ES2269752T3 - Tornillo autorroscante, metodo y matrices para la fabricacion del mismo y metodo para unir piezas de poco espesor. - Google Patents
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Abstract
Tornillo roscado (300) para la unión de piezas de poco espesor (1402, 1404), que posee un eje central definido (512) y una cabeza (302), comprendiendo: una parte de cuerpo (306) que define una sección transversal multilobular; una parte puntiaguda cónica (310) que define una sección transversal multilobular; una parte de raíz (304) situada entre la cabeza (302) y la parte de cuerpo (306), la parte de raíz (304) definiendo una sección transversal variable, la cual cambia de ser una sección transversal casi circular adyacente a la cabeza (302) a una sección transversal multilobular adyacente al cuerpo lobular; y una rosca de entrada (312) que presenta un perfil de rosca determinado dispuesto a lo largo del cuerpo de tornillo (306) y a lo largo de la parte de raíz (304), de manera que se mantiene una distancia radial constante entre el eje (512) de rotación y una cresta de cada una de las roscas, a lo largo de la parte de raíz (304) y al menos una sección de la parte de cuerpo (306) adyacentea la parte de raíz (304). donde dicha parte de la raíz (304) es afilada.
Description
Tornillo autorroscante, método y matrices para
la fabricación del mismo y método para unir piezas de poco
espesor.
La presente invención se refiere a tornillos
autorroscantes y, más concretamente, a tornillos autorroscantes,
pieza brutas para tornillos autorroscantes y a métodos para la
formación de tornillos autorroscantes mediante el uso de matrices
de formación por rodamiento apropiadas.
Tales tornillos autorroscantes y métodos para la
fabricación de los mismos están expuestos en el documento GB -A- 1
022 355.
Es reconocido por expertos en la materia que,
cuando se usan elementos de tornillo autorroscante convencionales
para ensamblar componentes de chapa metálica fina, éstos son de
eficacia limitada debido a problemas relacionados con la necesidad
de mantener el torque de apriete del tornillo en valores relativos
bajos. Esto es necesario para minimizar el potencial de apriete del
anclaje durante el ensamblaje y, de ese modo, hacer que el tornillo
gire. El material del anclaje es esa parte del ensamblaje unido que
es retirada más lejos de la parte inferior de la cabeza de tornillo.
El apriete y la rotación provocarán una pérdida en la carga de
sujeción del ensamblaje y un consecuente deterioro del mismo.
La figura 1 muestra una desventaja que suele
presentarse en un tornillo autorroscante 102, el cual presenta una
rosca de una sola entrada convencional para colocar componentes
finos de metal laminado 104 y 106 en un ensamblaje unido. El
tornillo contiene una sección transversal circular
convencional.
Cuando el material de anclaje del tornillo 106
(también denominado "elemento de tuerca"), que es el material
más alejado de la cabeza del tornillo, tiene una anchura 108 igual
a o inferior al paso axial 110 del tornillo (aquí definido
generalmente como pieza "fina"), la cara de entrada 112 de la
bobina o rosca suele desviar el material de anclaje 106 de manera
que dicho material sigue el espacio entre bobinas, espirales o
roscas adyacentes. Es posible que este tipo de material de anclaje
y ensamblaje no produzca la carga de sujeción de ensamblaje más
eficaz. Asimismo, se produce un contacto de unión de rosca
inadecuado.
Con el fin de evitar ciertas desventajas del
diseño de rosca de una sola entrada cuando ésta es usada para unir
materiales finos, se ha usado últimamente un tornillo de sección
transversal circular real, el cual tiene roscas de varias entradas
que son generadas alrededor de una pieza bruta con cabeza. El uso
de una rosca de varias entradas tiende a enganchar mejor el
material de anclaje, impidiendo que dicho material se quede
atrapado entre roscas mediante la disposición más distribuida de
puestos múltiples sobre el perímetro del agujero piloto del
material de anclaje.
No obstante, incluso el uso de roscas de varias
entradas no es una solución completa, cuando sólo se recurre a
ello. La figura 2 muestra de forma notable un retroceso continuo
asociado a tornillos convencionales para la unión de piezas finas,
presentando roscas de una o varias entradas (circulares o no
circulares en sección transversal). El tornillo 200 del ejemplo
mantiene un diámetro de núcleo paralelo 202 situado lo más cerca
posible de la parte inferior 204 de la cabeza de tornillo 206. Esta
aplicación puede causar una reducción del rendimiento del
ensamblaje. Restricciones en la fabricación crean generalmente un
relleno incompleto de las crestas de rosca de tornillo adyacentes a
la parte inferior 204 de la cabeza de tornillo 206, creando de ese
modo una forma cónica de rosca invertida no regulable y no
específica 208. De esta manera, las crestas de rosca situadas más
cerca del punto de entrada del tornillo son de una magnitud
diametral mayor que las crestas de rosca situadas más cerca de la
cabeza. La forma cónica de rosca invertida 208 presenta la
desventaja de que produce un hueco 210 entre las roscas de unión
externa e interna del ensamblaje. Dicho hueco 210 hace que se
reduzca el contacto de rosca de unión en el área esencial de la
estructura ensamblada y provoque una rotura del ensamblaje con un
torque de aplicación más bajo de lo esperado.
