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Die vorliegende Gebrauchsmusteranmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr.
63/272,482 , die am 27. Oktober 2021 eingereicht wurde und durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine lochformende selbstschneidende Fließbohrschraube und ein Verfahren zum Verwenden einer solchen Schraube. Lochformende selbstschneidende Schrauben befestigen mehrere Materialien aneinander unter Verwendung von Reibungswärme, die durch Drehung und axiale Belastung des Befestigungselements gegen die Substratmaterialien erzeugt wird. Die Wärme plastifiziert das Material, was es dem Befestigungselement ermöglicht, ohne zu schneiden durch die Substrate einzudringen. Nach dem Eindringen in das/die Substrat(e) formt das Befestigungselement Gewinde in sie ein und zieht sich fest, um sie zu befestigen. Während der Installation erfährt das Befestigungselement ein Drehmoment, da es Gewinde in das Substrat formt, das als Gewindeformungsdrehmoment bekannt ist. Diese Größe dieses Drehmoments ist proportional zu der Substratmaterialdicke und -festigkeit. Wenn das Material zu dick oder zu fest ist, kann das Gewindeformungsdrehmoment die Torsionsfestigkeit des Befestigungselements überschreiten, was zu einem Befestigungselementversagen führt.
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HINTERGRUND
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Es gibt bereits mehrere verschiedene Typen von lochformenden selbstschneidenden Schrauben zur Anwendung in Blechmaterialien, Verbundstoffen und Polymeren (wie etwa
US 9,175,708 und
US 5,234,301 ). Diese Konstruktionen umfassen einen Gewindeschraubenschaft, einen sich verjüngenden Gewindebereich und eine Formspitze. Zum Beispiel weist
US 5,234,301 einen zylindrischen Bereich auf, der den sich verjüngenden Gewindebereich mit der Formspitze verbindet, wobei dieser zylindrische Bereich einen konstanten Durchmesser aufweist und so bemessen ist, dass er kleiner als der Teilkreisdurchmesser des Gewindeabschnitts der Schraube ist. Diese Größenbeschränkung des gewindelosen Bereichs begrenzt die Leistung des Befestigungselements bei dicken Werkstoffen aufgrund von übermäßigem Materialfluss in die Gewinde während des Gewindeformprozesses. Mit anderen Worten ist das Loch, das es erzeugt, zu klein, um einen optimierten Materialfluss zu ermöglichen, der zu übermäßigen Reibungskräften auf das Befestigungselement und einem hohen Gewindeformdrehmoment führt. In Bezug auf
US 9,175,708 weist das darin offenbarte Befestigungselement keinen gewindelosen Bereich zwischen der Formspitze und sich verjüngenden Gewinden auf und weist stattdessen eine Formspitze mit einem sich von den sich verjüngenden Gewinden zu dem Endabschnitt der Formspitze hin konstant reduzierenden Querschnitt auf. Die Formspitze besteht aus zwei benachbarten Krümmungsabschnitten. Dieser Stand der Technik erhebt keine Ansprüche auf die Dimensionierung der Formspitze.
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Ein anderes Beispiel eines lochformenden Verbindungselements ist in
US 10,508,676 beschrieben. Dieses Befestigungselement verwendet einen Bereich von ringförmigen Ringen (Rippen), von denen jeder Ring von den Ringen, die ihm vorausgehen oder folgen, getrennt ist, einen Bereich ohne Rippen und eine lochformende Spitze. Die lochformende Spitze ist größer als der ungerippte Bereich, aber kleiner als der maximale Durchmesser der Rippen. Dieses Befestigungselement verwendet keine spiralförmigen Gewinde, und als solches ist es keine Schraube (d. h. ein Gewindebefestigungselement).
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Eine vierte lochformende selbstschneidende Schraube und ein Verfahren zum Verwenden eines solchen Befestigungselements sind in dem US-Patent Nr.
10,598,205 offenbart, das hier in seiner Gesamtheit aufgenommen ist. Das US-Patent Nr.
10,598,205 wurde am 20. Februar 2018 mit Seriennr.
