专利名称：具有流动成型段的自钻和螺纹成型钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按照所附权利要求1的前序部分的自钻和螺纹成型钻头(Selbstbohrende und gewindeformende schraube)。
德国专利G9211354.0曾披露过这种自钻和螺纹成型钻头。然而，为了在一板材上用一钻头钻出一个圆柱形通孔，就要在一由一钻孔段、一流动成型段和一螺纹杆组成的钻头上施加较大的力，这是因为在基本为圆柱形的钻孔段和基本为锥形的导通流动成型段之间不是均匀过渡的，而呈一角度转折(其中的导通流动成型段也被称为扩孔段)。在从钻孔段的切削刃起延伸的切削槽区，在圆柱形钻孔段与锥形扩孔段之间形成有一台肩。形成该台肩是由于圆柱形钻孔段端部的切削槽几乎以直角通向钻头轴心，在切削槽上方形成堆积物，该堆积物的直径明显大于由切削刃形成的钻孔段的有效直径。该台肩一方面用于当钻孔段相当容易地穿透后有一个较大的压紧力施加于钻头上，以便将该台肩穿过板材并使锥形扩孔段开始起作用，另一方面，该台肩限制了高强度板的适用性。由于在这种已知的钻头中切削槽仅仅延伸于钻孔段的长度范围内，收集在该切削槽中并需适时排出的钻屑咬死在板材与该台肩之间，使发生的摩擦热基本上传给钻屑而不传到板材上。这样便削弱了流动成型操作，因为在成型期间流动成型段会产生裂纹。
美国专利US5141376披露了一种自钻和螺纹成型钻头，它具有一钻孔段，一锥形的带螺纹的区域以及一螺纹杆。通过紧接在钻孔段之后的锥形螺纹区，在对板材直接钻孔后形成带有钻孔段的螺纹，这相当于经过多个生产步骤才形成的螺纹。这样一种自钻钻头的缺点是当向薄板钻孔时，螺纹很快穿透板材，由于在螺纹穿透后所产生的强制推进，打出的孔会发生撕裂。所以，利用这样一种自钻钻头所得到的螺纹深度是不充分的，由此而提供的保护稳定性也不够，这样就限制了能承受的过值转矩。另外，不能不考虑到由这种钻头钻孔时将板扩孔时会造成板的破裂。此外，钻孔段直接与锥形螺纹区邻接，使位于钻孔段中的切削槽终止于锥形成型螺纹开始的区域。因此，在钻孔操作时在钻孔段内产生的钻屑被直接输送到形成螺纹的区域中。其结果，不仅有相当多的摩擦能量进入钻削中而不是进入扩孔时的孔区中，而且在螺纹成型过程中所产生的具有干扰作用的钻屑材料会导致螺纹成型不正确，从而也减小了能承受的过值转矩。
德国专利DE-AS2243707中描述了一种卷边和螺纹切割钻头，该钻头有一圆柱形螺纹杆和一朝螺纹端缩小且具非圆横截面的扩孔段，其中非圆横截面最好设计为椭圆形截面。扩孔段设计成具有光滑的并带螺纹段的圆周区。锥形扩孔段的轴线偏置于螺纹杆的轴线，与螺纹杆同轴线的导向轴颈邻接于扩孔段，这些情况应确保偏心的扩孔段将孔的边缘卷起。尽管在一实施例中该钻头的下部区有一越过钻孔段进入扩孔段的切削槽，但是钻孔段没有通过一锐边进入扩孔段的平滑的过渡区，另外，切削槽沿着旋转方向被设置在切削刃的前面，使在钻孔过程中从切削刃上排出的钻屑聚集在切削槽中，而不能直接从切削槽中排除。这样面临的危机是在钻孔后的卷边过程中，钻屑首先吸收了所产生的摩擦能量，其结果是钻屑材料的流动性被破坏并由此会产生裂纹。此外，需要有较大的钻头压紧力来克服钻孔段与扩孔段之间的不连续过渡，以便使扩孔段起作用。在这样的钻头中，流动过程还伴随有明显的震动，并以不能容忍的程度传到需夹紧的工件上或经过钻头传到钻头夹具上。由于充当导向轴颈的钻孔段在通过板材后不再用作导向轴颈了，螺纹的均匀成型及开沟槽就不可能了，因为开始形成的螺纹破坏了后面的螺纹。此外，这样的自钻和螺纹成型钻头尤其不适用于高强度板，而恰恰这种用途有其重要意义。
