TW201350224A - 具有一軸桿之金屬元件的製造方法及裝置，該軸桿係沿其縱軸形成至少一螺旋線 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種具有一軸桿之金屬元件的製造方法，其中該軸桿係沿其縱軸形成至少一螺旋線，以及一種適用於實施該方法之裝置。針對習知技術之缺陷，本發明提供一金屬元件製造方法，從而可大量生產具有穩固螺紋之元件。首先將以胚件7置入一導向裝置12內，並將其導入至少一多件式搓牙模具10內進行冷鍛加工，該搓牙模具具有至少二活動之牙板11，其內壁成型有一具有螺旋線狀輪廓11a之底模，一衝頭13抵頂該胚件7之自由端，從而藉由該搓牙模具10之輸出口成型一軸桿8，該模具輸出口之重心F相對於該模具10或該元件1之中線M係沿偏移方向Z延伸，從而將該胚件7之軸桿8成型為至少一具有穩固螺紋之桿體4。

Description

具有一軸桿之金屬元件的製造方法及裝置，該軸桿係沿其縱軸形成至少一螺旋線

本發明係有關於一種具有一軸桿之金屬元件的製造方法，其中該軸桿係沿其縱軸形成至少一螺旋線，以及一種適用於實施該方法之裝置。

在緊固連接技術中經常會用到由軸部和頭部所組成的金屬元件，其中，軸部通常為一圓柱狀螺栓或銷釘，且軸桿表面形成一螺紋，緊固件和螺紋聯接件指螺絲，螺栓，定位栓(dowel)或地腳螺栓。

此外，金屬旋轉蝸桿如螺旋輸送機，螺旋配料機，螺旋運輸機，混合螺桿或蝸輪傳動也被廣泛應用，該些元件同樣由軸部和頭部組成，軸部表面形成螺旋線或螺旋狀結構，在蝸輪傳動表面形成槽狀螺紋結構，以進行動力傳輸，蝸輪傳動的頭部夾入卡盤，並與一旋轉驅動連接。

WO 2010/142458 A2 專利案係揭示了一具有螺旋線槽孔的金屬長形元件的製造方法，尤其是一製造螺旋鑽頭或螺桿的方法， 首先將未加熱的胚料放入導向模，將胚料導入一搓牙模具後進行冷變形，該搓牙模具具有至少二可活動之牙板，牙板內壁具有至少一具有螺紋輪廓之底模部，以形成螺旋線狀槽孔。軸向運動一衝頭，使其抵頂該位於導向模內的胚料的自由端，從而完成冷變形。在壓力作用下，胚料即使沒有預熱，也可以透過閉合搓牙模具的中心開口被局部擠壓。在與模具輪廓接觸的同時，透過冷塑性變形在胚料表面形成螺旋線狀槽孔。冷變形結束後，打開搓牙模具，取出搓牙模具內由胚料加工而成的鑽頭或螺桿。

此外，在擠壓之前，也可以透過其它冷變形步驟在胚料上形成一軸部或一頭部或一軸部和頭部的組合。

歐盟專利EP 2 156 909 B1係揭示了一金屬緊固件或一具有徑向外螺紋之金屬連接件如螺絲或螺栓的製造方法。

將加工好的胚料放入一多件式搓牙模具中，此時，胚料位於打開的牙板之軸向延伸凹槽內，沖壓模具的牙板在其內壁各形成一具有相應內輪廓之底模，以在胚料上形成徑向外螺紋。在一徑向力作用下，閉合牙板，在胚料的軸部擠壓形成一螺紋， 透過胚料軸部內凹槽，可以避免材料在擠壓過程中進入搓牙模具的牙板間。且在沖壓過程中，在軸向延伸的凹槽處不會形成徑向螺紋。

德國專利DE 31 16 101 C2係揭示了一不同於上述傳統構造之螺絲元件，該螺絲元件的軸桿為螺旋狀或螺旋線，該螺旋軸桿形成該螺絲之螺紋。

該類螺絲元件用來連接半剛性材料，透過纏繞一段金屬線材來製造該螺絲件，該螺絲元件靠近頭部的導程小於螺絲元件頂尖的導程，透過纏繞金屬線材製造螺絲元件，尤其是製造結實的螺絲元件時，該方法非常繁瑣，且用該種方法只能生產具有單一螺旋線的螺絲元件。

