ES2275185T3 - Fiador roscado particularmente adecuado para plasticos. - Google Patents

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ES2275185T3 ES04253641T ES04253641T ES2275185T3 ES 2275185 T3 ES2275185 T3 ES 2275185T3 ES 04253641 T ES04253641 T ES 04253641T ES 04253641 T ES04253641 T ES 04253641T ES 2275185 T3 ES2275185 T3 ES 2275185T3
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Kenneth R. Levey
Frank W. Bechtel Jr.
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    • F16B39/28—Locking of screws, bolts or nuts in which the locking takes place during screwing down or tightening by special members on, or shape of, the nut or bolt
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Abstract

Un fiador (10) roscado macho, que comprende: una caña (14) que tiene un extremo (12) de cabeza y un extremo distal (20), definiendo dicho extremo distal el extremo de ataque de dicho fiador; una rosca alta (16) que envuelve helicoidalmente a dicha caña, teniendo dicha rosca alta un flanco (24) de clavado de rosca alta que se enfrenta a dicho extremo distal y un flanco (28) de presión de rosca alta que se enfrenta a dicho extremo de cabeza, y una rosca baja (18) que envuelve helicoidalmente a dicha caña, teniendo dicha rosca baja un flanco (26) de clavado de rosca baja que se enfrenta a dicho extremo distal y un flanco (30) de presión de rosca baja que se enfrenta a dicho extremo de cabeza, definiendo dichos flancos de rosca baja un ángulo (alfal) incluido de rosca baja en entre aproximadamente 30º y aproximadamente 120º, en el que: dichas roscas alta y baja tienen, cada una de ellas, crestas planas (62, 64), y dichas roscas alta y baja están separadas cada una de la otra en dicha caña por medio de una ranura plana (68), caracterizado porque: dicho flanco de clavado de rosca alta y dicho flanco de presión de rosca alta que definen un ángulo (ah) incluido de rosca alta de entre aproximadamente 35º y aproximadamente 60º, y una serie de depresiones (32) formadas en dicho flanco de presión de rosca alta.

Description

Fiador roscado particularmente adecuado para plásticos.
La presente invención se refiere en general a fiadores roscados, y más en particular, la invención se refiere a fiadores roscados machos particularmente adecuados para su utilización en materiales blandos tales como plásticos.
Se ha utilizado una diversidad de configuraciones de fiadores para su anclaje en materiales blandos, tales como plásticos, con éxito variado. Muchos fiadores se han utilizado en aplicaciones de conformación de rosca. Se forma un orificio de guía en el cuerpo de anclaje, y las roscas del fiador cortan la pared del orificio de guía según se inserta el fiador.
Diferentes materiales presentan retos distintos para el diseño de fiadores que han de ser anclados en los mismos. Una característica de muchos plásticos, conocida como "fluencia plástica", hace que sea difícil el anclaje permanente en el material. La fluencia plástica se refiere a los cambios dimensionales que se producen con el tiempo en un cuerpo de plástico. También se conoce como flujo frío, y la velocidad de fluencia o flujo frío se incrementa con frecuencia con la temperatura aumentada. Como resultado de la fluencia plástica, una unión formada por un fiador roscado anclado en un cuerpo de plástico, puede aflojarse con el tiempo. Con anterioridad, se han realizado diseños de fiador en un intento por compensar los efectos causados por la fluencia plástica, con éxito variado.
Una rosca de tornillo convencional puede ser considerada como una rampa inclinada de forma cilíndrica. Según se aprieta un tornillo, el material en el que se clava el tornillo eleva la rampa y es empujado contra la cabeza del tornillo. Durante el apriete final, el material se comprime, el propio tornillo se ve estirado, y se genera una carga de enclavamiento. Si el material se relaja con el tiempo, como ocurre con la fluencia plástica, el material tiene una tendencia natural a deslizar hacia abajo por la rampa inclinada de la rosca del tornillo. La carga de enclavamiento se pierde, y la unión se afloja.
También se han experimentado dificultades en el anclaje de fiadores roscados en cuerpos de plástico que están sometidos a vibración. La vibración puede provocar que el material se mueva sobre la rampa inclinada de la rosca de tornillo, naturalmente en la dirección de aflojamiento. De ese modo, puede resultar difícil mantener un apriete de un fiador roscado con un par torsor predeterminado, en un cuerpo de plástico.
Debido a la naturaleza de los plásticos, y a las estructuras realizadas con frecuencia a partir de los mismos, se prefiere que un fiador se clave en el material de forma relativamente fácil. Sin embargo, se presenta otro problema cuando la "ventana de la franja de clavado" es pequeña. La ventana de la franja de clavado es la diferencia entre el par torsor necesario para clavar el tornillo en el material y el par torsor máximo que puede ser tolerado sobre el tornillo apretado en el material antes de que se produzca el desgarro en el material de anclaje. Son deseables grandes ventanas de franja de clavado para evitar el desgarro accidental, especialmente si se utilizan destornilladores accionados con motor para clavar el fiador en el material.
Los tornillos se suministran en una diversidad de tamaños, tanto en diámetro como en longitud. Ha sido habitual proporcionar tornillos de diámetros específicos con pasos de rosca comunes. Sin embargo, al hacer esto se ha sabido que un tornillo de un tamaño puede trabajar razonablemente bien en el plástico, mientras que el siguiente tamaño más grande o más pequeño, que tenga el mismo diseño de rosca, no trabaja bien. De ese modo, ha sido difícil diseñar tornillos de diferentes tamaños para que trabajen igualmente bien en materiales similares.
