CN102483084B - 穿孔铆钉、用于产生穿孔铆钉连接部的方法、及工件装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于连接两个工件(12、14)的穿孔铆钉(30)，其包括头部(32)和杆部(34)，杆部(34)被实施为中空杆部，此中空杆部具有杆部内直径(D3)、杆部外直径(D1)和杆部端面，在所述杆部端面处包括环形刃口(50)，环形刃口的直径(D4)小于杆部外直径(D1)，杆部内直径(D3)经由刃口半径(R2)与所述环形刃口(50)并合。在此情况下，刃口半径(R2)与杆部外直径(D1)之比大于0.3。

Description

穿孔铆钉、用于产生穿孔铆钉连接部的方法、及工件装置

本发明涉及一种用于连接两个工件的穿孔铆钉(punch rivet)，其具有头部和杆部，杆部被实施为中空杆部，该中空杆部具有杆部内直径、杆部外直径和杆部端面，在杆部端面处包括环形刃口(cutting edge)，环形刃口的直径小于杆部外直径，杆部的内直径经由刃口半径与环形刃口并合。

此类穿孔铆钉可从文件DE 10 2005 052 360B4中获知。

本发明还涉及用于产生至少两个工件的穿孔铆钉连接部的方法，具体地说，其中一个工件由高强度材料制成，该材料具有至少800MPa的强度，且尤其具有至少0.5mm的厚度。本发明还涉及由至少两个工件构成的工件装置，所述工件由至少一个此类穿孔铆钉连接或由此类穿孔铆接方法连接。

穿孔铆接是一种再成形接合方法，其能够借助已知的实心铆钉和已知的半空心铆钉(semitubular rivet)实现。本情况涉及利用半空心铆钉的穿孔铆接，该半空心铆钉包括中空杆部。该方法的特征在于，半空心铆钉被驱动到两个工件(具体地说是两个金属片)的装置内，顶部工件被中空杆部穿透(刺穿)。上面放有底部工件的模板被设计成使中空杆部随后被径向展开且被径向驱动到下部工件内，从而形成底切部。在这种情况下，下部工件通常未被切断，因此，下部工件的面向模板的一侧保持封闭且因此对生锈具有较低的敏感性。近年来这种使用半空心铆钉的穿孔铆接方法在汽车制造业中的使用不断增加。穿孔铆接法尤其适于连接由不同材料构成的工件(例如，钢和铝)。更具体地说，在车体构造中，存在适合各应用目的的不同材料组合的趋势，对于这种情况，穿孔铆接法是优选于焊接法的接合方法。

在此情况下，可以理解的是，至少下部、模板侧工件的材料应是容易冷成型且具有尽可能均匀的材料性能。

在如上所述的应用领域中，倾向于使用高强度材料(例如，上部、型模侧(swage-side)工件材料的强度大于1,000MPa)，用于此目的的穿孔铆钉必须具有相应的高强度(铆钉硬度)，尤其为了能够穿过由高强度材料构成的此类工件。同时，穿孔铆钉应在其杆部区域能充分变形以确保在完成的穿孔铆钉连接部内有足够的底切部。

在半空心铆钉领域存在各种类型的半空心铆钉，例如，从文件WO95/09307中公知的C铆钉。在该文件中描述的半空心铆钉具有圆柱形中空杆部，在杆部的端面的外边缘处形成尖锐的环形刃口。为此，杆部内直径经由刃口半径与杆部外直径并合。但是，这种C铆钉不适用于高强度材料的穿孔铆接，因为在穿孔铆接工艺过程中C铆钉倾向于彻底展开(spreadintensively)，致使只有很少的材料出现在下部工件的底切部区域内。能获得的强度因此较低。从文件DE 203 19 610U1中可以获知具有被设定为与杆部外直径分离的尖锐的环形刃口的改进型C铆钉。

此外，在现有技术中还已知P铆钉，其例如可从文件DE 10 2005 052 360B4中获知。

在此类穿孔铆钉中，在杆部端面处形成有环形刃口，刃口直径小于杆部外直径。环形刃口被实施为沿径向定向的平的环形表面，并经由杆部外斜面与杆部外直径并合，且因此被设定为与杆部外直径分离。杆部内直径经由较小的半径与该环形表面并合。