15/900,507 eingereicht und ist der Semblex Corporation in Elmhurst, Illinois, übertragen. Es bezieht sich auf die Verwendung von mehrgängigen/mehrspiralförmigen Gewinden an Fließbohrbefestigungselementen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Entwicklung einer geeigneten Spitzendimensionierung für eine selbstschneidende Fließbohrschraube mit verbesserten Eigenschaften, die ihre effektive Verwendung bei dicken Werkstoffen ermöglichen und den aktuellen Dickenbereich der bestehenden Fließbohrbefestigungselementtechnik erweitern.
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Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein selbstschneidendes und fließbohrendes Befestigungselement mit einem im Allgemeinen zylindrischen Schaft, der eine zentrale Längsachse aufweist, einem Antriebsmerkmal an dem ersten Ende des Schafts, das zum Drehen und Aufbringen einer Last auf das Befestigungselement verwendet wird, und einer (lochformenden) Fließbohrspitze an dem zweiten Ende des Schafts. Der Schaft weist ein spiralförmiges Gewinde auf, das den Schaft von dem allgemeinen Bereich des ersten Endes in Richtung der Fließbohrspitze spiralförmig umgibt. Der Schaft kann vollständig oder teilweise mit Gewinde versehen sein. Das Befestigungselement kann einen sich verjüngenden Gewindebereich vor der lochformenden Spitze verwenden oder nicht. Der Gewindebereich kann aus einer Vielfalt von Gewindegeometrien bestehen, die von dem zu fließbohrbefestigenden Substrat abhängen. Die Fließbohrspitze weist einen Durchmesser an ihrem größten Punkt auf, der größer als der kleinste Durchmesser des spiralförmigen Gewindemerkmals ist, einschließlich sich verjüngender Gewinde, aber kleiner als der größte Durchmesser des spiralförmigen Gewindemerkmals. Die Spitze kann rund, polygonal oder eine Kombination der Vorhergehenden sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist eine Zeichnung, die die Grundkomponenten eines lochformenden/fließbohrenden selbstschneidenden Befestigungselements umreißt;
- 2 ist eine Zeichnung, die die kritischen Abmessungen umreißt, die die Fließbohrspitzengröße der Ausführungsform von 1 betreffen;
- 3A-3C zeigen drei mögliche Ausführungsformen eines sich verjüngenden Führungsgewindebereichs der hier beschriebenen Erfindung;
- 4A-4C zeigen drei Querschnitte möglicher Ausführungsformen von spiralförmigen Gewindetypen, die mit der vorgeschlagenen Erfindung verwendet werden können. Die gestrichelten Kreise für die Spirallappen- und Polygonquerschnitte zeigen den Außendurchmesser, der durch das Merkmal des größten Durchmessers des spiralförmigen Gewindes gezogen wird;
- 5A-5C zeigen mögliche Fließbohrspitzenformen, die mit der hier beschriebenen Fließbohrspitzendimensionierung kombiniert werden können;
- 6A und 6B zeigen mögliche Spitzenabschlüsse;
- 7 ist ein Beispiel eines Typs von Antriebssystem, das zum Einsetzen der vorliegenden Befestigungsvorrichtung in ein Werkstück verwendet werden kann; und;
- 8A-8F sind eine Reihe von Seitenansichten, die die Schritte zeigen, die an einem Beispiel eines Verfahrens zum Einsetzen der vorliegenden Befestigungsvorrichtung in ein Werkstück beteiligt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie oben erwähnt, formen Fließbohrbefestigungselemente ein Loch in ihr Gegenstück, formen Gewinde in das Teil ein und ziehen sich dann fest, um zwei oder mehr Teile zu befestigen. Das Loch wird unter Verwendung der Fließbohrspitze der Schraube fließgebohrt, die mit hoher Drehzahl gedreht und gegen die Gegenstücke gedrückt wird, was zu Wärmeerzeugung und der Bildung eines fließgeformten Lochs führt. Die Größe des resultierenden Lochs ist gleich dem Durchmesser der Spitze der Schraube an ihrem größten Punkt. Das Befestigungselement formt dann Gewinde in dieses Loch unter Verwendung seines sich verjüngenden Bereichs, wodurch ein Materialfluss erzeugt wird, der die Gewinde des Befestigungselements ausfüllt. Ein Beispiel für die Details eines Fließbohrbefestigungselements und ein Verfahren zum Verwenden eines solchen Befestigungselements sind in dem
US-Patent Nr. 10,598,205 offenbart.
