KR100959296B1 - 셀프 태핑 나사, 블랭크, 그 제조를 위한 방법 및 금형, 그리고 얇은 소재들을 결합하기 위한 방법 - Google Patents

셀프 태핑 나사, 블랭크, 그 제조를 위한 방법 및 금형, 그리고 얇은 소재들을 결합하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

머리가 부착된 복수의 (headed) 로브 형상의 블랭크, 그 블랭크로부터 셀프 태핑 나사(902)를 제조하는 방법, 그리고 원뿔형 단부와 몸체 부분들에서 만족스러운 나사산 성형 특징들을 나타내는 것으로서 얇은 소재들(1402, 1404)을 결합하기 위한 결과적인 다수의 로브 형상의 셀프 태핑 나사를 제공함으로써 선행 기술의 단점들을 극복한다. 그 결과적인 나사는, 그 블랭크와 방법에 의하여 얻어지는데, 머리(410)의 저부에 인접한 지역에서 거의 원형인 것으로부터 테이퍼진 뿌리 부분(906)과 나사 몸체의 교차점에서 최대로 원형이 일그러진 단면까지 변화하는 단면을 갖는 것으로서, 나사 머리(410)와 몸체 부분 사이에 있는 나사줄(threaded) 테이퍼진 뿌리 부분(906)을 통합한다. 몸체 부분으로부터 테이퍼진 뿌리 부분(906)에 걸쳐 거의 일정하게 유지되는 나사산 단면의 외경과 조합되는 이 형상과, 복수의 나선형(helical) 코일(리이드 나사산) 형상은, 뿌리 부분 주위에서 축방향으로 전방 및 후방(1405)으로 돌출되는 고정재과 함께, 얇은 고정재(1404)에서 나사(902)의 보다 안전한 쥠(holding)을 보장한다.

Description

셀프 태핑 나사, 블랭크, 그 제조를 위한 방법 및 금형, 그리고 얇은 소재들을 결합하기 위한 방법{Self-tapping screw, blank, method and dies for making the same and method for joining thin workpieces}
본 발명은 셀프 태핑 나사에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 셀프 태핑 나사, 셀프 태핑 나사을 위한 블랭크들 그리고 적절한 롤 성형(roll-forming) 금형들을 사용하여 셀프 태핑 나사를 성형하는 방법들에 관한 것이다.
종래의 셀프 태핑 나사 제품은, 얇은 시트로 된 금속 부품들의 조립에 사용되는 경우에 나사를 조이는 토크를 비교적 적은 값으로 억제해야 할 필요성이 있는데, 이러한 토크 억제로 인하여 발생하는 문제점 때문에 그 작용에 대한 신뢰성이 충분하지 못하다는 것이 당업자에게 인식되어 있다. 조임 토크를 이와 같이 억제하는 이유는, 조립되는 동안에 고정재(anchor)가 박리하고 이에 의하여 나사가 공전할 가능성을 최소화하기 위한 것이다. 고정재는, 나사 머리(head)의 저부로부터 가장 멀리 떨어져 있는 결합 조립체의 한 부분이다. 이러한 박리(stripping)와 공전(spinning)은 조립체 클램프(clamp) 부하를 손실시키고, 그 결과 조립체의 열화를 발생시키게 된다.
도 1은, 종래의, 얇은 시트(sheet)의 금속 부품들(104, 106)을 결합하여 1개의 결합된 조립체로 만들기 위하여 사용되는 한 세트의 나사산을 갖는 셀프 태핑 나사(102)에 공통적으로 생기는 결점을 나타내고 있다. 이 나사는 종래의 원형 단면을 포함한다.
나사 머리로부터 가장 멀리 떨어져 위치하는 나사 고정재(106, '너트 부재'로 또한 지칭된다)는, 나사(여기서 일반적으로 "얇은" 소재로 정의된다)의 축방향 피치(110)와 같거나 이보다 작은 폭(108)을 가지며, 일반적으로 나선 혹은 나사산의 전면(112)이 고정재(106)를 변형시키고, 그 고정재는, 인접한 나선, 스크롤들 혹은 나사산들 사이의 공간 속으로 들어간다. 이런 종류의 고정재 및 조립체는, 가장 효과적인 결합 클램핑 부하를 발생시킬 수 없다. 게다가 부적절하게 나사산이 짝맞춤(mating) 접촉을 하게 한다.
한 세트의 나사산에 대한 특정의 단점들을 극복하기 위하여, 얇은 소재들을 결합하기 위하여, 머리 부착 블랭크의 주위에 복수의 리이드 나사산이 형성하고, 상기 복수의 리이드 나사산 단면을 갖는 단면이 진원인 나사가 최근 사용되고 있다. 이러한 복수의 리이드 나사산을 사용하면, 고정재를 한층 더 양호하게 조이는 경향이 있으며, 이것에 의하여 고정재의 파이럿(pilot) 구멍의 주변에 있는 복수 위치에서 한층 더 분산되는 맞물림결합을 제공하고, 고정재가 나사산들 사이에 가두어지는 것을 방지한다.
