專利名稱：緊固的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采用如在美國專利US4642010及US4701993中所述的那些緊固件進行緊固的方法，讀者所參考的這兩份專利用于本發(fā)明的背景。
在這樣的先有技術鉚釘中，在被聯接部件中的緊固力是通過使鉚釘頭變形而獲得的，如此使鉚釘頭的徑向朝外部分朝著鉚釘尾端移動(美國專利US4701993中的權利要求4)。實際上這里所涉及的一個問題是，為了達到所需要的效果，該鉚釘頭要經受嚴重的變形——通常該頭的幾何形狀為120°夾角的埋頭孔，埋頭孔在鉚釘安裝期間變形成120°的圓錐形狀(參看US4701993中圖3和4)。這意味著頭的形狀完全顛倒。這會對如鍍鋅或鍍鎳的通常加于鉚釘上的保護層產生削弱或破壞作用。此外，對某些用戶來說，從美觀的角度看，最后形成的錐形頭形狀是不可接受的。
對于先有技術的鉚釘，在不必要或者不希望提供聯接緊固力的應用場合，具有非變形頭的鉚釘很可能被采用(US4701993的第7欄第7行)。
本發(fā)明的目的在于設法減少為在不同的應用場合中提供不同形狀緊固件的需要，并且還在于提供由此改進的緊固方法。
在其中一個方面，如附加權利要求書的權利要求1所描述的那樣，本發(fā)明的目的在于提供一種把一個或多個有孔部件固定到一個有孔工件上的方法。
本發(fā)明更優(yōu)選的特征在權利要求2～8中描述。
現在，通過實例并參照附圖，對本發(fā)明的實施例進行描述，其中

圖1是一種作為產品的未使用的緊固件的側視圖；圖2為圖1的緊固件在安裝到一個工件的過程中初期的局部剖面?zhèn)纫晥D；圖3與圖2類似，顯示了安裝完成后的剖面圖；圖4為已完成安裝的緊固件的一部分的放大剖面圖；圖5顯示了安裝后緊固件上螺距的變化圖；圖6顯示了安裝在一個具有錐形孔工件上的圖1緊固件的剖視圖；圖7顯示了圖6所示緊固件螺距上的變化圖；圖8～11以局部剖面的方式顯示了圖1的緊固件被安裝在一個接合處的漸進階段，在該接合處，一個非硬質部件被固定到工件上。而且圖8～11還顯示了一種形狀的安裝器械的一部分；以及圖12～15以局部剖面的方式顯示了包含著另一種形狀的安裝器械的一部分的圖1緊固件被安裝在一個接合處的漸進階段，在該接合處，被聯接部件之間的空隙由緊固件封閉。
參見圖1，緊固件10有一個大體上呈圓柱狀的細長體干12以及在一端徑向增大的頭14(體干的頭端)。體干的一部分16的外表面有螺紋18。螺紋18的截面呈V形，并帶有牙頂20。在本實施例中，牙頂20的兩個齒側面在牙頂20相交成90°的角。在螺紋的相鄰螺圈之間的齒側面形成了大體上為V形的槽。
該緊固件有貫穿體干與頭的軸向孔22，該孔22的直徑大體上為常數，不過在其頭端有一個埋頭孔24。
該緊固件由碳素鋼制成，并且其硬度，例如要大于鋁、鎂以及諸如可模塑成工件的各種工程塑料，該緊固件可希望用于安裝在其中。
緊固件的材料是充分可延展的，使得體干通過徑向膨脹能夠變形到這樣的程度，以致于在膨脹后體干的螺紋外徑(即越過螺紋牙頂的直徑)至少沿著螺紋的深度比膨脹前要大些。
參見圖2，緊固件10通過這樣一套器械來安裝，該器械包括一個心軸26、一個環(huán)形砧座28以及相對于砧座軸向夾住并且拉拔心軸的工具(未顯示)。
