TWI752650B - 緊固件保持和防滑脫工具鑽頭 - Google Patents

Abstract

一種工具鑽頭，其具有利用電火花沉積法（ESD）冶金結合在基底層上的表面層，該表面層使得該工具鑽頭能夠減少滑脫，並能夠接合緊固件頭部用於單手啟動和移除。所述表面層具有與常規工具鑽頭相比更粗糙的表面處理，並從而在使用期間能夠更好地抓握緊固件的配合凹部的接合表面。滑脫的減少為工具鑽頭提供了更好的耐用性，並能抵抗緊固件的接合表面的腐蝕和磨損。

Description

緊固件保持和防滑脫工具鑽頭

本發明一般地涉及工具鑽頭，更具體地，本發明涉及具有緊固件保持和防滑脫（Anti-camout）表面層的工具鑽頭，例如十字螺絲刀鑽頭（也稱為菲利浦（Philips）螺絲刀鑽頭）。

工具鑽頭經常被用於將扭矩施加到螺紋緊固件，例如十字型螺釘，也稱為菲利浦頭螺釘。然而，十字型螺釘具有錐形接合表面，一旦轉動螺釘所需的扭矩超過一定量，則該錐形接合表面經常會使工具鑽頭從設置在被驅動的螺釘的頭部中的配合凹部中滑出。此過程被稱作滑脫（Cam-out）。重複的滑脫事件會導致所述配合凹部和工具鑽頭的接合表面的腐蝕和磨損，這進一步加劇了滑脫問題，並經常會導致緊固件頭部被「剝離」，從而其移除更加困難，且不能再正確地接合工具鑽頭。為了儘量減少滑脫，當前的解決方案在工具鑽頭上機械加工出或者形成了咬合和/或切入緊固件的配合凹部中的表面特徵，例如，專利文獻US6655241和US2013 / 0047798中記載的根據Snap-on工具的「anti-cam out ribbing」。其他的解決方案是對工具鑽頭的接合表面進行表面硬化，例如根據專利文獻US6883405記載的，在工具鑽頭中形成激光切割圖案，使得在切割邊緣形成硬質表面，和/或，根據專利文獻US3133568和US3903761記載的，對表面進行噴丸處理以獲得高摩擦表面處理。還有其他的解決方案是例如根據專利文獻US8025134、US5259280、US4778730、US2004/0055421、US2005/0076749、US2003/0087097和GB2063743記載的，透過釺焊、軟釺焊、電弧熔化或使用粘合劑的方式將硬質顆粒（例如碳化物或金剛石）粘附到工具鑽頭的接合表面上。

工具鑽頭也經常被用於保持緊固件，以利於單手啟動和移除緊固件。這種保持通常是透過將工具鑽頭磁化來實現的，這種工具鑽頭對鋁或者不銹鋼緊固件不起作用。其他的解決方案是在工具鑽頭的接合表面上增加了摩擦元件，例如，根據專利文獻US3616827記載的聚合物薄層，根據專利文獻US9314907記載的聚合物塞，根據專利文獻US2014/0260833、US2011/0098715和EP1149668記載的彈簧，和/或，根據專利文獻US5291811、US6152000和US5660091記載的，對工具鑽頭進行機械加工以形成錐度，以允許工具鑽頭楔入緊固件的配合凹部中。

本發明廣泛地涉及一種工具鑽頭，該工具鑽頭具有冶金結合到較軟的基底層上的硬質且抓握增強的表面層，該表面層允許該工具鑽頭使滑脫最小化，並且也可以保持緊固件以用於單手啟動和移除。在一個實施例中，利用電火花沉積法（ESD）將該表面層沉積到所述基底上，以產生與常規工具鑽頭相比更粗糙的表面處理，並從而能夠在使用期間更好地抓握所述緊固件的配合凹部的接合表面。此外，減少滑脫的另一個好處是為工具鑽頭提供了更高的耐用性，並能抵抗所述緊固件的配合凹部的接合表面的腐蝕和磨損。

在一個實施例中，本發明為一種工具，該工具廣泛地包括柄部和適於接合緊固件的尖端部，其中，該尖端部包括利用ESD設置在基底層上的表面層。例如，在一個實施例中，所述表面層可以設置在所述尖端部的區域、接合表面、凹槽、末端或其結合上。

在另一實施例中，本發明為一種工具製造方法，該方法廣泛地包括：在庫存材料中形成尖端部的幾何特徵，向可消耗電極材料施加電脈衝，在可消耗電極材料和幾何特徵之間生成等離子弧，以及將表面層應用到所述幾何特徵的期望部分上。例如，所述表面層可以設置在所述尖端部的區域、接合表面、凹槽、末端或其結合上。

