CN101137848B - 具有接合斜面的螺旋驱动紧固件 - Google Patents

Abstract

本申请的紧固件设计成能够方便地将转动动力驱动工具***凹槽18之中。紧固件的凹槽一般使用螺旋形构造的驱动面，并在紧固件上表面的沉孔中形成。驱动叶突具有进入沉孔中并下降一个距离的上表面。斜坡表面形成于每个上表面上，使得自旋车刀落入接合方式的凹槽中。斜坡表面构造为同时具有移除和安装斜面部。

Description

具有接合斜面的螺旋驱动紧固件

发明背景

1.技术领域

本申请一般涉及用于螺纹紧固件的驱动装置、制造它们的工具，以及向这种紧固件施加扭矩的驱动器。更具体而言，本申请涉及使用翼型驱动器的紧固件。尤其是，紧固件具有设置有螺旋驱动面的凹槽，进一步地，其中所述凹槽设计成能接合转动驱动器。

2.相关技术发展情况的简要说明

通常用于工业应用的螺纹紧固件一般由具有由动力工具在高速以及在高扭矩载荷下驱动。这样在设计上考虑存在困难，特别是对于驱动装置，并且更特别地，螺纹紧固件在其头部具有驱动器接合凹槽。理想地情况，这种驱动装置应该能够被容易地制造，同样不论是凹槽和头部的几何构造，还是用于形成紧固件头部的相应工具以及用于接合凹槽的驱动器也应该能够被容易地制造。紧固件头部的强度将不会由于凹槽而受到不利地影响。驱动器应该能够容易地***以及容易地退出凹槽。当驱动器和凹槽配合时，应该均匀地分布应力载荷以避免形成应力高度集中的区域，这可以导致凹槽、或者驱动器、或者两个都产生变形，进而使驱动装置过早失效。

当紧固件受到驱动时，驱动装置应该能够阻止驱动器从凹槽中脱出。在多数应用中，紧固件必须能够承受一些周期，这是很重要的，例如，为了修理或者重置部件或者为了移除和置换检修板，在应用中必须能够除去紧固件。理想地，紧固件驱动装置应该能够承受这种重复周期，特别是在那些凹槽可以被污染、涂料、腐蚀、或者在使用中受到不利影响的情况下。在这种情况下，驱动装置能够保持驱动接合是必要的，同时在移除方向上施加扭矩。当移除紧固件时，对于驱动装置而言能够施加更高水平的扭矩，可能是必要的，当在初始装配期间紧固件受到过度扭转时，或者当腐蚀发展到接触面上、接合螺纹上，或者如果装配组件的热循环已经向紧固件施加了增强的应力时，这种需要也会出现。当一个或多个以及其它特征会存在相互冲突的考虑时，可以作出一种有利于其它因素的折衷。

多种凹槽和驱动器构造是通用的，包括多个横槽，比如那些在U.S.专利No.24,878(Smith等)；U.S.专利No.3,237,506(Muenchinger)和U.S.专利No.2,474,994(Tomalis)中描述的。其它紧固件几何构造包括如在U.S.专利No.3,763,725(Reiland)中描述的多叶突型几何构造，以及如在U.S专利No.4,187,892(Simmons)中描述的肋状驱动装置。在通用的凹槽构造中还存在一种Allen形式构造，所述Allen形式基本是一个直壁六边形插槽，能够容纳类似形状的驱动器。

除肋状装置之外，驱动器和凹槽的壁和面一般设计成能彼此相互适配以实现驱动以及受到驱动的表面能够面对面的接触。对于具有横向凹槽的紧固件，即使可以出现面对面的接合，也仅当驱动器被适当对准并被座落于凹槽内部时，才会出现这种面对面的接合。然而，实际上，为了能够使驱动器***至凹槽中，在二者之间必定应存在一定的间隙。

这种间隙的必要性甚至比具有基本竖直驱动壁的凹槽(如在Reiland′725专利中的方式和Allen头部方式)甚至更有意义。在所有这些方式中，实际应用中这种必要的间隙为基本面对面的，即使可以，在驱动器和凹槽表面之间的宽平面接触也很少能够实现。对于用于螺纹紧固件的大多数驱动装置，驱动器与凹槽最终以点或线接触而非面对面的宽平面接触方式配合。一般实际的接触面积基本达不到完全的面对面接触。从而，当由驱动器施加扭矩时，向螺栓头部施加的作用力倾向于集中在局部区域上，这样导致了较高的局部应力。这种局部的高应力可以使凹槽产生塑性变形，形成斜面或其它变形将导致驱动器从凹槽中过早地、不期望的脱离。

