DE202006000666U1

DE202006000666U1 - Verbindungsanordnung zum Verbinden zweier Bauteile mittels eines Nagels

Info

Publication number: DE202006000666U1
Application number: DE200620000666
Authority: DE
Original assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Current assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2016-01-18

Abstract

Verbindungsanordnung zum Verbinden zweier Bauteile (102, 104) mittels eines Nagels (106), der einen Nagelkopf (108), einen Nagelschaft (110) und eine Nagelspitze (112) mit einer Ausnehmung (114) aufweist, wobei der Nagelkopf (108) an einem (102) der Bauteile (102, 104) abgestützt ist, der Nagelschaft (110) zumindest das nagelkopfseitige Bauteil (102) durchdringt und die Ausnehmung (114) der Nagelspitze (112) vom Nagel verdrängtes Material des nagelkopfseitigen Bauteils (102) enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zum Verbinden zweier Bauteile mittels eines Nagels sowie einen Nagel hierfür.
Eine Verbindungsanordnung dieser Art wird mit einem Verfahren hergestellt, bei dem der Nagel von einem Setzgerät mit hoher Geschwindigkeit in die Bauteile eingetrieben wird.
Dieses Verfahren, auch unter dem Begriff „Bolzensetzen" bekannt, ist ein umformtechnisches Fügeverfahren, bei dem der Nagel (Bolzen) mit hoher Geschwindigkeit in die zu fügenden Bauteile eingetrieben wird. Es hat den Vorteil, dass im Allgemeinen eine einseitige Zugänglichkeit des Fügebereiches ausreicht und häufig Vorlochoperationen vermieden werden können. Das Bolzensetzen findet bereits in vielen Bereichen wie Stahlbau, Fassadenbau, Metallbau, Schiffbau und Bauwirtschaft als verlässliches Fügeverfahren Anwendung.
Aus DE 1 575 152 , 1 940 447, 1 500 770 sind beispielsweise Nägel (Setzbolzen) bekannt, die mittels Setzgeräten in Form von pulverkraftbetriebenen Kartuschen in Stahl, Baueisen, Blech und ähnliche metallische Werkstoffe eingetrieben werden. Ein solcher Nagel besteht üblicherweise aus einem Nagelkopf, Nagelschaft und einer ogivalen Nagelspitze, wobei der Schaft mit einer Oberflächenprofilierung in Form von Kreuz- oder Pfeilrandrierungen, wendelförmig verlaufenden Riffelungen und dergleichen versehen sein kann.
Aus DE-GM 72 26 710 ist ein Nagel (Bolzen) mit einem Flachkopf, einem zylindrischen Schaft und einer ogivalen Nagelspitze bekannt, der zum Befestigen von Blechen an einem Metallteil von gegenüber dem Blech größerer Stärke dient. Der Nagel wird durch ein vorgefertigtes Loch des Bleches hindurch in das Metallteil eingeschossen. Im Kopf und/oder im Schaft des Nagels ist eine Ausnehmung zur Aufnahme des beim Einschiessen in das Metallteil aus diesem hervorquellenden Materials vorgesehen. Gemäß einer Ausführungsform dieser Druckschrift ist die Ausnehmung an der Unterseite des Na gelkopfes vorgesehen, so dass der das vorgefertigte Loch umgebende Rand des Bleches von dem verdrängten Material des Metallteils in die Ausnehmung hochgebogen wird. Das Metallteil, dessen Dicke deutlich größer ist als die Länge des Nagels, umschließt die Nagelspitze vollständig. Das in dieser Druckschrift offenbarte Verfahren dient in erster Linie zum Befestigen von Typenschildern an Maschinen. Zum Befestigen von Blechen an Strangpressprofilen mit geschlossenem Querschnitt oder an innenhochdruckumgeformten Bauteilen, wie beispielsweise im Fahrzeugbau erforderlich, ist dieses Fügeverfahren nicht geeignet.
Ein für diesen Anwendungszweck geeignetes Fügeverfahren ist beispielsweise das so genannte Direktverschrauben, auch als „Flow Drilling Screw (FDS)" bezeichnet. Bei diesem Verfahren (vgl. z.B. DE 102 48 427 A1 , DE 39 22 684 A1 , DE 39 09 725 C1 und DE 196 37 969 C2 ) wird eine Schraube verwendet, die einen flachen Schraubenkopf, einen mit Gewinde versehenen Schraubenschaft und eine Schraubenspitze aufweist. Die Schraube wird zunächst mit hoher Drehzahl und einer entsprechenden Anpresskraft auf die zu fügenden Bauteile aufgesetzt. Die hierbei auftretende Reibungswärme plastifiziert den umzuformenden Fügeteilwerkstoff. Hierbei bilden sich sowohl entgegen wie auch in Vorschubrichtung krater- bzw. wulstförmige Ansätze, in denen das Schraubengewinde ein Gegengewinde ausfurcht. Wenn die Schraube die Bauteile durchdrungen und der Schraubenkopf auf dem oberen Bauteil aufgesetzt hat, wird der Einschraubvorgang beendet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsanordnung zum Verbinden zweier Bauteile mittels eines Nagels sowie einen Nagel hierfür zu schaffen, welche eine einfache und rasche Herstellung ermöglichen und eine hohe Verbindungsqualität sicherstellen. Insbesondere soll die Herstellung der Verbindungsanordnung auch bei nur einseitiger Zugänglichkeit der Bauteile durchführbar sein und kein Vorlochen der Bauteile erfordern.
Eine Verbindungsanordnung gemäß der Erfindung zum Lösen dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 definiert. Ein Nagel hierfür ist in Anspruch 12 definiert.
