CN104588866A - 用于建立至少两个工件之间的不可分离的连接的方法以及根据这种方法建立的连接系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在至少两个工件之间建立不可分离的连接的方法，其特征在于，通过工具(3)的转动将一个工件(1)局部如此加热，使得被加热的工件区域(5)能够被成型为一个套筒，该套筒突出于工件(1)，并且摩擦热如此之高，使得被挤出的形状为套筒(5)的材料与另一个工件(2)的材料以材料锁合的方式连接。

Description

用于建立至少两个工件之间的不可分离的连接的方法以及根据这种方法建立的连接系统
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的、用于在至少两个工件之间建立不可分离的连接的方法以及根据权利要求10的前序部分的、根据这种方法建立的连接系统。
背景技术
在汽车工业中使用螺丝连接，其中把焊接螺母焊接在板形工件上。焊接螺母在其内壁上具有螺纹。在金属板内形成钻孔，钻孔的直径大约相应于套管的内径。接着把具有螺纹的套管如此焊接在金属板上，特别借助电阻焊，使得接着通过金属板上的孔能够把螺丝拧入套管。这样的连接的建立很麻烦并且成本高。首先必须对金属板钻孔或者冲孔。在套管内切削形成内螺纹，接着把套管位置准确地焊接在钻的或者冲的孔的区域内。切削的螺纹制造导致一种昂贵的过程并且导致大的材料消耗。
发明内容
本发明的任务在于，如此构成开头所述类型的方法和连接系统，使得能够实现一种成本低的然而满足在连接方面的要求的途径。
该任务在根据本发明的方法中通过权利要求1的特征部分的特征和在根据本发明的连接系统中通过权利要求10的特征部分的特征解决。
在本发明的方法中首先使用一个转动的工具将一个工件局部地如此加热，使得被加热的工件区域变软并且能够用该工具成型为一个从该工件突出的套筒。摩擦热如此之高，使得被挤出的形状为套筒的材料与另一个工件的材料以材料锁合的方式连接(一体连接)。这两个工件之间的材料锁合导致这两个工件之间的一种无瑕疵的牢固连接。
在一种优选的实施方式中一个工件成板形构造，而另一个工件成套管形构造。原则上也可以并非整个工件、而仅一个工件区域成板形构造。该薄的工件区域能够没有问题地用工具如此加热，使得能够由被加热的工件区域形成上述套筒。
把套管形的工件放在成型的套筒上并且与其牢固连接，所述套管形的工件可以是一个单个的套管或者也可以是另一个较大的工件的一个套管形的区域。
在套管形的工件的内壁内和在成型的套筒的内壁内形成内螺纹是有利的。由此螺纹的一部分也通过成型的套筒构成。以这种方式产生足够大的螺纹长度。
所谓薄的工件区域或者板形的工件应该理解为，该工件区域通过热作用特别通过摩擦热能够被如此强烈地加热，以至于该工件区域能够变形。
有利的是，把套管形的工件靠在所述一个工件上并且而后才把该工件在套管形的工件的区域内加热。由此产生的软的材料然后被挤出到套管形的工件内。被加热的、被挤出的工件区域以材料锁合的方式与套管形的工件连接。这种处理方法在未拧接的和拧接的状态下导致连接的无瑕疵的气密性。由于在挤出的工件区域和套管形的工件之间的材料锁合的连接，不构成气体能够穿透的缝或类似物。由于该材料锁合的连接，位于套管形的工件内的螺纹能够可靠地接收非常高的拧紧力矩，其例如可以在9和12Nm之间。
套管的内轮廓还显著地决定挤出的材料的流动。
为局部加热工件，使用热熔钻是有利的。使用它在热熔钻孔过程期间工件的材料通过摩擦热被如此强烈地加热，使得该被加热的材料能够通过热熔钻而被挤出以构成套筒。由此能够在一个加工步骤内，在工件内形成孔、使该孔的被加热的边缘区变形为套筒并且使得套管形的工件与所述一个工件的成型的套筒牢固地、特别材料锁合地连接。
被加热的工件区域用热熔钻挤出到套管形的工件的接收空间内。该接收空间有利地通过在内侧设置的直径扩宽构成，该直径扩宽如此选择，使得能够接收被挤出的材料。
有利的是套管形的工件如此成型，即它在它的轴向长度上具有恒定的壁厚。在套管形的工件连接到所述一个工件的区域内，套管形的工件构成为扩宽的，由此构成一个接收空间。套管形的工件在该区域内可以被拉大或者可以以较大的直径构成。
