CN112543847A - 连接元件和组件连接及产生组件连接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有空心圆柱连接轴(12)和驱动器(16)的连接元件(10)，通过驱动器(16)驱动连接轴(12)沿旋转方向旋转，空心圆柱连接轴(12)具有至少一个自由端，驱动器(16)设置于相对自由端的一端，空心圆柱连接轴(12)内部形成一个空腔。空腔中设置有沿中空圆柱连接轴(12)的圆周方向上作用的夹带结构(22)，该夹带结构(22)以平行于连接元件的轴线(M)或投影到圆周表面以相对于连接元件的轴线(M)不超过20°的角度偏差，在圆周表面沿旋转方向延伸，也/或被设置于驱动侧的端面。

Description

连接元件和组件连接及产生组件连接的方法
技术领域
本发明涉及权利要求1的前序部分所述的连接元件，权利要求12的前序部分所述的产生组件连接的方法，以及权利要求21的前序部分所述的组件连接。
背景技术
用于连接两个相互叠置的组件层的连接元件在现有技术中是已知的。它们也称为半空心自攻铆钉。美国2016/0332215 A1公开了一种此类半空心自攻铆钉，该铆钉被旋转嵌入，通过旋转使铆钉与基层之间的接触面变热，从而使铆钉更容易穿过基层。此外，在铆钉的空腔内还设有固定结构，以防止铆钉内的轴芯轴向松动。
发明内容
本发明的目的是提供一种产生连接组件的连接元件，可以提高两个相互叠置组件层的剪切强度。
以已知方式，连接元件包括连接轴和驱动器，驱动器驱动连接轴在一个方向上旋转，空心圆柱连接轴包含至少一个自由端，驱动器和自由端分别位于连接轴的两端，并且空心圆柱连接轴在其内部形成一个空腔。
根据本发明，空腔中设有夹带结构，其在空心圆柱连接轴的圆周方向上发挥作用。夹带结构以平行于连接元件的轴线，或者投射到圆周表面以相对于连接元件的轴线不超过20°的角度偏差，在圆周表面延伸，以及/或所述夹带结构设置在驱动端端面。
所述夹带结构，在空心圆柱连接轴内从组件连接的顶层切割出轴芯，并使轴芯与连接轴一起旋转，轴芯与连接元件一起旋转，使得轴芯焊接至基层。与基层焊接的轴芯在顶层内部延伸并扩张，在剪切方向上形成形状配合连接。这样大大增加了基层与顶层之间的抗剪强度。
优选地，连接元件具有与连接轴相连的轴肩。这样，除组件之间的形状配合连接之外，在顶层和轴肩之间沿连接元件的纵轴也形成形状配合连接。使得两个组件不仅可以在横向上相互加强连接，在纵向上也可以相互加强连接，尤其是在轴芯焊接后的铆接过程中连接轴在基层内发生扩张时。
根据其中一种设计方案，轴肩可以是闭合连接轴的头部的一部分。这是一种尤为简单的设计方案，类似于可旋转的半空心自功铆钉。
作为替代方式，轴肩可设计为环形轴肩，其设计有中心孔槽，其最小直径至少等于空心圆柱连接轴的内径。这样设计的效果是，在环形轴肩和顶层之间形成材料配合连接，且同时能使轴芯材料向上穿过空心圆柱连接轴。向上的材料用来再形成头部。因此降低了进入组件连接的整体材料，且降低了组件连接的高度。
优选地，中心孔槽的直径在远离连接轴的自由端的方向上增大，以实现更大容量地容纳轴芯材料，并形成一个轴肩几何形状，当施加轴向力时，可以更好地压向顶层。
优选地，驱动器置于头部和/或轴肩。这尤其保证了旋转运动的有效传输。
根据另一个优选设计方案，设置在驱动端端面的夹带结构形成于头部底端。
以一种特别有利的方式，夹带结构以直线平行于连接元件的轴线，或者以相对于连接元件的轴线不超过20°的角度偏差投影到圆周表面，在圆周表面延伸，设置成凸起状。其优势在于，凸起结构可以更好地作用于轴芯壁，从而可靠地保证了轴芯的旋转夹持。通过凸起状夹带结构，使得位于径向更内侧的水平面在横截面上的面积比位于径向更外侧的水平面小。
