DE102022132885A1

DE102022132885A1 - Zweistufiges Fügeverfahren, Fügeverbindung mit einem Stapel aus Bauteilen und Fügevorrichtung dafür

Info

Publication number: DE102022132885A1
Application number: DE102022132885.6A
Authority: DE
Inventors: Adnan Kolac; Philip Hoppe; Andre Kleinemeier; Ralf Adenstedt
Original assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Current assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Priority date: 2022-12-09
Filing date: 2022-12-09
Publication date: 2024-06-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein zweistufiges Fügeverfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung in einem Stapel S aus mindestens einem ersten B1 und einem letzten übereinander angeordneten und nicht vorgelochten Bauteil B2 betrachtet in Fügerichtung RFmit Hilfe eines nagelförmigen Fügelements 10, welches einen Kopf 12 mit einem Antriebsmerkmal 18 zur Übertragung eines Drehmoments 10 auf das Fügeelement und einen sich vom Kopf 12 erstreckenden zylindrischen Schaft 20 aufweist, der kopfabgewandt in einer Spitze 22 ausläuft und beginnend benachbart zum Kopf 12 einen sich axial erstreckenden Gewindebereich 24 umfasst, wobei das zweistufige Fügeverfahren die folgenden Schritte aufweist: Eintreiben des Fügeelements 10 in Fügerichtung RFin den Stapel S aus Bauteilen B1, B2 mit nur einem drehmomentfreien Kraftstoß auf das Fügeelement 10, so dass der Schaft 20 mit einem Bereich maximalen Durchmessers dnzumindest innerhalb des letzten Bauteils B2 und ein kopfabgewandtes Ende des axialen Gewindeabschnitts 24 zumindest innerhalb des Stapels S von Bauteilen B1, B2 angeordnet ist, und Einschrauben des Schafts 20 des Fügelements 10 in den Stapel S aus Bauteilen B1, B2 durch Übertragen eines Drehmoments T über das Antriebsmerkmal 18 des Kopfes 12 auf das Fügeelement 10, bis der Kopf 12 des Fügeelements 10 an dem ersten Bauteil B1 anliegt.

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein zweistufiges Fügeverfahren eines nagelförmigen Fügeelements in einem Stapel aus mindestens zwei übereinander angeordneten Bauteilen, eine Fügeverbindung aus dem Fügeelement und den Bauteilen sowie eine Fügevorrichtung zum Herstellen der Fügeverbindung.
2. Hintergrund der Erfindung
DE 44 45 812 C2 beschreibt eine Nagelschraube, die einen Lochformabschnitt umfasst, der eine kegelige Nagelspitze mit einem unmittelbar oder mittelbar axial anschließenden unteren Zylinderschaft aufweist. Zudem ist ein axial an den unteren Zylinderschaft des Lochformabschnitts anschließender Gewindeformabschnitt vorgesehen, der ein selbstformendes bzw. selbstschneidendes Gewinde aufweist, dessen Kerndurchmesser dem Außendurchmesser des unteren Zylinderschaftes entspricht. An den Gewindeformabschnitt schließt sich axial ein oberer Zylinderschaft und ein Schraubenkopf an.
Zudem ist ein Verfahren zum Setzen der Nagelschraube beschrieben. Dabei wird durch bohrhammerartig erzeugte ständige Schlagbewegungen die Nagelspitze in ein Bauteil eingeschlagen, wobei durch den am Lochformabschnitt angeordneten unteren Zylinderschaft ein Loch im Bauteil geformt wird. Ist durch die mittels der Schlagbewegungen hervorgerufene Schlageinwirkung auf die Nagelschraube diese so weit in das Bauteil eingeschlagen, dass der Beginn des Gewindeformabschnitts der Oberseite des Fügepartners zugeordnet ist, wird die Nagelschraube mit einer Drehbewegung beaufschlagt, wobei beim anschließenden Gewindeform- oder -schneidvorgang die Schlageinwirkung in ihrer Stärke vermindert oder ganz ausgeschaltet wird. Mit der Nagelschraube werden vorgelochte Anbauteile befestigt. Die Herstellung einer Fügeverbindung mit mehreren übereinanderliegenden nicht vorgelochten Fügepartnern ist nicht vorgesehen, da diese entweder beim Verbinden im Gewindeformabschnitt nicht spaltfrei übereinanderliegen oder beim Eindrehen mit einem oberen Zylinderschaft mit einem Durchmesser entsprechend dem Gewindedurchmesser die geformten Gewinde zerstört werden würden.
