DE102018117434A1

DE102018117434A1 - Rührreib-blindniet-verbindungs-system und -verfahren

Info

Publication number: DE102018117434A1
Application number: DE102018117434.9A
Authority: DE
Inventors: Yunwu Ma; Yongbing Li; Blair E. Carlson; Zhongqin Lin
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2019-01-24
Also published as: CN109281913A; US20190022737A1

Abstract

Rührreib-Blindniet-Systeme und -Verfahren werden zum Verbinden von Werkstücken bereitgestellt. Ein FSBR-Verbindungssystem umfasst einen Dorn mit einem Kopf, der eine Spitze bildet. Ein Schaft erstreckt sich vom Kopf und hat einen verengten Abschnitt, der eine Kerbe bildet. Ein hinterer Abschnitt des Dorns ist so konfiguriert, dass er an der Kerbe, die ein gebrochenes Ende bildet, abbricht. Ein Schaft hat auch einen Kopf und einen Körper mit einer durch den Schaft definierten Durchgangsbohrung. Der Schaftkopf weist eine Schulter auf, die eine Fläche bildet, die das erste Werkstück berührt. Der Kopf hat einen äußersten Punkt gegenüber der Fläche. Ein Bereich ist zwischen dem äußersten Punkt des Kopfes und der Fläche definiert. Eine Wand steht von einem anderen Werkstück vor und wird um den Körper herum gebildet. Die Wand hat eine Größe, die durch den Dorn gebildet wird und die so gesteuert wird, dass der Körper sich verformen kann.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Nietsysteme und - verfahren und insbesondere auf Rührreib-Blindniet-Systeme und -Verfahren (FSBR-Systeme und -Verfahren).
Hergestellte Produkte werden gewöhnlich aus einer Anzahl von Elementen zusammengefügt, die in einem Produkt integriert sind. Die einzelnen Elemente können in einer Vielzahl von Weisen verwendet werden, einschließlich durch Zusammenfügen. Die Optionen zur Verbindung von Elementen miteinander sind reichlich. Allerdings sind die Herausforderungen bei der Verbindung von Teilen einer Baugruppe und beim Fügen von unterschiedlichen Materialien endlos, und daher besteht die dauernde Notwendigkeit für neue und wirksame Produkte und Verbindungsverfahren.
FSBR ist ein Verbindungsverfahren, bei dem ein Blindniet, der mit hoher Geschwindigkeit rotiert, mit einem Werkstück in Kontakt gebracht wird. Kraft- und Reibungswärme verdrängt das Werkstückmaterial, wenn der Niet in das Werkstück getrieben wird. Nachdem der Niet eingeführt ist, wird der Dorn gebrochen und ein Schaft befestigt die Werkstücke zusammen. Während FSBR ein geeignetes Verbindungsverfahren für viele Anwendungen ist, können für bestimmte Aspekte und Anwendungen Verbesserungen nützlich sein, um die Technologie weiter voranzutreiben.
Dementsprechend ist es wünschenswert, neue Systeme und Verfahren zum Verbinden von Komponenten unter Verwendung von FSBR bereitzustellen. Ferner werden weitere wünschenswerte Funktionen und Merkmale der vorliegenden Offenbarung aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, sowie dem vorangehenden technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
KURZDARSTELLUNG
FSBR-Systeme und -Verfahren werden zum Verbinden von Werkstücken bereitgestellt. In einer Reihe von anderen Beispielen beinhaltet ein FSBR-Verbindungssystem einen Dorn, der einen Kopf aufweist, der eine Spitze bildet, wobei sich ein Schaft von dem Kopf erstreckt. Der Schaft hat einen verengten Abschnitt, der eine Kerbe bildet, die so konfiguriert ist, dass ein hinterer Abschnitt des Dorns abgebrochen werden kann, wobei sich der Dorn von der Spitze zu einem gebrochenen Ende erstreckt. Ein Schaft hat auch einen Kopf und einen sich erstreckenden Körper mit einer durch den Schaft definierten Durchgangsbohrung. Der Schaftkopf weist eine Schulter auf, die eine Fläche bildet, die ein Werkstück berührt, und der Kopf hat einen äußersten Punkt gegenüber der Fläche. Ein Bereich ist zwischen dem äußersten Punkt des Kopfes und der Fläche definiert. Eine Wand steht von einem anderen Werkstück vor und wird um den Körper herum gebildet. Die Wand hat eine Größe, die durch den Dorn gebildet wird und die so gesteuert wird, dass der Körper sich verformen kann.
In einem anderen Beispiel kann die Größe der Wand unter Verwendung der Gleichung für den Pseudo-Hitzeindex $(P H I) = \frac{ω^{2}}{V 10000}$
gesteuert werden, worin ω die Drehzahl des Dorns ist und V ist Vorschubgeschwindigkeit des Dorns.
In einem anderen Beispiel kann der Körper des Schafts durch Knicken verformt werden, um ringförmige Abschnitte zu bilden, die sich nach außen gegen die Werkstücke wölben.
In einem anderen Beispiel kann die Kerbe eine Distanz d_Kerbe von der Spitze des Dorns bilden, sodass das abgebrochene Ende in dem Bereich angeordnet ist.
In einem anderen Beispiel können die Werkstücke eine Stapeldicke aufweisen, die innerhalb eines Griffbereichs variiert, der durch t_Min≤t ≤ t_Min + d_Kopf definiert ist, worin t die Stapeldicke der Werkstücke zusammen ist, t_Min ist die minimal zulässige Stapelstärke und d_Kopf ist ein zweiter Abstand, der vom äußersten Punkt des Schaftkopfes bis zu der durch die Schulter des Schaftkopfes gebildeten Fläche definiert ist.
In einem anderen Beispiel kann die Stelle des gebrochenen Endes des Dorns an einer Stelle angeordnet sein (l_{Dorn-zu-Schaft}) die durch d_Zug - (d_Vorschub - d_Kerbe) definiert ist, worin d_Zug ein Maß ist, um den der Dorn gezogen wird, um den Schaft zu komprimieren, d_Vorschub ist ein Maß, mit dem der Dorn den Werkstücken zugeführt wird, und d_Kerbe ist ein Abstand von der Dornspitze zur Kerbe.
In einem anderen Beispiel kann die Wand den Schaftkörper umgeben und kann den Schaft starr in Position halten.
In einem anderen Beispiel kann sich der Dorn, wenn er sich nur von der Spitze zu dem gebrochenen Ende erstreckt, vollständig durch die Werkstücke erstrecken.
In zusätzlichen Beispielen beinhaltet ein FSBR-Verbindungsverfahren das Bereitstellen eines Dorns, der eine Spitze und eine Kerbe aufweist. Der Dorn erstreckt sich durch einen Schaft, der einen Kopf mit einem äußersten Punkt und eine Fläche gegenüber dem äußersten Punkt aufweist. Es werden Parameter ermittelt, die eine Dorndrehzahl (ω) beinhalten, eine Dornfestigkeit und eine Entfernung d_Kerbe von der Spitze bis zur Kerbe. Eine Maschine ist so eingestellt, dass sie mit den Parametern arbeitet und den FSBR an ein Werkstück anlegt. Die Maschine wird betrieben, um einen hinteren Abschnitt von dem Dorn zu brechen, sodass sich der Dorn von der Spitze zu einem gebrochenen Ende erstreckt, und sodass das gebrochene Ende innerhalb des Kopfes angeordnet ist.
In einem anderen Beispiel kann das Bestimmen der Parameter das Prüfen der Dorndrehzahl (ω) und das Prüfen der Vorschubgeschwindigkeit (V) beinhalten, indem der Dorn eingeführt wird, um die Werkstücke zu durchdringen, und der Dorn dann zurückgezogen wird, um seinen hinteren Abschnitt abzubrechen. Dann kann eine Bestimmung getroffen werden, ob eine Deformation des Schaftkörpers aufgetreten ist, beispielsweise mit der Bildung von ringförmigen Abschnitten durch Knicken. Wenn die Bestimmung feststellt, dass keine Deformation aufgetreten ist, wird durch Verringern der ω oder erhöhen der V, die durch die Maschine vermittelt werden, ein Pseudo-Hitzeindex angepasst.
In einem anderen Beispiel kann das Bestimmen der Parameter das Prüfen der Dornfestigkeit beinhalten, indem der FSBR einem Überlappungsschertest einschließlich Bruch unterzogen und identifiziert wird, ob der Dorn geschert hat. Wenn die Bestimmung feststellt, dass der Dorn abgeschert wurde, wird die Festigkeit des Dorns erhöht.