Lo que se necesita en el estado de la técnica es un fiador roscado para plásticos y otros materiales blandos que se clave en el material fácilmente, pero que proporcione una unión segura con una retención mejorada incluso aunque se experimente fluencia o vibración plásticas. También se necesita proporcionar un diseño de rosca que pueda ser graduada de modo que proporcione un comportamiento consiguientemente mejorado con una diversidad de tamaños de tornillo.
La presente invención proporciona un fiador roscado macho que tiene dobles roscas separadas de configuración alternante alta y baja, para minimizar el desplazamiento de material, mientras que reduce el esfuerzo interno e incrementa la carga de tracción requerida para la retirada. Se proporcionan características de flanco de presión sobre al menos algunas roscas, para que trabajen en colaboración con la fluencia plástica con el fin de mejorar la retención y minimizar el aflojamiento del fiador en el material blando de anclaje. Se proporcionan relaciones específicas en cuanto a la altura de la rosca y a la separación, para conseguir un comportamiento mejorado en el plástico, uniforme entre tornillos de diferentes tamaños.
El documento US-A-4576534 describe una forma de rosca para material blando.
El documento DE-A-19848717 describe un tornillo para su uso en componentes de plástico, que comprende una cabeza de eje y una doble rosca.
El documento US-A-2002/081171 describe un tornillo de conformación de rosca.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un fiador roscado macho que comprende:
una caña que posee un extremo de cabeza y un extremo distal, definiendo dicho extremo distal el extremo de ataque de dicho fiador;
una rosca alta que envuelve helicoidalmente a dicha caña, teniendo dicha rosca alta un flanco de clavado de rosca alta que se enfrenta a dicho extremo distal, y un flanco de presión de rosca alta que se enfrente a dicho extremo de cabeza; y
una rosca baja que envuelve helicoidalmente a dicha caña, teniendo dicha rosca baja un flanco de clavado de rosca baja que se enfrenta a dicho extremo distal y un flanco de presión de rosca baja que se enfrenta a dicho extremo de cabeza, definiendo dichos flancos de rosca baja un ángulo incluido de rosca baja, de entre aproximadamente 30º y aproximadamente 120º,
en el que:
cada una de dichas roscas alta y baja poseen crestas planas, y
dichas roscas alta y baja están separadas una de otra en dicha caña por medio de una ranura plana,
caracterizado porque:
dicho flanco de clavado de rosca alta y dicho flanco de presión de rosca alta, que definen un ángulo incluido de rosca alta de entre aproximadamente 35º y aproximadamente 60º, y
una serie de depresiones formadas en dicho flanco de presión de rosca alta.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un conjunto de un tornillo en un orificio de guía de una pieza de trabajo de plástico, en el que:
dicho orificio de guía tiene una pared de orificio de guía en dicha pieza de trabajo, teniendo dicho orificio de guía un diámetro;
dicho tornillo es un fiador roscado macho de acuerdo con el primer aspecto, y
dicho conjunto satisface la relación:
A_{2} \geq A_{1}
donde:
A_{1} es el área de una primera zona sustancialmente trapezoidal de dicha rosca alta, definida en un plano que contiene un eje de dicho tornillo, teniendo dicha primera zona un primer, un segundo, un tercer y un cuarto lados en dicho plano por el mismo lado de dicho eje, siendo dichos primer y segundo lados paralelos a dicho eje, extendiéndose dicho primer lado a lo largo de dicha cresta de rosca alta desde un borde de la misma hasta el centro de la misma, teniendo dicho segundo lado una longitud igual a la mitad del espesor de dicha rosca alta en dicha pared de orificio de guía y extendiéndose desde un borde de dicha rosca alta por el interior de dicho plano hasta el centro de dicha rosca alta, siendo dicho tercer lado perpendicular a, y extendiéndose entre, dichos primer y segundo lados a través de dicha rosca alta, y extendiéndose dicho cuarto lado entre dichos primer y segundo lados a lo largo de un flanco de dicha rosca alta; y
A_{2} es el área de una segunda zona sustancialmente trapezoidal definida en dicho plano, entre dicha rosca alta y dicha rosca baja, desde dicha ranura plana hasta dicha pared de orificio de guía, teniendo dicha segunda zona un primer, un segundo, un tercer y un cuarto lado por el mismo lado de dicho eje, siendo dichos primer y segundo lados de la segunda zona sustancialmente paralelos a dicho eje, extendiéndose dicho primer lado de la segunda zona a lo largo de dicha ranura plana desde dicha rosca alta hasta dicha rosca baja, extendiéndose dicho segundo lado de dicha segunda zona a lo largo de dicho borde de dicha pared de orificio de guía entre dicho tercer lado y el cuarto lado de dicha segunda zona, extendiéndose dicho tercer lado de dicha segunda zona a lo largo de dicha rosca alta desde dicha ranura plana hasta dicha pared de orificio de guía, y extendiéndose dicho cuarto lado de dicha segunda zona a lo largo de dicha rosca baja desde dicha ranura plana hasta dicha pared de orificio de guía.
Una ventaja de la presente invención consiste en proporcionar un fiador roscado para plásticos que reduce las tensiones internas e incrementa la carga de tracción de retirada para el fiador.
Otra ventaja de la presente invención es proporcionar un fiador roscado para su uso en plásticos y en otros materiales blandos, que clava fácilmente pero que queda enclavado de forma segura en el interior del material cuando se aligera.
\newpage
Todavía otra ventaja de la presente invención es proporcionar un fiador roscado para plásticos que resista el aflojamiento derivado de la vibración o de la fluencia plástica.
