专利名称：自攻丝螺钉及连接薄工件的方法
技术领域：
本发明涉及自攻丝螺钉及将两个或更多个金属薄板件连接成一个组装件的方法。
背景技术：
本领域技术人员认识到，传统的自攻丝螺钉产品在用于组装金属薄板件时因存在与需要将螺钉的紧固扭矩限制在小相对值有关的问题而使用起来不太可靠。为最大程度上减少在组装过程中铆钉发生松脱以及由此导致螺钉发生转动，就要求这种所需的对紧固扭矩的限制。铆固材料是接合组件的离开螺钉头底面最远的那部分。松脱和转动会造成组装件的夹持载荷的损失并随后造成组装件的损坏。
图1示出了具有用于连接薄板金属件12、16的传统单头螺纹的自攻丝螺钉11的常遇到的一个缺点。当离螺钉头最远的螺钉铆固材料12的宽度15等于或小于螺钉的轴向螺距13(在此一般定义为“薄”工件)时，螺旋线或螺纹的正面14会使锚固材料12发生偏斜，从而使材料随着在相邻螺旋线或螺纹之间的空隙移动。这种锚固材料和组装件将不会产生最有效的连接夹持载荷。另外，将导致不充分的螺纹配合接触。
图2示出了与用现有技术的自攻丝螺钉来连接薄工件有关的另一个潜在缺点。螺钉110保持一个尽可能靠近螺钉头113底面112的平行齿根直径111。这种实施方式可导致组装件性能的降低。加工约束条件通常造成一靠近螺钉头113底面112的螺钉螺纹牙顶的填充不足，由此产生一不确定的且不可控制的反向螺纹锥角114。同样地，较靠近螺钉进入点的螺纹牙顶的直径比更靠近螺钉头的螺纹牙顶大。反向螺纹锥角114的缺点是，在组装件的内、外配合螺纹之间产生一间隙115。该间隙115起到减少在连接结构主要区内的配合螺纹接触的作用并将造成组装件在低于预计应用扭矩的情况下损坏。
因此，本发明的一个目的是提供自攻丝螺钉及相关的连接/固定方法，该自攻丝螺钉用于连接多个薄板金属件并防止在螺钉组装和紧固过程中锚固材料发生偏斜。进一步的目标是通过这种自攻丝螺钉以及紧固方法来确保将以前在螺钉外螺纹和在锚固材料中产生的内螺纹之间存在的间隙减到最小。
发明内容
一种用于连接薄工件的自攻丝螺钉及相关方法，通过设置一个靠近螺钉头的螺纹根部的一锥形部分来克服现有技术的缺陷，该螺纹根部部分有效地帮助将组装件中的薄板金属件拉紧在一起并且还在该锥形根部分和锚固材料相交的部位产生压缩力。
根据一个实施例，该自攻丝螺钉上还配设有具有多头螺纹的螺旋线或螺纹，从而消除螺钉锚固材料在组装和紧固过程中偏斜并随着螺钉的相邻螺纹之间间隙移动的潜在可能性。
在另一个实施例中，在锥形螺钉根部产生的螺纹牙顶与在螺钉光杆上的螺纹牙顶具有同样的直径尺寸。在一优选实施例中，螺钉螺纹牙顶的直径尺寸保持了一段与螺钉前锥形进入部分相当的长度。靠近螺钉头底面的锥形根部的轴向长度为螺纹轴向螺距的2倍并最好不超过3.5倍。
当用于紧固两个由薄板金属件制成的物体时，该锥形根部在外加扭矩的条件下通过增大表面摩擦力而阻碍了螺纹配合失效，该摩擦力由在与螺钉锚固材料交界处产生的压缩力产生。锥形根部的影响作用与直到螺钉头底面地保持完整的螺纹牙顶直径的结合增强了该体系在装配和使用过程中抵抗失效的能力。
以下，结合下列附图来详细描述前述本发明的目的以及其它优点，其中图1如上所述是在螺钉具有普通的单头螺旋螺纹时的锚固材料发生偏斜的实例的局部侧横截面图；图2如上所述地是局部侧横截面图，它表示与因沿螺钉长度方向有平行螺纹根部的齿根直径这样的加工约束条件相关的反向螺纹锥角的形成；图3是根据本发明的一实施例的且表示锥形根部的螺钉的侧视图；
图4是表示连接多个工件的本发明螺钉的局部侧横截面图；图5是沿图4的线5-5截取的螺钉横断面图；图6是表示根据本发明一实施例的连接两个薄工件的螺钉的局部侧横断面图；图7是表示螺纹牙形后缘面的横断面视图；图8是表示可根据本发明使用的圆弧螺纹牙形的横断面视图；图9是表示根据一实施例的梯形螺纹的横断面视图；图10为显示如另一实施例所述的梯形螺纹的横断面视图；图11为显示如另一实施例所述的梯形螺纹的横断面视图；和图12是表示三个螺旋螺纹的横断面视图。
具体实施例方式
图3示出了根据本发明一个实施例的一螺钉119。该螺钉包括一个头120、一锥形根部122(朝向头120地沿光杆方向径向向外逐渐变细)、一光杆124和一进入点126。
