CN109072963B

CN109072963B - 自冲铆钉和自冲铆接接头

Info

Publication number: CN109072963B
Application number: CN201780023814.9A
Authority: CN
Inventors: 保罗·巴蒂格; 马蒂亚斯·威斯林
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: US20190078601A1; WO2017194501A1; JP2019516048A; US11408457B2; EP3455507B1; JP7004672B2; CN109072963A; EP3455507A1; DE202016102528U1

Abstract

本发明涉及一种具有自冲铆钉的自冲铆接接头和一种用于连接工件的自冲铆钉(10’)，所述自冲铆钉具有包括头部直径的头部(12’)和具有包括杆部直径的杆部(14’)。所述杆部(14’)在处于与所述头部(12’)相反位置的脚端(18’)上包括具有轴向深度(LB’)的轴向凹槽(22’)。所述杆部(14’)在所述脚端(18’)上具有平坦表面部分(20)或圆形切割器。在所述头部(12’)与所述杆部(14’)之间的过渡部分(16’)的区域中实现了轴向圆形凹槽。

Description

自冲铆钉和自冲铆接接头

技术领域

本发明涉及一种自冲铆钉，其用于连接工件，尤其用于连接由高强度钢制成的工件，所述自冲铆钉具有包括头部直径的头部，和具有包括杆部直径的杆部，其中，所述杆部在处于与所述头部相反位置的脚端上包括具有轴向深度的轴向凹槽，其中，所述杆部在所述脚端上具有平坦表面部分或圆形切割器。

另外，本发明涉及一种自冲铆接接头，其具有至少一个上部工件和一个下部工件，所述上部工件和所述下部工件中的至少一者由金属实现，尤其是由高强度钢实现，并且所述自冲铆接接头具有上述类型的再成形自冲铆钉，所述自冲铆钉的头部抵靠所述上部工件。

背景技术

在文献DE 10 2013 020 504A1中公开了一种在脚端处具有平坦表面部分的自冲铆钉。在用自冲铆钉进行的自冲铆接过程中，所述自冲铆钉的所述形成产生了自冲铆钉的再成形，该自冲铆钉较少基于铆钉杆部展开或扩张。凹槽的相对短的轴向深度的实现则在于：由于铆钉的压缩而形成连接，该压缩尤其通过工件组合的高强度钢的反压力而产生。在这种情况下，由此形成的底切或凹陷可以相对较小。然而，由于高强度材料，即使相对小的底切也足以实现必要的接头拉伸强度。

另外，在文献EP 1 229 254A2中公开了一种自冲铆钉。所述文献提出了一种自冲铆接接头，其具有由高强度钢制成的至少两个连接部件，该至少两个连接部件借助或通过半空心自冲铆钉连接在一起，该半空心自冲铆钉由钢制成并且包括铆钉头部和连接至铆钉头部的铆钉杆部，在端部具有铆钉脚，铆钉脚在连接操作之前的初始状态下以钝角(obtuse)的方式实现。在这种情况下，自冲铆钉的形式与文献EP 0 833 063A1中的自冲铆钉(其也已知用于连接轻金属工件)的形式相同。由于铆钉脚的钝角实现，当连接高强度连接部件时，半空心自冲铆钉的有利的再成形性能得以实现，与尖铆钉脚相比，减小了铆钉杆部展开或扩张的趋势(striving)。在这种情况下，在铆钉杆部与铆钉脚一起穿入下连接部分之前不会发生展开。连接部分应包括超过500N/mm²，高达1500N/mm²的拉伸强度。所使用的半空心自冲铆钉的拉伸强度应在1200至1400N/mm²之间的范围内，但也可达到高达2000N/mm²的值。

为了确保合适的展开性能或表现，杆腔的轴向深度与铆钉脚外径的商(quotient)应在0.3和0.7之间。在杆腔的轴向深度太小的情况下，一旦上部钢片(steel sheet)被穿孔后，铆钉杆部据说不会充分展开。

在文献WO 2007/132194A1中公开了另一种半空心自冲铆钉。在这种情况下，在杆部中设置中心盲孔，其中在孔的区域中杆部的外径和内径之间的比值应在0.47和0.52之间的范围内。

另外，文献EP 2 314 890A2公开了一种用于连接高和超高强度钢的半空心自冲铆钉，头部直径通常小于或等于杆部直径的1.3倍。

然而，现有技术的自冲铆接接头(高强度或超高强度钢通过该接头连接)仍然具有各种问题。一方面，展开的程度可能不是关于铆钉轴线对称的。此外，杆部可能被压在一起并弯曲。在许多情况下，甚至不可能将铆钉压入工件组合中，甚至可能使自冲铆钉断裂。

如上所述，设计用于连接高强度或超高强度钢的自冲铆钉通常包括在脚端处的平坦表面部分。诸如C形铆钉等其他自冲铆钉在杆部的脚端处包括圆形切割器。圆形切割器尤其通过在轴向凹槽的内表面的区域中的半径或倒角与朝向杆部的径向外表面的半径或倒角之间的切割线形成。为了切割要以圆形方式连接的工件组合的上部工件，应该实现这种类型的圆形切割器，上部工件优选地由钢制成，但也能够由另一种材料制成。