Otra ventaja adicional de la presente invención es proporcionar un diseño de rosca de tornillo con un comportamiento mejorado en plástico, que pueda ser graduada para su aplicación en diferentes tamaños de tornillos.
Una realización particular de acuerdo con esta invención, va a ser descrita ahora con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:
La Figura 1 es un alzado lateral de un fiador roscado de acuerdo con la presente invención;
La Figura 2 es una vista fragmentada, en sección transversal, a mayor tamaño, del fiador roscado posicionado en un orificio de guía realizado en un material de anclaje;
La Figura 3 es una vista fragmentada, en sección transversal, a mayor tamaño, similar a la Figura 2, pero ilustrando una porción diferente del fiador en una porción diferente del orificio de guía;
La Figura 4 es una vista fragmentada, en sección transversal, a mayor tamaño, similar a las Figuras 2 y 3, pero ilustrando todavía otra porción del fiador en todavía otra porción del orificio de guía;
La Figura 5 es una vista en sección transversal, a mayor tamaño, de una porción del fiador roscado, que ilustra un detalle previsto en el flanco de presión de la rosca alta del fiador, habiendo sido tomada la sección transversal a lo largo de la longitud de rosca, y
La Figura 6 es una vista fragmentada, en sección transversal, a mayor tamaño, similar a las Figuras 2-4, que ilustra la característica del flanco de presión.
Haciendo ahora referencia, más en particular, a los dibujos, y específicamente a la Figura 1 de los mismos, se muestra un fiador roscado 10 de acuerdo con la presente invención. El fiador 10 incluye una cabeza 12 en una caña 14, teniendo la caña 14 formada en la misma una rosca alta 16 y una rosca baja 18. La rosca alta 16 y la rosca baja 18 se extienden desde un extremo distal 20 de la caña 14, en forma de espirales alternas a lo largo de la longitud de la caña 14, hasta un extremo 22 de cabeza de la misma, adyacente a la cabeza 12.
El fiador roscado 10 puede ser formado con una diversidad de materiales, y ventajosamente puede estar formado con metal mediante un proceso de formación en frío. El fiador 10 puede ser proporcionado en una variedad de tamaños y longitudes diferentes dependiendo de la aplicación y del uso para el fiador 10. La presente invención puede ser aplicada ventajosamente a varios tamaños del fiador 10, como se va a explicar en lo que sigue.
La rosca alta 16 y la rosca baja 18 se muestran en los dibujos de modo que se extienden desde el extremo distal 20 hasta la cabeza 12. Sin embargo, en algunas aplicaciones y usos de la presente invención, cualquiera de ellas o ambas pueden ser proporcionadas a menos de la distancia completa de la caña 14. Por ejemplo, las roscas 16 y 18 pueden iniciarse por el interior del extremo distal 20 y pueden terminar separadas de la cabeza 12, de tal modo que se proporciona una porción no roscada en la caña 14, ya sea adyacente al extremo distal 20, ya sea adyacente a la cabeza 12, o ya sea adyacente a ambos.
La cabeza 12 puede estar provista de una diversidad de configuraciones adecuadas para su conexión a, y su clavado mediante, una herramienta o instrumento. Por ejemplo, la cabeza 12 puede incluir un orificio formado en la misma para recibir una llave adecuada o herramienta manual o motorizada para hacer girar el fiador 12 durante la inserción del fiador en un cuerpo para su anclaje. La cabeza 12 puede estar configurada con una ranura o con otro orificio conformado para recibir un destornillador u otro instrumento. Además, la cabeza 12 puede estar configurada con una configuración externa de cabeza que tenga lados planos para su enganche mediante una llave u otra herramienta similar. Además, la cabeza 12 puede tener forma cónica para asentar en un orificio cóncavo realizado para rebajar la cabeza 12 en el material en el que se ancla. Todas estas configuraciones y variaciones de las mismas en cuanto a la cabeza 12, son bien conocidas por los expertos en la técnica, y no van a ser descritas aquí con mayor
detalle.
En sección transversal, la rosca alta 16 y la rosca baja 18 tienen forma truncada. Cada de ellas posee un flanco 24 y 26 de clavado, respectivamente, y un flanco 28 y 30 de presión, respectivamente. Los flancos 24 y 26 de clavado son aquellas superficies continuas de las roscas 16 y 18, respectivamente, que se enfrentan hacia el extremo distal 20. Los flancos 28 y 30 de presión son aquellas superficies continuas de las roscas 16 y 18, respectivamente, que se enfrentan en general hacia la cabeza 12.
Según sugiere la terminología utilizada, la rosca alta 16 se extiende radialmente hacia el exterior desde la caña 14 más allá que la rosca baja 18.
La rosca alta 16 está provista de una serie de cavidades o depresiones 32 en el flanco 28 de presión. Ventajosamente, las depresiones 32 están separadas uniformemente en la rosca alta 16 generalmente desde el extremo 22 de cabeza hasta el extremo distal 20. En una modificación de la presente invención, se pueden prever las depresiones 32 en una o varias envolventes helicoidales de la rosca alta 16 adyacentes a la cabeza 12, o en la envolvente helicoidal de la rosca 16 más cercana a la cabeza 12 si la rosca 16 está separada por algo de distancia de la cabeza 12.
