冲压铆钉和冲模的制作方法

专利名称：冲压铆钉和冲模的制作方法
技术领域：
本发明涉及冲压铆钉，所述冲压铆钉可以构成为简单铆钉或者例如冲压螺栓或者冲压螺母的功能件。特别是，本发明涉及半空心冲压铆钉或者空心冲压铆钉形式的冲压铆钉，用来与一个或者多个板状接合件(板材)生成冲压铆钉连接。除此之外，本发明还涉及用于生成冲压铆钉连接的冲模。优选地，所述冲模以特殊方式与冲压铆钉的几何形状相匹配，然而，也可以与传统冲压铆钉结合使用。
背景技术：
近来，作为连接方法的冲压铆钉越来越具有重要意义。冲压铆钉连接的连接过程以及连接质量的一个重要参数是冲压铆钉的几何形状。在目前的技术中，已经知道很多不同的冲压铆钉几何形状，例如见 EP0720695，EP1064466，EP1229254，EP1387093，DE4431769，DE20319610U1, DE20001103U1, US2004/0068854A1, JP2001159409A, JP09317730A 等等。根据上面提到的EP0720695所述的冲压铆钉，通常称为C-铆钉，广泛用于汽车工业，但也用于其他技术领域。这涉及这样的，该半空心铆钉具有一个铆钉头和一个带有中心铆钉杆孔的铆钉杆，其中铆钉头有一个平的上面和一个圆柱形的外表面，而铆钉杆有一个圆柱形外表面和一个限定中心铆钉杆孔的圆柱形内表面。圆柱形铆钉头外表面和圆柱形铆钉杆外表面通过一个相对大的半径直接相互连接。在冲压铆钉脚部的范围，中心铆钉杆孔构成为锥体，在这里，根据该公开中的说明，锥体侧面稍微呈拱形。因此，在制造技术给定的可能性的范围内，似乎在铆钉杆端部的外边缘创造了 一个“锐边”，实践中普遍有点倒角。根据该公开中的说明，锥体的张开角可以在25°和120°之间。在冲压铆钉设计方面，在目前的技术中通常以提到的“Pierce-and-Roll (穿入和卷起)”-冲压铆钉特性为出发点。“Pierce-and-Roll”意味着，冲压铆钉尽可能在贯穿(穿入)下面的板材之后马上张开(卷起)，以便达到尽可能大的扩张，从而达到冲压铆钉在冲压铆钉连接中尽可能大的咬边(Hinterschnitt)。这种考虑导致了如C-铆钉那样的铆钉几何形状以及相应的例如有突芯的冲模。虽然C-铆钉在实践中表明是有成效的，但是其他改善、例如改善冲压铆钉连接的承载特性和改善连接方法的经济性是值得追求的。

发明内容
本发明的任务是，创造用于生成与一个或者多个接合件的冲压铆钉连接的冲压铆钉，所述冲压铆钉能使冲压铆钉连接的承载特性最佳化，并且允许特别经济的连接方法，特别是，通过降低对冲压铆钉材料强度和硬度要求以及降低连接过程所需要的安装力。除此之外，还要创造适用于此的冲模，优选地，该冲模可与根据本发明构成的冲压铆钉的几何形状相匹配，然而，该冲模又能与其他铆钉几何形状结合使用。本发明的第一实施方案是一种冲压铆钉，包括铆钉头(4)和具有中心孔(8)的铆钉杆(6)，具有共同的中心轴线X，其中所述铆钉头(4)具有给定铆钉头直径dk的基本上为圆柱形的铆钉头外表面(12)，所述铆钉杆(6)具有给定外径dN的外表面(14)和限定所述中心孔(8)的给定内径(Ii的内表面(16),所述铆钉头外表面(12)和所述铆钉杆外表面(14)通过锥形或者稍微弯曲的头下部倒角(18 ;18’)和头下部半径R4连接，所述头下部半径R4不仅相切地连到头下部倒角(18 ; 18’)，而且也相切地连到铆钉杆外表面(14)，并且所述铆钉杆外表面(14)和所述铆钉杆内表面(16)在铆钉底部通过相切地相互连结的径向外第一半径R1和径向内第二半径R2连接，其中，共同切线Tan与所述冲压铆钉的径向平面构成角α，其中，所述第一半径R1相切地连到所述铆钉杆外表面(14)或者被相当长度的倒角代替，所述第二个半径R2相切地连到所述铆钉杆内表面(16)，并且其中，下面的数值范围适用于所述第一半径R1、所述第二半径R2和所述角a R1=0. 3 + 0. 2mm, R2= (O. 7至1. 2) ((1,-^)/2, α =10° ±20°。
