CN102003447B - 自冲孔帽元件以及由其和金属片材构成的组件 - Google Patents

Abstract

提供一种自冲孔帽元件以及由其和金属片材构成的组件。强度在700MPa至900MPa范围内的冲孔帽元件被设计成压入金属片材中。该帽元件的特征在于，帽元件自冲孔附接进入更高强度的金属片材或者进入厚度大于3.5mm的金属片材，该帽元件被设计成使得冲孔部具有在金属片材接触表面下面的外周延伸槽，冲孔部具有在其自由端面处的冲孔边，该冲孔边通过外周表面与槽的邻接冲孔部的边界间隔开，外周表面的轴向高度与金属片厚度的至少30％、优选50％相当，冲孔部的、在自由端面处的、从冲孔部的外侧至螺纹的标称直径的区域中的径向壁厚度与所预期的金属片材的厚度的1.2倍至1.8倍、优选1.5倍相当。

Description

自冲孔帽元件以及由其和金属片材构成的组件

技术领域

本发明涉及一种强度在700MPa至900MPa范围内的自冲孔帽元件，该自冲孔帽元件被设计为压入金属片材，其中该帽元件具有以下特征：形成凸缘的头部；在头部中的中心孔，该中心孔被设计成容纳栓元件且具有中心纵轴线；形成在凸缘处的位于至少大致垂直于该中心纵轴线的平面中的金属片材接触表面；以及在金属片材接触表面的一侧在纵轴线方向上离开头部延伸的冲孔部。此外，本发明涉及包括附接至金属片材的这样的帽元件的组件。

背景技术

在紧固件领域，紧固件在金属片材制造期间通过机器附接至这些金属片材，这些紧固件区分于冲压件和铆接元件。压合元件的特征在于，压合元件在附接至金属片材时至少不会有意地发生变形，而是金属片材自身发生变形且与压合元件的形状的特征接合，由此压合元件被以固定不可旋转的方式附接且压紧在金属片材上。对于铆接元件，该元件在附接至金属片材期间有意地发生变形，以主要形成铆接边，由此金属片材被捕获在铆接边与凸缘部分之间，以实现不可旋转地固定且压紧的连接。

此外，压合元件和铆接元件都已知作为自冲孔元件。术语自冲孔应理解成，相应的元件在金属片材中冲出其自身的孔，当然仅当足够的力施加在自冲孔元件上时才是如此，例如通过压力机或者机器人或者力驱动钳将自冲孔元件压靠在金属片材上，且在远离该元件的一侧将金属片材支撑在相应的冲模母模上。

在车辆结构中，迄今为止习惯与金属片材一起使用自冲孔元件，金属片材的强度小于大约300MPa。那么使用的自冲孔元件通常具有的附加的强度在700MPa至900MPa的范围内，且在特殊的情况下达到大约1250MPa，该强度完全足以在将紧固件附接至金属片材时在金属片中冲孔，特别是当金属片材的厚度小于大约3mm时。高达大约850MPa的元件强度例如用于8级的元件，而更高的强度用于10级和12级的元件，这通常需要相应元件的热处理和/或特定的材料选择。

关于所使用的紧固件，紧固件的材料在原始状态下通常具有大约380MPa的强度。然而，仅通过冷变形，该强度增大到700MPa至900MPa范围内，冷变形被用以从棒材开始通过冷变形形成紧固件。

针对一些目的，要求具有高于900MPa的强度的紧固件。由能够通过热处理而硬化的材料制造这样的紧固件，由此实现更高的强度。然而，这样的热处理在一些情况下是不被期望的。与用冷变形制造紧固件相比，热处理具有不同的工艺，且通常在制造紧固件的同一工厂中甚至都不能被执行，由此生产更高强度的热处理的元件需要耗费相当多的时间和金钱。

另一方面，更高强度的金属片材越来越多地用在车辆结构中，用于紧固件的、强度通常在700MPa至900MPa的范围以上的热处理的金属片材也被部分地、越来越多地用在车辆结构中。这样的高强度的金属片材一方面使得能够以更薄的金属片协同配合，由此能够节省重量，然而另一方面却使得非常难以与自冲孔元件协同配合。

在车辆结构中也要求具有更大厚度的更高强度的金属片材，因为在车辆中的一些位置上出现使用更厚的金属片材或者更高强度的金属片材是有利的。

此外，目前具有大于3.5mm的厚度的、强度在上述指定的300MPa的区域内的金属片材可以用于在某些位置的车辆结构。这样的应用的一个示例是卡车的底盘区域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自冲孔帽元件，强度在700MPa至900MPa的范围内的自冲孔帽元件能够以自冲孔的方式被引入具有更高强度的或者厚度大于3.5mm的金属片材中。根据本发明的这样的帽元件主要是压入元件。此外，本发明的帽元件或者本发明的组件应当能够以相对有利的成本制造。