DE 39 09 725 C1 offenbart eine Schraube mit einem Lochformabschnitt mit axial daran anschließendem Gewindeformabschnitt. Direkt anschließend an den Gewindeformabschnitt ist der Schraubenkopf angeordnet. An dem dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Ende der Nagelschraube ist am Lochformteil eine ballige Reibfläche ausgebildet, an die sich ein gewindefreies Zylinderteil axial anschließt. Zum Anbringen der Schraube an einen Fügepartner wird die Schraube in eine Drehbewegung versetzt und zugleich in Richtung Fügepartner mit Druck axial beaufschlagt. Aufgrund des Druckes der balligen Reibfläche auf den Fügepartner und der Drehbewegung wird die Ausbildung eines Loches im Fügepartner erreicht. Ist die Schraube so weit in den Fügepartner eingedreht, dass der Gewindeformabschnitt diesen erreicht, wird im Fügepartner ein Gewinde ausgebildet.
GB 2305703 A ist eine Fügeverbindung mit einer als Nagelschraube ausgebildeten Holzschraube bekannt, bei der die Nagelschraube einen Lochformabschnitt mit einer kegeligen Nagelspitze aufweist, an die sich ein spitzenseitiger Zylinderschaft anschließt. An den spitzenseitigen Zylinderschaft schließt sich ein Gewindeabschnitt an, der ein selbstformendes bzw. selbstschneidendes Gewinde umfasst, dessen Kerndurchmesser dem Durchmesser des spitzenseitigen Zylinderschafts entspricht. Weiter schließt sich an den Gewindeabschnitt zu einem Schraubenkopf hin ein gewindefreier, kopfseitiger Zylinderschaft an, dessen Durchmesser kleiner als der Außendurchmesser des Gewindes ist. Hierbei handelt es sich um einen üblichen Aufbau einer Holzschraube.
DE 10 258 238 B4 beschreibt eine Fügeverbindung mit wenigstens zwei übereinanderliegenden Fügepartnern und mit wenigstens einer Nagelschraube. Die Nagelschraube weist einen Lochformabschnitt mit einer kegeligen Nagelspitze auf, an die sich ein spitzenseitiger Zylinderschaft anschließt. Auf dem Zylinderschaft ist ein Gewindeabschnitt angeordnet, der ein selbstformendes bzw. selbstschneidendes Gewinde aufweist, dessen Kerndurchmesser dem Durchmesser des spitzenseitigen Zylinderschaftes entspricht. Zwischen Schraubenkopf und Gewindeabschnitt befindet sich ein gewindefreier Zylinderschaft, dessen Durchmesser kleiner als der Außendurchmesser des Gewindes ist. Die axiale Länge des kopfseitigen Zylinderschafts entspricht der Materialstärke des wenigstens einen zum Schraubenkopf hin liegenden Fügepartners, wobei die Fügepartner aus einem Metallmaterial und/oder einem Kunststoffmaterial ausgebildet sind. Zur Herstellung der Fügeverbindung wird die Nagelschraube von der Kopfseite her mit einem einzigen Schlag in die Fügepartner eingeschlagen dergestalt, dass der Beginn des Gewindeabschnitts an der der Kopfseite zugewandten Oberseite des Fügepartners liegt und dass der Lochformabschnitt in seiner axialen Länge so dimensioniert ist, dass wenigstens die Nagelspitze durch alle Fügepartner durchgeschlagen ist. Danach wird die Nagelschraube mittels einer Schraubvorrichtung unter Ausbildung der Gewinde in die Fügepartner eingeschraubt, bis die Unterseite des Schraubenkopfes am kopfseitigen Fügepartner für eine spaltfreie Verklemmung der Fügepartner im Bereich der Schraubstelle anliegt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein im Vergleich zum Stand der Technik alternatives, vorzugsweise verbessertes Fügeverfahren zum Verbinden von Bauteilen, eine entsprechende Fügeverbindung und eine Fügevorrichtung bereitstellen.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein zweistufiges Fügeverfahren gemäß Patentanspruch 1, durch eine Fügeverbindung gemäß Patentanspruch 8 sowie durch eine Fügevorrichtung gemäß Patentanspruch 9. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen vorliegender Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den anhängenden Patentansprüchen.
Mit dem erfindungsgemäßen zweistufigen Fügeverfahren wird eine Fügeverbindung in einem Stapel aus mindestens einem ersten und einem letzten übereinander angeordneten und nicht vorgelochten Bauteil betrachtet in Fügerichtung mit Hilfe eines nagelförmigen Fügelements hergestellt. Das Fügeelement weist einen Kopf mit einem Antriebsmerkmal zur Übertragung eines Drehmoments auf das Fügeelement und einen sich vom Kopf erstreckenden zylindrischen Schaft auf, der kopfabgewandt in einer Spitze ausläuft und beginnend benachbart zum Kopf einen sich axial erstreckenden Gewindebereich umfasst. Das zweistufige Fügeverfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Eintreiben des Fügeelements in Fügerichtung in den Stapel aus Bauteilen mit nur einem drehmomentfreien Kraftstoß auf das Fügeelement, so dass der Schaft mit einem Bereich maximalen Durchmessers zumindest innerhalb des letzten Bauteils und ein kopfabgewandtes Ende des axialen Gewindeabschnitts zumindest innerhalb des Stapels von Bauteilen angeordnet ist, und b) Einschrauben des Schafts des Fügelements in den Stapel aus Bauteilen durch Übertragen eines Drehmoments über das Antriebsmerkmal des Kopfes auf das Fügeelement, bis der Kopf des Fügeelements an dem ersten Bauteil anliegt.