In einem anderen Beispiel kann das Bestimmen der Parameter das Prüfen des Abstandes d_Kerbe durch Definieren eines Bereichs für akzeptable Stellen des gebrochenen Endes zwischen dem äußersten Punkt des Schaftkopfes und der Fläche des Schaftkopfes gegen das Werkstück beinhalten. Der Abstand d_Kerbe kann dann ausgewertet werden, um zu bestimmen, ob das gebrochene Ende innerhalb des Bereichs liegt durch Berechnen von l_{Dorn-zu-Schaft}, worin l_{Dorn-zu-Schaft} = d_Zug - (d_Vorschub - d_Kerbe) ist, d_Zug ist ein Abstand, um den der Dorn gezogen wird, um den Schaft zu komprimieren, d_Vorschub ist ein Abstand, um den der Dorn zugeführt wird, um Werkstücke zu durchdringen, und d_Kerbe ist ein Abstand von der Spitze zur Kerbe.
In einem anderen Beispiel, wenn das Berechnungsergebnis l_{Dorn-zu-Schaft} < 0 ist, kann d_Kerbe erhöht werden, um das gebrochene Ende des Dorns innerhalb des Bereichs zu bewegen.
In einem anderen Beispiel, wenn das Berechnungsergebnis l_{Dorn-zu-Schaft} > d_Kopf ist, kann d_Kerbe reduziert werden, um das gebrochene Ende des Dorns innerhalb des Bereichs zu bewegen.
In einem anderen Beispiel klemmt ein Klemmenaktuator den Dorn fest, und ein Linearaktuator bewegt den Dorn zu einem Werkstück hin. Wenn ein Kraftsensor einen Kraftanstieg registriert, der einen Dornkontakt mit dem Werkstück anzeigt, arbeitet ein Drehaktuator mit der Dorndrehzahl ω, und der Linearaktuator bewegt den Dorn mit der Vorschubgeschwindigkeit V vor. Wenn der Kopf des Schafts das Werkstück berührt, stoppt der Linearaktuator den Vorschub. Die Verschiebung des Dorns wird als Vorschubabstandswert d_Vorschub aufgezeichnet. Der Linearaktuator zieht den Dorn zurück, und wenn ein Abbrechen des hinteren Abschnitts auftritt, wird eine Rückzugsverschiebung des Dorns als ein Wert für d_Zug aufgezeichnet.
In einem anderen Beispiel, nach dem Abbrechen des hinteren Abschnitts, werden die Werte für d_Vorschub und d_Zug verwendet, um einen Wert von l_{Dorn-zu-Schaft} zu berechnen, worin l_{Dorn-zu-Schaft} = d_Zug - (d_Vorschub - d_Kerbe) ist, und d_Kerbe ist ein Abstand von der Spitze zur Kerbe. Ein Abstand vom äußersten Punkt des Schaftkopfes zur Fläche ist definiert als d_Kopf. Eine zufriedenstellende Qualität wird angezeigt, wenn die Berechnung in 0 ≤ l_{Dorn-zu-Schaft} ≤ d_Kopf resultiert.
In anderen Beispielen ist ein FSBR-Verbindungssystem zum Verbinden von Werkstücken vorgesehen. Ein Dorn weist einen Kopf auf, der eine Spitze bildet, wobei sich von dem Kopf ein Schaft erstreckt. Der Schaft hat einen verengten Abschnitt, der eine Kerbe bildet, die so konfiguriert ist, dass ein hinterer Abschnitt des Dorns an der Kerbe abreißt, wenn er einer Zugbelastung ausgesetzt wird. Der Dorn erstreckt sich nach dem Abbrechen von der Spitze bis zu einem gebrochenen Ende. Ein Schaft hat auch einen Kopf mit einem Körper, der sich von dem Kopf erstreckt, und hat eine Durchgangsbohrung, die durch den Schaft definiert ist. Der Schaftkopf weist eine Schulter auf, die eine Fläche bildet, die das erste Werkstück berührt. Der Kopf hat einen äußersten Punkt gegenüber der Fläche, die ein Teil des Kopfes ist, der am weitesten von dem ersten Werkstück entfernt ist. Ein Bereich ist zwischen dem äußersten Punkt des Kopfes und der Oberfläche als d_Kopf definiert. Eine Wand steht von dem zweiten Werkstück vor und ist um den Körper herum ausgebildet, wenn der Dorn und der Schaft die Werkstücke durchdringen. Die Wand hat eine Größe, die durch Zusammenwirken der Werkstücke mit dem Dorn und dem Schaft gebildet wird, wobei die Größe durch eine Drehzahl, mit der der Dorn gedreht wird, und/oder eine Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Dorn vorgeschoben wird, gesteuert wird. Die Größe wird gesteuert, damit sich der Körper verformen kann, wenn der Dornkopf durch Ziehen an dem Dorn gegen den Körper gedrückt wird.
In einem anderen Beispiel kann der Schaftkörper ringförmige Abschnitte bilden, die sich infolge einer Verformung durch Knicken nach außen wölben, wenn der Dornkopf gegen den Schaftkörper gedrückt wird.
In einem anderen Beispiel kann die Kerbe einen Abstand d_Kerbe von der Spitze bilden, sodass das abgebrochene Ende des Dorns in dem Bereich angeordnet ist und sich der Dorn vollständig durch beide Werkstücke erstreckt.
In einem anderen Beispiel kann der Dorn relativ zu dem Schaft positioniert sein, wie definiert durch l_{Dorn-zu-Schaft}, worin l_{Dorn-zu-Schaft} = d_Zug - (d_Vorschub - d_Kerbe), worin d_Zug ein Abstand ist, um den der Dorn gezogen wird, um den Schaft zu komprimieren, d_Vorschub ist ein Abstand, mit dem der Dorn den Werkstücken zugeführt wird, und d_Kerbe ist ein Abstand von der Spitze zur Kerbe.
Figurenliste
Die exemplarischen Ausführungsformen werden nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und worin gilt:

1 ist eine Querschnittsdarstellung eines FSBR, der sich den zu verbindenden Werkstücken nähert, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 1 gemäß verschiedener Ausführungsformen;
3 ist eine Querschnittsdarstellung eines FSBR in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen;
4 ist eine Querschnittsdarstellung eines FSBR in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen;
5 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 1, der die Werkstücke durchdringt, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
6 ist eine Querschnittsdarstellung des Abbrechens des Dorns von dem FSBR von 1, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
7 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 1, der die Werkstücke sichert, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
8 ist eine Querschnittsdarstellung eines exemplarischen FSBR, der auf Werkstücke gemäß einer exemplarischen Ausführungsform angewendet wird;
9 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 1, der gemäß verschiedenen Ausführungsformen auf die Werkstücke angewendet wird;
10 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 8, der die Werkstücke sichert, gemäß der exemplarischen Ausführungsform;
11 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 9, der die Werkstücke sichert, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
12 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 1 gemäß verschiedener Ausführungsformen;
13 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 12, der Werkstücke sichert, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
14 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 12, der die Werkstücke sichert, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
15 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 12, der Werkstücke sichert, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
16 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 1, der durch eine Maschine auf Werkstücke und vor dem Abbrechen des Dorns gemäß verschiedenen Ausführungsformen angewendet wird;
17 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 1, der durch eine Maschine auf Werkstücke und nach dem Abbrechen des Dorns gemäß verschiedenen Ausführungsformen angewendet wird;
18 ist eine graphische Darstellung der Rückzugskraft gegenüber der Dornverschiebung für den FSBR der 16 und 17 gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
19 ist eine Querschnittsdarstellung eines exemplarischen FSBR, der auf die Werkstücke angewendet und einer Scherbelastung ausgesetzt ist;
20 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 1, der auf die Werkstücke angewendet und einer Scherbelastung ausgesetzt wird;
21 ist eine Querschnittsdarstellung des FSBR von 1, der auf die Werkstücke angewendet und einer Scherbelastung ausgesetzt wird;
22 ist eine graphische Darstellung der Last gegenüber der Verschiebung für verschiedene Beispiele der FSBRs von 17 und 18; und
23 ist ein Ablaufdiagramm eines FSBR-Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung dient lediglich als Beispiel und soll die Anwendung und Verwendung in keiner Weise einschränken. Weiterhin besteht keine Absicht, im vorstehenden technischen Bereich, der Einführung, der Zusammenfassung oder der folgenden ausführlichen Beschreibung an eine ausdrücklich oder implizit vorgestellte Theorie gebunden zu sein.