美国专利US-PS3937120披露了一种螺纹成型钻头，它有一前置的导向钻尖，从该钻尖起延伸有两条纵向切削槽，该两条切削槽具有构成为侧向切削刃的大致是平的基本上是共面的径向壁。该螺纹成型钻头的前面区段具有一钻孔段及一延伸至螺纹杆的钻形区，在这种情况下，从钻尖起的切削刃沿轴向通过形成的切削槽延伸至螺纹杆的开端处，但因不连续的互相连接段而使这些切削刃是不连续的。在这种钻头中，钻屑材料被钻出孔并直至螺纹杆区，可直接带入所成型的螺纹区域中。因此，总是有钻屑干扰着螺纹成型，鉴于此原因，由于螺纹成型不准确，用此钻头得到的孔承受的过值转矩是十分有限的。
因此，本发明的目的是提供一种自转和螺纹成型钻头，该钻头具有一流动成型段，该钻头与已知的实施例相比可减小轴向压紧力，用于薄板可获得高的过值转矩，在钻孔过程中可最佳排出所产生的钻屑，并减少钻入时间，而且可可靠地用于较高强度板材中。
具有按照权利要求1所述特征的钻头可以实现本发明目的。
这样的自钻和螺纹成型钻头具有一螺纹杆和一位于螺纹杆之前方且具基本均等直径的钻孔段，在该钻孔段与螺纹杆之间有一基本呈锥形地展宽的、无螺纹的流动成型段。
在每种情况下，诸切削槽沿纵向从钻孔段的诸切削刃起在径向彼此相对地延伸，这些切削槽各边与槽边和切削刃邻接。形成于下部钻孔段的诸切削刃共同延伸到中心，并组成钻孔段的尖部。为了必须施加一个尽量小的钻孔力，又为了在孔周围形成一个尽量大的凸缘，由切削刃构成的直径基本上小于螺纹杆的小直径。流动成型段设置在钻孔段与螺纹杆之间，该流动成型段的最大直径与螺纹杆的小直径大致相等，它的与螺纹杆邻接的区域内有一个基本对称的多边形横截面。该横截面之所以设计成连续的，是因为它们的几个角都被倒圆了。另外，为使本发明的自钻和螺纹成型钻头能方便、均匀而无震动地实现钻孔，其钻孔段、流动成型段和螺纹杆位于同一条旋转中心轴线上。
为了防止在流动成型操作中以及在螺纹成型过程中在钻孔时所产生的钻屑堵塞，本发明的钻头的切削槽作如下设计切削槽从钻孔段的切削刃起至少延伸及流动成型段的主要部分，而且切削槽的槽边朝螺纹杆方向切向导入多边形横截面的倒圆角。这样能确保切削槽基本上沿着由于钻头旋转和作用在钻屑上的惯性力而形成的运动曲线行走以有利于排屑。此外，由于钻屑能被排除，还由于钻屑有较大的惯性，因此在流动成型操作的第一部分中，当钻孔过程结束后，即在钻孔段穿过板材后，也能确保排屑。还有，在钻孔段与流动成型段之间设有一过渡区，该过渡区不仅基本上减轻了作用在钻头上的压紧力，而且确保钻孔操作能向流动成型操作平稳地过渡而不需施加大力。
在钻孔段一侧并远离切削槽处形成有隆起状突起，这些突起的横截面长度，即通过两个隆起状突起的径向距离，朝着过渡区方向增大，这样，在过渡区内该横截面长度基本上等于由诸切削刃构成的直径。为了获得非常平稳的过渡，也可使隆起状突起的横截面长度略小于由切削刃构成的直径尺寸。较小的尺寸最好在0.1至0.3毫米范围内。另外，这些隆起状突起在过渡区内各连续地转变为经向相对的倒圆的角，倒圆角的横截面长度在流动成型段中大于由诸切削刃的延长部构成的直径。
在一最佳实施例中，切削槽延伸长度大致遍及流动成型段的一半轴向长度。在无切削槽区中与螺纹杆邻接的流动成型段的多边形横截面是由诸被倒圆了的角隔开了的平坦面组成的。
在另一最佳实施例中，多边形横截面具有四个对称分布的倒圆角，其中两个倒圆角延伸基本上遍及流动成型段的全长，并限定了流动成型段的有效直径。
