DE102018101845A1 - Blind-flow screw connection of materials - Google Patents

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Pei-Chung Wang
Steven Cipriano
Bradley J. Blaski
Richard C. Janis
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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

  • 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 den 1 und 2 gezeigt ist; 3 shows a disassembled embodiment of a threaded fastener as shown in FIGS 1 and 2 is shown;
  • 4 veranschaulicht ein Verfahren der Verwendung des Befestigungselements von 1, 2 und 3, 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 of 1 . 2 and 3 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 von 1, 2 und 3, 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 of 1 . 2 and 3 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 von 1, 2 und 3, 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 of 1 . 2 and 3 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 von 1, 2 und 3, 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 of 1 . 2 and 3 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 von 1, 2 und 3, 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 of 1 . 2 and 3 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; und 17 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 10, 10' veranschaulichen, sind in den 1 und 2 gezeigt und in demontierter Form 10" in 3.Exemplary two-piece male threaded fasteners, which are a first aspect 10 . 10 ' are in the 1 and 2 shown and disassembled form 10 "in 3 ,

Zunächst bezugnehmend auf 3 umfasst das Befestigungselement 10" einen Korpus 12" und einen Dorn 14", der eine Dornwelle 27" und einen Dornkopf 28" umfasst. Die Dornwelle 27" gleitet verschiebbar in die Bohrung 16" in dem Korpus 12". Wenn in die Befestigungselementen 10, 10' (1, 2) zusammengebaut, können die Dorne 14, 14' zeitweilig gegen ein relatives Gleiten oder gegen eine relative Drehbewegung mit dem Korpus 12, 12' durch die länglichen Bohrungseingriffsmerkmale 18" gesichert werden, wie in 3 gezeigt. Die Korpusse 12, 12', 12" haben Außengewinde 20, 20', 20" mit einem Hauptdurchmesser von 2 mm bis 10 mm und einer Scheitel-Wurzel-Abmessung von 0,3 mm bis 2,5 mm, die sich von einer ringförmigen Kappe 22, 22', 22", die sich an einem Ende der Korpusse 12, 12', 12" befinden, zu einem gegenüberliegenden Korpusende 24, 24', 24" erstrecken. Die Korpusse 12, 12', 12" können eine im Allgemeinen konische Außenfläche, die sich von dem ringförmigen Kappenende zu dem gegenüberliegenden Ende verjüngt, wie es an Korpus 12" gezeigt ist, oder eine allgemein zylindrische äußere Fläche, wie an den Korpussen 12, 12' gezeigt, aufweisen. Geeigneter Weise kann die ringförmige Kappe 22 zum Beispiel einen Außendurchmesser haben, der das 2-5-fache des Durchmessers des Korpus an der Stelle aufweist, die unmittelbar an die Kappe angrenzt. Referring first to 3 includes the fastener 10 " a body 12 " and a thorn 14 " that a spike shaft 27 " and a thorn head 28 " includes. The mandrel shaft 27 " slides slidably into the hole 16 " in the corpus 12 " , When in the fasteners 10 . 10 ' ( 1 . 2 ), the spines can 14 . 14 ' temporarily against relative sliding or against relative rotational movement with the body 12, 12 'by the elongated bore engagement features 18 " be secured, as in 3 shown. The carcasses 12 . 12 ' . 12 " have external threads 20 . 20 ' . 20 " with a major diameter of 2 mm to 10 mm and a crest-root dimension of 0.3 mm to 2.5 mm, extending from an annular cap 22 . 22 ' . 22 " located at one end of the carcasses 12 . 12 ' . 12 " located, to an opposite end of the cabinet 24 . 24 ' . 24 " extend. The carcasses 12 . 12 ' . 12 " For example, a generally conical outer surface that tapers from the annular cap end to the opposite end may be attached to the body 12 " or a generally cylindrical outer surface as shown on the carcasses 12, 12 '. Suitably, the annular cap 22 for example, have an outer diameter which is 2-5 times the diameter of the body at the position immediately adjacent to the cap.

Die Gewindesteigung an den Korpussen 12, 12', 12" kann grob sein, wie bei dem Befestigungselement 10" oder fein wie bei dem Befestigungselement 10 oder mit einem Zwischenabstand, wie bei dem Befestigungselement 10'. Obwohl die gezeigten Beispiele eine feste Gewindesteigung entlang der Korpuslänge aufweisen, kann auch ein Gewinde mit variabler Gewindesteigung verwendet werden. Geeignete Gewindesteigungen beinhalten 0,2 mm bis 4 mm. Viele Gewindevarianten sind den Fachleuten auf dem Gebiet der Befestigungselemente bekannt, einschließlich UNC, UNF, BSW, BSF, metrisch und BA, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Korpusse 12, 12', 12" können beliebige dieser Gewindearten sowie andere, nicht standardmäßige oder nicht erkannte Gewindevarianten enthalten.The thread pitch on the carcasses 12 . 12 ' . 12 " can be coarse, as with the fastener 10 " or fine as in the fastener 10 or with an intermediate distance, as in the fastener 10 ' , Although the examples shown have a fixed pitch along the body length, a variable pitch thread can also be used. Suitable thread pitches include 0.2 mm to 4 mm. Many thread variants are known to those skilled in the art of fasteners, including, but not limited to, UNC, UNF, BSW, BSF, metric, and BA. The carcasses 12 . 12 ' . 12 " can contain any of these threads as well as other non-standard or unrecognized thread variants.

Die Korpusse 12, 12', 12" können jede geeignete Länge haben, vorausgesetzt, es reicht aus, um eine gestapelte Anordnung von Werkstücken, jedes allgemein in Blattform, zu penetrieren und sich daraus zu erstrecken, wie weiter unten beschrieben ist.The carcasses 12 . 12 ' . 12 " may be any suitable length, provided that it is sufficient to penetrate and extend from a stacked array of workpieces, each generally in sheet form, as further described below.