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Unter Bezugnahme auf 1-8F werden verschiedene Beispiele von Merkmalen der vorliegenden Befestigungsvorrichtung gezeigt und beschrieben. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Beispiels einer Befestigungsvorrichtung (oder eines Befestigungselements) 10 der vorliegenden Erfindung, die eine Antriebsanordnung (oder ein Antriebssystem) 12, einen Kopfbereich 14, einen Gewindebereich 16 mit voller Größe, einen sich verjüngenden Gewindebereich 18 und einen Fließbohrspitzenabschnitt 20 aufweist. Das Befestigungselement 10 der vorliegenden Erfindung kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, wie etwa aus einem der folgenden Metalle: (i) Stähle mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt; (ii) Stähle mit Legierungen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt; (iii) rostfreie Stähle; (iv) Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt; (v) Stähle mit Legierungen mit hohem Kohlenstoffgehalt; und (vi) Aluminiumlegierungen.
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Die Antriebsanordnung 12 und der Kopfbereich 14 können als Teil eines Kopfabschnitts des Befestigungselements 10 betrachtet werden, und die Gewindebereiche 16 /18 und der Fließbohrspitzenbereich 20 können als Teil eines Schaftabschnitts des Befestigungselements 10 betrachtet werden. In den bezeichneten Ausführungsformen sind die Gewinde des Gewindebereichs bzw. der Gewindebereiche kontinuierliche spiralförmige Gewinde. Es ist anzumerken, dass der sich verjüngende Gewindebereich 18 optional ist.
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Es ist anzumerken, dass die Gewinde der Gewindebereiche 16 /18 eine einzelne Spirale sein können oder ein oder mehrere Spiralmerkmale umfassen können, die die Länge des spiralförmigen Gewindes umfassen. Das spiralförmige Gewinde kann ein Standardgewinde oder eine beliebige handelsübliche Gewindegeometrie sein, die am besten für das zu befestigende Substrat geeignet ist. Ferner kann das spiralförmige Gewinde eine einzelne oder mehrere Führungen aufweisen.
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Die Antriebsanordnung 12 ist zum Aufnehmen einer Drehantriebskraft konfiguriert und angeordnet, um die Befestigungsvorrichtung 10 in ein einzelnes Werkstück oder in eine Vielzahl von übereinander angeordneten Werkstücken zu treiben. Es wird in Betracht gezogen, dass die Antriebsanordnung eine beliebige Art von herkömmlich bekannter Antriebsanordnung sein kann (entweder eine Innenantriebsanordnung, wie z. B. geschlitzt, Phillips, Torx, quadratisch, sechseckig, sockelförmig usw., oder eine Außenantriebsanordnung, wie z. B. sechseckig, 12-Punkt, Linehead, Torx, Torx Plus usw.).
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Unter Bezugnahme auf 2 werden die kritischen Abmessungsbeziehungen des Befestigungselements 10 von 1 beschrieben. 2 zeigt, wie der Gewindebereich 16 mit voller Größe einen Außendurchmesser 22 und einen Kerndurchmesser 24 definiert. Der Außendurchmesser 22 ist als der Durchmesser eines imaginären koaxialen Zylinders definiert, der die Spitze des größten Gewindes eines Außengewindes, wie in 2 gezeigt, (oder die Wurzel eines Innengewindes) gerade berührt, und der Kerndurchmesser 24 ist der Durchmesser eines imaginären Zylinders, der die Wurzeln des größten Gewindes eines Außengewindes, wie ebenfalls in 2 gezeigt, (oder die Spitzen eines Innengewindes) gerade berührt. Somit werden in der Ausführungsform von 1 und 2, die den Gewindebereich 16 mit voller Größe und den sich verjüngenden Gewindebereich 18 umfasst, der Außen- und der Kerndurchmesser in dem Gewindebereich 16 mit voller Größe gemessen, da dieser Bereich das Gewinde mit dem größten Durchmesser umfasst. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Ausführungsformen beschränkt, die einen Gewindebereich mit voller Größe und einen sich verjüngenden Gewindebereich umfassen. Stattdessen kann beispielsweise der sich verjüngende Gewindebereich weggelassen werden (was zu einem einzelnen Gewindebereich mit einheitlichem Durchmesser führt), und somit werden der Außen- und der Kerndurchmesser in dem einzelnen Gewindebereich gemessen. Andere Ausführungsformen, die eine Vielzahl von Gewindebereichen mit unterschiedlichen Durchmessern (entweder einheitlich oder sich verjüngend) umfassen, werden ebenfalls in Betracht gezogen, und in solchen Situationen wird der Außendurchmesser immer noch als der Durchmesser eines imaginären koaxialen Zylinders definiert, der die Spitze des größten Gewindes gerade berührt, und der Kerndurchmesser wird immer noch als der Durchmesser eines imaginären Zylinders definiert, der die Wurzeln des größten Gewindes gerade berührt.
