专利名称：有凹槽头部的紧固件及起子系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及可旋转拧动的螺纹紧固件、其螺丝起子以及制造它们的装置和方法。
背景技术：
使用带动力的工具以高速和高转矩负载拧动螺丝紧固件将导致螺丝起子以很大的力作用于紧固件。虽然很多螺丝紧固件拧动系统特别是在紧固件头部有螺丝起子啮合凹槽的系统被设计成具有可由螺丝起子相应表面啮合的表面，但这种理想的表面-表面啮合实际上多半很难达到。螺丝起子-凹槽啮合通常集中在小区域内或某些点上，在起子和紧固件之间并不是使拧动负载分布在较宽表面区域的表面-表面啮合。这可能起源于很多因素，例如紧固件或起子制造的不一致性以及在现场所遇到的问题。现场遇到的问题包括例如起子和紧固件未对准，或因为油漆以及沉积在凹槽中的其它碎渣而使起子不能完全地插到凹槽中。在起子和紧固件之间即使稍微不对准，或紧固件或起子的公差稍偏离设计标准都将造成起子和紧固件之间的接触面积显著减小，在很多情况下会造成起子和紧固件之间若干部分的近似点接触。在这种情况下施加高转矩必然会造成应力集中在起子和紧固件的材料上，这种应力又可能产生塑性形变或破裂，导致材料事故。凹槽和起子的表面啮合即使出现稍许的塑性形变也使系统的操作性能变坏。如果凹槽发生形变，形成偏离垂直面的倾斜表面，则起子在所加负载的作用下可能造成。“偏心式传动”凹槽。这种偏心式传动是令人讨厌的，因为它不仅造成起子和凹槽过早地脱开或不可控地脱开，而且突然脱开的起子会在工件上滑动。造成工件损伤。另外，在拧动紧固件时起子叶片上过大的应力将使叶片发生形变，这种形变将减小接触紧固件的表面面积，并显著地使接触区域径向内移，因而减小了起子一凹槽啮合的有效性，增加了出事故的危险。即使在起子的侧壁和凹槽翼部以较大的表面-表面接触方式啮合时，起子向凹槽施加合力的点通常也位于受力中心，该受力中心一般位于侧壁的中心区域。因此，合力作用在距侧壁最外侧显著径向向内的位置。不管紧固件是在拧紧方向被拧动还是在拧松方向被拧动，均会出现上述问题。在很多应用中，快速而有效地拧松紧固件的能力其重要性即使不超过拧紧能力的重要性，至少也是重要的。
已开发出许多凹槽一起子啮合系统，以增强拧动系统的效力，减小凸轮式传动的危险并改进拧动系统的其它方面。美国专利Re.24878(Smith等)说明一种已用在航空方面的一个这样的系统。凹槽由三个或四个翼部形成，这些翼部从凹槽的中心部分径向延伸。每个翼部确定一个拧紧壁和一个拧松壁，两个壁均设计成大体是垂直的，即位于紧固件中心轴线的平面内。起子具有互补结构。该系统意在通过消除起子在凹槽中的“摆动”倾向性，增进起子和紧固件的轴向准直，以及阻止凸轮式传动。要获得垂直取向拧紧壁和拧松壁的优点，起子与凹槽的轴向准直以及完全将起子插入凹槽是很重要的。即使采用这种系统，作用的高转矩负载也可能造成起子翼部的某些形变，这种形变趋向于减小起子叶片和凹槽翼部壁之间的接触区域面积以及使使接触区域径向内移。这又增加了凹槽塑性形变的危险，这种形变将起子一凹槽啮合作用逐渐变坏，产生不好的后果。
美国专利NO.3 237 506(Muenchinger)说明另一种起子一凹槽啮合系统，该系统已应用于市售的注册商标为Pozidriv的用于工业方面的紧固件。凹槽各个翼部的侧壁被设计成位于一个大体是垂直面的平面上是Pozidriv的特征之一。在常规冷镦机技术中用双冲击镦锻机冲击制造紧固件的线材或其它材料的端部，同时将该线材支承在镦锻机的模具中，在形成这种垂直侧面时，首先用一种中杆在紧固件坯料的端部上形成钢坯(加工不完全的头部)，然后用精加工冲杆精加工该头部，形成起子啮合凹槽。可以自动和高速地执行操作。使冲杆沿紧固件坯料的纵轴方向冲击紧固件坯料的头端，然后再退出。凹槽设计应当消除侧凹区域，即在冲杆进入紧固件头时虽然可以形成但在冲杆退回时却又消除的区域，这是镦锻工艺中固有的限制之一。Muenchinger的专利说明一种用于减小或消除在冲压紧固件头凹槽时容易发生的“金属抛离”效应。这种金属抛离现象的结果是，凹槽不能准确地与凹槽成形冲杆的形状相一致。缺乏准确的一致性将形成一种凹槽，这种凹槽表现出较大的偏心式传动，减小了起子的稳定性，造成起子和凹槽之间的配合松动。这些问题降低了紧固件和起子之间作用的转矩量。
