弹性夹的开槽一端时，锥形开槽弹性夹背向芯棒轴线扩张，锥形开槽弹性夹的外径大于干涉安装无耳凸缘托板螺母开口端的内径。

所述芯棒一端的凸起和芯棒外壁之间通过锥面过渡。

工作原理：芯棒9为圆柱“T”形、中间有段沿轴向的长槽(图5(a)局部放大图A)；芯棒9穿过压缩弹簧8后进入锥形开槽弹性夹7内部，压缩弹簧8始终保持压缩状态，锥形开槽弹性夹7和压缩弹簧8两者可以沿芯棒9轴向自由滑动(见图4(a))。当对芯棒9施加向上的、远大于此时弹簧弹力的轴向力F时(见图5(a))，锥形开槽弹性夹7的开槽锥形端面受到向下的轴向分力F_y，继续给芯棒9施加轴向力F，芯棒9进入到螺母3中，压缩弹簧8被压缩，锥形开槽弹性夹7沿芯棒9的锥面径向收缩，当芯棒9的长槽被锥形开槽弹性夹7包容时，锥形开槽弹性夹7的外径小于螺母内孔φd，在压缩弹簧8的作用下，锥形开槽弹性夹7进入螺母3的台阶孔中(见图5(b))。此时，对芯棒施加反向力F₁，芯棒9的锥形面使撑开锥形开槽弹性夹7并使其沿轴向移动，撑开的锥形开槽弹性夹7直径大于螺母3内孔直径(见图5(c))，从而产生约为4％的干涉量，当锥形开槽弹性夹7端面完全通过螺母内孔直径φd时，产生了适当径向压应力F₂，此时内孔直径为φd₂(见图5(d))，表面的表层部分应力是有害的，通过精铰孔径，达到尺寸φd₃(见图5(e))无耳凸缘托板螺母安装完毕，再装配螺栓6(见图5(f))。

所述椭圆头螺母的材质为304，锥形开槽弹性夹和芯棒的材质均为A286。

本发明采用干涉配合，通过拉位于无耳凸缘托板螺母台阶孔中的锥形芯棒带动锥形开槽弹性夹产生径向膨胀，干涉量约为4％，在两者完全通过无耳凸缘托板螺母的初孔φd后，装配完毕。

所述无耳凸缘托板螺母的材质为304，芯棒和锥形开槽弹性夹的材质均为A286。

本发明的装配，螺栓装配后拧脱力矩、振动等性能满足NAS25027、GJB715标准。

本发明的装配使用过程如图4、图5所示，包括以下步骤：

将初孔直径均为φd的两个结构板的轴线对齐叠在一起，无耳凸缘托板螺母放置于结构板上，工具置于其下(图4(a))。对工具上的锥形芯棒施加轴向力F(图5(a))，芯棒向上移动并最先进入无耳凸缘托板螺母的初孔φd中，同时压缩弹簧，当锥形芯棒进入到无耳凸缘托板螺母孔中的同时，锥形开槽弹性夹径向回缩，锥形开槽弹性夹回缩后的直径小于无耳凸缘托板螺母的初孔φd时，锥形开槽弹性夹开始进入无耳凸缘托板螺母的初孔中，直到完全进入(图5(b))。再对锥形芯棒下端施加轴向力F₁(图5(c))，锥形芯棒沿轴向向下移动，同时径向撑开锥形开槽弹性夹，当其直径大于无耳凸缘托板螺母的初孔φd时，开始挤压初孔内壁，当锥形芯棒完全通过初孔时，在孔内壁产生适当的径向压应力(图5(d))，此时无耳凸缘托板螺母的孔径为φd₂，无耳凸缘托板螺母装配完成。移除装配工具，对无耳凸缘托板螺母的孔径φd₂进行铰孔，铰后孔径为φd₃(图5(e))。装配螺栓6，此时装配完毕(图5(f))。