그러나, 복수의 리이드 나사산들을 사용하는 경우라도, 단독으로 사용되는 것은 완전한 해결책은 아니다. 특히, 도 2는, 단수 또는 복수의 리이드 나사산들(원형 혹은 비원형 단면)을 가지며, 얇은 소재들을 결합하기 위한 종래의 나사들에 대한 계속되는 결함을 나타내고 있다. 통상의 나사(200)는, 나사 머리(206)의 저부(204)와 가능한 한 유사하면서 일정한 코어 직경(202)을 유지한다. 이러한 실시형태는, 조립체의 성능에 있어서 감소시킬 수 있는 것이다. 제조상의 제약들로 인하여, 일반적으로, 나사 머리(206)의 저부(204)에 인접한 나사 나사산 산마루들의 충전 부족 현상(under-filling)이 생성될 수 있으며, 이로 인하여, 이에 의하여 불특정하고 제어할 수 없는 역 나사산 테이퍼(208)가 생기게 된다. 이러한 경우에, 나사의 입구 지점과 더 가까운 나사산 산마루들은, 나사 머리와 가까운 산마루들보다 직경이 커진다. 역 나사산 테이퍼(208)는, 조립체의 암나사와 수나사와의 사이에 틈새(210)를 발생시킨다는 단점을 갖는다. 이 틈새(210)는 결합되는 구조체의 중요한 영역에서 접촉된 나사들간의 결합력을 감소시키는 결과를 초래하고, 이에 따라, 미리 예견한 적용 토오크보다 낮은 토오크에서 조립체가 파손되게 한다.
원형 단면 나사의 사용(전술한 바와 같이)은 지금까지는 바람직하였다. 비원형 단면의 나사를 사용하고, 나사산의 형성으로 인하여 소정의 장점을 달성할 수 있지만, 일반적으로 비원형 단면(상업적으로 사용 가능한 롤 성형, 셀프 태핑, 다수의 로브 형상의 나사등)을 사용하는 것은, 조립체에 있어서 바람직하지 못하다고 인식되었다. 이러한 비원형 단면들은, 조립체와 결합 될 때 가해진 토오크에 비하여 필요한 저항 강도가 부족한 것으로 판단된다.
따라서 본 발명의 목적은, 비원형 단면 블랭크를 사용하여 나사를 만들고, 이것에 의하여 유리한 나사산 특성 및 바람직한 다수의 로브 형상의 나사산을 가지는 유리한 다수의 로브 형상 나사를 제작하기 위한, 셀프 태핑 나사 및 그것과 관련된 방법을 제공하는 데 있다. 이 나사는 다수 로브들을 이용함에도 불구하고, 또한 결합되는 조립체의 "클램프 결합 영역"에 전체적으로 비원형의 단면을 사용하였음에도 불구하고, 각 로브들 사이에서 소재들이 이완되고, 이러한 반복되는 이완에 대한 훌륭한 내성을 가질 수 있게 한다.
본 발명은, 머리를 가진 복수의 (headed) 로브 형상의 블랭크, 그 블랭크로부터 셀프 태핑 나사를 제조하는 방법, 그 결과 얻어지는 얇은 소재들을 결합하기 위한 다수의 로브형상 셀프 태핑나사로서, 원뿔형의 선단 및 몸체 부분에 바람직한 나사산 성형 특성을 가지고, 머리 근처에서 반복되는 이완에 대한 내성을 가지는, 다수의 로브 형상의 셀프 태핑 나사를 제공함으로써 종래 기술의 결점들을 극복한다. 상기 블랭크 및 제조 방법의 결과로 인하여 얻어지는 나사는, 나사 머리와, 몸체 부분과의 사이에 테이퍼진 뿌리 부분을 포함하고, 상기 테이퍼진 뿌리 부분은, 머리의 저부에 인접한 지역에서 거의 원형인 것으로부터, 테이퍼진 뿌리 부분과 나사 몸체부분과의 교차부분에서 최대로 일그러진 원형의 단면까지 변화하는 단면을 갖는다. 몸체 부분으로부터 테이퍼진 뿌리 부분에 걸쳐 거의 일정하게 유지되는 나사산 외형 단면과 복수의 나선형(helical) 코일(리이드 나사산) 형상이 조합되는 이러한 나사의 형상으로 인하여, 얇은 고정재들에 나사가 견고하게 유지되게 하고, 이 경우에, 고정재는 테이퍼진 뿌리 부분의 주위에 있어서 축방향 전후에 압출된다.
한 실시예에서, 전체적으로 원형 또는 로브형상 단면의 와이어(wire) 혹은 로드(rod)를 헤더 금형의 금형 캐비티(cavity) 내에 박아넣는 것에 의해, 머리 부착 블랭크가 성형된다. 그 와이어 혹은 로드는, 헤더 캐비티 내로 박히는 때에, 소성적으로 변형하고, 4개의 부분(즉, 머리, 원뿔형 입구 부분, 몸체 부분, 및 테이퍼진 뿌리 부분)을 가지는 원하는 완성된 블랭크가 된다. 금형 캐비티는, 머리에 인접한 테이퍼진 부분은 본질적으로 원형 단면을 갖는 반면에, 몸체 부분과 완성한 블랭크의 원뿔형 입구 지점의 단면은 다수의 로브 형상의 단면으로 성형될 수 있는 적절한 단면을 갖는다.
로브 형상의 나사산을 가진 나사를 성형하기 위하여, 완성한 블랭크는, 충분한 압력을 가하고 블랭크 표면의 소성적인 변형을 발생시키는 횡방향으로 이동하는 롤포밍다이에 의하여 맞물림된다. 그 금형들은 동일한 거리에서 유지되어, 블랭크의 로브 형상의(lobular) 단면에 기인하여 금형들 중 하나가 다른 하나에 측 방향으로 이동할 때 블랭크가 요동하는 롤링 회전이 생성된다. 이러한 롤 성형 공정은, 테이퍼진 뿌리 부분의 영역에, 몸체 부분과 거의 일정한 단면을 유지하는 나사산 패턴을 형성하는 것이 된다. 단, 그 내부의(나사골) 직경(나사산 각각의 골짜기들)은 계속적으로 머리를 향하여 외측으로 테이퍼진다. 게다가, 테이퍼진 뿌리 부분에는, 이러한 방식으로, 몸체 부근에서 요구되는 최대의 원형이 일그러진 단면과 머리의 저부에 인접한 거의 원형 단면이 제공된다. 테이퍼진 뿌리 부분에 따르는 이러한 원형이 일그러진 변화는 머리 근처에서 더 큰 직경의 영역에서 존재하는 저하된 성형 압력에 의한 것이다.