心軸26有細長的桿30和在該桿一端的增大頭32，桿30能夠有間隙地穿過緊固件的孔。心軸頭32有一錐形漸縮部分34。在錐形漸縮部分34，心軸直徑在離開桿30的方向上逐漸增加到基本上大于緊固件孔22直徑的程度，并形成頭部的略微伸長部分36，在伸長部分36，如圖所示，其心軸橫截面的形狀是圓形的，或者也可以是正六邊形狀。心軸由高強度鋼制成。
環(huán)形砧座28有一個軸向孔道38和在其前端的貼合面40，心軸的桿能夠穿過此軸向孔道與夾緊和拉拔工具相配合。在圖2～11所示的實施例中，貼合面是平的，在圖12～15所示的實施例中，貼合面有一個大體上呈部分球形的中心凹槽42。砧座沿著其軸被縱向分開，形成兩個半環(huán)狀的夾鉗44、46，夾鉗44、46彼此相同并一起配合構成整個砧座。夾鉗沿砧座軸徑向分開，以使一個緊固件或者一系列緊固件穿過分開的夾鉗并且沿著心軸桿朝著心軸頭32向前進給，并因此能夠在該個緊固件或者每個緊固件后面又閉合在一起，以便再次配合著提供貼合面40。
所述器械可以用與在重復鉚接中采用的基本相同的方法用于安裝緊固件。
這樣，緊固件10被裝于心軸的桿上，從而使該桿貫穿孔22，同時心軸頭32靠近緊固件的尾端，但位于其孔的外邊，并且，心軸桿穿過砧座孔道38與拉拔工具配合，從而使緊固件位于心軸頭和砧座貼合面40之間。
其它緊固件(未顯示)可同時排列在砧座后面的桿上，以備經由夾鉗一次一個地裝到心軸頭和砧座貼合面之間的位置上。
這樣，與安裝器械相關聯的緊固件10被提供給工件，心軸頭和緊固件尾端經由部件48的孔50進入到工件52的孔54內，直到砧座把緊固件頭推進到與部件48的相鄰面配合，而且同樣地，推動部件48與工件的相鄰面貼合。然后驅動安裝器械，拉拔心軸穿過緊固件，如此心軸頭被拉入緊固件尾端并貫穿緊固件孔，同時緊固件頭由砧座的貼合面支撐。
可知道的是，心軸頭的漸縮部分34將圓柱狀部分36引入到緊固件的孔內，實際上這樣會使緊固件體干從其尾端朝著其頭部逐漸膨脹。隨著體干的膨脹朝著緊固件頭的方向進行，在體干逐漸膨脹部分前緣的外螺紋16的牙頂20首先與工件52的材料嚙合并開始嵌入該材料中。此時，嚙合螺紋的軸向位置基本上是固定的。
可知道的是，螺紋嵌入工件材料的深度是緊固件膨脹直徑和工件孔54直徑(d1)的函數，而且同樣地，緊固件的膨脹直徑又是緊固件孔22的直徑(d2)、緊固件體干的初始直徑(d3)和心軸頭的圓柱狀部分36的直徑(d4)的函數。對直徑d1、d2、d3和d4的選擇用于確保螺紋嵌入工件的深度不超過螺紋18總高度的一半。這樣，參見圖3，間隙56保持在膨脹螺紋V形槽的齒根58。如果直徑d1、d2、d3和d4的大小使得齒根58完全或接近完全地被填滿工件材料，那么在膨脹處，隨之而來的是需要在緊固材料內產生非常高的徑向壓力。這有兩個不希望的結果。首先，心軸上的軸向拉力將相應提高，可能使心軸桿30受力過度。其次，可能使緊固件體干在安裝期間伸長。這樣，部件48就不會被所安裝的緊固件牢固地夾緊到工件52上。
對直徑d1和d3以及心軸頭的錐形漸縮部分34的角度的選擇，是在心軸軸向拉力達到足以軸向壓縮緊固件的程度以前，使得緊固件體干的逐漸膨脹部分首先與工件材料嚙合，并因此大體上軸向固定。