Die Dorne 14, 14', 14" sind im Allgemeinen merklich länger als die Korpusse, die sie belegen, wobei die Wellen 27, 27', 27" den größten Teil ihrer Länge umfassen. Die Wellen 27, 27', 27" können einrastende Merkmale wie 26 an der Welle 27 (siehe 1) und 26' an der Welle 27' (2) aufweisen, die eine zuverlässige Übertragung einer Zugkraft ermöglichen (F- siehe 1, 2), um den Dorn aus dem Korpus herauszuziehen. Die Dornwellen 27, 27', 27" haben einen allgemein gleichförmigen, bohrungsgleitfähigen Querschnitt und enden in einem Dornkopf 28, 28', 28" mit einer Querschnittsabmessung, die größer ist als die Abmessungen der jeweiligen Bohrungen 16, 16' , 16", sodass die Dorne 28, 28', 28" beim Anlegen der Zugkraft „F“ (1, 2) mit den gegenüberliegenden Korpusenden 24, 24', 24" ihrer jeweiligen Korpusse 12, 12', 12" interferieren.The spines 14 . 14 ' . 14 " are generally noticeably longer than the carcasses they occupy, with the waves 27 . 27 ' . 27 " cover most of their length. The waves 27 , 27 ', 27 "can have latching features like 26 on the shaft 27 (please refer 1 ) and 26 'on the shaft 27 ' ( 2 ), which allow a reliable transmission of a tensile force (F- see 1 . 2 ) to pull the mandrel out of the carcass. The mandrel shafts 27 . 27 ' , 27 "have a generally uniform, bore lubricious cross section and terminate in a mandrel head 28 . 28 ' . 28 " with a cross-sectional dimension that is larger than the dimensions of the respective holes 16 . 16 ' 16 ", so the spines 28 . 28 ' . 28 " when applying the tensile force "F" ( 1 . 2 ) with the opposite body ends 24 . 24 ' . 24 " their respective carcasses 12 . 12 ' . 12 " interfere.

Die gezeigten Bohrungen 16, 16', 16" sind zylindrisch und so bemessen, dass sie entsprechende zylindrische Dornwellen 27, 27', 27" aufnehmen. Es versteht sich jedoch, dass Bohrungen und Wellen alternative Querschnitte aufweisen können, einschließlich polygonal, oval und sternförmig, vorausgesetzt, dass sie eine komplementäre Form aufweisen und so bemessen sind, dass sie gleitend ineinandergreifen können. Nicht-zylindrische Bohrungs- und Wellenquerschnitte können störend drehend einrasten, wodurch die Notwendigkeit von Merkmalen, wie etwa den in 3 gezeigten Wellenvorsprüngen 18", vermieden wird und sollen relative Drehbewegung des Dorns und des Korpus verhindern.The holes shown 16 . 16 ' . 16 " are cylindrical and sized to have corresponding cylindrical mandrel shafts 27 . 27 ' . 27 " take up. It will be understood, however, that holes and shafts may have alternative cross-sections, including polygonal, oval, and star-shaped, provided that they have a complementary shape and are dimensioned to be slidably intermeshed. Non-cylindrical bore and shaft cross-sections can engage in a disturbingly rotating manner, thereby obviating the need for features such as those in Figs 3 Shaft projections shown 18 " , and prevent relative rotation of the spine and the body.

Jeder der Dornköpfe 28, 28', 28" ist als ein Zylinder mit einem abgeflachten Ende 29, 29', 29" geformt, jedoch können, wie nachstehend ausführlicher beschrieben, mehrere Formen verwendet werden. In dem in 3 gezeigten Beispiel dient die Verjüngung 30" dazu, den Dornkopfdurchmesser 28" reibungslos zu dem Wellendurchmesser 27" zu überführen. Bei Anwendung einer Kraft „F“‘, wie sie in den 1, 2 gezeigt ist, dient der Dornkopf dazu, die Bohrung 16" an dem gegenüberliegenden Ende 24" progressiv und gleichmäßig zu erweitern, um das gegenüberliegende Ende 24" zu spreizen und dessen Durchmesser zu vergrößern, wenn der Dornkopf schrittweise in die Bohrung 16" vorgeschoben wird.Each of the thornheads 28 . 28 ' . 28 " is as a cylinder with a flattened end 29 , 29 ", 29", however, as described in more detail below, multiple shapes may be used 3 the example shown serves as a rejuvenation 30 " in addition, the mandrel head diameter 28 " smoothly to the shaft diameter 27 " to convict. When applying a force "F"', as in the 1 . 2 is shown, the mandrel head is used to drill the hole 16 " at the opposite end 24 " progressively and evenly expand to the opposite end 24 " to spread and enlarge its diameter when the mandrel head gradually into the hole 16 " is advanced.

Die Verwendung eines solchen Befestigungselement s ist in den 4, 5, 6, 7 und 8 dargestellt. In 4 ist ein zweischichtiger Stapel von blattförmigen Werkstücken 32 und 34, gegebenenfalls mit an ihren Stoßflächen 33, 35 angeordnetem Klebstoff 36, unter geeignet verteilten gegenüberliegenden Klemmdrücken P fest zusammengeklemmt, um die Werkstückstoßflächen 33, 35 in der Fügezone 100 zumindest in Kontakt zu bringen. Das Befestigungselement 110, das im Wesentlichen das gleiche wie das in 1 gezeigte Befestigungselement ist, jedoch mit gröberen Gewinden 121 an dem Korpus 120 und mit einem stärker abgerundeten Kopfende 129 versehen ist, ist in einer Maschine (nicht dargestellt), die sowohl eine Dreh- als auch eine Längsbewegung ausführen kann, zumindest an der Dornwelle 114 befestigt. Die Maschine kann eine Greifvorrichtung wie ein Spannfutter oder eine Spannzange aufweisen, die mit einrastbaren Merkmalen 126 der Welle 127 des Dorns 114 in Eingriff kommen und auch mit der ringförmigen Kappe 122 entweder reibschlüssig oder auf mechanischer Weise (nicht dargestellt) in Eingriff kommen kann, um das Befestigungselement 110 sicher zu halten. Die Maschine dreht dann das Befestigungselement in eine Richtung 40, während gleichzeitig das Befestigungselement in eine Richtung 38 vorgeschoben wird, um das sich nun drehende Befestigungselement in Richtung der Fügezone 100 zu drücken, in der die Fläche 129 des Dornkopfes 128 mit der Fläche 31 des Werkstücks 32 in der Fügezone 100 in Kontakt kommt.The use of such a fastener s is in the 4 . 5 . 6 . 7 and 8th shown. In 4 is a two-layer stack of sheet-shaped workpieces 32 and 34 , possibly with at their abutment surfaces 33 . 35 arranged adhesive 36 , firmly clamped together under suitably distributed opposed clamping pressures P, around the workpiece abutment surfaces 33 . 35 in the joining zone 100 at least to bring in contact. The fastener 110 that is essentially the same as the one in 1 shown fastening element, but with coarser threads 121 on the body 120 and with a more rounded headboard 129 is mounted in a machine (not shown), which can perform both a rotational and a longitudinal movement, at least attached to the mandrel shaft 114. The machine may include a gripping device such as a chuck or a collet having latchable features 126 the wave 127 of the thorn 114 engaged come and also with the annular cap 122 either frictionally or mechanically (not shown) may engage to hold the fastener 110 securely. The machine then turns the fastener in one direction 40 while at the same time the fastener in one direction 38 is advanced to the now rotating fastener in the direction of the joining zone 100 to press in the area 129 of the thorn's head 128 with the area 31 of the workpiece 32 in the joining zone 100 comes into contact.

