DE2439377A1

DE2439377A1 - Korrosion verhinderndes befestigungsmittel

Info

Publication number: DE2439377A1
Application number: DE2439377A
Authority: DE
Inventors: Franklin Stevens Briles
Original assignee: VSI Corp
Current assignee: Shared Technologies Fairchild Telecom Inc
Priority date: 1973-08-15
Filing date: 1974-08-14
Publication date: 1975-02-27
Also published as: JPS5049541A; FR2241015A1; FR2241015B3; GB1449307A; US3849964A; DE2439377C2

Description

V 245

PATENTANWÄLTE

Dr.-Ins- HAKS RUSCHKE Dipl.-Ing. OLAF RUSCHKE Dipi.-Ing.HANS E. RUSCHKE

VSI Corporation, Pasadena / California (V.St.v.A.)

Korrosion verhinderndes Befestigungsmittel

Die Erfindung betrifft allgemein Befestigungsmittel mit Senkkopf und insbesondere die Ausgestaltung solcher Befestigungsmittel derart, dass die mit dem Werkstück einen besonderen Sitz aufweisen, wobei Schwierigkeiten und Mangel vermieden werden, die bei der Aufnahme des Befestigungskopfes von Aussenkungen am Werkstück auftreten.

Bisher führte die Verwendung von Senkkopfbefestigungsmittel zum Verbinden von zwei Metallplatten, beispielsweise aus Aluminium oder Titan mit einander, z.B. im Flugzeugbau, zu zahlreichen Schwierigkeiten. Es war u.a. üblich, die Löcher am Werkstück, etwas größer zu bemessen in bezug auf die Außenkanten der aufzunehmenden Befestigungsmittelköpfe. Das zu diesem Zweck erforderliche Entfernen des Materials führte zu einer unerwünschten Aussenkungsempfindlichkeit und zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Konstruktion als Folge der Materialermüdung. Wichtiger war jedoch hierbei, dass Korrosionsschwierigkeiten entstanden. Beispielsweise suchte das Schutzmaterial, mit dem die ringförmigen Vertiefungen um die Köpfe herum ausgefüllt wird, sich zu lockern

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als Folge der Schwingungen der Flugzeugbauteile, so dass die Bohrung im Werkstück in der Längserstreckung des Befestigungsmittels für korrodierende Gase oder Flüssigkeiten zugänglich wurde. Diese Krrosion führte zu einer Schwächung und Überbeanspruchung der betreffenden Bauteile. Da ferner der Befestigungsmittelkopf am Umfang nicht vollständig mit der Werkstückbohrung in Eingriff gelangt als Folge der Überdimensionierung der Bohrung, so war eine Entwicklung einer erwünschten radialen Kompression und einer peripheren Spannung innerhalb der Elastizitätsgrenzen des Werkstückmaterials um den Befestigungsmittelkopf herum nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungsmittel zu schaffen, mit dem die obengenannten Schwierigkeiten nicht auftreten, und das ungewöhnliche Vorzüge aufweist, wie später noch erläutert wird·

Die Erfindung sieht ein Befestigungsmittel mit einem axial verlaufenden und in eine Bohrung an einem Arbeitsstück einsetzbaren Schaft und mit einem Kopf vor, der in eine am Werkstück vorgesehene Aussenkung hineingepresst wird, welcher Kopf eine Vorderseitenfläche , einen vor der genannten Fläche .gelegenen und sich verjüngenden ersten Abschnitt und einen vor diesem gelegenen und sich verjüngenden zweiten Abschnitt aufweist, wobei die Verjüngung des zweiten Abschnittes die Verjüngung des ersten Abschnittes wesentlich übersteigt, und wobei der Grad der Verjüngung des ersten Abschnittes weniger als ungefähr 10° beträgt.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Senkkopf des Befestigungsmittels so ausgestaltet ist, dass bei dem Eingriff des Senkkopfes in das Werkstück die Bildung einer nachteiligen lasche oder Vertiefung unmittelbar am Umfang des Senkkopfes und damit eine Korrosion vermieden wird, die verursacht werden kann, wenn sich in einer solchen Vertiefung eine korrodierende Flüssigkeit ansammelt. Hierbei wird ferner ermöglicht, zwischen den Befestigungsmitteln einen kleineren Abstand vorzusehen. Nach der Erfindung kann der Kopf von hinten nach vorn einen ersten und einen zweiten, sich verjüngenden Abschnitt aufweisen, wobei die Verjüngung des ersten Abschnittes so bemessen ist, dass der Kopf innerhalb der Länge des ersten Abschnittes

