CN107923431A - 锥形头铆接式紧固件 - Google Patents

Abstract

一种具有锥形头部的紧固件，所述锥形头部与冲孔薄板中的锥形孔摩擦匹配。利用与面板顶部保持齐平的紧固件头部来实现摩擦附接。如果将较软材料制成的第二面板靠在第一面板的背面而放置于下方，则在相同加压步骤中，紧固件的柄部上的铆接特征会附著于第二面板并且将两块面板面对面地附接。锥形头部与顶面板的附接利用了两种不同的附接现象：锁定锥度和粘扣的附接，后者取决于材料的选择，如不锈钢。

Description

锥形头铆接式紧固件

相关申请

本专利申请是2016年7月28日提交的题为“锥形头平头销”的美国临时专利申请第62/197,850号的正式专利申请，并在此要求其优先权。

技术领域

本发明涉及用于以面对面构造连接金属面板的紧固件。

背景技术

为了用穿过第一面板中的孔的紧固件来附接第一面板和第二面板，该紧固件通常必须具有一抵接或附接于第一面板的头部。在一些构造中，该紧固件的头部与第一面板齐平或略低于第一面板。在这样的构造中，第一面板通常要足够软，使紧固件的头部嵌入面板来达到齐平的结果。然而，如果第一面板由非常坚硬的材料构成，这选项是不可能的。因此，所希望的是提供一种连接顶面板和底面板并且被嵌平安装到顶面板的紧固件。还希望的是提供一种嵌平安装紧固件，其能被嵌平安装到由非常坚硬的材料所构成的面板中。

粘扣(galling)是滑动面之间的一种磨损形式，其中附接是摩擦和粘附的结果。在有一将表面压在一起的强大力量存在下，当两个表面上的材料随着接触表面被拉动时，就会发生粘扣。粘扣是由表面之间的摩擦和粘附的组合所造成，随后涉及材料的晶体结构的撕裂。因此，还希望的是提供一种匹配金属面板的组件，其中面板材料的成分及附接过程是经过特别选择，以利用粘扣作为主要或次要的附接机制。

发明内容

在金属薄板冲孔期间，该薄板支撑在一模具上，该模具具有一稍大于冲头的孔，为冲头和废料的通过提供间隙。当冲出孔时，在薄板的相对侧上将所述孔的一部分撕扯至支撑模具的较大直径。图2示出了这情况，使得利用所述紧固件进行的装配容易，其结果是孔的一部分朝模具方向渐扩(径向扩张)。

在一个优选的实施例中，本发明提供了一种铆接式紧固件，该铆接式紧固件被构造和配置成接合顶面板和底面板，一旦安装完成，该铆接式紧固件与顶面板齐平。在另一个优选的实施例中，本发明包括一种铆接式紧固件，用于齐平接合由硬质材料制成的第一面板及由相对较软的材料(例如铝)制成的第二面板。该紧固件具有一个锥形头部，该锥形头部与冲孔薄板中的上述锥形孔摩擦匹配。藉由翻转该冲孔薄板使模具侧朝上，然后将紧固件装入锥形孔的模具侧以完成摩擦接合，而紧固件头部与面板的顶部保持齐平。如果在相同的加压步骤中，将较软材料的第二面板放置在第一面板下面并抵靠在第一面板的背面上，则该紧固件的柄部上的铆接特征将会附接至第二面板，提供两块薄板的面对面接合。该锥形头部与顶面板的接合利用了两种不同的附接现象：锁定锥度；以及取决于材料的选择的粘扣。

在一个优选的实施例中，本发明包括一铆接式紧固件，所述紧固件从上到下包括：截头圆锥头部，所述截头圆锥头部具有基本上垂直于紧固件的中心垂直轴线的底面；底切部，所述底切部直接定位于所述头部下面；以及柄部，所述柄部位于紧固件的底部并且直接定位于所述底切部下面。该紧固件的头部较佳地具有基本上平行于所述底面的平的顶面，该紧固件的横截面为圆形，并且相对于所述垂直轴线对称。该紧固件的柄部可以是桶形并且具有一锥形的远底端。

在另一个优选的实施例中，本发明包括第一顶面板和第二底面板的组件。该第一顶面板具有带两个同心部分的第一复合圆孔，亦即，锥形上部向下收敛至具有直径均一的连续下部的接合处。第二底面板被定位成与该第一面板面对面，该第二底面板的第二圆孔与该第一圆孔的下部成一直线。具有截头圆锥头部的铆接式紧固件连接第一面板和第二面板。该紧固件头部较佳地与第一面板的顶面齐平，并以藉由粘扣附著于该第一顶面板。该紧固件还包括底切部，用于接纳来自该底面板的金属冷流。在一个实施例中，该紧固件和该顶面板可以由不锈钢构成。

