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。
附图说明
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。