专利名称：铆接式盲孔螺母的制作方法
技术领域：
本发明涉及盲孔螺母类插入件，它们仅从薄板一侧插入并永久安装在薄板上。更具体地说，它应用于一种通过由薄板接纳金属的冷变形而提供齐平的铆接式固定的盲孔螺母。
背景技术：
在插入件制造业中，盲孔螺母是一类众所周知的插入件，其将带螺纹的元件提供给诸如深度和/或硬度都不足以在板中直接支承螺纹的金属板等薄板。这种类型的螺母被称为“盲孔螺母”，因为它适用于只能进入薄板一侧的情况。通常，将螺母夹紧在凸缘头部与可压扁凸出部分或球状部分之间的薄板上，所述凸缘头部靠在薄板一侧，所述凸出部分或球状部分邻接薄板另一侧。通过将拧入螺母中的一压缩工具芯轴使靠近内螺纹端部的直径缩减的无螺纹部分的中间管状部分变形形成该球状部分(下文称为“可变形部分”)。在安装好螺母后，将芯轴从螺母中退出使之离开螺母/薄板组件，后者准备接纳螺钉或螺栓，将其他部件固定到薄板上。还有一些外螺纹盲孔插入件，其中，永久式固定双头螺栓取代芯轴，作为把加压负荷施加到插入件端部的装置。
由于要固定一相配的螺纹插入件，所以盲孔螺母/薄板组件的性能可考虑由两个不同的轴向强度来描述。第一个轴向强度是夹持负载能力，它是当相配的螺纹紧固件夹紧后可施加轴向负载量的量度。夹持负载能力随着螺纹拉脱强度和螺纹区支承强度而变化。考虑到所装的插入件的截面形状，该支承强度为薄板内球状部分的剪切强度和可变形部分的抗压强度的复合强度。而第二个轴向强度是工作负荷能力，它是使固定的零件从带有盲孔插入件的薄板上分开所需的负荷的量度。考虑到所装的插入件的截面形状，球状部分是防止插入件自薄板中拉出的唯一元件，因此，该工作负荷能力只是球状部分的剪切强度。因为对于工作负荷来说，可变形部分抗压强度的附加作用并不存在，因此，工作负荷能力将始终小于夹持负载能力。
另一个考虑是可使用的安装工具类型。安装盲孔螺母的工具有两种基本类型自旋-拉拔(spin-pull)工具和自旋-自旋(spin-spin)工具。自旋-自旋工具通过转动相配的螺纹件在插入件的可伸缩区产生加压负载。自旋-自旋工具便宜又轻便，而且易于装配和使用，因此通常是优先选用的。由于它们可产生的镦锻力有限，一般不用它们来安装厚较壁的零件。自旋-拉拔工具使相配的螺纹件自旋到位，然后，在自旋之前以反方向施加轴向拉力从螺母中取出螺纹件。自旋-拉拔工具结构比较复杂，因而比自旋-自旋工具更昂贵、更重。它们的安装也很困难，需要的维修也更多。故采用这两种常用安装工具中哪一种往往由形成薄板夹持球状部分所需要的镦锻负荷或镦锻力来决定。因此，希望可以提供一种具有最大工作负荷能力和镦锻负荷的盲孔螺母插入件，所述镦锻负荷可由一自旋-自旋型安装工具所限定的镦锻力来达成。
盲孔螺母的一种性能是要求大的夹紧范围。即，将同一零件固定到各种厚度的薄板的能力。下文的术语“夹紧”指的是无螺纹部分的可变形部分中位于第一球状部分和插入件头部之间的薄板孔内的部分。
在某些应用中，盲孔螺母安装后需要与薄板的入口侧齐平。这可能需要在薄板上钻孔以接纳螺母头部，从而使头部表面与薄板的前部齐平，然而，这不是所希望的，因为在薄板上钻孔需要额外的制造工序。为克服这一问题，有人设计了一种可提供齐平式固定的拉削型盲孔螺母，其中，该螺母以一带齿的锯齿状端部取代头部，这使该盲孔螺母在不需对薄板钻孔的情况下以非旋转关系固定在工件上。这样一种插入件在诸如授予McKay等人的US3,948,142中公开。为适应这种拉削式固定，螺母内部的孔腔接纳进入螺母本体内的可向内折叠变形的材料壁。然而，这种类型固定的其中一个问题是，插入件上没有设置正向结构来防止该插入件自薄板中脱离。若推出载荷和拉削载荷相等，将会导致螺母或插入件全部经薄板的钻孔而脱离。
