DE102016110397A1

DE102016110397A1 - Verfahren zur Befestigung eines Funktionselements und entsprechendes Funktionselement

Info

Publication number: DE102016110397A1
Application number: DE102016110397.7A
Authority: DE
Inventors: Richard Humpert; Andreas Lembach
Original assignee: Profil Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Profil Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2017-12-07

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Befestigung eines Funktionselements an einem Werkstück vorgestellt, wobei das Funktionselement einen Funktionsabschnitt und einen Befestigungsabschnitt aufweist. Der Funktionsabschnitt ist dazu ausgebildet, mit einem separaten Bauteil mechanisch zusammenzuwirken, wobei der Befestigungsabschnitt eine Anlagefläche und zumindest einen Positionierabschnitt umfasst. Der Positionierabschnitt ist so angeordnet und ausgestaltet, dass bei einer Anlage des Positionierabschnitts an dem Werkstück zwischen der Anlagefläche und dem Werkstück ein Spalt gebildet ist. Das Funktionselement wird mit dem Positionierabschnitt in Anlage mit dem Werkstück gebracht. Sodann werden das Funktionselement und das Werkstück mittels eines magnetischen Pulses relativ zueinander beschleunigt, um zwischen dem Funktionselement und dem Werkstück eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines Funktionselements an einem Werkstück.
Herkömmlicherweise werden Funktionselemente z.B. durch Nieten oder Einpressen an einem Werkstück befestigt. D.h. es wird eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Funktionselement und dem Werkstück hergestellt.
Erfindungsgemäß wird ein neuer Weg beschritten. Dabei werden das Funktionselement und das Werkstück mittels eines magnetischen Impulses relativ zueinander beschleunigt, um zwischen dem Funktionselement und dem Werkstück eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen. Dieser Vorgang wird auch als Magnetimpulsschweißen bezeichnet und beruht auf dem Prinzip, dass zwei Objekte (A und B) mit einer hohen Geschwindigkeit, d.h. hochenergetisch, aufeinander prallen und im Bereich ihrer gemeinsamen Aufprallfläche eine stoffschlüssige Verbindung, d.h. letztlich eine "Schweißverbindung", miteinander eingehen. Die für das hochenergetische Aufeinanderprallen notwendige Beschleunigungsenergie wird durch ein zeitlich hochvariables Magnetfeld, d.h. durch einen Magnetimpuls, aufgebracht, welches z.B. benachbart zu dem Werkstück (Objekt A) erzeugt wird und in dem Werkstück ein magnetisches Gegenfeld induziert, welches die Beschleunigung des Werkstücks in Richtung hin zu dem Funktionselement (Objekt B) bewirkt. Alternativ kann auch das Funktionselement beschleunigt werden, wobei das Werkstück entweder stationär in einer Ruhelage verbleibt oder gleichzeitig mit dem Funktionselement beschleunigt wird.
Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass auch solche Objekte gut verschweißt werden können, welche mit herkömmlichen, insbesondere thermischen Schweißverfahren, z.B. Metallschutzgasschweißen, materialbedingt nur schlecht oder gar nicht gefügt werden können. Ferner wird bzw. werden das Werkstück und/oder das Funktionselement durch den Magnetimpuls berührungslos beschleunigt, wodurch das Risiko von Beschädigungen reduziert wird.
Das Verfahren weist eine durch eine Reihe von Einflussfaktoren verursachte nicht unerhebliche Komplexität auf. So muss etwa der zur Beschleunigung erzeugte Magnetimpuls sehr genau dosiert werden, um eine erforderliche Aufprallgeschwindigkeit der Objekte zu erzielen. Allgemeiner ausgedrückt soll die unmittelbar vor dem Aufeinanderprallen des Funktionselements und dem Werkstück zwischen diesen beiden Objekten bestehende Impulsdifferenz einen vorbestimmten Wert aufweisen oder innerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs liegen, um die gewünschten Eigenschaften der Verbindung, insbesondere eine gewisse Mindestgüte der resultierenden Schweißverbindung, gewährleisten zu können. Die notwendige Impulsdifferenz wird jedoch nicht nur durch den Magnetimpuls selbst (z.B. Stärke und Geometrie des Magnetfelds und dessen zeitliche Änderung), sondern auch durch die Eigenschaften der Objekte (z.B. Gewicht, Material und Geometrie) sowie deren Position relativ zueinander beeinflusst.
Aus der Tatsache, dass zumindest eines der Objekte relativ zu dem anderen bewegbar sein muss, ergeben sich weitere Schwierigkeiten, insbesondere was die Bereitstellung einer industriegerechten Bearbeitungsumgebung betrifft, durch die ein gleichbleibend hoher Qualitätsstandard gewährleistet werden soll.
Nachfolgend werden ein vereinfachtes Verfahren zum Befestigen eines Funktionselements an einem Werkstück mittels eines Magnetimpulses sowie ein entsprechendes Funktionselement angegeben.
Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Funktionselement weist einen Funktionsabschnitt und einen Befestigungsabschnitt auf, wobei der Funktionsabschnitt dazu ausgebildet ist, mit einem separaten Bauteil mechanisch zusammenzuwirken. Der Befestigungsabschnitt umfasst eine Anlagefläche und zumindest einen Positionierabschnitt. Der Positionierabschnitt ist so angeordnet und ausgestaltet, dass bei einer Anlage des Positionierabschnitts an dem Werkstück zwischen der Anlagefläche und dem Werkstück ein wohldefinierter Spalt gebildet ist. Das Funktionselement wird mit dem Positionierabschnitt in Anlage mit dem Werkstück gebracht, wobei die beiden Objekte mittels eines magnetischen Impulses relativ zueinander beschleunigt werden, um sie stoffschlüssig miteinander zu verbinden.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Abstand zwischen dem Funktionselement und dem Werkstück (vor dem Beschleunigen) einen erheblichen Einfluss auf die unmittelbar vor dem Aufeinanderprallen des Funktionselements und des Werkstücks bestehende Impulsdifferenz hat und die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung somit wesentlich mitbestimmt. Um den Abstand zwischen dem Funktionselement und dem Werkstück nicht dem Zufall zu überlassen bzw. einfach und sicher einstellen zu können, wird das Funktionselement mit dem Positionierabschnitt in Anlage mit dem Werkstück gebracht. Der Positionierabschnitt sorgt (bei Anlage an dem Werkstück) unmittelbar für eine definierte Position des Funktionselements relativ zu dem Werkstück, sodass automatisch ein Spalt bzw. Zwischenraum gebildet ist, durch den der gewünschte Abstand zwischen dem Funktionselement und dem Werkstück eingestellt wird. Ein Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass der Spalt letztlich durch das Funktionselement selbst vorgegeben wird und nicht etwa durch ein separates Positionierungswerkzeug, z.B. eine variable Halteeinrichtung für das Funktionselement oder das Werkstück, eingestellt werden muss.
Das Funktionselement, insbesondere der Positionierabschnitt, kann an das Werkstück – insbesondere an dessen mechanische Eigenschaften – angepasst sein. Beispielsweise kann der Positionierabschnitt unter Berücksichtigung der Werkstückeigenschaften dazu eingesetzt werden, den Spalt zwischen der Anlagefläche und dem Werkstück auf geeignete Weise zu definieren. Auf diese Weise können wiederum die Eigenschaften der stoffschlüssigen Verbindung definiert werden, da die hierfür maßgebliche Impulsdifferenz unmittelbar von der Geometrie des Spalts abhängt. Auch die Geometrie der Anlagefläche bestimmt die Geometrie des Spalts, so dass auch diese entsprechend an die Eigenschaften des Werkstücks angepasst werden kann. Die Impulsdifferenz kann also durch geeignete Ausbildung des Spalts – insbesondere indem die Geometrie der Anlagefläche und/oder des Positionierabschnitts in Abhängigkeit von dem Werkstück festgelegt werden – effektiv eingestellt oder zumindest maßgeblich beeinflusst werden. Es versteht sich, dass der Spalt einen beliebig ausgebildeten Zwischenraum umfassen kann, wobei die Ausmaße des Spalts variabel sein können. Insbesondere kann die Breite des Spalts – in radialer Richtung des Funktionselements gesehen – variieren. Die Impulsdifferenz kann somit auch abschnittsweise nach gewünschten Kriterien eingestellt werden. Beispielsweise kann der Spalt so ausgebildet sein, dass die Impulsdifferenz bei der relativen Bewegung des Funktionselements und des Werkstücks über einen vorbestimmten Bereich hinweg bei Aufprall der beteiligten Komponenten im Wesentlichen konstant ausfällt.
Das Funktionselement dient allgemein dazu, mit einem separaten Bauteil mechanisch zusammenzuwirken. Insbesondere kann ein Bauteil über das an dem Werkstück befestigte Funktionselement mit dem Werkstück verbunden werden. Hierzu kann der Funktionsabschnitt z.B. einen Bolzenabschnitt mit einem Außengewinde aufweisen. Alternativ kann der Funktionsabschnitt eine Bohrung aufweisen, welche ein Innengewinde umfassen kann.
Das Werkstück kann grundsätzlich beliebig ausgebildet sein, wobei das Werkstück vorzugsweise zumindest im Bereich des zu befestigenden Funktionselements eben ausgebildet ist. Denkbar ist auch, dass das Werkstück eine Öffnung, z.B. eine Bohrung, aufweist, in die das Funktionselement, insbesondere der Funktionsabschnitt, (bereits vor oder erst nach dem Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung) teilweise eingreifen kann.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Werkstück während dem Beschleunigen in Richtung hin zu der Anlagefläche verformt. Auf diese Weise kann z.B. ein ebenes, insbesondere plattenartig ausgebildetes Werkstück lokal an die Geometrie des Funktionselements angepasst werden, wobei gleichzeitig Fertigungstoleranzen des Werkstücks oder des Funktionselements ausgeglichen und eine erhöhte Steifigkeit der stoffschlüssigen Verbindung erzielt werden können. Beispielsweise wir das Werkstück lokal sickenartig verformt.
Vorzugsweise wird das Funktionselement im Bereich der Anlagefläche zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig stoffschlüssig mit dem Werkstück verbunden. Bei einer flächigen Ausdehnung der stoffschlüssigen Verbindung weist diese eine besonders hohe Zugfestigkeit auf. Hierfür kann sich die Verbindung auch vollständig über die Anlagefläche und/oder den Positionierabschnitt erstrecken.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist das Funktionselement zumindest während dem Beschleunigen zumindest teilweise in einen Setzkopf aufgenommen, wobei der Setzkopf einen Anlageabschnitt für das Werkstück aufweisen kann. Der Anlageabschnitt kann so ausgestaltet sein, dass er an dem Werkstück anliegt, wenn das Funktionselement mit dem Positionierabschnitt an dem Werkstück anliegt. Der Spalt kann auf diese Weise seitlich begrenzt werden, wobei das Werkstück hierdurch gleichzeitig abgestützt wird, um eine kontrollierte Verformung des Werkstücks während des Befestigungsvorgangs zu gewährleisten.
