專利名稱：穿孔鉚釘、用于產(chǎn)生穿孔鉚釘連接部的方法、及工件裝置的制作方法
穿孔鉚釘、用于產(chǎn)生穿孔鉚釘連接部的方法、及工件裝置本發(fā)明涉及一種用于連接兩個工件的穿孔鉚釘(punch rivet)，其具有頭部和桿部，桿部被實施為中空桿部，該中空桿部具有桿部內(nèi)直徑、桿部外直徑和桿部端面，在桿部端面處包括環(huán)形刃口(cutting edge)，環(huán)形刃口的直徑小于桿部外直徑，桿部的內(nèi)直徑經(jīng)由刃口半徑與環(huán)形刃口并合。此類穿孔鉚釘可從文件DE 10 2005 052 360B4中獲知。本發(fā)明還涉及用于產(chǎn)生至少兩個工件的穿孔鉚釘連接部的方法，具體地說，其中一個工件由高強度材料制成，該材料具有至少SOOMPa的強度，且尤其具有至少0. 5mm的厚度。本發(fā)明還涉及由至少兩個工件構(gòu)成的工件裝置，所述工件由至少一個此類穿孔鉚釘連接或由此類穿孔鉚接方法連接。穿孔鉚接是一種再成形接合方法，其能夠借助已知的實心鉚釘和已知的半空心鉚釘(semitubular rivet)實現(xiàn)。本情況涉及利用半空心鉚釘?shù)拇┛足T接，該半空心鉚釘包括中空桿部。該方法的特征在于，半空心鉚釘被驅(qū)動到兩個工件(具體地說是兩個金屬片) 的裝置內(nèi)，頂部工件被中空桿部穿透(刺穿)。上面放有底部工件的模板被設(shè)計成使中空桿部隨后被徑向展開且被徑向驅(qū)動到下部工件內(nèi)，從而形成底切部。在這種情況下，下部工件通常未被切斷，因此，下部工件的面向模板的一側(cè)保持封閉且因此對生銹具有較低的敏感性。近年來這種使用半空心鉚釘?shù)拇┛足T接方法在汽車制造業(yè)中的使用不斷增加。穿孔鉚接法尤其適于連接由不同材料構(gòu)成的工件(例如，鋼和鋁)。更具體地說，在車體構(gòu)造中，存在適合各應(yīng)用目的的不同材料組合的趨勢，對于這種情況，穿孔鉚接法是優(yōu)選于焊接法的接合方法。在此情況下，可以理解的是，至少下部、模板側(cè)工件的材料應(yīng)是容易冷成型且具有盡可能均勻的材料性能。在如上所述的應(yīng)用領(lǐng)域中，傾向于使用高強度材料(例如，上部、型模側(cè) (swage-side)工件材料的強度大于1，OOOMPa)，用于此目的的穿孔鉚釘必須具有相應(yīng)的高強度(鉚釘硬度)，尤其為了能夠穿過由高強度材料構(gòu)成的此類工件。同時，穿孔鉚釘應(yīng)在其桿部區(qū)域能充分變形以確保在完成的穿孔鉚釘連接部內(nèi)有足夠的底切部。在半空心鉚釘領(lǐng)域存在各種類型的半空心鉚釘，例如，從文件W095/09307中公知的C鉚釘。在該文件中描述的半空心鉚釘具有圓柱形中空桿部，在桿部的端面的外邊緣處形成尖銳的環(huán)形刃口。為此，桿部內(nèi)直徑經(jīng)由刃口半徑與桿部外直徑并合。但是，這種C 鉚釘不適用于高強度材料的穿孔鉚接，因為在穿孔鉚接工藝過程中C鉚釘傾向于徹底展開 (spread intensively)，致使只有很少的材料出現(xiàn)在下部工件的底切部區(qū)域內(nèi)。能獲得的強度因此較低。從文件DE 203 19 610U1中可以獲知具有被設(shè)定為與桿部外直徑分離的尖銳的環(huán)形刃口的改進型C鉚釘。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中還已知P鉚釘，其例如可從文件DE 10 2005 052 360B4中獲知。在此類穿孔鉚釘中，在桿部端面處形成有環(huán)形刃口，刃口直徑小于桿部外直徑。環(huán)形刃口被實施為沿徑向定向的平的環(huán)形表面，并經(jīng)由桿部外斜面與桿部外直徑并合，且因
