本发明涉及一种自冲铆钉，特别是一种半空心自冲铆钉，其用于在至少两个组件中产生结合连接，特别适用于在高强钢制成的组件和厚壁铝板或铸铝制成的组件之间设立结合连接。
背景技术：
冲压铆合作为一种连接方式在工业中得到了广泛的应用。特别是在汽车制造中，新的需求总是落在冲压铆钉的连接上。这主要是因为，根据需要组合的材料，如钢铁、高强钢、镁合金板材、塑料、碳纤维增强塑料(CFRP，carbon fiber reinforced plastic)及类似材料，必须一次又一次地解决这些材料的连接任务。另外，结合连接的生产周期的缩短，待连接组件的可接性以及用于连接的可用空间作为连接任务的一部分不断提出新的需求。
因此，例如根据EP 1 950 432 A1的自冲铆钉的特殊头部几何结构实现了自冲铆钉连接件的防腐。然而，由于安装过程中存在的各种问题，自冲铆钉并不适用于目前普遍的高强度材料，例如钢铁和铝合金。尤其不可能得到足够可靠的理想连接强度。
DE 10 2006 028 537 B3公开了一种自冲铆钉，其适用于连接高强度钢制成的连接部件，尤其适用于先进高强度钢(AHSS)和介稳奥氏体钢。自冲铆钉的铆足或底座的特征为小直径杆部的外表面和较大直径杆部的内表面相切地结合在一起。由于存在铆钉座的这种结构，提高了所设冲压铆钉连接的承载能力。然而，自冲铆钉一旦设置在不是由高强度钢构成的组件的底层的连接中，连接质量则会下降。
EP 1 387 093 Al公开了一种由铝或者铝合金制成的自冲铆钉的几何结构。该自冲铆钉的材料及其几何结构尤其适用于铝板中自冲铆接的生产，但不适用于高强度钢金属板层的冲孔。
DE 10 2005 020 416 A1和EP 1 229 254 B1的自冲铆钉几何结构也适用于在高强度材料中设置结合连接。这表明传统的由钢制成的带有尖锐铆钉座的半空心自冲铆钉不适用于高强度和最高强度钢板的连接。由于连接部分的强度高，铆钉杆部的重整过程非期望地提早进行，因此不可能在上连接部分穿孔。为了解决这些缺陷，发展出一种相对更坚固更小巧的半空心自冲铆钉，它具有小杆腔长度和钝形铆钉座。并且，铆钉杆的径向宽度从铆钉座开始向铆钉头明显地递增，实现了自冲铆钉足够的稳定性。另外，需要非常高的铆钉硬度以在连接中呈现出高内应力，并且因此也呈现出高开裂风险。在EP 2 024 651 B1中，公布了一种具有足够的轴向稳定性自冲铆钉，其特别用于高强钢的冲孔。为此，铆钉杆的外径为5.5mm，内径为2.9mm。铆钉杆平直的端面导致铆钉座被制成钝形。由于铆钉杆的径向宽度，为了支持铆钉杆的稳定性，铆钉杆的端面向内径向过渡或者延伸，并逐渐变细深入至自冲铆钉的杆孔中。正是这些特征的结合实现了在高强度钢板中设置足够稳定的结合连接。然而，铆钉的形式也会导致在连接中产生高内应力。特别是在底部安置有铝板的高强度钢板的材料连接中，高内应力提高了开裂的风险，因而失效概率也相应提高。
DE 10 2005 052 360 A1也公开了一种在高强度钢板中产生或设置结合连接的自冲铆钉。与WO 2007/132194 A1相比，铆钉杆在此更不稳定地形成。因为所公开的自冲铆钉具有外径为5.3mm内径为3.4mm的铆钉杆。尽管铆钉杆有更小的径向宽度，但自冲铆钉仍具有足够的轴向稳定性，这是通过铆钉座特殊的切削几何结构实现的。铆钉座因此由一个平面或略倾斜的杆端面组成，且该端面在径向向外受限于更小的圆锥刀口，在径向向内受限于更大的锥柄内倒角。
