螺紋成型緊固件的製作方法

2023-05-23 01:20:46 1

專利名稱：螺紋成型緊固件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種螺紋成型緊固件。本發明特別涉及一種特別適用於柔韌材料製成 的螺母錨定件的自攻絲螺釘。術語「螺母錨定件」是指可固緊緊固件的任意分立螺母或任 意錨定件或支撐件。
背景技術：
通常所認識的是，擰入諸如塑料、軟金屬、合金之類的柔韌材料中的自攻絲緊固件 需要注意多個基本要求，即在組裝過程中，其當在相關螺母或支撐結構中形成配合螺紋時應採用低螺紋攻絲 轉矩，在固緊時，緊固件應能對螺紋脫扣轉矩保持相對較高的阻力，緊固件和螺母錨定件(nut anchor)的組裝應能夠在被施加外力時保持接合的整 體性，且緊固件應能夠對可能由於供緊固件擰入的螺母錨定件所用柔韌材料的塑性流動 或蠕變所致的接合鬆弛保持合理的阻力。目前使用的許多這種緊固件具有三角形截面幾何形狀的螺紋設計，其關於與螺釘 軸向垂直的線對稱，或者被構造為與同一垂直線不對稱，或者被構造為層疊的梯形形狀。還 存在不同於前述三角形或梯形形式的非對稱螺紋牙形，其在螺母錨定件材料內產生力，所 述力形成並且促使錨定件材料以一定方式流動以增加沿螺紋牙形配合從面的螺紋牙側材 料接觸，見本申請人的美國專利5，061，135。如圖1中所示，前述授權專利緊固件具有整體以2顯示的杆，杆2包括柱形杆芯3 和圍繞杆芯3以螺旋形式形成的螺紋4，螺紋具有螺距4』。螺紋4的從面5的牙形相對於 螺紋直徑成角度a (優選地為10° -15° )，其中螺紋直徑垂直於杆芯3的縱向軸線。螺 紋牙形還具有導面6，導面6具有從杆芯3延伸到導面上的部位7的彎曲部分6a，其中，彎 曲部分6a過渡到線性部分6b，線性部分6b相對於所述直徑成角度0 (17°至25° )並延 伸到尖端8。從部位7至尖端8的距離在螺紋高度9的23-27%的範圍內。而且，彎曲部分 6a的半徑10的大小是標稱螺紋直徑或尺寸的0. 22至0. 30倍。具有前述螺紋幾何形狀的緊固件通過產生螺母錨定件材料流動而形成改進的性 能狀態。不過，這種材料流動不如所希望的那樣平滑，而且在緊固件插入過程中，現有技術 的螺釘仍然具有一些導致螺母錨定件材料出現應力裂紋的可能。

發明內容
因此，本發明的目的在於，提供具有螺紋牙形的螺紋緊固件，其當用於柔性螺母錨 定件材料時提供更好的組裝或攻絲轉矩，特別是對螺紋脫扣或失效轉矩提供高阻力。本發明的另一目的在於，提供這種類型的緊固件，其當組裝到螺母錨定件時在緊 固件和螺母錨定件的配合螺紋牙形處提供更好的組裝載荷分布。
本發明的又一目的在於，提供這樣的緊固件，其在形成螺母錨定件螺紋的過程中 形成平滑的螺母錨定件材料流動，並且避免在螺母錨定件材料內產生顯著的作用力方向變 化。本發明的進一步的目的在於，提供這種類型的緊固件，其在緊固件攻絲於錨定件 時使螺母錨定件材料中出現應力裂紋的可能性最小。在下文中，其它目的將變得顯而易見並將變得明顯。因此，本發明包括結構、元件組合和部件構造的特徵，這些將在以下詳細描述中例 示，本發明的範圍將由權利要求限定。通常，本發明的緊固件包括杆，所述杆包括具有縱向軸線的大致柱形的杆芯和圍 繞杆芯且沿杆芯延伸的螺旋螺紋。緊固件還包括在杆的一端處的驅動頭。螺紋具有以限定 半徑形成的牙形，從而在緊固件或螺釘組裝到螺母錨定件時形成可變的力矢量。這種螺紋 牙形增強了配合螺紋強度，並提高了組裝過程中螺母錨定件螺紋的防損能力。螺紋牙形在軸向截面中包括多個區域。更具體地，存在第一區域，其包括從杆芯延 伸到螺紋深度22-27%數量級的位置的凹形導面部分。