DE102017109215A1 - Reibbitverbindungsverfahren von unterschiedlichen Materialen - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist ein Verfahren des Verbindens von unterschiedlichen Materialien, welche einen Polymerverbundwerkstoff und einen hochfesten Stahl umfassen, mit einer exzellenten Verbindungsfestigkeit und insbesondere ein Verfahren, bei welchem zahlreiche Variablen einer Reibbitverbindung ausgelegt und eingestellt werden, um eine Verbindungslast zwischen den unterschiedlichen Materialien zu verbessern.
Description
- Hintergrund der Erfindung
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren des Verbindens (z.B. Fügens) von unterschiedlichen Materialen, wie beispielsweise eines Polymerverbundwerkstoffs und eines hochfesten Stahls, mit exzellenter Verbindungsqualität. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren, bei welchem zahlreiche Variablen beim Reibbitverbinden ausgelegt und eingestellt werden, um eine Verbindungslast zwischen unterschiedlichen Materialien zu verbessern.
- Beschreibung der bezogenen Technik
- In der Automobilindustrie wurde eine Gewichtsreduktion von Fahrzeugkarosserien durch die Nutzung von leichtgewichtigen Metallen, wie z.B. Aluminiumlegierungen, und Kunststoffen vorangetrieben, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und Umweltproblemen zu begegnen. Für diesen Zweck wird nun ein Verbindungsverfahren, welches das Punktschweißen, welches im Allgemeinen beim Zusammenbau einer Fahrzeugkarosserie angewendet wird, ersetzen kann, in Erwägung gezogen.
- Konventionelle Verfahren des Verbindens unterschiedlicher Materialien weisen mechanische Verbindungsverfahren, wie z.B. ein Verfahren, welches einen selbstpenetrierenden Niet / Stanzniet (kurz: SPR) nutzt, ein Rührreibschweißverfahren (FSW), welches Reibungswärme nutzt, etc., auf.
- Bei dem SPR-Verfahren wird, ohne ein Ausbilden von Löchern in zu verbindenden Zielen, ein Niet in die zu verbindenden Ziele, wie zum Beispiel Metalplatten, mittels hydraulischen Drucks oder pneumatischen Drucks eingepresst und wird der Niet plastisch verformt, wodurch die Ziele verbunden werden. Jüngst wird das SPR-Verfahren häufig in der Automobilindustrie verwendet. Da jedoch jetzt ein ultrahochfester Stahl, der eine hohe Festigkeit und geringe Dehnung aufweist, für eine Fahrzeugkarosserie verwendet wird, kann es schwierig oder unmöglich sein, ultrahochfesten Stahl und einen Polymerverbundwerkstoff mittels des SPR-Verfahrens ausreichend zu verbinden.
- Bei dem FSW-Verfahren wird durch Rotieren eines Stifts (z.B. Niets), während Druck darauf aufgebracht wird, der Stift durch eine obere Platte hindurch bewegt, welche aus einem leichtgewichtigen Material ausgebildet ist und welche an eine untere Platte, welche aus einem Stahlmaterial ausgebildet ist, aufgrund von Reibungswärme, welche durch Rotationsreibung verursacht wird, angeschweißt wird. Das FSW-Verfahren weist jedoch keine ausreichende Verbindungskraft auf und kann folglich nicht verwendet werden, wenn Metall und ein Polymerverbundwerkstoff miteinander verbunden werden, und, wenn ein Klebstoff zwischen der oberen Platte und der unteren Platte verwendet wird, um solch ein Problem zu lösen, kann aufgrund des Klebstoffs eine Reibung nicht effektiv auftreten und kann folglich eine Schweißnahtfestigkeit verringert sein.
- Die Entwicklung eines Verfahrens des Verbindens eines ultrahochfesten Stahls, der eine hohe Festigkeit und geringe Dehnung aufweist, und eines Polymerverbundwerkstoffs mit ausreichender bzw. geeigneter Verbindungsfestigkeit ist nun deshalb erforderlich.
- Die obigen Informationen, welche in diesem Hintergrund-Abschnitt offenbart sind, dienen lediglich dem Verbessern des Verständnisses des allgemeinen Hintergrunds der Erfindung und sollten nicht als Zugeständnis oder als irgendeine Andeutung angesehen werden, dass diese Informationen zum Stand der Technik, wie er dem Fachmann schon bekannt ist, gehören.
- Erläuterung der Erfindung
- Zahlreiche Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, ein Verfahren des Verbindens (z.B. Fügens) eines ultrahochfesten Stahls, der eine hohe Festigkeit und geringe Dehnung aufweist, und eines ein geringes Gewicht aufweisenden Polymerverbundwerkstoffs, umfassend z. B. kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, mit exzellenter Verbindungskraft bzw. Verbindungsfestigkeit (z.B. Verbundfestigkeit) zu schaffen.
- Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist darauf gerichtet, ein Verfahren des Verbindens von unterschiedlichen Materialien zu schaffen, welches ausgestaltet ist, um eine Verbindungskraft zu verbessern.
- In einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, ein Reibbitverbindungsverfahren (z.B. Reibbitfügeverfahren) unterschiedlicher Materialien bereitzustellen, wobei eine obere Platte, welche aus einem Polymerverbundwerkstoff gebildet ist, und eine untere Platte, welche aus einer Platte aus hochfestem Stahl (hierin auch als Hochfester-Stahl-Platte bezeichnet) oder einer Platte aus ultrahochfestem Stahl (hierin auch als Ultrahochfester-Stahl-Platte bezeichnet) gebildet ist, unter Verwendung eines Bits (z.B. Einsatzteils), welches einen Kopfteil und einen Schaftteil aufweist, verbunden werden, wobei das Bit aus einem hochfesten Stahl, welcher eine Härte von HRC 25 bis HRC 30 hat, ausgebildet ist/wird, und wobei eine Zugscherversagenslast (z.B. Zugscherbruchlast; eine Kraft, bei welcher die Reibbitverbindung im Zugscherversuch versagt (z.B. bricht)) zwischen der oberen Platte und der unteren Platte ausgestaltet wird mittels Einstellens einer Spindeldrehzahl, einer Härte des Bits, einer Biteintauchtiefe (z.B. Biteinstechtiefe) und einer Biteintauchgeschwindigkeit, so dass sie 4 kN bis 6,5 kN beträgt.
