DE102014220337A1 - Method for producing a connecting element and connecting element and CFRP component with such a connecting element - Google Patents
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Abstract
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselementes (16), insbesondere eine Schraube, ein Niet oder auch eine technische Befestigungsfeder, wird ein ummantelter Rohling (8) bereitgestellt, der einen Kern (3) aus einem metallischen Kernwerkstoff aufweist, auf den ein Mantel (4) aus einem metallischen Mantelwerkstoff aufgebracht ist. Der ummantelte Rohling (8) wird zur Ausbildung des Verbindungselements (16) durch zumindest einen Umformvorgang in eine gewünschte Endgeometrie mit in Längsrichtung variierender Querschnittsgeometrie gebracht, wobei der Kern (3) mit dem Mantel (4) infolge des zumindest einen Umformvorgangs miteinander verbunden wird.In the method for producing a connecting element (16), in particular a screw, a rivet or a technical fastening spring, a jacketed blank (8) is provided which has a core (3) of a metallic core material, on which a jacket (4 ) is applied from a metallic sheath material. The sheathed blank (8) is brought to form the connecting element (16) by at least one forming operation in a desired final geometry with varying longitudinally cross-sectional geometry, wherein the core (3) with the shell (4) is connected together as a result of at least one forming operation.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements sowie ein Verbindungselement und ein CFK-Bauteil mit einem derartigen Verbindungselement. The invention relates to a method for producing a connecting element and a connecting element and a CFRP component with such a connecting element.
Bei dem Verbindungselement handelt es sich insbesondere um ein Verbindungselement zur Verbindung von zwei Bauteilen miteinander. Insbesondere handelt es sich um eine Schraube. The connecting element is, in particular, a connecting element for connecting two components to one another. In particular, it is a screw.
In Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzgebietes werden an Verbindungselemente unterschiedlichste Anforderungen gestellt, die zum Teil werkstofftechnisch widersprüchliche Eigenschaften der Verbindungselemente erfordern. So ist häufig eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig ausreichender Dehnung und hoher Korrosionsbeständigkeit gefordert. Im Kraftfahrzeugbau werden häufig Verbindungselemente aus Stahl oder Aluminium für den Leichtbau eingesetzt. Depending on the particular field of application, a wide variety of requirements are placed on connecting elements, some of which require material-technically contradictory properties of the connecting elements. Thus, a high strength is often required at the same time sufficient elongation and high corrosion resistance. In automotive often fasteners made of steel or aluminum are used for lightweight construction.
Im Bereich der Verbindung von Bauteilen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) können diese üblichen Verbindungselemente nicht eingesetzt werden. Grund hierfür sind die hohen elektrochemischen Potentialdifferenzen zwischen den Verschraubungspartnern. Beim Einsatz von Befestigungs- oder Verbindungselementen wie Schrauben und Nieten aus einem metallischen Werkstoff kann es bei Kontakt des Verbindungselements zu den elektrisch leitenden Kohlenstofffasern zu einer Kontaktkorrosion kommen. Besser geeignet sind Legierungen aus Titan oder Nickel, die jedoch sehr aufwändig zu verarbeiten sind und daher zu hohen Produktionskosten führen. Auch decken diese Materialien das geforderte Eigenschaftsprofil häufig nicht ab und sind zudem auch teurer als beispielsweise Aluminium oder Stahl. In the field of connection of components made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP), these conventional fasteners can not be used. The reason for this is the high electrochemical potential differences between the bolting partners. When using fasteners or fasteners such as screws and rivets made of a metallic material, there may be contact corrosion on contact of the connecting element to the electrically conductive carbon fibers. Alloys made of titanium or nickel are more suitable, but they are very expensive to process and therefore lead to high production costs. Also, these materials often do not cover the required property profile and are also more expensive than, for example, aluminum or steel.