4此被設(shè)定為與桿部外直徑分離。桿部內(nèi)直徑經(jīng)由較小的半徑與該環(huán)形表面并合。雖然在高強度材料的穿孔鉚接中P鉚釘具有優(yōu)于C鉚釘?shù)男阅?，就此而言，仍然有對P鉚釘進行改進的需求。據(jù)此，本發(fā)明的目的是提供一種改進型穿孔鉚釘以及用于產(chǎn)生穿孔鉚釘連接部的改進方法，而允許程序上安全地將高強度工件接合。首先，上述目可通過開始部分提到的那類穿孔鉚釘來實現(xiàn)，刃口半徑與桿部外直徑之比大于0. 3。此外，上述目的通過用于產(chǎn)生至少兩個工件的穿孔鉚釘連接部的方法來實現(xiàn)，具體地說，其中一個工件由具有強度為至少800MPa、尤其具有厚度為至少0. 5mm的高強度材料制成，該方法包括以下步驟-提供穿孔鉚釘，尤其是上面提到的那類穿孔鉚釘，其具有頭部和桿部并由具有特定鉚釘硬度的材料制成，桿部被實施為具有桿部內(nèi)直徑、桿部外直徑和桿部端面的中空桿部，且桿部具有在軸投影中由桿部外直徑和桿部內(nèi)直徑限定的環(huán)形表面，及-執(zhí)行沖孔工藝，上部工件被特定的刺穿力穿透，其中，所提供的穿孔鉚釘具有與刺穿力有關(guān)的環(huán)形表面尺寸。最后，上述目的借助由至少兩個工件構(gòu)成的工件裝置來實現(xiàn)，該至少兩個工件通過至少一個根據(jù)本發(fā)明的穿孔鉚釘來連接或借助根據(jù)本發(fā)明的穿孔鉚接方法來連接。根據(jù)本發(fā)明的穿孔鉚釘具有環(huán)形刃口，環(huán)形刃口的直徑小于桿部外直徑。這能夠防止如在C鉚釘情況中發(fā)生的穿孔鉚釘?shù)倪^度徹底展開。再者，刃口半徑與桿部外直徑之比大于0.3。換句話說，穿孔鉚釘具有較大的刃口半徑。這允許在沖孔過程中，穿出上部、型模側(cè)工件的棒條至少大部分被接納在中空桿部內(nèi)。也就是說，此棒條不像在P鉚釘時那樣被桿部端面沿沖孔方向向下壓。繼而，也允許在下部的、模板側(cè)的工件中獲得的接合連接部較薄。本發(fā)明的方法可用于強度為至少SOOMPa的高強度材料，因此可用于由鋼制成的工件，但也可用于如輕金屬之類強度不高的材料。也可以連接由鋁制成的兩個工件。工件的厚度優(yōu)選從0. 8mm至2. 5mm。特別是在強度為1，OOOMPa或甚至1，500MPa或更高的高強材料的情況下，所使用的工件優(yōu)選較薄，例如0. 8mm。因此，本目的可以全部實現(xiàn)。在使用本發(fā)明的穿孔鉚釘?shù)那闆r下，如果刃口半徑與桿部外直徑之比大于0. 5則特別有利。這種措施允許甚至在更大范圍內(nèi)也能獲得上述優(yōu)點。此外，如果刃口半徑與桿部外直徑的之比小于0. 7也是有利的。這可以防止桿部在端面區(qū)域變得太細。因此，即使在高強鋼的情況下也能獲得高的沖孔效果。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，環(huán)形刃口經(jīng)由被定向在相對于半徑平面小于42°的斜面角度處的桿部外斜面與桿部外直徑并合。優(yōu)選所述斜面角小于35°，尤其小于32°。一旦型模側(cè)工件被穿透，這允許穿孔鉚釘更有效地展開，因此允許足夠的底切部， 且因此達到?jīng)_孔連接部的高強度。在這種情況中，如果桿部外斜面經(jīng)由過渡半徑與桿部外直徑并合則特別有利。