在這一點上，其類似於圖1中所示的 現有技術緊固件的部分或區域6a。不過，在本緊固件中，凹形導面部分在公切線處平滑過渡 到具有凸形結構的第二區域，使得沿導面的螺紋牙形尖端朝向緊固件導程入口部分(即， 螺釘尖端)而尺寸減小。螺紋牙形還在其從面處包括第三區域，第三區域從杆芯延伸到處於螺紋牙形深度 約一半的部位。在這一部位，從面過渡到第四區域，第四區域被構造為沿螺紋牙形的外半部 的凸形部分。第五和最後的區域被構造以凸形半徑，此凸形半徑在螺紋尖端將導面凸形半 徑和從面凸形半徑融合在一起。如將所見，前述在各螺紋牙形區域或部分中的半徑組合改善了當緊固件擰入錨定 件中時螺母錨定件柔韌材料平滑流動的能力，並改善了包括本發明的自攻絲螺釘或緊固件 結合以柔韌材料(例如塑料或輕金屬或金屬合金)螺母錨定件的組件的整體性能。


為了更全面地理解本發明的實質和目的，應參照以下結合附圖所作的詳細描述， 其中圖1是前文已述的現有技術的螺紋成型緊固件的螺紋牙形的局部剖視圖；圖2是體現本發明的螺紋成型緊固件的放大率較小的局部側視圖；圖3和3A是圖2的緊固件的螺紋牙形的放大率非常大的示意圖；和圖4是體現本發明的雙導程螺紋的螺紋牙形的類似於圖1的視圖。
具體實施例方式參見圖2，其中顯示體現本發明的螺紋成型緊固件20。緊固件20包括驅動頭22和 整體以24表示的杆，杆24從所述頭延伸並適於擰入螺母錨定件N(圖4)中。所述頭可為 任何所希望的類型或構造，並可包括有利於緊固件旋轉的所示凹部22a或突出部。而且，雖 然所示杆24具有大致圓形截面，不過，其也可具有三葉形截面形式，如美國專利3，195，156 中所述類型。優選地，杆24的自由端部分漸縮，如24a所示，以利於將緊固件插入螺母錨定件中。杆24包括杆芯26和圍繞杆芯26以螺旋形式形成的非對稱螺紋28。這種螺紋具 有軸向截面牙形28』，並可沿杆芯的整個長度或沿杆芯的一部分延伸。螺紋的螺旋角或盤旋 角、的大小通過螺紋外直徑或尺寸34、螺紋高度36和螺紋螺距38之間的直接關係確定。優選的是，螺紋外直徑34應處於l-10mm的範圍內。出於實際考慮，可考慮使緊固 件20具有與標準自攻絲螺釘類型直接相關的標稱直徑尺寸。不過，應理解的是，本發明不 限於任何具體直徑或標稱尺寸的緊固件。緊固件20具有單線螺紋28。不過，結合圖4可 見，本發明同樣適用於具有雙線螺紋的緊固件。現在參見圖3，其中更詳細地顯示出螺紋牙形28』。如該圖中可見，螺紋牙形28』具 有整體以42表示的導面，導面42包括第一凹形徑向內區域或部分42a，其可類似於圖1中 的部分6a。也就是說，導面42具有半徑41，半徑41在螺紋直徑34 (圖2)的0. 22至0. 30 倍範圍內，如在前述專利中所述。部分42a從杆芯24延伸到部位43，在部位43處，導面過 渡到第二徑向外凸區域或部分42b，這一過渡在兩個部分的公切線T處發生。螺紋牙形28』 還具有整體以44顯示的從面，從面44包括第三直形徑向內區域或部分44a，且部分44a從 杆芯24延伸到位於沿螺紋高度36 (圖2)的約半程處的過渡位置47。在位置47，從面44過 渡到第四徑向外區域或部分44b，部分44b具有凸半徑並幾乎延伸到螺紋牙形尖端48。螺 紋牙形28』完成於第五尖端區域或部分46，部分46構造有半徑63，半徑63在螺紋牙形尖 端48的鄰近處將導面部分42b和從面部分44b的凸半徑融合在一起。這樣，本緊固件的螺紋牙形28』顯然不同於圖1中所示現有技術的螺紋牙形，不同 之處在於，在牙形尖端的鄰近處存在三種不同凸半徑的結合。參見圖3和3A，為了建立用於設計本螺紋牙形28』的基礎，已經顯示出被疊加在典 型非對稱螺紋牙形上的以虛線52顯示的牙形。