DE102019211273A1

DE102019211273A1 - Method for inserting a nail into at least one component

Info

Publication number: DE102019211273A1
Application number: DE102019211273.0A
Authority: DE
Inventors: Florian Woelke; Reiner Ramsayer; Andre Philipskoetter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil, der einen Nagelkopf, eine Nagelspitze und einen Nagelschaft aufweist, bestehend aus den Schritten:- Anordnen des wenigstens einen Bauteils- Positionieren des Nagels- Eintreiben des Nagels, wobei der Nagel mit einer Kraft in Richtung des Bauteils beaufschlagt wird, sodass dieser in das wenigstens eine Bauteil eingedrückt wird.Dabei erfolgt zusätzlich zur Kraftbeaufschlagung eine Einkopplung von Schwingungen auf den Nagel und es wird ein Nagel verwendet, dessen Nagelschaft mit einer Oberflächenstruktur aus einer Abfolge von umlaufenden Rillen und/oder Erhebungen ausgebildet ist.The invention relates to a method for introducing a nail into at least one component, which has a nail head, a nail tip and a nail shaft, consisting of the steps: - arranging the at least one component - positioning the nail - driving the nail, the nail with a Force is applied in the direction of the component so that it is pressed into the at least one component. In addition to the application of force, vibrations are coupled onto the nail and a nail is used whose nail shaft has a surface structure made up of a sequence of circumferential grooves and / or bumps is formed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Bauteilanordnung zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil.The present invention relates to a method and a component arrangement for inserting a nail into at least one component.

Stand der TechnikState of the art

Nagelverfahren dienen zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil. Ein Nagelverfahren zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass ein Vorlochen des oder der Bauteile nicht erforderlich ist. Die Nagel-Technik bzw. das Einpressen oder Einbringen von Nägeln in ein Bauteil ist im Besonderen für schwer und insbesondere nur einseitig zugängliche Bauteile geeignet. Beim Einpressen des Nagels trifft dieser, in der Regel angetrieben durch eine über Druckluftentladung beschleunigte Masse bzw. einen Stößel, impulsartig mit hoher Geschwindigkeit auf das wenigstens eine Bauteil und durchdringt dieses mit seinem Schaft. Die sehr hohen Geschwindigkeiten und die Bauteilträgheit führen während des Eintreibens des Nagels zu geringen Bauteildeformationen. Gleichzeitig wird insbesondere bei höher- bzw. hochfesten Stahlwerkstoffen aufgrund der Verpressung und Stauchung des Werkstoffs bzw. des mindestens einen Bauteils ein Kraftschluss erreicht.Nailing methods are used to insert a nail into at least one component. A nailing method is characterized, for example, by the fact that it is not necessary to pre-punch the component or components. The nail technique or the pressing or introduction of nails into a component is particularly suitable for components that are difficult to access and, in particular, only accessible from one side. When the nail is pressed in, it hits the at least one component, usually driven by a mass accelerated by a compressed air discharge or a plunger, in a pulsed manner at high speed and penetrates it with its shaft. The very high speeds and the inertia of the component lead to minor deformation of the component while the nail is being driven in. At the same time, especially in the case of higher-strength or high-strength steel materials, a frictional connection is achieved due to the compression and upsetting of the material or of the at least one component.

Die DE 10 2010 006 404 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen zwei nicht vorgelochten Bauteilen in einem Fügebereich mittels eines von einem Setzgerät im Wesentlichen drehungsfrei in die Bauteile eingebrachten Nagels. Der Nagel wird in zwei Schritten eingedrückt, indem dieser in einem ersten Verfahrensschritt mit einer schlagartigen Bewegung mit hoher Geschwindigkeit im Fügebereich nur teilweise in die Bauteile eingetrieben und in einem zweiten Verfahrensschritt vollständig in die Bauteile in eine Endstellung gebracht wird.The DE 10 2010 006 404 A1 describes a method for producing a nail connection between two non-prepunched components in a joining area by means of a nail introduced into the components by a setting device essentially without rotation. The nail is pressed in in two steps, in that it is only partially driven into the components in a first process step with a sudden movement at high speed in the joining area and, in a second process step, is brought completely into the components in an end position.

Bei solchen Verfahren zum Einpressen oder Einbringen von Nägeln in ein Bauteil erfordern es die hohen Fügekräfte, dass das Bauteil sehr steif ausgelegt ist, um ungewünschte und bleibende Deformation des Bauteils zu vermeiden. Durch eine steife Auslegung können die Fügekräfte ohne zu große Deformation abgefangen werden.In such methods for pressing or inserting nails into a component, the high joining forces require that the component is designed to be very rigid in order to avoid undesired and permanent deformation of the component. With a rigid design, the joining forces can be absorbed without excessive deformation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Bauteilanordnung zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method and a component arrangement for inserting a nail into at least one component are proposed with the features of the independent claims. Advantageous configurations are the subject of the subclaims and the description below.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Einbringen bzw. Einpressen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil, der einen Nagelkopf, eine Nagelspitze und einen Nagelschaft aufweist, bestehend aus den Schritten:

- Anordnen des wenigstens einen Bauteils
- Positionieren des Nagels
- Eintreiben des Nagels, wobei der Nagel mit einer Kraft in Richtung des Bauteils beaufschlagt wird, sodass dieser in das wenigstens eine Bauteil eingedrückt wird. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass zusätzlich zur Kraftbeaufschlagung eine Einkopplung von Schwingungen auf den Nagel erfolgt und dass ein Nagel verwendet wird, dessen Nagelschaft mit einer Oberflächenstruktur aus einer Abfolge von umlaufenden Rillen und/oder Erhebungen ausgebildet ist.

The invention is based on a method for inserting or pressing a nail into at least one component which has a nail head, a nail tip and a nail shaft, consisting of the steps:

- Arranging the at least one component
- Positioning the nail
Driving in the nail, the nail being subjected to a force in the direction of the component, so that it is pressed into the at least one component. According to the invention, it is now provided that in addition to the application of force, vibrations are coupled onto the nail and that a nail is used whose nail shaft is formed with a surface structure made up of a sequence of circumferential grooves and / or elevations.

Durch die Einkopplung von Schwingungen in den Nagel kann die Kraft, mit der der Nagel in Richtung des Bauteils beaufschlagt wird, reduziert werden. Statt mit kontinuierlich ansteigender Kraft wird der Nagel mit den feinen Bewegungen der eingekoppelten Schwingungen durch das Bauteil getrieben. Hierdurch kann der Nagel mit reduzierten Fügekräften in Fügerichtung auf den Nagel in das Bauteil eingedrückt werden, die Prozesskräfte können erheblich reduziert werden und als wesentlicher Nebeneffekt hierdurch geht eine Reduzierung der Geräuschemission einher. Hohe Geräuschemissionen durch den bisher üblichen, impulsförmigen Setzprozess (Auftreffen des Nagels auf das Bauteil mit Schalldruckpegeln mitunter größer als 105 dB(A)) können vermieden oder zumindest reduziert werden. Entsprechend sind damit verbundene Maßnahmen zur Schallschutzisolierung mitunter einer kompletten Anlage (d.h. Einhausung der Anlagentechnik) nicht mehr oder zumindest nur noch in reduziertem Umfang nötig. Auch ist eine aufwändige Auslegung der Fügestellen bzw. der Bauteile zur Vermeidung von Bauteildeformationen nicht mehr oder nur noch in geringerem Umfang nötig, was insbesondere auf die durch die Schwingungseinkopplung reduzierte Kraft bzw. Fügekraft zurückzuführen ist. Gleichzeitig wird die Anpress- bzw. Haltekraft zwischen Nagel und Bauteil positiv beeinflusst, indem der Nagelschaft mit einer Oberflächenstruktur aus einer Abfolge von umlaufenden Rillen und/oder Erhebungen versehen ist.By coupling vibrations into the nail, the force with which the nail is applied in the direction of the component can be reduced. Instead of continuously increasing force, the nail is driven through the component with the fine movements of the coupled vibrations. As a result, the nail can be pressed into the component with reduced joining forces in the joining direction, the process forces can be considerably reduced and a significant side effect of this is a reduction in noise emissions. High noise emissions from the pulse-shaped setting process that has been customary up to now (the nail hits the component with sound pressure levels sometimes greater than 105 dB (A)) can be avoided or at least reduced. Correspondingly, related measures for soundproofing are sometimes no longer necessary for a complete system (i.e. housing of the system technology) or at least only to a reduced extent. An elaborate design of the joints or the components to avoid component deformations is no longer necessary, or only to a lesser extent, which can be attributed in particular to the force or joining force reduced by the vibration coupling. At the same time, the contact pressure or holding force between the nail and the component is positively influenced in that the nail shaft is provided with a surface structure consisting of a sequence of circumferential grooves and / or elevations.