在现有技术中已经意识到前述困难。例如，U.S专利No.2,248,695(Bradshaw)批露了一种螺栓头部和驱动器装置，其中驱动器和紧固件的驱动和被驱动表面分别受到弯曲并偏离螺旋轴线而设置。在Bradshaw紧固件中，只要可以它可以通过摩擦接合进行接合或咬合，可以使用任何“合适的曲度”(例如圆形或对数螺旋线)。尽管Bradshaw给出了教导，后来的紧固件驱动装置，如上述涉及到的那些装置，似乎没有采用依赖摩擦接合的Bradshaw教导。

一种可以最大化驱动器和凹槽之间的接合表面积的驱动装置已经在U.S.专利No.5,957,645中进行了描述，这种装置一般也包含于该申请主题中。′645专利的公开文本通过引用的方式被纳入本申请中。′645专利中的凹槽和驱动器通过螺旋装配接合表面而构造。

在′645专利中描述的发明优点通过分别将驱动器和紧固件的驱动和被驱动表面构造成与螺旋形的一部分相一致，以及特别地，在这种螺旋构造中，在驱动器的***和移除期间能够在驱动器和凹槽之间留有相当大和足够间隙，但是完全坐位驱动器能够发生转动以占据该间隙。驱动器驱动壁和凹槽与驱动器接合壁的螺旋构造是如此设置，当螺旋壁相接合时，它们在相当宽的面积上接触，并由此向宽区域施加和分布应力。螺旋形配合的驱动和被驱动面适于使所施加扭矩的主要部分在基本正交于紧固件半径的方向上，如果可以，几乎不依赖摩擦的、接近切向的接合。

虽然每个多叶突驱动装置都有一些相似和区别，这是它们之间共有的，当凹槽和驱动器的接合被最优化时，驱动器的***则变得出现更多的问题。为了获得快速、充分的接合，需要在驱动器和叶突之间进行相当精确的对准。这在制造以及在其它当驱动器发生通常转动与紧固件凹槽接合的情况下，是尤其重要的。在这种转动模式以及甚至在简单手动安装的情况下，驱动器在凹槽中无法正确定位可以产生紧固件头部的变形，甚至紧固件的破坏。为了解决这一问题在现有技术中已经提供了一些解决方案。

U.S专利Nos.2,77,353、3,253,625以及3,620,106中描述了在特定的驱动器设计上应用的提前***加强凹槽构造。最近，U.S.专利No.5,171,117向Seidl于1992年颁布，并描述了适用于多片状凹槽的导向面27。该装置的导向面延伸经过叶突的上表面，并逐渐朝紧固件的安装方向逐渐向下倾斜。该构造难于制造，仅能方便安装。这在接合驱动器中沿紧固件的移除方向上是相反的。

本发明的目的就是在凹槽叶突上构造表面，这种表面容易制造并在紧固件转动的两个方向上都设置有斜面。

发明内容

本申请的紧固件设计成能够方便地将转动动力驱动工具***紧固件的凹槽之中。紧固件的凹槽通常使用螺旋形构造的驱动面，并构造成具有四个径向向内伸出的叶突，限定了凹槽的翼片。叶突形成于在紧固件上表面的沉孔中，并且每个叶突具有进入沉孔并下降一段距离的上表面。斜坡表面形成于上表面中，使得自旋车刀落入接合方式的凹槽中。斜坡表面构造为同时具有移除和安装斜面部。移除斜面部从一个顶点延伸至预定周长扇区的下降边。移除斜面部以一个复合角形成下倾面，所述复合角朝紧固件轴线呈大致向下、径向向内的方向，并沿移除方向基本向下倾斜。安装斜面部从斜坡表面的顶点延伸至另一预定周长扇区的上升边。安装斜面部以一个复合角形成下倾面，所述复合角朝紧固件轴线呈大致向下、径向向内的方向，并沿安装方向基本向下倾斜。

