一种新型无铆托板螺母及其在某飞机口框上的应用

【摘 要】 本篇论文针对无铆托板螺母FTR 固定器介绍，包括参数说明、FTR 优缺点、安装方法、加工特点和在结构中的重要性，论文里面有比较详细的图片来描述FTR 固定器，就某飞机后机身登机门口框为例介绍什么位置需要安装FTR，FTR 在口框设计中的应用。

【关键词】 FTR 固定器 心轴 膨胀 口框

1 概述

主框、主梁和主门槛等是飞机服务门、登机门和货舱门的门周边结构的主要承力结构，结构的抗疲劳设计是门周边结构设计的重中之重，材料的选择是首要的，当材料的性能已经满足了零件绝大多数的位置的疲劳特性时，对于局部开口位置，冷加工或者是FTR（Force Tec）可以提高开口处的疲劳特性，本文主要是对FTR 固定器详细介绍，和FTR固定器在某飞机后机身登机门中的使用。

2 FTR固定器和加工方法

2.1 FTR固定器的介绍

ForceTec系统在盲铆钉紧固件技术上是非常先进的。提高了疲劳寿命，托板螺母安装变得简单了，当和铆钉托板螺母系统比较时缩短了大量的安装时间，这套系统中关键的零件是一个叫固定器的螺母保持元件。固定器可以用在标准的（没有密封）和密封的结构中。固定器装在一个孔中解决了装铆钉托板螺母固定托板螺母的小铆钉孔问题，包括应力集中，小的边距放置问题，和增长了裂纹起始点。

2.2 FTR固定器

华盛顿州的西雅图的Fatigue Technology Inc公司已经发展和测试了一套专利无铆托板螺母系统，之前传统的铆钉和无铆托板螺母系统安装比较ForceTecTM（FtCxTM）可以提供好的牢固的装配。用一种独特的安装方法可以提高基础结构的疲劳寿命。不像铆钉或者型锻的托板螺母，这个ForceTec 系统利用了FTI 的组合的开槽衬套冷的膨胀技术和ForceMate（FmCxTM）衬套冷膨胀技术把螺母固定器膨胀后放到实际的紧固件孔中，这个ForceTec概念如图1所示：

2.3 FTR固定器的尺寸和型号

固定器标准符号说明，FTR是ForceTec[1]构型前缀，S是不锈钢，如图2固定器标准符号意思和安装后固定器的参数所示：从图中可以看到根据项号不同，初始孔的尺寸也是变化的，夹持长度按照0.01英寸增长的，最大夹持长度是1英寸，A的直径是图5所给的参数，也就是在结构中装配中使用的孔的尺寸

固定器的材料：--17-4PH不锈钢标准AMS5643热处理H1025。角片：--17-7PH钝化不锈钢标准AMS5678热处理CH900表面处理：按照MIL-DTL-83488级别3，II型用铝涂IVD零件标识：FTIKDFTR固定器的尺寸和材料初始孔如图3所示：

2.4 FSN号码定义

ForceTec固定器和工装的组织围绕着ForceTec系统号码或者FSN。FSN是一系列以连字号分开三个号码组成的如下：

（1）紧固件的直径是十六进制的英寸，或者公制系统的毫米制固定器。（2）名义（0）或者过尺寸（1）构型。（3）一个数字（1、2或者3）是指定紧固件配合要求-I级，II级或者III级详细说明如图2。下面图4就是名义内孔直径1/4英寸固定器和紧固件之间II级配合。

2.5 工装规范

选择固定器的型号、尺寸和长度要求之后，选择恰当的工具去执行安装是必要的，成功安装固定器的所有的构件有固定器、螺母、钻、铣刀、假轴、量规、工装夹具和鼻帽组件（耐用的工具）、开口衬套和拉单元（安装工具）固定器、工装和开口衬套在安装时必须有一个通用的ForceTec系统号码（FSN）放在它们各自的模型号码中。下面重点介绍下开口衬套。开口衬套，淬透不锈钢，确定放射状的扩展和保护固定器内孔用消除直接接触在假轴和固定器材料之间，额外的，他提供了油在安装过程，允许单面操作工装工具。衬套模型的号码用于组成的指定衬套（FTS）、FSN和指定长度，如图5所示：

