塑料螺纹元件和包括塑料支承部件和塑料螺纹元件的连接组件的制作方法

本发明涉及一种由塑料制成的螺纹元件，特别是一种塑料螺钉、一种具有内螺纹的塑料螺套和一种塑料螺纹嵌件；一种连接组件，该连接组件包括具有接收开口的塑料支承部件，其中螺纹元件已被旋入并同时以自作用的方式形成螺纹；和一种由至少一个所述塑料支承部件和由塑料制成的所述螺纹元件制造所述连接组件的方法；以及一种制造螺纹元件的方法。

背景技术

在现有技术中已知上述连接组件，其包括至少一个由塑料制成的支承部件和以螺钉或具有自成形外部螺纹螺套形式的塑料螺纹元件。它们在如de2047482a1、us4,637,767、us5,921,735、us5,385,439和de102004021484a1中被描述。

us5,385,439描述了一种螺钉，在其杆上布置有外部螺纹。成形元件提供在该螺钉的螺纹的各个圈上。这些成形元件在径向上和/或在轴向上延伸超出该螺纹的相邻圈的几何尺寸。由此，它们在例如支承部件中形成了反螺纹，特别是当成形元件被布置在靠近螺钉末端区域的第一圈螺纹时。

us5,921,735描述了一种螺钉，在其杆上也提供有外部螺纹。该外部螺纹以四个不同的螺纹区域为特征，这些螺纹区域跨越螺钉的长度分布在螺钉杆上。通过改变杆横截面的形式和布置在杆上的螺纹，可以实现保持区域、各种螺纹成形区域以及在螺钉的外部螺纹内的调整区域。

us4,637,767也描述了一种具有外部螺纹的螺钉，其中螺纹的各个圈提供有凸轮形的径向切削突起。这些突起用于在部件壁中形成反螺纹。而同时这些突起也提供转动抑制以将旋入的螺纹元件保持在支承部件中。周向自由分布的突起导致了在螺纹元件旋入支承部件期间分布于螺钉杆整个长度上的不均匀的扭转载荷。这些不同的扭转载荷可以导致螺纹元件失效。

de2047482也描述了一种产生螺纹的螺钉。该螺钉杆包括五个圆角，相应的螺纹区域已被切入其中。在这些螺纹区域之间设置五个具有不完整螺纹的平缓的平坦区域。在有角的螺纹突起处，螺纹具有其完全的深度，而在平坦区域中该深度大体上更小。在具有螺纹的角区域之间的平缓的平坦区域用于容纳研磨材料是的螺钉可以更畅通地移动。

de102004021484a1描述了一种塑料螺纹元件，其包括切削刃和相邻的容屑槽。为了产生螺纹轮廓的这种特定的切削几何形状，螺纹元件包括若干角形部分，这些角形部分彼此径向偏移，使得相应的相邻角形部分在旋入方向上形成有效的切削刃。这意味着在轴向截面图中观察的螺钉杆的半部或通常外部螺纹的半部在径向方向上彼此偏移，使得外部螺纹不具有恒定的芯直径。该偏移导致在螺纹轨迹中或在圈内产生径向突起的切削刃，其在支承部件中形成反螺纹。根据另一可选的，从螺纹的圆周圈中切削出凹口，使得它们的径向侧形成用于形成反螺纹的切削刃。然而，这种构造的缺点在于，由于在旋入方向上的切削刃使得旋入扭矩要高于松开扭矩。由此，通常有助于螺纹元件的松开。

因此本发明的目的在于提供一种具有外部螺纹的螺纹元件、一种包括至少一个支承部件和该螺纹元件的连接组件、和一种连接的制造方法，其与现有技术相比提供了旋入扭矩和松开扭矩之间改进的比率、在螺纹元件旋入至部件开口期间改进的扭矩进程和螺纹元件直径和接收该螺纹元件的部件开口直径之间的更大的公差。

技术实现要素：

上述目的通过以下来实现：根据独立权利要求1所述的由塑料制成的螺纹元件，根据独立权利要求11所述的包括至少一个由塑料制成的支承部件和该螺纹元件的连接组件、根据独立权利要求12所述的用于制造包括至少一个由塑料制成的支承部件和由塑料制成的螺纹元件的连接组件的方法、以及根据独立权利要求14所述的由塑料制成的螺纹元件的制造方法。本发明的有益实施例以及其它改进从以下的描述、附图和所附的权利要求书中体现出来。