Die
Die Verwendung von Vollmetall-Verbindungselementen aus Titan ist vergleichsweise teuer. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, mit Titan beschichtete Verbindungselemente vorzusehen. So ist beispielsweise aus der
Aus der
Um die unterschiedlichen z.T. werkstofftechnisch gegenläufigen Anforderungen zu erfüllen, werden zudem teilweise in den Werkstoff verstärkende Strukturen eingebracht oder die Verbindungselemente werden mit einer Beschichtung versehen. Dies ist jedoch häufig ebenfalls mit Nachteilen verbunden, beispielsweise ist eine Verarbeitung nur sehr beschränkt und aufwendig möglich. To the different z.T. In addition, materials that meet contradictory requirements are partially incorporated into the material reinforcing structures or the connecting elements are provided with a coating. However, this is often also associated with disadvantages, for example, processing is very limited and expensive.
Aus der
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Befestigungs- oder Verbindungselement insbesondere für CFK-Bauteile anzugeben. Proceeding from this, the object of the invention is to specify an improved fastening or connecting element, in particular for CFRP components.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie durch ein CFK-Bauteil mit einem derartigen Verbindungselement gemäß Anspruch 15. The object is achieved by a method having the features of claim 1. Furthermore, the object is achieved by a connecting element having the features of claim 11 and by a CFRP component with such a connecting element according to claim 15.
Bei dem Verbindungselement handelt es sich insbesondere um eine Schraube, ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Alternativ handelt es sich bei dem Verbindungselement auch um Nieten oder auch um sogenannte technische Federn, mit deren Hilfe zumindest mittelbar Bauteile miteinander verbunden werden. Insbesondere im Falle von Schrauben und Nieten handelt es sich grundsätzlich um bolzenförmige Verbindungselemente. Das Verbindungselement weist also allgemein eine in Längsrichtung variierende Querschnittsgeometrie, insbesondere einen variierenden Durchmesser auf. The connecting element is in particular a screw, but is not limited thereto. Alternatively, the connecting element is also a rivet or so-called technical spring, with the aid of which at least indirectly components are connected to one another. In particular, in the case of screws and rivets are basically bolt-shaped fasteners. The connecting element thus generally has a longitudinally varying cross-sectional geometry, in particular a varying diameter.
Die erfindungsgemäßen Verbindungselemente werden vorzugsweise zur Verbindung von CFK-Bauteilen untereinander oder an Bauteilen aus anderen Werkstoffen eingesetzt, vorzugsweise im Kraftfahrzeugbereich. The connecting elements according to the invention are preferably used for connecting CFRP components to one another or to components made of other materials, preferably in the motor vehicle sector.
Zum Herstellen des Verbindungselementes wird zunächst ein ummantelter Rohling bereitgestellt, welcher einen Kern aus einem Kernwerkstoff aufweist, auf den ein Mantel aus einem metallischen zum Kernwerkstoff verschiedenen Mantelwerkstoff aufgebracht ist. Der ummantelte Rohling wird schließlich zur Ausbildung des Verbindungselements in eine gewünschte Endgeometrie gebracht. Dies erfolgt durch zumindest einen Umformvorgang des ummantelten Rohlings. Vorzugsweise erfolgen mehrere aufeinanderfolgende Umformvorgänge. Von besonderer Bedeutung ist nunmehr, dass der Mantelwerkstoff nicht als Beschichtung, also nicht mit Hilfe eines Beschichtungsverfahrens auf den Kernwerkstoff aufgebracht ist. Die Verbindung zwischen dem Mantelwerkstoff und dem Kernwerkstoff erfolgt vielmehr durch den zumindest einen Umformvorgang. Vor der Umformung liegt der Mantel daher vorzugsweise lediglich am Kern an, ohne dass eine stoffschlüssige Verbindung infolge eines Beschichtungs- oder Auftragsverfahrens ausgebildet ist. For producing the connecting element, first a sheathed blank is provided, which has a core of a core material, onto which a sheath of a metallic sheath material different from the core material is applied. The coated blank is finally brought to form the connecting element in a desired final geometry. This is done by at least one forming process of the coated blank. Preferably, several successive forming operations take place. Of particular importance now is that the sheath material is not applied as a coating, so not by means of a coating method on the core material. The connection between the sheath material and the core material is carried out rather by the at least one forming process. Before forming, therefore, the sheath preferably lies against the core only, without a cohesive connection being formed as a result of a coating or application method.