過渡半徑可以是非常小的半徑，例如，小于0.2mm，特別是小于0. 15mm。過渡半徑可以避免沖孔過程中該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力。根據(jù)構(gòu)成其自身發(fā)明的再一優(yōu)選實施例，甚至和刃口半徑與桿部外直徑之比無關(guān)，頭部外直徑與桿部外直徑之比小于1. 44，尤其小于1. 42。此措施的結(jié)果是，穿孔鉚釘具有較大的桿部外直徑。這可以增大所述桿在軸投影中具有的環(huán)形表面面積。結(jié)果可提高沖孔過程中穿孔鉚釘?shù)姆€(wěn)定性。此外，如果桿部外直徑經(jīng)由頭部下方半徑(underhead radius)與頭部的外周邊并合是有利的，頭部下方半徑與桿部外直徑之比大于0. 15。再有，若頭部下方半徑與桿部外直徑之比小于0. 3則是優(yōu)選的。據(jù)此，頭部下方半徑比之C鉚釘?shù)那闆r小得多，致使設(shè)定力(setting force)降低。與P鉚釘相比，能夠更有效地適應(yīng)應(yīng)力。此外，總體優(yōu)選的是，環(huán)形刃口具有沿徑向定向的刃口環(huán)形表面且其被選擇的半徑寬度使環(huán)形表面寬度與桿部的徑向厚度之比在0. 03至0. 1的范圍內(nèi)。因此，與P鉚釘相比，環(huán)形表面寬度通常較小，因此在沖孔過程中能更有效地防止壓扁或擠壓桿部。在本發(fā)明的穿孔鉚接方法中，優(yōu)選的是，以kN度量的刺穿力與以mm2度量的環(huán)形表面的大小之比在1. 2至1. 5的范圍內(nèi)。此措施允許環(huán)形表面適用所需的刺穿力。優(yōu)選的是，對于不同的刺穿力桿部外直徑維持不變，優(yōu)選的是，桿部內(nèi)直徑適于作為所需刺穿力的函數(shù)。根據(jù)又一優(yōu)選實施例，在本發(fā)明的穿孔鉚接方法中，環(huán)形表面的尺寸由刺穿力與改進的鉚釘硬度之比確定，改進的鉚釘硬度通過用鉚釘硬度乘以范圍從0. 7至0. 9的修正因子來確定。在這種方式中，可將環(huán)形表面設(shè)定成用于限定的刺穿力和限定的鉚釘硬度。如上所述，這可再次優(yōu)選地通過在桿部外直徑保持不變的同時設(shè)定桿部內(nèi)直徑來實現(xiàn)?？梢岳斫獾氖牵@里所提到的特征以及下文還需要解釋的特征不只用于各種情況中的具體組合，在不超出本發(fā)明范圍的前提下也可用于其他組合或單獨使用。附圖中示出了本發(fā)明的一些示例性實施例，在下面的描述中將對這些實施例進行更詳細的解釋。附圖中

圖1為穿孔鉚接裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明的穿孔鉚釘?shù)囊粚嵤├目v向截面圖；圖3示出了借助圖2所示的穿孔鉚釘產(chǎn)生的穿孔鉚釘連接部；圖4示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)利用公知的P穿孔鉚釘產(chǎn)生的穿孔鉚釘連接部；圖5示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)利用公知的C穿孔鉚釘產(chǎn)生的穿孔鉚釘連接部；圖6示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)利用改進的P穿孔鉚釘相對于較薄的模板側(cè)工件產(chǎn)生的穿孔鉚釘連接部；圖7示出了借助圖2所示的穿孔鉚釘相對于較薄的模板側(cè)工件產(chǎn)生的穿孔鉚釘連接部。