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2 zeigt auch, wie der Fließbohrspitzenbereich 20 einen Spitzendurchmesser 26 definiert. Je größer der Spitzendurchmesser ist, desto größer ist die Reduzierung des Drehmoments, das die Schraube erfährt, was es dem Befestigungselement ermöglicht, fließzubohren und Gewinde in dickere Substrate zu formen, ohne das Risiko eines Torsionsversagens.
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In der vorliegenden Erfindung ist es kritisch, dass der Spitzendurchmesser (TD) 26 größer als der Kerndurchmesser (Dminor) 24 ist und dass der Spitzendurchmesser (TD) 26 auch kleiner oder gleich dem Außendurchmesser (Dmajor) 22 ist. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung erfüllt die folgenden Gleichungen: (i) TD > Dminor und (ii) TD ≤ Dmajor. Vorzugsweise ist der Spitzendurchmesser (TD) 26 größer oder gleich dem 1,02-fachen des Kerndurchmessers (Dminor) 24, während er auch immer noch kleiner oder gleich dem Außendurchmesser (Dmajor) 22 ist. In anderen Ausführungsformen: (i) ist der Spitzendurchmesser (TD) 26 größer oder gleich dem 1,1-fachen des Kerndurchmessers (Dminor) 24, während er auch immer noch kleiner oder gleich dem Außendurchmesser (Dmajor) 22 ist; oder (ii) ist der Spitzendurchmesser (TD) 26 größer oder gleich dem 1,2-fachen des Kerndurchmessers (Dminor) 24, während er auch immer noch kleiner oder gleich dem Außendurchmesser (Dmajor) 22 ist; oder (iii) ist der Spitzendurchmesser (TD) 26 größer oder gleich dem 1,25-fachen des Kerndurchmessers (Dminor) 24, während er auch immer noch kleiner oder gleich dem Außendurchmesser (Dmajor) 22 ist.
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Die spezielle Konfiguration der vorliegenden Erfindung, einschließlich der oben erwähnten relativen Dimensionierung des Spitzendurchmessers (TD), des Kerndurchmessers (Dminor) und des Außendurchmessers (Dmajor), ermöglicht es, das vorliegende Befestigungselement effektiv bei dicken Werkstoffen zu verwenden, wie beispielsweise in einer Aluminiumplatte von bis zu einer Dicke von 10 mm in bestimmten Fällen, was eine 4-mm-Zunahme gegenüber herkömmlichen Fließbohrbefestigungselementen ist, oder in einer Magnesiumplatte zwischen 4 und 8 mm. Solche erhöhten Dicken sind möglich, da, wenn die hier beschriebenen relativen Beziehungen zwischen TD, Dminor und Dmajor verwendet werden, das Loch, das durch das vorliegende Fließbohrbefestigungselement erzeugt wird, groß genug ist, um einen optimierten Materialfluss zu ermöglichen, der zu reduzierten Reibungskräften auf das Befestigungselement und einem niedrigeren Gewindeformdrehmoment führt.
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Als Nächstes werden verschiedene optionale Merkmale und/oder Modifikationen der Ausführungsform von 1 und 2 unter Bezugnahme auf 4A-4C, 5A-5C und 6A-6B beschrieben.