- In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Bit aus einem hochfesten Stahl, welcher 0,35 Gew.-% (wobei Gew.-% kurz für Gewichtsprozent steht) bis 0,45 Gew.-% von Kohlenstoff aufweist, ausgebildet sein, und vorzugsweise aus AISI-4140-Stahl (bzw. Stahl der Sorte AISI 4140) ausgebildet sein.
- In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der Polymerverbundwerkstoff ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK; Englisch: CFRP) oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK; Englisch: GFRP) sein.
- In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können, wenn die untere Platte aus einer Platte aus einem hochfesten Stahl mit einer Zugfestigkeit von 590 MPa ausgebildet ist, die obere Platte und die untere Platte miteinander verbunden (z.B. gefügt) werden unter den nachstehenden Bedingungen, nämlich
Spindeldrehzahl von 2500 1/min bis 3000 1/min,
Bithärte von HRC 13 bis HRC 18,
Biteintauchtiefe von 0,15 Zoll (3,81 mm) bis 0,18 Zoll (4,572 mm), und
Biteintauchgeschwindigkeit von 4 ipm (wobei „ipm“ für „Zoll pro Minute“ steht, abgeleitet vom Englischen „inch per minute“) bis 5 ipm (10,16 cm/min bis 12,7 cm/min). - In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann (z.B. bevor die obere Platte und die untere Platte mittels des Bits verbunden werden) die Härte des Bits eingestellt (z.B. angepasst) werden/sein durch Durchführen einer Wärmebehandlung des Bits bei einer Temperatur von 800 °C bis 900 °C und dann Abkühlen des Bits auf eine Temperatur von 650 °C bis 700 °C bei einer Abkühlgeschwindigkeit von 10 °C/h bis 15 °C/h.
- In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können, wenn die untere Platte aus einer Platte aus einem ultrahochfesten Stahl mit einer Zugfestigkeit von 980 MPa ausgebildet ist, die obere Platte und die untere Platte miteinander verbunden (z.B. gefügt) werden unter den nachstehenden Bedingungen, nämlich
Spindeldrehzahl von 2000 1/min bis 2200 1/min,
Biteintauchtiefe von 0,15 Zoll (3,81 mm) bis 0,18 Zoll (4,572 mm), und
Biteintauchgeschwindigkeit von 6 ipm bis 7 ipm (15,24 cm/min bis 17,78 cm/min). - In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können, wenn die untere Platte aus einer Platte aus einem ultrahochfestem Stahl mit einer Zugfestigkeit von 1180 MPa ausgebildet ist, die obere Platte und die untere Platte miteinander verbunden (z.B. gefügt) werden unter den nachstehenden Bedingungen, nämlich
Spindeldrehzahl von 2500 1/min bis 3000 1/min,
Bithärte von HRC 41 bis HRC 45,
Biteintauchtiefe von 0,15 Zoll (3,81 mm) bis 0,18 Zoll (4,572 mm), und
Biteintauchgeschwindigkeit von 4 ipm bis 5 ipm (10,16 cm/min bis 12,7 cm/min). - In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann (z.B. bevor die obere Platte und die untere Platte mittels des Bits verbunden werden) die Härte des Bits eingestellt werden/sein durch Durchführen einer Wärmebehandlung des Bits bei einer Temperatur von 800 °C bis 900 °C, Abschrecken (z.B. schnelles Abkühlen durch Eintauchen des Bits in ein Flüssigkeitsbad (z.B. Ölbad)) des Bits und dann Tempern (Anlassen) des Bits bei einer Temperatur von 250°C bis 300°C für 10 Minuten bis 1 Stunde.
- Zahlreiche Aspekte und beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend diskutiert.
- Die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung weisen andere Eigenschaften und Vorteile, welche aus den beiliegenden Zeichnungen, die hierin aufgenommen sind, und der folgenden detaillierten Beschreibung, die zusammen dazu dienen, bestimmte Grundsätze der vorliegenden Erfindung zu erklären, deutlich werden oder darin detaillierter ausgeführt werden.
- Figurenliste
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1A ,1B und1C sind Ansichten, welche sequentiell einen Ablauf eines Reibbitverbindungsverfahrens darstellen; -
2 ist ein Diagramm, welches ein Ergebnis einer Messung von Zugscherversagenslasten von verbundenen Strukturen aus unterschiedlichen Materialen eines Beispiels 1 und eines Vergleichsbeispiels 1 darstellt; -
3 ist ein Diagramm, welches ein Ergebnis einer Messung von Zugscherversagenslasten von verbundenen Strukturen aus unterschiedlichen Materialen eines Beispiels 2 darstellt; und -
4 ist ein Diagramm, welches ein Ergebnis einer Messung von Zugscherversagenslasten von verbundenen Strukturen aus unterschiedlichen Materialen eines Beispiels 3, eines Beispiels 4 und eines Vergleichsbeispiels 2 darstellt. -
5 und6 sind Schnittansichten, welche ein Beispiel eines Bits, das in einem Reibbitverbindungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, darstellen. - Es ist zu verstehen, dass die angehängten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellungsweise von verschiedenen Eigenschaften darstellen, um die Grundprinzipien der Erfindung aufzuzeigen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, einschließlich z.B. konkrete Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, wie sie hierin offenbart sind, werden (zumindest) teilweise von der jeweiligen geplanten Anwendung und Nutzungsumgebung vorgegeben. In den Figuren beziehen sich Bezugszeichen durchgehend durch die diversen Figuren der Zeichnungen auf gleiche oder gleichwertige Bauteile der vorliegenden Erfindung.
