压配连接的制造方法、压配连接以及紧固元件

技术领域

本发明涉及一种在紧固元件和金属部件之间制造压配连接的方法，以及这种压配连接和用于这种压配连接的紧固元件。

背景技术

在许多工业领域中，螺丝、螺母、螺栓等紧固元件必须被永久地固定在板状金属、挤出型材或铸件等部件上。尤其是在制造非常复杂的产品或产品部分的汽车工业中，对于紧固元件和金属部件之间的安全的、永久的压配连接有着特殊的要求。在这方面，通常有两种技术在将紧固元件永久地连接到例如板状金属之类的部件中发挥着重要作用。这些技术是焊接技术和机械紧固技术，特别是压配连接的形成，其中压配元件被压入部件中并永久地固定在那里。

在焊接过程中，通过加热来熔化紧固件和板状金属的特定区域使得紧固件和板状金属被永久地连接在一起，从而在紧固件和板状金属之间形成材料结合。

自夹紧紧固件，以下称之为紧固件，经常被用于带有压配元件的机械紧固技术中。在这种方法中，通常会在板状金属中开孔，然后将压配元件放置于这个孔中。在压配过程中，一个力会被施加并导致板状金属或压配元件自身或两个部件都发生塑性变形。作为塑性变形的结果，紧固元件和板之间形成了永久的形状契合。EP 1 704 334 B1中描述了这种方法的一个例子。这种压配连接还可从例如WO 2017/084745A1、US 7 160 072 B2、WO 01/03881A1或DE 199 49 161B4中进一步了解。使用这些已知的解决方案时，经常存在的问题是部件的底侧不平坦并且在某些情况下需要复杂的压模。

压配过程有时不利地需要在部件上打孔作为第一步。因此，接合处往往不气密，尤其是在板的顶部和底部之间存在高压力差的情况下。因此，必须使用额外的密封元件来进行密封。

进一步的不利之处是，在机械接合之后，紧固元件和/或板的部分通常会在薄板的两侧凸出，并且在一侧没有平整的板侧面来确保气密性。这可能会导致设计上的限制，例如，如果两个相邻的部件要被尽可能靠近彼此地放置。

发明内容

发明任务：

基于此，本发明的任务是在紧固元件和部件之间实现连接，该连接是气密的并且其中压配元件的头部区域不会凸出到部件的一侧。

任务解决方案：

所述任务通过根据本发明的一种用于在紧固元件，尤其是压接螺栓，和部件，尤其是金属板之间制造压配连接的方法得以解决，其中紧固元件具有头部，并且头部通过冲头首先被压入部件中，而并不刺穿部件。在这一过程中，部件的材料首先被头部移位，尤其是沿径向向外移位，至少并且优选的只有部分被移位的材料被冲头沿径向地压靠到头部上，从而在压靠到头部上的材料和头部之间就形成轴向上的形状配合。

所述任务还通过这样的压配连接和用于这样的压配连接的紧固元件来被进一步解决。以下列出的关于这种方法、压配连接和紧固元件的有利实施方案也可以应用于其他的两个类别。

由冲头形成的材料和由此产生的形状配合确保了永久的连接。

由于紧固元件不会刺穿部件，因此也不存在泄漏的风险。部件没有被预先穿孔，因此不会损坏与紧固元件相反的部件底部。这确保了密封性以及压配接连接是气密的。不需要额外的密封措施，例如垫圈，也不需要或提供泄漏测试。

紧固元件优选地被直接插入(可延展的)部件中，尤其是金属板，而无需对部件进行任何预处理，例如开孔或成型过程。

优选的，进一步避免典型的薄型部件底侧的凸起，即部件的底侧仍保持不变形，也就是说部件的底侧在压配过程中不变形。尤其是，底侧是平的。因此，这种方法为紧密和受限制的几何形状提供了解决方案。

紧固元件整体上设计为压配元件，因此可像所描述的那样被适当的压入力压入部件中。尤其是，紧固元件是螺栓形的元件，即螺栓、螺钉、销钉、铆钉等。该螺栓形的元件具有杆，头部在杆的末端与杆邻接。或者，紧固元件也可以是例如带有内螺纹的螺母。

