CN101410634A - 锁紧螺母 - Google Patents

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CN101410634A CNA2007800097999A CN200780009799A CN101410634A CN 101410634 A CN101410634 A CN 101410634A CN A2007800097999 A CNA2007800097999 A CN A2007800097999A CN 200780009799 A CN200780009799 A CN 200780009799A CN 101410634 A CN101410634 A CN 101410634A
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Abstract

金属锁紧紧固件使其一部分有选择地硬化以使所述紧固件能够与具有不同硬度值的金属构件一起使用。紧固件的选择硬化能够通过施加所需作用力进行安装以刺穿所述金属构件和/或使其塑性变形，而不会使所述紧固件发生不希望的变形或形变。紧固件的螺纹部分或区域具有相对较小的适当硬度并且可以具有预制螺纹或随后通过与攻丝螺钉相接合而形成螺纹。

Description

锁紧螺母
本申请要求提交于2006年3月22日的美国临时申请No.60/784,878的优先权。
技术领域
本发明通常涉及自连接紧固件，更特别地涉及锁紧螺母。
背景技术
自连接紧固件在例如汽车和设备工业的许多工业中使用以将各种部件固定到金属构件上。锁紧螺母典型地包括中心引导或冲压部分，其至少部分地延伸到金属板或金属面板构件上的开口中。如果锁紧螺母为自刺穿的，中心引导部分与加工工具相配合以便在锁紧螺母连接到金属构件上时在金属面板上形成开口。
锁紧螺母通过压模构件(die member)连接到金属构件上，所述压模构件形成锁紧螺母和金属构件之间的机械锁紧。压模构件典型地使金属构件围绕所述开口变形，以便与锁紧螺母的引导部分和相邻底部端面形成接触。锁紧螺母的引导部分可以具有底切(undercut)，底部端面可以具有环形凹槽和/或突缘(lug)以增强与金属构件的接合。例如，RB & W Manufacturing LLC制造的
Figure A20078000979900071
牌锁紧螺母包含此类特征。美国专利6,220,804和6,409,444中图解说明了锁紧螺母及其安装到金属构件，这些专利的教导在此引入作为参考。
当锁紧螺母连接到金属构件上时，螺钉或螺栓旋入锁紧螺母中并紧固至规定的扭矩值。为此，锁紧螺母具有与这种螺钉或螺栓螺纹接合的中心孔。中心孔还可以在最后组装或安装期间通过与攻丝螺钉接合进行攻丝，以便根据特定紧固要求形成不同的螺纹。人们还希望在锁紧螺母固定到金属构件上之后形成螺纹以避免螺纹在螺母安装过程中变形。
为了提供具有类似强度的更轻质产品，往往利用高强度低合金(HSLA)钢、极高强度低合金(UHSLA)钢或马氏体高强度低合金钢形成面板构件或板构件。这种高强度材料具有从Rb80提高至Rc45的明显提高的硬度范围，并且需要抗压强度提高的锁紧螺母以便在其固定到金属构件上时确保自刺穿和/或连接，而不会产生不希望的变形或形变。也就是说，需要增大的刺穿负载和安装作用力以使金属构件变形为与锁紧螺母接合，从而将螺母安装到强度更高、硬度更大的金属构件上。这种增大的刺穿和安装作用力会使紧固件产生不希望的变形或形变。
在不丧失通过与自攻螺钉接合而形成螺纹的制造灵活性的情况下，不能简单地增大锁紧螺母的硬度和强度以解决上述问题。这由于自攻螺钉与硬度值小于32Rc的相对韧性金属一起使用而变得毫无疑问。
提供与具有不同的较高硬度值的金属一起使用的专用自攻螺钉和/或与具有不同强度和硬度特性的金属构件一起使用的具有各种硬度值的锁紧螺母是人们所不希望或不具竞争力的。迄今为止，在增大锁紧螺母，尤其是自刺穿螺母的抗压强度和随后通过安装后的锁紧螺母与攻丝螺钉相接合以形成螺纹的制造灵活性之间形成平衡。也就是说，具有不同硬度值的有限数量的锁紧螺母可以与许多不同的金属构件一起使用。
发明内容
现在已经发现，使锁紧紧固件的金属部分有选择硬化能够使它们与具有不同硬度值的金属构件一起使用。紧固件的选择硬化能够通过施加所需作用力进行安装以刺穿所述金属构件和/或使其塑性变形，而不会使所述紧固件发生不希望的变形或形变。另外，将要形成螺纹的紧固件区域具有适合于通过与攻丝螺钉相接合而形成螺纹的相对较小硬度。
因此，根据本发明进行选择硬化的锁紧紧固件可以与具有不同强度和硬度值的各种金属构件，例如HSLA、UHSLA和马氏体HSLA金属系列一起使用。另外，选择硬化的锁紧紧固件能够保持使用自攻螺钉进行装配连接的优点。
