DE102009006775A1

DE102009006775A1 - Fügeelement und Verfahren zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke

Info

Publication number: DE102009006775A1
Application number: DE102009006775A
Authority: DE
Inventors: Jörg Möhring; Michael Dipl.-Ing. Ruther (Fh); Tobias Dipl.-Ing. Baron
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2009-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fügeelement (10) zum Fügen zweier aneinander anliegender Werkstücke (38, 40), mit einem im Wesentlichen bezüglich einer wenigstens zweizähligen Rotationssymmetrieachse (28) rotationssymmetrischen Eindringabschnitt (14), welcher durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück (38) hindurchbewegbar ist und in ein zweites Werkstück (40) eindrückbar ist, ohne dieses zu durchdringen, wobei das Fügeelement (10) dabei durch beim Eindrücken entstehende Reibung stoffschlüssig mit dem zweiten Werkstück (40) verbindbar ist, während die Werkstücke (38, 40) in Anlage gehalten sind, wobei der Eindringabschnitt (14) einen balligen Vorsprung (20) mit einer Abflachung (22) aufweist, welche eine ringförmige Kante (24) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fügeelement zum Fügen zweier aneinander anliegender Werkstücke nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 2 und 6, sowie ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 16.
Gattungsgemäße Fügeelemente und Verfahren sind bereits aus der DE 10 2006 013 529 A1 bekannt, welche als vollumfänglich mitoffenbart gelten soll. Derartige Fügeelemente dienen zum Fügen zweier aneinander anliegender Werkstücke, insbesondere Blechbauteile unterschiedlicher Härte. Ein solches Fügeelement weist einen im Wesentlichen bezüglich einer wenigstens zweizähligen Rotationssymmetrieachse rotationssymmetrischen Eindringabschnitt auf. Bei der Verwendung des Fügeelementes wird dieses zunächst durch rotatorische und translatorische Bewegung durch das erste Werkstück hindurchbewegt und dann in das zweite Werkstück eingedrückt, ohne dieses zu durchdringen. Durch die beim Eindrücken entstehende Reibung wird das Fügeelement stoffschlüssig mit dem zweiten Werkstück verbunden, während die Werkstücke in Anlage aneinander gehalten sind. Mit anderen Worten handelt es sich um eine Kombination aus einem trennenden und einem Fügeverfahren, wobei zunächst das erste Werkstück ohne Vorbohrung durchdrungen wird und dann durch Reibschweißen ein Stoffschluss mit dem zweiten Werkstück hergestellt wird. Die aus dem Stand der Technik bekannten Fügeelemente sind jedoch problematisch in der Handhabung und führen zu ungleichmäßiger Qualität der entstehenden Fügeverbindungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Fügeelement sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass die Prozesssicherheit des Fügens zweier Werkstücke verbessert wird und die Fügequalität erhöht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Fügeelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Fügeelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2, ein Fügeelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.
Ein gattungsgemäßes Fügeelement zum Fügen zweier aneinanderliegender Werkstücke weist einen Eindringabschnitt auf, welcher im Wesentlichen bezüglich einer wenigstens zweizähligen Rotationssymmetrieachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der Eindringabschnitt ist durch rotatorische und translatorische Bewegung durch ein erstes Werkstück hindurchbewegbar und in ein zweites Werkstück eindrückbar, ohne dieses zu durchdringen, wobei das Fügeelement dabei durch beim Eindrücken entstehende Reibung stoffschlüssig mit dem zweiten Werkstück verbindbar ist, während die Werkstücke in Anlage aneinander gehalten sind. Es entsteht also ein Form- und/oder Kraftschluss zwischen dem Fügelement und dem ersten Werkstück sowie ein Stoffschluss und gegebenenfalls ein zusätzlicher Kraftschluss zwischen dem Fügeelement und dem zweiten Werkstück.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Eindringabschnitt einen balligen Vorsprung mit einer Abflachung aufweist, welcher eine ringförmige Kante aufweist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausgestaltung des Fügeelementes, welches allein aufgrund der Reibung zwischen Fügeelement und erstem Werkstück in dieses eindringen und dieses schließlich durchdringen kann, ohne dass komplexe Geometrien notwendig sind.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in Patentanspruch 2 beschrieben. Diese weist dieselben gattungsbildenden Merkmale wie die eingangs beschriebene Ausführungsform auf, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass der Eindringabschnitt wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide aufweist. Damit wird das Durchdringen des ersten Werkstückes erleichtert, da durch die Schneide zunächst spanend eine Durchgangsöffnung für den Eindringabschnitt geschaffen wird. Da das zweite Werkstück in der Regel aus einem härteren Werkstück ausgebildet ist, findet dort keine spanende Abtragung statt, vielmehr wird durch den Eindringabschnitt die gewünschte Reibungshitze erzeugt, welche zu einer stoffschlüssigen Verbindung des Fügeelementes mit dem zweiten Werkstück führt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide spiralarmförmig bezüglich einer Rotationssymmetrieachse des Eindringbereiches geführt. Dies ermöglicht einen besonders homogen Materialabtrag über die gesamte Schneidfläche des Eindringabschnitts.
