具有摩擦接合面的螺旋驅動緊固件的製作方法

2023-05-10 06:50:51

專利名稱：具有摩擦接合面的螺旋驅動緊固件的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及用於螺紋緊固件的驅動系統、加工螺紋緊固
件的工具以及給這種緊固件施加扭矩的驅動器(driver)。更具體而言， 本發明涉及使用翼部類型的驅動器的緊固件。特別是，緊固件具有 提供了螺旋驅動面的凹槽。
背景技術：
在工業用途中 一般使用的螺紋緊固件通常由高速高扭矩負載的 電動工具來驅動。這種情況帶來了困難的設計考慮，特別是關於驅 動系統、尤其是在緊固件頭部具有驅動器接合凹槽的螺紋緊固件。 理論上，這種驅動系統應該容易製造，不僅是凹槽和頭部的幾何形 狀容易製造，而且用於成形緊固件頭部的相關工具和用於接合凹槽 的驅動器也一樣應該容易製造。緊固件頭部的強度不應該受到凹槽 的不利影響。驅動器應該易於插入凹槽並易於從凹槽取出。驅動器 和凹槽在接合時應該均勻地分布應力負載，從而避免應力的高度局 部化區域的形成，該區域的形成可能引起凹槽或驅動器、或兩者的 變形，從而導致驅動系統過早損壞。
在驅動緊固件時，驅動系統應該防止驅動器從凹槽中脫出。在 許多應用中，非常重要的是，緊固件必須能夠承受多次循環使用， 比如為了修理或替換零件、或拆下並替換檢修孔蓋板，因而必須拆 卸緊固件的應用時。理想地，緊固件驅動系統應該能夠承受這種重 復循環使用，特別是在凹槽可能被汙染、噴漆、腐蝕或其它使用情 況的不利影響下。在這些情況下，驅動系統在移動方向上施加扭矩 時保持驅動接合是十分必要的。對於驅動系統來說，在拆卸緊固件時能夠施加更高水平的扭矩是十分必要的，這可能發生在當緊固件 最初裝配時擰得過緊、或接合螺紋接觸面上發生了腐蝕、或在裝配 元件的熱循環把增大應力施加在緊固件時。當這些特性中的 一個或 多個或其它特性可能存在竟爭考慮時，可能對一個特性作出妥協， 以便有利於另一個特性。
許多不同的凹槽和驅動器結構已經普遍使用，包括多個的十字
槽、例如美國專利US 24,878 (Smith等人)、US 3,237,506 (M腿chinger)和US 2,474,994 ( Tomalis )中描述的十字槽。其它 緊固件結構包括美國專利US 3,763,725 (Reiland)中描述的多凸角式 結構類型，以及美國專利US 4,187,892 (Simmons)中描述的凸肋式 驅動系統。同樣在普通凹槽結構之中包括六角系統，該系統基本是 容納類似外形驅動器的直壁六邊形承座。
除了凸肋式系統外，驅動器和凹槽的壁和面通常設計為相互緊 密配合，從而實現驅動表面和從動表面的面對面接觸。十字槽緊固 件上的這種面對面接合，如果有的話，只發生在當驅動器完全對準 並;^文置在凹槽內時。然而，實際上，為了使驅動器可以插入凹槽， 這兩者之間必要存在若干間隙。