Der Mantel wird allein durch mechanische Prozesse und Umformvorgänge auf den Kern aufgebracht. Hierzu wird beispielsweise ein Verbund aus Rohdraht mit darauf angebrachtem Mantel durch einen Ziehprozess auf ein gewünschtes Endmaß gezogen, wobei hierbei der gewünschte ummantelte Rohling ausgebildet wird. Auch durch die im Laufe des Herstellungsprozesses erfolgenden weiteren Umformvorgänge erfolgt eine feste unlösbare Verbindung. Zur Herstellung des Verbunds wird beispielsweise der Rohdraht aus Aluminium in ein Mantelrohr eingeführt oder der Rohdraht wird mit dem Mantelmaterial umwickelt etc.. Es erfolgt kein aktives stoffschlüssiges Verbinden beispielsweise durch ein bewusstes Verschweißen. Auch erfolgt kein Beschichten mit einem Beschichtungsverfahren, bei dem Mantelmaterial durch ein Sprüh-Streich- oder (galvanisches) Überzugsverfahren aufgebracht wird. Je nach gewähltem mechanischem Prozess zum Verbinden von Kern und Mantel kann allenfalls eine beispielsweise lokale stoffschlüssige Verbindung beispielsweise durch eine bei einem Einpressvorgang erzeugte Wärme nach Art eines Reibschweißens oder Diffusionsschweißens ausgebildet werden. Die aktive Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung durch aktives Zuführen eines Stoffes oder auch von Wärme ist dabei jedoch nicht vorgesehen. The jacket is applied to the core solely by mechanical processes and forming processes. For this purpose, for example, a composite of raw wire with coat attached thereto is pulled by a drawing process to a desired final dimension, in which case the desired coated blank is formed. Also by taking place in the course of the manufacturing process further forming operations is a solid permanent connection. For the production of the composite, for example, the raw wire made of aluminum is introduced into a jacket tube or the raw wire is wrapped with the jacket material, etc. There is no active cohesive bonding, for example, by a conscious welding. Also, no coating is done by a coating method in which cladding material is applied by a spray-spread or (galvanic) coating process. Depending on the selected mechanical process for connecting the core and the sheath, an example of a local cohesive connection can be formed, for example, by a heat generated during a press-fitting process in the manner of friction welding or diffusion welding. However, the active formation of a cohesive connection by active supply of a substance or of heat is not provided.
Durch diese Maßnahme lassen sich prozesstechnisch in einfacher Weise dicke Wandstärken des Mantels vor dem Umformen ausbilden, die ausreichend sind, um auch hohe Umformgrade auszuführen und gleichzeitig einen homogenen durchgehenden Mantel beim endgefertigten Verbindungselement zu gewährleisten. By this measure can be process technology in a simple way thick wall thicknesses of the shell form before forming, which are sufficient to perform even high degrees of deformation and at the same time to ensure a homogeneous continuous jacket in the finished fastener.
Die Verbindung zwischen dem Kern und dem Mantel wird letztendlich vorzugsweise ausschließlich durch den zumindest einen Umformvorgang ausgebildet. Hierbei werden auf den ummantelten Rohling Kräfte ausgeübt, die auch in radialer Richtung wirken, so dass der Mantel fest gegen den Kern gepresst wird und eine innige Verbindung ausgebildet wird. The connection between the core and the jacket is ultimately preferably formed exclusively by the at least one forming operation. In this case, forces are exerted on the sheathed blank, which also act in the radial direction, so that the sheath is pressed firmly against the core and an intimate connection is formed.