上述形式的自冲铆钉包括在从杆部的外表面朝向头部的过渡部处的头下半径，并且头部底面经常相对于自冲铆钉的径向平面倾斜，并形成锥形部分。

文献US 2016/0084288A1公开了一种半空心自冲铆钉，其中在杆部脚端处实现有突起，该突起可以借助焊接电流熔化，以便与工件组合的下部工件焊接在一起。在所述自冲铆钉的情况下，当进行装配操作时，杆部不会在径向方向上展开。在头部底面的外周区域中，所述装配铆钉的头部包括切削刃，该切削刃轴向向前突出并且穿入工件组合的上部工件的上表面并且因此产生压配合。

在现有技术的自冲铆接接头的情况下，在装配操作期间在杆部和头部之间的过渡区域中可能出现应力。

发明内容

在所述背景下，本发明的目的是提供一种改进的自冲铆钉或自穿铆钉(self-piercing rivet)以及一种改进的自冲铆接接头或自穿铆接接头(self-piercing rivetedjoint)，这两者都适用于连接不同的材料，尤其是金属，尤其是铝或钢，尤其是用于连接高强度和超高强度钢。

在引言中提到的自冲铆钉的情况下，由于在头部和杆部之间的过渡部分的区域中实现了轴向圆形凹槽(axial circular recess)，因此实现了所述目的。

轴向凹槽使得可以在装配或执行自冲铆接过程时减小需要的装配力。

减小需要的装配力的实现意味着在执行自冲铆接方法时对自冲铆钉和/或工件之一的损坏不太可能发生或甚至被排除。准确地说，在高强度的情况下，具体地在超高强度金属片的情况下，一旦通常实现为斜面或具有正半径的头部底面接触布置为待连接的工件的上部工件的上表面，通常装配力显着增加。

头部的底面在相对于杆部的头部突起的区域中优选地基本上径向对齐，或者然而相对于这样的径向平面被倒角，或者以杆部外表面和头部突起之间的角度大于或等于80°且小于140°的方式设置有半径。因此，头部突起优选地不能穿入到上部工件表面中。

圆形凹槽使得头部突起可以在装配操作期间相对于径向平面以圆形方式突出，使得头部突起在装配状态下相对于径向平面呈现大于0°的角度。

然而，根据本发明的自冲铆钉不仅在用于使用高强度和超高强度金属片的自冲铆接过程中时是有利的。根据本发明的自冲铆钉在其他应用(复合结构、超高强度钢、标准钢、CFK、Al)的情况下也是有利的。

特别地，当使用根据本发明的自冲铆钉进行自冲铆接过程时，在头部和杆部之间的过渡部分的区域中，自冲铆钉中的裂缝被防止或不太可能发生。

圆形凹槽可以以角度方式实现，但是优选地在纵向截面中实现为具有恒定凹槽形成的连续凹槽。特别优选的是，当凹槽由多个半径实现时，每个半径彼此连续地连接。

在本发明的自冲铆钉的情况下，凹槽的轴向深度与杆部直径的比值以应用于与高强度钢结合优选地小于0.3，尤其小于0.28，并且特别优选的方式是小于0.25或甚至小于0.2。

凹槽的轴向深度与杆部直径的比值优选地大于0.05并且优选地大于0.01，并且尤其大于0.12。

此外，上述目的通过一种自冲铆接接头实现，该自冲铆接接头具有上部工件和下部工件，上部工件和下部工件中的至少一者由金属实现，特别是由高强度钢实现，并且该自冲铆接接头具有再成形(reshaped)自冲铆钉，该自冲铆钉的头部抵靠上部工件，该自冲铆钉尤其是根据本发明的自冲铆钉。

最后，上述目的通过一种用于制造自冲铆接接头(特别是上述类型的自冲铆接接头)的方法实现，该方法具有提供包括至少一个上部工件和一个下部工件的工件组合或安排的步骤，以及以自冲力将根据本发明类型的自冲铆钉驱动到工件组合中的步骤。

在脚端处存在平坦表面部分的情况下，在自冲铆接过程期间，存在自冲铆钉的再成形，该再成形较少基于铆钉杆部的展开。凹槽的相对短的轴向深度的实现在于：由于铆钉的压缩而形成连接，该压缩尤其通过工件组合的高强度钢的反压力而产生。在这种情况下，由此形成的底切或凹陷可以相对较小。然而，由于高强度材料，即使相对小的底切也足以实现必要的接头拉伸强度。

此外，凹槽的优选相对小的轴向深度的进一步实现在于：自冲铆钉保持明显较高水平的稳定性，这使得甚至可以冲穿高强度和超高强度钢。

脚端处的平坦表面部分形成了对具有高强度钢的自冲铆接接头的新颖生产的贡献。换句话说，优选的是，当脚端的端面(也称为切削刃并且通常为圆形)至少部分地以平坦的方式实现时，优选地垂直于自冲铆钉的纵轴线对齐。

在这种情况下，工件组合的上部工件优选地由钢制成，并且其拉伸强度优选大于800N/mm²，特别是大于1000N/mm²。至少上部工件的拉伸强度可以高达1500N/mm²以上。

底部工件的拉伸强度在不加热的情况下优选地限制在大约600N/mm²。

换句话说，型钢(forming steel)(如以名称“

”为人所知，其中在热处理之前，微结构特别是由铁素体-珠光体结构构成)也能够使用根据本发明的自冲铆钉以必要的连接强度连接。

优选的是，自冲铆钉的强度或硬度以相应的方式适配。此外，优选的是，自冲铆钉是半空心自冲铆钉，其特别地制造成旋转对称和/或由钢制成一体。

铆钉的最小长度优选地是上部工件的厚度加上优选地大于2mm并且尤其等于3mm的长度。铆钉的最大长度优选地在工件组合的厚度范围内。

虽然针对具有高强度和超高强度钢的应用描述了自冲铆钉的上述优选形成，其中，自冲铆钉包括脚端处的平坦表面部分和优选地具有相对小的轴向深度的中央凹槽，但根据本发明的自冲铆钉的其他应用实例也可以实施用于普通钢或其他材料(例如铝)的应用。