除了凸起状夹带结构外，或为了替代凸起状夹带结构，也可以将以平行于连接元件的轴线的直线，或者相对于连接元件的轴线不超过20°的角度偏差投射到圆周表面，在圆周表面延伸的夹带结构，设计成凹槽状。
根据另一个优选设计方案，在自由端设置一个尖端面，特别表现为斜切结构。这样，一方面便于从顶层中切出轴芯，另一方面便于将连接元件旋入基层，并且自由端在基层内部发生形变而扩大。
连接元件由黑色金属，特别是钢制成。
根据本发明，连接元件的总长度最好小于空心圆柱连接轴的外径的2.5倍，尤其是是要短于10毫米。
本发明另一个方面，提供一种在两个组件层之间产生组件连接的方法，所述组件层包括基层和覆盖在基层的顶层。在本方法中，向具有空心圆柱连接轴的连接元件施加轴向力并旋入顶层。由此，在连接轴内部从顶层切割出轴芯，并由连接元件带动旋转，向轴芯施加轴向接触力，从而使轴芯在旋转和接触力的作用下与基础层焊接在一起，之后至少部分连接元件再压入基层。
优选地，驱动连接元件直到轴芯被焊接所需的最小转速为2000转/分钟。为此，连接元件可具有半空心连接轴或空心连接轴，每种情况都可设有或不设夹带结构。
根据本发明所述方法的改进方案，包括至少第一方法阶段，对连接元件施加高转速，特别是超过5000转/分钟的转速和小于3kN的轴向力。这样设置，使得在连接元件与基层表面接触前，可以保证连接元件在切出轴芯时不变形。
此外，根据本发明，还可以设计第二方法阶段，通过旋转继续对轴芯施加轴向接触力，将切出的轴芯焊接到基层，其中工具施加的轴向力大于初始轴向力，优选可以超过6kN。转速可与第一阶段持平或降低，以尽可能避免轴芯与下层组件之间产生滑动效应。
当从初始位置开始，连接元件在轴向方向上穿过顶层的厚度时，可以开始第二方法阶段。
接触力可以施加到连接元件上，在该连接元件与空心圆柱连接轴驱动方向相反的另一端设置密封连接轴的头部，接触力通过连接元件的头部再作用到轴芯上。
根据本发明，连接元件在驱动方向相反的方向上，至少在空心圆柱连接轴的空腔上是开口的，设置工具施加于连接元件的接触力直接作用于轴芯上。
此外，根据本发明，还可以设计第三方法阶段。第三方法阶段可以在第二方法阶段之后或在第一方法阶段之后立即进行。在这一方法阶段，连接元件和轴芯在转速递减，特别是递减至零的情况下被施加一个轴向力，特别是超过8kN，该轴向力大于第二方法阶段的摩擦轴向力。由此，连接元件在轴向上完成与基层和/或顶层的形状配合连接。优选地，当头部即将接触到顶层表面时，特别是在头部底端与顶层的距离在1/10毫米至5/10毫米之间时，终止第二方法阶段并启动第三方法阶段。由此，已知组件层的厚度和连接元件的尺寸，即可预先计算出对应的路径。第三方法阶段优选在预定的时间段后终止，时间段为0.1秒至0.5秒。
特别是在第一和第二方法阶段，应控制轴向力和转速，使这些变量尽可能保持恒定。第三方法阶段也可以这样控制。在这种方法中，连接元件在轴向力和旋转的作用下穿入复合材料组件中。
如果连接元件在反向于其驱动方向的空心圆柱轴的空腔上是开口的，同时设置工具施加于连接元件的接触力直接作用于轴芯上，可使轴芯在与其驱动方向相反的端部扩大。这样，在轴芯和顶层之间形成形状配合连接。轴芯与顶层可直接形成形状配合连接，或者通过连接元件间接形成形状配合连接。
依据本发明的方法，优选可用于产生包含至少一层镁合金和/或至少一层铝合金，特别是AL 5xxx、AI 6xxx或AI 7xxx的组件连接。为此，在第一方法阶段，在轴向力约为2kN的情况下，设定转速约为8000转/分钟。在第二方法阶段，在轴向力约为8kN的情况下，设定转速约为5000转/分钟。第三方法阶段的轴向力约为9kN，转速控制为0转/分钟。这种设定，连接元件优选是钢材料制成。所述“约为”指的是正负20％的偏差。
