PL196611B1 - Stempel do kształtowania łba z zagłębieniem na końcu gwintowanego elementu złącznego - Google Patents

Abstract

1. Stempel do kszta ltowania lba z zaglebie- niem na ko ncu gwintowanego elementu z lacz- nego, maj acy korpus stempla z powierzchni a czo low a do kszta ltowania zewn etrznego obrysu lba i wystaj ac a z powierzchni czo lowej integral- n a ko ncówk e zawieraj ac a cz esc srodkow a i co najmniej jedno skrzyd lo odchodz ace promie- niowo od tej czesci srodkowej, przy czym ka zde skrzyd lo ma powierzchni e przeznaczon a do kszta ltowania scianki wkr ecania i scianki wy- kr ecania, znamienny tym, ze ka zde skrzyd lo ma taki kszta lt, ze co najmniej jedna ze scianek wkr ecania lub wykr ecania w przekroju po- przecznym stanowi odcinek linii spiralnej, który ma pocz atkowy punkt (54) oddalony od wzd lu znej osi (44) elementu z lacznego (10) o pocz atkowy promie n R i i jest poprowadzony do zewn etrznego punktu koncowego oddalone- go od osi wzd luznej (44) o promie n, który jest nie wi ekszy od 3,5 dlugo sci promienia pocz at- kowego R i . PL PL PL PL PL PL PL

Description

RZECZPOSPOLITA POLSKA	(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (21) Numer zgłoszenia: 380857	(11) 196611 (13) B1
	(22) Data zgłoszenia: 28.10.1998	(51) Int.Cl.
	(62) Numer zgłoszenia, z którego nastąpiło wydzielenie:	F16B 23/00 (2006.01)
	340302 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:	B23G 9/00 (2006.01)
Urząd Patentowy	28.10.1998, PCT/US98/22864
Rzeczypospolitej Polskiej	(87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: 14.05.1999, WO99/23389 PCT Gazette nr 19/99

Stempel do kształtowania łba z zagłębieniem na końcu gwintowanego elementu złącznego

	(73) Uprawniony z patentu:
(30) Pierwszeństwo:	PHILLIPS SCREW COMPANY,Wakefield,US
31.10.1997,US,08/961,626	(72) Twórca(y) wynalazku:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	W. Dodd Stacy,Etna,US
29.01.2001 BUP 03/01	(74) Pełnomocnik:
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	Jan Wierzchoń,
31.01.2008 WUP 01/08	JAN WIERZCHOŃ & PARTNERZY, Biuro Patentów i Znaków Towarowych Sp.J.

⁽⁵⁷⁾ 1. Stempel do kształtowania łba z zagłębieniem na końcu gwintowanego elementu złącznego, mający korpus stempla z powierzchnią czołową do kształtowania zewnętrznego obrysu łba i wystającą z powierzchni czołowej integralną końcówkę zawierającą część środkową i co najmniej jedno skrzydło odchodzące promieniowo od tej części środkowej, przy czym każde skrzydło ma powierzchnię przeznaczoną do kształtowania ścianki wkręcania i ścianki wykręcania, znamienny tym, że każde skrzydło ma taki kształt, że co najmniej jedna ze ścianek wkręcania lub wykręcania w przekroju poprzecznym stanowi odcinek linii spiralnej, który ma początkowy punkt (54) oddalony od wzdłużnej osi (44) elementu złącznego (10) o pocz ą tkowy promień Ri i jest poprowadzony do zewnętrznego punktu końcowego oddalonego od osi wzdłużnej (44) o promień, który jest nie większy od 3,5 długości promienia początkowego Ri.

PL 196 611 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest stempel do kształtowania łba z zagłębieniem na końcu gwintowanego elementu złącznego.

Gwintowane elementy złączne, powszechnie używane do celów przemysłowych, zwykle są napędzane narzędziami elektrycznymi z dużymi prędkościami i za pomocą dużych momentów obrotowych. Uwarunkowania takie przyczyniają się do powstania trudnych problemów konstrukcyjnych, zwłaszcza w odniesieniu do przenoszenia momentu obrotowego przez powierzchnie robocze narzędzi, a szczególnie w odniesieniu do gwintowanych elementów złącznych, które mają w łbie elementu złacznego zagłębienie przeznaczone do współpracy z wkrętakiem.

W idealnym przypadku, systemy napędowe (zestawienie element złączny/końcówka narzędzia) powinny być łatwe do wytworzenia, uwzględniając zarówno zagłębienie jak i kształt geometryczny łba, oraz niezbędne oprzyrządowanie do kształtowania łba elementu złącznego i wkrętaków dostosowanych do zagłębienia. Zagłębienie nie powinno pogarszać wytrzymałości łba elementu złącznego. Wkrętak powinien być łatwo wprowadzany w zagłębienie i łatwo wyciągany z niego. Wkrętak i zagłębienie po spasowaniu powinny równomiernie przyjmować naprężenia, aby uniknąć powstawania zlokalizowanych obszarów silnych naprężeń, które mogłyby spowodować odkształcenie zagłębienia i/lub wkrętaka, a zatem przedwczesne uszkodzenie systemu napędowego. System napędowy powinien przeciwstawiać się wyślizgnięciu wkrętaka z zagłębienia przy napędzaniu elementu złącznego. W wielu zastosowaniach jest bardzo ważne, aby element złączny wytrzymywał kilka cykli montażudemontażu, np. w tych zastosowaniach, gdzie elementy złączne muszą być usuwane w celu dokonania naprawy lub wymiany części, albo w celu wyjęcia i ponownego zamontowania płyt umożliwiających dostęp. W idealnym przypadku, system napędzania elementu złącznego powinien nadawać się do takiego powtarzalnego stosowania, zwłaszcza w otoczeniu, gdzie zagłębienie może ulegać zanieczyszczeniu, zamalowaniu, skorodowaniu lub innym szkodliwym oddziaływaniom. W takich otoczeniach ważne jest, by system napędowy zapewniał współpracę elementu złącznego i wkrętaka przy przyłożeniu momentu obrotowego w kierunku wykręcania. Może być konieczne, by system napędowy nadawał się do przykładania nawet większych momentów obrotowych przy wykręcaniu elementu złącznego, co może zdarzyć się wtedy, gdy element złączny jest wkręcany przy użyciu nadmiernego momentu obrotowego lub tam, gdzie wystąpi korozja na styku gwintów, albo jeśli cykliczne zmiany temperatury zmontowanych elementów spowodowały powstanie zwiększonego naprężenia na elemencie złącznym. Jeśli utrudnione jest spełnienie jednego lub kilku spośród tych warunków, można stosować ustępstwa na rzecz niektórych z nich.

