高强度紧固件、螺丝刀及紧固件系统的制作方法

本申请要求2016年6月17日提交的美国临时专利申请序列号62/351,540的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文中。

所公开的实施例大体上涉及紧固件系统，包括紧固件、螺丝刀、制造方法以及相关工具和加工，尤其是涉及具有螺旋形驱动面和移除面的紧固件，能够对螺旋形驱动面和移除面施加高的锁紧扭矩，而不会在紧固件和螺丝刀上有过大的应力。

背景技术：

具有至少部分地由螺旋节段限定的螺丝刀啮合面的紧固件在使用中具有良好的效果。这种紧固件系统描述于授予stacy的美国专利5,957,645、6,234,914和6,367,358(stacy专利)以及授予dilling的美国专利7,891,274、8,171,826和8,387,491(dilling专利)中，这些专利都是本申请人共同拥有的。这些专利的全部公开内容以引用的方式并入本文中。stacy专利的驱动面构造成在安装和移除期间使扭矩传递最大化，同时将驱动载荷分散在宽的螺丝刀/紧固件界面上。这些教导的主旨是扩大驱动面的面积。dilling专利讨论了通过用增大的芯直径来增大螺丝刀强度和锁紧扭矩能力。

最近，已发现某些应用需要对紧固件施加高锁紧扭矩。此扭矩会超过用于锁紧紧固件的螺丝刀的强度极限，因此导致螺丝刀断裂或紧固件损坏。因此，需要进行改进来提供改进的螺丝刀/紧固件界面，以增大紧固件系统的可用锁紧扭矩特性，而不会对紧固件或螺丝刀产生不利影响。

技术实现要素：

本文所公开的实施例包括紧固件、螺丝刀、紧固件系统以及形成紧固件和螺丝刀的方法。在一个示例中，紧固件系统可以包括具有头部、杆部和凹部的紧固件，并且凹部包括多个螺丝刀啮合面，螺丝刀啮合面限定了从中心芯径向延伸的多个翼。在一个示例中，紧固件系统可以包括螺丝刀，其端部构造成具有配合面，用于与紧固件凹部的螺丝刀啮合面啮合，并且配合面限定了从中心芯径向延伸的多个突起以与翼匹配。并且在又一个示例中，凹部的每个翼包括横截面形状，横截面形状包括安装面、外过渡面和移除面，它们共同限定了翼，并且各个翼通过在相邻翼的安装面与移除面之间延伸的内过渡面而彼此连接。并且在一个示例中，横截面形状包括具有宽度和高度的翼，翼高与翼宽之比约等于或小于0.4。在一个示例中，凹部的螺丝刀啮合面构造成接收螺丝刀的配合面。

本文所公开的实施例包括紧固件系统，其示例包括具有第一半径的凹部中心芯以及具有第二半径的外过渡面，第一半径与第二半径之比大于0.70。在一个示例中，凹部中心芯具有第一半径，外过渡面具有第二半径，第一半径与第二半径之比大于0.77。并且在另一个示例中，凹部中心芯具有第一半径，外过渡面具有第二半径，第一半径与第二半径之比在约0.77与约0.78的范围内。并且在另一个示例中，螺丝刀啮合面构造成螺旋形节段的形状，并且配合面具有匹配的形状。并且在又一个示例中，翼布置成五叶构型。

在一个示例中，凹部和/或螺丝刀包括五个翼。并且在另一个示例中，杆部是螺纹杆部，螺纹杆部在与头部相反的紧固件端部具有杆端，并且凹部凹入在杆端中。在一个示例中，配合面是螺丝刀端部上的外表面。并且在又一个示例中，螺丝刀啮合面是杆端的外表面，并且配合面凹入在螺丝刀端部中。在一个示例中，内过渡面符合中心芯的圆周。并且在又一个示例中，螺纹杆部包括外螺纹，外螺纹具有在螺纹顶部处的大径和在螺纹根部处的小径，紧固件具有在内过渡面处的中心芯直径，并且中心芯直径与大径之比大于约0.3。