为实现该目的，提供在本文开头部分所述类型的帽元件，其中帽元件自冲孔附接进入更高强度的金属片材或者进入厚度大于3.5mm的金属片材，帽元件被设计成使得冲孔部具有在金属片材接触表面下方沿外周延伸的槽，且其中冲孔部在其自由端面处具有冲孔边，冲孔边通过外周表面与槽的邻接冲孔部的边界间隔开，该外周表面的轴向高度与金属片厚度的至少30％、优选50％相当，其中所述冲孔部的、在所述冲孔部的自由端面处的、从所述冲孔部的外侧至螺纹的标称直径的区域中的径向壁厚度与所预期的金属片材的厚度的1.2倍至1.8倍、优选1.5倍相当。

具有自冲孔帽元件和金属片材的相应的组件的特征在于：金属片材具有被冲出的孔，该孔的形状与冲孔部的形状相当，其中，在金属片材的远离金属片材接触表面的一侧处的金属片材的材料具有邻近冲孔部且环绕冲孔部的凹部，由于形成凹部，孔缘的材料被移入槽中。

换句话说，根据本发明令人意外地发现，通过冲孔部的合适的设计，在冲孔部具有至少大致为圆柱的部分，且该圆柱的部分的轴向高度与金属片厚度的至少50％且优选更大比例相当的情况下，则当金属片具有在大于900MPa直至1600MPa以上的范围内的且优选为1500MPa的更高的强度时，或者当金属片的厚度大于3.5mm时，也能够在金属片材中冲孔。

然而，本发明不仅限于冲压出相应的冲孔，而是包括在制造出冲孔之后，金属片材必须被固定至帽元件，使得帽元件以不可旋转的固定和压紧的方式接触金属片材。

对于该目的，优选地根据本发明在金属片材接触表面下方的冲孔部处提供延伸的槽。发现即使对于更高强度或者更厚的金属片材，也完全可能借助于具有环状鼻状物的冲模母模在孔缘的区域中使金属片材料变形，使得凹部出现在冲孔部附近，且孔缘的被移动的金属片材材料然后被推入沿外周延伸的槽。因此，由于移位，最初出现相当大的孔摩擦力，该摩擦力负责不可旋转地固定。因为金属片材料被变形进入沿外周延伸的槽，且这一方面通过金属接触表面构造、另一方面通过在金属片材的远离金属片材接触表面的一侧的冲孔部的区域构造，由此产生相当大的轴向压紧抵抗力。

若期望提供不可旋转的固定的更高的可靠性，则这可以通过不同的方式和装置实现。一种方式包括提供具有粘合剂层的金属片材和/或功能元件，该粘合剂层例如是在高压下固化的粘合剂层。在将紧固件元件附接至金属片材期间，相应地出现高压，由此能够实现或者促成不可旋转的固定。

另一方式包括：使得冲孔部或者槽在平面图中是多边形的，在从多边形的一个边至下一个边的过渡处具有圆角。通过冲孔部或者槽的多边形形状确保了高度可靠的不可旋转性。

头部也可具有与冲孔部和槽的多边形形状相当的多边形形状，同样具有圆角。圆角是重要的，因为特别地，在从多边形的一边至下一边的过渡处出现的更高强度的金属片材的锐边可能导致不应被低估的形成疲劳裂纹和针对在操作中失败的帽元件的连接的相当大的危险。而且，通过头部的圆角确保了在金属片材接触表面的径向外侧处不会发生金属片材的应力增加的变形，而该变形会降低工作寿命。

为合理地利用冲孔部和槽或者头部的多边形形状，多边形形状应选自方形、矩形、五边形或者六边形。

在其中冲孔部和槽具有多边形形状的一个实施方式中，仍然可在平面图中设计头部，使得能够确保头部关于元件的纵轴线对齐，因为通过冲孔部或者槽的多边形形状，冲孔模必须具有对应的形状或者对应的冲孔开口且元件必须与冲模母模沿角方向对齐。元件的这样的对齐例如能够通过头部的远离金属片材的一侧中的圆锥形凹陷实现，相应的圆锥形凸起在坐放头的柱塞处接合进入圆锥形凹陷，且用作元件的相应定位。也可考虑将头部的外周处的一个或者两个槽或者肋作为对齐辅助物。

然而，可设计整个帽元件，使得冲孔部或者槽和头部在平面图中至少是大致圆形的。然后必须采取其他的措施，以确保不可旋转的固定。例如可以采取：设置提供不可选择的固定的鼻状物，该鼻状物可具有在冲孔部处在轴向方向上延伸的肋的形状，肋材能够被布置在圆柱部处和/或在槽中，或者该鼻状物可具有在槽内在径向上延伸的在侧视图中为大致三角形的肋的形状。这些提供不可旋转的固定的肋和提供不可旋转的固定的鼻状物导致在金属片材处附接帽元件时金属片材的相应的变形，由此确保了不可旋转的固定。

此外，根据欧洲专利申请05 013 265.3，在帽元件被固定到金属片材之前，在金属片材中提供不可旋转的固定的特征，由此同样可实现所要求的不可旋转的固定。

在这点上，应参考与现有技术有关的各种不同的文献。美国文献US-A-3,775,791公开了在平面图中为大致为正方形的且在两个相对的侧面处具有用于容纳金属片材料的槽的紧固件。所述文献的图12所示的元件用于自冲孔引入至金属片材内。然而，从所述的任何文献中不能获得这样的部件也可用于更高强度的金属片材的效果的启示。实际上，相反的情况是，因为在槽的区域中的锐边的实施例导致在金属片材中的疲劳裂纹，而这恰好是具有更高强度金属片材的问题。

