DE1912996A1

DE1912996A1 - Presssitzverbindung von Bauteilen

Info

Publication number: DE1912996A1
Application number: DE19691912996
Authority: DE
Inventors: Harvill Leonard Allen; Duncan William Evans
Original assignee: Hi Shear Corp
Current assignee: Hi Shear Corp
Priority date: 1968-03-18
Filing date: 1969-03-14
Publication date: 1969-10-09
Also published as: IL31827A; NL161078B; NL161078C; FR1599529A; IL31827A0; DE1912996C3; GB1256368A; DE1912996B2; NL6904063A

Description

PATENTANWÄLTE 1 Q 1 O Q Q R

HELMUTSCHROETER KLAUS LEHMANN DIPL.-PHYS. DIPL-ING. 8 MÜNCHEN 25 ■ LI P OWSICYSTR. 10

Hi-Shear Corporation an~hi-lj5

Ho März 1969 U/s

Pressitzverbindung von Bauteilen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Pressitzverbindung von Bauteilen mit einer zylindrischen Wand in einem Loch eines metallischen Werkstücks ₀ Ferner betrifft die Erfindung die nach diesem Verfahren hergestellte Pressitzverbindung sowie die hierbei verwendeten Verbindungselemente, wie Befestigungsstifte.

Insbesondere auf dem Gebiet der Luftfahrt„ aber nicht nur dort, wurde es immer wichtiger, in Verbindungen Befestigungselemente zu verwenden, die eine optimale Stärke der Verbindung zusammen mit der geringstmöglichen Verformung oder Unterbrechung des Werkstücks selbst sicher stellen« Gleichseitig damit wurde es immmer kritischer und wichtiger., die Verbindungen nicht nur nach den klassischen Gesichtspunkten der Zugfestigkeit, Scherfestigkeit und Tragfähigkeit auszulegen, sondern auch die Auswirkungen auf das Werkstück selbst in Folge von dessen Zusammenwirken mit dsn Befestigungselemeiiten zu berücksichtigen. Ein Grund hierfür !se die proportionale Beziehung zwischen der durch die Beanspruchung hervorgerufenen Korrosion und der ringförmigen Druckbeansprachung, die durch das Werkstück auf das Befestigungselement ausgeübt wird«, Ein weiterer Grund ist die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung oder gegen Versagen bei periodischer Beanspruchung. Eine feste Verbindung ist widerstandsfähiger gegen Ermüdung als eine verhältnismäßig lose Verbindung, und die

BAD 909841/1025

Postscheckkonto 1679 41 München · Deutsche !Sank, München Konto 70/37 369 · Telefon: (0 811) 77 89 56

Ermüdungsfestigkeit ist ein wesentlicher Faktor bei der Bestimmung der Lebensdauer auf dem Gebiet der Luftfahrt.

Beispielsweise erwartet man bei dem Plugzeug Boeing 747» daß dieses mit einem Bruttogewicht in vollbeladenem Zustand von etwa 300 t starten soll. Das Nettogewicht des Flugzeugs allein wird in der Größenordnung von l80 bis 190 t Hegen. Darauß ergibt sich, daß dieses moderne Flugzeug eine Zuladung mit einem Gewicht etwa in der Größenordnung des ftewichts des Flugzeugs selbst trans-" portleren können muß. Nicht nur dies bedingt hochbeanspruchte Verbindungen und Bauteile mit optimalen Eigenschäften, sondern es muß darüber hinaus erwartet werden, daß diese Verbindungen unzählige Male periodisch beansprucht werden. Das Flugzeug selbst wird Millionen von Dollar kosten, und seine wirtschaftliche Lebensdauer muß lang sein. Es wurde festgesetzt, daß seine Lebensdauer etwa viermal so groil sein muß wie die von Militärflugzeugen, damit dieses moderne Flugzeug überhaupt wirtschaftlich 1st.

Die Verbindungen, die unter diesen Umständen arbeiten mUssen, werden im allgemeinen sehr innig sein müssen, wobei sich sehr hohe Haltefcräfte ergeben und, was noch wichtiger ist, innige Verbindungen zwischen dem Schaft des Befestigungselements und der Wand des Loches, in das dieses Element eingefügt wird, hergestej.lt werden müssen. Ein typisches Beispiel für eine Verbindung für diesen Zweck mit engen Toleranzen ist der sogenannte Pressitz, bei dem der Durchmesser des Schafts des Befestigungselements größer ist als der Nenndurchmesser des Lochs, in dem der Schaft aufgenommen werden solle Pressitze sind nicht neu und werden häufig dort verwendet, wo eine innige Verbindung zwischen dem Werkstück und dem Schaft gewünscht wird.