此外，本发明还涉及一种组件连接，包括基层和至少一个覆盖其上的顶层，以及一个具有空心圆柱连接轴和驱动器的连接元件，连接轴通过驱动器在旋转方向上驱动旋转。空心圆柱连接轴具有一个自由端，驱动器和自由端分别置于连接轴的两端，并且空心圆柱轴在其内部形成一个空腔。
空心圆柱连接轴在自由端的部分完全被基层包裹，从顶层中切出的轴芯容纳于空心圆柱连接轴内。
在连接元件的空腔中，基层和轴芯形成材料连接。
优选地，在空心圆柱连接轴的空腔圆周方向设有夹带结构，该夹带结构被轴芯材料包裹，在基层和轴芯进一步形成材料连接。
优选地，组件连接包括轴向上的形状配合连接，通过在径向上将凸出于顶层的轴芯材料挤压成环，形成与顶层层和/或连接元件的形状配合连接。
根据另一个有利的设计方案，轴向上的形状配合连接可以通过连接元件与顶层的闭锁连接和连接元件与基层的闭锁连接实现。
特别是，通过扩大连接元件在旋入方向的尾部自由端，实现与基层的形状配合连接。
连接元件的强度应高于基层和顶层的强度。这样既保证了轴芯从顶层顺利地切割出，又保证了连接元件能够穿入基层。
通常情况，基层和顶层由有色金属制成，连接元件由钢材或有色金属制成。
此外，基层和顶层或仅顶层可由热塑性材料制成，连接元件可由塑料材料或钢材或有色金属制成。
在特别有利的设计方案中，组件连接的连接元件可设计成如上所述的方式。
附图说明
上述发明进一步的优势、特征和可能应用，由以下视图所示的实例方式的描述得出，具体图示为：
图1为根据本发明的一个连接元件的侧示图；
图1A为根据本发明的连接元件的图1的的剖视图；
图1B为图1所示的连接元件的连接轴的横截面图；
图2为图1所示的设有环形轴肩的连接元件的从上往下看的透视图；
图3为根据本发明的连接元件的另一个实施方式的侧视图；
图3A为图3所示的连接元件的剖视图；
图3B为图3所示的连接元件的连接轴的横截面图；
图4为根据本发明的另一个连接元件的侧视图；
图4A为图4的所示连接元件的剖视图；
图4B为图4所示连接元件的连接轴的横截面图；
图5A为用图1所示连接元件产生组件连接的第一阶段；
图5B为用图1所示连接元件产生组件连接的第二阶段；
图5C为用图1所示连接元件产生组件连接的第三阶段；
图6A为用图4所示连接元件产生组件连接的第一阶段；
图6B为用图4所示连接元件产生组件连接的第二阶段；
图6C为用图4所示连接元件产生组件连接的第三阶段。
具体实施方式
图1为本发明的一个连接元件10的侧示图，所述连接元件用于连接基层和覆盖其上的顶层。连接元件10包括具有自由端14的空心圆柱连接轴12以及一个设置在空心圆柱连接轴12上与自由端14相对的另一端的驱动器16。驱动器16设计为外置式驱动器，并具有相应的形状连接结构。将结合后面的视图对连接元件10进行更详细地描述。
图1A为所述连接元件10的剖视图，其显示了空心圆柱连接轴12和成型于驱动器16上的轴肩18。空心圆柱连接轴12的内圆周表面20有凸纹22，在本实施案例中，凸纹22贯穿整个空心圆柱轴，连接元件10的凸纹22用于夹带在连接元件10旋转过程中从顶层移除的轴芯。在连接元件旋转过程中夹带从顶层移除的轴芯使得轴芯在之后的摩擦焊接过程中与基层一体接合。
中空圆柱连接轴12的自由端14上设有斜切部26，以利于穿透顶层12，并在必要时使中空圆柱连接轴12在与基层形变过程中得以扩张。
此图也显示了凸纹22与连接元件10的中心轴M平行。
图1B为沿穿过连接元件10的连接轴12的线B-B的横切面示意图。从图中可以看出，在本实施案例中，侧表面20上设置有3条凸纹22。凸纹22用于夹带在连接元件旋转过程中从顶层挤出的轴芯，使得轴芯与基层在基层的前端面形成焊接连接。
图1A清楚地显示连接元件10是完全中空的。因此轴肩18是围绕着开口24延展的，靠口24在连接轴12的自由端14相反的方向上变宽。通过这种方式可以使从顶层分离的材料在连接过程中穿过连接元件10，从而可以实现连接元件与轴芯之间的形状配合连接。