這種間隙的必要性在具有基本垂直驅動壁的凹槽中更加重要， 例如Reiland的，725專利和六角頭系統中。在所有這些系統中，該間 隙必要性的實踐結果是，如果不是根本不能實現的話，也是很難實 現在驅動器和凹槽表面之間的真正的面對面的大面積接觸。在大多 數螺紋緊固件的驅動系統中，驅動器與頭部的凹槽以產生點接觸或 線接觸而不是面對面大面積接觸的方式接合。實際接觸面積通常遠 遠小於完全面對面接觸面積。因此，當驅動器施加扭矩時，施加在 螺釘頭部的力易於集中在局部區域，從而導致局部高應力。這種局 部高應力可能導致凹槽塑性變形、形成斜面或其它導致提前損壞、 驅動器與凹槽的不期望脫離的變形。現有技術已經認識到了前述的 困難。例如，美國專利US 2,248,695 (Bradshaw)公開了一種螺釘頭
6和驅動器裝置，其中驅動器和緊固件的驅動和從動表面分別是曲面
的，並相對螺釘軸偏離中心。在Bradshaw緊固件中，可以使用任4可 "合適的曲率"如圓形或對數螺線，只要其通過摩擦接合導向結合 或鎖緊在一起。儘管公開了 Bradshaw的講述內容，但是，後面的緊 固件驅動系統、例如上面提到的那些系統，看起來並未釆用依靠摩 擦接合的Bradshaw講述內容。
與題述專利申請共同擁有的美國專利US 5,957,645中描述了使 在驅動器和凹槽之間的接合面積最大化的驅動系統。，645專利公開 通過引用與本專利結合在一起。，645專利的凹槽和驅動器構造為具 有螺旋結構接合面。
，645專利中描述的發明優點已經通過將驅動器和緊固件的驅動 表面和從動表面各自配置成順應於一段螺旋來實現，特別是，在插 入和拆卸驅動器時、在驅動器和凹槽之間形成了較大充分間隙的螺 旋結構，其中允許完全就位的驅動器旋轉而佔據該間隙。驅動器的 驅動壁和凹槽的驅動器接合壁的螺旋結構是這樣的，即，當螺旋壁 4妾合時，它們在相對大的面積上接合，從而在該大面積上施加並分 布應力。螺旋結構的驅動壁和從動壁因而受到引導，使得所施加扭 矩的大部分基本上垂直於緊固件的半徑，而幾乎很少(如果有的話) 依靠摩擦式的近似切線接合。
在許多應用中使用了螺旋結構驅動系統，驅動器可能是動力驅 動的，或需要插入狹窄凹槽中。在這些情況下，需要在安裝前在驅 動器上可鬆開地接合緊固件，使得驅動器在作為驅動裝置的同時用 作插入工具。這個"卡住配合"特徵已經在許多不同類型的緊固件 上嘗試了，例如美國專利US 6,199,455; 4,457,654和4,084,478中所 示。
在，478專利中，許多肋26插入凹槽中實現幹涉配合。在，654專 利中，蓋子安裝在螺釘頭上壓入凹槽中，並且在蓋子上設有插銷和 環形脊30與驅動器接合。在，455專利的改進型方形驅動緊固件上，相鄰外壁17和23是漸縮形的，從而提供了卡住配合特徵。選定的 表面17和23相對於驅動表面14而言具有更大的面積。
"卡住配合"特徵允許緊固件可鬆脫地接合在驅動器上，從而 使得驅動器和緊固件作為一個部件，而在很難接觸到、很難自動化 和其它應用的情況下操作。 一旦安裝好後，緊固件和驅動器就可以 容易脫離接合。
，645專利指出，可以在凹槽的安裝面、拆卸面和其它表面上形 成正斜度。儘管在描述中並不清楚，但是，該斜度可以有助於驅動 器接合在凹槽中，或提供用於驅動器定位的一定範圍的而非筆直軸 線的對齊。沒有跡象表明該斜度會用於在該類型緊固件上提供"卡 住配合"特徵的目的。實際上，所建議的高達6°的斜度遠遠超過了 所需的值，並會嚴重妨礙螺旋安裝面的用途，該用途即，用於提供 驅動器和緊固件沿延伸表面區域上的接合，這種接合與其它驅動系 統的切線接合相反。因此，就需要提供一種在螺旋結構緊固件上提 供卡住配合特徵的合適手段。