在优选的进一步方案中，头部具体有面向部件的头部侧，其具有在轴向上凸出的中心区域。在压配过程中，头部最初通过所述中心区域压靠在部件上，并且在进一步压配过程中，部件的材料被从所述中心区域开始沿径向向外移位。这种带有凸出中心区域的几何形状有利地降低了所需的压入力。因此，压入工具，例如冲头和用于施加压入力的驱动装置的可以被更加紧凑地设计。由于凸出的中心区域能以受控制和限定的方式将部件材料移位至外部，因此工艺可靠性也得到提高。

在当前情况下，轴向也是压入方向，以及紧固元件的从杆开始沿着中心轴线朝向头部方向的纵向方向。

在优选的实施例中，头部侧呈凸形弧曲。因此，当从横截面看时，它呈弧形，并且尤其是沿着弧段延伸。尤其是，它形成了凸形弧面。尤其是，头部侧呈透镜状。

作为凸形弧面的替代，头部侧还可以由多个平面组成，例如，以多面体的方式构成。例如，它是以金字塔或截锥的方式形成的。也可以采用圆锥形设计。

在一个优选实施例中，还在头部上形成了防旋转元件，其与在周向上作用的部件的材料形成形状配合。因此，头部具有双重功能，并且在压入状态下，可提供轴向拉出保护和防旋转保护。防旋转元件可以是从头部凸出的元件或者是凹痕。这些防旋转元件围绕周向布置，尤其是被均匀分布。例如，形成3-10个，尤其是是4-8个防旋转元件。

在一个优选实施例中，防旋转元件形成于头部侧，尤其是形成为若干径向肋。作为肋的替代方案，防旋转元件可以形成为，例如，径向凹口或凹槽。

在头部侧形成的压配元件优选地仅在头部侧的径向外部区域延伸，从而在头部侧的中心区域，尤其是在压配过程中头部侧首先与部件触碰的区域不形成防旋转元素，尤其是不形成肋。

根据替代实施例，防旋转元件在围绕头部的外围边缘形成。在这种情况下，它们具体是以凹痕的形式形成的，例如以凹陷弯曲形状的凹痕形式。这些凹痕，例如，具有部分圆柱形的壁。

至于所期望的平整的部件底部，在压配过程中提供了作为支座的砧，其具有平整的承载面。接触表面整体都是平整的，没有凹陷、隆起或开口。因此，砧形成了一个具有连续平整的、没有凹陷、隆起或开口的承载面的模具。在压配过程中，部件的底侧就靠在这个平整的承载面上。这可确保在压配过程中避免底侧的变形。

冲头的特殊设计被用于可靠地实现紧固元件与部件之间的形状连接。冲头具有径向内部的压环，冲头利用该压环压靠在形成于头部的头部底侧上的冲压面上，并且通过该冲压面施加所需的轴向压入力。冲头特别地是具有用于容纳螺栓的螺杆的内腔的中空冲头。压环形成于端部表面上并且呈环形围绕内腔延伸。冲压面特别地设计成与此相对应。尤其是，冲压面也是环形的。尤其是，在头部的底部形成了沿杆方向伸出的肩部，该肩部的端面形成了环形冲压面。特别地，环形冲压面是水平对齐的，正如压环的端面一样。

除了冲压面之外，冲头还具有沿径向进一步向外设置的成形段，借助该成形段，最初被头部沿径向向外移位的材料在径向方向上再次被向头部推压，并且特别是被向杆推压。尤其是，该成形段直接与冲压面相邻。成形段优选地朝向杆的方向倾斜，并因此朝向内腔的方向倾斜，从而形成了朝向所述内腔和所述杆的方向对部件的材料施加径向力分量的周向倾斜成形面。从横截面上看，该周向表面要么是成直线的并因此是圆锥形的，或者也可以是弧曲的。尤其是，该成形表面以锥形面的方式设计。

优选地，冲头在其前端具有切割环，该切割环优选地是尖锐边缘的或者作为替代是倒圆的。通过切割环，冲头切入部件的表面，特别是在压配过程中切入向外移位的材料中。切割环形成成形段的径向外端，即它在径向方向上与成形段邻接。为了形成该切割环，上述成形表面与冲头的外侧表面形成锐角，尤其是该外侧表面被设计为柱形侧面。例如，这个角度位于30°至60°之间的范围内。