Bei der Produktmontage bestehen die Herausforderungen beim effizienten Verbinden von Komponenten darin, eine effiziente Verarbeitung und eine ausreichende Verbindungsfestigkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es wünschenswert, die Qualität der Verbindung sicherzustellen. In Übereinstimmung mit der folgenden Beschreibung stellt ein FSBR-System und -verfahren eine Verbindung mit einer wünschenswerten Festigkeit und einer effizienten Qualitätsüberwachungsfähigkeit bereit. Unter Bezugnahme auf 1 ist ein FSBR 20 vorgesehen, um über ein FSBR-System 25 eine feste Relativposition von zwei oder mehr Werkstücken 22, 24 bereitzustellen. Während es als Werkstücke 22, 24 bezeichnet wird, sollte man darauf hinweisen, dass das FSBR-System 25 nicht auf Anwendungen beschränkt ist, die zwei separate Teile umfassen, sondern auch auf die Verbindung von einer beliebigen Anzahl von Teilen oder zwei oder mehr Teilen einer einzelnen Struktur anwendbar ist. Dementsprechend wird der Ausdruck Werkstücke in Bezug auf mehrere zu verbindende Teile verwendet, unabhängig davon, ob sie getrennt oder zusammenhängend sind und unabhängig von der Anzahl. Die Werkstücke 22, 24 können beliebige Elemente sein, für die ein Verbinden gewünscht wird und können aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein. Im vorliegenden Beispiel können eine oder beide Werkstücke 22, 24 aus einem leichtgewichtigen Material, wie einer Aluminiumlegierung oder einem polymeren Verbundmaterial gefertigt sein. Das FSBR-System 25 kann mit anderen Materialien und mit Werkstücken aus unterschiedlichen Materialien verwendet werden. In verschiedenen Beispielen verbindet das FSBR-System 25 Werkstücke verschiedener Materialien sicher mit dem Ziel, die Ausrichtung zu vereinfachen, die Verformung zu minimieren und/oder eine ausreichende Festigkeit bereitzustellen. Das FSBR-System 25 des vorliegenden Beispiels beinhaltet im Allgemeinen einen Dorn 26 und einen Schaft 28, die zusammenwirken, um die Werkstücke 22 und 24 aneinander zu befestigen. Der Dorn 26 und/oder der Schaft 28 können aus einer beliebigen Anzahl von Materialien gefertigt sein, einschließlich jedoch nicht beschränkt auf: Kunststoff, Verbundwerkstoff, Metall (z. B. Aluminiumlegierung, Edelstahl, Weichstahl, usw.) oder Metall mit Polymer oder keramischer Beschichtung.
In verschiedenen Beispielen beinhaltet der Dorn 26 einen Kopf 30 und einen Schaft 32, der sich von dem Kopf 30 zu einem distalen Ende 34 erstreckt. Der Schaft 32 ist ein längliches Element, das ein proximales Ende 36 aufweist, das mit dem Kopf 30 verbunden ist. Der Schaft 32 erstreckt sich von dem proximalen Ende zu dem distalen Ende 34. Der Schaft 32 kann verschiedene kreisförmige oder anders geformte Querschnitte aufweisen, deren Größe/Durchmesser sich entlang ihrer Länge ändert. Der Schaft 32 hat einen Abschnitt 38, der am proximalen Ende 34 beginnt und sich teilweise entlang des Schaftes 32 in Richtung des distalen Endes 34 erstreckt. Der Abschnitt 38 ist fest und weist im Allgemeinen eine zylindrische Form auf, mit einem Außenumfang 40, der einen Durchmesser definiert, der entlang der Länge des Abschnitts 38 konsistent ist. Ein weiterer Abschnitt 42 des Schaftes 32 erstreckt sich von dem Abschnitt 38 in Richtung des distalen Endes 34. Der Abschnitt 42 hat einen äußeren Umfang 44, der einen Durchmesser definiert, der größer als der Durchmesser des Abschnitts 38 ist, und zwar konsistent entlang seiner Länge. Angrenzend an den Abschnitt 42 gegenüber dem Abschnitt 38 weist der Schaft 32 einen verengten Abschnitt 46 auf, der eine Kerbe 47 mit einer ringförmigen Form bildet, um einen kleineren Durchmesser als die Abschnitte 38 und 42 zu haben, der einen geschwächten Punkt entlang des Schafts 32 bildet. Ein hinterer Abschnitt 48 erstreckt sich zwischen dem verengten Abschnitt 46 und dem distalen Ende 34. Der hintere Abschnitt 48 hat einen äußeren Umfang 50, der entlang seiner Länge einen einheitlichen Durchmesser definiert. Der Durchmesser des hinteren Abschnitts 48 kann gleich dem Durchmesser des Abschnitts 42 sein.
In verschiedenen Beispielen enthält der Dorn 26 den Kopf 30, der sich vom Schaft 32 radial nach außen erstreckt und so eine Schulter 52 mit einer Fläche 54 formt, die ringförmig ist und im Allgemeinen in Richtung des distalen Endes 34 ausgerichtet ist. Der Kopf 30 hat einen äußeren Umfang 56, der einen Durchmesser definiert, der größer ist als der Durchmesser der Abschnitte 38 und 42. Der Kopf 30 hat auf seiner führenden Oberfläche 62 eine abgerundete Form.
Mit zusätzlicher Bezugnahme auf 2 beinhaltet der Schaft 28 in verschiedenen Beispielen im Allgemeinen einen Körper 64 und einen Kopf 66. Der Kopf 30 des Dorns 26 kann als ein erster Kopf bezeichnet werden und der Kopf 66 des Schaftes 28 kann als ein zweiter Kopf bezeichnet werden. Der Schaft 28 hat eine Durchgangsbohrung 68, die sich durch sowohl den Körper 64 als auch den Kopf 66 erstreckt und durch die der Dorn 26 aufgenommen ist. Der Körper 64 beginnt an einem Ende 70 und erstreckt sich zu dem Kopf 66. Der Körper 64 hat einen äußeren Umfang 72, der einen Durchmesser definiert, der über seine Länge von dem Ende 70 bis zu dem Kopf 66 gleichbleibend ist und einen zylindrisch geformten Körper 64 in Form eines Hohlzylinders definiert. Der Kopf 66 hat eine allgemein ringförmige Form mit einem äußeren Umfang 74, der einen Durchmesser definiert, der größer ist als der äußere Durchmesser des Körpers 64. Der Kopf 66 bildet eine Schulter 76 mit einer dem Ende 70 zugewandten Ringfläche 78. Die gegenüberliegende Fläche 80 des Kopfes 66 weist allgemein eine abgerundete Form auf. Der Dorn 26 wird durch die Durchgangsbohrung 68 aufgenommen, sodass das Ende 70 des Körpers 64 mit der Ringfläche 54 des Dorns 26 an der Schulter 52 in Eingriff gelangen kann. Wenn sie so angeordnet sind, sind der Abschnitt 38, der Abschnitt 42 und die Kerbe 47 vollständig in der Durchgangsbohrung 68 positioniert, während sich der hintere Abschnitt 48 teilweise in die Durchgangsbohrung 68 erstreckt und sich von dieser nach außen erstreckt.
In verschiedenen Beispielen hat der Dorn 26 einen Kopf 30 mit einer abgerundeten Spitze, wie in den 1 und 2 gezeigt. In anderen Beispielen kann der Dornkopf unterschiedliche Formen aufweisen, um die Bildung einer Öffnung in den Werkstücken 22, 24 zu erleichtern. So kann beispielsweise der Dorn 26 einen Kopf mit einer scharfen Spitze aufweisen, um bei Bedarf leichter durch die Werkstücke zu schneiden. Wie in 3 gezeigt, weist der Dorn 26 einen Kopf 79 mit einer Spitze 81 auf, die zum leichteren Eindringen der Werkstücke 22, 24 spitz ist. In einem anderen Beispiel, wie in 4 gezeigt, beinhaltet der Dorn 26 einen Kopf 83 mit einer Spitze 85, die eine Hohlraumöffnung durch ihr vorderes Ende aufweist, sodass eine ringförmige Wand um den Hohlraum gebildet ist. Am Ende der ringförmigen Wand ist eine ringförmige Schneidkante am vorderen Ende der Spitze 85 vorgesehen, um durch die Werkstücke 22, 24 zu schneiden. Die Köpfe 79, 83 mit den Spitzen 81, 85 können mit dem Dorn 26 verwendet werden, wenn ein scharfes Merkmal erwünscht ist, um durch die Werkstücke zu schneiden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 gezeigt, werden die Werkstücke 22, 24 in verschiedenen Beispielen zusammengebracht und platziert, sodass sie mit einer Fläche 82 des Werkstücks 22, die mit einer Fläche 84 des Werkstücks 24 zusammenpasst, überlappen. Die Passflächen 82, 84 können nur einen Teil der Werkstücke 22, 24, umfassen, die sich voneinander getrennt in einer beliebigen Richtung erstrecken können. In einigen Beispielen können die Werkstücke 22, 24 voneinander beabstandet sein oder können eine beliebige Anzahl und Art von Werkstücken umfassen. Die Werkstücke 22, 24 werden dem FSBR 20 präsentiert, ohne dass eine Pilotbohrung vorbereitet wird. Dementsprechend besteht keine Notwendigkeit, Bohrungen durch die Werkstücke 22 und 24 zu formen oder auszurichten. In einer Reihe von in 5 dargestellten Beispielen kann eine Maschine 90 verwendet werden, um das FSBR-System 25 zu sichern. In der Schnittdarstellung von 5 ist die Kreuzschraffur zur Vereinfachung und Klarheit weggelassen. Die Maschine 90 umfasst Klemmen 92, 94, die den Dorn 26 an seinem äußeren Umfang 50 kontaktieren und die eine Rotationseingabe 96 und eine translationale Vorschubgeschwindigkeit 98 verleihen, die auf das Werkstück 22 gerichtet sind. Der Kopf 30 berührt das Werkstück 22, wobei Kraft und Reibungswärme zwischen dem Kopf 30 und den Werkstücken 22, 24 durch die Vorschubgeschwindigkeit 98 entstehen und die Rotationseingabe 96 Material verdrängt, wenn der FSBR 20 in die Werkstücke 22, 24 getrieben wird. Die Vorschubgeschwindigkeit 98 setzt sich fort, sodass der Kopf 66 und insbesondere die Ringfläche 78 das Werkstück 22 berührt. Im Ergebnis erstreckt sich der Körper 64 des Schafts 28 durch die Werkstücke 22 und 24, wobei das Ende 70 und der Kopf 30 des Dorns 26 auf einer dem Kopf 66 und den Klemmen 92, 94 gegenüberliegenden Seite aus dem Werkstück 24 herausragen. Aufgrund einer durch Reibung induzierten thermischen Wirkung und Extrusion wird Material von dem Werkstück 24 durch den FSBR 20 verdrängt und sammelt sich um den Körper 64 herum, wobei eine Wand 100 gebildet wird, die den Körper 64 umgibt. Die Wand 100 ist Teil der Werkstücke 22 und/oder 24 und erstreckt sich zu dem Ende 70 des Körpers 64 hin. Die Wand 100 kann mit dem Körper 64 verschmelzen und hält den Körper 64 relativ zu den Werkstücken 22, 24 starr in Position.