Ein üblicher Vorbehalt gegen eine strukturierte Oberfläche des Nagelschaftes ist es, dass dadurch die notwendige Fügekraft erhöht sein kann. Dies wird durch die erfindungsgemäße Aufbringung der Schwingungen auf den Nagel jedoch mehr als kompensiert. Daher ist die Kombination der Merkmale Oberflächenstruktur des Nagelschaftes und der Einkopplung von Schwingungen auch so besonders vorteilhaft, weil sie eine hohe Festigkeit der Verbindung mit einer niedrigen Fügekraft kombiniert.A common reservation against a structured surface of the nail shaft is that this can increase the necessary joining force. However, this is more than compensated for by applying the vibrations to the nail according to the invention. Therefore, the combination of the features of the surface structure of the nail shaft and the coupling of vibrations is particularly advantageous because it combines a high strength of the connection with a low joining force.

Es sei angemerkt, dass grundsätzlich auf diese Weise zwar ein Nagel auch in nur ein Bauteil eingebracht werden kann, besonders bevorzugt ist aber das Einbringen eines Nagels in zwei oder mehr Bauteile, um diese miteinander zu verbinden.It should be noted that, in principle, a nail can also be introduced into just one component in this way, but it is particularly preferred to introduce a nail into two or more components in order to connect them to one another.

Das vorgeschlagene Verfahren bietet weiterhin die Vorteile der herkömmlichen Nagel-Technik, d.h. es wird beispielsweise das Fügen ohne Vorlochen bei (nur) einseitiger Zugänglichkeit ermöglicht. Das Verfahren eignet sich insbesondere auch zum Fügen von hochfesten Werkstoffen wie Stählen und auch Faserverbundwerkstoffen. Es ist auch für einen Einsatz für Misch-, Mehrlagen- und Hybridverbindungen geeignet. Auch kann es in Kombination mit einer Klebetechnik verwendet werden, d.h. zwei oder ggf. mehr Bauteile werden miteinander verklebt und zusätzlich mit Nägeln verbunden bzw. fixiert. Oftmals dienen die Nägel dann nur der temporären Fixierung, während die Klebeverbindung aushärtet.The proposed method also offers the advantages of the conventional nail technique, i.e. it is possible, for example, to join without pre-punching with (only) one-sided access. The method is particularly suitable for joining high-strength materials such as steels and fiber composites. It is also suitable for use in mixed, multilayer and hybrid connections. It can also be used in combination with an adhesive technique, i.e. two or possibly more components are glued together and additionally connected or fixed with nails. The nails are often only used for temporary fixation while the adhesive bond hardens.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Schwingungen als Ultraschallschwingungen, insbesondere durch einen Ultraschallgenerator erzeugt. Hierbei handelt es sich um eine einfache Methode zur Schwingungserzeugung. Ultraschallgeneratoren erzeugen Frequenzen, die oberhalb des Hörbereiches des menschlichen Gehörs liegen. Für die Nagel-technik sind Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 15 kHz und 50 kHz zweckmäßig. Hierzu kann ein Ultraschallgenerator verwendet werden, der - im Sinne eines Funktionsgenerators - mit einem beispielsweise elektromechanischen Schwingungskonverter, beispielsweise einem Piezokonverter, eines Schwingsystems verbunden wird. Ein Schwingsystem weist typischerweise einen Schwingungskonverter, eine Sonotrode und ggf. einen Amplitudenverstärker auf, ist einfach bereitzustellen und zudem ausreichend für eine Reduzierung der nötigen Kraft zum Eindrücken des Niets.According to a preferred embodiment, the vibrations are generated as ultrasonic vibrations, in particular by an ultrasonic generator. This is a simple method of generating vibration. Ultrasonic generators generate frequencies that are above the hearing range of the human ear. For nail technology, vibrations with a frequency between 10 kHz and 100 kHz, preferably between 15 kHz and 50 kHz, are appropriate. For this purpose, an ultrasonic generator can be used which - in the sense of a function generator - is connected to an, for example, electromechanical vibration converter, for example a piezo converter, of a vibration system. A vibration system typically has a vibration converter, a sonotrode and, if necessary, an amplitude amplifier, is easy to provide and, moreover, sufficient to reduce the force required to press in the rivet.

Wenn die Schwingungen in longitudinaler Richtung d.h. mit Schwingung in Fügerichtung in den Nagel und/oder wenigstens das eine Bauteil eingekoppelt werden, werden insgesamt geringere Eindrück- bzw. Einpresskräfte für den Nagel benötigt.If the vibrations in the longitudinal direction, i.e. with vibrations in the joining direction, are coupled into the nail and / or at least one component, overall lower indentation or press-in forces are required for the nail.

Besonders bevorzugt ist es auch, wenn der Nagel mittels eines in Schwingung versetzten Werkzeugs, wie beispielsweise des schon erwähnten Schwingsystems bzw. eines Teils davon, beispielsweise der Sonotrode oder eines Stempels, hämmernd in das Bauteil eingedrückt wird. Unter einem hämmernden Eindrücken soll dabei ein Eindrücken mittels sehr hoher Anzahl, beispielsweise mehrere Tausend innerhalb kurzer Zeit wie einer Sekunde an Schlägen bzw. Impulsen des Werkzeugs auf den Nagel verstanden werden. Die Schläge werden dabei durch die Schwingungen der Sonotrode bzw. des Stempels erzeugt und auf den Nagel aufgebracht. Hierzu kann die Frequenz der Schwingung unter Berücksichtigung einer typischen Eigenfrequenz des Bauteilsystems ausgewählt werden. Dabei sollte die Anregungsfrequenz der Schwingung ungleich der Eigenfrequenz des Bauteilsystems sein.It is also particularly preferred if the nail is hammered into the component by means of a tool that is set in vibration, such as the vibration system already mentioned or a part thereof, for example the sonotrode or a stamp. A hammering impression should be understood to mean an impression by means of a very high number, for example several thousand within a short time such as one second, of blows or impulses of the tool on the nail. The blows are generated by the vibrations of the sonotrode or the punch and applied to the nail. For this purpose, the frequency of the oscillation can be selected taking into account a typical natural frequency of the component system. The excitation frequency of the oscillation should be different from the natural frequency of the component system.