WO 94/01688在图17中公开了在凸缘之间具有头部且具有被布置在头部的金属片材接触表面下方的铆接部的帽元件。所述元件不作为自冲孔元件，此外，它不具有在冲孔部上方沿外周延伸的槽。铆接部的锥形形状确实形成围绕冲孔部的槽状凹部，但该凹部仅在头部的轴向方向上延伸，进一步进入具有在头部的金属片材接触表面处径向延伸的肋的头部，肋确保了不可旋转的固定。然而，提供不可旋转的固定的这样的肋材不可与更高强度的金属片一起使用，由于头部的更软的材料，肋在将帽元件附接至金属片材时被压平。另一方面，凹部不再与在金属片材接触表面下方的冲孔部处的沿外周延伸的槽对应。

根据US-A-3,253,831的元件确实被形成作为自冲孔元件，但在此对应的槽也未被布置在金属片材接触表面下方，而是该槽被轴向置于元件的头部内。该美国专利文献的元件也不用于与更高强度的金属片材或者更厚的金属片材一起使用。

FR-A-2 598 189也涉及压入元件。然而，相应的槽在此也被布置成在元件的头部内充分偏置，在槽的径向外部的头部区域自身被压入金属片材中，由此出现金属片材的不期望的变薄。根据该法国文献的元件也不用作自冲孔元件且也不合适于与更高强度金属片材一起使用。

最后，应参考EP-B-1 690 013。该文献示出了自冲孔帽元件，该帽元件可与不同厚度的金属片一起使用。然而，该帽元件具有相对复杂的形状且不适于被用于或者被设计用于与更高强度金属片材一起使用。

附图说明

可以从从属权利要求以及从下面参考附图的示例的描述中了解本发明的帽元件和组件的优选实施方式，在附图(每个图均按比例绘制)中：

图1A至图1C分别以立体图(图1A)的形式、以图1A所示的元件的左侧轴向图(图1B)的形式以及以根据本发明的元件的轴向半部剖视的侧视图(图1C)的形式示出根据本发明的帽元件的第一实施方式；

图2A为用于将根据图1A所示的本发明的帽元件附接至金属片材的工具；

图2B为与图1C对应的视图，但是图2B所示的帽元件被固定至金属片材；

图2C为图2B所示的在本发明的帽元件与金属片材之间的形状配合连接的放大图；

图3A至图3C、图4A至图4C、图5A至图5C为与图1A至图1C对应的视图，但是图3A至图3C、图4A至图4C、图5A至图5C示出了根据本发明的不同的帽元件；

图6A为与图2A对应的视图，但是图6A示出的工具用在根据本发明的帽元件被附接至相对薄的金属片材时的情形；

图6B和图6C示出了与图2B和图2C对应的视图，但是图6B和图6C用于由相对薄的金属片材和根据本发明的元件构成的组件；

图7A为可以使用的工具变型；

图7B为使用图7A所示的工具生产的组件的平面图，其中示出剖面线C-C；

图7C为对应于图7B所示的沿剖面线C-C的剖视图；

图7D为根据图7C所示的圆圈区域的放大图；

图8A和图8B为组件的立体图，当图1A至图1C所示的帽元件被附接至相对厚的金属片材时产生该组件(实际上在图8A中从上看以及在图8B中从下看)；

图9A和图9B为与图8A和图8B对应的视图，但是图9A和图9B具有相对薄的金属片材；

图10A和图10B为与图8A和图8B对应的视图，但是图10A和图10B具有根据图1A至图1C所示的帽元件在金属片材的凹部内或者凹部上的布置；

图11A和图11B为与图2B和图2C对应的视图，但是图11A和图11B使用具有肋的帽元件，该肋在槽中以及也在槽下面的冲孔部外周表面处提供不可旋转的固定；

图12A至图12C为与图1A至图1C对应的视图，但是图12A至图12C示出了根据本发明的帽元件具有提供不可旋转的固定的肋，该肋沿着冲孔部轴向延伸并且实际上在外周表面和在槽中轴向延伸；以及

图13A至图13C为与图12A至图12C对应的视图，但是图13A至图13C示出了提供不可旋转的固定的肋的不同的布置。

具体实施方式

首先，图1A至图1C示出了根据本发明的自冲孔帽元件10的第一实施方式，自冲孔帽元件10具有的强度在700MPa至900MPa的范围内，在特殊的情况下达到1250MPa，自冲孔帽元件10被设计成压入金属片材，其中，该帽元件具有以下特征。

该帽元件包括：形成凸缘12的头部14；头部14中的中心孔16，该中心孔16用于容纳栓元件(未示出)且具有中心纵轴线18；形成在凸缘12处的位于至少大致垂直于中心纵轴线18的平面内的金属片材接触表面20；以及在金属片材接触表面的一侧在纵向轴线的方向上离开头部延伸的冲孔部22。栓元件例如可以是螺栓，由此，帽元件10在此具有螺纹柱面24，即孔16为螺纹孔。然而，栓元件也可以是轴承销形式的栓。在这种情况下，用光滑的孔取代螺纹柱面。然而，可以初始时将孔制成光滑的孔，且尺寸被确定为能够使用螺纹形成栓或者螺纹切割栓。