美国专利NO.4 187 892(simmons)和5 120 173(Grady)说明一种螺纹紧固系统，在这种系统中，在凹槽和起子中的一个或两者的两个或多个起子啮合侧壁上特意形成可形变的肋条。这些肋条稍凸出于侧壁，设计成可形变该肋条，或使它们啮合的肋条形变，从而形成一个互锁咬合。肋条的这种互锁咬合可以阻止偏心式传动。这种抗偏心式传动的肋条已应用于具有大体垂直拧动壁的凹槽内以及侧壁显著偏离垂直面的那些凹槽内。在冷镦工艺期间形成肋条，在这种工艺中，用双冲击冷镦机形成紧固件的有槽头部。
虽然在有槽头部的紧固件上形成抗偏心式传动的肋条显著改进紧固件的拧动特性，但一些类型的有槽头部紧固件在设计时需要进行折衷才能获得抗偏心式传动的肋条的优点。抗偏心式传动的肋条不能以留下侧凹的方式形成，这种侧凹在凹槽成形冲杆退出将造成肋撕裂。在具有大体垂直侧壁的凹槽中，这种抗偏心式传动的肋条也必须是大体垂直的并平行于紧固件的轴线。虽然希望将这种肋条配置在离紧固件中心轴线具有最大径向距离的地方，即位于凹槽侧壁径向更外侧的区域，但是凹槽侧壁的高度在靠近其半径端部时逐渐减小。因此在靠近半径端部时肋的垂直高度必然很短。这种肋条只能由靠近紧固件头部顶表面的凹槽上端部附近的有肋条起子叶片啮合。在如此位置的短肋条具有不能和有肋条起子正确啮合的更大危险，或者不能由该起子啮合。因此抗偏心式传动的肋条，特别是在具有垂直壁或近似垂直拧动壁的凹槽中的肋条通常配置在侧壁上径向更向内的位置。
肋部伸入凹槽翼部的包络面必然要求或者增加翼部的宽度，或者减小啮合起子叶片的宽度以容纳该凸出部，这也是应用有肋条凹槽时要考虑的折衷方案之一。这样又需要减小紧固件头部，或起子叶片，或二者的材料量，以使起子叶片可以正确插入到凹槽中。在要求于凹槽翼部的拧紧侧壁和松开侧壁的两个侧壁上形成这种抗偏心式传动的那些应用中，这些设计折衷是特别明显的。另外的困难是，这种凹槽需要与现有的起子相配合。在很多情况下，在凹槽中形成抗偏心式传动的肋条可能限制了现有起子插入这种凹槽的程度，有可能不能完全纵深插入，因而降低转矩的传送效能。
已经形成在有槽头部紧固件系统上的抗偏心式传动的肋条通常具有V形横截面形状，沿肋条的长度形成相当锐的顶点。在将这种紧固件用于需用用电镀层(例如抗腐蚀电镀层)来增强其功能的环境中时，可以预料到，起子和凹槽肋条的交会区域很小，这将导至很高的足以破坏电镀层的应力，特别是在起子叶片上也有肋条时。
因此需要改进有凹槽头部紧固件和起子，使得通过这种改进可以减小或消除上述问题或其它问题。
发明内容
本发明适合用于紧固件的凹槽，该凹槽具有中心部分以及从中心部辐射的许多翼部。该翼部由一对侧壁和一个端壁限定。两个或多个翼部侧壁包括无荷载区域，该区域从侧壁的上边缘向下伸向侧壁的底部。沿侧壁径向测量无荷载区域的宽度从侧壁的顶部到底部逐渐减小。无荷载区域构形成留下本文称作“转矩垫”的一细长条，该细长条沿侧壁的外边缘延伸。该转矩垫适合于由起子叶片的径向外边缘啮合，而无荷载区域保持与起子叶片稍为间隔开。当起子啮合凹槽时，起子叶片的外边缘将压靠在该转矩垫上，而叶片的径向更向内的部分则保持与无荷载区域的侧壁稍为间隔开，不能将力传送到无荷载区域。因此由起子施加的转矩将沿转矩垫作用于螺钉头部，由此可确保拧动力作用在凹槽侧壁的径向最外侧区域。由于尽可能加大了起子叶片作用力的力臂，所以不必将过大的力作用在侧壁上便可以将最大转矩传送给螺钉。这样便可减小凹槽发生有害塑性形变的危险。
