阅读说明：本技术 固位自对准垫圈和螺母组合件及通过增材制造制作的方法 (Retention self-aligning washer and nut assembly and method of manufacture by additive manufacturing ) 是由 M·斯图罗佐克 R·W·阿斯顿 于 2019-05-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及固位自对准垫圈和螺母组合件及通过增材制造制作的方法。垫圈和固位螺母组合件(8)具有：垫圈(12),垫圈(12)具有固位凸缘(38)和定位腔(44)；以及接收在垫圈中的螺母(10)。螺母具有接收在定位腔中的肩部(36),肩部的顶表面(42)在垫圈和螺母的松弛状态下接合固位凸缘的下表面(40)。螺母还具有接合表面(24),该接合表面(24)在垫圈和螺母的接合位置中接触垫圈中的接收表面(26)。螺母还具有周边表面(28),在螺母和垫圈处于在接合位置中的垫圈和螺母之间的最大偏移角度取向的情况下,该周边表面(28)与垫圈中的阻挡表面(70)接合。(the invention relates to a retention self-aligning washer and nut assembly and a method of fabrication by additive manufacturing. A washer and retaining nut assembly (8) has: a washer (12), the washer (12) having a retention flange (38) and a locating cavity (44); and a nut (10) received in the washer. The nut has a shoulder (36) received in the locating cavity, a top surface (42) of the shoulder engaging a lower surface (40) of the retention flange in a relaxed state of the washer and nut. The nut also has an engagement surface (24), the engagement surface (24) contacting a receiving surface (26) in the washer in the engaged position of the washer and the nut. The nut also has a peripheral surface (28), the peripheral surface (28) engaging a stop surface (70) in the washer with the nut and washer in a maximum offset angular orientation between the washer and the nut in the engaged position.)

固位自对准垫圈和螺母组合件及通过增材制造制作的方法

技术领域

本公开中示出的实施方式总体上涉及螺母和垫圈组合件，并且更具体地涉及具有固位垫圈的螺母，该垫圈具有用于偏移角度组合件的对准表面。

背景技术

螺母和垫圈组合被用于各种产品的许多制造操作中。在大规模复杂制造中，例如在商用飞机的制造中，可以使用数千个这样的螺母和垫圈组合。分离的螺母和垫圈的手动对准需要很长时间，并且任何一个物体均可能被错误处理或丢失。另外，接收在垫圈和螺母中的紧固件元件可能穿过稍微偏移角度的结构孔***，并且需要考虑到该偏移角度对准。当紧固件头部或螺母下面的表面在一定数值内不是名义上垂直于孔的轴线时，用于安装紧固件的现有技术的解决方案包括：使用凹形垫圈和具有凸形底座的螺母；使用在标准螺母下面设置的凹凸垫圈；或在标准螺母下面使用锥形填料。这些方法要求安装人员采购和处理多个装配的独立部件。取决于部件的尺寸，这可能是昂贵的、耗时的和笨拙的。另外，当添加锥形填料或其他类似零件时，需要额外的步骤：钻取经过填料的孔以接收紧固件。替换方法是锪钻刮平(spot-facing)不垂直于孔轴线的表面，其中表面的某个区域(“锪钻”)被机加工(“刮平”)为垂直于该孔的光滑平坦表面。锪钻刮平需要额外的工具，并且在组装处理期间可能是耗时的。

发明内容

示例性实施方式提供了一种垫圈和固位(retained)螺母组合件，其具有垫圈和接收在垫圈中的螺母，该垫圈具有固位凸缘和定位腔。螺母具有接收在定位腔中的肩部，其中肩部的顶表面在垫圈和螺母的松弛状态下接合固位凸缘的下表面。螺母还具有接合表面，该接合表面在垫圈和螺母的接合位置中接触垫圈中的接收表面。螺母还具有周边表面，在螺母和垫圈处于在接合位置中的垫圈和螺母之间的最大偏移角度取向的情况下，该周边表面与垫圈中的阻挡表面接合。

