连接部件和连接部件制造方法 |
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| 申请号 | CN201180016431.1 | 申请日 | 2011-01-27 | 公开(公告)号 | CN102822538B | 公开(公告)日 | 2015-02-11 |
| 申请人 | 托克斯印刷技术有限及两合公司; 内德史罗夫阿尔特纳公司; | 发明人 | R·文特; M·巴登特; W·普菲伊费尔; E·温内霍斯特; K·蒙茨; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于形成至少两个构件部段（30-32）的冲铆连接的连接部件，其中一足部段在其自由端部上具有底座（29），该底座具有圆柱形或至少接近圆柱形的基本形状。按照本发明，在底座（29）与杆部段之间在足部段中形成一环形环绕的凸起（27）。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于形成至少两个构件部段(30-32)的冲铆连接的连接部件，其中该连接部件在其长度上分成头部段(2)、足部段(4)和杆部段(3)，该杆部段在头部段(2)与足部段(4)之间延伸，该足部段(4)在其自由端部处具有一底座(8)，该底座具有圆柱形的或至少接近圆柱形的基本形状，其中，在底座(8；29)与杆部段(3)之间在足部段(4)中形成一环形环绕的凸起(10；16；18；27)，其特征在于，所述杆部段(3)的直径小于所述底座(8)的直径，其中所述杆部段(3)在其主要长度上圆柱形地形成，在足部段(4)中存在恰好一个环形环绕的凸起(10；16；18；27)。 |
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| 说明书全文 | 连接部件和连接部件制造方法背景技术[0001] 在加工工艺领域通过变形接合是在许多应用中优选的技术。冲铆也属于此技术，在冲铆时为了点连接构件而将连接部件、例如半空心冲铆钉或实心冲铆钉置入构件中，该置入例如通过如下方式实现：一冲头从上面作用于连接部件并将该连接部件推压得穿过待连接构件的冲头侧的顶面并且在与底模的共同作用下建立冲铆连接。冲铆尤其用于连接多个薄板层，其中不必在产生连接点处为待连接构件事先钻孔。 [0002] 实心冲铆钉可以在其长度上分成不同的部段，如头部段、杆部段和具有切割棱的足部段。 [0003] 在不同的连接任务方面，例如根据待相互连接的构件的形式和数量和/或在连接部件的制造的技术性和经济性方面，已知的连接部件还不能在所有方面都成熟。 [0004] 此前这些连接部件都是耗费高地通过切屑制成。发明内容 [0007] 本发明首先基于一种用于形成至少两个构件部段的冲铆连接的连接部件，其中该连接部件在其长度上分成头部段、足部段和杆部段，该杆部段在头部段与足部段之间延伸，该足部段在其自由端部处具有一底座，该底座具有圆柱形的或至少接近圆柱形的基本形状。杆部段优选在其主要长度上同样圆柱形地或者以接近圆柱形的形状形成，例如在横截面中略呈椭圆形。必要时杆部段可以是略微外锥形的。连接部件一般是关于其纵轴线旋转对称的，但是也可以略微偏离（旋转对称的形状）。 [0008] 本发明的另一重要方面是，在底座与杆部段之间在足部段中形成一环形环绕的凸起。通过足部段中的环绕的凸起可以在连接部件的纵向上吸收两侧或者周向上的力。由此可以改善通过所建议的连接部件构成的冲铆连接。凸起本身的长度与连接部件的总长相比是较小的。 [0009] 所述连接部件也称为实心冲铆钉。 [0010] 按照本发明的连接部件的突出的特点也在于，具有对于板厚波动的较高容差，由此在连接部件的所考虑的/可观的（betrachteten）长度上待连接构件部段的厚度可以很大地变化，而无需在建立的连接中采取技术上的妥协。