CN1291805C

CN1291805C - 紧固的方法

Info

Publication number: CN1291805C
Application number: CNB028279387A
Authority: CN
Inventors: 德里克·克拉奇利; 乔纳森·李·布鲁尔; 基思·德纳姆
Original assignee: Textron Fastening Systems Ltd
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: DE60238505D1; EP1455970A1; ATE490039T1; ZA200404725B; WO2003051557A1; KR20040072656A; CA2470005A1; CA2470005C; JP4133826B2; CN1617777A; EP1455970B1; AU2002350958A1; US20050155212A1; ES2355134T3; US7503106B2; GB2383106B; JP2005511319A; AU2002350958B2; GB2383106A; TWI221886B

Abstract

一种用于把一个或多个有孔的部件(48)固定到一个有孔的工件(52)上的方法和紧固件，所述一个或每一个部件(48)的孔(50)与工件(52)上的孔(54)对齐，所述方法包括的步骤为，把一个紧固件(10)插入到所述对齐的孔内，所述紧固件(10)由延性材料制成，并有一个头(14)、一个体干(12)和一个贯穿体干(12)并进入头部(14)的轴向孔(22)，所述体干(12)是圆环形整体，并具有外螺纹(18)，所述紧固件(10)被如此插入，以致其头(14)与所述一个部件(48)的表面啮合，而且其体干(12)贯穿所述一个或每一个部件(48)并进入到工件(52)内，所述螺纹(18)中至少有一部分是在工件(52)内，于是，在于头部(14)支撑紧固件(10)的同时，沿着从其尾端到头部(14)的方向，将一个增大了的且在一端渐缩的心轴头(32)拉入并且完全穿过紧固件孔(22)，所述心轴头(32)能够使该孔(22)膨胀，从而沿其长度使该孔(22)均匀扩大，并使该体干(12)径向延性膨胀到足以导致其外螺纹(18)嵌入到工件(52)内，同时紧固件(10)的体干(12)在长度上出现轴向延性减少。

Description

紧固的方法

本发明涉及一种采用如在美国专利US4642010及US4701993中所述的那些紧固件进行紧固的方法，读者所参考的这两份专利用于本发明的背景。

在这样的先有技术铆钉中，在被联接部件中的紧固力是通过使铆钉头变形而获得的，如此使铆钉头的径向朝外部分朝着铆钉尾端移动(美国专利US4701993中的权利要求4)。实际上这里所涉及的一个问题是，为了达到所需要的效果，该铆钉头要经受严重的变形——通常该头的几何形状为120°夹角的埋头孔，埋头孔在铆钉安装期间变形成120°的圆锥形状(参看US4701993中图3和4)。这意味着头的形状完全颠倒。这会对如镀锌或镀镍的通常加于铆钉上的保护层产生削弱或破坏作用。此外，对某些用户来说，从美观的角度看，最后形成的锥形头形状是不可接受的。

对于先有技术的铆钉，在不必要或者不希望提供联接紧固力的应用场合，具有非变形头的铆钉很可能被采用(US4701993的第7栏第7行)。

本发明的目的在于设法减少为在不同的应用场合中提供不同形状紧固件的需要，并且还在于提供由此改进的紧固方法。

在其中一个方面，本发明的目的在于提供一种把一个或多个有孔部件固定到一个有孔工件上的方法，所述一个或多个部件的每一个部件的孔与工件上的孔对齐，所述方法包括的步骤为，把一个紧固件插入到所述对齐的孔内，所述紧固件由延性材料制成，并有一个头、一个体干和一个贯穿体干并进入头部的轴向孔，所述体干是圆环形整体，并具有外螺纹，所述紧固件被如此插入，以致其头与所述一个部件的表面啮合，而且其体干贯穿所述一个或每一个部件并进入到工件内，所述螺纹中至少有一部分是在工件内，然后，在其头部支撑紧固件的同时，沿着从其尾端到头部的方向，将一个增大了的且在一端渐缩的心轴头拉入并且完全穿过紧固件孔，所述心轴头被设置成能够轴向压缩位于心轴头和紧固件头上的支撑之间的紧固件体干，且能够使紧固件孔膨胀，从而沿其长度使该孔均匀扩大，并使紧固件体干径向延性膨胀到足以导致其外螺纹嵌入在工件内，同时紧固件体干在长度上出现延性的轴向减少。

