ES2613309T3 - Tornillos de baja energía para madera y materiales similares - Google Patents

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Abstract

Un tornillo de baja energía para madera (10), que comprende: una cabeza avellanada (30) que tiene un rebaje para alojar una herramienta de atornillado; un vástago (20) que se extiende desde la cabeza (30) hasta la punta de barrena (28), teniendo el vástago un cuello cónico (73), unos hilos de rosca principales (54), unos hilos de rosca inferiores (44) y una punta cónica (40) con una longitud (43); una pluralidad de estrías de corona (74) que se extienden hacia fuera desde dicha cabeza y dicho cuello; caracterizado por que los hilos de rosca principales (54) tienen un diámetro mayor de rosca y tienen un avance que es aproximadamente entre el 59,3 por ciento y aproximadamente el 80 por ciento del diámetro mayor (OD) de rosca; los hilos de rosca principales (54) están dispuestos entre el cuello (73) y los hilos de rosca inferiores (44), y en donde los hilos de rosca principales (54) tienen una forma de rosca que incluye una punta exterior que tiene un perfil (154) sustancialmente lineal y una raíz redondeada que tiene un perfil cóncavo (254); y los hilos de rosca inferiores (44) están dispuestos entre los hilos de rosca principales (54) y la punta (28), y en donde los hilos de rosca inferiores (44) tienen un perfil de forma de rosca asimétrico.

Description

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DESCRIPCION
Tornillos de baja energia para madera y materiales similares Antecedentes
La presente invencion se refiere, en general, a sistemas de fijacion roscados. En particular, la presente invencion se refiere a un tornillo para penetrar y asegurar una pieza de trabajo.
Los tornillos son sujetadores mecanicos de uso comun para trabajar la madera, que se utilizan principalmente para conectar una pieza de trabajo hecha de madera o de materiales similares, por ejemplo materiales de maderas alternativas, a otra pieza de trabajo. Los carpinteros y otros profesionales que trabajan con madera a menudo utilizan herramientas electricas de accionamiento, tales como taladros electricos con baterias y destornilladores electricos alimentados por baterias, para instalar dichos tornillos. El uso de herramientas de accionamiento con bateria para accionar los tornillos resulta ventajoso, porque elimina la necesidad de cables de alimentacion electricos. Esto permite usar la herramienta electrica a distancias y en lugares en los que el uso de un cable de alimentacion electrica no seria practico, por ejemplo lugares alejados de una fuente de alimentacion, o en los que podria ser peligroso, por ejemplo en lugares humedos o arriesgados, o en los que podria resultar indeseable de otra manera.
Una desventaja de las herramientas de accionamiento con bateria es la necesidad de recargar las baterias con frecuencia, especialmente cuando se le da a la bateria un uso intensivo y disminuye la memoria de carga. Esto limita el numero de tornillos que pueden accionarse con una sola carga de la bateria. Los tornillos que presentan tiempos de insercion lentos, con requisitos de accionamiento de par elevado, aumentan el tiempo necesario para completar una estructura o proyecto, debido tanto al tiempo requerido para accionar los tornillos como al tiempo necesario para recargar o reemplazar las baterias con mas frecuencia.
Lo que se necesita es un tornillo que pueda insertarse mas rapidamente con un par mas bajo, usando menos energia que con los tornillos conocidos en la tecnica.
El documento GB2428761 describe un tornillo que tiene un vastago tubular con un hilo de rosca de principio individual y un hilo de rosca de principio doble. El tornillo tambien tiene una porcion de vastago no roscada que abarca al menos el 30 % de la longitud del tornillo. Una cabeza del tornillo esta provista de estrias para permitir el avellanado automatico del tornillo.
El documento FR2786229 da a conocer un tornillo para madera que comprende dos hilos de rosca de rosca identicos que estan desplazados longitudinalmente. Cada hilo de rosca consta de dos flancos asimetricos, uno por delante, a lo largo de una primera inclination, y el otro por detras, a lo largo de una inclination mas pronunciada. Los hilos de rosca comienzan lo mas fuera posible de la porcion delantera de la punta. La cabeza del tornillo tiene una huella cruciforme, que permite enroscar sin riesgo de que el destornillador se deslice.
El documento EP0501519 da a conocer un tornillo autorroscante que tiene un perfil de rosca asimetrico. El tornillo tiene un angulo de flanco de carga sobre la cresta del flanco de hasta 60°, y un angulo de flanco pronunciado sobre la cresta del flanco de hasta 20°. En este caso, el angulo del flanco de carga aumenta continuamente desde la cresta del flanco hasta la raiz del hilo de rosca sobre el diametro del nucleo, en donde es de 90°.
Sumario
La presente invencion proporciona un tornillo de baja energia (10) para madera, que comprende: una cabeza avellanada (30), que tiene un rebaje para alojar una herramienta de accionamiento; un vastago (20) que se extiende desde la cabeza (30) hasta una punta de barrena (28), teniendo el vastago un cuello ahusado (73), unos hilos de rosca principales (54), unos hilos de rosca inferiores (44) y una punta conica (40) con una longitud (43); una pluralidad de estrias de corona (74) se extienden hacia fuera desde dichas cabeza y cuello; caracterizado por que los hilos de rosca principales (54) tienen un diametro de rosca principal, y tienen un avance que es entre aproximadamente el 59,3 por ciento y aproximadamente el 80 por ciento del diametro de rosca principal (DO); estando dispuestos los hilos de rosca principales (54) entre el cuello (73) y los hilos de rosca inferiores (44), y en el que los hilos de rosca principales (54) tienen una forma de rosca que incluye una punta exterior que tiene un perfil sustancialmente lineal (154), y una raiz redondeada (44) que tiene un perfil concavo (254); y los hilos de rosca inferiores (44) estan dispuestos entre los hilos de rosca principales (54) y la punta (28), y en el que los hilos de rosca inferiores (44) tienen un perfil de forma de rosca asimetrica.