此外特别经济的是，具有选定长度尺寸的一种连接部件能够无需剪裁地适用于许多的、在多个构件部段总厚度方面不同的构件组合。 [0011] 环绕的凸起可以直接通过相对于相邻部段的材料过剩产生，这些相邻的部段在连接部件的主要长度上延伸并且一直到凸起无需去除材料，和/或凸起可以通过收缩部或凹部产生，所述收缩部或凹部直接与凸起相邻地在凸起的一侧或两侧存在。 [0012] 此外建议，杆部段的直径小于底座的直径。特别是，杆部段的在椭圆或多边形横截面情况下的最大外径或在圆柱体情况下的直径小于尤其是圆柱形的底座的直径。因此，与已知的类似连接部件相比，为构件部段的如下的材料区域提供了更多的空间，这些材料区域在冲铆过程中流动并因此引起待连接构件部段的形状变化。已知的连接部件通常具有与足部段直径相当的杆部段。因此，按照本发明为构件部段的材料提供了更多的体积，这一点在已知的连接部件中是由杆的材料满足的。 [0013] 扩大的退让体积尤其有利地如下地起作用，为在冲铆时首先接触连接部件足部段的冲头侧构件部段或者说上构件部段提供更多的空间。由此，通过使在构件部段之间作用的力与此前的连接相比减小，在冲铆的构件部段中同样使在所形成的冲铆连接的区域中的相应应力降低。由此，尤其与此前的结构相比，能够降低头部段上的机械负荷，由此按照本发明也不再出现头部段的“剥落”，这种剥落此前在使用例如具有与底座相比不减小的杆部段的连接部件时可能出现。 [0014] 特别有利的是，杆部段在其长度上不形成任何凸起。这也能够实现，在铆杆区域中为变形的构件部段的再流动提供更多的空间。此外不被造型的杆部段的制造更加简单，或者能够实现相对简单的连接部件几何构造。另外表明的是，尽管不存在凸起、即特别是在杆中没有沟槽，在杆部段的区域中并没有出现构件部段或其冲切边缘在连接部件外侧上的不良锚固或支承。 [0015] 此外，可以使在杆部段中的沟槽数量方面不同的连接部件的数量最小化到一程度（Form），尤其与通过实心冲铆钉连接的构件部段多少层无关。 [0016] 此外有利的是，至少在杆部段中这样构成一区域，该区域的粗糙度比相邻区域高。杆部段的区域指的是杆部段外表面的区域。具有更光滑的表面或具有更低粗糙度的相邻区域可以位于杆部段本身中和/或接着的头部段或足部段中。尤其有利的是，整个杆部段以比杆部段相邻区域更高的粗糙度构成。此前，整个关于实心冲铆钉纵轴线位于周向上的、实心冲铆钉的外表面都具有一致的表面特性或者说一致地较为光滑地构成。但是可能有利的是，至少杆部段区域的粗糙度提高。粗糙度的提高尤其有利地使得，在杆部段区域中冲头侧材料不能那么容易地在连接部件的外周面或外侧旁边向下流动。提高相关表面区域的粗糙度或与其相关的摩擦系数可以以不同的方式实现。例如通过表面结构或外结构的匹配实现，例如通过形成滚花结构、微小的波纹或者榫状/小块状表面结构和/或通过使表面变粗糙的制造步骤实现。不排除，通过选择形成相关区域表面的材料来影响或确定粗糙度，例如通过覆盖和/或设有改变粗糙度的元件来进行，该元件的材料例如由与组成杆部段绝大部分的材料不同。 [0017] 此外有利的是，杆部段在连接部件的长度方向上观察具有偏离圆柱形的形状。由此杆部段可以设计成，使得杆部段至少局部地收缩和/或扩宽或以其它方式不同于圆柱形的形状，其中与圆柱体形状的偏差可以较为微小。杆部段外侧区域例如可以相对于连接部件纵轴线以一度的几分之一（Bruchteile）或者说以极小的角度倾斜。实心冲铆钉的杆部段可以向着足部段或向着头部段收缩或扩宽。收缩或扩宽可以沿直线或沿曲线实现。也可以设想，在相互邻接的杆部段区域中由收缩和/或扩宽组成的组合。杆部段与圆柱体形状的微小形状偏差，例如对于锥形或圆锥形的杆部段，在通过用于连接至少两个构件部段的相应连接部件形成冲铆连接时，由于改善了构件部段在杆部段上的锚固是有利的。 [0018] 此外有利的是，所述环绕的凸起的外径略小于底座的直径。 [0019] 也就是说，环绕的凸起在其相对于连接部件纵轴线的径向上的最外点处的直径略小于底座直径、尤其小于底座切割棱的直径。环绕的凸起的外径例如可以比底座外径小约0.1mm。由此，有利地在推压连接部件使之穿过待连接构件部段时保护凸起免受可能的机械损伤。因此以底座直径穿孔的构件部段的孔的内径略大于凸起的外径，该凸起接下来随着连接部件的压入而在孔边缘的旁边移动、但是不与之接触。 [0020] 尤其在冲铆超高强度材料时，冲切孔的边缘在与凸起接触时否则便可能导致损伤凸起，这是不利的。 [0021] 本发明主题的另一有利实施方式的特征在于，在杆部段向足部段过渡的区域中存在环绕的收缩部。该收缩部尤其紧接在足部段中的环绕的凸起前面。这个收缩部尤其可以具有凹形的、非常柔和地或略微地倾斜的侧面。在收缩部底面中的直径例如可以只比在杆部段中在其主要长度上存在的杆部段直径小百分之几、例如3%。 [0022] 收缩部或收腰部紧接在（凸起）前面是有利的，环绕的凸起的外径略微小于底座直径。 [0023] 也就是说，环绕的凸起在其相对于连接部件纵轴线的径向上的最外点处的直径略小于底座直径、尤其小于底座切割棱的直径。环绕的凸起的外径例如可以比底座外径小约0.1mm。由此，有利地在推压连接部件使之穿过待连接构件部段时保护凸起免受可能的机械损伤。因此以底座直径穿孔的构件部段的孔的内径略大于凸起的外径，该凸起接下来随着连接部件的压入而在孔边缘的旁边移动、但是不与之接触。 [0024] 尤其在冲铆超高强度材料时，冲切孔的边缘在与凸起接触时否则便可能导致损伤凸起，这是不利的。 [0025] 本发明主题的另一有利实施方式的特征在于，在杆部段向足部段过渡的区域中存在环绕的收缩部。该收缩部尤其紧接在足部段中的环绕的凸起前面。这个收缩部尤其可以具有凹形的、非常柔和地或略微地倾斜的侧面。在收缩部底面中的直径例如可以只比在杆部段中在其主要长度上存在的杆部段直径小百分之几、例如3%。 [0026] 特别是在与相邻的环绕的凸起共同作用的情况下，紧接在环绕的凸起前面的收缩部或收腰部可以从杆部段的一侧改善构件部段的变形材料在那里的锚固。 [0027] 有利地是，在足部段上存在正好一个环形的凸起。这在连接部件的简单几何构造和经济制造方面是有利的。已经证实，通过正好一个环绕的凸起在所有重要的评价参数方面达到最佳状态。 [0028] 特别有利的是，所述环绕的凸起通过基本凹形成形的区域过渡到相邻部段。由此能够特别好地实现构件部段材料向这个区域的再流动。由此特别有利地实现了，凸起以外区域的变形的材料充满或者变形材料再流动到凸起和相邻区域的所有表面。此外可以通过凹形成型的区域实现连接部件外部部段的无台阶过渡。因此，有利地使连接部件几乎完全从外面被待连接构件部段的变形材料接触地包围。 [0029] 另一优点也在于，通过在环绕的凸起上的凹形成型的区域或者通过由此存在的倒圆的过渡而减少否则便会提高的应力集中。 [0030] 此外建议，在足部段中在底座与环绕的凸起之间形成环绕的凹部。尤其存在恰好一个这样的环绕的凹部。这尤其能够实现待连接构件部段中的下部底模侧的构件部段的底模侧的材料的再流动。 [0031] 相关的环绕凹部的底部、即凹部沿径向最接近纵轴线的点处具有尤其基本上等于杆部段直径的直径。这在连接部件的稳定性方面是有利的。 [0032] 此外有利的是，头部段在其自由端部上具有头座，该头座具有圆柱形或至少接近圆柱形的基本形状。这增加了头部段尤其是抵抗在建立的冲铆连接中撕断/撕裂的稳定性。 [0033] 通过如上所述的连接部件的许多能以一定界限匹配的几何特性，可以针对相关的应用分别调整出最佳的连接部件形状。但是在这种情况下也保持上述的基本的规定。 [0034] 在具体情况中，与已知的或类似的实心冲铆钉相比，按照本发明的连接部件通过最佳的匹配在冲切直径上能实现高出直到25%的冲切力。这尤其已经借助于有限元方法、数值计算方法证实。 [0035] 此外建议，在头部段中在头座与杆部段之间构成一凹形形成的区域。尤其利用圆弧段构成的过渡区域是有利的。优选地凹形的形状由空沟构成。凹形区域尤其从头座的下边缘直到杆部段的圆柱形区域连续地或相同形式地构成。从凹形区域到杆部段的过渡尤其无台阶地或齐平地在连接部件的外轮廓上实现。有利地，使在头座的下边缘与杆部段之间的整个部段都通过凹形区域构成。 [0036] 此外有利的是，在头部段中在头座与杆部段之间构成锥形区域。根据应用情况在头座与杆部段之间的倾斜延伸或倒角是有利的，尤其在简化连接部件的制造方面有利。 [0037] 将头座与杆部段之间的锥形过渡与凹形过渡相比较，凹形过渡显示出主要的差别，它在一系列应用中是有利的。尤其在所建立的具有凹形区域的冲铆连接中，在上部的待连接构件部段中实现了明显减小的弯曲应力。由于与锥形区域相比更大的空间被用于上部的构件部段、即例如上薄板层而使之更少地向下镦粗，因此作用于头座的拉应力更小或从下面作用于头座的力更小。这种效果尤其在上部的或者说冲头侧的、由刚性极高的或超高强度材料、例如由超高强度钢板制成的构件部段中能够观察到。通过所建议的实心冲铆钉可以排除由于头座的相应撕断造成的对连接的不利影响。 [0038] 在这里，与其它过渡、例如台阶式过渡或锥形过渡相比，通过凹形区域还减小了应力集中或应力集中系数。 [0039] 此前，对于锥形延伸的过渡的情况经常出现头座或头部段的撕断，而在锥形部段到相邻部段的过渡中伴随锥形形状的应力集中促进了这种撕断。 [0040] 通过凹形过渡还由于倒圆的形状而可以实现上部的构件部段向凹部中的最佳的材料流动。 [0041] 在按照本发明的连接部件的优选实施方式中有利的是，相对于连接部件的总长，具有头座和空沟的头部段的相对长度尺寸约为20%至30%，杆部段的相对长度尺寸约为40%至60%，足部段的相对长度尺寸约为30%至40%。这已经通过选出的实心冲铆钉在实践重要的用于形成冲铆连接的结构中证实了。 [0042] 此外有利的是，相对于圆柱形杆部段的直径，底座直径更大。底座直径例如可以大约10%至20%。因此，与杆和底座直径相同的连接部件相比，在杆部段中为在冲铆时变形的材料提供更多或更大的空间供再流动使用。 [0043] 按照本发明的有利的变型方案，连接部件形状不是旋转对称的。因此能够提供许多希望的或个性化/订制的连接部件几何形状。 [0044] 特别优选地，连接部件横截面形状是多边形的。 [0045] 最后也有利的是，铆钉头具有附加的功能区域、如栓部或螺纹部，该功能区该功能区域在所构成的、至少一构件部段的冲铆连接结构中可以突出于上部的构件部段的顶面。因此在连接部件上可以设有附加的功能，该功能在制造连接部件时便被考虑到或者在还未安装使用的连接部件上便提供了该功能。 [0046] 本发明还涉及一种用于制造连接部件的方法，该连接部件用于形成至少两个构件部段的冲铆连接，该方法尤其是用于制造如上述构造方案中的任一个的连接部件。根据本发明，连接部件通过体积成形过程（Massivumformungsprozess）由材料毛坯制成，其中，在一模具中利用多个在侧面围接该材料毛坯的扇形模具段夹紧该材料毛坯并使之在成形过程中以锻造（stauchend）方式变形。由此能够在经济和技术上有利地制造出按照上述本发明的构造方案中的任一项确定地规定的连接部件。 [0047] 必要时可以根据模具或变形度为了最佳地进行处理而加热材料毛坯。 [0048] 由于所建议的制造过程也能够容易地实现连接部件的非旋转对称的形状，例如在连接部件外侧上的榫形/小凸块状的外表，椭圆形、多边形横截面和/或凸起或凹入的结构。所有尺寸都可以在可自由选择的范围内形成。 [0049] 也可以设想，连接部件的形状沿纵轴线或铆钉轴线是改变的。例如切割棱可以具有圆形形状或者说连接部件在其足侧的端部上具有圆形的横截面，其中该圆形形状沿连接部件的纵轴线过渡到多边形形状。其优点是，由此实现的连接部件在所建立的铆接中是抗转动的。 [0050] 通过所建议的方法，在连接部件上在外部仅能有条件地/有限制地形成尖的环部或凸起和尖的凹部或沟槽。尖的沟槽在建立冲铆连接时本来就可能阻挡材料流。 [0051] 例如可以制造出连接部件的下列头部形状：扁平头、截锥头、在铆钉头平面上的凹下或凸起作为导向或定心辅助部或者功能性压制部、如栓部或螺纹部。 [0052] 另外，在铆钉杆方面对于不同的连接部件类型这个铆钉杆也可以具有自己的几何结构或表面特性，从而例如与待连接构件的相邻区域产生局部的较高的摩擦。 [0053] 凹部、例如沟槽或类似结构在几何结构方面可以匹配于沟槽或可能的相邻环部、收腰部、台阶，例如一进入角或移出角或非旋转对称的凹入或圆化。 [0054] 通过本制造方法也能够实现，足部段或底座向着形成切割棱的底棱锥形地扩宽。也可以在制造时在足部段的端面的平面上形成凹部作为导向辅助结构。 [0055] 根据多段模具的形式或者根据模具段的数量，在制造时沿着连接部件的表面从上棱直到下棱形成沿着每个模具分隔部位或模具段分隔部位的、特征性的脊部。可以有意识地这样地构造脊部，从而形成升高的脊部，由此改善通过这个连接部件形成的连接点的有利的抗转动性。附图说明 [0056] 借助在附图中所示的本发明实施例详细解释本发明的其它优点和特征。 [0057] 附图中 [0058] 图1示出按照本发明的实心冲铆钉的优选实施例的侧视图， [0059] 图2示出用于制造按照图1的实心冲铆钉的装置的极其简化的一部分的剖视图，[0060] 图3至10示出按照本发明的实心冲铆钉的其它变型实施例的侧视图，[0061] 图11示出实心冲铆钉连接部的区域的剖视图，其中在三个按照本发明相互连接的薄板上示出一个按照本发明的实心冲铆钉。 具体实施方式[0062] 图1以侧视图示出设计成实心冲铆钉1的按照本发明的连接部件，该实心冲铆钉具有关于该实心冲铆钉1的纵轴线L旋转对称的形状。实心冲铆钉1设计成，以冲铆过程连接两个或多个构件部段、尤其薄板构件。实心冲铆钉1在其沿纵轴线L的长度上包括不同的部段，如铆钉头2、铆杆3和铆足4。在建立冲铆连接时一冲头可作用在顶面5上。 [0063] 与顶面5对置地存在一底面6，该底面在开始实心冲铆时例如被坐置在位于上方的薄板层上。底面6在外侧由圆形延伸的切割棱7界定，而该底面本身在端侧界定底座8，该底座为圆柱形并且在纵轴线L的方向上具有高度HFS。环绕的切割棱7尤其用于明确地确定在冲铆时在例如三个待连接薄板层中的上薄板层中冲切出的孔的孔径，这在图13中还要详细描述。 [0064] 底座8在这里是圆柱形的，但是也可以具有接近圆柱形基本形状的形状，例如在横截面中略微椭圆或者略微锥形的。在底座8上连接一封闭环绕的、基本上凹下构成的沟槽9。在实心冲铆时待连接的、在下侧支撑在底模上的薄板层的下薄板层的变形的材料可以流到该沟槽9中。一环绕构成的且外面倒圆的环部10形成铆足4的上终端，该环部的直径DR略小于底座8的直径DFS。 [0065] 下面提到的对参数的相对说明涉及的是示例性示出的实心冲铆钉1，而在其它按照本发明的实心冲铆钉中可以存在不同的参数条件。 [0066] 铆杆3通过略微或只极少地向下沉的收缩部11或收腰部连接到铆足4。铆杆3在这里完全圆柱形地构成并且具有直径DS，该直径比底座8的直径DFS小约10%。圆柱形铆杆3的高度HS为总长GL的约30%。通过从环部10到铆杆3的过渡或直径跃变形成一台阶，在该台阶上可以在杆侧支撑待相互连接的构件部段的变形的材料。在沟槽9的槽底中的直径基本上等于铆杆3的直径DS。 [0067] 向上在铆杆3上连接铆头2，该铆头通过一空沟12从铆杆3以半径R凹形地扩宽并且一直延伸到头座13，该头座的高度HKS大致上仅为底座高度HFS的三分之一。头座13与底座8一样圆柱形地构成。头座13在端面侧通过上平面或顶面5界定。通过空沟12在头座13与铆杆3之间实现一无台阶的区域。 [0068] 与此前使用的实心冲铆钉相比，按照图1所示的实心冲铆钉1以相同的总长GL实现了对于薄板或构件厚度波动的高容差。即，待连接构件部段或薄板层的总厚度可以在相对较宽的范围上变化。对于例如4.5mm的实心冲铆钉1的总长GL，多个待相互连接的薄板层在冲切方向上观察的总厚度可以在总长GL的100%至总长GL的例如60%的范围内，也就是说，总板厚例如为4.5mm至约3.0mm的薄板可以被有利地冲铆连接。 [0069] 此外有利的是，与锥形的铆头相比，利用空沟12降低了在铆头2中从空沟12朝向头座13方向的拉应力，这尤其反作用于铆头2的剥落。由于空沟12或其向铆杆3的无台阶过渡而使上薄板层在连接点中不剧烈地向下弯曲或在头座13下面被拉紧，所以能降低在头座13上的拉应力。 [0070] 此外有利的是，略微变形的材料可以流入收缩部11中。 [0071] 最后也有利的是，对于在连接时的薄板材料变形实现了待相互连接的构件部段材料的最优的材料流，这尤其是与材料进入到沟槽9或收缩部11中有关。 [0072] 图2极其简化地示出按照图1的实心冲铆钉1的制造的基本关系。在此，相对于（扇形的）工具段21、冲头23和底模22定位一材料毛坯20，接着在工具段21闭合时该材料毛坯进行体积成形。 [0073] 在图3至6中以侧视图示出不同的、另外的按照本发明的实心冲铆钉，其具有按照图1的实心冲铆钉的凹形的空沟15，其中细节与按照图1的实施例不同。例如，图3示出没有收缩部11的结构，图4示出加宽的环部16，图5示出更大的收缩部17，图6示出环部18或相邻区域的倾斜侧面。 [0074] 图7至图10示出按照图3至6的本发明实心冲铆钉的实施例，但是其具有截锥形的区域19来代替空沟15。 [0075] 图11示出具有实心冲铆钉25和三个相互连接的薄板30、31和32的、制成的实心冲铆连接的剖视图，该实心冲铆钉与实心冲铆钉1相应地、尤其是设计成具有空沟26。清楚可见的是，由超高强度材料制成的上薄板30不向下弯曲或几乎看不出向下弯曲，这是因为通过空沟26为薄板30提供了足够的空间。 [0076] 环部27用于支撑中间的和下面的薄板31和32。沟槽28被下薄板层32填充。此外，在底侧、在薄板上与实心冲铆钉25同心地存在一与底座29相邻的封闭的环槽33，该环槽在底模侧形成用以改善下薄板32在沟槽28上的铆接。 [0077] 附图标记清单 [0078] 1实心冲铆钉 [0079] 2铆钉头 [0080] 3铆钉杆 [0081] 4铆钉足 [0082] 5顶面 [0083] 6底面 [0084] 7切割棱 [0085] 8底座 [0086] 9沟槽 [0087] 10环部 [0088] 11收缩部 [0089] 12空沟 [0090] 13头座 [0091] 14区域 [0092] 15空沟 [0093] 16环部 [0094] 17收缩部 [0095] 18环部 [0096] 19区域 [0097] 20丝部段 [0098] 21（扇形）工具段 [0099] 22底模 [0100] 23冲头 [0101] 24- [0102] 25实心冲铆钉 [0103] 26空沟 [0104] 27环部 [0105] 28沟槽 [0106] 29底座 [0107] 30薄板 [0108] 31薄板 [0109] 32薄板 [0110] 33环槽 |
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