DE102018101845A1 - Blind-flow screw connection of materials - Google Patents
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Abstract
Es ist ein zweiteiliges mechanisches Befestigungselement, das einen länglichen Körper mit einer Bohrung umfasst, die gleitbar einen Dorn trägt, der geeignet ist, den Körper in Eingriff zu bringen, beschrieben. Der Befestigungselementkorpus hat eine oder mehrere Protuberanzen an seiner äußeren Fläche. In einem Aspekt bilden die Protuberanzen ein Gewinde. Das Befestigungselement ist so ausgebildet, dass es eine Öffnung in einem Stapel von zwei oder mehr Werkstücken bildet und in diesen eindringt. Um die Werkstücke in dem Werkstückstapel zu sichern und eine robuste Verbindung zu bilden, wird der Befestigungskorpus durch den Dorn verformt, wodurch der Korpus erweitert wird, sodass ein Korpusende in eine Fläche des Werkstückstapels eingreift und die eine oder die mehreren Protuberanzen mit den Wänden der Öffnung in Eingriff gebracht werden. Verfahren zum Verwenden eines solchen Befestigungselements für das Befestigen von blattartigen Werkstücken auf Nichteisen- oder Polymerbasis aneinander sind offenbart.It is a two-part mechanical fastener comprising an elongate body having a bore slidably supporting a mandrel adapted to engage the body. The fastener body has one or more protuberances on its outer surface. In one aspect, the protuberances form a thread. The fastener is configured to form and penetrate an opening in a stack of two or more workpieces. To secure the workpieces in the stack of workpieces and form a robust connection, the fastener body is deformed by the mandrel, thereby expanding the body so that a body end engages one surface of the workpiece stack and the one or more protuberances with the walls of the opening be engaged. Methods of using such a fastener to fasten non-ferrous or polymer-based sheet-like workpieces together are disclosed.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft mechanische Befestigungsmittel und Verfahren für das Verwenden solcher Befestigungsmittel, um zwei oder mehr Schichten von Materialien aneinander zu befestigen, die in der Struktur und/oder Zusammensetzung ähnlich oder unähnlich sein können.The technical field of this disclosure relates to mechanical fasteners and methods for using such fasteners to secure together two or more layers of materials that may be similar or dissimilar in structure and / or composition.
EINLEITUNGINTRODUCTION
Kraftfahrzeuge, einschließlich Automobile und leichte Lastkraftwagen, verwenden eine breite Vielfalt von Materialien, einschließlich Stahlbleche mit einer Zugfestigkeit von etwa 300 MPa bis über 800 MPa, Nichteisenlegierungen wie Guss- und Knetaluminium und Magnesiumlegierungen und Polymere, einschließlich verstärkt Polymere. Eine Fahrzeugkarosserie oder -struktur resultiert aus dem Zusammenbau vieler Teile und Komponenten, die robust aneinander befestigt und so angeordnet sind, dass die zusammengebauten Komponenten zusammenarbeiten können, um die auf die Karosserie oder die Struktur aufgebrachten Lasten aufzunehmen. Der umfangreiche Bereich potenzieller Materialien, die eine Befestigung erfordern, macht mechanische Befestigungsmittel zu einer attraktiven Option, da mechanische Befestigungsmittel so angepasst werden können, dass sie eine Vielzahl von Bauteilen aus einem breiten Bereich von Materialien ähnlicher oder unähnlicher Materialien miteinander verbinden und befestigen.Automotive vehicles, including automobiles and light trucks, use a wide variety of materials, including steel sheets having a tensile strength of from about 300 MPa to over 800 MPa, non-ferrous alloys such as cast and kneaded aluminum and magnesium alloys, and polymers including reinforced polymers. A vehicle body or structure results from the assembly of many parts and components that are robustly secured together and arranged so that the assembled components can cooperate to accommodate the loads applied to the body or structure. The extensive range of potential materials requiring attachment makes mechanical fasteners an attractive option, as mechanical fasteners can be adapted to interconnect and secure a variety of components from a wide range of materials of similar or dissimilar materials.