En diversas realizaciones, el tornillo incluye una porcion de cuerpo no roscada, dispuesta entre los hilos de rosca principales y el cuello.
En diversas realizaciones, los hilos de rosca principales y los hilos de rosca inferiores son para diestros.
En diversas realizaciones, el angulo ahusado de la cabeza es mas pronunciado que el ahusamiento del cuello.
En diversas realizaciones, al menos una de la pluralidad de estrias tiene un perfil lineal ahusado, en las que al
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menos una de la pluralidad de estrias incluye un borde exterior que se extiende desde el diametro de la cabeza hasta la extension inferior del cuello, e incluye dos superficies de flanco que se extienden desde el borde hasta la cabeza y el cuello.
En diversas realizaciones, la pluralidad de estrias se compone de ocho estrias.
En diversas realizaciones, el perfil concavo de la forma de raiz de los hilos de rosca es un arco de circulo.
En diversas realizaciones, los hilos de rosca principales y los hilos de rosca inferiores se encuentran para formar un comienzo de hilo de rosca continuo.
En diversas realizaciones, la altura de la punta lineal de los hilos de rosca principales es de entre aproximadamente el 32 % y aproximadamente el 52 % de la altura de los hilos de rosca principales.
En diversas realizaciones, la altura de la punta lineal de los hilos de rosca principales es de aproximadamente el 42 % de la altura de los hilos de rosca principales.
En diversas realizaciones, el hilo de rosca inferior se extiende hacia la cabeza mas alla de la punta.
En diversas realizaciones, el punto de interseccion de la raiz redondeada con la superficie de vastago de menor diametro esta situado a una distancia, con respecto a un eje central del hilo de rosca principal, que es de entre aproximadamente el 90 % y el 110 % de la altura del hilo de rosca principal.
En diversas realizaciones, la punta del hilo de rosca principal tiene un angulo de rosca de entre aproximadamente 20 y 40 grados.
En diversas realizaciones, la punta del hilo de rosca principal tiene un angulo de rosca de aproximadamente 30 grados.
En diversas realizaciones, las crestas de las roscas de los hilos de rosca inferiores estan dispuestas en una curva convexa del perfil asimetrico.
En diversas realizaciones, el tornillo incluye un recubrimiento lubricante, que puede ser una cera soluble en agua.
En diversas realizaciones, el tornillo es el tamano metrico de 5 x 50 y la energia requerida para insertar el tornillo en una pieza de trabajo de madera de haya es inferior a aproximadamente 10,17 Newton-metro-segundo.
En diversas realizaciones, la energia requerida para insertar el tornillo en una pieza de trabajo de madera de haya es inferior a aproximadamente 9,04 Nms.
En diversas realizaciones, la energia requerida para insertar el tornillo en una pieza de trabajo de madera de haya es de aproximadamente 5,99 Nms.
Estas y otras caracteristicas y ventajas de la invencion se entenderan mas claramente a partir de la siguiente descripcion detallada, y los siguientes dibujos, de las realizaciones preferidas de la presente invencion.
Breve descripcion de los dibujos
La FIG. 1 es una vista lateral de un tornillo para madera de acuerdo con una realizacion preferida de la presente invencion.
La FIG. 2 es una vista extrema de la cabeza del tornillo de la FIG. 1.
La FIG. 3 es una vista extrema de la punta del tornillo de la FIG. 1.
La FIG. 4 es una vista en seccion, tomada por la linea IV-IV de la FIG. 2.
La FIG. 5 es una vista en seccion, tomada por la linea V-V de la FIG. 3.
La FIG. 6 es una vista en seccion, tomada por la linea VI-VI de la FIG. 1.
La FIG. 7 es una vista lateral parcial del tornillo de la FIG. 1.
La FIG. 8 es una vista en detalle de la zona VIII de la FIG. 5.
La FIG. 9 es un grafico del par frente al tiempo para la insercion de dos tornillos para madera.
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Descripcion detallada
Con referencia a la FIG. 1 se muestra un sujetador roscado o un tomillo, designados en general por el numero de referencia 10, de acuerdo con una realizacion preferida. El tornillo 10, para su uso para conectar una pieza de trabajo hecha de madera o materiales similares, por ejemplo materiales de maderas alternativas, a otra pieza de trabajo, en el presente documento puede denominarse simplemente tornillo para madera. El tornillo 10 incluye un vastago 20 que se extiende a lo largo de un eje 25, entre una cabeza 30 y una punta 28. El vastago 20 incluye un cuello 73, un cuerpo no roscado 60, una porcion roscada principal 50, y una punta roscada 40. Un numero de estrias 74 se extienden hacia fuera desde la cabeza 30 y el cuello 73, como se describe en mas detalle a continuacion. La porcion roscada principal 50 tiene una longitud 53 y un diametro menor 52. La punta roscada 40 tiene una longitud de punta 43 y un diametro menor 41 que se estrecha desde la porcion principal 53 hasta la punta 28. El cuerpo no roscado 60 tiene una longitud 63 del cuerpo y un diametro 62 del cuerpo.
