CN101427037B - 具有摩擦接合面的螺旋驱动紧固件 - Google Patents
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Abstract
干涉面构造在具有螺旋凹槽的紧固件的翼部之间的内过渡面上。一部分过渡面是渐缩形的，以便提供干涉。用于螺旋凹槽的标准驱动器与干涉面接合，以便形成“卡住配合”接合。使用EDM操作来制造冲头，以便在母模的模腔内构造渐缩形表面。加工母模，以获得所需的深度，所述深度可以从指示卡住点的计量点测定。
Description
发明领域
本发明大体上涉及用于螺纹紧固件的驱动系统、加工螺纹紧固件的工具以及给这种紧固件施加扭矩的驱动器(driver)。更具体而言，本发明涉及使用翼部类型的驱动器的紧固件。特别是，紧固件具有提供了螺旋驱动面的凹槽。
发明背景
在工业用途中一般使用的螺纹紧固件通常由高速高扭矩负载的电动工具来驱动。这种情况带来了困难的设计考虑，特别是关于驱动系统、尤其是在紧固件头部具有驱动器接合凹槽的螺纹紧固件。理论上，这种驱动系统应该容易制造，不仅是凹槽和头部的几何形状容易制造，而且用于成形紧固件头部的相关工具和用于接合凹槽的驱动器也一样应该容易制造。紧固件头部的强度不应该受到凹槽的不利影响。驱动器应该易于插入凹槽并易于从凹槽取出。驱动器和凹槽在接合时应该均匀地分布应力负载，从而避免应力的高度局部化区域的形成，该区域的形成可能引起凹槽或驱动器、或两者的变形，从而导致驱动系统过早损坏。
在驱动紧固件时，驱动系统应该防止驱动器从凹槽中脱出。在许多应用中，非常重要的是，紧固件必须能够承受多次循环使用，比如为了修理或替换零件、或拆下并替换检修孔盖板，因而必须拆卸紧固件的应用时。理想地，紧固件驱动系统应该能够承受这种重复循环使用，特别是在凹槽可能被污染、喷漆、腐蚀或其它使用情况的不利影响下。在这些情况下，驱动系统在移动方向上施加扭矩时保持驱动接合是十分必要的。对于驱动系统来说，在拆卸紧固件时能够施加更高水平的扭矩是十分必要的，这可能发生在当紧固件最初装配时拧得过紧、或接合螺纹接触面上发生了腐蚀、或在装配元件的热循环把增大应力施加在紧固件时。当这些特性中的一个或多个或其它特性可能存在竞争考虑时，可能对一个特性作出妥协，以便有利于另一个特性。
许多不同的凹槽和驱动器结构已经普遍使用，包括多个的十字槽、例如美国专利US 24,878(Smith等人)、US 3,237,506(Muenchinger)和US 2,474,994(Tomalis)中描述的十字槽。其它紧固件结构包括美国专利US 3,763,725(Reiland)中描述的多凸角式结构类型，以及美国专利US 4,187,892(Simmons)中描述的凸肋式驱动系统。同样在普通凹槽结构之中包括六角系统，该系统基本是容纳类似外形驱动器的直壁六边形承座。
除了凸肋式系统外，驱动器和凹槽的壁和面通常设计为相互紧密配合，从而实现驱动表面和从动表面的面对面接触。十字槽紧固件上的这种面对面接合，如果有的话，只发生在当驱动器完全对准并放置在凹槽内时。然而，实际上，为了使驱动器可以插入凹槽，这两者之间必要存在若干间隙。
这种间隙的必要性在具有基本垂直驱动壁的凹槽中更加重要，例如Reiland的’725专利和六角头系统中。在所有这些系统中，该间隙必要性的实践结果是，如果不是根本不能实现的话，也是很难实现在驱动器和凹槽表面之间的真正的面对面的大面积接触。在大多数螺纹紧固件的驱动系统中，驱动器与头部的凹槽以产生点接触或线接触而不是面对面大面积接触的方式接合。实际接触面积通常远远小于完全面对面接触面积。因此，当驱动器施加扭矩时，施加在螺钉头部的力易于集中在局部区域，从而导致局部高应力。