本发明的由塑料制成的螺纹元件包括轴向件，其具有中心轴以及作为外部螺纹的环绕中心轴延伸为若干绕圈的螺纹圈。外部螺纹适用于当被旋入塑料的支承部件的接收开口时形成反螺纹，其中多个相邻的绕圈至少在轴向件的部分区域上被至少两个平行于中心轴延伸的容屑槽中断，因此每个中断的绕圈包括至少一个切削腹板和一个抑制腹板，其中切削腹板的径向延伸量大于抑制腹板的径向延伸量，且轴向件的垂直于外部螺纹的中心轴的芯部厚度至少在轴向件的位于纵向槽之外的部分区域中是恒定的。根据本发明的优选实施例，切削腹板和/或抑制腹板在其周向轨迹上具有恒定的半径。另外优选地，切削腹板和/或抑制腹板的半径沿着螺纹元件的纵向改变。由此，可以关于螺纹元件的纵向特定地调整切削腹板的切削深度和/或抑制腹板在部件中的压配厚度。这允许螺纹元件的扭转载荷沿着轴向分布在螺纹元件上

本发明的螺纹元件包括塑料，且特别地被配置为用于旋入至塑料支承部件中。为此，螺纹元件的外部螺纹被设计为使得其在支承部件的接收开口中产生匹配的反螺纹。根据本发明的不同的优选实施例，这样的由塑料制成的螺纹元件被设计为具有螺钉头和螺钉末端的螺钉，或设计为具有内部螺纹和本发明优选的外部螺纹或具有无螺纹的通孔的螺套，或设计为具有任意内部结构的螺套，或设计为具有本发明优选的外部螺纹的中空螺钉，例如优选地设计为压缩限制件。

本发明的螺纹元件包括环绕螺纹元件的中心轴沿着轴向件(例如螺钉的杆)延伸为若干绕圈的螺纹圈。在此，一绕圈指的是围绕螺纹元件的中心轴的螺纹的360°旋转。为了在由塑料制成的支承部件的接收开口中产生匹配的反螺纹，至少多个相邻布置的螺纹圈被平行于中心轴延伸的容屑槽再分为至少两个腹板。这些容屑槽优选地直达螺纹元件的芯部厚度，使得他们将相应的绕圈再分为至少两个彼此隔开的绕圈部分。这些绕圈部分形成至少一个切削腹板和至少一个抑制腹板。切削腹板的特征在于，其在径向上突出超过抑制腹板。由于从螺纹元件的旋入方向上看切削腹板优选地定位在抑制腹板之前，其在由塑料制成的支承部件中预成形匹配的反螺纹，而随后的抑制腹板在形成的反螺纹中产生匹配的压配以用于紧固螺纹元件。对于螺纹元件的旋出方向，切削腹板也优选地起到旋转抑制的作用。由此，它们支撑着具有较小的直径并且弹性地推入到反螺纹的预制凹槽绕圈中的抑制腹板或压制腹板，且以这种方式在螺纹元件旋入和旋出支承部件的接收开口期间产生制动或抑制效果。对于有益的旋入，优选的是，切削腹板的切削阻力被设定为低的且均匀的。通过这种对切削阻力的适当调整，减小了螺纹元件的扭转载荷。由于当螺纹元件被旋入至部件开口时或当产生匹配的反螺纹时，切削腹板优选地通过切削或刮擦从支承部件中移除材料，因此该材料优选地被收集在容屑槽中且借由该容屑槽从螺纹连接中被排出。然而同时，也可以通过切削腹板推动材料而不妨碍匹配的反螺纹的产生。由于恒定的芯部厚度，除了具有较大直径的切削腹板，螺纹元件优选地对称地成形。

根据本发明，在螺纹元件中偶数数量的容屑槽是优选的，优选地具有两个或四个或六个或八个容屑槽。如先前所述的，这些容屑槽平行于轴向件的中心轴延伸。根据容屑槽的数量，相应的绕圈被再分为相应储量的绕圈部分。这些绕圈部分可以被配置为切削腹板和/或抑制腹板。