- Detaillierte Beschreibung
- Es wird nun im Detail Bezug auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und im Folgenden beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es klar, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu gedacht ist, die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu beschränken. Die Erfindung ist im Gegenteil dazu gedacht, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern auch diverse Alternativen, Änderungen, Abwandlungen und andere Ausführungsformen, die im Sinn und Umfang der Erfindung, wie durch die angehängten Ansprüche definiert, enthalten sein können.
- In der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird eine detaillierte Beschreibung von bekannten Funktionen und Strukturen, welche hierin enthalten sind, weggelassen, wenn diese den Gegenstand der vorliegenden Erfindung eher undeutlicher machen könnten. In der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung sind die Begriffe „aufweisend“ / „aufweisen / „aufweist“ dahingehend zu interpretieren, dass sie, wenn nichts Gegenteiliges genannt ist, die mögliche Anwesenheit von anderen Elementen angeben und die Anwesenheit von korrespondierenden Elementen nicht ausschließen.
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren des Verbindens (z.B. Fügens) einer oberen Platte, welche aus einem Polymerverbundwerkstoff gebildet ist, und einer unteren Platte, welche aus einer Platte aus hochfestem Stahl oder einer Platte aus ultrahochfestem Stahl gebildet ist, unter Verwendung eines Bits (z.B. Einsatzteils), das als Verbindungselement dient. Die vorliegende Erfindung betrifft im Detail ein Verfahren des Verbindens (z.B. Fügens) einer oberen Platte und einer unteren Platte mittels eines Reibbitverbindungsverfahrens (z.B. Reibbitfügeverfahrens).
-
1A ,1B und1C sind Ansichten, welche sequentiell einen Ablauf des Reibbitverbindungsverfahrens darstellen. Unter Bezugnahme auf1A ,1B und1C wird ein Bit (z.B. Einsatzteil) 30, welches einen Kopfteil31 und einen Schaft 32 aufweist, mittels eines Werkzeugs40 gedreht und mit Druck beaufschlagt (z.B. gegen die oberen Platte gedrückt) unter der Bedingung, dass eine obere Platte10 und eine untere Platte20 in einem Flächenkontakt miteinander sind, wodurch es die obere Platte10 penetriert. Danach wird das Bit30 mittels des Werkzeugs40 kontinuierlich gedreht und mit Druck beaufschlagt unter der Bedingung, dass das Bit30 die untere Platte20 berührt, so dass eine Reibungswärme zwischen dem Bit30 und der unteren Platte20 erzeugt wird. Das Bit30 und die Umgebung davon werden hier mittels der Reibungswärme geschmolzen (A), und dann, wenn die Rotation und Druckbeaufschlagung des Bits30 durch das Werkzeug40 gestoppt wird, verbindet sich das Bit30 mit der Umgebung davon in einer Feststoffzustandverbindung (z.B. stoffschlüssigen Verbindung) (B). Durch solch einen Vorgang werden die obere Platte 10 und die untere Platte20 miteinander verbunden (z.B. gefügt). - Gemäß der vorliegenden Erfindung sollte, um die obere Platte
10 , welche aus einem Polymerverbundwerkstoff gebildet ist, und die untere Platte20 , welche aus einer Hochfester-Stahl-Platte oder einer Ultrahochfester-Stahl-Platte gebildet ist, mittels des Reibbitverbindungsverfahrens zu verbinden, eine Reibungswärme zwischen dem Bit30 und der unteren Platte20 effektiv gesteuert werden. Der Grund hierfür ist, dass der Polymerverbundwerkstoff und die Stahlplatte unterschiedliche physikalische Eigenschaften, d.h. thermische Diffusivität und thermische Leitfähigkeit, haben. Wenn die Reibungswärmemenge unzureichend ist, ist der Zustand der Feststoffzustandverbindung schlecht und ist eine Verbindungskraft verringert. Wenn die Reibungswärmemenge übermäßig hoch ist, wird die obere Platte, welche aus dem Polymerverbundwerkstoff gebildet ist, durch die Hitze beschädigt oder wird die Härte des Bits verringert und kann folglich eine Reibung zwischen dem Bit und der unteren Platte nicht auftreten. - Bei der vorliegenden Erfindung sind zahlreiche Variablen eingestellt und ausgelegt, um einen Polymerverbundwerkstoff mit einer Hochfester-Stahl-Platte oder einer Ultrahochfester-Stahl-Platte mittels des Reibbitverbindungsverfahrens zu verbinden. Nachstehend wird dies im Detail beschrieben.