Powszechnie stosuje się wiele różnych konfiguracji zagłębień i wkrętaków, łącznie z pewną liczbą zagłębień krzyżowych, takich jak ujawnione w opisach patentowych USA Re. 24.878 (Smith i in.); 3.237.506 (Muenchinger) i 2.474.994 (Tomalis). Inne kształty geometryczne elementów złącznych obejmują kształty wielogarbne typu ujawnionego w opisie patentowym USA nr 3.763.725 (Reiland) i ż ebrowane systemy napę dowe, ujawnione w opisie patentowym USA nr 4.187.892 (Simmons). Opis patentowy USA 5.598.753 (Lee) obejmuje zabezpieczony przed manipulacją element złączny z trzema symetrycznie ułożonymi kanałami, zagłębionymi i wyciętymi w łbie, z których każdy ma parę ścianek. Ukształtowanie każdej z tych ścianek jest koliste. Wśród pospolitych konfiguracji zagłębień jest również system Allena, który jest zasadniczo prostościennym gniazdem sześciokątnym do przyjmowania podobnie ukształtowanego wkrętaka. Za wyjątkiem systemów żebrowych, ścianki i powierzchnie wkrętaka i zagłębienia zwykle są wykonane tak, aby ściśle pasowały do siebie, w celu uzyskania styku pomiędzy powierzchnią napędzającą a powierzchnią napędzaną. W przypadku elementów złącznych z zagłębieniem krzyżowym, takie sprzężenie pomiędzy powierzchniami może wystąpić tylko wtedy (jeżeli w ogóle jest to możliwe), gdy wkrętak jest prawidłowo ustawiony i osadzony w zagłębieniu. Praktycznie jednak, aby umożliwić wprowadzenie wkrętaka w zagłębienie, musi istnieć pewien luz pomiędzy nimi. Konieczność istnienia takiego luzu jest jeszcze ważniejsza w przypadku zagłębień posiadających zasadniczo pionowe ścianki napędowe, jak w przypadku systemów według opisu patentowego Reilanda ‘725 i w systemie Allena. We wszystkich tych systemach praktycznie występuje konieczność stosowania takiego luzu, gdyż dobre dopasowanie i zetknięcie na szerokich powierzchniach roboczych wkrętaka i zagłębienia jest rzadko uzyskiwane. W większości systemów napędzania gwintowanych elementów złącznych, wkrętak współpracuje z zagłębieniem w łbie w taki sposób, że uzyskuje się raczej styk punktowy lub liniowy, a nie styk na szerokiej powierzchni. W konsekwencji, po

PL 196 611 B1 przyłożeniu momentu obrotowego do wkrętaka, siły wywierane na łeb elementu złącznego mają tendencję doskupiania się w zlokalizowanych obszarach, powodując silne miejscowe naprężenia.

Takie miejscowe naprężenie może plastycznie odkształcić zagłębienie, powodując powstanie skosów lub innych odkształceń, które mogą powodować przedwczesne, niezamierzone wyślizgnięcie wkrętaka z zagłębienia.

Znane są rozwiązania nakierowane na rozwiązywanie tych trudności. Na przykład, opis patentowy USA nr 2.248.695 (Bradshaw) ujawnia łeb elementu złącznego i wkrętak, których powierzchnie napędzające i napędzane są krzywoliniowe i usytuowane mimośrodowo względem osi elementu złącznego. W elemencie złącznym Bradshawa można zastosować dowolną odpowiednią krzywiznę, taką jak kształt okręgu lub spirali logarytmicznej, jeżeli tylko zapewnione jest wspólne wiązanie i blokowanie wskutek sprzężenia ciernego. Natomiast późniejsze systemy napędzania elementów złącznych, takie jak wspomniane powyżej, wydają się nie stosować rozwiązania Bradshawa wykorzystującego sprzężenie cierne.

Pożądane byłoby wprowadzenie ulepszeń w elementach złącznych i we wkrętakach, aby ograniczyć powstawanie lokalnych naprężeń w łbie elementu złącznego i w końcówce wkrętaka, a także aby umożliwić pozostawienie dużego luzu pomiędzy współpracującymi powierzchniami napędzającymi/napędzanymi, przy zapewnieniu szerokiego powierzchniowego styku końcówki wkrętaka i ścianek zagłębienia elementu złącznego w trakcie cyklu roboczego. Stosowne elementy złączne z łbem posiadającym zagłębienie można wytwarzać poprzez kształtowanie zagłębienia typowymi sposobami spęczania łba. W sposobach takich konieczne jest użycie odpowiednio uformowanych stempli.

Cel ten spełnia rozwiązanie według wynalazku, którego przedmiotem jest stempel do kształtowania łba z zagłębieniem na końcu gwintowanego elementu złącznego.

Stempel do kształtowania łba z zagłębieniem na końcu gwintowanego elementu złącznego, mający korpus stempla z powierzchnią czołową do kształtowania zewnętrznego obrysu łba i wystającą z powierzchni czoł owej integralną koń cówkę zawierają c ą część ś rodkową i co najmniej jedno skrzydło odchodzące promieniowo od tej części środkowej, przy czym każde skrzydło ma powierzchnię przeznaczoną do kształtowania ścianki wkręcania i ścianki wykręcania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że każde skrzydło ma taki kształt, że co najmniej jedna ze ścianek wkręcania lub wykręcania w przekroju poprzecznym stanowi odcinek linii spiralnej, który ma począ tkowy punkt oddalony od wzdłużnej osi elementu złącznego o początkowy promień Ri i jest poprowadzony do zewnętrznego punktu końcowego oddalonego od osi wzdłużnej o promień, który jest nie większy od 3,5 długości promienia początkowego Ri.