909841/1025

Bel diesen Pressitzen sind einige schwierige Probleme in der Vergangenheit aufgetreten, von denen nicht die geringsten sich aus den Normen für die Ausführung und Güte ergeben» mit denen die Löcher gebohrt und mit denen die Befestigungselemente selbst hergestellt werden₀ Wenn die Pressung zu groß ist, ist es möglich, das Werkstück zu beschädigen, in das der Schaft mit Kraft hineingetrieben wird. Auch die RUckstell- Federkraft infolge der Verformung des Werkstücks ist erheblich und führt zu einer verstärkten Beanspruchung. Die unter Beanspruchung auftretende Korrosion 1st ein Problem, das sich bei allen Pressitzen ergibt und das mit der Größe der ringförmigen Druckkraft zunimmt. Saher ist es erwünscht, die auf das Befestigungselement wirkende ringförmige Druckkraft zu vermindern» aber trotzdem noch eine Innige Verbindung aufrecht zu erhalten. Ein weiteres Problem liegt in der Oberflächenbehandlung sowohl des Lochs als auch des Befestigungselements selbst. Oberflächenunregelmäßigkeiten werden Stellen, an denen Beanspruchungskonzentrationen auftreten, wobei ein Versagen durch Ermüdung, das sich durch viele hunderttausend Arbeitsspiele ergeben kann, leicht der Anfang für ein vollständiges Versagen der Verbindung sein kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen optimalen Pressitz zu schaffen, bei dem die ringförmig verteilten Druckkräfte zwischen der Wand des Werkstücks und dem Befestigungselement verringert sind, während gleichzeitig eine gute, innige Verbindung aufrecht erhalten wird, bei dem die Eigenschaften des Materials der Wand in vorteilhafter Welse modifiziert sind, bei dem das Loch in dem Werkstück in optimaler Weise ausgerundet ist und bei dem die gleiche Wand geglättet ist, um eine glatte Oberfläche zum Eingriff mit einem glatten, rein zylindrischen Schaft zu bieten=

909841/1025

Weiterhin soll durch die Erfindung eine Verbindung geschaffen werden, in der das Befestigungselement mit einem verhältnismäßig ausgefallenen Material Überzogen oder plattiert werden kann und bei der die Reibungskräfte zwischen der Wand des Lochs in dem Werkstück und dem überzugsmaterial verringert sind, wodurch das Überzugsmaterial, das unmittelbar anliegend zwischen der Wand des Werkstückes und dem Befestigungselement länge dessen Schaft verbleibt, unter optimalen Bedingungen gehalten wird.

Durch die Erfindung wird ein Befestigungsstift zur Herstellung eines Pres sit zee mit der zylindrischen Wand eines Lochs in einem Metallwerkstück geschaffen, wobei der festigungsstift während seines Einsetzens in das Loch eine vorübergehende und örtlich begrenzte Ausdehnung der Wand auf einen Durchmesser erzeugt, der größer 1st als derjenige des Schaftes des Befestigungsstiftes, mit dem der Press!tζ gebildet werden soll· Die Ausdehnung der Wand erfolgt soweit, daß das Metall, welches unmittelbar das Loch umgibt, an dem die Ortlich begrenzte Ausdehnung stattfindet, über seine Druckfließgrenze ( der Punkte an dem das Metall unter Druck nachgibt) hinaus zusammengepresst wird, worauf man wenigstens einen Teil der axialen Länge der Lochwand sich gegen ihren ursprünglichen Durchmesser rüokverformen läßt, wodurch wenigstens ein Teil des Befestigungsstifts in einem Pressitz festgehalten wird. Der Stift besitzt einen zylindrischen Schaft, einen Kopf an seinem ersten Ende und ein Befestigungsmittel an seinem anderen Ende. Das Befestigungsmittel hat eine maximale seitliche Abmessung, die nicht größer ist als .der Durchmesser des Lochs in dem Werkstück, durch welches es hindurchtreten muß, und der Schaft hat einen Durchmessen der größer ist als der genannte Durchmesser des Lochs. Ein Verformungsabschnitt ist

9098A1/1025

dem Befestigungsmittel benachbart angeordnet. Dieser Abschnitt bildet eine Rotationsfläche in dem Bereich zwischen der genannten seitlichen Abmessung des Befestigungsmittels und dem Durchmesser des Schafts. Die Tangente an die Erzeugende dieser Rotationsfläche bildet einen spitzen Winkel mit der Mittelachse. Der spitze Winkel ist gegen das Kopfende des Befestigungsstifts hin geöffnet. Der Verformungsabschnitt ist frei von Unterbrechungen oder Sprüngen.

Zwischen dem Verformungsabschnitt und dem Schaft ist an dem Befestigungselement ein Ausdehnungsabschnitt in Form eines Wulstes oder eines Randes angeordnet, der sich in Umfangsrichtung rund um das Befestigungselement erstreckt. Der Ausdehnungsabschnitt enthält einen festen ringförmigen Vorsprung, der auf einen größeren Durchmesser als der Schaft nach außen ragt. Auf diese Weise geht das Befestigungsmittel beim Eindrücken des Befestigungsstiftes in das Loch des Werkstückes unbehindert durch das Loch» Der Verformungsabschnitt vergrößert das Loch mindestens bis auf den Durchmesser des Schaftes, und der Ausdehnungsabschnitt vergrößert das Loch danach noch weiter, wobei das Material örtlich über seine Fließgrenze hinaus zusammengedrückt wird. Wenn sich der Ausdehnungsabschnitt durch den örtlich ausgedehnten Bereich hindurch bewegt hat, zieht sich das ausgedehnte Material auf den Schaft zusammen, um mit diesem einen Pressitz zu bilden., Wenigstens einige der physikalischen Eigenschaften des Metalls an der Lochwand sind dann unterschiedlich gegenüber denjenigen, die sich ergeben hätten, wenn der Pressitz mit dem Schaft ohne die erwähnte örtliche Ausdehnung hergestellt worden wäre.