对高硬度淬透(through-hardened)紧固件进行感应硬化或孔回火可以使与硬度值为从大约Rb80增大到大约Rc45范围的金属构件一起使用的锁紧紧固件的一部分进行选择硬化，同时使螺纹形成区域具有从大约32Rc下降到大约90Rb范围的硬度值以便能够使用攻丝螺钉。因此，螺纹形成区域保持在适合于利用市售攻丝螺钉进行螺纹滚轧的硬度。例如，供硬度值为大约32Rc或更低的螺纹坯件一起使用的
Figure A20078000979900091
和
Figure A20078000979900092
攻丝螺钉由ResearchEngineering & Mfg.Inc销售。
在预制螺纹紧固件的情况下，内部区域硬度应当反映紧固件的预定性质类别的强度等级。例如，性质类别10应当使内部区域硬度为26Rc到36Rc，性质类别9应当使内部区域硬度为89Rb到30Rc。
锁紧紧固件典型地沿引导部分的轴向长度进行硬化以确保后者具有足够的抗压强度以刺穿金属构件。引导部分具有通常圆柱形状，并且在与引导部分外周相邻的外部区域内进行硬化。这样，外部区域具有圆形或圆柱形状，其具有高抗弯能力，从而进一步强化所述引导部分。
同样可以对围绕引导部分的紧固件主体部分的环形底端进行硬化以使底端区域具有与外部区域大体上相等的硬度。硬化底部区域与外部区域相配合以压制金属构件并使其变形以便与紧固件紧密接合。另外，底部区域的硬化增强了紧固件安装到金属构件上及其可靠性。底部区域可以设置有特殊构造或形状的元件以使塑性变形金属更好地变形和/或与其锁紧。
感应硬化方法有效地对与所述紧固件的中心孔相邻的内部区域进行微小硬化(如果有的话)。因此，内部区域保持为与初始紧固件相一致的硬度值，并且可以通过与攻丝螺钉接合来形成螺纹。
在所示实施例中，外部区域和内部区域通过中间区域相连，所述中间区域具有沿横向或径向向内方向减小的硬度。中间区域防止内部区域在外部区域的感应硬化期间产生不希望的硬度增大。
在本发明的另一个实施例中，同样对紧固件主体部分的环形顶部端面进行感应硬化以使顶部区域具有大于内部区域和/或大体上等于外部区域的硬度。顶部区域增强了紧固件对将其固定到较高强度金属构件上所需要的相对较大刺穿和/或安装作用力的抗性。
在这个实施例中，同样对紧固件主体部分的外周进行感应硬化以使外周区域具有大于内部区域和/或大体上等于外部区域的硬度。外周区域可以沿主体部分外周的轴向宽度的一部分延伸以提供附加的紧固件强度。
在进一步的变形中，外周区域沿主体部分外周的整个轴向宽度延伸以连接顶部区域和底部区域。这在紧固件的几乎全部外周或外侧部分上提供了硬度增大的相连且大体上连续的区域。这进一步提高和增强了紧固件对将其固定到较高强度金属构件上所需要的相对较大刺穿和/或安装作用力的抗性。
附图说明
图1是根据本发明进行选择硬化的锁紧紧固件的剖视图；
图2、3、4和5是以SAE J417b中所录数据为基础的钢硬度和钢极限抗拉强度之间关系的图表；
图6是与图1所示类似的剖视图，显示了根据本发明第二实施例进行选择硬化的锁紧紧固件；
图7是与图1所示类似的剖视图，显示了根据本发明第三实施例进行选择硬化的预制螺纹锁紧紧固件；
图8-10分别为锁紧螺母的透视图、底部平面图和剖视图，所述锁紧螺母包括根据本发明进行感应硬化的特定刺穿和/或接合几何形状；
图11-13与图8-10类似并且显示了另一锁紧螺母，所述锁紧螺母包括根据本发明进行感应硬化的特定刺穿和/或接合几何形状；
图14-16与图8-10类似并且显示了另一锁紧螺母，所述锁紧螺母包括根据本发明进行感应硬化的特定刺穿和/或接合几何形状；
图17-19与图8-10类似并且显示了另一锁紧螺母，所述锁紧螺母包括根据本发明进行感应硬化的特定刺穿和/或接合几何形状；
图20和21分别为紧固件的透视图和沿图20中的直线21-21剖开的剖视图，所述紧固件包括根据本发明进行感应硬化的特定刺穿和/或接合几何形状；
图22和23分别为紧固件的透视图和沿图22中的直线23-23剖开的剖视图，所述紧固件包括根据本发明进行感应硬化的特定刺穿和/或接合几何形状；
图24和25分别为紧固件的透视图和沿图24中的直线25-25剖开的剖视图，所述紧固件包括根据本发明进行感应硬化的特定刺穿和/或接合几何形状；
图26和27分别为紧固件的透视图和沿图26中的直线27-27剖开的剖视图，所述紧固件包括根据本发明进行感应硬化的特定刺穿和/或接合几何形状；
图28是与图1类似的剖视图，显示了根据本发明进行选择硬化的紧固件，并且显示了通常连续加热硬化的外部区域大体上包围具有较低硬度的内部区域；
图29是与图28所示类似的剖视图，显示了根据本发明的改型进行选择硬化的紧固件；和
图30是与图29所示类似的剖视图，显示了根据本发明的另一改型进行选择硬化的紧固件。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的自刺穿锁紧螺母10，其用于连接到可塑性变形的金属板或金属面板构件上。尽管所示实施例为螺母，但是例如自锁紧柱头螺栓的其它自锁紧紧固件落入本发明的范围内。在下文中，本发明特别参考自刺穿锁紧螺母进行描述。然而，本发明同样适用于要安装在金属构件上的预形成开口中的锁紧螺母，因为用于高强度金属构件的增大的安装作用力在避免螺母压碎和/或形变方面同样具有选择硬化优点。