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Zuerst zeigen diese Figuren in Bezug auf 3A-3C mehrere Variationen für das Profil der Gewinde in dem sich verjüngenden Gewindebereich 18 (1), wobei, sofern nicht anders angegeben, die anderen Merkmale der Befestigungselemente von 3A-3C die gleichen wie die von 1 und 2 sind. Zum Beispiel zeigt 3A ein Befestigungselement, das einen sich verjüngenden Gewindebereich 18A umfasst, der sich verjüngende Gewinde mit flacher Spitze umfasst. Als Nächstes zeigt 3B ein Befestigungselement mit einem sich verjüngenden Gewindebereich 18B, der sich verjüngende Gewinde mit scharfer Spitze umfasst. Schließlich zeigt 3C ein Befestigungselement mit einem sich verjüngenden Gewindebereich 18C, der sich verjüngende Gewinde mit Vierteldrehung umfasst. Da diese Gewindeprofile dem Fachmann bekannt sind, sind weitere Details nicht erforderlich. Ferner wird auch in Betracht gezogen, dass andere Gewindeprofile in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, solange die offenbarten Beziehungen zwischen TD, Dminor und Dmajor, die hier beschrieben sind, befolgt werden.
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Als Nächstes zeigen diese Figuren in Bezug auf 4A-4C mehrere Variationen für die Querschnittsform der Befestigungsvorrichtung 10 von 1 und 2. Sofern nicht anders angegeben, sind die anderen Merkmale der Befestigungselemente von 4A-4C die gleichen wie die von 1 und 2. Zum Beispiel zeigt 4A einen Querschnitt eines Schaftbereichs eines Befestigungselements, das einen Spirallappenquerschnitt 26 umfasst, wobei 26A den Außendurchmesser und 26B den Kerndurchmesser des Gewindebereichs darstellt. Als Nächstes zeigt 4B einen Querschnitt des Schaftbereichs eines Befestigungselements mit einem Polygonquerschnitt 28, wobei 28A den Außendurchmesser und 28B den Kerndurchmesser des Gewindebereichs darstellt. Schließlich zeigt 4C einen Querschnitt des Schaftbereichs eines Befestigungselements mit einem runden Querschnitt 30, wobei 30A den Außendurchmesser und 30B den Kerndurchmesser des Gewindebereichs darstellt. Da diese Querschnittsformen dem Fachmann bekannt sind, sind weitere Details nicht erforderlich. Ferner wird auch in Betracht gezogen, dass andere Querschnittsformen in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, solange die offenbarten Beziehungen zwischen TD, Dminor und Dmajor, die hier beschrieben sind, befolgt werden.
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Unter Bezugnahme auf 5A-5C zeigen diese Figuren mehrere Variationen für die Form der Spitze der Befestigungsvorrichtung 10 von 1 und 2. Sofern nicht anders angegeben, sind die anderen Merkmale der Befestigungselemente von 5A-5C die gleichen wie die von 1 und 2. 5A zeigt ein Befestigungselement, das einen Fließbohrspitzenbereich umfasst, der aus einer symmetrischen linearen Spitze 20A besteht. Als Nächstes zeigt 5B ein Beispiel eines Befestigungselements mit einer symmetrischen Spitze 20B mit einem einzelnen Radius (oder einer parabolischen (polynomialen) symmetrischen Spitze). In bestimmten Ausführungsformen ist der Radius kleiner oder gleich 1 mm. Schließlich zeigt 5C ein Befestigungselement mit einer Spitze 20C, die asymmetrisch ist und mehrere unterschiedliche Radien oder parabolische Abschnitte umfasst, wie etwa einen ersten parabolischen Abschnitt 28A und einen zweiten parabolischen Abschnitt 28B. Da diese unterschiedlichen Spitzenkonfigurationen dem Fachmann bekannt sind, sind weitere Details nicht erforderlich. Ferner wird auch in Betracht gezogen, dass andere Spitzenkonfigurationen in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, solange die offenbarten Beziehungen zwischen TD, Dminor und Dmajor, die hier beschrieben sind, befolgt werden.
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6A und 6B zeigen, wie der Punkt des Fließbohrspitzenbereichs 20 eine beliebige gewünschte Konfiguration aufweisen kann, wie etwa die in 6A gezeigte Konfiguration, die einen scharfen Punkt 30A umfasst, oder die in 6B gezeigte Konfiguration, die einen Radiuspunkt 30B umfasst. Da diese unterschiedlichen Spitzenkonfigurationen dem Fachmann bekannt sind, sind weitere Details nicht erforderlich. Ferner wird auch in Betracht gezogen, dass andere Punktkonfigurationen in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, solange die offenbarten Beziehungen zwischen TD, Dminor und Dmajor, die hier beschrieben sind, befolgt werden.