Para describir después diversas relaciones físicas de las características del fiador roscado 10, se van a definir algunas de las dimensiones de las mismas con referencia a las Figuras 2-6. El eje longitudinal del fiador 10 se ilustra mediante la línea discontinua 40. El radio de la caña 14 se ilustra mediante la línea 42 en forma de flecha. El radio 42 es la mitad del diámetro menor (\phi_{men}) del fiador 10, el cual es el diámetro de la caña 14. La rosca alta 16 define un diámetro mayor (\phi_{alto}) que es dos veces el radio de la rosca alta indicado mediante la línea discontinua 44 de la Figura 2. La rosca baja 18 define un diámetro mayor (\phi_{bajo}), que es el doble del radio de la rosca baja indicado mediante la línea 46 en forma de flecha en la Figura 2. La rosca alta 16 define un ángulo (\alpha_{h}) incluido, indicado mediante la línea 48 en forma de flecha, y la rosca baja 18 define un ángulo (\alpha_{l}) incluido, indicado mediante línea 50 en forma de flecha. Los ángulos con los que se proporcionan la rosca alta 16 y la rosca baja 18 en la caña 14, definen el paso de rosca, o separación axial entre porciones adyacentes de cada rosca. La línea 52 en forma de flecha indica el paso de rosca en el ejemplo de realización.
La rosca alta 16 y la rosca baja 18 tienen crestas 62 y 64 de rosca aplanadas, respectivamente. La anchura (f_{c}) de las crestas planas 62 y 64 es la misma para cada una de ellas, y se ha indicado mediante la línea 66 en forma de flecha.
Entre la rosca alta 16 y la rosca baja 18, se define una ranura 68 plana, y es una superficie en espiral que asciende por el fiador 10 desde el extremo distal 20 hasta la cabeza 12. La anchura (f_{g}) de la ranura plana 68 ha sido indicada mediante la línea 70 en forma de flecha.
El fiador 10 se utiliza en un orificio 72 de guía realizado en un material 74 de anclaje de plástico, estando el orificio 72 de guía definido por una pared 76 de orificio de guía. Según conocen los expertos en la técnica, el orificio 72 de guía puede ser ahusado, tal como con un ángulo incluido de aproximadamente un grado. De ese modo, un diámetro (\phi_{orificio}) del orificio de guía será distinto a diferentes profundidades del orificio 72 de guía. En la posición ilustrada en la Figura 2, el diámetro (\phi_{orificio}) del orificio de guía es aproximadamente igual al diámetro mayor (\phi_{bajo}) de la rosca baja 18. La Figura 3 ilustra un área del fiador 10 que es más superficial en el orificio 72 de guía, en la que el diámetro (\phi_{orificio}) del orificio de guía es ligeramente más grande que el diámetro (\phi_{bajo}) mayor de la rosca baja. En una porción más profunda del orificio 72 de guía, mostrada en la Figura 4, el diámetro (\phi_{orificio}) del orificio de guía es menor que el diámetro mayor (\phi_{bajo}) de rosca baja.
El ángulo (\alpha_{h}) incluido 48 de rosca alta está comprendido preferiblemente entre aproximadamente 35º y aproximadamente 60º, y óptimamente es de aproximadamente 48º. El ángulo (\alpha_{l}) incluido 50 de rosca baja está, preferiblemente, entre aproximadamente 30º y aproximadamente 120º, y óptimamente es de aproximadamente 90º. La anchura (f_{g}) de la ranura 68 plana está, preferiblemente, entre aproximadamente 0,075 y aproximadamente 0,5 mm (aproximadamente 0,003 y aproximadamente 0,020 pulgadas), y óptimamente es de aproximadamente 0,125 mm (aproximadamente 0,005 pulgadas). La anchura (f_{c}) de las crestas 62 y 64 planas en cada rosca alta 16 y en cada rosca baja 18 está preferiblemente entre aproximadamente 0,05 mm y aproximadamente 0,25 mm (aproximadamente 0,002 pulgadas y aproximadamente 0,010 pulgadas). La relación del diámetro (\phi_{orificio}) del orificio 72 de guía respecto al diámetro (\phi_{alto}) de la rosca alta 16 está preferiblemente dentro de la gama de aproximadamente el 55% al 85%, y puede ser especificada como del 80% para la mayor parte de los tamaños de fiadores de acuerdo con la presente invención.
Los detalles de tamaño, forma y posicionamiento de las depresiones 32 se ilustran en las Figuras 5 y 6. La Figura 5 ilustra una porción de flanco 28 de presión, generalmente a lo largo de una curva que sigue la longitud de la rosca 16. La Figura 6 es una sección transversal axial, fragmentada, del fiador 10. Las depresiones 32 son alargadas en dirección radial, y están abiertas en la cresta 62 de rosca alta, extendiéndose hacia el interior desde menos de la distancia completa a la caña 14. El radio de curvatura en el fondo de cada depresión 32, indicado mediante la línea 80 en forma de flecha, es óptimamente de aproximadamente 0,2 mm (aproximadamente 0,008 pulgadas). El espacio circunferencial entre depresiones 32 adyacentes, indicado mediante la línea 82 en forma de flecha, es preferiblemente de aproximadamente 0,1 mm (aproximadamente 0,040 pulgadas). La profundidad de cada depresión 32, indicada mediante la línea 84 en forma de flecha, es preferiblemente de aproximadamente 0,125 mm (aproximadamente 0,005 pulgadas). La longitud (Longitud PPF) de cada depresión 32, indicada mediante la línea 86 en forma de flecha, está definida preferiblemente por la siguiente relación matemática:
0 \leq Longitud_{PPF} \leq 1/3 \ (\phi_{alto} - \phi_{men}) * sec(1/2\alpha_{h})
También se pueden utilizar ventajosamente otras formas para las depresiones 32. En algunos usos de la presente invención, se pueden obtener ventajas de que las depresiones se extiendan hacia el interior desde la cresta 62, de manera completamente cercana a la caña 14. También se contempla que en algunas aplicaciones de la invención, se pueden obtener ventajas con la provisión de depresiones en el flanco 30 de presión de la rosca baja 18, al menos a lo largo del borde externo de la misma adyacente a la cresta 64.