本发明的第二实施方案是一种冲压铆钉，包括铆钉头(4)和具有中心孔(8)的铆钉杆(6)，具有共同的中心轴线X，其中所述铆钉头(4)具有给定铆钉头直径dk的基本上是圆柱形的铆钉头外表面(12)，所述铆钉杆(6)具有给定外径(1,的、基本上为圆柱形的外表面(14)和限定所述中心孔(8)的、给定内径Cli的、基本上为圆柱形的内表面(16)，所述铆钉头外表面(12)和所述铆钉杆外表面(14)通过锥形或者稍微弯曲的头下部倒角(18 ;18’)和头下部半径R4连接，所述头下部半径R4不仅相切地连到头下部倒角(18 ; 18’)，而且也相切地连到铆钉杆外表面(14)，并且所述铆钉杆外表面(14)和所述铆钉杆内表面(16)在铆钉底部通过相切地相互连结的径向外第一半径R1和径向内第二半径R2连接，其中，共同切线Tan与所述冲压铆钉的径向平面构成角α，并且其中，所述第一半径R1相切地连到所述铆钉杆外表面(14)或者被相当长度的倒角代替，所述第二半径R2通过第三半径R3与铆钉杆内表面(16)连接，所述第三半径R3不仅相切地连到所述第二半径R2而且也相切地连到所述铆钉杆内表面(16)，并且其中，下面的数值范围适用于所述第一半径R1、所述第二半径R2、所述第三半径 R3 和所述角 a =R1=O. 3±0· 2mm, R2= (O. 7 至1. 2)/2, R3=O. 8±0· 4mm,a t=5° ±10°。其中，对所述第二半径R2适用的可以是R2=(0. 8至L O) ((1Ν-φ)/2。其中，锥形的所述头下部倒角(18)与所述冲压铆钉的径向平面可以构成角β=25° ±10°、特别地可以是25° ±7°。其中，稍微弯曲的所述头下部倒角(18’)可以具有半径R7彡2. 0mm。其中，对所述头下部倒角R4适用的可以是R4=0. 6±0. 4mm,特别地可以是R4=O. 5±0. 2mm。其中，对所述铆钉杆内径Cli适用的可以是屯=(O. 5至O. 8)dN。其中，对所述铆钉头(4)的直径dk适用的可以是dk=(1.3至1.8)dN，特别地可以是 dk=(l. 4 至1. 65) dN。其中，对所述铆钉头外表面(12)的轴向长度Hk适用的可以是Hk=(0.025至O. 2)dN，特别地可以是Hk= (O. 025至O. 12) dN。其中，所述铆钉杆孔(8)的铆钉头端可以构成为封闭的，所述铆钉杆孔(8)的封闭端可以具有锥形底面(24)，所述锥形底面(24)可以通过外铆钉杆孔半径R5连到铆钉杆内表面(16)，并且在所述中心轴线X的范围终止为内铆钉杆孔半径R6。其中，所述锥形底面(24)的锥角Y可以为110°至140°，特别地可以是110°至130。。其中，对外铆钉杆孔半径R5适用的可以是=R5=O. 7 ± O. 5mm,特别地可以是R5=O. 8±0. 3mm。其中，对内铆钉杆孔半径R6适用的可以是R6=0. 9 土O. 5mm,特别地可以是R6=O. 8±0. 3mm。其中，对从所述铆钉底部到设想的所述锥形底面(24)和所述铆钉杆内表面(16)的延长部分相交处的铆钉杆孔(8)的深度tB适用的可以是tB> O. 2dN，特别地可以是tB ^ O. 3dN。其中，对在所述中心轴线X上的所述铆钉头(4)的厚度Dk适用的可以是Dk ^ O. 15dN。其中，在铆钉头端的铆钉杆孔可以是敞开的。其中，所述冲压铆钉可以构成为功能件，特别地可以是冲压螺栓或者冲压螺母。其中，所述铆钉杆(6 ;6’)可以具有基本上圆柱形的铆钉杆外表面(14)或者可以具有带有轴向槽纹(42)的铆钉杆外表面。本发明的第三实施方案是一种冲模，用于通过冲压铆钉、特别是根据前述第一实施方案和第二实施方案之一所述的冲压铆钉来生成冲压铆钉连接，所述冲模具有被冲模底面(36)和圆柱形圆周面(38)限定的冲模空腔(34)，其中，对冲模直径Dm和所述冲模空腔
(34)的深度Tm适用的是对于连接具有良好变形能力的材料、特别是塑性合金构成的部件，DM=dN+ (O. 6 至 L 5) 2tM，特别是 dN+ (O. 7 至 L 2) 2tM，Tm= (L O 至 2. 5) tM，特别是 Tm= (L I 至 2. 2)tM，在这里，dN是冲压铆钉(2)的铆钉杆(6)外径，tM是冲模侧接合件(26)的厚度，以及对于连接由铸造材料和其他具有较小变形能力材料构成的部件，Dm ( 2. 2dN，Tm ( O. 15Dm。本发明的第四实施方案是一种冲模，用于通过冲压铆钉、特别是根据前述第一实施方案至第三实施方案之一所述冲压铆钉来生成冲压铆钉连接，所述冲模具有被冲模底面