现在，通过实例并参照附图，对本发明的实施例进行描述，其中：

图1是一种作为产品的未使用的紧固件的侧视图；

图2为图1的紧固件在安装到一个工件的过程中初期的局部剖面侧视图；

图3与图2类似，显示了安装完成后的剖面图；

图4为已完成安装的紧固件的一部分的放大剖面图；

图5显示了安装后紧固件上螺距的变化图；

图6显示了安装在一个具有锥形孔工件上的图1紧固件的剖视图；

图7显示了图6所示紧固件螺距上的变化图；

图8～11以局部剖面的方式显示了图1的紧固件被安装在一个接合处的渐进阶段，在该接合处，一个非硬质部件被固定到工件上。而且图8～11还显示了一种形状的安装器械的一部分；以及

图12～15以局部剖面的方式显示了包含着另一种形状的安装器械的一部分的图1紧固件被安装在一个接合处的渐进阶段，在该接合处，被联接部件之间的空隙由紧固件封闭。

参见图1，紧固件10有一个大体上呈圆柱状的细长体干12以及在一端径向增大的头14(体干的头端)。体干的一部分16的外表面有螺纹18。螺纹18的截面呈V形，并带有牙顶20。在本实施例中，牙顶20的两个齿侧面在牙顶20相交成90°的角。在螺纹的相邻螺圈之间的齿侧面形成了大体上为V形的槽。

该紧固件有贯穿体干与头的轴向孔22，该孔22的直径大体上为常数，不过在其头端有一个埋头孔24。

该紧固件由碳素钢制成，并且其硬度，例如要大于铝、镁以及诸如可模塑成工件的各种工程塑料，该紧固件可希望用于安装在其中。

紧固件的材料是充分可延展的，使得体干通过径向膨胀能够变形到这样的程度，以致于在膨胀后体干的螺纹外径(即越过螺纹牙顶的直径)至少沿着螺纹的深度比膨胀前要大些。

参见图2，紧固件10通过这样一套器械来安装，该器械包括一个心轴26、一个环形砧座28以及相对于砧座轴向夹住并且拉拔心轴的工具(未显示)。

心轴26有细长的杆30和在该杆一端的增大头32，杆30能够有间隙地穿过紧固件的孔。心轴头32有一锥形渐缩部分34。在锥形渐缩部分34，心轴直径在离开杆30的方向上逐渐增加到基本上大于紧固件孔22直径的程度，并形成头部的略微伸长部分36，在伸长部分36，如图所示，其心轴横截面的形状是圆形的，或者也可以是正六边形状。心轴由高强度钢制成。

环形砧座28有一个轴向孔道38和在其前端的贴合面40，心轴的杆能够穿过此轴向孔道与夹紧和拉拔工具相配合。在图2～11所示的实施例中，贴合面是平的，在图12～15所示的实施例中，贴合面有一个大体上呈部分球形的中心凹槽42。砧座沿着其轴被纵向分开，形成两个半环状的夹钳44、46，夹钳44、46彼此相同并一起配合构成整个砧座。夹钳沿砧座轴径向分开，以使一个紧固件或者一系列紧固件穿过分开的夹钳并且沿着心轴杆朝着心轴头32向前进给，并因此能够在该个紧固件或者每个紧固件后面又闭合在一起，以便再次配合着提供贴合面40。

所述器械可以用与在重复铆接中采用的基本相同的方法用于安装紧固件。

这样，紧固件10被装于心轴的杆上，从而使该杆贯穿孔22，同耐心轴头32靠近紧固件的尾端，但位于其孔的外边，并且，心轴杆穿过砧座孔道38与拉拔工具配合，从而使紧固件位于心轴头和砧座贴合面40之间。