Die Erfindung schafft somit eine Verbindungsanordnung zum Verbinden zweier Bauteile mittels eines Nagels, der einen Nagelkopf, einen Nagelschaft und eine Nagelspitze mit einer Ausnehmung aufweist, wobei der Nagelkopf an einem der Bauteile abgestützt ist, der Nagelschaft mindestens das nagelkopfseitige Bauteil durchdringt und die Ausnehmung der Nagelspitze vom Nagel verdrängtes Material des nagelkopfseitigen Bauteils enthält.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Verbindungsanordnung lässt sich auf einfache Weise und in geringer Fügezeit herstellen, da ein Vorlochen der Bauteile nicht erforderlich ist und der Nagel ohne Drehbewegung in einem einzigen Fügevorgang mit hoher Geschwindigkeit in und durch die beiden Bauteile getrieben wird. Wie durch Versuche erhärtet wurde, zeichnet sich die auf diese Weise hergestellte Verbindungsanordnung durch eine hohe Verbindungsqualität aus. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine zweiseitige Zugänglichkeit des Fügebereiches bei ausreichend steifer Ausführung des nagelkopfabgewandten Bauteils nicht erforderlich ist.
In weiterer Ausgestaltung der Errfindung ist vorgesehen, dass der Nagelschaft beide Bauteile durchdringt und die Nagelspitze mit dem in der Ausnehmung aufgenommenen Material über das nagelkopfabgewandte Bauteil vorsteht. Statt dessen kann die Verbindungsanordnung jedoch auch so ausgebildet sein, dass die Nagelspitze nicht über das nagelkopfabgewandte Bauteil vorsteht, so dass die Nagelspitze mit dem in der Ausnehmung aufgenommenen Material von dem nagelkopfabgewandten Bauteil umschlossen wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Anhand der Zeichnung, in der die einzige Figur eine geschnittene Ansicht einer Verbindungsanordnung gemäß der Erfindung darstellt, wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Die in der Figur dargestellte Verbindungsanordnung besteht aus zwei Bauteilen 102 und 104, die durch einen Nagel 106 miteinander verbunden sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 102 ein dünnwandiges Bauteil in Form eines Bleches, und das Bauteil 104 ist ein Bauteil größerer Wandstärke, das beispielsweise ein Profilbauteil ist. Es kann sich hierbei Karosserieteile für den Fahrzeugbau handeln, wenngleich die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.
Der Nagel 106 besteht aus einem flachen Nagelkopf 108 mit einer nutfreien, ebenen Unterseite, einem zylindrischen, profilierungsfreien Nagelschaft 110 und einer kegeligen oder auch ogivalen Nagelspitze 112, die an ihrer Oberseite mit einer Ausnehmung 114 versehen ist.
Die Ausnehmung 114 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Gewinde geringer Steigung ausgebildet, wobei die Steigung zweckmäßigerweise kleiner als 0,5 ist und beispielsweise in der Größenordnung von 0,25 liegt. Wie gezeigt, hat das Gewinde in Axialschnitten ein sägezahnförmiges Profil; es ist jedoch auch ein anderes Profil denkbar. Auch kann die Ausnehmung von einer Reihe kreisförmiger Vertiefungen und Erhöhungen gebildet werden.
Der Nagel 106 besteht vorzugsweise aus vergütetem Stahl. Der Werkstoff des Bauteils 102 ist zweckmäßigerweise härter als der Werkstoff des Bauteils 104. So besteht das Bauteil 102 beispielsweise aus Stahl, während das Bauteil 104 aus Aluminium besteht.
Vor Herstellung der Verbindungsanordnung sind die Bauteile 102 und 104 nicht vorgelocht. Zum Herstellen der Verbindung wird der Nagel 116 von einem Setzgerät (nicht gezeigt) von oben axial in die Bauteile 102, 104 eingetrieben. Während die Nagelspitze 102 in das Material des oberen Bauteils 102 eindringt, nimmt die Ausnehmung 114 der Nagelspitze 112 das vom Nagel verdrängte Material des Bauteils 102 auf. Das Volumen der Ausnehmung 114 ist zweckmäßigerweise so gewählt, dass es im Wesentlichen dem Volumen des vom Nagel verdrängten Materials des Bauteils 2 entspricht, so dass das ge samte verdrängte Material des Bauteils 102 von der Ausnehmung 114 aufgenommen wird.
Wenn die Ausnehmung 114 als Gewinde ausgebildet ist, bildet sich in der Ausnehmung 114 ein wendelförmig verlaufender „Span" 116, der der Nagelspitze 112 eine mehr oder weniger glatte Oberfläche verleiht. Die Nagelspitze 112 und der Nagelschaft 110 können daher problemlos durch das untere Bauteil 104 dringen. Hierbei bildet das verdrängte Material einen kraterförmigen Materialaufwurf 118, der in nagelkopfabgewandter Richtung nach unten ragt. Die Abmessungen des Nagels 106 sind hierbei auf die Abmessungen der Bauteile 102, 104 und des Materialaufwurfs 118 so abgestimmt, dass ein Teil der Ausnehmung 114 und des wendelförmigen „Spans" 116 innerhalb des Materialaufwurfs 118 verbleibt, so dass der Span 116 sich nicht vom Nagel 106 lösen kann.
Ist die Ausnehmung 114 aus einer Reihe koaxial angeordneter kreisförmiger Vertiefungen und Erhöhungen mit sägezahnförmigem Profil gebildet, so verhindern die Hinterschnitte der Ausnehmung 114 ein Lösen der Materialringe, die von dem verdrängten Material des Bauteils 102 in der Ausnehmung 114 gebildet werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel steht die Nagelspitze 112 über das nagelkopfabgewandte Bauteil 104 vor. Die Verbindungsanordnung kann jedoch auch so ausgebildet sein, dass die Nagelspitze 112 mit der Ausnehmung 114 nicht über das Bauteil 104 vorsteht, sondern von dem Material des Bauteils 104 umschlossen wird.
Wie bereits eingangs erwähnt, zeichnet sich die dargestellte Verbindungsanordnung durch einfache Herstellbarkeit und hohe Verbindungsqualität aus. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Nagelkopf 108 wegen des Fehlens einer Ringnut an der Unterseite sehr flach ausgebildet sein kann.