Weiterhin weist der Eindringabschnitt bevorzugt wenigstens eine weitere, geradlinig verlaufende geometrisch bestimmte Schneide auf. Insbesondere in der Kombination der beiden Schneidenverläufe wird ein besonders günstiger Materialabtrag und damit ein besonders prozesssicheres Verbinden der beiden Werkstücke ermöglicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide an einem Vorsprung des Eindringabschnittes vorgesehen, welcher einen Hinterschnitt mit einer planen Stirnfläche des Eindringabschnitts ausbildet. Durch den Hinterschnitt werden Ausweichräume für entstehende Späne geschaffen, welche so schnell aus dem unmittelbaren Schneidebereich geräumt werden können, bevor sie den Durchdringungsbereich des Eindringabschnitts im ersten Werkstück verlassen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform, die ebenfalls die gattungsbildenden Merkmale der beiden eingangs geschilderten Ausführungsformen teilt, ist vorgesehen, dass der Eindringabschnitt einen balligen Vorsprung mit wenigstens einer spaltförmigen Aussparung aufweist. Auch hier werden Ausweichräume für entstehende Späne bzw. Abrieb geschaffen, welcher so leichter aus dem Eindringbereich abgeführt werden kann. Bevorzugt weist der ballige Vorsprung dabei zwei rechtwinklig zueinander angeordnete spaltförmige Aussparungen auf.
Die im Folgenden geschilderten Merkmale sind mit allen drei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kombinierbar. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Eindringabschnitt zumindest bereichsweise ein polygonales Profil aufweisen. Unter polygonal ist hier im Sinne der DIN 32711 folgende ein Unrundprofil mit gerundeten Eckbereichen zu verstehen. Damit werden wiederum Freiräume für die Abfuhr von Spänen und Abrieb geschaffen, was die Prozesssicherheit bei der Verwendung des Fügeelementes weiter verbessert.
Auch für die werkstofftechnische Ausgestaltung des Fügeelementes bestehen mehrere alternativ oder in beliebiger Kombination einsetzbare Möglichkeiten. Bevorzugt weist das Fügeelement ein austenitisches Gefüge auf, was ihm besonders vorteilhafte Festigkeitseigenschaften verleiht. Bevorzugt ist das Fügeelement dabei aus einem mangan- und/oder borhaltigen Stahl, insbesondere aus 23MnB4 oder 22MnB5 ausgebildet.
Die Oberfläche des Fügeelementes kann durch Aufkohlen gehärtet sein, wodurch eine besonders widerstandsfähige Einsatzschicht entsteht. Die Vickershärte der Oberflächenschicht ist dabei bevorzugt größer als 400 HV.
Zum weiteren Verbessern der Oberflächeneigenschaften kann zusätzlich eine Oberflächenbeschichtung vorgesehen sein. Diese kann durch einen Chemisch-Nickel-Prozess, durch Plasmaspritzen, durch kinetisches Kaltgaskompaktieren, durch Flammspritzen, durch Hartverchromen, durch Zinn-Nickel-Beschichten oder durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht sein. Für besonders gute Härte kann das Fügeelement zumindest bereichsweise aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl, insbesondere mit zementitischem Gefüge bestehen.