Hasta ahora se ha preferido el uso de un
tornillo de sección transversal circular (como descrito
anteriormente). Aunque se puedan conseguir ciertas ventajas con
respecto a la formación de roscas mediante el uso de un tornillo de
sección transversal no circular, el uso de una sección transversal
no circular, como el tornillo multilobular autorroscante de
formación por rodamiento, disponible comercialmente, ha sido
considerado generalmente como perjudicial para el ensamblaje. Se
considera que tales secciones transversales no circulares no tienen
la fuerza de resistencia necesaria respecto al torque aplicado
cuando son unidas al ensamblaje.
En consecuencia, un objetivo de la presente
invención consiste en proveer un tornillo autorroscante y un método
asociado para la formación de dicho tornillo mediante el uso de una
pieza bruta de sección transversal no circular, produciendo así un
tornillo principalmente multilobular con propiedades de formación
de roscas ventajosas, y una rosca deseable de varias entradas. No
obstante, dicho tornillo debería mostrar un alto grado de
resistencia frente al aflojamiento vibracional, puesto que el
material se afloja entre lóbulos, a pesar del uso de una sección
transversal generalmente no circular en la "zona de fijación de
unión" del ensamblaje unido.
Esta invención proporciona una solución a las
desventajas presentes en el estado de la técnica mediante un método
de fabricación de un tornillo autorroscante a partir de una pieza
bruta de cabeza, con la que se obtiene un tornillo autorroscante
multilobular para la unión de piezas finas, el cual presenta
características de formación de roscas deseables en la punta cónica
y partes del cuerpo, así como una mayor resistencia ante el
aflojamiento vibracional cerca de la cabeza. El tornillo
resultante, obtenido a partir de la pieza bruta y el método
mencionados, incorpora una parte de la raíz afilada roscada entre
la cabeza del tornillo y la parte del cuerpo, la cual presenta una
sección transversal que pasa de ser casi circular en el área
adyacente a la parte inferior de la cabeza a ser una sección
transversal de ovalada máxima (o lobular) en la intersección de la
parte de la raíz afilada y el cuerpo de tornillo. Esta forma,
combinada con un diámetro exterior de perfil de rosca que permanece
en gran medida constante desde la parte del cuerpo a través de la
parte de raíz afilada, y una forma de bobina helicoidal múltiple
(rosca de entrada), garantiza una fijación más segura del tornillo
en un material de anclaje fino con el material de anclaje extruido
axialmente hacia delante y hacia atrás alrededor de la parte de la
raíz.
Según una forma de realización, la pieza bruta
de cabeza se forma por introducción de un alambre o vara de sección
transversal generalmente circular o lobular al interior de una
cavidad de matriz de una matriz de cabeza. Al mismo tiempo que el
alambre o vara es conducido al interior de la cavidad de la cabeza,
éste es deformado plásticamente hasta obtener la forma de pieza
bruta deseada con cuatro partes, la cabeza, la parte de entrada
cónica, la parte del cuerpo y la parte afilada. La cavidad de matriz
presenta una sección transversal apropiada, de modo que la parte
del cuerpo y la parte puntiaguda de entrada cónica de la pieza
bruta terminada son formadas con una sección transversal
multilobular, mientras que la parte afilada, adyacente a la cabeza,
presenta una sección transversal esencialmente circular.
Para formar el tornillo lobular roscado, la
pieza bruta terminada es introducida por unas matrices de formación
por rodamiento que se mueven lateralmente, las cuales aplican una
presión suficiente para provocar la deformación plástica de la
superficie de la pieza bruta. Las matrices son mantenidas a igual
distancia, lo que produce, debido a la sección transversal lobular
de la pieza bruta, una rotación por rodamiento oscilante en la pieza
bruta durante el movimiento lateral de una de las matrices con
respecto a la otra. Este proceso de formación por rodamiento, en el
área de la parte de raíz afilada, crea un patrón de rosca que
mantiene un diámetro exterior aproximadamente constante con
respecto a la parte del cuerpo, pero el diámetro (raíz) interior
(las cavidades de cada una de las roscas) se afila continuamente
hacia fuera en dirección hacia la cabeza. Asimismo, la parte de
raíz afilada está provista, de esta manera, del ovalado máximo
deseado cerca de la parte del cuerpo y de una sección transversal
casi circular adyacente a la parte inferior de la cabeza. Esta
variación en el ovalado a lo largo de la parte de la raíz afilada
resulta de la presión formadora reducida presente en el área del
diámetro mayor cerca de la cabeza.
Un tornillo formado según la presente invención
proporciona una parte de raíz afilada nueva, adyacente a la cabeza,
que tiene una sección transversal variable que crea una resistencia
mecánica frente al aflojamiento provocado por los efectos de
vibración u otras fuerzas externas ya que el material fijado por el
tornillo se afloja entre los lóbulos.