Se ha descubierto que el paso de rosca indicado mediante la línea 52 en forma de flecha, las alturas de rosca y otras dimensiones similares que han sido constantes de diseño en otros diseños de fiadores, pueden funcionar todas ellas como variables en el escalado del fiador dentro de los tamaños de fiador comúnmente aceptables. Para conservar las ventajas de la presente invención de un tamaño de fiador a otro tamaño de fiador, las relaciones entre el volumen del área de paso entre roscas adyacentes y el volumen de las roscas, y se considera más en particular el volumen de material desplazado por las roscas, estos volúmenes variarán en cualquier conjunto dado de un fiador en un orificio de guía, puesto que el orificio 72 de guía estándar para el material plástico es ahusado.
Para seleccionar el tamaño de rosca y el paso de rosca apropiados, se consideran tres situaciones diferentes. Las zonas definidas por las roscas y el interior de la zona a modo de paso entre roscas se consideran en dos dimensiones, sustancialmente en un plano que incluye el eje 40 del fiador. Las tres situaciones consideradas son áreas del orificio 72 de guía en las que el diámetro (\phi_{orificio}) del orificio de guía es igual a, mayor que, y menor que el diámetro (\phi_{bajo}) mayor de la rosca baja.
Una primera área A_{1} se designa en los dibujos con el número 90, y puede ser descrita en general como que representa un área de material 74 de anclaje extraído por la rosca alta 16 en una posición del orificio 72 de guía definida en un plano que incluye el eje 40. A, es una zona sustancialmente trapezoidal de la rosca alta 16 en el plano, e incluye la mitad del área de rosca alta 16 que está incrustada en el material 74 de anclaje. A_{1} tiene un primer y un segundo lados 92 y 94 paralelos opuestos, respectivamente, paralelos al eje 40. El primer lado 92 tiene una longitud igual a la mitad de la anchura (f_{c}) y se extiende a lo largo de la cresta plana 62 desde el borde de la misma hasta el centro de la misma. El segundo lado 94 del área A_{1} tiene una longitud igual a la mitad del espesor de la rosca alta 16 en la pared 76 de orificio de guía, y se extiende desde un borde de la pared 76 de orificio de guía por el interior del plano mencionado anteriormente, hasta el centro de la rosca alta 16. Un tercer lado 96 del área A_{1} es perpendicular a, y se extiende entre, el primer y el segundo lados 92 y 94, y tiene una longitud igual a la altura de la rosca alta 16, desde la pared 76 de orificio de guía hasta la cresta 62 de rosca alta. Un cuarto lado 98 del área A_{1} es la longitud que la rosca alta 16 está incrustada en el material 74 de anclaje a lo largo de un flanco de la rosca alta 16. Las dimensiones, del segundo, tercer y cuarto lados 94, 96 y 98, que definen el área A, diferirán en posiciones diferentes a lo largo del orificio 72 de guía ahusado, como puede verse si se comparan las Figuras 2, 3 y 4.
Una segunda área A_{2} del plano mencionado anteriormente se designa con el número 100, y puede ser descrita generalmente como el área definida entre la rosca alta 16 y la rosca baja 18, desde la ranura 68 plana hasta la pared 76 de orificio de guía. A_{2} es una zona de forma sustancialmente trapezoidal, que tiene los lados opuestos sustancialmente paralelos, y sustancialmente paralelos al eje 40. Un primer lado 102 de la longitud (f_{g}) se extiende a lo largo de la ranura plana 68 entre la rosca alta 16 y la rosca baja 18. Un segundo lado 104 del área A_{2} se extiende a lo largo del borde de la pared 76 de orificio de guía, entre un tercer lado 106 y un cuarto lado 108 que se van a describir. El tercer lado 106 del área A_{2} se extiende a lo largo de la rosca alta 16, desde la ranura 68 plana hasta la pared 76 de orificio de guía. El cuarto lado 108 del área A_{2} se extiende a lo largo de la rosca baja 18, desde la ranura 68 plana hasta la pared 76 de orificio de guía, e incluye cualquier longitud proyectada más allá de la cresta 64 de rosca baja hasta la pared 76 de orificio de guía, como se muestra en la Figura 3. Las dimensiones del segundo, tercer y cuarto lados 104, 106 y 108, que definen el área A_{2}, diferirán en diferentes posiciones a lo largo de la pared 76 de orificio de guía
ahusado.
Una tercera área A_{3} se designa mediante el número 110, y se muestra en la Figura 4. A_{3} puede ser descrita en general como la representación de un área de material 74 de anclaje separado por la rosca baja 18 en cualquier posición del orificio 72 de guía donde el diámetro (\phi_{orificio}) del orificio 72 de guía es menor que el diámetro (\phi_{bajo}) de la rosca baja 18. A_{3} es una zona de forma trapezoidal dentro de la rosca baja 18. A_{3} tiene respectivamente un primer y un segundo lados 112 y 114 paralelos opuestos, y paralelos al eje 40. El primer lado 112 tiene una longitud igual a la mitad de la anchura (f_{c}), y se extiende a lo largo de la cresta 64 plana de rosca baja, desde el borde de la misma hasta el centro de la misma. El segundo lado 114 del área A_{3} tiene una longitud igual a la mitad del espesor de la rosca baja 18 en la pared 76 de orificio de guía, y se extiende desde un borde de la pared 76 de orificio de guía en el interior del plano mencionado anteriormente, hasta el centro de la rosca baja 18. Un tercer lado 116 del área A_{3} es perpendicular a, y se extiende entre, el primer y el segundo lados 112 y 114, y posee una longitud igual a la altura de la rosca baja 18 desde la pared 76 de orificio de guía hasta la cresta 64 de rosca baja. Un cuarto lado 118 del área A_{3} se extiende entre el primer lado 112 y el segundo lado 114, a lo largo de la porción de rosca baja 18 incrustada en el material 74 de anclaje. Las dimensiones del segundo, tercer y cuarto lados 114, 116 y 118, que definen el área A_{3}, diferirán en diferentes posiciones a lo largo del orificio 72 de guía ahusado.