在所述情况下，凹槽的轴向深度与杆部直径的比值优选地明显大于0.5，特别是大于0.75，并且甚至可以达到1或更高的值。另外，在这种情况下，优选地在杆部的脚端处实现圆形切割器，如已经公开的那样，例如用于所谓的C形铆钉。

因此完全实现了该目的。

特别优选的是，在一个变化中，当头部包括头部底面，头部底面实现为基本上垂直于自冲铆钉的纵轴线。

换句话说，优选的是，杆部和头部之间的过渡区域不是由半径或倾斜的锥形表面形成。因此，当进行自冲铆接过程时，即使在相对早的时间，也会导致所述过渡区域与最上面的工件的上表面接触，这导致高的装配力。

换句话说，头部以其头部底面实现为基本上垂直于自冲铆钉的纵轴线的方式的形成可以有助于减小需要的装配力。

根据本发明的可选过程，头部包括头部底面，头部底面参考径向平面以5°至45°之间的角度对齐，尤其是以5°至20°之间的角度对齐或以15°至45°之间的范围内的角度对齐。

在所述变型的情况下，头部的头部底面在轴向圆形凹槽的径向外侧整体地被倒角或者以基本上锥形的方式实现。

在所述形成的情况下，也能够明显减小装配力。作为倒角的结果，在许多实施例中，在装配操作之后并且在基本轴向方向上弯曲头部突起之后，倾斜的头部底面能够以基本上平坦的方式搁置在上部工件的上表面上，例如为了提供密封。这尤其适用于自冲铆钉被驱动到工件组合中相对较远的情况。自冲铆钉的头部的上表面优选地与上部工件的上表面对齐，或者甚至略微位于上部工件的上表面下方，使得自冲铆钉几乎埋入工件组合中。

根据另一优选实施例，轴向圆形凹槽实现在头部的头部底面上，头部底面相对于杆部径向突出。

就此而言，圆形凹槽优选地不径向延伸到杆部的区域中。

在所述实施例的情况下，仍然可以借助杆部在轴向方向上传递高的力，在适用的情况下，可以使头部突起弯曲。

另外，有利的是，当轴向圆形凹槽在面向杆部的第一径向凹槽部分中具有比在第二径向凹槽部分大的轴向深度。

这也有助于头部突起在装配操作期间能够相对于径向平面略微弯曲。在这种情况下以相对于杆部的纵轴线同心的圆形方式实现的虚拟弯曲“轴线”优选地在这种情况下位于第一径向凹槽部分中。

第一径向凹槽部分优选地直接邻近杆部。第二凹槽部分优选地与头部外周径向间隔开。

根据另一优选实施例，轴向圆形凹槽的径向长度与径向头部突出长度的比值大于0.2。尤其优选的是当所述比值大于0.3，尤其大于0.4或甚至大于0.5。轴向圆形凹槽的径向长度与径向头部突出长度的比值优选地小于0.9，尤其小于0.8，并且优选地小于0.7。

因此，当进行装配操作时，随着头部突起的较长部分相对于杆部的纵轴线弯曲，所需的装配力能够被进一步减小。

另外，有利的是，当轴向圆形凹槽的轴向深度与轴向头部高度的比值大于0.15。所述比值优选地大于0.25，尤其大于0.3。所述比值尤其小于0.6，优选地小于0.5并且尤其小于0.4。

轴向圆形凹槽的最大轴向深度优选地假设用于计算所述比值，该最大轴向深度优选地在轴向方向上偏离自冲铆钉的轴向位置，并且由位于圆形凹槽径向外侧的头部底面的最低位置限定。

圆形凹槽的轴向深度与轴向头部高度的上述比值也有助于减小所需的装配力。

根据另一优选实施例，头部的头部底面在轴向圆形凹槽的径向外侧的部分中被倒角。

在所述实施例的情况下，倒角部分是头部底面位于轴向圆形凹槽的径向外侧的整个部分。然而，头部底面的倒角部分也可以在径向方向上与轴向圆形凹槽间隔开，使得在轴向圆形凹槽和倒角部分之间实现基本上径向对齐的头部底面部分。

倒角优选地使得处于装配状态的所述倒角头部底面部分以基本平坦的方式搁置在连接工件的上表面上。

因此，可以增加装配的自冲铆接接头的密封紧密性。

头部底面部分或其锥角的对齐优选地在大于0°且小于45°的范围内。在径向上位于外侧的头部底面的所述锥角优选地对应于在相对于径向平面进行装配操作时头部突起的预期弯曲。

根据另一优选实施例，该实施例提供了一种自冲铆钉，其用于连接工件，尤其用于连接由高强度钢制成的工件，所述自冲铆钉具有包括头部直径的头部，和具有包括杆部直径的杆部，其中，所述杆部在处于与所述头部相反位置的脚端上包括具有轴向深度的轴向凹槽，其中，所述杆部在所述脚端上具有平坦表面部分或圆形切割器，其中，在纵向截面中，中央凹槽为截锥的形式，其中，凹槽的凹槽底部实现为锥体的形式，其中，凹槽底部的锥角与凹槽的锥角的比值小于0.4。