部件48中的孔50是足夠大的，足以使緊固件能夠在孔內沒有受到任何實質的徑向約束而膨脹。這樣，在部件內膨脹的螺紋部分60的直徑比在工件內的螺紋部分62的直徑稍大，如圖4中尺寸″X″所示。孔50內這種無約束膨脹的結果將使部件內所容納的那部分緊固件體干在長度上軸向減少?？芍赖氖?，例如，一個由鋼制成的緊固件的長度即使少量減少，也將產生很大的拉伸應力，從而在緊固件頭和工件之間形成很大的緊固力。對直徑d1、d2、d3和d4的選擇，必須確保膨脹的螺紋充分嵌入到工件內，以支承這種緊固力以及施加于在使用時所安裝的緊固件的任何拉力，而沒有引起螺紋的剝傷。
通過實驗已經發(fā)現，當被安裝在具有5.42mm孔徑(d1)的鑄鎂工件上時，用以下尺寸制造的本實例緊固件將以預期的方式起作用。其中采用直徑3.5mm(d4)的心軸，4mm厚并具有6.3mm直徑孔的部件被該緊固件固定到該鑄鎂工件上。緊固件的尺寸是孔22的直徑是2.76mm(d2)，體干的直徑(越過螺紋牙頂的直徑)是5.3mm(d3)，體干的長度為16mm，螺距為1.0mm。在此情況下，有30％～40％之間的螺紋深度是膨脹在工件之內。這足以支承施加于緊固件在使用時所受到的任何拉伸荷載。實際上，當過度的拉伸荷載施加于所安裝的緊固件時，在螺紋嵌入工件的這種狀態(tài)上緊固件在工件里所受到的阻力足以引起緊固件破裂，而不是螺紋剝傷。此外，例如，如果緊固扭矩施加于所安裝的緊固件時，例如，在采用其頭部呈等邊六角形的心軸以及六角扳手的情況下，則引起螺紋剝傷的扭矩正好超過所推薦的等效螺釘或者螺栓的最大緊固扭矩(在此情況下，采用M6定位螺釘，8.8級)。
當然，可了解的是，螺紋剝傷扭矩和拉拔應力將取決于緊固件體干在工件中嵌入量(即長度)的多少，這同樣也取決于被固定到工件上的單個部件或系列部件的厚度。已經發(fā)現，當至少一半長度的體干嵌入工件里時，即在本實例中是8mm，上述所安裝的緊固件的強度特性仍可得到維持。
當部件48很薄時，即在上述實例中小于1.5mm厚度時，為了獲得緊固效果，可能有必要在工件的孔54內形成一個埋頭孔，而緊固效果是在靠近緊固件頭的螺紋部位在沒有徑向約束的情況下膨脹時產生。對于與引用實例具有同樣結構的緊固件以及具有例如1mm厚的部件，2mm的埋頭孔深度是足夠的。
參見圖4，在工件內所容納的那部分緊固件的螺距64基本上是不變的，在引述的實例中，該螺距為1.0mm。然而，在引述的實例中，在部件48內所容納的那部分緊固件的螺距66已經減少到0.94mm。圖5所示的圖形中顯示了這種效果。
在某些應用中，最好在這樣的工件中采用所述緊固件，即工件中接收緊固件的孔由鑄造形成。在此情況下，該孔優(yōu)選有一定的錐度(或斜度)，該斜度的角通常為1°～1.5°(包括1.5°)。本發(fā)明的緊固件在這樣的漸縮孔內將工作良好。參見圖6和圖7中螺距的對應圖形，為了便于說明，工件中的孔68顯示了被放大的錐度。緊固件和孔的尺寸的選擇是這樣的，即在采用具有最小厚度的部件的情況下，緊固件能夠沒有妨礙地充分地插入孔內，否則，在部件和工件頂面和/或在部件頂面與緊固件頭之間可能有間隙。
