CN1922405A - 形成螺纹的螺丝紧固件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种螺丝紧固件(1)，包含螺杆(2)，该螺杆有用于传递扭矩的施力装置(4)和螺丝紧固件尖端(6)。所述螺杆(2)包括杆芯(10)和自攻螺纹(12)，并且该螺纹(12)设计成螺旋地延展在所述杆芯(10)上的突起，它由在外螺纹边缘(14)上相遇的两个螺纹面(15、16)界定并且具有径向高度(H)。所述外螺纹边缘(14)，至少在所述螺纹(12)的一段上，沿径向方向以一种波纹状方式延展，在波峰顶(20)与波谷底(22)之间有幅度(U)，该波峰顶具有高度(H)，而所述波谷底具有减去所述幅度(U)的高度(h)。至少于其螺纹面(15/16)之一的区域中，所述螺纹(12)在螺纹边缘(14)的各波谷底(22)的区域中具有凹窝(24)，这些凹窝(24)使所述螺纹面(15/16)的表面中断，并且其外边界是所述螺纹边缘(14)，在每一情况下所述螺纹(12)都有具有一定的第一顶角(α)和第二顶角(α’)，所述第一顶角形成在螺纹面(15/16)之间，位于螺纹边缘(14)的波峰顶(20)没有被所述凹窝(24)中断的区域中，而所述第二顶角在螺纹边缘(14)的波谷底(22)的最深区域中。在所述螺纹面(15/16)之间的第一顶角(α)大约在30°至35°的范围内，而所述第二顶角(α’)为30°至最大58°。

Description

形成螺纹的螺丝紧固件
本发明涉及一种螺丝紧固件，包含螺杆，该螺杆有用于传递扭矩的施力装置和螺丝紧固件尖端，所述螺杆包括杆芯和自攻螺纹，并且该螺纹设计成在所述杆芯上螺旋延展的突起，该突起由在外螺纹边缘上相遇的两个螺纹面界定、并且具有径向地在杆芯与螺纹边缘之间测取的高度，所述外螺纹边缘，至少在所述螺纹的一段上，沿径向方向以一种波纹波状方式延展，并在波峰顶与波谷底之间具有一定的幅度，该波峰顶具有所述螺纹高度，而该波谷底具有减去所述幅度的高度，并且，至少在其侧面之一的区域中，所述螺纹在该螺纹边缘的各波谷底的区域中具有凹窝，这些凹窝使所述螺纹面的表面中断，并且其外边界是所述螺纹边缘，在每一情况下所述螺纹都具有一定的第一顶角和第二顶角，所述第一顶角在螺纹面之间形成，处于未被所述凹窝中断的螺纹边缘的波峰顶的那些区域中，而所述第二顶角在螺纹边缘的波谷底的最深的各区域中。
DE 33 35 092 A1中说明了这样一种螺丝紧固件。在实践中证明它是非常有效的，因为在低插入扭矩下达到一种高释放扭矩。该螺纹延展到螺丝紧固件尖端的末端，它设计为具有多个凹窝和波纹状螺纹边缘，起自螺丝紧固件尖端，至少覆盖第一圈毗邻的螺纹。其结果是，所述尖端起一种铰孔刀具有作用，在该尖端处直接进行螺纹的形成，从而在应用该螺丝紧固件时直接地造成可靠地定中心并对工件切入。在这一公知的螺丝紧固件中，所述凹窝形成为与所述波纹状螺纹边缘的中心线对称的抛物面。
EP 0 394 719 B1类似地说明了该所属类型的一种形成螺纹的螺丝紧固件，然而，其中的凹窝设计成非对称的，其设计方式是使沿插入方向的其前螺纹面的表面比沿插入方向的后螺纹面的表面更陡。其结果是达到了插入扭矩的进一步减少，而同时释放扭矩增加。在插入的过程中，由于沿插入方向的后抛物面部分的较平坦的设计，阻力较低，然而因为沿插入方向处在前部的抛物面区域的较陡的安排使得释放该螺丝紧固件更加困难。
