CN112548922A - 紧固件保持和防滑脱工具钻头 - Google Patents
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Abstract
一种工具钻头,其具有利用电火花沉积法(ESD)冶金结合在基底层上的表面层,该表面层使得该工具钻头能够减少滑脱,并能够接合紧固件头部用于单手启动和移除。所述表面层具有与常规工具钻头相比更粗糙的表面处理,并从而在使用期间能够更好地抓握紧固件的配合凹部的接合表面。滑脱的减少为工具钻头提供了更好的耐用性,并能抵抗紧固件的接合表面的腐蚀和磨损。
Description
技术领域
本发明一般地涉及工具钻头,更具体地,本发明涉及具有紧固件保持和防滑脱(Anti-camout)表面层的工具钻头,例如十字螺丝刀钻头(也称为菲利浦(Philips)螺丝刀钻头)。
背景技术
工具钻头经常被用于将扭矩施加到螺纹紧固件,例如十字型螺钉,也称为菲利浦头螺钉。然而,十字型螺钉具有锥形接合表面,一旦转动螺钉所需的扭矩超过一定量,则该锥形接合表面经常会使工具钻头从设置在被驱动的螺钉的头部中的配合凹部中滑出。此过程被称作滑脱(Cam-out)。重复的滑脱事件会导致所述配合凹部和工具钻头的接合表面的腐蚀和磨损,这进一步加剧了滑脱问题,并经常会导致紧固件头部被“剥离”,从而其移除更加困难,且不能再正确地接合工具钻头。为了尽量减少滑脱,当前的解决方案在工具钻头上机械加工出或者形成了咬合和/或切入紧固件的配合凹部中的表面特征,例如,专利文献US6655241和US2013/0047798中记载的根据Snap-on工具的“anti-cam out ribbing”。其他的解决方案是对工具钻头的接合表面进行表面硬化,例如根据专利文献US6883405记载的,在工具钻头中形成激光切割图案,使得在切割边缘形成硬质表面,和/或,根据专利文献US3133568和US3903761记载的,对表面进行喷丸处理以获得高摩擦表面处理。还有其他的解决方案是例如根据专利文献US8025134、US5259280、US4778730、US2004/0055421、US2005/0076749、US2003/0087097和GB2063743记载的,通过钎焊、软钎焊、电弧熔化或使用粘合剂的方式将硬质颗粒(例如碳化物或金刚石)粘附到工具钻头的接合表面上。
工具钻头也经常被用于保持紧固件,以利于单手启动和移除紧固件。这种保持通常是通过将工具钻头磁化来实现的,这种工具钻头对铝或者不锈钢紧固件不起作用。其他的解决方案是在工具钻头的接合表面上增加了摩擦元件,例如,根据专利文献US 3616827记载的聚合物薄层,根据专利文献US9314907记载的聚合物塞,根据专利文献US2014/0260833、US2011/0098715和EP1149668记载的弹簧,和/或,根据专利文献US5291811、US6152000和US5660091记载的,对工具钻头进行机械加工以形成锥度,以允许工具钻头楔入紧固件的配合凹部中。
发明内容
本发明广泛地涉及一种工具钻头,该工具钻头具有冶金结合到较软的基底层上的硬质且抓握增强的表面层,该表面层允许该工具钻头使滑脱最小化,并且也可以保持紧固件以用于单手启动和移除。在一个实施例中,利用电火花沉积法(ESD)将该表面层沉积到所述基底上,以产生与常规工具钻头相比更粗糙的表面处理,并从而能够在使用期间更好地抓握所述紧固件的配合凹部的接合表面。此外,减少滑脱的另一个好处是为工具钻头提供了更高的耐用性,并能抵抗所述紧固件的配合凹部的接合表面的腐蚀和磨损。
在一个实施例中,本发明为一种工具,该工具广泛地包括柄部和适于接合紧固件的尖端部,其中,该尖端部包括利用ESD设置在基底层上的表面层。例如,在一个实施例中,所述表面层可以设置在所述尖端部的区域、接合表面、凹槽、末端或其结合上。