Dadurch dass der Nagelschaft mit einer Oberflächenstruktur versehen ist, die sich beim Einbringen des Nagels in das Bauteil in diesem verankert, ergibt sich eine größere Kontaktfläche zwischen Nagel und Bauteil und damit eine höhere Auspress- bzw. Haltekraft. In die Oberflächenstruktur, z.B. in ihre Rillen oder zwischen den Erhebungen liegenden Bereichen bzw. Vertiefungen, dringt beim Einpressvorgang des Nagels das verdrängte Material des Bauteils ein und hintergreift den Nagelschaft. Damit ist die Haltekraft höher als bei einem herkömmlichen Nagel ohne Oberflächenstruktur. Die Oberflächenstruktur kann ein wellenförmiges, kantenförmiges oder widerhakenförmiges Profil aufweisen. In Abhängigkeit der Anwendung wird die Oberflächenstruktur wellenförmig sein, wenn der Nagel besonders einfach in das Bauteil gleiten soll. Die Oberflächenstruktur wird eher kantenförmig sein, wenn diese beispielsweise ein Gewinde bilden soll, sodass der Nagel aus dem Bauteil wieder herausgeschraubt werden kann. Jedoch wird die Oberflächenstruktur eher widerhakenförmig sein, wenn das Herausziehen des Nagels verhindert werden soll.
Die Oberflächenstruktur dient vorteilhaft auch als Energierichtungsgeber für die Ultraschallenergie. Der Energierichtungsgeber bewirkt eine gezielte und konzentrierte Energieeinleitung. Mithilfe der definierten Kontaktfläche gelingt eine gezielte, lokale Einleitung der Ultraschallenergie in die Fügezone. Das bedeutet, dass die Oberflächenstruktur als Energierichtungsgeber und lokaler Energieverstärker des Ultraschalls wirkt.The fact that the nail shaft is provided with a surface structure which is anchored in the component when the nail is introduced into the component results in a larger contact surface between the nail and component and thus a higher pressing or holding force. When the nail is pressed in, the displaced material of the component penetrates into the surface structure, for example into its grooves or areas or depressions lying between the elevations, and engages behind the nail shaft. This means that the holding force is higher than with a conventional nail without a surface structure. The surface structure can have a wave-shaped, edge-shaped or barb-shaped profile. Depending on the application, the surface structure will be wavy if the nail is to slide particularly easily into the component. The surface structure will tend to be edge-shaped if it is to form a thread, for example, so that the nail can be screwed out of the component again. However, the surface structure will tend to be barb-shaped if the removal of the nail is to be prevented.
The surface structure advantageously also serves as an energy director for the ultrasonic energy. The energy director causes a targeted and concentrated introduction of energy. With the help of the defined contact surface, a targeted, local introduction of the ultrasonic energy into the joining zone is possible. This means that the surface structure acts as an energy director and local energy amplifier for the ultrasound.

Vorteilhaft weist die Oberflächenstruktur eine Abfolge von mehreren umlaufenden Rillen und/oder Erhebungen auf, die zu einer Nagelschaftachse senkrecht verlaufen. Senkrecht zur Nagelschaftachse verlaufende Rillen oder Erhebungen sind besonders einfach in den Nagelschaft einbringbar. Beispielsweise können Rillen in Form von länglichen Vertiefungen bzw. Nuten quer zur Schaftachse in Umfangsrichtung des Nagelschafts gebildet werden. Erhebungen können beispielsweise durch die Aufbringung von wulstförmigem Material entstehen. Es ist auch möglich, diese durch Aufbringen eines Materials über eine Breite der auszugestaltenden Oberflächenstruktur herzustellen, um dann in einem zweiten Schritt Vertiefungen in Umfangsrichtung einzuarbeiten. Beim Einpressvorgang dringt das verdrängte Material zwischen die Erhebungen bzw. in die Rillen, sodass eine erhöhte Haltekraft erreicht wird.The surface structure advantageously has a sequence of several circumferential grooves and / or elevations that run perpendicular to a nail shaft axis. Grooves or elevations running perpendicular to the nail shaft axis are particularly easy to make in the nail shaft. For example, grooves in the form of elongated depressions or grooves can be formed transversely to the shaft axis in the circumferential direction of the nail shaft. Elevations can arise, for example, through the application of bead-shaped material. It is also possible to produce these by applying a material over a width of the surface structure to be designed in order to then work in recesses in the circumferential direction in a second step. During the press-in process, the displaced material penetrates between the elevations or into the grooves, so that an increased holding force is achieved.

Erfindungsgemäß weist die Oberflächenstruktur eine Abfolge von umlaufenden Rillen und/oder Erhebungen auf, die zu einer Nagelschaftachse verkippt und/oder parallel verlaufen. Die zur Nagelschaftachse verkippt und/oder parallel verlaufenden Rillen und/oder Erhebungen dienen als Energierichtungsgeber für die Ultraschallenergie. Der Ultraschalleffekt findet an den Stellen mit Energierichtungsgeber konzentrierter statt. Durch den Energierichtungsgeber wird eine gezielte und konzentrierte Energieeinleitung der Ultraschallenergie in die Fügezone erreicht. Hierdurch kann die Einpresskraft deutlich reduziert werden, da das Hineingleiten in das Bauteil deutlich einfacher erfolgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Nagelschaftachse verkippt verlaufende Rillen ein Gewinde bilden, sodass der Nagel wieder durch Herausdrehen aus dem Bauteil entfernt werden kann. Damit wird beispielsweise eine Reparatur ermöglicht.
Rillen können beispielsweise axial oder verkippt verlaufend in die Oberfläche des Nagelschafts eingefräst sein. Erhebungen können beispielsweise durch die Aufbringung von wulstförmigem Material entstehen. Es ist auch möglich, diese durch Aufbringen eines Materials über eine Breite der auszugestaltenden Oberflächenstruktur herzustellen, um dann in einem zweiten Schritt Vertiefungen in Umfangsrichtung einzuarbeiten. Besonders einfach sind zur Bildung der Rillen bzw. der Erhebungen Nuten in die Oberfläche eingedreht, deren Tiefe so gewählt ist, dass sich das Bauteilmaterial in den Nuten verhaken kann, bzw. die Nuten hintergreifen kann, um eine hohe Haltekraft zu erreichen. Die Nuten lassen sich mit einem scharf definierten Rand bzw. einer Kante oder mit einem abgerundeten Rand herstellen.According to the invention, the surface structure has a sequence of circumferential grooves and / or elevations that are tilted and / or run parallel to a nail shaft axis. The grooves and / or elevations, which are tilted and / or parallel to the nail shaft axis, serve as energy directors for the ultrasonic energy. The ultrasonic effect is more concentrated at the points with the energy director. The energy director achieves a targeted and concentrated introduction of the ultrasonic energy into the joining zone. This allows the press-in force to be significantly reduced, since sliding into the component is much easier. It is particularly advantageous if grooves running at an angle to the nail shaft axis form a thread so that the nail can be removed from the component again by unscrewing it. This enables a repair, for example.
Grooves can be milled into the surface of the nail shank, for example, running axially or at an angle. Elevations can arise, for example, through the application of bead-shaped material. It is also possible to produce this by applying a material over a width of the surface structure to be designed in order to then work in recesses in the circumferential direction in a second step. In order to form the grooves or the elevations, grooves are particularly simply screwed into the surface, the depth of which is selected so that the component material can hook into the grooves or engage behind the grooves in order to achieve a high holding force. The grooves can be produced with a sharply defined edge or an edge or with a rounded edge.