锁紧螺母具有主体部分12和从所述主体部分12的一端伸出的引导或冲压部分14。螺纹坯件或孔16沿着螺母10的纵向轴线″A″延伸。孔16通过与攻丝螺钉接合来形成螺纹。应当理解，这个孔可预制有螺纹并适用于非攻丝螺钉。同样，本发明的过渡选择硬化改进可以应用于″淬透螺母″和处于″初制(as-formed)″状态的螺母。
主体部分12包括环形安装面或底部端面18、环形顶端表面20和外周主体表面22。主体表面22连接端面18和顶面20。为方便起见，示意性地显示了螺母10，其中，引导部分14没有底切，底部端面18没有凹槽和/或夹持突缘，主体表面22没有扳动平面(wrenchingflats)。上文引用的美国专利6,220,804和6,409,444中显示了所有这些已知特征。
如图1中的阴影线所示，对螺母10的一部分进行选择硬化以形成沿引导部分14的外周轴向延伸的外部区域24和沿着环形表面18延伸的底部区域26。区域24和26硬化至大约40Rc到大约60Rc范围内的值。
通过使螺母10在直线圈上方通过而进行感应硬化。螺母可以同时旋转以沿引导部分的整个外周和底部端面进行硬化。感应加热提供了可靠和可重复的无接触加热，其可以在精密的制造公差下局限于极小的区域。因此，可以控制螺母的运动速度、线圈功率和线圈长度以通过使用按照此处教导透彻理解的加热和淬火方法给螺母提供希望的硬化度。随后可以对螺母进行回火。
如所描述的，可以充分控制感应硬化过程，使得在沿着孔16延伸的内部区域28内基本上不发生硬化。因此，内部区域28具有与用于形成螺母10的金属硬度相应的硬度，可以为大约32Rc到大约90Rb。在孔16内形成螺纹时，滚丝工艺使螺纹产生加工硬化。
如图1所示，内部区域28沿引导部分14的最小横向或径向宽度尺寸适合于通过滚丝形成的期望螺纹，典型地至少等于要形成螺纹的外径。在位于引导部分14远端的螺母的主体部分12内，内部区域28径向向外延伸为具有明显变厚端壁的扩口钟形。
外部区域24和底部区域26通过中间区域30连接至内部区域28。中间区域30在引导部分14内具有通常圆柱形形状并且在主体部分12内径向向外扩大。
中间区域30防止内部区域28在感应加热期间发生任何显著硬化以形成区域24和26。因此，中间区域30进行有限程度的加热和硬化并且沿远离区域24和26延伸的方向具有逐渐减小的硬度梯度。中间区域28可以具有大约30Rc到大约40Rc的硬度。
螺母10具有足够的尺寸以允许在外部区域24内进行充分的感应硬化，从而使与上述高强度材料一起使用的螺母强度增大，同时保持内部区域28不受到额外的硬化。例如，不专属于内部区域28的引导部分的横向或径向宽度可以在外部区域24和中间区域30之间平均分配。也就是说，环形表面24a和30a的径向宽度相等，表面24a的面积大于表面30a的面积。内部区域28还具有环形端面28a，其与表面24a和30a相配合以形成与金属构件相接合的引导环形端面。
参考图2-5，显示了以SAE J417b标准的外推数据为基础的钢硬度和钢极限抗拉强度之间的关系。为了估算与形成锁紧紧固件的金属范围相关的极限抗拉强度，人们确定与硬度范围为30Rc到90Rb相应的平均抗拉值。图2显示出硬度为Rc30.0的钢极限抗拉强度为138700psi，图3显示出Rb90.0的对应值为89000psi。两个抗拉值的平均值为113850psi或785Mpa。平均抗拉值用于近似表示抗压强度，通过使金属的抗压强度乘以引导部分的横截面积估算螺母引导部分的抗压强度。
利用上述方法，可以确定形成每个区域24、28和30的金属的抗压强度。例如，区域24具有40Rc到50Rc的硬度。图4显示出40Rc的硬度与181400psi的拉伸强度相对应，图5显示出50Rc的硬度与255700psi的拉伸强度相对应。两个值的平均值为218500psi或1506Mpa。
因此，通过使所述区域的金属抗压强度乘以区域横截面积并对乘积求和来确定每一区域对引导部分的抗压强度的贡献，从而提供螺母10的感应硬化引导部分14的抗压强度。
表1显示了使用选择硬化以强化螺纹孔尺寸为M6x1到M12x1.75的锁紧螺母。对各种区域的面积计算来说，记录了螺纹尺寸、引导直径和光滑孔径。在假定不专属于内部区域28的引导部分的线性横向或径向宽度在外部区域24和中间区域30之间平均分配的情况下计算区域横截面积。
Figure A20078000979900151
″初制″锁紧紧固件不包括具有不同硬度的区域，并且引导部分的强度可以利用单个面积计算来确定。然而，记录″初制″紧固件的强度，如同它还包括利用形成具有相同抗压强度的每个区域的金属制造具有类似横截面积的区域一样。