以这种方式，紧固件凹槽被设置成可以使用熟知的工艺制造，并在安装和移除方向上都便于接合。

附图说明

本发明的紧固件将在下文中参照附图进行更详细的说明，其中：

图1为平头螺栓的透视图，所述平头螺栓具有螺旋形构造的凹槽；

图2为平头螺栓的横断面图，所述平头螺栓具有根据本发明的斜面叶突表面；

图3为紧固件的横断面图，所述紧固件具有根据本发明的接合斜面；

图4为冲压器的透视图，所述冲压器用于制造图2的凹槽；

图5为图4中冲压器的俯视图；

图6为图4冲压器沿图5剖面线8-8的侧视剖面图；

图7a-7e示出了使用冲压器以形成本发明凹槽的构成步骤图；以及

图8a-8b示出了应用图7冲压器冷成形本发明的凹槽。

具体实施方式

图1示出了一种示例性的螺纹紧固件10，具有在其一端形成有螺纹14的杆部12，以及在其另一端形成有凹槽18的头部16。头部16可以由常规的双冲头机器形成，其中制造紧固件的金属或其它材料端部由冲头机器的冲模支撑，同时其端头部也受到冲击，先使用冲压器部分地形成头部，然后，形成驱动器-接合凹槽。

凹槽18如图所示具有中央部20和多个径向向外延伸的翼片22。形成在图1实施方案中的凹槽以使每个翼片22具有安装壁24(采用右旋螺纹14)，以及移除壁26。安装壁24和移除壁26优选形成为基本垂直、确定、或与螺栓纵向轴线平行的近似圆柱面。凹槽底部可以由锥形底壁28限定。每个翼片的径向外端轮廓可以通过在翼片的安装壁24和移除壁26之间设置平滑曲率过渡30而成形。凹槽还包括在一个翼片22的安装壁24和依次相邻翼片22的移除壁26之间的内侧过渡壁32。

很容易理解，本发明可以包含于多种构造的螺纹紧固件中，这些构造包括呈普通交叉形以及那些具有多于或少于所示四个翼片形状的凹槽。尽管本发明的主题参照螺旋型接合进行描述，本发明对于具有其它接合方式的凹槽也同样有效。

本发明的紧固件与如图1所示基本相同，还包括如图2所示的变型。如上所述，本申请的紧固件10设计成能够方便地将转动动力驱动工具***凹槽18之中。本发明紧固件10的凹槽18最好如附图2的剖视图以及图3的透视图所示。紧固件10包括头部16和杆部12。头部16构造有形成于其头部16的上表面7上的凹槽18。凹槽18构造成，例如，具有四个径向向内伸出的叶突3，所述叶突限定了凹槽的翼片22。

本发明紧固件的叶突3形成于上表面7的沉孔2中，并具有低于沉孔2一个距离d的上表面8。

每个斜坡表面1类似地形成于叶突3的凹陷上表面8中，如图2和3所示，并构造成具有在大约90°的扇区内延伸的斜面1。斜面1和沉孔2使自旋车刀落入接合方式的凹槽中。叶突表面8的斜面1分别构造有两个移除和安装斜面部5和6。

移除斜面部5从斜面1的顶点9延伸至下降边11(按图1使用的顺时针方向40旋转)以形成扇区周长x。移除斜面部5沿一个复合角形成下倾面，所述复合角呈大致朝紧固件轴线向下、径向向内的方向，并沿移除方向(图1中的逆时针方向41)以角度A基本向下倾斜，如图所示。角度A在范围1°-2°的范围内。

安装斜面部6从斜面1的顶点9延伸至上升边15(按图1使用的顺时针方向40旋转)以形成扇区周长y。安装斜面部6也沿一个复合角复合角形成下倾面，所述复合角呈大致朝紧固件轴线向下、径向向内的方向，并沿安装方向(顺时针方向40)以角度B基本向下倾斜，如图2所示。角度B在2°-6°的范围内。

在图2的实施方案中，斜面部6以大致呈60°的扇形延伸，斜面5以大致呈30°的扇形延伸。这将根据叶突的数目而改变，但为了方便制造，通常斜面部的相对尺寸大约为2∶1。

随着趋近斜面1，沉孔2通过促进驱动器的接合辅助驱动器的接合。在斜面1的顶点9上，沉孔2具有最小深度d，所述深度的变化取决于紧固件的尺寸，例如，对于具有尺寸为MT-1的凹槽的紧固件，该深度设为.0044英寸。斜面部6从顶点9沿安装方向以角度B下倾一个深度d1。斜面部5沿移除方向以角度A下倾一个深度d2。

冲压器50如图4-6所示，并构造为通过以众所周知的方式在高压下冲压以用于在紧固件坯料之中冷成形本发明的凹槽。冲压器50形成有叶突52，叶突52用于形成如图2和3所示紧固件10的翼片22。叶突52从表面53向外延伸，也即构造成形成紧固件10的沉孔2。表面53形成与斜面部5和6的镜像外廓以形成紧固件10的斜面1。