Bevorzugt besitzen die Rillen und/oder Erhebungen einen Anfangs- und Endabschnitt. Die Rillen und/oder Erhebungen sind dann nicht vollständig geschlossen ausgeführt. Dies betrifft im Besonderen die axial oder verkippt axial verlaufenden Rillen entlang des Nagelschafts. Die Rillen und/oder Erhebungen mit Anfangs- und Endabschnitt dienen besonders vorteilhaft als Energierichtungsgeber für die Ultraschallenergie. Durch den Energierichtungsgeber wird eine gezielte und konzentrierte Energieeinleitung der Ultraschallenergie in die Fügezone erreicht. Hierdurch kann die Einpresskraft deutlich reduziert werden, da das Hineingleiten in das Bauteil deutlich einfacher erfolgt.The grooves and / or elevations preferably have a start and end section. The grooves and / or elevations are then not completely closed. This applies in particular to the axially or tilted axially extending grooves along the nail shaft. The grooves and / or elevations with the start and end sections serve particularly advantageously as energy directors for the ultrasonic energy. The energy director achieves a targeted and concentrated introduction of the ultrasonic energy into the joining zone. This allows the press-in force to be significantly reduced, since sliding into the component is much easier.

Energierichtungsgeber können mit und/oder ohne Funktionsfläche ausgebildet sein. Die Funktionsfläche weist eine Geometrie, insbesondere Rillen und/oder Erhebungen zur Erhöhung der Haftung auf. Bevorzugt können Energierichtungsgeber Unterbrechungen ähnlich einer gesteppten Naht aufweisen.Energy directors can be designed with and / or without a functional surface. The functional surface has a geometry, in particular grooves and / or elevations to increase the adhesion. Energy directors can preferably have interruptions similar to a quilted seam.

Wenn die Verkippung der Rillen und/oder Erhebungen zur Nagelschaftachse in Richtung Nagelspitze zunimmt, weisen die Rillen und/oder Erhebungen spitzenseitig eine größere Steigung auf. Dadurch sucht sich der Nagel einfacher, d.h. mit weniger Einpresskraft den Weg ins Bauteil. Eine im Prozessverlauf dann abnehmende Steigung führt dazu, dass sich das Bauteil gegen den Nagelkopf oder ein unteres Bauteil gegen ein oberes Bauteil anzieht und dadurch eine Steigerung der Haltekraft erzielt wird. Durch letzte Ausübung einer Kraft und/oder Schwingung wird das Bauteil gegen den dann bereits am Bauteil anliegenden Nagelkopf verspannt. Durch den hämmernden Mehrfachimpuls des Ultraschalls kann sich der Nagel während des Einpressvorgangs durch seine Steigung der Rillen drehen.If the inclination of the grooves and / or elevations relative to the nail shaft axis increases in the direction of the nail tip, the grooves and / or elevations have a greater gradient on the tip side. This makes it easier for the nail to find its way into the component, i.e. with less pressing force. A slope that then decreases in the course of the process means that the component is attracted to the nail head or a lower component to an upper component, thereby increasing the holding force. By the last exertion of a force and / or vibration, the component is braced against the nail head then already resting on the component. Due to the hammering multiple pulse of the ultrasound, the nail can rotate during the press-in process due to its slope of the grooves.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Abfolge aus Rillen und/oder Erhebungen zur Nagelspitze hin in kleiner werdenden Abständen der Rillen und /oder Erhebungen ausgeführt. Dadurch gleitet der Nagel zu Beginn des Einpressvorgangs einfacher in das Bauteil ein. Die zum Ende des Einpressvorgangs größeren Abstände verstärken die Haltekraft.According to a preferred embodiment, the sequence of grooves and / or elevations towards the tip of the nail is designed with increasingly smaller distances between the grooves and / or elevations. This allows the nail to slide more easily into the component at the start of the press-in process. The larger distances towards the end of the press-in process increase the holding force.

Über die variable Steigung kann zudem der Prozess überwacht werden, da sich das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems aus Nagel und Bauteil über den Prozessverlauf ändert. Der Fügeprozess kann also beispielsweise durch eine Beobachtung der Generatorleistung und/oder durch eine Beobachtung der Schallemissionen des Fügeprozesses bewertet werden.The process can also be monitored via the variable gradient, as the vibration behavior of the overall system of nail and component changes over the course of the process. The joining process can therefore be evaluated, for example, by observing the generator power and / or by observing the noise emissions of the joining process.

Wenn die Abfolge aus Rillen und/oder Erhebungen ein Gewinde bildet, schraubt sich der Nagel in das Bauteil. Ein Nagel mit Gewinde kann mit geläufigen Verfahren einfach hergestellt werden und lässt sich reversibel in das Bauteil einbringen. Denn bei der Schwingungseinkopplung wird der Nagel aufgrund der Oberflächenstruktur in Rotation versetzt. Dadurch schraubt sich der Nagel beim Einpressen in das Bauteil, ohne dass eine Rotationskraft auf den Nagel einwirken braucht. Weil sich der Nagel in das Bauteil schraubt, entsteht eine größere Kontaktfläche zwischen Nagel und Fügepartner, aus der wiederum eine größere Auspress- bzw. Haltekraft resultiert. Der Nagel gleitet, aufgrund seiner Oberflächenstruktur durch die Schwingungseinkopplung in Rotation versetzt, einfacher in das Bauteil. Der Nagel lässt sich wieder herausdrehen, falls beispielsweise eine Reparatur erfolgen müsste.When the sequence of grooves and / or elevations forms a thread, the nail screws into the component. A nail with a thread can be easily produced using common methods and can be inserted reversibly into the component. This is because when vibrations are coupled in, the nail is set in rotation due to the surface structure. As a result, the nail screws itself into the component when it is pressed in without the need for a rotational force to act on the nail. Because the nail screws into the component, there is a larger contact area between the nail and the joint, which in turn results in a greater pressing or holding force. Due to its surface structure, the nail slides more easily into the component due to the vibration coupling. The nail can be unscrewed again if, for example, a repair should be carried out.

Durch die Oberflächenstruktur am Nagelschaft kann es beim Eindrehen des Nagels infolge der auf den Nagel eingekoppelten Ultraschallschwingung in Abhängigkeit der Prozessparameter zu einer lokalen Verschweißung des Nagels mit dem Bauteil kommen. Diese lokale Verschweißung erhöht die Festigkeit der Verbindung.The surface structure on the nail shaft can result in local welding of the nail to the component when the nail is screwed in as a result of the ultrasonic vibration coupled into the nail, depending on the process parameters. This local welding increases the strength of the connection.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Bauteilanordnung aus mindestens 2 Bauteilen, die durch einen Nagel verbunden sind, welcher durch das vorherig beschriebene Verfahren eingetrieben worden ist.The invention also relates to a component arrangement made up of at least 2 components which are connected by a nail which has been driven in using the method described above.

Das vorgeschlagene Verfahren wie auch die vorgeschlagene Bauteilanordnung, also die neuartige Kombination aus Ultraschallüberlagerung und erfindungsgemäßem Nagel, sind, wie schon erwähnt, vorzugsweise für den Karosseriemischbau zweckmäßig, da dort verschiedenartigste Werkstoffe miteinander zu verbinden sind, bei denen oftmals nur eine einseitige Zugänglichkeit der Fügestellen bzw. Fügeflansche gegeben ist. Mit diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung können das Fließlochformschrauben und/oder das herkömmliche Einbringen von Nägeln durch die verfahrensbedingten und wirtschaftlichen Vorteile substituiert werden.The proposed method as well as the proposed component arrangement, i.e. the novel combination of ultrasonic superimposition and nail according to the invention, are, as already mentioned, preferably useful for mixed body construction, since a wide variety of materials have to be connected to one another, in which often only one-sided accessibility of the joints or . Joining flanges is given. With this method and this device, the flow hole forming screwing and / or the conventional insertion of nails can be substituted by the process-related and economic advantages.

Ein weiteres Anwendungsgebiet neben der Automobilindustrie sind der Schienenfahrzeugbau und das Transportwesen, da hier profilintensive Bauweisen großflächiger Abmessungen zu verarbeiten und einseitige Zugänglichkeiten zum Fügepunkt gegeben sind.Another field of application in addition to the automotive industry is rail vehicle construction and transport, since here profile-intensive construction methods with large-area dimensions have to be processed and one-sided access to the joining point is given.