En la realizacion ilustrada, el tornillo 10 tiene unos hilos de rosca principales superiores 54 para mano derecha, que efectua una transicion desde un hilo de rosca continuo hasta unos hilos de rosca inferiores 44 para mano derecha. Los hilos de rosca superiores 54 tienen un perfil diferente del perfil de los hilos de rosca inferiores 44, para llevar a cabo diferentes funciones tal como se describe mas adelante. Como se muestra, la transicion de los hilos de rosca superiores 54 a los hilos de rosca inferiores 44 se produce dentro de la longitud 53 de la porcion roscada principal 50. Los hilos de rosca 54 se extienden sobre la longitud 150 y los hilos de rosca inferiores 44 se extienden sobre la longitud 140. Adicionalmente, las superficies exteriores de los hilos de rosca 54 y 44 y del cuerpo 60 del vastago 20 presentan un recubrimiento reductor de la friccion.
Como se expone mas adelante, la combinacion de las configuraciones de las diversas caracteristicas del tornillo de baja energia 10 se han obtenido a traves de ensayos empiricos, para reducir significativamente la cantidad de par y/o de energia necesaria para accionar el tornillo de baja energia, en comparacion con un tornillo estandar.
Ademas, los tiempos de insercion de tornillo lentos con un par elevado aumentan el tiempo necesario para insertar cada tornillo y, de este modo, el tiempo que los trabajadores emplean en completar una estructura o proyecto. Debido a que el tornillo de baja energia 10 se acciona facilmente se ha observado que, para una herramienta electrica dada que aplique un par de accionamiento, la velocidad de accionamiento es significativamente mayor para los tornillos de baja energia en comparacion con un tornillo convencional. En consecuencia, la mayor velocidad de accionamiento puede aumentar la probabilidad de que la cabeza 30 se introduzca demasiado en la pieza de trabajo, por debajo de la superficie de la misma. Se ha observado que las estrias de corona 74 del tornillo de baja energia disminuyen la velocidad del tornillo 10, una vez que este engancha con la pieza de trabajo, lo que ofrece al operador un mayor tiempo de reaccion y le permite soltar el gatillo de la herramienta electrica, con el fin de lograr la insercion del tornillo 10 a la profundidad deseada, por ejemplo a ras con la superficie de la pieza de trabajo.
Los hilos de rosca superiores 54 tienen un paso 58. Los hilos de rosca inferiores 44 tienen un perfil de forma diferente para un mejor principio, pero presentan sustancialmente el mismo paso, por lo que ambos hilos de rosca 54 y 44 hacen avanzar el tornillo 10 sustancialmente a la misma velocidad. La realizacion ilustrada tiene un principio de hilo de rosca unico (hilo de rosca individual). Asi, el paso del hilo de rosca es igual al avance del hilo de rosca. Para un principio de hilo de rosca individual de este tipo, los terminos "paso de hilo de rosca" y "avance de hilo de rosca" se utilizan comunmente de manera indistinta, y en el presente documento se utiliza el termino paso. Sin embargo, si una realizacion del tornillo de baja energia tuviera mas de un principio, entonces el uso del termino "paso" en el presente documento debe interpretarse en el sentido de "avance", dado que el recorrido del tornillo hacia dentro de la pieza de trabajo durante una vuelta dada es una caracteristica relevante. Para el tornillo de baja energia resulta preferible un unico principio, dado que uno o mas principios adicionales anadiran resistencia al accionamiento si no existe cambio alguno en el avance para un angulo helicoidal dado. El avance 58 es mayor que el avance de los tornillos de madera estandares de tamanos similares.
En el presente documento, la referencia a "tornillos para madera estandares" se refiere a tornillos para madera fabricados de acuerdo con las normas aceptadas por la industria. Por ejemplo, Deutsches Institut fur Bautechnik (DIBt) (Instituto Aleman de Tecnologia de la Construction) es una agencia de acreditacion del gobierno federal aleman, con oficina en Berlin, que otorga “Allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen” (aprobaciones tecnicas nacionales) para los productos de construccion sobre la base de las leyes de construccion de los Estados federados de la Republica Federal de Alemania. La compania SPAX International GmbH & Co. KG, de Ennepetal, Alemania, y sus filiales (SPAX) comercializan tornillos en Europa y han obtenido la aprobacion DIBt para ciertos tornillos para madera, cuyas especificaciones dimensionales se exponen en “Anlage zur 9 allgemeinen bauaufsichtliche Zulassungen Z-9, 1-235, vom 08.23.2002” (23 de agosto de 2002). Tales especificaciones se utilizan ampliamente y se han convertido en un estandar en Europa y, en lo que se refiere a las dimensiones relevantes con fines del presente documento, definiran el tornillo para madera europeo estandar. Ademas, Taiwan Shan Yin International Co., Ltd., de la ciudad de Kaohsiung, Taiwan, ha publicado una especificacion de tornillo para aglomerado SY-CB- F001-0B de acuerdo con la norma DIN 7505, que se utiliza ampliamente y se ha convertido en un estandar en Taiwan, y, en lo que se refiere a las dimensiones relevantes con fines del presente documento, definira el tornillo para aglomerado taiwanes estandar.
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La Tabla muestra ciertas dimensiones y relaciones especificadas para algunas realizaciones de tornillos A de baja ene^a para madera. Todas las dimensiones de la tabla son en milimetros (mm). Estas dimensiones son: el diametro mayor de hilo de rosca del hilo de rosca principal (OD); el diametro menor del hilo de rosca principal (ID); la profundidad del hilo de rosca (TD), que es igual a (OD menos ID) dividida por dos; y el avance. Las relaciones son: la relacion entre la profundidad del hilo de rosca y el diametro mayor (% de TD sobre OD), que es igual a (TD dividido por OD) multiplicado por 100; y la relacion entre el paso y el diametro mayor (% de Paso sobre OD), que es igual a (paso dividido por OD) multiplicado por 100. El OD tambien se utiliza para indicar el tamano del tornillo, junto con la longitud del tornillo (normalmente la distancia desde la punta al cuello). Asi, en dimensiones metricas, un tornillo de 5 x 50 tiene un OD de 5 mm y una longitud de 50 mm. La indicacion de tamanos mostrada en la Tabla solo incluye el componente de OD.
