WO2013020658A1 - Verbindung zumindest zweier aneinander anliegender bauteile mittels eines stiftförmigen verbindungselements - Google Patents

Verbindung zumindest zweier aneinander anliegender bauteile mittels eines stiftförmigen verbindungselements Download PDF

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WO2013020658A1
WO2013020658A1 PCT/EP2012/003165 EP2012003165W WO2013020658A1 WO 2013020658 A1 WO2013020658 A1 WO 2013020658A1 EP 2012003165 W EP2012003165 W EP 2012003165W WO 2013020658 A1 WO2013020658 A1 WO 2013020658A1
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connecting element
compound according
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component
shaft
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PCT/EP2012/003165
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Jürgen Amedick
Christian SCHÜBELER
Christian BOROWETZ
Günter KLAWITTER
Marc Michaelis
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B19/00—Bolts without screw-thread; Pins, including deformable elements; Rivets
    • F16B19/14—Bolts or the like for shooting into concrete constructions, metal walls or the like by means of detonation-operated nailing tools

Definitions

  • the present invention relates to a connection of at least two adjoining components by means of a pin-shaped connecting element according to the preamble of
  • Such a compound is known from DE 10 2007 030 806 A1 or from
  • the connecting element used in WO 2009 / 003569A1 is a simple friction nail, the cylindrical shaft of which has a smooth surface which has only one
  • the object of the invention is the known compound by modification of
  • the invention is based on the recognition that only a limited connection rigidity can be achieved with the material connection between the friction nail and the joining partner known from the prior art.
  • the shaft surface of the connecting element is not smooth, but executed with a structure in which the
  • the shaft of the connecting element according to the characterizing part of claim 1 is at least partially provided with elevations and / or depressions, which by flowing the heated material during driving a positive connection between the
  • CONFIRMATION COPY Establish connecting element and at least one of the components.
  • a friction-welded connection does not necessarily have to be produced, but it may already be sufficient to create a non-positive and positive connection by the said features, which can be manufactured reliably and enables faster production cycles.
  • the processing forces and the temperature load of the components to be connected can be advantageously reduced.
  • the connection can also lead by appropriate control of the process parameters in addition to a welding of the contact surfaces, whereby the strength of the compound is further increased.
  • Form-fitting structure on the shaft surface may protrude beyond the shaft surface or be recessed with respect to the shaft surface.
  • the shaft surface may preferably have at least two partial sections, of which the first partial section is provided with the elevations and / or depressions.
  • the second section can have a smooth surface structure compared to the first section. The elevations / depressions of the first subsection therefore project beyond the surface structure of the second subsection or are reset therefrom.
  • the component connection according to the invention comprises both a connection in which the connecting element penetrates the lower component, as well as a connection in which the shaft tip of the connecting element remains covered by the lower component.
  • the elevations and depressions can be embodied in different geometries.
  • the elevations and depressions on the connecting element can be formed by a specific roughness of the surface of the shank and / or by a corrugated profile or corrugation into which the material of the components heated by the driving / joining process can "flow in” or diffuse and thus reliably the force and
  • Structural features vary over the length of the connecting element.
  • the angle of the webs formed by the elevations and / or depressions can be made between 0 ° (paraxial) and 90 ° (circumferential), wherein these can also be made different levels over the length of the shaft.
  • the corrugation may be formed by way of example linear, circumferential and / or pyramidal.
  • substantially only the portion of the shank of the connecting element can have elevations and / or depressions which, in the end stage, project through the supporting component of the connection.
  • This can be with an optionally still sufficient strength additionally allow a reduced manufacturing cost and in particular a further reduced production time, which in particular in a large-scale production no
  • the portion of the shank of the connecting element penetrating the component to be fastened may be reduced slightly in diameter relative to a nominal diameter and pass over in a component-holding, larger-diameter head. This leads advantageously to a reduction of the material stresses in the component to be fastened, wherein the holding forces of the compound are then increasingly supported over the head of the connecting element.
  • Shank portion is also applicable to a connecting member whose shaft has a smooth surface structure without the above-mentioned elevations / depressions.
  • Connecting element is coated on the shaft with a coating of a lower melting solder.
  • the process parameters can then be designed so that only one process temperature within the liquidus temperature of the solder (for example, a silver solder or brazing alloy) must be achieved, in addition to a high-strength
  • soldering material coating is also applicable to a connecting element shaft, which has a consistently smooth surface structure without elevations / depressions.
  • the connecting element may be provided with a corrosion-inhibiting coating (for example ZnNi), which allows the connection to be used even in more difficult environmental conditions and under long-term loading.
  • a corrosion-inhibiting coating for example ZnNi
  • the tool for producing the connection may have a hold-down device to be placed on the at least one component to be connected.
  • the connecting element is arranged and acted upon by a drivable plunger in the axial direction and rotation direction.
  • the hold-down ensures reliable and reproducible procedures and helps to ensure that the Driving in the connecting element forming projections and passages deliberately formed and unwanted distortions are avoided.
  • the material protrusions and passages mentioned above are due to material displacement during the joining process.
  • the passages extend in the joining direction of the connecting element, while the projections extend opposite to the joining direction.
  • the two joining partners are a high-strength load-bearing sheet steel part and an aluminum sheet part to be fastened thereto.
  • the resulting during the joining process stiff material projection of the sheet steel part displaces the soft
  • the components to be connected may be supported on an opposing die of the tool which influences the contour of the passage produced by the connecting element, so that the hold-down device and the die cooperate in a targeted manner. It goes without saying that a die can only be connected to the two-sided accessibility
  • Components for example, plates and / or sheets
  • Components can be used according to the invention.