W szczególności, odcinek linii spiralnej, w jakimkolwiek punkcie tego odcinka, nie ma prostej stycznej takiej, że prosta prostopadła do tej stycznej tworzy z promieniem poprowadzonym od osi wzdłużnej do punktu styczności kąt mniejszy niż 17°.

Linia spiralna, zwłaszcza, stanowi linię spiralną o stałej szczelinie.

Korzystnie, linia spiralna jest określona równaniem:

θ ^/(R/R_i)² -1 + arcsin(R/R_i)^-1 -(π/2) w którym θ oznacza kąt obrotu, w radianach, promienia przecinającego krzywą w odległości R od osi obrotu odpowiadającej osi wzdłużnej, R_i oznacza początkowy promień mierzony od osi obrotu do punktu początkowego spirali, oraz R oznacza promień spirali przy kącie obrotu θ, również mierzony od osi obrotu.

Według wynalazku, stempel do kształtowania łba z zagłębieniem na końcu gwintowanego elementu złącznego umożliwia wytworzenie zagłębienia w łbie gwintowanego elementu złącznego o szczególnie ukształtowanej powierzchni napędzanej, tj. takiej, która w przekroju poprzecznym odpowiada odcinkowi linii spiralnej. Takie ukształtowanie powierzchni napędzanych elementu złącznego, a także dostosowanego do niego wkrętaka, umożliwia zachowanie znacznego luzu pomiędzy wkrętakiem a zagłębieniem elementu złącznego podczas wprowadzania i wyjmowania wkrętaka. Luz ten jest jednak likwidowany w trakcie obrotu wkrętaka w zagłębieniu, a spiralne kształty napędzanych ścianek zagłębienia elementu złącznego i ścianek napędowych wkrętaka są tak dobrane, że zetknięcie ścianek następuje na stosunkowo szerokim obszarze, wskutek czego naprężenia w trakcie cyklu roboczego są rozłożone na dużej powierzchni.

Według wynalazku, stempel zawiera główny korpus z końcem o kształcie dostosowanym do tworzenia części łba elementu złącznego, oraz zawiera końcówkę dostosowaną do kształtowania spi4

PL 196 611 B1 ralnego zagłębienia, tradycyjną techniką kształtowania łba dwoma uderzeniami. Promieniowo skierowane skrzydła końcówki mogą zawierać spiralne powierzchnie przeznaczone do kształtowania komplementarnych spiralnych powierzchni przy uderzeniu w koniec łba elementu złącznego. Ze względu na trudność wytwarzania zagłębień mających ścianki doskonale pionowe, pewne dodatnie pochylenie ścianek zagłębienia może powstawać nawet wtedy, jeżeli usiłuje się wykonać dokładnie pionowe ścianki. Może być także wskazane wykonanie zagłębienia z celowo większym pochyleniem dodatnim. Stąd też ścianki zagłębienia mogą być ukształtowane tak, aby były prawie pionowe, lub z pewnym kątem pochylenia, wynoszącym kilka stopni. Takie ukształtowanie ścianek napędowych umożliwia przenoszenie dużych momentów obrotowych, nie stwarzając znacznych skierowanych osiowo sił, sprzyjających osiowemu wypchnięciu wkrętaka z zagłębienia. Ograniczenie tendencji do wyślizgiwania się końcówki wkrętaka z zagłębienia pozwala na stosowanie stosunkowo płytkich zagłębień, co zapewnia większą wytrzymałość łba elementu złącznego, niż w przypadku tradycyjnych głębokich zagłębień.

Stempel może być stosowany do wytwarzania zagłębień mających ścianki wkręcania i wykręcania ukształtowane asymetrycznie lub symetrycznie względem płaszczyzny poprowadzonej przez zagłębienie, co pozwala na przygotowanie zagłębienia elementu złącznego, w którym spiralne powierzchnie napędowe współpracują tylko w kierunku wkręcania, lub tylko w kierunku wykręcania, albo zarówno w kierunku wkręcania, jak i w kierunku wykręcania. Dodatkowo, spiralne powierzchnie mogą mieć różne długości łuku i orientacje tak, że przenoszony moment obrotowy może być większy w jednym kierunku niż w drugim. Dzięki temu zagłębienie elementu złącznego może przenosić większe momenty obrotowe w kierunku wykręcania niż w kierunku wkręcania, wskutek czego zawsze można przyłożyć moment obrotowy wystarczający do przezwyciężenia momentu obrotowego użytego poprzednio w trakcie montażu elementu złącznego.