La Tabla tambien muestra las mismas dimensiones y relaciones de tres tornillos B, C y D para madera convencionales, disponibles en el mercado, que son estandares o casi estandares.
Tabla
Tornillos A de Baja Energia
Tamano
OD ID TD % de TD sobre OD Paso % de Paso sobre OD
3,00
3,00
1,92 0,54 18,0 % 1,78 59,3 %
3,50
3,50
2,24 0,63 18,0 % 2,08 59,4 %
4,00
4,00
2,56 0,72 18,0 % 3,20 80,0 %
4,50
4,50
2,88 0,81 18,0 % 3,60 80,0 %
5,00
5,00
3,20 0,90 18,0 % 4,00 80,0 %
6,00
6,00
3,84 1,08 18,0 % 4,80 80,0 %
Tornillos Convencionales B
Tamano
OD ID TD % de TD sobre OD Paso % de Paso sobre OD
3,00
3,00
2,10 0,45 15,0 % 1,50 50,0 %
3,50
3,50
2,40 0,55 15,7 % 1,80 51,4 %
4,00
4,00
2,80 0,60 15,0 % 2,00 50,0 %
4,50
4,50
2,90 0,80 17,8 % 2,20 48,9 %
5,00
5,00
3,40 0,80 16,0 % 2,50 50,0 %
6,00
6,00
3,80 1,10 18,3 % 3,00 50,0 %
Tornillos Convencionales C
Tamano
OD ID TD % de TD sobre OD Paso % de Paso sobre OD
3,00
3,00
1,90 0,55 18,3 % 1,35 45,0 %
3,50
3,50
2,20 0,65 18,6 % 1,60 45,7 %
4,00
4,00
2,50 0,75 18,8 % 1,80 45,0 %
4,50
4,50
2,70 0,90 20,0 % 2,00 44,4 %
5,00
5,00
3,00 1,00 20,0 % 2,20 44,0 %
6,00
6,00
3,70 1,15 19,2 % 2,60 43,3 %
Tornillos Convencionales D
Tamano
OD ID TD % de TD sobre OD Paso % de Paso sobre OD
3,00
3,00
1,90 0,55 18,3 % 1,35 45,0 %
3,50
3,50
2,15 0,68 19,3 % 1,60 45,7 %
4,00
4,00
2,50 0,75 18,8 % 1,80 45,0 %
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2,70 0,90 20,0 % 2,00 44,4 %
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El tornillo convencional B es un tornillo europeo estandar de SPAX. El tornillo convencional C es un tornillo estandar taiwanes para aglomerado. El tornillo convencional D es un tornillo casi estandar de la empresa Joseph Dresselhaus, de Herford, Alemania. Como puede observarse en la Tabla, para un tamano determinado (OD) de tornillo, los tornillos A de baja energia presentan unos ID, TD y % de TD sobre OD comparables, en comparacion con los tornillos convencionales B, C y D. Sin embargo, los tornillos A de baja energia presentan un paso significativamente mas grande que los tornillos convencionales B, C y D. De acuerdo con la norma de tornillos taiwaneses para aglomerado, el paso de hilo de rosca para tornillo de madera con un tamano metrico de 5 (5,0 mm) es de 2,2 mm.
El avance 58 relativamente grande de los hilos de rosca 54, en comparacion con un paso de hilos de rosca de un tornillo estandar, presenta un angulo helicoidal relativamente agresivo y alto, y acelera el tiempo de insercion para una velocidad dada de giro dado que el tornillo avanza mas hacia dentro de la pieza de trabajo con cada giro.
Convencionalmente, con el fin de disminuir la resistencia y el par de accionamiento, la profundidad del hilo de rosca se hara poco profunda. Sin embargo, los hilos de rosca menos profundos pueden presentar una resistencia disminuida a la "extraccion". En el tornillo de baja energia 10, la profundidad 57 de los hilos de rosca de rosca 54
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puede ser similar a la de un tornillo estandar de tamano similar, con el fin de no experimentar disminucion alguna en la resistencia a la extraccion causada por la poca profundidad de los hilos de rosca. En el tornillo de baja energia 10, el avance 58 grande permite para disminuir la resistencia de accionamiento con un vastago central liso 20 al tiempo que preserva la resistencia a la extraccion.
Sin embargo, si se aumenta demasiado el paso, puede aumentar demasiado el par de accionamiento requerido y se desplazara mucho mas material, por lo que se incrementa la friccion indeseablemente. En una realizacion, para un tornillo de tamano 5 los hilos de rosca 54 pueden tener un paso 58 de aproximadamente 4,0 mm. En otra realizacion, el paso 58 puede ser aproximadamente el doble del de los tornillos estandares europeos para madera y los tornillos estandares taiwaneses para aglomerado.
La “extraccion" se produce cuando las fuerzas ejercidas, para separar las piezas de trabajo fijadas, son suficientes para superar la fuerza de fijacion de los hilos de rosca del tornillo que engancha las piezas de trabajo, y suficientes para extraer al menos parcialmente el tornillo de la pieza de trabajo. La “perforacion" se produce cuando las fuerzas tiran de la cabeza del tornillo hasta que la misma se introduce en la pieza de trabajo. El "retroceso" se produce cuando las fuerzas ejercidas sobre las piezas de trabajo fijadas hacen que el tornillo gire, hasta desenroscar las piezas de trabajo al menos parcialmente. Las fuerzas que causan retroceso pueden producirse durante largos periodos, por ejemplo debido a la expansion y contraccion de las piezas de trabajo causadas por cambios de temperatura, o debido a la hinchazon y el encogimiento causados por humectacion y secado, o debido a fuerzas vibracionales o de otro tipo causadas por el uso de la estructura que incluye las piezas de trabajo.