有利的是套管形的工件的接收空间如此大，使得工件的被挤出的材料完全填满所述接收空间。由此套管形的工件在接收空间的区域内具有比在该区域上连接的区域较大的壁厚。套管形的工件以该加强的壁段与所述一个工件连接，使得在套管形的工件和所述一个工件之间的该过渡区域内给出可靠的强度。
最优的是接收空间和被挤出的材料如此互相配合，使得被挤出的材料完全填满接收空间。在任何情况下接收空间都这样大，使得没有被挤出的材料留在接收空间外面，这可能破坏连接。
如此用挤出的材料填充接收空间是有利的，即被填充的接收空间的内径和套管形的工件的与接纳空间区域邻接的区域的内径一样大。由此做到，套管形的工件在它的长度上具有恒定的内径。因为工件的被加热的区域被挤出到套管形的工件的接收空间内，所以该被挤出的材料与套管形的工件构成一体。这导致，螺纹能够从所述工件的与套管形的工件背离的侧面出发向内延伸进入套管形的工件内。由此所述一个工件也可以被用于构成内螺纹。由此产生大的螺纹长度，这有助于产生非常大的承载能力。
此外套管形的工件如此与所述工件连接，使得在这两个零件之间产生一种材料锁合。该材料锁合不仅在挤出到接收空间内的材料的区域内产生，而且也在套管形的工件在另外的工件的贴靠区域内产生。由于加热，特别通过高的摩擦热，在套管形的工件的贴靠区域内在套管形的工件和所述一个工件之间也实现材料锁合的连接。由此产生一种连接，其相应于套管形的工件和所述一个工件之间的一种整体构造。由此也有利地给出该连接的绝对气密的构造。
本发明的连接系统的特征在于，所述一个工件具有成型的套筒，该套筒与另外的工件如此材料锁合地连接，使得该连接是无缝的。
有利的是套管形的工件在其朝向所述一个工件的末端具有接收空间，该接收空间接收从所述一个工件挤出的材料。
该挤出的材料以材料锁合的方式与套管形的工件的材料连接。
连接系统的该套管形的工件有利地在其长度上具有恒定的内径。由此能够在大的长度上提供螺纹。
为保证这两个工件之间的可靠的连接，套管形的工件有利地设有径向凸缘，套管形的工件利用该径向凸缘贴靠在所述一个工件上。由此套管形的工件和所述一个工件能够没有缺陷地互相相对定位，使得能够互相可靠地连接这两个工件。
套管形的工件的径向凸缘有利地材料锁合地与所述一个工件连接。该材料锁合的连接如下产生：在建立该连接时把所述一个工件在套管形的工件的贴靠区域内如此强烈地加热，使得套管形的工件和所述工件的径向凸缘的材料互相材料锁合地连接。
如果该连接的两个部件彼此牢固连接，则接着可以没有问题地形成螺纹。
本申请的内容不仅从单个权利要求的内容产生，而且也通过所有在附图和说明书中公开的内容和特征产生。它们在不是权利要求的内容时也作为本发明重要的内容要求权利，只要它们单独或者组合起来对于现有技术是新颖的。
本发明的另外的特征从下面的权利要求、说明和附图中产生。
附图说明
根据一个在附图中表示的实施例详细说明本发明。附图中：
图1表示在两个构件之间建立根据本发明的连接的情况下的方法流程，
图2用放大的视图和轴剖面示出一个套管，其为本发明的连接的一部分。
具体实施方式
下面在一个与螺丝连接相关的示例中说明本发明的连接，其中将一个套管和一块板不可分离地连接。
图1a表示初始位置。一块板1(其有利地由一种金属材料制成)要与套管2不可分离地连接。为此通过一个(未图示的)夹紧装置牢固地互相压靠挤压板1和套管2。接着热熔钻3在与套管2背离的侧面上朝着板1运动。该热熔钻3以可围绕它的轴线4转动的方式被驱动。这样的热熔钻公知，因此在下面仅简短地叙述。热熔钻3以高的转速和轴向力顶着薄壁板1挤压。热熔钻3的转速可以根据板1的厚度约处于1000和5500转/分之间。进给速度例如大于100mm/分，例如约为150mm/分。热熔钻3的轴向进给可以手动进行。然而有利的是进行自动的进给，该进给可以是恒定的、变化的或者分级的。热熔钻3例如可以在立式钻床、在NC或者CNC机器或者在一种为此设计的设备中装入。热熔钻3的转速取决于要在板1上产生的孔的直径。该孔径越小，转速越高。
板1可以具有优选为约0.5mm到约5mm的厚度。特别有利的是板厚在约0.75mm和约1.5mm之间。