Wenn die Rührreibmaßnahme beendet ist, stoppen die Vorschubgeschwindigkeit 98 und die Rotationseingabe 96 und, wie in 6 dargestellt, wird eine Rückzugkraft 102 auf den Dorn 62 ausgeübt, indem die Klemmen 92, 94 von den Werkstücken 22, 24 weggezogen werden. In der Schnittdarstellung von 6 ist die Kreuzschraffur zur Vereinfachung und Klarheit weggelassen. Der Kopf 66 kann gegen das Werkstück 22 gedrückt werden, während die Rückzugkraft 102 ausgeübt wird. Wenn der hintere Abschnitt 48 des Dorns zurückgezogen wird, bricht er von dem Rest des Dorns 26 an der Kerbe 47 ab. Unter Anwendung der Rückzugkraft wird der Kopf 30 zurück zum Werkstück 24 gezogen, wodurch der Körper 64 des Schafts 28 verformt oder verbogen wird, wodurch die Werkstücke zusammengehalten werden, wie in 7 gezeigt. In der Schnittdarstellung von 7 ist die Kreuzschraffur zur Vereinfachung und Klarheit weggelassen. Der Kopf 30 und die Abschnitte 38 und 42 des Dorns 26 verbleiben innerhalb der Durchgangsbohrung 68 an Ort und Stelle. Es wurde festgestellt, dass die Eigenschaften der Wand 100 einen Einfluss auf die Scherfestigkeit des FSBR-Systems 25 haben. Insbesondere blockiert die Wand 100, wenn sie zu groß ist, eine Verformung des Körpers 64 des Schafts 28 während des Vorgangs des Zurückziehens des Dorns 26, was zu einer suboptimalen mechanischen Blockierfestigkeit führen kann.
Zu Zwecken der Beschreibung wird auf 8 Bezug genommen, die einen FSBR 104 mit Dorn 106 und Schaft 108 zeigt. In der Schnittdarstellung von 8 ist die Kreuzschraffur zur Vereinfachung und Klarheit weggelassen. Der FSBR 104 ist mit durchdrungenen Werkstücken 110, 112 gezeigt. Der Eindringvorgang führt zu einem Materialfluss von den Werkstücken 110, 112, während sich der FSBR 104 hindurchbewegt, was zur Bildung einer Wand 114 führt, die den Schaft 108 umgibt. Die Wand 114 erstreckt sich über einen Abstand 116 von dem Werkstück 112. Der Bezug wird auf 9 gerichtet, worin das FSBR-System 25 im Vergleich dazu die Wand 100 gebildet, die sich über einen Abstand 118 von dem Werkstück 24 erstreckt. In der Schnittdarstellung von 9 ist die Kreuzschraffur zur Vereinfachung und Klarheit weggelassen. Der Abstand 118 ist kleiner als der Abstand 116. In einem spezifischen Beispiel beträgt der Abstand 116 5,80 Millimeter und der Abstand 118 beträgt 4,08 Millimeter. Unter Bezugnahme auf 10 ist nach dem Aufbringen der Rückzugkraft 102 und des Abbrechens des hinteren Abschnitts des Dorns des FSBR 104 von 8 zu sehen, dass die Wand 114 den Schaft 108 daran gehindert hat, sich zu verformen. In der Schnittdarstellung von 10 ist die Kreuzschraffur zur Vereinfachung und Klarheit weggelassen. Der Schaft 108 bleibt im Wesentlichen gerade und in der Form eines Hohlzylinders. Zusätzlich ist der gehaltene Teil des Dorns 104 innerhalb der Durchgangsbohrung 120 vertieft und von dem Kopf 122 beabstandet. Die Bezugnahme wird auf 11 gerichtet, in der der FSBR 20 von 9 im Vergleich die Wand 100 aufweist, worin der Körper 64 des Schafts 28 nach dem Anlegen der Rückzugkraft 102 und dem Abbrechen des hinteren Abschnitts des Dorns, in einer gekrümmten Form verformt ist. In der Schnittdarstellung von 11 ist die Kreuzschraffur zur Vereinfachung und Klarheit weggelassen. Insbesondere hat eine Kraft, die während des Zurückziehens durch den Kopf 30 auf das Ende 70 ausgeübt wird, den Körper 64 zusammengedrückt, wodurch ringförmige Abschnitte 124 gebildet werden, die sich von der Durchgangsbohrung 68 und gegen das Werkstück 24 nach außen wölben. Der Rest des Dorns 26 (gehaltener Dorn 105) ist innerhalb der Durchgangsbohrung 68 im Wesentlichen weniger vertieft als in dem Beispiel von 10. Es wurde festgestellt, dass dieses Ergebnis von der kleineren Wand 100 im Vergleich zu der Wand 108 resultiert.
Es wurde festgestellt, dass die Bildung der Wände 100, 108 steuerbar ist, indem die Fließfähigkeit des Plattenmaterials der Werkstücke 22, 24 variiert wird. Dies wird durch Einstellen der Wärmezufuhr gemäß dem Pseudo-Hitzeindex (PHI) angepasst, mit der Gleichung: $(P H I) = \frac{ω^{2}}{V 10000}$
worin ω die Dorndrehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min) ist, und V ist die Vorschubgeschwindigkeit des Dorns in Millimetern pro Sekunde.
Ein PHI bei höherer Wärmeeinbringung führt zu einer höheren Materialfließfähigkeit und dazu, dass mehr Material eine größere und längere Wand bildet. Daher hat sich herausgestellt, dass das Absenken des PHI für eine geringere Wärmezufuhr die Menge an Material, das die Wand 100 und die Länge 118 der Wand 100 bildet, reduziert. Diese direkte Korrelation zwischen PHI und der Größe und Länge der Wand 100 bietet die Möglichkeit, die Größe der Wand 100 zu steuern. Die Steuerung der Länge der Wand 100 kann verwendet werden, um eine bevorzugte Verformung des Schafts 28 und eine größere Festigkeit des installierten FSBR-Systems 25 bereitzustellen. Der PHI kann gesenkt werden, indem ω verringert wird oder durch Erhöhung von V. Im Fall des FSBR 104 von 10 wurde während der Bearbeitung, um die Werkstücke 110 und 112 zu durchdringen, ein PHI von 1600, ein ω von 12.000 RPM und ein V von 9 mm/s verwendet. Im Falle des FSBR 20 von 11 wurde während der Bearbeitung, um die Werkstücke 110 und 112 zu durchdringen, ein PHI von 900, ein ω von 9.000 U/min und ein V von 9 mm/s verwendet. Dementsprechend führt, im Vergleich zu dem Ergebnis von 10, eine Drehzahlreduzierung von 3000 U/min zu einer kleineren/kürzeren Wand 100 und dem verformten Schaft 28 des FSBR-Systems 25 von 11.