Bei dem Kernwerkstoff handelt es sich vorzugsweise um einen aushärtbaren Werkstoff, insbesondere ein Leichtmetall. Als Kernwerkstoff wird dabei vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung gemäß
Bei dem Mantelwerkstoff handelt es sich vorzugsweise um ein im Vergleich zum Kernwerkstoff edleres Metall, insbesondere Titan, eine Titanlegierung oder auch Nickel oder eine Nickellegierung oder auch ein Chrom-Nickel-Stahl. Der Begriff „edel“ bezieht sich hierbei auf die elektrochemische Spannungsreihe. Insgesamt wird daher ein Hybridbauteil geschaffen, welches insbesondere einen Aluminiumkern und einen edleren Metallmantel aufweist bzw. durch den Aluminiumkern und den Metallmantel gebildet ist. Aufgrund des Mantels wird dabei nur ein geringer Anteil des edleren Metalls benötigt, sodass insgesamt das Verbindungselement kostengünstig hergestellt werden kann. Insbesondere die Kombination des für den Leichtbau vorgesehenen Aluminiums mit einem Titan-Mantel eignet sich besonders für die Verwendung in CFK-Bauteilen zur Vermeidung von Kontaktkorrosion. Bei dem Mantelmaterial handelt es sich dabei vorzugsweise um ein selbstpassivierendes Material, welches also eine Schutzschicht ausbildet. The sheath material is preferably a noble metal compared to the core material, in particular titanium, a titanium alloy or else nickel or a nickel alloy or else a chromium-nickel steel. The term "noble" refers to the electrochemical series of voltages. Overall, therefore, a hybrid component is provided, which in particular has an aluminum core and a nobler metal shell or is formed by the aluminum core and the metal shell. Due to the jacket, only a small proportion of the nobler metal is needed, so that overall the connecting element can be produced inexpensively. In particular, the combination of the intended aluminum for lightweight construction with a titanium jacket is particularly suitable for use in CFRP components to prevent contact corrosion. The jacket material is preferably a self-passivating material, which therefore forms a protective layer.
Durch diese Maßnahme der Ummantelung des (Aluminium-)Rohlings mit einem edleren Metallmantel wird zum Einen der besondere Vorteil der Vermeidung einer Kontaktkorrosion erzielt. By this measure, the sheathing of the (aluminum) blank with a nobler metal shell on the one hand, the particular advantage of avoiding contact corrosion is achieved.
Gleichzeitig wird durch die Hybridausgestaltung mit dem Aluminiumkern und dem edleren Metallmantel nur ein geringer Anteil des teureren Metalls benötigt, so dass das Verbindungselement insgesamt kostengünstig hergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist weiterhin darin zu sehen, dass durch das Aluminium als Kernwerkstoff eine vergleichsweise geringe Dichte für den angestrebten Leichtbau verwirklicht ist. At the same time only a small proportion of the more expensive metal is required by the hybrid design with the aluminum core and the noble metal shell, so that the connecting element can be made overall cost. A further advantage is also to be seen in that a comparatively low density for the desired lightweight construction is realized by the aluminum as the core material.
Durch eine ausreichend große Wandstärke des Mantels ist ein zuverlässiger Schutz des Kerns gewährleistet. Auch lässt sich durch die Kombination dieses dicken Mantels mit dem Kern in geeigneter Weise auch das mechanische Anforderungsprofil zielgerichtet einstellen, wie beispielsweise eine angestrebte niedrige Dichte, eine hohe Festigkeit, eine ausreichende Dehnung etc. Durch den Umformvorgang zur Ausbildung der Endgeometrie wird ergänzend der Vorteil erzielt, dass durch den dabei ausgeübten Druck die Mantelschicht ergänzend verfestigt wird und insbesondere auch eine Kaltverfestigung auftritt, so dass insgesamt die Festigkeit verbessert wird. A sufficiently large wall thickness of the shell ensures reliable protection of the core. The combination of this thick jacket with the core also makes it possible to set the mechanical requirement profile in a targeted manner, such as, for example, one Desired low density, high strength, sufficient elongation, etc. By the forming process to form the final geometry is additionally achieved the advantage that the shell layer is additionally solidified by the pressure exerted and in particular also a work hardening occurs, so that overall improves the strength becomes.
Je nach Anwendungsfall werden auch andere Werkstoffe für den Mantel verwendet. Beispielsweise wird ein Werkstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet. Das hier beschriebene Verfahren wird daher beispielsweise auch zur Ausbildung von Kontakt-Verbindungselementen, wie beispielsweise eine Kontaktschraube herangezogen. Depending on the application, other materials are used for the jacket. For example, a material with good electrical conductivity, in particular copper or a copper alloy is used. The method described here is therefore also used for example for the formation of contact connection elements, such as a contact screw.