- Das Bit
30 kann aus einem hochfesten Stahl, welcher eine Härte (Rockwell-Härte) von HRC25 bis HRC30 hat, aus einem hochfesten Stahl, welcher 0,35 Gew.-% bis 0,45 Gew.-% Kohlenstoff aufweist, und vorzugsweise aus AISI-4140-Stahl (bzw. Stahl der Sorte AISI4140 ) ausgebildet sein. Solch ein AISI-4140-Stahl ist ein niedriglegierter Stahl, welcher 0,42 Gew.-% Kohlenstoff (C), 0,84 Gew.-% Mangan (Mn) und 0,25 Gew.-% Silizium (Si) aufweist und welcher als Verstärkermittel Chrom (Cr), Molybdän (Mo), etc. aufweist. - Das Bit
30 kann einen Kopfteil31 , der das Werkzeug40 berührt und einen Rotationsdruck (z.B. gleichzeitig Druck und Rotation) von dem Werkzeug40 erhält, und einen Schaftteil32 , welcher von dem Kopfteil31 aus vorsteht, aufweisen, wie in1 beispielhaft dargestellt ist. Das Bit30 kann andere unterschiedliche Formen aufweisen, wobei das in1 dargestellte Bit30 eine einfache Form zur Prozesszweckmäßigkeit und Massenproduktion hat. Diesbezüglich stellen5 und6 ein dem in1 ähnliches Beispiel des Bits30 mit möglichen Abmessungen (angegeben in Zoll) des Bits30 dar, welches z.B. einen runden Kopfteil31 und einen sich an den runden Kopfteil31 anschließenden runden Schaftteil32 aufweist, wobei das in5 und6 gezeigte Bit30 in erfindungsgemäßen Reibbitverbindungsverfahren verwendet werden kann, um die erfindungsgemäßen Reibbitverbindungen mit den hierin beschriebenen Zugscherversagenslasten zu erzielen. Es ist zu verstehen, dass die in5 und6 gezeigten Abmessungen und dargestellte Gestalt des Bits30 nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung sind und dass das Bit30 in zahlreichen anderen Gestalten mit anderen Abmessungen ausgebildet sein kann. - Die obere Platte
10 kann aus einem Polymerverbundwerkstoff gebildet sein. Die obere Platte10 kann konkreter aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) oder einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) gebildet sein. - Wie beispielhaft in
1 gezeigt, penetriert das Bit30 die obere Platte10 . Wenn das Bit30 die obere Platte10 penetriert, kann die obere Platte10 reißen und können folglich Späne, einschließlich Grate, auftreten. Solche Späne können die Oberflächenqualität der oberen Platte10 verschlechtern und müssen folglich sofort entfernt werden. Die Späne können kontinuierlich oder diskontinuierlich aus dem Reibbitverbindungsprozess entfernt werden. Um eine exzellente Oberflächenqualität sicherzustellen, können bei dem Reibbitverbindungsprozess die Späne kontinuierlich entfernt werden und, obwohl eine Spanbeseitigung nicht auf eine spezifische Technik / ein spezifisches Verfahren beschränkt ist, kann ein Verfahren in Erwägung gezogen werden, bei welchem eine separate Vakuumauslassstruktur (z.B. eine Unterdruckabsaugungsstruktur) an einer Spannvorrichtung oder einer Befestigungsplatte (z.B. Klemmplatte, Spannplatte) zum Fixieren einer oberen Platte und einer unteren Platte ausgebildet ist und folglich die Späne einsaugt. - Bei einem Verbindungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, wenn die untere Platte
20 aus einer Platte aus einem hochfesten Stahl mit einer Zugfestigkeit von 590 MPa ausgebildet ist, die obere Platte 10 und die untere Platte20 unter den nachstehenden Bedingungen miteinander verbunden (z.B. gefügt).
Spindeldrehzahl von 2500 1/min bis 3000 1/min
Bithärte von HRC13 bis HRC18
Biteintauchtiefe von 0,15 Zoll (3,81 mm) bis 0,18 Zoll (4,572 mm)
Biteintauchgeschwindigkeit von 4 ipm (Zoll pro Minute) bis 5 ipm (10,16 cm/min bis 12,7 cm/min)
Die Spindeldrehzahl bedeutet eine Drehzahl des Werkzeugs40 um eine Spindel (z.B. Drehwelle) des Werkzeugs40 und des Bits30 . - Die Biteintauchtiefe bedeutet die Länge des Bits, welche in die obere Platte
10 und die untere Platte20 eingebracht wird. Obwohl die hierin beschriebene Biteintauchtiefe größer sein kann als die kombinierten Dicken der oberen Platte10 und der unteren Platte20 zusammen (Gesamtdicke der übereinander angeordneten Platten 10 und 20), ist zu verstehen, dass das Bit30 (insbesondere dessen Schaftteil32 ) durch die aufgrund der Berührung mit der unteren Platte20 erzeugten Reibungswärme schmilzt, wenn das Bit30 die oberen Platte10 durchdrungen hat und in Berührung mit unteren Platte10 kommt, und dass deshalb das Bit30 die untere Platte20 nicht durchdringt (siehe hierzu auch Teilfigur (c) in1 ). - Die Biteintauchgeschwindigkeit bedeutet eine Geschwindigkeit, mit welcher das Bit
30 in die obere Platte10 und die untere Platte20 mittels des Werkzeugs40 eingebracht wird. - Wenn die oben beschriebenen Bedingungen erfüllt sind, können die obere Platte
10 und die untere Platte20 , welche aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, miteinander mit einer exzellenten Verbindungskraft (z.B. mit resultierender exzellenter Verbindungsfestigkeit) verbunden werden. Konkreter kann eine ausreichende Reibungswärme zwischen dem Bit30 und der unteren Platte20 , welche aus der Platte aus hochfestem Stahl gebildet ist, auftreten und kann ohne ein Erweichen des Bits30 oder eine Beschädigung der oberen Platte10 und der unteren Platte20 , bis ein Verbinden abgeschlossen ist, ein Verbindungsstück fest (z.B. stoffschlüssig) ausgebildet werden, wenn die Spindeldrehzahl und die Härte des Bits30 passend eingestellt sind. Wenn ferner die Biteintauchtiefe und die Eintauchgeschwindigkeit passend eingestellt sind, kann das Bit30 die obere Platte10 ohne eine Verformung der Gestalt und der Länge des Bits30 penetrieren. - Die Härte des Bits
30 ist ein wichtiger Faktor zur Erzeugung von Reibung zwischen dem Bit30 und der unteren Platte20 und kann mittels Durchführens von spezifische Wärmebehandlungen des Bits30 eingestellt sein, so dass sie ähnlich der Härte der unteren Platte20 ist. - Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Bit