Zurück zu dem Abstand, in dem der gehaltene Dorn 105 nach dem Abbrechen des hinteren Abschnitts 48 in die Durchgangsbohrung 68 eingelassen ist, wird auf die 12 und 13 Bezug genommen. In der Schnittdarstellung der 12 und 13 ist die Kreuzschraffur zur Vereinfachung und Klarheit weggelassen. Der Dorn 26 enthält die Kerbe 47, die den Bruchpunkt zwischen dem hinteren Abschnitt 48 und dem gehaltenen Dorn 105 nach dem Abbrechen bestimmt. Die anfängliche Position der Kerbe 47 vor dem Abbrechen, wie in 12 gezeigt, platziert ihn in dem Schaft 28 in der Durchgangsbohrung 68. Zur Bezugnahme kann die Position der Kerbe 47 durch einen Abstand 130 von der Mitte 132 (engster Punkt) der Kerbe 47 zu der Spitze 134 an der führenden Oberfläche 62 des Kopfes 30 ausgedrückt werden. Der Abstand 130 kann auch als d_Kerbe bezeichnet werden. Der Abstand 130 ist ein Faktor bei der Bestimmung der Position des gebrochenen Endes 136 des gehaltenen Dorns 105 relativ zu dem Schaft 28. Eine Referenz zur Verwendung beim Definieren der Position des gebrochenen Endes 136 ist der Abstand 138 von dem äußersten Punkt 140 des Kopfes 66 zu der Fläche 78 der Schulter 76, auf den als d_Kopf Bezug genommen wird. Der Abstand 138 kann auch als die Dicke des Kopfes 66 in einer axialen Richtung 154 beschrieben werden. Es wurde festgestellt, dass die Steuerung der relativen Position der Kerbe 47 in dem Dorn 26 (d_Kerbe) die Scherfestigkeit des FSBR-Systems 25 optimiert. Insbesondere ist d_Kerbe abgestimmt, um sicherzustellen, dass das gebrochene Ende 136 des gehaltenen Dorns 105 innerhalb eines Bereichs 139 zwischen dem äußersten Punkt 140 des Kopfes 66 des Schafts 28 und der Fläche 78 der Schulter 76 liegt. Der Bereich 139 enthält einen beliebigen Punkt innerhalb des Abstands d_Kopf Das Abstimmen platziert das gebrochene Ende 136 von der Außenfläche 142 des Werkstücks 22 nach außen. Der Effekt ist, dass der gehaltene Dorn 105 sich vollständig durch die Werkstücke 22 und 24 erstreckt.
Unter Bezugnahme auf die 14 und 15 kann die zulässige Dickenvariation des Stapels der Werkstücke 22, 24 als Griffbereich t des FSBR 20 bezeichnet werden. In der Schnittdarstellung der 14 und 15 ist die Kreuzschraffur zur Vereinfachung und Klarheit weggelassen. Der Griffbereich t ist der Abstand zwischen der Außenfläche 142 des Werkstücks 22 und der Außenfläche 144 des Werkstücks 24. Im Fall von 14 platziert ein minimaler Stapel 146 (untere Grenze des Griffbereichs t) das gebrochene Ende 136 auf dem gleichen Niveau wie der äußerste Punkt 140 des Kopfes 66. Dies stellt sicher, dass das gebrochene Ende 136 innerhalb des Bereichs 139 liegt und nicht über den Kopf 66 vorsteht, was andernfalls einen Fangpunkt schaffen könnte. Der minimale Stapel 146 kann als t_Min bezeichnet werden. Im Fall von 15 platziert der maximale Stapel 148 (obere Grenze des Griffbereichs t) das gebrochene Ende 136 auf dem gleichen Niveau wie die Fläche 78 der Schulter 76, welche gegen die Außenfläche 142 des Werkstücks 22 (in der gleichen Ebene wie diese) liegt. Dies stellt sicher, dass das gebrochene Ende 136 innerhalb des Bereichs 139 liegt und nicht unterhalb (wie dargestellt) der Außenfläche 142 ausgenommen ist. Die maximale Stapelung 148 kann bezeichnet werden als t_Min + d_Kopf. Dementsprechend kann der Griffbereich t wie folgt ausgedrückt werden: $t_{M i n} \leq t \leq t_{M i n} + d_{K o p f} .$
Nachdem die Position der Kerbe 47 als Faktor für die Scherfestigkeit des FSBR-Systems 25 identifiziert wurde, kann dieser Faktor genutzt werden, um eine Echtzeitüberwachung der Verbindungsqualität bereitzustellen. Unter Bezugnahme auf 16 und 17 ist die Maschine 90 mit einem Steuersystem 150 ausgerüstet. In der Schnittdarstellung von 16 und 17 ist die Kreuzschraffur zur Vereinfachung und Klarheit weggelassen. Eine Axialrichtung 154 ist parallel zu der Länge des Dorns 26 und der Richtung zu den Werkstücken 22, 24 und von diesen weg definiert. Ein Abstandssensor 152 überwacht die Verschiebung der Klemmen 92, 94 in der Axialrichtung 154. So kann beispielsweise ein Wirbelstrom-, Ultraschall-, optischer oder anderer Sensortyp verwendet werden. Ein Kraftsensor 156 überwacht die Last auf den Dorn 26 in der Axialrichtung 154. So kann beispielsweisen ein Zugkraftsensor an den Klemmen 92, 94 verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Lastzelle verwendet werden, wenn die Maschine 90 eine entgegengesetzte Kraft gegen den Kopf 66 des Schafts 28 anlegt, oder es kann ein kombinierter Zug- und Drucklastsensor verwendet werden. Ein Klemmenaktuator 158, der ein Linearaktuator sein kann, ist vorgesehen, um die Klemmen 92, 94 zusammenzuziehen und auszudehnen, um den Dorn 26 zu ergreifen oder freizugeben. Ein Linearaktuator 160 ist vorgesehen, um die Klemmen 92, 94 und den FSBR 20 in der Axialrichtung 154 relativ zu den Werkstücken 22, 24 vorzuschieben und zurückzuziehen, einschließlich, um die translationale Vorschubgeschwindigkeit 98 zu bewirken. Ein Drehaktuator 162 treibt selektiv die Klemmen 92, 94 und den FSBR 20 an, um den Dreheingang 96 bereitzustellen. Das Steuersystem 150 beinhaltet eine elektronische Steuerung 164. Die elektronische Steuerung 164 beinhaltet mindestens einen Prozessor 166 und eine computerlesbare Speichervorrichtung oder einen Datenträger 168. Der Prozessor 166 führt die Berechnungen und Steuerfunktionen der elektronischen Steuerung 164 aus und kann jede Art von Prozessor oder mehrere Prozessoren, einzelne integrierte Schaltkreise, wie beispielsweise einen Mikroprozessor, oder eine geeignete Anzahl von integrierten Schaltkreisvorrichtungen und/oder Leiterplatten, umfassen, die zusammenwirken, um die Funktionen einer Verarbeitungseinheit auszuführen. Während des Betriebs führt der Prozessor 166 eines oder mehrere Programme aus, die im Speicher enthalten sein können, und steuert somit den allgemeinen Betrieb der elektronischen Steuerung 164 und des Computersystems der Steuerung 164 bei der Ausführung der hierin beschriebenen Verfahren. Die computerlesbare Speichervorrichtung oder der Datenträger 168 können unter Verwendung einer beliebigen einer Anzahl von bekannten Speichervorrichtungen, wie beispielsweise PROMs (programmierbarer Nur-Lese-Speicher), EPROMs (elektrische PROM), EEPROMs (elektrisch löschbarer PROM), Flash-Speicher oder beliebige andere elektrischen, magnetischen, optischen oder kombinierten Speichervorrichtungen implementiert werden, die Daten speichern können, von denen einige ausführbare Anweisungen darstellen, die von der Steuerung 164 beim Steuern der Maschine 90 verwendet werden. Die Anweisungen können ein oder mehrere separate Programme beinhalten, von denen jede eine geordnete Auflistung von ausführbaren Anweisungen zum Implementieren von logischen Funktionen umfasst. Die Anweisungen, wenn sie durch den Prozessor 166 ausgeführt werden, empfangen und verarbeiten Signale von den Sensoren 152, 156, führen Logik, Berechnungen, Verfahren und/oder Algorithmen zur automatischen Steuerung der Maschine 90 durch. Der Prozessor 166 erzeugt Steuersignale für die Aktuatoren 158, 160, 162, um die Komponenten der Maschine 90 basierend auf Logik, Berechnungen, Verfahren und/oder Algorithmen automatisch zu steuern. Es versteht sich, dass die elektronische Steuerung 164 die Verschiebung und die Axialkraft des Dorns 26 überwacht und den Klemmenaktuator 158, den Linearaktuator 160 und den Drehaktuator 162 während der Durchführung des FSBR-Verfahrens betätigt, wie weiter unten beschrieben wird. Zusätzlich kann die elektronische Steuerung 164 eine beliebige Anzahl von Überwachungs- und Steuerfunktionen ausführen. So kann beispielsweise das Steuersystem 150 über die elektronische Steuerung 164 mit den Prozessparametern eingestellt/zurückgesetzt werden oder um unterschiedliche Dicken des Werkstückmaterialstapels zu verarbeiten. Das Steuersystem 150 kann über die elektronische Steuerung 164 Verfahrensparameter überwachen und Ausgaben in Form von Informationen, Alarmen oder anderweitig bereitstellen.