所述角度的比值优选地小于0.3，特别是小于0.25。所述比值优选地大于0.05并且特别是大于0.1，优选地大于0.2。

优选地形成非常扁平的锥体的锥形凹槽底部使得尤其可以简化自冲铆钉的可生产性，和/或实现块状件的优化接纳和/或改进的径向加宽，以在进行装配操作时形成底切。

当凹槽在纵向截面中呈截锥的形式时，凹槽在脚端区域中的直径优选地大于凹槽在凹槽底部区域中的直径。在所述实施例的情况下，凹槽的底部可以优选地是平坦的，但也可以以凹入或凸出的方式弯曲，或者如上所述以锥形方式实现。

根据另一优选实施例，中央凹槽在纵向截面中是拱形的。

在这种情况下，拱形形式可以通过单个半径产生，使得凹槽在纵向截面中呈圆弧的形式。

然而，特别有利的是，当凹槽在纵向截面中包括尖拱或哥特式尖拱的形式。

这种拱形形式由两个拱形产生，这两个拱形由圆构成并且具有顶点。

在这种情况下，优选的是，顶点借助合适的半径以达致圆端或圆化的效果。

此外，在尖拱形状的情况下，优选的是，当在纵向截面中观察时，各个拱形的中心点相对于各自相关联的拱形分别位于自冲铆钉的纵向中心轴线的不同侧。

在两个上述实施例(处于截锥的形式或处于拱形的形式)的情况下，有利的是，从头端作用的自冲力被适当地引入到脚端中。

总而言之，另一优选的是当中央凹槽不包括柱状部分。

凹槽中的柱状部分可导致不稳定性，并且在适用的情况下，在非常高的冲压压力下会导致断裂。

通过在凹槽内部免除柱状部分的设置，可以增加整个自冲铆钉的稳定性。

根据另一实施例，中央凹槽具有凹槽体积，其中，凹槽体积与杆部的体积的比值小于0.25，尤其小于0.18和/或大于0.05，尤其大于0.1。

就此而言，凹槽体积的计算是从自冲铆钉的脚端开始。杆部的体积包括标准外径，即仅是朝向自冲铆钉的头部的可能过渡部分，但包括因此而容纳在杆部体积中的凹槽体积。

一方面，相对小的凹槽体积为自冲铆钉产生高水平的稳定性。另一方面，从上部工件上分离出的块状件没有被凹槽接纳，而是在自冲操作期间被铆钉推到自身前面。这里的有利成果是：材料在自冲铆接工具的模具(die)内更大程度地再成形，而不是在凹槽内变形。

根据另一优选实施例，平坦表面部分实现为圆形表面部分并且在横截面中包括径向宽度，其中，圆形表面部分的径向宽度与杆部直径的比值大于0.05和/或小于0.25。

自冲铆钉优选地由硬度至少为500HV10(1630MPa)的钢制成，尤其硬度至少为650HV10，尤其硬度至少为700HV10。通常硬度少于800HV10。

在本发明的自冲铆接接头的情况下，当上部工件的轴向厚度大于或等于处于未变形状态的凹槽的轴向深度。

另外，在本发明的自冲铆接接头的情况下，有利的是，当块状件与上部工件分离，并且当块状件小于50％的体积，尤其小于30％的体积，优选地小于25％并且尤其优选小于20％，位于所述再成形自冲铆钉的所述凹槽内。

这起因于自冲铆钉被实现为使得其以相当大的方式被压缩，因此凹槽的体积减小，使得在自冲铆接操作期间将块状件基本上推到铆钉前面。

因此，下部工件的材料可以借助块状件以合适的方式在模具内部移位，使得下部工件的材料在自冲铆钉的杆部的底切后面流动。

总而言之，更有利的是，当再成形自冲铆钉的杆部相对于头部的方向上的力形成底切，其中，底切与杆部直径的比值小于0.1和/或大于0.01。

这导致底切的程度相对较小。然而，当连接高强度钢时，这种类型的小底切足以实现必要的连接强度。

根据自冲铆接接头的另一优选实施例，自冲铆钉在再成形之后的轴向长度与自冲铆钉在再成形之前的轴向长度的比值大于0.8和/或小于0.95。

这导致自冲铆钉由于其预定硬度而仅以相对小的方式被压缩，这也导致在径向方向上的相对小的底切。

这也导致自冲铆钉的最小长度优选地由上部工件的厚度加上优选地3mm或3.5mm的值形成，而自冲铆钉的最大长度优选地由工件组合的总厚度加1mm计算或等于工件组合的总厚度。

一般而言，还可以利用根据本发明的自冲铆钉进行自冲铆接过程，其中制造自冲铆接接头，特别是上述类型的自冲铆接接头，该自冲铆接过程具有提供包括至少一个上部工件和一个下部工件的工件组合或安排的步骤，以及以自冲力将根据本发明类型的自冲铆钉驱动到工件组合中的步骤。

在所述方法的情况下，有利的是，当工件组合被支撑在具有模具体积的模具上时，至少下部工件被驱动到模具中，模具体积与自冲铆钉的体积的比值优选地为大于或等于1.0，和/或小于或等于1.5。

模具体积是在自冲铆接操作期间至少下部工件的材料流入的体积，为此目的设置的模具凹槽的上边缘基本上与支撑表面齐平。在这种情况下，模具凹槽优选地为截锥形式，在接触表面的区域中具有相对大的直径，并且在模具体积的底部区域中具有较小的直径。