Nachfolgend wird ein Funktionselement zur Befestigung an einem Werkstück mittels eines Magnetimpulsschweißverfahrens, insbesondere nach einem Verfahren gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, angegeben. Das Funktionselement weist einen Funktionsabschnitt und einen Befestigungsabschnitt auf. Der Funktionsabschnitt ist dazu ausgebildet, mit einem separaten Bauteil mechanisch zusammenzuwirken. Der Befestigungsabschnitt umfasst eine Anlagefläche und zumindest einen Positionierabschnitt, wobei der Positionierabschnitt so ausgestaltet ist, dass bei einer Anlage des Positionierabschnitts an dem Werkstück zwischen der Anlagefläche und dem Werkstück ein Spalt gebildet ist. Insbesondere umfasst das Funktionselement zumindest teilweise ein elektrisch leitfähiges Material.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anlagefläche größer als eine Kontaktfläche des Positionierabschnitts. Die Kontaktfläche ist dabei diejenige Fläche des Positionierabschnitts, die bereits vor dem Beschleunigungsvorgang an dem Werkstück anliegt. Insbesondere ist der Positionierabschnitt bzw. die Kontaktfläche relativ zu der Anlagefläche relativ klein, sodass der Bereich, in dem sich die beschleunigungsbedingte Impulsdifferenz und die resultierende stoffschlüssige Verbindung ausbilden, möglichst groß ausfallen kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Funktionselement um eine Längsachse des Funktionselements rotationssymmetrisch ausgebildet. Das Funktionselement kann so an dem Werkstück befestigt werden, dass die Längsachse des Funktionselements senkrecht zu einer Ebene des Werkstücks ausgerichtet ist. Der Befestigungsabschnitt kann an einem Flanschabschnitt des Funktionselements ausgebildet sein, welcher sich vorzugsweise im Wesentlichen in radialer Richtung, d.h. senkrecht zur Längsachse, erstreckt.
Die Anlagefläche des Befestigungsabschnitts kann relativ zu der Längsachse des Funktionselements geneigt sein. Auf diese Weise kann – ein im Befestigungsbereich im Wesentlichen ebenes Werkstück vorausgesetzt – eine im Wesentlichen keilförmige Spaltgeometrie erzielt werden. Die Anlagefläche kann zusätzlich oder alternativ zumindest abschnittsweise gekrümmt sein. Es können somit verschiedene Spaltgeometrien realisiert werden, welche sowohl lineare als auch nichtlineare, z.B. gestufte, Verläufe aufweisen können. Insbesondere kann die Anlagefläche zumindest abschnittsweise als Mantelfläche eines Konus ausgebildet sein, welcher sich vorzugsweise koaxial zu der Längsachse des Funktionselements erstreckt.
Die Anlagefläche kann gegenüber dem Positionierabschnitt zurückversetzt sein, sodass sich eine gewünschte Begrenzung des Spalts, z.B. entsprechend zum Rückversatz, ergibt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Positionierabschnitt eine Erhebung, die sich in axialer Richtung von der Anlagefläche weg erstreckt. Allgemein kann der Positionierabschnitt auch eine Fläche des Befestigungsabschnitts sein, die sich nicht notwendigerweise als Erhebung aus der Anlagefläche erstrecken bzw. ragen muss.
Der Positionierabschnitt kann zumindest abschnittsweise konusförmig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Positionierabschnitt als ein Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet sein. Vorzugsweise verjüngt sich der Konus bzw. der Kegel in axialer Richtung zu dem Werkstück hin. Insbesondere ist ein dornartiger Positionierabschnitt möglich. Es können aber auch andere bekannte Formen, z.B. Zylinder, oder Kombinationen solcher Formen vorgesehen werden. Ferner sind abgerundete, d.h. kantenlose, Positionierabschnitte denkbar, welche z.B. eine Tropfenform aufweisen können. Des Weiteren können Rippen oder wulstartige Wölbungen vorteilhafte Ausführungsformen von Positionierabschnitten sein, die eine Verbesserung der Haltbarkeit der stoffschlüssigen Verbindung bewirken können.
Der Positionierabschnitt kann eine Längsachse besitzen, welche sich in radialer und/oder axialer Richtung des Funktionselements erstreckt. Ferner kann der Positionierabschnitt integral mit dem Befestigungsabschnitt ausgebildet sein.
Allgemein kann der Positionierabschnitt eine Positionierfläche zur Anlage an dem Werkstück umfassen. Die Positionierfläche umfasst zumindest die oben genannte Kontaktfläche, d.h. die Fläche, die an dem Werkstück anliegt, bevor der Magnetimpuls zum Beschleunigen des Werkstücks erzeugt wird. Darüber hinaus kann die Positionierfläche eine Fläche aufweisen, die erst im Zuge einer Verformung des Werkstücks an demselben zur Anlage kommt, wobei sich dann auch hier eine stoffschlüssige Verbindung ausbilden kann.
Die Positionierfläche kann relativ zu der Anlagefläche geneigt sein. Somit kann im Bereich der Positionierfläche eine variable Spaltgeometrie realisiert werden, welche z.B. in eine im Bereich der Anlagefläche konstante oder in radialer Richtung variierende Spaltgeometrie mündet.
Nach einer Ausführungsform ist die Positionierfläche gekrümmt. Somit kann der Positionierabschnitt insgesamt gesehen oder zumindest abschnittsweise eine konvexe Form aufweisen. Alternativ kann die Positionierfläche zumindest abschnittsweise eben ausgebildet sein.
