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DE10348427A1 - Direct screwing process for joining two or more components involves pressing components together by holding-down force during screwing - Google Patents

Direct screwing process for joining two or more components involves pressing components together by holding-down force during screwing Download PDF

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Publication number
DE10348427A1
DE10348427A1 DE2003148427 DE10348427A DE10348427A1 DE 10348427 A1 DE10348427 A1 DE 10348427A1 DE 2003148427 DE2003148427 DE 2003148427 DE 10348427 A DE10348427 A DE 10348427A DE 10348427 A1 DE10348427 A1 DE 10348427A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
screw
hold
joining
joining partners
down force
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE2003148427
Other languages
German (de)
Inventor
Gerson Dr.-Ing. Meschut
Jens Dipl.-Ing. Küting
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Priority to DE2003148427 priority Critical patent/DE10348427A1/en
Publication of DE10348427A1 publication Critical patent/DE10348427A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21JFORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B21J5/063Friction heat forging
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Abstract

The direct screwing process involves joining two or more components (7, 8), which are locally warmed in the screw position until they are deformable, after which they are pierced by a screw (9). The components are held down by a holding-down force (FNH) and pressed together by a holding-down plate (17) while they are being screwed to each other.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktverschraubung mehrerer Fügepartner ohne Vorlochen, bei dem die Fügepartner an der Schraubposition lokal erwärmt werden, bis die Fügepartner verformbar sind und anschließend eine Schraube die Fügepartner durchdringt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The The invention relates to a method for directly screwing several joining partner without pre-punching, in which the joining partners locally heated at the screw position be until the joining partners are deformable and then a screw the joining partners penetrates. Furthermore, the invention relates to a device for execution of the procedure.

Sowohl durch den vermehrten Einsatz von komfort- und leistungssteigernder Technik als auch durch die Bestrebungen zur Erhöhung der aktiven und passiven Sicherheit ist ein eine zur Zunahme des Gewichts von Kraftfahrzeugen zu verzeichnen. Dem entgegen steht die Forderung zur Schonung der Ressourcen, welche eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts bedingt.Either through the increased use of comfort and performance enhancing Technology as well as through the efforts to increase the active and passive Safety is one to increase the weight of motor vehicles to record. Opposite is the demand to protect the Resources that require a reduction in vehicle weight.

Zur Senkung des Karosseriegewichts werden moderne Leichtbaukonzepte mit neuen Werkstoffen in neuen Bauweisen betrachtet. Zunehmende Bedeutung erlangt hierbei die Mischbauweise auch von Space-Frame-Strukturen. Eine wesentliche Voraussetzung für die Realisierung dieser Bauweisen sind werkstoff- und bauweisengerechte Fügeverfahren. Space-Frame-Hybridstrukturen, die zusätzlich durch die Verwendung flanschloser Profile gekennzeichnet sein können, stellen insbesondere auf Grund der einseitlichen Zugänglichkeit der Fügestellen eine Herausforderung für die mechanische Fügetechnik dar.to Reduction of body weight become modern lightweight concepts considered with new materials in new construction methods. Increasing importance attains the mixed construction of space-frame structures. An essential requirement for the realization of these methods of construction are appropriate for material and construction Joining processes. Space-frame hybrid structures that are additionally used by flangeless profiles can be characterized in particular due to the one-sided accessibility the joints a challenge for the mechanical joining technique represents.