Das erfindungsgemäße Fügeverfahren nutzt ein nagelförmiges Fügeelement mit einem Kopf und einem sich davon erstreckenden zylindrischen Schaft. Der zylindrische Schaft zeichnet sich neben einer das Durchdringen von Bauteilen unterstützenden Spitze durch einen Gewindebereich aus, der sich in axialer Richtung über einen Teil der Länge des Schafts erstreckt. Der axiale Gewindebereich unterstreicht, dass das erfindungsgemäße Fügeverfahren zweistufig durchgeführt wird. In einer ersten Stufe wird das nagelförmige Fügeelement in einen Stapel aus mindestens zwei Bauteilen eingeschlagen, ohne dass es zu einer Auflage des Kopfes auf dem kopfzugewandten Bauteil des Bauteilstapels kommt. Dadurch wird vermieden, dass das Auftreffen des Kopfes auf dem kopfzugewandten Bauteil eine unangenehme Geräuschbelastung hervorruft.
An das Fügen, welches mit nur einem weitestgehend drehungsfreien Schlag durchgeführt wird, schließt sich ein Drehen des Fügeelements an, um das nagelförmige Fügeelement über seinen axialen Gewindebereich am Schaft des Fügeelements in den Stapel aus Bauteilen einzuschrauben. Das Einschrauben ist mit einer bevorzugten Kopfauflage auf dem kopfzugewandten Bauteil beendet.
Um eine nachteilige Bauteilverformung während des Fügeverfahrens zu minimieren, erfolgt das impulsartige Fügen, also das Einschlagen des nagelförmigen Fügeelements in die miteinander zu verbindenden Bauteile so weit, dass ein axialer Schaftbereich des nagelförmigen Fügeelements mit maximalem Außendurchmesser des Schafts zumindest innerhalb des in Fügerichtung betrachtet letzten Bauteils angeordnet ist. Damit sorgt der das Fügeelement eintreibende Kraftstoß dafür, dass der Schaft des nagelförmigen Fügeelements bereits in der ersten Stufe des Fügeverfahrens im Erzeugen der Aufnahmeöffnung des Schafts innerhalb der miteinander zu verbindenden Bauteile den größten Teil der radialen elastischen und plastischen Verformungsarbeit leistet.
Denn der nur eine drehungsfreie Kraftstoß sorgt ebenfalls dafür, dass das kopfabgewandte Ende des axialen Gewindeabschnitts zumindest innerhalb des Stapels von Bauteilen, vorzugsweise innerhalb des letzten Bauteils, angeordnet ist. Auf diese Weise leistet der in der ersten Stufe des Fügeverfahrens stattfindende Schlag dafür, dass nur noch ein geringfügiger Anteil an Verformungsarbeit bzw. plastischer Verdrängungsarbeit während des Einschraubens des nagelförmigen Fügeelements in die Bauteile stattfinden muss.
Durch die erfindungsgemäße bevorzugte Abstimmung des ersten und des zweiten Schritts des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens wird die erforderliche Kraft des Stempels in Fügerichtung während des Einschraubens des Fügeelements reduziert, da sich das Einschrauben im Wesentlichen auf das Furchen und/oder Schneiden des Gewindes, nicht aber auf das radiale Verdrängen von Bauteilmaterial während der Locherzeugung erstreckt. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der reduzierten Fügekraft des sich drehenden Stempels während des zweiten Schritts des Fügeverfahrens eine Bauteilbelastung verringert wird, die beispielsweise eine geringere Durchbiegung bzw. Verformung von Bauteilen in Fügerichtung im Vergleich zu bekannten Verfahren zur Folge hat.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Fügeverfahrens ist das kopfabgewandte Ende des axialen Gewindeabschnitts innerhalb des letzten Bauteils oder benachbart zu einer kopfabgewandten Seite des letzten Bauteils angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Fügeverfahrens wird das nagelförmige Fügeelement so weit in den Stapel aus Bauteilen durch den nur einen Schlag gefügt, dass der axiale Gewindeabschnitt innerhalb des letzten Bauteils des Stapels oder bereits in Fügerichtung nach dem letzten Bauteil des Bauteilstapels endet. Diese bevorzugte Anpassung des ersten Teils des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens hat zur Folge, dass die während des Fügeverfahrens erzeugte Öffnung in die miteinander zu verbindenden Bauteile bereits maximal auf einen Nenndurchmesser des axialen Gewindeabschnitts aufgeweitet worden ist. Dies hat zur Folge, dass im zweiten Teil des Fügeverfahrens für den in die Bauteile bereits eingedrungenen Teil des axialen Gewindebereichs nur noch Umformarbeit beschränkt auf das Schneiden und/oder Furchen eines Gewindes in den Bauteilen beschränkt ist. Da ein Schneiden und/oder Furchen eines Gewindes durch eine Übertragung eines entsprechenden Drehmoments auf das Fügeelement erzeugt wird und sich während dieses Vorgangs das Fügeelement nahezu selbstständig in die miteinander zu verbindenden Bauteile einzieht, ist eine durchbiegungsrelevante Höhe der Fügekraft nahezu ausgeschlossen, wodurch eine Bauteilverformung bevorzugt vermieden wird.