为了实现该技术方案，表面53构造成具有从表面53顶点59沿图5中的顺时针方向延伸至相邻叶突52顶端61的部分55，以形成扇区周长x。部分55沿一复合角度形成上倾面，该复合角度大致呈朝向冲压器轴线向上、径向向内的方向，以及朝向顶端部61以角度A大致向上倾斜，如图2所示。角度A在1°至2°的范围内。

此外，从表面53顶点59沿图5的逆时针方向延伸至相邻的叶突顶端部62以形成扇区周长y。部分56以一复合角度形成倾斜斜面，该复合角度大致呈向上、朝向冲压器轴线径向向内，以及朝向顶端部62以角度B大致向上的方向，如图2所示。角度B在2°-6°的范围内。在图5的实施方案中，部分56以大致呈60°的扇形延伸。以及部分55以大致呈30°的扇形延伸。这将根据叶突的数目而改变，但为了方便制造，通常斜面部的相对尺寸大约为2∶1。

冲压器50构造成，如图7a-7e所示的形状，之后以如图8a和8b所示众所周知的方式用于冷成形紧固件10。

为了构造冲压器50，可以使用(Wire-EDM)放电线切割操作制造冲模或者母模(hob)70，如图7a-7e所示，用于冷压成型冲压器，所述冲压器可以制造紧固件10上的凹槽。母模70由钢棒原材的坯料71构造而成，例如，长度为一英寸，直径为一英寸，也就是说，无轴压延至偏差为1英寸(inch)+.0005/-.0000。坯料的端部需要平行与垂直于外部直径。为了确保成功的放电线切割操作，精密公差是必要的。如图7a所示，在坯料71上沿轴向地钻出直径小于凹槽18根部直径的中心孔72。

然后将整体测量过并钻过孔的坯料71定位在放电线切割夹具，将***的线穿过孔72。放电线切割通过编程操控切掉材料块以形成呈螺旋形凹槽18的模腔73，如图2所示。为了在冲压器50每个叶突上形成部分55和56，EDM探头80被加工成具有表面53的外形，如图7c所示。表面81，82，83和84在探头80上机械加工而成。为了获得用于斜坡表面的需要的形状，表面81-84以9°和15°的复合角加工而成。

使用探头80，如图7d所示，沉孔74具有形成于每个叶突上的斜坡表面75和76。然后母模70的模腔73与紧固件10的凹槽18一致，如图7e所示。然后母模70被用于通过冲压制造冲压器50。紧固件10可以使用冲压器50通过冷成形制造，如图8a和8b所示。

尽管本发明已经参照具体实施方案进行了描述，具体实施方案的描述仅仅是例证性的，并不认为是对本发明保护范围的限制。在不背离本发明精神和范围的情况下，对所述领域的熟练人员而言也可以进行多种其它的改进和变形，如在权利要求中所限定的。

Claims (19)

1.一种形成于紧固件头部上表面上的凹槽，所述凹槽包括：

多个径向向内延伸的叶突，限定了螺旋形构造的驱动面，所述驱动面构造成用于与相配合的驱动工具相接合，所述驱动工具用于在安装和移除方向上围绕纵向轴转动所述紧固件，所述凹槽还包括：

基本呈圆柱形的、受到轴向对准的沉孔，构造于紧固件头部的上表面中，其中所述多个叶突向外的上表面内凹于沉孔中；

斜坡表面，构造于位于所述多个叶突中的每一个的向外表面上，每个所述斜坡表面进一步包括：

安装斜坡部，径向向内并沿安装方向从所述斜坡表面的顶点周向地延伸，其中所述安装斜坡部从所述顶点沿径向和周向的复合角向下倾斜；和

移除斜坡部，径向向内并沿移除方向从所述斜坡表面的顶点周向地延伸，其中所述移除斜坡部从所述顶点沿径向和周向的复合角向下倾斜。

2.根据权利要求1的形成于紧固件头部上表面上的凹槽，其中所述安装斜坡部形成所述沉孔沿第一预定周长延伸的扇区，以及所述移除斜坡部形成所述沉孔沿第二预定周长延伸的扇区，以及其中所述第一扇区周长大于第二扇区周长。