Um die Schneidwirkung des Fügeelementes beim Durchdringen des ersten Werkstückes zu verbessern, können in die Oberfläche des Fügeelementes weiterhin zumindest bereichsweise Partikel mit abrasivem Effekt eingebracht sein.
Bei diesen Partikeln kann es sich beispielsweise um Korundsplitter handeln.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke mittels eines Fügeelementes, bei dem das Fügeelement durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück der beiden Werkstücke hindurchbewegt und in das zweite Werkstück eingedrückt wird, ohne das zweite Werkstück zu durchdringen, und hierbei durch die beim Eindrücken entstehende Reibung eine stoffschlüssige Verbindung des Fügeelementes mit dem zweiten Werkstück hergestellt wird, während die Werkstücke in Anlage aneinander gehalten werden. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass ein Fügeelement der eingangs beschriebenen Art verwendet wird. Hierdurch ergeben sich die anhand der bereits geschilderten Merkmale angeführten Verbesserungen bei der Verwendung des Fügeelementes und damit eine verbesserte Prozesssicherheit für das gesamte Verfahren.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 bis 5 verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Fügeelemente jeweils in einer Schnittdarstellung und Draufsicht;
6A bis 6E eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein in den 1A und 1B dargestelltes, im Ganzen mit 10 bezeichnetes Fügeelement weist einen rotationssymmetrischen Grundkörper 12 und einen Eindringabschnitt 14 auf. Bei der Verwendung des Fügeelementes durchdringt der Eindringabschnitt 14 ein erstes, weicheres Werkstück und wird in der Folge rotierend in ein zweites härteres Werkstück eingedrückt. Durch die Reibungswärme schmelzen sowohl Randbereiche des Eindringabschnitts 14 als auch des zweiten Werkstückes auf, so dass sich eine stoffschlüssige Verbindung ergibt. Am Grundkörper 12 ist ein ringförmig umlaufender Steg 16 vorgesehen, welcher in der Endposition des Fügeelementes 10 in Anlage an das erste Werkstück kommt. Der Eindringabschnitt 14 weist einen zylindrischen Basisteil 18 und einen balligen Endbereich 20 auf. Der ballige Endbereich 20 besitzt eine Abflachung 22, die von einer ringförmigen Kante 24 umlaufen wird.
Die in den 2A bis 2C gezeigte alternative Ausführungsform eines Fügeelementes 10 unterscheidet sich hiervon lediglich durch die Ausbildung des Eindringabschnitts 14. Der ballige Endbereich 20 des Eindringabschnitts 14 weist hier zusätzliche geometrisch bestimmte Schneiden auf. Ein erster Satz von vier Schneiden 26 verläuft dabei spiralarmförmig bezüglich der Symmetrieachse 28 des Fügeelementes 10. Ein zweiter Satz Schneiden 30 verläuft geradlinig und leicht exzentrisch bezüglich der Symmetrieachse 28. Hierdurch wird der Materialabtrag im ersten Werkstück beim Eindringen des Fügeelementes 10 verbessert.
Die in den 3A und 3B gezeigte alternative Ausführungsform des Fügeelementes 10 unterscheidet sich ebenfalls nur in der Gestaltung des balligen Endbereiches 20 des Eindringabschnitts 14 von den vorher gezeigten Ausführungsformen. Auch hier sind an einer Abflachung 22 des balligen Endbereiches 20 geometrisch bestimmte Schneiden 32 vorgesehen, welche halbkuppelförmig über die Abflachung 22 hinausragen und einen Hinterschnitt 34 mit dieser ausbilden.
4A und 4B zeigen eine weitere alternative Ausführungsform eines Fügeelementes 10, welche sich von den vorher gezeigten dadurch unterscheidet, dass im balligen Endbereich 20 des Eindringabschnitts 14 spaltförmige Nuten 36 vorgesehen sind, welche im rechten Winkel zueinander stehen. Auch hierdurch wird das Eindringen des Eindringabschnitts in das erste Werkstück verbessert.