在工业上使用开槽衬套冷扩张膨胀（SsCx）方法成功安装ForceTec固定器在典型紧固件孔上且延长了孔的疲劳和裂纹增长寿命。典型的安装中，一个最初间隙配合的固定器装在准备好的结构件起始孔[3]（紧固件孔）中。一个提前的开槽衬套放在一个早有一个液压操作工件的锥形扩展的心轴上，心轴、衬套组合装在固定器装配操作工件上起作用，当心轴拉伸通过它时在固定器上控制开槽衬套的拉伸鼻帽组件阻止住。当最大的直径的心轴通过衬套和固定器时，固定器和材料的周围都受到离心扩张力。固定器与孔周围的材料在受力区域产生残余压应力。这种应力有效的保护了孔，降低了促使疲劳裂纹扩展的循环拉伸应力的作用。装配后，这个任意使用的开口衬套可以移走和扔掉。

2.6 FTR固定器安装方法

这个ForceTec系统使用阻止冷膨胀技术[2]利用工具安装固定器，当和铆钉托板螺母比较安装固定器时在孔的材料周围时产生有利的剩余强度提供极好的疲劳性能，孔和固定器产生了高的干涉配合提供了阻力距和移除压力，ForceTec按照MIL-N-25027要求，固定器适合和超过扭矩要求和拉脱要求和能用来替代大多数典型的铆钉螺母。

固定器有个固定的“蓝”组成了一个被接受和征服了各种NAS1793或者1794标准移动锁紧螺母柔性的角片，典型的安装[4]是使用一个连接的罩板如图6所示：ForceTecTM无铆托板螺母系统采用孔冷膨胀技术将螺母固定器安装在紧固件孔内，通过固定器高的干涉配合产生扭矩和拉脱阻力，冷膨胀过程中对孔周围金属产生的残余压应力和通过高干涉配合固定器产生的周期应力降低，明显提高疲劳裂纹扩展阻力。这套系统明显降低了其它工艺方法产生的高应力集中，并通过快速、稳定和可靠的安装展现了出众的质量。

3 口框主要结构用FTR

FTR是非常先进设计的无铆托板螺母系统，使用无铆托板螺母克服了用铆钉固定的连接典型和用在盲铆的飞机结构组件固有缺陷问题，这套系统提供了可选的常用的托板螺母系统和重要的提高疲劳寿命的安装固定系统。对机口框结构中，每个口框的主框都是单传力路径，对主框的设计要求就很高既要有刚性和也要有塑性，因为是主框是单传力零件，在后机身中是唯一的一类PCCN号为1的零件，没有互换性，所以对于这样的零件疲劳和防止裂纹扩展要求就是重中之重。以后登机门口框结构中的一个主框为例，来说明什么样的位置使用FTR固定器，图7所示的是装在十长桁处FTR固定器三维数模，图8是十长桁处导向槽和门主框FTR固定器二维图，这个主框上总共四种位置装了FTR固定器，包括连接着门口框的主框和门锁连接支座的孔、主框和十长桁二十长桁处导向槽连接的孔和门主框和装饰件连接的孔。

4 结语

使用FTR固定器，螺栓孔被象衬套一样的固定件来保护防止磨损和弹性延伸。并且一组配合孔固定器也能准确的装在实际的螺栓孔内。不太受空间位置限制，可以单面操作，大幅度提高结构的局部强度和疲劳特性，有减重的可能，且有专用的安装工具。所以在口框的主传力件门主框、门楣和门槛中按需使用，是现在飞机设计中不可或缺的标准件。

参考文献：

[1]《ENGINEERING HANDBOOK 9705》COPYRIGHT 1999-2011 FATIGUETECHNOLOGY ALL RIGHTS RESERVED.

[2]《Advanced Design Fatigue Resistant Rivetless Nut Plate System 》.Presented at 1994 SAE Aerofast Conference Montreal，Quebec，Canada.