TWI541445B - 形成螺紋之固定件 - Google Patents

Description

形成螺紋之固定件

本發明係關於一種形成螺紋之固定件。尤其係關於一種自攻螺絲，其可特別適用於與一柔軟材料之螺帽錨件一起使用。此處術語「螺帽錨件」係指固定件可被固定的任何分離的螺帽或任何錨件或支件。

一般公認，旋入於柔軟材料如塑膠、軟金屬等之自攻固定件(fastener)必須達到許多基本要求，即：在組合時，其等在相關的螺帽或支撐構造中形成匹配螺紋時，必須產生一低的攻牙扭力；在鎖緊時，固定件必須能夠維持相當的抗螺紋被剝落的扭力；固定件及螺帽錨件之組合必須可在施加外力時維持接合完整性；及固定件必須可維持對包含固定件被旋入的螺帽錨件之柔軟材料的塑性流動或潛變造成的接合鬆弛之合理抗力。

今日使用的許多此種固定件具有對垂直於螺絲軸心之線為對稱的三角形橫剖面幾何形狀之螺紋設 計，其等被建構成對此同一垂直線為非對稱，或被建構為堆疊之梯形。亦有與上述三角形或梯形不同的非對稱螺紋外形，且在一螺帽錨件材料內產生力量而造成錨件材料流動，此可增加沿著螺絲螺紋外形之匹配後面之螺紋齒腹材料接觸。請看吾人之美國專利No.5,061,135。

如第1圖所示，上述已專利的固定件具有一柄2，其通常包含一圓柱形芯部3及以螺旋形式環繞3產生的螺紋4，螺紋具有齒距4’。螺紋4外形之後面(trailing face)5係與螺紋直徑成一角度α，較佳為10°-15°，此直徑係垂直於芯部3的縱軸心。螺紋外形亦有一前導面(leading face)6，其具有一彎曲部6a從芯部3延伸至前導面上的一點7，在此轉變為一線性部分6b，其相對於該直徑成一角度β為17°至25°且延伸至頂端8。從點7至頂端8間的垂直距離係在螺紋高度9的23-27%之範圍內。並且，彎曲部分6a之半徑10的大小為0.22至0.30乘以公稱螺絲直徑或尺寸。

具有上述螺絲螺紋幾何形狀之固定件，藉由產生螺帽錨件材料之材料流動而造成改良的性質狀況。但是，材料流動並非如所希望地順利，且先前技術之螺絲仍有在固定件之插入期間造成螺帽錨件之應力龜裂的一些可能性。

因而，本發明之一目的在提供一螺紋固定件，具有一螺紋外形設計，當使用在柔軟的螺帽錨件材料時其可提供改良的組合或攻牙扭矩，且尤其提供對螺 紋脫牙或失效扭力之特別高的抗力。

本發明之另一目的在提供一此種固定件，當組合到一螺帽錨件時，其在固定件及螺帽錨件之匹配螺紋外形提供改良的組合負荷分佈。

本發明之另一目的在提供一此種固定件，其在螺帽錨件螺紋產生的期間可造成螺帽錨件材料之順利流動，且避免在螺帽錨件材料內顯著的誘發力方向上之變化。

本發明之又另一目的在提供一此種固定件，當固定件對錨件攻牙時，可將螺帽錨件材料中之應力龜裂的可能性減到最少。

其他目的將隨後說明而了解而更為明顯。

因而，本發明包括構造特徵、元件之結合及零件配置，在下列詳細說明中將舉例，且本發明之範圍將在申請專利範圍中指出。

一般，本發明固定件包括一柄，通常包含一具縱軸心之圓柱形芯部及一沿著並環繞芯部延伸之一螺旋狀螺紋。固定件亦在柄之一端包含一驅動器頭。螺紋具有一外形環繞界定範圍的半徑而發展，其在固定件或螺絲被組合到螺帽錨件的期間會產生可變化的力向量。此螺紋外形強化匹配螺紋強度且改善螺帽錨件螺紋在組成內崩解的抗力。