Die 5A und 5B zeigen eine weitere alternative Ausführungsform eines Fügeelementes 10. Im Gegensatz zu den vorher gezeigten Ausführungsformen ist der Basisteil 18 des Eindringabschnitts 14 hier nicht zylindersymmetrisch ausgebildet, sondern als siebenzählig rotationssymmetrisches Polygon mit abgerundeten Ecken. In der gezeigten Ausführungsform ist der ballige Endabschnitt 20 wiederum mit einer Abflachung 22 versehen, welche von einer ringförmigen Kante 24 umlaufen ist. Die Gestaltung des Basisabschnitts 18 gemäß 5B kann jedoch auch mit allen anderen Gestaltungen des Endbereiches 20 gemäß den 1 bis 4 kombiniert werden.
6A bis 6E zeigen schließlich einzelne Verfahrensschritte beim Fügen zweier Bauteile mittels eines Fügeelementes 10. Wie in 6A gezeigt wird zunächst ein erstes Blechbauteil 38 und ein zweites Blechbauteil 40 mittels einer Spannvorrichtung 42 und eines Gegenhalters 44 in Anlage gebracht und gehalten. Das erste Blechbauteil 38 besteht dabei aus einem weicheren Material als das zweite Blechbauteil 40. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Bauteil 38 um ein Aluminiumblech und bei dem zweiten Bauteil 40 um ein Stahlblech handeln. Selbstverständlich sind auch andere Materialkombinationen denkbar. In einen Werkzeughalter 46 wird, wie in 6B gezeigt ein Fügeelement 10 eingespannt und rotierend unter Vorschub auf die Blechbauteile 38 und 40 zugeführt. Wie in 6C gezeigt durchdringt der Eindringabschnitt 14 des Fügeelementes 10 zunächst das erste Blechbauteil 38 unter Materialabtrag. Durch den Vorschub des Werkzeughalters 46 wird das Fügeelement 10 nach Durchdringen des ersten Blechbauteils in das zweite Blechbauteil 40 eingedrückt. Durch die Rotation des Werkzeughalters 46 und damit auch des Fügeelementes 10 entsteht Reibungshitze. Ist die Temperatur hoch genug, um sowohl das zweite Blechbauteil 40 als auch das Fügeelement 10 anzuschmelzen, so wird wie in 6B gezeigt, die rotatorische Bewegung des Werkzeughalters 46 eingestellt. Das teilweise angeschmolzene Fügeelement 10 wird somit in das ebenfalls teilweise angeschmolzene Blechbauteil 40 eingedrückt, wobei der Anpressdruck des Werkzeughalters 46 aufrechterhalten wird. Dieser Zustand wird eingehalten, bis, wie in 6E gezeigt, die Schmelze wieder erstarrt ist, so dass sich ein stoffschlüssiger Fügebereich 48 zwischen dem zweiten Blechbauteil 40 und dem Fügeelement 10 ergibt. In diesem Zustand kommt der Steg 16 des Grundkörpers 12 des Fügeelementes in Anlage an die Oberfläche 50 des ersten Blechbauteils 38, so dass gleichzeitig eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Fügeelement 10, Blechbauteil 38 und Blechbauteil 40 erzielt wird. Das erste Blech 38 wird gleichsam zwischen dem Fügeelement 10 und dem zweiten Blechbauteil 40 verspannt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006013529 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 32711 [0012]

Claims

Fügeelement (10) zum Fügen zweier aneinander anliegender Werkstücke (38, 40), mit einem im Wesentlichen bezüglich einer wenigstens zweizähligen Rotationssymmetrieachse (28) rotationssymmetrischen Eindringabschnitt (14), welcher durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück (38) hindurchbewegbar ist und in ein zweites Werkstück (40) eindrückbar ist, ohne dieses zu durchdringen, wobei das Fügeelement (10) dabei durch beim Eindrücken entstehende Reibung stoffschlüssig mit dem zweiten Werkstück (40) verbindbar ist, während die Werkstücke (38, 40) in Anlage gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringabschnitt (14) einen balligen Vorsprung (20) mit einer Abflachung (22) aufweist, welche eine ringförmige Kante (24) aufweist.