Se realizó un análisis matemático para definir los parámetros que han de ser usados en el escalado de la invención para fiadores de diferentes diámetros. En el primer caso, el diámetro (\phi_{orificio}) del orificio 72 de guía es igual a, o mayor que, el diámetro (\phi_{bajo}) de la rosca baja 18. Las Figuras 2 y 3 ilustran situaciones representativas del primer
caso.
\newpage
Dado que el área de un trapecio es igual a: 1/2(b_{1} + b_{2})*h, entonces:
1 
\vskip1.000000\baselineskip
Sustituyendo las Ec. 2 y 3 en la Ec. 1, se obtiene:
2 
\vskip1.000000\baselineskip
Sustituyendo las Ec. 5 y 6 en la Ec. 4, se obtiene:
3 
\vskip1.000000\baselineskip
Por lo tanto, las relaciones matemáticas que definen un fiador de la presente invención para el Caso 1, son como sigue:
4 
\vskip1.000000\baselineskip
En un segundo análisis de la invención citado como Caso 2, las relaciones fueron analizadas en una posición en la que el diámetro (\phi_{orificio}) del orificio 72 de guía es menor que el diámetro (\phi_{bajo}) de la rosca baja 18. Esta situación ocurre de manera relativamente profunda en un orificio de guía ahusado estándar, y ha sido ilustrada en la Figura 4. La punta externa de la rosca baja 18 está incrustada en el material de anclaje.
\newpage
De nuevo, dado que el área del trapecio es igual a: 1/2(b_{1} + b_{2})*h, entonces:
5 
\vskip1.000000\baselineskip
Sustituyendo las Ec. 2 y 3 en la Ec. 1, se obtiene:
6 
\vskip1.000000\baselineskip
Sustituyendo las Ec. 5 y 6 en la Ec. 4, se obtiene:
7 
\vskip1.000000\baselineskip
Sustituyendo las Ec. 8 y 9 en la Ec. 7, se obtiene:
8 
\newpage
Por lo tanto, las relaciones matemáticas que definen a un fiador de la presente invención para el Caso 2, son las siguientes:
9 
\vskip1.000000\baselineskip
Como puede apreciarse por lo que antecede, para valores dados de ángulos 48 y 50 incluidos, los radios 44 y 46 mayores, el radio 42 menor y el paso 52 de rosca de las crestas 62 y 64 de rosca pueden ser variados para proporcionar una ranura 68 plana apropiada que satisfaga las relaciones anteriores. De forma similar, si se desea proporcionar un paso 52 de rosca específico, se pueden variar otras de las relaciones dimensionales para satisfacer las relaciones anteriores y proporcionar un fiador que tenga las ventajas de la presente invención. Con tal de que el área de paso entre la rosca alta 16 y la rosca baja 18 sea suficientemente grande como para recibir el material de anclaje extraído por la rosca alta 16 y por la rosca baja 18, el fiador de la presente invención podrá ser clavado fácilmente y funcionará con las ventajas aquí descritas. Según indica el análisis matemático que antecede, se pueden modificar diversas dimensiones del fiador, junto con otras dimensiones, para conseguir los resultados deseados. Los cambios del paso de rosca pueden ser utilizados para cambiar la longitud del lado 102 en A_{2}, afectando así al área total en A_{2}, y al volumen del área a modo de paso entre las roscas 16 y 18.
Durante el uso de la presente invención, el orificio 72 de guía se forma en un cuerpo de material 74 de anclaje mediante taladrado o similar. El fiador 10 se posiciona en el orificio 72 de guía, y se le hace girar para que avance por el orificio de guía. La rosca alta 16 corta la pared 76 del orificio 72 de guía en el material 71 de anclaje, moviendo material desde el mismo hacia el volumen a modo de paso entre la rosca alta 16 y la rosca baja 18. En zonas en las que el diámetro (\phi_{orificio}) del orificio 72 de guía es menor que el diámetro (\phi_{bajo}) de la rosca baja 18, la rosca baja 18 corta también la pared 76 del orificio 72 de guía, moviendo material 74 de anclaje desde la pared 16 hacia el volumen a modo de paso entre la rosca alta 16 y la rosca baja 18. La configuración del fiador 10, con la doble rosca, conduce a la rosca alta 16 y a la rosca baja 18, reduce el desplazamiento de material y reduce los esfuerzos internos según se clava el fiador 10 en el orificio 72 de guía. Al mismo tiempo, la carga de tracción necesaria para obtener como resultado la separación del fiador 10 del material de anclaje, se incrementa. De este modo, se forma una junta más
segura.