根据本发明的其它优选实施例，螺纹元件的每个绕圈包括一个、两个或四个切削腹板，其中在多于一个和偶数数量的切削腹板的情况中，它们彼此相对且成对地布置。另外优选的，沿着螺纹元件的周向平均地间隔地布置三个切削腹板。

根据上述的容屑槽的数量，其将每个相应的绕圈再分为相应的绕圈部分，每个绕圈的切削腹板和抑制腹板的数量是可以调整的。由此，可以使螺纹元件在旋转期间的扭转载荷适应于螺纹元件的塑料和/或支承部件的塑料。例如，若每个绕圈具有仅一个切削腹板而导致螺纹元件上的扭转载荷增大太多，则每个绕圈有必要提供额外的切削腹板。该切削腹板支持反螺纹的成形且同时减小螺纹元件的扭转载荷，以允许塑料的螺纹元件可靠地且不受损地旋入至支承部件中。因此，每个绕圈的最佳适用的抑制腹板的数量也确保了在支承部件中通过在抑制腹板处引入的在支承部件和螺纹元件之间的压力足够且可靠地支撑螺纹元件。

根据本发明的其他优选实施例，绕圈的切削腹板的径向延伸量比抑制腹板的径向延伸量大0.1至0.5mm。切削腹板的几何结构和尺寸确保了足够的切削效果且因此在支承部件中产生了反螺纹。此外，切削腹板的尺寸实现了反螺纹的适当制备以用于通过随后的抑制腹板在支撑部件和螺纹元件之间实现压配。切削腹板的效果优选地由以下实现，切削腹板的径向外侧为锋利边缘，优选地为平的或具有无限半径的曲率。根据另一优选实施例，抑制腹板的效果由抑制腹板的圆形的径向外侧实现。

根据本发明的另一优选实施例，容屑槽中断外部螺纹的绕圈直达或超过螺纹元件的芯部厚度。容屑槽的该优选深度一方面为接收移除的材料而提供足够的自由空间。此外，容屑槽的深度确保了沿螺纹元件的周向定向的切削腹板和抑制腹板的侧部区域能够完全与支承部件的材料接合。由此，在旋入期间切削腹板优选地达到其最大可能的切削或切口或开槽效果。同样地，若螺纹元件由于外部影响在螺纹元件和支承部件之间的连接出现松动时，切削腹板和抑制腹板的这些侧部端面也阻止了螺纹元件的旋出。

根据本发明的另一优选实施例，切削腹板包括周向延伸部分，其从旋入方向上看具有起始点和终止点，其中切削腹板在起始点处的径向延伸量大于切削腹板在终止点处的径向延伸量。由于切削腹板的特定的尺寸，其从周向上看具有倾角。对于在旋出方向上转动螺纹元件，切削腹板由此产生楔形效应，该楔形效应通过特别是在切削腹板的起始点和反螺纹的壁部之间的抑制性压力阻碍了螺纹元件从支承部件的接收开口的旋出。还优选的是，切削腹板在起始点处和在终止点处的径向延伸量是相同的。根据本发明的另一优选实施例，具有恒定半径的或具有不同半径的切削腹板布置在螺纹元件上。还优选地将具有恒定半径的或具有不同半径的抑制腹板布置在螺纹元件上。

本发明还包括连接组件，其具有至少一个由塑料制成的支承部件和上述被旋入至支承部件的接收开口的由塑料制成的螺纹元件。

本发明还包括从至少一个由塑料制成的支承部件和由塑料制成的螺纹元件(优选地根据上述实施例的螺纹元件)中制造连接组件的方法，其中螺纹元件包括外部螺纹，且支承部件包括接收开口。该方法包括以下步骤：将螺纹元件轴向地旋入至接收开口；由此通过外部螺纹的多个切削腹板在接收开口的内壁部中形成反螺纹；和通过多个抑制腹板的接合在所形成的反螺纹中形成压配，所述抑制腹板具有比切削腹板更小的径向延伸量并且通过多个排屑槽相对于切削腹板分开布置。该方法优选地还包括通过容屑槽移除磨屑，其中材料的磨屑产生于形成螺纹期间。