Ein Eingriff der Fläche 129 des Dornkopfes 128 mit der Fläche 31 des Werkstücks 32 führt zu einer Reibungserwärmung in der Fügezone 100. Für Materialien wie Nichteisenlegierungen und -polymere, einschließlich verstärkter Polymere, reduziert eine solche Erwärmung, bei anfänglich etwa Raumtemperatur oder 20-25 Grad Celsius, ihre Festigkeit, macht sie weniger widerstandsfähig gegen das Eindringen und macht sie fließfähiger. Somit kann das Vorschieben des Befestigungselements 110 in zunächst das Werkstück 32 und dann gegebenenfalls das Haftmittel 35 und schließlich das Werkstück 34, wie es in 5 gezeigt ist, mit einer geringeren Druckbeaufschlagung entlang der Richtung 38 fortschreiten, als wenn die Werkstücke bei Raumtemperatur geblieben wären.An intervention of the surface 129 of the thorn's head 128 with the area 31 of the workpiece 32 leads to a friction heating in the joining zone 100 , For materials such as non-ferrous alloys and polymers, including reinforced polymers, such heating, initially at about room temperature or 20-25 degrees Celsius, reduces their strength, makes them less resistant to penetration, and makes them more flowable. Thus, the advancement of the fastener 110 in first the workpiece 32 and then optionally the adhesive 35 and finally the workpiece 34 as it is in 5 is shown to proceed with less pressurization along the direction 38 than if the workpieces had remained at room temperature.

In einer Ausführungsform wird, wenn das Befestigungselement anfänglich auf die Fläche 31 des Werkstückstapels trifft, wird das Vorschieben vorübergehend gestoppt und das Befestigungselement wird zur Maximierung der Reibungserwärmung mit hoher Geschwindigkeit gedreht, was zu einer Verweilzeit führt. Dann wird die Drehgeschwindigkeit des Befestigungselements verlangsamt und das Vorschieben des Befestigungselements wird wieder eingeleitet, sodass das Vorschieben und Drehen des Befestigungselements in die zusammengeklemmten Werkstücke koordiniert wird, um die Steigung des Gewindes 121 zu replizieren. Somit kann das Befestigungselement im Allgemeinen in die erweichten, fließfähigen Werkstücke „eingeschraubt“ werden, wobei etwas verdrängtes Werkstückmaterial das Schraubengewinde 121 ausfüllt und überschüssiges verdrängtes Material aus den Öffnungen in den Werkstücken ausgestoßen wird, die durch das vorlaufende Befestigungselement erzeugt werdenIn one embodiment, when the fastener is initially applied to the surface 31 of the workpiece stack, the advancement is temporarily stopped and the fastener is rotated at high speed to maximize friction heating, resulting in a dwell time. Then, the rotational speed of the fastener is slowed down and advancement of the fastener is re-initiated so that advancement and rotation of the fastener into the clamped workpieces is coordinated to increase the pitch of the thread 121 to replicate. Thus, the fastener may generally be "screwed" into the softened, flowable workpieces with some displaced workpiece material being the screw thread 121 and excess displaced material is expelled from the openings in the workpieces created by the leading fastener

Bei fortgesetztem Vorschieben, 6, dringt das Befestigungselement 110 in die Werkstücke ein und bringt die Unterseite 123 der ringförmigen Kappe 122 in Eingriff mit der Fläche 31 des Werkstücks 32 und bewirkt, dass der Dornkopf 128 und das gegenüberliegende Ende 124 des Korpus 120 die Oberfläche 37 des Werkstücks 34 durchdringen und sich über diese hinaus erstrecken, wie in 6 gezeigt. Zweckmäßig wird die Länge des Korpus 120 ausgewählt, um sicherzustellen, dass der Abschnitt des Korpus 120, der sich unter der Werkstückfläche 37 erstreckt, in dem Bereich von 2-5 mm liegt.With continued advancement, 6 , the fastener penetrates 110 in the workpieces and brings the bottom 123 the annular cap 122 in engagement with the surface 31 of the workpiece 32 and causes the spike head 128 and the opposite end 124 of the body 120 the surface 37 of the workpiece 34 penetrate and extend beyond them, as in 6 shown. The length of the body is expedient 120 selected to make sure the section of the carcass 120 that is under the workpiece surface 37 extends, is in the range of 2-5 mm.

Nachdem das Befestigungselement 110 beide Werkstücke vollständig in Eingriff gebracht hat, wie in 7 gezeigt, und während der Klemmdruck P weiterhin an den Werkstücken 32, 34 aufrechterhalten wird, wird die Drehung 40 und das Vorschieben in Richtung des Pfeils 38 unterbrochen und eine Zugkraft „p“ wird auf die Welle 127 (4, 5) des Befestigungselementdorns 114 ausgeübt und eine entgegengesetzte Reaktionskraft „p“ wird auf die ringförmige Kappe 122 aufgebracht. Die Kraft „p“, die aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Bohrung 16" und dem Dornkopf 28" (3) auf den Dorn 114 ausgeübt wird, spreizt anfänglich das gegenüberliegende Korpusende 24" (3) und kollabiert dieses danach und dieser Korpusabschnitt 120 erstreckt sich unter die Fläche 37 (6). Der gespreizte und/oder kollabierte Abschnitt 112 des Korpus 120 hat nun einen größeren Durchmesser als der ursprüngliche freiliegende Enddurchmesser und das gleich große Loch in dem Werkstück 34, das durch das Eindringen des gegenüberliegenden Endes 124 ( 6) verursacht wurde. Somit wird der kollabierte Abschnitt 112 die Oberfläche 37 des Werkstücks 34 vermittelnd erfassen, während der ringförmige Kopf 122 die Fläche 31 des Werkstücks 32 vermittelnd erfasst, um die Werkstücke 32 und 34 sicher miteinander zu verbinden.After the fastener 110 has completely engaged both workpieces, as in 7 shown, and while the clamping pressure P continues on the workpieces 32 . 34 is maintained, the rotation is 40 and advancing in the direction of the arrow 38 interrupted and a traction "p" is on the shaft 127 ( 4 . 5 ) of the fastener mandrel 114 exerted and an opposite reaction force "p" is applied to the annular cap 122 applied. The force "p" due to the interaction between the bore 16 " and the spike head 28 " ( 3 ) on the thorn 114 is exercised initially spreads the opposite end of the body 24 " ( 3 ) and this collapses and this body section 120 extends under the surface 37 ( 6 ). The spread and / or collapsed section 112 of the body 120 now has a larger diameter than the original exposed end diameter and the same sized hole in the workpiece 34 caused by the penetration of the opposite end 124 ( 6 ) was caused. Thus, the collapsed portion becomes 112 the surface 37 of the workpiece 34 mediate capture while the annular head 122 the area 31 of the workpiece 32 mediating captured to the workpieces 32 and 34 securely connect with each other.