본 발명에 따라 성형된 나사는, 머리에 인접한 것으로서, 나사에 의하여 결합되는 소재가 로브들(lobes) 사이에서 반복되어 이완될 때 혹은 다른 힘들의 영향에 의한 이완(loosening)에 대해 기계적 저항력을 발생시키는 변화되는 단면을 갖는 새로운 테이퍼진 뿌리 부분을 제공한다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 목적들 및 장점들은, 다음의 도면들에 의하여 도시되는 다음의 상세한 설명을 참조하면 보다 명확하게 될 것이다.
도 1은, 이미 설명한 것으로서, 나사 상에 종래의 단수 리이드 나선형 나사를 사용할 때 앵커 재질의 변형의 예를 도시한 부분 측단면도이고,
도 2는, 이미 설명한 것으로서, 나사의 전체 길이에 따라서 평행 나사 나사산 뿌리 부분 직경을 가짐으로써 제조 시 제약들과 관련된 역 나사산 테이퍼의 생성을 도시하는 부분 측단면도이며,
도 3은 얇은 소재들에서의 향상된 반복되는 내성과 유지 강도를 위한, 예시적인 테이퍼진 뿌리 부분을 갖는 셀프 태핑 나사의 측면도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 머리 부착(headed) 블랭크의 성형을 도시하는 부분 측단면도이며,
도 5는 도 4의 블랭크 성형 실시예에 따라 성형된 머리 부착(headed) 블랭크의 측면도이고,
도 6은 도 5의 6-6 선에 따른 머리 부착(headed) 블랭크의 원뿔 지점 부분의 단면도이며,
도 7은 도 5의 7-7 선에 따른 머리 부착(headed) 블랭크의 몸체 부분의 단면도이고,
도 8은 도 5의 8-8 선에 따른 머리 부착(headed) 블랭크의 테이퍼진 부분의 단면도이며,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 나사산 성형 금형들에 의하여 물림되어 도 5의 머리 부착(headed) 블랭크로부터 결과적으로 성형된 나사의 부분 측 단면도이고,
도 10은 도 9의 11-11 선의 근처에 있는 몸체 부분을 따라서 취하여 지며, 구름운동(rolling) 경로를 따라서 다른 지점들에 있는, 성형 금형들에 있는 머리(h 부착(headed) 블랭크의 단면도이며,
도 11은 도 9의 11-11 선에 따른 롤 성형 공정에 기인하여 생성된 나사의 몸체 부분의 단면도이고,
도 12는 도 9의 12-12 선에 따른, 몸체 부분에 인접한 위치에 있는 성형된 나사의 테이퍼진 뿌리 부분의 단면도이며,
도 13은 도 9의 13-13 선에 따른, 머리 부분에 인접한 위치에 있는 성형된 나사의 테이퍼진 뿌리 부분의 단면도이며,
도 14는 도 9에 따라 성형되며, 한 쌍의 얇은 소재 시트들을 결합하는, 완성된 나사의 부분 측단면도이고,
도 15는 도 14의 15-15 선에 따른, 고정재 내에 있는 나사에 의해 생성된 응력 패턴들의 단면도이다.
Ⅰ. 일반 원리들
새로운 기술적 배경으로서, 도 3은, 머리에 근접한 역 나사산 테이퍼와 관계된 특정의 단점들을 거의 회피하여, 유지 강도와, 반복되는 이완에 대한 저항력을 증가시키는 예시적인 나사(300)를 도시한다. 이 나사, 그리고 다른 관계된 여기서의 실시예들은, "얇은 소재들을 결합하기 위한 셀프 태핑 나사와 방법"이라는 제목으로 알란 프리챠드(Alan Pritchard)에 의하여 동일한 날짜에 출원된, 공유된 미국특허출원번호 09/852,091호에 개시되어 있다. 단적으로 말하면, 나사(300)는, 머리(302), 테이퍼진 뿌리 부분(304)(몸체를 따라 머리(302)를 향하는 방향에서 반경 방향의 외측으로 테이퍼진), 중앙 몸체 부분(306), 테이퍼진 입구 부분(308) 그리고 예시적인 입구 지점(310)(셀프 드릴링 지점과 같은)을 포함한다.
나사(306)의 몸체에는, 그 외주를 따라, 복수의 연속적인 나선형(helical) 코일, 스크롤(scrolls) 혹은 나사산들(312)이 배치된다. 그 나사산들(나선형 코일들)은 외경(D)을 갖는다. 한 실시형태에서 외경(D)의 크기는 1.6∼10mm의 범위 내에 놓일 수 있다. 그러나, 여기서 명시하는 상술 그 밖의 범위는, 본 발명에 의한 나사의 전형적인 용도의 일례를 나타내는 것에 지나지 않다. 본서에 기재하는 원리는, 모든 종류 및/또는 크기의 나사 및 그것에 대응되는 소재들에도 적용될 수 있다.