示例性实施方式另外提供一种具有偏移角度能力的紧固系统，其具有可接收在结构中的孔中的紧固件，其中该孔相对于结构的表面具有偏移角度。螺母和垫圈组合件具有垫圈和接收在垫圈中的螺母，该垫圈具有接收在结构的表面上的底表面和用于接收紧固件的孔口，该螺母具有用于接收紧固件的钻孔。该垫圈具有固位凸缘和定位腔以及接收在垫圈中的螺母。该螺母具有接收在定位腔中的肩部，其中肩部的顶表面在垫圈和螺母的松弛状态下接合固位凸缘的下表面。该螺母还具有接合表面，该接合表面在垫圈和螺母的接合位置中接触垫圈中的接收表面。该螺母还具有周边表面，在螺母和垫圈处于在接合位置中的垫圈和螺母之间的最大偏移角度取向的情况下，该周边表面与垫圈中的阻挡表面接合。

示例性实施方式允许一种用于生产垫圈和螺母组合件的方法，其中使用用于垫圈和螺母结构的金属粉末和粘合剂制剂印刷微层。陶瓷中间体被铺放在空隙位置，从而在垫圈中形成孔口和定位腔，并且在螺母中形成凸起(relief)和钻孔以及在每个微层印刷中的预定位置处在垫圈中的固位凸缘和螺母的主体之间形成分离部。粘合剂被固化以稳固垫圈和螺母的结构中的金属基质。然后金属基质被烧结。通过溶剂洗涤或热蒸发除去粘合剂。然后剩余的金属基质被固结。陶瓷中间体在固化炉中蒸发，使固结的金属垫圈和固位螺母具有介入的定位腔。

示例性实施方式允许一种由形成螺母和垫圈的增材制造工艺制造的自固位垫圈和螺母组合件的使用方法。螺母上的肩部的上表面通过垫圈上的固位凸缘来接合，并且螺母被保持在定位腔中，以便操纵垫圈和锁紧螺母(captive nut)。紧固件穿过结构中的孔接合在螺母中，该孔从中性轴线偏移某一角度。螺母上的接合表面保持与垫圈上的接收表面的球形同心接触，同时垫圈的底表面保持与结构的表面的平行接触。为了确保垫圈上的接收表面的最小接触部分和螺母的接合表面上的互补接触部分的有效弧长，定位腔中的阻挡表面与螺母的周边表面接触，其中螺母相对于垫圈处于预定的阻挡角度。

附图说明

已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施方式中独立地实现，或者可以在其他实施方式中进行组合，其进一步的细节可以参考以下描述和附图看出。

图1A是处于中性位置的用于接合紧固件的螺母和垫圈的示例性实施方式的代表性等距截面图；

图1B是图1A的示例性实施方式的侧剖视图(为清楚起见，移除了螺纹)；

图2是示例性实施方式的代表性剖视图，其中螺母被垫圈升高并保持；

图3是处于最大偏离对准旋转位置的螺母的代表性剖视图；

图4A是针对偏离对准极限的螺母和垫圈的接合轮廓的详细视图；

图4B是针对偏离对准角度的极限的垫圈的阻挡表面和螺母的周边表面的详细视图；

图5是第一示例性增材制造工艺期间的中间螺母和垫圈组合件的代表性剖视图；和

图6是显示采用所公开的实施方式通过增材制造工艺制造垫圈和螺母的方法的流程图。

具体实施方式

本文描述的示例性实施方式提供了具有球形接合表面的垫圈和螺母，以允许相对于紧固件定位的偏移角度，同时保持在结合的结构表面上与垫圈完全周向接触。垫圈包括与螺母上的肩部接合的固位凸缘，该固位凸缘防止螺母与垫圈分离。固位界面几何构型允许偏移角度紧固件在一定角度范围内被接收到螺母中，该角度范围的上限高达最大角度，在该最大角度下，螺母上的周边表面的接触部分接合垫圈上的阻挡表面，并且螺母上的肩部的接触部分接合固位凸缘，从而防止进一步的角旋转。垫圈和螺母的增材制造同时提供了在具有一致的零件尺寸和质量的情况下优化固位界面几何构型的能力，同时确保螺母和垫圈从制造到组装保持在一起。

参考附图，图1A以剖视图示出了垫圈与固位螺母组合件8的示例性实施方式，其中螺母10与垫圈12处于中性接合位置。如图1B所示(为清楚起见移除了螺纹)，螺母10和垫圈12沿着中性轴线14对准。螺母10具有钻孔16，钻孔16具有螺纹以接纳螺纹紧固件17(以虚线示出)。提供接合凸起(relief)18以帮助将紧固件对准螺母以进行组装。垫圈12具有接收孔口20，接收孔口20的直径22足以接收偏移角度紧固件，如随后将更详细描述的。在如图1A和图1B所示的中性对准位置中，接收孔口20和钻孔16与中性轴线14同心对齐。螺母10具有接合表面24，接合表面24在接合状态下接触垫圈12中的接收表面26。接合表面24和接收表面26具有同心的球形轮廓，以允许在螺母10和垫圈12之间的从中性取向到最大偏移角度取向的任何相对角度取向的平滑接合，同时维持螺母10和垫圈12的最佳对准。螺母10具有周边表面28和主体32，周边表面28具有外径30，主体32在周边35处具有最大主体直径34。