牙形的導面部分42b具有半徑53，半徑53 基於牙形52上的部位43和部位54的相對位置構造。部位43與螺紋牙形52的外周邊或 尖端相距一距離55。此距離在螺紋高度36 (圖2)的22-27%的範圍內，優選地在其25%的 範圍內。如圖3A中所示，通過使用典型非對稱螺紋52而限定部位54，螺紋52具有尖端寬 度56，尖端寬度56的長度為螺紋軸向螺距38(圖2)的4_7%。部分42的半徑53應為軸 向螺距38的0. 190至0. 205倍，優選地為其0. 190倍。螺紋牙形28，的從面44的部分44b具有半徑62，半徑62與非對稱螺紋52的部位 54和前述過渡位置47相關地構造，其中，過渡位置47在所述螺紋的外周邊的下方約50% 螺紋深度處。半徑62的長度優選地在軸向螺距38的75-125%的範圍內，最優選地約等於 此螺距。牙形28』的第五區域或部分46完成螺紋尖端48，並且如前所述將螺紋牙形的導面 部分42b和從面部分44b融合在一起。優選地，部分46具有的半徑63約為非對稱螺紋52 的寬度56的一半並且為螺紋軸向螺距38的2. 5-3. 5%。通過螺紋牙形28』和52的對比可見，更典型的牙形52將比緊固件20的牙形28』 提供更大的初始螺母錨定件材料移位(displacement)。實際上，從圖3中顯見的是，螺紋牙 形52的初始合力由於需要更多螺母材料移位而將要求相對較高的初始攻絲轉矩。圖3A中 的力示意圖顯示，將形成徑向力66a和軸向力66b，其為來自高初始合力66的分力。徑向力 66a是構成典型螺母錨定件柔韌材料周應力裂紋主要成因的力。
在本螺紋牙形28』中，如前限定的具有半徑53的部分42b被構造為使其外周邊尺 寸從螺紋標稱外直徑34(圖2)朝向沿箭頭A的方向的螺紋導程入口部位減小。這一半徑 終止於部位43，在部位43，所述半徑在公切線T處接合於部分42a的凹形導半徑41。優選 地，線T相對於杆芯24成角度\，角度Si為73° -78°，優選地為75°。從圖3和3A中的力示意圖可見，由螺紋牙形28，的部分42b產生的合力80變小 而低於由現有技術的非對稱牙形52提供的力，因此，所述合力的徑向分量80a和軸向分量 80b也是如此。當在緊固件20的組裝過程中更多錨定件材料移位時，導致需要更高載荷以 實現所述移位。這些變化通過圖3中的其它力矢量圖顯示，其中，合力82減小為徑向分力 82a和軸向分力82b。通過在緊固件牙形28』中採用半徑53，平滑的材料流動變得明顯，而 且徑向力82a的增大不會以與直線情況(如圖1中所用的成角度的前尖端面)相同的速率 增大。這種由緊固件20形成的總周應力減小使得螺釘/螺母錨定件組件接合整體性改善。前述全部在導面42的區域或部分42b上實現的益處被實現，直到區域42b在部位 43過渡到凹形前區域42a，在部位43，公切線T相對於杆芯24以一定方式成角度，使得螺紋 牙形寬度隨切線向內移向在杆芯處的螺紋牙底而增大。仍然參見圖3，使用前述半徑62構造螺紋牙形28』的從面44。所述半徑使得第四 區域或部分44b的表面積增大而超過圖1中所示螺紋牙形2的常用直形從面5的表面積。 這使得當緊固件在拉伸載荷92b下緊固到螺母錨定件N(圖4)中時產生較小的材料應力， 其中徑向分力92a隨螺釘/螺母錨定件接觸面更接近於緊固件杆芯26而變小。其次的考 慮是，使合力92沿與半徑62的切向垂直的方向導向，從而在螺母錨定件材料內提供更均勻 的應力分布。徑向分力92a使得螺母錨定件材料在緊固件20承受沿箭頭A方向的軸向拔 出力時發生破裂的可能性減小。從面牙形部分44b的半徑62以一定方式構造，使得與傳統非對稱螺紋牙形52的 尖端相比，螺紋「厚度」以及錨定件材料移位量增加，所述錨定件材料移位量用於補償由前 述在尖端48處的部分42b、44b和46的融合半徑所致的移位減少。