Eine Möglichkeit zur Fügung ist das Direktverschrauben, welches zwar bei einseitiger Zugänglichkeit der Fügestelle einsetzbar ist, das Vorlochen jedoch mindestens des setzseitigen Fügepartners erfordert. Da ein Teil des Fügepartnerwerkstoffes – bei metallischen Werkstoffen ca. 1/3 der Fügepartnerdicke – der Einschraubrichtung entgegen fließt, wird beim herkömmlichen Direktverschrauben das schraubkopfseitige Fügepartner mit einem Durchgangsloch versehen, das diese Erhöhung aufnimmt. Durch die von dem Durchgangsloch bereitgestellte Öffnung bzw. durch den zur Verfügung stehenden Raum ist eine Erzeugung einer spaltfreien Verbindung möglich. Neben dem Aufwand für die Vorlochoperation ist die Positionierung der Schraube in dem Vorloch zu gewährleisten, was bei der Anlagenplanung für eine automatisierte Serienlösung ebenfalls zu berücksichtigen ist Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Direktverschrauben der eingangs genannten Art derart zu schaffen, durch die eine Verbindung der Fügepartner verbessert ist.A possibility at your disposal is the direct screwing, which although with one-sided accessibility the joint can be used, the pre-punching but at least the setting side joining Partners requires. Part of the joint partner material - metallic Materials approx. 1/3 of the joining partner thickness - the screwing direction flows against, becomes the conventional one Directly screw the bolt-side joining partner with a through hole provided this increase receives. By the opening provided by the through hole or through the available standing space is a generation of a gap-free connection possible. Next the effort for the pre-hole operation is the positioning of the screw in the pre-hole to ensure, what in the plant planning for an automated serial solution also to be considered Against this background, the invention is based on the object a method and an apparatus for direct screwing the beginning mentioned type to create such a connection by the joining partner is improved.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.These Task is solved with a method according to the features of the patent claim 1 and with a device according to the features of Claim 6. The dependent claims relate to particularly expedient developments the invention.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Direktverschrauben vorgesehen, bei dem mehrere Fügepartner ohne Vorlochen miteinander verbunden werden. Die Fügepartner werden dabei an der Schraubposition lokal erwärmt, bis sie fließend verformbar sind und anschließend durchdringt eine Schraube die verformbaren Fügepartner. Erfindungsgemäß werden während des Verschraubens die Fügepartner durch eine Niederhaltekraft aneinander gedrückt. Durch die einwirkende Niederhaltekraft wird die Bildung eines Spaltes zwischen den Fügepartner verhindert. Da vorbereitende Prozessschritte, beispielsweise das Vorlochen der Fügepartner, nicht durchgeführt werden brauchen, können die Prozesskosten und die Zeit für die Verbindungsherstellung deutlich reduziert werden.According to the invention is thus a method for direct screwing provided in which multiple joint partners be connected without pre-punching. The joining partners are heated locally at the screwing position until they become deformable are and then A screw penetrates the deformable joining partners. According to the invention while screwing together the joining partners pressed together by a hold-down force. By the acting Hold-down force prevents the formation of a gap between the joining partners. As preparatory process steps, for example, pre-piling the Joining partners, not done will need, can the process costs and the time for the connection production can be significantly reduced.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst nachfolgende Schritte: Erwärmen der Fügepartner durch Reibungswärme der rotierenden Schraube, bis die Fügepartner im Bereich der Verbindung fließend verformbar aufgrund der erhöhten Temperatur sind. Anschließend Durchdringen der Fügepartner mit einer konischen Spitze der Schraube und Ausformen eines zylindrischen Durchzugs durch die Fügepartner. Nach dem Ausformen des Durchzugs folgt unmittelbar ein spanloses Furchen eines lehrenhaltigen Muttergewindes. In das gebildete Gewinde kann nun durch Durchschrauben der Schraube durch die Fügepartner die Verbindung hergestellt werden. Abschließend wird durch ein Anziehen der Schraube mit einem einstellbaren Drehmoment das Verfahren zum Direktverschrauben abgeschlossen. Beim Abkühlen der Fügezone schrumpft der Durchzug und legt sich spielfrei um das Schraubengewinde der Fließformschraube. Dadurch wird das Lösemoment der Schraube zusätzlich erhöht und eine Abdichtung der Verbindung erreicht. Diese Schraubverbindung ist jederzeit wieder lösbar und kann durch eine metrische Schraube ersetzt werden.A Advantageous embodiment of the method according to the invention comprises the following steps: Heat the joining partner by frictional heat the rotating screw until the joining partners in the area of the connection fluently deformable due to the increased Temperature are. Subsequently Penetration of the joining partners with a conical tip of the screw and forming a cylindrical Passage through the joint partners. After the molding of the passage immediately follows a non-cutting Furrows of a gauge nut thread. In the formed thread can now by screwing the screw through the joining partners the connection will be made. Finally, by putting on the screw with an adjustable torque the procedure for Direct screwing completed. When cooling the joining zone, the passage shrinks and fits around the screw thread of the flow forming screw without play. This will be the release torque the screw in addition elevated and achieved a seal of the connection. This screw connection is always solvable again and can be replaced by a metric screw.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Niederhaltekraft einen Wert zwischen etwa 100 und 1000 N auf. Die Größenordnung der Kraft ist in Abhängigkeit der Werkstoffart und oder Werkstoffdicke einstellbar.at an advantageous embodiment of the method according to the invention The hold-down force is between about 100 and 1000 N up. The order of magnitude the power is dependent the type of material and or material thickness adjustable.

Bevorzugt wirkt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Niederhaltekraft in einer im Wesentlichen ringförmigen Fläche um die Schraubposition auf die Fügepartner ein. Dadurch ist eine gleichmäßige Kraftverteilung auf die Fügepartner gewährleistet.Prefers acts in the inventive method the hold down force in a substantially annular area around the Screwing position on the joining partners one. This results in a uniform force distribution on the joining partners guaranteed.

