KR20040014286A - 태핑 나사 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 실질적으로 원통형 외부 직경을 가진 후방 영역(헤드를 향하는)에서 및 나사의 단부를 향하여 감소하는 외부 직경으로 연장되는 전방 영역(헤드의 반대쪽을 향하는)에서의 나사산들을 가진 태핑 나사에 관한 것이다. 후방 영역 및 전방 영역 양쪽 모두에서, 상기 나사산은 코어의 축방향 진로에 대하여 경사지게 위치되고 후방 영역(제 1 단면)으로부터 전방 영역(제 2 단면)을 향하여 반대로 되어 있는 나사산 팁들에서 측정된 측면각의 2등분선을 가진 비대칭 단면을 구비하고, 전방 영역에서의 2등분선은 나사 헤드를 향하여 경사진다. 나사산 단면의 반전 지점은 제 1 단면이 실질적으로 후방 영역 내에 제공되고 제 2 단면이 실질적으로 전방 영역에 제공되도록 위치된다.

Description

태핑 나사{SELF-TAPPING SCREW}
본 발명은 실질적으로 원통형 외부 직경을 가진 후방 영역(헤드를 향하는)에서 및 나사의 단부를 향하여 감소하는 외부 직경으로 연장되는 전방 영역 (헤드의반대쪽을 향하는)에서 나사산들을 가진 태핑 나사에 관한 것이다.
이러한 형태의 태핑 나사는 다양한 실시예가 알려져 있다. 예를 들어, 독일 실용신안 제7 125 294호는 나사산이 원추형 영역에 걸쳐서 나사 선단으로 진행하는 금속 시트 나사로서 알려진 나사를 개시하고 있고 그러한 수단에 의해 금속 시트 플레이트의 구멍 내로 금속 시트 나사를 보다 쉽게 돌려 넣을 수 있으며, 나사산 구조는 나사 헤드의 부근의 작은 나사산 피치를 제외한 나사 섕크와 나사 선단부에 걸쳐 균일하게 연장된다. 나사산의 외부 직경이 나사 헤드의 부근의 후방 영역에서만 확대되고, 이러한 영역에서, 나사산 단면이 반경에 대하여 비대칭적으로 진행하는 유사한 구성의 나사가, 독일 특허 공보 제198 31 269호에 개시되어 있다. 이러한 특징 외에도, 헤드로부터 일정 거리 이상의 나사산에 있어서, 나사산 구조는 나사의 나머지 영역에 걸쳐서 일정하다. 또한, 나사산의 후방 영역에서는 대칭적인 나사 단면을 가진 원통형 외부 직경을 연속적으로 구비하고, 작은 기본 직경 및 뾰족한 단부를 갖는 나사산의 전방 영역에서는 실질적으로 작은 외부 직경 및 작은 나사산 피치를 가진 나사산을 구비하고, 상기 나사산은 나사 선단으로 진행하는 나사산의 단부까지 연장되는, 독일 특허 공개 공보 제28 53 976호의 나사가 참조되어야 한다.
상술된 금속 시트 나사와 별개로, 다른 두 개의 문헌들에서 언급한 나사들은 실질적으로 플라스틱에 나사 결합되도록 구성되어 있다.
본 발명은 금속 시트 재료 내로 나사 결합하기에 적합하고 나사 결합 작용에의해 금속 시트 재료의 바깥쪽으로 힘이 가해진 재료가 실질적으로 나사 결합 방향으로, 다시 말하면 나사 헤드의 반대쪽을 향하는 금속 시트 재료의 면 상으로 집중되는 지지물을 생성시키는 나사를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 체결된 이후에, 나사가 높은 인발력(pull-out force)을 견디도록 의도된다. 본 발명에 따라서, 이러한 목적은 후방 영역 및 전방 영역 양쪽 모두에서 반경 방향에 대하여 경사지게 위치되고 후방 영역(제 1 단면)으로부터 전방 영역(제 2 단면)을 향하여 반대로 되어 있는 나사산 팁들에서 측정된 측면각의 2등분선을 가진 비대칭 단면을 구비한 나사산에 의해 달성되며, 제 2 단면의 영역에서의 2등분선은 나사 헤드를 향하여 경사지고, 나사산 단면의 반전 지점은 제 1 단면이 실질적으로 후방 영역에 제공되고 제 2 단면이 실질적으로 전방 영역에 제공되도록 위치된다.