Weiter bevorzugt wird mit dem drehmomentfreien Kraftstoß eines Stempels eines Setzgeräts das Fügeelement auf eine Geschwindigkeit v im Bereich von 0,8 m/s≤v≤4 m/s beschleunigt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das nagelförmige Fügeelement mit einer Geschwindigkeit aus dem Bereich von 0,8 m/s≤v≤4 m/s während des ersten Schritts des Fügeverfahrens in die Bauteile zu fügen. Denn eine ausreichend hohe Fügegeschwindigkeit, die beispielsweise durch einen mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder mit Hilfe eines durch eine Zündladung bewegten Stempels auf das Fügeelement übertragen wird, sorgt für ein entsprechend tiefes Eindringen des axialen Gewindeabschnitts in den Stapel aus Bauteilen, ohne dass nach Stillstand des Fügeelements der Kopf auf dem kopfzugewandten Bauteil aufliegt. Je nach Material der miteinander zu verbindenden Bauteile innerhalb des Stapels aus Bauteilen kann die Setzgeschwindigkeit innerhalb des angegebenen Bereichs variieren. So ist beispielsweise für Bauteile aus Metall, gehärtetem Stahl, Aluminium oder Magnesium die Setzgeschwindigkeit höher als im Vergleich zum Setzen des Fügeelements in einem Bauteilstapel mit Kunststoffbauteilen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Fügeverfahren liegt der Kopf des Fügeelements nach dem Eintreiben des Fügeelements mit dem drehmomentfreien Kraftstoß nicht auf dem ersten Bauteil auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Fügeverfahrens ist ein weiterer Schritt: Beenden des Einschraubens des Fügeelements bei Erreichen eines Grenzdrehmoments T von maximal 10 Nm, vorzugsweise 1 Nm und weiter bevorzugt 0,1 Nm, und Aufliegen des Kopfes auf dem ersten Bauteil.
Es hat sich als vorteilhaft zum Erzielen geringer Taktzeiten für das gesamte Fügeverfahren erwiesen, als Abschaltkriterium für das abschließende Einschrauben des Fügeelements das Erreichen eines Grenzdrehmoments oder das Aufliegen des Kopfes auf dem ersten Bauteil zu wählen. Es ist ebenfalls bevorzugt, diese beiden Kriterien miteinander zu kombinieren. Das bedeutet, dass zwar ein Grenzdrehmoment erreicht werden kann, dieses zur Abschaltung aber erst genutzt werden darf, wenn eine verlässliche Kopfauflage des Fügeelements auf dem kopfzugewandten Bauteil erkannt worden ist.
Ebenfalls bevorzugt wird das Einschrauben des Fügeelements bei Erreichen eines definierten Zustellwegs zu einer Fügestelle beendet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens wird ein Zustellweg oder auch Fügeweg des Fügeelements erfasst und bei Erreichen eines vordefinierten Grenzwerts das Fügeverfahren abgeschaltet. Vorzugsweise ist der definierte Zustellweg oder Fügeweg an eine Höhe des Stapels von Bauteilen angepasst, um ein ausreichend tiefes Fügen des Fügeelements innerhalb des Bauteilstapels sicherzustellen.
Das Fügeverfahren umfasst in einer weiter bevorzugten Ausführungsform ein Furchen und/oder Schneiden eines Gewindes in dem Stapel aus Bauteilen während des Einschraubens des Fügeelements.
Vorliegende Erfindung umfasst zudem eine Fügeverbindung in einem Stapel aus mindestens einem ersten und einem letzten übereinander angeordneten und nicht vorgelochten Bauteil betrachtet in Fügerichtung mit Hilfe eines nagelförmigen Fügelements, welches einen Kopf mit einem Antriebsmerkmal zur Übertragung eines Drehmoments auf das Fügeelement und einen sich vom Kopf erstreckenden zylindrischen Schaft aufweist, der kopfabgewandt in einer Spitze ausläuft und beginnend benachbart zum Kopf einen sich axial erstreckenden Gewindebereich umfasst, wobei das Fügeelement nach einem Eintreiben in Fügerichtung in den Stapel aus Bauteilen mit nur einem Kraftstoß bis zu einem Schaftbereich maximalen Durchmessers zumindest innerhalb des letzten Bauteils und einer Anordnung eines kopfabgewandten Endes des axialen Gewindeabschnitts zumindest innerhalb des Stapels von Bauteilen bis zu einer Auflage des Kopfes des Fügeelements auf dem ersten Bauteil in den Stapel aus Bauteilen eingeschraubt worden ist.
