材料的盲流螺旋结合

摘要

描述一种两部件式机械紧固件，其包括细长主体，该细长主体具有可滑动地承载心轴的孔，该心轴适合于干涉地接合主体。该紧固件主体在其外表面上具有一个或多个突起。在一个方面中，突起形成螺纹。紧固件适合于在两个或多个工件的堆叠中形成开口并且穿透其中。为了将工件固定在工件堆叠中并且形成牢固结合部，紧固件主体由心轴变形，使得主体扩张，从而使得主体端部接合工件堆叠的表面并且使得一个或多个突起与开口的壁相接合。公开一种使用此种紧固件来将有色的或基于聚合物的板状工件固定于彼此的方法。

说明书

技术领域

本发明的技术领域涉及机械紧固件和使用此种紧固件来将两个或更多个材料层固定于彼此的方法，这些材料可在结构和/或组分上类似或不同。

背景技术

机动车辆(包括汽车和轻型卡车)采用各种各样的材料，这些材料包括拉伸强度的范围是从约300MPa至800MPa以上的钢板、诸如铸造和锻造铝和镁合金的有色合金以及包括加强聚合物的聚合物。车辆车体或结构来自于许多零件和部件的组件，这些零件和部件牢固地固定于彼此并且设置成使得经组装的部件可相互协配，以适应施加于车体或结构的负载。可能要求附连的各种各样的潜在材料使得机械紧固件是吸引人的选择，因为机械紧固件可适合于相互结合和固定由各种各样材料制成的多个部件，而不管是否由相同、类似或不同的材料制成。

发明内容

公开一种两部件式紧固件，每个部件均由含铁材料制成，用于在两个或更多个层叠工件之间形成结构结合部。合适的工件包括铸造和锻造的铝和镁合金以及基于聚合物的工件，例如填充聚合物的和利用颗粒和纤维(包括织造纤维)加强的聚合物。

紧固件包括具有旋转轴线的中空细长圆柱形或圆锥形主体。紧固件主体具有长度、第一和第二相对端部、大体均匀内直径的孔以及外表面。该紧固件主体在第一端部处端接在环形帽盖中，该环形帽盖具有内直径和外直径，该内直径等于主体孔的直径，且该外直径定尺寸成伸出主体的外表面。

主体的外表面可具有一个或多个向外延伸的突起特征件，这些突起特征件能由在主体轴线上定心的圆圈环绕并且具有小于环形帽盖的外直径的直径。紧固件还可具有心轴，该心轴定位在主体孔中，且具有定尺寸成可滑动地接合孔的轴杆以及在一端部处从孔突出的心轴头部，该心轴头部定尺寸成干涉地接合紧固件主体相对端部。紧固件可绕旋转轴线旋转。当使得旋转的紧固件与工件相接触时，心轴头部可适合于摩擦地接合并加热工件，或者适合于切割并机械地移除工件材料。

在一个方面中，突起可以是螺纹。在其它方面中，突起可以是连续或分段脊部，或者隔离的类似尺寸或各种尺寸的隔离特征件。

通过绕紧固件旋转轴线旋转上文描述的紧固件，这些紧固件可用于将组装成夹紧工件堆叠的两个或更多个工件结合在一起，同时使得紧固件在结合区域处朝向工件堆叠的上部工件的上表面前进。旋转的紧固件前进到与工件堆叠的表面初始接合，并且能可选地维持与工件表面相接触，同时旋转足够的时间来摩擦地加热工件。然后，旋转的紧固件前进到工件堆叠中，直到紧固件的相对端部穿透并延伸超出下部工件的外表面且紧固件帽盖的下侧接触上部工件的外表面为止。当这发生时，紧固件的旋转和前进两者中断。

然后，在支承紧固件的主体的同时，持续增大的力在促使心轴头部和主体相对端部接合的方向沿着紧固件轴线施加于心轴，以使得心轴头部与主体端部干涉并且使得主体端部变形且塌缩，直到心轴轴杆断裂为止，由此将工件固定在一起。