(36)和圆柱形圆周面(38)限定的冲模空腔(34)，其中，所述冲模(30’)在所述冲模底面具有中心凹槽(40)，所述中心凹槽(40)确保连接过程的压力释放。其中，所述中心凹槽(40)可以具有Deb ( O. 5Dm的直径和Teb彡O. 2dN、特别地可以是Teb彡O. 3dN的深度。其中，所述中心凹槽(40)可以具有Deb彡Cli的直径和Teb彡O. ltM的深度。在第一实施方案和第二实施方案中阐述了根据本发明的用于解决该任务的冲压铆钉。特别是，根据本发明构成的冲压铆钉的特征在于特殊的铆钉脚部几何形状和特殊的头下部几何形状，如从第一实施方案和第二实施方案中得出的那样。按照第一实施方案，铆钉杆外表面和铆钉杆内表面在铆钉底部通过相切地相互连结的一个径向外第一半径R1和一个径向里第二半径R2连接。R1和R2的共同切线与冲压铆钉的一个径向平面一起构成一个10° ±20°的角α。相切地连到铆钉杆外表面或者被一个相当长度的倒角代替的第一半径&是0. 3±0. 2_，而相切地连到铆钉杆内表面的第二半径R2是(O. 7至1. 2) (dfdi) /2，特别是(O. 8至1. O) ( -^) /2。优选地，随着R1变大，选择越来越大的系数(O. 7至1. 2)或者(O. 8至1. O)。如果采用在所指出的数值范围内选择的半径R1和R2，发现没能找到不仅相切地连到第一半径R1而且也相切地连到铆钉杆内表面的第二半径R2的话，按照第二实施方案的可选择的实施方案，在第二半径R2和铆钉杆内表面之间设定第三半径R3，所述第三半径R3不仅相切地连到第二半径而且也相切地连到铆钉杆内表面，所述第三半径R3的大小为
0.8±0. 4mm。然后，R1, R2的共同切线和冲压铆钉的径向平面之间的角α要在5° ±10°范围内选择。在所述两个实施方案中，铆钉头的头下部范围的几何形状的特征在于，铆钉头外表面和铆钉杆外表面通过锥形或者稍微弯曲的头下部倒角和头下部半径连接，其中头下部半径不仅相切地连到头下部倒角而且也相切地连到铆钉杆外表面。在锥形头下部倒角 的情况下，头下部倒角与冲压铆钉的一个径向平面构成一个25° ±10°的角β，特别是25。±7°。在稍微弯曲的头下部倒角的情况下，对弯曲半径适用的是R7S 2. 0mm。根据本发明的冲压铆钉几何形状意味着抛弃了上面阐述的“Pierce-and-Roll (穿入和卷起)”_冲压铆钉特性。如借助于附图更准确阐明地那样，本发明以该知识为出发点，补充张开的冲压铆钉段咬边和冲模侧接合件(板材)最小厚度为质量标准，在铆钉脚部考虑到了用于达到最佳承载特性的其他冲压铆钉连接质量标准。如借助于附图更准确阐明地那样，在这里涉及到所提到的啮合弧长L (铆钉脚部外表面和冲模侧接合件之间的啮合)、所提到的承载深度T (啮合弧长L的轴向分量)和包围铆钉脚部的冲模侧接合件的径向厚度tNF。根据本发明，铆钉几何形状这样选择，即，使啮合弧长L、承载深度T和冲压铆钉连接厚度tNF最大化。在这考虑的是，如果为了改善铆钉杆和冲模侧接合件之间的“附着”而放弃扩张的冲压铆钉段咬边的最大化，则可以改善冲压铆钉连接的承载特性。通过扩大一方面与冲压铆钉的外表面处于啮合且另一方面与接合件的外表面处于啮合的横断面来改善“附着”，通过此，使力传递范围的单位负荷最小化。除此之外，这使径向压应力减小，这样在冲压铆钉连接具有外负荷时，使得由叠加产生的整个应力值保留在一限度内。由于通过本发明在扩张的冲压铆钉段的足够咬边和最小轴向接合件厚度tmin时达到啮合弧长L、承载深度T和厚度tNF最大化，减小了冲压铆钉和接合件之间的单位面积压力，这又改善了冲压铆钉连接强度和疲劳强度。除此之外，根据本发明的铆钉脚部几何形状，使冲头侧接合件在冲压铆钉连接过程中基本上在一个切割过程中就被贯穿，并使铆钉杆在压入冲模侧接合件时才张开。在这里，会发生铆钉脚部沿着接合件阻力比较小的滑动。这种情况使所需要的安装力最小化，结果是，明显降低了对冲压铆钉材料硬度和强度的要求，而且制造和加工冲压铆钉更简单并且大大便宜了。在本发明的另一实施方案中，设定了一个用于根据本发明构成的冲压铆钉的特定尺寸的冲模。在第三实施方案中阐明了根据本发明构成的冲模。因此，对冲模直径适用的是，对于由具有良好变形能力材料、特别是塑性合金制成的接合件，DM=dM+(0.6至