Lo anteriormente mencionado, así como otros
objetivos y ventajas de la invención se van a exponer con mayor
claridad a través de la siguiente descripción detallada de los
dibujos, en los que:
La figura 1, ya descrita, es una sección
transversal de una parte de uno de los lados, que muestra un
ejemplo de desviación del material de anclaje cuando se usa una
rosca helicoidal convencional de una sola entrada en un
tornillo;
la figura 2, ya descrita, es una sección
transversal de una parte de uno de los lados, la cual muestra la
creación de una forma afilada de rosca invertida asociada a
restricciones de fabricación, y que presenta un diámetro del núcleo
de la raíz de rosca de tornillo paralelo a lo largo de toda la
longitud de un tornillo;
la figura 3 es una vista lateral de un tornillo
autorroscante con un ejemplo de una parte de la raíz afilada para
obtener una mayor resistencia a la vibración y una fuerza de
sujeción en materiales finos;
la figura 4 es una sección transversal de una
parte de uno de los lados, que muestra la formación de una pieza
bruta de cabeza según una forma de realización de esta
invención;
la figura 5 es una vista lateral de una pieza
bruta de cabeza formada según la forma de realización de formación
de la pieza bruta expuesta en la figura 4;
la figura 6 es una vista de sección transversal
de la parte puntiaguda cónica de la pieza bruta de cabeza tomada a
lo largo de la línea 6-6 de la figura 5;
la figura 7 es una vista de sección transversal
de la parte del cuerpo de la pieza bruta de cabeza tomada a lo
largo de la línea 7-7 de la figura 5;
la figura 8 es una vista de sección transversal
de la parte cónica de la pieza bruta de cabeza tomada a lo largo de
la línea 8-8 de la figura 5;
la figura 9 es una sección transversal de una
parte de uno de los lados del tornillo formado obtenido, a partir
de la pieza bruta de cabeza de la figura 5, introducido por
matrices de formación de roscas, según una forma de realización de
esta invención;
la figura 10 es una sección transversal de la
pieza bruta de cabeza en las matrices de formación, en puntos
diferentes a lo largo de una línea por rodamiento, tomada
generalmente a lo largo de la parte del cuerpo situada a proximidad
de la línea 11-11 de la figura 9;
la figura 11 es una vista de sección transversal
de la parte del cuerpo de tornillo formado, obtenido con el proceso
de formación por rodamiento, tomada a lo largo de la línea
11-11 de la figura 9;
la figura 12 es una vista de sección transversal
de la parte de la raíz afilada del tornillo formado en una
ubicación adyacente a la parte del cuerpo, tomada a lo largo de la
línea 12-12 de la figura 9;
la figura 13 es una vista de sección transversal
de la parte de la raíz afilada del tornillo formado en una
ubicación adyacente a la cabeza, tomada a lo largo de la línea
13-13 de la figura 9;
la figura 14 es una sección transversal de una
parte de uno de los lados de un tornillo finalizado, formado según
la figura 9, de fijación de un par de láminas finas de material;
y
la figura 15 es una vista de sección transversal
de los modelos de tensión generados por el tornillo en el material
de anclaje, tomada a lo largo de la línea 15-15 de
la figura 14.
A través de otros antecedentes, la figura 3
muestra un tornillo 300 a modo de ejemplo que por lo general
previene ciertas desventajas asociadas a una forma afilada de rosca
invertida adyacente a la cabeza y, por lo tanto, aumenta la fuerza
de sujeción y la resistencia al aflojamiento vibracional. De manera
breve, el tornillo 300 incluye una cabeza 302, una parte de la raíz
afilada 304 (que se afila radialmente hacia fuera en una dirección a
lo largo del cuerpo tomada hacia la cabeza 302), una parte del
cuerpo central 306, una parte de la entrada cónica 308 y un punto
de entrada a modo de ejemplo 310 (como por ejemplo, un punto de
auto-perforación).
El cuerpo de tornillo 306 tiene dispuestas a lo
largo de su periferia exterior una pluralidad de bobinas, espirales
o roscas helicoidales continuas 312. La rosca de tornillo (bobinas
helicoidales) tiene un diámetro exterior D. Según una forma de
realización, la magnitud de D puede situarse entre 1.6 y 10 mm. No
obstante, éste y otros valores especificados en la presente son
únicamente ejemplos de una aplicación típica del tornillo
correspondiente a la presente invención. Los principios descritos
en la presente pueden aplicarse a tornillos, así como a materiales
correspondientes, de cualquier tipo y/o tamaño.
Según una forma de realización, existen dos
bobinas, espirales o roscas helicoidales continuas separadas,
(también denominadas "roscas de varias entradas") dispuestas a
lo largo del cuerpo 306, de manera que el tornillo es de doble
entrada o de entradas dobles, pero está previsto explícitamente que
otros números de roscas separadas puedan ser utilizados. En esta
forma de realización, el uso de una pluralidad de roscas sirve
también para evitar la deformación de la lámina de anclaje. Es
importante mencionar que el término "rosca", tal y como está
empleado aquí, pueda hacer referencia a la formación o formaciones
continuas generales, al enrollado helicoidal a lo largo del eje o
cuerpo cilíndrico, o a las formaciones de perfil individuales de
cavidades y partes superiores sobre una sección transversal del
tornillo. El contexto en el que se emplea el término debería ayudar
al lector a hacer la diferencia entre los dos usos del término
general.
En una forma de realización ilustrativa, la
parte de la raíz afilada inventiva 304 del tornillo, que está
situada axialmente entre la cabeza 302 y el cuerpo 306 del
tornillo, tiene una longitud axial W de al menos dos, y
preferiblemente no más de aproximadamente 3'5 veces el paso axial P.