圖1中穿孔鉚接裝置總體用附圖標記10表示。穿孔鉚接裝置10用于將第一工件12和第二工件14接合在一起。具體地說，工件 12、14可以是如用于機動車車體構(gòu)造中的金屬板。工件12、14的厚度可以在，例如0. 5mm至4mm的范圍內(nèi)，尤其可以在Imm至2. 5mm的范圍內(nèi)。工件12、14的材料必須滿足安置在可冷成型材料上的常規(guī)要求。在很多情況下，這些材料可以是如鋼、鋁、鎂之類的合金金屬。但是，工件12、14中的一個，尤其是上部工件12可以由塑料材料制成。穿孔鉚接裝置10具有第一模板16，工件12、14被直接一個放置在另一個上地置于該模板上。借助特定的壓緊力20壓緊構(gòu)件被壓于工件裝置上，用于固定工件?？裳乜v向軸線26朝模板16運動并具有預(yù)定穿孔鉚接力M的型模22被安置在壓緊構(gòu)件18之間。型模 22用于將穿孔鉚釘30驅(qū)動到工件裝置12、14內(nèi)。穿孔鉚釘30被實施為具有頭部32和中空桿部34的半空心穿孔鉚釘，該中空桿部從頭部沿軸向延伸并在其端面端處形成刃口 36。當型模22向下運動時，桿部34首先穿透上部、型模側(cè)工件14，因此公知的是棒條被從其上切掉。在沖孔過程的隨后進程中，自由的桿部端34被驅(qū)動到模板側(cè)工件14內(nèi)。在模板16內(nèi)形成中空空間38，該中空空間以本身公知的方式確保桿部34在隨后的穿孔鉚接過程進程中徑向展開，使得桿部34的自由端推進，并沿軸向可在模板側(cè)工件14的材料之后觀察到。穿孔鉚釘30基本被驅(qū)動到工件裝置12、14內(nèi)足夠遠，直到頭部與型模側(cè)工件12 的表面齊平為止。不同類型的穿孔鉚釘30大體可用于連接由廣范圍材料制成的工件。圖2示出了本發(fā)明穿孔鉚釘30的一實施例，該穿孔鉚釘尤其適合于聯(lián)接由高強度材料制成的工件12、14。在此情況下，模板側(cè)工件14可以具有例如，大于400MPa的強度(雖然優(yōu)選不大于800MPa)。型模側(cè)的工件可以包括強度大于1，OOOMPa或大于1，200MPa的高強度材料。穿孔鉚釘30本身也由高強度材料制成，例如，由具有大于l，500MPa、尤其大于 1，700MPa的鉚釘硬度的材料制成。穿孔鉚釘30圍繞縱向軸線沈旋轉(zhuǎn)對稱形成，且具有頭部32和桿部34。桿部34 被驅(qū)動到桿部部分40內(nèi)，該桿部部分與頭部32和刃口部分42鄰接。桿部部分40被實施為中空圓柱形形式并具有桿部外直徑Dl和桿部內(nèi)直徑D3。刃口部分42具有刃口部分高度 M2。頭部32具有平的頭部上側(cè)44和圓柱形頭部外表面46。頭部上側(cè)44具有頭部外直徑D2。頭部外表面46具有頭部外表面高度Ml。在桿部34內(nèi)，頭部32具有頭部下側(cè)48， 在當前情況下，該頭部下側(cè)被實施為以鈍錐形方式逐漸變細并經(jīng)由頭部內(nèi)半徑R3與桿部內(nèi)直徑D3并合。在外周邊處，桿部外直徑Dl經(jīng)由頭部下方半徑Rl與頭部外表面46的下側(cè)并合。在這種情況中，頭部下方半徑Rl被設(shè)置成其與桿部外直徑Dl和基本平行于頭部上側(cè)44的半徑平面兩者切線地并合。頭部32具有從頭部上側(cè)44延伸至頭部下側(cè)48的錐頂角的頭部高度H。桿部30具有處于桿部部分40區(qū)域內(nèi)的桿部厚度M5，該厚度等于桿部外直徑Dl和桿部內(nèi)直徑D3之間的差的一半。