本發明主要目的在於提供一金屬元件的製造方法，該方法適用於經濟且批量生產具有結構穩固的螺紋線之元件，且本發明之方法亦可用於生產具有數個螺旋線或螺旋結構的元件，另外，本發明也提供一適用於該製造方法之裝置。

為實現本發明之目的，本發明具有請求項1所述之特徵，請求項2到請求項14主要描述本發明之製造方法之優點，請求項15揭示一適用於該製造方法之裝置，請求項16到請求項25係關於該裝置之優點。

在製造具有螺紋之元件時，通常用一實體柱狀胚料或一長形套管，當然，該胚料亦可為一具有一實體端部的套管。

可以透過一係列複雜的加工過程，多件式沖壓胚料，較佳為，直接應用一具有一軸部的，已成型的胚料，且該軸部在縱向上延伸形成一根或數根偏心桿體，亦可以將實體圓柱體段材或套管提前加工成具有一跟或數根桿體之胚件，該桿體亦可被稱作「腿部」。

以下介紹一將一根或數根平行設置的桿體變形為一螺旋結構或多個相互纏繞的螺旋結構的冷鍛方法。

首先，將成型後的胚件置入一導向裝置，然後將其導入至少一多件式搓牙模具中進行冷鍛加工，該搓牙模具具有至少二可活動之牙板，牙板的內壁具有一螺旋狀輪廓的底模。該導向裝置可為一導向模，當然，搓牙模具的牙板亦可具有相應的導向裝置。

重要的是，該模具輸出口之重心相對於該模具或該元件之中線係沿偏移方向延伸，胚件的導向設備為模具的一部分，因此，搓牙模具輸出口的重心不位於元件的中線或容納胚料之導向設備的中線。

冷鍛加工所需要的變形力由一抵頂胚料自由端的衝頭產生。

透過向胚件施加一壓力，藉由閉合的搓牙模具的偏心開口局部擠壓胚件，當胚件與模具內輪廓接觸時進行塑性變形，形成一螺旋線狀桿體。

胚件的軸桿形成至少一結實的桿體，由於搓牙模具輸出口的重心相對於從導向裝置之中心開口之重心出發的法線延伸，因此該桿體可具有幾乎恆定的螺旋線截面。

擠壓完成後，打開搓牙模具，並取出具有一根或多根螺旋狀桿體的成品。

以上所述之螺旋結構為曲線，其半徑既可以恆定不變，亦可以不斷增大或縮小。

據本發明之另一較佳實施例可以同時冷鍛生成兩根或數根平行設置的螺旋桿體，且所有桿體互不接觸，以雙螺紋螺絲的形式相互纏繞。

據本發明之第三實施例，胚件中心沿其縱向中軸形成一第一直桿，第二桿體的縱向中軸與第一桿體的縱向中軸相互錯位，並形成單一螺旋線，該螺旋線在擠壓過程中纏繞於第一直桿，且第一直桿末端為一尖部，可作為螺絲等聯接件的頂心。

該直桿亦可在加工胚件時成型。

本發明之元件亦可具有至少兩根平行的，縱向延伸的，穩固的桿狀臂部，該桿狀臂部具有一螺旋線截面，該螺旋線截面或恆定或在沖壓方向上不斷縮小的。胚件本身的軸部形成兩根從頭部開始延伸的螺旋狀桿體，該桿體的重心與頭部的縱向中心線具有一特定距離，該距離一般限於毫米範圍內。

此類緊固件或螺紋聯接件以不同形式廣泛應用於工業或施工領域。

此外，在冷鍛加工兩根或多根螺旋線桿體時，亦可在搓牙模具開口中心固定一芯棒，冷鍛成型後的螺旋線桿體纏繞並包圍該芯棒，擠壓完成後，取出芯棒並打開搓牙模具進行脫模。芯棒可伸入搓牙模具的開口，甚至突出於模具外。