Die Positionierfläche kann zumindest im Wesentlichen glatt, d.h. unterbrechungsfrei bzw. stetig, in die Anlagefläche übergehen. Somit kann die lokale Materialbeanspruchung des Werkstücks im Zuge einer Werkstückverformung reduziert werden. Alternativ kann – im Hinblick auf eine möglichst einfache Herstellung des Funktionselements – die Positionierfläche durch wenigstens eine Kante von der Anlagefläche abgesetzt sein, insbesondere durch eine Stufe.
Die Positionierfläche kann insbesondere wenigstens ein Kreissegment umfassen. Beispielsweise kann die Positionierfläche durch eine Kreisfläche oder einen Kreisring gebildet sein. Es versteht sich, dass eine Kegelspitze, die in an dem Werkstück anliegt, eine ebene oder gekrümmte Kegelfläche aufweist und dementsprechend Bestandteil der Positionierfläche ist.
Allgemein kann die Positionierfläche einen stetigen, d.h. unterbrechungsfreien Verlauf besitzen. Die Positionierfläche kann hierbei auch glatt und vertiefungsfrei sein.
Wie weiter oben erwähnt wurde, kann der Positionierabschnitt eine Erhebung umfassen, welche sich nach außen in axialer Richtung von dem Befestigungsabschnitt weg erstreckt. Die Positionierfläche oder Kontaktfläche ist in diesem Fall an der Erhebung ausgebildet. Die Erhebung kann aus einer Ebene der Anlagefläche herausragen und somit als Abstandshalter in Bezug auf die Anlagefläche fungieren. Die Erhebung kann so ausgebildet sein, dass sie den genannten Spalt zwischen der Anlagefläche und dem Werkstück definiert. Ferner kann sich der Positionierabschnitt in axialer Richtung verjüngen, wodurch sich das Werkstück während einer Beschleunigung hin zu dem Werkstück leichter und beschädigungsfrei verformen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schließen der Positionierabschnitt und die Anlagefläche zumindest abschnittsweise eine Nut zwischen sich ein. Beispielsweise ist zwischen dem Positionierabschnitt und der Anlagefläche ein konkav geformter Übergang ausgebildet. Der Übergang bzw. die Nut kann die Stabilität und Belastbarkeit der stoffschlüssigen Verbindung verbessern. Die Anlagefläche oder Teile davon können auch die Nut definieren.
Der Positionierabschnitt kann insbesondere in einem radialen Außenbereich des Befestigungsabschnitts angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Positionierabschnitt symmetrisch um die Achse des Funktionselements ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Positionierabschnitt in einem – bezüglich der Achse des Funktionselements – radialen Innenbereich des Befestigungsabschnitts angeordnet sein.
Ferner kann der Positionierabschnitt zumindest teilweise an dem Funktionsabschnitt ausgebildet sein, wodurch das Funktionselement insgesamt sehr kompakt ausgebildet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können mehrere, insbesondere drei, Positionierabschnitte symmetrisch um einen zentralen Mittelpunkt (z.B. Längsachse) des Befestigungsabschnitts bzw. des Funktionselements angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine kippstabile Anlageposition des Funktionselements relativ zu dem Werkstück gewährleistet werden.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Zusammenbauteil aus einem Funktionselement und einem Werkstück. Das Funktionselement kann insbesondere nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein. Das Werkstück und/oder das Funktionselement umfassen zumindest abschnittsweise ein elektrisch leitfähiges Material. Das Funktionselement weist einen Funktionsabschnitt und einen Befestigungsabschnitt mit einer Anlagefläche und einem Positionierabschnitt auf. Der Funktionsabschnitt ist dazu ausgebildet, mit einem separaten Bauteil mechanisch zusammenzuwirken. Das Funktionselement ist im Bereich der Anlagefläche zumindest abschnittsweise durch eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Werkstück verbunden, wobei die Verbindung durch ein Magnetimpulsschweißverfahren, insbesondere nach einer Ausführungsform des oben erläuterten Verfahrens, hergestellt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft anhand der folgenden Zeichnungen erläutert:
1 Perspektivansicht eines Funktionselements zur Befestigung an einem Werkstück;
2a bis 2c weitere Ansichten des Funktionselements der 1;
3a bis 3d Ansichten zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Befestigung des Funktionselements der 1 und 2 an einem Werkstück;
4a und 4b Perspektivansichten eines Zusammenbauteils des Funktionselements der 1 und 2 mit einem Werkstück;
5a bis 5c Ansichten eines weiteren Funktionselements;
6a bis 6c Ansichten eines weiteren Funktionselements;
7a bis 7c Ansichten eines weiteren Funktionselements;
8a bis 8c Ansichten eines weiteren Funktionselements;
9a bis 9c Ansichten eines weiteren Funktionselements;
10a bis 10d Ansichten eines weiteren Funktionselements;
11 Perspektivansicht des Funktionselements der 10;
12a bis 12d Ansichten zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Befestigung des Funktionselements der 10 und 11 an einem Werkstück;
13a und 13b Perspektivansichten eines Zusammenbauteils des Funktionselements der 10 und 11 mit einem Werkstück;
14a bis 14c Ansichten eines weiteren Funktionselements;
15a bis 15d Ansichten eines weiteren Funktionselements;
16a und 16b weitere Ansichten des Funktionselements der 15;
17a bis 17d Ansichten zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Befestigung des Funktionselements der 15 und 16 an einem Werkstück;
18a und 18b Perspektivansichten eines Zusammenbauteils des Funktionselements der 15 und 16 mit einem Werkstück;
19a bis 19c Ansichten eines weiteren Funktionselements;
20a und 20b Perspektivansichten des Funktionselements der 19;
21a bis 21d Ansichten zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Befestigung des Funktionselements der 19 und 20 an einem Werkstück;
22a und 22b Perspektivansichten eines Zusammenbauteils des Funktionselements der 19 und 20 mit einem Werkstück;
23a bis 23d Ansichten eines weiteren Funktionselements;
24a bis 24c Weitere Ansichten des Funktionselements der 23;
25a bis 25d Ansichten zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Befestigung des Funktionselements der 23 und 24 an einem Werkstück;
26a und 26b Perspektivansichten eines Zusammenbauteils des Funktionselements der 23 und 24 mit einem Werkstück;
In den Zeichnungen sind gleiche oder gleichartige Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 ist eine Perspektivansicht eines Funktionselements 10, welches bezüglich einer Achse Z rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Das Funktionselement 10 weist einen Flanschabschnitt 12 und einen Bolzenabschnitt bzw. Funktionsabschnitt 14 auf. In 2a ist das Funktionselement 10 in einer Draufsicht auf den Flanschabschnitt 12 gezeigt. Koordinatenachsen X und Y schneiden sich im rechten Winkel. 2b zeigt das Funktionselement 10 in einer kombinierten Querschnitts- und Seitenansicht, wobei der Querschnittsbereich links von der Achse Z und der Seitenansichtsbereich rechts von der Achse Z gezeigt ist.
