KR20090034873A - 셀프-태핑 드릴 나사 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시트 부재에 나사 고정될 수 있으며, 툴을 수용하는 홈붙이 헤드, 나사형 섕크, 약간 원추형으로 테이퍼진 홀-형성부 및 원추형 부분을 구비하는 홀-연삭부를 포함하는, 셀프 태핑 드릴 나사에 관한 것이다. 홀-연삭부는 홀을 형성하며, 링-상 방식으로 시트 부재(20)에 체결될 수 있는 원추형 부분을 동축으로 둘러싸는 래디얼 숄더를 구비하며, 래디얼 숄더의 직경은 상기 원추형 부분보다 직경이 크며, 둥근 환상 에지를 경유하여 홀-형성부와 병합되어 있다.

셀프 태핑 드릴 나사, 홀-형성부, 래디얼 숄더

Description

셀프-태핑 드릴 나사{SELF-TAPPING DRILL SCREW}

본 발명은 시트 부재에 나사 고정될 수 있으며, 툴을 수용하는 홈붙이 헤드, 나사형 섕크, 약간 원추형으로 테이퍼진 홀-형성부 및 홀-연삭부를 포함하는, 셀프 태핑 드릴 나사에 관한 것이다.

이러한 종류의 나사는 유럽 특허 공보 제0 464 071 B1호에 의해 공지되어 있다. 이 나사는 라운드형 첨단(rounded point)으로 종결되는, 원추형 부분으로 디자인되어 있는 홀-연삭부를 사용한다. 나사가 회전할 때에, 상기 첨단이 시트 부재와 체결되어, 시트 부재 소재가 연질화 되어, 상기 원추형 부분이 상기 시트 부재에 진입할 수 있어서, 이에 의해 시트 부재에 홀을 형성하게 된다. 상기 원추형 부분은 단차없이(steplessly) 본질적으로 좁은 형상의 원추형 홀-형성부에 연결되어서, 홀-연삭부에 의해 형성된 홀에 진입하여 나사의 회전 운동으로부터 발생되는 마찰열을 사용하여 홀을 최대 직경으로 확장하게 된다. 상기 시트 부재 소재에는 상기 시트 부재의 양쪽 위, 특히 상기 시트 부재와 나사 체결되는 측면 위에 연장되어 있는 통로가 형성된다. 그러나, 상기 통로가 상기 측면 위에 형성되는 것이 바람직하지 않은 경우도 있다.

독일 실용신안 제20 2005 017 524.2호에 따르면, 마찰 용접 볼트로 구현되어 있는 체결 요소의 디자인이 제공되는데, 상기 볼트의 원추형 단부의 평탄형 첨단(blunt point)은 피가공물의 표면이 볼트의 피가공물에 대한 압박과 급격한 회전에 의해 용융되도록 하며, 용융된 소재는 측면으로 유동할 수 있다. 상기 평탄형 첨단은, 용융된 소재를 수용하는 동축의 중공형 채널을 구비하는 숄더에 의해 둘러싸여 있다. 그러나, 이러한 디자인은, 나사를 사용하는 중에는 체결 요소와 체결되는 부품의 관통(penetration)을 피해야 하기 때문에, 셀프 태핑 드릴 나사로 사용하기에는 적합하지 않다.

본 발명의 목적은, 시트 부재 위에 나사 체결하기 위한 홀을 형성할 때에, 통로(passage)가 실질적으로 시트 부재와 나사 고정되는 측면의 반대쪽 측면 위에만 형성되는, 셀프-태핑 드릴 나사를 제공하는 것이다. 또한, 상기 나사는, 홀을 형성하는 데에 필요로 하는 열이 나사가 시트 부재와 체결(engage)된 바로 직후에 생성되도록 디자인되어야 한다.

상기 목적은, 홀-연삭부를, 홀-형성부 내에서 둥근 환상 에지와 병합되며, 원추형 부분보다 직경이 더 크고, 링-형상 방식으로 시트 부재(20)에 체결될 수 있으며, 원추형 부분을 동축으로 둘러싸는 래디얼 숄더(radial shoulder)로 디자인하는, 본 발명에 따라 달성된다.