KURZDARSTELLUNGSUMMARY
Es wird ein zweiteiliges Befestigungselement offenbart, wobei jedes Teil aus einem eisenhaltigen Material hergestellt ist, um eine strukturelle Verbindung zwischen zwei oder mehr geschichteten Werkstücken zu bilden. Geeignete Werkstücke beinhalten gegossene und geschmiedete Aluminium- und Magnesiumlegierungen und Werkstücke auf Polymerbasis, wie gefüllte Polymere und mit Partikeln und Fasern verstärkte Polymere, einschließlich gewebter Fasern.A two-part fastener is disclosed wherein each part is made of a ferrous material to form a structural bond between two or more layered workpieces. Suitable workpieces include cast and forged aluminum and magnesium alloys and polymer based workpieces such as filled polymers and particulate and fiber reinforced polymers, including woven fibers.
Das Befestigungselement umfasst einen hohlen, länglichen, zylindrischen oder konischen Korpus mit einer Drehachse. Der Befestigungselementkorpus hat eine Länge, erste und zweite Enden, eine Bohrung von allgemein gleichförmigem Innendurchmesser und eine Außenfläche. Der Befestigungselementkorpus endet an dem ersten Ende in einer ringförmigen Kappe mit einem Innendurchmesser, der gleich dem Durchmesser der Korpusbohrung ist, und einem so bemessenen Außendurchmesser, dass er über die Außenfläche des Korpus vorsteht.The fastener includes a hollow, elongated, cylindrical or conical body having a pivot axis. The fastener body has a length, first and second ends, a bore of generally uniform inner diameter, and an outer surface. The fastener body terminates at the first end in an annular cap having an inner diameter equal to the diameter of the body bore and an outer diameter sized to project beyond the outer surface of the body.
Die Außenfläche des Korpus kann ein oder mehrere sich nach außen erstreckende, hervorstehende Merkmale aufweisen, die durch einen auf der Korpusachse zentrierten Kreis umschreibbar sind und einen Durchmesser haben, der kleiner als der Außendurchmesser der ringförmigen Kappe ist. Das Befestigungselement kann auch einen in der Korpusbohrung positionierten Dorn aufweisen, mit einer Welle, die so bemessen ist, dass sie verschiebbar in die Bohrung eingreift und an einem Ende, das aus der Bohrung vorsteht, einen Dornkopf, der so bemessen ist, dass er mit dem gegenüberliegenden Ende des Befestigungskorpus in Eingriff kommt. Das Befestigungselement kann um die Drehachse gedreht werden. Wenn ein sich drehendes Befestigungselement in Kontakt mit einem Werkstück gebracht wird, kann der Dornkopf angepasst werden um mit dem Werkstück in Reibungseingriff zu treten und dieses zu erhitzen, oder um Werkstückmaterial zu schneiden und mechanisch zu entfernen.The outer surface of the body may have one or more outwardly extending protruding features circumscribable by a circle centered on the body axis and having a diameter smaller than the outer diameter of the annular cap. The fastener may also include a mandrel positioned within the body bore, having a shaft sized to slidably engage the bore, and an end projecting out of the bore, a mandrel head sized to engage with engages the opposite end of the mounting body. The fastening element can be rotated about the axis of rotation. When a rotating fastener is brought into contact with a workpiece, the mandrel head can be adapted to frictionally engage and heat the workpiece, or to cut and mechanically remove workpiece material.
In einem Aspekt können die Protuberanzen ein Gewinde sein. In anderen Aspekten können die Protuberanzen kontinuierliche oder segmentierte Stege oder isolierte, gleichdimensionierte oder unterschiedlich dimensionierte isolierte Merkmale sein.In one aspect, the protuberances may be threaded. In other aspects, the protuberances may be continuous or segmented ridges or isolated, equi-dimensional, or different sized isolated features.