在一个示例中，中心芯直径与大径之比在约0.3与约0.45之间。在另一个示例中，中心芯直径与大径之比大于约0.38且小于约0.50。在另一个示例中，螺纹杆部具有螺纹部和无螺纹部，无螺纹部位于螺纹部与头部之间。并且在又一个示例中，在纵向上从杆端朝向头部对螺丝刀啮合面打埋头孔。

在一个示例紧固件中，埋头孔从第一直径斜切到第二直径，第一直径大于第二直径，并且第一直径比第二直径更靠近杆端。在另一个示例中，斜切的斜切角为约100度。并且在又一个示例中，螺丝刀端部斜切至尖端，斜切角在约16度与约17度之间。在一个示例中，螺丝刀包括杆。并且在另一个示例中，螺丝刀杆相对于螺丝刀纵向轴线以约30度的角度朝向配合面斜切。并且在又一个示例中，螺丝刀还包括对应于凹部埋头孔的埋头孔区域，螺丝刀埋头孔以小于凹部埋头孔斜切角的角度斜切。在另一示例中，螺丝刀埋头孔的斜切角为约80度，并且凹部埋头孔的斜切角为约100度。

在一个公开的示例中，螺丝刀刀头杆包括至少一个凹口。在另一个示例中，螺丝刀包括杆。并且在又一个示例中，螺丝刀啮合面从杆端延伸一段长度，螺丝刀的配合面从杆延伸一段长度，从杆端延伸的长度大于从杆延伸的长度。

在一个公开的紧固件示例中，紧固件可以包括头部、杆部以及凹部，并且凹部包括多个螺丝刀啮合面，螺丝刀啮合面了限定从中心芯径向延伸的多个翼。在一个示例中，凹部的每个翼包括横截面形状，横截面形状具有安装面、外过渡面和移除面，它们共同限定了翼，并且各个翼通过在相邻翼的安装面与移除面之间延伸的内过渡面而彼此连接。在一个示例紧固件中，安装面和移除面二者至少之一构造成限定了螺旋节段，并且在又一个示例中，凹部的螺丝刀啮合面构造成接收螺丝刀的配合面。在另一示例中，杆部具有在与头部相反的紧固件端部具有杆端，并且凹部凹入在杆端中。

本文还公开了制造紧固件的方法。在一个示例中，方法包括制造紧固件的方法，紧固件具有头部、杆部以及在与头部相反的紧固件端部的杆端。在一个示例中，方法包括形成起始孔。在另一个示例中，方法包括形成多个螺丝刀啮合面，螺丝刀啮合面限定了从中心芯径向延伸的多个翼，并且凹部的每个翼包括横截面形状，横截面形状包括安装面、外过渡面和移除面，它们共同限定了翼，并且各个翼通过在相邻翼的安装面与移除面之间延伸的内过渡面而彼此连接。在又一个示例中，安装面和移除面二者至少之一构造成限定了螺旋节段。在一个公开的示例中，形成螺丝刀啮合面的步骤包括拉削。并且在又一个示例中，形成螺丝刀啮合面的步骤包括冲孔。

其它细节将在附图和下面的具体说明中提供。

附图说明

图1示出根据所公开实施例的紧固件的立体图；

图2示出根据所公开实施例的紧固件的侧视图和剖视图；

图3a和图3b示出根据所公开实施例的紧固件的端视图；

图4示出根据所公开实施例的紧固件螺丝刀的立体图；

图5a至图5d示出根据所公开实施例的紧固件螺丝刀的侧视图和端视图；

图6a和图6b示出根据所公开实施例的螺丝刀的横截面。

具体实施方式

作为示例，图1至图6示出具有本申请各实施例特征的紧固件系统的紧固件和螺丝刀刀头。尽管将参考附图描述所公开的实施例，但是应理解，实施例可以采用包括其他尺寸的许多替代形式。