图2示出了螺母10和垫圈12的固位位置。螺母10具有从主体32延伸到周边表面28的肩部36。垫圈12具有固位凸缘38，固位凸缘38具有下表面40，下表面40适于接合螺母10上的肩部36的上表面42。垫圈12具有周向定位腔44，由此螺母10被松驰地接收在垫圈12中，以适应螺母10的偏移角度定位，这将在后面更详细地描述。固位凸缘38具有内径46，该内径确保肩部36的上表面42接合在固位凸缘38的下表面40上，以将螺母10以松弛的状态保持在垫圈12内。在示例性实施方式中，内径46在外径30的85％至90％的范围内。

当螺母10被保持在垫圈12中时，螺母10接收通过从中性轴线14偏移某一角度的孔48接合的紧固件17的能力提供了完整的紧固系统49，如图3所示(为清楚起见，表面被显示为偏移)。该孔相对于关于被紧固的结构54的表面52的正交对准的角度50引起紧固件17和中性轴线14之间的互补偏移角度56。螺母10相对于垫圈12可旋转以沿着轴线58与紧固件17同心对齐。接合表面24保持与接收表面26的球形同心接触，同时垫圈12的底表面60保持与结构54的表面52平行接触。在如图4A所示的最大偏移角度取向上，接合表面24的弧长62和接收表面26的接收弧长64足以允许接合表面24的最小接触部分66以最小接触弧长63被保持接收在接收表面26的互补接触部分68上。因此，螺母10和垫圈12保持完全接合，以在垫圈12的底表面60的周界上保持相等的压力。

为了确保最小接触部分66和互补接触部分68的有效弧长，定位腔44中的阻挡表面70与螺母10的周边表面28接触，其中螺母10相对于垫圈12处于预定阻挡角度57，如图4B所示(为清楚起见，接触表面被显示为略微偏移)。对于示例性实施方式，允许7°的最大偏移角度56，其与预定阻挡角度57和相对角度72成镜像(针对具有与在中性位置的中性轴线平行的主体周边35的螺母10)。在示例性实施方式中，周边表面28在中性接合位置平行于中性轴线14。阻挡表面70可以以最大偏移角度56成角度，以使阻挡表面70和周边表面28能够以螺母10和垫圈12之间的最大偏移角度取向齐平地接合。接合表面24延伸到周边表面28并且接收表面26延伸到阻挡表面70，以便在垫圈12和螺母10之间的最大偏移角度取向上连续接触。另外或可替换地，固位凸缘38的内表面74可以接触主体32的周边35以进一步限制最大偏移角度取向。与阻挡表面和周边表面一样，内表面74可以相对于中性轴线14以相对角度72成角度，以便与周边35齐平地接触。使阻挡表面70和内表面74成角度以便于齐平接触减少了拐角接触时可能出现的最大偏移角度取向的潜在应力上升。

另外，固位凸缘38的下表面40可以成角度以便以最大偏移角度取向接合肩部36的上表面42。可以为下表面40和上表面42建立后角/后隙角(relief angle)76以优化固位凸缘38和肩部36中的应力并且减小处于最大偏移角度的垫圈12的周边的卸载部分的提升趋势，从而在垫圈12和螺母10以最大偏移角度接触期间引起下表面40和上表面42的齐平接触。基于用于同时制作螺母和垫圈的增材制造工艺的无支撑印刷能力而另外建立后角76，如随后更详细描述的。对于示例性实施方式，使用在30°至35°范围内的后角76。