上述自冲铆钉的几何结构适用于高强度组件或者铝制组件的结合连接。但是当结合连接被设置在具有高强度顶层材料的不同组件中，自冲铆钉没有达到满意的效果。
本发明因此提供一种用于连接组件的自冲铆钉，特别地，对于在结合有高强度顶层的组件中产生或设置一种结合连接，所述连接组件可达到满意的效果。
技术实现要素：
通过独立权利要求1定义的自冲铆钉、权利要求10给出的一种使该铆钉进入高强度顶层和底层铝部分的连接方法和权利要求13给出的一种结合连接来达到上述目的。有益的实施例及该自冲铆钉的进一步发展下面来自于以下的说明、附图和所附的权利要求书。
本发明中的自冲铆钉适用于在至少两个组件之间产生结合连接，其具有以下特征：铆钉头和具有中心杆孔的铆钉杆，它们优选地相对于中心轴旋转对称地形成，其中铆钉头包括了一个具有预设头部直径的上端。铆钉杆包括了圆柱形的杆外表面和限定中心杆孔的杆内表面，其中杆外表面和杆内表面在背离铆钉头的铆钉杆轴向末端通过平的杆末端表面和杆末端半径相连。杆末端直径相切地过渡或结合到杆内表面中，该平的杆末端表面与杆外表面通过切边相连，铆钉杆最大径向宽度bm和最小径向宽度bs的比值范围为1.5≤bm/bs≤2.5。同样优选的，自冲铆钉也可以不绕其中心轴旋转对称，而是形成为椭圆、卵形或其它形状。
本发明的自冲铆钉的特征在于它在铆钉杆部分以及铆钉座部分的特殊几何结构。铆钉杆的特定几何结构使得该自冲铆钉在穿透高强度顶层时具有显著的轴向稳定性。同时，铆钉座的结构给出了一种十分钝的几何结构以具有足够锋利或尖锐的几何结构来穿透高强度顶层，以进入到比高强度顶层更柔软的其它材料中。进一步地，通过从铆钉座部分开始沿着铆钉头方向的对铆钉杆的径向加宽，可以确保在建立结合连接时铆钉在径向充分地伸展开，以使得冲出高强度材料的冲头(slug)为产生该结合连接减少了障碍。同时，优选地，铆钉杆并不伸展太远以导致铆钉出现过渡缩锻或膨胀，所述缩锻或膨胀是通过组件的贯入阻力产生的。因此，根据本发明的自冲铆钉，铆钉杆沿着轴向改变径向宽度，和通过由平的杆端面和径向向内地沿着杆内表面方向延伸的圆弧形连接表面组成的铆钉座几何结构，通过上述特征自冲铆钉可获得好的连接性能。
根据本发明的另一个优选实施例，铆钉半径至少为铆钉杆的最大径向宽度bm的两倍大。这种几何结构确保了杆端部末端以足够大的圆形弧连接至杆内表面。在这种方式下，从杆端部表面到铆钉杆的内部形成了平滑的连续过渡，其尤其正向地影响自冲铆钉和冲出的冲头之间的相互作用。
根据本发明的另一个优选实施例，铆钉头具有头部外缘，所述头部外缘通过锥形头下倒角和头下半径与杆外表面相连接，其中头下半径分别相切地过渡或结合到锥形头下倒角和杆外表面中，锥形头下倒角包围了一个自冲铆钉的径向平面和20±2°的角α1。
在结合连接的产生过程中，通过铆钉杆的展开，铆钉头使顶层弹性变形，并且同时锚定在底下材料中。一旦结合冲头释放了铆钉头，则顶层的弹回导致自冲铆钉承受一定的拉伸内应力。通过上述铆钉头的有益的实施例，特别是关于自冲铆钉的径向平面的锥形头下倒角，顶层在连接时的弹性变形更小，因此导致在设置结合连接之后，自冲铆钉内部的拉伸力更小。