圖6顯示了在極端情況下所安裝的緊固件，其中在安裝之前，當緊固件經由部件孔插入到工件孔68內時，其體干的遠端只與孔68的錐形壁接觸，在部件和工件之間或者在部件和緊固件頭之間沒有間隙。在此情況下，就體干的一部分72而言，膨脹螺紋的嵌入深度可能大于螺紋深度的50％，而由于這將導致緊固件過度的徑向約束，因此隨著緊固件在該區(qū)域膨脹，其體干會在該區(qū)域伸長。對于安裝在具有1°錐度的工件孔內的本實例緊固件來說，在部分72上所膨脹緊固件的螺距可能是1.03mm。然而，當孔朝著工件頂面逐漸增大時，該徑向約束相應地減少，螺紋嵌入深度可能減少到小于螺紋深度的一半?？偟男Ч麜顾惭b的緊固件在長度上減少，并因此提供所需要的緊固力作用于部件之上。
在被固定到工件上的部件由諸如彈性體材料的非硬質材料制成的應用中，如圖8～11所示，在安裝期間出現的緊固件長度的減少有壓縮部件的作用。如同在上述情況中那樣，緊固件以與上述同樣的方式經由部件中的孔進入到工件孔內。在此情況中，部件74(圖8)是一種彈性體材料。如圖9所示，當心軸頭被安裝器械經由鉚釘孔抽出，同時鉚釘體干的逐漸膨脹部分的前緣首先與工件材料配合并開始嵌入工件材料里時，如前面所述，嵌入螺紋76(圖9)基本上是固定的。當由安裝器械施加于心軸桿上的軸向拉力增加時，在緊固件頭和嵌入螺紋76之間的緊固件體干部分78上的壓縮應力也增加。當拉力進一步增加時，部分78(圖10)塑性壓縮，直到剩余螺紋80(圖10)通過與工件孔的接觸以及彈性體部件的變形抗力被抑制膨脹。當拉力再進一步增加時，心軸頭完全從緊固件孔中拉出，與上述的方式一樣，這種結果將引起緊固件體干的進一步縮短。這使部件74(圖11)上的緊固荷載增加，并隨之進一步壓縮該部件。
實踐中已經發(fā)現，在某些應用中，部件和工件之間會存在間隙，而間隙不會通過對用于把緊固件與部件和工件相嚙合的控制器械進行正常的推動作用而封閉。當間隙小時，就本發(fā)明的鉚釘而言，鉚釘體干的縮短效應可足以封閉間隙并在部件上產生緊固力。在部件和工件之間可能存在較大間隙的那些應用中，按照本發(fā)明，如上所述的鉚釘可以連同砧座82(圖12)一起被采用，其中砧座82在砧座與緊固件頭的鄰接面有一個凹槽42。凹槽42的幾何形狀和深度的設計是這樣的，即首先，緊固件頭84(圖15)的最終變形后的形狀外觀從美觀的角度看是可接受的；其次，由于緊固件的安裝導致其頭部變形的程度不能太大而破壞其頭部上的保護層；并且第三，緊固件頭的周緣相對于體干的軸向位移足以使部件朝著工件移動并封閉所存在的間隙。
下面參見圖12～15以詳細描述本發(fā)明的實施例。
參見圖12，如上述情況中那樣，緊固件經由部件48的孔50進入工件52的孔54內，直到砧座推動緊固件頭與部件48的鄰接面相嚙合。在此情況下，在部件和工件之間有一個間隙86。然后驅動安裝器械，經由緊固件拉拔心軸，于是心軸頭32從緊固件孔中拉出，同時緊固件頭由砧座的貼合面88支撐。在安裝過程的初始階段，如圖12和13所示，砧座的貼合面88與靠近其周緣的緊固件頭接觸。如此，直到心軸頭使緊固件體干尾端的螺紋部分90(圖13)膨脹并與工件嚙合，這樣緊固件體干的尾端被軸向固定到工件上。當進一步的拉力施加于心軸上時，更大直徑的螺紋部分92(圖14)膨脹而與工件嚙合，同時在砧座82和緊固件頭之間的反作用力足以使緊固件頭變形，以致頭的周緣朝著工件變形，于是導致部件48朝著工件52移動并與之接觸，由此消除了在部件和工件之間可能存在的任何間隙。對于任何給定的緊固件材料和冶金條件，通過仔細選擇緊固件頭和砧座凹槽的幾何形狀，使得緊固件頭變形的荷載是可被控制的，如此在心軸拉力的作用下，緊固件頭將變形到所需要的程度，其中心軸拉力要大于形成嚙合螺紋部分90(圖13)所必需的荷載，而要小于從緊固件孔完全拉出心軸頭所需要的最大拉力。