为了将帽元件10自冲孔附接进入更高强度的金属片材或者自冲孔附接至具有大于3.5mm的厚度的金属片材上，帽元件被设计成使得冲孔部22具有在金属片材接触表面20下面的、即在金属片材的邻近头部的一侧的沿外周延伸的槽26，且还具有在帽元件的自由端面30处的冲孔边28，其中冲孔边28通过具有与金属片的厚度的至少50％相当的轴向高度h的外周表面34与槽26的相邻边界32间隔开。与在根据本发明的所有其它实施方式一样，此处槽26的上边界位于与金属片材接触表面相同的平面中。

图1A至图1C所示的自冲孔帽元件以及本文中所公开的与本申请的教导相对应的所有其它的帽元件特别用于与强度在大于900MPa至1600MPa以上的范围中的、优选为大约1500MPa的金属片材一起使用。重要的是，在冲孔边的后面即在冲孔边28的头部侧处在所述外周表面34的区域中有足够的材料。此外，冲孔部自身即其径向厚度和轴向高度h应被设计成，使得在冲压力的作用下不会发生不期望的变形。实际上这意味着冲孔部的轴向高度h和径向厚度r应当具有如下所述的尺寸。

若元件没有在凹部内附接至金属片材，所述外周表面的轴向高度应与金属片厚度的至少30％、且优选至少50％相当，外周表面的轴向高度达到金属片厚度的100％甚至超过金属片厚度都是可行的。通常重要的是，自由端面不凸出超过金属片材的远离头部的一侧，自由端面通常相对于金属片材的所述一侧缩进大约0.02mm。通过该方式，另一部件可被直接拧至金属片材上，且实现该部件与金属片材的所期望的直接夹紧。然而，这意味着，冲孔部(即外周表面与槽一起)的轴向高度可以不大于金属片材厚度的100％，除非帽元件在凹部内被附接至金属片材。在该情况下，凹部的轴向深度的选择总能够实现如下布置：在该布置中帽元件的冲孔部的自由端面总是从凹部之外的金属片材的远离帽元件的头部的一侧的平面处缩进，且实际上独立于相应的金属片材的厚度。

在冲孔部的自由端面的区域中，冲孔部从外侧直到螺纹的标称直径(即螺纹(例如具有8mm直径和4mm半径的M8螺纹)的外径)部的径向壁厚度r在所预期的金属片材厚度的1.2倍至1.8倍的范围内，优选在1.3倍至1.7倍的范围内，特别是大约1.5倍。

若选择的径向壁厚度r太小，则存在冲孔部的不期望的变形的危险，特别是由误差导致的不利情况。相反地，若选择的径向壁厚度r太大，则帽元件不必要地变重。金属片材厚度的1.5倍的值被证明是有利的。

对于非方形或者圆形的冲孔部，尺寸r应被理解为最小的径向壁厚度，如在图1B中所示的那样，能够将尺寸r选择成小于金属片材厚度的1.5倍，例如为金属片材厚度的1.2倍。

图2A示意性地示出了用于将与根据图1A至图1C所示的帽元件相类似的元件冲入金属片材40的工具。该工具包括坐放头，该坐放头具有适于帽元件10的头部的形状的凹部44，使得冲孔部22从坐放头42的下端面46凸出。帽元件10的金属片材接触表面20位于与端面46相同的平面中。

该类坐放头是众所周知的，且通常被设计用于将帽元件从供应源自动进给到支座44中。这样的坐放头的示例尤其包含在本申请人的欧洲专利EP-755 749B2中。此外，可使用例如在GB-A-934101中所描述的坐放头。

具有中心开口52的冲模母模50位于金属片材40的下方，该冲模母模50的横截面形状与冲孔部22的形状相当，其中冲模母模的开口52被制造成略微大于冲孔部22，使得冲孔部22能够以具有小的间隙的方式适配在开口52中。例如，开口52可大致比冲孔部22大0.01mm。开口52具有与帽元件10的中心纵轴线18对齐的中心纵轴线54。

因为冲模母模的开口52用于至少在其端面的区域中容纳冲孔部22，冲模母模必须根据帽10在坐放头中的对齐而在压力机的相应工具中被对齐。

此外，应注意，开口52下方的通道56远离开口52发散，使得当帽元件10被作用在箭头F方向上的力压靠在金属片材以及压靠在冲模母模上时，产生冲孔块，由此冲孔块借助于冲孔部22与冲模母模50之间的合作从金属片材处被切掉且最终通过发散通道56被处理掉。在图2A中，所谓的保持部件(未示出)可被集成在坐放头42中。该保持部件具有在穿过金属片材40冲压之前将金属片材40稳固压靠在冲模母模的端面58上或者压靠在容纳冲模母模50的工具上的任务。