其它紧固件(未显示)可同时排列在砧座后面的杆上，以备经由夹钳一次一个地装到心轴头和砧座贴合面之间的位置上。

这样，与安装器械相关联的紧固件10被提供给工件，心轴头和紧固件尾端经由部件48的孔50进入到工件52的孔54内，直到砧座把紧固件头推进到与部件48的相邻面配合，而且同样地，推动部件48与工件的相邻面贴合。然后驱动安装器械，拉拔心轴穿过紧固件，如此心轴头被拉入紧固件尾端并贯穿紧固件孔，同时紧固件头由砧座的贴合面支撑。

可知道的是，心轴头的渐缩部分34将圆柱状部分36引入到紧固件的孔内，实际上这样会使紧固件体干从其尾端朝着其头部逐渐膨胀。随着体干的膨胀朝着紧固件头的方向进行，在体干逐渐膨胀部分前缘的外螺纹16的牙顶20首先与工件52的材料啮合并开始嵌入该材料中。此时，啮合螺纹的轴向位置基本上是固定的。

可知道的是，螺纹嵌入工件材料的深度是紧固件膨胀直径和工件孔54直径(d₁)的函数，而且同样地，紧固件的膨胀直径又是紧固件孔22的直径(d₂)、紧固件体干的初始直径(d₃)和心轴头的圆柱状部分36的直径(d₄)的函数。对直径d₁、d₂、d₃和d₄的选择用于确保螺纹嵌入工件的深度不超过螺纹18总高度的一半。这样，参见图3，间隙56保持在膨胀螺纹V形槽的齿根58。如果直径d₁、d₂、d₃和d₄的大小使得齿根58完全或接近完全地被填满工件材料，那么在膨胀处，随之而来的是需要在紧固材料内产生非常高的径向压力。这有两个不希望的结果。首先，心轴上的轴向拉力将相应提高，可能使心轴杆30受力过度。其次，可能使紧固件体干在安装期间伸长。这样，部件48就不会被所安装的紧固件牢固地夹紧到工件52上。

对直径d₁和d₃以及心轴头的锥形渐缩部分34的角度的选择，是在心轴轴向拉力达到足以轴向压缩紧固件的程度以前，使得紧固件体干的逐渐膨胀部分首先与工件材料啮合，并因此大体上轴向固定。

部件48中的孔50是足够大的，足以使紧固件能够在孔内没有受到任何实质的径向约束而膨胀。这样，在部件内膨胀的螺纹部分60的直径比在工件内的螺纹部分62的直径稍大，如图4中尺寸″X″所示。孔50内这种无约束膨胀的结果将使部件内所容纳的那部分紧固件体干在长度上轴向减少。可知道的是，例如，一个由钢制成的紧固件的长度即使少量减少，也将产生很大的拉伸应力，从而在紧固件头和工件之间形成很大的紧固力。对直径d₁、d₂、d₃和d₄的选择，必须确保膨胀的螺纹充分嵌入到工件内，以支承这种紧固力以及施加于在使用时所安装的紧固件的任何拉力，而没有引起螺纹的剥伤。

通过实验已经发现，当被安装在具有5.42mm孔径(d₁)的铸镁工件上时，用以下尺寸制造的本实例紧固件将以预期的方式起作用。其中采用直径3.5mm(d₄)的心轴，4mm厚并具有6.3mm直径孔的部件被该紧固件固定到该铸镁工件上。紧固件的尺寸是：孔22的直径是2.76mm(d₂)，体干的直径(越过螺纹牙顶的直径)是5.3mm(d₃)，体干的长度为16mm，螺距为1.0mm。在此情况下，有30％～40％之间的螺纹深度是膨胀在工件之内。这足以支承施加于紧固件在使用时所受到的任何拉伸荷载。实际上，当过度的拉伸荷载施加于所安装的紧固件时，在螺纹嵌入工件的这种状态上紧固件在工件里所受到的阻力足以引起紧固件破裂，而不是螺纹剥伤。此外，例如，如果紧固扭矩施加于所安装的紧固件时，例如，在采用其头部呈等边六角形的心轴以及六角扳手的情况下，则引起螺纹剥伤的扭矩正好超过所推荐的等效螺钉或者螺栓的最大紧固扭矩(在此情况下，采用M6定位螺钉，8.8级)。