Fügeelement (10) zum Fügen zweier aneinander anliegender Werkstücke (38, 40), mit einem im Wesentlichen bezüglich einer wenigstens zweizähligen Rotationssymmetrieachse (28) rotationssymmetrischen Eindringabschnitt (14), welcher durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück (38) hindurchbewegbar ist und in ein zweites Werkstück (40) eindrückbar ist, ohne dieses zu durchdringen, wobei das Fügeelement (10) dabei durch beim Eindrücken entstehende Reibung stoffschlüssig mit dem zweiten Werkstück (40) verbindbar ist, während die Werkstücke (38, 40) in Anlage aneinander gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringabschnitt (14) wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide (26, 30, 32) aufweist.
Fügeelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide (26) spiralarmförmig bezüglich einer Rotationssymmetrieachse (28) des Eindringabschnitts (14) verläuft.
Fügeelement (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringabschnitt (14) wenigstens eine weitere, geradlinig verlaufende geometrisch bestimmte Schneide (30) aufweist.
Fügeelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide (32) an einem Vorsprung vorgesehen ist, welcher einen Hinterschnitt (34) mit einer planen Stirnfläche (22) des Eindringabschnitts (14) ausbildet.
Fügeelement (10) zum Fügen zweier aneinander anliegender Werkstücke (38, 40), mit einem im Wesentlichen bezüglich einer wenigstens zweizähligen Rotationssymmetrieachse (28) rotationssymmetrischen Eindringabschnitt (14), welcher durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück (38) hindurchbewegbar ist und in ein zweites Werkstück (40) eindrückbar ist, ohne dieses zu durchdringen, wobei das Fügeelement (10) dabei durch beim Eindrücken entstehende Reibung stoffschlüssig mit dem zweiten Werkstück (40) verbindbar ist, während die Werkstücke (38, 40) in Anlage aneinander gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringabschnitt (14) einen balligen Vorsprung (20) mit wenigstens einer spaltförmigen Aussparung (36) aufweist.
Fügeelement (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ballige Vorsprung (20) zwei rechtwinklig zueinander angeordnete spaltförmige Aussparungen (36) aufweist.
Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringabschnitt (14) zumindest bereichsweise ein polygonales Profil, insbesondere mit gerundeten Eckbereichen, aufweist.
Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (10) ein austenitisches Gefüge aufweist.
Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (10) aus einem mangan- und/oder borhaltigen Stahl, insbesondere 23MnB4 oder 22Mn65, ausgebildet ist.
Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Fügeelements (10) durch Aufkohlen gehärtet ist, insbesondere mit einer Härte größer als 400 HV.
Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (10) zumindest bereichsweise eine Oberflächenbeschichtung, insbesondere eine durch einen Chemisch-Nickel-Prozess, Plasmaspritzen, kinetisches Kaltgaskompaktieren, Flammspritzen, Hartverchromen, Zinn-Nickel-Beschichten oder physikalische Gasphasenabscheidung aufgebrachte Oberflächenbeschichtung aufweist.
Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement zumindest bereichsweise aus Zementit ausgebildet ist.
Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Oberfläche des Fügeelements zumindest bereichsweise Partikel mit abrasivem Effekt eingebracht sind.
Fügeelement (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Partikeln um Korundsplitter handelt.
Verfahren zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke (38, 40) mittels eines Fügeelements (10), bei dem das Fügeelement (10) durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück (38) der beiden Werkstücke (38, 40) hindurchbewegt und in das zweite Werkstück (40) eingedrückt wird, ohne das zweite Werkstück (40) zu durchdringen, und hierbei durch die beim Eindrücken entstehende Reibung eine stoffschlüssige Verbindung des Fügeelements (10) mit dem zweiten Werkstück (40) hergestellt wird, während die Werkstücke (38, 40) in Anlage aneinander gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fügeelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 verwendet wird.