总而言之，能够以补充方式另外指出以下内容。在常规的自冲铆接的情况下，底切的形成是与连接强度的质量相关的特征。当根据本发明的铆钉具有更大的强度时，该特征不再是专用的。于是，铆钉需要相对坚固的上部工件，上部工件的块状件压缩铆钉，同时将铆钉稍微压开。与现有技术的铆钉相比，接头中的底切不是由经典的展开产生，而是由于高强度钢的反压力引起的铆钉的压缩而产生。在这种铆钉的情况下，对于上部工件的拉伸强度而言，应用范围通常最初为800N/mm²，特别是1000mN/mm²。由于由高强度金属片制成的轻质结构的强化使用，所述强度类别的钢已经用于车辆结构中。所述自冲铆钉的使用范围的下限优选地受到8kN的最小自冲力的限制，该力为穿孔/冲穿高强度工件组合的力。自冲铆钉的充分压缩(主要不是展开)从所述力开始，并且获得必要的压缩程度，其优选为至少0.15mm。为了评估连接质量，必须同时考虑压缩程度以及底切的形成。压缩程度由再成形之前的自冲铆钉的轴向长度减去再成形之后(即在装配状态下)的自冲铆钉的轴向长度进行计算。

显而易见的是，上述特征和下面还要说明的特征不仅可以以在每种情况下提供的组合使用，而且可以在不脱离本发明的框架的情况下以其他组合使用或单独使用。

附图说明

在附图中示出了本发明的示例性实施例，并且在以下描述中更详细地解释了本发明的示例性实施例，其中：

图1示出了现有技术的自冲铆钉的一个实施例的纵向剖视图；

图2示出了现有技术的自冲铆钉的另一个实施例的纵向剖视图；

图3示出了借助自冲铆接产生的自冲铆接接头的纵向剖视图；

图4示出了根据本发明的自冲铆钉的一个实施例的与图1相比的纵向剖视图；

图5示出了图4中的细节V的视图；

图6示出了根据本发明的自冲铆钉的另一个实施例的纵向剖视图；

图7示出了图6中的细节VII的视图；

图8示出了根据本发明的自冲铆钉的另一个实施例的纵向剖视图；

图9示出了图8中的细节IX的视图；

图10示出了根据本发明的自冲铆钉的另一个实施例的纵向剖视图；

图11示出了图10中的细节XI的视图；

图12示出了根据本发明的自冲铆钉的另一个实施例的纵向剖视图；以及

图13示出了图12中的细节XIII的视图。

具体实施方式

图1示出了旋转对称的半空心自冲铆钉或自穿铆钉的纵向截面的示意图，该自冲铆钉通常用附图标记10表示。

自冲铆钉10由实心钢或脱氧钢(solid steel)制成，并且优选地具有大于500HV的硬度。特别是通过压力成型来产生自冲铆钉。

自冲铆钉10包括头部12和杆部14，杆部14在轴向方向上连接到头部12。杆部14借助过渡部分16结合到头部12中。处于与头部12相反位置的杆部14的端部实现为脚端，并且脚端在图1中用附图标记18表示。

在脚端18上实现有平坦表面部分20，所述平坦表面部分实现为圆形表面部分，平坦表面部分20的外径由杆部14的外径限定，并且平坦表面部分20的内径由凹槽22的边缘限定，凹槽22从脚端18沿朝向头部12的方向延伸。

凹槽22在图1中以截锥的形式实现，并且包括从脚端18开始而锥形延伸的凹槽过渡部分24以及凹槽底部26。如图所示，凹槽底部26可以以平坦的方式实现，但也可以以凹入或凸出的方式实现。

此外，图1中示出了以下尺寸，每个情况中的所述尺寸的优选值也分别列在下表中：

在图1中的自冲铆钉的情况下，凹槽22的轴向深度LB与杆部直径DS的比值约为0.18。

径向宽度BF与杆部直径DS的比值约为0.09。

此外，凹槽体积与杆部体积的比值约为0.135，凹槽的体积大约计算为

VB＝(LB·π)/3·[(DB/2)²+DB·DB’+[(DB’/2)²]，

并且杆部的体积计算为

VS＝π·(DS/2)²·LS。

因此，杆部的体积VS包括凹槽体积VB。

在上表中提供的各个尺寸和角度的值可优选地在本发明的框架内在每种情况下向上或向下偏离至少20％，优选地在每种情况下向上和向下偏离10％。

图1还示出了在凹槽过渡部分24和凹槽底部26之间的过渡部处实现的半径RB。RB的值可以是例如0.35mm。DB’的值是近似值，例如，当在径向方向上观察时，该近似值在半径RB的中心测得。

另外，图1还示出了形成锥形过渡部分16和杆部14之间的过渡部的半径RH。RH的值可以是例如0.5mm或更小。

在图2中示出了根据本发明的自冲铆钉的可选实施例，并且也用基本附图标记10表示。在设计和操作方法方面，图2中的自冲铆钉10通常对应于图1中的自冲铆钉10。因此，相同的元件由相同的参考符号表征。下面基本上说明的是差异。

图2中的自冲铆钉10的凹槽22不是如图1中的自冲铆钉10的情况那样的截锥形式，而是以拱形方式实现。更确切地说，在纵向截面中，图2中的凹槽22具有尖拱的形式，该尖拱由两个圆弧构成，这两个圆弧在纵轴线上形成顶点。圆弧的原点(origin)在每种情况下位于纵轴线的与各自圆弧相反的一侧。在由两个圆弧形成的顶点的区域中，凹槽达致圆端或圆化的效果，而具有可以是例如0.5mm的半径。所述半径在图2中由附图标记R1示意性地示出。