當胚件為套管時，芯棒可一直伸入套管的上端，甚至突出於該套管，衝頭下部也為套管，在擠壓過程中，衝頭套置於芯棒上，緊壓後的成品長於所用胚件，也就是說，冷鍛加工後，螺旋桿不僅長度發生變化，而且其材料亦被硬化。

所有加工步驟，從最初的桿體或金屬線段開始，都可在一個多段式擠壓設備內完成。

在冷鍛加工之前依情況需要亦可預熱胚件，胚件可以為不同的金屬材質如鋁，銅，鋼或合金等，重要的是該金屬材質可冷鍛變形，冷鍛加工形成的螺旋桿體可以具有不同形狀的截面，如圓形截面，卵形截面，橢圓形截面，四邊形或六變形等多邊形截面等，搓牙模具的開口配合截面形狀，牙板之開口亦可具有一沿擠壓方向變化的截面形狀，例如該截面在搓牙模具的入口為圓形，出口為橢圓形。

牙板的成型輪廓以及芯棒可以隨元件之螺旋線而改變，尤其是螺旋線的弧長，曲率及扭力或螺紋升角。

當兩根或數根桿體為螺旋線狀時，該些螺旋桿體以不同距離相互平行，當然，螺旋桿體亦也可在不接觸的情況下，相互纏繞。另外，螺旋桿體亦可由一直桿和一螺旋桿體組成，此時，螺旋桿體纏繞於該直桿。

搓牙模具的內輪廓可依據螺旋線數量改變相鄰螺旋線之間的螺距，當具有二螺旋線時，螺旋線在半圈或半個螺距時相互錯位。

可以藉由一多件式搓牙模具製造具有數根螺旋桿體的元件，該搓牙模具具有偏心設置的擠壓口，該擠壓口由牙板的周圍及一中央嵌入件圍成。當然，也可以藉由一小型單工位搓牙模具進行冷鍛加工，此時，需要為每根螺旋桿體準備一搓牙模具。

兩根或多根螺旋桿體之螺旋體的外圍大於，小於或等於胚件的外直徑或頭部外圍。

藉由本發明之方法，可以生產螺絲，螺栓和地腳螺栓，如混泥土瞄，定位栓等。

螺旋桿在螺接入孔時被輕度壓縮。

藉由本發明之方法，也可以生產旋轉螺桿，如用於混合設備，傳輸設備或配料設備的螺桿或用作傳輸動力的傳動蝸輪。

應用本發明之方法製造的緊固件或螺紋聯接件或螺桿可進一步變形，以形成聯接件或螺桿之頭部，成型後的螺旋狀桿體亦可以依需求進一步變形。

透過墩鍛加工，可以減小螺旋線之螺紋升角，此時，桿體亦被縮短。

4．．．元件

5．．．頭部

6．．．桿體

7．．．桿體

8．．．埋頭結構

9．．．套管

7,7’．．．胚件

8．．．軸桿部

8a，8b．．．桿體

10．．．搓牙模具

11．．．牙板

12．．．導向模

12a．．．中心開口

13．．．衝頭

14．．．芯棒

15．．．輸出口

16．．．外環

F．．．重心

M．．．中線

Z．．．偏移方向

圖1：應用本發明之方法成型的元件之三種實施例之立體圖。

圖2：不同實施例之胚件的縱切面簡化圖。

圖3：製造一具有一螺旋桿體的螺絲的生產步驟A，B，C簡化圖。

圖4：圖3中沿A-A線切開的截面放大圖。

圖5：生產具有兩根螺旋桿體之螺絲的生產步驟A，B，C簡化圖。

圖6：圖5中沿A-A線切開的截面放大圖。

圖7：製造一具有雙螺旋桿體之定位栓的步驟A，B，C簡化圖。

圖1為依據本發明之方法製造的不同元件1， 圖A為一埋頭螺絲，圖B為一地腳螺栓，圖C為一定位栓(dowel)，這些金屬元件1具有一頭部2和兩桿體3，4，桿體3，4在軸向上與頭部2連接，且桿體3，4形成螺旋線或螺旋體。

該桿體3，4在縱向上延伸，且相互平行，並在不接觸的情況下，相互纏繞。

桿體3，4連接於頭部2，且桿體3，4的重心沿偏移方向Z偏離中心線M，請參照第2圖所示之桿體4.

