JP5152930B2 - 摩擦溶接継手用固定要素 - Google Patents

Description

この発明は、固定要素が平らな部品に加える回転力および軸方向力によってその部品に対して連結する摩擦溶接のための摩擦表面を形成する同心の端面と、その端面上に径方向に配向された複数の尾根部とを有する、固定要素に関する。

ＤＥ ２０１ ０９ ３５９ Ｕ１によって軽金属ボルトとして設計される固定要素では、ボルトの同心の端面は、径方向に配向された摩擦溶接目的の尾根部を既に備え、この尾根部は星形の切断刃の役割をし、この設計により、金属板上に形成された酸化物層を機械的に切り離すことができ、その結果、安全な摩擦溶接継手が軽金属ボルトとアルミニウム板との間で生成され得る。この先行技術によれば、フライス刃状の切断刃として設計されている尾根部が、摩擦溶接プロセスによって可塑化された材料と一緒に、シート上に存在する酸化物層を環状の尾根部の連結ゾーンから離して外向きに運ぶ。したがって、汚染物質を代表する酸化物は可塑化されたボルト材料と混合され、環状の尾根部に向かって外向きに運ばれ、そこで汚染物質が浸透したボルト材料が環状の尾根部の形のボルト溶接継手に安定性を与える一方、実際の連結ゾーンはもはやボルト端面の領域においてボルト溶接継手のために使用できるいかなるボルト材料も有さない。

この発明の目的は上記の固定要素を設計することであり、この固定要素は、一方では汚染物質が摩擦溶接中に安全になくされるような、しかしながら他方では固定要素およびそこに固定される部品の可塑化された材料が摩擦溶接継手の生成のために最適に利用されるような方法で、その端面上に径方向に配向された複数の尾根部を備える。

この発明によれば、この目的は、摩擦表面に導入された前溝によって尾根部が制限されていることによって達成され、尾根部は摩擦表面から軸方向にほんの僅かに隆起し、摩擦溶接プロセス中に掻取られた材料を前溝に押込む、掻取り表面を備える。

前溝が摩擦表面に導入され、尾根部が摩擦表面から軸方向にほんの僅かに隆起する態様で、固定要素の端面上の各尾根部の前に前溝を形成することによって、まず掻取り面が、摩擦溶接中に尾根部によって前溝に押込まれる汚染物質、特に酸化物を擦り取ることを引起すが、尾根部は摩擦表面より僅かに高く隆起しているためにボルトの溶接中に迅速に磨耗するので、その結果、固定要素の摩擦表面は極めて迅速に部品の表面と直接接触するようになり、結果として極めて迅速な摩擦作用と、そのために固定要素および部品の両方の材料の可塑化とを生じ、次にこの材料すべてが実際に固定要素の端面全体にわたる摩擦溶接継手の形成にも利用できるようになる。これは、結果として固定要素と部品との間の特に安全な継手を生じ、これはまた、所与の寸法により、自動製造工程において特に迅速に生産することができる。摩擦表面を設計する際に、尾根部の各々が前溝および後溝によって回転方向に両側で制限されるようにすることもでき、摩擦表面によって剥ぎ取られた関連する尾根部の残った材料は塑性変形によって後溝に押込まれる。前溝に加えて後溝を与えることは、摩擦溶接中に掻取り去られた関連する尾根部の残った材料を後溝が収容する可能性をもたらす。その結果、この残った材料は摩擦溶接継手に押込まれないので、そこで問題を引起すことがない。摩擦表面に前溝および後溝を有する固定要素の設計はまた、摩擦溶接の目的で固定要素をいかなる方向にも回転させることを可能にする。

尾根部の設計は、平らな部品の材料の関数として適切に選択され得る。平らな部品が鋼製部品である場合、掻取り表面の片側または両側のいずれかに鋭い刃を与えることは、酸化物を取除くのに好都合である。両側に鋭い刃があることは、特に関連する固定要素の生産技術を考慮すると有利である。しかしながら、アルミニウムなどの比較的軟質の材料が平らな部品に用いられる場合、尾根部と融合する丸み付けされた掻取り表面を有することで十分である。

摩擦溶接プロセスによって生成された径方向に外向きにも流れる擦り減った材料を収容するための、同心状の外周環状溝が端面の外側領域に適切に与えられる。次いでこの環状溝が、尾根部の前に径方向に押込まれた材料を容易に収容する。固定要素が完全に溶接された後、環状溝は外に対して径方向に封止され、その結果、環状溝に押込まれた材料は安全に囲まれていかなる種類の汚染も結果として生じることができない。