比较每个螺纹尺寸的总引导部分抗压强度或裂断强度可以看出，通过使用选择强度硬化使强度增大60％以上。这种强度增大允许相同的紧固件与上面提及的所有高强度材料一起使用，同时保持内部区域的原始″初制″硬度，以便允许使用攻丝螺钉。如先前所提及的，本发明的方法可以用于预制螺纹螺母。同样，选择硬化方法可以用于淬透至通常与ASTM A563M-PC10相关的硬度等级的预制螺纹螺母，从而给这类产品提供类似的刺穿和安装增强作用。
参考图6，显示了具有选择硬化部分的锁紧紧固件的第二实施例。在这个实施例中，与第一实施例相同的元件以相同的参考数字表示，改变的元件以带撇号的标识表示。
自刺穿锁紧螺母10′具有主体部分12′和从所述主体部分12′的一端伸出的引导或冲压部分14′。螺纹坯件或孔16沿着螺母10′的纵向轴线A延伸。就如在第一实施例中那样，主体部分12′包括环形安装面或底部端面18′、环形顶端表面20′和外周主体表面22′，所述外周主体表面22′连接端面18′和顶面20′。
在这个实施例中，还对环形顶端表面20′进行选择硬化以提供位于内部区域28′远端的顶部区域32。顶部区域32具有环形形状，所述环形形状从对应于螺纹外径的环形顶端表面20′A向外周主体表面22′沿着端面20′横向或径向向外延伸。
顶部区域32具有与外部区域24′相对应的硬度。顶部区域的硬度增大进一步抵抗形成顶部端面20′的金属的压碎和/或塑性变形。
顶部区域32沿横向或径向向外方向具有逐渐增大的轴向尺寸。顶部区域32减小了主体部分12′内的相邻内部区域28′的轴向厚度。如图所示，顶部区域32提供了沿外周主体表面22′延伸的外周区域34，所述外周主体表面用于抵抗形成主体部分12′的金属的不希望形变。
在进一步的改型中，外周区域34可以延伸至虚线36以形成加宽外周区域38，所述加宽外周区域沿着外周主体表面22′的整个轴向宽度延伸。加宽外周区域38进一步加固主体部分12′以在螺母10′的刺穿和/或安装期间防止压碎和/或塑性变形。
加宽外周区域38延伸到引导部分14′中并沿着环形表面30′A延伸。因此，顶部区域32和区域38沿着位于内部区域28′径向外侧的大体上整个螺母10′延伸并且沿着大体上整个螺母外表面(除环形端面28′A和端面20′上的顶部端面20′A以外)延伸。这样，螺母10′在与螺纹外径相对应的螺纹形成区域径向向外的大体上所有位置处具有选择硬化结构。人们希望螺母能够与具有不同硬度值和较高强度的金属构件一起使用。除了有利于金属构件的刺穿之外，由于螺母安装面或底部端面18得以硬化，使螺母对金属构件的切削和塑性变形得到增强。
最终的螺母10′在紧固件的几乎整个外周或外侧部分上具有硬度增大的连接且大体上连续的区域。
参考图7，显示了具有选择硬化部分的锁紧紧固件的第三实施例。在这个实施例中，与改型的第二实施例相同的元件以相同的参考数字表示，改变的元件以带双撇号的标识表示。
自刺穿锁紧螺母10″具有主体部分12″和从所述主体部分12″的一端伸出的引导或冲压部分14″。在这个实施例中，螺母10″为预制螺纹，螺纹16″形成在螺纹坯件上并沿纵向轴线A延伸。如图所示，螺纹16″的外径与螺母引导部分14″的内部区域28′的横向或径向宽度大体上相对应。在主体部分12″内，内部区域28′横向或径向向外扩大并且延伸到主体部分12″内的外周主体表面22′。
如第二实施例所述，螺母10″还可以在其顶面20′上具有顶部区域32。外周区域34沿着外周主体表面22′延伸。而且，顶部区域32可以延伸到虚线36以形成加宽外周区域38，从而将螺母10″大体上包围在金属硬度增大的连接且连续的区域内。
在设计申请Nos.D440,865S，D448,659S和D448,660S中同样显示了具有各种引导形状、环形表面结构和突缘的锁紧螺母。这些设计方案中的选定附图包括在此并简要描述如下。
参考图8-10，显示了螺母40。螺母40包括主体部分42、引导部分44和沿中心轴线延伸的螺纹46。
螺母40包括安装端面或底部端面48、环形顶端表面50和连接所述底部表面和顶端表面的外周主体表面52。大体上环形的凹槽54形成在底面48上且围绕引导部分44。底面48还包括位于所述凹槽外周的轴向延伸唇部56。
凹槽54优选地由底壁58、内壁60和外壁62形成。在这个实施例中，底壁58在其从底壁外周向底壁内周径向延伸时向内朝向内壁60成一定角度或倾斜，并且凹槽54深度增加。
底壁50优选地为多边形，其中，它由多个有角度的或倾斜的平坦(或平面的)表面(或小平面)64构成。如图所示，可以使用大约6到10个表面64。
内壁60向内成一定角度或倾斜，使得凹槽54在引导部分44内形成底切。内壁60同样优选地为多边形，其中，它由多个有角度的或倾斜的平坦(或平面的)表面(或小平面)66构成。如图所示，内壁60和底壁58可以分别由相同数量的表面66和64构成，并且它们可以对齐。以类似的方式，外壁62可以由平坦的表面或小平面68构成。同样，小平面的数目可以相同，并且它们在每个壁58、60和62内对齐。