在本发明的另一方面中，可形成凹槽，以保留沿拧动壁的内边缘延伸的一附加有荷载肋条。这种内肋条用于啮合起子叶片的最内部区域，即靠近叶片根部的区域，增加所啮合起子的稳定性。由于在翼部侧壁的外边缘形成转矩垫，又在其内边缘形成稳定肋条，所以可减小起子与凹槽对不准的危险。
本发明的另一方面涉及成形凹槽的镦锻冲杆的结构。冲杆在其翼部的一个或两个冲压壁上具有升高的表面，该升高表面适合在相应凹槽侧壁上形成无荷载区域。确定一升高区域的表面中没有一个表面的取向可以在最后的凹槽内形成侧凹表面。所有上升区域的表面被定向以提供正的拔模锥度。因而当冲杆形成凹槽时，它可以抽出而不损害或撕裂任何已形成的表面。可以这样选择上升区域的几何形状，使其可以确定最后所得凹槽的总的转矩垫和稳定肋条的几何形状和尺寸，从而提供要求的凹槽特征。冲杆的结构是使得这种结构可以在大体垂直的或非垂直的凹槽侧壁上形成转矩垫，在非垂直凹槽侧壁上，转矩垫相对于紧固件纵向轴偏离较大的角度。
在本发明的再一方面中，提供一种匹配的起子，该起子包括凸出于起子侧壁的一个或多个肋条。凹槽翼部的宽度由拧动壁的有荷载表面之间确定，此宽度可看作为限定了接收起子端头包络面的凹槽包络面，这些包络面的尺寸被定为可以在实用公差的范围内彼此紧密配合。由起子限定的包络面包含起子的肋条，被选择为对应于由有荷载凹槽限定的包络面。这样便使得起子可以与凹槽正确匹配。不管该凹槽是常规的可购得的凹槽，还是按照如上概述的本发明其它方面改型的凹槽。细长的起子肋条其取向大体垂直于起子叶片的翼部外壁，使得当与本发明形成的凹槽配合时，起子肋条大体垂直其有关转矩垫的取向延伸。该肋条可以啮合或充分地咬入转矩垫，以增强抗偏心传动能力，以此种方式啮合，其形变显著小于由起子肋条与翼部壁上常规抗偏心传动肋条相啮合所造成的形变。在本发明的再一方面中，起子的肋条高度被形成为沿径向向内方向逐渐减小，由此使得起子肋条的横截面积沿径向向外方向逐渐增加，而起子包络面的尺寸不会增加到超过凹槽包络面。
对有凹槽头部的螺纹紧固件提供一种改进的拧动系统是本发明的目的之一。
本发明的另一目的是提供一种有凹槽头部的螺纹紧固件，在该紧固件中，由相配起子施加的拧动力作用在凹槽拧动壁的径向外侧区域上，从而使作用在紧固件上的拧动力的力臂增加到最大。
本发明的再一目的是提供一种改进的有凹槽头部的螺纹紧固件，在该紧固件中，可以产生一定量的转矩，而作用于紧固件上的应力与不用本发明时施加的应力相比减小了。
本发明的又一目的是提供一种改进的有肋条的起子，该起子适合于与按本发明制造的凹槽联用，并且还可与常规凹槽配用。
本发明又一目的在于提供一种有凹槽头部的紧固件，该紧固件具有上述类型的凹槽，而该凹槽既可与常规起子又可与本发明的改进起子配用。
本发明的又一目的是提供一起子，该起子具有肋条，该肋条的位置和取向使得在减少凹槽受损的同时可以实现最大的转矩传送。
本发明的又一目的是提供一种与有凹槽头部的紧固件联用的起子，该起子包括肋条，该肋条的取向大体垂直于起子叶片的端壁。
本发明的又一目的是提供一种上述类型的起子，在该起子叶片上的肋条适合于啮合按本发明形成的凹槽上的转矩垫。
本发明的又一目的是提供一种螺丝紧固件的凹槽，在这种凹槽中由起子作用于凹槽的力位于凹槽翼部的径向最外的侧区域，而且在翼部的径向内侧区域上形成稳定肋，以便相对于凹槽稳定起子。
本发明的又一目的是提供一种镦锻冲杆，该冲杆可以制造本发明的有凹槽头部的紧固件。
本发明的又一目的是提供一种制造这种有凹槽头部的紧固件的方法。
下面参考附图进一步说明本发明，从此说明中可以更完全地理解本发的这些以及其它目的和优点。
图1是相匹配的螺钉和起子的立视图，其中螺钉头部已按照本发明进行改进。