采用一种自紧式固定以齐平安装盲孔螺母已为本领域所公知。例如，授予Davis的美国专利3,215,026揭示了一种自紧式盲孔螺母。因为自紧式固定取决于变形金属薄板的冷变形，它需要的安装夹紧载荷比拉削固定大得多。因此，在已知的盲孔螺母材料和构造的剪切强度范围内，这种插入件限于相当软的金属薄板材料。尝试通过提高螺母本身材料的强度来增大螺母的剪切强度，以克服螺母相对安装板的后侧作适当的压扁，但这给予安装工具有限的作用力。再有，尝试在不提高材料强度的情况下从结构方面增大盲孔螺母的夹持载荷强度，例如授予Eklund的美国专利2,324,142，其中，盲铆钉的可压扁部分设置有第二加强球状部分。然而，如所公开的，为了满足在较硬金属板中使用铆接式固定所要求的，这种结构需要在无螺纹可压扁部分的外表面设有成对的凹槽，此外表面就不需提供必要的球状部分剪切强度。
另一项公知技术是在盲孔螺母可变形部分的区域中，通过退火形成一弱区，沿可变形部分的长度方向上的硬度逐渐减低。当插入件受压时，在退火区形成一球状部分。例如，授予Kendall的美国专利4,826,372揭示了改变盲孔螺母冶金技术制作球状部分的方法。
尽管本领域作了各种努力和尝试，但仍未能生产这样一种盲孔螺母，即它可安装成与薄板的进入侧齐平，而且它可通过一自旋-自旋工具进行安装并提供宽的夹持范围。因此，本领域希望可以提供一种以铆接齐平安装在较硬金属薄板的盲孔螺母。还希望提供一种可用自旋-自旋工具来安装并提供宽的夹持范围以将它安装入不同厚度的薄板的铆接式盲孔螺母。
发明内容
为满足上述的本领域需求，本发明设计了一种盲孔螺母。本发明的盲孔螺母具有相当薄的壁以及无螺纹的可变形部分加长从而可形成多个球状部分。通过在无螺纹的可变形部分区域把其他材料给予插入件内表面或外表面，可形成若干球状部分。另一种方法是，通过诸如选择性退火的热处理可以在可变形区域的材料中形成选择性硬化的凸环。
由于壁的厚度相当薄，本发明的插入件可用自旋-自旋工具来安装并提供宽的夹持范围。当安装本发明插入件时，将会形成两个球状部分。按照设计，与板接触的第一球状部分和邻接螺纹端区形成的第二支承球状部分的直径比总是相同或者要大。由于形成了两个球状部分，球状部分的剪切强度将是壁厚度的四倍，而不是只形成一个球状部分时，球状部分的剪切强度是壁厚度的两倍。
通过控制形成本发明特征的多个球状部分的轴向位置，从而可控制形成多个球状部分的顺序。在很多设计当中，邻接薄板的球状部分会最先形成。在一实施例中，通过增大外径和安装孔之间的间隙来减小薄板安装孔内的零件的抗压强度。当邻接薄板的球状部分形成时，该间隙导致该区弯曲。最初弯曲的出现促使在头部嵌入时额外弯曲。
在另一实施例中，通过选择性硬化或选择性退火来改变插入件的局部所选区的金属性能，可使插入件有形成多个球状部分的能力。另一种情况中，可在零件外径上加设一加强肋以形成一强度增大的局部区域，在该区域两侧上形成多个球状部分，这将在本文中作进一步描述。
更具体地说，本发明包括一带螺纹的盲孔插入件，其具有一带轴向通孔的无螺纹部分，该无螺纹部分的一端为头部，另一端为通孔的螺纹区，无螺纹部分的外表面和通孔之间具有一分界线。无螺纹的可变形部分为一直径缩减的区域并轴向地位于无螺纹部分的外表面。与无螺纹部分形成一体的加强凸环大致上位于直径缩减的区域中间，并且在该处的壁厚较厚，当插入件被夹在薄板中受压时，可在该凸环两侧上形成凸出部分。该插入件还包括一与头部的底面邻接的凸缘。该凸缘的外径比无螺纹部分的直径大，但比头部的直径小。头部包括滚花或其他非圆形特征，诸如多边形。插入件固定到具有圆孔的薄板上，所述圆孔的直径稍微比安装在该圆孔内凸缘的直径小。按照这些尺寸，在无螺纹部分和圆孔侧壁之间设有大致呈环形的间隙。当插入件受压时，两凸出部分在凸环两侧上形成并对薄板后侧产生反作用力，从而将该薄板夹在插入件的凸出部分和头部之间。凸出部分的反作用力足以使头部和滚花嵌入薄板中，使得最后安装达到与薄板的前表面齐平固定。在另一实施例中，可用可变形壁的硬度较大的一带状部取代加强凸环，该带状部通过插入件热处理来形成。这可通过使带状物两侧上的可变形部分的退火或者将带状部区域热处理以建立一硬度较大的区域或者使带状部相对两侧上的材料退火以使这些区域的材料软化来达成。