軸向剖面之螺紋外形包括多個區域。尤其，第1區域包括一凹陷前導面部分，其從芯部延伸到一約為螺絲螺紋深度之22-27%左右的位置。在這方面，其係 與顯示在第1圖之吾人先前技術專利之固定件的部分或區域相似。但是在本固定件中，凹陷前導面部分很順利地在一共同切線處轉換到一屬於凸出構成的第2區，使得沿著前導面之螺紋外形頂端在大小方面朝固定件導程進入部減少，即朝螺絲頂端減少。

螺紋外形亦在其後面包含一第3區，從芯部延伸到位於螺紋外形之約一半深度的點。在此點，後面轉換到一第4區，其被構成沿著螺紋外形之外半部之一凸出部分。一第5及最後區被構成一凸出半徑，其將前及後面凸出半徑在螺紋頂端混在一起。

如吾人將了解，上述許多螺紋外形區或部分中之半徑的結合，在固定件被旋入錨件中之時強化了柔軟螺帽錨件材料順利地流動之能力，且亦改善包括吾人之自攻螺絲或固定件與如塑膠或輕金屬或金屬合金之柔軟材料製成的螺帽錨件結合之總成的整體性能。

A‧‧‧中心軸心

N‧‧‧螺帽錨件

γ‧‧‧螺旋角

W‧‧‧軸向應力

G‧‧‧偏轉量

20‧‧‧形成螺紋之固定件

22‧‧‧驅動頭

22a‧‧‧凹部

24‧‧‧柄

24a‧‧‧自由端段

26‧‧‧芯部

28‧‧‧螺紋

28’‧‧‧外形

34‧‧‧螺紋外徑

36‧‧‧螺紋外形高度

38‧‧‧螺紋齒距

41‧‧‧半徑

42‧‧‧前導面

42a‧‧‧第1徑向內凹入區

42b‧‧‧第2徑向外區

43‧‧‧點

44‧‧‧後面

44a‧‧‧第3徑向內區

44b‧‧‧第4徑向外區

46‧‧‧第5或頂端區

46b‧‧‧前導面部

47‧‧‧轉換位置

48‧‧‧螺紋外形頂端

48b‧‧‧後面部

52‧‧‧外形

52‧‧‧臨界點

53‧‧‧半徑

54‧‧‧點

54‧‧‧寬度

55‧‧‧距離

56‧‧‧選定的高度

58‧‧‧選定的寬度

60‧‧‧板

62‧‧‧干涉

63‧‧‧半徑

66a‧‧‧徑向力

66b‧‧‧軸向力

80‧‧‧合力

82‧‧‧合力

82a‧‧‧徑向力

82b‧‧‧軸向力

92‧‧‧合力

92b‧‧‧拉伸負荷

46a,48a‧‧‧徑向內部

50,51‧‧‧節徑

100‧‧‧固定件柄

102‧‧‧芯部

104‧‧‧雙導程螺紋

108‧‧‧螺紋齒距

106‧‧‧螺紋導程

104‧‧‧螺紋

104b‧‧‧第2中間外形

104a‧‧‧第1外形

110‧‧‧減少量

第1圖係顯示先前技術形成螺紋之固定件的螺紋外形之片斷剖面圖。

第2圖為係以較小比例顯示本發明一實施例的形成螺紋之固定件之片斷側視圖。

第3及3A圖係以較大比例顯示第2圖之固定件的螺紋外形之示意圖。

第4圖係類似第1圖，顯示包含於本發明之雙導程螺絲螺紋之螺紋外形圖。

為了更進一步了解本發明的特性及目的，將結合下列圖面而參照下列之詳細說明：參考第2圖，顯示配合本發明之一形成螺紋之固定件20。固定件20包含一驅動頭22及一從頭延伸且用於旋入螺帽錨件N(第4圖)的柄24。頭可為如圖示之任何希望的類型或構造且可包含一凹部22a，或一突部，其可促進固定件之轉動。並且，雖然圖示的柄24通常為圓形剖面，但是亦可為小葉狀橫剖面之形式。例如，其可為美國專利No.3,195,156所述之具有三葉橫剖面。較佳地，柄24之一自由端段在24a逐漸變細，以方便固定件插入螺帽錨件。

