Self-clinching fastener

Abstract

A self-clinching fastener for attachment to a deformable metal panel. The self-clinching fastener comprising a body portion with a central axis, a punch portion extending from the body portion and coaxial with the central axis. The body portion forming a generally annular-shaped fastener face adjacent the punch portion, the punch portion having an inclined wall extending from the fastener face and forming a groove. A plurality of spaced apart protrusions protruding from the fastener face and encircling the punch portion, and a plurality of spaced apart recess portions in the fastener face encircling the punch portion. The plurality of the protrusions and the recess portions forming abutments to improve torsional resistance of the fastener.

Description

SELF-CLINCHING FASTENERFIELD

[0001] A self-clinching fastener.BACKGROUND

[0002] A self-clinching fastener is a type of fastener (e.g., nut) that is installed into a substrate such as sheet metal. The installation may include pressing the self-clinching fastener into the substrate either directly if the self-clinching fastener is self-piercing, or into a pre-punched or pre-drilled hole in the substrate. The self-clinching fastener generally includes geometrical features such as protrusions on the fastener face that cause portions of the substrate to deform and flow into regions (e.g., regions between the protrusions) of the self-clinching fastener. The result is that the substrate binds with the geometrical features of the self-clinching fastener thereby producing a mechanical bond that holds the self-clinching fastener in place. Self-clinching fasteners may include female threads or the like that accept a screw or bolt for mounting objects to the sheet metal substrate.

[0003] Conventional self-clinching fasteners, however, suffer from various flaws including but not limited to low push-out force thresholds, low torque-out force thresholds and sometimes requirements to pre-punch or pre-drill holes in the metal substrate to facilitate fastener installation. These flaws lead to increased assembly cost and fastener failure.SUMMARY

[0004] In one aspect, the present disclosure relates to a self-clinching fastener for attachment to a deformable metal panel, the self-clinching fastener comprising a body portion with a central axis, a punch portion extending from the body portion and coaxial with the central axis, the body portion forming a generally annular-shaped fastener face adjacent the punch portion, the punch portion having an inclined wall extending from the fastener face and forming an groove, aplurality of spaced apart protrusions protruding from the fastener face and encircling the punch portion; and a plurality of spaced apart recess portions in the fastener face encircling the punch portion, the plurality of the protrusions and the recess portions forming abutments to improve torsional resistance of the fastener.

[0005] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein fastener face comprises 4-12 of the plurality of protrusions and 4-12 of the plurality of recess portions.

[0006] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the plurality of protrusions and the plurality of recess portions are alternately encircling the punch portion along the fastener face.

[0007] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the plurality of protrusions are y-shaped structures on the fastener face.

[0008] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein each of the plurality of protrusions have a plurality of arms extending from a central portion of the protrusions, the plurality of arms forming a plurality of wedges, at least one of the plurality of wedges having a surface declining towards the fastener face.

[0009] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the plurality of arms comprise a first arm extending from the central portion of the protrusions along the fastener face towards the inclined wall of the punch portion, the first arm having a first surface declining towards the fastener face.

[0010] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the plurality of arms comprise a second arm and a third arm extending from the central portion of the protrusions along the fastener face towards an outer perimeter of the fastener face, the second arm having a second surface declining away from the central portion of the protrusions, the third arm having a third surface declining away from the central portion of the protrusions, and the second arm and the third arm forming a common surface in between the second arm and the third arm declining away from the central portion of the protrusions.

[0011] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the plurality of recess portions comprise a gradually declining surface from the fastener face to a flat bottom surface of the recess portions.

[0012] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the plurality of recess portions extend towards and meet the inclined wall of the punch portion.

[0013] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the plurality of recess portions have a recess volume corresponding to a protrusion volume of the plurality of protrusions.

[0014] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the inclined wall of the punch portion defines a first diameter of the punch portion at the fastener face and a second diameter at an opening of the punch portion.

[0015] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the inclined wall of the punch portion comprises a curved transition to meet the fastener face.

[0016] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the inclined wall of the punch portion is a swallow tail’s structure.

[0017] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the inclined wall of the punch portion comprises a flat portion forming an edge at an end portion of the punch portion.

[0018] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein the inclined wall of the punch portion comprises a self-piercing edge for piercing the deformable metal panel.

[0019] In embodiments of this aspect, the disclosed self-clinching fastener according to any one of the above example embodiments, wherein an internal surface of the punch portion comprises female threads for mating with a bolt.

[0020] In one aspect, the present disclosure relates to a method of attaching a self-clinching fastener to a deformable metal panel. The method comprising steps of coaxially positioning the fastener and a die member on opposite sides of the metal panel at a position in which the fastener is to be secured to the metal panel, the fastener comprising a body portion with a central axis, apunch portion extending from the body portion and coaxial with the central axis, the body portion forming a generally annular-shaped fastener face adjacent the punch portion, the punch  portion having an inclined wall extending from the fastener face and forming an groove, aplurality of spaced apart protrusions protruding from the fastener face and encircling the punch portion, a plurality of spaced apart recess portions in the fastener face encircling the punch, the plurality of the protrusions and the recess portions forming abutments to improve torsional resistance of the fastener; and relatively moving the die member and the fastener toward one another in an axial direction to deform a portion of the panel into the groove of the fastener to improve a torsional resistance of the fastener until a secure mechanical interlock is formed between the fastener and the panel.