当然，可了解的是，螺纹剥伤扭矩和拉拔应力将取决于紧固件体干在工件中嵌入量(即长度)的多少，这同样也取决于被固定到工件上的单个部件或系列部件的厚度。已经发现，当至少一半长度的体干嵌入工件里时，即在本实例中是8mm，上述所安装的紧固件的强度特性仍可得到维持。

当部件48很薄时，即在上述实例中小于1.5mm厚度时，为了获得紧固效果，可能有必要在工件的孔54内形成一个埋头孔，而紧固效果是在靠近紧固件头的螺纹部位在没有径向约束的情况下膨胀时产生。对于与引用实例具有同样结构的紧固件以及具有例如1mm厚的部件，2mm的埋头孔深度是足够的。

参见图4，在工件内所容纳的那部分紧固件的螺距64基本上是不变的，在引述的实例中，该螺距为1.0mm。然而，在引述的实例中，在部件48内所容纳的那部分紧固件的螺距66已经减少到0.94mm。图5所示的图形中显示了这种效果。

在某些应用中，最好在这样的工件中采用所述紧固件，即工件中接收紧固件的孔由铸造形成。在此情况下，该孔优选有一定的锥度(或斜度)，该斜度的角通常为1°～1.5° (包括1.5°)。本发明的紧固件在这样的渐缩孔内将工作良好。参见图6和图7中螺距的对应图形，为了便于说明，工件中的孔68显示了被放大的锥度。紧固件和孔的尺寸的选择是这样的，即在采用具有最小厚度的部件的情况下，紧固件能够没有妨碍地充分地插入孔内，否则，在部件和工件顶面和/或在部件顶面与紧固件头之间可能有间隙。

图6显示了在极端情况下所安装的紧固件，其中在安装之前，当紧固件经由部件孔插入到工件孔68内时，其体干的远端只与孔68的锥形壁接触，在部件和工件之间或者在部件和紧固件头之间没有间隙。在此情况下，就体干的一部分72而言，膨胀螺纹的嵌入深度可能大于螺纹深度的50％，而由于这将导致紧固件过度的径向约束，因此随着紧固件在该区域膨胀，其体干会在该区域伸长。对于安装在具有1°锥度的工件孔内的本实例紧固件来说，在部分72上所膨胀紧固件的螺距可能是1.03mm。然而，当孔朝着工件顶面逐渐增大时，该径向约束相应地减少，螺纹嵌入深度可能减少到小于螺纹深度的一半。总的效果会使所安装的紧固件在长度上减少，并因此提供所需要的紧固力作用于部件之上。

在被固定到工件上的部件由诸如弹性体材料的非硬质材料制成的应用中，如图8～11所示，在安装期间出现的紧固件长度的减少有压缩部件的作用。如同在上述情况中那样，紧固件以与上述同样的方式经由部件中的孔进入到工件孔内。在此情况中，部件74(图8)是一种弹性体材料。如图9所示，当心轴头被安装器械经由铆钉孔抽出，同时铆钉体干的逐渐膨胀部分的前缘首先与工件材料配合并开始嵌入工件材料里时，如前面所述，嵌入螺纹76(图9)基本上是固定的。当由安装器械施加于心轴杆上的轴向拉力增加时，在紧固件头和嵌入螺纹76之间的紧固件体干部分78上的压缩应力也增加。当拉力进一步增加时，部分78(图10)塑性压缩，直到剩余螺纹80(图10)通过与工件孔的接触以及弹性体部件的变形抗力被抑制膨胀。当拉力再进一步增加时，心轴头完全从紧固件孔中拉出，与上述的方式一样，这种结果将引起紧固件体干的进一步缩短。这使部件74(图11)上的紧固荷载增加，并随之进一步压缩该部件。