虽然在高强度材料的穿孔铆接中P铆钉具有优于C铆钉的性能，就此而言，仍然有对P铆钉进行改进的需求。

据此，本发明的目的是提供一种改进型穿孔铆钉以及用于产生穿孔铆钉连接部的改进方法，而允许程序上安全地将高强度工件接合。

首先，上述目可通过开始部分提到的那类穿孔铆钉来实现，刃口半径与杆部外直径之比大于0.3。

此外，上述目的通过用于产生至少两个工件的穿孔铆钉连接部的方法来实现，具体地说，其中一个工件由具有强度为至少800MPa、尤其具有厚度为至少0.5mm的高强度材料制成，该方法包括以下步骤：

-提供穿孔铆钉，尤其是上面提到的那类穿孔铆钉，其具有头部和杆部并由具有特定铆钉硬度的材料制成，杆部被实施为具有杆部内直径、杆部外直径和杆部端面的中空杆部，且杆部具有在轴投影中由杆部外直径和杆部内直径限定的环形表面，及

-执行冲孔工艺，上部工件被特定的刺穿力穿透，

其中，所提供的穿孔铆钉具有与刺穿力有关的环形表面尺寸。

最后，上述目的借助由至少两个工件构成的工件装置来实现，该至少两个工件通过至少一个根据本发明的穿孔铆钉来连接或借助根据本发明的穿孔铆接方法来连接。

根据本发明的穿孔铆钉具有环形刃口，环形刃口的直径小于杆部外直径。这能够防止如在C铆钉情况中发生的穿孔铆钉的过度彻底展开。再者，刃口半径与杆部外直径之比大于0.3。换句话说，穿孔铆钉具有较大的刃口半径。这允许在冲孔过程中，穿出上部、型模侧工件的棒条至少大部分被接纳在中空杆部内。也就是说，此棒条不像在P铆钉时那样被杆部端面沿冲孔方向向下压。继而，也允许在下部的、模板侧的工件中获得的接合连接部较薄。

本发明的方法可用于强度为至少800MPa的高强度材料，因此可用于由钢制成的工件，但也可用于如轻金属之类强度不高的材料。也可以连接由铝制成的两个工件。工件的厚度优选从0.8mm至2.5mm。特别是在强度为1,000MPa或甚至1,500MPa或更高的高强材料的情况下，所使用的工件优选较薄，例如0.8mm。

因此，本目的可以全部实现。

在使用本发明的穿孔铆钉的情况下，如果刃口半径与杆部外直径之比大于0.5则特别有利。

这种措施允许甚至在更大范围内也能获得上述优点。

此外，如果刃口半径与杆部外直径的之比小于0.7也是有利的。这可以防止杆部在端面区域变得太细。因此，即使在高强钢的情况下也能获得高的冲孔效果。

根据另一优选实施例，环形刃口经由被定向在相对于半径平面小于42°的斜面角度处的杆部外斜面与杆部外直径并合。优选所述斜面角小于35°，尤其小于32°。

一旦型模侧工件被穿透，这允许穿孔铆钉更有效地展开，因此允许足够的底切部，且因此达到冲孔连接部的高强度。

在这种情况中，如果杆部外斜面经由过渡半径与杆部外直径并合则特别有利。过渡半径可以是非常小的半径，例如，小于0.2mm，特别是小于0.15mm。过渡半径可以避免冲孔过程中该区域内的应力。

根据构成其自身发明的再一优选实施例，甚至和刃口半径与杆部外直径之比无关，头部外直径与杆部外直径之比小于1.44，尤其小于1.42。

此措施的结果是，穿孔铆钉具有较大的杆部外直径。这可以增大所述杆在轴投影中具有的环形表面面积。结果可提高冲孔过程中穿孔铆钉的稳定性。

此外，如果杆部外直径经由头部下方半径(underhead radius)与头部的外周边并合是有利的，头部下方半径与杆部外直径之比大于0.15。

再有，若头部下方半径与杆部外直径之比小于0.3则是优选的。

据此，头部下方半径比之C铆钉的情况小得多，致使设定力(settingforce)降低。与P铆钉相比，能够更有效地适应应力。

此外，总体优选的是，环形刃口具有沿径向定向的刃口环形表面且其被选择的半径宽度使环形表面宽度与杆部的径向厚度之比在0.03至0.1的范围内。

因此，与P铆钉相比，环形表面宽度通常较小，因此在冲孔过程中能更有效地防止压扁或挤压杆部。

在本发明的穿孔铆接方法中，优选的是，以kN度量的刺穿力与以mm²度量的环形表面的大小之比在1.2至1.5的范围内。

此措施允许环形表面适用所需的刺穿力。优选的是，对于不同的刺穿力杆部外直径维持不变，优选的是，杆部内直径适于作为所需刺穿力的函数。

根据又一优选实施例，在本发明的穿孔铆接方法中，环形表面的尺寸由刺穿力与改进的铆钉硬度之比确定，改进的铆钉硬度通过用铆钉硬度乘以范围从0.7至0.9的修正因子来确定。