[0021] In embodiments of this aspect, the disclosed method of attaching a self-clinching fastener to any one of the above example embodiments, comprising relatively moving the die member and the fastener toward one another in a direction along the central axis to force the plurality of protrusions to press the deformed portion of the panel into the groove and press the deformed portion of the panel into the plurality of recess portions.

[0022] In embodiments of this aspect, the disclosed method of attaching a self-clinching fastener to any one of the above example embodiments, comprising relatively moving the die member and the fastener toward one another in in a direction along the central axis to force the plurality of protrusions to press the deformed portion of the panel into at least three distinct directions away from a center portion of the plurality of protrusions.

[0023] In embodiments of this aspect, the disclosed method of attaching a self-clinching fastener to any one of the above example embodiments, comprising relatively moving the die member and the fastener toward one another in in a direction along the central axis to force an edge of the punch portion to pierce the deformable metal panel.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0024] So that the way the above-recited features of the present disclosure can be understood in detail, a more particular description of the disclosure, briefly summarized above, may be made by reference to example embodiments, some of which are illustrated in the appended drawings. It is to be noted, however, that the appended drawings illustrate only example embodiments of this disclosure and are therefore not to be considered limiting of its scope, for the disclosure may admit to other equally effective example embodiments.

[0025] FIG. 1A shows a perspective view of the self-clinching fastener, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0026] FIG. 1B shows a front view of the self-clinching fastener, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0027] FIG. 1C shows a side view of the self-clinching fastener, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0028] FIG. 2A shows a cross-sectional view of an installation tool and the self-clinching fastener, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0029] FIG. 2B shows a side view of an installation tool and the self-clinching fastener, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0030] FIG. 2C shows a perspective view of an imprint in sheet metal caused by installation of the self-clinching fastener, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0031] FIG. 2D shows an analysis view of an imprint in sheet metal caused by installation of the self-clinching fastener, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0032] FIG. 3A shows a front view of the self-clinching fastener in FIG. 1A, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0033] FIG. 3B shows a front view of the self-clinching fastener in FIG. 1A, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0034] FIG. 3C shows a front detail view of the self-clinching fastener in FIG. 1A, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0035] FIG. 3D shows a side view of the self-clinching fastener in FIG. 1A, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0036] FIG. 3E shows a side view of the self-clinching fastener in FIG. 1A, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0037] FIG. 3F shows a view of an installation tool and the self-clinching fastener, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0038] FIG. 4A shows a perspective view of another self-clinching fastener, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0039] FIG. 4B shows a front view of the self-clinching fastener in FIG. 4A, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0040] FIG. 4C shows another front view of the self-clinching fastener in FIG. 4A, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0041] FIG. 5 shows a flowchart describing the installation of the self-clinching fastener, according to an example embodiment of the present disclosure.

[0042] FIG. 6 shows a block diagram of a die press, according to an example embodiment of the present disclosure.DETAILED DESCRIPTION

[0043] Various example embodiments of the present disclosure will now be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the relative arrangement of the components and steps, the numerical expressions, and the numerical values set forth in these example embodiments do not limit the scope of the present disclosure unless it is specifically stated otherwise. The following description of at least one example embodiment is merely illustrative in nature and is in no way intended to limit the disclosure, its application, or its uses. Techniques, methods, and apparatus as known by one of ordinary skill in the relevant art may not be discussed in detail but are intended to be part of the specification where appropriate. In all the examples illustrated and discussed herein, any specific values should be interpreted to be illustrative and non-limiting. Thus, other example embodiments may have different values. Notice that similar reference numerals and letters refer to similar items in the following figures, and thus once an item is defined in one figure, it is possible that it need not be further discussed for the following figures. Below, the example embodiments will be described with reference to the accompanying figures.

[0044] This disclosure is directed to a solution for providing a self-clinching fastener (e.g., nut) having various features that reduce installation costs and provide increased resistance to push-out and torque-out (i.e., torsional) forces. Once such feature is a self-piercing edge that allows the self-clinching fastener to be pressed directly into the substrate (e.g., sheet metal) without  requiring pre-drilled or pre-punched holes. In other words, the self-clinching fastener may be installed in one pressing movement where a relative force is applied between the self-clinching fastener and the substrate, causing a portion of the self-clinching fastener to punch a hole directly through the substrate and causing another portion of the self-clinching fastener to deform the substrate and become permanently affixed to the substrate.