儘管本發明容易有許多不同形式的實施例，但是圖式所展示的、並且將在此詳細描述的，是本發明的優選實施例，應理解，本公開將被認為是本發明的原理的示例，而並非旨在將本發明的廣泛方面限制於所示出的實施例。如本文中所用的，術語「本發明」並不旨在限制要求保護的發明的範圍，而是僅出於解釋目的的、用於討論本發明的示例性實施例的術語。

本發明廣泛地涉及一種具有硬質和粗糙的表面層的工具鑽頭，利用電火花沉積法（ESD）將該表面層冶金結合在較軟的基底層上。所述表面層被沉積以產生粗糙化的表面處理，其使得工具鑽頭能夠更好地抓握緊固件，從而減少滑脫，並且也保持緊固件以便單手啟動和移除。

參見圖1至圖9，工具鑽頭100包括尖端部102和柄部104。尖端部102可以適於與螺旋螺紋緊固件（未圖示）的頂部上的配合凹部相接合，而柄部104可以適於與鑽頭驅動器（未圖示）相接合。

可從柄部104機械加工、鑄造或透過其他方式形成所述尖端部102。如圖所示，尖端部102可適於接合緊固件（通常被稱為菲利浦螺釘）的頭部的十字型配合凹部。儘管尖端部102可以適於接合各種類型的配合凹部，但是應當理解的是，本發明不限於此，並且可以與其他工具鑽頭類型（例如平刃、梅花形、六角形、方形等）一起使用。尖端部102可包括幾何特徵，例如凹槽106、接合表面108、凹槽106之間的區域110、以及末端112。如圖2所示，尖端部包括四個區域110，八個接合表面108，以及四個凹槽106。不過，可以根據尖端部102適於接合的配合凹部的類型來使用幾何特徵的任意組合。凹槽106可以朝著所述末端112逐漸變細。接合表面108可以朝著所述末端112傾斜一角度。

尖端部102包括設置在基底層上的表面層。在一個實施例中，該表面層可以比所述基底層更硬。基底層可以由複合金屬構造製成，所述複合金屬構造例如本領域技術人員悉知的鋼或其他合適材料。表面層可以由基於碳化物的金屬或者具有合適粗糙度與硬度的其他合適的合金製成，所述基於碳化物的金屬例如：碳化鎢、碳化鉻、碳化鈦、碳化鉭、碳化鉿、碳化鉬、碳化鋯、碳化釩、碳化鈮等，所述其他合適的合金例如：司太立合金，Tribaloy合金，Colmonoy合金，鉻、鈦、鋯和鉭的硼化物，金屬間化合物，金屬陶瓷等。

表面層透過ESD冶金結合在基底層上。ESD的參數（電流頻率、光柵速率等）可以選擇為使得所述基底層的熱影響區受控且具有與所述表面層大約相同的深度或更小的深度。

在一個實施例中，表面層被應用至區域110上，如圖4用陰影線所示。在另一實施例中，表面層被應用至接合表面108和區域110上，如圖5用陰影線所示。在另一實施例中，表面層被應用至凹槽106、接合表面108和區域110上，如圖6用陰影線所示。在另一實施例中，表面層被應用至區域110、接合表面108、凹槽106和末端112上，如圖7用陰影線所示。不過，本發明不限於所描述的實施例，且所述表面層可以以離散模式或者作為連續層應用在尖端部102的全部或部分和/或柄部104的全部或部分上。

在一個實施例中，表面層優選為具有約50 HRC至約100 HRC的硬度、約0.0001英寸（約2.5 µ）至約0.002英寸（約51 µ）的厚度、以及10至30微英寸（約0.254 µ至約0.762 µ）的粗糙度。表面層可以沉積在鎳、鎳/鉻、或其他已知表面的表面處理、和/或氧化物、磷酸鹽、或其他已知表面處理的上方。表面層也可以應用至熱處理前或熱處理後的基底層。

柄部104可以為任何需要的長度，並且可以是中空的或實心的構造。雖然圖中所示的為具有六角形橫截面，但是柄部104可以具有其他的橫截面，例如方形或用於被鑽頭驅動器（未圖示）所驅動的其他合適的可驅動形狀。鑽頭驅動器可以是棘輪扳手、鑽機、螺絲刀等。在一個實施例中，柄部104可以整體地形成為手柄部分，或者以其他方式適於與驅動器匹配接合。