根据本申请的示例紧固件示于图1至图3中。紧固销(或销)2构造成具有头部4和螺纹杆5。头部4可以具有本领域中已知的任何构型，在图1中示出为外径大于螺纹杆5的外径并且为斜切并连接到螺纹杆5的有槽平头。在一个示例中，螺纹杆5可以具有螺纹部20和无螺纹部或杆体22。螺纹部20包括具有大径28和小径29的螺纹26。在一个示例中，螺旋型凹部6形成在与头部4相反的杆端24中。这种销可以用于例如许多加工或组装应用中，其中，螺纹和螺丝刀可以从销的同一侧接近。例如，在飞机的组装或任何其他应用中，可以采用螺纹紧固件的单侧安装。销2可以例如与扭矩螺母或本领域已知的任何其他阴螺纹接收器结合使用。凹部6可以例如通过拉削、冲孔或在阅读本公开之后本领域普通技术人员已知的任何其他方法形成。

在一个示例中，凹部6包括多个螺丝刀啮合面，用于与螺丝刀刀头3配合以将扭矩施加到销2。这些螺丝刀啮合面将在下面更详细地讨论。凹部6还可以包括附加的非驱动特征，非驱动特征包括延伸部30和凹部末端32，在一个示例中延伸部30和凹部末端32用作起始孔，以用于通过拉削来形成凹部的翼。在另一个示例中，延伸部30和凹部末端32为在制造期间形成凹部的翼的过程中所去除的材料提供安置部位。在拉削的一个示例中，销2以孔开始，通过将材料刮削到起始孔的端部中来拉削或形成翼/凹部。在某些示例应用(或客户要求)中，通常在机身组装或其他高度敏感的行业中需要移除刮削的材料(通常称为刨花)以避免fod(外来异物)。这种移除可以通过后处理钻孔过程来执行。凹部6还可以包括埋头孔34。埋头孔34可以在朝向凹部底部的方向上从凹部顶部斜切，例如在图2中所示；并且具有斜切角α，在一个示例中可以是约100度。从凹部6/埋头孔34的顶部到凹部末端32的凹部长度为长度p，其可以根据凹部尺寸而变化。从凹部6/埋头孔34的顶部到螺丝刀啮合面底部的凹部长度为长度t，其也可以随凹部尺寸而变化。

参考图3a和图3b，凹部6构造成具有螺旋型螺丝刀啮合面，其与螺丝刀刀头3的对应配合面(图5至图6)配合。如下所讨论，螺旋型螺丝刀啮合面和对应配合面在本文中可以称为紧固件的翼、或螺丝刀刀头的叶和/或突起。然而，出于本公开的目的，翼、叶和/或突起将可互换地用来讨论凹部和螺丝刀两者的共同特征。

凹部的横截面在图3a和图3b中示出。螺丝刀啮合面限定了多个翼7。类似于现有技术的螺旋型紧固件，翼的整体形状和数量可以与所示的示例不同。例如，形状可以包括2个、3个、4个、5个、6个或更多个翼。单个凹部内的每个翼具有基本上类似的形状，包括安装面8、外过渡面11以及移除面9，它们一起限定了各个翼7。内过渡面10在相邻翼的安装面与移除面之间延伸，如图3b所示。

凹部6和螺丝刀刀头3的总体形状是类似的，不同之处仅在于刀头3较小以在螺丝刀与紧固件之间提供间隙以促进螺丝刀刀头3相对于凹部6的啮合和移除。另外，螺丝刀刀头的安装壁和移除壁与对应的凹部壁稍微不同，因此刀头的旋转将在移除壁和安装壁两者上提供完全的面到面啮合。如上所指出的，螺丝刀/紧固件的界面配置成大体形状为在安装面和移除面两者上的螺旋节段。

图4至图5示出示例螺丝刀刀头3的各个视图，示例螺丝刀刀头3包括用于与紧固件凹部的螺丝刀啮合面啮合的配合面。示例刀头3包括杆50，杆50可以包括朝向配合面斜切的斜切部52。斜切部52的斜切角β可以是任何角度。在一个示例中，斜切部52的斜切角相对于与刀头3纵向轴线垂直的轴线成约为60度(或相对于刀头3的纵向轴线成约为30度)。斜切部52可以斜切至最小直径(图5d)。