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in der Aussenkung am Werkstück im Pressitz ruht, wobei eine radiale und periphere Kompression erfolgt· Außerdem kann der Verjüngungswinkel des zweiten Kopfabschnittes zum ersten Abschnitt und zum Werkstück so in Beziehung gesetzt werden, dass mit der Aussenkung am Werkstück ein Fressitz hergestellt und ein Vorwärtstreiben des Befestigungsmittels in das Werkstück hinein verhindert wird, wenn die Rückseite des Kopfes mit der Außenseite der Platte fluchtet.Bei diesem Vorwärtstreiben wird das Werkstück kalt bearbeitet, wobei der Spalt zwischen dem Befestigungsmittel und dem Werkstück in Richtung nach außen und in der Länge des zweiten Abschnittes ausgefüllt wird. Ferner wird dadurch auch die Lebensdauer der Verbindung verlängert·

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In der ■beiliegenden Zeichnung ist die

Fig»1 eine Seitenansicht eines Befestigungsmittels nach der Erfindung bei dem Einsetzen in eine Bohrung an einem Werkstück,

Fig.2 eine der Fig»1 ähnliche Darstellung des Befestigungsmittels, nachdem dieses teilweise seinen Sitz eingenommen hat, und

Fig.3 eine der Fig.2 ähnliche Darstellung.

Das erfindungsgemäße Befestigungsmittel 10 weist einen axial verlaufenden Schaft 11 auf, der in Bohrungen 12 und 13 an mit einander zu verbindenden Platten oder Blechen 14 und 15 eingesetzt wird. Das Befestigungsmittel weist ferner einen Kopf 16 auf, der mit der Material des Werkstückes kräftig in Eingriff gebracht wird, das mit einer trichterförmigen Aussenkung 17 versehen ist. Der Kopfteil, der mit der Aussenkung in Eingriff gelangt, ist härter als das Material des Werkstückes an der Aussenkung, so dass diese verformt wird und den Kopf genau passend aufnimmt, wenn der Kopf in die Arbeitsstellung getrieben wird, wie in der Fig.3 dargestellt. Zu diesem Zweck kann der Kopf beispielsweise aus Stahl hergestellt werden, der beispielsweise mit Chrom, Nickel oder mit Molybdän legiert ist, oder auch aus Titan, während das Werkstück beispielsweise in der Hauptsache aus Aluminium oder Titan oder auch aus Aluminium- oder Titanlegierungen bestehen kann.

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Der Kopf 16 weist auf eine Stirnfläche 18, einen ersten,, vorderen und sich verjüngenden Abschnitt 19, der sich unmittelbar an di© Stirnfläche 18 anschließt, und einen zweitem,, sich an den ©rstea Abschnitt anschließenden zweiten sich verjüngenden Abschnitt 2Oo Der Yerjüngungswinkel B des zweiten Abschnittes ist wesentlich größer als der Verjüngungsivinkel 4-des ersten Abschnittes j so dass nach dem teilweisen Einsetzen des Schaftes in die Bohrung des Werkstückes nach der Fig«1 (mit einem Pressitz,. wie später noch beschrieben wird) und nach Ausübung eines Schlages auf die Rückseite des Kopfes das Befestigungsmittel zum Teil in den Sitz gebracht wird„ wie in der j?igo2 dargestellt» " Me aus der Fig»2 zu ersehen ist, gelangt nur der vorderste Teil des Kopfes anfangs mit der Aussenkung am Werkstück in Eingriff, wie bei 21 dargestellt,, wobei zwischen dem Kopf abschnitt 19 und der ersten sich verjüngenden Fläche 22 der Aussenkung (Verjüngungswinkel C) sowie zwischen dem Hauptteil des zweiten Kopfabschnittes 20 und dem Hauptteil der zweiten,, sich verjüngenden Fläche 23 (Verjüngungswinkel D) der Aussenkung ein kleiner Spalt zurückbleibt. Dieser Spalt wird mit dem kalt bearbeiteten Material während der Ausübung eines zweiten Schlages ausgefüllt, wie später noch beschrieben wirdo In gewissen Fällen kann mit einem einzelnen Schlag das Befestigungsmittel aus der Stellung nach der Fig.1 in die Stellung nach der Fig©3 eingetrieben werden«,