图2为图1所示连接元件10的立体图。在图2中可以特别清楚的看到连接元件10的中间有开口24.该开口24在连接过程中被完全填满，以保证连接的紧密性。这个开口24尤其有利于对连接元件和基层之间没有建立形状配合连接的连接。
组件连接的完成过程将结合图5a至5c进行详细描述。
图3图3A和图3B为根据本发明的连接元件的30的另一个实施方式。图3A为图3所示的连接元件沿线A-A的剖视图。此连接元件30与图1所描述的连接元件10基本相同.图3所示的实施方式与图1的不同之处在于，夹带结构不是凸纹22形式，而是凹槽22形式，穿过连接轴的横切面B-B的截面图3B中特别清楚地显示该结构。
图4为连接元件40的另一个实施方式，与图1一样，具有连接轴42，但是驱动器48不是设置在轴肩44上，而是设置在轴肩44的头部46上。在此实施方式中，头部46在其顶端部形成空心圆柱连接轴42的端部，可从连接元件40的横切面A-A的示意图4A中看出。在本实施方式中，从顶层切出的材料不能从连接元件中溢出。在本实施方式中，施在轴芯上的力是通过头部46传导的。
图4B为连接元件40的透视图，从中可以看到头部46封闭的表面。
图5A到5C为根据本发明在基层52、顶层54和如图1所示的中空的连接元件58之间产生连接的方法步骤的示意图。
基层52和顶层54被设置于工作板56和装配设置装置之间。
装配设置装置包括驱动工具60，用于驱动连接元件58朝一个方向转动。同时在驱动方向给连接元件58施加轴向接触力。驱动工具60具有中心凸起61，特别为圆锥形，凸起61在连接元件5在装配时能进入连接元件58的腔体里。相应的，连接元件58置于顶层54上。
图5B为根据本发明的组件连接的方法阶段图，连接元件58在旋转和接触力的作用下，从顶层切出一个轴芯62，轴芯62容纳于空腔中。轴芯被设置在空腔中的夹带结构64旋转夹带，并在接触力和转动的作用下与基层52的材料产生摩擦焊连接。
图5C为当连接元件进一步穿入基层52时，轴芯62的材料会上升，上升至驱动工具60并由驱动器工具中的凸起61向侧边挤压，由此轴芯62和头部呈锥形凹陷的连接元件58形成形状配合连接。通过这种方式，顶层54与基层52之间通过连接元件58和轴芯62形成可靠的连接。
图6A至6C为根据本发明产生组件连接的另一实施方式，该实施方式与图5A至5C所示的产生组件连接的方法相似。此组件连接包括基层72，覆盖在基层72上面的顶层74、以及根据本发明特别是根据图4所示的连接元件。连接元件78包括空心连接轴76和与之相连的设有驱动器的头部80，所述头部形成连接轴76的端部.基层72和顶层74最好是铝制品，而连接元件78由钢铁制成。如上所述，连接元件78最好在第一切割阶段以2000转每分钟的转速旋入顶层74，其接触力最好小于3kN。由此，从顶层74切割出的材料形成轴芯82，在旋转的过程中，由设在侧表面内侧的夹带结构夹带，夹带结构最好是平行于连接元件的轴线M的凸纹形状，并且轴芯82的前端面与顶层焊接连接。与前一阶段切割相比，焊接连接最好在更高的接触力下进行。施加在轴芯82上的紧压力由驱动工具(此处未示出)经由连接元件的头部传导。
此外，图6C示出了最终的组件连接，在基层72和轴芯82之间形成了材料连接。其中，连接元件78的变形是这样进行的，根据铆钉连接方式，连接元件78借助工作板84穿入基层72中，并以这样的方式发生形变，即在基层72中的连接轴76的端部向外扩展，从而在基层72和顶层74之间在设置方向上完成了形状配合连接。特别地，铆接操作是在接触力增大的情况下进行的。
因此通过摩擦焊接与基层72连接的轴芯78在剪切方向，即与装配设置装置横向的方向，提供了更大的承载力。

Claims (28)