在另一实施例中,本发明为一种工具制造方法,该方法广泛地包括:在库存材料中形成尖端部的几何特征,向可消耗电极材料施加电脉冲,在可消耗电极材料和几何特征之间生成等离子弧,以及将表面层应用到所述几何特征的期望部分上。例如,所述表面层可以设置在所述尖端部的区域、接合表面、凹槽、末端或其结合上。
附图说明
为了便于理解寻求保护的主题,在附图中展示了其实施例,从对实施例的检阅,当与以下描述结合起来考虑时,应当容易理解和领会寻求保护的主题、其构造和操作、以及其许多优点。
图1为根据本发明一实施例的工具钻头的实施例的侧视平面图。
图2为图1的工具钻头的前视平面图。
图3为图1的工具钻头的尖端部的侧视透视图。
图4为根据本发明另一实施例的工具钻头的尖端部的侧视透视图。
图5为根据本发明另一实施例的工具钻头的尖端部的侧视透视图。
图6为根据本发明另一实施例的工具钻头的尖端部的侧视透视图。
图7为根据本发明另一实施例的工具钻头的尖端部的侧视透视图。
图8为与手动工具集成的本发明的工具钻头的另一实施例的侧视平面图。
图9为展示本发明的工具钻头实施例的制备方法的流程图。
具体实施方式
尽管本发明容易有许多不同形式的实施例,但是附图所展示的、并且将在此详细描述的,是本发明的优选实施例,应理解,本公开将被认为是本发明的原理的示例,而并非旨在将本发明的广泛方面限制于所示出的实施例。如本文中所用的,术语“本发明”并不旨在限制要求保护的发明的范围,而是仅出于解释目的的、用于讨论本发明的示例性实施例的术语。
本发明广泛地涉及一种具有硬质和粗糙的表面层的工具钻头,利用电火花沉积法(ESD)将该表面层冶金结合在较软的基底层上。所述表面层被沉积以产生粗糙化的表面处理,其使得工具钻头能够更好地抓握紧固件,从而减少滑脱,并且也保持紧固件以便单手启动和移除。
参见图1至图9,工具钻头100包括尖端部102和柄部104。尖端部102可以适于与螺旋螺纹紧固件(未图示)的顶部上的配合凹部相接合,而柄部104可以适于与钻头驱动器(未图示)相接合。
可从柄部104机械加工、铸造或通过其他方式形成所述尖端部102。如图所示,尖端部102可适于接合紧固件(通常被称为菲利浦螺钉)的头部的十字型配合凹部。尽管尖端部102可以适于接合各种类型的配合凹部,但是应当理解的是,本发明不限于此,并且可以与其他工具钻头类型(例如平刃、梅花形、六角形、方形等)一起使用。尖端部102可包括几何特征,例如凹槽106、接合表面108、凹槽106之间的区域110、以及末端112。如图2所示,尖端部包括四个区域110,八个接合表面108,以及四个凹槽106。不过,可以根据尖端部102适于接合的配合凹部的类型来使用几何特征的任意组合。凹槽106可以朝着所述末端112逐渐变细。接合表面108可以朝着所述末端112倾斜一角度。
尖端部102包括设置在基底层上的表面层。在一个实施例中,该表面层可以比所述基底层更硬。基底层可以由复合金属构造制成,所述复合金属构造例如本领域技术人员悉知的钢或其他合适材料。表面层可以由基于碳化物的金属或者具有合适粗糙度与硬度的其他合适的合金制成,所述基于碳化物的金属例如:碳化钨、碳化铬、碳化钛、碳化钽、碳化铪、碳化钼、碳化锆、碳化钒、碳化铌等,所述其他合适的合金例如:司太立合金,Tribaloy合金,Colmonoy合金,铬、钛、锆和钽的硼化物,金属间化合物,金属陶瓷等。
表面层通过ESD冶金结合在基底层上。ESD的参数(电流频率、光栅速率等)可以选择为使得所述基底层的热影响区受控且具有与所述表面层大约相同的深度或更小的深度。