固定要素自体が特にボルトとして設計されてもよい。しかしながら、この発明の目的のためにナットを固定要素として用いることも可能である。

固定要素の摩擦表面は、円錐角α＝１６０°から１７８°の平らな円錐として形成されてもよい。凸型の円錐が用いられる場合、摩擦溶接プロセス中に摩擦表面が当初その円錐の先端によって部品と接触するという点で利点を有する。さらに、特に高圧を与えることによって、連結されるべき２つの部品が溶解すると円錐は外向きに流れ、それによって徐々に摩擦表面全体を覆う。しかしながら、凹型の摩擦表面を平らな円錐として設計することも可能である。この場合、固定要素が部品に対して押圧されると摩擦表面の外縁部がまず接触し、次に摩擦表面がその内部に摩擦溶接プロセス中に可塑化された材料を捉えてそれが外に漏れないようにする。

この発明の例示的な実施例は図面に示される。

摩擦表面に３つの径方向の尾根部を含み、各々が１つの前溝を有するボルトとして設計された、固定要素の斜視図である。 図１ａの尾根部の設計を明確にする、図１ａの図面の抜粋を示す図である。 溝、すなわち前溝、後溝によって両側を囲まれた３つの尾根部を含む固定要素として設計されたボルトを示す図である。 図１ａの図面に類似する、付加的な同心状の外周環状溝を含むボルトを示す図である。 図１の断面線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図であって、摩擦表面および掻取り表面の両方に同軸の円錐が各々与えられ、円錐角α＝１６０°から１７８°である。 図４の断面面に類似の断面図であるが、摩擦表面および掻取り表面の両方が平らな設計を有する固定要素を含む。 図４の図面に類似の設計を示すが、円錐形の摩擦表面および平らな掻取り表面を有する図である。 ナットとして設計された固定要素を示す図である。 図７の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った断面図を示す図である。

図１ａは、シャンク２およびボルトヘッド３を含むボルトとして設計された固定要素１を示し、この場合駆動要素にクランプ締めするために六角形に設計されている。ヘッド３は、シャンク２の反対側に摩擦表面４として設計される端面を有する。径方向に外向きに延在する３つの尾根部５、６および７が摩擦表面から隆起し、各尾根部の前には、描かれ
た回転矢印すなわち時計回りの方向に従う回転方向に、前溝８および９（１０は見えない）が与えられている。これらの溝が尾根部５、６および７を回転方向に制限する。尾根部５、６および７は、摩擦表面４からほんの僅かに隆起し、各々は摩擦表面４から反対を向いて側面に掻取り表面（図１ａの尾根部５を参照）を有する。掻取り表面は図１ｂでより明らかに示され、より極めて詳しく下記に説明される。尾根部５、６および７の隆起した高さまたは軸方向にこれらを制限する掻取り表面１１の高さは、僅か１．０ｍｍ未満である。尾根部５、６および７は硬化されているのが有利である。

掻取り表面１１は平面上にともにあってもよい。しかしながら、図４、図５および図６に関して下記に示されるように、掻取り表面１１は同軸の円錐（図４および図５に関して下記に詳述される）の形で与えられてもよい。固定要素１は摩擦溶接の目的で平らな部品に対して押圧され、回転運動に置かれる。これはまず掻取り表面１１と平らな部品との接触によって部品の表面が掻き取られることを引起こし、それによって部品の表面を後の実際の摩擦溶接プロセスのためにクリーニングする。表面から掻取られた材料、たとえば汚染物質、酸化物などは、尾根部５、６および７によって回転方向に押込まれ、したがって隣接する前溝８、９または１０に達し、この取除かれた材料は続く摩擦溶接プロセスに干渉しない。部品に対して構造部材１を対応して回転させ、押圧することによって、一緒に摩擦し合う表面は摩擦溶接中に摩擦により公知の態様で熱せられ、部品の材料は一緒に押圧されて結局は柔らかくなり、それによって摩擦溶接プロセスが完成する。尾根部５、６および７に由来する材料も、前溝８、９および１０に大部分が押込まれ、その結果、この材料は摩擦溶接継手に干渉することができない。

図１ａに示される固定要素は、その軸中心に同心ボア２８を有し、その中へ尾根部５、６、および７、ならびに前溝８、９および１０が延びる。

図１ｂは図１ａの抜粋の斜視図であって、尾根部５の断面が明らかに示される。これは掻取り表面１１によって軸方向に外に対して制限され、尾根部５の回転方向に前に前溝８を有し、前溝は擦り減った材料および尾根部５の残った材料を収容するために用いられる。

図２は図１による設計の修正を示し、図１ａの図面と類似の設計を有するボルトとして設計される固定要素１が再び示される。しかしながら、この場合の固定要素１は、摩擦表面４の３つの尾根部１２、１３および１４に加えて、前溝１５、１６および１７、ならびに後溝１８、１９および２０を有し、これにより尾根部１２、１３および１４のみの材料の収容容量に比べて収容容量が増加する。これによりさらに、固定要素１を、反時計回りの方向と同様に時計回りの方向にも取付けることが可能になる。図１ａおよび図１ｂに関する説明がここでも参照される。