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 114' des Dorns 114 mit dem kollabierten Korpusabschnitt 112 und dem verbleibenden, unverformten Korpusabschnitt 212 in Kontakt kommt (8). Wenn die optionale Klebeschicht 36 in den Werkstückstapel aufgenommen wird, kann sie gegebenenfalls gehärtet werden, um eine vollständige Verbindungsfestigkeit zu entwickeln.As the force "p" continues to increase (and corresponding reaction force), the exposed workpiece end will continue to collapse and deform until the mandrel shaft 126 breaks and the remaining portion 114 ' of the thorn 114 with the collapsed body section 112 and the remaining, undeformed body section 212 comes into contact ( 8th ). If the optional adhesive layer 36 can be optionally hardened in the workpiece stack to develop a complete joint strength.

In der in den 4-8 veranschaulichten Ausführungsform wurden zwei Werkstücke zusammengefügt. In dem beschriebenen/dargestellten Verfahren wurde die Art und Zusammensetzung der Werkstücke nicht angesprochen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass alle Werkstücke, die bei Temperaturen unterhalb der Erweichungstemperatur des eisenhaltigen Befestigungselements merklich erweichen, durch ein solches Verfahren verbunden werden können. Nichteisen-Legierungen von Aluminium und Magnesium erfüllen diese Anforderung ebenso wie thermoplastische polymerbasierte Werkstücke, ob verstärkt oder nicht, sodass jede Kombination von Werkstücken dieser Zusammensetzungen in geeigneter Weise unter Verwendung des beschriebenen Verfahrens verbunden werden kann. Es ist auch ersichtlich, dass das Verfahren nicht auf nur zwei Werkstücke beschränkt ist, und dass bei geeigneter Auswahl der Länge des Befestigungselementkorpus eine Vielzahl von Werkstücken mit oder ohne Klebstoff an ihren jeweiligen Passflächen miteinander verbunden werden können.In the in the 4 - 8th illustrated embodiment, two workpieces were joined together. In the described / illustrated method, the type and composition of the workpieces was not addressed. It should be understood, however, that any workpieces that significantly soften at temperatures below the softening temperature of the ferrous fastener may be bonded by such a method. Non-ferrous alloys of aluminum and magnesium satisfy this requirement as well as thermoplastic polymer-based workpieces, whether reinforced or not, so that any combination of workpieces of these compositions can be suitably joined using the method described. It can also be seen that the method is not limited to just two Workpieces is limited, and that with a suitable choice of the length of the fastener body, a plurality of workpieces with or without adhesive can be connected to each other at their respective mating surfaces.

Alternative Dornkopfkonstruktionen können verwendet werden. Einige zusätzliche, nicht einschränkende Beispiele sind in den 9, 10 und 11 gezeigt und umfassen ein Ellipsoid 228, einen Kegel 328 und eine Kugel 428 mit einem sich nach außen erstreckenden klingenähnlichen Merkmal 440. Diese Dornkopfkonstruktionen können Werkstückmaterial(ien) erhitzen, erweichen und verschieben, oder sie können in einigen Fällen auch einen Teil des Werkstückmaterials/der Werkstückmaterialien schneiden und mechanisch entfernen. Zum Beispiel werden das Ellipsoid 228 und die Abflachung 29 (1) vorwiegend dazu dienen, das Material zu erweichen und zu verdrängen. Die Kugel-mit-Klinge-Konstruktion, die in 11 gezeigt ist, schneidet und erweicht das Werkstückmaterial, wobei das rotierende klingenähnliche Merkmal ein kleines zentrales Loch schneidet und die rotierende Kugel das restliche Material reibungserwärmt. Geometrische Modifikationen können an diesem illustrierten Kopfdesign vorgenommen werden, um ihr Verhalten zu modifizieren. Zum Beispiel kann der konische Kopf 328 mit Nuten modifiziert sein, die sich entlang der Achse des Befestigungselements erstrecken, um bei Bedarf eine größere Schneidwirkung zu induzieren. Die Wahl des Dorns kann durch das/die Werkstückmaterial(ien) beeinflusst werden. Zum Beispiel kann bevorzugt werden, für faserverstärkte Verbundmaterialien eine Dornkopfkonstruktion zu verwenden, die Material überwiegend verdrängt anstatt zu schneiden, um jegliche Störung der Verstärkungsfasern zu minimieren.Alternative mandrel designs can be used. Some additional, non-limiting examples are in the 9 . 10 and 11 shown and include an ellipsoid 228 , a cone 328 and a ball 428 with an outwardly extending blade-like feature 440 , These mandrel head designs can heat, soften, and displace workpiece material (s), or, in some cases, also cut and mechanically remove a portion of the workpiece material (s). For example, the ellipsoid 228 and the flattening 29 ( 1 ) serve primarily to soften and displace the material. The ball-with-blade construction, in 11 is shown cutting and softening the workpiece material with the rotating blade-like feature cutting a small central hole and the rotating ball friction heating the remaining material. Geometric modifications can be made to this illustrated head design to modify its behavior. For example, the conical head 328 be modified with grooves extending along the axis of the fastener to induce a larger cutting action as needed. The choice of mandrel may be influenced by the workpiece material (s). For example, it may be preferable to use a mandrel head construction for fiber reinforced composites that predominantly displaces material rather than cutting to minimize any distortion of the reinforcing fibers.