螺钉头120可以有任意的所需形状，可以(例如)为标准十字凹槽，Philips型十字形凹槽，六角形凹槽，六瓣结构，或者可含有其它任一个可通过适用的扳手系列向螺钉传递扭矩的体系。
螺钉光杆124或螺钉的圆柱杆沿其外表面设有多个连续的螺旋线或螺纹128。螺钉光杆具有圆形横断面。螺纹(螺旋线)的外直径为D。在一实施例中，D值在1.6-10mm范围内。然而，在此列举的这个或其它范围仅示范表示本发明螺钉的一个典型应用。在此说明的原理可适用于任何类型和/或尺寸的螺钉和相应材料。
在一个示范实施例中，沿光杆124布置有两条单独的连续螺旋线或螺纹，这样，螺钉属于双头螺纹类型，不过，人们也清楚地认识到可以使用其它数量的单独螺纹。在本实施例中，多个螺纹的使用起到进一步防止锚固薄板变形的作用。注意，所用术语“螺纹”或是指整体连续的结构，即沿沿圆柱形杆或光杆呈螺旋形缠绕的结构，或是指在螺钉横断面上的单独的峰-谷结构的截面形状。使用该术语的上下文应该有助于读者区分开该上位术语的两种用法。
螺纹128的螺距为P，它是相邻螺纹牙顶之间的距离。在一个实施例中，螺距P可在螺钉直径D的0.15-0.22倍范围内。螺纹的导程L为同一螺纹或螺旋线的两个相邻牙顶之间的距离。在一个实施例中，双头螺纹的导程L的长度为螺距P的两倍。如果螺旋线多于示范实施例中的两条螺旋线(如三个或更多的螺旋线)，则导程L长度等于螺距P与为组装产品的具体设计而采用的独立螺纹(螺旋线)数量的乘积。例如在三头螺纹螺钉中，L＝3×P。螺纹128可根据传统的专用螺纹牙形数量进行制造，这将在下文中进一步讨论。
螺钉或其工件接合部由圆柱形坯件制成，圆柱形坯件经过轧制或以其它方式被加工成有适当的选定断面几何形状的螺旋线或螺纹。圆柱形坯件包括一个头部、一靠近该头部的理想锥形根部，该锥形根部随着形状接近头部而从坯件杆体起径向向外地增大。这种“带头坯件”的最初制造可使用普通的压头机和适当开发的工具，或使用车床完成。这种带头坯件的材质为可进行热处理的材料，即当进行适当处理时，该材料仍可承受所加的扭矩。必要时，对螺钉材料进行处理，以使其在连接预定类型的锚固材料时能承受(不失效)外加扭矩。这种处理可包括表面硬化和/或局部感应淬火。
螺钉的锥形根部122沿轴方向位于螺钉头120和平行的螺纹根部124(通常在“光杆”段或区域内)之间，它的轴向长度至少为螺距P的两倍，但最好不要超过约3.5倍。锥形根部122在头120附近有最大直径R并向下逐渐变细到直径等于螺纹根部直径B。角φ为锥形根部122相对螺纹根部124的夹角。角φ应大约在6°与15°之间并最好在8°和10°之间。
根据一个实施例，螺纹128布置在锥形根部122上，这样，螺钉和螺纹的外直径D沿锥形根部122和螺纹根部124区域是大致相同的。尽管有时在螺钉头(包括锥形根部)和进入点区域之间的全部螺纹最好有相同外径，也可考虑在备选实施例中，与特定厚度工件和材料有关地，螺纹在接近进入点且远离锥形根部的区域中具有不同的直径和牙形会比较有利。因此，我们认为，螺纹在锥形根部和与一与锥形根部紧接的螺钉光杆部分(由锥形根部延伸出的邻接部分长度至少为接近进入点的螺距的4倍)中有大致相同的直径。
进入点126可是任何类型的螺钉进入点。在一实施例中，进入点符合一个用于自钻孔和自攻丝螺钉的进入点。在另一实施例中，进入点符合与自攻丝螺钉相关的普通锥形螺纹进入点。应注意的是，人们将清楚地认识到进入点126可采取其它形式。
图4表示根据本发明的螺钉119，它连接第一工件140和第二工件142。如图所示，螺纹128如此设置在螺钉上，即横截面线5-5与图5所示的多个螺纹相交。在这个示范实施例中，两个完全相反的螺纹128(通过螺钉中心线)与工件接合。使用多头螺纹可抵消掉使薄板锚固部偏斜的作用力。这些反向作用力使螺纹良好配合，同时也降低了螺纹松脱和螺钉转动的可能性。
图6是连接两个薄工件140、142的螺钉119的另一视图。锥形根部122沿锥形根部122与锚固材料142接触的区域产生附加的压缩力150。