Bei dem ummantelten Rohling handelt es sich um einen strangförmigen Körper, insbesondere nach Art eines Rohdrahtes. Der Mantel ist daher nach Art eines Claddings auf einen Aluminium-Rohdraht aufgebracht. Zur Herstellung eines derartigen ummantelten Kerndrahtes wird auf bekannte Herstelltechnologien zurückgegriffen, wie sie beispielsweise zur Herstellung von elektrischen Leiterdrähten, beispielsweise sogenannte kupferplattierte Leiterdrähte herangezogen werden. The sheathed blank is a strand-shaped body, in particular in the manner of a raw wire. The jacket is therefore applied in the manner of a cladding on an aluminum raw wire. To produce such a sheathed core wire, recourse is made to known production technologies, such as those used, for example, for the production of electrical conductor wires, for example so-called copper-clad conductor wires.
In Abhängigkeit der gewählten Materialien und / oder des Anforderungsprofils wird zur Erzielung von hohen Festigkeiten zweckdienlicherweise eine Wärmebehandlung durchgeführt. Insbesondere wird beispielsweise der Aluminium-Kern insbesondere vor dem Umformprozess einer Wärmebehandlung unterzogen, bevor anschließend der Mantelwerkstoff aufgebracht wird. Depending on the selected materials and / or the requirement profile, a heat treatment is expediently carried out in order to achieve high strengths. In particular, for example, the aluminum core is subjected to a heat treatment, in particular before the forming process, before the cladding material is subsequently applied.
Der ummantelte Rohling wird üblicherweise als Meterware nach Art eines Rohdrahts bereitgestellt. Aus diesem wird durch Ablängen und Umformen das Verbindungselement hergestellt. Zur Ausbildung dieses ummantelten Rohdrahts wird auf ein herkömmliches, bekanntes Herstellverfahren zurückgegriffen, wie es beispielsweise bei Kupferplattierten elektrischen Leiterdrähten bekannt ist, beispielsweise so genannte „Copper Clad Aluminium-Drähte“. Hierbei wird beispielsweise ein Aluminium-Ausgangsrohdraht mit einem Mantel versehen, und der so gebildete Verbund wird anschließend durch beispielsweise einen Ziehprozess auf einen gewünschten Enddurchmesser gezogen, welcher dann für den Rohling weiterverarbeitet wird, indem dieser zunächst abgelängt und später dann auch mehrfach umgeformt wird. The jacketed blank is usually provided by the meter in the manner of a raw wire. For this, the connecting element is produced by cutting and forming. To form this sheathed raw wire is resorted to a conventional, known manufacturing method, as is known for example in copper-plated electrical conductor wires, for example, so-called "Copper Clad aluminum wires". In this case, for example, an aluminum starting raw wire is provided with a jacket, and the composite thus formed is then drawn by, for example, a drawing process to a desired final diameter, which is then further processed for the blank by this first cut to length and then later also formed several times.
Alternativ hierzu ist der Kern als ein Einlegeteil ausgebildet, welches in ein beispielsweise vorgeformtes Hülsenelement aus dem Mantelwerkstoff eingelegt, insbesondere eingepresst wird. Das Einlegeteil sowie das Hülsenelement sind dabei vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Das Hülsenelement ist dabei vorzugsweise wahlweise rohrförmig oder auch topf- oder napfförmig ausgebildet, weist also an einer Seite eine geschlossene Stirnseite auf. Alternatively, the core is formed as an insert, which is inserted in an example preformed sleeve member of the shell material, in particular pressed. The insert and the sleeve member are preferably cylindrical. The sleeve member is preferably optionally tubular or pot-shaped or cup-shaped, thus has on one side a closed end face.
Alternativ können das Einlegeteil und das Hülsenelement bereits auch eine Vorform aufweisen, und sind beispielsweise im Falle einer Schraube mit einem Kopf und Schaftteil versehen. Das Hülsenelement ist entsprechend komplementär vorgeformt, so dass das Einlegeteil im Hülsenelement passgenau einliegt. Alternatively, the insert and the sleeve member may already have a preform, and are provided for example in the case of a screw with a head and shaft part. The sleeve member is correspondingly preformed complementary, so that the insert rests accurately fit in the sleeve member.
Zweckdienlicherweise wird bei dem Umformvorgang zur Ausbildung der Endgeometrie in den ummantelten Rohling ein Gewinde eingeformt. Dabei wird zweckdienlicherweise sowohl der Kern als auch der Mantel verformt. Conveniently, a thread is formed in the forming process to form the final geometry in the sheathed blank. In this case, both the core and the sheath are expediently deformed.