Bevorzugt sind für das erfindungsgemäße Verfahren die Fügepartner metallisch. Dadurch wird gerade für metallverarbeitende Produktionen, beispielsweise die Kraftfahrzeugherstellung ein vorteilhaftes Fügeverfahren bereitgestellt.The joining partners are preferably metallic for the process according to the invention. This will just for metalworking productions, for example, the motor vehicle manufacturing an advantageous joining method provided.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen, die eine Schraubspindel und einen Niederhalter umfasst. Der Niederhalter weist dabei mittig eine Aufnahme für die Schraubspindel auf. Die Schraubspindel dient zur Halterung der einzubringenden Schraube, während der Niederhalte die für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehene Niederhaltekraft bereitstellt.According to the invention is a Apparatus for carrying out the method provided, a screw and a hold-down includes. The hold-down has in the middle a receptacle for the screw on. The screw spindle serves to hold the introduced Screw while the Hold down the for the inventive method provides the intended hold-down force.

Die Niederhalterkraft kann durch beliebige Wirkprinzipien, beispielsweise mittels pneumatischer Druckzylinder aufgebracht werden. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Niederhaltekraft durch eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder, bereitgestellt. Besonders bevorzugt ist ferner eine Einstellvorrichtung vorgesehen ist, mit der die Niederhaltekraft der Feder einstellbar ist. Durch die einstellbare Niederhaltekraft können unterschiedliche Werkstoffarten und/oder Werkstoffdicken jeweils optimal miteinander verbunden werden.The Hold-down force can by any active principles, for example be applied by means of pneumatic pressure cylinder. At a advantageous embodiment the device according to the invention is the hold-down force by a spring, in particular a spiral spring, provided. Particularly preferably, an adjustment device is also provided is with which the hold-down force of the spring is adjustable. By the adjustable hold-down force can be different types of materials and / or material thicknesses are optimally interconnected.

Bevorzugt weist bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Direktverschraubung der Niederhalter eine Hülse und ein austauschbares Endstück auf. Dadurch kann auf unterschiedliche Schraubengrößen mit einem einfachen Montageaufwand flexibel reagiert werden.Prefers In one embodiment of the Device according to the invention for direct screwing of the hold-down a sleeve and a replaceable tail on. This allows for different screw sizes be reacted flexibly to a simple assembly effort.

Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Schraube zur Verwendung in dem Verfahren zur Direktverschraubung vorgesehen, bei der die Schraube in einem Bereich, in dem der Gewindeschaft an die Unterseite des Schraubenkopfes grenzt, eine Ausnehmung aufweist.Farther is a screw according to the invention intended for use in the process of direct screwing, when the screw is in an area where the threaded shaft adjacent to the underside of the screw head, having a recess.

In die Ausnehmung kann Material der Fügepartner während des Verformungsprozess aufgenommen werden, dass in Richtung Oberseite des gebildeten Durchzugs fließt.In The recess may be material of the joining partner during the deformation process be picked up that towards the top of the formed draft flows.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigen inThe Invention leaves numerous embodiments to. To further clarify its basic principle is one of them illustrated in the drawings and will be described below. These show in

1 eine vereinfachte Darstellung der unterschiedlichen Stadien des Ablaufs der Verschraubung mit einem zeitlichen Verlauf der Prozessparameter; 1 a simplified representation of the different stages of the process of screwing with a time course of the process parameters;

2 einen Vergleich der Drehmoment-Zeit-Verläufe beim Direktverschrauben mit und ohne Vorlochen; 2 a comparison of the torque-time curves for direct screwing with and without pre-punching;

3a, 3b, 3c Querschliffbeispiele direktverschraubter Aluminium-Stahl-Verbindungen mit und ohne Vorlochen; 3a . 3b . 3c Cross-section examples of direct screwed aluminum-steel connections with and without pre-punching;

4 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 4 a schematic diagram of the device according to the invention;

5 eine beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen Niederhalters 5 an exemplary structure of a blank holder according to the invention

6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schraube. 6 An embodiment of a screw according to the invention.

1 zeigt eine vereinfachte Darstellung der unterschiedlichen Stadien 1 bis 6 des Ablaufs der Verschraubung zweier Fügepartner 7, 8 sowie ein Diagramm der Prozessparameter Drehmoment M, Weg s und Drehzahl n über der Zeit t. Durch gestrichelte Linien ist ein angedeutet, zu welchem Zeitpunkt des Parameterdiagramms welcher der Stadien 1 bis 6 stattfindet. Zur Vereinfachung ist in dieser Figur keine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Bereitstellung der Niederhaltekraft gezeigt. 1 shows a simplified representation of the different stages 1 to 6 the sequence of screwing two join partners 7 . 8th and a diagram of the process parameters torque M, path s and speed n over time t. Dashed lines indicate at what point in the parameter diagram which of the stages 1 to 6 takes place. For simplicity, no device according to the invention for providing the hold-down force is shown in this figure.