如圖1所示，這些元件的區別在於其截面及桿體3，4的螺紋升角及該該些元件的頭部。

圖A所示之埋頭螺絲透過對實體胚料進行冷鍛加工成型，其頭部2為實體，頭部頂部形成埋頭結構5，與普通螺絲一樣，為了便於安裝，該埋頭結構5具有一字形或梅花形間隙。

圖B和圖C所示之元件1透過冷鍛一套管狀胚件製造而成。

圖B所示的地腳螺栓的頭部2為一套管6，該雙桿體3，4各具有一橢圓形截面，且結構穩固，該類地腳螺栓可用作混泥土瞄。

圖C所示之定位栓的頭部2也為一套管6。如圖C所示，該定位栓之螺紋體或桿體3，4之螺紋升角小於圖B所示之地腳螺栓之紋螺升角，定位栓之套管6具有一內螺紋，與一螺絲螺接。

圖2所示為成型胚件的不同實施例之示意圖，透過冷鍛加工，將該些胚件加工成本發明之元件1。

胚件7, 7’由一軸桿部8和一頭部2所組成，圖A為第一胚件7，該胚件由實體圓柱體形成，在變形之前透過墩鍛一金屬線段成型該胚件。

圖B所示為一第二胚件7’，其與第一胚件7的區別在於，第二胚件7’的軸桿部8已經具有二截面為橢圓形的桿體8a，8b，該桿體8a，8b在預加工階段成型。

桿體8a，8b筆直，其中軸位於胚件 7’的中軸外，如下所述，透過冷鍛加工將桿體8a，8b成型為一螺旋結構。

圖C為一第三胚件7，其為一已成型之金屬套管6，如圖D所示，胚件 7’為一金屬套管6，其軸桿部8已成型為二具有橢圓截面的桿體8a，8b，該胚件 7’與圖B所示之胚件相似。

預先成形(pre-formed)的桿體8a，8b亦可被稱作「腿部」，其可具有不同形狀的截面。

用已成型有桿體的胚件的優點在於只需要較小的壓力，另外，材料強度和可壓性也很重要。

圖3所示為將圓柱狀實體胚件7加工為一具有一螺旋桿體之螺絲的生產步驟A，B，C，其按前後順序排列。

適用於本發明之製造方法之裝置包括一具有四塊可移動之牙板11之搓牙模具10，一導向模12和一衝頭13，衝頭13可施加一所需要的壓力。

應用具有可移動之牙板11之搓牙模具10對金屬材料進行冷鍛加工的過程為習知技術，模具可具有不同數量的牙板，如兩塊，三塊，四塊或五塊牙板。

該搓牙模具具有一軸向移動之外環16，牙板11徑向活動地設於該外環16內，外環16套於牙板11的錐形表面上，如步驟C所示，該牙板11在開啟移動方向上不斷縮小，該外環16具有與該錐形面相對應之錐形內表面16.

打開或閉合搓牙模具時，該外環16或朝沖壓方向或朝相反方向運動，將搓牙模具安裝到多段式擠壓設備時，該多段式擠壓設備的滑架向前運動，此時，外環16在一接合器（未示）作用下移動，當然，也可以透過其它方式打開或閉合牙板11。

套管狀導向模12具有一中心開口12a，中心開口12a之截面形狀配合胚件7之截面形狀。將該具有一頭部2和一軸桿部8之胚件7置入該導向模12的中心開口12a內（步驟A）。

移動衝頭13，使其接觸胚件7，從而進行擠壓加工。

搓牙模具10由牙板11內壁圍成之輸出口重心F與模具或胚件7或元件1之縱向中線M沿偏移方向Z錯位（圖4），只有這樣，才能在冷鍛過程中透過牙板11之底模內輪廓11a成型至少一穩固的螺旋桿體4，步驟B簡單描述了將軸桿部成型為一螺旋桿體4的過程 。在較大的壓力作用下，桿體長度在冷鍛加工前後發生變化，詳細地說，成型後的元件1長於所用胚件7。打開搓牙模具10的牙板11後，取出成型後的螺旋元件1（步驟C），衝頭13亦可以用作元件1之頂出裝置。

