CN102042289B - 铆接式销紧固件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透过在产生头部和置换器的同一锻造期间同时产生下切来形成的铆接式紧固件。将在上冲模和下冲模之间的紧固件坯料以端对端方式加压，由此，坯料的轴向加压使柄部在其中线向外鼓起。同时地形成由柄部的曲线形鼓起部分提供的锥形端部和正切的干涉带。因为鼓起部分的形成，下切在该鼓起部分和从紧固件的头部各向下延伸的肩部之间产生。这成形方法以及由此所产生的紧固件特别适合于制造具有直径在1毫米范围内的小型铆接式销。

Description

铆接式销紧固件

相关申请

本专利申请涉及于2009年10月23日提交的名称为“铆接式销紧固件(Clinch Pin Fastener)”的美国临时专利申请第61/254,467号，并且要求该申请的优先权。

技术领域

本发明涉及紧固件，其透过围绕紧固件的板材的冷流与金属板材连接。这种紧固件一般称为铆接式紧固件(Clinch type Fastener)。

发明背景

铆接式紧固件透过紧固件的置换器部件以及直接在该置换器之下设置的下切(undercut)而使紧固件固定在其安装的板材中。当紧固件被压入适当大小的孔时，来自孔边的金属被置换器压入围绕在紧固件圆周的下切中。当制备固定螺栓或铆接式螺栓时，通常把头部和置换器锻造成销坯。然后，在第二工序中把下切轧在所述部件中。通常，同时亦会把螺纹轧在销的主体上。当不需要螺纹时，仍需要所述第二工序来形成下切，该第二工序还造成额外的部件清洁费用。因此，本技术领域需求一种在没有所述第二工序的情况下形成的包括所有必须的工作部件的铆接式紧固件。

发明内容

为了满足本领域的上述需要，本发明透过在形成头部和置换器的同一锻造操作期间产生下切以消除铆接式紧固件的第二成形工序。与下切同时在本发明的紧固件中形成的其它部件为由在柄部的曲线形鼓起部分(bulge)提供的锥形端部和正切的干涉带。根据本发明，这些组成部分的配置对于直径在1毫米范围内的紧固式销极为重要，因为非常小的固定部件需要使置换器的直径和高度以及下切的直径和柄部的直径之间保持非常紧的公差。本文所述的固定销(clinching pin)包括正切的干涉带和锥形端部，它们一起引导部件穿过在连接板材中的非常小直径的孔，而仅仅在孔和紧固件之间在干涉带直径上造成轻微的干涉配合。这使在板材中所产生的应力最小，因而消除了在孔的内壁与固定销的外径之间的任何公差。

更具体地说，申请人创作了一种整体的金属紧固件，该紧固件具有最上面的头部，该头部为紧固件的最大直径；向下轴向延伸并且直接定位于该头部下面的肩部，以及包括把材料置换到紧固件的安装位置中的环形底部置换器表面(annular bottom displacer surface)。桶形柄部直接定位于该置换器表面下面并且形成位于柄部和肩部的接合点的下切的上边界。柄部的顶部的向外扩张的锥形弧形表面从下切向下延伸。桶形柄部具有中线鼓起部分，该中线鼓起部分沿柄部的表面形成干涉带以及为柄部的最大直径。柄部的渐缩锥形表面从干涉带向下延伸到紧固件的底端。

形成上述紧固件的方法包括对具有减小直径的头部、肩部和柄部的紧固件坯料进行冷锻。将在上冲模和下冲模之间的坯料以端对端方式加压，由此，坯料的轴向加压使柄部在其中线向外鼓起。继续进行加压直到下切在肩部的环形表面与鼓起部分之间形成。下冲模包括具有以角度30°扩张的侧表面的锥形凹处以及包括居中的向上延伸凸起的底压表面。柄部紧固件坯料的长度是在选定的长度直径比的范围之内，以致于所述紧固件在形成时会鼓起以及在紧固件坯料加压期间不会被压垮。

在一实施例中，本发明用于形成部件的组件，该组件包括具有孔的嵌板以及与嵌板面对面定位的板材。板材具有与嵌板的孔对齐的孔。通过把肩部的置换器表面压向嵌板，因为所述紧固件穿过所述嵌板孔并且进入板材孔，使板材的冷流进入下切，而使紧固件的柄部刚性固定到板材。