在一个优选实施例中，头部的头部几何形状和冲头的几何形状彼此相互匹配，从而使得在成形段到达部件表面之前，在压配过程中部件的材料首先被径向向外移位。

尤其是，头部的轴向高度大于从压环到冲头沿轴向最前部分区域的轴向延伸，该最前部分区域尤其由切割环形成。头部的轴向高度由冲压面与头部最前端之间的轴向距离来定义。

关于轴向拉出保护，头部作为整体具有周向径向向外突出的拉出表面。特别是在径向方向上，该拉伸表面与上述肩部相邻接。肩部通常在其端面上具有上述冲压面以及沿轴向延伸的柱形侧表面。因此，拉出表面通常与肩部相偏置，特别是与冲压面相偏置。

在压入过程中，冲头将最初被头部移位的材料再次径向向内压并压在拉伸表面上，从而形成沿轴向起作用的形状配合。所述材料只被压在拉出表面上。优选的，肩部的侧面表面处留有空隙。总体而言，因此，头部具有两个子区域，即由肩部形成的面向杆的第一子区域，以及远离杆的第二子区域，第二子区域在径向上超出第一个子区域从而用于防止轴向拉出，并且第二子区域还具有头部前端以及向前突出的中心区域。优选的，防旋转元件也形成在这第二部分区域上。优选的，肩部仅具有光滑的表面。例如，它整体上设计成具有光滑外周表面和平整冲压面的圆环筒。

整个方法优选地以下步骤为特征，这些步骤特别地按照所述顺序依次进行：

i.对冲头施加力，

ii.在施加力时将冲头和紧固件共同推进至部件，

iii.由紧固件头部，尤其是中心凸出部分使部件产生塑性变形，

iv.由于头部刺入部件而在头部周围形成由部件的塑性变形材料构成的材料凸缘(材料堆积)，

v.变形的材料与成形段接触，

vi.利用冲头的成形段将变形材料向拉出表面移位并抵靠防旋转元件，

vii.使得变形的材料重叠并压靠在拉出表面上以形成沿轴向起作用的形状配合，

viii.通过防旋转元件产生防旋转效果。

以这种方式形成的紧固元件与部件之间的压配连接首先特点在于部件没有被穿孔，并且优选地部件也没有经过其他预处理。紧固元件的头部首先被压入部件，而没有穿透后者，并且在压入过程中由头部引起的塑性移位的材料在向头部方向被再次形成，从而与头部形成紧密配合。

优选的，所述头部具有带有头部前侧，所述头部前侧具有凸出的中心区域，所述中心区域尤其是呈透镜状。

在优选的进一步方案中，部件在其与紧固元件相对的底侧上是平整和水平的，即，底面没有凸起或其他变形。

用于这种压配连接和这种工艺的紧固元件的特征尤其是其头部具有凸出的中心区域。头部侧特别呈透镜状。从横截面中来看，头部侧特别地沿着半径延伸。

紧固元件还具有上述的防旋转元件，其形成在头部上。尤其是，防旋转元件形成在头部侧，即紧固元件的端面上。它们具体是以在径向方向上延伸的肋或凹口形式形成的。可在头部圆周上形成防旋转元件，尤其是凹痕的形式。

优选地，紧固元件仅在仅在头部侧的沿径向的外部区域延伸，并且不直接延伸到中心。因此，在中心区域中，头部侧尤其没有防旋转元件。

尤其是在肋的设计中，在优选的进一步方案中，这些肋不会在轴向方向上突出超过头部侧的中心区域。这确保了在压配过程中，头部最初通过有凸出的中心区域的表面撞击部件，并且塑性变形不受抗旋转元件的影响。

防旋转元件的轴向范围，即对于肋的情况来说的轴向高度和对于凹口的情况来说的轴向深度，在径向方向上变化并且尤其是连续增加。对于肋而言，增加是从内到外进行的。对于凹口或凹槽的情况而言，情况正好相反。