한 실시형태에서, 몸체(306)를 따라서 배치되는, 두 개의 개별적인 연속적인 나선형(helical) 코일들, 스크롤들 혹은 나사산들(복수의 리이드 나사산들로 또한 지칭된다)이 있으며, 이 경우에는, 나사는 한 쌍 혹은 이중 리이드 형식이지만, 이것 이외의 수의 별개의 나사산을 이용하는 것도 가능한 것이 고려되어 있다. 이 실시 형태에서는, 복수의 나사산들을 사용함으로써 고정재(sheet) 변형을 한층 더 방지할 수 있다. 여기서 사용된 바와 같은 용어 "나사산"은, 실린더 축 혹은 몸체를 따라 나선으로 감기면서, 전체적으로 연속하여 형성된 1개 또는 2개 이상의 구조, 또는 나사의 단면에서 개별적인 단면을 갖는 산마루 및 골짜기로 형성된 구조의 어느 쪽도 지칭할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 그 용어를 이용하면, 읽는 사람이 그 일반적인 용어들에 대한 용법의 차이를 구별할 수 있게 한다.
예시적인 실시형태에서, 본 발명의 나사의 테이퍼진 뿌리 부분(304)는, 머리(302)와 나사의 몸체(306)과의 사이에서 축방향으로 배치되고, 축방향 피치(P)의 적어도 2배, 바람직하게는 약 3.5배 이하의 축방향 길이(W)를 가진다. 테이퍼 진 뿌리 부분(304)은, 머리(302)에 인접하고 최대 직경(R)을 가지며, 나사의 뿌리 직경(B)에 동일한 직경으로 하방을 향하여 갈수록 테이퍼진다. 각도(φ)는, 뿌리 테이퍼 부분(304)이 몸체(306)에 대하여 형성하는 끼인각이다. 이 각도(φ)는, 약 6˚와 15˚ 사이, 바람직하게는 8˚와 10˚사이에 있어야만 한다.
나사산들(312)은 테이퍼진 뿌리 부분(304) 상에 배치되며, 나사와 나사산들의 외경(D)은 테이퍼진 뿌리 부분(304)과 나사(306)의 몸체를 따라 거의 동일한 크기를 갖는다. 머리(테이퍼진 뿌리 부분을 포함한다)와 입구 지점 영역 사이의 모든 나사산들이 거의 동일한 외주 직경을 갖는 것이 때때로 바람직한 반면에, 대체적인 실시형태에서는, 특정의 소재의 두께 및 소재에 관련되고 특정의 유익한 효과가 얻어지도록, 입구 지점에 가까운 영역과 테이퍼 진 뿌리 부분으로부터 떨어진 부분에서 다른 나사산의 직경 및 단면을 사용할 수 있다고 예상된다. 이 때문에, 나사산들은 테이퍼진 뿌리 부분과 그 테이퍼진 뿌리 부분에 바로 인접한 나사 몸체의 부분(입구 지점을 향하여 적어도 나사산 피치의 4배의 거리까지 테이퍼진 뿌리 부분으로부터 연장되는 인접 부분)에서 거의 동일한 직경을 갖는다고 예상된다.
Ⅱ. 로브 형상의 블랭크 성형
위에서 설명된 원리들(예를 들면, 테이퍼진 뿌리 부분 및 복수의 리이드 나사산)은 다수의 로브 형상의 나사산을 성형하는 단면을 갖는 나사에 일반적으로 적용될 수 있다. 그러한 다수의 로브 형상 단면은 일그러진 원형(비원형) 주변을 한정하는 홀수(예를 들어 3, 5, 7 등)개의 로브들(lobes)로 이루어진다. 일반적으로, 로브 형상의 나사가 적절한 크기의 파일럿(pilot) 구멍 내로 박힐 때, 로브들은 소재를 소성적으로 변형시켜 롤(roll) 성형된 나사산들을 생성한다. 이들 나사산들은, 성형에 따르는 어느 정도의 스프링 백(spring-back)을 유지하고, 이에 의하여 반복되는 이완(vibrational loosening)을 유리하게 감소시키는 유지 압력(holding pressure)을 나사로 가하게 된다. 다수의 로브 형상 단면의 한 예는, 세 개의 그러한 로브들을 가지는, 스위스의 알아이 앤 콘티 패스너즈 아게(RI and Conti Fasteners AG), 미들타운의 연구 및 제조 회사(Research Engineering of Middletown,RI)에서 개발되고 실용화된, 트리로뷸러(TrilobularTM)시리즈의 셀프 태핑 나사이다.
머리 부착 블랭크의 냉간 성형은, 본 발명의 실시형태와 관련되는 완성한 나사를 최종적으로 성형하기 위하여 사용되는 것으로, 이는 도 4에 도시된다. 이 블랭크는, 전형적으로는 3개의 로브 형상 단면의 블랭크이지만, 그 밖의 개수의 로브를 이용하는 것도 분명하게 고려되어 있다. 성형 금형 캐비티(404)를 갖는 경질의 헤더 금형(402)가 도시된다. 성형 공정은, 전형적으로는, 거의 원형의 또는 로브 형상의 단면을 가지는 소정의 크기의 와이어 또는 로드의 절단조각이 금형 캐비티내에 배치되는 때부터 시작된다. 많은 경우에, 다른 성형단계를 표현하는 3개 또는 4개 이상의 다른 금형 캐비티가 1라인에서 사용되고, 그 1개의 금형 캐비티로부터 다른 금형 캐비티로 블랭크가 점점 이동되는 것이다. 예시된 예제에서, 최종 성형 금형(402)이 도시된다. 금형 캐비티(404)는 요구되는 완성된 블랭크 형상에 합치되는 치수로 만들어지는 구멍이다. 금형 캐비티(404)는, 미완성의 블랭크가 내부에 박혀서 도시된 바와 같은 완성한 머리 부착 블랭크(405)로 소성적으로 변형되는 때에 금형 캐비티의 변형이 생기지 않도록 충분한 두께와 경도를 갖는 측벽을 구비하고 있다. 물론, 금형 캐비티(404)의 횡단면(미도시)는, 이하에서 상술하는 바와 같이, 원하는 블랭크 단면(원형 또는 다수의 로브 형상 주변)을 갖는다.