Przedmiot wynalazku w przykładach realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia gwintowany element złączny z płaskim łbem mającym zagłębienie; fig. 2 przedstawia końcówkę wkrętaka przeznaczonego do współpracy z zagłębieniem gwintowanego elementu złącznego według fig. 1, oraz, o analogicznym kształcie, końcówkę stempla według wynalazku do wykonywania zagłębienia w łbie elementu złącznego z fig. 1; fig. 3 pokazuje widok z góry łba elementu złącznego mającego (dla ułatwienia objaśnienia) uproszczone spiralne zagłębienie z jednym garbem według wynalazku z wkrętakiem pokazanym w przekroju w zagłębieniu; fig. 4 przedstawia widok podobny jak na fig. 3, na którym wkrętak został obrócony względem elementu złącznego, by spowodować zetknięcie spiralnej powierzchni wkrętaka ze spiralną powierzchnią zagłębienia; fig. 5 prezentuje wykres (we współrzędnych biegunowych) spirali o stałej szczelinie, która tworzy najkorzystniejszy kształt dla współpracujących ze sobą ścianek wkrętaka i zagłębienia; fig. 6 stanowi wykres siły i przedstawia równowagę siły pomiędzy wkrętakiem a zagłębieniem przy przyłożeniu momentu obrotowego do elementu złącznego przez wprowadzony wkrętak; fig. 7 stanowi wykres siły podobny do fig. 6 i przedstawia składowe powstające pomiędzy znanym wkrętakiem a zagłębieniem, gdzie konstrukcja systemu polega na sprzężeniu ciernym pomiędzy wkrętakiem a zagłębieniem; fig. 8A-8E przedstawiają schematycznie widoki z góry łbów elementów złącznych posiadających zagłębienia wieloskrzydłowe, w których spiralnie ukształtowane ścianki zagłębienia są przeznaczone do współpracy z wkrętakiem obracanym w kierunku przeciwnym do ruchu zegara; fig. 9A-9D schematycznie przedstawiają spiralnie ukształtowane zagłębienia z wieloma skrzydłami mającymi ścianki wkręcania i wykręcania, z których każda ma kształt spiralny; fig. 10A przedstawia schematyczny widok z góry elementu złącznego mającego zagłębienie, w którym skrzydła zagłębienia mają asymetrycznie ukształtowane spiralne ścianki wkręcania i wykręcania, przeznaczone do tworzenia większego momentu obrotowego w kierunku przeciwnym do ruchu zegara (wykręcanie) niż w kierunku zgodnym z ruchem zegara (wkręcanie), a ponadto pokazuje wkrętak w przekroju poprzecznym; fig. 10B przedstawia element złączny i wkrętak z fig. 10A, gdzie wkrętak został obrócony w kierunku przeciwnym do ruchu zegara, w kierunku wykręcania, a spiralne ścianki wykręcania wkrętaka i zagłębienia są zetknięte ze sobą; fig. 11A stanowi schematyczny widok z góry elementu złącznego z wieloskrzydłowym zagłębieniem i wkrętaka, w którym współpracujące ze sobą powierzchnie elementu złącznego i wkrętaka w jednym kierunku obrotu mają kształt spirali o stałej szczelinie, a proponowane ścianki napędzające mają kształt innej spirali, a ponadto przedstawiono tu ścianki wkręcania we wkrętaku obrócone do zetknięcia ze ściankami wkręcania w zagłębieniu; a fig. 11B przedstawia widok podobny do fig. 11 A, ale na którym wkrętak został obrócony w kierunku przeciwnym do ruchu zegara względem łba elementu złącznego, by spowodować zetknięcie spiralnych powierzchni o stałej szczelinie, należących do wkrętaka i do zagłębienia.

PL 196 611 B1

Figura 1 przedstawia przykładowy gwintowany element złączny 10 mający trzon 12 z gwintem 14 utworzonym przy jednym końcu, oraz mający łeb 16 z zagłębieniem 18, utworzony przy drugim końcu. Łeb 16 może być ukształtowany w konwencjonalnej dwuuderzeniowej maszynie do kształtowania łbów, w której koniec drutu lub innego materiału, z którego wykonywany jest element złączny, jest wsparty w matrycy maszyny, a przeznaczony na łeb koniec tego drutu jest uderzany, najpierw stemplem, który częściowo kształtuje łeb, a następnie stemplem wykończającym, który wykańcza łeb i kształtuje zagłębienie na wkrętak. Zagłębienie 18 przedstawiono jako posiadające część środkową 20 i wiele przebiegających promieniowo na zewnątrz skrzydeł 22. Zagłębienie w przykładzie wykonania z fig. 1 jest ukształtowane tak, że każde z jego skrzydeł 22 ma ściankę 24 wkręcania (przyjmując, że gwint 14 jest prawoskrętny) i ściankę 26 wykręcania. Ścianka 24 wkręcania i ścianka 26 wykręcania korzystnie są zasadniczo pionowe i przebiegają zgodnie lub w przybliżeniu zgodnie z cylindryczną powierzchnią równoległą do wzdłużnej osi elementu złącznego. Te ścianki wkręcania i wykręcania oraz inne powierzchnie zagłębienia mogą być utworzone tak, aby miały pewne dodatnie pochylenie, to znaczy mogą być one rozbieżne nieco w kierunku od dna do góry zagłębienia. Przykładowo dodatnie pochylenie około 6° nie powinno wpływać szkodliwie na zdolność systemu do przenoszenia momentu obrotowego w wielu zastosowaniach. Dno zagłębienia może być utworzone przez stożkową ściankę denną 28. Promieniowo zewnętrzny koniec każdego skrzydła może być tak ukształtowany, aby zapewnić gładkie krzywoliniowe przejście pomiędzy ścianką 24 wkręcania a ścianką 26 wykręcania w danym skrzydle. Zagłębienie zawiera również wewnętrzną przejściową ściankę 32 pomiędzy ścianką 24 wkręcania jednego skrzydła 22 a ścianką 26 wykręcania następnego sąsiedniego skrzydła 22. Należy rozumieć, że rozwiązanie może być stosowane w gwintowanych elementach złącznych w wielu różnych konfiguracjach, łącznie z zagłębieniami posiadającymi jedno lub więcej skrzydeł, w których tylko jedna ze ścianek 24, 26 wkręcania i wykręcania jest wyposażona w segment ukształtowany spiralnie.

Figura 2 przedstawia wkrętak 34 przeznaczony do współpracy z wieloskrzydłowym zagłębieniem zawierającym powierzchnie o przekroju spiralnym, przedstawionym na fig. 1. Wkrętak 34 można rozważać jako zawierający trzon 36 i wieloskrzydłowe ostrze 38 ukształtowane na końcu trzonu 36. To ostrze 38 zawiera środkową część 42, od której odchodzi promieniowo wiele skrzydeł 40. Końcowa ścianka 42 wkrętaka może mieć kształt stożkowy lub inny. Korzystnie końcowa ścianka 42 ma taki kształt, że kiedy wkrętak 34 jest całkowicie osadzony w zagłębieniu 18, pozostaje pewien luz pomiędzy częścią końcowej ścianki 42 a dolną ścianką 28 zagłębienia. Każde ze skrzydeł może być traktowane jako posiadające ściankę 46 wkręcania i ściankę 48 wykręcania.