  • the axial contact pressure on the connecting element and its speed can be variably controlled via the tool used. This makes it possible to advantageously control the process parameters and in particular the process temperatures so that the desired connection properties are reliably achieved.
  • Millisecond range can be a multiple of the above contact pressure. It is also advantageous if the connecting element is driven with an initial speed of at least 2000 1 / min and a final speed of at least 3500 1 / min.
  • an adhesive may additionally be introduced between the abutting surfaces of the components to be joined, which at the same time cures at the occurring process temperatures. The strength of the
  • the junction to be tempered Connecting element, the junction to be tempered. That is, the components to be joined may optionally be preheated to reduce the required contact pressures and speed up the process flow; if appropriate, however, a targeted cooling of the connection point to avoid distortion, etc. take place.
  • Fig. 1 in a longitudinal section a firm connection of two abutting components by means of a pin-shaped connecting element, which is driven by a tool self-drilling in the components and anchored in this;
  • FIG. 2 shows the connection according to FIG. 1 with a modified connecting element anchored only in one component
  • FIG. 3 shows a machining tool with a driven ram, a hold-down device and a counter-acting die for driving in the connecting element
  • FIG. 4 shows in part the machining tool according to FIG. 3, in which the die is provided with a recess forming the passage of the immediately adjacent component;
  • Figure 5 shows another machining tool on a compound in which the components are accessible only from one side and the connecting element is driven without countering die.
  • Fig. 6 in a view corresponding to Figs. 1 and 2, a further embodiment.
  • Fig. 1, 1 designates a pin-shaped, rotationally symmetrical connecting element made of steel, which consists essentially of a tip 2, a shaft 3 and a
  • the connecting element 1 is for solid connection of two flat, abutting components 5, 6 (for example, plates or sheets of metal or partially plastic) driven into this, in addition to the corresponding hole reveals through the
  • the lower, supporting component 5 may be a high-strength steel sheet part, while the upper component 6 to be fastened may be a soft aluminum sheet metal part.
  • the resulting during the joining process rigid material projection 5b of the lower component 5 displaced according to FIG. 1, the soft aluminum material of the component 6 such that the rigid material projection 5b between the passage 6a of the upper member 6 and the
  • the tip 2 of the connecting element 1 is - as can be seen from Fig. 1 - by several sections (without reference numerals) with initially larger and then decreasing
  • the tip 2 may be hardened or provided with a hard metal cap.
  • the tip 2 merges into the larger diameter shaft 3, which is cylindrical or, as in the exemplary embodiment, slightly conical with the head 4 increasing in diameter.
  • the shaft 3 has in the region of the lower component 5 a plurality of elevations and depressions (uniformly designated 3a), which are incorporated as circumferential corrugation or wave profile (this is exaggerated in FIG. 1).
  • the angle of the ribs 3a formed by the corrugation is 90 ° to the central axis of
  • Connecting element 1 but it can also be performed 0 ° (axially parallel) or intervening obliquely.
  • the section of the shaft 3 can also be designed with a cross corrugation or a specific surface roughness.
  • the elevations and / or depressions 3a can also be applied over the entire length of the shaft 3.
  • the shaft 3 of the connecting element 1 merges into the larger-diameter head 4, wherein at its bearing surface on the upper component 6, an annular undercut 4a is incorporated, which as can be seen, the projection 6b of the component 6 receives.
  • the connecting element 1 may be provided in the region of the shaft 3 with a coating of a solder which melts less than steel, for example a brazing filler metal.
  • Melting temperature of the solder is below the melting temperature of steel, so that the solder at the occurring process temperatures or when driving the connecting element 1 a solder joint or additionally produces a material connection between the connecting element and the components 5, 6 or only the component 5.
  • the connecting element 1 and / or the components 5, 6 may also be provided with a corrosion-inhibiting coating (for example made of ZnNi) in order to counteract increased corrosion at the connection point under unfavorable environmental conditions (for example saline environment).
  • a corrosion-inhibiting coating for example made of ZnNi
  • the process temperatures can be controlled so high when driving the connecting element 1, that in addition to the described positive connection and instead of the solder joint a Reibsch spatress (as known per se) between the
  • hardening adhesive are introduced, in addition to the described form-fitting strength of the connection between the connecting element 1 and the components 5, 6 reinforced and additionally produces an adhesive bond between the components 5 and 6.
  • FIG. 2 shows a modified connecting element 1 which is described only insofar as it differs substantially from the connecting element 1 according to FIG. Functionally identical parts are provided with the same reference numerals.
  • the connecting element 1 shown in FIG. 2 has a comparison with FIG. 1
  • the section 3b causes after the driving of the connecting element 1 in the components 5, 6, a small circumferential gap is formed to be fastened component 6, the
  • Fig. 3 shows only roughly schematically a machining tool 8 for driving the
  • the tool 8 has u.a. a lowerable hold-down 9, within which the
  • Connecting element 1 can be used.
  • a rotatable in the hold-down 9 and axially displaceable plunger 10 is connected via a positive connection (not shown) with the head 4 of the connecting element 1, so that the connecting element 1 hydraulically, pneumatically or by electric motor (not shown) with a contact force F A axially acted upon and via a rotary drive with a speed n is operable.
  • an opposing die 11 is provided on the machining tool 8.
  • the plunger 10 drives at first a speed n of about 2000 1 / min, the connecting element 1 and exerts a contact force F A , which initially causes heating of the upper member 6.
  • Temperature exposure could be generated via the machining tool 8, for example via integrated, inductive electrical coils.