本发明钻头上形成的过渡区的主要优点在于本发明钻头在钻孔中产生的、当流动成型段与孔的上缘(Lochoberrand)开始接触时沿着孔的顶边(Oberkante)的线接触(Linienberuhrung)被一具有较大摩擦面的区域取代了，这就使流动成型过程从开始时就能获得较大而均匀的热输入。现有技术的钻头的钻孔段与流动成型段的交界处存在有受阻的边棱，而本发明则不存在，这就使本发明的钻头尤其在流动成型段的起始阶段对较大的面加工得较快且质量较好。
在再一个最佳实施例中，钻头的诸切削槽是这样设计的，即切削槽的槽边(Flutkanten)有一朝着螺纹杆方向的弯曲段，并沿钻头拧入方向朝后走，此时切削槽沿与钻头纵向轴线成一夹角(最好小于30°)的方向到达流动成型段的多边形横截面的外径，这样切削槽切向导入流动成型段中的倒圆角。但是，切削槽经过整个流动成型段区域从过渡区延伸到螺纹段也是可以的。
为了确保尽量好地排屑，甚至在切削槽的端部也是如此，同时为了使从切削槽向流动成型段的无切削槽区很好地过渡，这样同样也能减小压紧力，在流动成型段中的每条切削槽，在它们的流出区(Auslaufbereich)形成一几乎平坦的面，该平坦面以一夹角(最好小于30°)接近于流动成型段的外轮廓，并由此沿循每条槽边的连续的外轮廓。
在又一最佳实施例中，其中的切削槽延伸及流动成型段的主要部分，诸切削刃在流出区的基本上平坦的面之后面，在对流动成型操作有效的倒圆角处基本正切地与每条槽边汇交。
为了尽可能平稳地从钻孔操作过渡到流动成型操作，并为使流动成型操作在开始时就能实现较小的压紧力，在一最佳实施例中倒圆角的半径是这样变化的，即从螺纹杆朝钻孔段及过渡区方向连续增大。
本发明的详细优点、特点和用途将在下面结合附图作详细描述，其中
图1是按本发明的钻头的纵向视图；图2表示了按本发明的钻头的下方区域，该区域由一钻孔段、一过渡段、一流动成型段和一螺纹杆组成；图3表示了按图2所示的下方区域若干个标出特征的剖切面；图4表示了沿如图3所示的本发明所述钻头的下方区域若干个特征剖切面而得到的若干表征钻孔段和流动成型段的横截面；图5表示了使用按本发明的钻头钻透板材而完成的钻孔操作；图6表示了使用按本发明的钻头所完成的流动成型操作；以及图7显示出按照本发明的钻头钻入板材流动成型区的情况。
图1所示的钻头具有一钻孔段(Bohrabschnitt)1、一流动成型段(Flieβformabschnitt)2、一螺纹杆(Gewindeschaft)3和一具有驱动部5的头部。其中驱动部5也可是一个整体成型于头部4的外周为内六角形的凹部。在用于面承板材17的头部的支承表面，即面对螺纹杆的那个表面上设有一环形槽6，该环槽6成为从螺纹杆3到头部4的支承表面的过渡部分。与该钻头之头部4相连的最后一圈螺纹的全部或一部分的外径稍小些。在螺纹杆3的远离头部4的那一端，也有一圈或多圈螺纹的外径较小些。因此，从螺纹杆3的较小外径处向具有均匀一致的螺纹杆3外径的过渡达到了连续的过渡。朝着钻头尖部方向逐渐缩小的一段与那个与钻头头部4相反的螺纹杆3的端部相连结，其最大直径与螺纹杆3的小直径大致相等，而位于其过渡区15的其最小直径与由钻孔段1的切削刃8形成的直径大致相等。该缩小的区段即为一流动成型段2，它也被称为扩孔段。从图1可明显看出，该流动成型段2的外轮廓在本实施例中是这样设计的，即沿着在流动成型段2与钻孔段1之间的过渡区15的方向其可见半径是增大的，而在与钻孔段1相连的端部是以连续的曲率连续地过渡到过渡区15的。但是，该流动成型段也具有一截头圆锥体的外形。钻孔段1从过渡区15向钻头尖部延伸。