La parte de la raíz afilada 304 tiene un diámetro máximo R
adyacente a la cabeza 302, y se afila hacia abajo hasta presentar
un diámetro igual al diámetro B de raíz de la rosca de tornillo. El
ángulo \phi es el ángulo incluido que forma la parte de la raíz
afilada 304 con respecto al cuerpo 306. El ángulo \phi debería
medir entre aproximadamente 6º y 15º, preferiblemente entre 8º y
10º.
Las roscas 312 están dispuestas sobre la parte
de la raíz afilada 304, de manera que el diámetro exterior D del
tornillo y de las roscas sea de aproximadamente la misma magnitud a
lo largo de la parte de la raíz afilada 304 y del cuerpo del
tornillo 306. Aunque es a veces preferible que todas las roscas
entre la cabeza (incluida la parte de la raíz afilada) y la zona del
punto de entrada presenten aproximadamente el mismo diámetro
exterior, se prevé que en formas de realización alternas se pueda
emplear un diámetro y un perfil de rosca diferentes en una zona
situada más cerca del punto de entrada y más lejos de la parte de la
raíz afilada para conseguir ciertos efectos ventajosos con respecto
al espesor y a materiales de piezas fabricadas específicas. En
consecuencia, se prevé que las roscas presenten aproximadamente el
mismo diámetro en la parte de la raíz afilada y en una parte del
cuerpo de tornillo directamente adyacente a la parte de la raíz
afilada (la parte adyacente se extiende desde la parte de la raíz
afilada en al menos una distancia que es cuatro veces el paso de
rosca hacia el punto de entrada).
Los principios anteriormente descritos (por
ejemplo, una parte de la raíz afilada y una rosca de varias
entradas) pueden ser aplicados generalmente a un tornillo que posee
una sección transversal multilobular de formación de roscas. Dicha
sección transversal multilobular consiste generalmente en un número
impar de lóbulos (por ejemplo, 3, 5, 7, etc.) que definen un
perímetro ovalado (no circular). En general, cuando se introduce un
tornillo lobular en un agujero piloto de dimensiones apropiadas, los
lóbulos deforman plásticamente el material para crear las roscas
formadas por rodamiento. Estas roscas mantienen un cierto grado de
recuperación elástica tras su formación, ejerciendo de ese modo una
presión de sujeción sobre el tornillo, lo que reduce de manera
ventajosa el aflojamiento vibracional. Un ejemplo de sección
transversal multilobular, que presenta tres de tales lóbulos, es la
línea Trilobular^{TM} de tornillos autorroscantes, desarrollada
por, y disponible a través de Research Engineering and
Manufacturing Inc. en Middletown, RI y Conti Fasteners AG en
Suiza.
En la figura 4 se muestra de manera general la
formación de una pieza bruta de cabeza en enfriamiento, que es
usada para terminar de formar un tornillo acabado en relación con
una forma de realización de esta invención. Esta pieza bruta es
normalmente una pieza bruta de sección transversal de tres lóbulos,
aunque se prevé expresamente el empleo de otros números de lóbulos.
Se muestra una matriz de cabeza dura 402, la cual presenta una
cavidad de matriz de formación 404. El proceso de formación suele
comenzar cuando una pieza de corte de alambre o vara de sección
transversal generalmente lobular o circular de tamaño
predeterminado es colocada en la cavidad de la matriz.
Frecuentemente, se utilizan tres o más cavidades de matriz
diferentes en una línea, las cuales representan fases de formación
diferentes, donde la pieza bruta se desplaza progresivamente de una
cavidad de matriz a otra. En el ejemplo ilustrado, se muestra la
matriz de formación final 402. La cavidad de matriz 404 es un
agujero dimensionado que corresponde a la forma de la pieza bruta
finalizada deseada. La cavidad de matriz 404 tiene paredes
laterales de espesor y dureza suficientes para asegurar que no se
produce ninguna deformación de la misma al introducir en su
interior la pieza bruta no acabada para ser deformada plásticamente
hasta la obtención de la pieza bruta 405 deseada ya finalizada, tal
y como se muestra. La sección transversal colocada al revés de la
cavidad de matriz 404 (no mostrada), define por supuesto la sección
transversal de la pieza bruta deseada (perímetro multilobular o
circular), tal como se describe con más detalle a
continuación).
La formación de la pieza bruta acabada 405 en la
cavidad de matriz 404 suele realizarse mediante varios impulsos
aplicados por un pistón o punzón 406. El punzón 406 del ejemplo
suele ser conducido por un accionador mecánico potente (no
mostrado) que empuja la pieza bruta bajo una presión importante
(ver flecha 408) para conformar de manera simultánea la forma
interna de la pieza bruta acabada y la forma de la cabeza de la
pieza bruta. Al igual que las cavidades de matriz progresivas,
durante la formación de la pieza bruta 405 se pueden usar punzones
de diferentes formas, cada uno con una forma que se ajusta
progresivamente más a la forma de la cabeza de la pieza bruta 410.