螺丝刀可以包括位于杆50和配合面之间的埋头孔区域54，与凹部埋头孔对应。在一个示例中，埋头孔区域54可以以角度ε斜切(图5d)。在一个示例中，ε小于凹部埋头孔的斜切角α。或者，在一个示例中，约为80度。在一个示例中，埋头孔区域54的最大直径是在一个示例实施例中，埋头孔区域54通过半径r1的曲线过渡到配合面56中。

螺丝刀的配合面56从杆50延伸出长度h。在一个示例中，刀头3包括从杆50延伸超出配合面56的刀头尖端58。在一个示例中，刀头尖端58相对于与刀头3纵向延伸轴线垂直的轴线以角度δ(图5d)斜切。在一个示例中，δ在约16度与约17度之间，包括端值。在一个示例中，配合面56通过半径r2的曲线过渡到刀头尖端58。

刀头3可以在刀头50中包括凹口62，用于与快拆式刀头保持器(未示出)一起使用。根据适当的快拆式保持器而定，凹口可以具有任何形状或位置。在一个示例中，凹口62具有角度γ，并且定位成距杆50的后端为长度64。在一个示例中，γ约为90度且具有约为0.010英寸的曲线半径，并且长度64约为5/16英寸且具有约为30度的切口角度偏移。

已经示出销2的杆端24的啮合面是凹的，以接收所示的凸型配合螺丝刀。然而，啮合面同样也可以提供作为杆端24的外表面，以便与凹型螺丝刀啮合，如以引用方式并入本文中的'358专利的图13a和图13b所示。

螺丝刀刀头形状和凹部形状的细节示于图6a和图6b中。为简单起见，将仅描述螺丝刀刀头的剖视图，应理解凹部具有类似形状但具有略微不同的尺寸，如前所讨论。此外，取决于视图方向，凹部将显示为螺丝刀刀头形状的反像，如例如图3a和图3b中所示。

图6a和图6b示出示例六翼刀头3的横截面，虚线所示为两个现有技术螺旋螺丝刀70和72的横截面。可以看到，刀头3的横截面形状构造成具有比现有技术螺旋螺丝刀70和72的芯12'、12"直径大的增大芯12直径总体直径在所比较的螺丝刀之间保持不变，从而需要缩短每个翼7的高度h，以便适应增大的芯直径这导致驱动面的表面积减小以及对应凹部容积的增加，预计性能和/或紧固件强度会不足。在杆端中具有凹部的某些示例中，这还会导致芯直径相对于螺纹直径(螺纹大径和螺纹小径两者)的增大。通过以平行方式外移安装面8和移除面9来进一步修改翼7的横截面，以形成具有钝外过渡面11的截顶翼形状。钝外过渡面11构造成符合与芯12同心的圆弧段，其直径大于芯直径安装面8和移除面9构造成在相邻翼(例如具有内过渡面10d的翼7a和7f)之间的内过渡面10中与芯直径相交。过渡面10具有符合芯直径的凹形。从内过渡面10到安装面的过渡可以符合半径c的曲线(图5c)，并且从安装面9到外过渡面的过渡可以符合半径d(图5c)的曲线。

如图6b所示，它是图6a的放大截面，六翼刀头3的横截面具有翼或突起7。翼7分别由安装驱动面8、外过渡面11和移除驱动面9限定。相邻的翼在内过渡面10中与芯圆周12相交。为了比较，现有技术的螺丝刀70、72以虚线示出，其具有从具有直径(和)的芯向外延伸并且由安装驱动面46'、46”和移除驱动面48'、48"限定的翼(图6a)。

不会有性能的不足，相反，这些变化导致了螺旋驱动紧固件系统的对应螺丝刀强度增加和锁紧扭矩能力的显著增加，而不会对销2产生不利影响。这对于凹部6位于螺纹杆5杆端24内的销构型特别有利，在这种销构型中，增大的凹部尺寸将会导致翼的外过渡面与螺纹的小径之间的壁强度减小。驱动面表面积的减少由从驱动面到芯的改进分布特性来补偿。

