CN101743407B - 螺纹成型螺钉的螺纹和相应的螺纹滚压模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于紧固至由低延展性材料构成的工件中的孔内的一种螺纹成型螺钉式螺纹紧固件和一种相应的螺纹滚压模具。更具体地，该螺纹成型螺钉的螺纹具有平滑的半径螺纹牙侧，该牙侧具有能够使诸如镁、软铝、热固件性塑料的低延展性材料和其他低延展性材料变形的能力，以使延展性材料有效地变形，实现最小裂纹、碎屑、安装时低摩擦、并且螺钉与延展性材料的配合部分最大接合。
Description
技术领域
本发明涉及用于在诸如镁、铝合金等的低延展性材料中形成内螺纹的螺纹成型螺钉(thread forming screw，滚压成型螺钉)和制造该螺钉的螺纹的相应螺纹滚压模具(thread roll die)。
背景技术
制造消费品的设计人员一直努力减轻产品重量、寻找高度可再生材料、环保并节能的解决方法。就材料特征、特性和使用可行性而论，这导致了铝合金、镁合金以及为特殊应用而选择的其他延展性材料的使用。
近年来，在诸如个人电脑、移动电话、家庭用具、智能运输系统以及汽车零件的部件中，镁合金的应用一直在增加。
钢质量的四分之一和铝质量的三分之二的镁，满足了工业中近来发展趋势的要求。由于镁具有良好的疲劳强度、尺寸稳定性、声音和振动衰减特性对变化的产品应用非常有用，因此镁的特性是有利的。可以用镁制造成具有可重复的一致性的各种形状、形式。
然而，当与标准的螺栓或螺纹切削紧固件配合时，镁压铸件(die-cast)的低延展性和可变形性可导致辊痕、层喷发(layereruption)、螺纹缺损和破裂。这些紧固件的拆卸和再插入会弱化、甚至毁坏螺纹，产生镁粉、碎屑以及污染物。如果镁压铸件应用需要可拆卸的紧固件以允许维护，需要一种特殊的螺纹，以使材料变形而形成可靠的连接，并且要求其构成以及其中采用的紧固系统均无缺陷。
然而，对于在产品装配和应用时某些关键的质量和功能要求，目前的普通螺纹在性能方面受到限制。这导致改进螺纹设计的尝试，使之具有增加的可靠性和如下性能：例如，在低延展性材料上的盲孔(且为导向孔)中螺纹成型能力、锁紧作用、无螺纹和/或凸台(boss)损坏、大拧紧力、大剥离扭矩、装配效率、无裂纹、产生碎屑最少、可再用性(重复地拆卸和插入)、大破坏扭矩、高抗扭强度、抗振动松弛以及刚性材料接合(positive materialengagement)。通常，在把普通的螺钉拧入材料(其在孔侧面中形成用于与螺钉接合的螺纹或槽)之前，螺钉需要攻丝。在孔的侧面中形成这种攻丝孔和槽导致延展性材料破裂和其他损伤，这导致了紧固件在延展性材料中紧固和接合的弱化。然而，正如所述，普通螺纹不能充分满足所有或部分上述的关键功能要求，这削弱了连接的整体性。例如，一些已经公开的以前的螺纹，包括美国第7,195,437号专利、美国第5,061,135号专利以及美国第5,340,254号专利。
这些以前的螺纹在诸如镁和铝合金的延展性材料上的少数应用中已经采用，并试图通过其设计提供可靠的插入，然而在一些应用中没有取得最佳结果，诸如在直接影响设计方案和连接整体性的产品小型化中的刚性接合、破坏扭矩、抗扭强度、装配效率以及柔性方面。图1A-1B中示出了与现有技术有关的局限性和一些问题。具体地，图1A-1B示出了普通螺纹的显微照相剖面图，该螺纹与镁制凸台/板80接合，该镁制凸台/板的材料中具有预先形成的孔50，在这里可观察到材料破裂54、不足的材料变形52以及螺钉的螺纹牙顶20之间的牙侧接合(flank engagement)。