在又一个实施例中，本发明包括匹配金属面板的组件，其中面板材料的成分及附接过程是经过特别选择，以利用粘扣作为主要或次要的附接机制。在这实施例中，该组件可利用上述本发明的连接器，并且利用锁定锥度和/或粘扣的附接现象，将金属面板面对面连接。

这些及其他目的和优点由以下附图及优选实施例的描述将会变得显而易见。在详解本发明的许多实施例之前，应当理解的是本发明并不局限于其应用或以下描述和附图所示的构造细节。本发明能够以其他方案来实施，并通过各种方式实现其他实施例。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的紧固件的底部和前方透视图；

图2是根据本发明的另一个实施例的冲头、模具及金属面板的剖视图，图中示出了组件的金属面板中的冲孔的形状；

图3是图1所示的紧固件连接两个金属面板的放大剖视图；

图4A和图4B是一放大前视图，图中示出了图1所示的紧固件在安装过程中的锁定锥度力；以及

图5A至图5D是一系列放大剖视图，图中示出了根据本发明的又一个实施例的固定两个金属面板的方法以及面板组件。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个优选实施例的紧固件一般由附图标号10表示。在这实施例中，紧固件10包括：铆接式紧固件，所述铆接式紧固件具有带有底面15的锥形截头圆锥头部11；底切部13；以及桶形柄部17。底面15用作为接纳(下)面板34中材料的置换器。底切部13从底面15延伸，接纳下面板34的置换材料。桶形柄部17具有锥形远端，用于引导该紧固件进入金属面板的接纳孔。底部置换器表面15被定位成基本上垂直于中心垂直轴线“A”。

图2示出了用于在金属面板中制造接纳孔的冲头20和模具22，其中紧固件10插入所述接纳孔。冲头20通常被研磨至一定尺寸，该模具必须具有间隙孔25，使冲头20和废料可以通过。在冲孔后，面板24中的孔的轮廓具有上直壁部分23和下锥形撕扯部分26，该下锥形撕扯部分26的直径大于该上部分。术语“上”部分和“下”部分参照图2所示的面板的定向说明；然而，图3和图5所示的该面板是倒置(相对于图2)的，该直壁部分位于孔的下部分，而该锥形部分则位于孔的上部分。

图3示出了两个面板32、34的放大图，该面板32、34使用上述紧固件10连接，并且根据本发明的一种组装方法进行安装。在这实施例中，紧固件10的头部11的形状通常与该上面板32中的孔的形状互补。紧固件10的头部11的尺寸被制成在安装后与顶面板32的顶面30齐平。锥形头部11保持在朝上方向将上面板32卡在紧固件10的机械能力。在图3所示的组件中，底面板34由较紧固件10软的材料构成，故允许使用铆接底切部13。置换器表面15将金属从底面板34推入刚好位于柄部上方的底切部13中，并将紧固件10保持至底面板34。在一个优选的实施例中，顶面板32的硬度几乎与紧固件10的硬度相同。

图4A和图4B示出了紧固件10的锁定锥度特征，图中示出了如图1和图3所说明的紧固件10的安装和静止状态。图4A和图4B示出并说明了确定自锁所需的最小锥形必须的力和方案。均匀分布锥形的正交力“Fn”在圆锥形截面“Dm”处的中线上被建模。简单来说，当摩擦力的垂直分量超出正交力的垂直分量且安装力被移除或等于零时，该锁定锥度将紧固件的锥形部分保持在顶面板中。该摩擦力的作用方向与紧固件被压入的方向相反。当该安装力被移除时，该正交力的垂直分量用于将紧固件推出顶面板。该摩擦力则以相反方向将紧固件保持在位。

参照图4A和图4B的静态图，拔出锥形连接器理论上所需要的力“Fe”可以计算如下：

在“Y”方向上的力的总和：

可理解的是，摩擦系数其中是隐性摩擦角

针对锁定条件：

Fe＝0

因此：

α＝2*arctan(μ)

用于锁定的角度可根据摩擦系数定义如下：

α≤2*arctan(μ)