Figura 2 przedstawia także stempel według wynalazku, jako że korpus i końcówka stempla są zasadniczo zgodne z kształtem geometrycznym wkrętaka. Główny korpus stempla ma koniec o kształcie dostosowanym do tworzenia części łba elementu złącznego, oraz końcówkę dostosowaną do kształtowania spiralnego zagłębienia według wynalazku. Promieniowo skierowane skrzydła końcówki mogą zawierać spiralne powierzchnie przeznaczone do kształtowania komplementarnych spiralnych powierzchni przy uderzeniu w koniec łba elementu złącznego.

Przyjmuje się, że w większości zastosowań (ale niekoniecznie wszystkich) będzie wykorzystywane wieloskrzydłowe zagłębienie i komplementarny do niego wkrętak. Niemniej współpracę zagłębienia zawierającego powierzchnie o przekroju spiralnym i stosownego wkrętaka można przedstawić i ocenić w odniesieniu do prostego jednogarbnego przykł adu wykonania, przedstawionego schematycznie na fig. 3 i 4. Łeb 16 elementu złącznego, pokazany w widoku z góry, ma jednogarbne zagłębienie 18A tworzące ściankę 24A wkręcania i ściankę 26A wykręcania (przy założeniu, że element złączny ma gwint prawoskrętny). Ścianka 26 wykręcania ma kształt spiralny, ponieważ jej przecięcie z pł aszczyzną prostopadłą do osi 44 elementu złącznego tworzy odcinek linii spiralnej. Ś cianka 24A wkręcania przedstawiona jest jako zasadniczo płaska, przebiegająca w przybliżeniu w kierunku promieniowym od punktu początkowego do zewnętrznego końca spirali. Wkrętak 34A przedstawiono w przekroju wzdłuż płaszczyzny prostopadłej do osi 44 elementu złącznego przy górnej powierzchni łba 16 elementu złącznego. Uproszczony jednogarbny wkrętak 34A można traktować jako mający ściankę 46A wkręcania i ściankę 48A wykręcania, z których każda zasadniczo ma identyczny kształt geometryczny przekroju poprzecznego, jak ścianka 24A wkręcania i ścianka 26A wykręcania zagłębienia 18A. Ścianka 48A wykręcania wkrętaka 34A ma taki kształt, by tworzyła zasadniczo taką samą linię spiralną, jak ścianka 26A zagłębienia. Co najmniej ta część ostrza wkrętaka 34A, która wchodzi w obwiednię utworzoną przez zagłębienie, ma ścianki równoległe do analogicznych ścianek zagłębienia. Wkrętak jest zwymiarowany względem zagłębienia tak, że kiedy jest osadzony w zagłębieniu,

PL 196 611 B1 wówczas pomiędzy odpowiednimi ściankami napędzającymi wkrętaka i zagłębienia może istnieć zasadniczo równomierny luz 50. Ten luz 50 pomiędzy zagłębieniem a wkrętakiem jest duży i powinien być dobrany tak, aby umożliwić łatwe wprowadzenie wkrętaka w zagłębienie, a także wyjęcie, w rozmaitych warunkach pracy, również w razie zanieczyszczenia, korozji itp. zagłębienia.

Figura 4 przedstawia schematycznie wkrętak i zagłębienie z fig. 3, przy czym wkrętak jest obracany w kierunku przeciwnym do ruchu zegara, by spowodować zetknięcie spiralnej ścianki 48A wykręcania tego wkrętaka z zasadniczo równoległą spiralną ścianką 26A zagłębienia. Z fig. 4 widać, że kiedy wkrętak został obrócony do zetknięcia jego spiralnej powierzchni z powierzchnią zagłębienia, szczelina 50 pomiędzy spiralnymi ściankami wykręcania wkrętaka i zagłębienia jest całkowicie likwidowana, natomiast szczelina 52 pomiędzy ściankami wkręcania wkrętaka i zagłębienia zwiększa się, by utworzyć kąt θ, który odpowiada obrotowi niezbędnemu do obrócenia wkrętaka do pełnego zetknięcia z zagłębieniem. Kiedy zatem wkrętak jest obracany w kierunku zmniejszającego się promienia spirali, luz 50 jest eliminowany, a spiralne powierzchnie stykają się całkowicie ze sobą na rozległym obszarze. Linia spiralna jest dobrana i ustawiona tak, by umożliwić przenoszenie dużego momentu obrotowego. W idealnym przypadku cała spiralna powierzchnia wkrętaka współpracuje z całą spiralną powierzchnią zagłębienia, równocześnie na całym swym obszarze. Taka współpraca pozwala uniknąć powstawania punktów o dużej koncentracji naprężeń, zapewnia szerokie i równomierne rozłożenie przyłożonego obciążenia.