Die Erfindung betrifft auch die durch das Befestigungselement mit dem Werkstück erzeugte Verbindung, sowie zu-

909841/1025

sätzliche Befestigungsmittel, die beispielsweise mit Gewinde oder mit Kopf versehen sein können, oder Zusatzeinrichtungen, die auf einer Seite an dem Werkstück anliegen» während der Kopf des Befestigungsstifts an der andern Seite des Werkstücks anliegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 1st eine Seitenansicht eines bevorzugten AusfUhrungsbeisplels der Erfindung mit einem Teil eines Befestigungselements, das gerade in ein Werkstück eindringt, bevor die erfindungsgemäße Verbindung hergestellt ist.

Pig. 2 ist eine Seitenansicht,, teilweise im Schnitt, die eine erste Stufe in der Herstellung der Verbindung gemäß Pig. I veranschaulicht.

Fig. J veranschaulicht das Ergebnis des weiteren Einführens des Befestigungselements gemäß Pig. 1 in das Werkstück.

Fig. 4 zeigt die Anordnung gemäß Pig. 1 in volleingesetztem Zustand in dem Werkstück und veranschaulicht weiterhin einige Betrachtungen in Bezug auf den Eingriffsbereich.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte AusfUhrungsform der fertigen Verbindung.

Fig. 6 und 7 sind Seitenansichten, teilweise im Schnitt, von anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung,

Fig-. 8 ist ein Spannungs- Dehnungs-Diagramm, das ein Merkmal de..-¹ Erfindung veranschaulicht.

Figo 9 ist ein schematischer* teilweiser· Querschnitt, der ebenfalls ein Merkmal der Erfindung veranschaulicht.

909841/1025

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Verbindung weist ein metallisches Werkstück 10 auf, das aus einer Vielzahl von Stücken, beispielsweise Blechen, oder aus einem Blech und. einer Klammer bestehen kann, die miteinander durch ein Befestigungselement 11 verbunden werden sollen, das einen Stift 12 aufweist. Der Stift hat eine Mittelachse 13, die mit der Achse eines Lochs 14 zusammenfallen soll, das sich durch das Werkstück hinduroh erstreckt, in welches der Stift eingesetzt werden soll. Das Loch hat einen Nenndurchmesser 15» der durch den Durchmesser des Lochs in dessen entlastetem und nicht verformtem Zustand gebildet ist. Es sind noch weitere Durchmesser dargestellt, die weiter unten beschrieben werden.

Der Befestigungsstift 12 hat einen kreisförmigen, zylindrischen Schaft 16, der manchmal als gerader Schaft beschrieben wird und der einen reinen Zylinder um die Mittelachse 13 darstellt. An einem Ende des Schaftes befindet sich ein Kopf 17* der als typischer Senickopf dargestellt ist und dazu bestimmt 1st, in eine Senkbohrung in dem Werkstück hineinzupassen. Es können jedoch auch andere Kopfarten verwendet werden, wie flache Köpfe, zylindrische Köpfe und dergleichen, wobei dann die Senkbohrung 18 im Werkstück weggelassen wird.

Am gegenüberliegenden Ende des Stifts 12 ist ein Befestigungsmittel 20 vorgesehen, das bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel als Gewinde ausgebildet ist. Dieses Gewinde hat einen größten oder Außendurchmesser 21, der kleiner 1st,als der Nenndurchmesser 15 des Lochs, so daß das Gewinde frei durch das Loch hindurchtreten kann. Die Verhältnisse zwischen den verschiedenen Abmessungen sind in Fig. 1 vergrößert und zum Zweck der Veranschäullchung übertrieben dargestellt.