通常，冲模母模50被容纳在压力机的下部工具中，且实际上使得图2A所示的上部端面与该下部工具的表面齐平。坐放头42被安装在压力机的中间板上或者压力机的上部工具上。同样能够将冲模母模50容纳在压力机的中间板中，然后能够将坐放头42布置在压力机的上部工具中。此外，相反的布置也是可行的，其中冲模母模50被布置在坐放头42上方，例如使得坐放头被布置在压力机的下部工具中或者压力机的中间板中朝向上方，然后相应地冲模母模被布置在相对于图2A所示的相反的位置上，在压力机的中间板中或者压力机的上部工具中。

最后，不是必须使用压力机以冲压或者压印帽元件10，而该功能可由装备有相应的工具的机器人通过力驱动舌状物承担。

冲模母模开口52周围有鼻状物60，该鼻状物在平面图中具有带圆角的方形形状，与冲孔部分22的外周线相对应。鼻状物60具有围绕开口52的竖直侧面61，并具有倾斜侧面63。

在压力机或者根据图2A所示的工具闭合时，冲孔部22从金属片材40冲压出冲孔块，该冲孔块然后通过冲模母模的通道56落下，且能够被从压力机中移除。由于冲孔部22的冲孔边28与冲模母模的上部侧处的开口52的边界之间产生的剪切力，使得产生穿过金属片材的冲压。

在金属片材穿透期间，环形鼻状物60也直接压靠在金属片材的下侧，且在那里形成凹部62，凹部62围绕冲孔部22在其端面边缘的区域中延伸。由于相当大的压缩性的环形分布的压力，在形成凹部62期间产生的材料被迫流入槽26，由此金属片材40以形状配合的方式连接至帽元件10。即帽元件10被以不可绕着金属片材的轴线18旋转的方式固定，因为在此被布置在匹配形状的金属片材40中的冲出开口中的冲孔部22的方形形状防止金属片材和帽元件的相互旋转。通过位于槽26中的材料，不仅在金属片材与帽元件之间产生也不可旋转地固定起作用的高的孔摩擦力，而且也产生形状配合的连接，使得在压紧方向66上分离金属片材40和帽元件是不可能的或者仅在施加相当大的破坏力的情况下是可能的。不存在帽元件10被向下压入相反的方向(与移动方向66相反)的危险，因为金属片材接触表面20在其整个面积上安座于金属片材40的表面上，从而防止所述危险。

图2C以放大的比例示出在冲孔部的槽的区域中的重叠部。操作中，另一部件被附接至图2A所示的金属片材40的下部侧，且实际上借助于螺栓，螺栓的螺纹从下面旋拧入图2B中的螺纹24。从图2B和图2C中可以看出，冲孔部22的下部端面30相对于金属片材的下侧68被略微缩进。这意味着，在装配螺栓的情况下，即当另一部件借助于上述螺栓被固定至金属片材40时，帽元件的端面30被定位成：使得金属片材40和该另一部件至少在帽元件10的区域中相互紧靠，且在高质量的螺栓连接的意义上相互夹紧。

根据本发明教导的自冲孔帽元件优选地被设计成，使得冲孔部或者槽在平面图中为多边形，在从多边形的一侧至下一侧的过渡处具有导圆边36和36’。在图1A至图1C的示例中，多边形是正方形。在根据图3A至图3C所示的帽元件中是五边形。在图4A至图4C中是具有两对不同边长的矩形。另外，对图1A至图1C的描述也适用于图3A至图3C和图4A至图4C，这就是为什么在图3A至图3C和图4A至图4C中也使用相同的标号的原因，且先前的描述也可用于这些实施方式。还应注意，在所有这些实施方式中，在平面图中头部14也具有与冲孔部22和槽26的多边形形状相应的多边形形状，同样具有圆角36”。从金属片材接触表面20至头部的侧壁的、和从头部分14的侧壁至帽元件的远离冲孔部的端面39的过渡部38、38’优选是圆形的，能够直接通过冷锻制造帽元件以产生具有圆形边38的形状，圆形边38特别地对在邻近头部14的金属片材表面处不出现疲劳裂缝起作用。

通过比较图1A至图1C、图3A至图3C和图4A至图4C可以看出，冲孔部的或者所述外周表面34的轴向高度与相应的金属片材的厚度匹配。尽管根据图1A至图1C、图3A至图3C和图4A至图4C的帽元件被设计用于2.0mm厚的较厚的高强度金属片材，图5A至图5C示出的帽元件10类似于图1A至图1C所示的帽元件，然而图5A至图5C示出的帽元件被设计用于较薄的高强度金属片材，例如用于那些厚度为0.5mm的金属片材。与根据图1A至图1C的帽元件的区别是，大体上仅冲孔部22的所述外周表面的轴向高度h’以及槽26的轴向高度进行了修改，以适应金属片材。图5A至图5C具有与图1A至图1C相同的标号，且先前的描述对于相应的特征同样适用。根据图5A至图5C的帽元件10借助于图6A所示的工具被引入根据图6A的金属片材40，以与图2A至图2B所示的工具的完全相同的方式设计该工具，这就是为什么在此使用相同的标号的原因，先前的描述完全以相同的方式用于对应的特征。

图2A至图2C与图6A至图6C所示的实施方式之间的重要的区别在于，与冲孔部的更小的高度匹配的冲模母模的外周延伸鼻状物60同样具有更小的高度。根据图6B和图6C所完成的组件与根据图2B和图2C所完成的组件以完全相同的方式，即冲孔部22的端面30位于金属片材40的远离金属片材接触表面20的一侧68的略微后面，以符合如先前所述的附接情况。