  • the final rotational speed of the connecting element 1 is preferably about 3500 1 / min, before the machining process is completed when the final temperature of the components 5, 6 and with the head 4 on the component 6 seated connecting element 1.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which serving as a counter-mold 12 of the machining tool 8 not shown is provided with a recess 12a, the targeted deformation or adaptation of the lower passage 5a of the lower component 5 to the tip 2 of the connecting element 1 causes. This can u.a. undesirable
  • Formations or cracks on the bottom of the component 6 are counteracted.
  • Fig. 5 shows an embodiment of the compound with the
  • the machining tool 8 can also be designed so that, instead of additional, external heating or in addition, cooling at the connection point can take place, in order to avoid material distortion or excessively damaging excess temperatures (for example in the case of a plastic component 6) during the machining process.
  • FIGS. 1 and 2 are made by the corrugation 3a in the shaft surface of the connecting element undercut formations between the
  • the corrugation 3a is designed such that the joining part material is removed so that no exposed chips are formed. This is done in Fig. 6 by way of example by a corrugation 3a, which is designed as a coarse thread.
  • a corrugation 3a which is designed as a coarse thread.
  • the largest possible element shaft area can be connected in a material-bonded manner to the joining part passages 5 a, in particular on the lower component 5.
  • the coarse thread 3a there is the possibility of producing a detachable connection.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindung zumindest zweier aneinander anliegender Bauteile (5, 6) mittels eines stiftförmigen Verbindungselements (1) mit einem Schaft (3), der in eine Spitze (2) übergeht und einen ausgeweiteten Kopf (4) zum Eintreiben des Verbindungselementes (1) unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung über ein Werkzeug (8) aufweist, wobei die feste Verbindung über Reibungserhitzen und lokale Verformung der Bauteilwerkstoffe erzeugt ist. Erfindungsgemäß ist der Schaft (3) zumindest abschnittsweise mit Erhöhungen und/oder Vertiefungen (3a) versehen, die durch ein Fließen des erhitzten Materials einen Formschluss zwischen dem Verbindungselement (1) und zumindest einem der Bauteile (5, 6) herstellen.

Description

Beschreibung
VERBINDUNG ZUMINDEST ZWEIER ANEINANDER ANLIEGENDER BAUTEILE MITTELS EINES STIFTFÖRMIGEN VERBINDUNGSELEMENTS
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindung zumindest zweier aneinander anliegender Bauteile mittels eines stiftförmigen Verbindungselements gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Eine derartige Verbindung ist aus der DE 10 2007 030 806 A1 oder aus der
WO 2009/003569 A1 bekannt. Dabei wird ein, eine Spitze und einen konischen Schaft aufweisendes Verbindungselement aus Stahl mit hoher Anpresskraft und unter
Rotationsbeaufschlagung in die zu verbindenden Bauteile eingetrieben. Durch die auftretenden hohen Temperaturen erfolgt eine Reibschweißverbindung zwischen dem Verbindungselement und dem sich einstellenden Durchzug in den Bauteilen.
Das in der WO 2009/003569A1 benutzte Verbindungselement ist ein einfacher Reibnagel, dessen zylindrischer Schaft eine glatte Oberfläche aufweist, die lediglich eine
Stoffschlussverbindung mit den Fügepartnern, das heißt den zu verbindenden Bauteilen, eingeht.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Verbindung durch Modifikation des
Verbindungselements und der Prozessparameter weiter zu optimieren.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass mit der aus dem Stand der Technik bekannten Stoffschlussverbindung zwischen dem Reibnagel und den Fügepartner nur eine begrenzte Verbindungssteifigkeit erreichbar ist. Vor diesem Hintergrund wird die Schaftoberfläche des Verbindungselements nicht glatt, sondern mit einer Struktur ausgeführt, in die der
Fügeteilwerkstoff hineinfließt, was eine Hinterschnittbildung zur Folge hat. Entsprechend wird der Schaft des Verbindungselements gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 zumindest abschnittsweise mit Erhöhungen und/oder Vertiefungen versehen, die durch Fließen des erhitzten Materials beim Eintreibvorgang einen Formschluss zwischen dem
BESTÄTIGUNGSKOPIE Verbindungselement und zumindest einem der Bauteile herstellen. Dem Erfindungsvorschlag zufolge muss nicht zwangsläufig eine Reibschweißverbindung hergestellt werden, sondern es kann bereits ausreichend sein, durch die besagten Merkmale eine kraft- und formschlüssige Verbindung zu schaffen, die prozesssicher herstellbar ist und schnellere Fertigungstakte ermöglicht. Die Bearbeitungskräfte und die Temperaturbelastung der zu verbindenden Bauteile kann vorteilhaft verringert werden. Gegebenenfalls kann die Verbindung aber auch durch entsprechende Steuerung der Prozessparameter zusätzlich zu einer Verschweißung der Kontaktflächen führen, wodurch die Festigkeit der Verbindung weiter gesteigert ist. Die
Formschlusstruktur auf der Schaftoberfläche kann über die Schaftoberfläche hinausragen oder mit Bezug auf die Schaftoberfläche zurückgesetzt sein.
Bevorzugt kann die Schaftoberfläche zumindest zwei Teilabschnitte aufweisen, von denen der erste Teilabschnitt mit den Erhöhungen und/oder Vertiefungen versehen ist. Der zweite Teilabschnitt kann im Unterschied dazu eine im Vergleich zum ersten Teilabschnitt glatte Oberflächenstruktur aufweisen. Die Erhöhungen/Vertiefungen des ersten Teilabschnittes ragen daher über die Oberflächenstruktur des zweiten Teilabschnittes hinaus bzw. sind davon zurückgesetzt.