Los hilos de rosca 54 tambien tienen un angulo helicoidal 59, que es una funcion del paso 58 y del diametro 52 del vastago de la porcion roscada principal 50. Para permitir accionar el tornillo en un menor tiempo sin incrementar el par motor, el angulo helicoidal 59 puede ser preferentemente de entre aproximadamente catorce y aproximadamente veintidos grados, para un tornillo con un tamano de OD de 5,0 mm. En otra realizacion, el angulo helicoidal 59 puede ser preferentemente de aproximadamente 20 grados para un tornillo con un tamano de OD de 5,0 mm.
La FIG. 8 es una vista en detalle de la forma del hilo de rosca 54 mostrado en la zona VIII de la FIG. 5. La cresta truncada 55 tiene una anchura 152. El hilo de rosca 54 tiene un eje 157 perpendicular al eje 25 del tornillo y tiene una profundidad de rosca 57. La profundidad de rosca 57 es aproximadamente la de la norma industrial habitual. La profundidad de rosca 57, como se describe en las diversas realizaciones, contribuye a una mejor resistencia del tornillo 10 ante la extraccion de una pieza de trabajo en la que se introduzca.
Como se muestra en la FIG. 8, el hilo de rosca 54 tiene una raiz de radio grande. Cada uno del flanco delantero 151 y el flanco posterior 159 se compone de dos secciones: una seccion lineal exterior 154 y una seccion curvada interior 254, que tiene un perfil curvo de la forma redondeada de la raiz. La seccion lineal exterior 154 tiene una altura 155, y se extiende desde la cresta 55 hasta el extremo mas superior del perfil de seccion curvada interior 254. Las secciones lineales exteriores 154 forman un angulo de rosca 153. En diversas realizaciones, el angulo de rosca 153 puede ser preferentemente de entre aproximadamente veinte y aproximadamente cuarenta grados, o mas preferentemente de aproximadamente treinta grados. En la realizacion mostrada, el angulo de flanco delantero es aproximadamente igual al angulo de flanco siguiente de los hilos de rosca 54. La seccion curvada 254 tiene una altura 255, y se extiende tangente desde el extremo mas inferior de la superficie exterior de la seccion lineal 154, en el punto 259, hasta el punto 257 tangente al vastago 20 que tiene un diametro menor 52. El hilo de rosca 54 tiene un ancho 120 en la base de la rosca 54, que se extiende desde el extremo mas inferior del perfil de seccion curvada 254 en el flanco delantero 151 del hilo de rosca 54, hasta el extremo mas inferior de la seccion curvada 254 en el flanco posterior 159 del hilo de rosca 54.
El perfil de la seccion curvada 254 define una seccion transversal 258 situada entre el vastago 20 y una linea de eje, 158 trazada a lo largo del perfil de la seccion lineal 154 hasta la espiga 20. La linea 158 corresponde a una forma de raiz plana no redondeada, similar a un tornillo convencional. En diversas realizaciones, la seccion curvada 254 puede estar definida por un radio para un arco de un circulo, elipse, o un arco de algun otro tipo de curva. En otras realizaciones, la seccion curvada 254 puede ser una serie de etapas formadas por lineas rectas o curvas. En diversas realizaciones, el extremo inferior 257 de la seccion curvada 254 puede estar situado a una distancia del eje central 157 del hilo de rosca 54, que sea preferentemente de entre aproximadamente el noventa y aproximadamente el ciento diez por ciento de la altura 57 del hilo de rosca 54. La altura 155 de la punta del hilo de rosca es preferentemente de entre aproximadamente un 32 % y aproximadamente un 52 %, y mas preferentemente de aproximadamente un 42 % de la profundidad 57 de hilo de rosca.
La presion ejercida sobre el material de la pieza de trabajo por la seccion 258 de la forma de la raiz de radio largo sirve para compactar el material de pieza de trabajo que rodea el tornillo, de manera que se reduzca 10 la formacion de cavidades, dado que dichas cavidades pueden dejar menos material durante el corte y disminuir la potencia de sujecion. El material de pieza de trabajo homogeneo compactado resiste la extraccion y el retroceso. A medida que la relacion entre la altura 155 de la punta del hilo de rosca y una determinada profundidad 57 de hilo de rosca aumenta, el tamano de las areas 258 disminuye correspondientemente, lo que resulta en una forma de raiz redondeada mas pequena y, por lo tanto, en una menor compactacion del material de pieza de trabajo, disminuyendo asi la fuerza de sujecion.
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El tornillo de baja energia 10 tiene una punta autoperforante de inicio 40 mejorada, que puede formarse al mismo tiempo que se enrollen los hilos de rosca 54, por lo que no requiere el coste anadido de una operacion secundaria, tal como se requiere para fabricar la punta de perforacion ranurada de vastago convencional. La punta 40 tiene una punta afilada 28 con hilos de rosca 44, que tienen una forma especial de rosca asimetrica, y que se extienden hasta los hilos de rosca 54. Los hilos de rosca inferiores 44 se extienden desde la porcion roscada principal 50 hasta la punta 28, formando una punta de tipo barrena. La punta 28 es esencialmente un extremo afilado del vastago 20 y puede ser un extremo "afilado como una aguja". Los hilos de rosca 54 se ramifican para formar los hilos de rosca 44 en la porcion roscada principal 50, y se extienden hasta la punta 28. El diametro mayor de los hilos de rosca 44 disminuye en la punta conica 40 y se extiende hasta un extremo esencialmente afilado en la punta 28.