此外，还特别规定，肋朝向远离头部侧的前端面或槽底水平延伸，即垂直于轴向方向延伸。

优选地，进一步规定，肋的端面或相应的槽底在共同的(水平的)平面内延伸。

该措施实现了良好的整体防旋转效果，不会在中心区域受到冲击时影响初始塑性变形的过程。

紧固元件优选地设计成螺栓形元件，其具有末端连接着头部的杆，头部具有头部侧以及与之相反的头部底侧，头部底侧形成在径向方向上与杆直接相连的肩部，所述肩部形成用于传递轴向压入力的冲压面，拉出表面也在轴向和径向方向上与肩部相连接。这种设计确保了过程可靠的压配，同时提供了可靠的轴向拉出保护。

附图说明

下面参照附图更详细地解释本发明的实施例。这些图示以部分简化的方式呈现：

图1是以分解图的方式示出的紧固元件、部件以及冲头和砧的透视图；

图2是根据第一变型的紧固元件的侧视图；

图3根据图2的紧固元件的俯视图；

图4是根据图2的紧固元件的透视图；

图5是压配过程中的状态的俯视图；

图5A是在压配操作开始时根据图5中的线5A—5A穿过紧固件、部件、冲头和砧的剖视图；

图5B是图5A中的区域5B的细节视图；

图6是处于压配过程的较后期阶段的类似于图5A的剖视图；

图7是处于压配过程的更后期阶段的类似于图5A的剖视图；

图8是图7中的区域8的细节视图；

图9是附接压配元件的板的透视图；

图10是根据图9的布置结构的侧视图；

图11是如图9所示的布置结构的俯视图；

图12是根据第二变型的紧固元件的透视图；

图13A、B是根据第三变型的紧固件的透视图，其中在头部前侧上形成肋；

图14A-C是示出了用于制造压配连接的不同步骤的剖视图。

具体实施方式

图1至14示出了在紧固件200和可延展部件(即，板300)之间制造压配连接的方法。

图1示出了用于在没有预冲孔的情况下形成压配连接的部件。这些部件包括冲头100、板300、尤其是被设计为螺钉的紧固元件200以及砧400。

在实施例中，冲头100是圆柱形的并且具有内腔105。冲头100在轴向A上延伸，紧固件200也沿着该轴向A延伸并且沿着该轴向被压入板300中。在压配过程中，杆201(在该实施例中为螺纹杆)被内腔105容纳，并与冲头100一起被压入板300中并顶着布置在其下方的砧400。

紧固元件200具有头部207，其带有头部前侧204，该头部前侧204在轴向方向A上向前弧曲，即朝向背离杆201的一侧弧曲，并且因此在头部前侧204形成凸出的中心区域。具体地，头部前侧204具有前半径。紧固元件200首先借此，即通过凸出的中心区域，与金属薄板300接触。

图2至4示出了紧固件200的各种视图。螺纹杆用于与另一个紧固件(在这种情况下，例如螺母)可释放地紧固。紧固件200的主要几何细节可以在图2至4中看到。

从头部207开始，杆201沿与轴向方向A相反的方向连接。头部207具有环绕杆201延伸的肩部203，肩部203形成与头部侧204相反的环形冲压面202。头部207的与头部侧204相反且朝向杆201的一侧通常被称为头部底侧。冲压面202用作冲头接触表面，即在压配过程中，冲头100受到相应的压环102的支撑(例如参考图5B)，以传递轴向压配力。因此，压环102形成相应的接触面。

在所示实施例中，肩部203的周侧呈圆柱形。紧邻肩部203的是头部207的第二部分区域，其从肩部203开始径向向外拓宽。具体而言，该第二部分区域是锥形拓宽的并且具有向外倾斜的拉出表面206，其以圆锥表面的方式形成。头部侧204在端面处与该拉出表面206邻接。拉出表面206用于与板300的成形材料区域形成后夹握部，从而形成轴向拉出防护，如将在下文更详细地解释，尤其是结合图5A和5B。

因此，与头部侧204相反的头部底侧既形成拉出表面206又形成冲压面202。

围绕头部207的该第二部分的外周，以凸起的形式设置有多个防旋转元件205。这些防旋转元件只在径向方向上朝杆201方向延伸一小段距离，以这样的方式，它们与肩部203的周向侧表面隔开。