表1和表2示出了用于五翼凹部(表1)和对应五叶和/或五突起螺丝刀(表2)的非限制性示例构型的以英寸为单位(除非另外标记)的示例尺寸。还示出了应用于示例销和螺丝刀刀头的成功测试的最小扭转力矩。在表1中示出的所示尺寸和对应强度表示由本申请的紧固件系统提供的显著优点。

表1(英寸)

*drivesize：螺丝刀尺寸

threadsize:螺纹尺寸

threadmajor：螺纹大径

threadminor：螺纹小径

threadmajor：螺纹大径

torsionalmomentappliedforsuccessfultest：应用于成功测试的扭转力矩

表2(英寸)

*drivesize：螺丝刀尺寸

增大的系统强度和增大的锁紧扭矩可以归因于凹部和螺丝刀构造成具有比现有技术螺旋紧固件系统增大的芯直径。曾认为合乎逻辑的是尝试通过将过渡面构造为安装面7和移除面8的凸延续部来维持驱动面的面积。相反，根据本申请的主题，驱动面8和9构造成在翼7之间的过渡面10中与芯直径相交，过渡面10具有符合芯直径的凹形。这增大了芯强度，但进一步截顶了翼横截面并减小了驱动面积。另外，通过截顶翼横截面外端并使驱动面与现有技术构造平行地外移，翼可以扩大并形成有钝端，系统的强度可以进一步增大。可看出，翼的质心也将外移，从而实现改善的载荷分布。

与此相伴的是，缩短了凹部横截面和螺丝刀横截面两者的翼超出芯直径之外的径向延伸量。通过以平行方式移动安装面和移除面来进一步修改螺丝刀/凹部的翼横截面，以形成具有钝端的截顶翼形状。钝端构造成符合与芯同心的圆，直径大于芯直径。

在一个示例中，为了实现这一点，凹部6的翼部(以及因此刀头3的翼部)横截面从芯圆周12向外截顶并且从外过渡面11向内截顶。以这种方式，翼7构造成使得芯直径与翼外过渡面直径之比在一个示例中大于0.70，并且翼7之间的过渡面10是芯圆周的凹弧段。在另一个示例中，芯直径与翼外过渡面直径之比大于0.77。在又一个示例中，芯直径与翼外过渡面直径之比在约0.77与约0.78之间。

另外，翼7(凹部)或刀头对应突起的宽度w扩大，同时维持驱动面轮廓与现有紧固件系统一致。在一个示例中，翼横截面的高度h与宽度w之比h/w构造为约等于或小于0.4。在另一个示例中，等于或小于约0.35。在其他示例中，等于或小于约0.32或在约0.30和0.32之间(包括端值)。相比之下，现有技术紧固件系统的比率可以分别计算出为约0.46和0.66，并且现有技术紧固件系统的比率(h/w)可以计算出为约0.9和0.5。

在某些描述的示例中，芯直径与对应螺纹大径之比可以计算出为大于或等于约0.3。在另一示例中，芯直径与对应螺纹大径之比可以计算出为大于或等于约0.35。在另一个示例中，芯直径与对应螺纹大径之比可以计算出为在约0.3与约0.45之间(包括端值)。或者在其他示例中，在约0.38与约0.50之间(包括端值)。

已证明这些改进的尺寸能够提供刀头强度的显著有利改进。

尽管针对具有螺旋型驱动面的紧固件系统讨论了本申请的主题，但是相信该构造和方法同样适用于其他十字形紧固件系统，尤其是如名称为“hexalobularinternaldrivingfeatureforboltsandscrews”并且可从iso.org获得的美国专利6,017,177和iso10664中描述的内六角式紧固件系统。

以这种方式，提出了一种新颖独特的紧固件系统，其提供了对螺丝刀强度特性的改进，而不存在紧固件系统整体性能的不足。

应理解，以上描述仅是对本发明例示。在不偏离本发明的情况下，本领域技术人员可以设计各种替代和变型。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求范围内的所有替代、变型和变异。