3.根据权利要求2的形成于紧固件头部上表面上的凹槽，其中所述第一扇区周长与所述第二扇区周长的比例基本为2比1。

4.根据权利要求2的形成于紧固件头部上表面上的凹槽，其中所述第一扇区周向角为60°，所述第二扇区周向角为30°。

5.根据权利要求1的形成于紧固件头部上表面上的凹槽，其中安装斜坡部沿周向以预定角度向下倾斜。

6.根据权利要求5的形成于紧固件头部上表面上的凹槽，其中所述预定角度在2°-6°的范围内。

7.根据权利要求1的形成于紧固件头部上表面上的凹槽，其中移除斜坡部沿周向以预定角度向下倾斜。

8.根据权利要求7的形成于紧固件头部上表面上的凹槽，其中所述预定角度在1°-2°的范围内。

9.一种用于在紧固件头部上表面上形成凹槽的冲压器的制造方法，所述凹槽具有多个径向向内延伸叶突，限定了螺旋形构造的驱动面，所述驱动面构造成用于与相配合的驱动工具相接合，所述驱动工具用于在安装和移除方向上围绕纵向轴转动所述紧固件，所述方法包括以下步骤：

在冲模坯料中形成基本呈圆柱形的、被轴向对准的钻孔，

在所述钻孔中形成多个叶突，限定紧固件凹槽的多个驱动面；

在所述叶突的向外表面上构造在所述冲模的所述多个叶突中的每一个上的斜坡表面，所述斜坡表面在所述钻孔的沉孔中凹陷一个预定深度，每个所述斜坡表面进一步包括：

安装斜坡部，径向向内并从所述斜坡表面的顶点沿安装方向周向延伸，其中所述安装斜坡部从所述顶点沿径向和周向的复合角向下倾斜；以及

移除斜坡部，径向向内并从所述斜坡表面的顶点沿移除方向周向延伸，其中所述移除斜坡部从所述顶点沿径向和周向的复合角向下倾斜；

其中，

通过将冲压器坯料压入所述冲模中，冷压形成冲压器。

10.根据权利要求9的方法，其中，在所述叶突的向外表面上构造在所述多个叶突的每一个上的斜坡表面的步骤进一步包括以下步骤：

构造基本呈圆柱形的放电线切割探头，其形状适配于沉孔中，所述探头具有接合表面；

构造一系列成形面，与在所述接合表面上的叶突数目相匹配，从而形成安装和移除斜坡部的复合角。

11.根据权利要求10的方法，其中，构造一系列成形面的步骤进一步包括，以9°和15°的复合角机械加工四个成形面的步骤。

12.一种用于在紧固件头部上表面上形成凹槽的冲压器，所述凹槽具有多个径向向内延伸的叶突，限定了螺旋形构造的驱动面，所述驱动面构造成用于与相配合的驱动工具相接合，所述驱动工具用于在安装和移除方向上围绕纵向轴转动所述紧固件，所述冲压器包括：

冲压器头部，从杆部向外延伸至顶端部，在其上设置叶突以形成螺旋形构造驱动面，所述冲压器头部在其杆部具有第一直径以及进一步包括：

基本呈圆柱形的、经过轴向对准的基部，具有第二直径，所述基部在冲压器杆部上向外构造形成，其中，所述第二直径小于所述第一直径，并且进一步地，其中所述叶突从所述基部向顶端部向外伸出，并在径向上向第二直径延伸，所述叶突在各叶突之间的所述基部上向外形成翼形表面，

斜坡表面，构造于每个所述翼形表面上，每个所述斜坡表面进一步包括：

安装斜坡部，径向向内并从所述斜坡表面的凹点沿安装方向周向延伸，其中所述安装斜坡部从所述凹点沿径向和周向的复合角倾斜；以及

移除斜坡部，径向向内并从所述斜坡表面的凹点沿移除方向周向延伸，其中所述移除斜坡部从所述凹点沿径向和周向的复合角倾斜。

13.根据权利要求12的冲压器，其中所述安装斜坡部形成所述基部沿第一预定周长延伸的扇区，以及所述移除斜坡部形成所述基部沿第二预定周长延伸的扇区，以及其中所述第一扇区周长大于第二扇区周长。

14.根据权利要求13的冲压器，其中所述第一扇区周长与所述第二扇区周长的比例基本为2比1。

15.根据权利要求13的冲压器，其中所述第一扇区周向角为60°，以及所述第二扇区周向角为30°。

16.根据权利要求12的冲压器，其中安装斜坡部沿周向以预定角度倾斜。

17.根据权利要求16的冲压器，其中所述预定角度在2°-6°的范围内。

18.根据权利要求12的冲压器，其中移除斜坡部沿周向以预定角度倾斜。

19.根据权利要求18的用于紧固件的凹槽，其中所述预定角度在1°-2°的范围内。

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