TW201816291A - 用於薄片材料之緊固件 - Google Patents

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Abstract

即使容納孔係盲孔，可以將像螺帽或螺柱(standoff)之圓筒形內螺紋零件鉚壓至非常薄的薄片金屬板中。藉由以特殊安裝工具將金屬板之材料冷變形及推入零件之一個以上的凹口中，以安裝零件在環形盲孔中。工具具有用以容納緊固件之環形洞、圍繞環形洞之外徑的環形嵌壓頭及被環形洞之內徑圍繞的中心沖頭(center punch)。零件的一個凹口可以包括在外周圍中的底切部，而另一個凹口可以包括內螺紋的凹槽。利用工具的單一衝程，分別藉由嵌壓頭及中心沖頭將板材同時推入底切部及螺紋中，以便藉由鉚壓(clinching)安裝零件至金屬板。

Description

用於薄片材料之緊固件 [相關申請案之參考資料]
本申請案係2016年8月29日所提出之發明名稱「Fastener for Thin Sheet Materials」的美國臨時專利申請案第62/380,610號之非臨時專利申請案，特此主張美國臨時專利申請案之優先權。
本發明係有關於可以藉由鉚壓(clinching)組裝至薄金屬板的機械零件。更具體地，本發明係有關於不具有一體形成的嵌壓頭(displacer)之壓鉚緊固件(clinch fasteners)或螺柱(standoffs)，因而可以被鉚壓至比使用具有一體形成的嵌壓頭之壓鉚緊固件通常所需還薄的薄片金屬板。
常常有需要將螺紋緊固件安裝至盲孔中的應用。雖然這個可以在一些相對薄材料中完成，但是針對表面的考量常常要求在組裝後容納板的背面看不到瑕疵。習知技藝的壓鉚緊固件在其底部具有嵌壓頭及底切部(undercut)。為了適當的安裝，在金屬板中之盲孔的深度必須至少與嵌壓頭、底切部及桿部(shank)的整個高度一樣大。在孔以下亦需要額外的板厚，以分散安裝應力及去除/減少在安裝期間的痕跡。較佳地，額外的板厚應該足夠大，以便能藉由二次表面加工操作來去除瑕疵。
在習知技藝中，藉由最初提供厚金屬板及接著加工去除在沒有安裝緊固件之那些區域中的材料(減小厚度)來減少重量及厚度，以製造用於像小型消費電子產品之薄片金屬板應用的金屬板。這種製程係昂貴的。更有效率的是，提供可以容納壓鉚緊固件之全部薄的金屬板。
作為壓鉚緊固件的替代方案，一些習知技藝的方法揭露用以將緊固件或螺柱安裝至薄金屬板的雷射焊接及黏著劑。由於材料燒穿或長的硬化時間，已證實這些方法是不切實際的或不可行的。鉚壓式連接(clinch type connections)在這些應用中係首選的。因此，期望提供一種隱藏壓鉚緊固件，其可以安裝在非常薄的金屬板中且在安裝後不會在容納板之背面上留下瑕疵或痕跡。
本發明提供一種像螺柱之隱藏壓鉚緊固件，其不會在非常薄的金屬片容納板的背面上留下瑕疵或痕跡。在一較佳具體例中，本發明包括一種像螺帽或螺柱的圓筒形內螺紋零件，其可以被鉚壓至一非常薄的金屬板。該零件構造及配置成安裝在該金屬板中之一環形盲孔內。在安裝期間，藉由一特殊安裝工具將圍繞該盲孔之外徑的板材冷變形及推入在該零件之外表面上的底切部。同時，將圍繞該盲孔之內徑的板材冷變形及推入該零件之內螺紋孔。金屬材料至該底切部及該內螺紋孔的螺紋中之冷變形防止該緊固件從該金屬板拉出。此外，金屬材料至該底切部及該內螺紋孔的螺紋中之冷變形的組合防止該緊固件相對於該金屬板的旋轉，這樣可允許在不轉動該零件的情況下將一螺絲安裝在該零件中。