图2是十字形凹槽螺钉的顶视图，该螺钉采用一种凹槽，这种凹槽的翼部具有大体垂直的侧壁并已按照本发明进行改进。
图3是沿图3的3-3线截取的本发明凹槽的横截面图；图4是局部等角视图，示出实施本发明的凹槽；图5是放大平面图，示出本发明凹槽和配用的有肋条的起子，沿图1的5-5线截取的截面图中见到。
图6是类似于图5的放大平面图，图中凹槽与常规无肋条的起子相啮合。
图7A是常规无肋条凹槽翼部侧壁的示意图，图中示出侧壁受力中心的位置；图7B是实施本发明的翼部侧壁的示意图，示出侧壁转矩垫上的受力中心。
图8是本发明的有肋条起子的端视图。
图9是本发明的有肋条起子的侧视图。
图9A是沿图9的9A-9A线截取的起子翼部的横截面图。
图9B是沿图9的9B-9B线横过起子肋条外侧区域截取的放大截面图。
图9C是沿图9的9C-9C线横过起肋条截取的横截面图，其截取位置处于比图9B的截取位置更径向向内的位置。
图10是镦锻冲杆的侧视图，该冲杆被形成为可以在平头部的螺钉上形成本发明的凹槽。
图11是图10所示成形冲杆的端视图。
图12是图10和11所述成形冲杆的透视图。
具体实施例方式
图1示出相结合的有凹槽头部螺钉10和起子12，该起子完全与螺钉轴向准直地插入凹槽中。尽管本发明被例示为包含在美国专利NO.3 237 506(Muenchinger)说明的那种凹槽和起子结构中，但本发明的原理可应用于其它类似的有凹槽头部的螺钉结构中。图2-4说明本发明装置包含在平头部紧固件上的Muenchinger凹槽内。可啮合起子的凹槽为多角形，该多角形一般为位于一个平面上的十字形。该凹槽包括中心部分14和许多从中心部分14向外辐射的翼部16。翼部16由向下和向内倾斜的中间壁18彼此分开。翼部16和中间壁18的底部区域交会于大体凹的凹槽底部20。在例示的实施例中，各个翼部由一对三角形侧壁22、22’和端壁24形成，该侧壁从螺钉头部的顶端向下向内倾斜地伸到凹槽的底壁20。在本发明的以下说明中，螺钉被认为是用右手拧的，在这种螺钉中，当拧紧螺钉时侧壁22起拧动壁的作用，而在拧松螺钉时相对侧壁22’起拧动壁的作用。在下面的说明中，在参考编号上方加撇用于表示与拧松紧固件相关的构件或元件。从上面的说明中应当看出，为方便起见，不管一个驱动壁的部件或元件的参考编号上是否加撇，该编号也可应用于相反意义的拧动壁。
市售的商标为Pozidriv的螺钉上的例示凹槽其特征在于大体垂直的拧动壁22、22’，即位于一个平面上的拧动壁大体平行于螺钉的中心轴线26延伸。中间壁18形成为形成向下伸入凹槽的凹部19。螺钉头部的上表面28也形成许多径向延伸的凹部30，该凹部与凹部19的上端交会。在镦锻紧固件期间形成具有凹部形状的中间壁18和凹部30，这有肋于排开和引导金属流动，从而减小金属的抛离程度，使得最后的侧壁22，22’尽可能接近于垂直。为进一步理解该凹槽可参考Muen-Chinger的专利NO.3 237 506，该专利的内容已作为参考整个包含在本文中。
按照本发明，一个或两个侧壁22，22’的结构具有无荷载区域32，32’，该区域从侧壁的上边缘34，34’向下伸向侧壁22，22’的底部。在镦锻加工期间形成无荷载区域32，32’。如下面进一步说明，镦锻冲杆被成形为可以形成无荷载区域32，32’。形成无荷载区域32，32’，使得其相应侧壁的有荷载部分构成转矩垫，该转矩垫形为相对升高的细长条，总的用编号36，36’表示，它沿相应侧壁的外边缘延伸，即沿着翼部16侧壁与端壁24的交会部分延伸。该转矩垫36，36’由匹配起子叶片的径向最外侧区域啮合。无荷载区域36，36’这样设计和成形，使得起子叶片不与无荷载区域32，32’确定的那些侧壁部分啮合。由于使起子叶片保持与侧壁最外侧区域啮合，所以尽可能增大了作用转矩的力臂，因而减小为达到要求转矩量所必须的力，由此减小不希望的凹槽形变的危险。