Ein auf. .den Kopf des Befestigungsmittels ScJkliäge ausübendes Schlagelement ist allgemein bei 24 dargestellt und weist eine Stirnfläche 2^a auf, die schwach konkav ausgestaltet ist und sich an die schwack konvexe Stirnfläche 18 des - Befestigungsmittel= kopfes anschmiegt und das Befestigungsmittel einmittet. Ein rohrförmiges Abstandsglied 25 umgibt das Schlagelement und legt sich an das Werkstück an. Eine solche Einrichtung ist in der noch schwebenden Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben» Das Befestigungsmittel ist so ausgestaltet,, dass es

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normaler von einem oder zwei Schlagen eines solchen Schlagelementes vollständig gesetzt werden kann₉ wobei nicttwiederholt auf den Kopf geschlagen zu werden braucht, so dass der Lärmpegel in Flugzeugbaubetrieben stark vermindert werden kann_s in denen sehr viele Befestigungsmittel gleichseitig eingetrieben werden.

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Der Schaft 11 dös Befe^tigungsmitteiä Weiät liülä |>iilifefii schnitt 11ä auf j der vor del zwöiteü. Aboeiffiili Id äös EÖgf es gelegen ist, sowie einen s^küMäreii Ai>Icniiitl ^Hb* UMv lit iinem Gewindt versehen und vor dom Abschnitt I^tä ge"i§geli iät, Md den eine Mutter 26 aufgeschraubt wei-denkann j die iltä mittei an der Arbeitsstelle festhält j wii LtL &ät figs| ä Die Öesamtdicke E der Werkstüökisiätten #1 'll känit inplanr 4^76 inm bis zu 6*35 cm

Um mit dem Befestigüngsmittöi die beäten iJrgeiiiiisäe or zielen zu können, werden gleich große Yeraün^uhgsliiinkei k und G vörge*. sehen, die zwischen 4° und 10° betragen können. Sö-feragt der wlh-> kel A ungefähr 4°₄ so betragt die iange ii des ersten iSgclinittös ungefähr 3i55 mm₄ und wenn der Winicei A ungefähr ^t)⁰ beträgt, so beträgt die Länge L ungefähr 0*5 mm (d.h., Je größer der Winkel A ist, umso kleiner wird die Länge L), wobei diese beiden Koordinaten (4^Ö und 3*55 mi) und (1Ö^Ö una Q^ mm) in einem rechtwinkligen Koordinatensystem eine Linie bestimmen, die L mit A in Beziehung setzt·

Der erste Abschnitt 19des Befestigungsmittelkopfes sitzt in der Aussenkung an deren Fläche 22 in irgendeiner Steile der Längserstreckung der Schulter 19 fest, welcher Jestsitz sich innerhalb eines Bereiches von 0§Ö75 röm bis 0^2 mk erstr-eckt, welcher Bereich mit of bezeichnet wird. Der primäre Abschnitt 11a des Befestigungsmittelschaftes sitzt in den Bohrungen 12 und 13 fest, welcher Sitz gleichfalls sich innerhalb des Bereiches von OjO75 mm bis 0,8 aim örstreckti

Schließlich ist in der AusSenkung der zweite Verjüngungswinkel D immer größer als der VerjüngüngSwilikel B. Ah der ringförmigen Kante, ander die Verjüngungen 22 und 23 zusammenstoßen,, und die mit der ringförmigen Kante im üJingriff steht,. an der, die Verjüngungen 19 und 20 zusammenstoßen,, erfolgt eine Kaltbearbeitung des Materials der Platte 14 bis zu 0,1 mm, und an der Kante* an der die Verjüngung 23 mit der Bohrung 12 züsämmenstpßt,. welche Kante mit derjenigen Kante im Eingriff steht, an der die Verjüngung 18 mit dem Schaft 11a zusammenstößt, .!erfolgt eine., Kaltbearbeitung des Materials bis zu 0$3 mm,, wobei jedoch das .