Jede der Dornkopfkonstruktionen 228 und 328 ist so gezeigt, dass sie über ein sich verjüngendes Merkmal 130, das in die Korpusbohrung eingreift und eine allgemein gleichmäßige Ausdehnung des Korpus bei dem Herausziehen des Dorns ermöglicht, zum Dornwellendurchmesser übergeht. Alternativ kann die Geometrie des Kopfes derart sein, dass sich ein allmählicher Eingriff des Kopfes mit der Bohrung ergibt, beispielsweise die in 11 gezeigte Kugel 428, sodass keine Verjüngung an der Verbindung von Dornkopf und Dornwelle eingeführt werden muss.Each of the spine head designs 228 and 328 is shown to have a tapered feature 130 , which engages in the body bore and allows a generally uniform expansion of the body when pulling out the mandrel, passes to the mandrel shaft diameter. Alternatively, the geometry of the head may be such as to provide a gradual engagement of the head with the bore, such as in FIG 11 shown ball 428 so that no taper at the connection of mandrel head and mandrel shaft must be introduced.

Für eine geeignete Befestigungselementleistung kann der Durchmesser „d“ (9) des Dornkopfs gleich oder kleiner als der kleinere Durchmesser „D“ des Gewindes an dem gegenüberliegenden Ende 224 sein. (Im Allgemeinen befindet sich der Dornkopf symmetrisch um die Drehachse des Befestigungselements und somit ist der Bereich des Dornkopf-Werkstückkontakts kreisförmig und kann durch einen Durchmesser „d“ gekennzeichnet sein.) Dies stellt sicher, dass der resultierende zylindrische Hohlraum, der verbleibt, nachdem das Material während des Eindringens des sich drehenden Befestigungselements verschoben oder entfernt wurde, einen Durchmesser gleich oder kleiner als der kleinere Gewindedurchmesser an dem Durchmesser des Befestigungselementkorpus aufweist. Somit kann zumindest ein Teil des verdrängten, erhitzten und erweichten Materials bei fortlaufendem Vorschub des Befestigungselements in die Gewinde „gepackt“ werden, oder das Befestigungselement kann in den Werkstückstapel eingeschraubt werden. Beim Abkühlen wird das jetzt stärkere, zuvor erweichte Material in den Befestigungselementkorpus eingreifen, um die Verbindungsfestigkeit zu verbessern. Im Allgemeinen kann das Verhältnis der Durchmesser d/D im Bereich von 0,7 bis 1 liegen.For a suitable fastener performance, the diameter "d" ( 9 ) of the mandrel head is equal to or smaller than the smaller diameter "D" of the thread at the opposite end 224 be. (In general, the mandrel head is symmetrical about the axis of rotation of the fastener and thus the area of the mandrel head workpiece contact is circular and may be characterized by a diameter "d".) This ensures that the resulting cylindrical cavity remaining after the Material has been moved or removed during the penetration of the rotating fastener, a diameter equal to or smaller than the smaller thread diameter on the diameter of the fastener body. Thus, at least a portion of the displaced, heated and softened material can be "packaged" as the fastener advances into the threads, or the fastener can be threaded into the workpiece stack. Upon cooling, the now stronger, previously softened material will engage the fastener body to improve joint strength. In general, the ratio of the diameters d / D may be in the range of 0.7 to 1.

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 12, 13 und 14 gezeigten Befestigungselementen 70, 70', 70" gezeigt sind. Jedes dieser Befestigungsmittel weist sich nach außen erstreckende hervorstehende Merkmale 78, 78', 78“an dem Korpus 82 auf. Die hervorstehenden Merkmale können kontinuierlich sein und sich in einem kontinuierlichen Band um den Körperumfang erstrecken oder lokal sein und als isolierte, voneinander beabstandete Merkmale auftreten. Die Protuberanzen können unterschiedlicher Anzahl, Form und Größe vorliegen. So sind beispielsweise in 12 hervorstehende Merkmale 78 scharfe, spitze Stege, die analog zu den vorstehend erörterten gewindeartigen Merkmalen sind, können kontinuierlich oder segmentiert sein und können, wie gezeigt, gleichmäßig dimensioniert sein; In 13 sind die hervorstehenden Merkmale 78' einheitlich groß, isoliert und abgerundet und ähneln im Allgemeinen kleinen Hügeln; und In 14 sind mehrere hervorstehende Merkmale 78" mit verschiedenen Formen und Größen gezeigt. Bei diesen Befestigungselementen ist jedoch die Abmessung d, die maximale Abmessung des Dornkopfs 76, größer als die Durchmesser D, D ‘, D’ ‘, die den Durchmessern der umschreibenden Kreise 80, 80', 80 “ entsprechen, die auf der Drehachse 90 des Befestigungselements zentriert sind. In einigen Fällen kann es angebracht sein, anstelle der Vielzahl der dargestellten Protuberanzen nur eine einzige Protuberanz zu verwenden.Similar practices relating to the rotation and advancement of the fastener may be followed when using the fasteners with more irregular workpiece engaging features as shown in FIGS 12 . 13 and 14 shown fasteners 70 . 70 ' . 70 " are shown. Each of these fasteners has outwardly extending protruding features 78 . 78 ' , 78 "on the body 82 on. The protruding features may be continuous and extend in a continuous band around the circumference of the body or may be local and appear as isolated, spaced-apart features. The protuberances can vary in number, shape and size. For example, in 12 prominent features 78 sharp, pointed lands analogous to the thread-like features discussed above may be continuous or segmented and may be uniformly sized as shown; In 13 are the salient features 78 ' uniformly large, isolated and rounded and generally resemble small hills; and in 14 are several prominent features 78 " shown with different shapes and sizes. In these fasteners, however, the dimension d, the maximum dimension of the mandrel head 76 greater than the diameters D, D ', D''corresponding to the diameters of the circumscribing circles 80 . 80 ' . 80 "Match that on the rotation axis 90 of the fastener are centered. In some cases, it may be appropriate to use only a single protuberance instead of the plurality of protuberances shown.