1.5) 2tM，特别是 dN+ (O. 7 至1. 2) 2tM，以及对于由铸造材料或者其他具有较小变形能力的材料制造的接合件，Dm ( 2. 2dN，在这里，dN是铆钉杆的外表面直径，tM是冲模侧接合件的厚度。由具有良好变形能力材料制成的接合件深度Tm优选为在范围Tm= (1. O至2. 5) tM，特别是Tm= (1.1至2. 2) tM。尤其是，由具有较小变形能力材料制成的接合件的深度Tm是< O. 15Dm和/或< tM。由这些公式得出，冲模直径小于目前技术水平中的冲模直径。较小的冲模直径又有利于尽量减小铆钉杆张开。根据第四实施方案，根据本发明构成的冲模的特征在于，冲模在冲模底部具有中心凹槽，所述中心凹槽确保连接过程的压力释放。根据本发明构成的冲压铆钉特别适用于连接由高强度钢、特别是AHSS-钢以及奥氏体钢，例如H400制成的接合件。然而，原则上冲压铆钉要适用于连接由任意材料(包括塑料)制成的接合件。冲压铆钉可以由传统材料组成，然而在这里，如所提及的那样，材料的硬度和强度可明显小于目前技术水平。通过本发明可减小所需要的安装力并大大改善承载特性，比如采用所要求保护的铆钉几何形状，甚至例如AMgSilT6/T7的铝合金也可以适用于柳钉连接招制半成品。根据本发明构成的冲压铆钉可以是半空心冲压铆钉(在这种铆钉中，中心铆钉杆孔是一个盲孔)或者是空心冲压铆钉(在这种铆钉中，中心铆钉杆孔是一个贯穿孔)。这种冲压铆钉可涉及到纯铆钉，或者也可以涉及到功能件、特别是冲压螺栓或者冲压螺母。铆钉杆可以有一个圆柱形外表面或者一个轴向开槽的外表面。轴向槽纹用来在连接过程中防止扭转，特别是当冲压铆钉作为功能件构成时。铆钉杆外表面的轴向槽纹不需要附加接合力。这相比于从目前技术水平中所知道的在铆钉头下面的星状槽纹有优势。如果冲压铆钉被设计为功能件的话，也可以与单个接合件(板材)连接使用。铆钉头优选设计为埋头的，然而根据使用情况，也可以采用平头。在其他实施方案中阐述了本发明其他有利的实施方案和其他结构。


借助附图阐明本发明其他细节以及优选实施方案。图中示出
图1为根据本发明构成的冲压铆钉的一个轴向剖面图2为生成的冲压铆钉连接的半个轴向剖面图，以便清楚说明冲压铆钉连接的质量标准；
图3至6为在不同操作阶段的冲压铆钉过程的示意图7为改进的冲模的部分剖面图8为冲压铆钉的一个改进的实施方案的轴向剖面图9为沿图8箭头IX-1X方向观察的横断面。
具体实施例方式借助图1介绍根据本发明构成的半空心冲压铆钉的一个具体实施例。冲压铆钉2基于中心轴线X旋转对称地构成，并且由铆钉头4和铆钉杆6构成，所述铆钉杆6具有一个构成为盲孔的中心孔8。铆钉头4具有平的上面10和圆柱形外表面12。铆钉头外表面12具有直径dk和轴向高度Hk。铆钉杆6具有圆柱形外表面14和限定铆钉杆孔8的圆柱形内表面16。圆柱形铆钉杆外表面14具有外径dN,而圆柱形铆钉杆内表面具有内径屯。
铆钉头外表面12与铆钉杆外表面14通过头下部倒角18和半径R4连接(对于“半径”定义，在本范围内被理解为一个环面，它在轴向剖面图中是具有半径R的圆弧形)。半径R4不仅相切地连到头下部倒角18，而且也相切地连到铆钉杆外表面14，而头下部倒角18紧挨着铆钉头外表面12 (例如通过一个半径或者一个锐边)。头下部倒角18与冲压铆钉2的一个径向平面构成一个角β。在铆钉脚部，铆钉杆外表面14与铆钉杆内表面16通过具有中心点Ml的第一半径R1和具有中心点M2的第二半径R2以及在必要情况下通过第三半径R3连接。半径R1不仅相切地连到铆钉杆外表面14，而且相切地连到第二半径R2。第二半径R2直接相切地连到铆钉杆内表面16，或是相切地连到第三半径R3，该第三半径R3又相切地连到铆钉杆内表面16。如在图1清楚地看到，半径R1实质地小于半径R2。在中心点Ml和M2连接端，垂直半径R1和R2的共同切线Tan与冲压铆钉2的一个径向平面E构成一个角α。铆钉杆孔8在铆钉头端具有一个锥角Y的锥形底面24，底面24通过一个外铆钉 杆孔半径R5与铆钉杆内表面16连接，并且在中心轴线X范围内止于半径R6。铆钉杆孔8具有一个从铆钉底部到设想的锥形底面24和铆钉杆内表面16的延长部分的相交处测量的深度tB。在中心轴线X上的铆钉头12的厚度用Dk标明。在开始探讨确定根据本发明的冲压铆钉几何尺寸的具体数值范围之前，这些导致本发明的基本考虑根据图2用图示出。如已经在开头阐述的那样，在目前技术水平中，在评价完成的冲压铆钉连接时，一方面考虑到张开的铆钉杆段的咬边H、另一方面考虑冲模侧接合件(板件)的轴向最小厚度tmin作为质量标准。原则上人们期望咬边H和最小厚度tmin尽可能大。与此相反，本发明以这个考虑为出发点，除了咬边H和最小厚度tmin，补充啮合弧长L、承载深度T和限定铆钉底部的接合件(板材)的径向厚度tNF为冲压铆钉连接的主要质量标准。如从图2得知的那样，啮合弧长L涉及到铆钉杆6外面和冲模侧接合件26之间的啮合弧长，承载深度T是啮合弧长L的轴向分量。限定铆钉底部的冲模侧接合件26的径向厚度tNF是在铆钉脚部径向最外侧部位测量的。根据本发明的理论，原则上要求啮合弧长L、承载深度T和径向厚度tNF最大化。