Die erfindungsgemäße Fügeverbindung besteht aus einem Stapel von Bauteilen, die mit Hilfe des nagelförmigen Fügeelements miteinander verbunden sind. Diese Verbindung wird durch das obige Fügeverfahren mit den Schritten Fügen und Einschrauben erzielt. Die hergestellte Fügeverbindung zeichnet sich durch eine bevorzugte reduzierte Durchbiegung der Bauteile während des Fügevorgangs aus, da die plastische Verformungsarbeit im Wesentlichen im ersten Schritt des Fügeverfahrens während des Setzens des Fügeelements in den Stapel aus Bauteilen geleistet wird. Somit wird das Fügeelement final in den Stapel aus Bauteilen eingeschraubt, wenn bereits durch das vorausgegangene Setzverfahren, welches bevorzugt impulsartig ausgeführt wird, der Schaftbereich mit maximalem Durchmesser und/oder das kopfabgewandte Ende des axialen Gewindebereichs innerhalb des letzten Bauteils des Bauteilstapels angeordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich eine Fügeverbindung, die bevorzugt eine reduzierte Bauteilverformung und einen geringeren Energieverbrauch im Vergleich zu bekannten Verfahren zur Folge hat.
Vorliegende Erfindung umfasst zudem eine Fügevorrichtung, mit der ein nagelförmiges Fügeelement in einen Stapel aus mindestens zwei nicht vorgelochten Bauteilen zweistufig durch Einschlagen und Einschrauben fügbar ist, insbesondere mit dem oben beschriebenen Fügeverfahren gemäß einer der verschiedenen Ausgestaltungen, wobei die Fügevorrichtung einen Stempel mit einem Antriebsvorsprung aufweist, mit dem ein Fügeelement in einer ersten Fügestufe translatorisch und drehmomentfrei auf eine Geschwindigkeit v in einem Bereich von 0,8 m/s≤v≤8 m/s beschleunigbar und in einer sich daran anschließenden zweiten Fügestufe über ein Drehen des Stempels und den Antriebsvorsprung in den Stapel von Bauteilen einschraubbar ist, wobei mit einer Steuerungseinheit zumindest ein Drehmoment des Stempels erfassbar ist.
4. Kurzzusammenfassung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen dabei gleiche Bauteile und/oder Elemente. Es zeigen:

1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines bevorzugten Stapels von Bauteilen mit einem durch nur einen Schlag gefügten nagelförmigen Fügeelement,
2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des zweistufigen Fügeverfahrens des nagelförmigen Fügeelements in den Stapel aus Bauteilen in verschiedenen Verfahrensabschnitten,
3 eine bevorzugte Darstellung eines Zustellwegs s des Fügelements, einer Geschwindigkeit v des Fügeelements und eines Drehmoments T aufgebracht auf das Fügeelement in Abhängigkeit von der Zeit t während des zweistufigen Fügeverfahrens und
4 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des zweistufigen Fügeverfahrens.

5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Mehrzahl von Bauteilen B 1, B2, die übereinander zu einem Stapel S aus Bauteilen B 1, B2 angeordnet sind. Die Bauteile B 1, B2 sind nicht vorgelocht. Zudem bestehen die Bauteile B 1, B2 aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien, wie Metall, Kunststoff, Legierungen oder Verbundmaterialien.
Um die Bauteile B 1, B2 miteinander zu verbinden, wird mithilfe eines zweistufigen Fügeverfahrens ein nagelförmiges Fügeelement 10 in die Bauteile B 1, B2 eingetrieben. Das zweistufige Fügeverfahren wird in seinen bevorzugten Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf 2 unten erläutert.
Das Fügeelement 10 weist einen Kopf 12 und einen sich von einer Unterseite 14 des Kopfes 12 erstreckenden Schaft 20 auf. An einer Oberseite 16 des Kopfes 12, die der Unterseite 14 gegenüberliegend angeordnet ist, ist ein Antriebsmittel 18 vorgesehen. Das Antriebsmittel 18 besteht bevorzugt aus einer Eingriffsöffnung. Die Eingriffsöffnung ist vorzugsweise in ihrer Form an ein eingreifendes Werkzeug, vorzugsweise ein Antriebsvorsprung 72 eines Stempels 70 einer Fügevorrichtung angepasst, um ein Drehmoment des Werkzeugs auf das Fügeelement 10 zu übertragen. Ein bevorzugtes Antriebsmittel ist eine Schlitz-, Kreuz- oder Torx-Öffnung, die im Stand der Technik bekannt sind.
Da das Fügeelement 10 bevorzugt mit einem drehbaren Stempel 70 gesetzt wird, weist dieser vorzugsweise den Antriebsvorsprung 72 auf. Der Antriebsvorsprung 72 greift in das Antriebsmittel 18 ein, sodass durch eine entstandene formschlüssige Verbindung zwischen dem Antriebsmittel 18 und dem Antriebsvorsprung 72 ein Drehmoment des Stempels 70 auf das Fügeelement 10 übertragbar ist.