Die erfindungsgemäße Bauteil-Verbindung umfasst sowohl eine Verbindung, bei der das Verbindungselement das untere Bauteil durchdringt, als auch eine Verbindung, bei der die Schaftspitze des Verbindungselements vom unteren Bauteil überdeckt bleibt.
Die Erhöhungen und Vertiefungen können in unterschiedlichen Geometrien ausgeführt sein. Bevorzugt können die Erhöhungen und Vertiefungen an dem Verbindungselement durch eine gezielte Rauhigkeit der Oberfläche des Schaftes und/oder durch ein Wellenprofil oder eine Riffelung gebildet sein, in die das durch den Eintreibvorgang/Fügevorgang erhitzte Material der Bauteile„einfließen" oder eindiffundieren kann und somit zuverlässig den Kraft- und
Formschluss erzeugt. Dabei kann die Differenz zwischen höchsten und tiefsten
Strukturmerkmalen über die Länge des Verbindungselements variieren.
Im Falle einer Riffelung kann der Winkel der durch die Erhöhungen und/oder Vertiefungen gebildeten Stege zwischen 0° (achsparallel) und 90° (umlaufend) ausgeführt sein, wobei diese zudem über die Länge des Schafts unterschiedlich hoch ausgeführt sein können. Die Riffelung kann beispielhaft linienförmig, umlaufend und/oder pyramidenförmig ausgebildet sein.
Bevorzugt kann im Wesentlichen nur der Abschnitt des Schaftes des Verbindungselements Erhöhungen und/oder Vertiefungen aufweisen, der im Endstadium das tragende Bauteil der Verbindung durchragt. Dies kann bei einer gegebenenfalls noch ausreichenden Festigkeit zusätzlich einen verringerten Fertigungsaufwand und insbesondere eine weiter verkürzte Fertigungszeit ermöglichen, was insbesondere bei einer Großserienfertigung keinen
unerheblichen Kostenvorteil darstellt.
Dazu kann alternativ oder zusätzlich der das zu befestigende Bauteil durchdringende Abschnitt des Schaftes des Verbindungselementes geringfügig im Durchmesser gegenüber einem Nenndurchmesser verringert sein und in einem das Bauteil haltenden, durchmessergrößeren Kopf übergehen. Dies führt vorteilhaft zu einer Verringerung der Werkstoffspannungen in dem zu befestigenden Bauteil, wobei die Haltekräfte der Verbindung dann vermehrt über den Kopf des Verbindungselements abgestützt werden. Ein derart durchmesserreduzierter
Schaftabschnitt ist auch auf ein Verbindungselement anwendbar, dessen Schaft eine durchgängig glatte Oberflächenstruktur ohne die oben erwähnten Erhöhungen/Vertiefungen aufweist.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, dass bei einem
Verbindungselement aus Stahl und zumindest dem tragenden Bauteil aus Metall das
Verbindungselement am Schaft mit einer Beschichtung aus einem niedriger schmelzenden Lot überzogen ist. Die Prozessparameter (Anpressdruck, Drehzahl) können dann so ausgelegt werden, dass nur eine Prozesstemperatur im Rahmen der Liquidustemperatur des Lots (zum Beispiel ein Silberlot oder Hartlot) erreicht werden muss, um zusätzlich eine hochfeste
Lötverbindung zwischen dem Verbindungselement und den Bauteilen herzustellen.
Eine solche Lötverbindung ist alternativ oder zusätzlich zur oben ausgeführten Erfindungsidee anwendbar, um die Verbindungsfestigkeit zu steigern. So ist der Lotmaterial-Überzug auch auf einen Verbindungselementschaft anwendbar, der eine durchgängig glatte Oberflächenstruktur ohne Erhebungen/Vertiefungen aufweist.
Alternativ kann bei einem Verbindungselement aus Stahl und zumindest dem tragenden Bauteil aus Metall das Verbindungselement mit einer korrosionshemmenden Beschichtung (zum Beispiel ZnNi) versehen sein, was einen Einsatz der Verbindung auch bei schwierigeren Umweltbedingungen und bei Langzeitbelastungen ermöglicht.
In bevorzugter, weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Werkzeug zur Herstellung der Verbindung einen auf das zumindest eine zu verbindende Bauteil aufsetzbaren Niederhalter aufweisen. Innerhalb des Niederhalters ist das Verbindungselement angeordnet und über einen antreibbaren Stößel in Axialrichtung und Rotationsrichtung beaufschlagbar. Der Niederhalter stellt prozesssicher darstellbare Verfahrensabläufe sicher und trägt dazu bei, dass die beim Eintreiben des Verbindungselements sich ausbildenden Auskragungen und Durchzüge gezielt ausgeformt und unerwünschte Verzüge vermieden werden.
Die oben erwähnten Material-Auskragungen sowie Durchzüge ergeben sich aufgrund von Materialverdrängung während des Fügevorgangs. Dabei erstrecken sich die Durchzüge in der Fügerichtung des Verbindungselementes, während sich die Auskragungen entgegen der Fügerichtung erstrecken.
In einer bevorzugten Bauteilverbindung sind die beiden Fügepartner ein hochfestes tragendes Stahlblechteil sowie ein daran zu befestigendes Aluminiumblechteil. Die beim Fügevorgang entstehende steife Materialauskragung des Stahlblechteiles verdrängt dabei das weiche
Aluminiummaterial des Aluminium-Blechteils derart, dass sich die steife Materialauskragung zwischen den Durchzug des Aluminium-Blechteils und dem Verbindungselement-Schaft hinein verlagert. Dadurch wird die Formschlussverbindung zwischen den beiden Bauteilen beträchtlich erhöht. Eine derartige Formschlussverbindung zwischen der Materialauskragung des tragenden Bauteils und dem Durchzug des daran zu befestigenden Bauteils ist generell auch bei anderen Material-Kombination ermöglicht.
