自冲铆连接结构以及冲铆钉
阅读说明：本技术 自冲铆连接结构以及冲铆钉 (Self-punching rivet connecting structure and punching rivet ) 是由 N·霍恩博斯特尔 H·黑尔迈耶 F·B·巴尔克豪森 于 2020-03-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种自冲铆连接结构,其具有至少两个由强度最高为300MPa的能变形的金属材料、尤其是铝质材料制成的构件(1、3),所述构件在一个铆接过程中相互连接,在其中,冲铆钉(5)以设定力(F)穿过凸模侧的第一构件(1)并且钉入凹模侧的第二构件(3)中,确切的说,在第二构件(3)中保留剩余底部厚度(r)的情况下并且在冲铆钉(5)在第二构件(3)中扩张到的扩张直径(d-(A))的情况下。根据本发明,在铆接过程之后,冲铆钉(5)镦缩到其初始长度(l)的60％,并且张开直径(d-(A))增大到铆钉杆直径(d-(S))的140％至150％,但是尤其是铆钉杆直径的140％,而不会由于冲铆材料撕裂损坏冲铆钉(5)。(The invention relates to a self-piercing rivet connection having at least two components (1, 3) made of a deformable metal material, in particular an aluminum material, having a strength of up to 300MPa, which are connected to one another in a riveting process, wherein a piercing rivet (5) is inserted with a setting force (F) through a first component (1) on the male mold side and into a second component (3) on the female mold side, specifically with a residual base thickness (r) remaining in the second component (3) and with an expansion diameter (d) to which the piercing rivet (5) expands in the second component (3) A ) In the case of (1). According to the invention, after the riveting process, the punch rivet (5) is upset to 60% of its initial length (l) and is opened to a diameter (d) A ) Enlarged to rivetNail shank diameter (d) S ) 140% to 150%, but especially 140% of the rivet shank diameter, without damage to the punch rivet (5) due to tearing of the punch rivet material.)
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的自冲铆连接结构以及一种根据权利要求10所述的用于这种自冲铆连接结构的冲铆钉。本发明用于连接由具有最高300MPa的低强度的能变形的金属材料制成的构件，尤其是用于接合铝质材料。
背景技术
根据本发明的自冲铆连接结构优选应用在车辆制造中。在这种情况中，自冲铆连接结构特别是设计用于在车辆中出现的动态负载和/或碰撞负载。在车辆制造中，在全自动的工艺链中进行车辆车身的制造，在该工艺链中提供例如铝半成品(板材和铸造材料以及型材)，借助于自冲铆连接结构接合铝半成品并且随后在例如KTL过程中进行油漆。
在根据本发明的自冲铆连接结构中，在一个铆接过程中将至少两个由强度最高为300MPa的能变形的金属材料制成的构件相互连接。在铆接过程中，冲铆钉以设定力(Setzkraft)穿过凸模侧的第一构件并且钉入凹模侧的第二构件中。为了产生倒凹部，在凹模侧的第二构件中保留剩余底部厚度的情况下并且在冲铆钉在第二构件中扩张到的扩张直径的情况下进行上述过程。冲铆钉可由线材，例如冷锻钢制成并且表面附加了耐腐蚀层。
这种传统的冲铆钉具有内孔，内孔具有相对大的孔深度。冲铆钉例如可在总共五个阶段中制成，其中需要两个阶段用于制造内孔。此外，在传统的冲铆钉中(由于其通过深的内孔引起的内吸的几何结构)在浸甩方法中或者在其它涂覆方法中存在的问题是，涂覆材料流入冲铆钉内孔中并且封闭内孔。