无荷载区域32，32’还这样成形，以限定沿相应拧动壁的内边缘延伸的沿高度方向的稳定肋条38。稳定肋条38其高度与转矩垫相同。稳定肋条38用于引导起子进入凹槽，从而保持起子与紧固件轴向准直，有助于可控地和正确将起子固定在该区域上。无荷载区域还可用来收碎杂、油漆末等，否则这些车会妨碍起子完全正确地固定在凹槽内。
本发明装置也可以形成在现有的市售紧固件上，这些紧固件仅作为举例可列出市售的其商标为Pozidriv、Torq-Set、Tri-Wing的紧固件，以及其它紧固件等。这些市售的紧固件是根据预定的标准规格和公差制造的，在这种标准规格和公差中，头部和凹槽的尺寸、角度和构形已被标准化。用于市售的商标为Pozidriv、Torq-Set和Tri-Wing的这些紧固件的这种预定标准规格和公差是技术人员熟知的，可从麻省Wakejield市的Phillips Screw Company公司获取。如果要使不同厂家制造的紧固件和起子彼此一致和相配合，这种预定的尺寸和规格是很重要的。本发明可以改进凹槽获得本发明的优点，而又不影响凹槽与现有起子的相容性，同时还具有该凹槽与下面将说明的改进起子联用时所获得的其它优点。具体是，常规凹槽(即不包含本发明的具有预定规格的凹槽)可以看作为限定了一种包络面，这种包络面符合与该凹槽有关的预定规格。该凹槽包络面可以接收预定的啮合该凹槽起子的大体互补的包络面。按照本发明，在侧壁上的无荷载区域形成在常规凹槽包络面的外侧，使得限定改进凹槽的螺钉头部材料的任何一部分均不伸入该包络面。因此按本发明制造的凹槽不仅与本发明的改进起子相容，而且还与适用于特定凹槽尺寸和类型的起子相容。
无荷载区域32由以下表面限定无荷载表面40、外侧梯面42以及内侧梯面44(如果形成稳定肋条38)。所有表面40，42，44位于大体垂直的或与垂线形成规定角度的平面内，使得凹进区域32可由双冲击镦锻机的第二冲杆成形为凹槽的一部分。凹槽区域32的形状可以根据要求改变，只要不要求形成用常规镦锻技术和冲杆不能有效形成的侧凹部。因此，放变各个无荷载表面40、42、44的形状和取向便可改变凹进区域的形状。这样又能造成转矩36和稳定肋38形状的改变。在例示实施例中，转矩垫36的上边缘46比其下部分宽，因此转矩垫36有些像细长梯形。可以改变外部梯面42的形状和取向，以改变转矩垫36沿其长度的径向宽度。可以改变最后转矩垫36的尺寸和形状，以满足特定应用的要求或适应制作紧固件材料的变化。作为尺寸例子，对于绝大多数凹槽结构和尺寸，无荷载区域32的深度可考虑在0.08-0.020英寸之间，以确保起子不接触侧壁的那部分区域，并沿在侧壁径向外侧区域的转矩垫传送转矩。仅作为一个例子，对于如图2所示的其凹槽具有预定规格和结构的用钢作的紧固件，该转矩垫在例示实施例中在其下端部约为0.007英寸宽，而其顶部约为0.019英寸宽。然而应当明白，转矩垫的形状和无荷载区域32的深度可以根据需要改变，以适应不同的应用或不同的紧固件材料。例如，转矩垫和无荷载区域的形状和尺寸对于用比钢软的材料例如铝或黄铜制作的紧固件可以是不同的。另外，还应当注意到，虽然本发明主要在用双冲击镦锻机制作紧固件的方面进行说明，但本发明还可应用于紧合物紧固件(例如尼龙紧固件)，这种紧固件及其头部和凹槽均是模制的，例如用注射模制法模制。
图7A和7B示意性地示出本发明传送转矩的方式，本发明传送一定转矩时，需在翼部侧壁上施加力，该力预料小于没有本发明装置时所施加的力。图7A示出常规凹槽的侧壁，而图7B示出实施本发明的凹槽侧壁。当常规凹槽(图7A)由其起子啮合时，起子与凹槽基本上是面-面接触，这可以看作为在一个称作受力中心(CE)的点作用一个合力。受力中心CE可以看作为位于侧壁的几何中心。在没有本发明装置的凹槽中，受力中心CE可以看作为位于距离螺钉中心轴线26为半径R1的位置。如图7B所示，本发明装置的受力中心CE位于转矩垫36上的半径R2，该半径R2距中心轴线的距离大于没有无荷载区域32的同一凹槽翼部的半径R1。由本发明达到的较大力臂R2使得在施加和传送相同量力矩的条件下可以在受力中心施加较小的力。因而减小了发生塑性形变的危险。