此外，在軸投影中，桿部34具有環(huán)形表面，其外周邊由桿部外直徑Dl定界，而其內(nèi)周邊由桿部內(nèi)直徑D3定界。在桿部32的端面處，更準確地說，在刃口部分42的端面形成有環(huán)形刃口 50，該環(huán)形刃口被實施為平刃口環(huán)形表面形式并沿徑向延伸。刃口環(huán)形表面的內(nèi)直徑在圖2中以D4 示出。此外，刃口環(huán)形表面具有徑向?qū)挾萂3。在軸投影中，環(huán)形刃口 50因此被定位于略在由桿部外直徑Dl和桿部內(nèi)直徑D3之間的平均值形成的平均桿部直徑外側(cè)。
刃口環(huán)形表面的外周邊經(jīng)由桿部外斜面52與桿部外直徑Dl并合。桿部外斜面52 包括徑向平面和角度α1()此外，桿部外斜面52經(jīng)由過渡半徑R4與桿部外直徑Dl并合。圖 2中示出了外斜面高度Μ4。刃口環(huán)形表面的內(nèi)周邊經(jīng)由刃口半徑R2與桿部內(nèi)直徑D3并合。在此情況下，刃口半徑R2與桿部內(nèi)直徑D3切線地并合且終結(jié)，同時在刃口環(huán)形表面內(nèi)形成張角α2。更準確地說，半徑R2以這樣的方式從桿部內(nèi)直徑D3朝刃口環(huán)形表面延伸，使得桿部的內(nèi)側(cè)形成 65°的張角α2。張角Ci2優(yōu)選應(yīng)大于55°。下表1中列出了穿孔鉚釘30的上述尺寸。一方面，表1中列出了各值，優(yōu)選值范圍及如圖2所示的具體優(yōu)選實施例的示例。另外，表1列出了這些尺寸的優(yōu)選比率，以將本發(fā)明的穿孔鉚釘設(shè)計成還能為其他應(yīng)用示例給出啟示。表 權(quán)利要求
1.用于連接兩個工件(12、14)的穿孔鉚釘(30)，其包括頭部(3 和桿部(34)，該桿部 (34)被實施為中空桿部，此中空桿部具有桿部內(nèi)直徑(D3)、桿部外直徑(Dl)和桿部端面， 在所述桿部端面處包括環(huán)形刃口(50)，環(huán)形刃口的直徑(D4)小于所述桿部外直徑(Dl)，而所述桿部內(nèi)直徑(D3)經(jīng)由刃口半徑(R2)與所述環(huán)形刃口(50)并合，其特征在于，所述刃口半徑(R2)與所述桿部外直徑(Dl)之比大于0.3。
2.如權(quán)利要求1所述的穿孔鉚釘，其特征在于，所述刃口半徑(R2)與所述桿部外直徑 (Dl)之比大于0. 5。
3.如權(quán)利要求1或2所述的穿孔鉚釘，其特征在于，所述刃口半徑(R2)與所述桿部外直徑(Dl)之比小于0.7。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的穿孔鉚釘，其特征在于，所述環(huán)形刃口(50)經(jīng)由被定向成相對于徑向平面成小于42°的斜面角(α )的桿部外斜面(5 與所述桿部外直徑(Dl)并合。
5.如權(quán)利要求4所述的穿孔鉚釘，其特征在于，所述桿部外斜面(52)經(jīng)由過渡半徑 (R4)與所述桿部外直徑(Dl)并合。
6.如權(quán)利要求1到5中任一項所述的穿孔鉚釘，其特征在于，頭部外直徑(D2)與所述桿部外直徑(Dl)之比小于1.44。
7.如權(quán)利要求1到6中任一項所述的穿孔鉚釘，其特征在于，所述桿部外直徑(Dl)經(jīng)由頭部下方半徑(Rl)與所述頭部(3 的外周邊并合，所述頭部下方半徑(Rl)與所述桿部外直徑(Dl)之比大于0. 15。