Das oben beschriebene Befestigungselement kann verwendet werden, um zwei oder mehr Werkstücke zu einem geklemmten Werkstückstapel zusammenzufügen, indem das Befestigungselement um die Befestigungselement-Drehachse gedreht wird, während das Befestigungselement zu der oberen Fläche des oberen Werkstücks des Werkstückstapels in einen Stoßbereich vorgeschoben wird. Das sich drehende Befestigungselement wird in einen anfänglichen Eingriff mit der Oberfläche des Werkstückstapels vorgeschoben und kann wahlweise in Kontakt mit der Werkstückoberfläche gehalten werden, während es sich für eine Zeit dreht, die ausreicht, um das Werkstück reibend zu erhitzen. Das sich drehende Befestigungselement wird dann weiter in den Werkstückstapel vorgeschoben, bis das gegenüberliegende Ende des Befestigungselements die untere Außenfläche des Werkstücks durchdringt und sich über diese hinaus erstreckt und die Unterseite der Befestigungselementkappe die Außenfläche des oberen Werkstücks berührt. Wenn dies auftritt, werden sowohl die Drehung als auch der Vorschub des Befestigungselements eingestellt.The fastener described above may be used to join two or more workpieces to a clamped stack of workpieces by rotating the fastener about the fastener pivot axis as the fastener is advanced to the upper surface of the upper workpiece of the workpiece stack in a butting area. The rotating fastener is advanced into initial engagement with the surface of the workpiece stack and can be selectively held in contact with the workpiece surface while rotating for a time sufficient to frictionally heat the workpiece. The rotating fastener is then advanced further into the workpiece stack until the opposite end of the fastener penetrates and extends beyond the lower outer surface of the workpiece and the underside of the fastener cap contacts the outer surface of the upper workpiece. When this occurs, both the rotation and the feed of the fastener are adjusted.
Dann wird eine kontinuierlich zunehmende Kraft auf den Dorn entlang der Befestigungselementachse in einer Richtung ausgeübt, die den Eingriff des Dornkopfs und des dem Korpus gegenüberliegenden Endes fördert, während der Korpus des Befestigungselements abgestützt wird, sodass der Dornkopf mit dem Korpusende eingreift und das Korpusende verformt und kollabiert, bis die Dornwelle bricht und dadurch die Werkstücke aneinander befestigt.Then, a continuously increasing force is exerted on the mandrel along the fastener axis in a direction that promotes engagement of the mandrel head and the body opposite end while supporting the body of the fastener such that the mandrel head engages the body end and deforms the body end and collapses until the mandrel shaft breaks and thereby the workpieces attached to each other.
In einer Ausführungsform kann das Verbindungsverfahren ausgeführt werden, während der Werkstückstapel unter Verwendung von Widerstandserwärmung, Induktionserwärmung oder Lasererwärmung vorgewärmt wird.In one embodiment, the bonding process may be performed while preheating the workpiece stack using resistance heating, induction heating, or laser heating.
Figurenlistelist of figures
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1 ist eine repräsentative Ausführungsform eines ersten Aspekts eines Befestigungselements, das einen Korpus mit Außengewinde und einen Dorn mit einem Kopf aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des kleineren Gewindedurchmessers;1 Figure 4 is a representative embodiment of a first aspect of a fastener having an externally threaded body and a mandrel having a head that is smaller than the diameter of the smaller diameter thread; -
2 ist eine weitere repräsentative Ausführungsform eines ersten Aspekts eines Befestigungselements, das einen Korpus mit Außengewinde und einen Dorn mit einem Kopf aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des kleineren Gewindedurchmessers;2 is another representative embodiment of a first aspect of a fastener having an externally threaded body and a mandrel having a head that is smaller than the diameter of the smaller diameter thread; -
3 zeigt eine demontierte Ausführungsform eines mit Gewinde versehenen Befestigungselements, wie es in den1 und2 gezeigt ist;3 shows a disassembled embodiment of a threaded fastener as shown in FIGS1 and2 is shown; -
4 veranschaulicht ein Verfahren der Verwendung des Befestigungselements von1 ,2 und3 , um einen Werkstückstapel zu verbinden, der aus zwei übereinanderliegenden Elementen besteht, wobei auf die Passfläche Klebstoff aufgebracht wird;4 illustrates a method of using the fastener of1 .2 and3 to bond a stack of workpieces consisting of two superimposed elements with glue applied to the mating surface; -