909841/1025

Der Durchmesser dee zylindrischen Schafts 16 1st größer als der Nenndurchmesser 15« damit sich zwischen dem kreisförmigen Schaft und der Wand des Lochs ein Pressltz ergibt· Da der zylindrische Schaft mit einer Pressung in die zylindrische Wand des Lochs 14 eingesetzt werden soll, ist es notwendig, die Wand des Lochs auszudehnen, um den Schaft hineinzubringen. Um dies mit der geringstmöglichen Beschädigung des Werkstücks und mit dem größtmöglichen Vorteil für die sich ergebende Verbindung zu erreichen, ist ein Verformungsabschnitt 25 vorgesehen, der unmittelbar neben dem Gewinde 21 an einer Stelle beginnt, die radial nicht welter außen liegt als der Durchmesser 21 des Gewindes, und der in einer im wesentlichen konvexen oder konischen Form sich bis zu einem Durchmesser erweitert, der mindestens so groß ist wie der Durchmesser 26 des Schafts 16. Dieser Verformungsabschnltt 1st am besten in Fig. 1 dargestellt, wo er sich von dem Durchmesser 21 bis zum Durchmesser 26 unmittelbar benachbart zu dem Befestigungsmittel 20 erstreckt. Der Verfonnungsabschnltt geht unmittelbar in einen Ausdehnungsabschnitt 30 über. Dieser hat zwei Teile, nämlich einen Anfangstell 31» der unmittelbar an dem Verformungsabschnltt 25 anliegt und kontinuierlich in diesen Übergeht, und einen Sekundärteil 32, der unmittelbar dem Anfangsteil 31 und dem geraden Schaft 16 benachbart ist.

Der Verformungsabschnitt bildet eine Rotationsfläche. Die Tangente an deren Erzeugende bildet einen spitzen Winkel mit der Mittelachse I3, der zu dem Kopf 17 hin offen 1st. Der Verformungsabschnltt ist frei von Unregelmäßigkeiten oder Sprüngen, wie beispielsweise Auelaufteilen des Gewindes oder dergleichen. Der Ausdehnungsabschnitt 30 bildet ebenfalls eine Rotationsfläche und weist einen festen

909841 /1025

ringförmigen Vorsprung auf, der sich bis auf einen Durch messer 33 erstreckt, der größer 1st als der Schaftdurch- messer 26. ,

Bei Pressltzen verwendet man Im allgemeinen Durchmesserunterschiede in der Größenordnung von etwa 0,05 wm> bei Löchern von etwa 6 nun Nenndurchmesser₀ Die Größe des Pressungsbereichs variiert mit der Größe des in Betracht kommenden Lochs* aber diese Verhältnisse sind im allgemeinen bekannt und genormt und werden in der Industrie befolgt. Diese Verhältnisse lassen sich allgemein auf die Erfindung anwenden«

Für die Erfindung ist es wichtig, die physikalischen Eigenschaften des verwendeten Materials zu betrachten, die am besten in Flg. 8 veranschaulicht sind, die ein Beispiel für ein Metall veranschaulicht und wobei die Druckspannung gegen die Druckverformung aufgetragen ist. Das dargestellte Diagramm ist für eine Aluminiumlegierung typisch, die unter der Bezeichnung 2024 T 351 bekannt ist. Die Dimensionen der Druckbeanspruchuhg können beispielsweise in kg pro qmm und die der Druckverformung beispielsweise in mm pro mm angegeben werden» Die typischen und wichtigen Teile der in Figo 8 vereinfacht dargestellten Kurve 35, die im allgemeinen auch den Kurven für andere Metalle und Legierungen ähnlich ist, weisen einen Proportionalbereich 36 auf, der im wesentlichen eine gerade Linie bildet, die an einem Punkt 37 endet, bei dem die

Fließgrenze erreicht wird* Jenseits dieses Punktes liegt ein Bereich mit einer gegenüber dem Proportionalbereich 36 unterschiedlichen Neigung (oft ist dieser Bereich eine Kurve) ₀ und dieser Bereich liegt kurz vor dem Punkt, in dem das Material versagte Bei Beanspruchung des Materials bis über die Fließgrenzö, beispielsweise bis zu den Punkten 38 oder 39, verläuft die Materialkennllnie bei Wegnahme der Beanspruchung längs der Kurven 40

909841/1025

- ίο -

oder 41 nach unten. Die Unterschieds in den Kurven J6 und 40, 41 stellen bleibende Wirkungen dar« die sich in einer Verhärtung des Materials oder dergleichen äußern und die unter anderem eine geringere bleibende ringförmige Druckbeanspruohung auf einen Gegenstand infolge der bleibenden Verformung bewirken.

Es 1st ein Merkmal der Erfindung« daß der Ausdehnungsabschnitt 30 einen Durchmesser 33 hat, der im Vergleich zu dem Durchmesser 15 der Wand des Lochs 14 genügend groß ist, so daß, wenn der Befestigungsstift 12 in das Loch gedrückt wird, sich eine örtliche Zusammenpressung des Materials über dessen Pließgrenze hinaus ergibt, und wobei, wenn sich der Ausdehnungsabschnitt bis in eine Lage jenseits des örtlich ausgedehnten Bereichs bewegt, das gedehnte Material sich zurUckverformt und auf den Schaft zusammenzieht, um mit diesem einen Pressitz zu bilden, wobei wenigstens einige physikalische Eigenschaften des Materials der Lochwand unterschiedlich gegenüber denjenigen sind, die sich ergeben haben würden, wenn der Pressitz mit dem Schaft ohne eine örtliche Dehnung des Materials über dessen Pließgrenze hinaus hergestellt worden wäre. Dies läßt sich leicht bei der Betrachtung der Pig. 8 verstehen, in der, wenn das ?-"??>.erlal durch den Ausdehnungsabschnitt bis zu den Punkten 38 oder 39 verformt wird, sich das Material längs der Kurven 40 oder 41 anstatt längs der Kurve 36 auf den Schaft zurUckverformt. Dabei werden die durch die Federkraft des Materials ringförmig auf das Befestigungselement wirkenden Rückstell-Druckkräfte verringert, wobei jedoch gleichzeitig gewisse Vorteile durchs Glätten, oder dergleichen aufrecht erhalten werden, was im folgenden noch beschrieben wird. Bei einem Befestigungselement für ein Loch mit einem Nenndurchraesser von etwa 6 mm (Durchmesser 15) hat es sich herausgestellt, daß ein Durchmesserunter-