Los hilos de rosca 44 son hilos que forman roscas, que reducen la necesidad de taladrar previamente agujeros en una pieza de trabajo. Los hilos de rosca 44 tienen un diseno de perfil de forma de rosca que permite a la punta 28 iniciar la penetracion, mientras que el ensanchamiento progresivo de los hilos de rosca 44 impide que se desmenuce el material de la pieza de trabajo, que esta situado entre los hilos de rosca 44 y sujeta los mismos. Asi, el material de sujecion permanece mas homogeneo para resistir la extraccion de los hilos de rosca y las cargas de "extraccion". Los hilos de rosca 44 tienen un perfil de forma de rosca asimetrica. Las crestas de los hilos de rosca 44 se ajustan a un perfil curvado 455, como se muestra en la FIG. 1, para permitir un avance sencillo para comenzar a accionar el tornillo 10. En una realizacion, los tres hilos de rosca inferior del tornillo 10 son hilos de rosca 44 asimetricos. El angulo 454 del flanco de rosca 456 siguiente (o posterior, o inverso) de los hilos de rosca 44 puede estar en, o casi perpendicular a, el eje 25 para una maxima resistencia a la extraccion. El angulo 457 del flanco de rosca 458 delantero (o anterior) puede ser mayor que el del angulo 454 del siguiente flanco de rosca 456, para una insercion mas facil en una pieza de trabajo y una mayor resistencia a la extraccion. Se ha observado que arrancar el tornillo 10 con la punta 40 es mas facil y mas rapido que arrancar un tornillo de perforacion con punta mecanizada o rasa.
El diseno de la raiz del radio permite que la punta afilada comience a penetrar, y el ensanche progresivo de la rosca asegura que el material de sujecion situado entre las roscas no se desmenuce y, por lo tanto, se mantenga homogeneo para resistir la extraccion de los hilos de rosca y las cargas de "extraccion".
El tornillo 10 incluye opcionalmente una porcion de cuerpo 60 no roscada que tiene una superficie lisa 61, un diametro 62, y una longitud 63. En diversas realizaciones, el diametro 62 de la porcion de cuerpo 60 no roscada puede ser de entre aproximadamente cero y aproximadamente un tercio de la longitud del tornillo, para longitudes de tornillo de cuarenta mm y mas. En la realizacion ilustrada, el diametro 62 de la porcion de cuerpo 60 es ligeramente mayor que el diametro menor 52 de la porcion principal 50 del vastago 20, pero menor que el diametro mayor 56 de los hilos de rosca 54. En este caso, puede situarse una porcion conica 64 en el cuerpo 60 que se extienda hasta la porcion principal 50. El angulo 65 de la porcion conica 64 puede variar dependiendo de la longitud de la porcion de la porcion de transicion 64 y de la diferencia entre el diametro 52 de la porcion principal y el diametro 62 del cuerpo. El diametro 62 del cuerpo 60 no debera ser tan grande como para inhibir sustancialmente la insercion del tornillo en la pieza de trabajo. Alternativamente, el diametro 62 del cuerpo puede ser igual o menor que el diametro 52 de la porcion principal 50.
La cabeza 30 del tornillo 10 puede observarse con mayor detalle en las FIGS. 2 y 4. La cabeza 30 tiene un diametro 32, e incluye un rebaje 34 que tiene una profundidad 36 (FIG. 4). El rebaje 34 esta configurado para alojar una herramienta de accionamiento para hacer girar el tornillo 10. El rebaje 34 puede tener una forma de ranura, cruciforme, hexagonal, o similar, para permitir que una herramienta de accionamiento encaje de forma segura en el rebaje 34. En una realizacion, el rebaje puede estar configurado para alojar un destornillador que, en combination, proporcione un "encaje adherente", es decir suficiente friction entre el rebaje y el destornillador como para sujetar el tornillo en el destornillador mientras se coloca en position, para atornillar el mismo en la pieza de trabajo. Un sistema patentado de atornillado de "encaje adherente", para una sola mano, se comercializa con la marca PoziSquare® segun se describe en las patentes de Estados Unidos n.° 6890139, 6852037, 6843729 y/o 6223634. El sistema de atornillado de la marca PoziSquare® sujeta el tornillo en linea con el destornillador, con poca o ninguna oscilacion.
Como se ilustra en las FIGS. 1 y 7, el diametro 32 de la cabeza es mayor que el diametro mayor 56 de la rosca y el diametro 62 del cuerpo. Las dimensiones del diametro de la cabeza son comparables a los tornillos estandares, para impedir la perforacion. Un cuello 73 se extiende entre el cuerpo 60 y la cabeza 30. En la realizacion ilustrada, la cabeza 30 incluye una primera porcion conica 72 que tiene una altura 75. El cuello 73 tiene una altura 76 y se estrecha desde la cabeza 30 hasta la porcion de cuerpo 60 del vastago 20. En la realizacion mostrada, la porcion conica 72 de la cabeza tiene un angulo 77 mas pronunciado que el cuello 73. En otra realizacion, el cuello 73 puede ser paralelo al eje 25. El cuello 73 esta ahusado para obtener resistencia, para acomodar el rebaje y para que, en uso, a medida que el cuello entre en una pieza de trabajo, el material de la pieza de trabajo se comprima gradualmente para sujetar mas firmemente el tornillo 10 contra el efecto de retroceso. El angulo o grado deseable de conicidad pueden depender de la capacidad de compresion, o de la caracteristica de la pieza de trabajo.