钻孔段1的诸切削刃8从两侧向钻头尖部延伸，并在侧面段中基本互相平行地向上延伸至过渡区15，构成钻孔段1的最大直径。在每种情况下，从钻头尖部起的切削槽7沿着钻头的纵向延伸并设在切削刃的后面。钻头尖部和其两条切削刃8组成钻孔段1的一部分，当将它放在一工件17上就可钻出孔来。这样，为钻出孔而施加在钻头上的作用力及压紧力尽量要小，另一方面保证了在流动成型操作即扩孔操作中，形成一足够大的位移范围，该位移范围是形成比板材17的实际厚度明显多的螺纹圈数所必需的，由切削刃8构成的钻孔段1的直径约为螺纹杆3的外径的50％至75％。
从钻头尖部起延伸的切削槽7是由在一侧的槽边10、在与该槽边10相对的一侧的切削刃8以及切削刃8的延长部9连结而成。切削槽7以相对于钻头的拧入方向绕作螺旋形的、向后弯曲的形式，从钻孔段1延伸入流动成型段2，并在那里延伸及流动成型段2长度的主要部分。槽边10和切削刃8的延长部9在流动成型段中汇交于切削槽7终止的地方。切削槽7的流出区形成一个基本上平的表面，其边界通过弧线连续地即不带边棱地到达流动成型段2的外轮廓，以及到达沿钻头尖部方向的切削槽7的区域。
在与切削刃8邻接的切削槽7一侧的后面产生材料堆积而形成了隆起状的突起(Wulstartige Erhhung)21。在突起顶侧，该隆起状突起21的半径沿着位于流动成型段2和钻孔段1之间的过渡区15的方向逐渐缩小而不形成一条直接的边棱。此外，该隆起状突起21沿着过渡区15的方向逐渐大到一个尺寸，并连同与其它切削刃相反的隆起状突起21一起形成一个直径，该直径在过渡区15约等于由诸切削刃8形成的直径。但是，也可能在过渡区15由隆起状突起21形成的直径要比由切削刃形成的钻孔直径小1/10至2/10毫米。过渡区15的这种外形结构保证了通过钻孔段1钻出孔后流动成形段2能从流动成型段2的上界面进入孔中一个确定的深度，使更多的材料能较快地被这些扩大了的摩擦区加热，这样，实际的流动成型操作能在过渡区较快、有效而均匀地导入。根据钻头的大小和外形的不同，过渡区的大小在0.2至约2毫米，最好是在0.3至1毫米范围，更好的是在0.4至0.7毫米范围。在过渡区15内，隆起状突起21连续地进入到流动成型段2的多边形横截面的倒圆角(abgerundeten Ecken)12。同样，在过渡区15内，切削刃8连续过渡到切削刃8的延长部9，这样，一方面可使钻孔操作无冲击且无缝地过渡到流动成型操作，另一方面可平稳地进入实际的流动成型操作。
图2显示了本发明的钻头的下部，该部分包括具诸切削刃8的钻孔段1，在钻孔段1与流动成型段2之间的过渡区15，以及一部分螺纹杆3。钻头的所有各段及各部分均位于同一中心纵轴线16上，在从流动成型段2向螺纹部3的过渡区，有一圈或多圈螺纹14的外径减小了，以便从板材17上的孔边缘处的最终流动成型凸缘(fertigflieβgeformten Kragen)到切入该凸缘的螺纹之间的过渡不产生冲击。
图3表示了与图2所示的相同的钻头下部，并在钻孔段1和流动成型段2上示出不同的剖切面。
图4表示了由上述不同的剖切面形成的、本发明钻头下部区域的几个不同的横截面。
图4(a)表示了通过钻孔段1的纵向长度的大约中心处的剖切面“A-A”处的横截面。图4(a)还表示出由诸切削刃8限定的横截面长度(Quer-schnittsausdehnung)要比由隆起状突起21所限定的横截面长度长，也就是说诸切削刃实现钻孔切削过程。