圖9展示了製造工具鑽頭100的方法400的一個實施例。參見圖1-9，在一個實施例中，所述方法在步驟402包括：形成具有期望的性能特徵的、工具鑽頭100的一部分，例如尖端部102的基底層。如上所述，尖端部102的基底層可以由複合金屬構造（如鋼或其他合適材料）製成。因此，材料的性能特徵是由庫存材料的材料狀態和應用於庫存材料的成型步驟（例如冷加工）所賦予的。從而，可以透過適當地選擇庫存來適應尖端部102的所需的最終材料狀態。例如，庫存材料可以被冷軋或熱軋等，或者庫存材料可以在由其形成多個工具鑽頭100之前以其他方式製備。

所述方法在步驟404包括：從庫存材料形成尖端部102的幾何特徵。尖端部102的幾何特徵可以包括凹槽106、接合表面108、凹槽106之間的區域110、以及末端112。在一個示例中，可以從庫存材料機械加工出所述幾何特徵。

表面層透過ESD冶金結合在基底層上。因此，在步驟406，所述方法包括：將電脈衝施加至可消耗電極材料，例如基於碳化物的金屬或其他合適的合金。例如，可消耗電極材料為碳化鎢、碳化鉻、碳化鈦、碳化鉭、碳化鉿、碳化鉬、碳化鋯、碳化釩、碳化鈮等，或者具有合適的粗糙度和硬度的其他合適的合金，例如：司太立合金，Tribaloy合金，Colmonoy合金，鉻、鈦、鋯和鉭的硼化物，金屬間化合物，金屬陶瓷等。

在步驟408，在尖端部102的可消耗電極材料和幾何特徵之間生成等離子弧。等離子弧使可消耗電極材料離子化，並且少量熔融材料被轉移到期望的幾何特徵上，從而在步驟410將表面材料應用到尖端部的期望的幾何特徵上。材料的轉移是迅速的，並且自淬火非常快。基於短的持續時間、高的電流電脈衝，方法400將低熱量輸入傳遞給基底材料，導致基底微結構的改變很小或沒有改變。

在另一實施例中，工具鑽頭200是與手動工具300（例如螺絲刀）集成為一體的整體部件，如圖8所示。在這一實施例中，除了手動工具300的手柄302與柄部204集成為一體之外，尖端部202與上面描述的相同。

因此，工具鑽頭100具有薄的、高摩擦且耐磨的表面層，該表面層具有較高的硬度，該表面層設置在較軟的基底層上，從而減少了像鋼之類的高硬度碳化物所常見的脆性破壞的機會。當緊固件的配合凹部楔入到尖端部102上時，該表面層使得工具鑽頭100能夠令緊固件與尖端部102更好地接合。當表面層至少設置在尖端部102的區域110中時，這種保持效果最為明顯，並且可以透過在接合表面108和凹槽106上形成更均勻的塗層來增強這種保持效果。這種構造還減少了滑脫。

如本文中所使用的，術語「聯接」及其功能等同語並不意味著必須限制於兩個或者更多部件的直接的機械聯接。相反，術語「聯接」及其功能等同語旨在表示兩個或者更多個物體、特徵、工件和/或環境物質之間的任何直接的或者間接的機械連接、電氣連接或者化學連接。「聯接」在某些實施例中也旨在表示一個物體與另一個物體集成為一體。

在前面的描述中和圖式中所闡述的內容僅作為示例提出而不是作為限制。雖然已經示出和描述了特定實施例，但是對於本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離本發明人的貢獻的更廣泛方面的情況下，可以進行改變和變形。當基於現有技術以它們合適的角度考慮時，所尋求的實際保護範圍旨在由所附的發明申請專利範圍所限定。

100、200:工具鑽頭 102、202:尖端部 104、204:柄部 106:凹槽 108:接合表面 110:區域 112:末端 300:手動工具 302:手柄 400:方法 402、404、406、408、410:步驟

為了便於理解尋求保護的主題，在圖式中展示了其實施例，從對實施例的檢閱，當與以下描述結合起來考慮時，應當容易理解和領會尋求保護的主題、其構造和操作、以及其許多優點。 圖1為根據本發明一實施例的工具鑽頭的實施例的側視平面圖。 圖2為圖1的工具鑽頭的前視平面圖。 圖3為圖1的工具鑽頭的尖端部的側視透視圖。 圖4為根據本發明另一實施例的工具鑽頭的尖端部的側視透視圖。 圖5為根據本發明另一實施例的工具鑽頭的尖端部的側視透視圖。 圖6為根據本發明另一實施例的工具鑽頭的尖端部的側視透視圖。 圖7為根據本發明另一實施例的工具鑽頭的尖端部的側視透視圖。 圖8為與手動工具集成的本發明的工具鑽頭的另一實施例的側視平面圖。 圖9為展示本發明的工具鑽頭實施例的製備方法的流程圖。