發明概要
本發明的一個目的是在驅動器和緊固件之間提供幹涉配合，其 中凹槽和驅動器表面沿螺旋結構表面接合。為了實現這個目的，凹
槽尺寸儘可能接近標準螺旋結構凹槽，以便容納當前的驅動器。凹 槽的凸角或翼部由安裝面和拆卸面形成。相鄰的翼部在凸角的內徑 處通過過渡面分開。
為了產生幹涉配合，過渡面構造成帶有高達2。的輕微斜度，其 中，在凹槽底部在相對過渡面之間的距離稍微減小。標準的驅動器 可以正常的模式插入至預定深度，此後，該減小的尺寸使得與在驅 動器上的相配過渡面形成幹涉。在使凹槽的上開口尺寸的任何變化 最小的同時，實現了這種幹涉配合。這樣，在不用較大程度地改變 安裝面處的所需完全表面接合的前提下，提供了 "卡住配合"特徵。附圖簡介
下面結合附圖詳細介紹了本發明的接合。


圖1是具有螺旋形凹槽的平頭螺釘的透視圖2是具有根據本發明的改進型螺旋形凹槽的平頭螺釘的透視
圖3是圖2所示平頭螺釘的頂視圖4是圖2所示平頭螺釘沿圖3所示剖面線4-4的剖視圖5是用於形成衝頭的才莫子透視圖，其中，衝頭用於構造本發
明的平頭螺釘；
圖6是模子坯料在進行EDM操作前的透視圖7是顯示了模子測量的示意圖8A和圖8B是圖5所示模子的頂視圖和剖視圖9A和圖9B是已加工至預定深度的圖5所示一莫子的頂視圖和
剖視圖。
優選實施例的詳述
圖1顯示了具有軸杆12的示例性螺紋緊固件10,其一端具有螺 紋14,另一端是具有凹槽18的頭部16。頭部16可以用傳統的雙擊 鐓鍛機加工而成，其中，金屬線端部或製造緊固件的材料支撐在鐓 鍛機的模子中，其頭部末端受到衝擊，首先被衝壓而部分成形頭部， 接著最終沖壓完成頭部並形成驅動器接合凹槽。凹槽18顯示為具有 中央部分20和向外徑向延伸的多個凸角(翼部)22。圖1中實施例 的凹槽成形為使得其每一個翼部22都具有安裝壁24 (假定為右旋螺 紋14 )和拆卸壁26。安裝壁24和拆卸壁26優選成形為基本垂直的， 從而限定了或非常近似於平行於螺紋緊固件縱軸線的圓柱形表面。 凹槽的底部可以由錐形底壁28限定。每一個翼部的徑向外端可以在 外形上構造成在翼部的安裝壁24和拆卸壁26之間提供平滑的彎曲過渡30。凹槽還包括在一個翼部22的安裝壁24與另一相鄰翼部22 的拆卸壁之間的過渡內壁32。應當理解的是，本發明可以包含在許 多種不同結構的螺紋緊固件中，其中包括具有一個或多個翼部凹槽 的螺紋緊固件，其中，只有安裝壁24或拆卸壁26中的其中一個設 有螺旋外形的段。
圖2中顯示了該應用的緊固件20，該緊固件提供了以幹涉配合 來接受標準螺旋驅動器的可靠"卡住配合"。"卡住配合"通過在 過渡面32上構造出有限的幹涉面40獲得。幹涉面40相對於緊固件 軸線41形成1°~2°的斜度角e,如圖4所示。
如圖3所示，相對的幹涉面40將糹是供在過渡面32下部分處位 於凹槽20中的相對的錐形表面。凹槽20構造為具有大致標準尺寸 的開口，其跨過凹槽頂部的尺寸為dP 4旦在底部具有減小的尺寸4。 當驅動器完全插入凹槽20中時，幹涉面40產生了與螺旋驅動器的 幹涉配合。由於幹涉只在驅動器完全插入凹槽20時會產生，因此本 發明的"卡住配合"特徵不會有損於安裝壁24和拆卸壁25與驅動 器驅動表面的面對面接合。