Las depresiones 32 del flanco 28 de presión no contactan con el material 74 de anclaje según es accionado el fiador 10, y por lo tanto las depresiones 32 no afectan al par torsor requerido para insertar el fiador 10. Las depresiones 32 entran en escena solamente cuando, y después de que, el fiador 10 se ha apretado en su lugar. Con la presión de enclavamiento aplicada mediante el apriete final del fiador 10, el material plástico de anclaje que rodea a la rosca alta 16 tiende a fluir hacia las depresiones 32. Esta característica de absorción de par torsor de la presente invención incrementa el par torsor requerido para el desgarro en comparación con los fiadores convencionales sin depresiones 32. Como resultado, los fiadores de acuerdo con la presente invención proporcionan una ventana de alta franja de clavado, debido a que se ha incrementado el par torsor de desgarro.
En la prueba realizada con tornillos M4 clavados en porciones de ABS que tienen un orificio de guía de 3,5 mm, los fiadores de la presente invención proporcionaron una ventana de franja de clavado de 1,95 Nm (17,3 libras/pulgada), mientras que cada uno de los tornillos convencionales conocidos proporcionó ventanas de franja de clavado de 1,14 Nm (10,1 pulgada/libras). Se realizó una prueba similar en acetil celcon M90, polipropileno sin relleno, y celanex 3300 PBT con un treinta por ciento de relleno de vidrio. Los fiadores de la presente invención tuvieron ventanas de franja de clavado incrementadas del 48%, 35% y 59% respectivamente, en comparación con los fiadores conocidos.
Los fiadores de la presente invención se mantienen apretados en el material, incluso aunque se produzca fluencia plástica y vibración. Con el tiempo, el relleno de las depresiones 32 aumenta en virtud de la fluencia plástica, según se mantiene el fiador 10 posicionado en el material de anclaje. En vez de fluencia plástica que ocasione un aflojamiento de la unión, como ha ocurrido con los fiadores conocidos para plásticos, con el fiador de la presente invención la fluencia plástica sirve para incrementar la retención del fiador 10 en el material. Del mismo modo, la vibración no afloja la junta, pero tiende por el contrario a forzar el material plástico hacia las depresiones 32, aumentando con ello aún más la fijación del fiador 10 en el material de anclaje. Los efectos del tiempo, de la temperatura y de la vibración, actúan todos para fortalecer la interconexión entre el fiador 10 y el material en el que se encuentra anclado.
Para aflojar el fiador 10 del material en el que se encuentra anclado, se hace necesaria una fuerza relativamente alta para forzar las depresiones 32, para superar el material plástico que se ha asentado en las mismas. De ese modo, se requiere una fuerza de "rotura" incrementada para desenclavar el fiador 10 del material en el que está incrustado, en comparación con los fiadores conocidos que no tienen depresiones 32.
Se realizaron pruebas para comparar el par torsor requerido para aflojar los fiadores de la presente invención con el par torsor requerido para aflojar otros fiadores conocidos. Las pruebas se realizaron con plástico ABS sin relleno, polipropileno sin relleno, acetal celcon M90 y celanex 3300 PBT con un treinta por ciento de vidrio. A temperatura ambiente, los fiadores de la presente invención aumentaron mal los requisitos de par torsor de aflojamiento al 86%, 134%, 139% y 33%, respectivamente, en comparación con los fiadores conocidos. Cuando se sometieron los mismos materiales a ciclos térmicos, los fiadores de la presente invención demostraron unos requisitos de par torsor de aflojamiento incrementados, del 447%, 331%, 247% y 73%, respectivamente, en comparación con los fiadores conocidos.
La característica de doble rosca, alta y baja, de los presentes fiadores, facilita el uso de roscas profundas, ampliamente separadas, que proporcionan un área de cizallamiento más densa y un encaje de rosca más profundo en el plástico u otro material en el que se incruste el fiador. Éstas incrementan también, además, el rendimiento del fiador 10.

Claims (9)

1. Un fiador (10) roscado macho, que comprende:
una caña (14) que tiene un extremo (12) de cabeza y un extremo distal (20), definiendo dicho extremo distal el extremo de ataque de dicho fiador;
una rosca alta (16) que envuelve helicoidalmente a dicha caña, teniendo dicha rosca alta un flanco (24) de clavado de rosca alta que se enfrenta a dicho extremo distal y un flanco (28) de presión de rosca alta que se enfrenta a dicho extremo de cabeza, y
una rosca baja (18) que envuelve helicoidalmente a dicha caña, teniendo dicha rosca baja un flanco (26) de clavado de rosca baja que se enfrenta a dicho extremo distal y un flanco (30) de presión de rosca baja que se enfrenta a dicho extremo de cabeza, definiendo dichos flancos de rosca baja un ángulo (\alpha_{l}) incluido de rosca baja en entre aproximadamente 30º y aproximadamente 120º,
en el que:
dichas roscas alta y baja tienen, cada una de ellas, crestas planas (62, 64), y
dichas roscas alta y baja están separadas cada una de la otra en dicha caña por medio de una ranura plana (68),
caracterizado porque:
dicho flanco de clavado de rosca alta y dicho flanco de presión de rosca alta que definen un ángulo (a_{h}) incluido de rosca alta de entre aproximadamente 35º y aproximadamente 60º, y
una serie de depresiones (32) formadas en dicho flanco de presión de rosca alta.
2. Un fiador (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichas crestas (62, 64) de las citadas roscas alta (16) y baja (18) tienen una anchura (f_{c}) de entre aproximadamente 0,05 mm y aproximadamente 0,25 mm (aproximadamente 0,002 pulgadas y aproximadamente 0,010 pulgadas).