图7A至图7D示出了将帽元件附接进入金属片材40的另一可能性，此处金属片材具有中等厚度，然而该实施方式可用于所考虑的所有金属片厚度，例如用于大约0.5mm至2.0mm或者高达3.5mm的高强度金属片材甚至更大厚度的正常强度的厚金属片材。在该示例中，金属片材具有凹部70，金属片材40的远离金属片材接触表面20的一侧72直接位于凹部70外的平面E中，且冲孔部22的自由端面30在金属片材的远离金属片材接触表面20的一侧76之前位于凹部70内，且在凹部70内凸出，但是从所述平面E缩进。

为了能够实现该实施方式，可使用类似于图2A至图2C或者图6A至图6C所示的工具，但具有下面更加详细阐释的一些改变。

结合图7A至图7D，对于与之前的特征或部分具有相同设计或者功能的特征或部分适用相同的标号。仅具体描述不同的部分或者特征。应理解，用于具有相同标号的部分或特征的先前的描述以完全相同的方式用于该实施方式。

首先，在图7A中明显的是，此处的帽元件10被布置成略微进一步进入坐放头42，围绕功能元件的坐放头的下部侧具有与凹部70的形状匹配的凹部80。凹部80的基面82与帽元件10的金属片材接触表面20对齐。具有凹部70的金属片材40布置在坐放头42与冲模母模50之间，且从图7A可以看出凹部70在更早的工艺步骤中被提前制造。然而，这不是强制必要的，如将在下文中描述的。

在任何情况下，在坐放头的下端中的凹部80被设计成：使得该凹部80与凹部70的外轮廓74对应，即与图7A所示的金属片材40上方的形状对应。

金属片材40中的凹部70也使得冲模母模有必要改变且实际上以外周鼻状物60被置于环状阶88上的方式被改变，环状阶88与根据图7A的凹部的内部形状匹配。在该实施例中，金属片材40的穿通发生在凹部的基部90的区域中，且实际上与之前所描述的完全一样。

在图7C至图7D中能够看到组件的情况，根据图7B所示的剖面线C-C获得根据图7C所示的剖面图。由于在图7B的左侧截取通过冲孔部的圆角的剖面，帽元件10在图7C的中间轴线18的左边具有的径向尺寸大于在图7C的右边侧的径向尺寸，通过在平面中为方形的冲孔部22的直边的中心截取获得在图7C的右边侧的剖面。

从图7C可以看出，此处金属片材40完全填充槽26的凹部，以及金属片材中的环状槽62被布置在凹部70的基部90的下部区域中。从图7C至图7D中可以看出，在该实施例中冲孔部22的外周表面34被实施为其轴向高度实际上略微大于金属片厚度的轴向高度。这确保了冲孔部22足够稳定，以穿透金属片材40。因为槽26在此容纳金属片材，冲孔部22的外周表面34位于金属片材40的基部区域90的远离元件的金属片材接触表面的一侧76的下面，但仍然在凹部70内。因此，当将另一部件螺栓连接至图7C和图7D所示的金属片材的下侧时，确保了所期望的栓住情况，因为金属片材40和另一部件在凹部之外大面积地相互依靠。在紧固螺栓时，在凹部70的金属片材的材料的预加应力的意义上，帽元件10顶着另一部件被拉动，使得另一部件也挤压冲孔部22的端面30。应指出，端面30从凹部之外的金属片材的平面(凹部之外的金属片材的下侧)处缩进的量实际上相当小，且通常大小在0至0.02mm之间。尽管图7A至图7D示出具有预先制造的凹部70的金属片材40的使用，但预先制造凹部70不是强制必须的。能够以完全相同的方式操作具有在帽元件10的冲孔的同时制造的凹部的平坦金属片材40。

图8A和图8B以立体图示出了当帽元件10被引入不带有凹部的金属片材时所存在的情况。从图8A能够看到，帽元件10的头部14位于金属片材40的表面中，但没有凸出进入该表面。图8B从下面示出根据图8A的金属片材。在此明显的是，帽元件的端面30不凸出超出金属片材的远离帽元件10的金属片材接触表面20的一侧。

图9A和图9B示出了相同的情况，但此处具有更薄的金属片材，且使用根据图5A至图5C的帽元件10。在图9A中，帽元件的头部14的金属片材接触表面20靠在金属片材的表面上，头部未被布置成在金属片材40中偏置。在图9B中明显的是，帽元件10的端面30也不凸出超出金属片材的相应侧。

图10A和图10B示出了当使用凹部时的相应布置。在图10A中，帽元件10的金属片材接触表面20靠在金属片材40的基表面的顶侧上，然而在图10B(即图10A所示的金属片材的下侧上的视图)中明显的是，帽元件10的端面30不凸出超出图10B所示的金属片材的上部金属片材侧68。

在所有的实施方式中，金属片材的材料以形状配合的方式容纳在槽26中。以如前述的相同的方式理解所使用的标号，即先前的描述以完全相同的方式用于以相同的标号表示的形状的特征。