本发明还包括由塑料制成的螺纹元件的制造方法，其包括以下步骤：提供被成形为与螺纹元件互补的注塑模具，其中该螺纹元件包括中心轴以及外部螺纹的螺纹圈，该外部螺纹的螺纹圈环绕中心轴延伸为若干绕圈，且其中多个相邻的绕圈至少在轴向件的部分区域上被至少两个平行于中心轴延伸的容屑槽中断，因此每个中断的绕圈包括至少一个切削腹板和一个抑制腹板，其中切削腹板的径向延伸量大于抑制腹板的径向延伸量，且轴向件的垂直于外部螺纹的中心轴的芯部厚度至少在轴向件的位于纵向槽之外的部分区域中是恒定的，注塑成型该螺纹元件，并将该螺纹元件从注塑模具中脱模。对于注塑模具的更详细的几何设计，参考螺纹元件的上述说明，因为注塑模具优选地成形为与上述螺纹元件的几何特征互补。

附图说明

进一步地结合详细的附图对本发明进行描述。附图给出：

图1a-b为本发明的塑料螺钉的优选实施例(a)和具有通孔的螺套或中空螺钉的优选实施例(b)；

图2为图1a的螺钉的侧视图；

图3为图2中沿线3-3的剖视图；

图4为根据图2的本发明螺钉的优选实施例的沿线4-4的轴向剖视图；

图5为根据图2的优选塑料螺钉的仰视图；

图6为图5沿线6-6的轴向剖视图；

图7为具有优选扭矩特性的扭矩图，用于旋入螺纹成形塑料螺钉或螺纹成形螺纹元件；

图8为本发明的连接方法的优选实施例的流程图，和

图9为本发明的螺纹元件的制造方法的优选实施例的流程图。

具体实施方式

本发明的由塑料制成的螺钉1形式的螺纹元件的优选实施例在图1a中示出。优选地，该螺纹元件也可以实现为由塑料制成的螺套或螺纹嵌件2，如图1b所示。

根据本发明，塑料螺钉1或塑料螺套2的外部螺纹5优选地被构造成使得当穿入支承部件的接收开口时，其以最佳的方式在接收开口的内壁部形成反螺纹。可以通过切削过程或通过材料变形或通过上述两个过程的组合来形成该反螺纹。

在图1中示例性示出的本发明优选的螺钉1包括螺钉杆3、螺钉头7、过渡区8、驱动构件和末端9，其中螺钉杆3包括实芯部和具有单头螺纹圈6的外部螺纹5，过渡区8位于螺钉杆3和螺钉头7之间，驱动构件位于螺钉头7处，末端9位于螺钉1的芯部或螺钉杆3的与螺钉头7相对的端部。下面，将基于螺钉1描述螺纹元件(例如由塑料制成的螺钉1或由塑料制成的螺套2)的外部螺纹5。该描述也适用于螺纹嵌件2的外部螺纹。

外部螺纹5在实心螺纹杆3的轴向件10上形成，或在中空柱形的螺纹嵌件2的径向外侧及布置于中空柱形的螺纹嵌件2的径向外侧的轴向件10上形成。其平行于螺纹元件的中心轴m延伸。螺纹圈6延伸为绕着中心轴m的多个绕圈20。一绕圈20指的是以角度360°围绕中心轴m的卷绕。至少两个容屑槽50沿轴向件10平行于中心轴线m延伸，其中，根据本发明的第一优选实施例，轴向件10具有圆形横截面。根据本发明的不同优选实施例，提供有多个容屑槽50，特别地两个或四个或六个或八个容屑槽。

容屑槽50穿过螺纹圈6的各个绕圈20。优选地，容屑槽50的径向深度直达轴向件10的芯部厚度dk或更深。因此，绕圈20在容屑槽50的区域中完全缺失。另外，容屑槽50优选地包括在螺纹元件周向上的宽度bsn，其范围为0.5mm≤bsn≤5mm，对于优选的双刃螺纹优选地为bsn＝1.3mm，和对于优选的四刃螺纹优选地为bsn≤3mm。这确保了足够大的空间来接收由切削腹板30和/或抑制腹板40(见下文)所磨损的材料。