為了在過渡面32上製造漸縮形表面40,使用EDM操作構造才莫 子或母模(hob)50，如圖5所示，其用於冷成形用來製造本發明凹槽 的沖頭。母模50由鋼棒材坯料51製造，例如直徑1英寸的1英寸 長棒材，其無中心地磨至每英寸公差為+0.0005/-0.0000。坯料的兩端 應該是平行的，並對於外徑成直角。精密公差對於確保成功的EDM 操作是必須的。如圖6所示，在坯料51上沿軸向地鑽出中心孔52， 其直徑小於圖3所示的尺寸dp
完全加工到尺寸並鑽好孔的坯料51然後^fc故置在EDM工具機的 固定裝置上，其中金屬線插入並穿過孔52。 EDM才幾床通過編程而切 出一塊材料，從而形成用於螺旋凹槽的衝頭形狀的才莫腔53，如圖2 所示。為了獲得"卡住配合"結構，在相對的幹涉面40之間的模腔 頂部開口的尺寸設置為dP在底部模腔的開口處，該距離是4，其
10中d^d2。這種漸縮形結構只在過渡面32上形成，以便產生幹涉面40。 為了構造母模50的才莫腔53至所需深度以用於形成衝頭(未顯 示)，很重要的是在產生卡住的地方定位卡點。為了定位該計量點， 構造了具有刻度盤55和探針56的專用量規54，其中探針56成形為 用於標準螺旋緊固件10的驅動器，例如圖1所示。探針56插入才莫 腔53中，直到在刻度盤55上指示幹涉為止。這是計量點的深度x, 並且用作用於確定鬥莫腔深度y的點。然後加工母才莫50的上表面57， 以獲得深度y。如圖8和圖9所示。 一旦完全加工到尺寸後，對母模 50進行硬化並回火處理到"C"級洛氏硬度測量機上的60-63的硬度 水平。該工藝允許具有相同尺寸的多母才莫的可靠結構。
然後，通過在動力壓力機上將母模50壓在低碳鋼坯料上，來構 造衝頭，這在本技術中是眾所周知的。
儘管已經參考具體實施例描述了本發明，但是，這些實施例的 描述只是說明性的，並不能被視為對本發明範圍的限定。對於本領 域的技術人員來說，在不脫離所附權利要求所限定的實質和範圍的 前提下，可以對本發明進行各種其它的修改和變更。
權利要求
1. 一種具有凹槽的緊固件，所述凹槽構造成可與相關的驅動器形成部分幹涉配合，以用於使所述驅動器和所述緊固件可拆式地接合，所述緊固件具有帶縱軸線的軸杆，所述軸杆構造為在其端部成形有凹槽，所述凹槽具有中央部分和從中央部分徑向向外的多個翼部，每一個翼部具有安裝壁和拆卸壁，所述翼部構造成使得所述安裝壁或拆卸壁中的至少一個限定了螺旋段，所述凹槽還包括連接相鄰翼部的所述安裝壁和拆卸壁的過渡面，所述過渡面從所述凹槽的頂部延伸至所述凹槽的底部；構造成所述過渡面一部分的幹涉面，所述幹涉面具有在其頂部離縱軸線的第一徑向距離，以及在其底部離所述縱軸線的第二徑向距離；其中，所述第一徑向距離大於所述第二徑向距離。
2. 根據權利要求1所述的緊固件，其特徵在於，所述幹涉面與平 行於所述縱軸線的線形成0.5度至2度的角度。
3. 根據權利要求l所述的緊固件，其特徵在於，所述凹槽成形成 具有跨過所述凹槽在直徑方向上相對的過渡面，所述相對的過渡面上 的所述幹涉面相互合作，以便形成與驅動器的幹涉配合，其中，所述 驅動器構造成與所述凹槽相接合。
4. 根據權利要求3所述的緊固件，其特徵在於，所述幹涉面構造 為只在所述驅動器的前部分提供幹涉配合，並允許所述驅動器與所述 翼部在所述驅動器的後部分形成面對面接觸。