来自锥形根部122的附加压缩力150与沿螺钉光杆和锥形根部保持一不变的外径D的结合保证了这样一种螺钉，即在用于连接薄工件时，该螺钉产生更牢固的装配。压缩力150、恒定外径D和多头螺纹的结合保证了这样的螺钉，即该螺钉可避免锚固材料偏斜并不会产生反向螺纹锥角或在螺纹与铆固材料之间的间隙，同时也减少了发生脱离和转动的可能性。
图7-11表示可在本发明的不同实施例中用在螺钉螺纹128上的多种螺纹牙形。应注意的是，本发明并不限于使用这些示范螺纹牙形中的任何一种。人们可清楚地认识到，根据本发明，可使用任一种适用于自攻丝螺钉的螺纹牙形。
图7为如授予Pritchard的US5061135所述的螺纹后缘面，该文献在此作为参考被引入。该螺纹牙形的后缘面160(每个牙形上的离螺钉进入点最远的那面)相对一垂直于转动轴线的虚线161倾斜角α°。该角度的范围在10°-15°之间，最佳值为15°。螺纹牙形正面163的一个端部162相对垂线倾斜角β°。角β的范围在17°-25°之间，最佳值为20°。螺纹牙形正面163中的曲面部分163a的半径大小为螺钉外径D的0.22-0.3倍，最佳值为0.22倍。端部162可被截平。
图8表示如也授予Pritchard的US5722808所述的圆弧螺纹牙形，该文献在此作为参考被引入。该圆弧螺纹牙形由从圆心171发出的半径170发展出来，因而该牙形相对一条假想中心线172是对称的。根据US5722808的教导，半径170大小和圆心171定位可由已知的螺纹的(或“材料”)当前最小和最大的金属条件的相互关系得出的。螺纹牙形的端部173可被截去。
图9-11表示多个传统的梯形螺纹牙形。图9表示一梯形螺纹牙形，其中与后缘面181相比，正面180相对平行根部183的斜率更大(如接近垂直)。图10表示相反情况，其中与正面184相比，后缘面185相对平行根部186的倾斜更大。图11表示一梯形螺纹牙形，其中后缘面188和正面189相对平行根部190具有大致相近的角度。
根据一个替换实施例，螺钉可有三个、四个或更多的独立的连续螺纹或螺旋线。图12是有三个独立的连续螺纹128a、128b、128c的一个示范螺钉200的横截面图，这些螺纹沿光杆202形成并终止于螺钉头的锥形根部(图中未示出)上。这种布置结构可为具有不同厚度的多个工件材料提供更好的保持稳定性。注意，每个独立的螺纹128a、128b和128c相对相邻螺纹以一个相等角度AS隔开，即120°分开布置。对螺纹的等间距来说，角AS就等于360°除以螺纹条数。
前面已对本发明的一些实施例进行了详细说明。不过，在不偏离本发明精神和范围的前提上可以进行各种改动和增补。例如，自攻丝螺纹结构的特定类型(螺纹切削和轧制成型)、连续螺旋线或螺纹的数量等等均可有所改动。同样，螺钉的材质和硬度以及底层锚固薄板的材质可以有所改变。因此，以上说明应被认为是示范性的，而不应被认为是对本发明范围的限制。
权利要求
1.一种用于连接薄工件的并有一个旋转轴线和一个螺钉头的自攻丝螺钉，该自攻丝螺钉包括一靠近该螺钉头的锥形根部；一螺钉光杆；多个具有如此沿该螺钉光杆和沿该锥形根部布置的一定螺纹牙形的螺纹，即沿该锥形根部和沿该螺钉光杆的至少一个靠近该锥形根部的部分，保持该旋转轴线距所述每个螺纹的一牙顶的不变的径向距离。
2.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，沿该旋转轴线测量的在相邻螺纹的牙顶之间的距离定义出螺距并且该锥形根部的长度至少为该螺距的两倍。
3.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，沿该旋转轴线测量的在相邻螺纹的牙顶之间的距离定义出螺距并且该锥形根部的长度不超过该螺距的3.5倍。
4.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，沿该旋转轴线测量的在相邻螺纹的牙顶之间的距离定义出螺距并且该锥形根部的长度范围为该螺距的2-3.5倍。
5.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，沿旋转轴线测量的在相邻螺纹的牙顶之间的距离定义出螺距；一个沿旋转轴线测量的同一螺纹的牙顶之间的距离定义出导程；该导程至少是该螺距的两倍。