1.一种连接元件(10，30，40，58，78)，包括空心圆柱连接轴(12，42，76)和驱动器(16，48)，驱动器在旋转方向上驱动连接轴旋转，所述空心圆柱连接轴(12，42，76)包括至少一个自由端，所述驱动器(16，48)与自由端相对设置，并且所述空心圆柱连接轴(12，42，76)在其内部形成一个空腔，其特征在于，所述空腔内设有夹带结构(22，32)，作用于所述空心圆柱连接轴(12，42，76)的圆周方向上，所述夹带结构(22，32)以平行于所述连接元件的轴线(M)或投射到圆周表面以相对于连接元件的轴线(M)不超过20°的角度偏差，在圆周表面沿旋转方向延伸，所述夹带结构(22，32)也/或设置于驱动侧的端面。
2.根据权利要求1所述的连接元件，其特征在于，所述连接元件具有与连接轴(12，42，76)相连的轴肩(18，44)。
3.根据权利要求2所述的连接元件，其特征在于，所述轴肩(18，44)是与连接轴相连的头部(46)的一部分。
4.根据权利要求2所述的连接元件，其特征在于，所述轴肩(18)采用环形轴肩(18)的形式，并具有中心孔槽(24)，中心孔槽(24)最小直径至少等于所述空心圆柱连接轴(12)的内径。
5.根据权利要求4所述的连接元件，其特征在于，所述中心孔槽(24)的直径在远离连接轴(12)的自由端的方向上增大。
6.根据权利要求2-4任一项所述的连接元件，其特征在于，所述驱动器(16，48)形成于所述头部(46)和/或所述环形轴肩(18)上。
7.根据权利要求3-6任一项所述的连接元件，其特征在于，设置在所述驱动器端面的所述夹带结构形成于头部底端。
8.根据前述权利要求任一项所述的连接元件，其特征在于，所述夹带结构以平行于所述连接元件的轴线，或者投射到圆周表面以相对于连接元件的轴线不超过20°角度偏差，在圆周表面上延伸，设置成凸起状。
9.根据前述权利要求任一项所述的连接元件，其特征在于，所述夹带结构以平行于所述元件的轴线，或者投射到圆周表面以相对于所述元件的轴线不超过20°角度偏差，在圆周表面上延伸，设置成凹槽状。
10.根据前述权利要求任一项所述的连接元件，其特征在于，所述自由端设有尖端面，特别是以斜切结构(26)形式呈现。
11.根据前述权利要求任一项所述的连接元件，其特征在于，所述连接元件由铁金属，特别是钢铁制成。
12.一种在两个组件(52，54，72，74)之间产生组件连接的方法，所述组件连接包括基层(52，72)和覆盖其上的顶层(54，74)，其中，具有空心圆柱连接轴的(12，42，76)的连接元件(10，30，40，58，78)在旋转力和轴向力的作用下旋入顶层，在所述连接轴内从顶层(54，74)中切割出轴芯(62，82)，所述轴芯(62，82)在连接元件旋转时被夹带，所述轴芯(62，82)在旋转和接触力的作用下与所述基层(52，72)焊接在一起，之后至少部分连接元件再压入至基层。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，在所述轴芯(62,82)被焊接前，驱动所述连接元件(10，30，40，58，78)所需的最小转速是2000转/分钟。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，在第一阶段中，对所述连接元件(10，30，40，58，78)施加适当的转速和轴向力，使所述连接元件(10，30，40，58，78)在切出轴芯(62，82)时不变形，直至所述连接元件(10，30，40，58，78)与基层(52，72)表面接触。
15.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于，在第二阶段中，继续旋转对所述轴芯(62，82)施加轴向力，将所述轴芯(62，82)焊接到所述基层(52，72)，其中施加的轴向力大于第一阶段的轴向力。