Des Weiteren können die zu verbindenden Bauteile auf einer gegenüberliegenden, die Kontur des durch das Verbindungselements erzeugten Durchzugs beeinflussenden Matrize des Werkzeugs abgestützt sein, so dass Niederhalter und Matrize gezielt zusammenwirken. Es versteht sich, dass eine Matrize nur bei beidseitiger Zugänglichkeit der zu verbindenden
Bauteile (zum Beispiel Platten und/oder Bleche) erfindungsgemäß verwendbar ist.
In vorteilhafter, weiterer Ausgestaltung der Erfindung können der axiale Anpressdruck auf das Verbindungselement und dessen Drehzahl über das eingesetzte Werkzeug variabel gesteuert sein. Damit gelingt es, die Prozessparameter und insbesondere die Prozesstemperaturen vorteilhaft so zu steuern, dass die angestrebten Verbindungseigenschaften prozesssicher erreicht werden.
Dabei kann mit zunehmendem Eindringen des Verbindungselements in die Bauteile die
Drehzahl des Verbindungselements erhöht und gegebenenfalls der maximale Anpressdruck (FA zum Beispiel = 5 kN) vermindert werden. Bei mehreren, mit einem tragenden Bauteil zu verbindenden Lagen von Bauteilen können mehrere, variable Drehzahlen und Anpressdrücke sowie Eintreibimpulse zeitlich hintereinander gesteuert sein. Die Eintreibimpulse im
Millisekundenbereich können dabei ein Mehrfaches des vorstehenden Anpressdruckes betragen. Vorteilhaft ist es ferner, wenn das Verbindungselement mit einer Anfangsdrehzahl von zumindest 2000 1/min und einer Enddrehzahl von zumindest 3500 1/min angetrieben wird. In einer möglichen, vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung kann zusätzlich zwischen die aneinanderliegenden Flächen der zu verbindenden Bauteile ein Klebstoff eingebracht sein, der bei den auftretenden Prozesstemperaturen zugleich aushärtet. Die Festigkeit der
Verbindung kann somit bei geringem Mehraufwand zusätzlich gesteigert werden.
Schließlich kann über das Werkzeug, den Niederhalter des Werkzeugs und/oder das
Verbindungselement die Verbindungsstelle temperiert werden. D.h., dass die zu verbindenden Bauteile gegebenenfalls vorerwärmt werden können, um die erforderlichen Anpressdrücke zu vermindern und den Prozessablauf zu beschleunigen; gegebenenfalls kann aber auch eine gezielte Kühlung der Verbindungsstelle zur Vermeidung von Verzügen, etc. erfolgen.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der beiliegenden, schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in einem Längsschnitt eine feste Verbindung zweier aneinander anliegender Bauteile mittels eines stiftförmigen Verbindungselements, das über ein Werkzeug selbstbohrend in die Bauteile eingetrieben und in diesen verankert ist;
Fig. 2 die Verbindung nach Fig. 1 mit einem modifizierten Verbindungselement, das nur in einem Bauteil verankert ist;
Fig. 3 ein Bearbeitungswerkzeug mit einem angetriebenen Stößel, einem Niederhalter und einer gegenhaltenden Matrize zum Eintreiben des Verbindungselements;
Fig. 4 teilweise das Bearbeitungswerkzeug nach Fig. 3, bei dem die Matrize mit einer den Durchzug des unmittelbar benachbarten Bauteiles formenden Ausnehmung versehen ist;
Fig. 5 ein weiteres Bearbeitungswerkzeug an einer Verbindung, bei der die Bauteile nur von einer Seite zugänglich sind und das Verbindungselement ohne gegenhaltende Matrize eingetrieben wird; und
Fig. 6 in einer Ansicht entsprechend der Fig. 1 und 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel.
In der Fig. 1 ist mit 1 ein stiftförmiges, rotationssymmetrisches Verbindungselement aus Stahl bezeichnet, das sich im Wesentlichen aus einer Spitze 2, einem Schaft 3 und einem
durchmessergrößeren Kopf 4 zusammensetzt. Das Verbindungselement 1 ist zur festen Verbindung zweier flächiger, aneinander anliegender Bauteile 5, 6 (zum Beispiel Platten oder Bleche aus Metall oder teilweise Kunststoff) in diese eingetrieben, wobei sich neben den entsprechenden Bohrungslaibungen durch die
Materialverdrängungen nach unten ringförmige Durchzüge 5a, 6a und nach oben ringförmige Auskragungen 5b, 6b ausbilden. Entsprechend erstrecken sich die Durchzüge 5a, 6a in der Fügerichtung des Verbindungselements und die Auskragungen 5b, 6b entgegen der
Fügerichtung.
Beispielhaft kann das untere, tragende Bauteil 5 ein hochfestes Stahlblechteil sein, während das obere, zu befestigende Bauteil 6 ein weiches Aluminiumblechteil sein kann. Die beim Fügevorgang entstehende steife Materialauskragung 5b des unteren Bauteils 5 verdrängt gemäß der Fig. 1 das weiche Aluminiummaterial des Bauteils 6 derart, dass sich die steife Materialauskragung 5b zwischen dem Durchzug 6a des oberen Bauteils 6 und dem
Verbindungselement-Schaft 3 hinein verlagert.