[0045] The self-clinching fastener disclosed herein generally includes three primary geometrical features for ensuring a tight bond with the target substrate. These geometrical features may include an anti-pushing punch portion, anti-rotation protrusions and anti-rotation recess portions. The anti-pushing punch portion may include a beveled neck that extends from an annular shaped fastener face at the location of a groove towards the self-piercing edge of the fastener. The anti-rotation protrusions may include sloped and raised geometrical shapes that protrude from the fastener face. The anti-rotation recess portions may include a recess in the fastener face. In one configuration, the self-clinching fastener includes a plurality of anti-rotation protrusions and anti-rotation recess portions alternately positioned as abutments around the fastener face.

[0046] During installation, the self-clinching fastener is pressed into the substrate, or vice versa. As the self-piercing edge of the fastener comes into contact with the substrate, the self-piercing edge punches a hole in the substrate. Then, as the anti-rotation protrusions come into contact with the substrate, the anti-rotation protrusions deform the substrate material and create indentations in the substrate. The mass of the substrate material deformed by the anti-rotation protrusions is forced (i.e., flows) into a groove (i.e. curved transition) formed between the fastener face and the anti-pushing neck, and into the anti-rotation recess portions on the fastener face which binds the substrate material with the fastener geometry such that the material in the groove formed between the fastener face and the anti-pushing neck resists push-out forces exerted on the fastener, while the anti-rotation protrusion portions embedded into the substrate material resist torque-out forces exerted on the fastener.

[0047] The self-clinching fasteners described in this document can be installed in various products including electric vehicles (EVs) for providing a fastening mechanism within the EV. For example, self-clinching fasteners may be installed into metal panels (sheet metal) of the EV for providing mounting points for batteries, seats and the like. Although application of the self-clinching fasteners is described in reference to installation in an EV, it is noted that the self-clinching fastener could be deployed in any platform where self-clinching fasteners are desired.

[0048] It is noted that while the figures and description in this disclosure are directed to a self-clinching nut for attachment to a sheet metal substrate, the disclosure is not limited to a nut or a sheet metal substrate. Other types of self-clinching fasteners could utilize the self-piercing and self-clinching features of the self-clinching nut. These self-clinching fasteners may include but are not limited to self-clinching studs, self-clinching bolts and the like.

[0049] FIG. 1A shows a perspective view of the self-clinching fastener 100 including body portion 114 and punch portion 108. Body portion 114 includes fastener face 116 having a plurality of protrusions 104 with various arms including respective wedges 102, and a plurality of recess portions 106. In this example, the plurality of protrusions 104 and the plurality of recess portions 106 are circumferentially formed around the circumference of fastener face 116 of the self-clinching fastener 100. Punch portion 108 extends coaxial with a central axis from fastener face 116 and includes a central opening 112 having female threads 110 and self-piercing edge 118. The self-clinching fastener is generally formed of metal (e.g., alloy) through a process that may include cutting a piece of the metal into the general shape of the nut, forging the nut into the desired shape including the self-piercing and self-clinching features described above, thread rolling the nut to form the threads for receiving and mating with a screw or bolt, heat treatment to increase strength and durability and surface finishing such as coating the nut with a protective finish. The structural and functional details of the self-piercing and self-clinching features are now described with respect to the remaining figures.

[0050] FIG. 1B shows a front view of the self-clinching fastener where the self-clinching features are shown and described in more detail. As mentioned above, fastener face 116 includes protrusions 104 and recess portions 106.

[0051] In this example, protrusions 104 (i.e., ribs) are Y-shaped including three arms 104A, 104B and 104C that radiate from a central portion 104D of the protrusion towards punch portion in one direction and towards an outer perimeter of the fastener in the other direction. Arm 104A is generally formed of a wedge surface 131 and slanted sides surfaces 133 and 137. Wedge surface 131 slants from a maximum height above fastener face 116 at top surface 132 to a minimum height above or at fastener face 116 at the location of a groove where fastener face 116 meets punch portion 108. In other words, wedge surface 131 slants down towards the groove where fastener face 116 meets punch portion 108. Arms 104B and 104C are generally formed of a flat top surface 132 and slanted side surfaces 133, 134, 135, 136 and 137 that extend from a  maximum height above fastener face 116 at top surface 132 to fastener face 116. As shown in FIG. 1B, protrusions 104 may be circumferentially and alternately formed around the circumference of fastener face 116 of the self-clinching fastener. Although eight protrusions are shown in FIG. 1B, other configurations are possible and may fall into but are not limited to a range of4-12 protrusions.

[0052] In the example, recess portions 106 are rectangular shaped and include a bottom portion 141 and side walls 142, 143 and 144. Side walls 142, 143 and 144 generally extend below fastener face 116 to meet bottom portion 141 which is generally a set height below fastener face 116. One or more of side walls 142, 143 and 144 may be straight or slanted with respect to fastener face 116. Recess portions 106 may generally extend from a predefined point on fastener face 116 towards a groove where fastener face 116 meets punch portion 108. As shown in FIG. 1B,recess portions 106 may be circumferentially formed around fastener face 116 of the self-clinching fastener in an alternate manner with respect to protrusions 104. Although eight recess portions are shown in FIG. 1B, other configurations are possible and may fall into but are not limited to a range of4-12 recess portions.