Unter Bezugnahme auf 16 und 17 wird eine fortlaufende Qualitätsüberwachungs- und Diagnosefähigkeit bereitgestellt. Insbesondere berechnet der Prozessor 166 die Position des gehaltenen Dorns 105 in der Verbindung, die dem Abbrechen des hinteren Abschnitts 48 folgt. Der Abstand 170 zwischen dem gebrochenen Ende 136 des gehaltenen Dorns 105 und der Fläche 78 der Schulter 76 des Schafts 28 (l_{Dorn-zu-Schaft}), wird bestimmt durch die Berechnung: $l_{D o r n - z u - S c h a f t} = d_{Z u g} - (d_{V o r s c h u b} - d_{K e r b e})$
wobei:

d_Zug der Abstand von einer Anfangsposition 171 zu einer Endposition 173 ist, um den der Dorn 26 in der Axialrichtung 154 während des Zurückziehens und des Abbrechens des hinteren Abschnitts 48 gezogen wird, und ist als Rückzugsverschiebung 172 angegeben; und
d_Vorschub ist der Abstand, um den der Dorn 26 von der ersten Berührung des Werkstücks 22 an der Position 175 bis zur Vollendung des Eindringhubes an der Position 177 vorrückt, und ist als Eindringverschiebung 174 angegeben.

Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 18 ist eine grafische Darstellung der Kraft/Verschiebung der Klemmen 92, 94 und des ergriffenen Dorns 26 mit Kraft auf der vertikalen Achse 176 gegenüber der Verschiebung auf der horizontalen Achse 178 dargestellt. Die Rückzugsverschiebung 172 (d_Zug) wird in einer Anzahl von Ausführungsformen durch die Verwendung der Kurve 180 bestimmt. Vor dem Einleiten des Zurückziehens der Klemmen 92, 94 sind Kraft und Verschiebung an Punkt 182 beide Null. Wenn das Zurückziehen eingeleitet wird, steigt die Kraft an, wenn sich der Dorn 26 in der Axialrichtung 154 bewegt. Die Änderungsrate der Kraft der Kurve 180 nimmt ab und die Kraft an dem Segment 183 fällt vor dem Abbrechen des hinteren Abschnitts 48 ab. Nach dem Abbrechen am Punkt 184 trennt sich der hintere Abschnitt 48 von dem zurückgehaltenen Dorn 105 und Kraft fällt senkrecht auf eine Verschiebung entlang der horizontalen Achse 178 von dem Ursprung, der d_Zug 172 definiert. Die Bestimmung von d_Vorschub wird durch die elektronische Steuerung 164 getroffen, die den Abstandssensor 152 während eines Werkstückeindringhubs überwacht. Der Wert für d_Kerbe ist aus dem Design des FSBR 20 bekannt, ist in die computerlesbare Speichervorrichtung oder den Datenträger 168 programmiert und auf diesen wird von dem Prozessor 166 zum Ausführen der (l_{Dorn-zu-Schaft}) Berechnung zugegriffen.
Bezugnehmend auf die 19-22 wird die Leistung des FSBR-Systems 25 demonstriert. In der Schnittdarstellung der 19, 20 und 21 ist die Kreuzschraffur zur Vereinfachung und Klarheit weggelassen. Im Fall von 19 ist der FSBR 104 von 10 gezeigt, wobei der gehaltene Teil des Dorns 106 innerhalb des Schafts 108 zurückgesetzt ist, sodass sich sein Ende 186 unterhalb der Fläche 188 des unteren Werkstücks 112 befindet. Mit anderen Worten ist der gehaltene Teil des Dorns 106 ausgespart, sodass er sich nicht in das Werkstück 110 oder in den Kopf 122 des Schaftes 108 erstreckt und außerhalb des Bereichs 139 liegt. Eine Überlappungsscherlast 190 wird auf die Werkstücke 110 und 112 in entgegengesetzten Richtungen aufgebracht. Wie in 19 gezeigt, hat die Bruchart der FSBR-Verbindung 104 eine Abscherung des Schaftes 108 zur Folge. Unter Bezugnahme auf 22 sind die Ergebnisse der Überlappungsschertests mit einer Last in Kilonewton entlang der vertikalen Achse 192 und einer Verschiebung in Millimeter entlang der horizontalen Achse 194 gezeigt. 22 zeigt graphisch die Ergebnisse von fünf Beispielen von Überlappungsscherversuchen für Verbindungen vom Typ FSBR 104. Die fünf Beispiele sind durch Kurven 196 gezeigt. Wie für Verbindungen vom Typ FSBR 104 zu sehen ist, liegt die maximale Belastung in einem Bereich von etwa 2,2-2,6 Kilonewton mit einer Schaftscherung wie in 19 gezeigt und ergeben sich in jedem Fall. 20 zeigt das FSBR-System 25 mit der aufgebrachten Überlappungsscherlast 190. 22 zeigt ebenfalls graphisch die Ergebnisse von fünf Beispielen des Überlappungsscherversuchs für Verbindungen vom Typ FSBR System 25. Diese fünf Beispiele sind durch Kurven 198 gezeigt. Wie man für Verbindungen vom Typ FSBR System 25 sehen kann, liegt die maximale Belastung in einem Bereich von ungefähr 3,5-4,0 Kilonewton. Bei der Prüfung von Verbindungen vom Typ FSBR System 25 trat keine Schaftabscherung auf. Stattdessen führte der Bruchmodus zu einem FSBR-Bruch vom Ausziehtyp, wie in 21 gezeigt. Wie aus den Kurven 198 zu ersehen ist, führt dieser Bruch vom Ausziehtyp zu einer Belastungsverarmung über eine signifikant größere Verschiebung im Vergleich zu den Kurven 196 für die Verbindungen vom Typ FSBR 104. Bei der Verbindung vom Typ FSBR-System 25 stützt der gehaltene Dorn 105 den Schaft 28 während Überlappungsscherbeanspruchungen. Die Härte/Festigkeit des Dorns kann optimiert werden, um zu gewährleisten, dass der Dorn 26 eine ausreichende Festigkeit aufweist, um den Schaft 28 unter Überlappungsscherbelastung zu halten, um einen Bruch vom Schaftschertyp zu vermeiden.
Wie in 23 dargestellt, enthält ein FSBR-Verbindungsverfahren 200 für das FSBR-System 25 einen Initiierungs- oder Startschritt 202. So kann beispielsweise in verschiedenen Ausführungsformen das FSBR-Verbindungsverfahren 200 initiiert werden, wenn ein FSBR-Verbinden benötigt wird. Es sollte beachtet werden, dass das Verfahren 200 Daten, Informationen oder Produkte verwenden kann, die vor oder nach Schritt 102 erstellt wurden. Zusätzlich kann eine Anzahl von Schritten des Verfahrens 200 unabhängig initiiert werden und/oder kann vor dem Beginn einer Herstellungseinstellung FSBR-Verbinden von Werkstücken ausgeführt werden. Fortfahrend zu Schritt 204 werden Werte für die Parameter der Wärmezufuhr (PHI), Dornfestigkeit, und d_Kerbe ausgewählt. Die Werte können basierend auf Erfahrung, Modellierung oder anderen Ansätzen ausgewählt werden, um das Testverfahren der ausgewählten Parameter zu starten. Der PHI -Parameter beinhaltet die Auswahl der Dorndrehzahl ω und die Vorschubgeschwindigkeit und V. Zu Schritt 206 übergehend wird der FSBR 20 zur Prüfung der Wärmeeingabeparameter auf die Werkstücke 22, 24 aufgebracht, beispielsweise durch Verwendung der Maschine 90, die mit den in Schritt 204 ausgewählten Parametern eingestellt ist. Zu Schritt 208 fortschreitend wird das Zurückziehen von der Maschine 90 eingeleitet, und der hintere Abschnitt 48 wird von dem gehaltenen Dorn 105 abgebrochen. In Schritt 210 wird eine Bestimmung durchgeführt, ob die Wand 100 so ausgebildet ist, dass eine akzeptable Verformung des Körpers 64 aufgetreten ist. So kann beispielsweise die Bestimmung die Identifikation beinhalten, ob die Bildung von ringförmigen Abschnitten 124 aufgrund von Knicken aufgetreten ist. Dies kann bestimmt werden, indem die in den Schritten 206-208 gebildete physische Verbindung unterteilt und inspiziert wird. Wenn die Bestimmung in Schritt 210 negativ ist, was bedeutet, dass sich der Körper 64 nicht verformt hat, beispielsweise aufgrund einer zu großen Wand 100, geht das Verfahren 200 weiter zu Schritt 211, in dem die Wärme angepasst wird. So kann beispielsweise die Dorndrehzahl ω abgesenkt werden, um die Größe der Wand 100 zu verringern. Das Verfahren 200 kehrt dann zu Schritt 206 zurück und die Schritte 206-211 werden wiederholt, bis in Schritt 210 eine positive Bestimmung erfolgt ist.