如借助于广泛的基础研究所确定的那样，采用这种方式可以改善并且使冲压铆钉连接的承载特性最佳化，如下面还要详细说明的那样。其他以本发明为基础的考虑涉及铆钉头、铆钉杆和用于生成冲压铆钉连接的冲模的结构，同样如下面详细说明的那样。铆钉脚部结构根据所示出的本发明的实施例所述的铆钉脚部几何形状由下面数值范围确定R1=O. 3±0· 2mmR2= (O. 7 至1. 2) (d^di) /2,特别是 R2= (O. 8 至1. O)队-屯)/2α =10° ±20°。半径R1可以被比如说45°倒角代替，只要倒角长度不大于半径R1的相当的割线。这个数值范围适用于半径R2直接相切地连到铆钉杆内表面16这种情况。如果在指出的数值范围内没能找到不仅与半径R1相切而且与铆钉杆内表面16相切的半径R2的话，则半径R2通过另一个半径R3与铆钉杆内表面连接。然后，对于R3和角α来说，要选择下面数值范围α=5。±10。R3=O. 8 ± O. 4mm如果半径R1小于等于O. 2mm,则合理的是，角α =5° ±10°。在半径R1较大时(至O. 4mm)，角可以是α =10° ±20。。铆钉脚部几何形状的一个主要参数是半径R1和R2的共同切线Tan与冲压铆钉径向平面E构成的角α。如从所示出的和从指示的数值范围得出的那样，角α很小，而且甚至可以是负的。这说明了，铆钉脚部与目前技术相反，几乎是钝角构成，也就是说，严格来讲没有锐角切刃。这个事实情况对冲压铆钉过程和冲压铆钉连接构成有很大影响，如参照图3至图6在两个接合件(板材)之间冲压铆钉连接的示例中说明的那样。众所周知，使用冲压铆钉，要连接的接合件26、28固定在冲模30的上面和压紧装置32的下面之间。冲模30优选具有一个被底面36 (尤其是以凸起(突芯)形式)和圆柱形圆周面38限定的空腔34。在连接过程中，冲压铆钉2被一个冲头(没有示出)压入接合件26,28中，在这里，接合件26、28的变形段进入冲模30的空腔34内变形。冲压铆钉冲压穿过冲头侧接合件28，在这里将冲压余料28a与接合件28分开，而且没有冲压穿过就使冲模侧接合件变形。因此构成了一种“铆钉镦头”，使两个接合件26、28形状吻合地固定在铆钉头4和“铆钉镦头”之间。 上面阐明的铆钉脚部几何形状对连接过程和冲压铆钉连接的构成有下列影响a)在连接过程的第一部分，铆钉脚部冲压穿过冲头侧接合件28，接合件28没有过度变形。因此，在很大程度上是一个纯冲压或者切割过程。b)因为在这个冲压过程中铆钉脚部基本上在一个切割过程中穿入冲头侧接合件 28，铆钉脚部和铆钉杆没有遭到较大变形。通过图4和图5可清楚看到这一点。结果是，为了冲压穿过冲头侧接合件28所需要的铆钉力比较小。c)现在，铆钉脚部将已贯穿冲压的余料28a与冲模侧接合件26 —起向下压入冲模30的空腔34内，一直到下面的接合件26紧贴着冲模30的底面36。d)在铆钉脚部冲压穿过冲头侧接合件28时，铆钉脚部在冲压余料28a表面上径向向外和轴向向下“滑动”，使冲压余料28a的材料在铆钉杆孔8内径向向内受压流动，冲模侧接合件26径向向外和轴向朝冲模低面变形(图5、6)。在这里，形成了咬边H (图2)。冲模侧接合件26包围铆钉脚部，而没有冲模侧接合件26径向和轴向的急剧变薄或者甚至切断。简言之，连接过程的特征是，冲头侧接合件28尽可能在一个纯切割过程被冲压穿过，而铆钉杆6和冲头侧接合件28没有过度变形，铆钉杆6仅在压入冲模侧接合件26时才扩开(张开)。通过此可达到啮合弧长L、承载深度T和包围铆钉脚部的冲模侧接合件26的径向厚度tNF的最大化。结果是，铆钉杆6和接合件26、28之间的附着(摩擦啮合)对承载特性作出了重要贡献。特别是通过此使冲压铆钉2和接合件26、28之间附着范围的单位负荷最小化。除此之外，减小了冲压铆钉连接内的径向压应力，这样在冲压铆钉连接外部负荷时，里外应力总和保留在合理的限度内。除此之外，由于在足够咬边H和最小厚度tmin时L、T和tNF最大化，减小了冲压铆钉2和接合件26、28之间的单位面积压力，通过此改善了冲压铆钉连接的刚性和疲劳强度。