从专利文献DE 10 2013 020 504A1中已知一种用于连接高强度钢的冲铆钉，冲铆钉具有在冲铆钉的柄端部上的弧形的内凹部。从专利文献EP0833063A中已知一种用于接合两个铝板的冲铆钉。从专利文献DE202016102528U1中已知一种用于连接两个尤其是由高强度钢制成的工件的冲铆钉。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种自冲铆连接结构以及一种冲铆钉，其与现有技术相比可简单地制造并且可用于待接合的构件更大量的材料厚度组合。
该目的通过权利要求1或10所述的特征实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选的改进方案。
根据权利要求1的特征部分，冲铆钉设计成，在铆接过程之后，冲铆钉可镦缩到其在未变形的状态中的初始长度的60％，并且同时张开直径可增大到铆钉杆直径的140％至150％，但是尤其是仅仅增大到铆钉杆直径的135％至140％，而不会由于冲铆材料撕裂损坏冲铆钉。
在一种技术实现方案中，尚未变形的冲铆钉可具有柱形的铆钉杆以及比铆钉杆直径直径更大的铆钉头，铆钉杆带有朝向杆顶端敞开的、扁平的内凹部。内凹部相对于传统的冲铆钉(在加工技术上简单地)仅仅以更小的凹入深度加工到杆顶端中。由于小的凹入深度，(与现有技术不同地)，不存在内吸的冲铆钉几何结构。因此，不会出现在浸甩方法中或在其它涂覆方法中出现的问题。内凹部可构造成截球形的，锥形的或平截锥形的。
优选地，冲铆钉的基础材料可具有与传统的冲铆钉相比显著更低的硬度(或强度)，然而具有显著更高的延展性。在没有冷作硬化的初始状态中，冲铆钉的硬度优选地在200HV1至320HV1之间，尤其是在250HV1至300HV1之间。这几乎相应于在600MPa至1000MPa之间的，尤其是在750MPa至900MPa之间的强度。
本发明的核心在于这样的事实，即，冲铆钉的相对低的强度与稍后描述的冲铆钉几何结构相结合，得到在冲入过程期间特殊的冲铆钉镦缩特性。通过铆接和凹模几何结构，尤其是可在凹模侧接合显著不同的材料厚度。在凸模侧的配合件的材料厚度方面，由于低的硬度和小的内孔深度，相对于已知的冲铆元件，本发明的冲铆钉更加受限。优选地，在凸模侧的构件和凹模侧的构件之间的材料厚度比例可为在1:1至1:3之间的任意值。
因此，本发明的出发点是与传统的半空心冲铆钉相比可显著更简单地制造的冲铆钉，该冲铆钉仅仅具有在杆顶端上扁平的内凹部而不是深的内孔。具有在其杆顶端上扁平的内凹部的冲铆钉在以上描述的突出镦缩能力方面被进一步改进。对于该镦缩能力，尤其是冲铆钉材料，冲铆钉头形状(用于设定力引入)和冲铆钉脚几何结构(用于设定力导出)非常重要：头部形状可为具有平的铆钉头上侧的埋头。铆钉头上侧径向外部地可在头部上边上过渡到环绕的头部边缘中，头部边缘在轴向上在头部侧高度上延伸到头部下边。铆钉头下侧联接在头部下边上，铆钉头下侧向杆顶端的方向过渡到直径变小的铆钉杆中。杆顶端具有限定出内凹部的、环形地环绕的冲入边，内凹部的壁与铆钉杆外周在冲入边上相交。优选地，通过与现有技术相比软的冲铆钉材料有利于根据本发明的镦缩能力。在以下详细列举的发明方面中阐述对于镦缩能力同样重要的特别优选的尺寸。
因此优选地，在未变形的铆钉状态中，内凹部从杆顶端开始以凹入深度在轴向上伸入铆钉杆中。凹入深度可在冲铆钉总长度的10％至25％之间，尤其是为冲铆钉总长度的15％。以这种方式，得到在冲铆钉总长度的75％至90％之间的，尤其是冲铆钉总长度的85％的铆钉头材料厚度(指的是沿着冲铆钉纵轴线的冲铆钉的材料厚度)。沿着铆钉纵轴线在铆钉头上侧和截球形的内凹部之间测得铆钉头材料厚度。由此，以上铆钉头可为在铆接过程期间的材料流动提供给足够大量的材料。
在自冲铆连接结构的足够高的连接强度方面有利的是，在完成冲入过程(也就是说铆接过程)之后，冲铆钉内凹部由于材料流动基本上完全被冲铆钉材料填充。因此，优选地，杆顶端在铆接过程之后具有基本上平的端面。
在冲入过程期间，尤其是在铆钉杆和铆钉头之间的过渡部上的材料应力最大。为了避免在铆钉头-铆钉杆-过渡部上的材料撕裂，优选地可如下实现该过渡部：过渡部可具有倒圆构造的铆钉头下侧，铆钉头下侧具有恒定的头部半径。倒圆构造的铆钉头下侧可切向地径向向外过渡到平缓的、锥形的铆钉头下侧中，铆钉头下侧延伸到铆钉头边缘。平缓的、锥形的铆钉头下侧可以相对于横向平面的倾斜角向上朝向铆钉头上侧的方向倾斜。优选的是，以上头部半径在0.8mm至2.0mm之间。倾斜角/锥角可在20°的数量级中。在铆钉头下侧和铆钉头上侧之间，径向外部的铆钉头边缘在尤其是约0.3mm的头部侧高度上延伸。