因此，需要一种解决与现有技术相关问题的螺纹成型螺钉的螺纹和相应的螺纹滚压模具。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种螺纹成型螺钉式螺纹紧固件(thread forming screw thread fastener)，用于紧固至由延展性材料构成的工件中形成的孔内，该紧固件包括：头部，具有将与推进工具(driver bit，螺丝刀)接合的推进部；和杆部(shank)，该杆部具有螺纹，螺纹具有小径和大径，大径限定螺钉的螺纹牙顶，小径限定螺纹牙根，相邻螺纹牙顶之间的螺纹表面形成螺纹牙侧(threadflank)，该螺纹牙侧具有恒定半径。
在一个实施例中，螺纹牙侧的表面可以是连续平滑的。在牙侧之间的螺纹牙侧过渡表面可以具有恒定半径。螺纹、螺纹牙顶、螺纹牙根以及螺纹牙侧可被设置成使延展性材料变形，而不会使工件的周围延展性材料开裂或者损坏。螺纹可被设置成使工件的延展性材料抵靠螺纹牙侧的表面变形。螺纹牙侧的半径可限定一结构圆(construction circle)。螺纹牙侧的半径可限定一个可确定螺距的结构圆。螺距可由共享一个螺纹牙顶的相邻结构圆之间的切线确定。紧固件的螺距可允许朝向螺纹牙根的延展性材料最大位移。在延展性材料中钻的孔可以是导向孔。紧固件的大径可处于0.4mm及以上的范围内。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于制造螺纹成型螺钉式螺纹紧固件，该紧固件用于紧固至由延展性材料构成的工件中所形成的孔内，该紧固件包括：头部，具有将与推进工具接合的推进部；和杆部，具有小径和大径的螺纹，大径限定螺钉的螺纹牙顶，而小径限定螺纹牙根，相邻螺纹牙顶之间的螺纹表面形成螺纹牙侧，该螺纹牙侧具有恒定半径。
附图说明
为了充分地理解并实施本发明，现仅通过本发明的优选实施例以非限制性的实例进行说明，参照所附的示意性视图进行说明：
图1A-1B示出了具有普通螺纹的现有技术的螺纹成型螺钉的显微照相剖面图；
图2A-2C示出了根据本发明一个实施例的螺纹成型螺钉的侧透视图(图2A)，沿图2A中A-A线得到的螺钉的剖面(图2B)，以及螺纹的几何形状和结构(图2C)；
图3A-3B示出了根据本发明一个实施例的螺钉的侧视图和剖面图，其中由圆柱形镦锻坯料滚压形成螺纹成型螺钉(图3A)，以及沿图3A中的A-A线得到螺钉的剖面(图3B)；
图4A-4B示出了根据本发明一个实施例的形成螺纹的螺纹滚压模具的侧视图(图4A)和螺纹滚压模具的正面(图4B)；
图5A-5C示出了根据本发明一个实施例在镁中装配的螺纹成型螺钉的剖面图(图5A)，在镁中装配的螺纹成型螺钉的显微照相剖面图(图5B)，以及图5B的螺钉的放大图(图5C)，其示出了螺纹成型螺钉在镁材料中具有圆形螺纹结构变形、对配合件无任何层喷发、螺纹缺损和/或破裂。
具体实施方式
公开了根据本发明的螺纹的实施例。另外，公开了如图4A-4B中所示和所说明的用于制造该螺纹的螺纹滚压模具。该螺纹成型螺钉具有高抗扭强度、螺纹成型能力(其消除了攻丝操作)、螺纹成型扭矩、高破坏扭矩、装配效率、降低的圆周应力以及可再用性。本发明实施例的物理特性还促进了可靠的连接和装配，其具有深螺纹接合、更大抓力、消除了凸台剥离、在无碎屑和裂纹的情况下的低延展性材料或延展性材料的有效变形、装配和破坏扭矩之间充裕的界限、通过把径向力减至最小降低了圆周应力并消除了凸台破损。设计此螺纹成型螺钉主要为了延展性材料的应用，小型化与更小径和长度的相容性和可行性，以便用更低的成本制造。例如，在小型化应用上，该螺钉产品尺寸可以在大约0.4mm或更小尺寸至大约2.0mm的范围。应理解，除了在小型尺度上，本发明的实施例也可适用于其他应用和不同的尺度，并且本发明的实施例不局限于小型尺度，例如0.4mm及以上。应理解，根据规格和应用等，可以选择用于螺钉的多种材料中的任何一种材料，例如低碳钢、不锈钢300和/或400系列、铝、黄铜、钛、其他特殊高强度材料以及其他材料。