Bei der Direktverschraubung wird für die Fließlochbildung eine hohe Reibungswärme benötigt, die je nach Werkstoffart und -dicke durch eine hohe Drehzahl im Bereich von 1000 bis 5000 1/min und eine Andrückkraft von 0,3 bis 1,5 kN realisiert wird. Für ein optimales Fügeergebnis sind die Prozessparameter dabei auf die Werkstoffart und die Fügepartnerdicke anzupassen, woraus mehrere Prozessstufen bzw. -stadien 1 bis 6 resultieren. Im Vergleich zum Prozessablauf beim Direktverschrauben mit Vorlochen werden im Prozessstadium 1 die Fügepartner 7 und 8 durch einen höheren Anpressdruck und einer höheren Drehzahl n der Schraube 9 erwärmt. Im Prozessstadium 2 wird die zur Plastifizierung benötigte Temperatur erreicht. Durch die beiden Fügepartner 7, 8 wird nun im Prozessstadium 3 ein Durchzug 10 bei stetig steigendem Furchmoment ausgeformt und anschließend im Prozessstadium 4 in den Durchzug 10 ein Gewinde 11 spanlos gefurcht. Die Länge des ausgeformten Durchzugs 11 beträgt in Abhängigkeit vom Werkstoff der Fügepartner 7, 8 und der Prozessparameter ungefähr das Dreifache der Dicke der Fügepartner 7, 8. Beim Gewindefurchen steigt das Furchmoment auf einen Spitzenwert an, um dann beim Durchschrauben wieder abzufallen.In the direct screw connection, a high frictional heat is required for the flow hole formation, which is realized depending on the material type and thickness by a high speed in the range of 1000 to 5000 1 / min and a contact pressure of 0.3 to 1.5 kN. For an optimum joining result, the process parameters are to be adapted to the type of material and the joining partner thickness, resulting in several process stages or stages 1 to 6. Compared to the process sequence for direct bolting with pre-punching, the process stage is in progress 1 the joining partners 7 and 8th by a higher contact pressure and a higher speed n of the screw 9 heated. In the process stage 2 the temperature required for plasticization is reached. Through the two joining partners 7 . 8th is now in the process stage 3 a draft 10 formed with steadily increasing Furchmoment and then in the process stage 4 in the passage 10 a thread 11 fearless. The length of the molded passage 11 is the joining partner depending on the material 7 . 8th and the process parameter is about three times the thickness of the joining partners 7 . 8th , When threading the furrow torque increases to a peak value, and then fall off again when screwing through.

Nachdem die umformtechnischen Prozessschritte abgeschlossen sind, wird im Prozessstadium 5 die Drehzahl n der Schraube 9 verringert, damit das Gewinde 11 beim Einschrauben der Schraube 9 nicht beschädigt wird. Ferner ist das vorbestimmte Anziehdrehmoment präziser einstellbar. Sobald der Kopf der Schraube 9 auf dem oberen Fügepartner 7 aufsetzt, steigt im Prozessstadium 6 das Eindrehmoment bis zum vorgesehenen Anziehdrehmoment an und der Fügevorgang ist abgeschlossen. Beim Abkühlen der Fügezone schrumpft der Durchzug 11 und legt sich spielfrei um das Gewinde der Schraube 9. Dadurch wird das Lösemoment der Schraube 9 zusätzlich erhöht und eine Abdichtung der Verbindung erreicht. Diese Schraubverbindung ist jederzeit wieder lösbar und kann durch eine metrische Schraube (nicht dargestellt) ersetzt werden.After the forming process steps have been completed, it is in the process stage 5 the speed n of the screw 9 reduced, so that the thread 11 when screwing in the screw 9 not damaged. Furthermore, the predetermined tightening torque is more precisely adjustable. Once the head of the screw 9 on the upper joining partner 7 touches, rises in the process stage 6 the insertion torque up to the intended tightening torque and the joining process is completed. When cooling the joining zone, the passage shrinks 11 and fits around the thread of the screw without play 9 , This will cause the loosening moment of the screw 9 additionally increased and achieved a sealing of the connection. This screw is at any time detachable and can be replaced by a metric screw (not shown).

2 zeigt ein Diagramm, in dem die Verläufe der Drehmomente M von den Varianten mit und ohne Vorlochen vergleichend dargestellt sind. In dem Diagramm ist der Drehmoment M über die Zeit t aufgetragen, dabei bezeichnet 12 das Drehmoment beim Direktverschrauben mit Vorlochen und 13 das Drehmoment ohne Vorlochen. Der gesamte Fügevorgang ohne Vorlochen des oberen Fügepartners 7 (aus 1) benötigt etwas mehr Zeit im Vergleich zur Verschraubung mit Vorlochen, da beim erfindungsgemäßen Verfahren beide Fügepartner 7, 8 mittels der Anpresskraft und der Drehzahl n der Schraube 9 erwärmt werden muss. Ferner wird der Durchzug 10 durch beide Fügepartner 7, 8 hindurch gebildet. 2 shows a diagram in which the curves of the torques M of the variants with and without pre-punching are shown comparatively. In the diagram, the torque M is plotted over the time t, thereby designated 12 the torque when direct screwing with pre-punching and 13 the torque without pre-punching. The entire joining process without pre-punching of the upper joining partner 7 (out 1 ) requires a little more time compared to screwing with Vorlochen, since in the process according to the invention both joining partners 7 . 8th by means of the contact pressure and the speed n of the screw 9 must be heated. Furthermore, the passage 10 through both joining partners 7 . 8th formed through.