경사진, 다시 말하면 기울어진 2등분선 때문에, 전방 영역에서 나사 헤드를 향하여 경사지는 나사산들의 대응 위치가 기울어지는 결과를 야기하며, 따라서 나사가 나사 결합되는 경우에, 보다 넓은 면적의 후방 측면(나사 헤드의 반대쪽을 향하는)으로 인하여 금속 시트 재료에 축방향으로 높은 압력을 가하고, 이에 따라 후방 측면에서는 나사산의 로드 측면(나사 헤드를 향하는)에서 보다 나사 결합 방향에서 더 많은 금속 시트 재료를 이동시킨다. 이러한 결과는 나사가 나사 결합하는 경우에 이러한 과정에서 생성된 지지물(금속 시트 비드(bead))이, 실질적으로 나사의 나사산의 전방을 향하여 밀쳐지고, 이에 따라 나사 헤드의 반대쪽을 향하는 금속 시트 재료의 면 상에 나타나게 한다. 따라서 금속 시트 재료의 이러한 면 상에 지지물을 형성할 수 있는, 비록 이동된다 하더라도 단지 약간 이동된 재료는 금속시트 재료의 다른 면 상에 유지된다. 나사의 후방 영역에서, 나사산의 단면이 전방 영역에서의 단면에 대향 방향으로 기울어져 진행하기 때문에, 즉 후방 영역에서의 나사산들의 2등분선이 헤드에 대해 반대쪽으로 기울어져 있기 때문에. 후방 영역에서의 나사산은, 후방 측면과 비교하여 편평하고 이에 따라 큰 영역을 구비하는 나사산의 로드 측면으로 인하여 금속 시트 재료에 대하여 특히 바람직하게 지지될 수 있으므로, 체결된 나사에 특히 높은 인발력을 야기한다. 나사산들의 단면에서의 반전 때문에, 전방 및 후방 영역에서의 각각의 경우에, 금속 시트 재료에 대하여 이동이 반전되는 현상이 발생하여, 반전된 이동은 첫 번째로 바람직한 형상의 지지물을 허용하고 두 번째로 나사가 높은 인발력을 바람직하게 갖추도록 해준다.
일례로, 나사산은 양쪽 영역에서의 2등분선이 코어의 축방향 진로에 약 82도로 경사져 있도록 양쪽 영역에서 구성된다. 이와 반대로, 통상의 대칭 나사산에서는 2등분선과 코어의 축방향 진로 사이의 각도는 90도이다.
나사산 단면의 반전 지점은 나사의 여러 가지 지점들에서, 특히 후방 영역으로부터 전방 영역으로의 천이 구간에 위치될 수 있다. 그러나 후방 영역으로부터 전방 영역으로의 천이 구간 앞에 또는 후방 영역으로부터 전방 영역으로의 천이 구간 뒤에 반전 지점을 또한 위치시킬 수 있다.
나사는 제 1 단면이 제 2 단면에 대하여 경상(鏡像)(mirror-image) 방식으로 진행하도록 편의상 구성된다. 이러한 경우에, 나사가 금속 시트 재료 내로 나사 결합될 때에, 제 1 단면과 제 2 단면에서 양쪽 모두 유사한 나사 (라쿠나(lacuna)) 관계에 의해 재료가 힘을 받는 효과가 얻어지며, 다시 말하면, 전방 영역에서의 제2 단면에 의해 앞쪽으로 금속 시트 재료를 미는 작용은 제 1 단면의 제 1 영역에서 금속 시트 재료에서 인발력과 대향된 힘들에 유사한 힘들에 의해 발생한다.