5 veranschaulicht ein Verfahren der Verwendung des Befestigungselements von1 ,2 und3 , um einen Werkstückstapel zu verbinden, der aus zwei übereinanderliegenden Elementen besteht, wobei auf die Passfläche Klebstoff aufgebracht wird;5 illustrates a method of using the fastener of1 .2 and3 to bond a stack of workpieces consisting of two superimposed elements with glue applied to the mating surface; -
6 veranschaulicht ein Verfahren der Verwendung des Befestigungselements von1 ,2 und3 , um einen Werkstückstapel zu verbinden, der aus zwei übereinanderliegenden Elementen besteht, wobei auf die Passfläche Klebstoff aufgebracht wird;6 illustrates a method of using the fastener of1 .2 and3 to bond a stack of workpieces consisting of two superimposed elements with glue applied to the mating surface; -
7 veranschaulicht ein Verfahren der Verwendung des Befestigungselements von1 ,2 und3 , um einen Werkstückstapel zu verbinden, der aus zwei übereinanderliegenden Elementen besteht, wobei auf die Passfläche Klebstoff aufgebracht wird;7 illustrates a method of using the fastener of1 .2 and3 to bond a stack of workpieces consisting of two superimposed elements with glue applied to the mating surface; -
8 veranschaulicht ein Verfahren der Verwendung des Befestigungselements von1 ,2 und3 , um einen Werkstückstapel zu verbinden, der aus zwei übereinanderliegenden Elementen besteht, wobei auf die Passfläche Klebstoff aufgebracht wird;8th illustrates a method of using the fastener of1 .2 and3 to bond a stack of workpieces consisting of two superimposed elements with glue applied to the mating surface; -
9 veranschaulicht eine alternative Dornkopfgeometrie;9 illustrates an alternative mandrel head geometry; -
10 veranschaulicht eine andere alternative Dornkopfgeometrie;10 illustrates another alternative mandrel head geometry; -
11 veranschaulicht noch eine andere alternative Dornkopfgeometrie;11 illustrates yet another alternative mandrel head geometry; -
12 veranschaulicht eine repräsentative Ausführungsform eines zweiten Aspekts eines Befestigungselements, in dem der Befestigungselementkorpus Stege aufweist, die sich nach außen erstrecken;12 Figure 4 illustrates a representative embodiment of a second aspect of a fastener in which the fastener body has webs extending outwardly; -
13 veranschaulicht eine repräsentative Ausführungsform eines zweiten Aspekts eines Befestigungselements, bei dem der Befestigungselementkorpus gemeinsam bemessene, gemeinsam geformte Protuberanzen aufweist;13 Figure 4 illustrates a representative embodiment of a second aspect of a fastener in which the fastener body has co-sized, co-molded protuberances; -
14 stellt eine repräsentative Ausführungsform eines zweiten Aspekts eines Befestigungselements dar, bei dem der Befestigungselementkorpus variabel geformte Protuberanzen aufweist;14 Figure 4 illustrates a representative embodiment of a second aspect of a fastener in which the fastener body has variably shaped protuberances; -
15 zeigt in Draufsicht eine Heiz- und Klemmvorrichtung für die Durchführung einer weiteren Ausführungsform für das Verbinden eines aus zwei übereinanderliegenden Werkstücken bestehenden Werkstückstapels mit an der Passfläche aufgebrachtem Klebstoff;15 shows in plan view a heating and clamping device for carrying out a further embodiment for connecting a workpiece stack consisting of two superimposed workpieces with adhesive applied to the mating surface; -
16 zeigt in Schnittansicht eine Heiz- und Klemmvorrichtung für die Durchführung einer weiteren Ausführungsform für das Verbinden eines aus zwei übereinanderliegenden Werkstücken bestehenden Werkstückstapels mit an der Passfläche aufgebrachtem Klebstoff;16 shows in sectional view a heating and clamping device for carrying out a further embodiment for connecting a workpiece stack consisting of two superimposed workpieces with adhesive applied to the mating surface; -
17 zeigt in Draufsicht eine Heiz- und Klemmvorrichtung für die Durchführung einer weiteren Ausführungsform für das Verbinden eines aus zwei übereinanderliegenden Werkstücken bestehenden Werkstückstapels mit an der Passfläche aufgebrachtem Klebstoff und für die Darstellung des Betriebs einer Heiz- und Klemmvorrichtung; und17 shows in plan view a heating and clamping device for carrying out a further embodiment for connecting a consisting of two superimposed workpieces workpiece stack with adhesive applied to the mating surface and for illustrating the operation of a heating and clamping device; and -