[0053] It is noted that although the protrusions 104 are shown as being Y-shaped, other shapes are possible (e.g., various combinations of wedge and flat legs) . For example, protrusions 104 may have two legs in an I-shape, four legs in an X-shape and the like, as long as the legs force the deformed metal of the substrate to flow into the groove of the punch portion and into the recess portions. It is noted that although the recess portions 106 are shown as being rectangular shaped, other shapes are possible. For example, recess portions 106 may be triangular shapes, circular shapes and the like, as long as the internal volume of recess portions 106 are adequate to receive a deformed portion of the metal substrate that flows from indentations caused by protrusions 104. This configuration is beneficial because as the metal substrate is deformed by protrusions 104, a portion of the metal flows into recessed portions 106 forming a tight mechanical bond between the substrate and the nut. This mechanical bond defines the torque-out force of the nut (i.e., how much force is required to rotate the nut out of the substrate after installation) . Without recess portions 106, the portion of the portion of the metal flows away from protrusions 104 would not have anywhere to go other than away from fastener 100 which would result in unwanted bubbles of substrate material being formed outside the diameter of the  fastener. In other words, recess portions 106 not only provide increased resistance to torque-out force, but they also allow the substrate to deform in a more uniform manner.

[0054] FIG. 1C shows a side view of the self-clinching fastener where the self-clinching and self-piercing features are shown and described in more detail. As shown, the self-clinching fastener includes a side body surface 161, side punch portion surfaces 162 and 163, and a self-piercing edge 164. Side body surface 161 may form the rounded shape of the self-clinching fastener. However, side body surface 161 is not limited to a rounded shape. Side punch portion surface 162 is a slanted surface (i.e., inclined wall) having a shape (e.g., swallow tail’s structure) that extends from fastener face 116 towards beveled surface 163. More specifically, side punch portion surface 162 is slanted such that the diameter of the punch portion is minimal at fastener face 116 and maximum at a height away from fastener face 116 (e.g., at the self-piercing edge 164) . This configuration forms an annular groove 165 at the intersection of side punch portion surface 162 and fastener face 116. Groove 165 is beneficial because as the metal substrate is deformed, a portion of the metal flows (i.e., is forced) into groove 165 forming a tight mechanical bond between the substrate and the nut. This mechanical bond in part defines the push-out force of the nut (i.e., how much force is required to push the nut out of the substrate after installation) .

[0055] It is noted that self-piercing edge 164 may be a sharpened edge that allows the nut to easily cut through the metal substrate during installation. In other words, self-piercing edge 164 aids in the installation process by punching a hole in the substrate when a relative force is applied between the nut and the substrate. This eliminates the need for pre-punched or pre-drilled holes in the metal substrate and allows the nut (s) to be installed in a single pressing action which is described in more detail below.

[0056] FIG. 2A shows a cross-sectional view of the self-clinching fastener inserted in an installation tool 200. In this example, installation tool 200 is a die press that includes upper die member 201 having a hollow core 202 and lower die member 205 including a depression 206 for receiving self-clinching nut 100. Prior to pressing, self-clinching nut 100 is seated in depression 206 of lower die member 205, and the metal substrate 203 is positioned above self-clinching nut 100. In this configuration, self-piercing edge 164 of self-clinching nut 100 is facing substrate 203. During pressing, a force is applied to at least one of upper die member 201 and / or lower die  member 205 forcing the dies towards one another. As self-clinching nut 100 meets substrate 203, self-piercing edge 164 punches a slug out of the substrate to form hole 204 in substrate 203. The slug is received by hollow core 202. As substrate 203 then comes into contact with protrusions 104 on the fastener face of self-clinching nut 100, protrusions 104 deform substrate 203 causing portions of the substrate material to flow away from protrusions 104 and into recess portions 106 and groove 165 thereby creating a tight mechanical bond between self-clinching nut 100 and substrate 203. When the dies are retracted, substrate 203 with self-clinching nut 100 installed therein may be removed from the die as installation of the nut is complete.

[0057] More specifically, during die pressing, as substrate 203 comes into contact with protrusions 104 on the fastener face of self-clinching nut 100, top surface 132 of protrusions 104 deforms substrate 203 causing portions of the substrate material to flow away from the side surfaces 133, 134, 135 and 137 of the protrusions towards recess portions 106. This excess material flows into the vacancy defined by recess portions 106 because the geometry of the protrusions are designed (e.g., angled, etc. ) to direct the excess material towards the recess portions 106. In addition, as substrate 203 comes into contact with protrusions 104 on the fastener face of self-clinching nut 100, wedge surface 131 of protrusions 104 deforms substrate 203 causing portions of the substrate material to flow away from wedge surface 131. Since wedge surface 131 slopes towards the annular groove 165, the excess material flows into the groove due to force produced by the wedge. Wedge surface 131 effectively pushes and squeezes a portion of the substrate into the groove.