優選地，使用與用於構 造導面部分42b的半徑53相同的部位54而構造從面部分44b的半徑62。如前所述，這一 半徑終止於過渡位置47，並應為螺紋牙形28』的總高度36的0. 5至0. 7倍，且優選地為其 0.5倍。從面44然後作為半徑輪廓的線性延伸部或其切線而延續到杆芯26。從面的凸形 區域44b延伸至更接近於杆芯24不會在載荷能力上提供任何顯著優點。不過，如果從面區域或部分44b如圖3中以虛線44b』所示地向下延伸到杆芯24， 則此延伸線應在交叉於非對稱螺紋52的牙底的軸向位置處交叉於杆芯26，非對稱螺紋52 相對於杆芯的縱向軸線成角度，角度62為77.5°至82°，優選地為80°。這種控制提 供了在應用緊固件以及螺紋結構的過程中對材料移位的限制，以根據本發明的目的保持控 制前述的力矢量。如前所述，第五區域或部分46的半徑63是用於確保導尖端半徑53與從尖端半徑 62之間平滑過渡的融合半徑。融合半徑63的大小在軸向螺距38 (圖2)的0. 025-0. 035倍 的範圍內，優選地為其0. 030倍。所述融合半徑63使得在螺紋攻絲操作過程中和在組件承 受外拔出力時在螺母錨定件材料中產生有害「應力升高」的可能性最小化。現在參見圖4，其中顯示出緊固件杆100擰入螺母錨定件N中。所述杆包括杆芯 102和雙導程螺紋104，螺紋104包括在杆芯上的第一牙形104a和第二中間牙形104b。螺紋104的螺紋導程106兩倍於螺紋螺距108。優選地，螺紋中間牙形104b的直徑從標稱螺 紋直徑減小了量110。這種減小的目的是，充分利用由於使用雙線螺紋所形成的高螺旋角度 的優點，即，在相鄰螺紋牙形104a的峰之間的剪切面積最大。減小的量110應在螺紋總高 度36 (圖2)的15-20%的範圍內。螺紋中間牙形104b的減小量低於這一量值將無法獲得用於最可能實現螺母錨定 件材料朝向被組裝螺母/錨定件螺紋載荷面移動的力偶的益處。而且，使用螺距等同於雙 線螺紋導程的單線螺紋雖然在螺母錨定件的對應應力區域中提供類似的螺紋螺旋角度增 大，但將無法獲得本發明形成的螺母錨定件材料流動的益處。根據上文可以看出，利用本發明的螺紋成型緊固件和組件將得益於這樣的緊固 件，與傳統緊固件組件系統相比，所述緊固件能夠與螺母錨定件一起形成承受更高軸向拔 出力的能力。還可看出，通過使本發明的內容變得顯而易見的以上描述，有效實現了前述目的。 而且，由於在不背離本發明的範圍的情況下可對前述結構進行一定改變，因而在以上描述 中包含的所有內容或在附圖中顯示的所有內容應被理解為是示例性的，而不是限制性的。還應理解的是，所附權利要求意在涵蓋在此描述的本發明的所有通用特徵和具體 特徵。
權利要求
一種螺紋成型緊固件，用於擰入柔韌材料製成的螺母錨定件中，其中，在驅動所述緊固件的過程中產生力的組合，其促使所述螺母錨定件材料平滑流動並在所述螺母錨定件中形成配合螺紋，所述配合螺紋使得在其形成時的應力裂紋和徑向周應力最小，所述緊固件包括驅動頭和從所述驅動頭延伸並具有縱向軸線的杆，所述杆包括杆芯和形成在所述杆芯上的螺旋螺紋，所述螺紋具有選定的軸向螺距、選定的螺紋高度和牙形，所述牙形在軸向截面中包括導面、從面和尖端，所述導面包括具有第一半徑的第一徑向內凹部分，所述第一徑向內凹部分平滑過渡到具有第二半徑的第二徑向外凸部分，所述過渡出現在所述各部分的公切線上的一點處，所述從面包括第三徑向內線性部分，所述第三徑向內線性部分在選定的過渡位置處過渡到具有第三半徑的第四徑向外凸部分，所述牙形還包括第五凸形融合部分，所述第五凸形融合部分具有第四半徑並在鄰近所述尖端處使所述徑向外凸導面部分和所述徑向外凸從面部分融合到一起，由此，所述螺紋牙形在與所述螺母錨定件組裝的過程中產生力矢量，從而提供了增強的配合螺紋強度，提高了螺母錨定件螺紋的防損能力。