在这种方式中，可将环形表面设定成用于限定的刺穿力和限定的铆钉硬度。如上所述，这可再次优选地通过在杆部外直径保持不变的同时设定杆部内直径来实现。

可以理解的是，这里所提到的特征以及下文还需要解释的特征不只用于各种情况中的具体组合，在不超出本发明范围的前提下也可用于其他组合或单独使用。

附图中示出了本发明的一些示例性实施例，在下面的描述中将对这些实施例进行更详细的解释。附图中：

图1为穿孔铆接装置的示意图；

图2为本发明的穿孔铆钉的一实施例的纵向截面图；

图3示出了借助图2所示的穿孔铆钉产生的穿孔铆钉连接部；

图4示出了根据现有技术利用公知的P穿孔铆钉产生的穿孔铆钉连接部；

图5示出了根据现有技术利用公知的C穿孔铆钉产生的穿孔铆钉连接部；

图6示出了根据现有技术利用改进的P穿孔铆钉相对于较薄的模板侧工件产生的穿孔铆钉连接部；

图7示出了借助图2所示的穿孔铆钉相对于较薄的模板侧工件产生的穿孔铆钉连接部。

图1中穿孔铆接装置总体用附图标记10表示。

穿孔铆接装置10用于将第一工件12和第二工件14接合在一起。具体地说，工件12、14可以是如用于机动车车体构造中的金属板。工件12、14的厚度可以在，例如0.5mm至4mm的范围内，尤其可以在1mm至2.5mm的范围内。工件12、14的材料必须满足安置在可冷成型材料上的常规要求。在很多情况下，这些材料可以是如钢、铝、镁之类的合金金属。但是，工件12、14中的一个，尤其是上部工件12可以由塑料材料制成。

穿孔铆接装置10具有第一模板16，工件12、14被直接一个放置在另一个上地置于该模板上。借助特定的压紧力20压紧构件被压于工件装置上，用于固定工件。可沿纵向轴线26朝模板16运动并具有预定穿孔铆接力24的型模22被安置在压紧构件18之间。型模22用于将穿孔铆钉30驱动到工件装置12、14内。穿孔铆钉30被实施为具有头部32和中空杆部34的半空心穿孔铆钉，该中空杆部从头部沿轴向延伸并在其端面端处形成刃口36。

当型模22向下运动时，杆部34首先穿透上部、型模侧工件14，因此公知的是棒条被从其上切掉。在冲孔过程的随后进程中，自由的杆部端34被驱动到模板侧工件14内。在模板16内形成中空空间38，该中空空间以本身公知的方式确保杆部34在随后的穿孔铆接过程进程中径向展开，使得杆部34的自由端推进，并沿轴向可在模板侧工件14的材料之后观察到。穿孔铆钉30基本被驱动到工件装置12、14内足够远，直到头部与型模侧工件12的表面齐平为止。

不同类型的穿孔铆钉30大体可用于连接由广范围材料制成的工件。

图2示出了本发明穿孔铆钉30的一实施例，该穿孔铆钉尤其适合于联接由高强度材料制成的工件12、14。在此情况下，模板侧工件14可以具有例如，大于400MPa的强度(虽然优选不大于800MPa)。型模侧的工件可以包括强度大于1,000MPa或大于1,200MPa的高强度材料。

穿孔铆钉30本身也由高强度材料制成，例如，由具有大于1,500MPa、尤其大于1,700MPa的铆钉硬度的材料制成。

穿孔铆钉30围绕纵向轴线26旋转对称形成，且具有头部32和杆部34。杆部34被驱动到杆部部分40内，该杆部部分与头部32和刃口部分42邻接。杆部部分40被实施为中空圆柱形形式并具有杆部外直径D1和杆部内直径D3。刃口部分42具有刃口部分高度M2。