나사산의 단면의 구성은 다르게 선택될 수 있으며, 예를 들어 나사산의 로드 측면 및 후방 측면 양쪽에서 직선으로 진행하도록 나사를 구성할 수 있다. 이러한 경우의 구성은 본질적으로 독일 특허 공개 공보 제32 35 352호에서 알려져 있다.
나사산의 단면의 다른 바람직한 구성은, 후방 영역에서는 로드 측면이 직선으로 진행하고 후방 측면이 외부 직경으로부터 큰 측면각으로 굴곡부를 지나 나사산의 기부로 진행하며, 전방 영역에서는 후방 측면이 직선으로 진행하고 로드 측면이 외부 직경으로부터 큰 측면각으로 굴곡부를 지나 나사산의 기부로 진행한다. 독일 특허 공보 제199 60 287호로부터 알려져 있는 이러한 구성을 기초로 하여, 특히 유리한 방식으로 전방 영역에서 금속 시트로부터 재료를 밀어내는 힘들이 나사 헤드와 반대쪽을 향하는 금속 시트의 면 상에만 실질적으로 지지체를 형성시키는 결과를 야기하며, 굴곡부와 나사산의 기부 사이의 큰 측면각은 지지체로서 바람직하게 작용하고, 따라서 나사산에 적절하게 높은 안정성을 준다.
나사는 굴곡부가 나사산의 높이의 20% 내지 50%에서, 다시 말하면 나사산의 높이의 1/3 이하에서 위치된다.
굴곡된 나사산 측면의 구성은 만약 측면각이 나사산 기부와 굴곡부 사이의 영역에서 약 70도이고 굴곡부와 나사산 팁 사이의 영역에서 약 45도라면 바람직한 결과를 야기한다.
나사산은 나사산 팁에서 측정된 측면각이 양쪽 영역에서 동일하고 약 45도가되도록 편의상 구성된다.
전방 및 후방 영역들에서 나사 상의 다른 응력들에 반작용할 수 있게 하기 위해서, 나사는 나사산 팁에서 측정된 측면각이 후방 영역보다 전방 영역에서 더 크도록 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 금속 시트 재료는 금속 시트 재료 내에 나사 결합된 나사의 전방에서 특히 집중적으로 밀쳐지는 결과를 야기하고, 따라서 나사 헤드의 반대쪽을 향하는 금속 시트 재료의 면 상에 실질적으로 지지물만이 형성된다. 이러한 경우에, 나사산은 상기 나사산들이 양쪽 영역들에서 하나의 지점으로 진행하도록 편의상 구성된다. 이러한 경우에 전방 영역에서 너트 피스 내의 나사산을 보다 쉽게 태핑하게 하기 위해서, 나사산 진로는 전방 영역에서의 개별적인 나사산 팁들이 약 90도의 원주 각도에 걸쳐서 평면으로 진행하도록 편의상 구성된다.
도 1은 비대칭적으로 진행하는 나사산이 형성된 태핑 나사를 도시한 도면.
도 2a 및 도 2b는 로드 측면과 후방 측면이 직선으로 진행하는 나사를 기초로 한 후방 및 전방 영역에서 나사 진로를 도시한 개략도.
도 3a 및 도 3b는 각각의 경우에 굴곡부(bend)가 후방 측면 및 로드 측면 내에 위치되는 나사 진로를 설명하는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 나사 2: 나사 헤드
3: 나사산 섕크 4: 전방 영역
5: 후방 영역 6: 반전 지점
11: 후방 측면 12: 로드 측면
14: 나사산 기부 15: 굴곡부
본 발명의 예시된 실시예들은 첨부 도면에 의해 설명된다.