[0058] It is noted that the force of the die is sufficient to cause protrusions 104 to deform substrate 203. However, an additional flange 207 on the upper die member 201 may also be included to increase the force applied by the protrusions thereby increasing flow of the substrate material. In one example, flange 207 is a protruding annular portion of the die that aligns with recess portions 106. A benefit of flange 207 is that added pressure is placed on a specific portion of the substrate above recess portions 106 thereby ensuring the substrate material is forcefully squeezed into recess portions 106 and groove 165 thereby improving the anti-rotation performance and mechanical bond.

[0059] FIG. 2B shows a side view of an installation tool 220 and the self-clinching fastener as the substrate is being deformed due to action of the die press. As shown, self-clinching nut 100 begins to press against substrate 203 which begins to deform due to force applied on one side of  the substrate by protrusions 104, and force applied on the opposite side of the substrate by upper die member 201. Portions of substrate 203 begin to flow into recess portions 106 (not shown) and into groove 165 between surfaces 222 and 224. FIG. 2B shows that groove 165 begins to fill with the substrate material 203, and after the pressing is complete, most if not all the vacant space in groove 165 is filled with substrate material 203. Since groove 165 is located on the smaller diameter of punch portion 108, the material located in groove 165 resists push-out movement of self-clinching nut 100 along the push-out axis shown (i.e., resists the nut from popping out of the substrate) . In addition, most if not all the vacant space in recess portions 106 are filled with substrate material 203, and protrusions are embedded into substrate material 203. Since substrate material flows alternately in and out of the recessed portions 106 and over protrusions 104 the material resists torque-out movement of self-clinching nut 100 along the torque-out axis shown (i.e., resists the nut from spinning out of the substrate) .

[0060] FIG. 2C shows a perspective view of an imprint 240 in substrate metal caused by installation of the self-clinching fastener. As shown, the substrate metal 241 includes impressions of protrusions 104, recess portions 106 and groove 165. Specifically, impressions 242 are raised (i.e. embossed) features corresponding to the geometry of recessed portions 106, while impressions 243 are depressed (i.e. debossed) features corresponding to the geometry of protrusions 104. In addition, impression 244 takes the form of annular groove 165. These impressions are beneficial to resisting forces from dislodging self-clinching fastener 100 from the substrate. Specifically, impressions / depressions 242 and 243 press against the side surfaces (side walls) of recess portions 106 and protrusions 104 to resist torque-out forces in the torque-out axis shown, while impression 244 presses against the surfaces of groove 165 to resist push-out forces in the push-out axis shown. The result is a self-clinching fastener 100 that is installed into a metal substrate in a manner that creates a strong mechanical bond that is resistant to common forces (e.g., push / pull, and rotational forces) exerted on self-clinching fasteners. FIG. 2D shows a closeup analysis view 260 of an imprint in sheet metal caused by installation of the self-clinching fastener as shown in FIG. 2C. More specifically, FIG. 2D shows the opposite side (e.g., underside) of the substrate as shown in FIG. 2C where impressions 242 are depressed (i.e., debossed) features corresponding to the geometry of recessed portions 106, while impressions 243 are raised (i.e., embossed) features corresponding to the geometry of protrusions 104.

[0061] FIGS. 3A-3F are now described. These figures are mechanical drawings showing dimensions of self-clinching fastener 100 from various perspective views. Dimensions are identified but are not limited to any specific range. In other words, the values of each dimension and relative sizes of dimensions may be chosen by the designer based on a specific use case.

[0062] FIG. 3A shows a front view 300 of the self-clinching fastener. Self-clinching fastener 100 may include various features and dimensions including but not limited to an outer diameter 301, radial spacing 302 between adjacent protrusion 104, radial spacing 303 between adjacent recess portions 106 and radial spacing 304 between adjacent protrusion 104 and recess portions 106. In the example shown, self-clinching fastener 100 includes 8 equally spaced protrusions 104 and 8 equally spaced recess portions 106, although it should be noted that the number of protrusions 104, recess portions 106, spacing and dimensions are up to the designer based on needs of the use case.

[0063] FIG. 3B shows another front view 320 of the self-clinching fastener. Self-clinching fastener 100 may include various features and dimensions including but not limited to protrusion outer width 321, protrusion spread angle 322, protrusion center axis 323, protrusion arm sweep angle 324, protrusion inner width 325, fastener center axis 326, recess portion inner dimension 327, recess portion outer dimension 328, recess portion vertical end 329, recess portion vertical top 330, recess portion end 331 and recess portion top 332.

[0064] FIG. 3C shows a front detail view 340 of the self-clinching fastener. Self-clinching fastener 100 may include various features and dimensions including but not limited to protrusion arm length 342 measured from protrusion arm line 341, protrusion arm separation 343 and protrusion arm sweep angle 344.

[0065] FIG. 3D shows a side view 350 of the self-clinching fastener. Self-clinching fastener 100 may include various dimensions including but not limited to groove diameter 351, punch portion height 352, round of protrusion 355 and recess portion depth 353 as measured from the fastener face of the nut and protrusion height 354 as measured from the back-side of the nut..