Die Spitze 2 des Verbindungselements 1 ist - wie aus Fig. 1 ersichtlich ist - durch mehrere Abschnitte (ohne Bezugszeichen) mit zunächst größerem und dann abnehmendem
Konuswinkel so ausgeführt, dass sie im Wesentlichen ohne Zerstörung die flächigen Bauteile 5, 6 entsprechend aufweiten kann. Die Spitze 2 kann gehärtet oder mit einer Hartmetallkappe versehen sein.
Die Spitze 2 geht in den durchmessergrößeren Schaft 3 über, der zylindrisch oder wie im Ausführungsbeispiel leicht konisch mit zum Kopf 4 hin zunehmendem Durchmesser ausgeführt ist.
Der Schaft 3 weist im Bereich des unteren Bauteiles 5 mehrere Erhöhungen und Vertiefungen (einheitlich mit 3a bezeichnet) auf, die als umlaufende Riffelung beziehungsweise Wellenprofil eingearbeitet sind (dies ist in der Fig. 1 übertrieben dargestellt). Der Winkel der durch die Riffelung gebildeten, umlaufenden Stege 3a beträgt 90° zur Mittelachse des
Verbindungselements 1 , er kann aber auch 0° (achsparallel) oder dazwischenliegend schräg ausgeführt sein.
Abweichend zum Ausführungsbeispiel kann der Abschnitt des Schaftes 3 auch mit einer Kreuzriffelung oder einer gezielten Oberflächen-Rauhigkeit ausgeführt sein. Die Erhöhungen und/oder Vertiefungen 3a können auch über die gesamte Länge des Schaftes 3 aufgebracht sein. Der Schaft 3 des Verbindungselements 1 geht in den durchmessergrößeren Kopf 4 über, wobei an dessen Auflagefläche am oberen Bauteil 6 ein ringförmiger Hinterschnitt 4a eingearbeitet ist, der wie ersichtlich ist die Auskragung 6b des Bauteils 6 aufnimmt.
Beim Eintreiben des Verbindungselements 1 (wird nachstehend beschrieben) in die Bauteile 5, 6 entsteht im Verbindungsbereich durch die Reibungskräfte eine hohe Temperatur, die u.a. bewirkt, dass das verdrängte Material der Bauteile 5, 6 in die Erhöhungen und Vertiefungen bzw. in die Riffelung 3a des Schaftes 3 einfließt bzw. eindiffundiert und somit u.a. eine
Formschlussverbindung herstellt, die die Festigkeit der Verbindung wesentlich erhöht.
Das Verbindungselement 1 kann im Bereich des Schaftes 3 mit einer Beschichtung aus einem niedriger als Stahl schmelzenden Lot, zum Beispiel einem Hartlot, versehen sein. Die
Schmelztemperatur des Lots liegt unterhalb der Schmelztemperatur von Stahl, so dass das Lot bei den auftretenden Prozesstemperaturen bzw. beim Eintreiben der Verbindungselements 1 eine Lötverbindung bzw. zusätzlich einen Stoffschluss zwischen dem Verbindungselement und den Bauteilen 5, 6 oder nur dem Bauteil 5 herstellt.
Alternativ können das Verbindungselement 1 und/oder die Bauteile 5, 6 auch mit einer korrosionshemmenden Beschichtung (zum Beispiel aus ZnNi) versehen sein, um verstärkt einer Korrosion an der Verbindungsstelle bei ungünstigen Umweltbedingungen (zum Beispiel salzhaltigem Milieu) entgegenzuwirken. Die Prozesstemperaturen können beim Eintreiben des Verbindungselements 1 so hoch gesteuert werden, dass neben der beschriebenen Formschlussverbindung und anstelle der Lötverbindung eine Reibschweißverbindung (wie an sich bekannt) zwischen dem
Verbindungselement 1 und den Bauteilen 5 und gegebenenfalls 6 auftritt.
Des Weiteren kann zwischen die Bauteile 5, 6 ein unter Temperaturbeaufschlagung
aushärtender Klebstoff eingebracht werden, der zusätzlich zu dem beschriebenen Formschluss die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Verbindungselement 1 und den Bauteilen 5, 6 verstärkt und zusätzlich eine Klebeverbindung zwischen den Bauteilen 5 und 6 herstellt.
Die Fig. 2 zeigt ein modifiziertes Verbindungselement 1 , das nur soweit beschrieben ist, als es sich wesentlich von dem Verbindungselement 1 gemäß Fig. 1 unterscheidet. Funktionell gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in der Fig. 2 gezeigte Verbindungselement 1 weist eine im Vergleich zur Fig. 1
unterschiedliche Schaftgeometrie auf. So geht in der Fig. 2 der Kopf 4 des Verbindungselementes 1 im axialen Verlauf nach unten zunächst in einen ersten Zylinderabschnitt 3b über, an dem sich die Riffelung 3a anschließt. Im weiteren axialen Verlauf nach unten folgt ein zweiter Zylinderabschnitt 3c, der in die konusförmige Schaftspitze 2 übergeht. Der Durchmesser des oberen, ersten Zylinderabschnittes 3b ist im Vergleich zum Durchmesser des zweiten Zylinderabschnittes 3c reduziert.
Der Abschnitt 3b bewirkt, dass nach dem Eintreiben des Verbindungselements 1 in die Bauteile 5, 6 ein geringer Umfangsspalt zum zu befestigenden Bauteil 6 entsteht, der die
Werkstoffspannungen und die Temperaturbelastung in diesem Bereich 6a, 6b vermindert. Die in Axialrichtung wirkenden Haltekräfte werden verstärkt über den Kopf 4 ausgeübt.
Die Fig. 3 zeigt nur grob schematisch ein Bearbeitungswerkzeug 8 zum Eintreiben des
Verbindungselements 1 in die zu verbindenden Bauteile 5, 6.