两个圆弧的半径在图2中用附图标记R2示意性地示出，并且可以是例如大约4mm。

在图2中的自冲铆钉10的情况下，凹槽22的最大轴向深度优选地约为1.5mm，使得产生大约0.273的比值LB/DS。

直径DS和轴向长度LS以及其他尺寸可以与图1中的自冲铆钉10的尺寸相同。

图3在左侧示出了自冲铆接接头的纵向截面的示意图，该自冲铆接接头借助图1中的自冲铆钉10产生并且通常用附图标记30表示。

自冲铆接接头30连接工件组合32，工件组合32包括至少一个上部工件34和一个下部工件36，其中，至少上部工件可以是由高强度或超高强度钢制成的钢片。

图3示出了在自冲铆接操作期间自冲铆钉10*已经从上部工件34切割出块状件38并且将块状件推在自身前面。块状件的底面和下部工件36的底面之间的剩余底部(residual bottom)厚度用附图标记40表示。例如，该剩余底部厚度可以大于0.5mm。

另外，图3示出了再成形杆部14*的径向底切。由于上部工件34的相对硬的材料，自冲铆钉10*特别是在脚端区域中被压缩，使得自冲铆钉10*在脚端区域中的材料略为径向向外流动。由于自冲铆钉10*的高硬度，底切42非常小并且可以例如小于0.5mm，但通常大于0.05mm。相应地，底切42与杆部直径DS的比值优选地在0.1和0.01之间的范围内。

最后，图3示出了头部12*相对于上部工件34的上表面突出的突起44。突起44优选地小于处于未变形状态的自冲铆钉10的轴向高度LH。

另外，图3示出了再成形自冲铆钉10*的轴向长度LR*。在所示实例中，所述长度可以是例如大约4.4mm。再成形之后的自冲铆钉10*的轴向长度LR*与再成形之前的自冲铆钉10的轴向长度LR的比值优选地大于0.8和/或小于0.95。

如上所述，自冲铆钉10*在脚端区域中被压缩，使得剩余凹槽22*的剩余体积相对较小。因此，在所示实施例中，块状件38的体积的50％的最大部分，尤其是25％的最大部分被接纳在变形的凹槽22*内。

上部工件34的轴向厚度用附图标记L34表示。上部工件34的轴向厚度可以大于或等于处于未变形状态的自冲铆钉10的轴向深度LB。下部工件36的轴向厚度用附图标记L36表示。下部工件36的轴向厚度优选地大于L34。底部工件36优选地比上部工件34较软。

图3附加地示出了自冲铆接工具的模具50的示意图，借助该模具，轴向力(自冲力)52在自冲铆接操作期间被施加到自冲铆钉10的头部12的上表面上。模具50的凹槽以截锥的近似形式实现。第二工件34的稍微更柔软的材料被块状件38和模具50径向推开，并且就此而言，在底切42后面流动，使得自冲铆接接头30在工件34、36之间建立积极的锁定连接(positive locking connection)。

模具凹槽的体积优选地大于或等于处于未变形状态的自冲铆钉10的体积。具体地说，模具体积与自冲铆钉10的体积之比优选地大于或等于1.0和/或小于或等于1.5。

最小自冲力52优选地为8kN。

处于未变形状态的自冲铆钉10的最小长度由厚度L34加上可以是例如3或3.5的值产生。处于未变形状态的自冲铆钉10的最大长度可以等于总厚度L34+L36，或者形成如下值：该值等于总厚度+例如1mm的值。

上部工件34的拉伸强度优选地在大于800N/mm²，特别是大于1000N/mm²的范围内。下部工件36的拉伸强度优选地小于600N/mm²。自冲铆钉10优选地包括超过650HV的硬度(根据维氏硬度)。

图4和图5示出了根据本发明的自冲铆钉10’的实施例。在设计和操作方法方面，自冲铆钉10’通常对应于图1中的自冲铆钉10。因此，相同的元件由相同的参考符号表征。下面基本上说明的是差异。

虽然在图1中的自冲铆钉10的情况下，杆部14和头部外径之间的过渡部分16基本上由正半径RH和锥形表面(其连接到杆部14上直到头部12的外周)形成，但图4和图5中的自冲铆钉10’包括头部12’和过渡部分16’，过渡部分16’包括轴向圆形凹槽60。轴向圆形凹槽60形成为使得：如图4中的附图标记64所示，头部12’的相对于杆部14’径向突出的部分能够相对于虚拟径向平面围绕虚拟圆形旋转轴线62弯曲。

在预期的自冲铆接接头的情况下，因为上部工件34优选地由非常坚固的材料制成，因此头部12’的外部部分可以在适用的情况下在执行自冲铆接操作期间向上弯曲。因此，可以减小用于制造自冲铆接接头所需的装配力。这反过来可以在自冲铆接操作期间导致较小的应力，特别是在过渡部分16’的区域中。因此，可以减少或避免在过渡部分16’的区域中形成裂缝。

轴向圆形凹槽60包括面向杆部14’的第一径向凹槽部分66以及远离杆部14’的第二径向凹槽部分68。

第一径向凹槽部分66包括比第二径向凹槽部分68大的轴向深度。轴向圆形凹槽60总体上在头部12’的头部底面70的区域中实现，优选地使得凹槽60直接邻近杆部14’或杆部14’的外径DS(见图1)。