因此，本发明具有以下的优点。第一，它增大了与壁厚度相对的凸出部分的强度和镦锻负载。第二，它可在不需制备特定孔的情况下，在安装插入件一侧上达到齐平安装。第三，它增大了圆形安装孔内的扭转保持强度，本文将对此作进一步解释。最后，与使用较厚壁来提高球形部分剪切强度的盲孔插入件相比，本发明的夹持范围增大。对于本领域的技术人员来说，本发明的其他目的和优点将从下面的附图以及对较佳实施方案的描述中将会更明显。
图1所示为底部立体前视图；图2所示为头部立体前视图；图3-6所示为本发明一系列插入件安装顺序的局部剖视侧视图；图7-10所示为本发明另一实施例的一系列插入件安装顺序的局部剖视侧视图。
具体实施例方式
参见图1和图2，本发明第一实施例的插入件10包括一轴向通孔9。与插入件形成一体的径向凸环11处于插入件的无螺纹部分接近可变形区12的中心，该可变形区的外径比凸缘17的外径小。凸环11所在的位置比头部15要稍微靠近插入件的螺纹部分13。头部15包括一通常用在公知的某些型号自紧式插入件上的滚花16，以便在压入工件时，该滚花可提供高的抗扭强度。该滚花的硬度比工件的硬度大。位于头部15底面的凸缘17使插入件置于工件的安装孔的中心，并在无螺纹部分和孔侧壁之间留有环形间隙。凸缘的轴向长度必须稍微小于薄板的最小厚度，以使插入件可装在该薄板中。
图3至图6所示为在可变形区内插入件的壁的压弯或压曲以及头部的滚花部分的嵌入。首先请参见图3，图中示出了图1的插入件装配到一以虚线表示的安装工具21上。该工具包括一延伸到插入件中的螺纹芯轴23。该工具还包括一带有端面的鼻形件(nosepiece)，该鼻形件在安装过程中总是邻接插入件的头部。如该图所示，邻接插入件头部的凸缘17被插入工件或薄板20的安装孔内，以使插入件正确地置于孔中心。加强凸环11大致位于无螺纹部分的可变形部分12的中心。安装过程开始时，安装工具对与插入件的螺纹18啮合的芯轴施加一拉力。
现在，请参见图4，工具的拉力以受压方式加载在插入件的可变形部分。在此图中，直接邻接薄板后侧的第一球状部分25已完全形成以及第二球状部分26正开始形成。壁厚度均匀的可变形部分通过外部材料制成的凸环11沿其外径分为两段，较长段的抗压强度较低，它将成为首先压曲的区域。用这种方法，球状部分的形成顺序可由外部材料凸环的轴向位置来控制。此时，第一球状部分25尚未相对于径向轴线对称。
现在参见图5，安装工具继续施加拉力，第二球状部分26几乎已完全形成。现在，凸缘和薄板后侧之间的可变形部分呈通常的辐射形状。此时，滚花头部16尚未开始嵌入薄板20中。
现在参见图6，图中示出该实施例的最后安装阶段。增大工具施加的力使得两球状部分25和26完全靠在一起，即，以前位于可变形部分内径上的两表面已轴向移动到彼此紧密接触。当每一球状部分本身靠拢以及两球状部分彼此相靠紧后，两球状部分对进一步变形突然产生很大的阻力。当工具施加的力增大时，工具鼻形件对紧固件头部的反作用力超过把滚花头部嵌入工件所需的力，加上夹紧部分内的无螺纹部分变形所需的力(其数量等于头部厚度)。因此，头部完全嵌入以及夹紧部分内无螺纹部分的可变形部分发生变形使得无螺纹部分靠在薄板后侧的曲率半径比图5所示的更小。对此，无螺纹部分的外径和薄板安装孔之间有足够间隙是必需的。该间隙由无螺纹部分和凸缘之间的直径差提供，所述直径差使安装孔的侧壁和无螺纹部分之间形成环形间隙。鼻形件的直径比滚花头部15大的工具可作为一正向挡块，防止头部嵌入太深而不能与薄板的前表面齐平。
