TW201719026A - 錐形頭鉚接緊固件 - Google Patents

Abstract

一種緊固件具有一錐形頭部，該錐形頭部以摩擦方式配合一衝孔薄板中的一錐形孔。利用與面板頂部保持齊平的緊固件頭部來達成摩擦附接。如果較軟材料製成的一第二面板係靠在該第一面板的背面而放置於下方，則在相同加壓步驟中，在該緊固件的柄部上的鉚接特徵部會附著至第二面板，並將兩板面對面附著。該錐形頭部與頂板的附著係利用兩種不同的附著現象：一鎖定錐度；及藉由磨損的附接，其係取決於材料選擇，如不銹鋼。

Description

錐形頭鉚接緊固件 [相關申請案]

本申請案是名稱為錐形頭平頭銷且於2016年7月28日申請之美國臨時專利申請案第62/197,850號的非臨時專利申請案，在此主張其優先權。

本發明涉及用於以面對面構造連接金屬面板的緊固件。

為了以穿過一第一面板中的一圓孔的一緊固件，附接該第一及一第二面板，該緊固件通常必須具有一抵接或附著於第一面板的頭部。在一些構造中，該緊固件的頭部齊平或略低齊平第一面板。在這樣的構造中，該第一面板通常軟到足以使緊固件的頭部嵌入面板來達到齊平的結果。但是，如果該第一面板係由非常堅硬的材料組成，這選項是不可能的。因此，人們希望能夠提供一種連接頂部和底部面板並齊平安裝至頂部面板的緊固件。同時也希望能夠提供一種齊平安裝緊固件，該緊固件能夠齊平安裝到由非常堅硬材料所組成的面板之上。

磨損(galling)是滑動面之間的一種磨耗形式，其中附接是摩擦及黏附的結果。在有一將表面壓在一起的強大力量存在下，當兩個表面上的材料隨著接觸表面拉扯時，磨損發生。磨損是由該等表面之間的摩擦和黏附的組合所造成，隨後涉及材料中晶體結構的撕裂。因此，人們同時希望提供一相配金屬面板組合體，其中該面板材料的成分及附接程序是經過特別選擇，藉此利用磨損作為該主要或次要的附接機制。

在金屬薄板衝孔期間，該薄板支撐在一模具上，該模具具有一稍大於衝頭的圓孔，提供衝頭及廢料通過所需間隙。當衝出該圓孔時，會在薄板相對側上將該圓孔的一部份撕扯至支撐模具的較大直徑。此情況表示在第2圖當中，使得利用該緊固件進行組裝容易進行。其結果是具有一朝模具方向漸擴(徑向擴張)的部分的圓孔。

在一較佳實施例中，本發明提供一鉚接緊固件，該鉚接緊固件被構造和配置成接合頂部和底部面板，一旦安裝完成，該鉚接緊固件與頂部面板齊平。在另一較佳實施例中，本發明包括鉚接緊固件，用於齊平接合一由一硬質材料製成的第一面板及一由一相對較軟材料製成的第二面板，例如鋁。該緊固件具有一錐形頭，該錐形頭與在一衝壓薄板中的錐形孔摩擦配合。藉由翻轉該衝孔薄板使模具側朝上，然後將該緊固件裝入錐形孔的模具側當中，藉此一摩擦接合可被完成，而該緊固 件頭部保持與面板的頂部齊平。如果，在相同的加壓工序中，一較軟材料的第二面板放置下方並靠在第一面板的背面上，則在該緊固件的柄部上的鉚接特徵部會附著至第二面板，並提供兩薄板面對面安裝附著。該錐形頭部與頂部面板的附著係利用兩種不同的附著現象：一鎖定錐度；及取決於材料選擇的磨損。

在一較佳實施例中，本發明包括一鉚接緊固件，從上至下具有：一截頭圓錐頭部，具有一底面，該底面大致垂直於緊固件的中心垂直軸線；一底切部，緊接該頭部下方；以及一柄部，位在該緊固件底部且緊接底切部下方。該緊固件的頭部較佳地具有一平坦頂面，該平坦頂面大致平行於底面，該緊固件的橫截面是圓形並對稱垂直軸線。該緊固件的柄部可以是桶形(barrel-shaped)，且具有一錐形的遠底端。

在另一具體實施例中，本發明包括一第一頂部面板及一第二底部面板的一組合體。該第一頂部面板具有一第一複合圓孔，該第一複合圓孔具有兩個同心部分，亦即，一錐形上部往下收斂至具有一致直徑的連續下部的接合處。一第二底部面板設置成與該第一面板面對面，且具有一與該第一圓孔的下部對齊的第二圓孔。一鉚接緊固件具有一接合該第一及第二面板的截頭圓錐頭部。該緊固件的頭部較佳地與第一面板的一頂面齊平，並藉由磨損作用接著至該第一頂部面板。該緊固件另外包括一接納來自底部面板的金屬冷流的底切部。在一具體實施例中，該緊固件及頂部面板可由不銹鋼組成。