在实施例中，图2A-2C和图3A-3B中的螺纹成型螺钉10具有头部12、凹入部14或推进部，其表面平整并可延伸到各种形状，如圆形、埋头(counter sunk)、椭圆形等。该螺纹成型螺钉10可由任何合适的材料(诸如具有合适必要特性的金属)形成，并根据需要，以变化的直径和长度，由具有圆角半径42和毛胚端38的圆柱形冷加工毛胚40滚压而成，如图3A所示。螺纹从头部12的支承面48朝向螺纹端部28延伸，并且是螺钉的总长度。从支承面48至第一个完整螺纹36的顶部区域是螺纹尾部(thread run out)16。螺纹端部28的底部区域是导程螺纹30，螺纹端部28不局限于如图所示的平表面，可以按预期用途以诸如锥形、圆形、尖形、犬牙端等各种形状来制造。中间区域为所有的成型螺纹，其具有螺纹螺旋角34、半径螺纹牙顶20、螺纹牙侧44、螺纹牙根18、大径26、小径24、螺距32以及螺纹或牙侧高度22。螺纹成型螺钉的剖面为圆柱形，这允许配合部分的接合为整个圆周接合，从而能够实现配合件中的牢固接触，以防止振动松驰、高拔力、高破坏扭矩、凸台剥离，并且具有再用性。
根据本发明一个实施例的螺纹成型螺钉的螺纹具有：半径牙顶20、半径牙侧44以及半径牙根18。由于凹面是由具有恒定半径的并且其中心76位于同样的平面上的基本结构圆46的弧线形成，因此自牙侧44至牙根18的凹面是连续的。螺纹牙顶20被设计成带有平滑的半径。平滑的半径牙顶20、牙侧44能够使工件、凸台、板等延展性材料变形，而无任何或最少裂纹、最小碎屑、安装时低摩擦，并且在配合部件中实现牙侧44的最大接合。由恒定半径螺纹牙侧的螺钉设计所确定的宽间隔螺矩32与没有恒定半径的螺纹牙侧结构的普通螺纹相比，其提供朝着螺纹螺纹牙根18的最大的材料位移，而对工件、凸台、板等延展性材料的内部结构无任何影响或损坏。
本发明的各实施例涉及螺纹成型螺钉10，如图2A-2C所示。在图2A中，示出的螺纹成型螺钉具有关于中心轴线11对称的螺纹轮廓，并具有在螺纹的牙侧44和牙根18之间过渡的恒定半径。螺纹的牙侧44由恒定的结构圆46形成。螺距32可由任何一侧上最近的(或共享一个共同的或相同的牙顶20的)相邻结构圆之间的切线78确定。图2C中示出结构圆46。由于基本圆46的相同的弧线形成牙根半径，因此牙根半径18是恒定且连续的。然而，应理解，导程螺纹30和螺纹端部28可根据使用要求以锥形端部、圆形、犬牙端和/或尖端等制造。
本发明的一个实施例为改进的螺纹成型螺钉，其具有能够使诸如镁、软铝、热固性塑料的低延展性材料和其他低延展性材料变形的能力。平滑的半径牙侧44自牙顶20向牙根稳固地增大，以使得材料在螺纹的凹部容易地变形并变形至牙根18。避免了裂纹形成、凸台破裂和碎屑，并在连接处提供刚性的最佳的牙侧接合56。螺纹大径26和小径或牙根直径24的剖面形状为圆柱形。
在本发明的另一方面，如图4A和4B中所示，公开了用于制造螺纹成型螺钉的一种螺纹滚压模具58。该螺纹滚压模具包括螺纹成型螺钉的轮廓：螺纹深度60、内半径模根(die root)62、外圆模面(die face)64、外模面节距66、牙侧半径68、牙顶半径70、螺纹滚压模具端部72和螺纹滚压模具面74。在本实施例中，螺纹滚压模具端部72为柔性设计，以便能容纳上面所述的螺纹端部28的结构。