本发明的目的是改善所属类型的一种螺丝紧固件，改善的方式是更进一步地减少插入扭矩，而同时还确保一种高释放扭矩。在此情况下，所述螺丝紧固件要以优化的特性来构思，一方面用于插入较软的材料，譬如木材和类似物，特别是，不用先行钻孔从而是利用一种自钻入的方式，或者，在另一方面用于插入较硬的材料，例如塑料和金属，特别是插入芯孔。
根据本发明，这是根据权利要求1而实现，其中在螺纹面之间于其波峰顶的没有被中断的区域中的该第一顶角大约是在30°至35°的范围之内，并且其中在凹窝与波谷底的区域中的该第二顶角30°至最大58°。根据本发明，因此与现有技术相比所述各顶角较小，从而得出一种较细窄的螺纹轮廓，于是在插入过程中攻丝扭矩由于以下事实而受到有利的影响，所述事实为该螺纹更容易在相应的材料中通过材料位移形成匹配螺纹，即基本上没有形成切屑。在此情况下，在第一和第二顶角之间的差值应当尽可能地小或者甚至是零，也就是说，在波谷底和凹窝的区域中第二顶角应当尽可能地小，以便因为细窄的轮廓形状保持小的攻丝扭矩。在此情况下，该螺纹的螺纹面与凹窝之间的连续的几乎没有边缘的过渡也是有利的。
附加地或者替代地，作为根据本发明的另一个技术方案提出相对于所述螺丝紧固件的不同应用目的来改变波纹状螺纹边缘的幅度的大小。
根据权利要求3，为了用于插入较软的材料，譬如木材或者其它纤维材料和复合材料，该波纹状螺纹边缘的幅度约为螺纹高度的0.2至0.4倍。材料越软和越柔顺，所述幅度就可以越大(反之亦然)。根据权利要求4，为了用于插入较硬的材料，特别是塑料或者金属，螺纹边缘的幅度约为螺纹高度的0.05至0.15倍。材料越硬和阻力越大，所述幅度就应当越小(反之亦然)。
根据本发明的另措施涉及径向测量的凹窝深度。为了用于插入较软的材料，该深度由螺纹高度乘以大于/等于0.8的系数得出。该系数可以有利地为约0.8，但是也可以接近1.0。对于较硬的材料，该凹窝径向深度优选为螺纹高度的大约0.2至0.3倍。
每圈螺纹的波峰顶和波谷底的数量，即波峰顶的圆周角距或者说角齿距也对所述螺丝紧固件的特性有进一步的影响。为了用于插入较软的材料，该角齿距应当在30°至45°的范围内，从而得出每圈螺纹(360°)的数量n为8至12个对应的波峰顶和波谷底。为了用于插入较硬的材料，该角齿距应当在15°至24°的范围内，从而得出数量n为15至24个对应的波峰顶和波谷底。
特别地在与一个或者多个所阐述的发明特征的组合中，如果实际的中单头螺纹设计所具有的螺距约为螺纹直径(螺丝紧固件标称直径)的0.5倍，这将是有利的。以此方式，达到了提高的进给以便快速插入。然而，根据本发明，确保了高释放扭矩用于维持螺丝连接的预应力。
本发明的其它有利的构造包含于其它的权利要求和以下的说明中。
在此应当指出，根据本发明的所有的措施都可以相互独立地使用，也可以相互任何可能的或者适当的组合来使用。
下面参照附图中展示的几个示例性实施例更加详细地阐述本发明，在附图中：
图1示出根据本发明的螺丝紧固件的极大地放大了的、略为透视的侧视图，
图2示出根据图1平面II-II的进一步放大的横截面，确切地说是用于软材料中的第一实施例，
图3示出所述螺纹展开透视图，
图4示出根据图2中平面IV-IV中通过波谷底区域中的螺纹的放大的横截面，
图5示出在替换实施例中的类似于图4的示意图，
图6示出用于软材料的另实施例的类似于图2的示意图，
图7是类似于图2或者图5但是有不对称的凹窝的示意图，示出同样用于软材料的第三实施例，
