ES2275185T3 - Fiador roscado particularmente adecuado para plasticos. - Google Patents
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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.
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.
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.
caso.
\newpage
Dado que el área de un trapecio es igual a:
1/2(b_{1} + b_{2})*h, entonces:
\vskip1.000000\baselineskip
Sustituyendo las Ec. 2 y 3 en la Ec. 1, se
obtiene:
\vskip1.000000\baselineskip
Sustituyendo las Ec. 5 y 6 en la Ec. 4, se
obtiene:
\vskip1.000000\baselineskip
Por lo tanto, las relaciones matemáticas que
definen un fiador de la presente invención para el Caso 1, son como
sigue:
\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:
\vskip1.000000\baselineskip
Sustituyendo las Ec. 2 y 3 en la Ec. 1, se
obtiene:
\vskip1.000000\baselineskip
Sustituyendo las Ec. 5 y 6 en la Ec. 4, se
obtiene:
\vskip1.000000\baselineskip
Sustituyendo las Ec. 8 y 9 en la Ec. 7, se
obtiene:
\newpage
Por lo tanto, las relaciones matemáticas que
definen a un fiador de la presente invención para el Caso 2, son
las siguientes:
\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.
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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