头部32具有平的头部上侧44和圆柱形头部外表面46。头部上侧44具有头部外直径D2。头部外表面46具有头部外表面高度M1。在杆部34内，头部32具有头部下侧48，在当前情况下，该头部下侧被实施为以钝锥形方式逐渐变细并经由头部内半径R3与杆部内直径D3并合。在外周边处，杆部外直径D1经由头部下方半径R1与头部外表面46的下侧并合。在这种情况中，头部下方半径R1被设置成其与杆部外直径D1和基本平行于头部上侧44的半径平面两者切线地并合。头部32具有从头部上侧44延伸至头部下侧48的锥顶角的头部高度H。

杆部30具有处于杆部部分40区域内的杆部厚度M5，该厚度等于杆部外直径D1和杆部内直径D3之间的差的一半。此外，在轴投影中，杆部34具有环形表面，其外周边由杆部外直径D1定界，而其内周边由杆部内直径D3定界。

在杆部32的端面处，更准确地说，在刃口部分42的端面形成有环形刃口50，该环形刃口被实施为平刃口环形表面形式并沿径向延伸。刃口环形表面的内直径在图2中以D4示出。此外，刃口环形表面具有径向宽度M3。在轴投影中，环形刃口50因此被定位于略在由杆部外直径D1和杆部内直径D3之间的平均值形成的平均杆部直径外侧。

刃口环形表面的外周边经由杆部外斜面52与杆部外直径D1并合。杆部外斜面52包括径向平面和角度α₁。此外，杆部外斜面52经由过渡半径R4与杆部外直径D1并合。图2中示出了外斜面高度M4。

刃口环形表面的内周边经由刃口半径R2与杆部内直径D3并合。在此情况下，刃口半径R2与杆部内直径D3切线地并合且终结，同时在刃口环形表面内形成张角α₂。更准确地说，半径R2以这样的方式从杆部内直径D3朝刃口环形表面延伸，使得杆部的内侧形成65°的张角α₂。张角α₂优选应大于55°。

下表1中列出了穿孔铆钉30的上述尺寸。一方面，表1中列出了各值，优选值范围及如图2所示的具体优选实施例的示例。另外，表1列出了这些尺寸的优选比率，以将本发明的穿孔铆钉设计成还能为其他应用示例给出启示。

表1

另外，可以理解的是，可将穿孔铆钉30实施为具有不同长度，就此而言在每一种情况下，杆部部分40的长度可以改变。另一方面，在处于不同长度的所有实施例中，优选刃口部分42保持不变。

图2示出了穿孔铆钉30的轴向总长度M6。

作为比率D2/D1＜1.44的结果，可将穿孔铆钉30实施为具有较大的杆部外直径，其结果是在穿孔铆接过程中稳定性增加。作为比率D3/D1＜0.7的结果，可将杆部34实施为在轴投影中具有较大的环形表面。

作为比率D4＞(D1-D3)/2的结果，可以确保在冲孔过程中杆部倾向于更径向地向外运动，据此有助于用于模板侧工件底切部的冷成型。

比率M2/D1＞0.25，尤其＞0.3可允许较大的容积，以在冲孔过程中被接纳于杆部的内部。据此，对于杆部来说，可以至少基本接纳从型模侧工件上脱开的棒条。这可防止棒条被杆部轴向向下压；这可能导致或者压缩穿孔铆钉或者模板侧工件破损。

作为刃口环形表面宽度M3与杆部厚度M5之比的结果，可以确保在高稳定性的情况下获得良好的冲孔效果。这也适用于外斜面高度与杆部外直径的比率(M4/D1＜0.07)。

还可形成比率R2/D1＞0.3，与较高的刃口部分高度M2相似，在杆部内部有较大的容积，因而能有效地接纳被冲出的棒条。这能防止杆部在高强度材料的穿孔铆接过程中被压缩。

图3示出了借助图2所示的穿孔铆钉30产生且保持穿孔铆钉连接部62的工件装置60。穿孔铆钉连接部62借助再成型的穿孔铆钉30将上部的、型模侧工件12连接到下部的、模板侧工件14。在此情况下，型模侧工件是具有厚度为2mm的DP800型钢。模板侧工件14是具有2mm厚度的铝金属板。

可以看到，被冲出型模侧工件12的棒条64几乎完全被穿孔铆钉30接纳在杆部34内。同时，杆部34足够展开以便与模板侧工件14的材料形成底切部，从而使足够的模板侧的工件14的材料出现在头部32和底切部之间。穿孔铆钉30的头部上侧基本与型模侧工件12的原始上侧齐平。