금형 캐비티(404)에서의 완성된 머리 부착 블랭크(405)의 성형은, 램(ram) 혹은 펀치(406)에 의하여 적용되는 몇 번의 타격으로 생기는 경우가 많다. 예시적인 펀치(406)는, 전형적으로는 강력한 기계적인 액추에이터(미도시)에 의하여 구동되고, 블랭크를 고압으로 타격하여 블랭크 머리와 완성한 내부의 블랭크 형상을 동시에 형성한다. 복수의 금형 캐비티를 점차 이용하는 경우와 같이, 머리 부착 블랭크(405)의 성형시에도 복수의 다른 형상의 펀치를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우에, 각 펀치는 완성한 블랭크 머리(410)의 형상에 점진적으로 가까워져 가는 형상을 가지게 된다.본 실시예에서, 블랭크 머리(410)는 필립스(Phillips) 구동구조(412, 단면에 나타나 있다)를 포함한다. 그러나, 구동구조는 어떠한 요구되는 형상이라도 될 수 있고, 대체적으로,(예를 들면) 표준 오목 십자 슬롯, 여섯개의 로브 드라이브 홈, 육각형 소켓 홈으로 하는 것이 가능하다. 그 밖에도, 블랭크는 모든 외부적 또는 내부적인 랜치와 결합되는 머리 구동용 형상을 마련하는 것이 가능하고, 또는 적절하게 또한 적당한 기구를 이용하여 나사의 토오크를 전달하는 것을 가능하게 하는 다른 모든 기구를 포함하는 것도 가능하다. 가동 돌출 핀(414)을 사용하여, 블랭크의 선단을 정지시키며, 완성한 블랭크(아래에 묘사된다)를 나사산 형성 금형으로 이끄는 채널 혹은 그밖의 반송수단(미도시)로 인출하는 것이 가능하다는 점에 주목하라.
금형 캐비티(404)는 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 적어도 4개의 별개의 형상을 갖는 블랭크 부분을 생성한다. 냉간 성형에 의하여 완성한 머리 부착 블랭크(405)의 부분을 도 5에 도시하고 있으며, 이에 대하여 상술한다. 예시적인 실시형태에 따르면, 상기 부분들은 원뿔 지점(혹은 "입구") 부분(502), 몸체 부분(504) 및 머리(41)에 인접한 테이퍼진 부분(506), 그리고 머리 자체를 포함한다.
원뿔 지점 부분(502), 몸체 부분(504) 그리고 테이퍼진 부분(506)에 대한 전체적인 단면들은, 도 6, 7 및 8 각각에서 설명된다. 일반적으로, 나사 블랭크는 선단(10)으로부터 머리(410)까지 갈수록 연속적으로 테이퍼지는 형상을 이룬다. 예시적인 블랭크의 특징이 되는 3개의 로브의 단면 형상은 도 6 및 7(로브들(602, 702) 각각을 보아라)의 단면에서 보다 명확하게 도시된다. 로브들(602, 702)은 축(512) 을 중심으로 하고, 각각 동축(606, 706, 가상선으로 나타낸다) 내에 위치한다. 상기 로브들(602, 702) 사이에 있는 "골짜기" 지역은 원형이 일그러진 공간(K1, K2)(각각)만큼 간격을 둔다. 여기서 설명되는 바와 같이, 원형이 더 크게 일그러지면 질수록 값(K)은 더 크게 된다. 이것은 본 발명의 교훈과 일치하게 로브형상정도(lobularity)의 등급으로 또한 지칭될 수 있다.
유사하게, 도 8은 테이퍼진 부분(506)의 거의 축방향의 거의 중간점을 가로로지르는 단면을 도시한다. 축(512)을 중심으로 하는 단면은 본질적으로, 원형이고, 이에 따라 원형 단면으로 표현하고 있다. 도 5를 또한 참조하면, 테이퍼진 부분(506)은 몸체 부분(504)으로부터 머리(41)의 저부(514)로 접근하면서 외측으로 테이퍼진다. 테이퍼의 증가 정도는, 성형될 때 일반적으로 나사 나사산의 축 피치(도 14에서 피치(AP)를 참조하여라)의 두배 이상이고, 바람직하게는 성형된 나사산의 축 피치(AP)의 3.5배인 값(WB)보다 축방향으로 더 길지 않다.
Ⅲ. 나사산 성형
도 9 및 10은 완성된, 나사산을 갖는 나사(여기서 902로 지시된다)를 생성하기 위하여 머리 부착 블랭크(405) 상에 나사산들의 성형의 상세한 사항을 일반적으로 도시한다. 이 실시예에서, 나사(902)는 머리(410) 바로 아래에 있는 블랭크의 축을 따라서 평평한 롤 성형 금형들(908, 910)에 의하여 맞물림된다. 이들 금형들은, 충분한 압력(화살표들 912)을 가하여 금형 플레이트들(908) 중 하나가 다른 하나의 금형 플레이트(910)에 관하여 측면(화살표 1002)으로 움직일 때 세 개의 단면들(502, 504 및 506) 각각에 있는 블랭크 표면을 소성 변형(그리고 소재 유동)시키게 된다. 금형 플레이트가 이동하는 동안에, 금형 플레이트들 사이의 공간은, 대향하는 금형 포밍 표면들 사이로부터 동일한 거리에 있는 중심선(1004)에 의해 도시된 바와 같이 일정하게 유지된다. 금형들은 편심의 단면 블랭크에 맞물리기 때문에, 금형(908)이 이동하면 요동하는 블랭크가 롤링 회전(화살표들 1006)을 하게 한다. 특별히, 롤링 회전하는 블랭크/나사의 중심축(512)은 중심선(1004)의 위 및 아래로 교대로 연장되는 경로(1008)를 따라간다. 그러나 금형들 사이의 거리가 일정하기 때문에, 평평한 앤빌 마이크로미터를 사용하여 단면을 측정하면 완성된 나사산을 가진 나사의 전체 원주에 관하여 일정한 치수를 나타내는 경향이 있었다.