芯部厚度dk表示螺钉杆或螺纹嵌件2的螺纹底部处的厚度。这通常指的是外部螺纹5的芯部直径，假定它根据上述第一优选实施例被布置在具有圆形横截面的杆部3或螺纹嵌件2上。在本发明的情况中，还优选地将螺钉1的杆部或螺纹嵌件2的外侧形成为在横截面上具有凸形侧边区域的等宽弧形，并且被定义为鲁洛多边形。在下文中更详细描述的切削腹板30和抑制腹板40的构造可以在该基本结构上实现，其横截面的厚度与呈现圆形横截面的轴向件10相同。

容屑槽50把轴向件10中的多个绕圈20再分为多个轴向隔开的、分段地周向布置的且轴向上连贯的切削腹板30，以及分为多个轴向隔开的且轴向上连贯的抑制腹板40(参见图2)。由于在图2至4所示的优选实施例中提供有四个容屑槽50，外部螺纹5优选地包括两倍数量的成对地彼此相对的多个切削腹板30和止动腹板40。另外优选的是将容屑槽50分布到任何圆周上，使得切削腹板30和抑制腹板40的布置不对称。

从图3的径向剖视图中可以看到，在同一绕圈20中，切削腹板30的径向延伸量要大于抑制腹板40的径向延伸量。优选地，切削腹板30在径向上延伸量超过抑制腹板40的径向延伸量0.1至1.0mm的范围。根据本发明的优选实施例，切削腹板在径向上每侧超出抑制腹板0.35mm。优选地，切削腹板的突出长度也随着螺纹元件的直径的增加而增加。

根据本发明的另一优选实施例，当沿着旋入方向re看(参见图5)，切削腹板30提供有起始点32和终止点34。为了强化螺纹元件通过切削腹板30的旋入期间的切削效果和旋出期间的抑制效果，切削腹板30在起始点32处的径向延伸量要大于在终止点34处的径向延伸量。这样的配置也优选地适用于抑制腹板40。

关于图4和图6的轴向剖面图中的切削腹板30的端面32以及图6的轴向剖面中的抑制腹板40的端面42，可以看出，作为本发明的优选实施例，切削腹板30的径向外侧形成有锋利的边缘。为此，切削腹板30在外侧上径向地逐渐减小至末端(未示出)。根据另一实施例，切削腹板30在径向上的外侧是平的，如图4和图6所示。切削腹板30的径向外侧的这种锋利边缘的形状支持了切削腹板30在支承部件的塑料中产生反螺纹时的切削效果。另外优选地，当在轴向剖面视图中看时，将切削腹板30和抑制腹板40在径向外侧处形成为圆形的。优选地，抑制腹板40为具有半径为r40＝0.25mm的圆形。该半径优选地在0.05mm≤r40≤0.4mm的范围内。切削腹板30优选地具有相同的半径或沿平行于中心轴m延伸为平的或无限的半径。

在轴向截面中，切削腹板30和抑制腹板40的侧腹优选地具有范围为30°≤∝≤40°的角度，优选地∝＝35°(参见图6)。也优选地形成为切削腹板30具有与抑制腹板40相比更大的侧腹角度a。这支持并增强了所形成的反螺纹和抑制腹板40的侧腹之间的机械压力，使得强化了螺纹元件的旋转抑制效果。

基于上述的切削腹板30和抑制腹板40的几何形状，显然切削腹板30作为切削刃沿着旋入方向re作用在支承部件的塑料中。若将螺纹元件沿着旋出方向ra转动，切削腹板30由于其径向延伸量和优选锋利边缘的几何形状而具有旋转运动抑制效果。抑制腹板40优选地在支承部件的反螺纹的预制凹槽绕圈中具有弹性按压效果。由此，它们对于螺纹元件在旋入方向re和旋出方向ra上的旋转都产生了抑制效果。

在整个长度上或在外部螺纹5的一部分长度上将轴向件10再分为这样的腹板30、40有许多原因。由于本发明的优选的外部螺纹5的构造，在一个切削腹板30之后总是布置有抑制腹板40，然后在抑制腹板40之后再布置切削腹板30，以此类推。这种交替的布置优选地使得以与外部螺纹5在支承部件中通过压配的可靠支撑相同的方式形成反螺纹。通过特定地布置切削腹板30和抑制腹板40的数量和位置，在外部螺纹5上的力接合点在螺纹元件旋入和旋出支承部件期间特别分布。由于这些力接合点确定了作用于螺纹元件的扭矩的大小和轴向分布，可以特别地借由切削腹板30和抑制腹板40调整螺纹元件的机械载荷。此外，优选地使具有切削腹板30和抑制腹板40的轴向件10在其长度上改变，以将其分成不同长度的区段和/或在相对于外部螺纹5的长度在不同的轴向位置处布置仅一个或多个轴向件10。由此，螺纹元件适用于支承部件的塑料及其材料特性，和/或适用于在支承部件中用于螺纹元件的接收开口，和/或适用于待与仅一个螺纹元件连接的多个支承部件。