Das Anziehdrehmoment ist zwischen dem Eindrehmoment ME und Überdrehmoment MÜ zu wählen, wobei der Abstand zu den vorgenannten Kennwerten möglichst groß sein sollte. Der Abstand zwischen den jeweiligen Kennwerten wird mit Prozessfenster bezeichnet. In der 4 ist mit 14 ein erstes Prozessfenster für den Fall des Direktver schraubens mit Vorlochen und mit 15 ein zweites Prozessfenster für das erfindungsgemäße Direktverschrauben ohne Vorlochen bezeichnet. Beim Direktverschrauben mit und ohne Vorlochen befinden sich die Eindrehmomente ME auf etwa gleichem Niveau. Das Überdrehmoment MÜ jedoch, bei dem das gefurchte Gewinde 11 in den Fügepartnern 7, 8 zerstört wird ist beim Direktverschrauben ohne Vorlochen (Verlauf der Linie 13) deutlich höher, da sich das Schraubengewinde 11 sowohl im oberen Fügepartner 7 und im unteren Fügepartner 8 im Eingriff befindet. Obwohl in diesem Fall zwei Muttergewinde mit einer einzigen Schraube 9 verschraubt werden, ist eine Vorspannkraft aufzubringen. Da das Prozessfenster 15 für das Anziehdrehmoment beim Direktverschrauben ohne Vorlochen größer ist, bietet diese Verfahrensvariante die größere Prozesssicherheit. Darüber hinaus können beim Direktverschrauben ohne Vorlochen, Linie 13, höhere Anziehdrehmoment eingestellt werden, die auch zu höheren Lösemomenten der Schraubverbindung ohne Vorlochen führen.The tightening torque is to be selected between the insertion torque M E and the over-torque M Ü , wherein the distance to the aforementioned characteristic values should be as large as possible. The distance between the respective characteristic values is called process window. In the 4 is with 14 a first process window for the case of Direktver screws with pre-holes and with 15 a second process window for direct screwing according to the invention without pre-punching called. When direct screwing with and without pre-punching, the insertion torques M E are at about the same level. The over torque M Ü, however, where the grooved thread 11 in the joining partners 7 . 8th is destroyed in direct screwing without pre-punching (course of the line 13 ) significantly higher, since the screw thread 11 both in the upper joining partner 7 and in the lower joining partner 8th engaged. Although in this case two nut threads with a single screw 9 be bolted, a biasing force is applied. Because the process window 15 For the tightening torque for direct screwing without pre-punching is larger, this process variant offers greater process reliability. In addition, when direct screwing without pre-punching, line 13 , higher tightening torque can be set, which also lead to higher release torque of the screw without pre-punching.

In den 3a, 3b, 3c sind Querschliffprofile von direktverschraubten Verbindungen gezeigt. Alle drei Beispiele sind Aluminium-Stahl-Verbindungen. Die erforderlichen Andrückkräfte bei der Durchführung des Verfahrens zum Direktverschrauben können in Fügezonen mit geringer Steifigkeit jedoch unerwünschte Verformungen hervorrufen. Der Teil der Gesamtlänge der Schraube welcher zum Fließlochformen und Gewindefurchen genutzt wird, ragt relativ weit aus der Verbindung heraus und wird für die Verbindung nicht mehr benötigt. Aus diesen Gründen ist eine Anwendung der Direktverschraubung, beispielsweise bei geschlossenen Profilen, vorteilhaft, die eine ausreichende Steifigkeit aufbringen und die herausstehenden Schraubenspitzen aufnehmen können.In the 3a . 3b . 3c are cross-section profiles of direct screwed connections shown. All three examples are aluminum-steel compounds. However, the necessary pressure forces when performing the method for direct screwing can cause undesirable deformations in joining zones with low rigidity. The part of the total length of the screw which is used for flow-hole forming and threading, protrudes relatively far out of the compound and is no longer needed for the connection. For these reasons, an application of direct screw, for example, in closed profiles, advantageous that apply sufficient rigidity and can accommodate the protruding screw tips.

In 3a ist ein Querschliff einer direktverschraubten Aluminium-Stahl-Verbindung dargestellt, bei der der obere Fügepartner vorgelocht war. Deutlich ist das Spiel zwischen der Bohrungswand des Klemmteils und dem Schraubenschaft zu erkennen, worin der obere Durchzug des Einschraubteils aufgenommen wird.In 3a shows a cross-section of a direct screwed aluminum-steel connection, in which the upper joining partner was pre-punched. Clearly the game between the bore wall of the clamping part and the screw shaft can be seen, wherein the upper passage of the screw is received.