锁紧螺母40还包括多个用于增大锁紧螺母40的扭矩或转动阻力的锁紧元件或突缘70。突缘70是凸出的凸起或突起，其在螺母40的底壁58、凹槽54和/或唇部56上方轴向延伸并且沿周向短距离延伸以提供支座72。支座72抵抗锁紧螺母40相对于金属构件的转动，所述锁紧螺母安装在所述金属构件上。
支座72优选地与螺母的旋转运动垂直。在所示实施例中，突缘70由突起形成，所述突起在凹槽底壁58的上方轴向延伸并且从凹槽内壁60向凹槽外壁62径向延伸横跨所述凹槽54。远离底壁58的突缘70的顶侧总体上与中心轴线垂直并且大体上与唇部56平行，使得突缘为楔形。
突缘70沿底壁58周向隔开，并且突缘70可以位于底壁58的每个表面64的中心处。然而，突缘可以位于其它位置，例如相邻表面64之间的交界面。附图显示出突缘70具有矩形横截面形状，但是可以使用任何适当的形状。
参考图10，为了说明方便的目的，显示出螺母40的上下半部具有不同的热处理。如图所示，螺母40的上半部具有外部区域24、底部区域26、内部区域28和中间区域30。螺母40的下半部包括位于引导部分44内的内部区域28′，所述内部区域在主体部分42内横向或径向向外扩大。底部区域26′沿着底面48延伸。中间区域30′在内部区域28′和外部区域24之间延伸。顶部区域32位于螺母顶部端面50上，并且外周区域34沿着外周主体表面52延伸。顶部区域32可以延伸到虚线36以形成加宽外周区域38，如先前实施例所示。
在图10显示的两种热处理中，沿着安装面或底面48延伸的底部区域26或26′得到硬化以增强与金属板构件的接合。这包括凹槽54和突缘70的硬化。这有利于金属构件变形和安装，与未根据本发明硬化的相同紧固件相比，提高了转出和拔出性质。
图11-13显示了螺母40′。除了突缘70′的形状之外，螺母40′与螺母40相同。突缘70′具有相同的矩形横截面并且具有与凹槽54的底壁58平行的顶面。参考图13，如在先实施例所述，为说明方便起见，显示出螺母40′的上下半部具有不同的热处理。因此，各种区域利用与图10中相同的参考数字表示。
参见图14-16，显示出螺母80具有主体部分82、引导部分84和沿中心轴线延伸的螺纹86。螺母80包括环形安装面或底面87。底部端面87包括围绕引导部分84延伸的环形凹槽88和沿表面87延伸的硬化底部区域26或26′。
凹槽88由内壁90和底壁92构成。壁90和92是光滑的或圆形的，与在先实施例中描述的小平面壁不同。内壁90向内倾斜以形成底切，类似地，底壁92朝向内壁90向内成一定角度或倾斜，并且凹槽88沿朝向引导部分84的径向方向深度增大。在这个螺母结构中没有外唇部。
突缘94沿底壁92的整个宽度延伸并部分地沿内壁90向上延伸。突缘相对于外周主体表面96，或更具体地，相对于扳动平面98中心定位，但是它们也可以位于拐角位置。突缘94具有矩形横截面，但是也可以具有任何适当形状，突缘也不必沿内壁90向上延伸。
参考图16，如在先实施例所述，为说明方便起见，显示出螺母80的上下半部具有不同的热处理。因此，各种区域利用与图10中相同的参考数字表示。
参见图17-19，显示出螺母100具有主体部分102、引导部分104和沿中心轴线延伸的螺纹106。底部端面107包括围绕引导部分104延伸的环形凹槽108。
凹槽108由底壁110、内壁112构成。在这个实施例中，底壁110在其从底壁外周向底壁内周径向延伸时向内朝向内壁112成一定角度或倾斜，并且凹槽108深度增加。
底壁110由与螺母40中的小平面64类似的多个倾斜小平面114构成。另外，内壁112向内成一定角度或倾斜，使得凹槽108在引导部分104内形成底切。内壁112同样优选地为多边形，其中，具有与螺母40内的小平面66类似的多个有角度或倾斜的平坦(或平面的)表面(或小平面)116。
凹槽108的底部110与围绕主体部分102的外周延伸的″齐平″唇部118相交。唇部118为齐平的，其中，它不轴向延伸超过其与底壁110的相交部。唇部118与引导部分104和螺母轴线垂直。突缘120布置在小平面114的中心并且具有可与底壁110平行或不平行的顶面。
参考图19，如在先实施例所述，为说明方便起见，显示出螺母100的上下半部具有不同的热处理。因此，各种区域利用与图10中相同的参考数字表示。
锁紧紧固件的接合面的几何结构不会影响本发明的感应硬化。在大多数的情况下，典型的感应硬化区域可与多种锁紧紧固件几何结构一起使用。也就是说，在外部区域内形成所需要的硬度时，区域尺寸将涵盖突出的突缘和底切表面。
因此，前述选择硬化方法可与具有各种引导和环形表面构造以及包括突缘、突起、凹口、凹部、斜壁和凹形槽等的特定构造或形状元件的锁紧紧固件一起使用，如本领域已知和本文所示。如上所述对各种硬化底部区域的规定适用于这种构造和突缘。实际上，突缘硬化有助于突缘穿透到金属构件中和锁紧形成。