30 aus einem hochfesten Stahl, welcher eine Härte von HRC25 bis HRC30 hat, ausgebildet, und gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine Platte aus hochfestem Stahl (HRC 11,0 bis HRC 15,7) mit einer Zugfestigkeit von 590 MPa als die untere Platte20 verwendet wird, ist die Härte des Bits30 größer als die Härte der unteren Platte20 . Wenn daher die Härte des Bits30 nicht eingestellt bzw. angepasst wird, kann das Bit30 die untere Platte20 penetrieren, bevor ausreichend Reibungswärme auftritt. - Bei der vorliegenden Erfindung wird durch Einstellen der Härte des Bits
30 , so dass diese ähnlich der Härte der unteren Platte20 ist, eine Reibungswärme zwischen dem Bit30 und der unteren Platte20 maximal erhöht und sind in dem vorliegenden Fall die Spindeldrehzahl, etc. auch eingestellt, so dass das Bit30 oder die obere oder die untere Platte10 oder20 jeweilig nicht beschädigt werden, und folglich wird eine Verbindungskraft (z.B. eine resultierende Verbindungsfestigkeit) zwischen dem Polymerverbundwerkstoff und den verschiedenen Materialen des hochfesten Stahls maximal verbessert. - Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zur Einstellung (z.B. Anpassung) der Härte des Bits
30 eine Wärmebehandlung des Bits30 bei einer Temperatur von 800 °C bis 900 °C durchgeführt und dann das Bit auf eine Temperatur von 650 °C bis 700 °C bei einer Abkühlgeschwindigkeit von 10 °C/h bis 15 °C/h temperiert (z.B. abgekühlt, getempert). Das bedeutet, dass das Bit30 mittels des oben beschriebenen Verfahrens weich gemacht wird, so dass es eine Härte von HRC 13 bis HRC18 aufweist. - Bei einem Verbindungsverfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, wenn die untere Platte
20 aus einer Platte aus ultrahochfestem Stahl mit einer Zugfestigkeit von 980 MPa ausgebildet ist, die obere Platte10 und die untere Platte20 unter den nachstehenden Bedingungen miteinander verbunden (z.B. gefügt).
Spindeldrehzahl von 2000 1/min bis 2200 1/min
Biteintauchtiefe von 0,15 Zoll (3,81 mm) bis 0,18 Zoll (4,572 mm)
Biteintauchgeschwindigkeit von 6 ipm bis 7 ipm (15,24 cm/min bis 17,78 cm/min) - Die Spindeldrehzahl, die Biteintauchtiefe und die Biteintauchgeschwindigkeit haben im Wesentlichen die gleichen Bedeutungen wie in der oben beschriebenen vorherigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und eine detaillierte Beschreibung davon wird folglich weggelassen.
- Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Platte aus ultrahochfestem Stahl mit einer Zugfestigkeit von 980 MPa als die untere Platte
20 verwendet, und ist eine Härte der unteren Platte20 (HRC30 ) ähnlich der Härte des Bits 30. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann deshalb eine ausreichende Reibungswärme zwischen dem Bit30 und der unteren Platte20 auftreten, sogar wenn keine spezifische Wärmebehandlung des Bits30 durchgeführt wird. - p Bei einem Verbindungsverfahren gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, wenn die untere Platte
20 aus einer Platte aus einem ultrahochfesten Stahl mit einer Zugfestigkeit von 1180 MPa ausgebildet ist, die obere Platte10 und die untere Platte20 unter den nachstehenden Bedingungen miteinander verbunden (z.B. gefügt).
Spindeldrehzahl von 2500 1/min bis 3000 1/min,
Bithärte von HRC41 bis HRC45 ,
Biteintauchtiefe von 0,15 Zoll (3,81 mm) bis 0,18 Zoll (4,572 mm), und
Biteintauchgeschwindigkeit von 4 ipm bis 5 ipm (10,16 cm/min bis 12,7 cm/min) - Wie oben beschrieben, ist das Bit
30 aus einem hochfesten Stahl, welcher die Härte von HRC25 bis HRC30 hat, ausgebildet, und gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine Platte aus ultrahochfestem Stahl (HRC42 ) mit einer Zugfestigkeit von 1180 MPa als die untere Platte20 verwendet wird, ist eine Härte des Bits30 geringer als die Härte der unteren Platte20 . Wenn deshalb eine Härte des Bits30 nicht eingestellt bzw. angepasst wird, wird die Gestalt des Bits30 verformt und wird folglich eine Verbindungsgestalt nicht gleichmäßig, sogar wenn ausreichend Reibungswärme auftritt, und können Verbesserungen hinsichtlich der Verbindungskraft (z.B. resultierender Verbindungsfestigkeit) unwesentlich sein. - Zur Einstellung (z.B. Anpassung) der Härte des Bits
30 wird gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung deshalb, nachdem die Wärmebehandlung des Bits30 bei einer Temperatur von 800 °C bis 900 °C durchgeführt ist, ein Abschrecken des Bits30 durchgeführt und dann ein Tempern (Anlassen) des Bits30 bei einer Temperatur von 250°C bis 300°C für 10 Minuten bis 1 Stunde durchgeführt. Das bedeutet, dass das Bit30 mittels des oben beschriebenen Verfahrens gehärtet wird, so dass es eine Härte von HRC41 bis HRC45 hat. - Gemäß der vorliegenden Erfindung werden folglich, wenn die obere Platte
10 , welche aus dem Polymerverbundwerkstoff gebildet ist, und die untere Platte20 , welche aus der Platte aus hochfestem Stahl oder der Platte aus ultrahochfestem Stahl gebildet ist, unter Verwendung des Bits30 miteinander verbunden werden, das Material des Bits 30, die Spindeldrehzahl, die Bithärte, die Biteintauchtiefe und die Biteintauchgeschwindigkeit eingestellt bzw. angepasst, so dass die obere Platte10 und die untere Platte20 mit ausreichender Verbindungskraft von 4 kN bis 6,5 kN miteinander verbunden werden können. - Nachstehend wird die vorliegende Erfindung detaillierter mittels Beispielen beschrieben. Die Beispiele dienen jedoch nur dazu, die vorliegenden Erfindung beispielhaft zu beschrieben, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird nicht durch diese beschränkt.
- Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1
- Verschiedene Materialien werden mittels des in
1 aufgezeigten Verfahrens unter den nachstehend beschriebenen Bedingungen verbunden. - Eine Platte aus kohlefaserverstärkten Kunststoff (CPF3327/M.012 von TB Carbon Co. oder K51 von Skyflex Co.), welche eine Dicke von 2,0 mm hat, wird als eine obere Platte verwendet, und eine Platte aus hochfestem Stahl, welche eine Dicke von 1,2 mm und eine Zugfestigkeit von 590 MPa hat, wird als eine untere Platte verwendet.
- Ein Bit, welches aus AISI-4140-Stahl gebildet ist und welches einen Kopfteil und einen Schaftteil aufweist, wird gefertigt und dann verwendet. Eine Wärmebehandlung des Bits wird in einem Ofen bei einer Temperatur von 815 °C durchgeführt, und dann wird eine Luftabkühlung des Bits auf eine Temperatur von 665 °C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 11 °C/h durchgeführt. Das fertige Bit hat eine Härte von HRC
18 . - Eine Biteintauchtiefe ist auf 0,17 Zoll (4,318 mm) gesetzt, eine Biteintauchgeschwindigkeit ist auf 4 ipm (10,16 cm/min) gesetzt, und die obere Platte und die untere Platte werden mehrere Male unter Verwendung des Bits mittels Veränderns einer Spindeldrehzahl von 1500 1/min bis 4000 1/min verbunden, wodurch Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen zwischen dem Polymerverbundwerkstoff und der hochfesten Stahlplatte hergestellt werden. Diese Bedingungen sind als Beispiel 1 festgelegt.
- Zum Vergleichen mit dem Beispiel 1 wurden die obere Platte und die untere Platte unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 miteinander unter Verwendung eines Bits, dessen Härte nicht eingestellt bzw. angepasst ist, verbunden und diese Bedingungen sind als Vergleichsbeispiel 1 festgelegt.
- Zugscherversagenslasten der Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen, welche gemäß Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurden, wurden gemessen und folglich werden Verbindungskräfte / Verbindungsfestigkeiten davon beurteilt. Konkreter werden Zugscherversagenslasten der Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen bei einer Verformungsgeschwindigkeit von 0,4 mm/min unter Verwendung einer hydraulischen (Zug-)Festigkeitsprüfvorrichtung (von MTS Co.) gemessen. Ein erhaltenes Ergebnis ist in
2 gezeigt. - Unter Bezugnahme auf
2 kann verstanden werden, dass die Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen nach Beispiel 1, bei welchen eine Härte des Bits eingestellt ist, erheblich höhere Zugscherversagenslasten als die der Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen nach Vergleichsbeispiel 1 aufweisen, und die Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen nach Beispiel 1 weisen insbesondere eine maximale Zugscherversagenslast von 4,8 kN bis 5,0 kN bei einer Spindeldrehzahl von 2500 1/min bis 3000 1/min auf. - Beispiel 2
- Verschiedene Materialien werden mittels des in
1 aufgezeigten Verfahrens unter den nachstehend beschriebenen Bedingungen verbunden. - Eine Platte aus kohlefaserverstärkten Kunststoff (CPF3327/M.012 von TB Carbon Co.), welche eine Dicke von 2,0 mm hat, wird als eine obere Platte verwendet, und eine Platte aus ultrahochfestem Stahl, welche eine Dicke von 1,2 mm und eine Zugfestigkeit von 980 MPa hat, wird als eine untere Platte verwendet.
- Das gleiche Bit wie das in Beispiel 1 verwendete Bit wird verwendet. Das Bit hat eine Härte von HRC
30 . - Eine Biteintauchtiefe ist auf 0,17 Zoll (4,318 mm) gesetzt, eine Biteintauchgeschwindigkeit ist auf 6,75 ipm (17,145 cm/min) gesetzt, die obere Platte und die untere Platte werden mehrere Male unter Verwendung des Bits mittels Veränderns einer Spindeldrehzahl von 1500 1/min bis 2500 1/min verbunden, wodurch Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen zwischen dem Polymerverbundwerkstoff und der hochfesten Stahlplatte hergestellt werden. Diese Bedingungen sind als Beispiel 2 festgelegt.
- Zugscherversagenslasten der Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen, welche gemäß Beispiel 2 hergestellt sind, wurden gemessen und folglich werden deren Verbindungskräfte / Verbindungsfestigkeiten beurteilt. Ein erhaltenes Ergebnis ist in
3 gezeigt. Bezugnehmend auf3 kann verstanden werden, dass, wenn die Spindeldrehzahl geringer als 2000 1/min ist, eine Reibungswärme unzureichend ist und folglich die Zugscherversagenslast rapide sinkt, und dass, wenn die Spindeldrehzahl2200 1/min übersteigt, die Reibungswärmemenge übermäßig groß ist und folglich die obere Platte beschädigt wird oder das Bit weich wird und bricht und dass die Zugscherversagenslast ebenfalls rapide sinkt. Ferner kann verstanden werden, dass, wenn die Härte des Bits, die Biteintauchtiefe und die Biteintauchgeschwindigkeit die oben beschriebenen Bedingungen erfüllen und die Spindeldrehzahl2000 1/min bis 2200 1/min beträgt, eine maximale Zugscherversagenslast von bis zu ungefähr 6,5 kN gemessen wird. - Beispiel 3, Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 2
- Verschiedene Materialien werden mittels des in
1 aufgezeigten Verfahrens unter den nachstehend beschriebenen Bedingungen verbunden. - Eine Platte aus kohlefaserverstärkten Kunststoff (CPF3327/M.012 von TB Carbon Co.), welche eine Dicke von 2,0 mm hat, wird als eine obere Platte verwendet, und eine Platte aus ultrahochfestem Stahl, welche eine Dicke von 1,2 mm und eine Zugfestigkeit von 1180 MPa hat, wird als eine untere Platte verwendet.