实践中已经发现，在某些应用中，部件和工件之间会存在间隙，而间隙不会通过对用于把紧固件与部件和工件相啮合的控制器械进行正常的推动作用而封闭。当间隙小时，就本发明的铆钉而言，铆钉体干的缩短效应可足以封闭间隙并在部件上产生紧固力。在部件和工件之间可能存在较大间隙的那些应用中，按照本发明，如上所述的铆钉可以连同砧座82(图12)一起被采用，其中砧座82在砧座与紧固件头的邻接面有一个凹槽42。凹槽42的几何形状和深度的设计是这样的，即首先，紧固件头84(图15)的最终变形后的形状外观从美观的角度看是可接受的；其次，由于紧固件的安装导致其头部变形的程度不能太大而破坏其头部上的保护层；并且第三，紧固件头的周缘相对于体干的轴向位移足以使部件朝着工件移动并封闭所存在的间隙。

下面参见图12～15以详细描述本发明的实施例。

参见图12，如上述情况中那样，紧固件经由部件48的孔50进入工件52的孔54内，直到砧座推动紧固件头与部件48的邻接面相啮合。在此情况下，在部件和工件之间有一个间隙86。然后驱动安装器械，经由紧固件拉拔心轴，于是心轴头32从紧固件孔中拉出，同时紧固件头由砧座的贴合面88支撑。在安装过程的初始阶段，如图12和13所示，砧座的贴合面88与靠近其周缘的紧固件头接触。如此，直到心轴头使紧固件体干尾端的螺纹部分90(图13)膨胀并与工件啮合，这样紧固件体干的尾端被轴向固定到工件上。当进一步的拉力施加于心轴上时，更大直径的螺纹部分92(图14)膨胀而与工件啮合，同时在砧座82和紧固件头之间的反作用力足以使紧固件头变形，以致头的周缘朝着工件变形，于是导致部件48朝着工件52移动并与之接触，由此消除了在部件和工件之间可能存在的任何间隙。对于任何给定的紧固件材料和冶金条件，通过仔细选择紧固件头和砧座凹槽的几何形状，使得紧固件头变形的荷载是可被控制的，如此在心轴拉力的作用下，紧固件头将变形到所需要的程度，其中心轴拉力要大于形成啮合螺纹部分90(图13)所必需的荷载，而要小于从紧固件孔完全拉出心轴头所需要的最大拉力。如上述情况中那样，在部件48的孔50(图15)内所容纳的膨胀的紧固件体干部分不具有膨胀嵌入工件的那部分体干所具有的径向约束。如在上述情况中那样，在孔50内无约束膨胀的结果将使在部件内所容纳的那部分紧固件的长度轴向减少，从而在紧固件头和工件之间形成紧固力。可知道的是，在需要将一个部件固定到一个工件上的许多应用中，在不同场合可采用不同的紧固件。根据特殊部件和工件的不同，在一些场合中，部件和工件之间可能有间隙，如86(图12)所示，而在其它场合，却没有间隙。在这样的应用中，不管是否有间隙，在每个场合都明显希望采用同样的紧固件和同样类型的安装器械。当在部件和工件之间没有间隙时，本实施例的紧固件和安装器械将工作良好。在此情况下，相应地参见图13，当紧固件体干的最初几个螺纹与工件已经啮合，并且因此体干尾端被轴向固定到工件上，随着拉力进一步作用于心轴，在紧固件头上砧座的反作用力将迫使紧固件头变形。然而，如果在部件和工件之间没有间隙，并且如果部件由诸如铝或碳纤维复合材料或钢那样的相对硬质材料制成，那么紧固件头的周缘会被阻止朝着工件变形，并且紧固件头的外形在安装前和安装后基本上没有变化。可知道的是，如果部件48由诸如尼龙或聚氨酯的塑料材料制成，那么在砧座上的反作用力和部件变形抗力的影响下，紧固件头的周缘将变形到一定程度。在此情况下，紧固件头不会变形到图15所示的程度，但会变形到在图12所示程度和图15所示程度之间的过渡状态。如果部件48由诸如橡胶或者泡沫塑料的非常软的材料制成，那么变形抗力将是弱的，并且所安装的紧固件将具有图14和15所示的头部外形，即完全由砧座凹槽42(图12)的几何形状来确定的那种。

上述实施例显示的是安装在工件盲孔内的作为例子的紧固件，其中工件越过紧固件体干的尾端延伸开来。其实这是不必要的，因为即使工件内的孔是非盲孔，并且即使紧固件的螺纹体干的一部分越过工件端面向远离紧固件头的方向伸出，则根据本发明的紧固件也将正常工作。