为了更加有利于良好的镦缩性能，优选的是，冲铆钉不是实现成具有蘑菇状的铆钉头的圆头铆钉，而是实现成具有平面的铆钉头上侧的埋头铆钉(或者平头铆钉)。在自冲铆连接结构中，平头铆钉的铆钉头上侧与凸模侧的第一构件的表面齐平地，也就是说在没有头部高出的情况下定向，确切的说，不相对于整个的构件表面凸出。
构造在铆钉脚上，也就是说构造在杆顶端上的切削刃几何结构可具有环形的、环绕地限定出内凹部的冲入边。在冲入过程中，冲入边作为切削刃压下，一方面，通过切削刃防止冲铆钉提前镦缩，并且另一方面，控制冲铆钉径向向外张开预定的张开尺寸。优选地，冲铆钉内凹部的内壁和铆钉杆外周以例如45°的相交角锐角地在冲入边上相交。冲入边可以在0.15mm的范围中的圆角半径被圆整。
在未变形的铆钉状态中，冲铆钉的总长度在4mm至8mm的，尤其是在4.5mm至6.0mm之间的范围中。铆钉头直径可在4.5mm至8.5mm的范围中，尤其是为5.5mm或7.75mm，而铆钉杆直径在2.8mm至6.6mm的范围中。利用已知的拉铆机可处理这种铆钉杆直径。
通过根据本发明的冲铆钉，在凸模侧的第一构件和凹模侧的第二构件之间的材料厚度比例可在1:1至1:3之间。在此，凸模侧的第一构件的材料厚度优选地小于或等于1.3mm。
附图说明
接下来根据附图描述本发明的实施例。
其中：
图1示出了在未变形的状态中的冲铆钉的显微图；
图2以粗略的示意图示出了在进行冲入过程之前位于冲铆工具中的冲铆钉；以及
图3示出了自冲铆连接结构。
具体实施方式
在图3中示出了完成的自冲铆连接结构，在其中，凸模侧的铝板1和凹模侧的铝板3借助于冲铆钉5相互连接。在图2或3中，两个铝板件1具有几乎相同的材料厚度s1、s2。冲铆钉5具有铆钉头7和铆钉杆9。在图中，冲铆钉5实现成平头铆钉，其具有平面的、平面平行的铆钉头上侧17。在图3中，铆钉头上侧17相对于构件1的表面齐平地定向。
为了准备冲入过程，将两个构件1、3相叠地放到铆接工具的凹模11上，并且借助于未示出的夹具系统利用夹紧力将构件压紧。紧接着，借助于凸模13以设定力F将冲铆钉5钉入两个构件1、3中。在冲入过程中，冲铆钉5穿过凸模侧的构件1的材料，并且使冲铆钉钉入第二构件3中，确切的说在保留凸模侧的构件3的剩余底部厚度r(图3)的情况下并且在冲铆钉5在第二构件3中扩张到的扩张直径dA的情况下，以产生倒凹部。
接下来，参照图1单独描述冲铆钉5：因此，旋转对称的冲铆钉5具有朝着杆顶端敞开的、截球形内凹部15，内凹部以凹入深度t在轴向上伸入铆钉杆9中。在图1中，凹入深度t为冲铆钉总长度l的15％。相反地，沿着铆钉纵轴线L在铆钉头上侧17和内凹部15之间延伸的铆钉头材料厚度mK为冲铆钉总长度l的85％。在图1中，通过倒圆构造的具有恒定的头部半径dK的铆钉头下侧16构造在铆钉杆9和铆钉头7之间的过渡部，头部半径例如为1mm。倒圆构造的铆钉头下侧16切向地径向向外过渡到平缓的、锥形的铆钉头下侧中，铆钉头下侧延伸到铆钉头边缘19。在图1中，平缓的、锥形的铆钉头下侧以相对于横向平面约20°的倾斜角α(图1)向上朝向铆钉头上侧的方向倾斜。径向外部环绕的铆钉头边缘19以约0.3mm的头部侧高度lK在铆钉头下侧16和铆钉头上侧17之间延伸。
在背离铆钉头7的杆顶端上构造环形地环绕的并且限定出内凹部15的冲入边21。冲铆钉内凹部15的内壁23和铆钉杆外周以锐角、确切的说以约45°的边缘角β在冲入边21上相交。在图1中，以0.15mm的圆角半径ra圆整冲入边21。
在图1中，冲铆钉5的总长度l在未变形的状态中为5mm，铆钉头直径dK为5.5mm，并且铆钉杆直径dS为2.9mm。冲铆钉5的基础材料为冷锻钢。在没有冷作硬化的初始状态中，冷锻钢的强度为750MPa至900MPa。
与以上描述的冲铆钉几何结构相结合，冲铆钉5的相对低的强度得到特殊的冲铆钉镦缩性能，在其中，在冲铆钉5中不出现材料撕裂的情况下，在冲入过程之后冲铆钉5镦缩到其初始长度l(图2)的60％，并且扩张直径dA增大到铆钉杆直径dS的135％至150％。如还可从图3中得到的那样，在冲入过程之后，由于材料流动，冲铆钉内凹部15基本上完全被冲铆钉材料填充。因此，在图3中，冲铆钉15的杆顶端是基本上平的端面。
附图标记清单
1 凸模侧的构件
3 凹模侧的构件
5 冲铆钉
7 铆钉头
9 铆钉杆
11 凹模
13 凸模
15 内凹部
16 铆钉头下侧
17 铆钉头上侧
19 铆钉头边缘
21 冲入边
23 内壁
dS 铆钉杆直径
dK 铆钉头之间
dA 张开直径
rK 头部半径
α 倾斜角
β 冲入边角度
rA 冲入边的圆整角度
l 冲铆钉总长度
lK 头部侧高度
mK 铆钉头材料厚度
t 内凹部的凹入深度
r 剩余底部厚度
L 冲铆钉纵轴线
s1、s2 材料厚度
F 设定力
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