用于无预制孔地直接螺接构件的自成孔和自攻丝的螺钉以及以此制造的构件复合结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于直接螺接构件的自成孔和自攻丝的螺钉，所述螺钉具有头部 和从该头部出发的杆，其中，所述杆具有自攻螺纹部段和设置在该螺纹部段之前的孔成型 部段，该孔成型部段用于形成旋挤孔（FlieMochformen)。
[0002] 本发明还涉及一种利用至少一个这样的自成孔和自攻丝的螺钉进行接合的构件 复合结构，该复合结构具有至少两个构件。
[0003] 所涉及类型的自成孔和自攻丝的螺钉用于通过形成螺纹连接将至少两个构件机 械地接合或连接。所述构件尤其是涉及用于机动车车身的结构部件、例如金属板和金属型 材（其可以作为半成品或作为空间成型的构件存在）、铸件及类似物。
[0004] 所谓直接螺接被理解为，在要接合的构件之间在没有预先单独地将孔洞或钻孔 (所谓的预制孔）引入到所述构件中的情况下形成螺纹连接。在直接螺接的情况下，既省去 用于引入预制孔的耗费，又省去用于在将要接合构件对准时找孔的耗费。
【背景技术】
[0005] 所涉及类型的自成孔和自攻丝的螺钉由DE39 09 725C1已知。在DE39 09 725 C1中还说明了所谓的旋挤孔成型（旋挤孔工艺）。在形成旋挤孔的旋紧或螺接的过程中，专 门为此构成的自成孔和自攻丝的螺钉以其孔成型部段在连接位置上压靠到要接合的、彼此 对准且未预制孔的构件上并且置于转动中。所述连接位置由于所产生的摩擦而局部变热， 这能实现构件材料的塑化，所述构件材料沿径向方向和轴向方向随着所述孔成型部段塑性 变形并最终被穿透。也就是说，所涉及的自成孔和自攻丝的螺钉的孔成型部段对于所述构 件材料具有塑化功能或塑化作用。在借助所述孔成型部段进行穿透的过程中，也可以至少 在要接合的构件之一上成型出所谓的翻孔（也称为旋挤孔），随后所述自成孔和自攻丝的 螺钉的自攻螺纹部段接合到该翻孔中并且在所述构件之间形成力锁合和形锁合连接。
[0006] 对于现有技术和为了理解本发明补充地也参阅DE10 2010 050 979A1。
[0007] 前文所说明的形成旋挤孔的直接螺接以构件材料的可塑性变形性为前提。因此， 迄今为止仅将金属构件（主要是铝制材料）以前文所说明的方式进行接合。在机动车车身 中（其中本发明明确强调不限于此）的现代混合结构中也使用不可塑性变形的材料，例如 纤维增强塑料（FVK)以及尤其是碳纤维增强塑料（CFK)，所述材料在没有以上述方式进行 预制孔的情况下（也就是利用按现有技术的自成孔和自攻丝的螺钉）在此无法在不受到剧 烈损坏的前提下被穿透。
【发明内容】
[0008] 本发明的任务在于，提出一种开头所述类型的自成孔和自攻丝的螺钉，利用所述 螺钉原则上也可以无预制孔地直接螺接由不可塑性变形性的材料制成的构件并且可以以 此方式持久地接合。
[0009] 所述任务通过根据本发明的具有权利要求1所述特征的自成孔和自攻丝的螺钉 来解决。以并列的权利要求，所述任务的解决方案还延伸到一种构件复合结构上。对于两 个发明主题类似的是，优选的进一步扩展方案和构造形式既由从属权利要求得出，又由下 文的阐述得出。
[0010] 根据本发明的用于直接螺接至少两个构件的自成孔和自攻丝的螺钉包括头部 (例如螺钉头）和成型在该头部上的杆（例如螺纹杆、栓销或螺栓），该杆从所述头部出发 或者从所述头部延伸开去，其中，所述杆具有自攻螺纹部段和设置或处于该螺纹部段之前 的、用于形成旋挤孔的孔成型部段（具有塑化功能）。根据本发明规定：所述杆还包括至少 一个具有切削功能的切割边缘，该切割边缘基本上设置在所述自攻螺纹部段之前，并且该 切割边缘一方面通过螺钉的转动能实现将通孔（无翻边OXirchzug))引入且尤其是切割或 切入到至少一个要螺接的构件中，而另一方面该切割边缘不妨碍在至少另一个要螺接的构 件中形成旋挤孔（有翻边）。
[0011] 关于所述杆所使用的位置说明"之前"、"前"、"之后"及类似方向指的是从背离头 部的螺钉尖端出发朝向头部的轴向观察方向。
[0012] 通孔的特征基本上在于，所述通孔不具有如旋挤孔那样的套筒状翻边，并且尤其 是基本上无凹穴地构成。
[0013] 根据本发明的螺钉在杆上构成为具有至少一个切割边缘，该切割边缘一方面在螺 钉转动时将通孔引入且尤其是切割或切入到至少在一个构件中（其与旋挤孔相反基本上 不具有翻边），而另一方面该切割允许形成旋挤孔（具有翻边）或者在至少另一个构件中基 本上不会阻止或妨碍这样的旋挤孔成型。因此，所述至少一个切割边缘或一个在功能上可 与其相当的元件也适用于形成旋挤孔。"适用于"应理解为，所述切割边缘这样构成，使得该 切割边缘能实现或允许形成旋挤孔或者至少不阻止形成旋挤孔。