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Dieses äußere distale Ende des Spitzenbereichs kann durch ein beliebiges gewünschtes Verfahren gebildet werden, wie etwa durch Verwenden eines beliebigen der folgenden Verfahren (allein oder in Kombination miteinander): (i) ein Anspitzungsverfahren, das durch einen Spanvorgang, einen Spanvorgang mit einem Formwerkzeug oder einen beliebigen anderen schneidbasierten Prozess, der Material entfernt, erreicht werden kann; (ii) ein Quetschanspitzungsverfahren, das ein schmiedebasierter Anspitzungsprozess ist, bei dem ein nicht angespitzter Rohling durch Formmatrizen geschlagen wird, um die gewünschte Form zu erzeugen, und bei dem ein „Rohling“ von Schrott (d. h. unerwünschtes überschüssiges Material) erzeugt und dann verworfen oder recycelt wird; oder (iii) ein Walzverfahren, das das Führen eines nicht angespitzten Rohlings durch einen Satz von Walzformmatrizen beinhaltet, um die Spitze der Schraube zu formen und jegliches unerwünschte Material zu entfernen. Wenn das Walzverfahren verwendet wird, kann der Spitze gleichzeitig mit den Gewinden gewalzt werden, oder die Gewinde und die Spitze können in getrennten Prozessen gewalzt werden.
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Unter Bezugnahme auf 7 zeigt diese Figur eine schematische Darstellung eines Typs von Antriebssystem 96, das ein Antriebselement 98 umfasst, das konfiguriert und angeordnet ist, um in Betriebskontakt mit der Antriebsanordnung 12 (1) auf dem Kopfbereich platziert zu werden, so dass, wenn sich das Antriebselement 98 dreht, die Befestigungsvorrichtung 10 damit mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung gedreht wird. In dieser Ausführungsform des Antriebssystems 96 ist auch ein Stabilisierungsrahmen 102 vorgesehen, um die relevanten Komponenten zu stabilisieren, während das Antriebselement 98 gedreht wird und eine nach unten gerichtete Kraft darauf aufgebracht wird. Zum Beispiel könnte das Antriebselement mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zwischen 1000 U/min und 10.000 U/min gedreht werden, wobei eine vorbestimmte nach unten gerichtete Kraft darauf zwischen 300 N und 4.500 N aufgebracht wird. Natürlich werden auch andere Typen von Antriebssystemen, sowohl manuell als auch angetrieben, als für die Verwendung mit der aktuellen Befestigungsvorrichtung und dem aktuellen Verfahren geeignet in Betracht gezogen.
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Unter Bezugnahme auf 8A-8F wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen einer Anordnung von zwei Werkstücken unter Verwendung der vorliegenden Befestigungsvorrichtung, wie etwa der vorliegenden Fließbohrschraube, gezeigt und beschrieben.
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7 und 8A-8F zeigen alle eine überlagerte oder geschichtete Struktur 50, die aus einem ersten Werkstück 56 und einem zweiten Werkstück 58 besteht, die durch Überlagern (Schichten) des zweiten Werkstücks 58 auf dem ersten Werkstück 56 erzeugt wird, um die überlagerte Struktur 50 zu erzeugen. Das erste und das zweite Werkstück 56 und 58 können jeweils aus einem beliebigen geeigneten Material sein (wie etwa einem Blech aus Aluminium, Magnesium, Stahl oder einem anderen Metall, Kunststoff, kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, Kohlenstofffaser usw.), wobei das erste und das zweite Werkstück aus dem gleichen Material oder aus verschiedenen Materialien sind. Ferner kann jedes der Werkstücke eine beliebige geeignete Dicke aufweisen, wie etwa zwischen 0,3 mm und 10,0 mm. Optional kann ein Klebstoff zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück bereitgestellt werden, bevor die Befestigungsvorrichtung darin eingesetzt wird. Das erste und das zweite Werkstück der vorliegenden Erfindung könnten als Komponenten einer Vielfalt von verschiedenen Arten von Produkten verwendet werden, wie etwa als eine Komponente eines Fahrzeugs (wie etwa eines Automobils, eines Lastwagens und eines SUV, landwirtschaftlicher Ausrüstung, Bauausrüstung), als eine Komponente in einem Behälter, als eine Komponente in Möbeln, als ein Baumaterial usw. bereitgestellt werden. Genauer gesagt kann die fertige Anordnung, wenn sie in einem Automobil oder Lastwagen verwendet wird, Teil des Unterbodens, der Rahmenkonstruktion, der Karosserieabschnitte oder der Ladefläche des Fahrzeugs usw. sein. Obwohl nur die Befestigung von zwei Werkstücken gezeigt und beschrieben wird, ist das vorliegende Verfahren ferner auch zum Befestigen von drei, vier oder mehr Werkstücken (Blechen) aneinander geeignet, um eine Anordnung zu bilden.