如图5所示，圆形凹槽60包括径向长度DA，该径向长度DA小于径向头部突出长度ΔD。DA与ΔD的比值优选地大于0.4，并且优选地小于0.9。

轴向圆形凹槽60附加地包括轴向深度LA。轴向深度LA与轴向头部高度LH’的比值优选地大于0.25并且优选地小于0.6。

头部12’的轴向剩余厚度LR优选地大于轴向圆形凹槽60的轴向深度LA。

圆形凹槽68的轴向深度LA从头部底面70开始。

由于径向圆形凹槽60在径向上短于头部突起，因此优选的是，在轴向圆形凹槽60的径向外侧实现头部底面部分，特别是从图4中可以看出，头部底面部分优选地被倒角。倒角的角度在图4中用附图标记αH’示出，并且优选地在2°和25°之间的范围内。倒角αH’的角度优选地对应于在自冲铆接操作期间头部12’的突出部分可以弯曲的角度。这在图3中的右侧示出。以这种方式制造的自冲铆接接头30’的再成形自冲铆钉10’*的头部12’*的突出部分也相对于径向平面弯曲角度αH’。由于倒角，在这种情况下可以实现抵靠上部工件34的上表面的基本平坦的邻接，使得能够密封完成的自冲铆接接头。

如图5所示，轴向圆形凹槽60优选地由多个半径RA₁、RA₂、RA₃形成。

半径RA₃从杆部外径开始，并且包括在0.05mm和0.3mm之间的范围内的值。优选地大于半径RA₃的半径RA₂优选地是RA₃的至少五倍，在径向向外的方向上连接到半径RA₃。RA₂的值优选地在0.5mm和2mm之间的范围内。

半径RA₃和RA₂以相同的方式弯曲。沿相反方向弯曲并且连续地结合到头部12’的倒角外部部分中的半径RA₁在径向向外的方向上连接到半径RA₂。半径RA₁优选地大于半径RA₃并且优选地小于半径RA₂，并且优选地在0.2mm和0.8mm之间的范围内。

半径RA₁、RA₂和RA₃以这种方式选择并以这样的方式连接到相邻部分：即轴向圆形凹槽60基本上由连续形式形成。

在图4中还可以看出，截锥形凹槽22’的底部26’以锥形方式实现，其锥角αC小于凹槽22’的锥角αB’。

锥形底部26’的轴向长度在图4中用附图标记LK示意性地示出。LK优选地明显小于LB’，特别是小于LB’的三分之一，特别是小于LB’的四分之一。

凹槽22’的锥形部分和底部26’的锥形部分之间的过渡部可以借助相应半径达致圆端或圆化的效果，但是为了清楚起见，在图4中未示出该相应半径。

在图6至13中示出了根据本发明的自冲铆钉的其他实施例。所述自冲铆钉通常由比上述自冲铆钉软的材料制成，并且包括中央凹槽的轴向长度与杆部外径的明显更大比值。另外，在脚端处设置，优选地非平坦的，纯粹径向对齐的表面部分。作为替代，杆部的脚端终止于圆形切割器80中，例如已知的所谓的C形铆钉。

然而，与上述自冲铆钉一样，图6至图13中所示的所有铆钉也包括轴向圆形凹槽以及头部，其形成、形式和功能通常可对应于上文参考图4和图5中的示例性实施例描述的轴向圆形凹槽和头部。因此，相同的元件由相同的参考符号表征。下面基本上说明的是差异。

在图6和图7所示的自冲铆钉10”的情况下，自冲铆钉10”设置有头部12’，头部12’的头部底面70以与图4和图5的自冲铆钉10’的头部底面类似的方式实现。然而，头部底面70的径向最外部分没有被倒角，而是仅以径向方式对齐。

另外，圆形凹槽60的径向长度与头部突出长度的比值优选地大于0.25并且优选地小于0.6。在图8至图13中的以下实施例的情况下，以优选相同的方式提供所述比值。

图8和图9示出了包括头部12”’的自冲铆钉10”’，头部12”’的轴向头部长度与图4至图7中的实施例相比明显更大，使得轴向圆形凹槽60的轴向深度与轴向头部高度的比值小于0.4并且优选大于0.15。

另外，在图8和图9中的实施例的情况下，头部12”’的头部上表面借助大半径RO结合到头部底面的区域中。

图10和图11中所示的自冲铆钉10^IV包括头部12^IV，头部12^IV的头部底面70^IV在轴向圆形凹槽60的径向外侧整个地以角度αH^IV倒角，该角度αH^IV可以在5°和30°之间的范围内。

在图12和图13中所示的自冲铆钉10^V的情况下，示出了具有头部底面70^V的头部12^V，其中轴向圆形凹槽60的径向外侧的一部分总体上以角度αH^V倾斜，该角度αH^V可以在25°和45°之间的范围内。

在自冲铆钉10’、10”、10^IV和10^V的情况下，相应头部的外表面以柱状方式实现，也就是说以与纵轴线基本平行的方式对齐。在自冲铆钉10”’的情况下，头部12”’的外表面纯粹由半径RO形成。

Claims

1.一种自冲铆钉(10)，其用于连接工件(34,36)，所述自冲铆钉具有包括头部直径(DH)的头部(12)，和具有包括杆部直径(DS)的杆部(14)，其中，所述杆部(14)在处于与所述头部(12’)相反位置的脚端(18’)上包括具有轴向深度(LB)的轴向凹槽(22)，其中，所述杆部(14)在所述脚端(18)上具有平坦表面部分(20)或圆形切割器(80)，