W schematycznej ilustracji pojedynczego garbu z fig. 3 i 4, linia spiralna przebiega od swego punktu początkowego 54 (fig. 4) do swego punktu końcowego 56 (fig. 4). Jednakże współpracujące powierzchnie wkrętaka i zagłębienia powinny być lepiej spasowane w obrębie fragmentu spiralnego usytuowanego bliżej punktu początkowego 54, niż w obrębie fragmentu spiralnego usytuowanego bliżej punktu końcowego 56, ponieważ fragmenty spiralne usytuowane bliżej wnętrza będą w większym stopniu przenosiły przyłożoną siłę w postaci momentu obrotowego, a w mniejszym w postaci siły skierowanej promieniowo na zewnątrz, która nie przyczynia się do napędzania elementu złącznego. Na fig. 4 widać, że usytuowany promieniowo bardziej wewnątrz fragment spiralny, np. fragment 58. będzie przenosić większą część przyłożonej siły w postaci momentu obrotowego na element złączny, niż fragment 60 usytuowany bardziej na zewnątrz, gdzie znacznie większa składowa przyłożonej siły będzie zwrócona promieniowo na zewnątrz, a znacznie mniejsza część tworzy moment obrotowy. Ważnym aspektem wynalazku jest zatem to, że spiralnie ukształtowane ścianki są takie, że wykorzystywane są ich obszary promieniowo bardziej wewnętrzne. W praktycznym zastosowaniu element złączny według wynalazku będzie zawierać segment spirali oznaczony przez 58, natomiast część reprezentowana przez segment 60 nie powinna być wykorzystywana. Jak opisano bardziej szczegółowo poniżej, spiralne powierzchnie są ustawione względem wzdłużnej osi 44 elementu złącznego tak, że większa część momentu obrotowego przykładanego przez wkrętak do elementu złącznego będzie służyć do obracania elementu złącznego, a nie do wywierania siły zwróconej promieniowo na zewnątrz. Jak pokazano, przenoszenie momentu obrotowego w kierunku wykręcania będzie większe niż w kierunku wkręcania (w prawo). Ustawienie spiralnych powierzchni można modyfikować tak, aby zapewnić żądaną proporcję pomiędzy możliwościami przenoszenia momentu obrotowego w kierunku wkręcania oraz w kierunku wykręcania, zależnie od konkretnego zastosowania elementu złącznego.

Figura 5 przedstawia we współrzędnych biegunowych idealną linię spiralną o pożądanych właściwościach do stosowania według wynalazku, którą można ustawić względem osi obrotu odpowiadającej osi wzdłużnej gwintowanego elementu złącznego, a która po obróceniu, np. o kąt θ, będzie równoodległa od nieobróconej linii spiralnej, w pewnym odstępie od niej. Jak pokazano na fig. 5, idealna linia spiralna pokazana w położeniu A, po obróceniu o kąt θ do położenia B jest równoodległa od spirali w położeniu A, i jest zdystansowana od spirali z położenia A o szczelinę C. Chociaż szczelina C będzie zwiększać się wraz ze wzrostem kąta obrotu θ, to dla danego kąta θ szczelina C pozostaje stała na całej długości spirali. Kształt geometryczny spirali ze stałą szczeliną jest określony przez następujące równanie wyrażone we współrzędnych biegunowych:

θ = ^(R/Rj )² -1 + arcsin(R/R_i )^-1 -(π /2) gdzie:

θ = kąt obrotu (w radianach) promienia przecinającego krzywą w odległości R od osi obrotu odpowiadającej osi wzdłużnej 44:

Ri = początkowy promień mierzony od osi obrotu do punktu początkowego spirali; oraz R = promień spirali przy kącie obrotu θ również mierzony od osi obrotu.

PL 196 611 B1

Z powyższego wynika, że kiedy wkrętak ma ścianki napędzające w kształcie spirali ze stałą szczeliną i jest obracany do zetknięcia ze spiralnymi ściankami zagłębienia, wówczas spiralna ścianka napędzająca wkrętaka zetknie się w pełni i równocześnie z odpowiednią spiralną ścianką napędzaną zagłębienia. Należy rozumieć, że, jak opisano powyżej w nawiązaniu do fig. 4, wykres z fig. 5 we współrzędnych biegunowych ma jedynie ilustrować idealną spiralę, w której szczelina pomiędzy obróconymi położeniami spirali jest stała tak, że spirale można traktować jako równoległe.

Zgodnie z rozwiązaniem, czoło spirali na ściance napędzanej skrzydła zagłębienia jest usytuowane tak, że punkt początkowy 54 spirali jest promieniowo oddalony od środkowej osi 44 zagłębienia o promień Ri. Fragmenty czół spirali, które są usytuowane bliżej punktu początkowego 54, będą przenosiły większą część przyłożonego momentu obrotowego w kierunku, który będzie obrotowo napędzać element złączny, niż fragmenty usytuowane bardziej na zewnątrz. Spiralna powierzchnia wkrętaka i zagłębienia współpracująca z wkrętakiem będą najskuteczniej przenosić moment obrotowy przy ukształtowaniu tych powierzchni zgodnie z fragmentami spirali, które są usytuowane bliżej punktu początkowego 54. Przenoszące siłę ścianki powinny być krzywoliniowe, zgodnie z fragmentem linii spiralnej pomiędzy R=1 na fig. 5 a R=3,5 włącznie (oznaczono jako punkt 62), a korzystniej w zakresie od R=1 do R=2. Jeśli chodzi o kąt środkowy wycinka koła, naprzeciwko łuku którego jest usytuowana żądana wewnętrzna część spirali, kąt ten może wynosić co najwyżej 125°, korzystniej 90° lub mniej, a najkorzystniej w przybliż eniu 45° lub mniej.