Der Schaft 20 hat im Wesentlichen eine zylindrische Form und läuft in kopfabgewandter Richtung in einer Spitze 22 aus. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung ist die Spitze 22 ogival geformt, um das Fügen in die mindestens zwei Bauteile B1, B2 zu unterstützen.
Der bevorzugt zylindrische Schaft 20 weist in einem axialen Bereich ein Gewinde 24 auf. Innerhalb des axialen Bereichs des Gewindes 24 hat der zylindrische Schaft 20 einen Durchmesser d_k, der einem Kerndurchmesser des Gewindes 24 entspricht. Das Gewinde 24 zeichnet sich ebenfalls bevorzugt durch einen Nenndurchmesser d_n aus, wie in 1 gezeigt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Fügeelements 10 schließt sich an die Unterseite 14 des Kopfes 12 ein gewindeloser, zylindrischer Bereich 26 an. Der axiale Gewindebereich 24 erstreckt sich vorzugsweise ab dem gewindelosen Bereich 26 über einen Schaftbereich mit dem maximalen Durchmesser d_k. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass der axiale Gewindebereich 24 auf dem Schaftbereich mit maximalem Durchmesser d_k endet und sich der Schaft 20 noch gewindelos mit maximalem Durchmesser d_k in Richtung Spitze 22 fortsetzt.
Am Übergang in den Spitzenbereich verringert der Schaft 20 seinen Durchmesser, sodass dieser kleiner ist als der Kerndurchmesser d_k.
Das zweistufige Fügeverfahren wird unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert. Zunächst wird in einem ersten Schritt S1 das Fügeelement 10 durch ein Setzgerät, bevorzugt durch den Stempel 70 des Setzgeräts, auf eine Setzgeschwindigkeit v beschleunigt. Da das Fügeelement 10 mit nur einem Schlag in die mindestens zwei Bauteile B 1, B2 eingetrieben wird, liegt die Geschwindigkeit in einem Bereich von 0,8 m/s ≤ v ≤ 4 m/s. Zum Erreichen der bevorzugten Geschwindigkeit v des Fügeelements 10 erzeugt der Stempel 70 einen drehmomentfreien Kraftstoß am Fügeelement 10, sodass das Fügeelement 10 ohne Kopfauflage auf dem kopfzugewandten Bauteil B 1 in dem Stapel S aus Bauteilen B1, B2 zum Stehen kommt (siehe Sequenz S2).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung wird die Größe des Kraftstoßes des Stempels 70 und die daraus resultierende Geschwindigkeit v des Fügeelements 10 derart eingestellt, dass der Schaft 20 mit dem zylindrischen Bereich maximalen Durchmessers d_k zumindest innerhalb des letzten Bauteils B2 des Stapels S betrachtet in Fügerichtung R_F zum Stehen kommt. Das letzte Bauteil B2 des Stapels S ist der Spitze 22 des Fügeelements 10 zugewandt.
Zudem wird bevorzugt die Geschwindigkeit v des Fügeelements 10 derart eingestellt, dass das kopfabgewandte Ende des axialen Gewindeabschnitts 24 zumindest innerhalb des Stapels S von Bauteilen B1, B2 angeordnet ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform in der Sequenz S2 von 2 hat der Gewindebereich 24 das erste Bauteil B1 des Stapels S durchdrungen. Das der Spitze 22 zugewandte Ende des axialen Gewindeabschnitts 24 ist innerhalb des letzten Bauteils B2 des Stapels S angeordnet, bevorzugt benachbart zur spitzenzugewandten Seite des letzten Bauteils B2.
Innerhalb des axialen Gewindeabschnitts 24 bildet der Nenndurchmesser d_n den maximalen Durchmesser des Schafts 20. Da der Gewindeabschnitt 24 in alle Bauteile B1, B2 des Stapels S gefügt worden ist, wird vorzugsweise ein Öffnungsdurchmesser d_b einer in den Bauteilen B1, B2 des Stapels S erzeugten Öffnung O auf den Nenndurchmesser d_n des Gewindeabschnitts 24 ausgeweitet.
Durch das impulsartige Eintreiben oder Einschießen oder Einschlagen des Fügeelements 10 mit nur einem drehmomentfreien Kraftstoß in den Stapel S von Bauteilen B1, B2 bis zu der oben genannten Tiefe werden bevorzugt mindestens 85 %, vorzugsweise 90% und weiter bevorzugt 95%, der radialen Verformungsarbeit des Schaft 20 beim Aufweiten der Öffnung O der Bauteile B1, B2 des Stapels S geleistet. Dabei wird vorzugsweise die Massenträgheit des Stapels S der Bauteile B1, B2 ausgenutzt, sodass trotz des Eintreibens des Fügeelements 10 die Bauteile B1, B2 vernachlässigbar gering plastisch oder nur elastisch in Fügerichtung R_F verformt werden.