Wird dagegen ohne Vorloch geschraubt, wie in 3b gezeigt wird, liegt das Klemmteil direkt am Schraubenschaft an und wird durch den verdrängten Werkstoff, der am Schraubenschaft die Blechdicke erhöht, verstärkt. Zwischen den beiden Blechlagen entsteht jedoch ein Spalt, da zum einen der Werkstoff der oberen Lage nach unten zwischen die beiden Bauteile und auch ein geringerer Teil der unteren Lage nach oben fließt. Hier durch wird die Maßhaltigkeit der Bauteile negativ beeinflusst. Weiterhin wird dadurch Spaltkorrosion ermöglicht und die Verwindungssteifigkeit der Bauteile reduziert.In contrast, screwed without Vorloch, as in 3b is shown, the clamping part is directly on the screw shaft and is reinforced by the displaced material, which increases the sheet metal thickness on the screw shaft. However, a gap arises between the two sheet metal layers, since on the one hand the material of the upper layer flows downwards between the two components and also a smaller part of the lower layer. Here by the dimensional accuracy of the components is adversely affected. Furthermore, this allows crevice corrosion and reduces the torsional rigidity of the components.

Durch den erfindungsgemäßen Niederhalter, der nachfolgend detaillierter beschrieben wird und der die beiden Fügepartner im Bereich des Schraubenkopfes aufeinander drückt, kann der Werkstofffluss jedoch derart gesteuert werden, dass eine spaltfreie Verbindung entsteht und die beiden Fügepartner plan aufeinander liegen. Dies ist in der 3c gezeigt. Die Niederhaltekraft kann hierbei je nach Werkstoffart und -dicke von 100N bis 1000N variieren. Der Niederhalter drückt bevorzugt mit einer Kreisringfläche um den Schraubenkopf die Bleche zusammen.By the holding-down device according to the invention, which will be described in more detail below and presses the two joining partners in the region of the screw head, the material flow, however, can be controlled so that a gap-free connection is formed and the two joining partners lie flat on each other. This is in the 3c shown. The hold-down force can vary from 100N to 1000N, depending on the material type and thickness. The hold-down preferably presses the sheets together with a circular ring surface around the screw head.

Obwohl in der 3 nicht gezeigt, kann auch das mechanische Fügeverfahren mit einem Hybridfügeverfahren, beispielsweise Kleben, kombiniert werden. Dies ist insbesondere für das Verbinden artverschiedener Werkstoffe von Vorteil, die eine hohe Differenz in ihrem elektrochemischen Spannungspotential aufweisen. Dabei können neben der Vermeidung von Kontaktkorrosion und Spaltkorrosion die mechanischen Eigenschaften der Verbindung im Vergleich zum elementaren mechanischen Fügen deutlich verbessert werden. Die Kombination beider Fügeverfahren führt zu höheren Festigkeiten der Verbindung und zu einer sauberen Spaltfüllung aufgrund einer geringeren Klebstoffverdrängung. Da in der oberen Blechlage kein Vorloch vorhanden ist, kann kein Klebstoff austreten und die Bauteiloberfläche verschmutzen. Mittels des Niederhalters und einer entsprechenden Niederhalterkraft kann eine definierte Klebschichtdicke eingestellt werden.Although in the 3 not shown, the mechanical joining method can also be combined with a hybrid joining method, for example gluing. This is particularly advantageous for joining dissimilar materials that have a large difference in their electrochemical voltage potential. In addition to the avoidance of contact corrosion and crevice corrosion, the mechanical properties of the compound can be significantly improved in comparison to elementary mechanical joining. The combination of both joining methods leads to higher strength of the connection and to a clean gap filling due to a lower adhesive displacement. Since there is no pre-hole in the upper sheet metal layer, no adhesive can escape and soil the component surface. By means of the hold-down and a corresponding hold-down force, a defined adhesive layer thickness can be set.

In der 4 ist eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Fügepartner 7 und 8 liegen in dieser Figur unverbunden plan aufeinander. Auf dem oberen Fügepartner 7 befindet sich die Schraube 9, die durch eine Schraubspindel 16 mit dem Drehmoment M und der Drehzahl n gedreht werden kann. Auf die Schraube 9 wirkt mittels der Schraubspindel 16 eine Anpresskraft FA nach unten.In the 4 is a schematic diagram of the device according to the invention shown. The joining partners 7 and 8th lie in this figure unconnected plan on each other. On the upper joining partner 7 is the screw 9 through a screw spindle 16 can be rotated with the torque M and the speed n. On the screw 9 acts by means of the screw spindle 16 a contact force F A down.