Des Weiteren ist der Gondel- und Seilbahnbau ein mögliches Anwendungsgebiet. Hier können das vorgeschlagene Verfahren bzw. die vorgeschlagene Vorrichtung heutige Blindniet-Verbindungen ersetzen. Das für das Blindnieten erforderliche Vorlochen entfällt, sodass die Prozesskosten reduziert werden können.Furthermore, gondola and cable car construction is a possible area of application. The proposed method and the proposed device can replace today's blind rivet connections. The pre-punching required for blind riveting is not necessary, so that process costs can be reduced.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und der beiliegenden Zeichnungen. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in folgenden Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.Further advantages and configurations of the invention emerge from the description of the figures and the accompanying drawings. The invention is shown schematically on the basis of exemplary embodiments in the following drawings and is described in detail below with reference to the drawings.

FigurenlisteFigure list

1 shows schematically a device according to the invention in a preferred embodiment.
2 shows schematically part of a device according to the invention in a preferred embodiment.
3 shows schematically a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment.
4th shows a nail according to the invention in a first preferred embodiment.
5 shows a nail according to the invention in a second preferred embodiment.
6 shows a nail according to the invention in a third preferred embodiment.
7th shows a nail according to the invention in a fourth preferred embodiment.
8th shows a nail according to the invention in a fifth preferred embodiment.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

In 1 ist vereinfacht und schematisch eine Vorrichtung 100 zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, mittels welcher auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Bei der Vorrichtung 100 handelt es sich beispielhaft um einen Industrieroboter bzw. eine Fertigungseinrichtung, beispielsweise für einen Einsatz im automobilen Karosseriebau.In 1 is a simplified and schematic device 100 for introducing a nail into at least one component shown in a preferred embodiment, by means of which a method according to the invention can also be carried out. At the device 100 it is, for example, an industrial robot or a production facility, for example for use in automobile body construction.

Die Vorrichtung 100 weist dabei eine auf einem Boden angeordnete Trägerstruktur 3 und drei daran angeordnete, miteinander verbundene und bewegliche Armglieder bzw. Komponenten 4, 5 und 6 auf, die zusammen einen motorisch bewegbaren Roboterarm bilden. Am Ende des Armes 6 ist eine Setzeinheit 10 angeordnet, wie sie beispielsweise in 2 noch detaillierter gezeigt wird und die hier nur grob schematisch angedeutet ist.
Weiterhin ist ein Schaltschrank 90 vorgesehen, in dem eine Steuer- und Regeleinheit 91 sowie ein als Ultraschallgenerator ausgebildeter Schwingungserzeuger 92 eingebracht sind. Während die Steuer- und Regeleinheit 91 zum Ansteuern sowohl des Roboterarms als auch der Setzeinheit 10 dient, kann der Ultraschallgenerator 92 an einen Schwingungskonverter der Setzeinheit 10 angeschlossen werden, wie später in Bezug auf 2 noch näher erläutert wird.The device 100 has a support structure arranged on a floor 3 and three interconnected and movable arm members or components disposed thereon 4th , 5 and 6 which together form a motorized robotic arm. At the end of the arm 6 is a setting unit 10 arranged, for example in 2 is shown in more detail and is only indicated roughly schematically here.
There is also a control cabinet 90 provided in which a control and regulation unit 91 and a vibration generator designed as an ultrasonic generator 92 are introduced. While the control and regulation unit 91 to control both the robot arm and the setting unit 10 the ultrasonic generator can 92 to a vibration converter of the setting unit 10 be connected as later regarding 2 will be explained in more detail.

In 2 ist schematisch ein Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, nämlich insbesondere die Setzeinheit 10 aus 1. Die Setzeinheit 10 weist ein Schwingsystem 39 auf, das vorliegend einen elektro-mechanischen Schwingungskonverter 30, beispielsweise einen Piezo-Konverter, einen sog. Booster 31, auch als Amplitudenverstärker bezeichnet, sowie ein Werkzeug zum Eindrücken in Form einer Sonotrode 32 aufweist.
Der Schwingungskonverter 30 ist dabei an den elektrischen Schwingungserzeuger 92, wie er in 1 gezeigt ist, angebunden bzw. angeschlossen bzw. kann daran angebunden werden. Auf diese Weise kann das Schwingsystem 39 in Schwingung versetzt werden.
Das Schwingsystem 39 ist, hier über den Booster 31, in einer Gehäuseeinheit 35 gehalten. Diese Gehäuseeinheit 35 wiederum ist mit einem Antrieb 50 verbunden, sodass das Schwingsystem 39 derart an den Antrieb 50 angebunden ist, dass darüber eine Kraft F sowie eine Vorschubbewegung auf das Schwingsystem 39 übertragen werden kann, und zwar in eine Fügerichtung R. An dem Antrieb 50, der hier nur grob schematisch dargestellt ist, ist ein Flansch 51 vorgesehen, mittels welchem der Antrieb 50 beispielsweise an dem Roboterarm bzw. dem Armglied 6, wie in 1 gezeigt, angebracht werden kann.
Weiterhin ist an der Gehäuseeinheit 35 mittels Federelementen 17 eine Halterung 16 angebracht, die beispielhaft einen Teil des Schwingsystems 39 umgibt und einen Nagel 20 halten und führen kann. Mittels einer Zuführung 95 kann ein solcher Nagel 20 beispielsweise in die Halterung 16 automatisch eingebracht werden, sodass dieser vor der Sonotrode 32 platziert ist.
Weiterhin sind zwei Bauteile 11, 12 gezeigt, wie sie beispielsweise mittels des Nagels 20 und unter Verwendung der Vorrichtung 100 bzw. der Setzeinheit 10 verbunden werden können. Hierzu kann die Setzeinheit mittels des Roboterarms in die in 2 gezeigte Position gebracht werden, in welcher die Halterung 16 beispielsweise an dem Bauteil 11 anliegt - wobei die Halterung 16 in diesem Sinne auch als Niederhalter dient - und der Nagel 20 in geeigneter Ausrichtung zu den Bauteilen 11, 12 gehalten ist.
Um den Nagel 20 nun in die Bauteile 11, 12 einzubringen und so die Bauteile miteinander zu verbinden, wird das Schwingsystem 39 unter Verwendung des Schwingungserzeugers 92 in Schwingung versetzt und unter Verwendung des Antriebs 50 in Fügerichtung R auf den Nagel 20 zubewegt und so mit diesem in Kontakt gebracht. Durch eine weitere, durch den Antrieb 50 erzeugte gesteuerte bzw. geregelte Vorschubbewegung kann der Nagel 20 somit in die Bauteile eingedrückt werden.
Aufgrund der Schwingungen, die sich vom Schwingsystem 39 auf den Nagel 20 und darüber ggf. auch auf die Bauteile 11, 12 übertragen, wird die nötige Kraft, um den Nagel in die Bauteile einzudrücken, deutlich reduziert.In 2 a part of a device according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment, namely in particular the setting unit 10 out 1 . The setting unit 10 exhibits an oscillation system 39 on, the present an electro-mechanical vibration converter 30th , for example a piezo converter, a so-called booster 31 , also known as an amplitude amplifier, as well as a tool for pressing in in the form of a sonotrode 32 having.
The vibration converter 30th is at the electrical vibrator 92 like him in 1 is shown, connected or connected or can be connected to it. In this way the oscillation system 39 be set in vibration.
The oscillation system 39 is here about the booster 31 , in one housing unit 35 held. This housing unit 35 turn is with a drive 50 connected so that the oscillation system 39 so to the drive 50 that is tied about a force F as well as a feed movement on the oscillating system 39 can be transmitted, in a joining direction R. On the drive 50 , which is shown here only roughly schematically, is a flange 51 provided by means of which the drive 50 for example on the robot arm or the arm link 6 , as in 1 shown can be attached.
Furthermore is on the housing unit 35 by means of spring elements 17th a bracket 16 attached, the exemplary part of the oscillation system 39 surrounds and a nail 20th can hold and lead. By means of a feeder 95 can such a nail 20th for example in the holder 16 automatically introduced so that it is in front of the sonotrode 32 is placed.
There are also two components 11 , 12 shown, for example, by means of the nail 20th and using the device 100 or the setting unit 10 can be connected. For this purpose, the setting unit can be moved into the in 2 position shown in which the bracket 16 for example on the component 11 rests - with the bracket 16 in this sense also serves as a hold-down device - and the nail 20th in a suitable alignment to the components 11 , 12 is held.
To the nail 20th now in the components 11 , 12 to bring in and thus connect the components with each other, becomes the oscillation system 39 using the vibrator 92 vibrated and using the drive 50 in the joining direction R on the nail 20th moved towards and thus brought into contact with it. By another, by the drive 50 The nail can generate controlled or regulated feed movement 20th thus pressed into the components.
Because of the vibrations that arise from the vibratory system 39 on the nail 20th and possibly also on the components 11 , 12 transferred, the force required to press the nail into the components is significantly reduced.