Figury 6 i 7 są wykresami siły, przedstawiającymi składowe siły działające w dowolnym punkcie wzdłuż krzywoliniowej powierzchni współpracujących ze sobą ścianek wkrętaka i zagłębienia. Fig. 6 przedstawia wykres siły dla przedmiotowego wynalazku. Fig. 6 przedstawia wkrętak 34B ze ścianką 48B napędzania wykręcania we współpracy powierzchniowej wzdłuż krzywoliniowej powierzchni zetknięcia 68 ze ścianką 26B wykręcania łba 16B elementu złącznego z zagłębieniem. Fig. 6 przedstawia schematycznie wektory siły, kiedy przyłożony jest moment obrotowy w kierunku przeciwnym do ruchu zegara, jak proponowano w punkcie 70 wokół osi 44B elementu złącznego. W wybranym interesującym punkcie 72, wkrętak 34B przykłada siłę 74 do powierzchni 26B zagłębienia wzdłuż kierunku prostopadłego do powierzchni współpracy 68. Siła prostopadła 74 rozkłada się na składową 76, która przenosi tylko moment obrotowy na element złączny, i na drugą składową 78, która wytwarza skierowaną promieniowo na zewnątrz siłę ściskającą, ale nie wytwarza momentu obrotowego. Dodatkowo siła prostopadła 74 powoduje powstanie siły tarcia 80 wzdłuż stycznej 82 do powierzchni sprzężenia 68. Siła tarcia 80 rozkłada się z kolei na składową 84, która sumuje się ze składową 76 powodującą moment obrotowy, i na drugą składową 86, która ma przeciwny zwrot niż składowa 78 skierowana promieniowo na zewnątrz i odejmuje się od niej. Wartość siły tarcia 80 w stosunku do normalnej siły 74 zależy od współczynnika tarcia, który oczywiście będzie się zmieniać wraz z gładkością powierzchni, smarnością i materiałem elementu złącznego. Współczynnik tarcia może przykładowo mieścić się w zakresie 0,1-0,4, przy czym przy wyznaczaniu wykresów siły według fig. 6 i 7 wybrano współczynnik tarcia 0,4. Fig. 6 pokazuje zatem, że przy kształcie geometrycznym ścianek napędzających i ś cianek napędzanych odpowiadającym w przekroju linii spiralnej, moment obrotowy jest wytwarzany głównie przez składową 108 siły prostopadłej nawet przy dużym współczynniku tarcia przyjętym dla celów ilustracji. Zdolność elementu złącznego według wynalazku do przenoszenia momentu obrotowego nie zależy w istotnym stopniu od składowej 84 siły tarcia.

Figura 7 jest wykresem sił podobnym do wykresu z fig. 6, ale pokazuje działanie krzywoliniowej powierzchni współpracy 68' wkrętaka z zagłębieniem, która jest usytuowana tak, że styczna 82' do krzywoliniowej powierzchni sprzężenia 68' w punkcie 72' jest bardziej zbliżona do prostopadłej do promienia wykreślonego od osi 44B' elementu złącznego do punktu 72'. Konstrukcja taka jest przedstawiona w patencie 2.248.696 (Bradshaw). Z porównania fig. 7 z fig. 6 wynika, że znana konfiguracja powoduje znacznie większe skierowane promieniowo na zewnątrz obciążenie łba elementu złącznego, co obrazują różnice długości wektorów składowych 78' i 86', przy czym działanie to jest zasadniczo zależne od zmieniających się i często nieprzewidywalnych zjawisk tarcia przy wytwarzaniu momentu obrotowego. Bazowanie według stanu techniki na tarciu wynika z porównania składowej tarcia 84' ze składową 76'. Na podstawie powyższego można ocenić, że linia prostopadła do stycznej do odcinka linii spiralnej będzie tworzyć kąt z promieniem poprowadzonym od osi wzdłużnej do punktu styczności, reprezentujący stopień przenoszenia siły przyłożonej przez wkrętak w postaci momentu obrotowego na element złączny. W przedstawionym rozwiązaniu kąt ten powinien być nie mniejszy niż 17°, a korzystnie wynosi znacznie więcej niż 17°.

PL 196 611 B1

Figury 8A-8E ilustrują schematycznie elementy złączne z łbami posiadającymi zagłębienie ze skrzydłami 22A-22E w liczbie 2-6. W tych przykładach wykonania zagłębienia mają taki kształt, by ich spiralnie ukształtowany kontur na ściankach wykręcania sprzyjał przykładaniu większego momentu obrotowego w kierunku wykręcania niż w kierunku wkręcania. Na tych schematycznych ilustracjach ścianki wkręcania pokazano jako zasadniczo płaskie, chociaż należy rozumieć, że ścianka wkręcania może mieć dowolny żądany kształt, włącznie z kształtem spiralnym według wynalazku.

Figury 9A-9D przedstawiają zastosowanie wynalazku do dwukierunkowego spiralnego systemu napędzania przeznaczonego do wytwarzania zasadniczo takiego samego momentu obrotowego, zarówno w kierunku wykręcania jak i w kierunku wkręcania. W tych przykładach wykonania, ścianki wykręcania i ścianki wkręcania jednego lub więcej skrzydeł mają kontury spiralne ustawione w przeciwnych kierunkach, aby zapewnić właściwości współdziałania ze spiralnie ukształtowaną ścianką napędzającą, zarówno w kierunku wkręcania jak i w kierunku wykręcania. W przykładach wykonania przedstawionych na fig. 9A-9D ścianki wkręcania i wykręcania skrzydła mogą stanowić zasadniczo swe obrazy zwierciadlane.

Figury 10A i 10B przedstawiają wieloskrzydłowy system napędowy, w którym skrzydła (przedstawiono trzy) zawierają spiralne ścianki napędzane, zarówno w kierunku wkręcania jak i w kierunku wykręcania, ale gdzie jedna ze ścianek napędzanych każdego skrzydła ma możliwość przenoszenia większego momentu obrotowego niż druga. Przykłady wykonania przedstawione na fig. 10A i 10B zapewniają możliwość przenoszenia większego momentu obrotowego w kierunku wykręcania, ponieważ ścianki napędzania wykręcania mają większą długość łuku i odpowiednio pole powierzchni niż ścianki napędzane przy wkręcaniu. Ponieważ siły są przyłożone do większego pola powierzchni w kierunku wykrę cania, zatem wię kszy moment obrotowy moż e być przykł adany w tym kierunku.