8.如權(quán)利要求1到7中任一項所述的穿孔鉚釘，其特征在于，所述桿部外直徑(Dl)經(jīng)由頭部下方半徑(Rl)與所述頭部(3 的外周邊并合，所述頭部下方半徑(Rl)與所述桿部外直徑(Dl)之比小于0.3。
9.如權(quán)利要求1到8中任一項所述的穿孔鉚釘，其特征在于，所述環(huán)形刃口(50)具有沿徑向定向的刃口環(huán)形表面，且刃口環(huán)形表面的徑向?qū)挾?Μ； )被選擇成使所述環(huán)形表面的寬度(M3)與所述桿部(34)的徑向厚度(M5)之比的范圍從0.03至0. 1。
10.如權(quán)利要求1到9中任一項所述的穿孔鉚釘，其特征在于，所述桿部(34)具有刃口部分(42)，刃口部分高度(IC)與所述桿部外直徑(Dl)之比大于0. 25.
11.用于產(chǎn)生至少兩個工件(12、14)的穿孔鉚釘連接部(6 的方法，具體地說，所述工件中的一個由高強度材料制成，其強度為至少800MPa，且尤其具有至少0. 5mm的厚度，所述方法包括以下步驟-提供穿孔鉚釘(30)，尤其是根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一項所述的穿孔鉚釘，其具有頭部(3 和桿部(34)，且由具有特定鉚釘硬度的材料制成，所述桿部(34)被實施為中空桿部，此中空桿部具有桿部內(nèi)直徑(D3)、桿部外直徑(Dl)和桿部端面，且所述桿部(34)具有軸投影中由所述桿部外直徑(Dl)和桿部內(nèi)直徑(D!3)限定的環(huán)形表面，-執(zhí)行沖孔工藝，所述上部工件(1 被特定的刺穿力穿透，其中，所述穿孔鉚釘(30)被設(shè)置為具有與刺穿力有關(guān)的環(huán)形表面尺寸。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，以kN度量的所述刺穿力與以mm2度量的所述環(huán)形表面的尺寸之比的范圍從1. 2至1. 5。
13.如權(quán)利要求11或12所述的方法，其中，所述環(huán)形表面的尺寸由所述刺穿力與改進的鉚釘硬度之比確定，所述改進的鉚釘硬度由用所述鉚釘硬度乘以0. 7至0. 9范圍內(nèi)的修正因子來確定。
14.由至少兩個工件(12、14)構(gòu)成的工件裝置(60)，所述工件借助至少一個根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的穿孔鉚釘(30)和/或借助根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項所述的穿孔鉚接方法連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于連接兩個工件(12、14)的穿孔鉚釘(30)，其包括頭部(32)和桿部(34)，桿部(34)被實施為中空桿部，此中空桿部具有桿部內(nèi)直徑(D3)、桿部外直徑(D1)和桿部端面，在所述桿部端面處包括環(huán)形刃口(50)，環(huán)形刃口的直徑(D4)小于桿部外直徑(D1)，桿部內(nèi)直徑(D3)經(jīng)由刃口半徑(R2)與所述環(huán)形刃口(50)并合。在此情況下，刃口半徑(R2)與桿部外直徑(D1)之比大于0.3。
文檔編號F16B19/08GK102483084SQ201080037623
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月24日
發(fā)明者P.巴蒂格 申請人:紐弗雷公司