En este ejemplo, la cabeza de la pieza bruta 410 incluye una
formación de transmisión Phillips 412 (mostrada en la sección
transversal expuesta). No obstante, dicha formación de transmisión
puede adquirir cualquier forma deseada, y puede comprender de forma
alternativa (por ejemplo) una ranura transversal hueca estándar, una
cavidad de transmisión de seis lóbulos o una cavidad de receptáculo
hexagonal. Por otra parte, la pieza bruta puede estar provista de
cualquier llave de rosca interna o externa de acoplamiento de la
forma de la cabeza de transmisión, o puede contener cualquier otro
sistema que permita que el torque sea transmitido al tornillo a
través de un sistema apropiado y conveniente. Se debe tener en
cuenta de que un perno eyector móvil 414 puede ser usado para
detener la punta de la pieza bruta y eyectar la pieza bruta acabada
(ver flecha 416) al interior de un canal u otro conducto (no
mostrado), para dirigirse a una matriz de formación de roscas
(descrita a continuación).
La cavidad de matriz 404 genera al menos cuatro
partes de la pieza bruta formadas claramente, de acuerdo con las
diversas formas de realización de esta invención. Haciendo
referencia ahora a la figura 5, estas partes de pieza bruta de
cabeza de enfriamiento acabada 405 son mostradas y descritas de
manera más detallada. Según una forma de realización ilustrativa,
dichas partes incluyen una sección puntiaguda cónica (o
"entrada") 502, una sección del cuerpo 504 y una parte cónica
506 adyacente a la cabeza 410, así como la propia cabeza.
Las secciones transversales generales presentes
en la sección puntiaguda cónica 502, la sección de cuerpo 504 y la
parte afilada 506 son descritas respectivamente en las figuras 6, 7
y 8. En general, la pieza bruta de tornillo define una forma
continuamente afilada desde la punta 510 hasta la cabeza 410. La
forma de sección transversal de tres lóbulos que caracteriza la
pieza bruta del ejemplo se muestra con más claridad en las vistas
de sección transversal de las figuras 6 y 7 (ver lóbulos 602 y 702,
respectivamente). Los lóbulos 602 y 702 están centrados alrededor
del eje 512, y permanecen dentro de los círculos coaxiales
respectivos 606 y 706 (mostrados en la ilustración). Las zonas de
"cavidad" entre los lóbulos 602 y 702 están separadas por una
espacio de separación ovalada K1 y K2 (respectivamente). Tal y como
se ha descrito, cuanto mayor es el "ovalado", mayor es el
valor K. Esto también puede ser definido como el grado de
"lobularidad" de acuerdo con las enseñanzas de esta
invención.
De forma similar, la figura 8 muestra una
sección transversal tomada transversalmente a través del punto
medio axial aproximado de la parte afilada 506. Esta sección
transversal, centrada alrededor del eje 512 es básicamente
circular, y representativa del perfil circular a lo largo de esta
parte. Haciendo referencia también a la figura 5, la parte afilada
506 se afila hacía fuera conforme se aproxima a la parte inferior
514 de la cabeza 410 desde la sección de cuerpo 504. El grado de
aumento de la conicidad no suele ser inferior a dos veces el paso
axial de la rosca del tornillo (se hace referencia al paso AP de la
figura 14) cuando está formada y, preferiblemente, no es más larga
en la dirección axial que un valor WB, el cual es tres veces y
media el paso axial (AP) de la rosca formada.
Las figuras 9 y 10 muestran de forma general la
formación de roscas sobre la pieza bruta 405 para crear el tornillo
roscado completo (indicado aquí por 902). En esta forma de
realización, el tornillo 902 es acoplado por matrices de formación
por rodamiento planas 908 y 910 a lo largo del eje de la pieza
bruta justo debajo de la cabeza 410. Dichas matrices aplican una
presión suficiente (flechas 912) para causar la deformación plástica
(y el flujo de material) de la superficie de la pieza bruta en cada
una de las tres secciones (502, 504 y 506) cuando una de las placas
de matriz 908 es movida lateralmente (flecha 1002) con respecto a
la otra placa de matriz 910. Durante el movimiento de la placa de
matriz, el espacio entre las placas de matriz se mantiene
constante, tal y como muestra la línea central equidistante 1004
entre las superficies de formación de matriz confrontadas. Puesto
que las matrices acoplan una pieza bruta de sección transversal
excéntrica, el movimiento de la matriz 908 implica una rotación por
rodamiento (flechas 1006) en la pieza bruta que oscila. De manera
específica, el eje central 512 del tornillo/pieza bruta rodante
traza un recorrido 1008 que se extiende alternativamente encima y
debajo de la línea central 1004. A pesar de que la distancia entre
las matrices es constante, una medición de la sección transversal
utilizando un micrómetro de boca plana va a mostrar unas
dimensiones constantes sobre la circunferencia entera del tornillo
roscado final.