Der Funktionsabschnitt 14 weist ein Außengewinde 16 auf, um ein separates Bauteil (nicht gezeigt) mit dem Funktionselement zu verbinden. Der Flanschabschnitt 12 weist einen konusförmigen Befestigungsabschnitt 18 auf, welcher eine Anlagefläche 20 und einen Positionierabschnitt 22 umfasst. Ein Bereich 24 des Befestigungsabschnitts 18 ist in 2c vergrößert dargestellt. Der Positionierabschnitt 22 ist in diesem Fall die Spitze des Befestigungsabschnitts 18. Die Fläche 20 und der Abschnitt 22 gehen bei dieser Ausführungsform ineinander über.
Ein Verfahren zum Befestigen des Funktionselements 10 an einem ebenen Werkstück 26 wird nachfolgend anhand 3a bis 3d erläutert. Zunächst wird das Funktionselement 10 mit dem Positionierabschnitt 22 in Anlage mit dem Werkstück 26 gebracht. Hierzu wird ein Setzkopf 28 verwendet, welcher eine abschnittsweise komplementär zum dem Funktionselement 10 ausgebildete Ausnehmung 30 aufweist, in der das Funktionselement 10 eingesetzt ist. Der Setzkopf 28 weist einen Anlageabschnitt 32 auf, welcher sich zusammen mit dem Positionierabschnitt 22 in einer gemeinsamen Ebene der Achsen X und Y erstreckt (2a). Das Werkstück 26 ruht auf einer Matrize 34, in die eine bestrombare Spule 36 eingesetzt ist. Es versteht sich, dass das Funktionselement nicht notwendigerweise mit dem Setzkopf 28 positioniert werden muss, sondern auch auf andere Weise gehalten werden kann.
Zwischen der Anlagefläche 20 und dem Werkstück 26 ist ein Spalt 38 gebildet, welcher sich in radialer Richtung hin zu dem Positionierabschnitt 22 verjüngt. Der Setzkopf 28 weist zwischen dem Anlageabschnitt 32 und der Ausnehmung 30 eine Anschrägung 40 auf, sodass sich der Spalt 38 jenseits des Flanschabschnitts 12 in radialer Richtung nach außen verjüngt. Der in 3a markierte Bereich 42 ist in 3c vergrößert dargestellt.
Mittels der Spule 36 wird nun ein das Werkstück 36 durchflutender Magnetimpuls erzeugt. Dieser sorgt für ein magnetisches Gegenfeld, das eine abschnittsweise Beschleunigung des Werkstücks 26 in Richtung hin zu der Anlagefläche 20 des Befestigungsabschnitts 18 bewirkt. Hierdurch wird das Werkstück 26 abschnittsweise verformt bis es hochenergetisch an der Anlagefläche 20 zur Anlage kommt und eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Befestigungsabschnitt 18 des Flanschabschnitts 12 ausbildet. Hierbei kann der Setzkopf 28 das Funktionselement 10 in Position halten (oder in axialer Richtung leicht abfedern). Danach werden der Setzkopf 28 und die Matrize 34 entfernt. Es ergibt sich das in 3b sowie in 4a und 4b gezeigte Zusammenbauteil 44 aus dem Funktionselement 10 und dem Werkstück 26. Eine Vergrößerung des Bereichs 46 von 3b ist in 3d angegeben. In 3d ist insbesondere gut zu erkennen, dass das Werkstück 26 im Wesentlichen komplementär zu dem Spalt 38 (vgl. z.B. 3c) verformt ist und die Anschrägung 40 des Setzkopfes 28 für eine schonende bzw. stetige Verformung des Werkstücks 26 sorgt.
Ähnliche Ausführungsformen des Funktionselements 10 sind in den 5 bis 9 gezeigt. Diese Funktionselemente 10 können entsprechend zu dem anhand der 3 und 4 erläuterten Magnetimpulsverfahren an einem Werkstück 26 befestigt werden. Das Funktionselement 10 von 5 zeichnet sich im Vergleich zu dem Funktionselement 10 von 2 durch einen abgeflachten Positionierabschnitt 22 mit einer kreisförmigen Positionierfläche 48 aus. In 5a ist das Funktionselement 10 in einer Draufsicht auf den Befestigungsabschnitt 18 gezeigt. 5b zeigt das Funktionselement 10 in einer kombinierten Querschnitts- und Seitenansicht. Ein Bereich 50 von 5b ist in 5c vergrößert dargestellt.