本发明的再一优点是即使在很高的荷载下转矩也能传送到转矩垫，这种荷载预料可使起子叶片变弯到稍呈弓形形状。在常规凹槽中，即使在起子和凹正确准直的条件下，起子叶片的形变也将导致叶片与侧壁啮合线或啮合区域的漂移，这种漂移又倾向于减小受力中心CE的径向距离和力臂。采用本发明，无荷载区域32的深度被选择为使得起子叶片的弯曲或其它高荷载形变基本上不能使受力中心径向向内漂移，即使有漂移也极小，因为起子叶片仍保持不与侧壁的无荷载区域接触。
稳定肋条38主要用来引导起子端头，使该起子端头按照渐近轴向准直的方式进入凹槽，使得起子可以完进入凹槽内，与紧固件形成轴向啮合。因此当施加拧矩时，该起子处于稳定的完全固定的位置、这样便随时可以正确地向转矩垫施加满荷转矩。稳定肋条啮合起子叶片的径向内侧区域，该区域与起子相配合，可防止起子以较大的倾斜状态插入凹槽。为插入起子，使用人必须更准确地使起子对准螺钉的凹槽。稳定肋条既用于在插入啮合期间又用于在拧动期间使起子一凹槽连接保持稳定。
应当明白，凹槽的结构可以改变，可以在所有翼部侧壁上或在数目小于总数的侧壁上形成转矩垫，或形成为不同图案。这样，可以只在一些侧壁上形成相应无荷载区域的转矩垫，这些侧壁适合于在同一转动方向例如顺时针或反时针方向传送转矩。其它一些改变包括在相反翼部的相同转动方向的侧壁上形成转矩垫，而(在十字形凹槽中的)中间翼部其转矩垫则形成在相反转动方向的侧壁上。
在本发明的另一方面中，提供改进起子，该起子包括图8和9所示的肋条。有肋条起子的包络面适合于与同一种类型的常规凹槽的包络面配合，虽然该起子在与具有本发明凹槽的紧固件联用时具有特殊优点。该起子具有杆以及在杆端部上形成的起子端头50。在例示实施例中，端头50包括四个从中心心部54辐射的叶片52。该心部54和叶片52配置成可与图2的所示的凹槽相配合。在各对相邻叶片52之间心部54的区域具有细长脊部56，该脊中向下伸向心部的端部。该脊部56可与如在上述Muenchinger专利中更详细说明的凹槽中间壁18上形成的凹部下部区域啮合。起子的尖头58形成为如图所示的圆锥形或其它要求的形状。通常，起子的尖头58和凹槽的底壁20相互不完全贴合，使得在起子尖头58和凹槽底部之间留下一定间隙。这种间隙可以形成聚集碎渣或过多油漆的空间而不负面影响起子完全插入凹槽的能力。
叶片52具有至少一个最好许多个凸出于叶片表面64的肋条60。肋条的横截面最好为三角形，具有适合于啮合凹槽转矩垫36和咬入该垫的细长脊部62。各个肋条60的横截面积和高度沿径向向内方法逐渐减小。因此各个肋条60的从叶片表面64算起的高度沿径向向内的方向逐渐减小。当在截面上看时(图9A)，肋条60的脊部62可以看作为形成叶片的包络面，从此截面上可以看出，叶片包络面在叶片的端壁66的附近达到最大宽度，并从此宽度径向向内逐渐缩小。在例示的实施例中，由脊部62确定的角度A可以考虑在约1-5°范围内，该脊部也形成叶片包络面。由于使肋条的最大高度位于或靠近端壁66，所以可确保肋条60充分地啮合凹槽的转矩垫36。另外，肋条60沿大体垂直于端部66的方向延伸，因而将大体横向于转矩垫的长度方向啮合细长转矩垫的表面，使得许多肋条60可以啮合转矩垫。在上述mmons的专利中起子上很锐的肋条横过并啮合紧固件侧壁上同样细长的锐利肋条上，和这种肋条啮合不同，本发明能使肋条啮合在转矩垫上的许多对应于转矩垫宽度的确定线段上。采用Simmons专利所述的交叉肋条配置时，起子肋条和凹槽肋条之间的接触发生在很小的点状区域。因此应力达到很大，导致紧固件肋条的显著变形，而采用本发明时，虽然肋条以足以制止偏心传动的方式啮合转矩垫表面并使转矩垫形变，但是作用力沿转矩垫分开在许多接触区域，而被分散，造成作用力不太集中，各个转矩传送区域沿对应于转矩垫宽度的长度延伸。因此，形变程度虽然足以克服起子的偏心传动，但却不会显著损坏凹槽的任何部分。另外，在保持高度抗偏心传动的同时，还可以减小对凹槽内镀层的损伤，这也是本发明这方面的优点之一。