图4(b)中所示的、位于剖切面“B-B”处的横截面显示出在剖切面“B-B”所在的、刚位于过渡区15上方的区域中，最大的横截面长度是位于“Z-Z”轴线方向上，它是由诸倒圆角构成的，这些角组成为流动成型段2的、与螺纹杆相邻接的多边形横截面的诸倒圆角的延续部分。很明显，在该“B-B”剖切面内，由诸切削刃8构成的横截面长度要比位于轴线“Z-Z”上的横截面长度要小，这样，在流动成型段2的区域中，诸切削刃8不再与板材17相接触。
图4(c)中，流动成型段2中的剖切面“C-C”的位置是这样设定的，即使该剖切面通过切削槽7的流出区里的基本为平的表面110。在流动成型段2的、位于剖切面内的横截面里画出了切削槽7的平的流出面11，从平表面向流动成型段的外轮廓区的过渡部分呈具一定半径的圆弧。
图4(d)中，剖切面“D-D”置于切削槽7的流出区的端部，使显现出相应的横截面。在切削槽上方的横截面内示出了具有倒圆角12和13的流动成型段的实际上为多边形的横截面。如同表示在横截面的“Z-Z”轴线上的倒圆角一样，这些倒圆角各组成了最长的横截面长度。
最后，图4(e)显示了位于剖切面“E-E”内的与螺纹杆3邻接的横截面。该横截面同样是一个完全成形的多边形，其最长的横截面尺寸由倒圆角12、13构成。
图5至图7表示了钻头钻入板中时的实际过程。当本发明的钻头设计得较小时，例如在钻头外径为5毫米时相应的直径为2.5毫米的情况下，钻头的钻孔段1可消耗较少的能量，即用较小的转矩及较小的压紧力可钻出较窄小的孔。用钻孔段1钻出较窄小的孔时可在钻孔过程结束时平稳地穿过过渡区后无冲击地进入流动成型段，这样使因摩擦而对相关工件明显加热，导致工件17材料产生流动。由于切削槽以向钻头的螺纹杆方向不断增大的趋势进入流动成型段中，所以，在钻孔过程中所产生的在切削槽中的钻屑能被排出，因为在实际钻孔过程结束后，钻屑有较大的惯性和作用在钻屑上的旋转力，这样，在流动成型操作中钻屑的堵塞卡死现象得以最大限定地减轻及排除。图5表示的是钻孔操作的结束状态。
由于流动成型段2朝着螺纹杆方向不断增大的作用，工件17的软化材料既相对于钻头的拧入方向又沿着相同方向流动，在流动过程中形成一个喷嘴(Düse)，该喷嘴是由位于工件17的孔缘处所形成的凸缘组成的。图6即表示了这个过程。
在流动成型段2完全通过该喷嘴后，就形成了一个通过凸缘的基本上为圆柱形的孔，此后在凸缘内形成螺纹杆3的螺纹状及沟槽状。因此，在工件17之孔上形成的部分是以朝钻头头部的方向说，在下部形成的流动成型的凸缘状部分19，在上部的一定范围内形成为流动成型的凸缘状部分20。所以，为螺纹成型所有效的材料厚度要比所述工件17的实际厚度大。用这种方法就能制造出长度约为所述工件17厚度的两倍的凸缘状部分19和20。此外，该凸缘状部分的随后冷却引起工件17材料的收缩，这时拧入的钻头则被固定在位。图7就显示了此过程。
将流动成型段的横截面设计成多边形的，这已被证明是合适的，这种截面至少在切削槽的流出区端部到位于螺纹杆一侧的流动成型段2端部之间的范围内是完整的。这种多边形横截面具有四个对称的平坦面，它们通过合适的倒圆角12、13连续地互相连接，但要确保在流动成型过程中只有横截面的某些区域才与工件材料接触，这样，凡不起接触作用的那些区域可用来取代转变为流态的工件材料。这就使当拧入流动成型段2时可从径向和轴向压出工件17材料。
权利要求