Bei der Ausführungsform von 6 ist der Positionierabschnitt 22 abweichend zu der Ausführungsform von 5 als Kegel ausgebildet, wobei die Positionierfläche 48 die zugehörige Mantelfläche des Kegels ist. Der Bereich 52 von 6b ist in 6c vergrößert dargestellt.
Bei der Ausführungsform von 7 ist der Positionierabschnitt 22 abweichend zu der Ausführungsform von 6 zylindrisch ausgebildet, wobei die Positionierfläche 48 die zugehörige Mantel- und Stirnfläche des entsprechenden Zylinders ist.
Letztere ist bei Anlage an dem Werkstück 26 die Kontaktfläche. Der Bereich 54 von 7b ist in 7c vergrößert dargestellt.
Bei der Ausführungsform von 8 ist der Positionierabschnitt 22 entsprechend zu der Ausführungsform von 6 als Kegel ausgebildet. Jedoch ist die Anlagefläche 20 des Befestigungsabschnitts 18 plan ausgebildet, d.h. die Anlagefläche 20 erstreckt sich orthogonal zur Achse Z (in der durch die Achsen X und Y aufgespannten Ebene). Der Bereich 56 von 8b ist in 8c vergrößert dargestellt.
Der Positionierabschnitt 22 der Ausführungsform von 9 ist wiederum entsprechend zu der Ausführungsform von 7 zylindrisch ausgebildet, wobei die Anlagefläche 20 entsprechend zu der Ausführungsform von 8 plan ausgebildet ist. Der Bereich 58 von 9b ist in 9c vergrößert dargestellt.
In 10 ist eine weitere Ausführungsform des Funktionselements 10 gezeigt, die sich von den vorherigen Ausführungsformen insbesondere dadurch unterscheidet, dass der Befestigungsabschnitt 18 an dem Flanschabschnitt 12 in axialer Richtung auf der Seite des Bolzenabschnitts bzw. Funktionsabschnitts 14 angeordnet, d.h. dem Funktionsabschnitt 14 zugewandt ist. 10b ist eine kombinierte Querschnitts- und Seitenansicht des Funktionselements 10. 10a ist eine Draufsicht des Funktionselements 10 von unten, d.h. die Perspektive ist axial auf den Befestigungsabschnitt 18 und das Ende des Funktionsabschnitts 14 gerichtet. In 10b ist ein Bereich 60 des Befestigungsabschnitts 18 gezeigt (vergrößert in 10c), welcher verdeutlicht, dass die Anlagefläche 20 relativ zur Achse Z geneigt ist. Die Anlagefläche 20 ist von radial außen nach radial innen so geneigt, dass zwischen dessen Außenrand und dem Funktionsabschnitt 14 eine Nut 62 gebildet ist. Der Positionierabschnitt 22 ist durch drei rippen- oder wulstförmige Erhebungen 64 gebildet, welche äquidistant um die Achse Z an dem Außenrand der Anlagefläche 20 angeordnet sind und integral mit dem Flanschabschnitt 12 ausgebildet sind (vgl. z.B. 10a). Sie ragen in die Nut 62 hinein. Ein Bereich 66 von 10b ist in 10d vergrößert dargestellt. Er zeigt eine Erhebung 64 des Positionierabschnitts 22. Die Positionierfläche 48 ist abgerundet. 11 zeigt das Funktionselement 10 der 10 in einer Perspektivansicht, wobei das Funktionselement 10 gegenüber der Ansicht von 10b um 180 Grad gedreht ist.
12a bis 12d veranschaulichen ein Befestigen des Funktionselements 10 der 10 und 11 entsprechend zu dem anhand der 3 erläuterten Magnetimpulsverfahren. Ein Bereich 68 von 12a ist in 12c vergrößert dargestellt. Ein Bereich 70 von 12b (nach Abschluss des Verfahrens) ist in 12d vergrößert dargestellt. Aus 12b und 12d geht insbesondere hervor, dass die vor dem Erzeugen des Magnetimpulses auf dem Werkstück 26 aufliegenden und damit den Spalt 38 (mit) definierenden Erhebungen 64 nach Abschluss des Verfahrens in das Werkstück 26 eingreifen. Auf diese Weise kann die Stabilität, insbesondere die Verdrehsicherheit, der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Befestigungsabschnitt 18 und dem Werkstück 26 verbessert werden. Das Zusammenbauteil 44 (12b) ist auch in 13a und 13b dargestellt.
14 zeigt eine weitere Ausführungsform des Funktionselements 10, welche sich von der Ausführungsform der 10 und 11 dadurch unterschiedet, dass der Positionierabschnitt 22 keine Erhebungen 64 aufweist. Der Positionierabschnitt 22 ist stattdessen durch den Außenrand der Anlagefläche 20 des Flanschabschnitts 12 gebildet (vgl. 14a bis 14c).
15 offenbart eine weitere Ausführungsform des Funktionselements 10, das ähnlich zu dem Funktionselement 10 der 10 ausgebildet ist. Die Anlagefläche 20 des Funktionselements 10 von 15 ist jedoch von radial innen nach radial außen geneigt, d.h. die Anlagefläche 20 fällt ausgehend vom Funktionsabschnitt 14 nach außen ab und schließt mit diesem bzw. mit der Achse Z einen Winkel größer als 90 Grad ein. Ferner ist der Positionierabschnitt 22 durch drei symmetrisch und äquidistant um die Achse Z angeordnete, rippenförmige Erhebungen 64 gebildet. Abweichend zu den in 10 gezeigten Erhebungen 64 sind die Erhebungen 64 hier in einem radialen Innenbereich des Flanschabschnitts 12 bzw. der Anlagefläche 20 angeordnet, d.h. an einem Übergang zwischen der Anlagefläche 20 und dem Funktionsabschnitt 14. In 16a ist das Funktionselement 10 von 15 in einer Perspektivansicht gezeigt. Ein Bereich 78 von 16a ist in 16b vergrößert dargestellt und zeigt eine konvexe Krümmung der Positionierfläche 48 der Erhebung 64 besonders gut. Ferner ist zu erkennen, dass die Erhebung 64 in den Funktionsabschnitt 14 übergeht.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Erhebungen 64 im radialen Innen- und im Außenbereich der Anlagefläche 20 vorzusehen. Alternativ oder zusätzlich können sie auch an beliebiger Stelle zwischen diesen Bereichen angeordnet werden.