- Das gleiche Bit wie das in Beispiel 1 verwendete Bit wird verwendet. Nachdem eine Wärmebehandlung des Bits bei einer Temperatur von 850°C durchgeführt wurde, wird eine Ölabschreckung des Bits durchgeführt und wird dann ein Tempern des Bits bei einer Temperatur von 260°C für 0,5 Stunden durchgeführt. Das fertige Bit hat eine Härte von HRC
41 bis HRC45 . - Eine Biteintauchtiefe ist auf 0,17 Zoll (4,318 mm) gesetzt, eine Biteintauchgeschwindigkeit ist auf 4 ipm (10,16 cm/min) gesetzt, und die obere Platte und die untere Platte werden mehrere Male unter Verwendung des Bits mittels Veränderns einer Spindeldrehzahl von 2200 1/min bis 4000 1/min verbunden, wodurch Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen zwischen dem Polymerverbundwerkstoff und der hochfesten Stahlplatte hergestellt werden. Diese Bedingungen sind als Beispiel 3 festgelegt. Ferner werden die obere Platte und die untere Platte mehrere Male unter Verwendung des Bits mittels des gleichen Verfahrens wie bei Beispiel 3 mit der Ausnahme, dass die Biteintauchgeschwindigkeit auf 5 ipm (12,7 cm/min) gesetzt ist und die Spindeldrehzahl von 2500 1/min bis 3500 1/min verändert wird, verbunden, wodurch Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen zwischen dem Polymerverbundwerkstoff und der hochfesten Stahlplatte hergestellt werden. Diese Bedingungen sind als Beispiel 4 festgelegt.
- Zum Vergleichen mit Beispiel 3 und Beispiel 4 wurden die oberen Platte und die untere Platte unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 4 unter Verwendung eines Bits, dessen Härte nicht eingestellt bzw. angepasst ist, miteinander verbunden, und diese Bedingungen sind als Vergleichsbeispiel 2 festgelegt.
- Zugscherversagenlasten der Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen, welche gemäß Beispiel 3, Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 2 hergestellt wurden, wurden gemessen und deren Verbindungskräfte / Verbindungsfestigkeiten werden beurteilt. Ein erhaltenes Ergebnis ist in
4 gezeigt. - Unter Bezugnahme auf
4 kann verstanden werden, dass die Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen, welche gemäß Beispiel 3 und Beispiel 4, bei welchen eine Härte des Bits eingestellt wird, hergestellt wurden, Zugscherversagenlasten haben, welche größer als die der Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen, welche gemäß Vergleichsbeispiel 2 hergestellt wurden, sind, und die Verschiedene-Materialien-Verbindungsstrukturen gemäß Beispiel 4 haben eine maximale Zugscherversagenslast von ungefähr 4,2 kN bei einer Spindeldrehzahl von 2500 1/min bis 3000 1/min. - Obwohl Beispiel 1 bis Beispiel 4 die Hochfester-Stahl-Platte mit einer Zugfestigkeit von 590 MPa oder die Ultrahochfester-Stahl-Platte mit einer Zugfestigkeit von 980 MPa oder 1180 MPa als eine untere Platte verwenden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und können andere Hochfester-Stahl-Platten oder Ultrahochfester-Stahl-Platten als die untere Platte verwendet werden, um eine obere Platte und die untere Platte mit einer exzellenten Verbindungskraft / Verbindungsfestigkeit zu verbinden, wenn eine Spindeldrehzahl, eine Härte eines Bits, eine Biteintauchtiefe und eine Biteintauchgeschwindigkeit passend ausgelegt und eingestellt sind.
- Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, kann ein Reibbitverbindungsverfahren von unterschiedlichen Materialen gemäß der vorliegenden Erfindung die nachfolgenden Effekte haben.
- Wenn ein ultrahochfester Stahl und ein Polymerverbundwerkstoff miteinander verbunden (z.B. gefügt) werden, können eine Spindeldrehzahl, eine Härte eines Bits, etc. geeignet ausgelegt sein und können folglich unterschiedliche Materialien mit exzellenter Verbindungskraft / Verbindungsfestigkeit ohne Beschädigung eines Verbindungsteils und ohne Oberflächendefekte verbunden werden.
- Das Reibbitverbindungsverfahren von unterschiedlichen Materialen gemäß der vorliegenden Erfindung kann folglich eine Verschiedene-Materialien-Verbindungsstruktur, welche eine erheblich verbesserte Energieabsorptionsfähigkeit, Leichtbaueffizienz und Lebensdauer hat, bereitstellen.
- Indem ein Auslegungsverfahren und Auslegungsfaktoren gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden, können, sogar wenn irgendein hochfester Stahl oder irgendein ultrahochfester Stahl verwendet wird, der hochfeste Stahl oder der ultrahochfeste Stahl mit einem Polymerverbundwerkstoff, der ein geringes Gewicht hat, mit exzellenter Verbindungskraft / Verbindungsfestigkeit verbunden werden.