依使用需求也可對該元件進行後續加工，如將其頭部進一步變形為一螺絲頭部（圖1，圖a）。

請參照圖5，將實體圓柱狀胚件變形為一具有二螺旋桿體之螺絲的製造過程A，B，C。與第3圖所示搓牙模具不同，該搓牙模具10具有二輸出口15，輸出口15重心F（虛線）與該模具或該元件之中線在偏移方向Z上錯位（圖6）。

此外，在其中心進一步固定一芯棒14，該芯棒14在擠壓方向上朝位於導向模12內的胚件7之端面延伸（步驟A），如步驟B所示，閉合搓牙模具10之牙板11後， 衝頭13軸向移動，此時，胚件7在高壓壓力作用下透過模具開口15成型，由於模具內輪廓為螺旋線 狀，可同時成型二螺旋桿體3，4，該二螺旋桿體3，4 具有相同的螺紋升角，並纏繞於芯棒14的外圍，且不相互接觸。冷鍛加工結束後，取出芯棒，打開搓牙模具並取出元件1。

圖7為製造定位栓之步驟A，B，C，胚件7為一套管6（圖2，圖C）。

將該套管6置入導向模12，然後將一芯棒14從底部引入該套管，芯棒14外徑與套管6內徑相同，以將芯棒以穿入套管6的頂部，並與套管6頂部之間形成一常有間隙，在冷鍛加工中，芯棒14還可以用作定位套管6.

如步驟A所示，衝頭底部也為一套管，在冷鍛過程中，衝頭之環狀端面在擠壓方向上抵頂該套管6的頂部並透過模具開口15擠壓該套管6，此時，衝頭13之套管狀端部套設在芯棒14上。

透過冷擠壓，將套管6之軸桿8變形為二螺旋狀桿體3，4，該螺旋狀桿體纏繞於芯棒14的外圍（步驟B），擠壓結束後，取出芯棒14，打開搓牙模具10，將元件1(定位栓)進行脫模。

如圖1中圖C所示，也可將具有二桿體8a，8b， 即「腿部」，之胚件加工此類定位栓（圖2，圖d）。

擠壓完成後，可依需求，進一步加工定位栓之頭部2，螺旋體之自由端亦可以進一步加工為一頂尖，所有加工步驟都可以在一多段式擠壓設備上完成，非常經濟。

藉由本發明之製造方法，亦可以製造具有三根或四根螺旋軸桿之元件。

1．．．元件

2．．．埋頭結構

3．．．套管

7,7’．．．胚件

8．．．軸桿部

10．．．搓牙模具

11．．．牙板

12．．．導向模

13．．．衝頭

F．．．重心

M．．．中線

Z．．．偏移方向

Claims (25)