该冲压铆钉连接结构的另一个重要优点是，如已经提到的，明显减小用于生成冲压铆钉连接所需要的安装力。这不仅有利地影响到铆钉工具结构和工作，而且主要使对冲压铆钉的硬度和强度要求明显降低。因此，可以使用其硬度和强度大大小于目前技术水平的冲压铆钉来在给定材料接合件之间生成冲压铆钉连接。比如说，可以使用由传统铝合金(例如AIMgSil)制的铆钉来铆钉连接铝制半成品。所介绍的冲压铆钉连接结构的另一个优点在于，避免了一方面是冲压铆钉与接合件之间以及另一方面接合件相互之间的缝隙，或者至少使所述缝隙最小化。这就能与其他冲压铆钉连接特性一起对承载特性、特别是对冲压铆钉连接抗震特性产生有利效果。铆钉头的结构铆钉脚部的结构要与其余的冲压铆钉部分，特别是铆钉头、铆钉杆和铆钉杆孔的结构相结合来看。 在所示出的实施例中，铆钉头4构成为埋头，其具有一个与铆钉杆外表面14通过半径R4连接并且与圆柱形铆钉头外表面12相交的锥形头下部倒角18。对构成为埋头的铆钉头4的直径dk适用的是dk=(l. 3 至1. 8)dN,特别是 dk=(l. 4 至1. 65) dN对铆钉头外表面12的轴向长度Hk适用的是Hk= (O. 025 至 0.2) dN，特别是 Hk= (O. 025 至 O. 12) dN在采用较大的铆钉头直径dK时，要选择较大的Hk。所指示的范围特别适用于dN ( 6mm的铆钉杆外径。头下部倒角18与一个径向平面构成的角β在25° ±10°范围、特别是25° ±7°。半径&为0.6±0.4_、特别是0.5±0.2_。如在图1右面用虚线表示的那样，头下部倒角也可以构成为稍微弯曲，在这里，曲率只与锥形面稍微有偏差，曲率半径应是R7 ^ 2. 0mm。在这里，角β或者半径&以及半径&应这样选择，即，使闭合铆钉头4和冲头侧接合件28之间的缝隙的力尽可能低(图2和图6)，从而使安装力尽可能低。角β或者头下部倒角18的半径R7与被冲压穿过的冲头侧接合件28的上面的相应角之间的差别以及半径R4大小对安装力大小有显著影响。如果角β太大或者半径R7太小，则需要很高的安装力，以便闭合铆钉头下面和冲头侧接合件28之间的缝隙。如果角β太小，则在半径R4范围内，在冲压铆钉2和冲头侧接合件28之间形成缝隙。在试图通过比较大的安装力闭合这个缝隙时，铆钉头4弯曲并会容易折断。如果选择的半径R4太大(如目前技术水平中像所谓的C铆钉这种情况)，则冲压铆钉在半径R4范围内不得不使被冲压穿过的冲头侧接合件28的相邻角适当变形，并且在这里将冲头侧接合件28的材料部分地径向向外挤压。为此需要很高的力，这又提高了所需的安装力。如果半径R4太小，由此引起的缺口作用会导致铆钉头4断裂。所介绍的构成为埋头的铆钉头、特别是上面阐明的头下部几何形状，完全普遍适用于铆钉连接所有金属材料，在必要时也适用于其他材料制的接合件。在连接塑料、特别是纤维加强的塑料时，平放的铆钉头(所谓的平头)具有小的到铆钉头的过渡半径也是比较合适的。一般来说，在这些情况下，选择的铆钉头直径dk比埋头铆钉的直径大，以便减小铆钉头的下面和冲头侧接合件的上面之间的单位负荷。如果这样，铆钉头直径尺寸在上述范围之外。
_4] 具有孔的铆钉杆结构在目前技术水平中，半空心冲压铆钉的杆外径dN通常在3和8mm之间，铆钉杆的壁厚通常在O. 5和2. Omm之间。冲压铆钉整个长度很少大于10_。在汽车技术中使用的用于连接车身部分的半空心冲压铆钉中，铆钉杆外径dN常常是5. 3mm或者3. 2mm。对于根据本发明的冲压铆钉来说，也可以在这些范围内选择铆钉杆外径dN。优选地，铆钉杆外径(1,在5. O至6. Omm范围内。然而，如还要详细阐述的那样，在根据本发明的冲压铆钉中，铆钉杆外径dN原则上可以选择大于目前技术水平的外径，因为根据本发明构成的冲压铆钉需要较小的铆钉力。优选地，铆钉杆内径di为(0.5至0.8)4。优选地，下面数值范围适用于参数R5、 R6 > Y、tB 和 Dk :R5=O. 7 ± O. 5mm,特别是 R5=O. 8 ± O. 3mmR6=O. 9 ± O. 5mm,特别是 R6=O. 8 ± O. 3mmY=IlO0 至 140。，特别是 Y=IlO0 至 130。tB 彡 O. 2dN,特别是 tB 彡 O. 3dNDk 彡 O. 15dN。指出的用于确定铆钉杆几何尺寸的数值范围保证可使铆钉杆6在任何使用情况下有足够的冲压稳定性(在连接过程中，没有不允许的顶镦)、足够的纵向抗变强度和抗隆起强度(在连接过程中，铆钉杆没有弯折和/或者隆起)，以及足够的抗弯强度和抗顶镦强度(在连接过程中，有目的地变形)。所示出的几何形状、特别是铆钉杆孔角Y是这样选择的，即便利铆钉杆孔的加工。然而要指出的是，铆钉杆孔的几何形状也可有另外选择。比如说，铆钉杆孔底面是拱形构成，也就是以具有一个通过半径R5到铆钉杆内表面16过渡的圆弧形式。其他的孔几何形状也是可能的。加工冲压铆牵丁如已经提到的，与目前技术水平相比，根据本发明所述的冲压铆钉的安装力明显要小。