La cabeza y el cuello tambien incluyen un numero de estrias 74 que se extienden entre la cabeza 30, en su diametro exterior, y la porcion de cuerpo.60 En la realizacion mostrada en las FIGS. 1, 3 y 6, las estrias 74 tienen un perfil conico formado por un borde exterior 70 de linea recta, que se extiende desde la cabeza 30 hasta la porcion de
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cuerpo 60 con un angulo 78. Las estrias 74 de la corona presentan unos flancos 71 de estria opuestos que se extienden hacia el interior desde el borde 70, con un angulo 79, hasta la superficie 72 de la cabeza y el cuello 73. En otras realizaciones, las estrias 74 pueden tener un perfil que este escalonado, curvado, o tenga cualquier otra forma. El tornillo 10 puede incluir preferentemente entre seis y diez estrias. Como se muestra en la FIG. 3, el tornillo 10 puede incluir preferentemente ocho estrias 74. En otras realizaciones, puede incluirse un numero mayor o menor de estrias. A medida que se reduce el numero de estrias, las estrias muerden mas material y la madera puede astillarse. A medida que se aumenta el numero de estrias, las estrias son menos propensas a enganchar la madera.
Estas estrias 74 agresivas generan una serie de mejoras en el rendimiento. En primer lugar, la insercion a alta velocidad del tornillo de baja energia puede conllevar una falta de control de la profundidad del tornillo accionado. Las estrias 74 de la corona ralentizan el tornillo a medida que se avellana, ofreciendo un buen control al operador. En segundo lugar, las estrias tambien proporcionan un buen avellanado, limpio y sin astillas alrededor de la cabeza. Una ventaja adicional es que las estrias se incrustan automaticamente en el avellanado, y anaden resistencia al aflojamiento vibracional del tornillo, o al posterior retroceso.
Las estrias 74 de las diversas realizaciones actuan para reducir la velocidad del tornillo 10 a medida que se avellana automaticamente, ofreciendo asi al operador un mejor control. Las estrias 74 reducen o eliminan el fenomeno conocido como "par violento" causado por la alta velocidad de insercion, y proporcionan una profundidad mas regular del tornillo 10 asentado. Las estrias 74 tambien proporcionan un avellanado limpio y sin astillas alrededor de la cabeza 30, y reducen o eliminan el asentamiento de la cabeza del tornillo por encima del avellanado de un accesorio de montaje, cuando se utiliza el tornillo 10 con accesorios de montaje metalicos. Una ventaja adicional es que las estrias 74 se incrustan en la pieza de trabajo para resistir el aflojamiento por vibracion, de la union entre las dos piezas de trabajo, y para resistir el retroceso del tornillo al resistir su giro en la direccion inversa.
El tornillo 10 se fabrica a partir de una pieza en bruto que, inicialmente, puede tener un diametro uniforme. La pieza en bruto, que puede estar fabricada con acero, aluminio, u otro material, se deforma mediante una maquina de fileteado por rodadura para lograr la forma ilustrada en la FIG. 1. En una realizacion, el tornillo 10 se puede formar a partir de acero SAE 10B22, por lo que solo sera necesario usar un endurecimiento neutral y, por lo tanto, se elimina la necesidad de cementacion y el costoso proceso posterior de desgasificacion por calentamiento para anular la fisuracion. En otra realizacion, el tornillo 10 puede formarse a partir de acero inoxidable endurecible de la gama AISI 410 o SAE 305. La pieza en bruto puede enrollarse en una primera direccion para formar la porcion superior roscada 50. La cabeza 30 y el cuello 70 se pueden formar durante las etapas de rodadura mencionadas anteriormente, o durante etapas de rodadura separadas. Alternativamente, la maquina de rodadura puede presentar unas matrices adecuadas para poder fabricar el tornillo 10 en una etapa de rodadura. Durante el proceso de rodadura, los hilos de rosca 54 pueden recibir propiedades de forja que ayuden a aumentar la resistencia a la fatiga y la resistencia a la carga del tornillo, de manera conocida.
En una realizacion, el tornillo se puede fabricar de tal manera que sea resistente a 1.000 horas de neblina salina y a ciclos de ensayo "Kesternich", de acuerdo con normas de la industria. Las realizaciones para su uso en aplicaciones de interior pueden incluir la pasivacion con una cantidad de zinc y dicromato amarillo de entre 0,00508 y 0,010 mm. Para reducir la friccion entre el tornillo 10 y una pieza de trabajo, el tornillo 10 puede presentar un recubrimiento lubricante, por ejemplo, cera soluble en agua, tal como cera Gleitmo® soluble en agua, de FUCHS. El tornillo A de baja energia de la Tabla presenta un revestimiento de este tipo.
La FIG. 9 muestra un grafico del par en el eje Y frente al tiempo en el eje X, para la insercion tanto de un tornillo A de baja energia con un tamano metrico de 5 x 50, de acuerdo con la realizacion de la Tabla (linea 80), como de un tornillo B para madera convencional con un tamano metrico de 5 x 50 de la Tabla (linea 90). El tornillo B para madera convencional se selecciono para la comparacion mostrada en el grafico de la FIG. 9, debido a que se determino que el tornillo B para madera convencional presenta la mejor eficiencia de atornillado en comparacion con muchos otros tornillos de la tecnica anterior, incluyendo los tornillos C y D para madera convencionales de la Tabla. El tornillo A de baja energia y el tornillo B para madera convencional se insertaron en madera de haya, y se registro el par producido por la herramienta de atornillado para cada intervalo de aproximadamente 0,001 segundos, durante el tiempo en el que se atornillaron los respectivos tornillos en la madera. Ambas curvas 80 y 90 comienzan cuando se detecta el par por primera vez a 0,56 Nm aproximadamente. Los puntos 82 y 92 son cuando las cabezas de los tornillos comienzan a fijarse en las piezas de trabajo, y el par comienza a aumentar rapidamente. Los puntos 84 y 94 son cuando las cabezas de los tornillos estan plenamente fijas en las piezas de trabajo, y el operador comienza entonces a detener la herramienta de atornillado.