1.一种自钻和螺纹成型钻头，它具有一螺纹杆(3)和一设在其前面的钻孔段(1)以及一在钻孔段(1)与螺纹杆(3)之间基本呈锥形展宽的无螺纹的流动成型段(2)；钻孔段(1)具有两条纵向延伸的、径向相对的切削槽(7)，这些切削槽(7)各与槽边(10)和切削刃(8)邻接，并终止于具有两条汇交于钻头尖部的切削刃(8)的钻头尖部；由诸切削刃(8)构成的直径基本上小于螺纹杆(3)的小直径；流动成型段(2)的最大直径与螺纹杆(3)的小直径大致相等，该段在与螺纹杆(3)邻接的区域内具有一带有诸倒圆角(12，13)的基本对称的多边形横截面；钻孔段(1)、流动成型段(2)和螺纹杆(3)位于同一条旋转中心轴线(16)上，其特征在于，a)切削槽(7)从切削刃(8)起至少延伸及流动成型段(2)的主要部分，而且切削槽的槽边(10)朝螺纹杆(3)方向切向导入多边形横截面的倒圆角(13)；b)在钻孔段(1)与流动成型段(2)之间设有一过渡区(15)；c)在钻孔段(1)一侧并远离切削槽(7)处形成有隆起状突起(21)，这些突起(21)朝着过渡区(15)方向形成增大的横截面长度，使在过渡区(15)内该横截面长度基本上等于由诸切削刃(8)构成的直径，以及d)诸隆起状突起(21)在过渡区(15)内各连续地转变为径向相对的倒圆角(12)，倒圆角的横截面长度在流动成型段(2)中大于由诸切削刃(8)的延长部(9)构成的直径。
2.按照权利要求1的钻头，其特征在于，切削槽(7)延伸大致遍及流动成型段(2)一半轴向长度，在无切削槽区中与螺纹杆(3)邻接的流动成型段(2)的多边形横截面是由诸被倒圆角(12、13)隔开了的平坦面(22)组成的。
3.按权利要求1或2的钻头，其特征在于，多边形横截面具有四个倒圆角(12，13)，其中两个倒圆角(12)延伸基本上遍及流动成型段(2)的全长，并限定了流动成型段(2)的有效直径。
4.按权利要求1至3中任一项的钻头，其特征在于，钻头的诸切削槽(7)是这样构成的，即从钻孔段(1)横截面的一个小的X中心轴开始的切削槽的槽边(10)，朝着螺纹杆(3)方向和沿着旋转方向向后弯曲，并沿与旋转轴(16)成一夹角的方向到达流动成型段(2)的多边形横截面的外径，然后切向导入流动成型段(2)中的倒圆角。
5.按权利要求4的钻头，其特征在于，所述夹角小于30°。
6.按权利要求1至5中任一项的钻头，其特征在于，在流动成型段(2)中的每条切削槽(7)在流出区形成一几乎平坦的面(11)，该平坦面以一夹角接近于流动成型段(2)的外轮廓，并由此沿循每条槽边(10)的连续的外轮廓。
7.按权利要求6的钻头，其特征在于，所述夹角小于30°。
8.按权利要求2的钻头，其特征在于，切削刃(8)在对流动成型操作有效的倒圆角(13)处基本正切地与每条槽边(10)汇交。
9.按权利要求1至8中任一项的钻头，其特征在于，倒圆角(12，13)的半径从螺纹杆(3)起朝钻孔段(1)方向增大。
10.按权利要求1至9中任一项的钻头，其特征在于，由诸切削刃(8)构成的钻孔段(1)的直径是螺纹杆(3)外径的50％至75％。
全文摘要
本发明涉及一种自钻和螺纹成型钻头，它具有一跟随过渡区且具基本均等直径的钻孔段、一流动成型段和一螺纹杆。从钻孔段开始的切削槽至少延伸及流动成型段的主要部分，使即使在钻孔结束后也可排屑。位于钻孔段与流动成型段之间的过渡区，构成一无冲击的、涉及延伸到流动成型段的切削槽的对钻屑毫无影响的、位于孔边缘的流动成型的凸缘状段。在该凸缘状段中，通过本发明的钻头的螺纹杆可形成螺纹。流动成型段的横截面基本上是多边形的，该多边形横截面中的倒圆角作为径向棱延伸到朝着钻头尖部缩小的流动成型段。
文档编号F16B25/10GK1138892SQ95191198
公开日1996年12月25日 申请日期1995年11月10日 优先权日1994年11月11日
发明者拉尔夫·比克尔巴赫 申请人:埃乔连结技术合资有限和两合公司