909841/1025

schied zwischen den Durchmessern 33 und 26 In der Größenordnung von etwa 0,05 mm in einer Platte aus Aluminium 2024 T 351 die vorerwähnten Vorteile ergibt.

Der Anfangstell 31 des Ausdehnungsabschnitte 30 bildet vorzugsweise einen kontinuierlichen gekrümmten Körper mit kreisförmigem Querschnitt senkrecht zur Längsachse und mit einer Länge in Axialrichtung in der Größenordnung von etwa 0,6 mm. Der Sekundärteil 32 ist vorzugsweise ein konischer Kegelstumpf mit einem eingeschlossenen Kegelwinkel in der Größenordnung von etwa 2 Grad und einer axialen Länge in der Größenordnung von 1,5 nun· Der Verformungsabschnitt 25 und der Ausdehnungsabschnitt 30 gehen vorzugsweise kontinuierlich ineinander über und passen ohne Unterbrechung oder Sprünge aneinander. Die Erzeugende des Anfangsteils Jl hat eine Tangente, die zwischen dem Befestigungsmittel 20 und dem Sekundärteil 32 die Tendenz hat, sich bei steigendem Durchmesser des Anfangsteils mehr und mehr der Parallelität zu der Mittelachse 13 anzunähern. Der Sekundärteil und der Anfangsteil gehen vorzugsweise kontinuierlich ineinander über, und der Sekundärteil trifft mit einem kleinen eingeschlossenen Kegelwinkel von etwa 2 Grad auf den zylindrischen Schaft 16 auf.

Ein Vorteil der Erfindung ist In Pig. 9 veranschaulicht, in der ein Schaft 40 und ein Ausdehnungsabschnitt 41 dargestellt sind, die eine Schicht oder Plattierung 42 aus Kadmium oder einem anderen relativ weichen Plattiermaterial tragen. Die Plattiermaterialien können auch aus Silber, Aluminium oder verschiedenen anderen Edelmetallen bestehen. Es hat sich herausgestellt, daß im allgemeinen diese Plattiermaterialien bei Pressitzen abgescheuert werden, und zwar allgemein proportional zu den Rückstell-Federkräften, die durch die Wand des Loches ausgeübt werden. Durch eine Verringerung dieser Rückstell-Pederkräfte ergibt sich nun, daß das Plattiermaterial zwischen dem

90 98 A1/1025

Schaft und der Wand des Lochs In einem verhältnismäßig wenig veränderten und glatten Zustand belassen wird und sich in besserer Form befindet» als wenn der Ausdehnungsabschnitt nicht vorgesehen wäre. In Fig. 9 1st allgemein und scheraatisch dargestellt, daß dort ein Bereich vorhanden ist* in dem die Plattierung von dem Ausdehnungsabschnitt entfernt ist,und zwar in d^m Bereich, in dem die rauheste Behandlung zwischen dem Werkstück und dem Befestigungsstift ausgeübt wird. Jedoch dient auch dieser Ausdehnungsabschnitt dazu, die Wand des Lochs auszudehnen und zu glätten und die physikalischen Eigenschaften der Rückstell-Federkraft des Materials zu verändern derart, daß, wenn das Material sich zurückverformt, um den Schaft zu umschließen, die Rüekstell-Federkraft kleiner ist, als sie wäre, wenn der Ausdehnungsabschnitt die Wand des Loches nicht bis über die Fließgrenze beansprucht hätte. Das Ergebnis ist, daß ein schwächerer Reibungseingriff zwischen der Wand des Loches und der Plattierung vorliegt, und infolge dessen wird die Plattierung auf dem Schaft weniger beschädigt.

Die Verwendung des Ausdehnungsabschnittes hat noch einen weiteren Vorteil. Das Befestigungselement kann leicht auf einen reinen kreisförmigen Querschnitt gedreht oder geschliffen werden. Durch das Ausdehnen des gesamten Wandmaterials im Bereich des Loches über die Fließgrenze hinaus ergibt sich, daß dieses ganze Material, das sich dann in plastischem Zustand befindet, sich auf einen annähernd reinen kreisförmigen Durchmesser zurückverformt, nämlich auf denjenigen des Schafts, wodurch ein Loch, das anfänglich in dem Werkstück etwas unrund ist, sich tatsächlich zu einer reinen runden Form zurückverformt und sanft und gleichmäßig den zylindrischen Schaft des Befestigungsstifts umfaßt.