然而在先前的附图中，帽元件10的头部在平面图中为多边形的，这不是强制必须的，头部分14能够例如在平面图中是圆形的，如图11A、图11B、图12A和图12B所示，且实际上可以是冲孔部的外周表面和槽都是多边形且具有圆角，也可以是冲孔部在平面图中自身是圆形的和大致圆形，如图11A、图11B、图12A和图12B所示。

图11A和图11B进一步示出如何使用帽元件10，帽元件10被设计用于一些限制条件下的金属片厚度以及通过设计冲孔冲模母模用于更厚的金属片材，所述限制条件通过冲孔部的稳定性与金属片材厚度和强度的比较而确定。冲孔冲模母模被设计成分别在图11A和图11B所示的金属片材的下侧中形成明显的凹部。

当冲孔部或者槽被制成多边形时，通过与金属片材的形状锁定连接实现所要求的不可旋转地固定。然而，若冲孔部或者槽是圆形的，则需要其它的措施，以确保不可旋转地固定。一个可能的措施包括通过粘合剂(例如在压力下固化的粘合剂)在金属片材接触表面20和槽26的区域中设置帽元件。

在图11A、图11B、图12A和图12B中示出的另一个可能的措施，包括设置鼻状物90，该鼻状物90提供不可旋转地固定，且具有在冲孔部22处在轴向方向上延伸的肋的形式，所述肋可被布置在圆柱部34处和槽26中。

当帽元件具有提供不可旋转的固定的鼻状物时，该鼻状物具有在冲孔部22处的在轴向方向上延伸的肋的形式，且所述肋可被布置在外周表面处和/或槽26中，提供不可旋转的固定的凹部92被形成在所完成的组件中，该组件与在金属片材的孔缘中提供不可旋转的固定的肋的形状相对应。

作为一个替代方案，径向延伸的肋94可被设置在槽内，如图13A和图13B所示，所述肋在侧视图中至少可大致为三角形。

当帽元件具有提供不可旋转的固定的鼻状物94时，所述鼻状物具有在槽内径向延伸的且在侧视图中至少可大致为三角形的肋的形式，则所完成的组件具有凹部，该凹部在金属片材的孔缘中提供不可旋转的固定，且该凹部与提供不可旋转的固定的肋的形状相对应。

根据本发明教导的帽元件10的附接的结果是：形成由自冲孔帽元件10和金属片材40构成的组件，该组件的特征在于，金属片材40具有冲孔，冲孔的形状与冲孔部22的形状对应，金属片材40的材料在金属片材的远离金属接触表面20且邻近冲孔部的一侧处具有凹部62，凹部62围绕冲孔部，以及由于所述凹部的设计将孔缘的材料推入槽26中。

特别有利的是，金属片材40位于帽元件的附接区域中的一个平面中且还轴向地位于该区域外，并且冲孔部22的自由端面30从远离金属片材接触表面的一侧缩进。

此时进行一些说明是合适的。冲孔部22或者槽26能够在平面图中具有选自方形、矩形、五边形或者六边形的形状。

在任何所期望的包括纵轴线18的径向平面中，外周表面34可相对于纵轴线轴向平行延伸或者具有0°至5°的封闭角，槽26的外周表面34朝向冲孔边28发散延伸。

从外周表面34至槽26的过渡部是圆形的或者具有倾斜表面的形状，该倾斜表面相对于中心纵轴线18具有30°至75°的范围内的角，且在冲孔部22的方向上延伸至头部14。

在所有实施方式中，所有材料可被看作用于紧固件的材料的示例，这些材料实现根据ISO标准的8级强度值以及接触冷变形，这些材料例如是根据DIN1654的35B2合金。

Claims (20)

1.一种自冲孔帽元件(10)，该自冲孔帽元件(10)的强度在700MPa至900MPa的范围内，该自冲孔帽元件(10)被设计成压入金属片材(40)中，所述自冲孔帽元件包括：

形成法兰(12)的头部(14)；位于所述头部中的中心孔(16)，该中心孔(16)被设计成容纳栓元件且具有中心纵轴线(18)；在所述法兰(12)处形成在垂直于所述中心纵轴线的平面中的金属片材接触表面(20)；以及在所述金属片材接触表面的一侧处在所述纵轴线的方向上远离所述头部延伸的冲孔部(22)，

所述自冲孔帽元件的特征在于，所述自冲孔帽元件自冲孔附接进入更高强度的金属片材或者进入厚度大于3.5mm的金属片材，所述自冲孔帽元件被设计成使得所述冲孔部(22)在所述金属片材接触表面(20)下方具有沿外周延伸的槽(26)，其中，所述冲孔部(22)在所述冲孔部的自由端面处具有冲孔边(28)，该冲孔边(28)通过外周表面(34)与所述槽(26)的邻接所述冲孔部的边界间隔开，所述外周表面的轴向高度与所述金属片厚度的至少30％相当，其中，所述冲孔部的、在所述冲孔部的自由端面处的、从所述冲孔部的外侧至螺纹的标称直径的区域中的径向壁厚与所预期的金属片材的厚度的1.2倍至1.8倍相当。