如上述情況中那樣，在部件48的孔50(圖15)內所容納的膨脹的緊固件體干部分不具有膨脹嵌入工件的那部分體干所具有的徑向約束。如在上述情況中那樣，在孔50內無約束膨脹的結果將使在部件內所容納的那部分緊固件的長度軸向減少，從而在緊固件頭和工件之間形成緊固力。可知道的是，在需要將一個部件固定到一個工件上的許多應用中，在不同場合可采用不同的緊固件。根據特殊部件和工件的不同，在一些場合中，部件和工件之間可能有間隙，如86(圖12)所示，而在其它場合，卻沒有間隙。在這樣的應用中，不管是否有間隙，在每個場合都明顯希望采用同樣的緊固件和同樣類型的安裝器械。當在部件和工件之間沒有間隙時，本實施例的緊固件和安裝器械將工作良好。在此情況下，相應地參見圖13，當緊固件體干的最初幾個螺紋與工件已經嚙合，并且因此體干尾端被軸向固定到工件上，隨著拉力進一步作用于心軸，在緊固件頭上砧座的反作用力將迫使緊固件頭變形。然而，如果在部件和工件之間沒有間隙，并且如果部件由諸如鋁或碳纖維復合材料或鋼那樣的相對硬質材料制成，那么緊固件頭的周緣會被阻止朝著工件變形，并且緊固件頭的外形在安裝前和安裝后基本上沒有變化?？芍赖氖?，如果部件48由諸如尼龍或聚氨酯的塑料材料制成，那么在砧座上的反作用力和部件變形抗力的影響下，緊固件頭的周緣將變形到一定程度。在此情況下，緊固件頭不會變形到圖15所示的程度，但會變形到在圖12所示程度和圖15所示程度之間的過渡狀態(tài)。如果部件48由諸如橡膠或者泡沫塑料的非常軟的材料制成，那么變形抗力將是弱的，并且所安裝的緊固件將具有圖14和15所示的頭部外形，即完全由砧座凹槽42(圖12)的幾何形狀來確定的那種。
上述實施例顯示的是安裝在工件盲孔內的作為例子的緊固件，其中工件越過緊固件體干的尾端延伸開來。其實這是不必要的，因為即使工件內的孔是非盲孔，并且即使緊固件的螺紋體干的一部分越過工件端面向遠離緊固件頭的方向伸出，則根據本發(fā)明的緊固件也將正常工作。
在實例中，被顯示的心軸頭呈圓形截面?？芍赖氖?，也可采用頭部橫截面形狀呈多邊形的心軸，以提供多個扳手面，并且保證緊固件體干有同等量的徑向延性膨脹。
可以看出，上述實例包括提供一種緊固的方法，所述方法在不需要使鉚釘頭嚴重變形的情況下在被聯接的部件上產生很大的緊固力，并且使得處在第一位鉚釘的鉚釘頭的幾何形狀與其初始的制造形狀相比基本上不變。
而且，在所提供的緊固方法中，緊固件體干是徑向膨脹的，同時其長度是軸向減少的，以便于，例如，由鉚釘為被聯接到工件上的非硬質部件提供壓縮應力。
而且，在所提供的緊固方法中，鉚釘和其安裝器械的設計是這樣的，即在鉚釘安裝期間，鉚釘頭朝著鉚釘尾端變形，有效地封閉住可能存在于被聯接部件和工件之間的任何間隙。
可以看出，將緊固件安裝到其中的工件應該是比鉚釘材料硬度較小的材料。所述鉚釘預想采用如鋁和鎂的軟金屬及塑料制成。
所述工件應當有一個能夠讓鉚釘體干插入其中的孔，優(yōu)選在所述體干的周圍有最小間隙。所述孔應當是一個盲孔，可以是具有均勻直徑的孔或者是具有小錐度特征的由鋁或鎂鑄造成的孔。
被鉚釘固定到工件上的部件應當有在直徑上比鉚釘的膨脹直徑較大一些的孔。