因此，本领域的普通技人员应当明白，在本发明揭示的内容的基础上，可容易地利用本发明的构思来设计其他结构、方法和系统，以实现本发明多个目的。

附图说明

图1为本发明的铆接式紧固件的右仰视立体图；

图2为用于产生本发明的锻造操作的两部分简图；

图3为本发明在安装程序之前和之后的两部分剖视图；以及

图4为本发明的安装程序的两部分正视剖视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的固定销为具有头部11、置换器肩部13和下切15的锻造金属部件，下切15接收来自该部件被压入的板材的金属冷流。本发明的固定销进一步包括锥形端部16以及沿着它的桶形柄部的最大直径的圆周干涉带18。如在以下进一步所述，这销的所有部件在一次成形操作中产生。具体地说，这部件用于把两块板材连接在一起。顶嵌板可被固定在销的头部之下而销的主体则被铆入到底板材中。

图2示出了本发明的紧固件采用众所周知的包括上冲模21和下冲模23的冷锻装置形成。首先在产生标准螺栓或螺杆的任何镦头操作(heading operation)中形成头部和置换器。如图2所示，紧固件的主体然后透过在销的头部和端部之间进行加压而形成。下冲模23包括用于形成柄部主体25的锥形工具26。该工具具有30°的坡口角度(included angle)使工具可易于从部件脱离。根据以下的实施例，成形工具在部件的端部加压使部件在工具之上形成鼓起部分18。销的原直径在销和置换器的界面保持相对恒定，这因而形成了微小的下切直径(minor undercut diameter)15。

在成形操作期间，关键的是销的直径和长度使紧固件产生压缩并且不被压垮。采用长度直径比来达到这条件：

S＝L_e/r，其中S是长度直径比，L_e是圆柱形柄部的有效长度，以及r是回转半径。对于简单的圆柱体来说：

r＝D/4

其中D是销的柄部在锻造之前的直径。

装配销的成形步骤可用圆柱形柄部的头部端被固定及自由端被钉住来建模。在这情况下：

L_e＝0.707×L

其中L是销从头部以下至端部的实际长度。

临界长度直径比可定义为：

$S_{\mathrm{cr}}=\sqrt{(2\×{\mathrm{\π}}^2\×E)/\left({\mathrm{\σ}}_y\right)},$ 其中：

S_cr是临界长度直径比

E是一给定材料的弹性模数，以及

σ_y是一给定材料的屈服应力。

销的长度这样保持，使得销的长度直径比“S”小于临界长度直径比“S_cr”。这条件可保证销在成形的时候会鼓起并且在处理期间不会被压垮。

这销的第二设计变量是置换器与下切的体积比。为了得到最大的拉出性能，最好把紧固件的下切完全填满。为了达到这目的，置换器的嵌入部分的直径和高度被调整为使(置换器的体积)/(下切的体积)的体积比“VR”大于1。置换器的体积为带孔的普通圆柱体，这样，它的体积可易于由下式计算：

V_disp＝(π×h)×(r²-r_h ²)

其中“r”是置换器的半径，r_h是装配孔的半径，以及“h”是置换器的嵌入高度。下切的形状近似为循环三角形以计算它的体积，但亦可用图形或计算器建模的方法得到更准确的体积。这成形方法特别适合于具有直径在1毫米范围内的小型铆接式销。

如图3所示，当完全形成后，本发明的铆接式销具有头部11，置换器13、肩部15、干涉带18，以及锥形端部16。头部的用途是把任何材料的嵌板10固定到金属板材12，就像钉子或螺杆的头部能够固定任何被它紧固的对象。如图3的“之后”图所示，置换器直接位于紧固件的头部之下并且由两部分组成。如在这图中所描述，置换器的第一部分包括由直接位于头部下面向下至与板材连接的点的部分。因而，置换器有一部分是不会被压入板材中。置换器的这部分保持在被连接的顶嵌板10中并且其高度与顶嵌板的厚度非常接近相同。如“之后”图中所描述，置换器14的下部分是被压入板材12且把材料置换到直接位于它下面的下切中的部分。流入下切中的材料被困在紧固件的干涉带之上以使紧固件固定在板材中。