2.如權利要求1所述的緊固件，其中，所述第二半徑為所述軸向螺距的0.190至0.205倍。
3.如權利要求1所述的緊固件，其中，所述切線與所述杆芯限定73°-78°的內角，所 述第一半徑為所述軸向螺距的0. 22至0. 30倍。
4.如權利要求1所述的緊固件，其中，所述第四半徑的長度為所述軸向螺距的0.025至0.035 倍。
5.如權利要求4所述的緊固件，其中，所述第四半徑的長度為所述軸向螺距的3%的數量級。
6.如權利要求1所述的緊固件，其中，所述第三半徑的長度為所述軸向螺距的0.75至1.25 倍。
7.如權利要求6所述的緊固件，其中，所述第三半徑的長度等於所述軸向螺距。
8.如權利要求1所述的緊固件，其中，所述從面過渡部與所述杆芯的距離為所述螺紋 高度的0.5至0.7倍。
9.如權利要求8所述的緊固件，其中，所述從面過渡部的位置處於與所述杆芯的距離 為所述螺紋高度的大約一半的位置處，且所述第三部分與所述第四部分在所述過渡部的位 置處相切。
10.如權利要求1所述的緊固件，其中，所述緊固件具有與所述螺紋交替的中間螺紋。
11.如權利要求10所述的緊固件，其中，所述中間螺紋的距離所述杆芯的高度比所述 螺紋的小。
12.如權利要求11所述的緊固件，其中，所述中間螺紋的高度為所述螺紋高度的80% 至 85%。
13.一種螺紋成型緊固件，包括驅動頭和從所述驅動頭延伸的杆，所述杆包括杆芯和形 成在所述杆芯上的螺旋螺紋，所述螺紋具有選定的軸向螺距和牙形，所述牙形在軸向截面 中包括具有第一半徑的徑向內凹導面部分、具有第二半徑的徑向外凸導面部分、徑向內線 性從面部分、具有第三半徑的徑向外凸從面部分、和具有將所述第二和第三半徑融合到一 起的第四半徑的凸尖部分。
14.如權利要求13所述的緊固件，其中，所述第二半徑為所述軸向螺距的0.190至[0. 205倍，所述第三半徑為所述軸向螺距的0. 75至1. 25倍，所述第四半徑為所述軸向螺距 的0. 25至0. 35倍。
15.如權利要求13所述的緊固件，其中，所述螺紋具有選定直徑，所述第一半徑為所述 選定直徑的0. 27至0. 33倍。
全文摘要
一種螺紋成型緊固件，用於擰入柔韌材料製成的螺母錨定件中，其中，在驅動所述緊固件的過程中產生力的組合，其促使所述螺母錨定件材料平滑流動並在所述螺母錨定件中形成配合螺紋，所述配合螺紋使得在其形成時的應力裂紋和徑向周應力最小。所述緊固件包括驅動頭和從所述驅動頭延伸並具有縱向軸線的杆，所述杆包括杆芯和螺紋，所述螺紋具有選定的軸向螺距、選定的螺紋高度和牙形，所述牙形在軸向截面中包括導面、從面和尖端。所述導面包括具有第一半徑的徑向內凹部分，所述徑向內凹部分平滑過渡到具有第二半徑的徑向外凸部分，所述過渡出現在所述各部分的公切線上的一點處。所述從面包括徑向內線性部分，所述徑向內線性部分在選定的過渡位置過渡到具有第三半徑的徑向外凸部分。所述牙形還包括凸形融合部分，所述凸形融合部分具有第四半徑並在所述尖端的鄰近處將所述徑向外凸導面部分和所述徑向外凸從面部分融合到一起。所述螺紋牙形在與所述螺母錨定件組裝的過程中產生力矢量，從而提供增強的配合螺紋強度，提高了螺母錨定件螺紋的防損能力。
文檔編號F16B25/00GK101861467SQ200880103292
公開日2010年10月13日 申請日期2008年8月11日 優先權日2007年8月13日
發明者A·普裡查德 申請人:研究工程及製造公司