In 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind in zwei Abbildungen jeweils Teile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie auch in 1 gezeigt ist, bzw. einer Setzeinheit, wie sie auch in 2 gezeigt ist, zu sehen. Insbesondere sind die Sonotrode 32 und die Halterung 16 sowie ein Nagel 20 gezeigt, ebenso zwei zu verbindende Bauteile 11 und 12.
In der ersten Abbildung links ist eine Situation gezeigt, in welcher ein Bauteil 11,12 angeordnet ist, auf welchem der Nagel 20 mit der Spitze positioniert ist, aber noch nicht eingedrungen ist. Der Nagel 20 hat einen Nagelschaft 21, der mit einer Oberflächenstruktur 22 aus einer Abfolge von umlaufenden Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b ausgebildet ist. Es wird dann begonnen, den Nagel 20 mit einer Kraft in Richtung des Bauteils 11, 12 über die Sonotrode 32 zu beaufschlagen. Die Schwingungen werden als Ultraschallschwingungen auf den Nagel 20 eingekoppelt. Die Ultraschallschwingungen werden durch den elektrischen Schwingungserzeuger 92, insbesondere durch einen Ultraschallgenerator erzeugt. Die Schwingungen werden in longitudinaler Richtung in den Nagel 20 eingekoppelt, sodass die Einpresskraft in Fügerichtung verstärkt werden. Die Schwingungen werden Nageltechnikspezifisch mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 15 kHz und 50 kHz, erzeugt.
In der zweiten Abbildung rechts ist schließlich eine zu erreichende Endposition gezeigt, in welcher der Nagel 20 in die Bauteile 11, 12 eingedrückt ist und der mit der Oberflächenstruktur 22 versehene Nagelschaft 21 in den Bauteilen 11, 12 verankert ist.In 3 a sequence of a method according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment. For this purpose, two figures each show parts of a device according to the invention, as is also shown in FIG 1 is shown, or a setting unit, as it is also shown in 2 is shown to see. In particular, the sonotrode 32 and the bracket 16 as well as a nail 20th shown, as well as two components to be connected 11 and 12 .
The first figure on the left shows a situation in which a component 11 , 12 is arranged on which the nail 20th with the tip positioned but not yet penetrated. The nail 20th has a nail shaft 21st that with a surface texture 22nd from a sequence of circumferential grooves 22a and / or surveys 22b is trained. It is then started to nail the nail 20th with a force in the direction of the component 11 , 12 via the sonotrode 32 to apply. The vibrations are called ultrasonic vibrations on the nail 20th coupled. The ultrasonic vibrations are generated by the electric vibrator 92 , in particular generated by an ultrasonic generator. The vibrations are longitudinal in the nail 20th coupled in so that the press-in force is increased in the joining direction. The vibrations are generated specifically for the nailing technique at a frequency between 10 kHz and 100 kHz, preferably between 15 kHz and 50 kHz.
In the second figure on the right, an end position to be reached is finally shown in which the nail 20th in the components 11 , 12 is pressed in and the one with the surface structure 22nd provided nail shaft 21st in the components 11 , 12 is anchored.

In den 4 bis 7 wird näher auf die Ausgestaltung der Oberflächenstruktur 22 auf dem Nagelschaft 21 eingegangen. Der Nagel 20 weist einen Nagelkopf 24, den Nagelschaft 21 und eine Nagelspitze 25 auf. Der Nagelschaft 21 hat einen kopfseitigen Schaftteil 21a, in welchem er zylindrisch und ohne Oberflächenstruktur ausgeführt ist. Ein wesentlich größerer kopfabseitiger Schaftteil 21b ist mit der Oberflächenstruktur 22 versehen. Der mit der Oberflächenstruktur 22 versehene Schaftteil 21b ist leicht kegelig ausgeführt und mündet in der Spitze 25. Der Schaftteil 21b kann beispielsweise auch zylindrisch ausgeführt sein.
Die Oberflächenstruktur 22 weist eine Abfolge von mehreren umlaufenden Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b auf. Die Rillen 22a sind besonders einfach beispielsweise in Form von Nuten eingebracht. Durch die Fertigung einer Abfolge von Rillen 22a können bereits die Erhebungen 22b entstehen. Es ist auch möglich, die Erhebungen 22b beispielsweise durch die Aufbringung von wulstförmigem Material zu fertigen, sodass Rillen 22a durch die Abfolge von Erhebungen 22b entstehen. Die Erhebungen 22b können auch durch Aufbringen eines Materials über den kopfabseitigen Schaftteil 21b erfolgen, in welches anschließend Rillen 22a eingearbeitet werden können. Die Rillen-Tiefe ist so gewählt, dass sich das Bauteilmaterial darin verhaken kann, um eine hohe Haltekraft zu erreichen. Die Rillen 22a sind beispielsweise mit einem scharf definierten Rand bzw. einer Kante oder mit einem abgerundeten Rand herstellbar. Ebenso kann die Erhebung 22b beispielsweise scharfkantig (beispielhaft in 4a gezeigt) oder rund ausgeführt sein. Die Kombination der Oberflächenstruktur des Nagelschaftes und der Eikopplung von Ultraschallschwingungen auf den Nagelkopf bewirken eine hohe Festigkeit der Verbindung bei Aufbringung einer niedrigen Fügekraft.
Beim ultraschallunterstützten Nagelprozess, insbesondere in einem Prozessregime Hämmern, wird der Nagel 20 durch seine Oberflächenstruktur 22 bei der Einkopplung der Schwingungen über die Ultraschallfrequenz in Rotation versetzt. Dadurch arbeitet sich der Nagel 20 schneller in das Bauteil 11,12 als ein Nagel ohne Oberflächenstruktur. Die Oberflächenstruktur 22 bewirkt, dass die Kontaktfläche zwischen Nagelschaftmaterial und Bauteil 11, 12 größer ist, als bei einem Nagel ohne Oberflächenstruktur. Beim Eindrückvorgang dringt das verdrängte Material zwischen die Erhebungen bzw. in die Rillen. Dies führt zu einer verbesserten Auspress- und Haltekraft bei niedriger Fügekraft aufgrund der Unterstützung durch die Einkopplung von Ultraschallschwingungen auf den Nagel 20. Die Oberflächenstruktur 22 wirkt als Energierichtungsgeber für die Ultraschallenergie. Der Energierichtungsgeber bewirkt eine gezielte und konzentrierte Energieeinleitung. Mithilfe der definierten Kontaktfläche durch die Oberflächenstruktur 22 gelingt eine gezielte, lokale Einleitung der Ultraschallenergie in die Fügezone. Energierichtungsgeber können mit einer die Haftung verstärkenden Funktionsfläche ausgeführt sein (siehe 6b und 6c).In the 4th to 7th is closer to the design of the surface structure 22nd on the nail shaft 21st received. The nail 20th has a nail head 24 , the nail shaft 21st and a nail tip 25th on. The nail shaft 21st has a shaft part on the head side 21a in which it is cylindrical and has no surface structure. A much larger part of the shaft away from the head 21b is with the surface structure 22nd Mistake. The one with the surface structure 22nd provided shaft part 21b is slightly tapered and ends in the tip 25th . The shaft part 21b can for example also be cylindrical.
The surface structure 22nd has a sequence of several circumferential grooves 22a and / or surveys 22b on. The grooves 22a are introduced particularly easily, for example in the form of grooves. By making a series of grooves 22a can already do the surveys 22b arise. It is also possible to use the surveys 22b for example to manufacture by applying bead-shaped material, so that grooves 22a through the sequence of elevations 22b arise. The surveys 22b can also be done by applying a material over the shaft part on the remote side of the head 21b take place, in which then grooves 22a can be incorporated. The depth of the groove is chosen so that the component material can get caught in it in order to achieve a high holding force. The grooves 22a can be produced, for example, with a sharply defined edge or an edge or with a rounded edge. Likewise, the survey 22b for example sharp-edged (for example in 4a shown) or round. The combination of the surface structure of the nail shaft and the coupling of ultrasonic vibrations to the nail head result in a high strength of the connection with the application of a low joining force.
In the ultrasound-assisted nailing process, especially in a hammering process regime, the nail 20th through its surface structure 22nd set in rotation when the vibrations are coupled in via the ultrasonic frequency. This will work the nail 20th faster into the component 11 , 12 as a Nail without surface structure. The surface structure 22nd causes the contact surface between the nail shaft material and the component 11 , 12 is larger than with a nail without a surface structure. During the pressing process, the displaced material penetrates between the elevations or into the grooves. This leads to an improved pressing and holding force with a low joining force due to the support provided by the coupling of ultrasonic vibrations onto the nail 20th . The surface structure 22nd acts as an energy director for the ultrasonic energy. The energy director causes a targeted and concentrated introduction of energy. With the help of the defined contact area through the surface structure 22nd a targeted, local introduction of the ultrasonic energy into the joining zone succeeds. Energy directors can be designed with a functional surface that increases adhesion (see 6b and 6c ).