现在，两球状部分基本上相对于一径向平面对称并完全形成。滚花16已全部嵌入薄板20中，安装过程就此完成。作为本发明的上述关键特征是两球状部分的形成，可使插入件软到足以变形，而又为将滚花完全嵌入薄板中提供足够阻力。虽然该较佳实施例利用滚花来提供一扭转固定手段，但也可以采用其他的方法诸如非圆形头部形状或径向凸出。
图7至图11所示为本发明的另一实施例。在此实施例中，不象前一个实施例由沿着无螺纹部分外径的外部材料的凸环来形成多个球状部分，而是由一比无螺纹部分的材料硬度大的带状部取代之。该较大硬度的带状部31是可选择性地硬化带区或是先硬化整个插入件再选择性地使无螺纹部分的带状部区周围其余部分退火以减小其硬度来产生的。另外，除了与凸缘相比外径缩减的区域延伸整个无螺纹部分的长度之外，该实施例在其他结构方面类似于图1至图6所示的前一个实施例。具有可变形部分的无螺纹部分的较薄壁区位于凸缘和螺纹区之间，它是由可变形区和螺纹区的内径差达成的。变形的顺序类似于图1至图6所示的实施例。如图7所示，安装过程的第一个步骤是把插入件拧到工具的芯轴23上，直到该插入件的头部邻接工具鼻形件，然后，将插入件的凸缘插入薄板20的孔中。
现在参见图8，安装工具对插入件施加渐增的拉力，因此，在直径缩减区域中的壁上加载加压负荷。在此实施例中，如同前述的实施例一样，较靠近薄板20的第一球状部分35首先形成，而此时，第二球状部分36正开始形成。同样，沿可变形部分的长度放置相对较硬的材料带状部31决定了在该带状物31哪侧上的球状部分最先形成。
现在参见图9，在该第二实施例的形成过程中产生的第二球状部分36现在已基本上完全形成。位于中心凸缘和薄板20后侧之间的直径缩减区中的无螺纹部分壁部分的构形呈现通常的辐射形状。此时，应该注意，滚花头部16尚未开始嵌入薄板20中。
图10所示为安装过程的最后步骤。当增加安装工具的拉力使两球状部分完全形成以及滚花头部16完全嵌入薄板20中时，由工具所施加的力不断地增大导致两球形部分完全靠在一起并变成为相对于一径向平面大致对称。如同上述实施例，在薄板安装孔中的插入件的壁变形，导致对薄板20后侧的半径比图9所示的更小。这部分地可通过薄板安装孔的直径和由凸缘提供的无螺纹部分外径之间的间隔来达成。如同前述实施例，工具的鼻形件提供了滚花头部16齐平地固定入薄板20的前侧。
从前述对较佳实施例的描述可知，本发明的目的已经达成。本发明的带螺纹的盲孔插入件能使紧固件在可控条件下连续变形，这种连续变形可使滚花头部齐平地固定入相当硬的工件或薄板中。应该理解，对本发明可以作出其他各种变化或者改型，基于上面的叙述，这些变化或者改型对于本领域技术人员来说是显而易见的，然而，本发明仅由所附权利要求及其等同物所限定。
权利要求
1.一种带螺纹的盲孔插入件，其特征在于所述插入件包括一具有一轴向通孔的无螺纹部分，其一端为头部，另一端为所述通孔的螺纹区，所述无螺纹部分的壁位于其外表面和所述通孔之间；一所述无螺纹部分的可变形部分，该可变形部分是沿所述无螺纹部分的所述外表面轴向设置的直径缩减区域；以及一加强凸环，它与所述无螺纹部分形成一体并自该无螺纹部分径向延伸，所述加强凸环大致轴向设置在所述可变形部分的中间，其中，除了大致上是较大的所述凸环区域之外，所述可变形部分区域中的所述壁厚小于其他区域的所述壁厚。
2.如权利要求1所述的插入件，其特征在于所述插入件还包括一与所述头部的底面邻接的凸缘，所述凸缘的外径大于所述无螺纹部分的直径，但小于所述头部的直径。
3.如权利要求2所述的插入件，其中，所述头部的外周边包括扭转固定机构。
4.一种装配组件，其特征在于所述装配组件包括一具有一轴向通孔的无螺纹部分，其一端为头部，另一端为所述通孔的螺纹区；一与所述头部的底面邻接的凸缘，所述凸缘的外径大于直接邻接所述凸缘的所述无螺纹部分的直径，但小于所述头部的直径，所述头部还包括一环绕其周边的滚花；一具有一圆孔的薄板，所述圆孔的直径稍微小于所述凸缘的直径，所述凸缘可放置所述圆孔中，使得该圆孔的侧壁和所述无螺纹部分之间留有一大致环形的间隙，其中，所述头部和所述滚花被嵌入所述薄板中使得所述头部与所述薄板的前表面齐平；以及一所述无螺纹部分的第一凸出部分，该第一凸出部分的外表面强制地靠在所述圆孔周围的区域内的所述薄板的后侧。