图8是特别类似于图2、有对称的凹窝的示意图，示出为用于硬材料构思的实施例，以及
图9示出类似于图8的但是有不对称的凹窝的实施例。
在附图的各图中，同样的部分总是设有相同的标号，并且因此在每一情况下一般地只描述一次。
首先，如图1中可见，根据本发明的螺丝紧固件1包含螺杆2，所述螺杆在一端上有用于传递扭矩的施力装置4和对置端的螺丝紧固件尖端6。在所示的例子中，所述施力装置4以凹陷的形式设计成内部的力量施加装置，在此图中纯以举例的方式设计成螺丝紧固件状8中的十字凹陷，所述螺丝紧固件状设计成沉孔状。螺杆2包含具有杆芯直径d(还参见图2)的优选为圆柱形的杆芯10和自攻丝的、特别是单头、具有外螺纹直径(螺丝紧固件标称直径)D(参见图1和图2)的螺纹12，所述螺纹12设计成至少在杆芯10的一部分上和在螺丝紧固件尖端6上螺旋延展的突起(只有突起)，该突起由两个在外螺纹边缘14上相遇的并且优选地在每一情况下都近似直线地沿径向方向延展的螺纹面15、16来界定。无论如何，在此情况下螺纹12延展到前部的、所述螺丝紧固件尖端6的尖的末端18。在图示的例子中，它在整个杆芯10上延展几乎达到螺丝紧固件状8(“全螺纹”)。然而，螺丝紧固件1还可以设计为具有部分螺纹，即在螺丝紧固件头8后跟着无螺纹的杆段。螺纹12一般设计成右旋螺纹，从而插入方向(箭头E)对应于顺时针方向。相反的旋出螺丝方向由箭头A表示。在螺丝紧固件尖端6的区域中，芯12近似圆锥地从芯直径d向端头18逐渐变细。
如从图2至图9中可见，至少在螺纹12的一段中，外螺纹边缘14以一种波纹状的方式沿径向方向以一定的幅度U延展在波峰顶20与波谷底22之间。在波峰顶20的区域中，螺纹12具有径向地在所述杆芯10与螺纹边缘14之间测取的高度H。在波谷底22的区域中，该高度H减少了该幅度U至高度h。这遵循：U＝H-h。至少于所述螺纹面15、16之一的区域中，准确地说特别是在螺纹面16面对螺丝紧固件尖端6或者18的区域中，该螺纹12在螺纹边缘14的波谷底22的区域中具有凹窝24，这些凹窝使相应的螺纹面15、16的表面中断，并且其外部径向边界是所述螺纹边缘14。这些凹窝24所具有的表面是直线地(图3、图4)或者凹陷地(见图5)沿径向方向延展并且以一种凹拱的形式在所述螺母紧固件的圆周方向上或者转动方向上延展。并且，特别地可以从图3至图5中看出在每一情况下螺纹12都有一定的第一顶角α和第二顶角α’，所述第一顶角在基本上直线地沿径向方向延展的螺纹面15、16之间形成，位于螺纹边缘14的波峰顶20没有被所述凹窝24中断的那些区域中，而所述第二顶角位于凹窝24的区域中的螺纹边缘14的波谷底22的最深区域中。
根据本发明，在没有被中断的螺纹面15、16之间的第一顶角α大致是在30°至35°的范围内。在此情况下，在凹窝24的区域中的第二项角α’是30°至最大58°。
在根据图3和图4的第一实施例中，沿径向方向观察时，凹窝24的表面基本上直线地延展。由此得出第二顶角α’无论如何都大于第一顶角α；于是第二顶角α’应当约为35°至最大58°，但是，为了一种低攻丝扭矩起见，同时它又应当尽可能地小。
在图5所示的有利的实施例中，该凹窝24的表面至少在其径向延伸的一部分上在每一情况下都沿径向方向凹陷地弯曲例如由曲率半径R表示的因数。但是，这不需要涉及圆弧曲率，而可以是任何所希望的曲线形状，例如抛物线。该实施例的优点是，在波谷底22中的在螺纹边缘14处施加的切线之间有效地得出的第二顶角α’可以通过适当的曲率形状更加显著地减小。根据图5，α和α’大致是相同大小；例如它们都可以在约30°至35°的范围内。