这种局部高应力可能导致凹槽塑性变形、形成斜面或其它导致提前损坏、驱动器与凹槽的不期望脱离的变形。现有技术已经认识到了前述的困难。例如，美国专利US 2,248,695(Bradshaw)公开了一种螺钉头和驱动器装置，其中驱动器和紧固件的驱动和从动表面分别是曲面的，并相对螺钉轴偏离中心。在Bradshaw紧固件中，可以使用任何“合适的曲率”如圆形或对数螺线，只要其通过摩擦接合导向结合或锁紧在一起。尽管公开了Bradshaw的讲述内容，但是，后面的紧固件驱动系统、例如上面提到的那些系统，看起来并未采用依靠摩擦接合的Bradshaw讲述内容。
与题述专利申请共同拥有的美国专利US 5,957,645中描述了使在驱动器和凹槽之间的接合面积最大化的驱动系统。’645专利公开通过引用与本专利结合在一起。’645专利的凹槽和驱动器构造为具有螺旋结构接合面。
’645专利中描述的发明优点已经通过将驱动器和紧固件的驱动表面和从动表面各自配置成顺应于一段螺旋来实现，特别是，在插入和拆卸驱动器时、在驱动器和凹槽之间形成了较大充分间隙的螺旋结构，其中允许完全就位的驱动器旋转而占据该间隙。驱动器的驱动壁和凹槽的驱动器接合壁的螺旋结构是这样的，即，当螺旋壁接合时，它们在相对大的面积上接合，从而在该大面积上施加并分布应力。螺旋结构的驱动壁和从动壁因而受到引导，使得所施加扭矩的大部分基本上垂直于紧固件的半径，而几乎很少(如果有的话)依靠摩擦式的近似切线接合。
在许多应用中使用了螺旋结构驱动系统，驱动器可能是动力驱动的，或需要插入狭窄凹槽中。在这些情况下，需要在安装前在驱动器上可松开地接合紧固件，使得驱动器在作为驱动装置的同时用作插入工具。这个“卡住配合”特征已经在许多不同类型的紧固件上尝试了，例如美国专利US 6,199,455；4,457,654和4,084,478中所示。
在’478专利中，许多肋26插入凹槽中实现干涉配合。在’654专利中，盖子安装在螺钉头上压入凹槽中，并且在盖子上设有插销和环形脊30与驱动器接合。在’455专利的改进型方形驱动紧固件上，相邻外壁17和23是渐缩形的，从而提供了卡住配合特征。选定的表面17和23相对于驱动表面14而言具有更大的面积。
“卡住配合”特征允许紧固件可松脱地接合在驱动器上，从而使得驱动器和紧固件作为一个部件，而在很难接触到、很难自动化和其它应用的情况下操作。一旦安装好后，紧固件和驱动器就可以容易脱离接合。
’645专利指出，可以在凹槽的安装面、拆卸面和其它表面上形成正斜度。尽管在描述中并不清楚，但是，该斜度可以有助于驱动器接合在凹槽中，或提供用于驱动器定位的一定范围的而非笔直轴线的对齐。没有迹象表明该斜度会用于在该类型紧固件上提供“卡住配合”特征的目的。实际上，所建议的高达6°的斜度远远超过了所需的值，并会严重妨碍螺旋安装面的用途，该用途即，用于提供驱动器和紧固件沿延伸表面区域上的接合，这种接合与其它驱动系统的切线接合相反。因此，就需要提供一种在螺旋结构紧固件上提供卡住配合特征的合适手段。
发明概要
本发明的一个目的是在驱动器和紧固件之间提供干涉配合，其中凹槽和驱动器表面沿螺旋结构表面接合。为了实现这个目的，凹槽尺寸尽可能接近标准螺旋结构凹槽，以便容纳当前的驱动器。凹槽的凸角或翼部由安装面和拆卸面形成。相邻的翼部在凸角的内径处通过过渡面分开。
为了产生干涉配合，过渡面构造成带有高达2°的轻微斜度，其中，在凹槽底部在相对过渡面之间的距离稍微减小。标准的驱动器可以正常的模式插入至预定深度，此后，该减小的尺寸使得与在驱动器上的相配过渡面形成干涉。在使凹槽的上开口尺寸的任何变化最小的同时，实现了这种干涉配合。这样，在不用较大程度地改变安装面处的所需完全表面接合的前提下，提供了“卡住配合”特征。
附图简介
下面结合附图详细介绍了本发明的接合。
图1是具有螺旋形凹槽的平头螺钉的透视图；