18 zeigt in Schnittansicht eine Heiz- und Klemmvorrichtung für die Durchführung einer weiteren Ausführungsform für das Verbinden eines aus zwei übereinanderliegenden Werkstücken bestehenden Werkstückstapels mit an der Passfläche aufgebrachtem Klebstoff und für die Darstellung des Betriebs einer Heiz- und Klemmvorrichtung.18 shows in sectional view a heating and clamping device for carrying out a further embodiment for connecting a consisting of two superposed workpieces workpiece stack with adhesive applied to the mating surface and for illustrating the operation of a heating and clamping device.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Beispielhafte zweiteilige Befestigungselemente mit Außengewinde, die einen ersten Aspekt
Zunächst bezugnehmend auf
Die Gewindesteigung an den Korpussen
Die Korpusse
Die Dorne
Die gezeigten Bohrungen
Jeder der Dornköpfe
Die Verwendung eines solchen Befestigungselement s ist in den
Ein Eingriff der Fläche
In einer Ausführungsform wird, wenn das Befestigungselement anfänglich auf die Fläche
Bei fortgesetztem Vorschieben,
Nachdem das Befestigungselement
Bei fortgesetzter Zunahme der Kraft „p“ (und der entsprechenden Reaktionskraft) wird das freiliegende Werkstückende weiterhin kollabieren und sich verformen, bis die Dornwelle 126 bricht und der verbleibende Abschnitt
In der in den
Alternative Dornkopfkonstruktionen können verwendet werden. Einige zusätzliche, nicht einschränkende Beispiele sind in den
Jede der Dornkopfkonstruktionen
Für eine geeignete Befestigungselementleistung kann der Durchmesser „d“ (
Ähnliche Praktiken bezüglich der Drehung und des Vorschiebens des Befestigungselements können befolgt werden, wenn die Befestigungselemente mit unregelmäßigeren Werkstückeingriffsmerkmalen verwendet werden, wie sie an den in den
Wenn die Befestigungselemente
In diesem Aspekt kann das Zurückziehen des Dorns
In einer weiteren Ausführungsform, die für beide Aspekte anwendbar ist, kann das obere Werkstück extern erwärmt werden. Eine solche Erwärmung ist eine Ergänzung zu der Reibungserwärmung und dient dazu, die Zykluszeit für das Einrühren der Befestigungselemente zu reduzieren, indem das Ausmaß der Reibungserwärmung verringert und somit die Verweilzeit oder die Zeitspanne reduziert wird, während der rotierende Dornkopf in einer festen Position in Reibungsinterferenz mit den Werkstückflächen gehalten wird und Wärme erzeugt. In einem Aspekt, der für die Verwendung an metallischen oder elektrisch leitenden Werkstücken geeignet ist, ist eine Kombinationsklemme/ein Kombinationsleiter
Im Betrieb, wie in der Draufsicht in
Das gezeigte spezifische Beispiel ist nur für den Modus der externen Erwärmung exemplarisch und repräsentativ. Als weitere Beispiele kann eine Induktionserwärmung unter Verwendung einer ringförmigen Scheiben spule, die auf der Achse des Befestigungselements zentriert ist, auch für leitfähige Werkstücke und Lasererwärmung geeignet sein, wobei ein extern auf die Fügezone fokussierter Laser auf einen breiten Bereich von Werkstücken anwendbar sein kann, einschließlich elektrisch leitfähiger Werkstücke, wie etwa Werkstücke auf Polymerbasis. Falls erforderlich, kann die Effizienz eines solchen laserbasierten Erwärmungssystems durch Aufbringen einer absorptionsverstärkenden Beschichtung auf das Werkstück verbessert werden.The specific example shown is exemplary and representative only of the external heating mode. As further examples, induction heating using an annular disk centered on the axis of the fastener may also be suitable for conductive workpieces and laser heating, where an externally focussed laser may be applicable to a wide range of workpieces including electrically conductive workpieces, such as polymer-based workpieces. If necessary, the efficiency of such a laser-based heating system can be improved by applying an absorption-enhancing coating to the workpiece.
Die obige Beschreibung der exemplarischen Ausführungsformen und speziellen Beispiele sind lediglich beschreibender Natur; Sie sollen den Umfang der folgenden Ansprüche nicht begrenzen. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.The above description of the exemplary embodiments and specific examples are merely descriptive in nature; They are not intended to limit the scope of the following claims. Each of the terms used in the appended claims should be understood in its ordinary and general meaning, unless expressly stated otherwise in the specification.
Claims (10)
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- 2018-01-26 DE DE102018101845.2A patent/DE102018101845A1/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3799522A1 (en) | 2019-09-26 | 2021-03-31 | Georg Emeis | Method and device for electrical resistance heating |
DE102019126027A1 (en) * | 2019-09-26 | 2021-04-01 | Georg Emeis | Method and device for electrical resistance heating |
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