[0066] FIG. 3E shows a side view 360 of the self-clinching fastener. Self-clinching fastener 100 may include various dimensions including but not limited to punch portion diameter 361, groove sweep angles 362 and 363 of groove 364, thread size 365, punch portion bevel height 366 and protrusion height 367.

[0067] FIG. 3F shows a view 370 of an installation tool and the self-clinching fastener. The installation tool may include various dimensions including but not limited to outer flange diameter 371, inner flange diameter 372 and flange height 374 of upper die member 376, vacancy width 373 and vacancy height 375 of lower die member 377.

[0068] FIGS. 3A-3E are mechanical drawings showing dimensions of self-clinching fastener 100 from various perspective views. It is noted, however, that other fastener configurations (e.g., different body shapes / sizes, different numbers / shapes / spacing of protrusions and recess portions, etc. ) are possible. For example, FIGS. 4A and 4B are mechanical drawings showing dimensions of another self-clinching fastener 400 from various perspective views. Dimensions are identified but are not limited to any specific range. In other words, the values of each dimension and relative sizes of dimensions may be chosen by the designer based on a specific use case.

[0069] FIG. 4A shows a perspective view of the self-clinching fastener 400 including body portion 414 and punch portion 408. Body portion 414 includes fastener face 416 having a plurality of protrusions 404 with various arms including respective wedges 402, and a plurality of recess portions 406. Body portion 414 may be similar to the body shown in FIGS. 3A-3E or may be different. For example, the body portion 414 may have a hexagonal shape as shown. Protrusions 404 may be similar to the protrusions shown in FIGS. 3A-3E, or may be different. For example, the arms of the protrusions may have a curved or slanted surface on the outer perimeter edge as shown. Likewise, recess portions 406 may be similar to the recess portions shown in FIGS. 3A-3E, or may be different. For example, the shapes of recess portions 406 may have a more curved shape and curved walls as shown. In either case, the plurality of protrusions 404 and the plurality of recess portions 406 are circumferentially formed around the circumference of fastener face 416 of the self-clinching fastener 400. Punch portion 408 extends coaxial with a central axis from fastener face 416 and includes a central opening 412 having female threads 410 and self-piercing edge 418. The self-clinching fastener is generally formed of metal (e.g., alloy) through a process that may include cutting a piece of the metal into the general shape of the nut, forging the nut into the desired shape including the self-piercing and self-clinching features described above, thread rolling the nut to form the threads for receiving and mating with a screw or bolt, heat treatment to increase strength and durability and surface finishing such as coating the nut with a protective finish. The structural and functional details of  the self-piercing and self-clinching features are now described with respect to the remaining figures.

[0070] FIG. 4B shows a front view 420 of the self-clinching fastener. Self-clinching fastener 400 may include various dimensions including but not limited to an outer diameter 421, radial spacing 423 between adjacent protrusions, outer perimeter 425, radial spacing 422 between adjacent recess portions and radial spacing 424 between adjacent protrusions and recess portions. In the example shown, self-clinching fastener 400 includes 6 equally spaced protrusions and 6 equally spaced recess portions, although it should be noted that the number of protrusions, recess portions and spacing is up to the designer based on needs of the use case.

[0071] FIG. 4C shows another front view 440 of the self-clinching fastener 400. Self-clinching fastener 400 may include various dimensions including but not limited to protrusion outer width 441, protrusion spread angle 442, protrusion center axis 443, protrusion arm sweep angle 444, protrusion inner width 445, fastener center axis 446, recess portion inner dimension 447, recess portion outer dimension 448, recess portion vertical end 449, recess portion vertical top 450, recess portion top 451 and recess portion end 452.

[0072] FIGS. 3A-3F and 4A-4C show various features and dimensions for the self-clinching fastener 100 and the installation tool. It is noted that the size of the fastener, the number of features (e.g., protrusions, recessed portions, etc. ) , their shapes, their spacing and their dimensions are up to the designer based on needs of the use case. For example, self-clinching fasteners may be produced as metric or standard fastener (e.g., nuts) sizes. Some metric fastener sizes useful in automotive applications may include but are not limited to M5-M12 nuts, while their standard equivalent fastener sizes may be 3 / 16” -1 / 2” nuts. Likewise, the number of features (e.g., protrusions, recessed portions, etc. ) , their shapes, their spacing and their dimensions may be based on the overall size of the fastener and / or the desired torque-out and push-out forces. For example, an M5 fastener may have the same number and spacing of protrusions and recessed portions as an M12 fastener, but the protrusions and recessed portions of the M12 fastener may be larger than the protrusions and recessed portions of the M5 fastener. In another example, the M12 fastener may also be designed with a larger number of protrusions and recessed portions to resist larger torque-out and push-out forces. In other words, the number of features (e.g., protrusions, recessed portions, etc. ) , their shapes, their spacing and their dimensions may be designed based on various factors including but not limited to the size of the  fastener, the desired torque-out and push-out forces, the fastener material, the substrate material and other use case factors.