图2是具有根据本发明的改进型螺旋形凹槽的平头螺钉的透视图；
图3是图2所示平头螺钉的顶视图；
图4是图2所示平头螺钉沿图3所示剖面线4-4的剖视图；
图5是用于形成冲头的模子透视图，其中，冲头用于构造本发明的平头螺钉；
图6是模子坯料在进行EDM操作前的透视图；
图7是显示了模子测量的示意图；
图8A和图8B是图5所示模子的顶视图和剖视图；
图9A和图9B是已加工至预定深度的图5所示模子的顶视图和剖视图。
优选实施例的详述
图1显示了具有轴杆12的示例性螺纹紧固件10，其一端具有螺纹14，另一端是具有凹槽18的头部16。头部16可以用传统的双击镦锻机加工而成，其中，金属线端部或制造紧固件的材料支撑在镦锻机的模子中，其头部末端受到冲击，首先被冲压而部分成形头部，接着最终冲压完成头部并形成驱动器接合凹槽。凹槽18显示为具有中央部分20和向外径向延伸的多个凸角(翼部)22。图1中实施例的凹槽成形为使得其每一个翼部22都具有安装壁24(假定为右旋螺纹14)和拆卸壁26。安装壁24和拆卸壁26优选成形为基本垂直的，从而限定了或非常近似于平行于螺纹紧固件纵轴线的圆柱形表面。凹槽的底部可以由锥形底壁28限定。每一个翼部的径向外端可以在外形上构造成在翼部的安装壁24和拆卸壁26之间提供平滑的弯曲过渡30。凹槽还包括在一个翼部22的安装壁24与另一相邻翼部22的拆卸壁之间的过渡内壁32。应当理解的是，本发明可以包含在许多种不同结构的螺纹紧固件中，其中包括具有一个或多个翼部凹槽的螺纹紧固件，其中，只有安装壁24或拆卸壁26中的其中一个设有螺旋外形的段。
图2中显示了该应用的紧固件20，该紧固件提供了以干涉配合来接受标准螺旋驱动器的可靠“卡住配合”。“卡住配合”通过在过渡面32上构造出有限的干涉面40获得。干涉面40相对于紧固件轴线41形成1°～2°的斜度角θ，如图4所示。
如图3所示，相对的干涉面40将提供在过渡面32下部分处位于凹槽20中的相对的锥形表面。凹槽20构造为具有大致标准尺寸的开口，其跨过凹槽顶部的尺寸为d1，但在底部具有减小的尺寸d2。当驱动器完全插入凹槽20中时，干涉面40产生了与螺旋驱动器的干涉配合。由于干涉只在驱动器完全插入凹槽20时会产生，因此本发明的“卡住配合”特征不会有损于安装壁24和拆卸壁25与驱动器驱动表面的面对面接合。
为了在过渡面32上制造渐缩形表面40，使用EDM操作构造模子或母模(hob)50，如图5所示，其用于冷成形用来制造本发明凹槽的冲头。母模50由钢棒材坯料51制造，例如直径1英寸的1英寸长棒材，其无中心地磨至每英寸公差为+0.0005/-0.0000。坯料的两端应该是平行的，并对于外径成直角。精密公差对于确保成功的EDM操作是必须的。如图6所示，在坯料51上沿轴向地钻出中心孔52，其直径小于图3所示的尺寸d1。
完全加工到尺寸并钻好孔的坯料51然后被放置在EDM机床的固定装置上，其中金属线插入并穿过孔52。EDM机床通过编程而切出一块材料，从而形成用于螺旋凹槽的冲头形状的模腔53，如图2所示。为了获得“卡住配合”结构，在相对的干涉面40之间的模腔顶部开口的尺寸设置为d1，在底部模腔的开口处，该距离是d2，其中d1＞d2。这种渐缩形结构只在过渡面32上形成，以便产生干涉面40。
为了构造母模50的模腔53至所需深度以用于形成冲头(未显示)，很重要的是在产生卡住的地方定位卡点。为了定位该计量点，构造了具有刻度盘55和探针56的专用量规54，其中探针56成形为用于标准螺旋紧固件10的驱动器，例如图1所示。探针56插入模腔53中，直到在刻度盘55上指示干涉为止。这是计量点的深度x，并且用作用于确定模腔深度y的点。然后加工母模50的上表面57，以获得深度y。如图8和图9所示。一旦完全加工到尺寸后，对母模50进行硬化并回火处理到“C”级洛氏硬度测量机上的60-63的硬度水平。该工艺允许具有相同尺寸的多母模的可靠结构。