由起子叶片限定的包络面在靠近起子叶片的端部66处达到最宽。当与常规凹槽联用时，叶片外侧区域的较宽形状有助于起子叶片与侧壁径向外侧区域啮合，从而可达到最大力臂，实现有效转矩传送。该许多肋条的高度和间隔开的图案可以防止肋条过分咬入螺钉头部，造成过分的形变。
可以用常规方法形成起子端头，在该方法中用模制模制模形成叶片54。叶片52可以成形为其宽度稍小于常规配对起子叶片宽度。用冲压工艺在叶片表面上形成肋条60，在这种工艺中使叶片材料流动，充满冲压模腔。该冲压模腔被成为形可以获得上述最后的肋条结构。
应当明白，在拧动紧固件时叶片与稳定肋条的接触不是重要的。起子通常可以在凹槽内稍为转动，该凹槽中具有少量的设计游隙，这种游隙是插入和取出起子所必需的。对于作用在起子上的给定转矩荷载，叶片上的最大位移发生于距转动中心最远的点。因此靠近外边缘的叶片表面将首先转动，将最大的啮合力作用于转矩垫上，然后才有比较大的力作用于稳定肋上。
本发明还包括提供适合形成紧固件头部及其凹槽的镦锻冲杆。凹槽可用双冲击镦锻机以常规镦锻技术形成。图10、11和12示出冲杆70，该冲杆70成形为可形成简单的十字形凹槽。该冲杆包括主体部分72，该主体具有表面74以及凸出于该表面的整体成形尖头76。尖头76的形状与凹槽的形状互补，而冲杆表面是所述螺钉头部形状的互补形状，图中该头部示为平的头部。尖头76包括中心心部78和许多从该心部78大体径向向外辐射的叶片80。各个叶片80具有一对侧壁82、82’和端壁84，该端壁从心部的外端86开始向外倾斜。冲杆叶片的侧壁具有突出部88，该凸出部的横截面积和构形完全相同于在凹槽翼部侧壁上形成的凹进区域的横截面积和构形。凸出部88根据要求的凹槽构形可以形成在各个叶片的一个或两个面上。在冲杆上的所有表面均具有正的拔模锥度，没有侧凹部，因此冲杆能从成型的头部和凹槽中退出而不损坏紧固件。
从上面可以看出，本发明提供一种有凹槽头部的紧固件拧动系统，利用该系统可向紧固件施加转矩，此时凹槽的塑性形变减小，但充分啮合凹槽，因而减小偏心传动，形成稳定的转矩传送。该凹槽可与现有市售的起子联用，而本发明的起子可与市售的有凹槽螺钉联用。当同时使用本发明的凹槽和起子时，可以改进转矩传输效率。
应当明白，本发明的上述说明仅是例示性的，技术人员可以明显看出其它变型、实施例和等效装置。虽然已说明本发明，但我们希望申请的和由专利权书确定的专利权是如下。
权利要求
1.一种起子(12)，用于啮合螺纹紧固件(10)端部上的凹槽，包括一杆部分和形成于该杆部分端部上的凹槽啮合部分，该凹槽啮合部分包括一中心心部(54)和从该心部辐射的许多叶片(52)，各个叶片具有至少一个拧动壁(64)和一外壁，在至少一个叶片的至少一个拧动壁(64)上形成的至少一个肋条(60)，该肋条这样取向，使其大体垂直于叶片的外壁延伸，其特征在于，该至少一个肋条的横截面积沿径向向内方向是减小的。
2.如权利要求1所述的起子，其特征在于，该肋条的横截面积沿径向向内方向是减小的。
3.如权利要求1所述的起子，其特征在于，肋条的径向最外端部限定了叶片的最宽部分。
4.如权利要求1所述的起子，其特征在于，肋条的横截面大体为三角形。