Das Werkzeug 8 weist u.a. einen absenkbaren Niederhalter 9 auf, innerhalb dem das
Verbindungselement 1 einsetzbar ist. Ein in dem Niederhalter 9 verdrehbarer und axial verschiebbarer Stößel 10 ist über eine Formschlussverbindung (nicht dargestellt) mit dem Kopf 4 des Verbindungselements 1 verbunden, so dass das Verbindungselement 1 hydraulisch, pneumatisch oder elektromotorisch (nicht dargestellt) mit einer Anpresskraft FA axial beaufschlagbar und über einen Drehantrieb mit einer Drehzahl n betreibbar ist.
Unterhalb der Bauteile 5, 6 ist an dem Bearbeitungswerkzeug 8 eine gegenhaltende Matrize 11 vorgesehen.
Nach dem Einlegen und Justieren der Bauteile 5, 6 in das Bearbeitungswerkzeug 8 wird der Niederhalter 9 gegen die Bauteile 5, 6 gefahren. Der Stößel 10 treibt mit zunächst einer Drehzahl n von ca. 2000 1/min das Verbindungselement 1 an und übt eine Anpresskraft FA aus, die zunächst eine Erwärmung des oberen Bauteiles 6 bewirkt. Eine zusätzliche
Temperaturbeaufschlagung könnte über das Bearbeitungswerkzeug 8 erzeugt werden, zum Beispiel über integrierte, elektrische Induktivspulen.
Durch kurzfristige, massive Erhöhung der Anpresskraft FA im Millisekundenbereich wird sodann ein Eintreibimpuls gesteuert, der das Eindringen der Spitze 2 des Verbindungselements 1 einleitet.
Über eine Erhöhung der Drehzahl n des Verbindungselements 1 bei gleichzeitigem, axialen Vorschub wird das Eintreiben und die dabei auftretende Prozesstemperatur so gesteuert, dass durch mehr oder weniger starke Reibbelastung die gewünschten Prozessparameter bzw.
Verbindungseigenschaften erzeugt werden.
Die Enddrehzahl des Verbindungselements 1 beträgt bevorzugt ca. 3500 1/min, bevor bei erreichter Endtemperatur der Bauteile 5, 6 und mit dem Kopf 4 am Bauteil 6 aufsitzendem Verbindungselement 1 der Bearbeitungsprozess beendet ist.
Anstelle nur eines zu verbindenden Bauteils 6 können auch mehrere Lagen von Bauteilen 6 mit dem tragenden Bauteil 5 wie vorbeschrieben über das Verbindungselement 1 befestigt werden. Die Steuerung der Anpresskräfte FA und der Drehzahlen n im Bearbeitungswerkzeug 8 kann daran angepasst erfolgen. Insbesondere können gegebenenfalls mehrere Eintreibimpulse mit kurzfristig erhöhtem Anpressdruck FA gesteuert werden, die jeweils pro Bauteil 6 einem beginnenden Eintreiben des Verbindungselements 1 entsprechen.
Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die als Gegenhalter dienende Matrize 12 des nicht weiter dargestellten Bearbeitungswerkzeuges 8 mit einer Ausnehmung 12a versehen ist, die eine gezielte Verformung bzw. Anpassung des unteren Durchzugs 5a des unteren Bauteils 5 an die Spitze 2 des Verbindungselements 1 bewirkt. Damit kann u.a. unerwünschten
Ausformungen oder Rissbildungen an der Unterseite des Bauteils 6 entgegen gewirkt werden.
Die Fig. 5 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verbindung mit dem
Verbindungselement 1 , bei der das untere Bauteil 5 ein geschlossenes Hohlprofil aufweist und deshalb nicht unmittelbar an der Verbindungsstelle gegengehalten werden kann.
Das Bearbeitungswerkzeug 8 kann gegebenenfalls auch so ausgeführt sein, dass anstelle einer zusätzlichen, externen Erwärmung oder zusätzlich dazu eine Kühlung an der Verbindungsstelle erfolgen kann, um gegebenenfalls Materialverzüge oder strukturschädigende Übertemperaturen (zum Beispiel bei einem Bauteil 6 aus Kunststoff) beim Bearbeitungsprozess zu vermeiden.
In den beiden ersten Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 erfolgen durch die Riffelung 3a in der Schaftoberfläche des Verbindungselementes Hinterschnittbildungen zwischen dem
Verbindungselement 1 und dem Fügeteilwerkstoff der Bauteile 5, 6. Die Hinterschnittbildungen beruhen auf einem Materialfluss des Fügeteilwerkstoffes in Bereichen der mit der Riffelung 3a konturierten Schaftoberfläche. Es hat sich gezeigt, dass bei einer derart konturierten
Schaftgeometrie beim Durchdringen der Fügeteilwerkstoffe der Bauteile 5, 6 ein Abrieb des Fügeteilwerkstoffes entsteht. Vor diesem Hintergrund ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 die Schaftkonturierung derart weitergebildet, dass der entstehende Abrieb bei der
Hinterschnittbildung genutzt werden kann. In der Fig. 6 ist die Riffelung 3a dahingehend ausgelegt, dass der Fügeteilwerkstoff so abgetragen wird, dass keine freiliegenden Späne entstehen. Dies erfolgt in der Fig. 6 beispielhaft durch eine Riffelung 3a, die als Grobgewinde gestaltet ist. Dadurch kann mit Hilfe des abgetragenen Fügeteilwerkstoffes ein möglichst großer Element-Schaftbereich mit den Fügeteildurchzügen 5a, insbesondere am unteren Bauteil 5, stoffschlüssig verbunden werden. Zudem besteht aufgrund des Grobgewindes 3a die Möglichkeit zur Herstellung einer wiederlösbaren Verbindung.