柄24包含一芯部26，其具有一非對稱螺紋28以螺旋型式環繞芯部26。此螺紋在軸向剖面具有一外形28’，其可延伸於芯部之整個長度或沿著其一部分。螺紋之螺旋角γ的大小係由螺絲螺紋之外徑或尺寸34的螺紋高度36與螺絲螺紋之齒距38間的直徑關係而決定。

較佳地螺紋外徑34落在1-10mm之範圍內。為了實際應用之考量，應認為固定件20具有一公稱直徑尺寸，其係直接關於一標準自攻螺絲類型。但是，須了解，本發明並不限於任何特定直徑或公稱尺寸。固定件20具有單一開始螺紋28。然而，如吾人將在第4圖中看出，本發明亦同樣地可適用於具雙開始螺紋的固定件。

現參考第3圖，更詳細地顯示螺紋外形28’。從此圖中看出，螺紋外形28’具有一前導面42，包含一 第1徑向內凹入區或部分42a，其係類似於第1圖之部分6a。亦即，其係如上述專利所述，具有一半徑41在0.22至0.30乘以螺絲直徑34(第2圖)。部分42a從芯部24延伸到一點43，在此，前導面轉換到一凸出的第2徑向外區或部分42b，轉換係在兩部分共同的切線T產生。螺紋外形28’亦具有一後面44，包含一第3徑向內區或部分44a，其係直線狀且從芯部24延伸到一位於沿著螺紋高度36(第2圖)之約半途的轉換位置47。在位置47，後面44轉換到一第4徑向外區或部分44b，其具有一凸出半徑且幾乎延伸至螺紋外形頂端48。螺紋外形28’係由第5頂端區域或部分46而完成，其構成有一半徑63與鄰接到螺紋外形頂端48的前及後面部分42b及44b的凸出半徑混在一起。

故，明顯地，本固定件之螺紋外形28’與第1圖所示之先前技術外形之不同，因為在鄰近螺紋外形之頂端有3個不同的凸出半徑之結合。

參照第3及3A圖，為了建立一基部並自此設計本螺紋外形28’，吾等以虛線顯示重疊在一典型的非對稱螺紋外形上之外形52。此外形之前導面部分42b具有一半徑53，其係從外形52之點43與一點54之相對位置而構成。點43與螺紋外形52之外周或頂端有一距離55。該距離係在螺絲螺紋高度36(第2圖)之22-27%，較佳為25%的範圍內。如第3A圖所示，點54係由使用一典型的非對稱螺紋52而界定，其具有一頂端寬度56，其長度為螺紋軸向齒距38(第2圖)之4-7%。部分42b之 半徑53必須為0.190至0.205，較佳為0.190乘以軸向齒距38。

螺紋外形28’之後面44的部分44b具有一半徑62，其構成與非對稱螺紋52之點54相關，且上述轉換位置47在螺紋之外周下方的螺紋深度之約50%。半徑62較佳為在軸向齒距38之75-125%之範圍內，更佳為大致等於該齒距。

螺紋外形28’之第5區域或部分46完成螺紋頂端48，且如上所指出，將前及後螺紋外形面部分42b及44b混在一起。較佳地，部分46具有一半徑63約為非對稱螺紋52之寬度的一半，且為螺紋之軸向齒距38之2.5-3.5%。

從螺紋外形28’及52之比較可看出，更典型的外型52比固定件20之外形28’提供更初期的螺帽錨件材料位移。事實上，由第3圖顯示，由於需要位移更多螺帽材料，螺紋外形52之初期合力需要相當高的初期攻牙扭力。第3A圖中之力圖顯示，會產生一徑向力66a及一軸向力66b，其等係從高的初期合力66導出的分力。徑向力66a係產生一般螺帽錨件之柔軟材料的環應力龜裂之主要原因。