Seitlich neben der Schraube 9 in der zweidimensionalen Darstellung, aber kreisringförmig in der dreidimensionalen Ausführung, ist ein Niederhalter 17 angeordnet, der auf die Fügepartner die Niederhaltekraft FNH ausübt. Der Niederhalter 17 drückt während des gesamten Prozesses die Fügepartner 7, 8 zusammen, so dass ein Fließen des Werkstoffes zwischen die Fügepartner 7, 8 und damit eine Spaltbildung vermieden wird.Laterally next to the screw 9 in the two-dimensional representation, but annular in the three-dimensional design, is a hold-down 17 arranged, which exerts on the joining partner, the hold-down force F NH . The hold down 17 presses the joining partners during the entire process 7 . 8th together, allowing a flow of the material between the joining partners 7 . 8th and thus a gap formation is avoided.

In der 5 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Niederhalters 17 detaillierter dargestellt. In dem Beispiel der 5 ist der untere Fügepartner 8 ein Hohlprofil. Oberhalb des oberen Fügepartners 7 ist die Schraube 9 angeordnet. Der Niederhalter 17 weist eine übliche Schraubspindel 16 und eine Niederhalterhülse 18 auf. An der Spitze der Niederhalterhülse 18 befindet sich ein austauschbares Endstück 19. Durch das austauschbare Endstück 19 ist der Niederhalter 17 an unterschiedliche Durchmesser von Schraubenköpfen anpassbar. Die Niederhaltekraft wird in diesem Beispiel durch eine Druckfeder 20 bereitgestellt. Die Niederhaltekraft der Druck- bzw. Spiralfeder 20 kann mittels der Mutter 21 eingestellt werden.In the 5 is an embodiment of the blank holder according to the invention 17 shown in more detail. In the example of 5 is the lower joining partner 8th a hollow profile. Above the upper joining partner 7 is the screw 9 arranged. The hold down 17 has a conventional screw 16 and a hold-down sleeve 18 on. At the top of the hold-down sleeve 18 There is a replaceable tail 19 , Through the exchangeable tail 19 is the hold-down 17 adaptable to different diameters of screw heads. The hold-down force is in this example by a compression spring 20 provided. The hold-down force of the compression or spiral spring 20 can by means of the mother 21 be set.

Eine erfindungsgemäße Schraube 9 ist in der 6 vergrößert gezeigt. Die Schraube 9 weist eine besonders ausgeformte Spitze 22 auf, die konisch in das Gewinde 23 übergeht. Auf der Spitze 22 sind vier über den Umfang verteilte, erhabene Kanten angeordnet, die während des Setzvorgangs in Verbindung mit dem Anpressdruck und der Spindeldrehzahl die erforderliche Reibwärme erzeugt, um den Durchzug 11 (aus 1) auszuformen. Der erwärmte Werkstoff fließt dabei axial um die Formspitze 22 der Schraube 9. Der in der Abbildung untere Bereich des Gewindes 23 wird mit Gewindeformzone bezeichnet. Dieser Bereich furcht spanlos das Gewinde in den verformbaren Werkstoff. Der darüber angeordnete Bereich des Gewindes 23 ist der tragende Bereich, d.h. der Bereich der die Verschraubung festhält. An der Unterseite des Schraubenkopfes 24 ist eine Ausnehmung 25 vorgesehen. Da etwas von dem Werkstoff des oberen Fügepartners 7 dem Schraubenkopf 24 entgegenfliesst, kann dieser Anteil in die Ausnehmung 25 fließen. Der äußere Rand des Schraubenkopfes 24 kann dann spaltfrei auf dem oberen Fügepartner 7 anliegen.A screw according to the invention 9 is in the 6 shown enlarged. The screw 9 has a specially shaped tip 22 on, the conical in the thread 23 passes. On the top 22 four circumferentially distributed, raised edges are arranged, which generates during the setting process in conjunction with the contact pressure and the spindle speed, the required frictional heat to the passage 11 (out 1 ). The heated material flows axially around the mold tip 22 the screw 9 , The lower part of the thread in the figure 23 is called thread forming zone. This area fearlessly cuts the thread into the deformable material. The overlying area of the thread 23 is the load-bearing area, ie the area that holds the screw connection. At the bottom of the screw head 24 is a recess 25 intended. As something of the material of the upper joining partner 7 the screw head 24 flows counter, this proportion can in the recess 25 flow. The outer edge of the screw head 24 can then be gap-free on the upper joining partner 7 issue.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in der Zeichnung dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.At It should be noted that all of the above Parts for seen alone and in any combination, especially those in the drawing shown details claimed as essential to the invention become. amendments this is familiar to the person skilled in the art.