Nach einer positiven Bestimmung in Schritt 210 geht das Verfahren 200 weiter zu Schritt 212, in dem das Überprüfen des Festigkeitsparameters des Dorns 26 eingeleitet wird. So kann beispielsweise die FSBR-Verbindung, die in den Schritten 206-208 hergestellt wird, einem Überlappungsscherversuch einschließlich Bruch unterzogen werden. Nach dem Bruch geht das Verfahren 200 weiter zu Schritt 214, in dem eine Bestimmung vorgenommen wird, ob der gehaltene Dorn 105 der Scherbeanspruchung standgehalten hat. So kann beispielsweise die gebrochene Verbindung physikalisch inspiziert werden, um zu identifizieren, ob der gehaltene Dorn 105 der Scherbeanspruchung standgehalten hat. Wenn die Bestimmung negativ ist und der gehaltene Dorn 105 geschert hat, schreitet das Verfahren 200 zu Schritt 215 fort und die Dornfestigkeit wird erhöht, beispielsweise durch Auswahl eines Dorns 26, der aus stärkerem Material hergestellt ist. Von Schritt 215 kehrt das Verfahren zu Schritt 206 zurück und das Verfahren fährt fort. Die Schritte 206-215 können wiederholt werden, bis in Schritt 214 eine positive Bestimmung erfolgt ist und der Dorn 26 nicht geschert hat. Der Schritt 214 dient auch als eine Überprüfung des gesamten FSBR-Systems 25, beispielsweise durch Prüfen, ob der Bruchmodus ein Herausziehen beinhaltet.
Nach einer positiven Bestimmung in Schritt 214 schreitet das Verfahren 200 zu Schritt 216 fort, in dem das Überprüfen des Parameters d_Kerbe ausgelöst wird. So kann beispielsweise die Bestimmung manuell oder automatisch von der Maschine 90 vorgenommen werden. Das Verfahren 200 fährt mit Schritt 218 fort, in dem beispielsweise der Abstand 130 dahingehend bewertet werden kann, ob das gebrochene Ende 136 des gehaltenen Dorns 105 innerhalb des Bereichs 139 liegt. Die Bestimmung kann durch physikalische Inspektion der geformten Verbindung erfolgen. Die Bestimmung kann auch durch Berechnung l_{Dorn-zu-Schaft} erfolgen, wie oben beschrieben. So kann beispielsweise die Maschine 90 verwendet werden, um die Berechnung während der Bildung der Verbindung in den Schritten 206-208 durchzuführen. Ein Berechnungsergebnis von l_{Dorn-zu-Schaft} < 0 bedeutet, dass das gebrochene Ende 136 des gehaltenen Dorns 105 übermäßig in die Durchgangsbohrung 68 vertieft ist und das Bestimmungsergebnis negativ ist. In ähnlicher Weise bedeutet ein Berechnungsergebnis von l_{Dorn-zu-schaft} > d_Kopf, dass das gebrochene Ende 136 des zurückgehaltenen Dorns 105 aus der Durchgangsbohrung 68 vorsteht und das Bestimmungsergebnis negativ ist. Wenn die Bestimmung in Schritt 218 negativ ist, ob manuell oder automatisch erreicht, geht das Verfahren 200 weiter zu Schritt 220, in dem der Abstand 130 eingestellt wird, um d_Kerbe in den Bereich 139 zu bewegen. So wird beispielsweise d_Kerbe reduziert, wenn das gebrochene Ende 136 hervorsteht, und wenn das gebrochene Ende 136 übermäßig vertieft ist, wird d_Kerbe erhöht. Von Schritt 220 kehrt das Verfahren 200 zu Schritt 206 zurück. Die Schritte 206-220 können wiederholt werden, bis in Schritt 218 eine positive Bestimmung erfolgt ist, und dann schreitet das Verfahren 200 zu Schritt 222 fort, in dem die Werte für die verifizierten Parameter aufgezeichnet werden, wie in der computerlesbaren Speichervorrichtung oder auf dem Datenträger 168. Es sollte beachtet werden, dass das Bestimmen der Parameter der Wärmezufuhr (PHI), Dornfestigkeit, und d_Kerbe in beliebiger Reihenfolge, parallel und/oder im Vorfeld einer Produktionsumgebung durchgeführt werden kann. Wenn zusätzlich ein Parameter durch wiederholte negative Bestimmungsschleifen getestet wird, können sich wiederholende Schritte für die anderen Parameter weggelassen werden.
Das Verfahren 200 fährt mit Schritt 224 fort, in dem die Maschine 90 für einen Produktionslauf unter Verwendung der in Schritt 222 aufgezeichneten Parameter eingestellt wird, und geht weiter zu Schritt 226, in dem die Maschine 90 zum Laufen vorbereitet ist. Das Verfahren 200 geht zu Schritt 228 über, worin eine Bestimmung vorgenommen wird, ob die Maschine 90 arbeiten soll. Zum Beispiel hat der Bediener den Startknopf aktiviert. Wenn die Bestimmung in Schritt 228 negativ ist, kann das Verfahren in Schritt 230 enden und kann zu jedem Zeitpunkt in Schritt 226 erneut gestartet werden. Wenn die Bestimmung in Schritt 228 positiv ist, schreitet das Verfahren 200 zu Schritt 232 fort und ein FSBR 20 wird auf die Werkstücke 22, 24 angewendet. Die elektronische Steuerung 164 löst ein Signal an den Klemmenaktuator 158 aus, um auf den Dorn 26 zu klemmen und danach an den Linearaktuator 160, um zu dem Werkstück 22 vorzurücken. Die elektronische Steuerung 164 signalisiert dem Linearaktuator 160, die Klemmen 92, 94 mit der in den Schritten 206-211 bestimmten und von der computerlesbaren Speichervorrichtung oder dem Datenträger 168 abgerufenen Vorschubgeschwindigkeit V vorzuschieben. Die elektronische Steuerung 164 überwacht den Kraftsensor 156 und die elektronische Steuerung 164 löst bei Kontakt mit dem Werkstück 22, wie über eine Krafterhöhung registriert, ein Signal zum Starten des Drehaktuators 162 mit der in den Schritten 206-211 bestimmten und von der computerlesbaren Speichervorrichtung oder dem Datenträger 168 abgerufenen Drehzahl ω aus. In anderen Beispielen initiiert die elektronische Steuerung 164 ein Signal zum Starten des Drehaktuators 162, wenn sich der Dorn 26 dem Werkstück 22 nähert, wie durch den Abstandssensor 152 identifiziert. Das Verfahren 200 fährt mit Schritt 234 fort und die elektronische Steuerung überwacht den Abstandssensor 152 und den Kraftsensor 156. Wenn der Kopf 66 und insbesondere die Fläche 78, wie durch einen Kraftanstieg angezeigt, das Werkstück 22 berührt, signalisiert die elektronische Steuerung 164 dem Linearaktuator 160, den Vorschub zu stoppen, und zeichnet den Vorschubabstand 174 in der computerlesbaren Speichervorrichtung oder dem Datenträger 168 als Wert für d_Vorschub auf. Die elektronische Steuerung 164 signalisiert dem Drehaktuator 162 zu stoppen. Die elektronische Steuerung 164 signalisiert dem Linearaktuator 160, an den Klemmen 92, 94 zurückzuziehen, und überwacht weiterhin den Abstandssensor 152 und den Kraftsensor 156. Wenn das Abbrechen des hinteren Abschnitts 48 auftritt, zeichnet die elektronische Steuerung die Rückzugsverschiebung 172 in der computerlesbaren Speichervorrichtung oder dem Datenträger 168 als einen Wert für d_Zug auf.