根据本发明的另一个方面是波纹状螺纹边缘14的幅度U的大小。为了用于插入较软的材料，譬如木材或者类似物，对这样螺丝紧固件1的设计，幅度U应当约为螺纹高度H的0.2至0.4倍。这在数学上可以通过关系式U＝Y·H表达，式中Y＝0.2至0.4。在此方向，参见图2至图7中所示的各实施例。
相反，为了用于插入较硬并且较有阻力的材料，特别是塑料或者金属，幅度U是高度H的0.05至0.15倍，即在所述关系式U＝Y·H中，Y＝0.05至0.15。在此方向，参见图8和图9中所示的各实施例。
从附图中，特别是从图2至图5中还可以看出，从由螺纹边缘14的波峰顶20所确定的螺纹直径D开始，所述凹窝24各有沿径向方向上向内测取的深度Z，并且无论如何都至少略小于螺纹12的高度H。其结果是，在其螺纹根部的区域中所述螺纹12具有在一定的高度H-Z上不被中断的螺纹面15、16。
根据本发明的另一个方面，相似地凹窝24的该深度Z被设计为与螺丝紧固件1的应用相适配。对于较软的材料，凹窝24的深度Z要至少是螺纹高度H的0.8倍；从而Z＝X·H，式中X≥0.8。在此情况下，Z甚至可以接近H，参见根据图6和图7所示的各实施例。
在用于较硬材料的实施例中(参见图8和图9)，在所述关系式Z＝X·H中，系数X约为0.2至0.3。
本发明的又一个方面涉及每360°螺纹圈的波峰顶20和波谷底22各自的数量。这些波峰顶20(当然还有波谷底22)是以相互间一定的距离沿圆周方向在每一情况下都是按角齿距δ间隔开。在此情况下，根据本发明提出对用于较软的材料所述角齿距δ应当在约30°至45°的范围内。从而，根据关系式n＝360°/δ，对于较软的材料，波峰顶和波谷底的数量，分别是n＝8至12。对用于较硬材料中的螺丝紧固件1的设计，所述角齿距δ在15°至24°的范围内，从而，每圈螺纹分别有数量n为15至24个波峰顶20和波谷底22。
每个凹窝24都通过边界线26与相应螺纹面15、16的邻接表面分开。在此，该边界线26基本上具有抛物线的形状，所述抛物线的形状带有横向的近似于V字形的边界部分28。由于这种轮廓，在每一情况下在波峰顶20的区域中于两个相邻的凹窝24之间形成带有完整的螺纹面15、16的螺纹段30。在此情况下，在这种相邻的凹窝24的每个完整的螺纹段30的双侧之间，所述边界部分28夹角度γ，所述角度应当在30°至90°的范围内，在每个波峰顶20的区域中所述边界部分28经半径r＝(0.1至0.3)·H的圆滑部分相互汇合。
在根据图2、图6和图8的实施例中，每个所述凹窝都设计成对称的，其设计方式是，在每一情况下其横向边界部分28都沿所述螺丝的插入方向E和旋出方向A对应凹窝24的径向轴线31以相同的角度延展。
相反，在根据图7和图9的实施例中提出每个所述凹窝都设计成不对称的，其设计方式是，沿所插入方向E前边界线28比后边界线28更陡，所述凹窝24沿插入方向E的轴线32相对螺纹边缘14的槽底(22)的径向中心线34偏开锐角β(在此方向参见在每一情况下在图7和图9中绘出的箭头35)。所述角β应当大约在10°至25°的范围内。
在根据本发明的螺丝紧固件1的有利的构形中，根据图1延展到螺丝紧固件尖端6的末端18的螺纹12设计为具有凹窝24和所述波纹状边缘14，它起始于所述末端18并且覆盖所述螺丝紧固件尖端6且至少覆盖在圆柱形芯10的区域中邻接在第一螺纹圈。并且，所述凹窝优选地设计为在螺纹12的两个螺纹面15和16上都轴向地彼此对置。在螺丝紧固件尖端6的向着其末端18的区域中，凹窝24之间或者完整的螺纹段30之间的间距可以依次越来越小。