1 bis 61 until 6
Stadienstadiums
77
erster Fügepartnerfirst joining partner
88th
zweiter Fügepartnersecond joining partner
99
Schraubescrew
1010
DurchzugDraft
1111
Gewindethread
1212
Drehmoment mit Vorlochentorque with pre-holes
1313
Drehmoment ohne Vorlochentorque without pre-punching
1414
Prozessfenster ohne Vorlochenprocess window without pre-punching
1515
Prozessfenster mit Vorlochenprocess window with pre-holes
1616
Schraubspindelscrew
1717
NiederhalterStripper plate
1818
NiederhalterhülseDown sleeve
1919
Endstücktail
2020
Druckfedercompression spring
2121
Muttermother
2222
FormspitzeV-point
2323
Gewindethread
2424
Schraubenkopfscrew head
2525
Ausnehmungrecess
FA F A
Andrückkraftpressing force
FNH F NH
NiederhaltekraftHold down force
MM
Drehmomenttorque
nn
Drehzahlrotation speed
ss
Wegpath
tt
ZeitTime

Claims (10)

Verfahren zum Direktverschrauben mehrerer Fügepartner (7, 8) ohne Vorlochen, bei dem die Fügepartner (7, 8) an der Schraubposition lokal erwärmt werden, bis die Fügepartner (7, 8) verformbar sind und anschließend eine Schraube (9) die Fügepartner (7, 8) durchdringt, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (7, 8) durch eine Niederhaltekraft (FNH) während des Verschraubens aneinander gedrückt werden.Method for directly screwing together several joining partners ( 7 . 8th ) without pre-punching, in which the mating partners ( 7 . 8th ) are locally heated at the screw position until the joining partners ( 7 . 8th ) are deformable and then a screw ( 9 ) the joining partners ( 7 . 8th ) penetrates, characterized in that the joining partners ( 7 . 8th ) are pressed together by a hold-down force (F NH ) during screwing. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Erwärmen der Fügepartner (7, 8) durch Reibungswärme der rotierenden Schraube (9); – Durchdringen der Fügepartner (7, 8) mit einer konischen Spitze (22) der Schraube (9); – Ausformen eines zylindrischen Durchzugs (10) durch die Fügepartner (7, 8); – spanloses Furchen eines lehrenhaltigen Muttergewindes (11); – Durchschrauben der Schraube (9) durch die Fügepartner (7, 8); und – Anziehen der Schraube (9) mit einem einstellbaren Drehmoment.Method according to claim 1, characterized by the following steps: - heating of the joining partners ( 7 . 8th ) by frictional heat of the rotating screw ( 9 ); - penetration of the joining partners ( 7 . 8th ) with a conical tip ( 22 ) of the screw ( 9 ); - forming a cylindrical passage ( 10 ) by the joining partners ( 7 . 8th ); - chipless furrowing of a gauge-containing nut thread ( 11 ); - Screw through the screw ( 9 ) by the joining partners ( 7 . 8th ); and - tightening the screw ( 9 ) with an adjustable torque. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederhaltekraft (FNH) einen Wert zwischen etwa 100 und 1000 N aufweist.Method according to claims 1 or 2, characterized in that the hold-down force (F NH ) has a value between about 100 and 1000 N. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederhaltekraft (FNH) in einer im wesentlichen ringförmigen Fläche um die Schraubposition auf die Fügepartner (7, 8) einwirkt.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the hold-down force (F NH ) in a substantially annular area around the screwing position on the joining partners ( 7 . 8th ) acts. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (7, 8) metallisch sind.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the joining partners ( 7 . 8th ) are metallic. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgendes umfasst: – eine Schraubspindel (16); und – einen Niederhalter (17), der mittig eine Aufnahme für die Schraubspindel (16) aufweist.Device for carrying out the method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the device comprises: - a screw spindle ( 16 ); and - a hold-down ( 17 ), the center of a receptacle for the screw ( 16 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederhaltekraft (FNH) durch eine Feder (20), insbesondere eine Spiralfeder, bereitgestellt wird.Apparatus according to claim 6, characterized in that the hold-down force (F NH ) by a spring ( 20 ), in particular a spiral spring is provided. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstellvorrichtung (21) vorgesehen ist, mit der die Niederhaltekraft (FNH) der Feder (20) einstellbar ist.Apparatus according to claim 7, characterized in that an adjusting device ( 21 ) is provided, with which the hold-down force (F NH ) of the spring ( 20 ) is adjustable. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter (17) eine Hülse (18) und ein austauschbares Endstück (19) aufweist.Device according to at least one of claims 6 to 8, characterized in that the hold-down ( 17 ) a sleeve ( 18 ) and a replaceable tail ( 19 ) having. Schraube (9) zur Verwendung in einem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (9) im Bereich, in dem der Gewindeschaft (23) an die Unterseite des Schraubenkopfes (24) grenzt, eine Ausnehmung (25) vorgesehen ist.Screw ( 9 ) for use in a method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the screw ( 9 ) in the area in which the threaded shaft ( 23 ) to the underside of the screw head ( 24 ) borders, a recess ( 25 ) is provided.
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