Der Mantel weist beim ummantelten Rohling zweckdienlicherweise eine Wandstärke im Bereich von 1 bis 5 mm auf. Im endgefertigten Zustand weist der Mantel beim Verbindungselement zweckdienlicherweise noch eine Wandstärke im Bereich von 0,1 bis 3 mm auf. Insbesondere lässt sich durch das hier beschriebene Verfahren eine hohe Wandstärke einstellen, die beispielsweise bis zu 25% des Durchmessers eines Schaftbereichs im endgefertigten Zustand beträgt. Die Wandstärke liegt dabei beispielsweise bei mindestens 10% des Durchmessers des Schaftbereiches im endgefertigten Zustand. The jacket expediently has a wall thickness in the range of 1 to 5 mm in the case of the sheathed blank. In the finished state, the jacket expediently still has a wall thickness in the range of 0.1 to 3 mm in the connection element. In particular, can be adjusted by the method described here, a high wall thickness, for example, up to 25% of the diameter of a shaft portion in the finished state. The wall thickness is for example at least 10% of the diameter of the shaft area in the finished state.
Bei der Umformung zur Endgeometrie werden üblicherweise mehrere Umformvorgänge durchgeführt. Im Falle einer Schraube wird zum Beispiel zunächst ein Kopfbereich mit daran anschließendem Schaftbereich ausgebildet. Gleiches gilt üblicherweise beispielsweise auch bei einem Niet. Bei der Ausformung eines Kopfbereichs mit daran anschließendem Schaftbereich ist üblicherweise ein sehr großer Umformgrad erforderlich. Durch die Bereitstellung eines ummantelten Kerndrahtes mit einer hohen Mantelwandstärke ist zuverlässig sichergestellt, dass trotz dieses hohen Umformgrades der Mantel nicht reißt. When forming to final geometry usually several forming operations are performed. In the case of a screw, for example, first a head region is formed with a subsequent shaft region. The same usually applies, for example, in a rivet. In the formation of a head region with adjoining shaft region usually a very large degree of deformation is required. By providing a sheathed core wire with a high sheath wall thickness is reliably ensured that despite this high degree of deformation of the jacket does not crack.
Aufgrund der Umformung des Rohlings mit dem Mantelwerkstoff weist in bevorzugter Ausgestaltung das Verbindungselement im endgefertigten Zustand eine in Abhängigkeit eines Umformgrades variierende Wandstärke des Mantelwerkstoffes über die Länge des Verbindungselements auf. Allgemein wird mit dem Umformgrad der Logarithmus des Verhältnisses der Ausgangsgeometrie (Länge, Dicke) zur umgeformten Endgeometrie verstanden. Insbesondere beispielsweise der Logarithmus des Anfangsdurchmessers zum umgeformten Enddurchmesser. Grundsätzlich weisen Verbindungselemente Bereiche mit unterschiedlichen Umformgraden auf. So weist allgemein der Kopfbereich, insbesondere im Übergang zu einem Schaftbereich einen sehr hohen Umformgrad auf. In einem Gewindebereich einer Schraube, also in Folge des Einbringens des Gewindes, weist das Verbindungselement demgegenüber einen geringeren Umformgrad und damit auch eine andere Wandstärke des Mantelwerkstoffs auf. Due to the deformation of the blank with the sheath material, the connecting element in the finished state has a varying depending on a degree of deformation wall thickness of the sheath material over the length of the connecting element in a preferred embodiment. In general, the degree of deformation is understood to be the logarithm of the ratio of the initial geometry (length, thickness) to the transformed final geometry. In particular, for example, the logarithm of the initial diameter to the converted final diameter. Basically, fasteners have areas with different degrees of deformation. So In general, the head region, in particular in the transition to a shaft region, has a very high degree of deformation. In a threaded region of a screw, that is, as a result of introducing the thread, the connecting element, in contrast, a lower degree of deformation and thus also a different wall thickness of the sheath material.
Dabei ist insgesamt bevorzugt eine starke Umformung vorgesehen, bei der der Querschnitt des ummantelten Rohlings um 25% bis 75%, insbesondere um zumindest 50% verändert wird. In this case, overall, a strong deformation is preferably provided, in which the cross-section of the coated blank is changed by 25% to 75%, in particular by at least 50%.