在一实施例中，可在使用电阻加热、感应加热或激光加热来预热工件堆叠的同时，实施结合工艺。

附图说明

图1是紧固件的第一方面的代表性实施例，该紧固件具有外部带螺纹主体和具有头部的心轴，该头部小于小螺纹直径；

图2是紧固件的第一方面的另一代表性实施例，该紧固件具有外部带螺纹主体和具有头部的心轴，该头部小于小螺纹直径；

图3示出类似于图1和图2中示出的那些紧固件的带螺纹紧固件的分解实施例；

图4说明使用图1、图2和图3的紧固件将由两个交迭构件构成的工件堆叠结合在一起的工艺，其中粘合剂施加在搭接界面处；

图5说明使用图1、图2和图3的紧固件将由两个交迭构件构成的工件堆叠结合在一起的工艺，其中粘合剂施加在搭接界面处；

图6说明使用图1、图2和图3的紧固件将由两个交迭构件构成的工件堆叠结合在一起的工艺，其中粘合剂施加在搭接界面处；

图7说明使用图1、图2和图3的紧固件将由两个交迭构件构成的工件堆叠结合在一起的工艺，其中粘合剂施加在搭接界面处；

图8说明使用图1、图2和图3的紧固件将由两个交迭构件构成的工件堆叠结合在一起的工艺，其中粘合剂施加在搭接界面处；

图9说明替代的心轴头部几何形状；

图10说明另一替代的心轴头部几何形状；

图11说明又一替代的心轴头部几何形状；

图12说明紧固件的第二方面的代表性实施例，其中，紧固件主体包含外部延伸脊部；

图13说明紧固件的第二方面的代表性实施例，其中，紧固件主体包含通常尺寸的通常形状突起；

图14说明紧固件的第二方面的代表性实施例，其中，紧固件主体包含各种形状的突起；

图15以平面图示出加热和夹持装置，该加热和夹持装置用于实施将由两个交迭构件构成的工件堆叠结合在一起的又一实施例，其中粘合剂施加在搭接界面处；

图16以剖视图示出加热和夹持装置，该加热和夹持装置用于实施将由两个交迭构件构成的工件堆叠结合在一起的又一实施例，其中粘合剂施加在搭接界面处；

图17以平面图示出加热和夹持装置并且说明加热和夹持装置的操作，该加热和夹持装置用于实施将由两个交迭构件构成的工件堆叠结合在一起的又一实施例，其中粘合剂施加在搭接界面处；以及

图18以剖视图示出加热和夹持装置并且说明加热和夹持装置的操作，该加热和夹持装置用于实施将由两个交迭构件构成的工件堆叠结合在一起的又一实施例，其中粘合剂施加在搭接界面处。

具体实施方式

在图1和2处示出说明为第一方面的示例性两部件式外部带螺纹紧固件10、10′，且在图3处示出分解形式10”。

首先参照图3，紧固件10”包括主体12”和心轴14”，该心轴包括心轴轴杆27”和心轴头部28”。心轴轴杆27”滑动地接合主体12”中的孔16”。当组装到紧固件10、10’(图1、图2)中时，心轴14、14’可通过图3处示出的细长孔接合特征件18”暂时固定以免相对滑动或者抑制关于主体12、12’的相对旋转运动。主体12、12’、12”具有外部螺纹20、20’、20”，且大直径的范围从2mm至10mm，而波峰到波谷尺寸的范围从0.3mm至2.5mm并且从位于主体12、12’、12”的端部处的环形帽盖22、22’、22”延伸至相对主体端部24、24’、24”。主体12、12’、12”可例如在主体12”处所示具有从环形帽盖端部向相对端部渐缩的大体圆锥形外表面，或者如主体12、12’处所示具有大体圆柱形外表面。适当地是，环形帽盖22例如在紧邻于帽盖的位置处可具有是主体的直径的2至5倍的外直径。

主体12、12’、12”上的螺距可例如在紧固件10”中较粗，或者例如在紧固件10中较细或者例如在紧固件10’中为中间螺距。虽然所示出的示例显示沿着主体长度的固定螺距，但也可采用可变螺距的螺纹。合适的螺距包括0.2mm至4mm。许多螺纹变型对于紧固件领域是众所周知的，包括但不限于UNC、UNF、BSW、BSF、米制以及BA。主体12、12’、12”可包含这些螺纹类型的任何一种以及其它非标准或未识别的螺纹变型。