2.根据权利要求1所述的自冲孔帽元件(10)，其特征在于，所述外周表面的轴向高度与所述金属片厚度的至少50％相当。

3.根据权利要求1所述的自冲孔帽元件(10)，其特征在于，所述冲孔部的、在所述冲孔部的自由端面处的、从所述冲孔部的外侧至螺纹的标称直径的区域中的径向壁厚与所预期的金属片材的厚度的1.5倍相当。

4.根据权利要求1所述的自冲孔帽元件，其特征在于，所述自冲孔帽元件被设计成能够与强度在900MPa至1600MPa的范围的金属片材一起使用。

5.根据权利要求4所述的自冲孔帽元件(10)，其特征在于，所述自冲孔帽元件被设计成能够与强度为1500MPa的金属片材一起使用。

6.根据权利要求1所述的自冲孔帽元件，其特征在于，所述冲孔部(22)或者所述槽(26)在平面图中是多边形，从所述多边形的一个边至下一个边的过渡处具有圆角(36、36’)。

7.根据权利要求6所述的自冲孔帽元件，其特征在于，所述头部(14)在平面图中也具有与所述冲孔部(22)和所述槽(26)的多边形形状对应的多边形形状，该头部(14)的多边形形状同样具有圆角(36”)。

8.根据权利要求6所述的自冲孔帽元件，其特征在于，所述头部(14)在平面图中是圆形的。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的自冲孔帽元件，其特征在于，所述冲孔部(22)或者所述槽(26)在平面图中具有选自矩形、五边形和六边形的形状。

10.根据权利要求9所述的自冲孔帽元件，其特征在于，所述冲孔部(22)或者所述槽(26)在平面图中具有正方形的形状。

11.根据权利要求1或4所述的自冲孔帽元件，其特征在于，所述冲孔部或者所述槽和所述头部各自在平面图中是圆形的。

12.根据权利要求1-8中任一项所述的自冲孔帽元件，其特征在于，所述外周表面(34)的在任何所期望的包含所述纵轴线(18)的径向面中的部分是轴向平行的或者相对于所述纵轴线具有0°至5°的封闭角，其中所述外周表面(34)具有从所述槽(26)至所述冲孔边(28)的发散的延伸路线。

13.根据权利要求1-8中任一项所述的自冲孔帽元件，其特征在于，从所述外周表面(34)至所述槽(26)的过渡部是圆形的，或者具有倾斜表面的形状，该倾斜表面相对于所述中心纵轴线(18)具有30°至75°的范围内的封闭角，并且在从所述冲孔部(22)至所述头部(14)的方向上延伸。

14.根据权利要求1-8中任一项所述的自冲孔帽元件，其特征在于，设置提供不可旋转的固定的鼻状物(90、94)，所述鼻状物具有在所述冲孔部处在轴向方向上延伸的、可被布置在圆柱部(34)处和/或在所述槽(26)中的肋(90)的形式，或者具有在所述槽内径向延伸的、在侧视图中是三角形的肋(94)的形式。

15.一种由根据权利要求1到4和6到14中任一项所述的自冲孔帽元件和金属片材(40)构成的组件，其特征在于，所述金属片材(40)具有冲孔，该冲孔的形状对应于所述冲孔部(22)的形状，其中，在所述金属片材的远离所述金属片材接触表面(20)的一侧(68)处的所述金属片材(40)的材料具有邻近所述冲孔部且环绕所述冲孔部(22)的凹部(62)，由于形成所述凹部(62)，孔缘的材料被移入所述槽(26)中。

16.根据权利要求15所述的组件，其特征在于，所述金属片材(40)的强度在900MPa至1400MPa的范围内。

17.根据权利要求15或16所述的组件，其特征在于，所述金属片材(40)在附接所述帽元件(10)的区域中和在该区域径向外部位于平面(E)中，其中所述冲孔部(22)的自由端面(30)从所述远离金属片材接触表面(20)的一侧缩进。

18.根据权利要求15或16所述的组件，其特征在于，所述金属片材(40)具有另一凹部(70)，其中所述金属片材(40)的远离金属片材接触表面(20)的一侧直接位于凹陷部之外的平面(E)中，所述冲孔部(22)的所述自由端面(30)凸出在所述另一凹部(70)内，位于所述金属片材(40)的远离金属片材接触表面(20)的一侧的前面，但从所述平面(E)向后缩进。

19.根据权利要求15或16所述的组件，其特征在于，当所述帽元件(10)具有提供不可旋转的固定的鼻状物(90)时，其中所述鼻状物具有在所述冲孔部(22)处在轴向方向上延伸的、布置在所述外周表面(34)处和/或在所述槽(26)中肋的形状，则根据提供不可旋转的固定的所述肋的形状，在所述金属片材(40)的孔缘中形成与提供不可旋转的固定的所述肋的形状对应的、提供不可旋转的固定的凹部(92)。

20.根据权利要求15或16所述的组件，其特征在于，当所述帽元件(10)具有提供不可旋转的固定的鼻状物时，其中所述鼻状物具有在所述槽(26)内径向延伸的、在侧视图中是三角形的肋(94)的形状，则根据提供不可旋转的固定的所述肋的形状，在所述金属片材(40)的所述孔缘中形成提供不可旋转的固定的凹部。