[0073] As described above, an installation tool such as a die press is used to install one or more self-clinching fasteners into a substrate such as sheet metal. FIG. 5 shows a flowchart 500 describing an example installation of the self-clinching fastener. In general, a die press may be constructed that includes one or more die presses each of which are configured to install a respective self-clinching nut in the substrate. An example die press is shown in the block diagram 600 of FIG. 6 to include upper die bolster 606 including one or more upper die members 606A and 606B, lower die bolster including one or more self-clinching nuts 608A and 608B seated within vacancies in the lower die bolster, and actuator 604 (e.g., pneumatic actuator) controlled by controller 602 (e.g. processor, memory, software, input / output terminals, etc. ) to move upper die bolster 606 and / or lower die bolster 608 towards one another such that substrate 610 is squeezed between one or more upper die members 606A and 606 and one or more self-clinching nuts 608A and 608B which are axially aligned with one another. Various sensors (not shown) may also be included and monitored by the controller to determine pressure and positioning of the die members with respect to one another.

[0074] For example, during assembly, a substrate 610 of choice (e.g., sheet metal) is placed into the die press machine in step 501. The substrate 610 may be placed into the die press machine by a human technician, a robot or a combination of both. In step 502, the substrate 610 is positioned between self-clinching nuts 608A and 608B and upper die members 606A and 606B such that the self-clinching nuts are oriented on one side of the substrate 610 and the upper die members 606A and 606B with flanges are on the opposite side of the substrate 610. More specifically, the substrate 610 is positioned such that the self-clinching nuts are located at the desired installation locations on the substrate 610. The nut locations may be predetermined in the press machine based on a design of the final product. For example, the nuts and dies may be located at locations set by a specific floor design of an EV. It is noted that the dies may be positioned at static locations or may be movable by a robotic arm. In either case, in step 503, controller 602 controls the actuator 604 to move the nuts and upper die members towards one another to force the self-piercing edge of the nut to punch a hole in the substrate 610 and force the protrusions to deform the sheet metal such that portions of the sheet metal are displaced and flow into both the groove and the recess portions. As previously mentioned, the upper die  members 606A and 606B may include respective flanges that increases pressure around the groove locations of the nuts to force more substrate material into the grooves. After the upper die members reach a stopping point and the nut is fully embedded into the substrate 610, controller 602 controls the actuator 604 to retract the upper die members in step 504 such that the substrate 610 may be removed in step 505. The final product is a metal panel including one or more embedded self-clinching nuts at desired locations. The metal panel may then proceed to the next stage of assembly such as integration into the EV.

[0075] While the self-clinching fastener has been described in the context of a self-clinching nut having female threads for use in EVs, it is noted that the self-clinching fastener may take other forms and be used in other applications. For example, the self-clinching fastener may include male threads and act as a self-clinching bolt that receives female threaded nuts. In addition, the self-clinching fastener may be used in any application where self-clinching fasteners are beneficial. These applications may include but are not limited to furniture applications, appliance applications and the like.

[0076] Benefits of the disclosed self-clinching fastener include but are not limited to reducing installation time by providing a self-clinching fastener that installs in a single pressing movement. Pre-drilled or pre-punched holes are not required. Furthermore, the self-clinching fastener has increased resistance to push-out forces and torque-out forces as compared to conventional self-clinching fasteners.

[0077] It is noted that the self-clinching fastener is generally made of material that is harder than the substrate material. This ensures that the self-clinching fastener is able to pierce the substrate with the self-piercing edge and use the protrusions to deform and force portions of the substrate to flow into the groove and recess portions. For example, if the substrate is an aluminum alloy, the self-clinching fastener may be a steel alloy. In addition, the overall design (number / size of protrusions, recess portions, groove, threads, etc. ) and dimensions of the self-clinching fastener including but not limited to nut diameter, nut height, protrusion dimensions, recess portion dimensions, punch portion height, groove dimensions, etc. may be selected based on a target substrate and performance thresholds based on push-out and torque-out forces for a particular application (e.g., mounting devices within an EV, etc. ) .

[0078] In addition, the geometry of the protrusions, recess portions and annular groove may be designed with respect to one another. In an example, the dimensions (e.g., length, height, angle, displacement volume, etc. ) of the protrusion arms may be designed to force a predetermined volume of the deformed metal to flow towards the recess portions and annular groove. Likewise, the dimensions (e.g., shape, depth, volume, etc. ) of the recess portions and annular groove may be designed to receive a predetermined volume of the deformed metal flowing from the protrusions. In other words, the protrusions, recess portions and annular groove may be designed to work in concert to ensure proper deformation and binding (i.e., interlocking) of the substrate with the geometrical features of the self-clinching nut.