본 발명에 따른 나사는 상기 나사가 시트 부재 위로 압박될 때에 압력을 가하는 래디얼 숄더로 디자인된 홀-연삭부를 사용한다. 상기 압력은, 시트 부재에 가해지는 압력 방향으로 래디얼 숄더에게 항복되는 경향이 있도록 하는 마찰열이 발생하는 결과로, 나사가 회전하는 중에 시트 부재 소재를 연질화시켜서, 이에 의해서 통상적으로 나사 반대 방향의 시트 부재의 측면 위에 간섭을 일으키지 않으며, 어떠한 경우에도, 시트 부재의 체결 측면에 연장되어 있지 않은, 매끈한 에지(smooth edge)를 구비하는 통로를 형성하게 된다. 어느 정도까지는, 이는 시트 부재의 2단 조작을 야기하는데, 먼저 나사의 홀-연삭부가 상기 시트 부재와 체결하여 회전함으로써 시트 부재 내에 홀이 형성되며, 홀-연삭부의 래디얼 숄더가 시트 부재와 체결되어 시트 부재 위에 압박되어 시트 부재로부터 형성된 모든 소재들이 마찰열에 의해 연질화되어 나사 체결 측면 반대쪽의 시트 부재의 측면 위의 통로로 유동하며, 그런 후에 홀-형성부가 곡선형의 환상의 에지를 경유하여 홀 내로 활주하여 홀과 통로(passage)가 홀-형성부의 최대 직경까지 확장된다. 이는 실질적으로 나사의 반대쪽의 시트 부재의 측면 위에 통로를 형성하며, 상기 통로는 이러한 종류의 통로 내에서 발생하는 것과 같이, 들쑥날쑥한 에지가 없이 견실하게(solidly) 형성된다.

상기 래디얼 숄더는 다양한 형태로 디자인될 수 있다. 래디얼 숄더는 나사 축선에 대해 주로 90°로 연장되도록 디자인될 수 있다. 그러나, 래디얼 숄더를 평탄형 원뿔체(blunt cone)로 디자인할 수도 있다. 이러한 디자인은 시트 부재 소재의 유동 동작에 특히 유리한 효과를 발휘한다.

또한, 래디얼 숄더가 요면형, 아치형 형상으로 될 수도 있다. 레디얼 숄더의 개별 형상은 주로 시트 부재 소재에 의존한다. 레디얼 숄더의 형상은 또한 가해지는 압력과 회전 속도에 긍정적인 효과(positive effect)를 준다.

본 나사는, 원추형 부분이 상기 래디얼 숄더를 지나쳐 축 방향으로 돌출되어 있다는 사실에 의해, 나사 동작 중에 효과적으로 안내되는데, 이는 상기 원추형 부분이 시트 부재와 체결된 후에 일정한 센터링 작용을 수행하기 때문이다.

원추형 부분을 홀-연삭부의 구성요소로 디자인하는 방법에는 여러 가지가 있다. 상기 원추형 부분은, 예를 들면 EP 0 464 071 B1호에 개시되어 있는 바와 같이 평탄형의 라운드형 단부(blunt, rounded end piece)와 병합할 수 있다. 원추형 부분은 또한 첨점(point)으로 종결될 수도 있다. 그러나 홀을 형성하기 위해서, 첨점에는 상대적으로 높은 압력이 가해져야 한다. 원추형 부분에 홀-형성부의 최대 직경(D)보다 0.35 내지 0.7배 작은 외각 직경의 동축 압입부(coaxially indentation)가 마련되는 경우는 특히 유리한 형상(design)이 될 수 있다. 상기 형상을 사용하는 경우, 압입부 주위의 에지로 인해, 시트 부재는 상대적으로 낮은 회전 속도에서도 시트 부재 내에 홀을 형성하는 데에 충분할 정도로 많이 가열된다. 압입부의 길이는 3 ㎜보다 짧게 생성하는 것으로도 충분하다.

환상의 에지는 홀-형성부와 병합하는 영역에서 래디얼 숄더 위쪽으로 돌출되어 있는 아치형으로 제공되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 아치형은 주로 통로가 형성되는 방향으로 시트 부재로부터 소재가 압박되어 밀리도록 한다. 이는 통로의 형성과 형태에 긍정적인 효과를 준다.

본 발명의 대표적인 실시예가 도면에 도시되어 있다.

도 1은 본 발명 나사의 사시도이다.

도 2는 반경 방향으로 연장되어 있는 래디얼 숄더를 포함하는, 도 1에서 라인 Ⅱ-Ⅱ를 따르는 단면도이다.

도 3은 원추형 래디얼 숄더를 포함하는 유사 단면도이다.

도 4는 요면형, 아치형 래디얼 숄더를 포함하는 유사 단면도이다.

도 5는 래디얼 숄더 위로 돌출되어 있는 둥근 아치를 포함하는 유사 단면도이다.

도 6은 말단부가 첨점으로 된 원추형 부분을 포함하는 홀-연삭부를 도시한다.

도 7은 원추형 압입부를 구비하는 원추형 부분을 포함하는 홀-연삭부를 도시한다.

도 8은 도 7에서 라인 Ⅷ-Ⅷ을 따르는 단면도이다.