3. Un fiador (10) de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que dichas depresiones (32) tienen fondos redondeados formados sobre un radio (80) de aproximadamente 0,2 mm (aproximadamente 0,008 pulgadas); y/o en el que dichas depresiones están separadas de dichas depresiones adyacentes por al menos aproximadamente 0,1 mm (aproximadamente 0,040 pulgadas); y/o en el que dichas depresiones tienen una profundidad (84) de aproximadamente 0,125 mm (aproximadamente 0,005 pulgadas).
4. Un fiador (10) de acuerdo con la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que dichas depresiones tienen longitudes (86) menores que o iguales al valor:
1/3(\phi_{alto} - \phi_{men})\text{*} sec(1/2\alpha_{h})
en el que \phi_{alto} es un diámetro de dicha rosca alta (16), \phi_{men} es un diámetro de dicha caña (14), y \alpha_{h} es el ángulo incluido definido por dicho flanco (24) de clavado de rosca alta y dicho flanco (28) de presión de rosca alta.
5. Un fiador (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho ángulo (a_{h}) incluido entre el flanco (28) de presión de rosca alta y el flanco (24) de clavado de rosca alta es de aproximadamente 48º; y/o en el que dicho ángulo (\alpha_{l}) incluido entre el flanco (26) de clavado de rosca baja y el flanco (30) de presión de rosca baja es de aproximadamente 90º.
6. Un fiador (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha ranura plana (68) tiene una anchura (f_{g}) de entre aproximadamente 0,075 mm y aproximadamente 0,5 mm (aproximadamente 0,003 pulgadas y aproximadamente 0,020 pulgadas), siendo dicha anchura la separación entre las roscas alta (16) y baja (18).
7. Un fiador de acuerdo con la reivindicación 6, en el que la anchura (f_{g}) de ranura plana es de aproximadamente 0,125 mm (aproximadamente 0,005 pulgadas).
8. Un conjunto de un tornillo en un orificio (72) de guía de una pieza de trabajo de plástico, en el que:
dicho orificio de guía tiene una pared (76) de orificio de guía formada en dicha pieza de trabajo, teniendo dicho orificio de guía un diámetro (\phi_{orificio});
dicho tornillo es un fiador (10) roscado macho de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y
dicho conjunto satisface la relación:
A_{2} \leq A_{1},
en la que:
A_{1} es el área de una primera zona (90) sustancialmente trapezoidal de dicha rosca alta (16), definida en un plano que contiene un eje (40) de dicho tornillo, teniendo dicha primera zona un primer (92), un segundo (94), un tercer (96) y un cuarto (98) lados en dicho plano por el mismo lado de dicho eje, siendo dichos primer y segundo lados paralelos a dicho eje, extendiéndose dicho primer lado a lo largo de dicha cresta (62) de rosca alta desde un borde de la misma hasta el centro de la misma, teniendo dicho segundo lado una longitud igual a la mitad del espesor de dicha rosca alta en dicha pared de orificio de guía y extendiéndose desde un borde de dicha rosca alta por el interior de dicho plano hasta el centro de dicha rosca alta, siendo dicho tercer lado perpendicular a, y extendiéndose entre, dichos primer y segundo lados a través de dicha rosca alta, y extendiéndose dicho cuarto lado entre dichos primer y segundo lados a lo largo de un flanco de dicha rosca alta, y
A_{2} es el área de una segunda zona (20) sustancialmente trapezoidal definida en dicho plano, entre dicha rosca alta y dicha rosca baja, desde dicha ranura plana (68) hasta dicha pared de orificio de guía, teniendo dicha segunda zona un primer (102), un segundo (104), un tercer (106) y un cuarto (108) lados por el mismo lado de dicho eje, siendo dichos primer y segundo lados de la segunda zona sustancialmente paralelos a dicho eje, extendiéndose dicho primer lado de la segunda zona a lo largo de dicha ranura plana desde dicha rosca alta hasta dicha rosca baja, extendiéndose dicho segundo lado de dicha segunda zona a lo largo de dicho borde de dicha pared de orificio de guía entre dicho tercer lado y dicho cuarto lado de dicha segunda zona, extendiéndose dicho tercer lado de dicha segunda zona a lo largo de dicha rosca alta desde dicha ranura plana hasta dicha pared de orificio de guía, y extendiéndose dicho cuarto lado de dicha segunda zona a lo largo de dicha rosca baja desde dicha ranura plana hasta dicha pared de orificio de guía.
9. El conjunto de acuerdo con la reivindicación 8, que satisface además la relación:
A_{2} > A_{1} + A_{3},
en la que:
A_{3} es el área de una tercera zona (110) sustancialmente trapezoidal de dicha rosca baja (18) definida en dicho plano, teniendo dicha tercera zona un primer (112), un segundo (114), un tercer (116) y un cuarto (118) lados de tercera zona en dicho plano, por el mismo lado de dicho eje, siendo dichos primer y segundo lados de la tercera zona paralelos a dicho eje, extendiéndose dicho primer lado de la tercera zona a lo largo de dicha cresta (64) de rosca baja desde un borde de la misma hasta el centro de la misma, teniendo el segundo lado de dicha tercera zona una longitud igual a la mitad del espesor de dicha rosca baja en dicha pared de orificio de guía y extendiéndose desde un borde de dicha rosca baja por el interior de dicho plano hasta el centro de dicha rosca baja, siendo el tercer lado de dicha tercera zona perpendicular a, y extendiéndose entre, el primer y el segundo lados a través de dicha rosca baja, y extendiéndose el cuarto lado de dicha tercera zona entre dichos primer y segundo lados de la tercera zona, a lo largo de un flanco de dicha rosca baja.
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