然后，通过在动力压力机上将母模50压在低碳钢坯料上，来构造冲头，这在本技术中是众所周知的。
尽管已经参考具体实施例描述了本发明，但是，这些实施例的描述只是说明性的，并不能被视为对本发明范围的限定。对于本领域的技术人员来说，在不脱离所附权利要求所限定的实质和范围的前提下，可以对本发明进行各种其它的修改和变更。
Claims (20)
1.一种紧固件的制造方法，所述紧固件构造成具有带纵轴线的轴杆，所述轴杆构造成在其端部形成有凹槽，所述方法包括：
构造具有预定长度的圆柱形钢坯料；
从所述坯料的顶部至底部钻出轴向孔；
将金属线穿过所述孔插入，以便进行EDM操作，使用所述EDM操作来加工所述孔，以形成模腔，其中，所述模腔构造成具有中央部分和从中央部分沿径向向外的多个翼部，每一个翼部具有安装壁和拆卸壁，在所述加工过程中，过渡面构造成连接相邻翼部的各安装壁和拆卸壁，所述过渡面从所述孔的顶部延伸至所述孔的底部，所述翼部构造成使得所述安装壁或拆卸壁中的至少一个限定了螺旋段，干涉面构造成所述过渡面的一部分，所述干涉面从在其顶部离所述纵轴线的第一径向距离逐渐减小到在其底部离所述纵轴线的第二径向距离，所述第一径向距离大于所述第二径向距离；
对所述坯料进行硬化处理以形成母模，利用所述母模形成冲头；
使用所述冲头形成所述紧固件的头部上的凹槽。
2.根据权利要求1所述的紧固件的制造方法，其特征在于，所述干涉面与平行于所述纵轴线的线形成0.5度至2度的角度。
3.根据权利要求1所述的紧固件的制造方法，其特征在于，所述模腔成形成具有跨过所述模腔在直径方向上相对的过渡面，所述相对的过渡面上的所述干涉面相互合作，以便形成与驱动器的干涉配合，所述驱动器构造成与所述模腔相接合。
4.根据权利要求1所述的紧固件的制造方法，其特征在于，所述方法包括确定驱动器和所述模腔之间发生干涉配合的所述模腔中的水平位置，测量所述模腔的发生所述干涉的所述水平位置的预定深度，对所述坯料的顶部进行加工，使得所述模腔具有所述预定深度。
5.一种根据权利要求1所述的方法制造的紧固件。
6.一种用于形成紧固件的凹槽的冲头的母模的制造方法，所述紧固件构造成具有带纵轴线的轴杆，所述轴杆构造成在其端部形成有凹槽，所述方法包括：
构造具有预定长度的圆柱形钢坯料；
从所述坯料的顶部至底部钻出轴向孔；
将金属线穿过所述孔插入，以便进行EDM操作，使用所述EDM操作来加工所述孔，以形成模腔，其中，所述模腔构造成具有中央部分和从中央部分沿径向向外的多个翼部，每一个翼部具有安装壁和拆卸壁，在所述加工过程中，过渡面构造成连接相邻翼部的各安装壁和拆卸壁，所述过渡面从所述孔的顶部延伸至所述孔的底部，所述翼部构造成使得所述安装壁或拆卸壁中的至少一个限定了螺旋段，干涉面构造成所述过渡面的一部分，所述干涉面从在其顶部离纵轴线的第一径向距离逐渐减小到在其底部离纵轴线的第二径向距离，所述第一径向距离大于所述第二径向距离；对所述坯料进行硬化处理以形成母模。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述方法包括确定驱动器和所述模腔之间发生所述干涉配合的水平位置，测量所述模腔的发生所述干涉的所述水平位置的预定深度，对所述坯料的顶部进行加工，使得所述模腔具有所述预定深度。
8.一种根据权利要求6所述的方法制造的母模。
9.一种用于形成紧固件的凹槽的冲头的制造方法，所述紧固件构造成具有带纵轴线的轴杆，所述轴杆构造成在其端部形成有凹槽，所述方法包括：
构造具有预定长度的圆柱形钢坯料；
从所述坯料的顶部至底部钻出轴向孔；