Wenn die Befestigungselemente 70, 70', 70" in einen Werkstückstapel gedreht und vorgeschoben werden, wie oben beschrieben, ist die Größe des Lochs in den Werkstücken, die durch die Reibwirkung des Dornkopfes 76 erzeugt wird, größer als es für die Aufnahme der Befestigungskorpusse 82, 82', 82" erforderlich ist. Somit muss die Vorschubgeschwindigkeit des Befestigungselements in die Werkstücke nicht durch die Notwendigkeit, dass die Protuberanzen in das erweichte Material eingreifen, zusammenwirkend bestimmt werden. Stattdessen kann das Befestigungselement mit jeder gewünschten Geschwindigkeit in die Werkstücke vorgeschoben werden, wobei sie nur den Maschineneinschränkungen der aufgebrachten Last und der Vorschubgeschwindigkeit unterliegen. Sobald der Dorn 74 vollständig eingesetzt ist, d. h. wenn die Unterseite der Kappe 72 die obere Fläche des obersten Werkstücks berührt, kann er zurückgezogen und gebrochen werden, wie zuvor beschrieben, um den Befestigungskörper 82 zu erweitern und zu komprimieren und die Protuberanzen 78, 78', 78" in Eingriff mit den Wänden des gerade gebildeten Lochs im Werkstückstapel zu treiben. Wenn die in den 12, 13 und 14 gezeigten Verhältnisse d/D, d/D‘, d/D“ jeweils in dem Bereich von 1,02 - 1,05 liegen, wird der Grad der durch den Dorn 74 auf den Befestigungskorpus 82 ausgeübten Verformung minimiert, was einen guten Eingriff des Befestigungskorpus mit den Werkstücken gewährleistet, aber höhere Verhältnisse von bis zu 1,2 auch eine akzeptable Haltekraft bereitstellen.When the fasteners 70 . 70 ' . 70 " rotated into a workpiece stack and advanced, as described above, the size of the hole in the workpieces, by the friction effect of the mandrel head 76 is generated, larger than it for receiving the mounting carcasses 82 . 82 ' . 82 " is required. Thus, the Feed rate of the fastener into the workpieces not by the necessity that the protuberances engage in the softened material, are determined cooperatively. Instead, the fastener may be advanced into the workpieces at any desired speed, subject to only the machine limitations of applied load and feed rate. Once the thorn 74 is fully inserted, ie when the bottom of the cap 72 When it touches the upper surface of the uppermost workpiece, it can be withdrawn and broken as described above around the fastening body 82 to expand and compress and the protuberances 78 , 78 ', 78 "into engagement with the walls of the hole just formed in the stack of workpieces 12 . 13 and 14 The ratios d / D, d / D ', d / D "shown are each in the range of 1.02 - 1.05, the degree through which the mandrel passes 74 on the mounting carcass 82 minimizes deformation experienced, which ensures good engagement of the mounting body with the workpieces, but higher ratios of up to 1.2 also provide an acceptable holding force.

In diesem Aspekt kann das Zurückziehen des Dorns 74 fest mit dem Erreichen des vollständigen Eindringens des Befestigungselements in den Werkstückstapel und dem Wegfall der Drehung des Befestigungselements koordiniert oder synchronisiert sein. Dies wird die Verformung des Befestigungskorpus 82 ermöglichen, während der Bereich, der das Loch in den Werkstücken umgibt, immer noch auf erhöhter Temperatur ist, wodurch die Last, die die Antriebsprotuberanzen 78, 78', 78" in Eingriff mit dem Werkstückstapel bringt, reduziert wird. Es kann zweckmäßig sein, eine Hochgeschwindigkeitsdrehung und eine begrenzte Vorschubgeschwindigkeit des Befestigungselements zu verwenden, um durch Ausdehnung das Ausmaß des erwärmten Bereichs des Werkstückstapels auszudehnen, um den Eingriff der Protuberanzen mit dem Werkstückstapel weiter zu erleichtern. Es versteht sich, dass in diesem Aspekt nicht der gesamte Bereich der gezeigten und beschriebenen Dornkopfkonstruktionen geeignet sein kann und dass nur Dornkopfkonstruktionen, die anstatt auf das Schneiden Wert auf die Reibung legen, für diesen Aspekt am besten geeignet sind.In this aspect, the retraction of the spine 74 be firmly coordinated with the achievement of full penetration of the fastener in the stack of workpieces and the elimination of the rotation of the fastener or synchronized. This will be the deformation of the mounting carcass 82 while the area surrounding the hole in the workpieces is still at an elevated temperature, thereby reducing the load on the drive protuberances 78 . 78 ' . 78 " engages with the workpiece stack, is reduced. It may be convenient to use high speed rotation and limited feed rate of the fastener to expand by expansion the amount of heated area of the workpiece stack to further facilitate engagement of the protuberances with the workpiece stack. It should be understood that in this aspect, not the entire range of mandrel head designs shown and described may be suitable, and that only mandrel head designs that place emphasis on friction rather than cutting are most appropriate for this aspect.

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 50 mit einem ringförmigen, elektrisch nicht leitenden Korpus 52, der zwei unabhängige elektrisch leitende Segmente 54, 54' enthält, in 15 in Draufsicht und in 16 in Schnittansicht gezeigt. Wie in 16 gezeigt, übt die Klemme/der Leiter 50 Druck auf die Fläche 31 des Werkstücks 32' (gegenüberliegende Klemme oder Träger nicht dargestellt), auf ein auf dem Werkstück 34 positioniertes elektrisch leitendes Werkstück, und gegebenenfalls auf zwischen den Werkstücken 32' und 34 aufgetragenen Klebstoff 36 aus. Die elektrischen Leitungen 56, 56'sind jeweils mit Leitern 54, 54' verbunden. Wie dargestellt, wird Gleichstrom zur Verfügung gestellt, wobei jede der Leitungen 56 und 56' mit einer elektrischen Quelle (nicht dargestellt) verbunden ist und entgegengesetzte Polaritäten aufweist, aber Wechselstrom würde sich genauso gut eignen.In another embodiment, which is applicable to both aspects, the upper workpiece can be externally heated. Such heating is complementary to frictional heating and serves to reduce the cycle time for the attachment of the fasteners by reducing the amount of frictional heating and thus reducing dwell time or time while the rotating mandrel head is in a fixed position in frictional interference with the workpiece surfaces is maintained and generates heat. In one aspect, which is suitable for use on metallic or electrically conductive workpieces, is a combination clamp / combiner 50 with an annular, electrically non-conductive body 52 , the two independent electrically conductive segments 54 . 54 ' contains, in 15 in plan view and in 16 shown in sectional view. As in 16 shown exercises the clamp / conductor 50 Pressure on the surface 31 of the workpiece 32 ' (opposite clamp or carrier not shown), on a on the workpiece 34 positioned electrically conductive workpiece, and optionally between the workpieces 32 ' and 34 applied adhesive 36 out. The electrical wires 56 , 56 'are each with ladders 54 . 54 ' connected. As shown, DC power is provided, with each of the lines 56 and 56 ' is connected to an electrical source (not shown) and has opposite polarities, but alternating current would be equally well suited.