Claims

Verbindungsanordnung zum Verbinden zweier Bauteile (102, 104) mittels eines Nagels (106), der einen Nagelkopf (108), einen Nagelschaft (110) und eine Nagelspitze (112) mit einer Ausnehmung (114) aufweist, wobei der Nagelkopf (108) an einem (102) der Bauteile (102, 104) abgestützt ist, der Nagelschaft (110) zumindest das nagelkopfseitige Bauteil (102) durchdringt und die Ausnehmung (114) der Nagelspitze (112) vom Nagel verdrängtes Material des nagelkopfseitigen Bauteils (102) enthält.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nagelspitze (112) mit dem in der Ausnehmung (114) aufgenommenen Material (116) über das nagelkopfabgewandte Bauteil (104) vorsteht.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Ausnehmung (114) der Nagelspitze (112) im Wesentlichen dem Volumen des vom Nagel verdrängten Materials des nagelkopfseitigen Bauteils (102) entspricht.
Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (114) der Nagelspitze (112) in Axialschnitten sägezahnförmig ausgebildet ist.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (114) der Nagelspitze (112) als Gewinde ausgebildet ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung des Gewindes kleiner als 0,50 ist und vorzugsweise in der Größenordnung von 0,25 liegt.
Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (114) der Nagelspitze (112) von einer Reihe koaxial angeordneter kreisförmiger Vertiefungen und Erhöhungen gebildet wird.
Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (106) das nagelkopfabgewandte Bauteil (104) soweit durchdringt, dass in der fertigen Verbindung ein Teil der Ausnehmung (114) der Nagelspitze (112) im Material des nagelkopfabgewandten Bauteils (104) verbleibt.
Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelkopf (108) an der Unterseite nutfrei und eben ausgebildet ist.
Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (110) eine profilierungsfreie Oberfläche hat.
Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des nagelkopfseitigen Bauteils (102) härter als der Werkstoff des nagelkopfabgewandten Bauteils (104) ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das nagelkopfseitige Bauteil (102) aus Stahl und das nagelkopfabgewandte Bauteil (104) aus Aluminium hergestellt ist.
Nagel für eine Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher aufweist: einen Nagelkopf (108) mit einer nut freien Unterseite, einen Nagelschaft (110), und eine Nagelspitze (112) mit einer Ausnehmung (114), die das vom Nagel (106) verdrängte Material (116) des nagelkopfseitigen Bauteils (102) aufnimmt.