在本螺紋外形28’中，具有如上述定義的半徑53之部分42b係構成使其在其外周尺寸減少，且係從螺絲公稱外徑34(第2圖)朝向箭號A方向的螺絲領先進入點。該半徑終止於點43，在此與部分42a之前方凹入半徑41在共同切線T結合。較佳地，線T相對於芯部 24成一角度δ1為73°-78°，較佳為75°。

從第3及3A圖之力圖顯示，由螺紋外形28’之部分42b產生的合力80係減少到先前技術之非對稱外形52的合力之下，結果合力的徑向力80a及軸向力80b亦然。當在固定件20之組合期間有更多錨件材料位移時，必須要有較高的負荷用來產生此位移。這些變化係在第3圖之另外力向量圖中顯示，其中合力82被化為一徑向力82a及一軸向力82b。藉由在固定件外形28’中採用半徑53，材料之順利流動變化明顯，且徑向力82a之增加並不與第1圖中採用直線成角度向前的頂端面之情況時的增加率相同如。由固定件20產生的總環應力之減少，可改善螺絲/螺帽錨件總成之接合完整性。

通過前導面42之區域或部分42b所產生的上述優點，係在區域42b在點43轉換到凹入前區域42a完成，在此，共同切線T相對於芯部24成一角度，其方式為當切線向內朝在芯部之螺紋的根部移動時會增加螺紋外形寬度。

再參考第3圖，螺紋外形28’之後面44係使用上述半徑62而構成。此半徑係增加第4區或部分44b之表面積到超過在第1圖顯示的螺紋外形2之通常直線形後面5之表面積。此可產生比當固定件在拉伸負荷92b下被鎖緊入螺帽錨件N內(第4圖)，少的材料應力，拉伸負荷92b具有一徑向分力92a，其減少螺絲/螺帽錨件接觸面更靠近到固定件芯部26。一次要的考量是可引導合力92到垂直於半徑62之切線的方向，以在螺帽錨件 材料內提供一更均勻的應力分佈。當固定件20受到朝箭號A方向的軸向退出力作用時，徑向分力92a減少螺帽錨件材料裂開之傾向。

後面外形部分44b之半徑62的構成方式為，當與習知非對稱螺紋外形52之頂端比較，增加螺紋「厚度(fatness)」及螺帽錨件材料位移的大小，以補償由上述部分42b,44b及46之半徑在頂端48混合所造成的減少之位移，較佳為，後面部分44b之半徑62使用與前導面部分42b之半徑53之構造的相同點54而構成。如上所述，此半徑終止於轉換位置47，其必須為0.5至0.7，較佳地0.5乘以螺紋外形28’之總高度36。然後，後面44係以作為半徑外形的線性延伸部或切線的方式連續到芯部26。將後面之凸出區域44b延伸到較靠近芯部26在負荷承載能力上並不提供任何額外可測定的優點。

但是，若將後面之區域或部分44b如第3圖中之虛線44b’所示向下延伸到芯部26的話，該延伸部應與芯部26在一軸向位置交叉，在此位置交叉於一非對稱螺紋52之根部，此非對稱螺紋52係相對於芯部的縱軸成一角度δ2為77.5°至82°，較佳為80°。此控制提供在施加固定件及螺絲螺紋構造期間材料位移的限制，而上維持依本發明之目的之上述向量力的控制。

如上所述，第5區域或部分46之半徑63係一混合半徑用於確保前在頂端半徑53及後頂端半徑62之間的順利轉換。混合之半徑63的大小在0.025-0.035之範圍內，較佳為0.030，乘以軸向齒距38(第2圖)。上 述之混合半徑63可減少在螺紋攻牙操作或當總成受到外部退出力作用時，在螺帽錨件材料中產生的傷害性之「應力引起者」之可能性。