将金属线穿过所述孔插入，以便进行EDM操作，使用所述EDM操作来加工所述孔，以形成模腔，其中，所述模腔构造成具有中央部分和从中央部分沿径向向外的多个翼部，每一个翼部具有安装壁和拆卸壁，在所述加工过程中，过渡面构造成连接相邻翼部的各安装壁和拆卸壁，所述过渡面从所述孔的顶部延伸至所述孔的底部，所述翼部构造成使得所述安装壁或拆卸壁中的至少一个限定了螺旋段，干涉面构造成所述过渡面的一部分，所述干涉面从在其顶部离纵轴线的第一径向距离逐渐减小到在其底部离纵轴线的第二径向距离，所述第一径向距离大于所述第二径向距离；对所述坯料进行硬化处理以形成母模，使用所述母模形成冲头。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述方法包括确定驱动器和所述模腔之间发生所述干涉配合的水平位置，测量所述模腔的发生所述干涉的所述水平位置的预定深度，对所述坯料的顶部进行加工，使得所述模腔具有所述预定深度。
11.一种根据权利要求9所述的方法制成的冲头。
12.一种紧固系统，其包括：
紧固件，其构造成具有带纵轴线的轴杆，所述轴杆构造成在其端部形成有凹槽，所述凹槽构造成可与相关的驱动器形成部分干涉配合，以用于使所述驱动器和所述紧固件可拆式地接合，其中所述凹槽包括：
中央部分和多个从中央部分沿径向向外的多个翼部，每个翼部具有安装壁和拆卸壁，所述翼部设置成使得至少一个安装或拆卸壁在其范围限定了螺旋段；
过渡面，其连接相邻翼部的各安装壁和拆卸壁，干涉面构造成所述过渡面的一部分，所述干涉面从在其顶部离纵轴线的第一径向距离逐渐减小到在其底部离纵轴线的第二径向距离，
所述第一径向距离大于所述第二径向距离，所述过渡面的所述干涉面跨过所述凹槽在直径方向上相对；
具有驱动面的驱动器，所述驱动面面对面接合到所述凹槽的安装壁和拆卸壁；以及
所述凹槽的所述过渡面的所述干涉面相互合作，以便与驱动器形成干涉配合。
13.根据权利要求12所述的紧固系统，其特征在于，所述干涉面与平行于所述纵轴线的线形成0.5度至2度的角度。
14.根据权利要求12所述的紧固系统，其特征在于，所述干涉面构造为仅在所述驱动器的前部形成干涉配合，并允许所述驱动器与所述翼部在所述驱动器的后部形成面对面接触。
15.根据权利要求12所述的紧固系统，其特征在于，所述第一径向距离基本上根据螺旋形凹槽的标准凹槽开口来构成。
16.在驱动器和紧固件凹槽之间形成干涉配合的方法，利用权利要求12的紧固系统，该方法包括将驱动器插入根据权利要求12所述的构造成的紧固件凹槽。
17.一种紧固系统，其包括：
紧固件，其构造成具有带纵轴线的轴杆，所述轴杆构造成在其端部形成有凹槽，所述凹槽构造成可与相关的驱动器形成部分干涉配合，以用于使所述驱动器和所述紧固件可拆式地接合，其中所述凹槽包括：
中央部分和多个从中央部分沿径向向外的多个翼部，每个翼部具有安装壁和拆卸壁；
过渡面，其连接相邻翼部的各安装壁和拆卸壁，所述翼部构造成使得所述安装壁或拆卸壁中的至少一个限定了螺旋段，干涉面构造成所述过渡面的一部分，所述干涉面从在其顶部离纵轴线的第一径向距离逐渐减小到在其底部离纵轴线的第二径向距离，所述第一径向距离大于所述第二径向距离；
具有驱动面的驱动器，所述驱动面面对面接合到所述凹槽的安装壁和拆卸壁；以及
所述凹槽的所述过渡面的所述干涉面相互合作，以便与驱动器形成干涉配合。
18.根据权利要求17所述的紧固系统，其特征在于，所述干涉面与平行于所述纵轴线的线形成0.5度至2度的角度。
19.根据权利要求17所述的紧固系统，其特征在于，所述干涉面构造为仅在所述驱动器的前部形成干涉配合，并允许所述驱动器与所述翼部在所述驱动器的后部形成面对面接触。
20.根据权利要求17所述的紧固系统，其特征在于，所述第一径向距离基本上根据螺旋形凹槽的标准凹槽开口来构成。
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