主体12、12’、12”可具有任何合适的长度，只要其足以穿透并且延伸穿过工件的堆叠布置即可，每个工具大体呈板的形式，例如下文进一步所描述地。

心轴14、14’、14”通常显著地长于它们所占据的主体，且轴杆27、27’、27”包含它们的长度的大部分。轴杆27、27’、27”可具有可接合的特征件，例如轴杆27上的26(参见图1)和轴杆27’上的26’(图2)，它们允许可靠地传递所引导的拉动或拉伸力(F-参见图1、图2)，以将心轴从主体抽出。心轴轴杆27、27’、27”通常具有均匀的可滑过孔的横截面，并端接在心轴头部28、28’、28”中，且横截面尺寸大于相应孔16、16’、16”的尺寸，以使得在施加拉动力‘F’(图1、图2)时，心轴28、28’、28”与它们的相应主体12、12’、12”的相对主体端部24、24’、24”干涉。

所示出的孔16、16’、16”是圆柱形的且定尺寸成接纳对应的圆柱形心轴轴杆27、27’、27”。然而，应意识到地是，孔和轴杆可具有替代的横截面，包括多边形、椭圆形以及星形，只要它们在形状和尺寸上互补以使得它们可滑动地接合即可。非圆柱形的孔和轴杆横截面可干涉地旋转接合，从而避免对于例如图3处所示的轴杆突部18”以及抑制心轴和主体的相对旋转运动的意图的需求。

心轴头部28、28’、28”的每个形成为具有扁平端部29、29’、29”的圆柱形，但例如下文更完整描述地是，也可采用多种形状。在图3所示的示例中，锥部30”用于将心轴头部直径28”平滑地过渡为轴杆直径27”。例如图1、图2处所示，在施加力‘F’时，心轴头部用于在该心轴头部逐渐地前进到孔16”中时逐渐地并且均匀地扩张相对端部24”处的孔16”，以张开相对端部24”并且增大其直径。

此种紧固件的使用在图4、5、6、7和8中说明。在图4处，板工件32和34的两层堆叠可选地在粘合剂36设置在它们的搭接表面33、35的情形下在相对的夹持压力P下紧密地夹持在一起，该夹持压力适当地分配以使得工件搭接表面33、35至少在结合区域100处相接触。紧固件110基本上与图1处示出的紧固件相同，但在主体120上具有较粗的螺旋螺纹121且具有更导圆的心轴头部端部129，并且该紧固件至少在心轴轴杆114处固定在能够同时进行旋转和纵向运动的机器(未示出)中。机器可具有诸如卡夹或夹头之类适合于与心轴114的轴杆127的可接合特征件126接合的夹紧装置，并且还可摩擦地或机械地(未示出)接合环形帽盖122，以牢固地保持紧固件110。机器然后沿方向40旋转紧固件，同时使得紧固件沿方向38前进，从而促使现正旋转的紧固件朝向结合区域100，其中心轴头部128的表面129在结合区域100处接合工件32的表面31。

心轴头部128的表面129与工件32的表面31的接合会在结合区域100处引起摩擦加热。对于最初处于约室温或20至25摄氏度等下的诸如有色合金和聚合物(包括加强聚合物)的材料，此种加热减小它们的强度，导致它们较小抵抗穿透并且致使它们更易流动。因此，如图5处所示，与如果工件已维持在室温所需要的相比，随着沿着方向38施加较小的压力，紧固件110可持续地最初前进到工件32，然后可选的粘合剂35且最后前进到工件34中。

在一实施例中，当紧固件最初遇到工件堆叠表面31时，前进暂时停止，且紧固件以高速度旋转以使得摩擦加热最大化，从而引起停机时间。然后，紧固件的旋转速率减慢且紧固件前进重新开始，以使得紧固件进入夹持到一起的工件的前进和旋转协配以复制螺纹121的螺距。因此，紧固件可通常‘螺接’到软化的可流动工件中，其中一些移置的工件材料填满螺纹121并且任何过量的移置材料从通过前进的紧固件而在工件中产生的开口排出。

在图6的持续前进时，紧固件110穿透工件，使得环形帽盖122的下表面123与工件32的表面31接合并且导致主体120的心轴头部128和相对端部124穿透并延伸超出工件34的表面37，例如图6处所示。适当地是，选择主体120的长度，以确保主体120在工件表面37下方延伸的部分的范围是从2至5毫米。