909841/1025

Die Verwendung dieser Anordnung ist in den Pig. I bis 4 dargestellt. Der erste Schritt ist in Fig. 2 veranschaulicht, wo das Befestigungsnittel 20 in das Loch eines Werkstücks eingesetzt 1st und das untere Ende des Werketüokloche gerade beginnt, sich an den Verformungsabschnitt anzulegen. Wenn der Befestigungsstift weiter in das Loch hinein getrieben wird, ergeben sich die in Flg. 3 gezeichneten Verhältnisse, wobei das Material durch den Verforraungsabschnltt verformt wird und dann durch den Ausdehnungeabschnitt weiter ausgedehnt wird und schließlich beginnt, sich an den Sekundärteil des Ausdehnungsabschnltts und auf den zylindrischen Schaft zusammenzuziehen. Fig. zeigt die Berücksichtigung des Eingriffsbereichs. Es ist natürlich vorzuziehen, daß die gesamte Lunge der Wand des Loches ausgenutzt wird, aber dies 1st nicht notwendig. Zum Beispiel ist der größte Eingriffsbereich durch die Linie 50 angedeutet, ein mittlerer Eingriff«bereich durch die Linie 51 und ein minimaler Eingriffsbereich durch die Linie 52. Diese Linien stellen die hinterem überflächen von Werkstücken verschiedener Dicke dar, wobei die Dimensionen zum Zweck der Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt sind. Flg. 5 zeigt die Anordnung in vollständigerem Zusammenhang. Die Gesamtlänge der Ausdehnungsund Verformungsabsohnitte wird im allgemeiner, bei einem Befestigungselement mit einem in der Praxis vorwendeten Durchmesser 2,5 mm nicht übersteigen. Daraus ist ersichtlich, wie übertrieben die Zeichnungen sind. Jedoch hätten ohne eine solche Übertreibung die wesentlichen Merkmale überhaupt nicht dargestellt werden können.

Bei einem maximalen Eingriff entsprechend der Linie 50 würde' das Ende des Lochs unmittelbar neben dem Befestigungsmittel 20 liegen. Bei einem minimalen Eingriff nach der Linie 52 würde der Ausdehnungsabschnitt vollständig durch das Werkstück hindurchtreten, und bei einem mittleren

909841/1075

Eingriff entsprechend der Linie 51 würde der Mittelteil des Ausdehnungeabschnltts etwa in Höhe dee rückwärtigen Endes des Lochs liegen. Auch die axiale Ausdehnung der Lochwand« die sich auf den Schaftdurcheesser zurückverfornrt, kann unterschiedlich sein.

Das Befestigungsmittel 20 kaim auch einen zusätzlichen Teil aufweisen, der den Befestigungastift in den Werkstück hält. Dieser zusätzliche Teil ist in Fig. 5 als Nutter dargestellt, die auf das Befestigungsmittel 20 aufgeschraubt ist und die eine Oegenbohrung hat« um einen Raum für etwa unvollständige Gewindegänge auf den Befestigungsmittel 20 und auch einen Raum für vorstehende Teile der Verformungs- und Ausdehnungsabschnitte freizulassen.

Mit Gewinde versehene. Teile bilden nicht die einzige Möglichkeit, die Anordnung zusammenzuhalten« Zum Beispiel zeigt Pig» 6, daß das Befestigungsmittel am Ende des Stifts statt mit Gewinde versehen oder anders ausgebildet zu sein, auch aus einem Material hergestellt sein kann, das geeignet ist, mit einem Kopf 57 versehen zu werden, beispielsweise durch Schlagen mit einem Hammer oder einem Nietwerkzeug. Fig. 7 zeig/l die Verwendung einer ringförmigen Nut 58 mit einem Schnappring 59 oder anderen, in die Nut eingreifenden Mitteln. Das Befestigungsmittel ist in Jedem Fall durch ein weiteres Teil, entweder aus demselben Material oder durch ein Hilfsteil vervollständigt, das sich an eine Seite des Werkstücks anlegt, während der Kopf des Befestigungsstifts an der anderen Seite anliegt.

Durch- die Erfindung wird auf diese Weise eine optimale. Funktion einer Verbindung erzielt, die sich aus einer Bearbeitung des Materials des Werkstücks in seinem

909841/1025

plastischen Bereich ergibt« wobei die Wand des Loches verformt wird« in das der Befestigungsstift eingesetzt werden soll· Die Wand des Loches wird hierbei über ihre Fließgrenze hinaus unter Druck gesetzt, so daß die ringförmig wirkenden RÜQkstell-FederkrSfte des Materials verringert werden, wenn dieses sich zurück verformt, um ein Presssitz zu bilden. Dabei werden gleichzeitig Plattierungen auf den einzelnen Elementen weniger beschädigt, die.Wand des Lochs wird geglättet und praktisch poliert, und allgemein wird das Material sowohl des Befestigungselements als auch der Wand des Werkstücks beim Zusammenfügen in vorteilhafter Weise beansprucht, um eine Verbindung mit optimalen Eigenschaften zu bilden«