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Die Fließbohrschraube 10 einer beliebigen der hier erörterten Ausführungsformen wird bereitgestellt, und wie in 7 gezeigt, ist die Schraube derart positioniert, dass ein Antriebselement 98 des Antriebssystems 96 in Betriebskontakt mit einer Antriebsanordnung des Kopfabschnitts 14 (1) der Fließbohrschraube 10 steht. Wie oben erwähnt, kann ein beliebiges geeignetes Antriebssystem verwendet werden. Als nächstes wird das Antriebselement 98 des Antriebssystems 96 gedreht, während es in Betriebskontakt mit der Antriebsanordnung der Fließbohrschraube 10 steht, wodurch die Fließbohrschraube gedreht wird.
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Es sollte beachtet werden, dass, obwohl 8A-8F das Antriebssystem und zugehörige Komponenten zur Vereinfachung der Beschreibung weglassen, die Fließbohrschraube in jedem der in 8A-8F dargestellten Zustände immer noch in Betriebskontakt mit dem Antriebselement positioniert ist.
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8A ist eine Darstellung des Schritts des Inkontaktbringens der Fließbohrschraube 10 mit einem Zielbereich 62 (in gestrichelten Linien gezeigt) der überlagerten Struktur 50, während die Fließbohrschraube 10 durch das Antriebselement 98 (7) gedreht wird. Es sollte beachtet werden, dass einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung darin besteht, dass keine Vorlöcher oder andere Öffnungen in dem Zielbereich eines der Werkstücke 56 oder 58 erforderlich sind. Falls gewünscht, kann jedoch ein Vorloch in dem oberen Blech vorgesehen sein, das in diesem Fall das zweite Werkstück 58 wäre. Ein solches Vorloch kann vorteilhaft sein, wenn das obere Blech dick ist oder wenn mehr als zwei Schichten aufeinander gestapelt sind, wie etwa mit einer dreischichtigen Struktur, bei der die obere Schicht ein Vorloch enthält, oder einer vierschichtigen Struktur, bei der die oberen zwei oder drei Schichten jeweils ein Vorloch enthalten. Selbst wenn ein solches Vorloch in einer der Schichten vorgesehen ist, muss ein solches Vorloch jedoch nicht mit Gewinde versehen sein. 8A zeigt auch die Ergebnisse des Eindringens in den Zielbereich 62 der überlagerten Struktur 50 mit dem Spitzenabschnitt 20 der rotierenden Fließbohrschraube 10.
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Unter Bezugnahme auf 8B bewegt sich das Antriebselement, während die Fließbohrschraube 10 durch das Antriebselement 98 (7) weiter gedreht wird, in der Längsrichtung nach unten, so dass der Punkt 30 des Spitzenabschnitts 20 in den Zielbereich 62 der überlagerten Struktur 50 eindringt. Wie in 8B zu sehen ist, erweicht das Material neben dem Spitzenabschnitt 20 durch die Wärme, die durch Reibung von der rotierenden Fließbohrschraube erzeugt wird, wodurch ein geflossener/extrudierter Abschnitt 72A/72B erzeugt wird. Insbesondere erzeugt die Kombination der ausgewählten Drehzahl und der ausgewählten Endlast ausreichend Wärme, um die Materialien des ersten und zweiten Werkstücks 56, 58 zu erweichen, um den oberen geflossenen/extrudierten Abschnitt 72A und den unteren geflossenen/extrudierten Abschnitt 72B zu erzeugen. Ferner ist die Form des Spitzenabschnitts 30, einschließlich beliebiger optionaler Facetten (oder anderer Struktur), so konfiguriert, dass bei ausreichender Drehzahl und Längsdruck das Material der Werkstücke 56, 58 nicht gespant oder geschnitten wird, sondern vielmehr geflossen/extrudiert wird. Ein solches Ergebnis ist vorteilhaft, da es unter anderem die Ablagerungen und die damit verbundene Säuberung, die mit anderen selbstschneidenden Prozessen verbunden sind, beseitigt, und der extrudierte/geflossene Abschnitt 72A/72B eine hohle Extrusion bildet, die der Verbindung durch Erhöhen der axialen Gewindelänge über die Dicke der überlagerten Struktur 50 hinaus Festigkeit verleiht.