도 1은 나사 헤드(2)와 나사산 섕크(threaded shank)(3)를 구비하고, 비대칭적으로 진행하는 나사산이 형성된 나사(1)를 예시한다. 나사산 섕크(3)는 헤드(2)로부터 떨어져 향하는 전방 영역(4)과 헤드에 면하는 후방 영역(5)을 포함하고, 상기 두 영역은 도면부호 6으로 표시된 반전 지점에서 만난다. 후방 영역(5)에서는 나사산이 실질적으로 원통형 외부 직경을 따라 진행하며, 반면에 전방 영역(4)에서는 나사산의 외부 직경이 감소하므로, 사실상 원추형 나사산 경로의 형태로 되어 있다.
후방 영역(5) 및 전방 영역(4)에서 양쪽 다, 나사산이 그 단면에 대하여 비대칭으로 나타나며, 다시 말하자면, 후방 영역(5)에서는 나사산이 나사 헤드(2)와 반대편으로 경사지고, 반면에 전방 영역(4)에서는 나사산이 헤드(2)를 향하여 경사져 있다고 표현된다. 상기 나사산 경사는 도 2a 및 도 2b와 도 3a 및 도 3b에 따라서 도식적으로 보다 상세하게 설명된다.
도 1에서 예시된 나사의 특징은 후방 영역(5) 및 전방 영역(4)에서의 나사산의 단면이, 후방 영역(5)에서 나사산이 헤드(2)로부터 떨어지는 방향으로 경사지고, 전방 영역(4)에서 헤드(2)를 향하여 경사져 보이도록 반대로 되어 있다. 이러한 경사는 도 2a 및 도 2b와 도 3a 및 도 3b를 이용하여 각각의 측면각을 기초로 하여 이하에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1에서 예시된 나사(1)는 그 바람직한 용도에서 비교적 얇은 금속 시트, 예를 들어 강철 시트 또는 알루미늄 시트 내로 나사 결합된다. 나사의 외부 직경이 4 mm로 사용되는 경우에, 이러한 나사는 알루미늄 시트의 경우에 두께가 약 1 mm이고 강철 시트의 경우에 두께가 0.8 mm를 갖는 금속 시트 내로 편의상 나사 결합될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 금속 시트는 나사가 전방 영역(4)의 전방 단부에서 아주 작은 외부 직경으로 끼워지는 구멍을 구비해야 한다.
나사(1)가 나사 결합될 때에, 비교적 작은 외부 직경을 가진 나사용 구멍 내로 끼워지는 전방 영역(4)의 작용이 나사산을 태핑하기 시작하기 때문에 나사산은 금속 시트 재료 내로 태핑되는 결과를 야기한다. 이러한 과정에서, 로드 측면(헤드를 향하는)과 비교하여 더 큰 면적의 후방 측면(헤드의 반대쪽을 향하는)을 가진 전방 영역(4)의 나사산은 금속 시트의 재료를 보다 가압시키며, 따라서 상기 과정에서 후방 측면과 함께 전방에서 특히 많은 양의 시트 금속 재료를 밀게 되고, 이어서 나사 헤드(2)의 반대쪽을 향하는 금속 시트의 면 상에 지지물(금속 시트 비드 (bead))의 바람직한 형성을 이끌게 된다. 반전 지점(6)의 영역에서, 여러 나사산들이 금속 재료 내의 나사산을 쉽게 태핑하게 하는 평면(16)을 가진다.
나사 구동 수단(7), 본 명세서에서 토르스(Torx)는 나사 헤드(2) 내로 가압되고, 그에 의해 태핑 토크가 나사로 전달된다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 따른 나사산 섕크(3)의 나사산을, 특히 나사를 관통하는 중앙 라인(8) 옆의 일 측면 상의 단면으로, 예시한 도면이다.
도 2a는 후방 영역(5)에 관한 것으로서, 나사산이 나사 헤드의 반대쪽을 향하는 것을 설명한다. 후방 영역(5) 내의 나사산의 측면각(α)은 45도이다. 또한, 하나의 나사산에 대하여, 도 2a는 라인(10)에 따른 코어(core)의 축방향 진로에 대하여 본 명세서에서 약 82도인 각도(β)로 진행하는 각도(α)의 2등분선(9)을 도시한다.