6.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，这些螺纹由沿该螺钉光杆布置的两个独立的连续螺旋螺纹限定。
7.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，这些螺纹由沿该螺钉光杆布置的三个独立的连续螺旋螺纹限定。
8.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，这些螺纹由沿该螺钉光杆布置的四个独立的连续螺旋螺纹限定。
9.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，该螺纹牙形为后缘面螺纹牙形。
10.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，该螺纹牙形为圆弧螺纹牙形。
11.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，该螺纹牙形呈梯形。
12.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，该螺钉光杆包含一个自钻孔且自攻丝进入点。
13.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，其中，该螺钉光杆包含一个是锥尖进入结构的进入点。
14.如权利要求1所述的自攻丝螺钉，它进一步包括一个位于与该螺钉头相对的该光杆一端上的进入点，并且这些具有沿该螺钉光杆和沿该锥形根部布置的一定螺纹牙形的螺纹是这样的，即沿该锥形根部和沿在该锥形根部和该进入点之间的该螺钉光杆，保持距该旋转轴线到每个所述螺纹牙顶的不变的径向距离。
15.一种使用带螺纹的自攻丝螺钉来连接薄工件的方法，该自攻丝螺钉具有一个旋转轴线并包括一个靠近一螺钉头的锥形根部、一螺钉光杆、多个具有如此沿该螺钉光杆和沿该锥形根部布置的一定螺纹牙形的螺纹，即沿该锥形根部和沿该螺钉光杆的靠近该锥形根部的至少一部分，保持从该旋转轴线到每个所述螺纹的牙顶的不变的径向距离，该方法包括以下步骤沿该旋转轴线向着所述工件施加压力地使该螺钉转动；由这些螺纹产生反作用力，以防止铆固材料发生偏斜；在所述工件中的该工件与该锥形根部相交的部位上提供压缩力。
16.一种使用一螺纹螺钉来连接薄工件的方法，该螺钉具有一个旋转轴线并包括一个靠近一螺钉头的锥形根部、一螺钉光杆、多个具有如此沿该螺钉光杆和沿该锥形根部布置的一定螺纹牙形的螺纹，即沿该锥形根部和沿该螺钉光杆的靠近该锥形根部的至少一部分，保持从该旋转轴线到每个所述螺纹的牙顶的不变的径向距离，该方法包括以下步骤在朝向所述工件施压的情况下，使该螺纹螺钉围绕该旋转轴线转动；通过沿该螺钉光杆设置的所述螺纹形成一系列的内螺纹；施加反向作用力以便基本上防止铆固材料发生偏斜，该反向作用力由这些沿该螺钉光杆布置的螺纹产生；基本上垂直于该锥形根部地对与该锥形根部相接触的工件施加压缩力，该压缩力是沿着该锥形根部与所述工件相交的表面产生的。
17.一种使用螺纹螺钉来连接薄工件的方法，该螺钉具有一个旋转轴线并包括一个靠近一螺钉头的锥形根部、一螺钉光杆、多个具有如此沿该螺钉光杆和沿该锥形根部布置的一定螺纹牙形的螺纹，即沿该锥形根部和沿该螺钉光杆的靠近该锥形根部的至少一部分，保持从该旋转轴线到每个所述螺纹的牙顶的不变的径向距离，该方法包括以下步骤基本垂直于该锥形根部地向与该锥形根部相接触的所述工件施加压缩力，该压缩力是沿着该锥形根部与所述工件相交的的表面产生的。
全文摘要
一种用于连接薄工件的并带螺纹的自攻丝螺钉，它具有一靠近螺钉头的锥形根部。如此在螺钉光杆和锥形根部上设置多个螺纹，即沿螺钉光杆和沿锥形根部，保持从螺钉中心到螺纹牙顶的不变的径向距离。
文档编号F16B33/02GK1592821SQ02804915
公开日2005年3月9日 申请日期2002年8月2日 优先权日2001年9月13日
发明者A·普里特查德 申请人:康蒂紧固件股份有限公司