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8C zeigt, wie eine fortgesetzte Drehung der rotierenden Fließbohrschraube 10 zusammen mit einer fortgesetzten Längsbewegung in der Abwärtsrichtung zur Bildung eines Durchgangs 82 in der überlagerten Struktur 50 führt.
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8D-8E zeigen den Fortschritt des Verfahrens mit einer weiteren fortgesetzten Drehung der rotierenden Fließbohrschraube 10 zusammen mit einer fortgesetzten Längsbewegung in der Abwärtsrichtung. Insbesondere zeigt 8D den Gewindebildungsschritt, wobei eine Gewindebildungszone 23A des Befestigungselements 10 in den Durchgang 82 übergeht, der noch zumindest teilweise erweicht ist, um die Gewinde zu erzeugen, gefolgt von einer verwendbaren Gewindezone 23B des Befestigungselements.
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8E stellt die Stufe des Prozesses dar, in der die Gewinde des Gewindeabschnitts 16 sowohl mit dem oberen geflossenen/extrudierten Abschnitt 72A als auch mit dem unteren geflossenen/extrudierten Abschnitt 72B in Eingriff stehen.
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Schließlich zeigt 8F, wie die fortgesetzte Drehung und Abwärtsbewegung zum Festziehen der Fließbohrschraube 10 führt, wodurch eine Anordnung 140 gebildet wird. Es sollte beachtet werden, dass 8F den Schraubenkopfabschnitt 14 in einem teilweisen Ausschnitt darstellt, um zu zeigen, wie ein optionaler hinterschnittener Abschnitt 136 in der Basis des Kopfabschnitts den notwendigen Raum für den oberen geflossenen/extrudierten Abschnitt 72A bereitstellt, wodurch ermöglicht wird, dass der Schraubenkopfabschnitt 14 mit der oberen Oberfläche des zweiten Werkstücks 58 in Kontakt steht.
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Wie aus einer Durchsicht der obigen Beschreibung und der 7 und 8A-8F ersichtlich ist, werden die Schritte des Inkontaktbringens der Fließbohrschraube 10 mit dem Zielbereich 62 (8A), des Eindringens in den Zielbereich 62 (8B), des Bildens des Durchgangs 82 (8C), des Bildens des ersten und des zweiten Gewindes im Durchgang 82 (8D), des Eingreifens in die Gewinde ( 8E) und des Festziehens der Fließbohrschraube 10, um dadurch die Anordnung 140 (8F) zu bilden, alle vollständig über einen Zugang von einer Seite der überlagerten Struktur 50, die dem zweiten Werkstück 58 (d. h. der oberen Seite) zugeordnet ist, durchgeführt, ohne dass ein Zugang zu einer gegenüberliegenden Seite der überlagerten Struktur, die dem ersten Werkstück 56 (d. h. der unteren Seite) zugeordnet ist, erforderlich ist.
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Während verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich, dass andere Modifikationen, Substitutionen und Alternativen für den Fachmann offensichtlich sein können. Solche Modifikationen, Substitutionen und Alternativen können vorgenommen werden, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, die aus den beigefügten Ansprüchen bestimmt werden sollte. Ferner ist anzumerken, dass Merkmale von einer Ausführungsform in andere Ausführungsformen aufgenommen werden können.
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Verschiedene Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 63/272482 [0001]
- US 9175708 [0003]
- US 5234301 [0003]
- US 10508676 [0004]
- US 10598205 [0005, 0008]
- US 15/900507 [0005]