Im Betrieb, wie in der Draufsicht in 17 und in der Schnittansicht in 18 gezeigt, fließt der Strom 58 von der Elektrode 54 durch das Werkstück 32' zu der Elektrode 54' und induziert dadurch eine Widerstandserwärmung in einem Bereich 60 in dem Werkstück 32'. Wenn ein Befestigungselement 210, das mit seiner Achse im Allgemeinen kollinear mit der Achse der ringförmigen Klammer/dem Leiter 50 positioniert ist, in der in den 4-8 gezeigte Weise vorgeschoben wird, trifft es auf einen erwärmten, erweichten Bereich 60 und benötigt daher weniger Reibungserwärmung zum Durchdringen und Erstrecken durch die Werkstücke.In operation, as in the plan view in 17 and in the sectional view in 18 shown, the current flows 58 from the electrode 54 through the workpiece 32 ' to the electrode 54 ', thereby inducing resistance heating in one region 60 in the workpiece 32 '. If a fastener 210 with its axis generally collinear with the axis of the annular bracket / conductor 50 is positioned in the in the 4 - 8th advanced manner, it encounters a heated, softened area 60 and therefore requires less frictional heating to penetrate and extend through the workpieces.

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)

Befestigungselement zur Bildung einer strukturellen Verbindung zwischen zwei oder mehr geschichteten Werkstücken, das Befestigungselement umfassend: einen hohlen, länglichen Körper mit einer Drehachse, einer Länge, ersten und zweiten gegenüberliegenden Enden, einer Bohrung mit einer inneren Fläche und einer Außenfläche, wobei der Korpus an dem ersten Ende in einer ringförmigen Kappe mit einem Außendurchmesser endet, wobei die Außenfläche des Korpus ein oder mehrere sich nach außen erstreckende, hervorstehende Merkmale aufweist, wobei die hervorstehenden Merkmale durch einen Kreis, der auf der Körperachse zentriert ist, umschreibbar sind, wobei der umschreibende Kreis einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Außendurchmesser der ringförmigen Kappe, und einen Dorn mit einer Welle, die in einem Kopf endet, wobei sich der Dorn entlang der Korpusachse erstreckt, wobei die Welle verschiebbar in die innere Fläche des Korpus eingreift und der Kopf außerhalb des Korpus an dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei der Dorn eine größere Länge als die Korpuslänge aufweist, wobei der Dorn einen Kopf aufweist, der so bemessen ist, dass er mit dem gegenüberliegenden zweiten Ende des Korpus interferierend in Eingriff kommt.A fastener for forming a structural connection between two or more layered workpieces, the fastener comprising: a hollow, elongated body having a rotation axis, a length, first and second opposite ends, a bore having an inner surface and an outer surface, the body terminating at the first end in an annular cap having an outer diameter, the outer surface of the body having one or more outwardly extending protruding features, wherein the protruding features are rewritable by a circle centered on the body axis, the circumscribing circle having a diameter smaller than the outer diameter of the body annular cap, and a mandrel having a shaft terminating in a head, the mandrel extending along the body axis, the shaft slidably engaging the inner surface of the body, and the head disposed outside the body at the second end, the mandrel having a larger diameter Length as the body length, wherein the mandrel has a head which is dimensioned so that it interferes with the opposite second end of the body interfering. Befestigungselement nach Anspruch 1, worin die Protuberanz ein Gewinde mit einer Steigung, einem großen Durchmesser und einem kleineren Durchmesser ist, wobei der Gewindedurchmesser den umschreibbaren Durchmesser definiert und der Dornkopf durch einen Durchmesser gekennzeichnet ist, der größer ist als die Korpusbohrung, aber kleiner als das Gewinde kleineren Durchmessers an dem gegenüberliegenden Ende des Befestigungskorpus.Fastener after Claim 1 wherein the protuberance is a thread having a pitch, a large diameter and a smaller diameter, the thread diameter defining the rewritable diameter and the mandrel head being characterized by a diameter greater than the body bore but smaller than the smaller diameter thread the opposite end of the mounting body. Befestigungselement nach Anspruch 2, worin die Gewindesteigung gleichmäßig ist.Fastener after Claim 2 wherein the thread pitch is uniform. Befestigungselement nach Anspruch 2, worin der Dornkopf für den reibenden Eingriff mit der Fläche eines Werkstücks ausgelegt ist, wenn das Befestigungselement in Kontakt mit einer Werkstückfläche gedreht wird, und worin der Dornkopf zusätzlich Merkmale zum Schneiden der Werkstücke aufweist.Fastener after Claim 2 wherein the mandrel head is adapted for frictional engagement with the surface of a workpiece when the fastener is rotated in contact with a workpiece surface, and wherein the mandrel head additionally has features for cutting the workpieces. Befestigungselement nach Anspruch 1, worin das hervorstehende Merkmal kontinuierlich oder lokal ist.Fastener after Claim 1 wherein the protruding feature is continuous or local. Befestigungselement nach Anspruch 1, worin der Dornkopf für den reibenden Eingriff mit der Fläche eines Werkstücks ausgelegt ist, wenn das Befestigungselement gedreht wird und während des Drehens in Kontakt mit dem Werkstück gebracht wird, wobei der Dornkopf durch einen Durchmesser größer als der Durchmesser des umschreibenden Kreises gekennzeichnet ist, und wobei die Protuberanzen von der Befestigungselementachse nach außen versetzt sind, wenn der Dornkopf zwangsweise in Eingriff mit dem Korpus gedrückt wird.Fastener after Claim 1 wherein the mandrel head is adapted for frictional engagement with the surface of a workpiece when the fastener is rotated and brought into contact with the workpiece during rotation, the mandrel head being characterized by a diameter greater than the diameter of the circumscribing circle, and wherein the protuberances are offset outwardly from the fastener axis when the mandrel head is forced into engagement with the body. Verfahren für das Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken unter Verwendung eines mechanischen Befestigungselements mit einer Drehachse, das Verfahren umfassend: das Bilden eines geschichteten Stapels von Werkstücken, wobei der Stapel ein oberes Werkstück mit einer oberen Fläche und ein unteres Werkstück aufweist, das Aufbringen von Druck auf die oberen und unteren Werkstücke des Stapels, um die Werkstücke zusammenzuklemmen, das Drehen des Befestigungselements um die Befestigungselement-Drehachse, während das Befestigungselement zu der oberen Fläche des oberen Werkstücks des Werkstückstapels in einen Stoßbereich vorgeschoben wird, worin das Befestigungselement umfasst: einen hohlen, länglichen, zylindrischen oder konischen Korpus mit einer Korpusachse, die mit der Drehachse des Befestigungselements zusammenfällt, eine Länge, erste und zweite Enden, eine Bohrung von allgemein gleichförmigem Innendurchmesser und einer äußeren Fläche, wobei der Korpus an dem ersten Ende in einer ringförmige Kappe mit einem inneren und einem äußeren