在第二个实施例中，如图12所示，这些凸起延伸到肩部203的周向侧表面。

作为凸起的替代，也可以形成平面部。

通常，沿周向均匀分布有多个防旋转元件205，具体地为3-8个并且在具体实施例中为6个。

对于压配连接的设计来说，特别重要的是特殊的头部几何形状，尤其是头部侧204的凸出的中心区域以及头部207的将其分为两个子区域的阶梯状设计，例如一方面是肩部，另一方面是径向向外延伸的第二子区域，该第二子区域具有拉出表面206以及设置在该第二子区域中的防旋转元件205。

根据图5的俯视图，可以看出在该实施例中，冲头100的上侧具有受力面101，在压入过程中压入力可通过适合的驱动器施加在其上。或者，也可以使用不具有(特别是平整的)受力面101的冲头100。这尤其适合在自动化生产系统中使用，比如用于压力机或固定或移动的连接单元中的系统。在这种情况下，紧固元件200从上方供给到冲头100，例如通过进料软管或进料管线。在这种情况下，冲头100通常具有环形受力表面。

参照图5B，可以看到冲头100的特殊的前部构造。因此，同样以在内腔105的末端形成的肩部的方式，其具有环形表面，形成了前面已经提到的压环102。在压入过程中，压环102抵靠在相应的冲压面202上。压环102和冲压面202具有大体相同的径向范围。压环102的环形表面邻接有沿轴向A方向延伸的圆柱形套筒段，其至少部分地容纳肩部203。

在这套筒段的末端，冲头100具有倾斜的、径向向外延伸的表面，尤其是呈锥形壳状，其形成了成形段104。它延伸到外部的压配环，其被设计成，例如，切割环106。环的边缘是倒圆的，例如如图5B所示，或者是锋利的，如图14A到14C所示。压配环或切割环106限定了冲头100的首先与板300碰撞的前端表面。

从压环102的环形表面到切割环106的轴向长度小于头部207的轴向长度，并且优选地仅延伸到肩部203的末端。

板300具有面向紧固件200的上表面301和与之相反的下表面302。

砧400具有向上面向板300的平整支撑面401，该平整支撑面401被设计成整体上是平面状的。因此，它尤其是没有凹陷或隆起。

压配过程开始于将力施加到冲头100，例如施加到所示的(平面的)受力面101或者作为替代地施加到环形受力面。力的施加使冲头100和紧固元件200一同深入可变形的板300。板300由位于砧400的支撑面401上的它的底侧302支撑其自身。

在冲头100的预冲程期间，头部侧204的凸出的中心区域首先与部件300的上侧301接触。这里尤其重要的是，由于凸出的中心区域，在塑性成形过程开始时，头部侧204与板300之间只有很小的表面接触，尤其是只有点接触，从而施加了非常高的表面接触压力。

同时，头部侧204的带有沿径向向外退缩的表面区域的特殊形状使得从板300的上侧301产生了规定的且符合目的的材料塑性变形和位移。这导致由塑性变形/位移的板材料形成的环状材料凸缘303朝向肩部203的方向围绕头部207沿周向形成。因此，图6所示的这种情形代表了连续的压配过程中的典型的中间阶段。在该中间阶段，材料最初只部分变形。

在随后的压配过程的最后阶段中，该环状材料凸缘303被最终成形。切割段106与该成形的材料凸缘303接合。成形段104随后将材料从成形材料凸缘303中沿径向方向朝向头部207压回。在这个过程中，形成了封闭凸缘304，尤其是如图8中所示。该封闭凸缘304被压靠到拉出表面206上，从而形成一种压配连接。为了可靠的拉出保护，拉出表面206和封闭凸缘304之间形成了形状配合的侧切。

从图14A至14C中可以再次容易地理解这个压配过程。在实施例中，使用了带有尖锐边缘的切割环106的冲头100。优选地，它至少在其面向板300的前部区域上具有三角形轮廓。在该实施例中，成形段104的轮廓被成形为弧面，即凹弧面。