如还可以从图1中看出，螺纹12优选地设计成实际上有螺距S的单头螺纹，因为根据本发明的特征，所述螺距可以相对地较大，至少约为螺纹直径D的0.5倍。并且如果螺丝紧固件尖端设计成一种“自钻入”尖端是有利的。在一定的程度上，单独通过延展到尖的末端18的所述螺纹构形就已经达到这一点，因为以此方式所述尖端6在旋转的过程中起一种铰孔刃具的作用。另外，尖端6的芯例如可以具有轴向的棱形铣削件(铣棱)(图中未示出)。
最后要指出，在此，特别是因制造的原因，实践中可以出现与所述和所示的理想构形特征的偏差。螺纹边缘14和/或边界线26的轮廓特别是这样，与正统的图示相偏离，例如所述轮廓在波谷底的区域中可以出现有接近直线的部分和/或有不规则的轮廓。而且，螺纹边缘14还可以形成有窄的表面或者小的曲率半径来取代在螺纹面之间的锐的、刀刃样的尖端。
本发明不限于所示和所说明的各实施例，而是包含在相应发明范围内的有相同效果的所有实施例。

Claims (19)

1.一种螺丝紧固件(1)，包含螺杆(2)，该螺杆有用于传递扭矩的施力装置(4)和螺丝紧固件尖端(6)，所述螺杆(2)包括杆芯(10)和自攻螺纹(12)，并且该螺纹(12)设计成螺旋地延展在所述杆芯(10)上的突起，该突起由在外螺纹边缘(14)上相遇的两个螺纹面(15、16)界定并且具有径向高度(H)，所述外螺纹边缘(14)至少在所述螺纹(12)的一段上，以一种沿径向方向的波纹状方式延展，在波峰顶(20)与波谷底(22)之间有幅度(U)，该波峰顶具有所述高度(H)，而所述波谷底具有减去所述幅度(U)的高度(h)，并且至少于其螺纹面(15/16)之一的区域中，所述螺纹(12)在螺纹边缘(14)的波谷底(22)的区域中具有凹窝(24)，这些凹窝(24)使所述螺纹面(15/16)的表面中断，并且它们的外边界是所述螺纹边缘(14)，所述螺纹(12)分别具有一定的第一顶角(α)和第二顶角(α’)，所述第一顶角形成在螺纹面(15/16)之间该螺纹边缘(14)的波峰顶(20)没有被所述凹窝(24)中断的区域中，而所述第二顶角在该螺纹边缘(14)的波谷底(22)的最深区域中，其特征在于，在所述螺纹面(15/16)之间的所述第一顶角(α)大约在30°至35°的范围内，而所述第二顶角(α’)为30°至最大58°。
2.如权利要求1所述的螺丝紧固件，其特征在于，沿径向方向观察时，该凹窝(24)具有基本上直线地延展的表面，该第二顶角(α’)大于该第一顶角(α)并且特别是在大约为35°至最大58°的范围内。
3.如权利要求1所述的螺丝紧固件，其特征在于，沿径向方向观察时，该凹窝(24)至少分段地具有凹陷的表面，该第二顶角(α’)大致在该第一顶角(α)的数量级。
4.尤其如权利要求1至3之一所述的螺丝紧固件，其特征在于，为了用于插入较软的材料，譬如木材或者与木材类似的材料，该波纹状螺纹边缘(14)的幅度(U)约为螺纹高度(H)的0.2至0.4倍。
5.尤其如权利要求1至3之一所述的螺丝紧固件，其特征在于，为了用于插入较硬或较大阻力的材料，特别是塑料或者金属，该波纹状螺纹边缘(14)的幅度(U)约为螺纹高度(H)的0.05至0.15倍。