Haciendo referencia en particular a la figura 9,
las matrices 908 y 910, están provistas en la zona de la parte de
la raíz afilada formada 906 de una conicidad hacia fuera 920
característica. Esta conicidad hacia fuera, que actúa sobre la
parte afilada de la pieza bruta, crea un modelo de rosca resultante
con partes superiores de perfil roscados que mantienen un diámetro
exterior relativamente constante (líneas discontinuas 914) con
respecto a las partes superiores de rosca en la parte del cuerpo
904, pero el diámetro interior (las cavidades de cada perfil de
rosca), como lo indica la línea discontinua 916, muestra una
conicidad continua característica hacia fuera dirigida hacia la
cabeza 410. La forma afilada continua es generada en gran medida por
la acción de las matrices 908 y 910 que se mueven sobre la pieza
bruta enrollada. Además, el flujo de material de la pieza bruta,
basado en las formas de las matrices, produce una apariencia más
continua, tal como está mostrado en la figura 9 (y en la figura 15
descrita a continuación). Esta forma afilada hacia fuera contrasta
directamente con el relleno incompleto no deseado cerca de la
cabeza, que suele aparecer en el estado de la técnica.
Se hará referencia ahora a las secciones
transversales para el tornillo enrollado 902, mostrado de forma más
detallada en las figuras 11 a 13. En referencia en primer lugar a
la figura 11, la parte del cuerpo 904 muestra el valor ovalado
mayor K3 entre los lóbulos 1102 y las "cavidades" de
intervención.
La sección transversal de la figura 12, en la
que se observa una sección de la parte de la raíz afilada ahora
roscada 906 adyacente al cuerpo 904, muestra un valor ovalado
reducido K4 entre los lóbulos 1202 (pero que continúa siendo un
valor ovalado importante). Por lo general, se entiende que la
matriz de rodamiento aplica una presión reducida en proporción al
aumento de la conicidad (cuando la forma cónica se aproxima a la
parte inferior 514 de la cabeza). En consecuencia, se expone un
valor ovalado relativamente pequeño K5 para la sección transversal
de la figura 13, relativamente cerca de la parte inferior de la
cabeza. Esta pequeña (mínima) sección transversal ovalada definirá
como una "sección transversal casi circular" para los
objetivos de esta descripción. En algunas formas de realización, la
sección transversal casi circular puede ser esencialmente circular.
Por lo que el término debería incluir dicha alternativa.
De manera clara, el movimiento de rodamiento
oscilatorio de la pieza bruta descrito anteriormente, bajo la
influencia de las matrices de formación por rodamiento, tiende a
influir la formación final de la sección transversal circular
afilada adyacente a la parte inferior de la cabeza. Asimismo, es
importante mencionar que la combinación de matrices de formación de
roscas y de piezas brutas empleada aquí produce un tornillo que
presenta unas características de formación de roscas ventajosas de
un tornillo multilobular con una mayor resistencia al aflojamiento
vibracional asociado con un tornillo de sección transversal
circular en la región de la zona de sujeción del ensamblaje. Esta
sección transversal casi circular es generada, en parte, como
resultado de la parte de raíz afilada que reduce de forma ventajosa
la presión de formación en dicha región.
Tal y como muestra la figura 14, el tornillo
enrollado y acabado 902 se une a un ensamblaje que consiste en una
primer pieza fina 1402 y una segunda pieza de material de anclaje
1404. La cabeza 410 se comprime firmemente contra la primera pieza
1402. Como se ha mostrado ya, se han formado dos o más bobinas,
espirales o roscas de entrada helicoidales separadas 1406 y 1408
sobre el tornillo 902. Éstas están representadas por los perfiles
de rosca diametralmente opuestos 1406 y 1408, situados en la misma
posición axial a lo largo del eje del tornillo. Tal y como se ha
mencionado anteriormente, el tornillo acabado presenta cualquier
área de sección transversal lobular (lóbulos 3, 5, 9, 11, etc). Se
debe tener en cuenta de que la parte de raíz afilada 906 acopla y
extruye (ver puntos de extrusión 1405) el material de anclaje 1404
hacia delante y hacia atrás, lo cual proporciona un acoplamiento de
rosca adicional entre el material de anclaje 1404 y las roscas
1406, etc. La extrusión tiene lugar, en parte, porque las cavidades
de las roscas en la parte de la raíz afilada se afilan hacia fuera
en dirección hacia la cabeza, mientras que las partes superiores de
las roscas mantienen en gran medida el mismo diámetro que los de al
menos la parte adyacente de la sección del cuerpo (y se hacen
totalmente más circulares en sección transversal cerca de la
cabeza). De esta manera, cuando el tornillo es apretado al interior
del material de anclaje fino 1404, el material se comprime cada vez
más contra las cavidades roscadas de la raíz afilada hasta el punto
de fluencia dirigido axialmente hacia atrás y hacia delante, tal
como
mostrado.
mostrado.
A modo de repetición, el empleo de dos o más
bobinas o roscas de entrada opuestas indica que varios puntos a lo
largo de una sección transversal dada del material de anclaje están
asegurados. Esto se realiza en el área de la parte de la raíz
afilada que se extiende entre la sección transversal casi circular
y la sección transversal más ovalada, aumentando así la resistencia
frente al aflojamiento provocado por la vibración y otras fuerzas
externas. En el tornillo terminado, las roscas 1406, 1408, etc.
definen un paso axial AP, que es la distancia entre las crestas de
roscas adyacentes. Tal y como ya se ha mencionado anteriormente en
referencia a la figura 5, la longitud de la parte de la raíz
afilada WB es al menos dos veces la longitud del paso axial AP
según una forma de realización. En otra forma de realización
ejemplificada, la longitud de la parte de la raíz afilada WB no es
superior a 3'5 veces el paso axial AP.