在一个实施例中,表面层被应用至区域110上,如图4用阴影线所示。在另一实施例中,表面层被应用至接合表面108和区域110上,如图5用阴影线所示。在另一实施例中,表面层被应用至凹槽106、接合表面108和区域110上,如图6用阴影线所示。在另一实施例中,表面层被应用至区域110、接合表面108、凹槽106和末端112上,如图7用阴影线所示。不过,本发明不限于所描述的实施例,且所述表面层可以以离散模式或者作为连续层应用在尖端部102的全部或部分和/或柄部104的全部或部分上。
在一个实施例中,表面层优选为具有约50HRC至约100HRC的硬度、约0.0001英寸(约2.5μ)至约0.002英寸(约51μ)的厚度、以及10至30微英寸(约0.254μ至约0.762μ)的粗糙度。表面层可以沉积在镍、镍/铬、或其他已知表面的表面处理、和/或氧化物、磷酸盐、或其他已知表面处理的上方。表面层也可以应用至热处理前或热处理后的基底层。
柄部104可以为任何需要的长度,并且可以是中空的或实心的构造。虽然图中所示的为具有六角形横截面,但是柄部104可以具有其他的横截面,例如方形或用于被钻头驱动器(未图示)所驱动的其他合适的可驱动形状。钻头驱动器可以是棘轮扳手、钻机、螺丝刀等。在一个实施例中,柄部104可以整体地形成为手柄部分,或者以其他方式适于与驱动器匹配接合。
图9展示了制造工具钻头100的方法400的一个实施例。参见图1-9,在一个实施例中,所述方法在步骤402包括:形成具有期望的性能特征的、工具钻头100的一部分,例如尖端部102的基底层。如上所述,尖端部102的基底层可以由复合金属构造(如钢或其他合适材料)制成。因此,材料的性能特征是由库存材料的材料状态和应用于库存材料的成型步骤(例如冷加工)所赋予的。从而,可以通过适当地选择库存来适应尖端部102的所需的最终材料状态。例如,库存材料可以被冷轧或热轧等,或者库存材料可以在由其形成多个工具钻头100之前以其他方式制备。
所述方法在步骤404包括:从库存材料形成尖端部102的几何特征。尖端部102的几何特征可以包括凹槽106、接合表面108、凹槽106之间的区域110、以及末端112。在一个示例中,可以从库存材料机械加工出所述几何特征。
表面层通过ESD冶金结合在基底层上。因此,在步骤406,所述方法包括:将电脉冲施加至可消耗电极材料,例如基于碳化物的金属或其他合适的合金。例如,可消耗电极材料为碳化钨、碳化铬、碳化钛、碳化钽、碳化铪、碳化钼、碳化锆、碳化钒、碳化铌等,或者具有合适的粗糙度和硬度的其他合适的合金,例如:司太立合金,Tribaloy合金,Colmonoy合金,铬、钛、锆和钽的硼化物,金属间化合物,金属陶瓷等。
在步骤408,在尖端部102的可消耗电极材料和几何特征之间生成等离子弧。等离子弧使可消耗电极材料离子化,并且少量熔融材料被转移到期望的几何特征上,从而在步骤410将表面材料应用到尖端部的期望的几何特征上。材料的转移是迅速的,并且自淬火非常快。基于短的持续时间、高的电流电脉冲,方法400将低热量输入传递给基底材料,导致基底微结构的改变很小或没有改变。
在另一实施例中,工具钻头200是与手动工具300(例如螺丝刀)集成为一体的整体部件,如图8所示。在这一实施例中,除了手动工具300的手柄302与柄部204集成为一体之外,尖端部202与上面描述的相同。
因此,工具钻头100具有薄的、高摩擦且耐磨的表面层,该表面层具有较高的硬度,该表面层设置在较软的基底层上,从而减少了像钢之类的高硬度碳化物所常见的脆性破坏的机会。当紧固件的配合凹部楔入到尖端部102上时,该表面层使得工具钻头100能够令紧固件与尖端部102更好地接合。当表面层至少设置在尖端部102的区域110中时,这种保持效果最为明显,并且可以通过在接合表面108和凹槽106上形成更均匀的涂层来增强这种保持效果。这种构造还减少了滑脱。