5.一种起子(12)，用于啮合螺纹紧固件(10)端部上的凹槽，包括一杆部分和杆部分端部上形成的凹槽啮合部分，该凹槽啮合部分包括一中心心部(54)和从该心部辐射的许多叶片(52)，各个叶片具有至少一个拧动壁(64)和外壁，在至少一个叶片的至少一个拧动壁上形成的至少一个肋肋条(60)，其特征在于，该至少一个肋条的横截面积沿径向向内方向是减小的，使得肋条的径向最外侧端部限定了起子叶片的最宽部分。
6.一种螺纹紧固件(10)和与其联用的有肋条的起子(12)，螺纹紧固件在其端部上形成有由起子啮合的凹槽，包括凹槽、该凹槽具有一中心部分(14)和从该中心部分向外辐射的许多翼部(16)，各个翼部由一对侧壁(22，22’)和一个端壁限定，该起子包括一杆部分和杆部分端部上形成的凹槽啮合部分，该凹槽啮合部分包括一中心心部(54)和从该心部辐射的许多叶片(52)，各个叶片具有至少一个拧动壁和外壁，在至少一个叶片的至少一个拧动壁上形成的至少一个肋条(60)，其特征在于，至少一些侧壁具有在相关端壁径向内侧限定的无荷载区域(32，32’)，以在凹槽的端壁和中心部分之间限定相对升高的转矩垫(36，36’)，该无荷载区域限定在上述包络面的外侧，肋条的径向最外端限定了起子叶片的最宽部分；由凹槽限定的包络面可以接纳由有肋条起子限定的包络面，肋条的径向最外侧端部与转矩垫可以彼此啮合，因而在使起子和凹槽啮合时可将转矩从起子传送到转矩垫上。
7.如权利要求6所述的有凹槽紧固件和与其联用的起子，还包括由不包含无荷载区域的那部分凹槽限定的凹槽包络面，后者对应于凹槽几何形状和尺寸的预定技术规范，该凹槽包络面不仅可接收上述有肋条的起子，而且还可接收其几何形状尺寸技术规范对应于凹槽包络面技术规范的常规起子；上述有肋条的起子不仅可以插入上述有无荷载区域的凹槽，而且还可插入上述常规凹槽。
8.一种形成螺纹紧固件(10)的凹槽头部的冲杆(70)，包括一冲杆主体(72)，具有一表面(74)和凸出于该表面的一体的端头76，该端头与紧固件凹槽的形状互补，该表面具有与所加工的螺钉头部形状互补的形状；该端头包括一中心心部(78)和从该心部径向向外延伸的许多叶片(80)，各个叶片具有一对侧壁(82，82’)和一端壁(84)，该端壁从心部外侧区域向上和向外倾斜；该叶片在其上端部交汇于冲杆的表面，从而限定一整体结构，其特征在于，一个叶片上的至少一个侧壁被成形为限定一个升高区域，该区域从冲杆的端表面向下伸向叶片的端壁，该升高区域由至少一个沿叶片侧壁的升高部分和不升高部分的结合处延伸的梯面限定，各个升高表面和梯面具有正的拔模锥度。
9.一种在螺纹紧固件头部上形成凹槽的方法，该方法包括以下步骤用冲杆的表面冲击紧固件的端部，该冲杆的端部被成形为限定紧固件头部的至少一部分的外部形状；在上述冲击期间，使紧固件端头的金属流动，形成凹槽，该凹槽具有中心部分和从该中心部分辐射的许多翼部，各个翼部具有一对侧壁和一个端壁，其特征在于，在形成翼部期间，使限定侧壁的那部分头部流动，从而形成沿侧壁的无荷载区域。
全文摘要
提供一种具有一定结构的头部具有凹槽的紧固件(10)，利用该结构，由起子(12)叶片作用在凹槽翼部上的力可以作用在翼部(16)的径向外侧区域。该紧固件凹槽的翼部(16)在翼部的外侧区域具有适合于啮合起子叶片外侧区域的转矩垫。该转矩垫(36)由无荷载区域确定，位于凹槽翼部的拧动壁上。形成无荷载区域是为了避免与起子叶片接触。在拧动壁的径向内侧区域还形成稳定肋条。啮合凹槽的起子包括许多么径向延伸的起子，该肋条成形为有助于使肋条与凹槽拧动壁的径向最外侧区域啮合。该起子和凹槽可以彼此相容，而且还可以与其它的不包含本发明装置的相应常规凹槽和起子相容。文中还讨论了制造上述紧固体的冲杆和方法。
文档编号F16B23/00GK1475331SQ03145219
公开日2004年2月18日 申请日期1998年10月1日 优先权日1997年10月3日
发明者B·J·休斯, M·L·莫温斯, B J 休斯, 莫温斯 申请人:菲利普斯螺丝公司