Chociaż wynalazek może być najskuteczniej realizowany praktycznie w przypadku linii spiralnej o stałej szczelinie, jak opisano powyż ej, mog ą być opracowane systemy, które zawierają spirale nieco różniące się od najkorzystniejszej spirali z zasadniczo stałą szczeliną, nadal zapewniając jednak znaczne zalety w porównaniu ze stanem techniki. Fig. 11A i 11B przedstawiają przykład takiego zagłębienia i wkrętaka 34F, gdzie zagłębienie zawiera cztery skrzydła 22F, z których każde ma napędzaną ściankę 26F wykręcania skonstruowaną tak, by miała spiralę o stałej szczelinie, oraz napędzaną ściankę 24F wkręcania o innym kształcie spirali, która jest ustawiona tak, by kierowała większą część siły z wkrętaka do zagłębienia w kierunku wytwarzania momentu obrotowego. Przejścia 90, 90', 92, 92' powierzchni wkręcania i wykręcania na każdym skrzydle wkrętaka i zagłębienia mogą mieć kształt łukowy. We wszystkich przykładach wykonania pożądane jest, aby zapewniony był wystarczająco duży luz, odpowiedni do określonego zastosowania, pomiędzy powierzchniami napędzającymi wkrętaka a powierzchniami zagłębienia. Inaczej niż w systemach według stanu techniki, w których znaczny luz pomiędzy obwiednią utworzoną przez powierzchnię wkrętaka a obwiednią zagłębienia, ma tendencję do uwydatniania dużego skupienia naprężeń w punkcie lub w linii styku, przedmiotowe rozwiązanie zasadniczo jest niewrażliwe na takie duże luzy, ponieważ luz jest równomiernie kasowany, gdy spiralnie ukształtowane powierzchnie napędzające są obracane w zakresie kąta luzu θ do zetknięcia ze współpracującymi spiralnymi powierzchniami zagłębienia. Przykładowo, szczelina 0,0020,004 cala (0,05-0,1 mm) w całości wokół i pomiędzy obwiednią wkrętaka a obwiednią zagłębienia, nie powinna mieć znacznego szkodliwego wpływu na możliwość przenoszenia momentu obrotowego przez ten system.

Głębokość zagłębienia wytwarzanego za pomocą stempla według wynalazku może zależeć od kształtu i wymiarów łba elementu złącznego i trzonu, od materiału, z którego wykonany jest element złączny, oraz od innych wymiarów zagłębienia. Głębokość powinna być wybrana tak, aby łeb elementu złącznego miał odpowiednią wytrzymałość, zwłaszcza w przypadku elementów złącznych 71, z płaskim łbem 100°, w przypadku których stosunkowo płytki płaski łeb zawiera niewiele materiału, w którym można utworzyć zagłębienie; a zatem konieczne jest przyjęcie kompromisowego rozwiązania dotyczącego wytrzymałości połączenia pomiędzy łbem a trzonem. Niemniej dzięki zetknięciu wkrętaka z zagłębieniem na rozległym obszarze powierzchni, będzie możliwe stosowanie dużych napędzających momentów obrotowych nawet w elementach złącznych z płaskim łbem o płytkich zagłębieniach, bez pogarszania wytrzymałości łba elementu złącznego.

Stempel do kształtowania zagłębienia w łbie elementu złącznego według przedmiotowego wynalazku może być stosowany w zestawieniu z konwencjonalną dwuuderzeniową maszyną do kształtowania łbów. Stempel do kształtowania zagłębienia typowo będzie zawierać główny korpus z końcem o kształcie dostosowanym do tworzenia części łba elementu złącznego, oraz końcówkę dostosowaną

PL 196 611 B1 do kształtowania spiralnego zagłębienia według wynalazku. Promieniowo skierowane skrzydła końcówki mogą zawierać spiralne powierzchnie przeznaczone do kształtowania komplementarnych spiralnych powierzchni przy uderzeniu w koniec łba elementu złącznego. Ze względu na trudności przy wytwarzaniu zagłębień mających ścianki doskonale pionowe, pewne dodatnie pochylenie ścianek zagłębienia, ewentualnie rzędu 1°, może powstawać nawet wtedy, jeżeli usiłuje się wykonać dokładnie pionowe ścianki. Takie niewielkie pochylenie nie ma znacznego wpływu na działanie spiralnie ukształtowanego systemu przenoszenia momentu obrotowego. W razie potrzeby zagłębienie może być wykonane z jeszcze większym pochyleniem dodatnim, np. pochylenie ścianki można zwiększyć do 5-6° od pionu, bez istotnego zmniejszenia użyteczności rozwiązania wykorzystującego spiralnie ukształtowane ścianki zagłębienia w łbie elementu złącznego.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Stempel do kształtowania łba z zagłębieniem na końcu gwintowanego elementu złącznego, mający korpus stempla z powierzchnią czołową do kształtowania zewnętrznego obrysu łba i wystającą z powierzchni czołowej integralną końcówkę zawierającą część środkową i co najmniej jedno skrzydło odchodzące promieniowo od tej części środkowej, przy czym każde skrzydło ma powierzchnię przeznaczoną do kształtowania ścianki wkręcania i ścianki wykręcania, znamienny tym, że każde skrzydło ma taki kształt, że co najmniej jedna ze ścianek wkręcania lub wykręcania w przekroju poprzecznym stanowi odcinek linii spiralnej, który ma początkowy punkt (54) oddalony od wzdłużnej osi (44) elementu złącznego (10) o początkowy promień Ri i jest poprowadzony do zewnętrznego punktu końcowego oddalonego od osi wzdłużnej (44) o promień, który jest nie większy od 3,5 długości promienia początkowego Ri.
2. 2. Stempel według zastrz. 1, znamienny tym, że odcinek linii spiralnej, w jakimkolwiek punkcie tego odcinka, nie ma prostej stycznej takiej, że prosta prostopadła do tej stycznej tworzy z promieniem poprowadzonym od osi wzdłużnej (44) do punktu styczności kąt mniejszy niż 17°.
3. 3. Stempel według zastrz. 2, znamienny tym, że linia spiralna stanowi linię spiralną o stałej szczelinie (C).
4. 4. Stempel według zastrz. 1, znamienny tym, że linia spiralna jest określona równaniem:

   θ = ^(R/Rj )² -1 + arcsin(R/R_i )^-1 -(π /2) w którym θ oznacza kąt obrotu, w radianach, promienia przecinającego krzywą w odległości R od osi obrotu odpowiadającej osi wzdłużnej (44), R_i oznacza początkowy promień mierzony od osi obrotu do punktu początkowego (54) spirali, oraz R oznacza promień spirali przy kącie obrotu θ, również mierzony od osi obrotu.