其中，在所述头部(12’；12”’；12^IV；12^V)与所述杆部(14’；14”；14”’；14^IV；14^V)之间的过渡部分(16)的区域中实现有轴向圆形凹槽(60)；

其特征在于，所述轴向凹槽(22’)不包括柱状部分；所述轴向圆形凹槽(60)形成为使得：所述头部(12)相对于所述杆部(14)的径向突出的外部部分在自冲铆接操作期间向上弯曲；所述轴向圆形凹槽(60)由包括第一半径(RA1)、第二半径(RA2)和第三半径(RA3)的多个半径形成；其中，所述第一半径(RA1)沿相反方向弯曲并且连续地结合到所述头部(12’)的倒角外部部分中，其中，所述第三半径(RA3)从杆部外径开始；其中，所述第二半径(RA2)和所述第三半径(RA3)以相同的方式弯曲，以及其中，所述第一半径(RA1)在径向向外的方向上连接到所述第二半径(RA2)。

2.根据权利要求1所述的自冲铆钉，其特征在于，所述轴向凹槽(22’)的所述轴向深度(LB)与所述杆部直径(DS)的比值小于0.3。

3.根据权利要求1或2所述的自冲铆钉，其特征在于，所述头部(12’；12”’)包括头部底面(70)，所述头部底面(70)实现为基本上垂直于所述自冲铆钉(10’)的纵轴线。

4.根据权利要求1或2所述的自冲铆钉，其特征在于，所述头部(12^IV；12^V)包括头部底面(70^IV；70^V)，所述头部底面(70^IV；70^V)参考径向平面以5°至45°之间的角度(αH^IV；αH^V)对齐。

5.根据权利要求1所述的自冲铆钉，其特征在于，所述轴向圆形凹槽(60)实现在所述头部(12’；12”’；12^IV；12^V)的头部底面(70)上，所述头部底面(70)相对于所述杆部(14’；14”；14”’；14^IV；14^V)径向突出；以及其中，所述轴向圆形凹槽(60)包括面向所述杆部的第一径向凹槽部分(66)以及远离所述杆部的第二径向凹槽部分(68)。

6.根据权利要求1所述的自冲铆钉，其特征在于，所述轴向圆形凹槽(60)在面向所述杆部(14’)的第一径向凹槽部分(66)中具有比在远离所述杆部的第二径向凹槽部分(68)大的轴向深度。

7.根据权利要求1所述的自冲铆钉，其特征在于，所述轴向圆形凹槽(60)的径向长度(DA)与径向头部突出长度(ΔD)的比值大于0.2。

8.根据权利要求7所述的自冲铆钉，其特征在于，所述头部(12’；12^IV；12^V)的头部底面(70；70^IV；70^V)在所述轴向圆形凹槽(60)的径向外侧的部分中被倒角。

9.根据权利要求1所述的自冲铆钉，其特征在于，所述轴向圆形凹槽(60)的轴向深度(LA)与轴向头部高度(LH’)的比值大于0.15。

10.根据权利要求1所述的自冲铆钉，其特征在于，在纵向截面中，所述轴向凹槽(22’)为截锥的形式，其中，所述轴向凹槽(22’)的凹槽底部(26’)实现为锥体的形式，其中，所述凹槽底部(26’)的锥角(αC)与所述轴向凹槽(22’)的锥角(αB’)的比值小于0.4。

11.根据权利要求1所述的自冲铆钉，其特征在于，所述轴向凹槽(22’)具有凹槽体积，其中，所述凹槽体积与所述杆部(14’)的体积的比值小于0.25和/或大于0.05。

12.根据权利要求1所述的自冲铆钉，其特征在于，所述平坦表面部分(20)实现为圆形表面部分(20)并且在横截面中包括径向宽度(BF)，其中，所述圆形表面部分(20)的所述径向宽度(BF)与所述杆部直径(DS)的比值大于0.05和/或小于0.25。

13.根据权利要求1所述的自冲铆钉，其特征在于，所述自冲铆钉(10)由硬度至少为500HV10的钢制成。

14.一种自冲铆接接头(30’)，其具有上部工件(34)和下部工件(36)，所述上部工件(34)和所述下部工件(36)中的至少一者由金属实现，并且所述自冲铆接接头(30’)具有根据权利要求1至13中任一项所述的自冲铆钉(10’*)，其中，所述自冲铆钉(10’*)的头部(12’*)抵靠所述上部工件(34)，而所述头部径向突出的外部部分向上弯曲。

15.根据权利要求14所述的自冲铆接接头，其中，所述上部工件(34)的轴向厚度(L34)大于或等于处于未变形状态的所述轴向凹槽(22’)的所述轴向深度(LB)。

16.根据权利要求14或15所述的自冲铆接接头，其中，块状件(38)与所述上部工件(34)分离，并且其中，所述块状件(38)的小于50％的体积，位于所述自冲铆钉(10’*)的所述轴向凹槽(22’*)内。

17.根据权利要求14所述的自冲铆接接头，其中，所述自冲铆钉(10*)的所述杆部(14*)相对于所述头部(12’*)的方向上的力形成底切(42)，其中，所述底切(42)与杆部直径(DS)的比值小于0.1和/或大于0.01。

18.根据权利要求14所述的自冲铆接接头，其中，所述自冲铆钉(10’*)在再成形之后的轴向长度(LR*)与所述自冲铆钉(10)在再成形之前的轴向长度(LR)的比值大于0.8和/或小于0.95。