5.如权利要求4所述的装配组件，其特征在于所述装配组件还包括一所述无螺纹部分的第二凸出部分，该第二凸出部分的前表面强制地靠在所述第一凸出部分的后表面。
6.一种将一带螺纹的盲孔插入件紧固到一薄板上的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤提供一具有一圆孔的薄板；将一插入件放入所述圆孔中，所述插入件包括一具有一轴向通孔的无螺纹部分，其一端为头部，另一端为所述通孔的螺纹区；以及一直接与所述头部的底面邻接的凸缘，所述凸缘的外径大于直接邻接所述凸缘的所述无螺纹部分的直径，但小于所述头部的直径，使得所述无螺纹部分和所述圆孔的侧壁之间留有一大致环形的间隙，所述头部还包括一环绕其周边的滚花；把第一压缩力施加于所述插入件的相对两端，由此使所述插入件无螺纹部分的第一区变形，从而产生一与所述薄板的后侧邻接的第一凸出部分；施加一更大的力，该施加的力通过使所述插入件无螺纹部分的第二区变形而产生一第二凸出部分，由此，第二凸出部分的前表面与所述第一凸出部分的后表面毗连；以及把最后的又最大的压缩力加到所述插入件的相对两端，由此，所述头部通过所述第一和第二凸出部分对薄板后侧供给的反作用力而嵌入所述薄板中，并使所述头部嵌入到与所述薄板的前表面齐平的深度。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于施加所述增大的力、所述更大的力以及所述最大的力的装置是一具有螺栓拉杆的工具，该拉杆与所述无螺纹部分的通孔的螺纹区可螺纹啮合。
8.一种带螺纹的盲孔插入件，其特征在于所述插入件包括一具有一轴向通孔的无螺纹部分，其一端为头部，另一端为所述通孔的螺纹区，所述无螺纹部分的壁位于其外表面和所述通孔之间；一可变形部分，它沿所述无螺纹部分轴向设置并且是一直径缩减的区域；以及一所述无螺纹部分的材料硬度较大的区域，所述区域大致上轴向地设置在所述直径缩减区域的中间，其中，所述较大硬度的区域与所述无螺纹部分的其他区域相比是一可变形性减小的区域。
9.如权利要求8所述的带螺纹的盲孔插入件，其特征在于所述较大硬度的区域通过所述插入件热处理而形成。
10.如权利要求9所述的带螺纹的盲孔插入件，其特征在于所述较大硬度的区域是一经热处理产生的硬化材料带。
11.如权利要求10所述的带螺纹的盲孔插入件，其特征在于所述较大硬度的区域通过使紧邻所述硬度较大区域的任一侧以外的所述无螺纹部分区域退火而形成。
12.如权利要求11所述的带螺纹的盲孔插入件，其特征在于所述硬度较大的区域是一所述插入件材料的带状部，该带状部的相对两侧与经退火软化的插入件材料相邻接。
13.如权利要求3所述的带螺纹的盲孔插入件，其特征在于所述扭转固定机构是滚花。
全文摘要
一种带螺纹的盲孔螺母(1)包括一具有一通孔的无螺纹部分(13)，其一端为一头部(16)，另一端为一螺纹区(18)。所述无螺纹部分包括一由该无螺纹部分缩减的外径形成的弱可变形部分。与无螺纹部分成一体的加强环(11)设置在可变形部分的中间而形成一刚性区，并在加强环两侧的可变形部分形成凸出部分(26)。接近头部底面设有一凸缘，当它设置在工件的安装孔时能使插入件置于中心。加强环可由可变形壁上硬度较大的材料带状部(31)取代，该带状部可经热处理来形成。
文档编号F16B19/10GK1688823SQ03824106
公开日2005年10月26日 申请日期2003年5月12日 优先权日2003年5月9日
发明者罗纳德·S·迪斯 申请人:Pem管理股份有限公司