La figura 15 muestra más detalladamente los
efectos de la distribución de la fuerza a través de una sección
transversal del material de anclaje 1404. En concreto, la parte de
la raíz afilada del tornillo 906 se encuentra en el material de
anclaje 1404 para generar un modelo de tensión clasificado por una
serie de líneas de tensión 1501 que revelan una concentración del
gradiente de la tensión en la proximidad de cada uno de los lóbulos
1502. Los tres lóbulos 1502 son mostrados en este ejemplo.
Las regiones de tensión relajadas alternantes y
motivos de tensión concentrados aumentan la resistencia mecánica
del cierre para soltarse del material basado en la vibración u
otras fuerzas externas.
Lo expuesto anteriormente es una descripción
detallada de determinadas formas de realización de la invención. Se
pueden cambiar o añadir cosas, por ejemplo, se puede cambiar el
diseño de la rosca autorroscante y sustituir un perfil de formación
de roscas alterno en una forma de realización alterna. De la misma
forma, el número de bobinas o roscas helicoidales continuas, y
otros aspectos similares pueden variar en gran medida. Además, se
pueden cambiar los materiales y la dureza del tornillo, así como el
material de la lámina de anclaje subyacente. En consecuencia, los
materiales del tornillo son tratados dónde y cuándo sea necesario
para resistir (en cualquier caso) al torque aplicado cuando se
acopla con materiales de anclaje específicos de un tipo
predeterminado. Tales tratamientos pueden incluir el endurecimiento
superficial y/o endurecimiento en punto de inducción. Por
consiguiente, esta descripción debe ser entendida únicamente a modo
de ejemplo.
Claims (15)
1. Tornillo roscado (300) para la unión de
piezas de poco espesor (1402, 1404), que posee un eje central
definido (512) y una cabeza (302), comprendiendo:
- una parte de cuerpo (306) que define una sección transversal multilobular;
- una parte puntiaguda cónica (310) que define una sección transversal multilobular;
- una parte de raíz (304) situada entre la cabeza (302) y la parte de cuerpo (306), la parte de raíz (304) definiendo una sección transversal variable, la cual cambia de ser una sección transversal casi circular adyacente a la cabeza (302) a una sección transversal multilobular adyacente al cuerpo lobular; y
- una rosca de entrada (312) que presenta un perfil de rosca determinado dispuesto a lo largo del cuerpo de tornillo (306) y a lo largo de la parte de raíz (304), de manera que se mantiene una distancia radial constante entre el eje (512) de rotación y una cresta de cada una de las roscas, a lo largo de la parte de raíz (304) y al menos una sección de la parte de cuerpo (306) adyacente a la parte de raíz (304).
donde dicha parte de la raíz (304)
es
afilada.
2. Tornillo roscado (300) según la
reivindicación 1,
caracterizado por
una pluralidad de roscas de entrada (312) con un
perfil de rosca determinado dispuesto a lo largo de la parte de
raíz (304), la parte de cuerpo (306) y la parte puntiaguda cónica
(502).
3. Tornillo roscado (300) según la
reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que
un paso axial (P) es definido por la distancia
entre las crestas de roscas adyacentes (312) medida a lo largo del
eje de rotación (512)
y la parte de la raíz (304) presenta una
longitud axial de al menos dos veces el paso axial (P).
4. Tornillo roscado (300) según la
reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que
un paso axial (P) es definido por la distancia
entre las crestas de roscas adyacentes (312) medida a lo largo del
eje de rotación (512)
y la parte de la raíz (304) presenta una
longitud axial que no es superior a 3'5 veces el paso axial
(P).
5. Método de unión de al menos una primera pieza
de poco espesor (1402) y una segunda pieza de poco espesor (1404)
mediante el uso de un tornillo roscado (300) definido en cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 4, dicho método comprendiendo las
siguientes etapas:
- rotación del tornillo (300) mientras se ejerce una presión a lo largo del eje de rotación (512) en la dirección de la primera pieza que fabricar (1402) y de la segunda pieza que fabricar (1404); y
- prever una resistencia al aflojamiento provocado por fuerzas externas, cuando la primera pieza de poco espesar (1402) se afloja entre la sección transversal multilobular definida por la parte de raíz afilada (304).
6. Método según la reivindicación 5
caracterizado por el hecho de que
el tornillo roscado (300) forma una serie de
roscas internas (1406) a lo largo del cuerpo de tornillo (304).