5. 根據權利要求1所述的緊固件，其特徵在於，所述第一徑向距 離基本上根據螺旋型凹槽的標準凹槽開口來構成。
6. —種製造緊固件的方法，其中，所述緊固件構造成具有帶縱 軸線的軸杆，所述軸杆構造成在其端部形成有凹槽，所述凹槽具有中 央部分和從所述中央部分徑向向外的多個翼部，每一個翼部都具有安裝壁和拆卸壁，所述翼部構造成使得所述安裝壁或拆卸壁中的至少一個限定了螺旋段，所述方法包括以下步驟 構造具有預定長度的圓柱形鋼坯料； 從所述坯料的頂部至底部鑽出軸向孔； 將金屬線穿過所述孔插入，以便進行EDM操作； 使用所述EDM操作來加工所述凹槽，以形成才莫腔； 在所述加工操作中，構造出連接相鄰翼部的所述安裝壁和拆卸壁的過渡面，所述過渡面從所述孔的所述頂部延伸至所述孔的所述底部；其中，所述過渡面構造成具有在所述孔的所述頂部離縱軸線的第 一徑向距離，以及在所述孔的所述底部離所述縱軸線的第二徑向距 離，其中，所述第一徑向距離大於所述第二徑向距離；確定所述凹槽內發生所述幹涉配合的水平位置；測量所述凹槽離發生所述幹涉的所述水平位置的預定深度；將所述坯料的頂部加工至所述預定深度。
7. 根據權利要求6所述的製造緊固件的方法，其特徵在於，所述 方法還包括以下步驟對所述坯料進行硬化處理以形成母才莫，所述母才莫具有用於形成衝 頭的模腔；使用所述母才莫來形成衝頭。
8. 根據權利要求8所述的製造緊固件的方法，還包括以下步驟 .通過使用所述沖頭而在軸杆上形成凹槽。
9. 根據權利要求6所述的製造緊固件的方法，其特徵在於，所述 幹涉面構造成與平行所述縱軸線的線形成0.5度至2度的角度。
10. 根據權利要求6所述的製造緊固件的方法，其特徵在於，所 述成形成具有跨過所述凹槽在直徑方向上相對的過渡面，所述相對的 過渡面上的所述幹涉面構造成相互合作，以便形成與驅動器的幹涉配 合，所述驅動器構造成與所述凹槽相接合。
11. 根據權利要求6所述的製造緊固件的方法，其特徵在於，所 述幹涉面構造為只在所述驅動器的前部分形成幹涉配合，並允i午所述 驅動器與所述翼部在所述驅動器的後部分形成面對面4妄觸。
12. 根據權利要求6所述的製造緊固件的方法，其特徵在於，所 述第一徑向距離基本上根據螺旋型凹槽的標準凹槽開口來構成。
13. 根據權利要求6所述的製造緊固件的方法，其特徵在於，測 量所述凹槽離發生所述幹涉的所述水平位置的預定深度的所述步驟還 包括以下步驟構造具有與標準螺旋驅動器形狀一致的探針；將所述探針與量規操作式地相連，以用於測量進入所述凹槽內發 生幹涉配合處的距離；將所述探針插入所述凹槽內。
全文摘要
幹涉面構造在具有螺旋凹槽的緊固件的翼部之間的內過渡面上。一部分過渡面是漸縮形的，以便提供幹涉。用於螺旋凹槽的標準驅動器與幹涉面接合，以便形成「卡住配合」接合。使用EDM操作來製造衝頭，以便在母模的模腔內構造漸縮形表面。加工母模，以獲得所需的深度，所述深度可以從指示卡住點的計量點測定。
文檔編號B23P15/00GK101427037SQ200580018989
公開日2009年5月6日 申請日期2005年4月12日 優先權日2004年4月15日
發明者G·迪林 申請人:菲利普斯螺絲公司