17a bis 17d veranschaulichen ein Befestigen des Funktionselements 10 von 15 und 16 entsprechend zu dem anhand der 3 erläuterten Magnetimpulsverfahren. Ein Bereich 80 von 17a ist in 17c vergrößert dargestellt. Ein Bereich 82 von 17b (nach Abschluss des Verfahrens) ist in 17d vergrößert dargestellt. Aus den 17b und 17d geht insbesondere hervor, dass die Erhebungen 64 nach Abschluss des Verfahrens in das Werkstück 26 eingreifen. Auf diese Weise kann die Stabilität, insbesondere die Verdrehsicherheit, der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Befestigungsabschnitt 18 und dem Werkstück 26 verbessert werden. Das Zusammenbauteil 44 der 17b ist auch in den 18a und 18b dargestellt.
Das Funktionselement 10 von 19 unterscheidet sich von den in 1 bis 18 offenbarten Funktionselementen 10 dadurch, dass der Funktionsabschnitt 14 als Bohrung mit einem Innengewinde 84 ausgebildet ist. Ferner ist der Positionierabschnitt 22 als um die Achse Z umlaufende Stufe ausgebildet (vgl. z.B. 19b), die am Übergang zu dem Funktionsabschnitt 14, also an ihrem radial inneren Bereich, vorgesehen ist und aus der geneigten Ebene der Anlagefläche 20 herausragt. In den 20a und 20b ist das Funktionselement 10 von 19 in zwei Perspektivansichten gezeigt, wobei das Funktionselement 10 um 180 Grad gedreht ist.
Die 21a bis 21d veranschaulichen ein Befestigen des Funktionselements 10 von 19 und 20 entsprechend zu dem anhand der 3 erläuterten Magnetimpulsverfahren. Ein Bereich 88 von 21a ist in 21c vergrößert dargestellt. Ein Bereich 90 von 21b (nach Abschluss des Verfahrens) ist in 21d vergrößert dargestellt. Aus den 21b und 21d geht insbesondere hervor, dass der stufenförmige Positionierabschnitt 22 nach Abschluss des Verfahrens in das Werkstück 26 eingreift. Das Zusammenbauteil 44 von 21b ist auch in den 22a und 22b dargestellt.
23 zeigt eine weitere Ausführungsform des Funktionselements 10, die sich von der Ausführungsform der 19 und 20 dadurch unterscheidet, dass der Positionierabschnitt 22 analog zu der Ausführungsform gemäß 15 durch drei symmetrisch angeordnete Erhebungen 64 gebildet ist, die am Übergang zu dem Funktionsabschnitt 14 angeordnet sind. Ein Bereich 92 von 23b ist in 23c vergrößert gezeigt. Ein Bereich 94 von 23b ist in 23d vergrößert gezeigt. 24a und 24b zeigen jeweils eine Perspektivansicht des Funktionselements 10 von 23. Ein Bereich 94 von 24b ist in 24c vergrößert gezeigt.
Die 25a bis 25d veranschaulichen ein Befestigen des Funktionselements 10 von 23 und 24 entsprechend zu dem anhand der 3 erläuterten Magnetimpulsverfahren. Ein Bereich 98 von 25a ist in 25c vergrößert dargestellt. Ein Bereich 100 von 25b (nach Abschluss des Verfahrens) ist in 25d vergrößert dargestellt. Das Zusammenbauteil 44 von 25b ist auch in den 26a und 26b dargestellt.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen demonstrierten anschaulich die vielfältigen Möglichkeiten, wie die Erfindung umgesetzt werden kann. Insbesondere kann die Geometrie des Spalts 38 an alle denkbaren Erfordernisse angepasst werden. Diese hängt – bei gegebener Werkstückform bzw. – oberflächenausgestaltung – insbesondere von der Lage und Ausgestaltung des Positionierabschnitts sowie von der Geometrie der Anlagefläche ab.