图4示出了本发明的一具体实施例，图中本发明的铆接式销用于连接3个组件，包括顶嵌板31、中间板材33以及底板35。当销铆入底板时，中间板材33变为被夹在顶嵌板与底板之间。要正确安装本发明的铆接式销，首先要准备待连接的嵌板、板材和底板。底板35必须具有孔，在这情况下，该孔为具有直径等于或较紧固件的干涉带18的直径略小的盲孔34。顶嵌板31必须具有较置换器30的直径略大的孔，以及嵌板的厚度必须容纳在置换器的高度中。

这组件由以下的方式产生。在嵌板、板材和底板已适当地准备的情况下，首先把底板35放置在砧上，把板材和顶嵌板放置在底板上并对齐安装孔。然后把紧固件36的锥形端部通过顶嵌板中的孔并且部分插入底板的孔34中。最后，如图4的下图所示，用于抵靠紧固件的头部37的平冲头38把紧固件压入孔中直到紧固件的头部底面与顶嵌板31接触。置换器30的高度这样确定，使得当头部底面与顶嵌板接触时，下切41被来自底板35的材料的冷流填满。在接触后对头部进行额外施力以进一步固定该连接。

因此，上述仅仅是对本发明的原理的示范性描述。其它各种变化或者改型对本领域的技术人员来说是显而易见的。本发明不应被限制于与以上的描述和附图完全相同的结构和操作。所有适当的变化和等同物均应落入本发明的范围之内。

Claims (16)

1.一种整体的金属紧固件，所述紧固件包括：

最上面的头部，所述头部具有所述紧固件的最大直径；

肩部，所述肩部向下轴向延伸并且直接定位于所述头部下面，且包括把材料置换到所述紧固件的安装位置中的环形底部置换器表面；

桶形柄部，所述柄部直接定位于所述置换器表面下面；以及

下切，位于所述柄部和所述肩部的接合点，所述下切的上方由所述置换器表面限制以及下方由所述柄部的顶部的向外扩张的锥形的弧形表面限制。

2.如权利要求1所述的紧固件，其特征在于：所述桶形柄部进一步包括在所述柄部的表面上具有圆周干涉带的中线鼓起部分，所述带具有所述柄部的最大直径。

3.如权利要求2所述的紧固件，其特征在于：所述柄部进一步包括从所述鼓起部分向下延伸到所述紧固件的底端的渐缩锥形底部。

4.如权利要求3所述的紧固件，所述干涉带的直径较所述肩部的直径小。

5.一种冷锻金属紧固件的方法，所述方法包括：

提供具有由顶至底顺序减小直径的头部、肩部和柄部的紧固件坯料；

将在上冲模和下冲模之间的紧固件坯料以端对端方式加压，由此，坯料的轴向加压使柄部在其中线向外鼓起；以及

继续进行加压直到下切在所述鼓起部分和所述肩部之间连续地形成。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述下冲模的凹处包括在该凹处底部的环形加压表面以及与所述紧固件坯料同轴定向的向上延伸的凸起。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述紧固件是具有直径约1.0毫米的铆接式销。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述鼓起部分为在所述柄部中间的弧形表面。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述下冲模包括接收所述紧固件坯料的锥形凹处。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述锥形凹处具有以角度30°扩张的侧表面。

11.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述柄部紧固件坯料的长度 是在选定的长度直径比的范围之内以使所述紧固件在成形的时候会鼓起以及在紧固件坯料加压期间不会被压垮。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述长度直径比小于 其中E是弹性模数以及σ_y是坯料的屈服应力。

13.一种包括如权利要求1所述的紧固件的组件，所述组件包括：

具有孔的嵌板；

与所述嵌板面对面定位的板材，所述板材具有与所述嵌板的孔对齐的板材孔，其中，通过把所述置换器表面压向所述板材，因为所述紧固件穿过所述嵌板孔并且进入所述板材孔，使板材的金属冷流进入所述下切而把所述紧固件的柄部刚性固定到所述板材，由此所述嵌板置于所述紧固件的头部与所述板材之间。

14.如权利要求13所述的组件，其特征在于：所述紧固件的柄部的鼓起部分与所述板材干涉配合。

15.如权利要求13所述的组件，其特征在于：所述板材孔是盲孔。

16.如权利要求14所述的组件，其特征在于：所述干涉配合在所述柄部的鼓起部分上的干涉带与所述板材孔的内壁之间发生。