原则上，例如如图5-8所示，在第一实施例变型中也可以提供这样的弧曲成形段104。凸形弧曲成形段对成形过程有着有利的影响。根据图14A至14C，尤其是与尖锐的切割环106相结合，通过所选择的冲头的几何形状，整体上仅需要较低的压入力和成形力。

此外，当材料发生塑性变形时，由于塑性变形的材料与防旋转元件205在周向上形成有效的形状配合，防旋转结构也同时形成。

尤其是，在这里描述的过程中紧固元件200不会产生变形。

由于特殊的冲头几何形状，以及在此描述的切割区106切割进入并使得成形材料凸缘303发生变形的特殊工艺，使得板300的上侧301具有特征几何形状，尤其是如图7至图11可以清楚看到的。即，最初由切割环106形成环形且同心的周向凹槽。从上表面301的正常水平高度升起的封闭凸缘304径向向内邻接该凹槽。在环状凹槽附近，从径向向外看，通常也会形成剩余的残余凸缘，其也会升高到上侧301的正常水平高度之上，即初始状态的水平高度之上。

此外，应强调的是，板300的底侧302不会发生任何变形，尤其是在紧固件元件200的整个区域内保持平整。

尤其从图8中可以看出，在一个优选实施例中，头部207的周侧和封闭凸缘304之间形成了自由空间305，由此封闭凸缘304与肩部203的侧表面保持间隔。根据所选择的部件，该自由空间305也可以是封闭的。

在整个压配过程中，使可延展板300产生变形所需的力持续增加。尤其是，该力从具有部分形成的材料和材料凸缘303(如图6所示)的中间阶段开始急剧增加。根据金属板的强度，封闭凸缘304与紧固件200的肩部侧面之间的间隙305可发生变化。压配操作的最低要求是封闭凸缘304要与拉出表面206重叠。

图9至11示出了紧固件200和可延展板300之间的压配连接。如上所述，对于永久性装配状态的应用来说非常重要的是，在面向砧400的底侧302上不能有凸出。另一个要点是，该工艺和完成后的压配连接允许密封应用，特别适用于存在加压或非加压的气体和液体的封闭部件空间。得益于这种永久性的压配连接，无需例如垫片或密封剂等额外元件，即压配工艺简化了生产并降低了单位生产成本。

图12示出了紧固元件200的替代变型，该变型与如图1-8所说明的第一变型的不同之处仅在于，因防旋转元件205而形成的凸起延伸到肩部203的周向侧表面。这意味着凸起更深。这实现了改进的抗扭转保护。

防旋转几何结构的优选实施例是如图13A，13B所示的肋。肋205沿径向方向延伸，并且优选地围绕紧邻头部侧204的周向均匀地形成。在此应当强调的是，它们仅形成在径向外部中，因此在轴向方向A上凸出的中心部分不具有肋205，并且继续成为紧固件200的最前表面部分。肋在轴向方向A上具有优选地沿径向向外增加的高度。各个肋205的前端面或前端边缘优选地以低于中心区域的轴向高度延伸。在这种情况下，肋205的端面水平地延伸，即例如垂直于轴线方向A。优选的，所有端面都位于一共同平面内。肋205具有例如三角形的横截面轮廓。在图13A、13B中，作为示例示出了5个肋205。然而，可以有更多的肋205，例如8至10个肋。

紧固元件200优选地用于由可延展材料例如铝合金、铜合金或钢制成的部件300。紧固元件200本身优选地由具有比部件300更高强度的钢制成。通常，紧固元件200被淬火和回火到至少800N/mm

本发明不受上述实施例的限制。相反，在不脱离本发明的目的的情况下，本领域技术人员还可以由此得出本发明的其它变型。此外，尤其是，在不脱离本发明的目的的情况下，在与实施例相关的描述中所描述的所有单独特征也可以以其他方式本彼此组合。

附图标记列表

100 冲头

101 受力面

102 压环

104 成形段

105 内腔

106 切割环

200 紧固件

201 杆

202 冲压面

203 肩部

204 头部侧

205 防旋转元件

206 拉出表面

207 头部

300 板

301 板顶侧

302 板底侧

303 材料凸缘

304 密封凸缘

305 自由空间

400 砧

401 支撑面

A 轴向。