Des Weiteren hat sich als Vorteil erwiesen, dass durch das oben beschriebene ausreichend tiefe Fügen des Fügeelements 20 in das letzte Bauteil B2 die im Folgenden durch Einschrauben erforderliche quasistatische Umformarbeit in den Bauteilen B1, B2 deutlich reduziert und ein Verbiegen der Bauteile B1, B2 in Fügerichtung R_F vermieden wird.
Im nachfolgenden Schritt S3 wird bevorzugt mit dem drehbar angeordneten Stempel 70 über den Antriebsvorsprung 72 ein Drehmoment auf das Fügeelement 10 übertragen. Dadurch wird das Fügeelement 10 in den Stapel S aus Bauteilen B1, B2 eingeschraubt.
Das Einschrauben des Fügeelements 10 in den Stapel S aus Bauteilen B1, B2 wird beendet, wenn der Kopf 12 auf dem kopfzugewandten Bauteil B1 aufliegt.
Zum bevorzugten Beenden des Einschraubens und somit des gesamten Fügeverfahrens wird ebenfalls ein Erreichen eines Grenzdrehmoments T von maximal 10 Nm, vorzugsweise 1 Nm und weiter bevorzugt von 0,1 Nm in Kombination mit einem Aufliegen des Kopfes 12 auf dem kopfzugewandten Bauteil B 1 des Stapels S genutzt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Fügeverfahrens wird das Einschrauben beendet, wenn das Fügeelement 10 einen vordefinierten Zustellweg in Fügerichtung R_F zurückgelegt hat.
Vorzugsweise ist in dem axialen Gewindeabschnitt 24 des Fügeelements 10 ein Furchen und/oder Schneiden des Gewindes vorgesehen. Somit wird während des Einschraubens des Fügeelements 10 in die Bauteil B 1, B2 des Stapels S ein Mutterngewinde in den Öffnungen O der Bauteile B1, B2 des Stapels S erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung weist das Gewinde eine Sägezahnkontur auf.
Ebenfalls bevorzugt liegt das Verhältnis von Nenndurchmesser d_n zu Kerndurchmesser d_k des axialen Gewindeabschnitts 24 des Fügeelements 10 im Bereich 1,03 ≤ d_n/d_k ≤ 1,05.
In dem Diagramm von 3 wird das bevorzugte Fügeverfahren anhand der Größen Geschwindigkeit v des Fügeelements 10, Zustellwegs des Fügeelements 10 sowie des auf das Fügeelement 10 aufgebrachten Drehmoments T erläutert. Zu Beginn des Fügeverfahrens wird im Schritt S 1 das Fügeelement 10 auf eine maximale Fügegeschwindigkeit v_max beschleunigt. Während des Eindringens des Fügeelements 10 in die Bauteile B1, B2 des Stapels S verringert sich die Geschwindigkeit v bis auf Null, was durch die gepunktete Kurve ausgedrückt wird. Gleichzeitig steigt der Zustellweg s auf ein Plateau (gestrichelte Kurve), was dem Eindringen des Fügeelements 10 in den Stapel S der Bauteile B 1, B2 ohne Kopfauflage entspricht.
Im Punkt C beginnt das Einschrauben des Fügeelements 10. Dabei steigt das Drehmoment T an, um zunächst eine Haftreibung zwischen dem Fügeelement 10 und den Bauteil B 1, B2 zu überwinden.
Da das Fügeelement 10 während des Einschraubens weiter zum kopfzugewandten Bauteil B1 zugestellt wird, steigt die Geschwindigkeit v des Fügeelements 10 in Fügerichtung R_F kurzzeitig an (gepunktete Linie).
Mit Erreichen eines vordefinierten Grenzdrehmoments T_max ist das Einschrauben beendet und der Kopf 12 liegt auf dem kopfzugewandten Bauteil B 1 auf.
6. Bezugszeichenliste

B1, B2: Bauteile
S: Stapel von Bauteilen
10: Fügeelement
12: Kopf
14: Unterseite des Kopfes
16: Oberseite des Kopfes
18: Antriebsmittel des Kopfes
20: Schaft
22: Spitze des Schafts
24: Gewindeabschnitt
70: Stempel
72: Antriebsvorsprung
dk: Kerndurchmesser
dn: Nenndurchmesser
RF: Fügerichtung
O: Öffnung im Bauteil B1, B2
db: Öffnungsdurchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4445812 C2 [0002]
DE 3909725 C1 [0004]
GB 2305703 A [0005]
DE 10258238 B4 [0006]

Claims

Ein zweistufiges Fügeverfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung in einem Stapel (S) aus mindestens einem ersten (B1) und einem letzten übereinander angeordneten und nicht vorgelochten Bauteil (B2) betrachtet in Fügerichtung (R_F) mit Hilfe eines nagelförmigen Fügelements (10), welches einen Kopf (12) mit einem Antriebsmerkmal (18) zur Übertragung eines Drehmoments auf das Fügeelement und einen sich vom Kopf (12) erstreckenden zylindrischen Schaft (20) aufweist, der kopfabgewandt in einer Spitze (22) ausläuft und beginnend benachbart zum Kopf (12) einen sich axial erstreckenden Gewindebereich (24) umfasst, wobei das zweistufige Fügeverfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Eintreiben des Fügeelements (1) in Fügerichtung (R_F) in den Stapel (S) aus Bauteilen (B1, B2) mit nur einem drehmomentfreien Kraftstoß auf das Fügeelement (10), so dass i. der Schaft (20) mit einem Bereich maximalen Durchmessers (d_n) zumindest innerhalb des letzten Bauteils (B2) und ii. ein kopfabgewandtes Ende des axialen Gewindeabschnitts (24) zumindest innerhalb des Stapels (S) von Bauteilen (B1, B2) angeordnet ist, und b) Einschrauben des Schafts (20) des Fügelements (10) in den Stapel (S) aus Bauteilen (B1, B2) durch Übertragen eines Drehmoments (T) über das Antriebsmerkmal (18) des Kopfes (12) auf das Fügeelement (10), bis der Kopf (12) des Fügeelements (10) an dem ersten Bauteil (B1) anliegt.