在一更進一步的實施例中，本發明包括一配合金屬面板的組合體，其中該面板的材料成分及附著過程被特別選擇，藉此利用磨損作為該主要或次要附接機制。在本實施例中，該組合體可利用上述本發明之連接器，藉由一鎖定錐度和/或磨損的附著現象，將金屬面板面對面連接。

上述及其它目的與優點將從以下附圖及較佳實施例的說明顯而易見。在此方面，在詳細說明本發明的至少一實施例之前，其應當理解到，本發明並不侷限於其應用或以下說明中的構造細節或附圖中的所示構造。本發明能夠以各種方式進行其它實施例的執行。

10‧‧‧緊固件

11‧‧‧錐形截頭圓錐頭部

13‧‧‧底切部

15‧‧‧底面

17‧‧‧桶形柄部

20‧‧‧衝頭

22‧‧‧模具

23‧‧‧上直壁部

24‧‧‧面板

25‧‧‧間隙孔

26‧‧‧下錐形撕扯下部

26‧‧‧較大直徑

30‧‧‧頂面

32‧‧‧面板

34‧‧‧面板

53‧‧‧衝壓工具

54‧‧‧砧座

a‧‧‧較大直徑

A‧‧‧中央垂直軸線

Dm‧‧‧錐形截面

Fa‧‧‧沖壓力

Fe‧‧‧鎖定錐度力

Fn‧‧‧正交力

μ‧‧‧摩擦係數

φ‧‧‧滾動角

第1圖是根據本發明的一較佳實施例的一緊固件的一底部、前方透視圖；第2圖是根據本發明的另一實施例的一衝頭、模具及金屬面板的剖視圖，並顯示一組合體的金屬面板中的一衝孔的形狀；第3圖是第1圖中連接兩個金屬面板的該緊固件的一放大剖面圖；第4A及4B圖是一放大前視圖，表示第1圖的該緊固件在安裝過程中的鎖定錐度力；以及第5A-5D圖是一系列放大剖視圖，表示根據本發明的更進一步實施例的固定兩個金屬面板的方法及一面板組合體。

根據本發明的一較佳實施例的一緊固件示於第1圖，並整體由元件符號10標示。在該實施例中，該緊固件10包括：一鉚接緊固器，具有配置一底面15的一錐形截頭圓錐頭部11；一底切部13；及一桶形柄部17。該底面15作為一接納(下方)面板34中材料的排出器。該底切部13從底面15延伸，接納該下方面板34的排出材料。該桶形柄部17具有一錐形遠端，用於引導該緊固件進入接納孔。該底部排出器表面15以大致垂直於一中央垂直軸線”A”來定位。

第2圖表示在一金屬面板中製造一接納圓孔的一衝頭20和一模具22，其中該緊固件10插入接納圓孔。該衝頭20通常研磨至一定尺寸，該模具必須具有一間隙孔25，用於該衝頭20和廢料的通過。在衝孔後，該面板24中圓孔的輪廓具有一上直壁部23及一下錐形撕扯下部26，該下錐形撕扯下部26具有一大於上部的直徑26。該等“上”及“下”部分以參照第2圖中所示面板的朝向來說明；然而，在第3圖和第5圖中，該面板以反轉表示(相對於第2圖)，該直壁部位在圓孔的下部，該錐形部位在圓孔的上部。

第3圖表示兩個面板32，34的一放大圖，該等面板32，34使用上述緊固件10連接，且根據本發明的一組裝方法安裝。在本實施例中，該緊固件10的頭部11所具有的形狀，通常與該上面板32中的圓孔的形狀互補。該緊固件10的頭部11的尺寸被做成，安裝後與 頂部面板32的頂面30齊平。該錐形頭11保持在朝上方向將該上面板32卡在緊固件10的機械能力。在第3圖所示的該組合體中，該底部面板34是由比緊固件10更軟材料組成，這允許使用一鉚接底切部13。該排出器表面15將金屬從底部面板34推入剛好位於柄部上方的底切部13當中，其將該緊固件10保持至底部面板34。在一較佳實施例中，該頂部面板32具有幾乎與緊固件10相同的硬度。

該緊固件10的鎖定錐度特徵在第4A圖及第4B圖中示出，其等顯示如第1圖及第3圖所描述的該緊固件10的安裝及靜止狀態。第4A圖和第4B圖示出並描述判定自鎖所需的最小錐形不可或缺的力和方案。均勻分佈錐形的正交力”Fn”在圓錐形截面”Dm”處的中線上被建模。很簡單，當該摩擦力的垂直分量超出正交力的垂直分量且安裝力被移除或為零時，該鎖定錐度將緊固件的錐形部保持在頂部面板當中。該摩擦力的作用方向相反於緊固件被壓入的方向。當該安裝力被移除時，該正交力的垂直分量用於將緊固件推出頂部面板，但是該摩擦力則以相反方向將緊固件保持於定位。

參考第4A圖及第4B圖的靜態圖，拔出錐形連接器所需要的理論力“Fe”可以計算如下：在“Y”方向上的力的總和：

瞭解到，該摩擦係數”μ”=tan〔φ〕，其中φ是一隱性摩擦角

φ=arctan(μ)