도 2b에서, 축방향으로 감소하는 외부 직경이 말하자면 원추형이기 때문에, 도 1에 따른 나사산 섕크(3)의 나사산의 전방 영역(4)이 도 2a에 따른 후방 영역 (5) 내의 나사산의 단면에 원칙적으로 대응하며, 특히 전방 영역(4)에서 원추형으로 진행하는 코어(10)의 축방향 진로에 대하여 각도가 어떠한 경우에도 한정되기 때문에 도 2b에서 2등분선(9)의 각도는 도 2a에서의 각도(β)와 동등하다. 전방 영역(4)에서의 측면각(α)은 후방 영역에서의 각도(α)와 동등하다. 특히 얇은 시트 금속에 적용되는 경우에, 측면각(α)은 특히 후방 측면의 보다 편평한 진로에 따라전방 영역(4)에서 더 크게 되도록 선택될 수 있다. 이것은 도 3a 및 도 3b에 따른 나사산에도 적용된다.
도 2a 및 도 2b를 이용하여 예시된 나사산의 특정한 작용은 이하에서 설명될 것이다. 전방 영역(4)에서의 나사산의 후방 측면(11)에서는, 작은 표면으로 인해 후방 측면(11)보다 금속 시트의 재료 상에 더 약한 작용을 하는 로드 측면(12)에서 보다 실질적으로 더 많은 재료가 나사가 금속 시트 내로 나사 결합될 때에 나사 헤드(2)로부터 멀어지는 축방향으로 이동된다. 결과적으로, 후방 측면(11)은 로드 측면(12)보다 금속 시트의 바깥쪽 전방으로 더 많은 재료를 밀게 된다. 그러나 후방 측면(11)보다 더 큰 면적으로 형성되는 로드 측면(12)에서는, 후방 영역 (5)이 지탱해야 하는 인발력을 로드 측면(12)이 잘 견디어야 한다. 결과적으로, 만약 나사가 나사의 후방 영역과 함께 금속 시트 재료 내로 나사 결합한다면 나사는 인발력에 대한 내성을 가진다.
도 3a 및 도 3b는 도 1과 도 2a 및 도 2b에 따른 나사산과 비교하여 나사산 단면의 변형을 예시한다. 도 2a 및 도 2b에 따른 나사산의 경우에, 로드 측면(12)과 후방 측면(11)이 직선으로 진행하는 반면에, 도 3a 및 도 3b에 따른 나사산의 경우에는 한쪽 측면에 굴곡부(15)가 존재하며, 보다 구체적으로 표현하면 굴곡부 (15)가 형성된 측면은 측면각이 초기에 작은 각도로 나사산 팁(13)으로부터 진행하고 이후에 큰 각도로 굴곡부(15)로 진행하는 방식으로 외부 직경(나사산 팁(13))으로부터 코어(나사산 기부(14))를 향하여 진행한다. 도 3a에서, 작은 (외부) 측면각은 γ로 표시되고 큰 (내부) 측면각은 δ로 표시된다. 예시된 실시예에서, 각도(γ)는 45도이고 각도(δ)는 70도이다. 2등분선(9)은 본 명세서에서 각도(γ)에 관련된다. 굴곡부(15)는 나사 높이의 30%에 위치된다.