本文描述的示例性实施方式使用如关于图5和图6描述的增材制造工艺来制作。在步骤602中，采用改进的金属注射成型(MIM)工艺600，其中使用金属粉末和粘合剂制剂(用于垫圈12和螺母10结构的原料混合物)印刷微层80。在步骤604中，在每个微层的印刷中在例如接合表面24和接收表面26的交界面处铺设陶瓷中间体82(为了清楚起见显示为在厚度上放大)。在中间进行原料混合物和陶瓷的层印刷将提供如前所述的接触表面的尺寸限定，这些接触表面包括接合表面24、接收表面26、周边表面28、固位凸缘底表面40和肩部顶表面42、固位凸缘内表面74、螺母主体周边35和阻挡表面70。完成各层的印刷，其中固位凸缘底表面40和肩部顶表面42具有前述的小于35°的后角。虽然未示出，但是可以采用陶瓷中间体来在尺寸上稳定螺纹钻孔16。然后在步骤606中固化粘合剂以稳固部件构造中的金属基质。然后在步骤608中烧结金属基质并且在步骤610中通过溶剂洗涤或热蒸发移除粘合剂。然后在步骤612中固结剩余的金属基质。然后在步骤614中在固化炉中蒸发陶瓷中间体，使固结的金属垫圈12和固位螺母10具有介入的定位腔44。用于执行MIMM工艺的示例性工艺是可从美国马萨诸塞州Burlington的桌面金属公司(Desktop Metal，Inc)获得的聚喷射印刷技术。

如上所述的实施方式还提供了一种增材制造的自固位垫圈和螺母组合件的使用方法。垫圈12和锁紧螺母14由螺母上的肩部36的上表面42操纵，该上表面42由垫圈上的固位凸缘38接合，并且螺母被保持在定位腔44中。紧固件17通过结构54中的孔48接合在螺母中，其中该孔从中性轴线14偏移某一角度。螺母上的接合表面24保持与垫圈上的接收表面26的球形同心接触，同时垫圈的底表面60保持与结构的表面52平行接触。定位腔中的阻挡表面70与螺母的周边表面28接触，其中螺母相对于垫圈处于预定的阻挡角度57。接触阻挡表面确保了螺母的接合表面的最小接触部分66和垫圈上的接收表面上的互补接触部分66的有效弧长。阻挡表面以最大偏移角度56接合，以使阻挡表面和周边表面在螺母和垫圈之间具有最大偏移角度取向的情况下齐平接合。固位凸缘38的内表面47在螺母的主体32的周边35处接触，以进一步限制最大偏移角度取向。

此外，本公开包括根据以下条款所述的示例：

条款1.一种垫圈和固位螺母组合件，其包括：

垫圈12，其具有固位凸缘38和定位腔44；

接收在垫圈中的螺母10，所述螺母具有接收在定位腔中的肩部36，该肩部的顶表面42在垫圈和螺母的松弛状态下与固位凸缘的下表面40接合，所述螺母还具有接合表面24，所述接合表面在垫圈和螺母的接合位置中接触垫圈中的接收表面26，所述螺母还具有周边表面29，所述周边表面与垫圈中的阻挡表面70接合，其中螺母和垫圈处于在接合位置中的垫圈和螺母之间的最大偏移角度取向。

条款2.如条款1所述的垫圈和固位螺母组合件，其中接合表面和接收表面具有球形轮廓。

条款3.如条款2所述的垫圈和固位螺母组合件，其中垫圈中的阻挡表面相对于垫圈和螺母的中性轴线具有预定阻挡角度，所述预定阻挡角度等于垫圈和螺母接合的最大偏移角度。

条款4.如条款3所述的垫圈和固位螺母组合件，其中在垫圈和螺母以最大偏移角度接合时，在接触接合表面和接收表面之间存在最小接触弧长，从而在接合表面上提供最小接触部分并且在接收表面上提供互补接触部分。

条款5.如条款1所述的垫圈和固位螺母组合件，其中固位凸缘的内表面74接触螺母的主体32的周边，该内表面相对于垫圈和螺母的中性轴线具有相对角度，以便在垫圈和螺母之间的最大偏移角度接合中与周边齐平接触。