α＝2*arctan(.06)所以α＝6.87°

该锁定锥度力(Fe)使用0.06的金属对润滑金属的保守摩擦系数来计算。

在另一个优选的实施例中，在计算锁定锥度力(Fe)、锥形孔的尺寸、以及锥形头部的尺寸时考虑了“粘扣”，其是匹配薄板之间的另一种起作用的锁定机制。粘扣是滑动表面之间的一种磨损形式。针对图1至图5所示的紧固件和组件，滑动表面是紧固件10的锥形头部11和硬面板24中的冲孔之间的界面。当存在一强大力量将所述表面压紧在一起，且来自两个表面的材料随着该接触表面拉扯时，就会发生粘扣。粘扣是由表面之间的摩擦和粘附的组合所造成，随后涉及材料的晶体结构的撕裂。粘扣表面在匹配表面上沉积材料，从而有效地形成摩擦或冷焊。易被粘扣的常见材料为钛、不锈钢、及铝。

图5A至图5D示出了根据本发明一个优选实施例的两个匹配面板的组件和面板的组装方法。如图5A所示，紧固件10最初以如附图所示的方向定位在顶面板32的孔中，并且与锥形表面适当地对准。然后，如图2所示，冲压工具53把紧固件10从孔的锥形侧向下压入顶面板32，而底面板34由砧座54支承。然后，如图5C和图5D所示，当工具53以足够的力按压紧固件10抵靠砧座54时，来自两个面板的材料细微流动以形成两个面板之间的一致的边界，其在高压力下于紧固件10和面板32、34之间产生非常紧密的配合。在这配置中，紧固件10仅可从其安装的相反方向取出。此外，该锥形紧固件头部11通过上述锁定锥度力或粘扣或两者锁定在顶面板32中。

图5A示出了冲孔的轮廓，所述冲孔具有一具有直壁的第一部分和一为圆锥形且面朝上的第二部分。当该紧固件进行安装时，图5B和图5C示出了该紧固件和硬质顶面板之间的界面如何在一共同几何中成为一体。压力导致顶面板细微流动成完全锥形，且与紧固件10完美匹配。该锥形头部锁定紧固件在匹配锥形表面之间具有较大的力，以及在安装过程中具有较大的摩擦。在本发明的一个示例性实施例中，当不锈钢紧固件被压入硬质不锈钢顶面板时，就会发生粘扣，并帮助该紧固件保留其中。同样的方法可适用于容易发生粘扣的金属的任何其他组合。图5D示出了铆入较软底面板54的完全安装的紧固件，造成所述两块面板的附接。

上述说明只是阐释本发明的原理及可能的实施例。此外，由于本领域中的技术人员很容易想到许多其他的修改和变化，故本发明不应局限于所示出的及描述的结构和操作。因此，适当的修改及等同物的被利用，均落在仅由以下请求项及其法律上均等范围所断定的本发明的范围。

Claims (11)

1.一种铆接式紧固件，所述紧固件从上到下包括：

截头圆锥头部，所述截头圆锥头部具有底面，所述底面基本上垂直于所述紧固件的中心垂直轴线；

底切部，所述底切部直接定位于所述头部下面；以及

柄部，所述柄部位于所述紧固件的底部并且直接定位于所述底切部下面。

2.如权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述头部具有平的顶面，所述平的顶面基本上平行于所述底面。

3.如权利要求2所述的紧固件，其特征在于，所述紧固件的横截面为圆形，并且相对于所述轴线对称。

4.如权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述柄部的远端为锥形。

5.如权利要求4所述的紧固件，其特征在于，所述柄部为桶形。

6.一种组件，所述组件包括：

第一顶面板，所述第一顶面板具有带两个同心部分的第一复合圆孔，锥形上部向下收敛至具有直径均一的连续下部的接合处；

第二面板，所述第二面板被定位成与所述第一面板面对面，所述第二面板的第二圆孔与所述第一孔的下部成一直线；以及

铆接式紧固件，所述铆接式紧固件的截头圆锥头部连接所述第一面板和第二面板。

7.如权利要求6所述的组件，其特征在于，所述紧固件头部的顶面与所述第一面板的顶面齐平。

8.如权利要求7所述的组件，其特征在于，所述紧固件具有底切部，用于接纳来自所述底面板的金属冷流。

9.如权利要求6所述的组件，其特征在于，两块面板均由金属构成。

10.如权利要求6所述的组件，其特征在于，所述紧固件头部藉由粘扣作用附著于所述第一面板。

11.如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述紧固件和所述顶面板由不锈钢构成。