En esencia, las respectivas areas bajo las curvas 80 y 90 desde el eje Y a las lineas 86 y 96 representan la energia total requerida por la herramienta de atornillado, para atornillar los respectivos tornillos. Se calculo que la energia total utilizada para atornillar el tornillo A de baja energia era aproximadamente 6,04 Nms, mientras que la energia total para atornillar el tornillo B convencional era aproximadamente 11,41 Nms. El grafico tambien muestra que el tornillo A de baja energia se inserto en la madera aproximadamente un 40 % mas rapido que el tornillo B convencional. Los tornillos de baja energia se insertan rapidamente debido al agresivo avance de rosca y a la disminucion de la friccion a velocidades mas altas, debido a la combinacion de caracteristicas.
En un ensayo diferente, se atornillaron unos tornillos A de baja ene^a, con un tamano metrico de 5 x 50 de acuerdo con la Tabla, en unos postes de valla de pino tanalizados (tratados a presion con conservante de madera Tanalith E) usando una herramienta de atornillado Festool® modelo T15+3, con una bateria Festool Li-lon 8PS de 15Li. Se atornillaron 878 de dichos tornillos de baja energia con una sola carga completa de la bateria. La misma herramienta 5 de atornillado solo fue capaz de atornillar 660 tornillos B para madera convencionales de la Tabla, con un tamano metrico de 5x50, en los postes de pino tanalizados con una sola carga completa de la bateria. Como demuestra este ensayo, se atornillo un 33 % mas de tornillos A de baja energia que tornillos convencionales B, con la misma carga de bateria. Adicionalmente, los tornillos A de baja energia se atornillaron mas rapido y mas facilmente que los tornillos B convencionales, con un menor cansancio del operador.
10
La description y los dibujos anteriores solo son ilustrativos de realizaciones preferidas de la presente invencion, y no estan destinados a limitar la presente invencion a los mismos. Todo objeto, o modification del mismo, que este dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones ha de considerarse parte de las presentes invenciones.

Claims (11)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    REIVINDICACIONES
    1. Un tornillo de baja ene^a para madera (10), que comprende:
    una cabeza avellanada (30) que tiene un rebaje para alojar una herramienta de atornillado; un vastago (20) que se extiende desde la cabeza (30) hasta la punta de barrena (28), teniendo el vastago un cuello conico (73), unos hilos de rosca principales (54), unos hilos de rosca inferiores (44) y una punta conica (40) con una longitud (43);
    una pluralidad de estrias de corona (74) que se extienden hacia fuera desde dicha cabeza y dicho cuello; caracterizado por que los hilos de rosca principales (54) tienen un diametro mayor de rosca y tienen un avance que es aproximadamente entre el 59,3 por ciento y aproximadamente el 80 por ciento del diametro mayor (OD) de rosca;
    los hilos de rosca principales (54) estan dispuestos entre el cuello (73) y los hilos de rosca inferiores (44), y en donde los hilos de rosca principales (54) tienen una forma de rosca que incluye una punta exterior que tiene un perfil (154) sustancialmente lineal y una raiz redondeada que tiene un perfil concavo (254); y los hilos de rosca inferiores (44) estan dispuestos entre los hilos de rosca principales (54) y la punta (28), y en donde los hilos de rosca inferiores (44) tienen un perfil de forma de rosca asimetrico.
  2. 2. El tornillo (10) de la reivindicacion 1, en el que los hilos de rosca inferiores tienen un angulo de flanco delantero (457) mayor que su angulo de flanco siguiente (454).
  3. 3. El tornillo (10) de la reivindicacion 1, en el que al menos una de la pluralidad de estrias (74) incluye un borde exterior (70) que se extiende desde el diametro de la cabeza hasta la extension inferior del cuello e incluye dos superficies de flanco (71) que se extienden desde el borde hasta la cabeza y el cuello.
  4. 4. El tornillo (10) de la reivindicacion 1, en el que el perfil concavo de la forma de raiz del hilo de rosca principal es un arco de un circulo.
  5. 5. El tornillo (10) de la reivindicacion 1, en el que la altura (155) de la punta lineal del hilo de rosca principal es aproximadamente entre el 32 % y aproximadamente el 52 % de la altura del hilo de rosca principal.
  6. 6. El tornillo (10) de la reivindicacion 1, en el que el hilo de rosca inferior (44) se extiende hacia la cabeza (30) mas alla que el punto (40).
  7. 7. El tornillo (10) de la reivindicacion 1, en el que el punto de interseccion de la raiz redondeada con la superficie de vastago de diametro menor esta situado a una distancia de un eje central (150) del hilo de rosca principal que es de entre aproximadamente el 90 por ciento y aproximadamente el 110 por ciento de una altura del hilo de rosca principal.
  8. 8. El tornillo (10) de la reivindicacion 1, en el que la punta del hilo de rosca principal tiene un angulo de hilo de rosca de entre aproximadamente 20 y aproximadamente 40 grados.
  9. 9. El tornillo (10) de la reivindicacion 1, en el que las crestas de las roscas de los hilos de rosca inferiores estan dispuestas sobre una curva convexa (455) del perfil asimetrico.
  10. 10. El tornillo (10) de la reivindicacion 1, en donde el tornillo incluye un recubrimiento lubricante.
  11. 11. El tornillo (10) de la reivindicacion 10, en el que el recubrimiento es una cera soluble en agua.
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