转动的热熔钻3在相应的压力下放在板1上。通过摩擦热，板材料变软或者可变形。如从图1b所知，板1的变形的材料5在热熔钻3的进给方向上并且部分也逆着进给方向被挤出。热熔钻3具有一个圆锥形的加工部分6，该加工部分在进给方向上缩小并且在热熔钻3进给时向外挤出变形的材料5。该圆锥形的加工部分6转变为一个圆柱形的加工部分7，通过该加工部分7将在进给方向上向前挤出的变形的材料5在进给过程结束时(图1d)如此径向向外挤出，使得它与套管2以还要说明的方式连接。
圆柱形的加工部分7连接圆柱形的冲头部分8，该冲头部分具有比加工部分7大的直径。用冲头部分8把逆着热熔钻3的进给方向挤出的材料在进给过程结束时向前挤出到套管2内。热熔钻3在进给方向上如此远地运动，直到冲头部分8以它的平的环面9紧贴在板1上。冲头部分8负责，在板1的与套管2背离的背侧不存在任何材料。冲头部分8和圆柱形的加工部分7一起负责把变形的板材料完全挤入到套管2内。
也可以给冲头部分8提供至少一个刀刃，用它切削掉在板1的背面上凸出的材料部分。
通过热熔钻3挤出的板材料5以材料锁合的方式与套管2连接，使得套管在它的轴向长度上具有恒定的内径(图1d)。圆柱形的加工部分7的直径与套管2的内径如此配合，使得加工部分7的外径等于套管2的内径。
由于在热熔钻孔的情况下产生的高的摩擦热量，板1以及它的被挤出的材料5以材料锁合的方式与套管2的材料连接，使得在板1和套管2之间建立一种无瑕疵的不可分离的连接。在结束热熔钻孔后热熔钻3从现在在板1上固定的套管2中抽出。
在套管2和板1之间建立连接后才在套管2的内壁内形成螺纹。它可以通过一种螺纹切削过程、但是有利的是通过一种螺纹成形过程(无切屑地)在套管2的内壁10内形成。螺纹成形过程具有这样的优点：在螺纹的区域内实现材料加强并且提高螺纹的承载能力。在螺纹成形的情况下不去掉任何材料，去掉材料的话会导致连接的弱化。
在实施例中热熔钻3的圆锥形的加工部分6朝着封闭的板1运动，其中以所述方式通过摩擦热使板材料在加工部分6的区域内变软并且在热熔钻3继续的进给中被挤出。原则上也可以在板1内制造预冲孔，其内然后放入热熔钻。预冲孔的设置具有优点：热熔钻3能够以较小的轴向力顶着板1运动。
使用热熔钻3能够加工用钢、铝、黄铜、铜等制成的工件。因为在热熔钻孔的情况下仅挤出板1的材料，所以在热熔钻孔的过程中不产生必须麻烦地清除的废料。板1和套管2之间的所述连接能够在最短的时间内通过热熔钻孔过程建立。为该建立例如仅需2到10秒。
在上述另外可选的方案中，凸出的材料通过切削去除，产生切屑，然而它们仅仅产生这样微小的量，以致不干扰制造过程。此外它们能够简单地去除。
要在其内壁10上产生螺纹的套管2构成为帽形的(图2)并且具有向外拱出的底11。该底11设置在套管2的一个圆筒形的外壳12的一个末端上。外壳12通过一个圆锥形的中间段13转变为一个圆筒形的末端段14，在末端段14的自由端上设置一个向外突出的径向凸缘15。末端段14具有比外壳12大的内径和外径。套管2以径向凸缘15在热熔钻孔过程时平面地靠在板1上(图1a到1c)。
由于圆锥形的中间段13，套管2在其背离底11的末端上设有一个接收空间16，该接收空间16通过圆锥形的中间段13的内壁17和末端段14的内壁18限定。内壁17成钝角连接外壳12的内壁10。
环形的接收空间16具有这样的大小：它能够容纳在热熔钻孔过程期间产生的变形的材料5，变形的材料通过热熔钻3的两个加工部分6、7如此挤出到接收空间16内，使得板材料5完全填满接收空间16(图1d)。板1和套管2的材料如此彼此相配，使得确保在板1和套管2之间的材料锁合的连接。由于在热熔钻孔期间产生的高的摩擦热，套管2的径向凸缘15的材料也以材料锁合的方式与板1连接(图1d)。
在热熔钻孔过程后套管2在它的长度上具有恒定的内径，使得能够没有问题地在套管2的内壁内形成螺纹。由于套管2与板1的材料锁合的连接，在这两个构件之间产生一种无瑕疵的牢固连接。因为套管2的接收空间16通过挤出的材料5填满，所以套管2在板1上的连接区域被加强构造，这有助于提高抗扭曲性。
在产生螺纹的情况下螺纹被引入板1的位于套管2的接收空间16内的挤出的材料5内和外壳12的内壁10内。由此螺纹从板1的与套管2背离的外侧延伸进入套管2内，使得实现较大的螺纹长度。