図３は、ボルトとして設計された固定要素１を再び示す。それは、大部分が図１ａによる図面に対応するが、その摩擦表面２１の領域に同心状の外周環状溝２２を有する。この環状溝は、尾根部２３、２４および２５によって径方向に押込まれ得るすべての材料を収容するために用いられる。

図４は、図１ａの線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図を示し、この場合、摩擦表面２６および掻取り表面２７の両方が同軸の平らな円錐、すなわち角度α＝１７５°を有する円錐のように形成されることを示しており、この角度が１６０°から１７８°の範囲にあってもよいことに注意される。摩擦表面２６および掻取り表面２７の両方が同じ角度で傾斜する。その結果、固定要素１が部品に対して押圧されると固定要素の端面の中央の領域が部品に接触するようになり、これは掻取り表面にも、後には摩擦表面にもあてはまる。この特定の実施例を用いる場合、摩耗および摩擦溶接作用がヘッド３の中央に生じ、その後掻取り
作用および摩擦溶接作用が、外に対し、かつヘッド３の端面全体にわたって、径方向に延在する。

図５は、図４による図面の変形例を示す。掻取り表面２９および摩擦表面３０は部品１の長手軸に対して直角に位置決めされる。したがってこの特定の実施例では、掻取り表面２９は、部品と接触するようにされると表面の全長にわたって部品に対して押圧し、その後摩擦表面３０が続いてこの表面全体にわたって部品と接触するようになる。

図６は、図４による図面のさらなる変形例を示し、掻取り表面３１は全面的に平坦である一方、図３に示されるように、摩擦表面３２が平らな円錐のように形成されている。

図４、図５および図６による固定要素については、ここで示されたボルトは各々シャンク２にねじが与えられることにさらに注意されるべきである。これは、摩擦溶接後、関連するボルトには、任意の追加部品に捩じ込む目的または他の目的のために、当然にねじ接続部が与えられ得ることを単に示そうと意図している。

図７は固定要素３３の斜視図を示し、固定要素３３は六角ナットとして設計されており、その一方端面に摩擦表面３４を有する。図１ａによる設計のように、３つの尾根部３５、３６および３７が摩擦表面３４に与えられ、これらの尾根部は、その前に延びる前溝とともに、掻取られたか別の方法で取除かれた材料を図１ａの図面と同じ態様で収容する。

図８は、線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った断面図で固定要素３３を示し、この場合、摩擦表面３４が凹型の円錐状に形成されることを示し、これにより、この固定要素が適所に設定されると摩擦表面３４の外縁部がまず部分の表面と接触することを引き起こし、そのため外から内に摩擦溶接プロセスが進む。

Claims (15)

1. 固定要素が平らな部品に加える回転力および軸方向力によってその部品に対して連結する摩擦溶接のための摩擦表面（４）を形成する同心の端面を有し、かつ複数の径方向の尾根部（１２、１３、１４）を有する固定要素（１）であって、尾根部（１２、１３、１４）は、各々摩擦表面（４）に導入された前溝（１５、１６、１７）および後溝（１８、１９、２０）によって両側で回転方向に制限され、尾根部（１２、１３、１４）は摩擦表面（４）から軸方向にほんの僅かに隆起し、摩擦溶接プロセス中に掻取られた材料を前溝（１５、１６、１７）に押込む掻取り表面（１１）を備え、摩擦表面（４）によって擦り減った関連する尾根部の残った材料は後溝（１８、１９、２０）に押込まれることを特徴とする、固定要素。
2. 掻取り表面（１１）の片側に鋭い刃が与えられることを特徴とする、請求項１に記載の固定要素。
3. 尾根部の両側に鋭い刃が与えられることを特徴とする、請求項１に記載の固定要素。
4. 丸み付けされた掻取り表面が尾根部と融合することを特徴とする、請求項１に記載の固定要素。
5. 端面はその外側領域に同心状の外周環状溝（２２）を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の固定要素。
6. 端面には同心ボア（２８）が与えられることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の固定要素。
7. 固定要素がボルト（２）として設計されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の固定要素。
8. 固定要素がナット（３３）として設計されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の固定要素。
9. 摩擦表面が平らな設計を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の固定要素。
10. 摩擦表面（２６）は、円錐角α＝１６０°から１７８°を有する同軸の円錐を形成することを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の固定要素。
11. 掻取り表面が平らな設計を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の固定要素。
12. 掻取り表面（２７）が円錐角α＝１６０°から１７８°を有する同軸の円錐を形成することを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の固定要素。
13. 円錐が凸型の摩擦表面を形成することを特徴とする、請求項１０に記載の固定要素。
14. 円錐が凹型の摩擦表面を形成することを特徴とする、請求項１０に記載の固定要素。
15. 尾根部が硬化されることを特徴とする、請求項１から１４のいずれかに記載の固定要素。

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