DE102011109815A1

DE102011109815A1 - Verbindung zumindest zweier aneinander anliegender Bauteile

Info

Publication number: DE102011109815A1
Application number: DE102011109815A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Amedick; Günter Klawitter; Marc Michaelis; Christian Borewetz; Christian Schübeler
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2013-02-14
Also published as: WO2013020658A1

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

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 2009/003569 A1 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 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 (F_A 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:
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;
2 die Verbindung nach 1 mit einem modifizierten Verbindungselement, das nur in einem Bauteil verankert ist;
3 ein Bearbeitungswerkzeug mit einem angetriebenen Stößel, einem Niederhalter und einer gegenhaltenden Matrize zum Eintreiben des Verbindungselements;
4 teilweise das Bearbeitungswerkzeug nach 3, bei dem die Matrize mit einer den Durchzug des unmittelbar benachbarten Bauteiles formenden Ausnehmung versehen ist;
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
6 in einer Ansicht entsprechend der 1 und 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel.
In der 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 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 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 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 2 zeigt ein modifiziertes Verbindungselement 1, das nur soweit beschrieben ist, als es sich wesentlich von dem Verbindungselement 1 gemäß 1 unterscheidet. Funktionell gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in der 2 gezeigte Verbindungselement 1 weist eine im Vergleich zur 1 unterschiedliche Schaftgeometrie auf. So geht in der 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 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 F_A 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 F_A 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 F_A 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 F_A und der Drehzahlen n im Bearbeitungswerkzeug 8 kann daran angepasst erfolgen. Insbesondere können gegebenenfalls mehrere Eintreibimpulse mit kurzfristig erhöhtem Anpressdruck F_A gesteuert werden, die jeweils pro Bauteil 6 einem beginnenden Eintreiben des Verbindungselements 1 entsprechen.
Die 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 5 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verbindung mit dem Verbindungselement 1, beider 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 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 6 die Schaftkonturierung derart weitergebildet, dass der entstehende Abrieb bei der Hinterschnittbildung genutzt werden kann.
In der 6 ist die Riffelung 3a dahingehend ausgelegt, dass der Fügeteilwerkstoff so abgetragen wird, dass keine freiliegenden Späne entstehen. Dies erfolgt in der 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

1: Verbindungselement
2: Spitze
3: Schaft
3a: Erhöhungen und Vertiefungen
3b: durchmesserreduzierter Abschnitt
3c: Zylinderabschnitt
4: Kopf
4a: ringförmiger Hinterschnitt
5: Bauteil
5a: Durchzug
5b: Auskragung
6: Bauteil
6a: Durchzug
6b: Auskragung
8: Bearbeitungswerkzeug
9: Niederhalter
10: Stößel
11: Matrize
12: Matrize
12a: Ausnehmung
13: Bearbeitungswerkzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007030806 A1 [0002]
WO 2009/003569 A1 [0002, 0003]

Claims

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.
Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhungen und Vertiefungen (3a) durch eine gezielte Rauhigkeit der Oberfläche des Schaftes (3) gebildet sind.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Lotverbindung) unterstützt.
Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der Verbindung der axiale Anpressdruck (F_A) auf das Verbindungselement (1) und dessen Drehzahl (n) variabel gesteuert sind.
Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit zunehmendem Eindringen des Verbindungselements (1) in die Bauteile (5, 6) der Anpressdruck (F_A) vermindert wird und zum Prozessende zur Sicherstellung der Kopfauflage wieder erhöht wird.
Verbindung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren, mit einem tragenden Bauteil (5) zu verbindenden Bauteilen (6) mehrere, variable Drehzahlen (n) und Anpressdrücke (F_A) zeitlich hintereinander gesteuert sind.
Verbindung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Millisekundenbereich ein oder mehrere Eintreibimpulse mit stark erhöhten Anpressdrücken (F_A) gesteuert sind, die jeweils ein Eindringen der Spitze (2) des Verbindungselements (1) in ein oder mehrere zu befestigende Bauteile (6) unterstützen.
Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, 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.
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.
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.