Das insbesondere nach diesem Verfahren hergestellte Verbindungselement weist daher einen Kern aus einem Kernwerkstoff, insbesondere Aluminium auf, mit einem darauf angebrachten, vergleichsweise dickwandigen Mantel aus einem Mantelwerkstoff, insbesondere Titan oder einer Titanlegierung. Ein kennzeichnendes Merkmal für dieses Herstellungsverfahren ist dabei darin zu sehen, dass der Mantel nicht als Beschichtung aufgebracht ist sondern durch den zumindest einen Umformvorgang, also allein durch einen mechanischen Herstellschritt, mit dem Kern verbunden ist. Hierzu wird insbesondere auf einen vorgefertigten ummantelten Rohdraht zurückgegriffen. Im endgefertigten Zustand ist daher der Kern zumindest zu einer Stirnseite und vorzugsweise zu beiden Stirnseiten hin offen. Im Kopf- und/oder im Fußbereich weist der Kern eine offene, von außen zugängliche Stirnseite ohne eine Bedeckung mit dem Mantelwerkstoff auf. Dies ist jedoch im Hinblick auf die Eingangs angesprochene Korrosionsbeständigkeit unkritisch, da in diesen Bereichen kein Kontakt mit dem CFK-Werkstück auftritt. Zudem ist durch den vergleichsweise dicken Mantelwerkstoff auch ein ausreichender Abstand eingestellt. The connecting element produced in particular according to this method therefore has a core of a core material, in particular aluminum, with a comparatively thick-walled jacket of a jacket material, in particular titanium or a titanium alloy, mounted thereon. A characteristic feature of this production method is to be seen in the fact that the jacket is not applied as a coating but is connected to the core by the at least one forming operation, that is, solely by a mechanical manufacturing step. For this purpose, recourse is made in particular to a prefabricated, sheathed raw wire. In the finished state, therefore, the core is open at least to one end face and preferably to both end faces. In the head and / or foot area, the core has an open, externally accessible end face without covering with the jacket material. However, this is not critical with respect to the input addressed corrosion resistance, since no contact with the CFRP workpiece occurs in these areas. In addition, the comparatively thick jacket material also sets a sufficient distance.
Ein derartiges Verbindungselement wird vorzugsweise an einem CFK-Bauteil angebracht, um beispielsweise zwei Bauteile miteinander zu verbinden, wobei zumindest eines hiervon ein CFK-Bauteil ist. Dieses CFK-Bauteil wird dabei insbesondere in ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Such a connecting element is preferably attached to a CFRP component in order, for example, to connect two components to each other, at least one of which is a CFRP component. This CFRP component is used in particular in a motor vehicle.
Zusammenfassend wird durch das spezielle Herstellungsverfahren ein Verbindungselement, insbesondere eine Schraube bereitgestellt, aus der Kombination zweier Metalle aus verschiedenen Legierungssystemen. Der Mantelwerkstoff umschließt dabei nahezu vollständig den Kernwerkstoff (bis auf die Stirnseiten). Die Verbindung der beiden Materialien wird dabei vorzugsweise ausschließlich umformtechnisch hergestellt. Als Kernwerkstoff wird das vergleichsweise günstige, leichte Aluminium oder eine Aluminiumlegierung eingesetzt und als Mantelwerkstoff das korrosionsbeständige Titan oder eine Titanlegierung. Insgesamt ist dadurch das Verbindungselement gegenüber einer Schraube beispielsweise aus einer Titanlegierung leichter, kostengünstiger und gleichzeitig auch belastbarer im Vergleich zu einer reinen Aluminiumschraube und im Vergleich zu Aluminiumschraube auch beständig gegen eine Korrosion in CFK-Bauteilen. Durch den Mantelwerkstoff werden auch Beschädigungen an der Oberfläche durch die hohe Schichtdicke des Mantelwerkstoffes toleriert, im Gegensatz zu herkömmlichen Beschichtungen, die üblicherweise lediglich im Mikrometerbereich aufgebracht werden. In summary, the special manufacturing method provides a connecting element, in particular a screw, from the combination of two metals from different alloy systems. The sheath material almost completely encloses the core material (except for the front sides). The compound of the two materials is preferably produced exclusively by forming technology. As a core material, the comparatively cheap, lightweight aluminum or an aluminum alloy is used and as a shell material, the corrosion-resistant titanium or a titanium alloy. Overall, this makes the connecting element to a screw, for example, a titanium alloy lighter, less expensive and at the same time more resilient compared to a pure aluminum screw and compared to aluminum screw also resistant to corrosion in CFRP components. Due to the jacket material, damage to the surface due to the high layer thickness of the sheath material is tolerated, in contrast to conventional coatings, which are usually applied only in the micrometer range.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS.