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Ausmaß der Kaltbearbeitung an der weiten Kante immer größer ist als ah der erstem Kant©_$ so dass das kaltbearbeitete Material vom.derjenigen Kante aus fließt, an der di© Verjüngung 23 mit der Bohruäg 12 zusammenstößt» welcher toaterialfluß zii derjenigen Kant© verläuft* an der die Verjüngungen 22 und 23 zusammenstoßen, wobei der Spalt mit dem Material ausgefüllt wird©

5 Mit den unterbrochenen Linien 22a und 23a sind in der Fig«1 die endgültigen Verformungen der Verjünfungsflächen 22 und 23 am Werkstück dargestellt· Die Mg«3 zeigt- den ersten und zweiten Abschnitt des Kopfes 1% 20 fest anliegend an den ersten und weiten Verjüngungsflächen 22b, 23"b der AuSSenkung as Werkstück, wodurch das Eindringen einer korrodierenden flüssigkeit von der Außenseite des -Werkstückes aus verhindert wird» Die Stirnfläche 18 des Befestigungsiaittels fluchtet im wesentlichen· Mit der Fläche 14a dee Werkstückes.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist darin %u sehen, dass das Befestigungsmittel nach dem ersten vollständigen Festsitz ©atftsrnt und in dasselbe Loch wieder eing©s@tst und von der Mutter festgehalten werden kann₉ ohne dass das Befestigungsmittel vom

werden mussο

. .Ein Vorzug der Erfindung besteht daria₉ dass ein Verbiegen oder Vorwerfen der WerkstücJtplatt© verhindert wird₉ wie dies bisher bei d©a Eiateeiten herkömmlicher Befestigungsmittel mit Senkkopf in ein Werkstück der Fall war₅ wobei jedes Befestigungsmittel in der Bohrumg d©s Werkstückes im Pressits ruht_s der jedoch nicht besteht zwischen dem Kopf des BefestigUngSMittels und dem die Ättssenkung umgebenden Material das Werkstückes, kit der Erfindung kann ein Pressits hergestellt werden zwischen dem Werk= stück und sowohl dem Kopf al® auch dem Schaft des Befestigungsmittels,) so dass in der Längserstreckung der Bohrung keine w liehen untersehiedlichungen un su Verwerfungen führenden Kräfte

Claims

Patentansprüche

©Befestigungsmittel mit einem axial verlaufenden und in eine Werkstückbohrung einsetzbaren Schaft und mit einem Kopf, der mit dem eine Aussenkung bildenden Werkstückmaterial fest in Eingriff gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf eine Stirnfläche, einen ersten sich nach vorn verjüngenden und vor der Stirnfläche gelegenen Abschnitt und einen zweiten, sich nach vorn verjüngenden und vor dem ersten Abschnitt gelegenen Abschnitt aufweist, wobei der Verjüngungswinkel des zweiten Abschnittes wesentlich größer ist als der Verjüngungswinkel des ersten Abschnittes, und wobei der Verjüngungswinkel des ersten Abschnittes kleiner als ungefähr 10° ist.
2. Befestigungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verjüngungswinkel des ersten Abschnittes größer als ungefähr 4° ist.
3. Befestigungsmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des ersten Abschnittes kleiner als ungefähr 3»55 mm ist.
4. Befestigungsmittel nach Anspruch 1, 2 oder 3* dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des ersten Abschnittes mehr als ungefähr 0_t5 mm beträgt.

5· Befestigungsmittel nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft .des Befestigüngsmittels einen vor dem zweiten Abschnitt des Kopfes gelegenen primären Abschnitt aufweist sowie einen vor dem primären Abschnitt gelegenen und mit einem Gewinde versehenen sekundären Abschnitt .