如本文中所使用的,术语“联接”及其功能等同语并不意味着必须限制于两个或者更多部件的直接的机械联接。相反,术语“联接”及其功能等同语旨在表示两个或者更多个物体、特征、工件和/或环境物质之间的任何直接的或者间接的机械连接、电气连接或者化学连接。“联接”在某些实施例中也旨在表示一个物体与另一个物体集成为一体。
在前面的描述中和附图中所阐述的内容仅作为示例提出而不是作为限制。虽然已经示出和描述了特定实施例,但是对于本领域技术人员显而易见的是,在不脱离本发明人的贡献的更广泛方面的情况下,可以进行改变和变形。当基于现有技术以它们合适的角度考虑时,所寻求的实际保护范围旨在由所附的权利要求所限定。
Claims (23)
1.一种工具,包括:
柄部;和
尖端部,该尖端部适于接合紧固件并包括利用电火花沉积法设置在基底层上的表面层。
2.权利要求1所述的工具,其中所述柄部适于接合钻头驱动器。
3.权利要求2所述的工具,其中所述钻头驱动器为棘轮扳手、钻机或螺丝刀。
4.权利要求1所述的工具,其中所述柄部为与手动工具集成为一体的整体部件。
5.权利要求4所述的工具,其中所述手动工具为螺丝刀。
6.权利要求1所述的工具,其中所述尖端部适于接合所述紧固件的十字型配合凹部。
7.权利要求1所述的工具,其中所述尖端部包括凹槽、接合表面、凹槽之间的区域、以及末端。
8.权利要求7所述的工具,其中所述表面层设置在所述区域、所述接合表面、所述凹槽和所述末端中的一个或多个上。
9.权利要求7所述的工具,其中所述凹槽朝着所述末端逐渐变细。
10.权利要求7所述的工具,其中所述接合表面朝着所述末端倾斜一角度。
11.权利要求1所述的工具,其中所述表面层比所述基底层更硬。
12.权利要求1所述的工具,其中所述表面层具有约50HRC至约100HRC的硬度。
13.权利要求1所述的工具,其中所述表面层具有约0.0001英寸至约0.002英寸的厚度。
14.权利要求1所述的工具,其中所述表面层具有约10至约30微英寸RMS的粗糙度。
15.权利要求1所述的工具,其中所述基底层由复合金属构造构成,并且所述表面层由基于碳化物的金属构成。
16.权利要求1所述的工具,其中所述表面层由以下材料构成:碳化钨,碳化铬,碳化钛,碳化钽,碳化铪,碳化钼,碳化锆,碳化钒,碳化铌,司太立合金,Tibaloy合金,Colmonoy合金,铬、钛、锆和钽的硼化物,金属间化合物,或金属陶瓷。
17.一种工具,包括:
柄部;
尖端部,该尖端部适于接合紧固件并包括利用电火花沉积法设置在基底层上的表面层,
其中,所述基底层由复合金属构造构成,并且所述表面层由基于碳化物的金属构成。
18.制造工具的方法,该方法包括:
用库存材料形成所述工具的尖端部;
在库存材料中形成所述尖端部的几何特征;
向可消耗电极材料施加电脉冲;
在所述可消耗电极材料和所述几何特征之间生成等离子弧;和
在所述几何特征的期望部分上应用表面层。
19.权利要求18所述的方法,其中所述库存材料由复合金属构造构成,并且所述可消耗电极材料由基于碳化物的金属构成。
20.权利要求18所述的方法,其中所述表面层由以下材料构成:碳化钨,碳化铬,碳化钛,碳化钽,碳化铪,碳化钼,碳化锆,碳化钒,碳化铌,司太立合金,Tibaloy合金,Colmonoy合金,铬、钛、锆和钽的硼化物,金属间化合物,或金属陶瓷。
21.权利要求18所述的方法,其中生成等离子弧包括使待传递至所述几何特征的期望部分上的可消耗电极材料离子化。
22.权利要求18所述的方法,其中形成几何特征包括形成凹槽、接合表面、凹槽之间的区域、以及末端。
23.权利要求18所述的方法,其中应用表面层包括在所述区域、所述接合表面、所述凹槽和所述末端中的一个或多个上应用表面层。
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