Das Fügeverfahren gemäß Patentanspruch 1, wobei das kopfabgewandte Ende des axialen Gewindeabschnitts (24) innerhalb des letzten Bauteils (B2) oder benachbart zu einer kopfabgewandten Seite des letzten Bauteils (B2) angeordnet ist.
Das Fügeverfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, in dem der drehmomentfreie Kraftstoß das Fügeelement (10) auf eine Geschwindigkeit v im Bereich von 0,8 m/s≤v≤4 m/s beschleunigt.
Das Fügeverfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, in dem der Kopf (12) des Fügeelements (10) nach dem Eintreiben des Fügeelements (10) mit dem drehmomentfreien Kraftstoß nicht auf dem ersten Bauteil (B 1) aufliegt.
Das Fügeverfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit dem weiteren Schritt: Beenden des Einschraubens des Fügeelements (10) bei Erreichen eines Grenzdrehmoments T von maximal 10 Nm, vorzugsweise 1 Nm und weiter bevorzugt 0,1 Nm, und Aufliegen des Kopfes (12) auf dem ersten Bauteil (B1).
Das Fügeverfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 4, mit dem weiteren Schritt: Beenden des Einschraubens des Fügeelements (10) bei Erreichen eines definierten Zustellwegs zu einer Fügestelle.
Das Fügeverfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit dem weiteren Schritt: Furchen und/oder Schneiden eines Gewindes in dem Stapel (S) aus Bauteilen (B1, B2) während des Einschraubens des Fügeelements (10).
Eine Fügeverbindung in einem Stapel (S) aus mindestens einem ersten (B1) und einem letzten übereinander angeordneten und nicht vorgelochten Bauteil (B2) betrachtet in Fügerichtung (R_F) mit Hilfe eines nagelförmigen Fügelements (10), welches einen Kopf (12) mit einem Antriebsmerkmal (18) zur Übertragung eines Drehmoments auf das Fügeelement (10) und einen sich vom Kopf (12) erstreckenden zylindrischen Schaft (20) aufweist, der kopfabgewandt in einer Spitze (22) ausläuft und beginnend benachbart zum Kopf (12) einen sich axial erstreckenden Gewindebereich (24) umfasst, wobei das Fügeelement (10) nach einem Eintreiben in Fügerichtung (R_F) in den Stapel (S) aus Bauteilen (B1, B2) mit nur einem Kraftstoß bis zu einem Schaftbereich maximalen Durchmessers zumindest innerhalb des letzten Bauteils (B2) und einer Anordnung eines kopfabgewandten Endes des axialen Gewindeabschnitts (24) zumindest innerhalb des Stapels (S) von Bauteilen (B1, B2) bis zu einer Auflage des Kopfes (12) des Fügeelements (10) auf dem ersten Bauteil (B1) in den Stapel (S) aus Bauteilen (B1, B2) eingeschraubt worden ist.
Eine Fügevorrichtung, mit der ein nagelförmiges Fügeelement (10) in einen Stapel (S) aus mindestens zwei nicht vorgelochten Bauteilen (B1, B2) zweistufig durch Einschlagen und Einschrauben fügbar ist, insbesondere mit dem Fügeverfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei die Fügevorrichtung einen Stempel (70) mit einem Antriebsvorsprung (72) aufweist, mit dem ein Fügeelement (10) in einer ersten Fügestufe translatorisch und drehmomentfrei auf eine Geschwindigkeit v in einem Bereich von 0,8 m/s≤v≤8 m/s beschleunigbar und in einer sich daran anschließenden zweiten Fügestufe über ein Drehen des Stempels (70) und den Antriebsvorsprung (72) in den Stapel (S) von Bauteilen (B1, B2) einschraubbar ist, wobei mit einer Steuerungseinheit zumindest ein Drehmoment (T) des Stempels (70) erfassbar ist.