특별히 도 9를 참조하면, 성형된 테이퍼진 뿌리 부분(906)의 영역에 있는, 금형들(908, 910)에는, 특정의 외측의 테이퍼(920)가 제공된다. 이 외측 테이퍼는, 블랭크의 테이퍼 부분에 작용하고, 그 결과로서, 몸체 부분(904)에서 나사산의 산마루에 대해서는 비교적 일정한 외경(점선 914를 참조)를 유지하는 나사산 단면의 산마루를 가지는 나사산 패턴을 형성하지만, 점선 916으로 나타나지는 내경(각 나사산 형성의 골짜기들)은, 머리(410)를 향하여 소정의 원뿔 형상의 외측 테이퍼를 나타내고 있다. 롤링된(rolled) 블랭크 상에서 움직이는 금형들(908, 910)의 작용에 의하여 연속적인 테이퍼가 대부분에서 발생된다. 게다가, 금형들 형상들에 기초된, 블랭크 소재의 유동은, 도 9(그리고 아래에서 묘사될 도 15)에 도시된 바와 같이, 보다 연속적인 외관을 나타낸다. 이 외측으로 테이퍼진 형상은 종래기술에서 일반적으로 발견되는 머리 부근의 바람직하지 않은 언더필링(underfilling)과는 완전히 대조적인 것이다.
여기에서, 도 11 내지 도 13에서 보다 상세하게 도시된 롤링된(rolled) 나사(902)에 대한 단면들이 참조된다. 먼저 도 11을 참조하면, 몸체 부분(904)은 로브들(1102) 및 그 사이에 개재된 "골짜기" 사이의 가장 크게 일그러진(K3) 원형을 도시한다.
나사산이 형성되는 테이퍼진 뿌리 부분(906) 중 몸체(904)에 인접하는 부분을 상세하게 나타내는 도 12의 단면은, 로브(1202)사이의 감소된(그러나 여전히 큰) 원형이 일그러진 값(K4)을 도시한다. 일반적으로 롤링 금형은, 테이퍼가 증가함에 따라 감소된 압력을 가하게 된다(테이퍼가 머리의 저부(514)에 접근할 때에)고 이해된다. 따라서, 상대적으로 작은, 원형이 일그러진 값(K5)은, 상대적으로 머리의 저부 근처에 있는, 도 13의 단면을 표시한다. 이 작은(최소의) 원형이 일그러진 원형 단면은, 이 설명의 목적을 위하여 "원형에 가까운 단면"으로 지칭될 것이다. 어떤 실시예들에서는, 원형에 가까운 단면은 본질적으로 원형일 수 있다. 그리하여 그 용어는 대체예도 포함하는 것으로 해석되는 것이 당연하다.
명백히, 롤 성형 금형들의 영향 하에서, 위에서 설명된 블랭크의 요동하는 롤링 이동은, 머리의 저부에 인접한 테이퍼진 원형 단면의 최종 성형에 영향을 주는 경향이 있다. 그 결과 여기서 이용하는 블랭크 및 나사 성형 금형의 편성은, 클램프 결합영역에 원형의 단면을 가지는 나사에 필연적으로 발생하는 반복되는 이완에 대하여 증가된 저항력을 갖는 다수의 로브 형상 나사에 유리한 나사산 형상을 갖는 나사를 만들 수 있다는 것이 또한 명백하다. 이 원형에 가까운 단면은, 부분적으로 테이퍼진 뿌리 부분으로 인하여 얻어지고, 그 테이퍼진 뿌리 부분은, 그 영역에 있어서 성형 압력을 효과적으로 저하시키는 것이다.
Ⅳ. 결합 조립체
한편, 상기 머리 부착 블랭크(405; 도 5 참조)에 대한 나사산 성형 가공이 행해져서 얻어지는 나사(902)는, 도 14에 도시한 바와 같이 몸체 부분(904; 도 5에 도시된 상기 블랭크의 몸체 부분(504)의 성형에 의해 형성되는 부분), 테이퍼진 뿌리 부분(906; 도 5에 도시된 상기 블랭크의 테이퍼진 부분(506)의 성형에 의해 형성되는 부분) 및 원뿔 지점 부분(903; 도 5에 도시된 블랭크의 원뿔지점부분(502)의 성형에 의해 형성되는 부분)을 구비한다.