在另一具體例中，本發明包括一種緊固件被安裝至薄 片金屬板中之盲孔內的組合件，該薄片金屬板具有一環形容納盲孔。該盲孔的內徑圍繞一非凹陷板材的中心島狀物。該緊固件較佳地包括一刻有螺紋之中心孔及一在該緊固件之外周圍中且相鄰於底端之底切部。當將該緊固件安裝在該孔中時，藉由對在相鄰於該盲孔之內徑及外徑的區域中之該金屬板進行沖壓來組裝該緊固件與該金屬板。在沖壓期間，板材被冷變形且推入該底切部，以鎖定該緊固件與該金屬板。在沖壓期間，在該島狀物上的板材可以被冷變形且推入該中心孔中的螺紋之凹槽中。
組裝像上述緊固件之構件至該金屬板的方法包括提供一如上述具有一環形容納盲孔之薄片金屬板且定位該緊固件至該盲孔中的初始步驟。接下來，將圍繞該盲孔之內徑及外徑的該金屬板之部分沖壓至該底切部中且同時沖壓至該緊固件之螺紋的凹槽中之至少一者中。較佳地，使用一特殊設計工具來實現沖壓。在這個過程期間，該工具沒有對該緊固件進行沖壓，因為這種壓力會在金屬板上產生不必要的應力，該金屬板係非常薄的。該工具具有一用以容納該緊固件之中心環形洞及一在其底端的嵌壓頭。該嵌壓頭較佳地具有一適用以將板材移位至該底切部中之向外擴散斜面。該工具亦具有一中心沖頭(center punch)，其界定該洞之內徑/邊界。該中心沖頭具有一尖端，該尖端在該嵌壓頭將材料推入該底切部的同時，向外移位板材至該等螺紋中之至少一者的凹槽中。
在一較佳具體例中，該嵌壓頭形成於該安裝工具上，而不是形成於緊固件上。因為該緊固件沒有嵌壓頭，所以可以大大地減小在該金屬板中之孔的最小深度。孔深度的減少等於該嵌壓頭之高度(如果該嵌壓頭形成於該緊固件)和該嵌壓頭被壓至該金屬板 中的深度。結果，亦大大地減少該金屬板的最小厚度。相較於習知技藝，新穎的緊固件因而可以被安裝在非常薄的金屬板中。
在另一具體例中，本發明包括該新穎的緊固件與該新穎的沖壓工具之組合。由於它們的互補設計特徵，該沖壓工具在沒有對該緊固件施加任何直接向下壓力下使板材冷變形至該緊固件之底切部及內螺紋中。該沖壓工具與該緊固件配合地操作，以大大地減少對該金屬板所施加的向下壓力。
8‧‧‧螺紋
9‧‧‧底切部
9a‧‧‧第一斜面
9b‧‧‧第二小直徑環形面
9c‧‧‧第三徑向延伸肩面
10‧‧‧螺柱緊固件
11‧‧‧薄片金屬板
15‧‧‧中心區域或「島狀物」
17‧‧‧環形盲孔
20‧‧‧圓柱形主體
21‧‧‧沖壓工具
22‧‧‧鐵砧
23‧‧‧中心沖頭
23a‧‧‧尖端
23b‧‧‧圓錐面
24a‧‧‧金屬
24b‧‧‧金屬
25‧‧‧嵌壓頭
25a‧‧‧尖端
25b‧‧‧斜面
25c‧‧‧軸向面
26‧‧‧外周面
26a‧‧‧外周面之上部
26b‧‧‧桿部
27‧‧‧中心環形洞
27b‧‧‧底部
28‧‧‧中心孔
29‧‧‧圓筒壁
31‧‧‧工作面
32‧‧‧頂部
34‧‧‧底部
圖1係依據本發明之一較佳具體例的緊固件之部分剖面的正視圖；圖2A係具有用於與圖1之緊固件組裝的預先形成孔之金屬板的上視圖；圖2B係沿著圖2A之線2B-2B所取得的剖面圖；圖3係依據本發明之一較佳具體例的安裝工具之工作部分的剖面圖；以及圖4及圖5係顯示沖壓工具被安裝在緊固件上及依據本發明之一較佳具體例依序說明圖1之緊固件至金屬板的安裝之正視剖面圖。
如本文所使用，術語在物件中所形成之「環形孔」或「環形洞」表示在物件之平面中通常具有精確環之形狀的孔或洞，以及該形狀延伸至物件之表面中有一個深度。如本文所使用，物件之「島狀物」表示被環形孔或環形洞包圍之物件的實心部分。環的內徑界定島狀物之外徑。
依據本發明之一較佳具體例的螺柱緊固件(或簡稱為「螺柱」)被顯示在圖1中且通常以元件符號10來表示。在這個較佳具體例中，緊固件具有帶著頂部32、底部34及外周面26之圓筒形主體20。緊固件之頂部32及底部34的表面通常是平坦的，而外周面通常是圓筒形的。緊固件的高度為從頂部32至底部34之距離。