图4A和4B示出和公开了用于制造螺纹的螺纹成型螺钉的螺纹滚压模具58，螺纹滚压模具58包括与螺纹成型螺钉相同的轮廓：螺纹模深度60、内模根62、外模面64、外模面节距66、牙侧半径68、牙顶半径70、螺纹滚压模具端部72和螺纹滚压模具面74。应理解，根据规格和用途等，可以选择用于螺纹滚压模具制造的材料中的任何一种作为合适的材料，例如，硬质合金、工具钢、高速钢(如M42等)和其他材料。
图5A示出了根据本发明一个实施例的在镁中装配的螺纹成型螺钉的剖面图。图5B示出了在镁中装配的螺纹成型螺钉的显微照相剖面图，而图5C示出了图5B的螺钉的放大图，其示出了根据本发明一个实施例的在镁材料中具有圆形螺纹结构变形的螺纹成型螺钉，而对配合件没有任何层喷发、螺纹缺损和/或断裂。图5A示出了在低延展性材料工件中钻的导向孔50并具有在螺纹的小径24和大径26之间的直径82。在图5B-5C中，为螺纹成型螺钉在镁凸台/板80中与导向孔50接合的显微照相剖面图。本发明的实施例专为消除攻丝操作而设计，并通过理想的牙侧接合56和材料52从牙侧44向牙根18的变形形成坚固的螺纹。图5C更具体地示出了图5B中所示的没有裂纹、层喷发、螺纹缺损的细节。
虽然在前面的描述中已经说明了本发明的优选实施例，本领域中的技术人员应理解，在不背离本发明的情况下，在设计或结构的细节上可以进行许多变动或改进。
Claims (12)
1.一种螺纹成型螺钉式螺纹紧固件，用于紧固至由延展性材料构成的工件中所形成的孔内，所述紧固件包括：头部，具有将与推进工具接合的推进部；和杆部，具有螺纹，所述螺纹具有小径和大径，所述大径限定螺钉的螺纹牙顶，而所述小径限定螺纹牙根，相邻螺纹牙顶之间的螺钉螺纹表面形成螺纹牙侧，所述螺纹牙侧具有恒定半径。
2.根据权利要求1所述的紧固件，其中，所述螺纹牙侧的表面是连续平滑的。
3.根据权利要求1或2所述的紧固件，其中，牙侧之间的螺纹牙侧过渡的表面具有恒定半径。
4.根据权利要求1或2所述的紧固件，其中，所述螺纹、螺纹牙顶、螺纹牙根以及螺纹牙侧被设置以使延展性材料变形，而不会使工件的周围延展性材料开裂或损坏。
5.根据权利要求4所述的紧固件，其中，所述螺纹被设置以使所述工件的延展性材料抵靠所述螺纹牙侧的表面而变形。
6.根据权利要求1或2所述的紧固件，其中，所述螺纹牙侧的半径限定一结构圆。
7.根据权利要求6所述的紧固件，其中，限定一结构圆的所述螺纹牙侧的半径确定螺距。
8.根据权利要求7所述的紧固件，其中，由共享一个螺纹牙顶的相邻结构圆之间的切线来确定所述螺距。
9.根据权利要求1或2所述的紧固件，其中，所述紧固件的螺距允许朝向所述螺纹牙根的最大的延展性材料位移。
10.根据权利要求1或2所述的紧固件，其中，在所述延展性材料中钻的孔为导向孔。
11.根据权利要求1或2所述的紧固件，其中，所述紧固件的大径在0.4mm及以上的范围内。
12.一种用于制造螺纹成型螺钉式螺纹紧固件的螺纹滚压模具，所述紧固件用于紧固至由延展性材料构成的工件中所形成的孔内，所述紧固件包括：头部，具有将与推进工具接合的推进部；和杆部，具有螺纹，所述螺纹具有小径和大径，所述大径限定螺钉的螺纹牙顶，而所述小径限定螺纹牙根，相邻螺纹牙顶之间的螺钉螺纹表面形成螺纹牙侧，所述螺纹牙侧具有恒定半径，所述螺纹滚压模具包括具有与所述螺纹成型螺钉相同轮廓的模面。
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