然而，本發(fā)明并不局限于上述實例的細節(jié)。例如，所采用緊固件的孔沿其長度的尺寸不必是均勻的。
權利要求
1.一種把一個或多個有孔的部件固定到一個有孔的工件上的方法，所述一個或每一個部件的孔與工件上的孔對齊，所述方法包括的步驟為，把一個緊固件插入到所述對齊的孔內，所述緊固件由延性材料制成，并有一個頭、一個體干和一個貫穿體干并進入頭部的軸向孔，所述體干是圓環(huán)形整體，并具有外螺紋，所述緊固件被如此插入，以致其頭與所述一個部件的表面嚙合，而且其體干貫穿所述一個或每一個部件并進入到工件內，所述螺紋中至少有一部分是在工件內，于是，在于其頭部支撐緊固件的同時，沿著從其尾端到頭部的方向，將一個增大了的且在一端漸縮的心軸頭拉入并且完全穿過緊固件孔，所述心軸頭能夠使緊固件孔膨脹，從而沿其長度使該孔均勻擴大，并使緊固件體干徑向延性膨脹到足以導致其外螺紋嵌入在工件內，同時緊固件體干在長度上出現軸向延性減少。
2.根據權利要求1的方法，其中長度的軸向延性減少是在緊固件體干上的一部分外螺紋嵌入工件之后出現。
3.根據權利要求1的方法，包括，在螺紋部分已經與工件嚙合之后，使緊固件頭變形，以便使緊固件頭的徑向朝外的一部分或多個部分朝著體干尾端的方向移動，從而把在緊固件頭和工件之間多個部件中的所述其它部件緊緊夾住。
4.根據權利要求1的方法，包括，當緊固件膨脹時，該孔的橫截面形狀從原來的形狀轉變成多邊形的可被咬合的形狀，以便提供多個扳手面，從而在緊固件膨脹后能夠借助于適當的扳手工具使緊固件嚙合并轉動。
5.根據權利要求2的方法，其中所述多邊形的可被咬合的形狀是正六邊形。
6.根據上述任一權利要求所述的方法，其中緊固件體干的徑向膨脹程度達到使體干螺紋嵌入工件的深度不超過螺紋總高度的一半。
7.一種通過上述任一權利要求所述的方法所實現的緊固方法。
全文摘要
一種用于把一個或多個有孔的部件(48)固定到一個有孔的工件(52)上的方法和緊固件，所述一個或每一個部件(48)的孔(50)與工件(52)上的孔(54)對齊，所述方法包括的步驟為，把一個緊固件(10)插入到所述對齊的孔內，所述緊固件(10)由延性材料制成，并有一個頭(14)、一個體干(12)和一個貫穿體干(12)并進入頭部(14)的軸向孔(22)，所述體干(12)是圓環(huán)形整體，并具有外螺紋(18)，所述緊固件(10)被如此插入，以致其頭(14)與所述一個部件(48)的表面嚙合，而且其體干(12)貫穿所述一個或每一個部件(48)并進入到工件(52)內，所述螺紋(18)中至少有一部分是在工件(52)內，于是，在于頭部(14)支撐緊固件(10)的同時，沿著從其尾端到頭部(14)的方向，將一個增大了的且在一端漸縮的心軸頭(32)拉入并且完全穿過緊固件孔(22)，所述心軸頭(32)能夠使該孔(22)膨脹，從而沿其長度使該孔(22)均勻擴大，并使該體干(12)徑向延性膨脹到足以導致其外螺紋(18)嵌入到工件(52)內，同時緊固件(10)的體干(12)在長度上出現軸向延性減少。
文檔編號F16B23/00GK1617777SQ02827938
公開日2005年5月18日 申請日期2002年12月13日 優(yōu)先權日2001年12月14日
發(fā)明者德里克·克拉奇利, 喬納森·李·布魯爾, 基思·德納姆 申請人:泰克斯特蘭緊固系統(tǒng)有限公司