研究表明，用来生成冲压铆钉连接所需要的安装力按数量级低了 20%。这又允许，铆钉杆外径dN和铆钉杆内径Cli大于目前技术水平，而不会损害到冲压铆钉的冲压稳定性、纵向抗变强度和抗隆起强度以及抗弯强度和抗顶镦强度。加大冲压铆钉杆外径dN可以在工艺上比较容易地和经济地加工冲压铆钉。在采用冷压加工制造冲压铆钉时，铆钉杆孔借助于一个所谓的销来成型。铆钉杆孔8和所述销的横断面越小，加工冲压铆钉就越难。在这里考虑到，加工铆钉的成本主要取决于加工工具的成本，在这里，加工工具的使用寿命起着决定性作用。加大铆钉杆孔和所述销的横断面，可明显便利加工，此外，由于改善了所述销的导向，也改善了铆钉杆孔的加工精度。因此，超比例地延长了加工工具的使用寿命，使铆钉加工成本相应减少。除此之外，要考虑到，铆钉杆外径dN较小的变化导致铆钉杆内径Cli较大的变化，而不影响冲压铆钉稳定性。比如说，铆钉杆外径dN改变O. 3_，铆钉杆内径则改变了 O. 4_，而不影响铆钉杆的冲压稳定性。di=2. 9mm的铆钉杆内径改变O. 3mm,则使所述销的横断面加大33%，改变O. 4mm,则使所述销的横断面加大41%。从这些数字示例可清楚看到，根据本发明构成的冲压铆钉的加工经济性显著好于目前技术水平的冲压铆钉。冲模结构在生产时使用的冲模30，特别是冲模30的空腔34的圆柱形圆周面38的容积或者直径DM，对连接过程和冲压铆钉连接的构成有很大影响，见图2至6。优选地,对直径DM适用的是对于由具有良好变形能力材料、特别是塑性合金构成的接合件，DM=dN+(0.6至1.5)2^，特别是0 =(^+(0. 7至1. 2)2tm。在这里，tM是冲模侧接合件26的厚度。因此，冲模 30的直径Dm随着冲模侧接合件26厚度而增大。合理的是，冲模30的空腔34的深度Tm也应随着冲模侧接合件26的厚度而选择较大的。优选地，适用的是Tm= (1. O 至 2.5) tM，特别是 Tm= (1.1 至 2.2)tM。通过所指出的数值范围得出了冲模圆周面38的直径DM，与目前技术水平相比，这些直径Dm是小的。减小冲模空腔，特别是直径DM，可以减小所谓的“切割缝隙”，即铆钉杆外径4和冲模内径(也就是说直径Dm)之间的缝隙。这又对结合铆钉脚部结构所阐明的连接过程的方案有利。特别是，由此对在一个“切割过程”中冲压穿过冲头侧接合件28，冲模侧接合件26的变形以及铆钉杆6相应的运动和变形有利。优选地，对由铸造材料以及其他具有较小变形能力或者较小断裂延伸率的其他材料(例如镁)制成的接合件适用的是Dm ^ 2. 2dN,Tm 彡 0.15Dm。在图3至图6的实施例中，冲模30的底面36米用传统方式配备有一个向上伸出的凸芯。图7示出了一个根据本发明的冲模30’的实施形式，在这里，底面36’配有一个中心凹槽40。在所示出的实施例中，凹槽40是构成为圆柱形的，具有直径Deb ( O. 5DM和深度Teb彡O. 3dN。对半径Reb适用的是Reb ^ O. 3mm,特别是 O. 4 至1. 0mm。凹槽40负责在连接过程中释放压力，通过此可避免在冲压铆钉连接中过高的径向应力，并降低形成裂缝的危险。合理的是，其外形尺寸一直径和深度一也可根据铆钉孔直径或者冲模侧接合件厚度，于是Deb ^ CliTeb 彡 O. ltM，例如彡 O. 1mm。图8和9示出了冲压铆钉2’的一个可变化实施形式。在图1至图6实施例中，铆钉杆外表面14是圆柱形构成的，而改进的冲压铆钉2’的杆外表面配有一个轴向槽纹42。轴向槽纹42在连接过程中防止扭转，特别是在冲压铆钉作为功能件(没有示出)在铆钉头上具有螺栓或者螺母状台阶构成时是有益的。除此之外，轴向伸展的槽纹42负责对冲压铆钉2’的良好导向，因此没有提高所需的接合力。
权利要求
1.一种冲模，用于通过根据一冲压铆钉来生成冲压铆钉连接，其中所述冲压铆钉包括铆钉头(4)和具有中心孔(8 )的铆钉杆(6 )，具有共同的中心轴线X,其中 所述铆钉头(4)具有给定铆钉头直径dk的基本上为圆柱形的铆钉头外表面(12)， 所述铆钉杆(6)具有给定外径dN的外表面(14)和限定所述中心孔(8)的给定内径Cli的内表面(16), 所述铆钉头外表面(12)和所述铆钉杆的外表面(14)通过锥形或者稍微弯曲的头下部倒角(18 ;18’)及头下部半径R4连接，所述头下部半径R4不仅相切地连到头下部倒角(18 ；18’)，而且也相切地连到铆钉杆的外表面(14)，并且 所述铆钉杆的外表面(14)和所述铆钉的杆内表面(16)在铆钉底部通过相切地相互连结的径向外第一半径R1和径向内第二半径R2连接，其中，共同切线Tan与所述冲压铆钉的径向平面构成角α， 其中，所述第一半径R1相切地连到所述铆钉杆的外表面(14)或者被相当长度的倒角代替，所述第二半径R2相切地连到所述铆钉杆的内表面(16)，并且 其中，下面的数值范围适用于所述第一半径R1、所述第二半径民和所述角α R1=O. 3±0· 2mm，R2=(0. 