이와 완성된, 나사(902)는, 제1 얇은 소재(1402)와 제2 고정재의 소재(1404)로 이루어지는 조립체를 함께 결합시킨다. 머리(410)는 제1 소재(1402)를 확실히 압축시킨다. 도시된 바와 같이, 둘 이상의 개별 나선형 코일들, 스크롤들 혹은 리이드 나사산들(1406, 1408)이 나사(902) 상에 성형되어 있다. 이것들은, 나사 축을 따라서 동일한 축방향 위치에 배치되는, 직경방향으로 대향되는 나사산 단면(1406, 1408)에 의하여 표시된다. 위에서 언급된 바와 같이, 완성된 나사는 어떠한 로브 형상의 단면 영역(3, 5, 9, 11 등의 로브들)이라도 가질 수 있다. 테이퍼진 뿌리 부분(906)은, 고정재(1404)와 나사산들(1406, 1408) 사이의 부가적인 나사산 물림결합을 제공하는 고정재(1404)와 전방 및 후방의 방식으로 맞물리고 돌출된다(돌출 지점들(1405)을 보아라)는 것을 주목하여라. 테이퍼진 뿌리 부분에서의 나사산들의 골짜기들은 머리를 향하여 외측으로 테이퍼지고 반면에 나사산들의 산마루들은 몸체 부분의 적어도 인접한 부분의 그것과 거의 동일한 직경을 유지하기 때문에(그리고 머리 근처의 단면에서 보다 완전한 원형이 되기 때문에), 돌출은 부분적으로 발생한다. 그리하여, 나사가 얇은 고정재 소재(1404) 내로 죄여질 때, 도시된 바와 같이 그 소재는 축방향의 전후 방향으로 유동하는 지점에 대하여 테이퍼진 뿌리 나사산 골짜기들에 대향되어 점진적으로 압축된다.
반복하여 말하면, 둘 이상의 대향되는 코일들 혹은 리이드 나사산들을 사용하게 되면, 고정재 소재의 정해진 단면을 따른 복수의 위치가 고정된다는 것을 의미한다. 이러한 고정은, 원형에 가까운 단면과 더 많이 원형이 일그러진 단면 사이의 테이퍼진 뿌리 부분의 영역에서 달성되며, 이에 의하여 반복되는 이완 및 다른 외력에 의하여 이완에 대한 저항력을 향상시키게 된다. 완성된 나사에서, 나사산들(1406, 1408 등)은, 인접한 나사산들의 산마루들 사이의 거리인, 축 피치(AP)로 정의된다. 도 5를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 테이퍼진 뿌리 부분 길이(WB)는 하나의 실시예에 따르면 축 피치(AP)보다 적어도 두배이다. 다른 예시적인 실시예에서는, 테이퍼진 뿌리 부분 길이(WB)는 축 피치(AP)의 3.5배보다 길지 않다.
고정재(1404)의 단면에 있어서 힘의 분포를 도 15에서 더 상세히 도시된다. 특별히, 고정재(1404)내에 존재하는 나사의 테이퍼진 뿌리 부분(906)은, 각 로브들(1502)의 부분에 응력 구배 집중을 나타내는 일련의 응력선(1501)에 의하여 분류되는 응력패턴을 생성한다. 이 실시형태에서는 3 개의 로브들(1502)이 도시됨을 주목하여라.
교대로 생기는 응력의 이완 영역과 집중 영역에 의해, 고정재에 반복되는 이완 혹은 다른 외력들에 의한 이완에 대한 기계적 내성이 향상한다.
상기에서는, 본 발명의 특정의 실시형태를 상세히 설명했지만, 본 발명의 사상 및 범위로부터 일탈함이 없이 다양한 변경이나 추가하는 것이 가능하다. 예를 들면, 셀프 태핑 나사산 설계를 변경하는 것도 가능하고, 또 대체적인 실시 형태에 있어서 대체적인 나사산 형성단면으로 치환하는 것도 가능하다. 유사하게, 연속적인 나선형 코일들 혹은 나사산 등의 수도 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 나사의 재료 및 경도, 및 하방에 위치하는 시트상의 고정 시트재의 재료를 변경하는 것도 가능하다. 따라서, 필요한 곳과 때에, 나사 재질들은, 미리 결정된 형태의 규정된 고정재 재질들과 맞물릴 때 적용된 토오크를 견딜 수 있도록(파손없이) 처리된다. 그러한 처리는 표면 경화(case hardening) 및/또는 고주파 경화(induction point hardening)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 설명은, 본 발명의 예시로서만 파악되는 것이 당연하며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

Claims (15)

  1. 얇은 소재들(1402, 1404)을 결합하기 위하여 소정의 중심축(512)과 머리(410)를 구비한 나사산들을 가진 나사(902)로서,
    다수의 로브 형상의 단면을 갖는 몸체 부분(904);
    다수의 로브 형상의 단면을 갖는 원뿔 지점 부분(903);
    상기 머리(410)와 상기 몸체 부분(904) 사이에 위치하고, 상기 머리(410)에 인접한 원형의 단면으로부터 상기 몸체 부분(904)에 인접하는 다수의 로브형상의 단면까지 변화하는 단면을 가지는 테이퍼진 뿌리 부분(906); 및
    상기 원뿔 지점 부분(903), 상기 몸체 부분(904), 및 상기 테이퍼진 뿌리 부분(906)에 마련되는 한 세트의 나사산 단면을 갖는 복수의 리드 나사산들(1406, 1408)을 포함하고,
    상기 중심축(512)으로부터 각 나사산들(1406, 1408)의 산마루까지의 반경 방향 거리는, 상기 테이퍼진 뿌리 부분(906)으로부터 그 테이퍼진 뿌리 부분(906)에 인접하는 상기 몸체 부분(904)의 적어도 일부분까지 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 나사산들을 가진 나사.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중심축(512)을 따라 측정되는 인접하는 나사산들(1406, 1408)의 산마루들사이의 거리를 축방향 피치(AP)로 정의하고, 상기 테이퍼진 뿌리 부분(906)은 상기 축방향 피치(AP)의 적어도 두 배의 축방향 길이(WB)를 갖는 것을 특징으로 하는 나사산들을 가진 나사.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중심축(512)을 따라 측정되는 인접한 나사산들(1406, 1408)의 산마루들 사이의 거리를 축방향 피치(AP)로 정의하고, 상기 테이퍼진 뿌리 부분(906)은 그 축방향 피치(AP)의 2배 ~ 3.5배인 축방향 길이(WB)를 갖는 것을 특징으로 하는 나사산들을 가진 나사.