Bezugszeichenliste
Verbindungselement
Spitze
Schaft
a Erhöhungen und Vertiefungen
b durchmesserreduzierter Abschnitt
c Zylinderabschnitt
Kopf
a ringförmiger Hinterschnitt
Bauteil
a Durchzug
b Auskragung
Bauteil
a Durchzug
b Auskragung
Bearbeitungswerkzeug
Niederhalter
0 Stößel
1 Matrize
2 Matrize
2a Ausnehmung
3 Bearbeitungswerkzeug

Claims

Patentansprüche
1. Verbindung zumindest zweier aneinander anliegender Bauteile (5, 6) mittels eines
stiftförmigen Verbindungselements (1 ) mit einem Schaft (3), der in eine Spitze (2) übergeht und einen ausgeweiteten Kopf (4) zum Eintreiben des Verbindungselementes (1) unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung über ein Werkzeug (8) aufweist, wobei die feste Verbindung über Reibungserhitzen und lokale Verformung der Bauteilwerkstoffe erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (3) zumindest abschnittsweise mit Erhöhungen und/oder Vertiefungen (3a) versehen ist, die durch ein Fließen des erhitzten Materials einen Formschluss zwischen dem Verbindungselement (1) und zumindest einem der Bauteile (5, 6) herstellen.
2. Verbindung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhungen und
Vertiefungen (3a) durch eine gezielte Rauhigkeit der Oberfläche des Schaftes (3) gebildet sind.
3. Verbindung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhungen und
Vertiefungen (3a) durch ein Wellenprofil beziehungsweise eine Riffelung des Schaftes (3) und/oder durch ein Grobgewinde erzeugt sind.
4. Verbindung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der durch Erhöhungen und/oder Vertiefungen (3a) gebildeten Stege zwischen 0°
(achsparallel) und 90° (umlaufend) ausgeführt ist.
5. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen nur der Abschnitt des Schaftes (3) des Verbindungselements (1) Erhöhungen und/oder Vertiefungen (3a) aufweist, der das tragende Bauteil (5) der Verbindung durchragt.
6. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der das zu befestigende Bauteil (6) durchdringende Abschnitt (3b) des Schaftes (3) des Verbindungselementes (1) geringfügig im Durchmesser gegenüber einem Nenndurchmesser verringert ist und in einen das Bauteil (6) haltenden, durchmessergrößeren Kopf (4) übergeht.
7. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (4) an seiner Auflagefläche am zu befestigenden Bauteil (6) einen ringförmigen Hinterschnitt (4a) aufweist.
8. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Verbindungselement (1) aus Stahl und zumindest dem tragenden Bauteil (5) aus Metall das Verbindungselement (1) am Schaft (3) mit einer Beschichtung aus einem niedriger schmelzenden Lot überzogen ist.
9. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass bei einem Verbindungselement (1) aus Stahl und zumindest dem tragenden Bauteil (5) aus Metall das Verbindungselement (1) mit einer
korrosionshemmenden Beschichtung versehen ist.
10. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (8) zur Herstellung der Verbindung einen auf das zumindest eine zu verbindende Bauteil (5) aufsetzbaren Niederhalter (9) aufweist, innerhalb dem das Verbindungselement (1) angeordnet und über einen antreibbaren Stößel (10) in
Axialrichtung und Rotationsrichtung beaufschlagbar ist.
11. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das tragende Bauteil (5) zur Herstellung der Verbindung auf einer Matrize (12) des Werkzeugs (8) abgestützt ist, die mittels einer Ausnehmung (12a) die Außenkontur des durch das Verbindungselements (1) erzeugten Durchzugs (5a) bestimmt sowie die Anpressung des Materials des tragenden Bauteils (5) am Elementschaft (3a) erhöht ist und somit durch den Materialfluss die Verbindungsausbildung (geometrische
Hinterschnittbildung zwischen Riffelung und Fügeteil, Reibschweißverbindung und Lötverbindung) unterstützt.
12. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der Verbindung der axiale Anpressdruck (FA) auf das
Verbindungselement (1) und dessen Drehzahl (n) variabel gesteuert sind.
13. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit zunehmendem Eindringen des Verbindungselements (1) in die Bauteile (5, 6) der Anpressdruck (FA) vermindert wird und zum Prozessende zur Sicherstellung der
Kopfauflage wieder erhöht wird.
14. Verbindung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren, mit einem tragenden Bauteil (5) zu verbindenden Bauteilen (6) mehrere, variable Drehzahlen (n) und Anpressdrücke (FA) zeitlich hintereinander gesteuert sind.
15. Verbindung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Millisekundenbereich ein oder mehrere Eintreibimpulse mit stark erhöhten
Anpressdrücken (FA) gesteuert sind, die jeweils ein Eindringen der Spitze (2) des
Verbindungselements (1) in ein oder mehrere zu befestigende Bauteile (6) unterstützen.
16. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1 ) bei der Herstellung der Verbindung mit einer Anfangsdrehzahl von zumindest 2000 1/min und einer Enddrehzahl von zumindest 3500 1/min angetrieben ist.
17. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zwischen die aneinanderliegenden Flächen der zu verbindenden Bauteile (5, 6) ein Klebstoff eingebracht ist und dass insbesondere durch den Niederhalter (9) eine Klebstoffverdrängung erfolgt.
18. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über das Werkzeug (8), den Niederhalter (9) des Werkzeugs (8) und/oder das
Verbindungselement (1 ) die Verbindungsstelle temperiert wird und/oder dass der
Niederhalter (9) mit einer Absaugung versehen ist.
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