[0014] 所设置的切割边缘这样构成，使得其具有切削功能，从而利用该切割边缘在要穿 孔构件的构件材料方面至少部分地也可以实现切削作用。就这点而言，所述切割边缘也可 以被称为铣切边。所述切削功能优选通过切割边缘的尖棱的构成方式来实现。补充于其切 削功能，所述切割边缘也可以具有变形功能并且尤其具有塑化功能（或塑化作用），这样使 得在螺钉转动时（尤其沿由所述螺钉的结构上的构造形式所预设的方向）在切割边缘之前 积聚的构件材料由于压力作用而变形并且因此有利于通孔的引入和/或具有翻边的旋挤 孔的构成。由此，根据本发明的螺钉的杆上的切割边缘通过构件材料的切削以及必要时补 充的塑性变形和/或还通过构件材料的撕拉或撕断能实现将基本上无翻边的通孔引入和 产生到至少一个所述要接合或要螺接的构件中。
[0015] 由DE10 2006 034 584A1已知一种自成孔和自攻丝的螺钉，该螺钉在其孔成型 部段上构成有肋片。与根据本发明的自成孔和自攻丝的螺钉上的切割边缘相反的是，已知 的自成孔和自攻丝的螺钉上的肋片完全不具有切削功能。因此，由DE10 2006 034 584A1 已知的自成孔和自攻丝的螺钉完全不适于无损地直接螺接由不可塑性变形的材料制成的 构件。
[0016] 所述至少一个切割边缘关于所述杆的延伸方向或关于拧入方向基本上设置在自 攻螺纹部段之前并且尤其具有轴向延伸尺寸。因此，所述切割边缘从（在杆的自由端部上 的）螺钉尖端出发基本上在自攻螺纹部段之前终止。"基本上"在这里的意思是，所述切割 边缘可能会延伸到所述自攻螺纹部段中。所述至少一个切割边缘可以构成为不同类型，这 部分地是优选的且下文还将详细阐述的进一步扩展方案和构造形式的技术方案。还优选地 规定了多种相同地亦或不同地构成的根据本发明的自成孔和自攻丝的螺钉上的切割边缘。 在以上和以下的阐述中仅部分地且不局限性地基于一种切割边缘。
[0017] 所提出的切割边缘一方面能实现在将通孔（或钻孔）引入（产生或构成）到至少 一个所述要接合的构件。这里，至少一个所述要接合的构件尤其指的是上方或最上方的构 件，所述构件具有拧入侧或进入侧并且面向所述螺钉的头部。在包括多于两个构件的构件 复合结构内也可以将通孔引入到多个、尤其是相邻的构件中。
[0018] 另一方面，所述切割边缘不阻止在至少另一个所述要接合部件中形成旋挤孔。这 里，至少另一个所述要接合部件尤其指的是下方或最下方的构件，所述构件具有排出侧并 且与所述螺钉的头部相背离。同样，至少另一个所述要接合部件还可以指包括多于两个构 件的构件复合结构内的中间构件。可以规定：包括多于两个构件的构件复合结构内要引入 或已引入的旋挤孔在多个构件上延伸或包括多个构件。
[0019] 因此，利用根据本发明的螺钉通过围绕纵轴线的转动（在同时施加轴向作用的压 力的情况下）可以首先将通孔引入到一个或多个上方的构件中并且通过随后的继续转动 (在同时施加轴向作用的压力的情况下）沿相同的方向或者必要时也沿另一个或相反的转 动方向（如下文还更详细阐述的那样）使旋挤孔在一个或多个下方的构件中成型，随后所 述螺钉的自攻螺纹部段可以力锁合且形锁合地如上所阐述那样地接合到所述旋挤孔中。
[0020] 尤其是涉及上方部件（如上所阐述）的要穿孔的构件尤其是可以由不可塑性变形 的或仅可困难地变形的材料或由脆性材料构成。所述构件优选由非金属材料形成。特别优 选的是，所述构件由纤维增强塑料（FVK)以及尤其由碳纤维增强塑料（CFK)形成。但所述 构件同样也可以由可塑性变形的或可延展的材料形成，例如由金属材料以及尤其是铝制材 料或钢材形成。由此，利用根据本发明的螺钉不仅在脆性构件材料中而且在可延展的构件 材料中都可以产生通孔。
[0021] 设置为用于形成旋挤孔的、尤其是涉及下方部件（如上所阐述）的构件可以由可 塑性变形的材料形成，例如由金属材料以及尤其是铝制材料或钢材形成。但所述构件同样 也可以由非金属材料、例如塑料形成。原则上，所述构件也可以由不可塑性变形的或仅可困 难地变形的材料形成，例如由纤维增强塑料（FVK)以及尤其是碳纤维增强塑料（CFK)形成。
[0022] 因此，利用根据本发明的自成孔和自攻丝的螺钉可以无预制孔地将由不可塑性 变形的或脆性的材料制成的构件与由可塑性变形的或可延展的材料制成的构件无损伤地 (beschSdigungsfrei)机械接合，如下文还要更详细阐述的那样，其中，根据本发明的 螺钉也可以用于其它材料组合。与由现有技术已知的用于接合这种不同构件的可行方案相 比得到时间方面的（缩短了流程时间）和费用方面的显著优点。此外，还获得了高的流程 可靠性。另一优势还在于，利用根据本发明的螺钉形成的螺纹连接非常易于维修。这里非 封闭式地列举由或利用本发明所得到的优点。
[0023] 特别优选地规定：所述切割边缘这样构成，使得其在沿一个转动方向转动螺钉时 能实通孔的引入以及尤其是切割，并且在沿另一个或相反的转动方向转动螺钉时允许形成 旋挤孔。换句话说，所述切割边缘优选这样设置和构成，使得其在沿一个方向或转动方向 (切割-转动方向）转动螺钉时能实现通孔的切割，并且在沿另一个或相反的方向（旋挤 孔-转动方向）转动螺钉时也适用于形成旋挤孔，从而在沿一个转动方向转动螺钉时能实 现通孔的切割