7 至1. 2) (d^-dJ/2, α =10。±20。， 所述冲模具有被冲模底面(36)和圆柱形圆周面(38)限定的冲模空腔(34)， 其中，对冲模直径Dm和所述冲模空腔(34)的深度Tm适用的是 对于连接具有良好变形能力的材料的部件， DM=dN+ (O. 6 至1. 5) 2tM, Tm= (1. O 至 2. 5) tM, 在这里，dN是冲压铆钉(2)的铆钉杆(6)外径，tM是冲模侧接合件(26)的厚度，以及 对于连接由铸造材料和其他具有较小变形能力材料构成的部件， Di ≤ 2. 2dN， Tm < O. 15Dm。
2.根据权利要求1所述的冲模,其中所述部件是由塑性合金构成的。
3.根据权利要求1所述的冲模，其中对所述冲模直径Dm适用的是 DM=dN+ (O. 7 至1. 2) 2tM。
4.根据权利要求1所述的冲模，其中对所述冲模空腔(34)的深度Tm适用的是 Tm= (1.1 至 2. 2)tM。
5.一种冲模，用于通过根据一冲压铆钉来生成冲压铆钉连接，其中所述冲压铆钉包括铆钉头(4)和具有中心孔(8 )的铆钉杆(6 )，具有共同的中心轴线X,其中 所述铆钉头(4)具有给定铆钉头直径dk的基本上是圆柱形的铆钉头外表面(12)， 所述铆钉杆(6)具有给定外径dN的、基本上为圆柱形的外表面(14)和限定所述中心孔(8)的、给定内径Cli的、基本上为圆柱形的内表面(16)， 所述铆钉头外表面(12)和所述铆钉杆的外表面(14 )通过锥形或者稍微弯曲的头下部倒角(18 ;18’)及头下部半径R4连接，所述头下部半径R4不仅相切地连到头下部倒角(18 ；18’)，而且也相切地连到铆钉杆的外表面(14)，并且 所述铆钉杆的外表面(14)和所述铆钉杆的内表面(16)在铆钉底部通过相切地相互连结的径向外第一半径R1和径向内第二半径R2连接，其中，共同切线Tan与所述冲压铆钉的径向平面构成角α，并且 其中，所述第一半径R1相切地连到所述铆钉杆的外表面(14)或者被相当长度的倒角代替，所述第二半径R2通过第三半径R3与铆钉杆的内表面(16)连接，所述第三半径R3不仅相切地连到所述第二半径R2而且也相切地连到所述铆钉杆的内表面(16)，并且 其中，下面的数值范围适用于所述第一半径R1、所述第二半径R2、所述第三半径R3和所述角α R1=O. 3±O. 2mm，R2= (O. 7 至1. 2) ((Ιν-Φ)/2，R3=O. 8±O. 4mm，α =5。±10。， 所述冲模具有被冲模底面(36)和圆柱形圆周面(38)限定的冲模空腔(34)， 其中，对冲模直径Dm和所述冲模空腔(34)的深度Tm适用的是 对于连接具有良好变形能力的材料的部件， DM=dN+ (O. 6 至1. 5) 2tM, Tm= (1. O 至 2. 5) tM, 在这里，dN是冲压铆钉(2)的铆钉杆(6)外径，tM是冲模侧接合件(26)的厚度，以及 对于连接由铸造材料和其他具有较小变形能力材料构成的部件， Di ^ 2. 2dN，Tm < O. 15Dm。
6.根据权利要求5所述的冲模，其中所述部件是由塑性合金构成的。
7.根据权利要求5所述的冲模，其中对所述冲模直径Dm适用的是 DM=dN+ (O. 7 至1. 2) 2tM。
8.根据权利要求5所述的冲模，其中对所述冲模空腔(34)的深度Tm适用的是 Tm= (1.1 至 2. 2)tM。
全文摘要
介绍了用于生成冲压铆钉连接的冲压铆钉和冲模。冲压铆钉的特征在于特殊的铆钉脚部和头下部几何形状。在铆钉脚部的范围内，铆钉杆的外表面和铆钉杆的内表面通过相切地相互连结的一个较小的径向外半径和一个较大的径向内半径来连接。共同切线与一个径向平面构成的角在10°±20°范围。优选地，冲模与所介绍的所述冲压铆钉相匹配，然而，所述冲模也能与传统铆钉结合使用。
文档编号B21J15/36GK103008523SQ20121044609
公开日2013年4月3日 申请日期2007年6月19日 优先权日2006年6月21日
发明者休曼吉特·辛格, 沃尔夫冈·温策尔 申请人:休曼吉特·辛格