In 4 weist die Oberflächenstruktur 22 eine Abfolge von mehreren umlaufenden Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b auf, die zu einer Nagelschaftachse 26 senkrecht verlaufen. Die Rillen 22a bzw. Erhebungen 22b sind einfach in Umfangrichtung des Nagelschafts 21 ein- und/oder aufzubringen.In 4th exhibits the surface structure 22nd a sequence of several circumferential grooves 22a and / or surveys 22b on leading to a nail shaft axis 26th run vertically. The grooves 22a or surveys 22b are simply in the circumferential direction of the nail shaft 21st and / or apply.

In 4a ist die Abfolge aus Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b zur Nagelspitze hin (Pfeilrichtung) in kleiner werdenden Abständen zwischen den Rillen 22a und /oder Erhebungen 22b ausgeführt. Dadurch gleitet der Nagelschaft 21 zu Beginn des Einpressvorgangs leichter in das Bauteil 11,12 ein. Die zum Ende des Einpressvorgangs größeren Abstände (kopfseitig) bewirken eine Verstärkung der Haltekraft. Genauso denkbar könnten die Abstände von Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b zur Nagelspitze 25 hin größer zum Nagelkopf 24 hin kleiner werden.
Über die variierenden Abstände kann der Prozessfortschritt überwacht werden, da sich das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems aus Nagel und Bauteil über den Prozessverlauf ändert. Dies kann beispielsweise durch eine Beobachtung der Generatorleistung und/oder durch eine Beobachtung der Schallemissionen des Fügeprozesses beobachtet werden.In 4a is the sequence of grooves 22a and / or surveys 22b towards the tip of the nail (direction of the arrow) at decreasing distances between the grooves 22a and / or surveys 22b executed. This causes the nail shaft to slide 21st Easier into the component at the beginning of the press-in process 11 , 12 on. The larger distances (on the head side) towards the end of the press-in process increase the holding force. The distances between grooves could just as well be conceivable 22a and / or surveys 22b to the nail tip 25th larger towards the nail head 24 get smaller.
The progress of the process can be monitored via the varying distances, since the vibration behavior of the entire system of nail and component changes over the course of the process. This can be observed, for example, by observing the generator power and / or by observing the sound emissions of the joining process.

In 5 sind die umlaufenden Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b zur Nagelschaftachse 26 verkippt angeordnet. Die Einpresskraft kann deutlich reduziert werden und das Hineingleiten des Nagelschafts 21 in das Bauteil 11,12 erfolgt einfacher. Die verkippt laufenden Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b können dabei die Form eines Gewindes 27 annehmen. Ein Gewinde 27 kann mit geläufigen Verfahren einfach hergestellt werden. Beim ultraschallunterstützten Nagelprozess, insbesondere in einem Prozessregime Hämmern, wird der Nagel 20 durch seine gewindeförmige Oberflächenstruktur 22 bei der Einkopplung der Schwingungen über die Ultraschallfrequenz in Rotation versetzt. Dadurch schraubt sich der Nagel 20 in das Bauteil 11,12. Die Oberflächenstruktur 22 bewirkt, dass die Kontaktfläche zwischen Nagelschaftmaterial und Bauteil 11, 12 größer ist, als bei einem Nagel ohne Oberflächenstruktur. Beim Eindrückvorgang dringt das verdrängte Material zwischen die Erhebungen bzw. in die Rillen. Dies führt zu einer verbesserten Auspress- und Haltekraft. Die gewindeförmige Oberflächenstruktur macht es möglich, dass der Nagel 20 wieder durch Herausdrehen aus dem Bauteil 11, 12 entfernt werden kann. Damit wird beispielsweise eine Reparatur deutlich vereinfacht.In 5 are the circumferential grooves 22a and / or surveys 22b to the nail shaft axis 26th arranged tilted. The press-in force and the sliding in of the nail shaft can be significantly reduced 21st into the component 11 , 12 is easier. The tipped running grooves 22a and / or surveys 22b can take the form of a thread 27 accept. One thread 27 can be easily produced using common processes. In the ultrasound-assisted nailing process, especially in a hammering process regime, the nail 20th due to its thread-like surface structure 22nd set in rotation when the vibrations are coupled in via the ultrasonic frequency. This causes the nail to screw itself 20th into the component 11 , 12 . The surface structure 22nd causes the contact surface between the nail shaft material and the component 11 , 12 is larger than with a nail without a surface structure. During the pressing process, the displaced material penetrates between the elevations or into the grooves. This leads to an improved pressing and holding force. The thread-like surface structure makes it possible for the nail 20th again by unscrewing it from the component 11 , 12 can be removed. This makes repairs much easier, for example.