在实例中，被显示的心轴头呈圆形截面。可知道的是，也可采用头部横截面形状呈多边形的心轴，以提供多个扳手面，并且保证紧固件体干有同等量的径向延性膨胀。

可以看出，上述实例包括提供一种紧固的方法，所述方法在不需要使铆钉头严重变形的情况下在被联接的部件上产生很大的紧固力，并且使得处在第一位铆钉的铆钉头的几何形状与其初始的制造形状相比基本上不变。

而且，在所提供的紧固方法中，紧固件体干是径向膨胀的，同时其长度是轴向减少的，以便于，例如，由铆钉为被联接到工件上的非硬质部件提供压缩应力。

而且，在所提供的紧固方法中，铆钉和其安装器械的设计是这样的，即在铆钉安装期间，铆钉头朝着铆钉尾端变形，有效地封闭住可能存在于被联接部件和工件之间的任何间隙。

可以看出，将紧固件安装到其中的工件应该是比铆钉材料硬度较小的材料。所述铆钉预想采用如铝和镁的软金属及塑料制成。

所述工件应当有一个能够让铆钉体干插入其中的孔，优选在所述体干的周围有最小间隙。所述孔应当是一个盲孔，可以是具有均匀直径的孔或者是具有小锥度特征的由铝或镁铸造成的孔。

被铆钉固定到工件上的部件应当有在直径上比铆钉的膨胀直径较大一些的孔。

然而，本发明并不局限于上述实例的细节。例如，所采用紧固件的孔沿其长度的尺寸不必是均匀的。

Claims

1.一种把一个或多个有孔的部件固定到一个有孔的工件上的方法，所述一个或多个部件的每一个部件的孔与工件上的孔对齐，所述方法包括的步骤为，把一个紧固件插入到所述对齐的孔内，所述紧固件由延性材料制成，并有一个头、一个体干和一个贯穿体干并进入头部的轴向孔，所述体干是圆环形整体，并具有外螺纹，所述紧固件被如此插入，以致其头与所述一个部件的表面啮合，而且其体干贯穿所述一个或每一个部件并进入到工件内，所述螺纹中至少有一部分是在工件内，然后，在其头部支撑紧固件的同时，沿着从其尾端到头部的方向，将一个增大了的且在一端渐缩的心轴头拉入并且完全穿过紧固件孔，所述心轴头被设置成能够轴向压缩位于心轴头和紧固件头上的支撑之间的紧固件体干，且能够使紧固件孔膨胀，从而沿其长度使该孔均匀扩大，并使紧固件体干径向延性膨胀到足以导致其外螺纹嵌入在工件内，同时紧固件体干在长度上出现延性的轴向减少。

2.根据权利要求1的方法，其中在长度上的延性的轴向减少是在紧固件体干上的一部分外螺纹嵌入工件之后出现。

3.根据权利要求1的方法，其中所述体干的轴向压缩是在紧固件体干上的一部分外螺纹嵌入工件之后出现。

4.根据权利要求1的方法，包括，如果适合的话，在螺纹部分已经与工件啮合之后，使紧固件头变形，以便使紧固件头的径向朝外的部分朝着体干尾端的方向移动，从而封闭一个部件与另一部件或者工件间的任何间隙，以及/或者如果前述之一是可变形的，则使其变形，从而把在紧固件头和工件之间的所述其它一个部件或多个部件紧紧夹住。

5.根据权利要求1的方法，包括，当紧固件膨胀时，该孔的横截面形状从原来的形状转变成多边形的可被咬合的形状，以便提供多个扳手面，从而在紧固件膨胀后能够借助于适当的扳手工具使紧固件啮合并转动。

6.根据权利要求5的方法，其中所述多边形的可被咬合的形状是正六边形。

7.根据上述任一权利要求所述的方法，其中紧固件体干的径向膨胀程度达到使体干螺纹嵌入工件的深度不超过螺纹总高度的一半。

8.一种通过上述任一权利要求所述的方法在一个或多个有孔部件与一个有孔工件之间实现的紧固方法。