1. 具有一軸桿之金屬元件的製造方法，該軸桿係沿其縱軸形成至少一螺旋線，其中，一胚件（7，7′）為實體、套管或實體與套管的組合，首先，將胚件（7，7′）置入一導向裝置（12），然後將其導入至少一多件式搓牙模具（10）進行冷鍛加工，該搓牙模具（10）具有至少二活動之牙板（11），牙板（11）內壁具有一具有螺旋線狀輪廓（11a）之底模，一衝頭（13）抵頂胚件（7，7′）的自由端，透過該搓牙模具（10）的輸出口冷鍛加工胚件的軸桿（8），該輸出口重心（F）相對於該搓牙模具（10）或該元件（1）的中線（M）係沿偏移方向（Z）延伸，從而將胚件（7，7′）的軸桿（8）成型為至少一穩固的螺旋桿體（3，4）。
2. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，該搓牙模具（10）之輸出口（15）與該導向裝置（12）之開口（12a）不同。
3. 如請求項1或2所述之方法，其特徵在於，可以同時冷鍛加工兩根或數根平行之螺旋桿體（3，4），該螺旋桿體（3，4）係呈相互纏繞。
4. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，在搓牙模具（10）之開口（15）中心穿過並固定一芯棒（14），冷鍛加工而成的螺旋桿體（3，4）包圍該芯棒（14），冷鍛加工完成後，取出該芯棒（14）並打開搓牙模具（10）進行脫模。
5. 如請求項4所述之方法，其特徵在於，該胚件（7）中心沿其縱向中軸成型一第一筆直桿體和至少一第二桿體（3，4），其中，第二桿體（3，4）之縱向中軸與該第一桿體之縱向中軸錯位，形成單一螺旋線，在沖壓過程中，該螺旋桿體纏繞於該第一桿體。
6. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，當胚件為套管（6）時，該芯棒（14）穿過套管（6）的頂端並突出於該套管（6），衝頭（13）的底端係形成為套管，該套管在擠壓過程中套在該芯棒（14）上。
7. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，預先將胚件（7′）成型為一具有軸桿部（8）的胚件（7′），其中，該軸桿部由一根或數根縱向延伸之桿體（8a，8b）組成。
8. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，所有擠壓過程，從切斷桿體或金屬線到擠壓過程全部完成，都可在一多段式擠壓設備內完成。
9. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，該桿體或螺旋體之自由端係形成一頂尖狀。
10. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，該胚件在冷鍛加工前先進行加熱。
11. 如請求項3所述之方法，其特徵在於，成型為螺旋體的一根或數根桿體之總外徑大於，小於或等於胚件或該頭部之外徑。
12. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，螺旋體具有不同的扭力或螺紋升角。
13. 如請求項3所述之方法，其特徵在於，透過一搓牙模具（10）冷鍛成型兩根或數根螺旋桿體（3，4），且該搓牙模具（10）具有兩個或數個開口，該等開口偏離胚件（7，7′）之中軸。
14. 如請求項3所述之方法，其特徵在於，冷鍛結束後，墩鍛元件（1）以減小螺旋桿體（3，4）之螺紋。
15. 用以實施上述方法之裝置，該裝置由至少一多件式搓牙模具（10），一導向裝置（12）和一衝頭（13）組成，其中，該搓牙模具（10）具有至少二活動之牙板（11），其內壁具有一具有螺旋線狀輪廓之底模，將一胚件（7，7′）置入該導向裝置（12），該衝頭（13）在擠壓方向上向該胚件（7，7′）施加一壓力，且該搓牙模具（10）之輸出口之重心相對於該搓牙模具（10）或該元件（1）之中線係沿偏移方向（Z）延伸。
16. 如請求項15所述之裝置，其特徵在於，該搓牙模具（10）之開口之截面與該導向裝置（12）開口（12a）之截面不同。
17. 如請求項15或16所述之裝置，其特徵在於，更具有一固定芯棒（14），該芯棒（14）係設置於該搓牙模具（10）輸出口的中心位置，並伸入該輸出口（15）中。
18. 如請求項15所述之裝置，其特徵在於，容納該胚件（7，7′）之導向裝置為該搓牙模具（10）之一部分或為導向模（12）。
19. 如請求項17所述之裝置，其特徵在於，該芯棒（14）延伸入該導向裝置或該導向模（12）內。
20. 如請求項15所述之裝置，其特徵在於，該衝頭（13）之底端為套管套設於該芯棒（14）上。
21. 如請求項15所述之裝置，其特徵在於，搓牙模具（10）、導向模（12）、衝頭（13）以及芯棒（14）為一多段式擠壓設備之冷鍛單元。
22. 如請求項15所述之裝置，其特徵在於，該裝置具有數個搓牙模具，其中，一搓牙模具之輸出口（15）重心相對於該搓牙模具或該元件之中線係沿偏移方向（Z）延伸。
23. 如請求項15所述之裝置，其特徵在於，該裝置更具有一搓牙模具（10），其中心輸出口（15）藉由一中央嵌入件分成數個輸出口，且其中一個輸出口之重心相對於該搓牙模具或該元件（1）之中線係沿偏移方向（Z）延伸。
24. 如請求項23所述之裝置，其特徵在於，該中央嵌入件為芯棒（14）的一部分。
25. 如請求項15所述之裝置，其特徵在於，該裝置更具有一中心模具開口，透過該開口可成型一筆直桿體。