在紧固件110如图7处所示完全地接合两个工件之后，并且在工件32、34上持续地维持夹持压力P的同时，沿箭头方向38的旋转40和前进中断，且拉伸力‘P’施加于紧固件心轴114的轴杆127(图4、5)且相对的反作用力‘P’施加于环形帽盖122。由于孔16”和心轴头部28”之间的干涉而施加于心轴114的力‘P’(图3)会最初使得相对的主体端部24”(图3)和主体120的在表面37下方延伸的该部分(图6)张开且然后塌缩。主体120的经张开和/或塌缩部分112现会具有比初始露出的端部直径和由于相对端部124的穿透而在工件34中引起的类似尺寸孔较大的直径(图6)。于是，经塌缩的部分112会干涉地接合工件34的表面37，同时环形头部122干涉地接合工件32的表面31，以将工件32和34牢固地结合在一起。

在持续的增大力‘P’(和对应的反作用力)时，所露出的工件端部会持续塌缩和变形，直到心轴轴杆126断裂，而留下心轴114的剩余部分114’与经塌缩的主体部分112和剩余未变形主体部分212接合为止(图8)。如果可选的粘合剂层36包含到工件堆叠中，其如果需要的话可固化以充分发挥结合强度。

在图4至8处说明的实施例中，两个工件结合。在所描述/所说明的工艺中，并未解决工件的本质和组分。然而，应意识到地是，在低于亚铁紧固件的软化温度的温度下显著地软化的任何工件可由此种工艺结合。不管是否加强，铝和镁的有色合金如同基于热塑性聚合物的工件那样满足该要求，以使得这些组分的工件的任何组合可使用所描述地工艺适当地结合。还会意识到地是，该工艺并不限制于仅仅两个工件，并且在适当地选择紧固件主体长度的情形下，多个工件在它们的相应搭接表面上具有或不具有粘合剂的情形下可结合在一起。

可采用替代的心轴头部设计。一些附加的非限制示例在图9、图10和图11处示出，并且包括具有向外延伸的叶片状特征件440的椭球体228、椎体328和球体428。这些心轴头部设计可加热、软化并移置工件材料，或者在一些情形中，还可切割并机械地移除其中一些工件材料。例如，椭球体228和扁平部29(图1)会主要用于软化并移置材料。在图11处所示的具有叶片设计的球体会同时切割和软化工件材料，其中，旋转的叶片状特征件切割小的中心孔且旋转的球体摩擦地加热剩余的材料。可对于这些所说明的头部设计做出几何形状修改以修改它们的性能。例如，如果期望的话，圆锥形头部328可修改为使得凹槽沿着紧固件轴线延伸，以减少更多的切割动作。心轴的选择可受到工件材料影响。例如，可能较佳地是使用心轴头部设计，其主要移置而非切割纤维加强复合材料的材料，以使得加强纤维的任何干扰最小。

心轴头部设计228和328的每个示作经由锥形特征件130过渡为心轴轴杆直径，在心轴抽出时，该锥形特征件接合主体孔并且使得主体能均匀地扩张。替代地，例如图11处示出的球体428，头部的几何形状可使得头部与孔的渐进接合会自然地产生，以使得在心轴头部和心轴轴杆的结合部处无需引入锥部。

对于合适的紧固件性能，心轴头部的直径‘d’(图9)可等于或小于相对端部224处螺纹的小直径‘D’。(通常，心轴头部会绕紧固件的旋转轴线对称且由此心轴头部工件接触的区域会是圆形的并且可由直径‘d’表征)。这确保在旋转的紧固件穿透期间可能移置或移除材料之后剩下的所产生圆柱形空腔会具有与紧固件主体直径上的小螺纹直径相等或较小的直径。因此，至少一些移置的加热且软化材料可在紧固件的持续前进时‘填装’到螺纹中，或者紧固件可螺接到工件堆叠中。在冷却时，现较强的事先软化材料会接合紧固件主体来增强结合强度。通常，直径d/D的比值的范围可以是从0.7至1。

当使用具有诸如在图12、图13和图14处示出的紧固件70、70’、70”上所示的那些特征件的更为不规则工件接合特征件时，可遵循关于紧固件的旋转和前进的类似实践。这些紧固件的每个在主体82上包含向外延伸的突起特征件78、78’、78”。突起特征件可以是连续的并且以围绕主体周缘的连续带延伸，或者是局部的，作为隔离的隔开特征件而产生。突起能以各种数量、形状和尺寸呈现。例如，在图12处，突起特征件78是尖锐的、尖突脊部，这些脊部类似于上文讨论的螺纹状特征件，可以是连续的或分段的，并且可如图所示均匀地定尺寸；在图13处，突起特征件78’均匀地定尺寸、隔离且顶部导圆，通常类似于小丘；并且在图14处，示出具有各种形状和尺寸的多个突起特征件78”。然而，在这些紧固件中，心轴头部76的尺寸d、即最大尺寸大于在紧固件旋转轴线90上定心的环绕圆圈80、80’、80”的直径相对应的直径D、D’、D”。在一些情形中，可适当地是仅仅采用单个突起，而非所说明的多个突起。