도 9a, 도 9b 및 도 9c는 시트 부재를 관통하며 각기 다른 통과 상태에 있는 도 1에 따른 나사를 도시하고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 셀프-태핑 드릴 나사(1)의 사시도이다. 상기 나사는 나사 헤드(2), 나사형 섕크(threaded shank)(3) 및 홀-연삭부(5) 위에 위치하는 홀-형성부(4)를 포함한다. 상기 홀-연삭부는 래디얼 숄더(radial shoulder)(6)와 원추형 부분(7)을 포함한다. 나사(1)를 시트 부재(도 9a 내지 도 9c 참조)에 나사고정하기 위해, 원추형 부분(7)이 시트 부재에 체결되어 회전된다. 발생하는 마찰열로 인해, 래디얼 숄더(6)가 상기 시트 부재에 닿을 때까지 원추형 부분(7)이 시트 부재를 통과하며, 래디얼 숄더의 직경이 상대적으로 크기 때문에, 상기 시트 부재의 연관된 영역을 급속하게 가열한다. 래디얼 숄더(6)는 시트 부재의 전방 및 외측 방향, 다시 말해 나사(1) 반대 방향의 시트 부재의 측면을 향하는 방향으로 연질화된 소재를 밀어내서, 상기 연질화된 시트 부재 소재로부터 형성된 통로가 실질적으로 상기 나사로부터 반대 방향의 시트 부재의 측면 위에 형성된다(도 9a 내지 도 9c 참조). 한편으로는, 상기 시트 부재 소재의 신속한 헤딩이 이루어지도록 하며, 다른 한편으로는, 상기 나사의 반대 방향의 상기 시트 부재의 측면 위로, 가열되어서 연질화된 소재를 상기 시트 부재의 전방 및 외측으로 밀어내기 때문에, 상기 래디얼 숄더는 이중 기능을 수행하게 된다.

도 1에 따른 나사(1)에 사용되는 원추형 부분(7)은 라운드형 단부(rounded end)(7a)를 구비하는데, 상기 라운드형 단부는 시트 부재에 체결될 때에 보다 넓은 면적에서 접촉하게 하며, 이에 따라 상기 시트 부재 위에 이에 상응하는 고압 하에서 이에 대응하는 마찰열이 신속하게 생성된다. 이는, 나사(1)가 강제의 시트 부재와 같이 상대적으로 경한(hard) 소재로 제작된 시트 부재 내로 나사 체결되는 경우에 특히 유리하다.

도 1에서 라인 Ⅱ-Ⅱ를 따르는 단면을 도시하고 있는 도 2에서, 래디얼 숄더(6)는 나사(1) 축선에 대해 90° 각도를 이루며 연장되어서, 래디얼 숄더(6)가 시트 부재에 부딪힐 때에 나사(1)의 회전 운동의 결과로서, 넓은 영역에 걸쳐서 시트 부재가 신속하게 가열되도록 한다.

홀-형성부(5)가 시트 부재의 소재 내로 점점 진입함에 따라, 래디얼 숄더(6) 에 의해 가해지는 압력을 높이는 것이 또한 바람직하다. 다시 말하면, 도 3에 도시한 형상으로 달성할 수 있는 바와 같이, 초기에는 낮은 압력으로 시작하였다가 점점 더 높은 압력으로 변경하는 것이 바람직하다. 상기 도면은, 래디얼 숄더(9)가 평탄형 원뿔체(blunt cone)처럼 생긴 홀-연삭부(8)를 도시하고 있는, 도 2에 따른 것과 유사한 단면을 도시하고 있다. 이러한 형상의 결과로, 래디얼 숄더(9)의 내부 영역이, 직경이 증가함에 따라 생성되는 홀의 가장자리와 닿아서 가장자리를 압박할 때까지 초기에는 중앙 원추형 부분(10)만이 시트 부재 소재에 진입하며, 이는 높은 압력으로의 전이부(transition)를 형성하여 궁극적으로는 래디얼 숄더(9)의 외부 가장자리에 이를 때에 상기 시트 부재에 최대 압력을 가하게 된다.

도 4는 도 2에 따른 것과 유사한 단면을 나타내는 유사 형상을 도시하고 있다. 이 경우에 있어, 홀-연삭부(12)의 래디얼 숄더(11)는, 중앙 원추형 부분(13) 영역에서부터 래디얼 숄더(11)로의 마찰 하중의 전이를 보다 균등하게 하는 아치형의 요면부(concave)를 구비하고 있다.

도 5는 홀-연삭부의 독특한 디자인을 도시하고 있다. 이 경우에, 요면부, 아치형 래디얼 숄더(11)는 숄더의 외부 가장자리 위의 돌출형 환상 에지(14)와 병합되어 있으며, 상기 환상 에지는 상기 시트 부재 소재의 연질화 중에 이동할 수 있게 된 소재를 어느 정도 포획 및 구속하여, 나사 반대 방향의 시트 부재 측면 위에 형성되는 통로에 이들 소재들을 실용적으로 사용할 수 있도록 한다.