中心孔28從頂部32軸向地延伸通過主體20至底部34。在圖1所示之較佳具體例中，中心孔28刻有例如沿著孔28之整個長度延伸且最重要的是至主體20之底部34的螺紋8。在其它較佳具體例中，中心孔28可以是無螺紋的或平滑的。在這個具體例中，螺紋8沿著孔28之整個長度延伸。在其它具體例中，螺紋可以只沿著孔28之一個部分或數個部分延伸。
底切部9形成於與底部34相鄰的外周面26之下部中。從上至下，底切部係由第一斜面9a、第二小直徑環形面9b及第三徑向延伸肩面9c來界定。在一較佳具體例中，在肩面9c與底部34之間的外周面26之下部(以下稱為「桿部」26b)較佳地具有與外周面26之上部26a相同的直徑。更重要的是，如圖1所最佳顯示，桿部26b具有從底部34軸向地測量至肩面9c之非常小的高度。
如下所述，底切部9、非常短的桿部26b及內螺紋8使緊固件10能藉由鉚壓被永久固定至像薄片金屬板11之任何基板。這個機械連接防止緊固件10相對於金屬板11分離及旋轉。像許多習知技藝的壓鉚緊固件，緊固件10包括底切部9；然而，相較於習知技藝的壓鉚緊固件，緊固件10不具有將金屬板11之材料冷變形的嵌壓頭。因為緊固件不具有嵌壓頭，所以緊固件10可以安裝在比具有嵌壓頭之習知技藝的壓鉚緊固件通常所需之孔淺很多 的孔中。在習知技藝的孔與用於本發明之緊固件10的孔之間的孔深差距等於嵌壓頭本身之厚度(或高度)加上嵌壓頭要被壓入金屬板中之深度。這種孔深度節省特徵係非常重要的，因而使這個緊個件10能安裝在非常薄金屬板上。
圖2A說明內部可安裝此較佳具體例之緊固件10的孔之幾何形狀。在此具體例中，金屬板11具有由內徑、外徑及孔深界定的環形盲孔17。內外徑在圖2A中以同心圓來表示，並且深度係圖2B所示之孔的軸向尺寸。被孔17圍繞的中心區域或「島狀物」15係非凹陷的且不受干擾的。環形孔17及島狀物15具有甜甜圈的外觀。圍繞環形孔17之金屬板11的剖面被顯示在圖2B中且顯示中心島狀物15、環形孔及圍繞孔17的金屬板之間的尺寸關係。
如上所述，壓鉚緊固件10不具有嵌壓頭。取而代之，使用例如圖3所示之沖壓工具21，將緊固件10鉚壓至金屬板。如圖4及圖5所示，沖壓工具21將圍繞孔17之外徑的金屬板11之同心區域的金屬冷變形至底切部9中。沖壓工具21亦將島狀物15之同心區域的金屬冷變形至緊固件10的內螺紋8中。
工具21具有以中心軸線為中心的同心結構且具有用以容納緊固件10之與緊固件的形狀相配之中心環形洞27。環形洞係形成於工具的遠端工作面31中。環形洞27的內徑係由具有尖端23a之中心沖頭23來界定，其中，尖端23a係由相對於工具21之中心軸線成傾斜的圓錐面23b所形成。中心沖頭23的基部較佳地係圓柱形的且具有比緊固件10之中心孔28的內部直徑稍小之外徑。環形洞27的外徑係由具有比緊固件主體20之外徑稍大的直徑 之圓筒壁29來界定。洞27之深度較佳地係大於緊固件10之高度。
在一較佳具體例中，洞27的底部27b具有與緊固件之錐形頂面相配的錐形端面。洞27的頂部終止於工具21之工作面31附近。
工具21具有在工作面31上一體形成且緊鄰洞27之外圓筒壁29的嵌壓頭25。在一較佳具體例中，嵌壓頭25具有環形且從工作面31軸向地延伸至遠端尖端25a，其中，遠端尖端25a係由相對於工具21之中心軸線的斜面25b及軸向面25c所形成。在一較佳具體例中，如圖3所最佳顯示，中心沖頭之尖端23a及嵌壓頭之尖端25a從工作面31軸向地延伸有相同的距離。
在圖4及圖5中說明依據本發明之一較佳具體例使用沖壓工具21將緊固件10鉚壓固定至金屬板11的方法。金屬板11具有預先形成於其中之環形孔17。緊固件10最初係以底部34及底切部9在環形孔17內之方式來定位。然後，在啟動鉚壓程序前，如圖4所示，將沖壓工具安裝在緊固件10上且圍住緊固件10。在此位置中，中心沖頭23、25之尖端靠在金屬板11的上表面上。