[0079] While the foregoing is directed to example embodiments described herein, other and further example embodiments may be devised without departing from the basic scope thereof. It will be appreciated by those skilled in the art that the preceding examples are exemplary and not limiting. It is intended that all permutations, enhancements, equivalents, and improvements thereto are apparent to those skilled in the art upon a reading of the specification and a study of the drawings are included within the true spirit and scope of the present disclosure. It is therefore intended that the following appended claims include all such modifications, permutations, and equivalents as fall within the true spirit and scope of these teachings.

Claims

1.A self-clinching fastener for attachment to a deformable metal panel, the self-clinching fastener comprising:a body portion with a central axis;a punch portion extending from the body portion and coaxial with the central axis, the body portion forming a generally annular-shaped fastener face adjacent the punch portion, the punch portion having an inclined wall extending from the fastener face and forming an groove;a plurality of spaced apart protrusions protruding from the fastener face and encircling the punch portion; anda plurality of spaced apart recess portions in the fastener face encircling the punch portion, the plurality of the protrusions and the recess portions forming abutments to improve torsional resistance of the fastener.2.The self-clinching fastener according to claim 1, wherein fastener face comprises 4-12 of the plurality of protrusions and 4-12 of the plurality of recess portions.3.The self-clinching fastener according to claim 1, wherein the plurality of protrusions and the plurality of recess portions are alternately encircling the punch portion along the fastener face.4.The self-clinching fastener according to claim 1, wherein the plurality of protrusions are y-shaped structures on the fastener face.5.The self-clinching fastener according to claim 4, wherein each of the plurality of protrusions have a plurality of arms extending from a central portion of the protrusions, the plurality of arms forming a plurality of wedges, at least one of the plurality of wedges having a surface declining towards the fastener face.6.The self-clinching fastener according to claim 4, wherein the plurality of arms comprise a first arm extending from the central portion of the protrusions along the fastener face towards the inclined wall of the punch portion, the first arm having a first surface declining towards the fastener face.7.The self-clinching fastener according to claim 4, wherein the plurality of arms comprise a second arm and a third arm extending from the central portion of the protrusions along the fastener face towards an outer perimeter of the fastener face, the second arm having a second surface declining  away from the central portion of the protrusions, the third arm having a third surface declining away from the central portion of the protrusions, and the second arm and the third arm forming a common surface in between the second arm and the third arm declining away from the central portion of the protrusions.8.The self-clinching fastener according to claim 1, wherein the plurality of recess portions comprise a gradually declining surface from the fastener face to a flat bottom surface of the recess portions.9.The self-clinching fastener according to claim 8, wherein the plurality of recess portions extend towards and meet the inclined wall of the punch portion.10.The self-clinching fastener according to claim 8, wherein the plurality of recess portions have a recess volume corresponding to a protrusion volume of the plurality of protrusions.11.The self-clinching fastener according to claim 8, wherein the inclined wall of the punch portion defines a first diameter of the punch portion at the fastener face and a second diameter at an opening of the punch portion.12.The self-clinching fastener according to claim 8, wherein the inclined wall of the punch portion comprises a curved transition to meet the fastener face.13.The self-clinching fastener according to claim 1, wherein the inclined wall of the punch portion is a swallow tail’s structure.14.The self-clinching fastener according to claim 13, wherein the inclined wall of the punch portion comprises a flat portion forming an edge at an end portion of the punch portion.15.The self-clinching fastener according to claim 13, wherein the inclined wall of the punch portion comprises a self-piercing edge for piercing the deformable metal panel.16.The self-clinching fastener according to claim 13, wherein an internal surface of the punch portion comprises female threads for mating with a bolt.17.A method of attaching a self-clinching fastener to a deformable metal panel, said method comprising steps of:coaxially positioning the fastener and a die member on opposite sides of the metal panel at a position in which the fastener is to be secured to the metal panel, the fastener comprising:a body portion with a central axis,a punch portion extending from the body portion and coaxial with the central axis, the body portion forming a generally annular-shaped fastener face adjacent the punch portion, the punch portion having an inclined wall extending from the fastener face and forming an groove,a plurality of spaced apart protrusions protruding from the fastener face and encircling the punch portion,a plurality of spaced apart recess portions in the fastener face encircling the punch, the plurality of the protrusions and the recess portions forming abutments to improve torsional resistance of the fastener; andrelatively moving the die member and the fastener toward one another in an axial direction to deform a portion of the panel into the groove of the fastener to improve a torsional resistance of the fastener until a secure mechanical interlock is formed between the fastener and the panel.18.The method according to claim 17, comprising:relatively moving the die member and the fastener toward one another in a direction along the central axis to force the plurality of protrusions to press the deformed portion of the panel into the groove and press the deformed portion of the panel into the plurality of recess portions.19.The method according to claim 17, comprising:relatively moving the die member and the fastener toward one another in in a direction along the central axis to force the plurality of protrusions to press the deformed portion of the panel into at least three distinct directions away from a center portion of the plurality of protrusions.20.The method according to claim 17, comprising:relatively moving the die member and the fastener toward one another in in a direction along the central axis to force an edge of the punch portion to pierce the deformable metal panel.

Images