Durchmesser endet, wobei der Innendurchmesser der ringförmigen Kappe gleich der Korpusbohrung ist, wobei die äußere Fläche des Befestigungselementkorpus ein oder mehrere sich nach außen erstreckende, hervorstehende Merkmale aufweist, wobei die hervorstehenden Merkmale umschreibbar sind durch einen Kreis, der auf der Korpusdrehachse zentriert ist, wobei der umschreibende Kreis einen Durchmesser aufweist, der kleiner als der Außendurchmesser der ringförmigen Kappe ist, und einen Dorn mit einer Welle, die in einem Kopf endet, wobei sich der Dorn entlang der Korpusachse erstreckt, wobei die Welle gleitend mit der Korpusinnenfläche in Eingriff steht und der Kopf außerhalb des Korpus an dem gegenüberliegenden Korpusende positioniert ist, wobei der Dorn eine Länge aufweist, die größer als die Korpuslänge ist, wobei der Dorn einen Kopf aufweist, der so bemessen ist, dass er mit dem gegenüberliegenden Ende des Korpus interferierend in Eingriff kommt, das Fortsetzen des Vorschubs des Befestigungselements in den Werkstückstapel, bis das gegenüberliegende Ende des Befestigungselements die untere Werkstückaußenfläche durchdringt und sich über diese hinaus erstreckt und die Unterseite der Befestigungselementkappe die Außenfläche des oberen Werkstücks berührt das Unterbrechen sowohl der Drehung als auch des Vorschubs des Befestigungselements, und das Anwenden einer kontinuierlich zunehmenden Kraft auf den Dorn entlang der Befestigungselementachse in einer Richtung, die den Eingriff des Dornkopfs und des dem Korpus gegenüberliegenden Endes fördert, während der Körper des Befestigungselements abgestützt wird, sodass der Dornkopf mit dem Korpusende interferiert, um das Korpusende zu verformen und zu kollabieren, bis die Dornwelle bricht, um einen Abschnitt der Dornwelle von dem Befestigungselement zu trennen.A method of joining two or more workpieces using a mechanical fastener with a rotation axis, the method comprising: forming a layered stack of workpieces, the stack having an upper workpiece with an upper surface and a lower workpiece, applying pressure on the upper and lower workpieces of the stack to clamp the workpieces, rotating the fastener about the fastener rotation axis as the fastener is advanced to the upper surface of the upper workpiece of the workpiece stack into an abutment region, wherein the fastener comprises: a hollow, elongate, cylindrical or conical body having a body axis coincident with the axis of rotation of the fastener, a length, first and second ends, a bore of generally uniform inner diameter and an outer surface, the body at the first end e in an annular cap having an inner and an outer diameter, wherein the inner diameter of the annular cap is equal to the carcass bore, wherein the outer surface of the fastener body has one or more outwardly extending, protruding features, wherein the protruding features are rewritable by a circle centered on the body axis of rotation, the circumscribing circle having a diameter smaller than the outer diameter of the annular cap, and a mandrel having a shaft terminating in a head, the mandrel extending along the body axis, wherein the shaft is slidably engaged with the body inner surface and the head is positioned outside the body at the opposite body end, the mandrel having a length greater than the body length, the mandrel having a head sized to he with the opposite end of the ko rpus interferes, continuing advancement of the fastener into the workpiece stack until the opposite end of the fastener penetrates and extends beyond the lower workpiece outer surface and the lower surface of the fastener Fastener cap the outer surface of the upper workpiece contacts interrupting both the rotation and advancement of the fastener, and applying a continuously increasing force to the mandrel along the fastener axis in a direction that promotes engagement of the mandrel head and the body opposite end the body of the fastener is supported so that the mandrel head interferes with the body end to deform and collapse the body end until the mandrel shaft breaks to separate a portion of the mandrel shaft from the fastener. Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken unter Verwendung eines mechanischen Befestigungselements nach Anspruch 7, worin die Protuberanz ein kontinuierliches Gewinde mit einer Steigung, einem großen Durchmesser und einem kleinen Durchmesser ist, und wobei die Vorschubgeschwindigkeit und Drehung des Befestigungselements in den Werkstückstapel zusammenwirken, um der Gewindesteigung zu entsprechen, und wobei der Dornkopf durch einen Durchmesser gekennzeichnet ist, der größer ist als die Korpusbohrung, aber kleiner als das Gewinde kleineren Durchmessers an dem gegenüberliegenden Ende des Befestigungskorpus.A method of joining two or more workpieces using a mechanical fastener Claim 7 wherein the protuberance is a continuous thread having a pitch, a large diameter and a small diameter, and wherein the feed rate and rotation of the fastener into the workpiece stack cooperate to correspond to the thread pitch and wherein the mandrel head is characterized by a diameter larger than the body bore but smaller than the smaller diameter thread at the opposite end of the mounting body. Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken unter Verwendung eines mechanischen Befestigungselements nach Anspruch 7 bei dem der Werkstückstapel extern erwärmt wird.A method of joining two or more workpieces using a mechanical fastener Claim 7 in which the workpiece stack is heated externally. Verfahren für das Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken unter Verwendung eines mechanischen Befestigungselements nach Anspruch 7, wobei das sich drehende Befestigungselement in Stufen vorgeschoben wird, einer ersten Stufe, während der das sich drehende Befestigungselement, anfänglich außer Kontakt mit dem Werkstückstapel, in Kontakt mit dem Werkstück gebracht wird, einer zweiten Stufe, in der, wenn der Dornkopf eine obere Fläche des oberen Werkstücks des Werkstückstapels berührt, der Vorschub angehalten wird und der Dornkopf in Kontakt mit der oberen Oberfläche gehalten wird, um zumindest das obere Werkstück des Werkstückstapels zu erwärmen und zu erweichen und einer dritten Stufe, in der das sich drehende Befestigungselement erneut vorgeschoben wird, um das sich drehende Befestigungselement in den Werkstückstapel zu treiben.Method for joining two or more workpieces using a mechanical fastener according to Claim 7 wherein the rotating fastener is advanced in stages, a first stage during which the rotating fastener is initially brought out of contact with the workpiece stack into contact with the workpiece, a second stage in which, when the mandrel head is an upper surface contacting the upper workpiece of the workpiece stack, stopping the feed, and holding the mandrel head in contact with the upper surface to heat and soften at least the upper workpiece of the workpiece stack and a third stage in which the rotating fastener is advanced again; to drive the rotating fastener into the stack of workpieces.
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