条款6.如条款1所述的垫圈和固位螺母组合件，其中固位凸缘的下表面40和肩部42的上表面具有后角，所述后角在垫圈和螺母以最大偏移角度状态接合时引起齐平接触。

条款7.如条款6所述的垫圈和固位螺母组合件，其中后角小于35°。

条款8.如条款1所述的垫圈和固位螺母组合件，其中固位凸缘具有内径46，该内径确保肩部的外径30的接合以将螺母以松弛状态保持在垫圈内。

条款9.如条款8所述的垫圈和固位螺母组合件，其中内径在外径的85％至90％的范围内。

条款10.一种具有偏移角度能力的紧固系统49，所述系统包括：

紧固件17，其可接收在结构54中的孔48中，所述孔相对于结构的表面52具有偏移角度；

增材制造的螺母和垫圈组合件8，其具有：

垫圈12，其具有接收在结构的表面上的底表面60和用于接收紧固件的孔口，所述垫圈具有固位凸缘38和定位腔44；

螺母10，其被接收在垫圈中并具有钻孔16以接收所述紧固件，所述螺母具有接收在定位腔中的肩部36，该肩部的顶表面42在垫圈和螺母处于松弛状态下接合固位凸缘的下表面40，所述螺母还具有接合表面24，所述接合表面在一定范围的偏置角度取向内的垫圈和螺母的接合位置中接触垫圈中的接收表面26，所述螺母还具有周边表面28，所述周边表面与垫圈中的阻挡表面70接合，其中螺母和垫圈处于在接合位置中的垫圈和螺母之间的最大偏移角度取向。

条款11.如条款10所述的紧固系统，其中接合表面和接收表面具有球形轮廓。

条款12.如条款11所述的紧固系统，其中垫圈中的阻挡表面相对于垫圈和螺母的中性轴线具有预定阻挡角度，所述预定阻挡角度等于垫圈和螺母的接合的最大偏移角度。

条款13.如条款10所述的紧固系统，其中固位凸缘的下表面40和肩部的上表面42具有在增材制造工艺中三维印刷的后角，以在垫圈和螺母以最大偏移角度状态接合时引起齐平接触。

条款14.如条款13所述的紧固系统，其中后角小于35°。

条款15.如条款13所述的紧固系统，其中固位凸缘具有内径46，该内径确保肩部的外径30的接合，以将螺母以松弛状态保持在垫圈内。

条款16.如条款15所述的紧固系统，其中内径在外径的85％至90％的范围内。

条款17.一种用于生产垫圈和螺母组合件的方法，所述方法包括：

使用用于垫圈和螺母的金属粉末和粘合剂制剂印刷微层，所述螺母被保持在所述垫圈内；

在每个微层的印刷中的预定位置处，在垫圈上的接收表面和螺母的接合表面之间的接触位置中铺设陶瓷中间体；

固化粘合剂以稳固垫圈和螺母的结构中的金属基质；

烧结金属基质；

通过溶剂洗涤或热蒸发除去粘合剂；

固结剩余的金属基质；和

在固化炉中蒸发陶瓷中间体，使固结的金属垫圈和固位螺母具有介入的定位腔。

条款18.如条款17所述的方法，其中印刷金属粉末和粘合剂制剂的微层以及在中间铺设陶瓷的步骤提供了垫圈和螺母中的接触表面的尺寸限定，所述接触表面包括接合表面、接收表面、周边表面、固位凸缘底表面和肩部顶表面、固位凸缘内表面、螺母主体周边和阻挡表面。

条款19.如条款17所述的方法，其中接合表面和接收表面具有球形轮廓。

条款20.如条款18所述的方法，其中垫圈中的阻挡表面相对于垫圈和螺母的中性轴线具有预定阻挡角度，所述预定阻挡角度等于垫圈和螺母的接合的最大偏移角度。

条款21.一种增材制造的自固位垫圈和螺母组合件的使用方法，包括：

通过螺母上的肩部的上表面与垫圈上的固位凸缘的接合来操纵垫圈和锁紧螺母；

将螺母保持在定位腔中；

通过结构中的孔将紧固件接合在螺母中，该孔从中性轴线偏移一角度；

保持螺母上的接合表面与垫圈上的接收表面的球形同心接触，同时垫圈的底表面保持与结构的表面的平行接触；

使定位腔中的阻挡表面与螺母的周边表面接触，其中螺母相对于垫圈处于预定阻挡角度。

条款22.如条款21所述的方法，其中接触阻挡表面还包括确保螺母的接合表面上的最小接触部分和垫圈上的接收表面的互补接触部分的有效弧长。

条款23.如条款21所述的方法，还包括以最大偏移角度接合阻挡表面，以使阻挡表面和周边表面以螺母和垫圈之间的最大偏移角度取向实现齐平接合。

条款24.如条款21所述的方法，还包括在螺母的主体的周边处接触固位凸缘的内表面，以进一步限制最大偏移角度取向。

现在已经根据专利法规的要求详细描述了各种实施方式，本领域技术人员将认识到对本文公开的具体实施方式的修改和替换。这些修改在如所附权利要求限定的本发明的范围和意图内。