100:工具鑽頭

102:尖端部

104:柄部

106:凹槽

108:接合表面

110:區域

112:末端

Claims (24)

1. 一種工具，包括：柄部；以及尖端部，所述尖端部適於接合緊固件並包括利用電火花沉積法設置在基底層上的表面層；其中，所述表面層具有表面層硬度，所述基底層具有基底層硬度，所述表面層硬度大於所述基底層硬度，並且其中，所述基底層沒有被熱處理過。
2. 如請求項1所述的工具，其中所述柄部適於接合鑽頭驅動器。
3. 如請求項2所述的工具，其中所述鑽頭驅動器為棘輪扳手、鑽機或螺絲刀。
4. 如請求項1所述的工具，其中所述柄部為與手動工具集成為一體的整體部件。
5. 如請求項4所述的工具，其中所述手動工具為螺絲刀。
6. 如請求項1所述的工具，其中所述尖端部適於接合所述緊固件的十字型配合凹部。
7. 如請求項1所述的工具，其中所述尖端部包括凹槽、接合表面、凹槽之間的區域、以及末端。
8. 如請求項7所述的工具，其中所述表面層設置在所述區域、所述接合表面、所述凹槽及所述末端中的一個或多個上。
9. 如請求項7所述的工具，其中所述凹槽朝著所述末端逐漸變細。
10. 如請求項7所述的工具，其中所述接合表面朝著所述末端傾斜一角度。
11. 如請求項1所述的工具，其中所述表面層具有約50HRC至約100HRC的硬度。
12. 如請求項1所述的工具，其中所述表面層具有約0.0001英寸至約0.002英寸的厚度。
13. 如請求項1所述的工具，其中所述表面層具有約10至約30微英寸RMS的表面層粗糙度。
14. 如請求項1所述的工具，其中所述基底層由複合金屬構造構成，並且所述表面層由基於碳化物的金屬構成。
15. 如請求項1所述的工具，其中所述表面層由以下材料構成：碳化鎢，碳化鉻，碳化鈦，碳化鉭，碳化鉿，碳化鉬，碳化鋯，碳化釩，碳化鈮，司太立合金，Tibaloy合金，Colmonoy合金，鉻、鈦、鋯和鉭的硼化物，金屬間化合物，或金屬陶瓷。
16. 如請求項7所述的工具，其中所述表面層設置在所述接合表面和所述區域上。
17. 如請求項7所述的工具，其中所述表面層設置在所述凹槽、所述接合表面和所述區域中的每一個上。
18. 如請求項7所述的工具，其中所述表面層設置在所述區域、所述接合表面、所述凹槽和所述末端中的每一個上。
19. 一種利用電火花沉積法製造工具的方法，包括：用庫存材料形成所述工具的尖端部；在庫存材料中形成所述尖端部的幾何特徵；向可消耗電極材料施加電脈衝；在所述可消耗電極材料與所述幾何特徵之間生成等離子弧；以及在所述幾何特徵的期望部分上應用表面層，其中，所述表面層具有表面層硬度，所述庫存材料具有庫存材料硬度，所述表面層硬度大於所述庫存材料硬度，並且其中，所述庫存材料沒有被熱處理過。
20. 如請求項19所述的製造工具的方法，其中所述庫存材料由複合金屬構造構成，並且所述可消耗電極材料由基於碳化物的金屬構成。
21. 如請求項19所述的製造工具的方法，其中所述表面層由以下材料構成：碳化鎢，碳化鉻，碳化鈦，碳化鉭，碳化鉿，碳化鉬，碳化鋯，碳化釩，碳化鈮，司太立合金，Tibaloy合金，Colmonoy合金，鉻、鈦、鋯和鉭的硼化物，金屬間化合物，或金屬陶瓷。
22. 如請求項19所述的製造工具的方法，其中生成等離子弧包括使待傳遞至所述幾何特徵的期望部分上的可消耗電極材料離子化。
23. 如請求項19所述的製造工具的方法，其中形成幾何特徵包括形成凹槽、接合表面、凹槽之間的區域、以及末端。
24. 如請求項19所述的製造工具的方法，其中應用表面層包括在所述區域、所述接合表面、所述凹槽及所述末端中的一個或多個上應用表面層。

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