参见图20和21，显示出锁紧螺母120包括主体部分122和引导部分124。设置螺纹孔126，但是该孔可以无螺纹以接收自攻螺钉等。支承面或底部端面128包括围绕引导部分124的环形凸缘130并与之配合以界定环形凹槽134。设置周向隔开的径向突缘136和凸缘130内的径向凹槽138以增强与金属构件的接合。美国专利6,851,904中描述了这种锁紧螺母的细节。
尤其是如图21所示，可以根据本发明对锁紧螺母120进行热处理以提供选择硬化区域。为了说明方便起见，显示出螺母120的上下半部具有不同的热处理。如图所示，螺母120的上半部具有外部区域24、内部区域28和中间区域30。螺母120的下半部包括内部区域28′、中间区域30′、顶部区域32和外周区域34。顶部区域32可以延伸到虚线36以形成加宽外周区域38。
参见图22和23，显示出锁紧螺母140包括主体部分142和引导部分144。设置螺纹孔146，但是该孔可以无螺纹以接收自攻螺钉等。支承面或底端148包括围绕引导部分144的环形凸缘150并与之配合以界定环形凹槽154。在优选结构中，引导部分144和凸缘150的相对壁分别提供凹槽154的内侧壁和外侧壁，所述内、外侧壁倾斜以形成通向凹槽154的节流孔。设置周向隔开的径向突缘156和凸缘150内的径向凹槽158以增强与金属构件的接合。美国专利6,994,500中描述了这种锁紧螺母的细节。
尤其是如图23所示，可以根据本发明对锁紧螺母140进行热处理以提供选择硬化区域。如在先实施例所述，显示出螺母140的上下半部具有不同的热处理。如图所示，螺母140的上半部具有外部区域24、内部区域28和中间区域30。螺母140的下半部包括内部区域28′、中间区域30′、顶部区域32和外周区域34。顶部区域32可以延伸到虚线36以形成加宽外周区域38。
参见图24和25，自连接阴紧固件160包括具有端面164和凸缘部分166的中心引导部分162。凸缘部分的相对侧面提供通常平坦的支撑面168。一对平行的凹形槽170具有V形底壁和相对倾斜的底面。螺纹孔172延伸穿过引导部分162，但是可以设置无螺纹孔以与自动攻丝或滚丝阳紧固件一起使用。美国专利6,997,659中描述了这种阴紧固件的细节。
如图25所示，可以根据本发明对阴紧固件160进行热处理以提供选择硬化区域。为方便起见，显示出紧固件160的上下半部具有不同的热处理。如图所示，紧固件160的上半部具有外部区域24、内部区域28和中间区域30。紧固件160的下半部包括内部区域28′、中间区域30′、顶部区域32和外周区域34。顶部区域32可以延伸到虚线36以形成加宽外周区域38。
参见图26和27，显示出阴紧固件180作为刺穿螺母或锁紧螺母使用。紧固件180包括主体部分182和具有轴向螺纹孔186的引导部分184。孔186可以无螺纹以接收自动攻丝或滚丝阳紧固件。支承面188包括围绕引导部分184的环形凸缘190并与之配合以界定环形凹槽192。凹槽192可以具有凹入(re-entrant)构造，如本领域已知。凹槽192包括底壁194，其具有多个周向隔开的楔形凹部196。美国专利7,001,125中描述了这种阴紧固件的细节。
尤其是如图27所示，可以根据本发明对紧固件180进行热处理以提供选择硬化区域。为方便起见，显示出紧固件180的上下半部具有不同的热处理。如在先实施例所述，紧固件180的上半部具有外部区域24、内部区域28和中间区域30。紧固件180的下半部包括内部区域28′、中间区域30′、顶部区域32和外周区域34。顶部区域32可以延伸到虚线36以形成加宽外周区域38。
参见图28，显示了紧固件200。紧固件200与锁紧螺母10类似，并且相应的元件通过增加撇号标识进行类似的标记。根据本发明的优选实施例对紧固件200进行选择硬化，相连的硬化区域按照根据经验确定的结果结合在一起。
紧固件200包括主体部分12和引导或冲压部分14。螺纹坯件或孔16沿着紧固件200的中心轴线延伸。紧固件包括围绕引导部分14延伸的环形安装面或底部端面18′。主体部分12具有顶面20′和外周主体表面22′，所述外周主体表面使顶面20′与底部端面18′相连。
如图所示，紧固件200包括具有″初制″硬度的内部区域28′和具有增大硬度的外周区域38′。内外区域形成所述紧固件的整个横向宽度。外部区域38′在引导部分14内具有通常圆柱形状，并且在主体部分12内径向扩大以提供具有球根形状或轮廓的区域。这减少了沿主体部分12的外周所需要的加热硬化，同时在主体部分内提供具有增大尺寸的内部区域。
区域38′选择硬化到大约40Rc到大约60Rc的硬度值。在内部区域28′内，在孔16处大约90Rb的初制硬度值过渡到外周区域38′处大约40Rc的硬度值。区域38′包括如在先实施例中所述的区域26、32、34和38。因此，外周区域38′大体上包围和围绕内部区域28′。内部区域28′包括位于顶面20′上的环形暴露端面20′A和与引导部分14的端面相邻的环形底面28′A。因此，硬度增大的外周区域38′沿紧固件200的整个外表面(环形表面20′A和28′A除外)延伸。