  5. 제1항에 따른 나사(902)를 이용하여 제1 얇은 소재(1402)와 제2 얇은 소재(1404)를 결합하는 방법으로서,
    상기 나사(902)를 회전시키면서, 그 중심축(512)을 따라서 소재의 방향으로 압력을 가하는 단계;
    상기 제1 소재(1402)가, 상기 테이퍼진 뿌리 부분(906)에 마련된 다수의 로브 형상 단면사이에서 이완될 때에, 외력에 의한 이완에 대하여 내성을 제공하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 얇은 소재와 제2 얇은 소재를 결합하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 몸체 부분(504)을 따라서 마련된 복수의 나사산들(1406, 1408)에 의하여 암나사산을 형성하는 것을 특징으로 하는 제1 얇은 소재와 제2 얇은 소재를 결합하는 방법.
  7. 삭제
  8. 얇은 소재들(1402, 1404)을 결합하는 나사산들을 가진 나사를 제조하는 방법에 있어서,
    머리 부착 블랭크(405)에서 테이퍼진 부분의 단면이, 머리(410)에 인접하는 원형의 단면으로부터 중심축을 따라 몸체 부분으로 갈수록 최대 로브형상정도의 단면으로 변화되도록 하는 단계;
    한 쌍의 금형(908, 910)에 로브형상 몸체 부분(504)을 갖는 머리 부착 블랭크(405)를 삽입하는 단계로서, 그 한 쌍의 금형(908, 910)에서 각각의 일측에 설치되는 한 세트의 직선 홈 및 테이퍼 영역이, 상기 머리 부착 블랭크(405)의 머리(410)와 인접한 원형의 테이퍼진 부분에 마련되도록 구성하는 머리 부착 블랭크(405)를 삽입하는 단계;
    상기 한 쌍의 금형(908, 910)으로부터 상기 머리 부착 블랭크(405)에 압축력을 가하는 단계; 및
    상기 한 쌍의 금형들(908, 910) 중 하나를 직선 방향으로 이동시켜 상기 머리 부착 블랭크(405)를 그 한 쌍의 금형들(908, 910) 사이에서 롤링 회전시키고, 이것에 의해 그 머리 부착 블랭크(405)의 중심축(512)이 상기 금형들 사이의 공간의 중심선(1004)의 위 및 아래로 교대로 연장되는 경로를 따라가며, 상기 금형들(908, 910)이 상기 머리 부착 블랭크를 소성 변형시키는 것에 의해, 몸체 부분과 테이퍼진 부분에 외경이 동일하게 유지되는 나사산들을 마련하는 단계;를 포함하는 나사를 제조하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 나사산들을 마련하는 단계에는, 적어도 두 개의 개별적인 리이드 나사산들(1406, 1408)을 상기 머리 부착 블랭크(405)에 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징을 하는 나사를 제조하는 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 다수의 로브 형상의 머리 부착 블랭크 상에 나사산들(1406, 1408)을 형성하기 위한 한 쌍의 롤(roll) 성형 금형들에 있어서,
    상기 나사산들(1406, 1408)을 롤 성형하기 위한 하나 이상의 직선 홈을 갖는 제1금형(908)으로서, 상기 제1금형(908)의 그 일측 단부 쪽으로 갈수록 경사진 외측의 테이퍼를 가지고, 상기 외측의 테이퍼(920)가, 머리(410)에 인접한 머리 부착 블랭크(405)의 테이퍼진 부분(506)에 나사산들을 롤 성형하는 것이 가능하도록 마련된 제1금형(908)과,
    상기 제1금형(908)과 대향하도록 마련된 제2금형(910)으로서, 상기 제1금형(908)이 상기 제2금형(910)과 일정한 간격을 두고 그 제2금형(910)에 대하여 이동하고, 상기 제2금형(910)은 상기 나사산들(1406, 1408)을 롤 성형하기 위하여 하나 이상의 직선 홈을 가지며, 상기 제2금형(910)은 그 일측 단부 쪽으로 갈수록 경사진 외측의 테이퍼(920)를 가지고 있으며, 상기 외측의 테이퍼(920)가 상기 머리 부착 블랭크(405)의 상기 테이퍼진 부분(506)에 상기 나사산들(1406, 1408)을 롤 성형할 수 있도록 마련되어 있는 제2금형(910)을 포함하되,
    상기 테이퍼진 부분은, 상기 머리(410)에 인접하는 원형의 단면으로부터 몸체부분에 인접하는 최대 로브형상정도(lobularity)까지 변화하고,
    상기 제1 금형(908)과 상기 제2 금형(908)에 마련된 상기 외측의 테이퍼(920)는,
    상기 나사를 위한 머리 부착 블랭크(405)에서 상기 테이퍼진 부분으로부터 중심축을 따라 상기 몸체부분의 적어도 일부분으로 갈수록 동일한 반경 방향 거리를 갖는 산마루들과,
    상기 산마루들 사이에 마련되며, 상기 몸체부분으로부터 상기 중심축을 따라 상기 머리(410)쪽으로 향할수록 반경 방향 거리가 증가하는 골밑을 가지는 나사산들(1406, 1408)을 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 한 쌍의 롤 성형 금형들.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 금형(908)과 상기 제2 금형(910)은 상기 머리 부착 블랭크(405) 에 복수의 개별적인 리이드 나사산들(1406, 1408)을 형성하는데 적합한 것을 특징으로 하는 한 쌍의 롤 성형 금형들.
  14. 삭제
  15. 삭제
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