當施加向下力「F」至該沖壓工具21時，中心沖頭23及嵌壓頭25撞入金屬板的上表面且將在緊鄰螺紋8及底切部9的區域中的金屬板冷變形。中心沖頭23之尖端23a撞入島狀物15,並且藉由同心地、徑向地且向外地移位金屬24a至緊固件10之底部附近的螺紋8中來使金屬板11冷變形。除了防止分離外，金屬板至螺紋8中的冷變形還有助於防止緊固件10相對於金屬板11旋轉。嵌壓頭25之尖端撞入金屬板，並且藉由同心地、徑向地且向內地移位金屬24b至底切部9中來使金屬板冷變形。圖5顯示在被 沖壓工具21鉚壓至金屬板11的緊固件10。
在藉由鉚壓將緊固件10組裝至金屬板11的過程期間，沖壓工具21只對金屬板11進行沖壓，金屬板11被鐵砧(anvil)22所支撐。為了確保沖壓工具21沒有壓在緊固件上，工具中之孔27的深度比緊固件10之高度還大。圖5顯示甚至在將緊固件10鉚壓至金屬板之後，在緊固件主體的頂部上方仍然有足夠的空隙。
圖4及圖5說明工具21無法施加直接向下的力至緊固件的任何其它部分。孔27的直徑稍微大於緊固件10的外徑，而中心沖頭23的外徑稍微小於內孔28的直徑。
應該了解到，在此所述的具體例僅是示例性的，以及熟悉該項技藝者可以在不脫離本發明之精神及範圍下實施許多的變更及修改。於是，如所附請求項所界定，所有這樣的變更及修改意欲包含於在此所述的具體例之範圍內。例如，雖然已就用於金屬板的機械螺柱來說明及描述緊固件10，但是本發明並非侷限於螺柱，而可以是在適當位置處具有用以容納來自金屬板之材料的冷流之底切部的任何螺紋或無螺紋構件。

Claims (10)

  1. 一種緊固件被安裝至薄片金屬板中之盲孔內的組合件，其包括：一薄片金屬板，其具有一由內徑、外徑及深度界定的環形容納盲孔，該盲孔圍繞一非凹陷板材的中心島狀物；一緊固件，其具有頂端、底端、高度、外周圍、一具有螺紋之中心孔及一在該外周圍中且相鄰於該底端之底切部；以及其中，該緊固件之底端佔據該盲孔，而該金屬板之材料佔據該底切部。
  2. 如請求項1之組合件，其中，板材亦佔據該等螺紋之凹槽。
  3. 一種將構件組裝至薄片金屬板之方法，其包括下列步驟：提供一具有一由內徑、外徑及深度界定的環形容納盲孔之薄片金屬板，該盲孔圍繞一非凹陷板材之中心島狀物；提供一具有一沿著其外周圍且相鄰於其底端之底切部的構件；設置該構件之至少一部分在該盲孔中；以及將一工具壓靠在該金屬板上，藉此將圍繞該構件之該金屬板的材料推入該底切部中。
  4. 如請求項3之方法，其中，該構件包括一具有頂部、底部、高度及一具有螺紋之中心孔的緊固件。
  5. 如請求項4之方法，其中，將該工具壓靠在該金屬板上的步驟亦將該金屬板之材料推入從該頂部沿著該緊固件之中心孔的整個長度延伸至該底部的該等螺紋中之至少一凹槽中。
  6. 如請求項3之方法，其中，該工具沒有壓靠在該緊固件上。
  7. 如請求項3之方法，其中，該工具在其底端具有一嵌壓頭，該 嵌壓頭具有一適用以將板材移位至該底切部中之向外擴散斜面。
  8. 如請求項4之方法，其中，該工具具有一用以容納該緊固件之環形洞，該洞具有實質大於該緊固件之高度的高度。
  9. 如請求項4之方法，其中，該工具具有被該洞圍繞且帶著一尖端之中心沖頭，該尖端在材料被推入該底切部的同時，向外移位板材至該等螺紋中之至少一者的凹槽中。
  10. 如請求項9之方法，其中，該緊固件沒有一用以將該金屬板之材料推入該底切部之嵌壓頭及該工具係用以靠著該緊固件移位該金屬板之材料的唯一裝置。
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