参见图29，除了改变的硬化外部区域38′A以外，紧固件200A与紧固件200大体上相同。在这个变形中，沿顶面20′的硬化减少，环形表面20′A具有增大的径向尺寸。
参见图30，紧固件200B显示为具有改变的外部硬化区域38′B。在这个变形中，内部区域28′具有大体上圆柱形状和均匀的径向尺寸。因此，环形表面20′A和环形表面28′A具有相同的尺寸。
尽管详细描述了本发明的特定实施例，应当清楚，本发明的范围不限于此，而是包括落入所附权利要求的精神和术语范围内的所有变形和改变。

Claims (34)

1.一种用于连接到可塑性变形金属构件上的自锁紧金属紧固件，所述紧固件包括具有中心轴线的主体部分和围绕中心孔的轴向延伸引导部分，所述中心孔可为光滑孔螺纹坯件或预制有螺纹，所述引导部分具有包括与所述孔相邻的内部区域和与所述引导部分的外周相邻的外部区域的横向宽度，所述外部区域具有大于所述内部区域的硬度。
2.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述紧固件具有轴向长度，并且所述孔穿过所述主体部分和引导部分沿所述紧固件的整个轴向长度延伸，所述内部区域沿所述紧固件的大体上整个轴向长度延伸，所述外部区域具有圆柱形状并且沿所述引导部分的大体上整个轴向长度延伸。
3.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述外部区域和内部区域通过中间区域相连，所述中间区域的硬度沿朝向所述轴线横向向内的方向减小。
4.如权利要求3所述的紧固件，其中，所述引导部分具有抗压强度，与具有初制硬度的相同引导部分相比，所述外部区域和中间区域配合以将所述引导部分的抗压强度增大大约60％或以上。
5.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述外部区域具有大约40Rc到大约60Rc的硬度，所述内部区域具有大约32Rc到大约90Rb的硬度。
6.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述紧固件具有预制螺纹，所述内部区域具有与紧固件的预定性质类别的强度等级相一致的硬度。
7.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述外部区域具有大约218550psi或1500Mpa的极限抗拉强度，所述内部区域具有大约113850psi或785Mpa的极限抗拉强度。
8.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述主体部分包括与所述引导部分相邻并包括底部区域的底部端面，所述底部区域具有大于所述内部区域的硬度。
9.如权利要求8所述的紧固件，其中，所述底部区域包括使可塑性变形金属变形并接收所述可塑性变形金属的成形元件，所述成形元件选自突缘、突起、凹口、凹部、斜壁、凹槽和凹形槽构成的组。
10.如权利要求9所述的紧固件，其中，所述底部区域具有与所述外部区域的硬度大体上相等的硬度。
11.如权利要求10所述的紧固件，其中，所述底部端面具有围绕所述引导部分的环形形状并且包括具有倾斜内壁的凹槽，所述倾斜内壁形成底切以接收所述金属构件发生塑性变形的金属。
12.如权利要求8所述的紧固件，其中，所述主体部分包括围绕所述孔且轴向远离所述环形底部端面的环形顶端表面，所述环形顶端表面包括硬度大于所述内部区域的顶部区域。
13.如权利要求12所述的紧固件，其中，所述顶部区域具有与所述外部区域的硬度大体上相等的硬度。
14.如权利要求12所述的紧固件，其中，所述主体部分包括使所述环形顶端表面与环形底部端面相连的外周主体表面，所述主体部分包括沿所述外周主体表面的至少一部分延伸且硬度大于所述内部区域的外周区域。
15.如权利要求13所述的紧固件，其中，所述顶部区域、外周区域和底部区域相配合以给所述紧固件提供相连且大体上连续的区域，该连续的区域在紧固件内的位于所述内部区域径向向外的大体上所有位置处具有增大的硬度。
16.如权利要求15所述的紧固件，其中，所述底部区域包括使可塑性变形金属变形并接收所述可塑性变形金属的成形元件，所述成形元件选自突缘、突起、凹口、凹部、斜壁、凹槽和凹形槽构成的组。
17.如权利要求14所述的紧固件，其中，所述外周区域具有与所述外部区域的硬度大体上相等的硬度。
18.如权利要求14所述的紧固件，其中，所述底部区域、顶部区域和外周区域均具有大约40Rc到大约60Rc的硬度，所述内部区域具有大约32Rc到大约90Rb的硬度。