- Zur Erleichterung der Erklärung und genauen Definition in den beigefügten Ansprüchen werden die Begriffe „ober...“, „unter...“, „inner...“, „äußer...“, „hoch“, „runter“, „aufwärts“, „abwärts“, „vorder...“, „hinter...“, „vorne“, „hinten“ „nach innen / einwärts“, „nach außen / auswärts“, „innerhalb, „außerhalb“, „innen“, „außen“, „nach vorne / vorwärts“ und „nach hinten / rückwärts“ dazu verwendet, um Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen mit Bezug auf deren Positionen, wie sie in den Zeichnungen gezeigt sind, zu beschreiben.
- Die vorhergehenden Beschreibungen von bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienten dem Zweck der Darstellung und Beschreibung. Sie sind nicht dazu gedacht, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf genau die offenbarten Formen zu beschränken, und offensichtlich sind viele Änderungen und Abwandlungen vor dem Hintergrund der obigen Lehre möglich. Die beispielhaften Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um bestimmte Grundsätze der Erfindung und ihre praktische Anwendbarkeit zu beschreiben, um es dadurch dem Fachmann zu erlauben, verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, sowie verschiedene Alternativen und Abwandlungen davon, herzustellen und anzuwenden. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.
Claims (9)
- Reibbitverbindungsverfahren unterschiedlicher Materialien, wobei eine obere Platte (10), welche aus einem Polymerverbundwerkstoff gebildet ist, und eine untere Platte (20), welche aus einer Platte aus hochfestem Stahl oder einer Platte aus ultrahochfestem Stahl gebildet ist, unter Verwendung eines Bits (30), welches einen Kopfteil (31) und einen Schaftteil (32) aufweist, verbunden werden, das Bit (30) aus einem hochfesten Stahl, welcher eine Härte von HRC 25 bis HRC 30 hat, ausgebildet ist, und eine Zugscherversagenslast zwischen der oberen Platte (10) und der unteren Platte (20) ausgestaltet wird mittels Einstellens einer Spindeldrehzahl, einer Härte des Bits (30), einer Biteintauchtiefe und einer Biteintauchgeschwindigkeit, so dass sie 4 kN bis 6,5 kN beträgt.
- Reibbitverbindungsverfahren unterschiedlicher Materialien gemäß
Anspruch 1 , wobei das Bit (30) aus einem hochfesten Stahl, welcher 0,35 Gew.-% bis 0,45 Gew.-% von Kohlenstoff aufweist, ausgebildet ist. - Reibbitverbindungsverfahren unterschiedlicher Materialien gemäß
Anspruch 1 oder2 , wobei das Bit (30) aus AISI-4140-Stahl ausgebildet ist. - Reibbitverbindungsverfahren unterschiedlicher Materialien gemäß irgendeinem der
Ansprüche 1 bis3 , wobei der Polymerverbundwerkstoff ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ist. - Reibbitverbindungsverfahren unterschiedlicher Materialien gemäß irgendeinem der
Ansprüche 1 bis4 , wobei, wenn die untere Platte (20) aus einer Platte aus einem hochfesten Stahl mit einer Zugfestigkeit von 590 MPa ausgebildet ist, die obere Platte (10) und die untere Platte (20) miteinander verbunden werden unter den Bedingungen von einer Spindeldrehzahl von 2500 1/min bis 3000 1/min, einer Bithärte von HRC 13 bis HRC 18, einer Biteintauchtiefe von 0,15 Zoll bis 0,18 Zoll und einer Biteintauchgeschwindigkeit von 4 ipm (Zoll pro Minute) bis 5 ipm. - Reibbitverbindungsverfahren unterschiedlicher Materialien gemäß
Anspruch 5 , die Härte des Bits (30) eingestellt wird durch Durchführen einer Wärmebehandlung des Bits (30) bei einer Temperatur von 800 °C bis 900 °C und dann Abkühlen des Bits (30) auf eine Temperatur von 650 °C bis 700 °C bei einer Abkühlgeschwindigkeit von 10 °C/h bis 15 °C/h. - Reibbitverbindungsverfahren unterschiedlicher Materialien gemäß irgendeinem der
Ansprüche 1 bis4 , wobei, wenn die untere Platte (20) aus einer Platte aus einem ultrahochfesten Stahl mit einer Zugfestigkeit von 980 MPa ausgebildet ist, die obere Platte (10) und die untere Platte (20) miteinander verbunden werden unter den Bedingungen von einer Spindeldrehzahl von 2000 1/min bis 2200 1/min, einer Biteintauchtiefe von 0,15 Zoll bis 0,18 Zoll, und einer Biteintauchgeschwindigkeit von 6 ipm bis 7 ipm. - Reibbitverbindungsverfahren unterschiedlicher Materialien gemäß irgendeinem der
Ansprüche 1 bis4 , wobei, wenn die untere Platte (20) aus einer Platte aus einem ultrahochfestem Stahl mit einer Zugfestigkeit von 1180 MPa ausgebildet ist, die obere Platte (10) und die untere Platte (20) miteinander verbunden werden unter den Bedingungen von einer Spindeldrehzahl von 2500 1/min bis 3000 1/min, einer Bithärte von HRC 41 bis HRC 45, einer Biteintauchtiefe von 0,15 Zoll bis 0,18 Zoll, und einer Biteintauchgeschwindigkeit von 4 ipm bis 5 ipm. - Reibbitverbindungsverfahren unterschiedlicher Materialien gemäß
Anspruch 8 , wobei die Härte des Bits (30) eingestellt wird durch Durchführen einer Wärmebehandlung des Bits (30) bei einer Temperatur von 800 °C bis 900 °C, Abschrecken des Bits (30) und dann Tempern des Bits (30) bei einer Temperatur von 250°C bis 300°C für 10 Minuten bis 1 Stunde.
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