Bei einer ersten in
Bevorzugt erfolgt eine Temperaturbehandlung zur Härtung allenfalls an einem Zwischenprodukt, beispielsweise nur an dem Rohdraht
Aus diesem ummantelten Rohdraht
Insbesondere bei der Verwendung von Aluminium als Kernwerkstoff und / oder als Mantelwerkstoff erfolgt die Grobumformung durch ein Fließpressen und/ oder Stauchen, um die gewünschten hohen Umformgrade erreichen zu können. In particular, when using aluminum as a core material and / or as a sheath material coarse deformation takes place by a Extrusion and / or upsetting to achieve the desired high degrees of deformation can.
In einem anschließenden Umformprozess wird dann – im Falle einer Schraube – ein Gewinde
Bei der in
Alternativ zu der Anordnung des Bodens am stirnseitigen Ende des Schaftes ist der Boden am gegenüberliegenden Ende ausgebildet, so dass also der Kopfbereich
In den freien Innenraum dieses Hülsenelements
Das Einlegeteil
In den Querschnittsdarstellungen der
Allgemein ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass sowohl der Kernwerkstoff als auch der Mantelwerkstoff vor dem Zusammenbringen zu einem Verbundelement zunächst homogenisiert wird, um eine gleichmäßige Verteilung der verschiedenen Legierungselemente, welche für eine Mischkristallbildung und Ausscheidungsphasen für die mechanischen Eigenschaften verantwortlich sind, zu erreichen. Wie bereits erwähnt, wird nach dem Zusammenfügen der Verbund gemeinsam verformt, insbesondere auf einen gewünschten Enddurchmesser gezogen. Durch die Umformung wird allgemein eine enge Verbindung zwischen Kern- und Mantelwerkstoff ausgebildet, sodass diese vorzugsweise allein durch die Umformung unmittelbar miteinander verbunden sind. Durch die bereits erwähnte Wärmebehandlung zum Zweck des Aushärtens nach Ausbildung des Verbunds, insbesondere nach dem Ziehprozess, ist darüber hinaus eine chemische Anbindung, beispielsweise ein gezieltes Legieren durch Diffusion der Legierungsbestandteile des Mantels auf dem Kern und umgekehrt möglich. Bei diesem Aushärten wird ein vorgegebenes Temperaturprofil bei der Wärmebehandlung durchlaufen, um eine gewünschte Festigkeit einzustellen. Eine Härtung durch thermische Behandlung des gesamten endgefertigten Verbindungselements
Bei nicht gleichartigen Werkstoffen für den Mantel
Ergänzend ist allgemein in bevorzugter Ausgestaltung zwischen dem Mantel
Wie sich aus der vorgehenden Beschreibung ergibt, ist die Mantelschicht bereits vor der Umformung, insbesondere der Ausbildung des Kopfbereichs
Die Wandstärke d variiert dabei über die Ausdehnung des Verbindungselements
Das Verbindungselement
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 2 2
- Rohdraht raw wire
- 3 3
- Kern core
- 4 4
- Mantel coat
- 6 6
- ummantelter Rohdraht jacketed raw wire
- 8 8th
- ummantelter Rohling coated blank
- 10 10
- ummantelter Vorformling coated preform
- 12 12
- Kopfbereich head area
- 14 14
- Schaftbereich shaft area
- 16 16
- Verbindungselement connecting element
- 18 18
- Gewinde thread
- 20 20
- Hülsenelement sleeve member
- 22 22
- Einlegeteil insert
- 24 24
- Werkzeugaufnahme tool holder
- d d
- Wandstärke Wall thickness
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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