도 6은 원추형 부분의 다른 변형례를 도시한다. 여기서, 원추형 부분(15)은 첨점(point)(16)으로 종결되어 있어서, 알루미늄과 같이 상대적으로 무른 소재에 나사 고정할 때에 특히 유리하다.

도 7 및 도 8은 원추형 부분의 특별한 형상을 도시하며, 도 8은 도 7에서 라인 Ⅷ-Ⅷ을 따르는 단면을 도시한다. 이 경우에 있어서, 원추형 부분(17)은 원추형 부분의 단부에 동축 압입부(coaxial indentation)(18)를 구비하고 있으며, 상기 압입부는 평탄 에지(blunt edge)(19)로 둘러싸여 있다. 상기 평탄 에지(19)는 외경이 2 ㎜인 반면, 원추형 부분(17)의 최대 직경은 5 ㎜이다. 평탄 에지(19)로 인해, 원추형 부분(17)이 시트 부재에 체결될 때에 상대적으로 큰 영역이 즉시 형성되어서, 나사가 회전할 때에 그에 상응되게 심하게 가열되어서 시트 부재에 나사의 진입이 실질적으로 용이하게 한다. 짧은 보어(short bore)로 형성되어 있는 압입부(18)의 깊이는 대략 2 ㎜이다.

도 9a, 9b 및 도 9c는 도 1에 도시한 나사 형상을 기초로 하여, 형성되는 통로(22)와 시트 부재(20) 내에 나사 고정되는 나사를 도시하고 있다. 도 9a에 따르면, 단부(21) 위가 라운드된 원추형 부분(7)이 시트 부재(20) 소재로 진입하며, 이에 따라 시트 부재가 연질화 된다. 도 9b에 따르면, 원추형 부분(7)은 시트 부재를 관통하고 있다. 나사가 시트 부재를 관통함에 따라, 나사(1)가 도 9c에 도시되어 있는 위치에 있게 되는데, 나사형 섕크(3)가 시트 부재(20)를 관통하여 통로(22)를 형성하며, 이 경우에는 나사와 시트 부재(20)가 체결되는 측면의 반대쪽 측면 위에만 통로가 놓이게 된다.

Claims (10)

1. 툴을 수용하는 홈붙이 헤드(2), 나사형 섕크(3), 약간 원추형으로 테이퍼진 홀-형성부(4) 및 원추형 부분을 구비하는 홀-연삭부(5, 8, 12)를 포함하며, 시트 부재(20)에 나사 고정될 수 있는 셀프-태핑 드릴 나사(1)에 있어서, 홀-연삭부(5, 8, 12)는, 홀을 형성하며 원추형 부분(7, 10, 13, 15, 17)을 동축으로 둘러싸는 래디얼 숄더(6, 9, 11)로 디자인되어 있으며, 라운드형 환상 에지(14)를 경유하여 홀-형성부(4)와 병합되며, 상기 원추형 부분(7, 10, 13, 15, 17)보다 직경이 더 크며, 링-형상 방식으로 시트 부재(20)에 체결될 수 있는 것을 특징으로 하는 셀프-태핑 드릴 나사.
2. 제1항에 있어서, 상기 래디얼 숄더(6)가 나사 축선에 대해 90° 각도로 실질적으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 셀프-태핑 드릴 나사.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 래디얼 숄더(9)가 평탄형 원뿔체를 형성하는 것을 특징으로 하는 셀프-태핑 드릴 나사.
4. 제1항에 있어서, 상기 래디얼 숄더(11)는 아치형의 요면부를 구비하는 것을 특징으로 하는 셀프-태핑 드릴 나사.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 원추형 부분(7, 10, 13, 15, 17)이 래디얼 숄더(6, 9, 11) 위로 축 방향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 셀프-태핑 드릴 나사.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 원추형 부분(7)이 평탄형의 라운드형 단부(21)로 종결되는 것을 특징으로 하는 셀프-태핑 드릴 나사.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 원추형 부분(15)이 첨점(6)으로 종결되는 것을 특징으로 하는 셀프-태핑 드릴 나사.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 원추형 부분(17)이, 상기 홀-형성부(4)의 최대 직경(D)보다 0.25 내지 0.75배 작은 외부 직경(d)의 에지(19)에 의해 둘러싸여 있는 동축 압입부(18)를 구비하는 것을 특징으로 하는 셀프-태핑 드릴 나사.
9. 제8항에 있어서, 압입부(18) 길이가 3 ㎜ 미만인 것을 특징으로 하는 셀프-태핑 드릴 나사.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 환상 에지(14)가 상기 래디얼 숄더(11) 위로 축 방향 돌출되어 있는 라운드형 아치인 것을 특징으로 하는 셀프-태 핑 드릴 나사.

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