16.根据权利要求15所述的制造方法，其特征在于，所述连接元件(10，30，40，58，78)在所述空心圆柱连接轴(12，42，76)的驱动方向相反的方向上的另一端是头部，连接元件的头部所述轴芯(62，82)向施加用于焊接的轴向力。
17.根据权利要求15所述的制造方法，其特征在于，所述连接元件(10，30，40，58，78)在其驱动方向相反的方向上，至少空心圆柱连接轴(12，42，76)的内表面是敞开设置的，并且由设置工具施加于所述连接元件(10，30，40，58，78)的接触力作用于轴芯(62，82)上。
18.根据权利要求15-17任一项所述的制造方法，其特征在于，在第三阶段中，对所述连接元件(10，30，40，58，78)和所述轴芯(62，82)施加焊接轴向力，以减小的转速和相对于焊接轴向力更大的铆接轴向力来形成轴芯与所述基层(52，72)和/或顶层在轴向上的形状配合连接。
19.根据权利要求18所述的制造方法，其特征在于，所述连接元件(10，30，40，58，78)在驱动方向的相反方向上，至少空心圆柱连接轴(12，42，76)的内表面是敞开设置的，通过设置工具施加于所述连接元件(10，30，40，58，78)的接触力将作用于所述轴芯(62，82)上，使所述轴芯(62，82)在其驱动方向相反的方向上的端部扩大。
20.一种组件连接，包括基层(52，72)、至少一个覆盖基层上的顶层(54，74)、以及具有空心圆柱连接轴的(12，42，76)和驱动器的连接元件(10，30，40，58，78)，驱动器驱动连接轴在旋转方向上旋转，所述空心圆柱连接轴包括至少一个自由端，所述驱动器位于与自由端相对的一端，并且所述空心圆柱连接轴在其内部形成一个空腔，空心圆柱连接轴的一部分被所述基层(52，72)完全包裹，所述轴芯(62，82)在空心圆柱连接轴内从顶层(54，74)中切割出，其特征在于，在所述空腔中，基层和所述轴芯之间形成的材料结合。
21.根据权利要求20所述的连接组件，其特征在于，作用于所述中空圆柱连接轴圆周方向的所述夹带结构设置于所述空腔内，其被所述轴芯的材料所包裹。
22.根据权利要求20或21所述的连接组件，其特征在于，所述轴芯(62，82)径向移除的材料从顶层凸出，在所述覆盖层(54，74)和/或所述连接元件(10，30，40，58，78)上形成轴肩，产生轴向上有效的形状配合连接。
23.根据权利要求20或21所述的连接组件，其特征在于，轴向上有效的形状配合连接通过所述连接元件(10，30，40，58，78)与所述顶层(54，74)以及所述连接元件(10，30，40，58，78)与所述基层的形状配合连接实现。
24.根据权利要求20-23任一项所述的连接组件，其特征在于，通过扩大所述连接元件(10，30，40，58，78)的自由端，实现与所述基层(52，72)形状配合连接，自由端在驱动方向上延伸。
25.根据权利要求20至24任一项所述的连接组件，其特征在于，所述连接元件(10，30，40，58，78)的强度高于所述基层(52，72)和所述顶层(54，74)的强度。
26.根据权利要求20至25任一项所述的连接组件，其特征在于，所述基层和所述顶层(54，74)由非铁金属制成，所述连接元件由钢铁或者非铁金属制成。
27.根据权利要求20至25任一项所述的连接组件，其特征在于，所述基层和所述顶层(54，74)由热塑性材料制成，所述连接元件由塑料或者钢铁或非铁金属制成。
28.根据权利要求20至27任一项所述的连接组件，其特征在于，所述连接元件是权利要求1至11任一项所述的连接元件。
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