在比较试验中，相同的工件12、14通过使用已知的，例如，从DE 102005052360B4中公知的P铆钉连接。可以看出，穿孔铆钉P沿轴向被压扁。在这种情况下，杆部驱动在其前面的棒条而不能在模板侧工件14中形成足够的底切部。

图5示出了基本上可从文件WO 95/09307中获知的C铆钉。从图中可以看到，在对相同材料进行冲孔的过程中，铆钉C展开得非常彻底且不能形成足够的底切部。

最后，图6示出了另一对比例，其中模板侧工件14略薄(在试验中使用了1.7mm的铝而不是2.0mm)。使用的是基本上从文件US 2009/0116934A1中获知的穿孔铆钉P’。可以看到，在此情况下，棒条被穿孔铆钉非常彻底地向下压而穿孔铆钉P’被非常彻底地压缩。

图7示出了如图6所示的相同工件12、14的穿孔铆钉连接部62，其通过使用本发明的穿孔铆钉30来产生。可以看出，当使用本发明的穿孔铆钉30时，与图6所示的穿孔铆钉连接部相比，在模板侧工件14内保持有大得多的存留厚度66。可以附加获得上面参考图3详细描述的那些优点。

Claims (10)

1.用于连接两个工件（12、14）的穿孔铆钉（30），其包括头部（32）和杆部（34），该杆部（34）被实施为中空杆部，此中空杆部具有杆部内直径（D3）、杆部外直径（D1）和杆部端面，在所述杆部端面处包括环形刃口（50），环形刃口的直径（D4）小于所述杆部外直径（D1），而所述杆部内直径（D3）经由刃口半径（R2）与所述环形刃口（50）并合， 

其特征在于， 

所述刃口半径（R2）与所述杆部外直径（D1）之比大于0.5，所述刃口半径（R2）与所述杆部外直径（D1）之比小于0.7，且所述环形刃口（50）经由被定向成相对于径向平面成小于42°的斜面角（α1）的杆部外斜面（52）与所述杆部外直径（D1）并合。 

2.如权利要求1所述的穿孔铆钉，其特征在于，所述杆部外斜面（52）经由过渡半径（R4）与所述杆部外直径（D1）并合。 

3.如权利要求1所述的穿孔铆钉，其特征在于，头部外直径（D2）与所述杆部外直径（D1）之比小于1.44。 

4.如权利要求1至3中任一项所述的穿孔铆钉，其特征在于，所述杆部外直径（D1）经由头部下方半径（R1）与所述头部（32）的外周边并合，所述头部下方半径（R1）与所述杆部外直径（D1）之比大于0.15。 

5.如权利要求1所述的穿孔铆钉，其特征在于，所述杆部外直径（D1）经由头部下方半径（R1）与所述头部（32）的外周边并合，所述头部下方半径（R1）与所述杆部外直径（D1）之比小于0.3。 

6.如权利要求1所述的穿孔铆钉，其特征在于，所述环形刃口（50）具有沿径向定向的刃口环形表面，且刃口环形表面的径向宽度（M3）被选择成使所述刃口环形表面的径向宽度（M3）与所述杆部（34）的径向厚度（M5）之比的范围从0.03至0.1。 

7.如权利要求1所述的穿孔铆钉，其特征在于，所述杆部（34）具有刃口部分（42），刃口部分高度（M2）与所述杆部外直径（D1）之比大于0.25。

8.用于产生至少两个工件（12、14）的穿孔铆钉连接部（62）的方法，所述方法包括以下步骤： 

-提供穿孔铆钉（30），其为根据权利要求1到7中任一项所述的穿孔 铆钉，其由具有一铆钉硬度的材料制成，且所述杆部（34）具有轴投影中由所述杆部外直径（D1）和杆部内直径（D3）限定的环形表面， 

-执行冲孔工艺，所述至少两个工件（12、14）中的上部工件（12）被刺穿力穿透， 

其中，所述穿孔铆钉（30）被设置为具有与刺穿力有关的环形表面尺寸，且以kN度量的所述刺穿力与以mm²度量的所述环形表面的尺寸之比的范围从1.2至1.5。 

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述环形表面的尺寸由所述刺穿力与改进的铆钉硬度之比确定，所述改进的铆钉硬度由用所述铆钉硬度乘以0.7至0.9范围内的修正因子来确定。 

10.由至少两个工件（12、14）构成的工件装置（60），所述工件借助至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的穿孔铆钉（30）和/或借助根据权利要求8至9中任一项所述的穿孔铆接方法连接。