为连接套管2与板1，也可以用热熔钻3首先以所述方式仅加工板1。在热熔过程结束时通过挤出的板材料5构成一个在板1上突出的套筒，它的内径通过热熔钻3的圆柱形的加工部分7的外径规定。接着把套管2套在板1的如此成型的套筒上并且与其通过焊接过程例如通过电阻焊连接。接着在那时产生螺纹。
使用这两种方法都可以气体密封地构成螺丝连接，使得能够把形状为套管2的螺母没有问题地应用在需要气体密封的螺丝连接的地方。这样的螺丝连接例如在汽车工业中应用。
所述方法例如也可以在由热塑性塑料组成的构件的情况下使用。这里也可以通过热熔钻孔过程通过摩擦加热软化材料，然后材料通过热熔钻被变形或者挤出，正如根据图1说明的那样。
所述方法不限于连接板与套管。以同样的方式例如也能够互相连接两块板。把它们彼此重叠放置并且用一种适宜的夹紧装置互相牢固地压靠。接着使用热熔钻3执行热熔钻孔过程，如其在上面说明的那样。热熔钻3在需要的位置上被挤压通过两个被夹紧在一起的板。板材料被如此强烈地加热，使得产生彼此重叠放置的板之间的一种牢固的不可分离的连接。

Claims (14)

1.一种用于在至少两个工件之间建立不可分离的连接的方法，其特征在于，
通过工具(3)的转动将一个工件(1)局部如此加热，使得被加热的工件区域(5)能够被成型为一个套筒，该套筒突出于该工件(1)，并且摩擦热如此之高，使得被挤出的形状为套筒(5)的材料与另一个工件(2)的材料以材料锁合的方式连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述一个工件(1)构成为板形的并且所述另一个工件(2)构成为套管形的。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
把套管形的工件(2)套到成型的套筒(5)上并且与该成型的套筒牢固连接。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，
在成型的套筒的内壁内和在套管形的工件(2)的内壁(10)内形成内螺纹。
5.根据权利要求2或4所述的方法，其特征在于，
把套管形的工件(2)放置在所述一个工件(1)上，并且接着将所述一个工件在套管形的工件(2)的区域内加热，并且被加热的工件区域(5)被挤出到套管形的工件(2)内，使得该被加热的工件区域(5)以材料锁合的方式与套管形的工件(2)连接。
6.根据权利要求1到5任一项所述的方法，其特征在于，
借助热熔钻(3)通过摩擦热来加热所述一个工件(1)。
7.根据权利要求2到6任一项所述的方法，其特征在于，
被加热的工件区域(5)被挤出到套管形的工件(2)的接收空间(16)内。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
被加热的工件区域(5)至少基本上完全填充套管形的工件(2)的所述接收空间(16)。
9.根据权利要求2到8任一项所述的方法，其特征在于，
套管形的工件(2)如此与所述一个工件(1)连接，使得在这两个零件之间产生材料锁合的连接。
10.一种通过根据权利要求1到9任一项所述的方法建立的连接系统，其特征在于，
所述一个工件(1)具有成型的套筒(5)，该套筒与所述另一个工件(2)如此以材料锁合的方式连接，使得该连接是无缝的。
11.根据权利要求10所述的连接系统，其特征在于，
套管形的工件(2)在其朝向所述一个工件(1)的末端上具有接收空间(16)，该接收空间接收从所述一个工件(1)挤出的材料(5)。
12.根据权利要求11所述的连接系统，其特征在于，
套管形的工件(2)在其长度上具有恒定的内径。
13.根据权利要求11或12所述的连接系统，其特征在于，
套管形的工件(2)设有径向凸缘(15)，套管形的工件利用该径向凸缘(15)贴靠在所述一个工件(1)上。
14.根据权利要求13所述的连接系统，其特征在于，
径向凸缘(15)与所述一个工件(1)材料锁合地构成。
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