現參考第4圖，其顯示旋入一螺帽錨件N中的一固定件柄100。柄包括一芯部102及一雙導程螺紋104，其包括一第1外形104a及在芯部上之一第2中間外形104b。螺紋104之螺紋導程106係螺紋齒距108之螺紋導程的兩倍。較佳地，中間外形104b之直徑係從公稱螺絲螺紋直徑減少一量110。此減少的目的在完全利用藉由使用兩個開始螺紋產生的高螺旋角，因為在螺紋外形104a之相鄰齒峰之間的剪力區為最久。減少量110之大小必須在總螺紋高度36(第2圖)之15-20%的範圍內。

減少中間外形104b到此量以下，將不會允許力偶的益處引起螺帽錨件材料最可能朝組合後的螺帽/錨件螺紋之負荷面移動。並且，使用齒距等於雙導程螺紋之導程的單開始螺紋，雖然在螺帽錨件之對應的應力區提供相同的螺旋角增加，但是不會有如本發明產生的螺帽錨件材料流動之優點。

由上述可了解，使用本發明之形成螺紋之固定件及總成時，使固定件與螺帽錨件一起可承受比習知固定件總成系統能達成者較高的軸向退出力。

並且可了解，從前述說明變成明顯的上述目的可有效地達成。並且，在不違離本發明之範圍，可從事上述構造的許多變化。故，包含在上述說明或顯示在 附加圖面中的所有事物需解釋為說明用途而非限制用途。

且須了解，下列申請專利範圍係涵蓋在此說明的所有本發明通稱及具體特性。

20‧‧‧形成螺紋之固定件

22‧‧‧驅動頭

22a‧‧‧凹部

24‧‧‧自由端段

26‧‧‧芯部

28‧‧‧固定件螺紋

28’‧‧‧螺紋外形

34‧‧‧螺紋外徑

36‧‧‧螺紋外形高度

38‧‧‧軸向齒距

Γ‧‧‧螺旋角

Claims (10)

1. 一種形成螺紋之固定件，包含：柄部，構造成將被螺入螺帽錨件；該柄部之螺紋，具有外型，該外型包含前導面，由第1徑向內凹區所構成，其中該前導面係自該第1徑內凹區轉換至第2徑向外凸區；及後面，由第3徑向內直線區所構成，其中該後面係自第3徑向內直線區轉換至第4徑向外凸區。
2. 如申請專利範圍第1項之固定件，其中該外型更包含第5頂端區，該第5頂端區將該前導面的第2徑向外凸區與該第4徑向外凸區混合在一起。
3. 如申請專利範圍第1項之固定件，其中該第1徑內凹區的半徑係在該螺紋之軸向螺距的0.22至0.30倍的範圍。
4. 如申請專利範圍第1項之固定件，其中該第1徑向內凹區係自該柄部的芯部延伸至一點，於該點，該前導面自該第1徑內凹區轉換至第2徑向外凸區。
5. 如申請專利範圍第1項之固定件，其中在該第1徑向內凹區與該第2徑向外凸區的共同切線發生轉換。
6. 如申請專利範圍第5項之固定件，其中該切線係相對於該柄部的芯部以73°至78°的角度延伸。
7. 如申請專利範圍第1項之固定件，其中該第3徑向內直線區係自該柄部的芯部延伸至一點，於該點，該後面係自該第3徑向內直線區轉換至該第4徑向外凸區。
8. 如申請專利範圍第1項之固定件，其中該外型包含與 該外型之頂端相鄰的三個相異的凸半徑之組合。
9. 如申請專利範圍第1項之固定件，其中該第2徑向外凸區之半徑係在該螺紋之軸向螺距的0.190至0.205倍的範圍。
10. 如申請專利範圍第2項之固定件，其中該第5頂端區之半徑係在該螺紋之軸向螺距的0.025至0.035倍的範圍。