針對一鎖定條件：Fe=0

因此：

α=2φ

α=2＊arctan(μ)

用於鎖定的該角度可依據摩擦係數定義如下：α 2＊arctan(μ)

α=2＊arctan(.06)所以α=6.87°

該鎖定錐度力(Fe)使用0.06的金屬對潤滑金屬的保守摩擦係數計算。

在另一較佳實施例中，該鎖定錐度力(Fe)、錐形孔的尺寸、及錐形頭的尺寸藉由考慮”磨損”來計算，這是在該等配合薄板之間的另一貢獻鎖定機制。磨損是滑動表面之間的一種磨耗形式。針對第1-5圖中所示的該緊固件及組合體，該滑動面是緊固件10的錐形頭11及硬板24中的衝孔之間的界面。在一強大力量將該等表面壓制在一起的情況下，當來自兩個表面的材料隨著該 接觸表面拉扯時，磨損發生。磨損是該等表面之間的摩擦及黏附的一組合所造成，隨後涉及材料的晶體結構的撕裂。該等磨損表面沉積材料在配合表面上，從而有效地創建一摩擦或冷焊。易受磨損的常見材料為鈦、不銹鋼、及鋁。

根據本發明的一較佳實施例的兩個配合面板的一組合體及組裝該等面板的方法表示在第5A-D圖中。參照圖如第5A圖所示，該緊固件10最初定位在頂部面板32的圓孔中，所在方向如此處所示，且與錐形表面適當地對準。接下來，如第2圖所示，一衝壓工具53迫使該緊固件10向下，從圓孔的錐形側進入頂部面板32，而該底部面板34由一砧座54支承。然後，如第5C及5D圖所見，當該工具53以足夠的力按壓緊固件10抵靠砧座54時，來自兩個面板的材料略微流動以形成兩個面板之間的一致的邊界，其係在高壓力下於在該緊固件10和面板32、34之間產生非常緊密的配合。在該結構中，該緊固件10僅可從其安裝的相反方向取出。此外，該錐形緊固件頭部11是以上述鎖定錐度力或磨損或兩者鎖定在頂部面板32當中。

第5A圖表示一衝孔的輪廓，其具有一具有直壁的第一部分及一為圓錐形並面朝上的第二部分。當該緊固件的安裝進行時，第5B及5C圖顯示該緊固件和硬質頂部面板之間的介面如何在一共同幾何中成為一體。壓力已經造成頂部面板略微流動至完全錐形，且完美配合到緊固件10。該錐形頭鎖定緊固件在配合錐形表 面之間具有高的力，以及在安裝過程中的高摩擦。在本發明的一示範性實施例中，當一不銹鋼緊固件被壓入一硬質不銹鋼頂部面板時，磨損發生並幫助該緊固件保留其中。同樣的說法可以適用於容易發生磨損的金屬的任何其他組合。第5D圖表示鉚入該較軟底部面板54之完全安裝的緊固件，造成該兩面板的附接。

上述說明是被認為只是例示本發明的原理及可能的實施例。此外，由於本領域中的技術人員容易想到許多修改和變化，所以不希望將本發明限制於示出的及描述的確切結構和操作。因此，適當的修改及均等物得被利用，均落在僅由以下請求項及其法律上均等範圍所斷定的本發明的範圍。

10‧‧‧緊固件

13‧‧‧底切部

30‧‧‧頂面

32‧‧‧面板

34‧‧‧面板

Claims (11)

1. 一種鉚接緊固件，從上到下包括：一截頭圓錐頭部，具有一底面，該底面大致垂直於該緊固件的中心垂直軸線；一底切部，緊接該頭部下方；以及一柄部，位在該緊固件的底部且緊接該底切部下方。
2. 如請求項1之緊固件，其中該頭部具有一平坦頂面，該平坦頂面大致平行於該底面。
3. 如請求項2之緊固件，其中該橫截面是圓形，且相對於該軸線呈對稱。
4. 如請求項1之緊固件，其中該柄部的遠端為錐形。
5. 如請求項4之緊固件，其中該柄部是桶形。
6. 一種組合體，包括：一第一頂部面板，具有一第一複合圓孔，該第一複合圓孔具有兩個同心部分，一錐形上部往下收斂至具有一致直徑的連續下部的接合處；一第二面板，設置成與該第一面板面對面，且具有一與該第一圓孔的下部對齊的第二圓孔；以及一鉚接緊固件，具有一接合該第一及第二面板的截頭圓錐頭部。
7. 如請求項6之組合體，其中該緊固件頭部的頂面係與該第一面板的頂面齊平。
8. 如請求項7之組合體，其中該緊固件具有一接納來自底部面板的金屬冷流的底切部。
9. 如請求項6之組合體，其中兩面板是由金屬組成。
10. 如請求項6之組合體，其中該緊固件頭部係藉磨損作用而接著至該第一面板。
11. 如請求項10之組合體，其中該緊固件及該頂部面板是由不銹鋼組成。