19.如权利要求18所述的紧固件，其中，所述底部区域、顶部区域和外周区域均具有大约218550psi或1500Mpa的极限抗拉强度，所述内部区域具有大约113850psi或785Mpa的极限抗拉强度。
20.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述紧固件为螺母，所述孔为光滑孔螺纹坯件，所述内部区域从所述孔横向向外延伸至少大致等于要在所述孔内形成的螺纹外径的距离，所述内部区域具有适合于通过与攻丝螺钉接合以形成螺纹的硬度，所述内部区域和外部区域形成所述紧固件的整个横向宽度，所述外部区域提供大体上连续的区域，该连续的区域在紧固件内的位于所述内部区域径向向外的大体上所有位置处具有增大的硬度。
21.一种用于连接到可塑性变形金属构件上的自锁紧金属紧固件，所述紧固件包括具有中心轴线的主体部分和围绕中心孔的轴向延伸引导部分，所述中心孔可具有光滑孔螺纹坯件或预制螺纹，所述紧固件具有包括与所述孔相邻的内部区域和与所述引导部分的外周相邻的外部区域的横向宽度，所述内部区域和外部区域形成所述紧固件的整个横向宽度，所述外部区域具有大于所述内部区域的硬度，所述外部区域在位于紧固件内的所述内部区域径向向外的大体上所有位置处具有增大的硬度。
22.如权利要求21所述的紧固件，其中，所述内部区域沿所述中心轴线延伸，所述内部区域在所述引导部分中具有大体圆柱形状并且径向延伸以使所述内部区域在所述主体部分内具有球根形状。
23.如权利要求21所述的紧固件，其中，所述内部区域沿所述中心轴线延伸并具有通常圆柱形状。
24.如权利要求21所述的紧固件，其中，所述内部区域具有从所述孔处大约90Rb过渡到外部区域处大约60Rc的硬度值。
25.一种用于连接到可塑性变形金属构件上的自锁紧金属紧固件，所述紧固件包括具有中心轴线的主体部分和围绕中心光滑孔螺纹坯件的轴向延伸引导部分，所述引导部分具有包括与所述孔相邻的内部区域和与所述引导部分的外周相邻的外部区域的横向宽度，所述内部区域具有适合于通过与攻丝螺钉接合而形成螺纹的硬度，所述外部区域具有大于所述内部区域的硬度。
26.如权利要求25所述的紧固件，其中，所述内部区域具有与初制或淬透螺母大体上相等的硬度。
27.如权利要求26所述的紧固件，其中，所述主体部分包括与所述引导部分相邻且包括底部区域的底部端面，所述底部区域具有大于所述内部区域的硬度，所述主体部分包括使所述环形顶端表面与环形底部端面相连的外周主体表面，所述主体部分包括沿所述外周主体表面的至少一部分延伸且硬度大于所述内部区域的外周区域，所述顶部区域、外周区域和底部区域相配合以给所述紧固件提供相连且大体上连续的区域，该连续的区域在紧固件内的位于所述内部区域径向向外的所有位置处具有增大的硬度。
28.如权利要求27所述的紧固件，其中，所述底部区域包括使可塑性变形金属变形并接收所述可塑性变形金属的成形元件，所述成形元件选自突缘、突起、凹口、凹部、斜壁、凹槽和凹形槽构成的组。
29.一种用于制造锁紧紧固件的方法，所述锁紧紧固件包括主体部分和轴向延伸的引导部分，所述主体部分具有由围绕主体部分延伸的外周主体表面连接的顶面和底面，所述引导部分围绕可为光滑孔螺纹坯件或预制有螺纹的中心孔，所述方法包括：
A)提供具有大体上均匀的初制或淬透硬度的所述紧固件；
B)使所述引导部分的横向宽度选择硬化以形成与所述孔相邻的内部区域和与所述引导部分的外周相邻且具有不同硬度值的外部区域；
C)所述内部区域具有与初制或淬透螺母大体上相等的硬度；和
D)所述外部区域具有大于所述内部区域的硬度，因此，所述紧固件可用于刺穿金属构件和/或使其塑性变形，所述金属构件的硬度值大于与具有所述初制或淬透硬度的类似紧固件一起使用的金属构件的硬度值。
30.如权利要求29所述的方法，其中，所述内部区域具有大约32Rc或更小的硬度并且可以利用攻丝螺钉形成螺纹。
31.如权利要求29所述的方法，其中，所述紧固件具有预制螺纹，所述内部区域具有与紧固件的预定性质类别的强度等级相一致的硬度。
32.如权利要求29所述的方法，包括使所述主体部分选择硬化以形成沿所述底面延伸的底部区域的步骤。
33.如权利要求31所述的方法，包括使所述主体部分选择硬化以形成沿所述顶面延伸的顶部区域的步骤，所述顶部区域具有大于所述内部区域的硬度，和使所述主体部分选择硬化以形成沿所述外周主体表面延伸的外周区域，从而使所述顶部区域、外周区域和底部区域相配合以给所述紧固件提供相连且大体上连续的区域，该连续的区域在位于紧固件内的所述内部区域径向向外的大体上所有位置处具有增大的硬度。
34.如权利要求31所述的方法，其中，所述底部区域包括使可塑性变形金属变形并接收所述可塑性变形金属的成形元件，所述成形元件选自突缘、突起、凹口、凹部、斜壁、凹槽和凹形槽构成的组，形成所述底部区域的步骤包括使所述成形元件硬化。
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