如上所述，在紧固件70、70’、70”旋转并前进到工件堆叠中时，由于心轴头部76的摩擦动作而在工件中产生的孔的尺寸会大于接纳紧固件主体82、82’、82”所需的尺寸。因此，紧固件进入工件的前进速率无需协同地由接合软化材料而对突起的需求来确定。而是，紧固件能以任何期望的速率前进到工件中，仅仅经受所施加的负载和前进速率的机器限制。一旦完全地插入，也就是说随着帽盖72的下侧接触最上工件的上表面，心轴74可如之前所述缩回并断裂，以使得紧固件主体82扩张并压实，且驱动突起78、78’、78”与工件堆叠中刚好形成的孔的壁接合。如果分别在图12、图13和图14处示出的比值d/D、d/D’、d/D”在1.02至1.05的范围内，则由心轴74施加于紧固件主体82的变形程度最小，确保紧固件主体与工件良好地接合，但高达1.2的更高比值也可提供可接受的保持动力。

在该方面中，心轴74的缩回可与紧固件完整穿透到工件堆叠中的实现以及紧固件旋转的停止紧密地协调或同步。在围绕工件中孔的区域仍处于升高温度下的同时，这会使得紧固件主体82发生变形，从而减小驱动突起78、78’、78”与工件堆叠接合所需的负载。可能期望采用紧固件的高速旋转和有限前进速率，以通过感应来扩张工件堆叠的经加热区域的范围，从而进一步便于突起与工件堆叠接合。应意识到地是，所示出并且描述的心轴头部设计的完整范围可能在该方面中并不合适，并且仅仅强调摩擦而非切割的心轴头部设计可能最佳地适合于该方面。

在可用于两个方面的又一实施例中，可在外部加热上部工件。此种加热与摩擦加热互补，并且用于通过减小摩擦加热的范围且由此减小停机时间或周期来缩短紧固件插入的循环时间，在停机时间或周期期间，旋转的心轴头部在固定位置处维持与工件表面摩擦干涉以产生热量。在可适合于用在金属或导电工件的方面中，在图15处以平面图并且在图16处以剖视图示出组合的夹持件/导体50，该夹持件/导体包括环形的非导电主体52，该非导电主体包含两个独立的导电区段54、54’。例如图16处所示，夹持件/导体50将压力施加于工件32’的表面31(相对的夹持件或支承件未示出)、定位在工件34定位的导电工件以及可选地施加于定位在工件32’和34之间的粘合剂36。电导线56、56’分别连接于导体54、54’。如图所示，利用连接于电源(未示出)并且具有相反极性的导线56和56’的每个来提供DC电力，但AC电力也可同样良好地起作用。

在操作中，例如图17处以平面图并且在图18处以剖视图示出，电流58从电极54、通过工件32’通向电极54’，并且在电流正如此进行的时候，在工件32’中的区域60中感应电阻加热。因此，当紧固件210(定位成使得其轴线大体与环形夹持件/导体50的轴线共线)以图4-8处示出的方式前进到工件中，该紧固件会遇到经加热的软化区域60并且于是需要较少的摩擦加热来用于穿透并延伸通过工件。

所示出的特定示例仅仅是示例性的并且仅仅代表外部加热的模式。作为又一些示例，使用在紧固件轴线上定心的环形扁平线圈的感应加热也可适用于导电工件，并且使用聚焦在结合区域上的位于外部的激光器的激光加热可适用于各种各样的工件，包括诸如基于聚合物的工件的非导电工件。如果需要的话，此种基于激光器的加热系统的效率可通过将吸收增强涂层施加于工件来增强。

示例性实施例和特定示例的上文描述在本质上仅仅是描述性的；它们并不旨在限制以下权利要求的范围。应赋予所附权利要求中使用的每个术语普通且常规含义，除非说明书中另有明确且清楚地陈述。