각각 대향 나사산 측면이 부하(load)되는 경우에, 코어(나사 기부(10))의 방향으로 큰 측면각을 수반하는 굴곡부(15) 때문에, 각각의 나사산을 위한 지지물이 이러한 나사 진로로 인해 말하자면 굽힘 또는 전단에 대해 특히 유리하게 안정되는 결과를 야기한다. 이러한 부하는, 나사가 나사 결합되는 경우에 나사산의 후방 측면(11)이 금속 시트 내로 태핑되어야 하고 전방으로 재료를 밀쳐야 하기 때문에 전방 영역(4)에 의해 지탱되어야 한다. 후방 영역(5)에서, 대조적으로 로드 측면(12)은 일어난 인발력 때문에 부하되며, 이러한 과정에서 말하자면 나사 헤드로부터 멀어지는 방향으로 굴곡되는 반면에, 각각의 나사산은 타 측면 상에 배치된 굴곡된 후방 측면에 의해 유리하게 지지될 수 있다.
따라서 굴곡부(15)가 제공된 나사산은 높은 인발력에 대하여 특히 더 큰 내성이 있다.

Claims (14)

  1. 실질적으로 원통형 외부 직경을 가진 후방 영역(5)(헤드를 향하는)에서 및 나사의 단부를 향하여 감소하는 외부 직경으로 연장되는 전방 영역(4)(헤드의 반대쪽을 향하는)에서 나사산들을 가진 태핑 나사(1)에 있어서,
    후방 영역(5) 및 전방 영역(4) 양쪽 모두에서, 상기 나사산은 코어(10)의 축방향 진로에 대하여 경사지게 위치되고 후방 영역(5)(제 1 단면)으로부터 전방 영역(4)(제 2 단면)을 향하여 반대로 되어 있는 나사산 팁들에서 측정된 측면각(α, γ)의 2등분선(9)을 가진 비대칭 단면을 구비하고, 전방 영역(4)에서의 2등분선은 나사 헤드를 향하여 경사지고, 나사산 단면의 반전 지점(6)은 제 1 단면이 실질적으로 후방 영역(5) 내에 제공되고 제 2 단면이 실질적으로 전방 영역(4)에 제공되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  2. 제 1 항에 있어서, 양쪽 영역(4, 5)에서의 2등분선(9)은 코어(10)의 축방향 진로에 대해 각도가 82도 경사지는 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 나사산 단면의 반전 지점(6)은 후방 영역(5)으로부터 전방 영역(4)으로의 천이 구간에 위치되는 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 나사산 단면의 반전 지점(6)은 후방 영역 (5)으로부터 전방 영역(4)으로의 천이 구간 앞에 위치되는 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 나사산 단면의 반전 지점(6)은 후방 영역(5)으로부터 전방 영역(4)으로의 천이 구간 뒤에 위치되는 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 단면은 제 2 단면에 대하여 경상(鏡像) 방식으로 진행하는 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 나사산의 로드 측면(12) 및 후방 측면(11) 모두가 직선으로 진행하는 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 후방 영역(5)에서는 로드 측면(16)이 직선으로 진행하고 후방 측면(11)이 외부 직경으로부터 큰 측면각(δ)으로 굴곡부(15)를 지나 나사산 기부(14)로 진행하며, 전방 영역(4)에서는 후방 측면(11)이 직선으로 진행하고 로드 측면(12)이 외부 직경으로부터 큰 측면각(δ)으로 굴곡부(15)를 지나 나사산 기부(14)로 진행하는 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  9. 제 8 항에 있어서, 굴곡부(15)는 나사산 높이의 20% 내지 15%에 위치되는 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 굴곡된 나사산 측면의 측면각(δ)이 나사산 기부(14)와 굴곡부(15) 사이의 영역에서 70도이고 굴곡부(15)와 나사산 팁(13) 사이의 영역에서 약 45도인 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 나사산 팁(13)에서 측정된 측면각(α, γ)은 양쪽 영역들에서 동일하고 45도인 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 나사산 팁(13)에서 측정된 측면각(α, γ)은 후방 영역(5)보다 전방 영역(4)에서 더 큰 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 나사산은 양쪽 영역에서 하나의 지점으로 진행하는 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 반점 지점(6)의 영역에서,개별적인 나사산 팁은 90도 미만의 원주 각도에 걸쳐서 평면(16)으로 진행하는 것을 특징으로 하는 태핑 나사.
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