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Befestigungsmittel nach Anspruch 5₃ kombiniert mit einem eine Bohrung und eine Aussenkung aufweisenden Werkstück, dadurch, gekennzeichnet ₉ dass der primäre Abschnitt des Schaf- - tes in der Bohrung im Pressitz sitztο

Kombination »ach Anspruch 6₉ dadurch, gekennzeichnet, dass der Pressitz sich insgesamt zwischen ungefähr O_tO75 mm und O₅,2 sun erstreckt©

Kombination nach Anspruch 6 oder 7 s dadurch gekennzeichnet _s dass die Aussenkung eine erst© und eiae zweite Verjüngungsflache aufweist, die mit den ersten Tuuad zweiten Abschnitten des Kopfes in Eingriff gebracht werden können«

Kombination nach Anspruch-8_? dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Abschnitte des Kopfes sich an die ersten und aweiten ¥erjüngungsflächen der Aussenkung am Werkstück abdichtend anlegen©

1Oo Kombination mach Jküspruch 9_S dadurch gekennzeichnet, dass <ä@r gesamte abdichtende Sits sich zwischen dem ersten sich iferjüngendeja Abschnitt des Kopfes uad der ersten Verjüngungsfläche der Aussenkung über eine Strecke τοη ungefähr 0^075 mm

und 0_s2 sau und in wesentlichen-über die gesamte iäage des sich verjüngenden erstem Abschnittes des Kopfes erstreckt, welcher erste Abschnitt unmittelbar vor der genannten Stirnfläche gelegen ist.

ο Kombination nach iaasprucfe S₅ 9 oder '1O₈ dadurch gekennzeichnet „ dass der zweite Abschnitt der Juassenfaijig im .anfangs umverforiaten Zustand eine Verjüngung aufweist ₉ die größer ist als die nach Torn gerichtete Verjüngung des zweiten Kopfabschnittes »

12© Befestigungsmittel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verjüngungsabschnitt des Kopfes vollständig an der zweiten Verjüngungsfläche der Aussenkung anliegt_f

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die derart kaltbearbeitet ist* dass deren Vergungungswinkel dem Verjüngüngswinkel des zweiten Kopfabschnittes entspricht, dass der am weitesten außen gelegene Teil der zweiten VerjÜngung der Aussenkung bis zu 0,025 mm kaltbearbeitet ist, und dass der am weitesten innen gelegene Teil der zweiten Verjüngung der Aussenkung bis zu 0,3 mm kaltbearbeitet ist«

13· Kombination nach einem der Ansprüche 6 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Stirnfläche im wesentlichen mit einer Ebene fluchtet, die von der Außenseite des Werkstückes bestimmt wird.

14· Verfahren zum Eintreiben eines Befestigungsmittels nach Anspruch 10 in ein Werkstück nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft des Befestigungsmittels teilweise in die Bohrung des Werkstückes eingesetzt wird, dass auf die Stirnfläche des Kopfes ein erster Schlag ausgeführt wird, um den zweiten Kopfabschnitt zum Teil in die Aussenkung einzusetzen, und dass auf die Stirnfläche des Kopfes ein zweiter Schlag ausgeführt wird, um den Kopf vollständig in die Aussenkung einzusetzen, wobei die Stirnfläche in eine Lage versetzt wird, in der sie in wesentlichen mit der von der Außenseite des Werkstückes bestimmten Ebene fluchtet.

15· Verfahren zum Eintreiben eines Befestigungsmittels nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft des Befestigungsmittels teilweise in eine Bohrung eines Werkstückes eingesetzt wird, und dass auf die Stirnfläche des Kopfes ein Schlag ausgeführt wird, bei dem der Kopf in die Aussenkung vollständig eingeführt wird, während zugleich eine Kaltbearbeitung des Materials des Werkstückes erfolgt, mit dem der sich nach vorn verjüngende zweite Abschnitt im Eingriff steht, wobei ein ringförmiger abdichtender Eingriff des ersten, sich nach vorn verjüngenden Abschnittes nit dem umgebenden Material des Werkstückes hergestellt wird, wobei ferner die Stirnfläche in eine Lage versetzt wird, in der sie mit der .von der Außenseite des Werkstückes bestimmten Ebene fluchtet. __..■_

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