In 5a nimmt die Verkippung der Rillen und/oder Erhebungen zur Nagelschaftachse in Richtung Nagelspitze zu, sodass die Rillen und/oder Erhebungen spitzenseitig eine größere Steigung aufweisen. Zu Beginn der Eindrückvorgangs wird der Nagelschaft 21 leichter in das Bauteil 11,12 gepresst. Eine im Prozessverlauf dann abnehmende Steigung bewirkt, dass das untere Bauteil 12 gegen das obere Bauteil 11 anzieht und durch die Oberflächenstruktur 22 die Fügekraft verstärkt wird. Durch letzte Ausübung einer Kraft und/oder Schwingung wird das Bauteil 11, 12 gegen den Nagelkopf verspannt.In 5a the tilting of the grooves and / or elevations relative to the nail shaft axis increases in the direction of the nail tip, so that the grooves and / or elevations have a greater gradient on the tip side. At the beginning of the pressing process, the nail shaft 21st easier into the component 11 , 12 pressed. A slope that then decreases in the course of the process causes the lower component 12 against the upper component 11 attracts and through the surface structure 22nd the joining force is increased. When a force and / or vibration was last exerted, the component becomes 11 , 12 braced against the nail head.

In 6 weisen die Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b einen Anfangs- 28a und Endabschnitt 28b auf. Nicht vollständig geschlossen ausgeführt sind die axial bzw. parallel zur Längsachse 26 (6, 6b, 6c) oder axial verkippt (6a) verlaufenden Rillen 22a und/ oder Erhebungen 22b entlang des Nagelschafts 21.
In 6a sind die Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b axial verkippt ausgeführt. Sie erzeugen bei der Einkopplung von Schwingungen in den Nagel 20 eine Rotation, sodass der Nagel 20 drehend in das Bauteil eindringt.
Durch die Oberflächenstruktur 22 am Nagelschaft 21 kann es beim Eindrehen des Nagels 20 infolge der auf den Nagel 20 eingekoppelten Ultraschallschwingung in Abhängigkeit der Prozessparameter zu einer lokalen Verschweißung des Nagels 20 mit dem Bauteil 11,12 kommen. Diese lokale Verschweißung erhöht die Festigkeit der Verbindung.In 6 point the grooves 22a and / or surveys 22b an initial 28a and end section 28b on. The axially or parallel to the longitudinal axis are not completely closed 26th ( 6 , 6b , 6c ) or axially tilted ( 6a) running grooves 22a and / or surveys 22b along the nail shaft 21st .
In 6a are the grooves 22a and / or surveys 22b executed axially tilted. When they are coupled, they generate vibrations in the nail 20th a rotation so that the nail 20th rotates into the component.
Through the surface structure 22nd on the nail shaft 21st it can happen when screwing in the nail 20th as a result of on the nail 20th coupled ultrasonic vibration depending on the process parameters to a local welding of the nail 20th with the component 11 , 12 come. This local welding increases the strength of the connection.

Gemäß 6b können Energierichtungsgeber mit einer die Haftung verstärkenden Funktionsfläche ausgeführt sein. Die Funktionsfläche 29 weist eine Geometrie 29a, insbesondere Rillen und/oder Erhebungen zur Erhöhung der Haftung auf.
Energierichtungsgeber können auch Unterbrechungen in Form einer gesteppten Naht 29b, wie in 6c gezeigt, aufweisen.According to 6b Energy directors can be designed with a functional surface that increases adhesion. The functional area 29 exhibits a geometry 29a , in particular grooves and / or elevations to increase adhesion.
Energy directors can also have interruptions in the form of a quilted seam 29b , as in 6c shown.

In 7 ist der Nagelschaft 21 beispielsweise mit einer Oberflächenstruktur 22 versehen, die senkrecht und parallel zur Nagelschaftachse 26 verlaufende Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b aufweist. Die Oberflächenstruktur 22 kann aber auch alle vorherig beschriebenen Varianten beliebig enthalten und beispielsweise in verschiedenen Abschnitten des Nagelschafts 21 variieren, um diese vorteilhaft für den Einpressprozess nutzen zu können.In 7th is the nail shaft 21st for example with a surface structure 22nd provided that are perpendicular and parallel to the nail shaft axis 26th running grooves 22a and / or surveys 22b having. The surface structure 22nd but can also all beforehand Described variants contain any and, for example, in different sections of the nail shaft 21st vary in order to be able to use them advantageously for the press-in process.

Neben der Erfordernis einer geringeren Einpresskraft und der geringeren Verformung der Bauteile bei höherer Haltekraft führt das vorgeschlagene Verfahren zu einer signifikanten Geräuschreduzierung, insbesondere aufgrund des Entfalls des bisher nötigen, massiven Einfach-Impulses mit Spitzenschalldruckpegeln von bis zu 180dB und aufgrund der Oberflächenstruktur des Nagelschafts.In addition to the requirement of a lower press-in force and the lower deformation of the components with a higher holding force, the proposed method leads to a significant noise reduction, in particular due to the omission of the previously necessary, massive single impulse with peak sound pressure levels of up to 180 dB and due to the surface structure of the nail shaft.

Das vorgeschlagene Verfahren führt, wie schon erwähnt, zu einem erweiterten Anwendungsbereich, z.B. Fügen dünnwandigerer Bauteile sowie dickwandigere und/oder höherfeste Bauteile, durch geringere Deformation der gefügten Bauteilflansche (Leichtbaupotential) bzw. Reduktion des Fügekraftbedarfes. Ebenso führt es zu einer Kosteneinsparung durch Verzicht auf Druckluft beim eigentlichen Fügeprozess.As already mentioned, the proposed method leads to an expanded area of application, e.g. joining thinner-walled components as well as thick-walled and / or higher-strength components, due to lower deformation of the joined component flanges (lightweight construction potential) or reduction of the joining force requirement. It also leads to cost savings by dispensing with compressed air in the actual joining process.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102010006404 A1 [0003]

Claims

A method for inserting a nail (20) into at least one component (11, 12) which has a nail head (24), a nail tip (25) and a nail shaft (21), comprising the steps of: - arranging the at least one component ( 11,12) - positioning the nail (20) - driving in the nail (20), the nail (20) being subjected to a force in the direction of the component (11,12), so that it is in the at least one component (11, 12) is pressed in, characterized in that, in addition to the application of force, vibrations are coupled onto the nail (20) and that a nail (20) is used, the nail shaft (21) of which has a surface structure (22) consisting of a sequence of circumferential grooves (22a) and / or elevations (22b) is formed.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the vibrations are generated as ultrasonic vibrations, in particular by an ultrasonic generator (92).

Procedure according to Claim 2 , characterized in that the vibrations are coupled into the nail (20) in the longitudinal direction.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the vibrations are generated with a frequency between 10 kHz and 100 kHz, preferably between 15 kHz and 50 kHz.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the nail (20) is pressed into the at least one component (11, 12) by means of a tool (32) which applies a force to the nail (20) and causes it to vibrate.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the nail shaft (21) is provided with a surface structure (22) which, when the nail (20) is introduced into the at least one component (11, 12) in the at least one component ( 11.12) anchored.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface structure (22) acts as an energy director and local energy amplifier of the ultrasound.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface structure (22) has a sequence of several circumferential grooves (22a) and / or elevations (22b) which run perpendicular to a nail shaft axis (26).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface structure (22) has a sequence of circumferential grooves (22a) and / or elevations (22b) which tilt to a nail shaft axis (26) and / or run parallel to it.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the grooves (22a) and / or elevations (22b) have a start (28a) and end section (28b).

Procedure according to Claim 9 or 10 , characterized in that the tilting of the grooves (22a) and / or elevations (22b) to the nail shaft axis (26) increases in the direction of the nail tip (25).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sequence of grooves (22a) and / or elevations (22b) towards the nail tip (25) is implemented at increasingly smaller distances between the grooves (22a) and / or elevations (22b).

Procedure according to Claim 9 , 11 or 12 , characterized in that the sequence of grooves (22a) and / or elevations (22b) forms a thread (27).

Component arrangement of at least 2 components (11, 12) which are connected by a nail (20), which by a method according to one of the Claims 1 to 13 has been driven in.