7. Método para la fabricación de tornillos
roscados (300) que se han definido en cualquiera de las
reivindicaciones 1 a la 4
caracterizado por
\global\parskip0.950000\baselineskip
las etapas de
- a)
- inserción de una pieza bruta de cabeza (405) que presenta una parte de cuerpo lobular entre un par de matrices (908, 910), cada una posee, respectivamente, un grupo de ranuras lineales y un área afilada en uno de sus laterales, adaptadas para ser colocadas adyacentes a una cabeza (410) de la pieza bruta de cabeza (405);
- b)
- aplicación de fuerzas de compresión sobre la pieza bruta de cabeza (405) desde el par de matrices (908, 910);
- c)
- desplazamiento de una de las matrices (908) en una dirección lineal para provocar de este modo la rodadura de la pieza bruta de cabeza (405) entre el par de matrices (908, 910), un eje central (512) de la pieza bruta (405); definiendo así una línea oscilante con respecto a una línea central de separación (1004) entre las matrices (908, 910), dichas matrices (908, 910) formando un grupo de roscas (312) en la parte de cuerpo (306) y una parte de la raíz afilada (304) en la parte afilada (506) mediante la deformación plástica de la pieza bruta de cabeza (405); y
donde la parte de raíz (304) está
provista con roscas que tienen básicamente el mismo diámetro
exterior que un diámetro exterior (D) de roscas (312) en la parte
de cuerpo
(306).
8. Método según la reivindicación 7
caracterizado por el hecho de que
se utiliza una pieza bruta de tornillo de cabeza
(405) que comprende
- una parte afilada adyacente a la cabeza (410), la parte afilada (506) definiendo una sección transversal aproximadamente circular a lo largo de su longitud axial;
- una sección de cuerpo (504), que se extiende desde la parte de raíz (506), definiendo una sección transversal multilobular; y
- una parte puntiaguda cónica (502), que se extiende desde la parte de cuerpo (504), definiendo una sección transversal multilobular.
9. Método según la reivindicación 7
caracterizado por el hecho de que
la etapa relativa al desplazamiento (C) incluye
la formación de al menos dos roscas diferenciadas (312) en la pieza
bruta de cabeza (1405).
10. Método según la reivindicación 7
comprendiendo también la formación de una sección transversal
variable a lo largo de la parte de raíz (506) de la pieza bruta de
cabeza (405), en el que la sección transversal variable pasa de una
sección transversal casi circular adyacente a la cabeza (410) a una
sección transversal de lobularidad máxima adyacente al cuerpo
(504).
11. Matriz de cabeza (406) para la formación de
una pieza bruta de tornillo de cabeza (405) comprendiendo:
- una cavidad de matriz de formación (404) para la recepción de una pieza bruta básicamente lineal, presentando dicha cavidad de matriz de formación (404) una sección transversal, tomada a través de un eje (416), e incluyendo paredes (402) para la formación de:
- i.
- una parte afilada (506) definiendo una sección transversal circular próxima a una cabeza (410) de la pieza bruta (405) y que se extiende a distancia desde ésta hacia la parte de cuerpo (504);
- ii.
- una parte de cuerpo (504) definiendo una sección transversal multilobular; y
- iii.
- una parte puntiaguda cónica (502), que se extiende desde la parte de cuerpo (504), definiendo una sección transversal multilobular.
12. Par de matrices de formación por rodamiento
(908, 910) para la formación de roscas (312) sobre una pieza bruta
de tornillo multilobular tal y como se define en la reivindicación
11 comprendiendo:
- una primera matriz (908) que presenta una o más hendiduras lineales para la formación de roscas (312) por rodamiento, presentando dicha primera matriz (908) una forma afilada hacía fuera y en dirección a uno de los extremos de la primera matriz (908), estando dicha forma afilada hacia fuera conformada para que se pueda formar por rodamiento una parte de la raíz afilada y roscada de la pieza bruta del tornillo (405) adyacente a una cabeza de tornillo (302); y
- una segunda matriz (910), situada enfrente de la primera matriz (908), la primera matriz (908) siendo móvil con respecto a la segunda matriz (910), con una distancia de separación constante entre ellas, y presentando la segunda matriz (910) una o más ranuras lineales para la formación de roscas por rodamiento, así como una forma afilada hacia fuera y en dirección hacia uno de los extremos de la segunda matriz (910), estando dicha forma afilada hacia fuera conformada para que se pueda formar por rodamiento la parte de la raíz afilada y roscada de la pieza bruta de tornillo (405).
13. Par de matrices de formación por rodamiento
(908, 910) según la reivindicación 12, donde la primera matriz
(908) y la segunda matriz (910) están adaptadas para la formación
de una pluralidad de roscas diferenciadas (312) sobre la pieza
bruta de tornillo (405).
14. Par de matrices de formación por rodamiento
(908) según la reivindicación 13, donde la forma conificada hacia
fuera de la primera matriz (908) y la forma afilada hacia fuera de
la segunda matriz (910) están adaptadas para la formación de roscas
(312) sobre la parte de la raíz afilada (506), las cuales presentan
una distancia radial en las respectivas crestas que es
aproximadamente equivalente a una distancia radial (D) en crestas de
al menos una parte adyacente de una parte de cuerpo (306) de la
pieza bruta de tornillo (405), y unas cavidades en las roscas entre
unas crestas definen una forma afilada en aumento radialmente hacia
fuera y en una dirección axial desde la parte de cuerpo (306) en
dirección hacia la cabeza (410).
15. Par de matrices de formación por rodamiento
(908, 910) según la reivindicación 14, donde la forma afilada hacia
fuera de la primera matriz (908) y la forma afilada hacia fuera de
la segunda matriz (910) están adaptadas para la formación de roscas
(312) sobre la parte de la raíz afilada (304), que cambia desde una
sección casi circular hacia la cabeza (410) hasta una lobularidad
máxima adyacente a la parte del cuerpo (306).
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