6.尤其如权利要求1至5之一所述的螺丝紧固件，其特征在于，由该螺纹边缘(14)的波峰顶(20)所确定的螺纹直径(D)开始，所述凹窝(24)各有沿径向方向上向内测取的并且小于该螺纹(12)的高度(H)的深度(Z)。
7.如权利要求6所述的螺丝紧固件，其特征在于，为了用于插入较软的材料，譬如木材或者木材状材料，该凹窝(24)的径向深度(Z)大约是螺纹高度(H)的0.8至1倍。
8.如权利要求6所述的螺丝紧固件，其特征在于，为了用于插入较硬或者较有阻力的材料，特别是塑料或者金属，该凹窝(24)的径向深度(Z)大约是螺纹高度(H)的0.2至0.3倍。
9.尤其如权利要求1至8之一所述的螺丝紧固件，其特征在于，所述波峰顶(20)沿圆周方向都按角齿距(δ)相互间隔开，为了用于插入较软的材料，譬如木材或者木材状的材料，所述角齿距在30°至45°的范围内。
10.尤其如权利要求1至8之一所述的螺丝紧固件，其特征在于，所述波峰顶(20)沿圆周方向都按角齿距(δ)相互间隔开，为了用于插入较硬的或者较有阻力的材料，特别是塑料或者金属，所述角齿距在15°至24°的范围内。
11.尤其如权利要求1至10之一所述的螺丝紧固件，其特征在于，该凹窝(24)都通过边界线(26)与该螺纹面(15、16)的邻接表面分开，该边界线(26)基本上具有抛物线的形状，所述抛物线的形状带有横向的近似于V字形的边界部分(28)，在该波峰顶(20)的区域中各在两个相邻的凹窝(24)之间形成相对于其螺纹面(15、16)不间断的螺纹段(30)，并且处在该螺纹段(30)的两侧的所述边界部分(28)夹有角度(γ)，所述角度是在30°至90°的范围内。
12.如权利要求11所述的螺丝紧固件，其特征在于，在每个波峰顶(20)的区域中的所述边界部分(28)经具有约为螺纹高度(H)的0.1至0.3倍的半径(r)的圆滑部分相互汇合。
13.如权利要求11或12所述的螺丝紧固件，其特征在于，每个凹窝(22)都设计成对称的，使得其边界部分(28)都沿所述螺丝紧固件的插入方向和旋出方向(E/Λ)相对所述凹窝(24)的径向轴线(31)以相同的角度延展。
14.如权利要求11或12所述的螺丝紧固件，其特征在于，每个凹窝(24)都设计成不对称的，使得沿该插入方向(E)的前边界线(28)比后边界线(28)更陡，所述凹窝(24)的沿插入方向(E)的轴线(32)相对所述螺纹边缘(14)波谷底(22)的径向中心线(34)偏开锐角(β)，该锐角(β)优选大致在10°至25°的范围内。
15.如权利要求1至14之一所述的螺丝紧固件，其特征在于，该螺纹(12)延展到螺丝紧固件尖端(6)的末端(18)，其中所述螺纹(12)设计为从所述螺丝紧固件尖端(6)开始至少在连续的第一螺纹圈上具有所述凹窝(24)和所述波纹状边缘(14)。
16.如权利要求1至15之一所述的螺丝紧固件，其特征在于，所述凹窝(24)形成为在该螺纹(12)的两个螺纹面(15、16)上彼此对置。
17.如权利要求1至16之一所述的螺丝紧固件，其特征在于，在所述螺丝紧固件尖端(6)的区域中，该凹窝(24)之间的间距向着其末端(18)变小。
18.如权利要求1至17之一所述的螺丝紧固件，其特征在于，具有单头结构的螺纹(12)具有约为外螺纹直径(D)的0.5倍的螺距(S)。
19如权利要求1至18之一所述的螺丝紧固件，其特征在于，该螺丝紧固件尖端(6)设计为具备自钻入特性。
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