Nach dem Abbruch geht das Verfahren 200 weiter zu Schritt 236, in dem der Prozessor 166 auf die Werte für d_Vorschub und d_Zug von der computerlesbaren Speichervorrichtung oder dem Datenträger 168 zugreift. Der Prozessor 166 berechnet den Wert von l_{Dorn-zu-Schaft} unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichung. Das Verfahren 200 fährt mit Schritt 238 fort, in dem eine Bestimmung vorgenommen wird, ob die Position des gehaltenen Dorns 105 relativ zu dem Schaft 28 innerhalb des akzeptablen Bereichs 139 liegt. Ein Berechnungsergebnis von l_{Dorn-zu-Schaft} < 0 bedeutet, dass das gebrochene Ende 136 des gehaltenen Dorns 105 übermäßig in die Durchgangsbohrung 68 vertieft ist und das Bestimmungsergebnis negativ ist. In ähnlicher Weise bedeutet ein Berechnungsergebnis von l_{Dorn-zu-Schaft} > d_Kopf, dass das gebrochene Ende 136 des zurückgehaltenen Dorns 105 aus der Durchgangsbohrung 68 vorsteht und das Bestimmungsergebnis negativ ist. Wenn die Bestimmung in Schritt 238 negativ ist, fährt das Verfahren 200 mit Schritt 224 fort, in dem die Maschine 90 und/oder der FSBT 20 eingestellt werden können. Sobald die Maschineneinstellungen/Prozessparameter korrigiert sind, kann das Verfahren 200 in den Betrieb zurückkehren. In Schritt 238 durchläuft das Verfahren, solange die Bestimmungen positiv sind, was bedeutet, dass Qualitätsteile hergestellt werden, die Schritte 228-238, bis der Produktionslauf abgeschlossen ist. So kann beispielsweise der Bediener der Maschine 90 den Stoppknopf aktivieren und das Verfahren endet bei Schritt 230.
Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform bzw. der exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.

Claims

Reibrühr-Blindniet-Verbindungssystem (FSBR-Verbindungssystem) zum Verbinden von Werkstücken, umfassend: einen Dorn, der einen ersten Kopf aufweist, der eine Spitze bildet, wobei sich ein Schaft von dem ersten Kopf erstreckt, wobei der Schaft einen verengten Abschnitt aufweist, der eine Kerbe bildet, die so konfiguriert ist, dass ein hinterer Abschnitt des Dorns abreißt, wobei sich der Dorn von der Spitze zu einem gebrochenen Ende erstreckt; einen Schaft, der einen zweiten Kopf und einen Körper aufweist, der sich von dem zweiten Kopf erstreckt, mit einer durch den Schaft definierten Durchgangsbohrung, die den zweiten Kopf und den Körper einschließt, wobei der zweite Kopf eine Schulter aufweist, die eine Fläche bildet, wobei die Fläche eines der Werkstücke berührt, und der zweite Kopf einen äußersten Punkt gegenüber der Fläche aufweist, wobei ein Bereich zwischen dem äußersten Punkt des zweiten Kopfes und der Fläche definiert ist; und eine Wand, die von einem anderen Werkstück vorsteht und um den Körper herum gebildet wird; worin die Wand eine Größe hat, die durch den Dorn gebildet wird und so gesteuert wird, dass der Körper sich verformen kann.
FSBR-Verbindungssystem nach Anspruch 1, worin die Größe der Wand unter Verwendung der Gleichung für den Pseudo-Hitzeindex $(P H I) = \frac{ω^{2}}{V 10000}$
gesteuert wird, worin ω die Drehzahl des Dorns ist und V ist die Vorschubgeschwindigkeit des Dorns.
FSBR-Verbindungssystem nach Anspruch 1, worin der Körper durch Knicken verformt wird, um ringförmige Abschnitte zu bilden, die sich nach außen gegen die Werkstücke wölben.
FSBR-Verbindungssystem nach Anspruch 1, worin die Kerbe um einen Abstand d_Kerbe von der Spitze gebildet ist, sodass das gebrochene Ende in dem Bereich angeordnet ist.
FSBR-Verbindungssystem nach Anspruch 4, worin die Werkstücke eine Stapeldicke aufweisen, die innerhalb eines Griffbereichs variiert, der durch t_Min ≤ t ≤ t_Min + d_Kopf definiert ist, worin t die Stapeldicke der Werkstücke zusammen ist, t_Min ist die minimal zulässige Stapelstärke und d_Kopf ist ein zweiter Abstand, der vom äußersten Punkt des Schaftkopfes bis zu der durch die Schulter des Schaftkopfes gebildeten Fläche definiert ist.
FSBR-Verbindungssystem nach Anspruch 1, worin die Position des gebrochenen Endes des Dorns an einer Position (l_{Dorn-zu-Schaft}) angeordnet ist, die durch d_Zug - (d_Vorschub - d_Kerbe) definiert ist, worin d_Zug ein erster Betrag ist, um den der Dorn gezogen wird, um den Schaft zu komprimieren, d_Vorschub ist ein zweiter Betrag, mit dem der Dorn den Werkstücken zugeführt wird, und d_Kerbe ist ein Abstand von der Spitze zur Kerbe.
Rührreib-Blindniet -Verbindungsverfahren (FSBR-Verbindungsverfahren), umfassend: Bereitstellen eines FSBR, der einen Dorn mit einer Spitze und einer Kerbe beinhaltet; Erstrecken des Dorns durch einen Schaft, der einen Kopf mit einem äußersten Punkt und eine Fläche gegenüber dem äußersten Punkt aufweist; Bestimmen von Parametern, die eine Dorndrehzahl (ω), eine Vorschubgeschwindigkeit (V), eine Dornfestigkeit und einen Abstand d_Kerbe von der Spitze bis zur Kerbe beinhalten; Einstellen einer Maschine für den Betrieb unter Verwendung der Parameter; Betreiben der Maschine zur Anwendung des FSBR an einem Werkstück; und Betreiben der Maschine, um an dem Dorn zurückzuziehen und einen hinteren Abschnitt von dem Dorn zu brechen, sodass sich der Dorn von der Spitze zu einem gebrochenen Ende erstreckt, und sodass das gebrochene Ende innerhalb des Kopfes angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, worin das Bestimmen der Parameter das Prüfen der Dorndrehzahl (ω) und der Vorschubgeschwindigkeit (V) umfasst durch: Aufbringen des Dorns durch die Maschine, um erste und zweite Werkstücke zu durchdringen; Zurückziehen des Dorns durch die Maschine; Abbrechen eines hinteren Abschnitts des Dorns durch die Maschine; Bestimmen, ob eine Deformation des Körpers mit der Bildung von ringförmigen Abschnitten durch Knicken aufgetreten ist; und wenn die Bestimmung feststellt, dass keine Deformation aufgetreten ist, Anpassen eines Pseudo-Hitzeindexes angepasst durch Verringern der ω oder erhöhen der V, die durch die Maschine vermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 umfassend: Signalisieren eines Klemmenaktuators durch eine elektronische Steuerung zum Klemmen auf den Dorn; Signalisieren eines Linearaktuators durch die elektronische Steuerung, um den Dorn zu einem Werkstück vorzuschieben; Überwachen eines Kraftsensors durch die elektronische Steuerung; wenn der Kraftsensor einen Kraftanstieg registriert, der einen Dornkontakt mit dem Werkstück anzeigt, das Signalisieren an den Drehaktuator durch die Steuerung, mit der Dorndrehzahl ω zu arbeiten; Signalisieren des Linearaktuators, um den Dorn mit der Vorschubgeschwindigkeit V vorwärts zu bewegen; Überwachen eines Abstandssensors und des Kraftsensors durch die elektronische Steuerung; wenn der Kopf des Schafts das Werkstück kontaktiert, wie durch eine durch den Kraftsensor erfasste Kraftzunahme angezeigt, das Signalisieren durch die elektronische Steuerung, dass der Linearaktuator den Vorschub beendet; Aufzeichnung der Verschiebung des Linearaktuators während des Vorschiebens des Dorns als Vorschubabstandswert d_Vorschub in einer computerlesbaren Speichervorrichtung oder dem Datenträger der elektronischen Steuerung; Signalisieren, durch die elektronische Steuerung, den Linearaktuator zum Zurückziehen auf den Dorn; Überwachen des Abstandssensors und des Kraftsensors durch Zurückziehen des Dorns durch die elektronische Steuerung; und wenn ein Abbrechen des hinteren Abschnitts auftritt, aufzeichnen einer Rückzugsverschiebung des Dorns in der computerlesbaren Speichervorrichtung oder dem Datenträger als einen Wert für d_Zug.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend nach dem Abbruch, Abrufen der Werte für d_Vorschub und d_Zug von der computerlesbaren Speichervorrichtung oder dem Datenträger durch den Prozessor; Berechnen, durch den Prozessor, eines Wertes von I_{Dorn-zu-Schaft}. worin l_{Dorn-zu-Schaft} = d_Zug - (d_Vorschub - d_Kerbe), worin d_Kerbe ein Abstand von der Spitze zur Kerbe ist; Definieren von d_Kopf als ein Abstand von dem äußersten Punkt des Kopfes zur Fläche; und wenn die Berechnung ergibt 0 ≤ l_{Dorn-zu-Schaft} ≤ d_Kopf, die Maschine weiterhin zu bedienen.