909841/1025

Claims

- 16 -PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen mit mindestens einen Paar aneinander anliegender Metallteile» die miteinander fluchtende Löcher aufweisen und eine durchgehende öffnung bilden, und mit einem mit einem Schaft versehenen Befestigungsstift» d<?r in die Öffnung eingesetzt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahreneschritte in der angegebenen Reihenfolge:

a) Ausdehnen der Wand der Öffnung auf einen größeren w Durchmesser durch Ausübung einer'Ausdehnungskraft

auf die Wand, die groß genug ist, um das Netall der Wand bis Über die Druckfließgrenze hinaus zusammenzudrücken, und wobei nach Wegnahme der Ausdehnung«- kraft die Wand der öffnung, wenn sie nicht daran gehindert würde, sich auf einen anderen Durchmesser zurückverformen wurde, der größer ist als der Durchmesser vor Ausübung der Ausdehnungskraft;

b) Entlasten der Wand von wenigstens einem Teil der Aus· dehnungskraft, um der Wand eine Verringerung ihres Durchmessers in Richtung auf den anderen Durchmesser zu ermöglichen;

ί c) Einsetzen eines Befestigungsstlftes in die öffnung, wobei der Befestigungsstift einen zylindrischen Schaft mit einem Durchmesser hat, der größer ist als der erwähnte andere Durchmesser, auf den sich die Wand zurückverformen würde, wenn sie nicht daran gehindert würde, der aber kleiner ist als der Durchmesser, auf den die Wand ausgedehnt wird, wobei der Befestigungsstift in der öffnung belassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Wand dadurch bewirkt wird, daß ein fester, kreisförmiger Gegenstand durch die öffnung hin-

■909841/1025

durchgedrückt wird· wobei der kreisförmige Oegenstand •inen Aiütondurohnesser hat, der gleich den Durchmesser _v ist, auf den die Wand ausgedehnt wird.

3. Verfahren nach Anspruoh 2,dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Gegenstand durch den Befestigungsatift getragen wird und dem zylindrischen Schaft dieses Stiftes benachbart ist.

4. Verbindung von BauteileiKg/ekenncelohnet durch folgende Merkmale: ein Werkstück/ bestehend aus mindestens zwei aneinander anliegenden.Metallteilen,· von denen Jedes ein Loch hat und wobei die Löcher miteinander fluchten, um eine durchgehende Öffnung zu bilden, die durch die jeweiligen Wände der Löcher begrenzt 1st, wobei das Metall, aus den die Teile bestehen, unter Druckbeanspruchung Spannungs- Dehnungs-Eigenschaften mit einer Druckfließgrense derart hat, daß, wenn Druckkräfte Über die Tließgrenze hinaus ausgeübt werden und das Metall dann entlastet wird, das Material sich auf eine andere Festigkeit und eine andere Größe zurUckverformt, als sie sich ergeben würden, wenn die Fließgrenze nicht überschritten worden wäre (Kaltverformung); ein einheitliches, kombiniertes metallisches Metallbearbeitungswerkzeug, das gleichzeitig den Befestigungsstift in dem Loch darstellt und einen zylindrischen Schaft und einen festen, ringförmigen Ausüehnungsabschnitt auf dem Stift.benachbart dem zylindrischen Schaft aufweist, wobei sich der Ausdehnungsabschnitt radial weiter als der Schaft nach außen erstreckt, wobei der Befestigungstift-an seinem einen Ende Befestigungsmittel und an seinem anderen Ende einen Kopf

. trägt, wobei der Ausdehnungsabschnitt einen Anfangsteil aufweist, der die Oberfläche eines Rotationskörpers bildet, dessen Tangente einen spitzen Winkel

9098Λ1/1025

mit der Mittelachse bildet und zum Kopf des Befestigungsstifts hin offen ist, wobei der Ausdehnungsabschnitt näher an dem Befestigungsmittel liegt als der zylindrische Schaft, wobei der Kopf an einer Seite des Werkstücks anliegt und der Ausdehnungsabschnitt an der anderen Seite des Werkstücks anliegt, nachdem er durch die öffnung von der Seite her hindurchgedrückt ist, an der der Kopf anliegt, wobei die Wände der öffnung einen durchgehenden Pressitz mit dem zylindrischen Schaft bilden und die Verbindung dadurch hergestellt wird, daß der Durchmesser des Ausdehnungsabschnitts in Bezug auf den ursprünglichen Durchmesser der öffnung so gewählt ist, daß eine Ausdehnung der Wand auf den Durchmesser des Ausdehnungsabschnitts in Folge einer durch den Ausdehnungsabschnitt ausgeübten Ausdehnungskraft das Metall, das diese Wand bildet, kalt verformt, wobei bei Aufhebung der Ausdehnungskraft die Wand, wenn sie nicht daran gehindert würde, Eich auf einen neuen Durchmesser zurückverformen würde, der größer ist als der Anfangsdurchmesser der öffnung vor Ausübung der Ausdehhungskraft und kleiner als der Durchmesser des Ausdehnungsabschnitts, wobei der Durchmesser des zylin» drischen Schafts so gewählt ist, daß er größer ist als dieser neue Durchmesser* und wobei der Befestigungsstift in die öffnung gedrückt wird, bis das Befestigungsmittel über eine Seite des Werkstücks vorragt und der Kopf an der anderen Seite des Werkstücks 'anliegt, wodurch der Ausdehnungsabschnitt in axialer Richtung durch den größten Teil der Längsausdehnung der öffnung hindurchtritt und der zylindrische Schaft in die öffnung in einen Pressitz mit dem Werkstück eingeführt wird, wobei das Metall des Werkstückes, das an dem zylindrischen Schaft anliegt, durch den Ausdehnungsabschnitt kalt verformt wird und dadurch eine · größere Zugfestigkeit erhält als das Materials das in seitlicher Richtung weiter von der Öffnung entfern;, ist.