Eine Anpassung der Spaltgeometrie muss für eine jeweilige Kombination des Funktionselements 10 und des Werkstücks 26 nur einmal durchgeführt werden, sodass die Befestigung vieler Funktionselemente 10 mittels des beschriebenen Verfahrens besonders einfach und mit gleichbeliebender Präzision durchgeführt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Funktionsabschnitt
12: Flanschabschnitt
14: Funktionsabschnitt
16: Außengewinde
18: Befestigungsabschnitt
20: Anlagefläche
22: Positionierabschnitt
26: Werkstück
28: Setzkopf
30: Ausnehmung
32: Anlageabschnitt
34: Matrize
36: Spule
38: Spalt
40: Anschrägung
42: Bereich
44: Zusammenbauteil
48: Positionierfläche
24, 46, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98, 100: vergrößerter Bereich/Bildausschnitt
62: Nut
64: Erhebung
84: Innengewinde
Z: Symmetrieachse
X: Achse
Y: Achse

Claims

Verfahren zur Befestigung eines Funktionselements (10) an einem Werkstück (26), wobei das Funktionselement (10) einen Funktionsabschnitt (14) und einen Befestigungsabschnitt (18) aufweist, wobei der Funktionsabschnitt (14) dazu ausgebildet ist, mit einem separaten Bauteil mechanisch zusammenzuwirken und der Befestigungsabschnitt (18) eine Anlagefläche (20) und zumindest einen Positionierabschnitt (22) umfasst, der derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass bei einer Anlage des Positionierabschnitts (22) an dem Werkstück (26) zwischen der Anlagefläche (20) und dem Werkstück (26) ein Spalt (38) gebildet ist, wobei das Funktionselement (10) mit dem Positionierabschnitt (22) in Anlage mit dem Werkstück (26) gebracht wird, und das Funktionselement (10) und das Werkstück (26) anschließend mittels eines magnetischen Impulses relativ zueinander beschleunigt werden, um zwischen dem Funktionselement (10) und dem Werkstück (26) eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (26) während dem Beschleunigen in Richtung hin zu der Anlagefläche (20) verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (10) im Bereich der Anlagefläche (20) zumindest abschnittsweise stoffschlüssig mit dem Werkstück (26) verbunden wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Funktionselement (10) zumindest während dem Beschleunigen zumindest teilweise in einen Setzkopf (28) aufgenommen ist, wobei der Setzkopf (28) einen Anlageabschnitt (32) für das Werkstück (26) aufweist, und wobei bei der Anlage des Positionierabschnitts (22) an dem Werkstück (26) der Anlageabschnitt (32) an dem Werkstück (26) anliegt.
Funktionselement (10) zur Befestigung an einem Werkstück (26) mittels eines Magnetimpulsschweißverfahrens, insbesondere nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Funktionselement (10) einen Funktionsabschnitt (14) und einen Befestigungsabschnitt (18) aufweist, wobei der Funktionsabschnitt (14) dazu ausgebildet ist, mit einem separaten Bauteil mechanisch zusammenzuwirken und der Befestigungsabschnitt (18) eine Anlagefläche (20) und zumindest einen Positionierabschnitt (22) umfasst, der derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass bei einer Anlage des Positionierabschnitts (22) an dem Werkstück (26) zwischen der Anlagefläche (20) und dem Werkstück (26) ein Spalt (38) gebildet ist.
Funktionselement (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagefläche (20) größer als eine Kontaktfläche des Positionierabschnitts (22) ist, wobei die Kontaktfläche die Fläche des Positionierabschnitts (22) ist, die an dem Werkstück (26) anliegt.
Funktionselement (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (10) um eine Längsachse (Z) des Funktionselements (10) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Funktionselement (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt (18) an einem Flanschabschnitt (12) des Funktionselements (10) ausgebildet ist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagefläche (20) relativ zu der Längsachse (Z) des Funktionselements (10) geneigt ist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagefläche (20) zumindest abschnittsweise gekrümmt ist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagefläche (20) zumindest abschnittsweise als Mantelfläche eines Konus ausgebildet ist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagefläche (20) gegenüber dem Positionierabschnitt (22) zurückversetzt ist.
Funktionselement (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierabschnitt (22) eine Erhebung (64) umfasst, die sich in axialer Richtung (Z) von der Anlagefläche (20) weg erstreckt.
Funktionselement (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierabschnitt (22) zumindest abschnittsweise als ein Konus ausgebildet ist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierabschnitt (22) integral mit dem Befestigungsabschnitt (18) ausgebildet ist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierabschnitt (22) eine Positionierfläche (48) zur Anlage an dem Werkstück (26) umfasst.
Funktionselement (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierfläche (48) relativ zu der Anlagefläche (20) geneigt ist.
Funktionselement (10) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierfläche (48) gekrümmt ist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierfläche (48) im Wesentlichen glatt oder stetig in die Anlagefläche (20) übergeht.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierfläche (48) durch wenigstens eine Kante von der Anlagefläche abgesetzt ist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierfläche (48) wenigstens ein Kreissegment aufweist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierfläche (48) einen stetigen Verlauf besitzt.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierabschnitt (22) und die Anlagefläche (20) eine Nut (62) zwischen sich einschließen.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierabschnitt (22) in einem radialen Außenbereich des Befestigungsabschnitts (18) angeordnet ist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierabschnitt (22) in einem radialen Innenbereich des Befestigungsabschnitts (18) angeordnet ist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierabschnitt (22) zumindest teilweise an dem Funktionsabschnitt (14) ausgebildet ist.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere drei, Positionierabschnitte (22) symmetrisch um einen zentralen Mittelpunkt des Befestigungsabschnitts (18) angeordnet sind.
Funktionselement (10) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsabschnitt (14) einen Bolzenabschnitt und/oder eine Bohrung aufweist, die insbesondere mit einem Gewinde (16; 84) versehen sind.
Zusammenbauteil (44) aus einem Funktionselement (10), insbesondere nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 28, und einem Werkstück (26), wobei das Werkstück (26) und/oder das Funktionselement (10) zumindest abschnittsweise ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, wobei das Funktionselement (10) einen Funktionsabschnitt (14) und einen Befestigungsabschnitt (18) mit einer Anlagefläche (20) und einem Positionierabschnitt (22) aufweist, wobei der Funktionsabschnitt (14) dazu ausgebildet ist, mit einem separaten Bauteil mechanisch zusammenzuwirken, und wobei das Funktionselement (10) im Bereich der Anlagefläche (20) zumindest abschnittsweise durch eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Werkstück (26) verbunden ist, wobei die stoffschlüssige Verbindung durch ein Magnetimpulsschweißverfahren, insbesondere nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, hergestellt ist.