螺纹元件由高性能的具有优选的高耐热性、高硬度和高强度的且低吸水性的塑料制成。至于这些特性的程度，必须存在与支承部件的塑料的最大可能差异，以在螺纹轮廓中和在切削几何形状中实现期望的形状稳定性，以便在支承部件中形成反螺纹的可切割性或可成形性。用于螺纹元件的优选的高性能塑料为聚邻苯二甲酰胺gf(ppagf)；基于聚邻苯二甲酰胺gf的共聚酰胺；聚醚酰亚胺gf(peigf)；聚醚醚酮gf(peekgf)和聚苯硫醚(pps)。也可以考虑以下材料：聚酰胺-高玻璃填充；聚邻苯二甲酰胺-碳纤维增强；聚邻苯二甲酰胺-碳纤维增强和玻璃纤维增强；基于聚邻苯二甲酰胺的共聚酰胺-碳纤维增强；基于聚邻苯二甲酰胺的共聚酰胺-碳纤维增强和玻璃纤维增强；热固性塑料。应当理解，这些仅仅只是螺纹元件的材料的优选实施例，因此也可以使用其它的温度高性能塑料。

为了产生具有至少一个由塑料制成的支承部件和上述由塑料制成的螺纹元件的连接组件，需要以下步骤：在步骤s1中，将螺纹元件轴向地旋入至接收开口；由此在步骤s2中，通过外部螺纹的多个切削腹板30在接收开口的内壁部中形成反螺纹；在步骤s3中，通过容屑槽移除在形成螺纹期间产生的磨屑；和在步骤s4中，通过多个抑制腹板的接合在所形成的反螺纹中形成压配，所述抑制腹板具有比切削腹板更小的径向延伸量并且通过多个排屑槽相对于切削腹板分开布置。

对于图7，其示出了扭矩曲线k1至k3，表征螺纹元件(在本实施例中为螺钉)旋入至支承部件中。曲线k1描述了在金属-金属连接中对应于具有公制螺纹的螺纹元件的旋转角度的扭矩。由于在旋入过程中的低摩擦，该曲线相对平缓。在曲线k1的上升-跳跃区域，螺纹元件的头部抵靠在支承部件上(头部抵靠)。由于金属的稳定性，头部接触和在曲线k1的最大值中螺纹元件的断裂扭矩之间的区域相对较大。曲线k2描述了根据de102004

021484a1的由塑料制成的具有自成形螺纹的螺纹元件的旋入。由于与曲线k1的金属-金属连接的公制螺纹相比在头部抵靠区域中增大的扭矩以及更低的破裂扭矩，现有技术的自成形螺纹展现出有限的实用性。曲线k3描述了本发明优选实施例的特性。由于自成形螺纹的形式，减小了头部抵靠的扭矩。同时，增大了螺钉的拧紧扭矩的范围(即头部抵靠和破裂扭矩之间的范围)因此，可以以与现有技术相比较低的失效概率来拧紧螺纹元件。

本发明优选的是，通过注塑成型来制造螺纹元件。为此，提供以下步骤：在第一步骤(h1)中，提供注塑模具，其被成形为与螺纹元件互补。螺纹元件包括上述优选实施例之一的形式，这确定了注塑模具的相应设计。在随后的步骤中，螺纹元件被注塑成型(步骤h2)且从注塑模具中脱模(步骤h3)。

附图标记

1螺钉

1'螺套或中空螺钉

2通孔

5外部螺纹

6螺纹圈

7头部

8过渡区

9末端

10轴向件

20绕圈

30切削腹板

40抑制腹板

50容屑槽

dk芯部厚度

re旋入方向

ra旋出方向

m中心轴

∝侧腹角度