909841/1025

5· Verbindung von Bauteilen mit mindestens zwei aneinander anliegenden Metallelementen, die ein Werkstück bilden, wobei jedes der Elemente ein Loch von gleichem Durchmesser hat und die Löcher in axialer Richtung fluchten, um eine durchgehende Öffnung zu bilden, die durch die Lochwände begrenzt ist, gekennzeichnet durch ein einheitliches, kombiniertes metallisches Metallbearbeitungswerkzeug, das einen in die Öffnung eintretenden Befestigungsstift aufweist, der einen zylindrischen Schaft und einen festen, ringförmigen Ausdehnungsabschnitt auf dem Stift aufweist, der dem zylindrischen Schaft benachbart ist und sich in radialer Richtung weiter nach außen erstreckt als der Schaft, wobei an einem Ende des Befestigungsstiftes Befestigungsmittel und an dem anderen Ende ein Kopf vorgesehen sind, wobei der Ausdehnungsabschnitt einen Anfangsteil hat„ der durch die Oberfläche eines Rotationskörpers gebildet ist, dessen Tangente mit der Mittelachse einen gegen den Kopf offenen spitzen Winkel bildet, wobei der A us dehnun.gsab schnitt näher an dem Befestigungsmittel liegt als der zylindrische Schaft und der Kopf an einer Seite des Werkstücks anliefst und der Ausdehnungsabschnitt· der anderen Seite des Werkstücks benachbart ist, nachdem er durch die öffnung von derjenigen Seite her durchgetreten ist_e ε.η der der Kopf anliegt^ wobei die Wände der Öffnung einen durchgehenden Presssitz mit cletn zylindrischen Schafü bilden und die Verbindung dadurch hergestellt wird, daß der Durchmesser des Ausdehnungsabschnitts in Bezug auf den ursprünglichen Durchmesser der öffnung so gewählt ist, daß eine Ausdehnung der Wand auf den Durchmesser des Ausdehnungsabschnitts in Γοίτβ air er durch dan Ausdehmmgsabschnitt ausgeübten Ausdehnungskraft cas Metall,, das diese Wand umfc-ibsp kalt ver-formtp wobei nach Aufhebung der Aus-

909841/1025

dehnungskraft die Wand, wenn sie nicht daran gehindert würde, sich auf einen neuen Durchmesser zurückverformen würde, der größer ist als der ursprüngliche Durchmesser der öffnung vor Ausübung der Auedehnungskraft und kleiner als der Durchmesser des Ausdehnungsabschnitts, wobei der Durchmesser des zylindrischen Schafts so gewählt ist, daß er größer ist als dieser neue Durchmesser, wobei der Befestigungsstift so weit . in die öffnung gedrückt wird, bis das Befestigungs-

™ mittel auf einer Seite über das Werkstück hinaus

vorragt und der Kopf an der anderen Seite des Werkstücks anliegt, wodurch der Ausdehnungsabschnitt in axialer Richtung durch den größeren Teil der Länge der öffnung hindurchtritt und der zylindrische Schaft ' in die öffnung in einen Pressitz mit dem Werkstück eingeführt wird.

6. Befestigungsstift für eine Verbindung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Ausdehnungsabschnitt neben dem Anfangsteil einen Sekundärteil aufweist,

der den zylindrischen Teil des Schafts mit dem Anfangs- ^ teil verbindet*

7. Befestigungsstift nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärteil ein gerader Kegelstumpf ist.

8. Befestigungsstift nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmittel ein Gewinde ist.

9. Bafestigungsstift nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,, daß das Befestigungsmittel ein verformbarer Teil zur Bildung eines Stauchkopfs ist«

10. Befestigungsstift nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich-

909841/1025

net, daß das Befestigungsmittel eine Ausnehmung zur Aufnahme und zum Halten eines sich in seitlicher Richtung erstreckenden zusätzlichen Elements aufweist..

9098 4-1 /1025

Le e rse i te