根据本发明的又一个优选实施例，头部直径D2和杆部直径D1的比值范围为1.44≤D2/D1≤1.54。根据本发明，进一步优选地，头部直径D2＝7.75±0.15mm，杆部直径D1＝5.2±0.1mm，径向杆端面的宽度bs＝0.6±0.1mm。基于上述，杆部直径R2＝3mm同样是优选的。根据又一个优选实施例，杆孔的最小直径D3为2.9±0.1mm，而铆钉头的头部外边面的轴向高度为0.3±0.1mm。综上所述，优选地将自冲铆钉制成具有中心孔作为盲孔的半空心自冲铆钉。
本发明还包括一种用于生产结合连接和在至少第一组件和第二组件之间的结合连接的方法。该结合方法特征为：上述自冲铆钉之一设置在第一元件和第二元件中。这些组件彼此上下设置，其中第一组件为由高强度钢制成的顶层，第二组件为铝部件。根据本发明优选实施例，第二组件在结合方向上的厚度至少为第一组件在结合方向上厚度的1.5倍，优选大于2至4倍。还优选地，第二组件由铸铝或者压铸铝材料构成。
附图说明
结合附图详细描述本发明。唯一的附图给出了一个本发明优选实施例的自冲铆钉在非连接状态的剖面图。
具体实施方式
结合附图对实现本发明的半空心自冲铆钉的具体实施例进行描述。特别地，所述自冲铆钉适用于在至少由高强钢构成的第一组件作为顶层和另一个厚壁铝板或铸铝或压铸铝材料构成的组件作为模侧的组件之间设立结合连接。应理解，本发明的优选的自冲铆钉也可用于在其他材料中产生结合连接。
自冲铆钉2由铆钉头4和铆钉杆6组成，形成绕中心轴X旋转对称。所述自冲铆钉2也可优选地不形成相对中心轴X旋转对称，此时，所述自冲铆钉2横切于中心轴X优选地是一个椭圆形或卵形。铆钉杆6有一个中心孔，所述中心孔形成一个盲孔。铆钉头4有一个上侧10，所述上侧10优选为平的。铆钉头4在毗邻上侧10的部分被头部外表面12所限制，其优选为圆柱。头部外表面12的直径为D2，轴向高度为h。和铆钉头4相邻接的铆钉杆6具有圆柱形杆外表面14和圆柱形杆内表面16。自冲铆钉2的孔8被所述杆内表面16所限制。圆柱形杆外表面14的直径为D1，圆柱形内表面的直径为D3。根据本发明优选实施例，杆外表面14针对特定应用时，至少有部分轻微偏离(diverging)，以减小连接组件之间形成的间隙。
圆柱形头部外围表面12通过一个圆锥形头下倒角18和半径R1与圆柱形杆外表面14相连。此时“半径”一词应该理解为一个环形表面，所述环形表面在轴向剖面上为一个半径为R的圆弧形。所述圆弧由半径R1所限定，其分别延伸至相切于头下倒角18和杆外表面14。另外，头下倒角18直接与头部外围表面12相邻接。头下倒角18和头部外围表面12之间的过渡也通过一个特定半径的圆弧或者成角度地实现。另外，头下倒角18优选地与自冲铆钉2的径向平面围成角度为20±2°的角α1。
在铆钉座的区域，杆外表面14与杆内表面16通过平的杆端面12和圆弧相连接。所述圆弧由半径R2所限定，起始于杆端面20，相切延伸至杆内表面16中。所述平的杆端面20优选地垂直于自冲铆钉2的纵轴X。另外，所述杆端面20通过切边24过渡为杆外表面14。所述切边24形成角和径向圆周。因此所述切边24优选地形成锋利的边缘。孔8在头部以下区域有一拱形槽底26，其由相对于纵轴X径向圆周倾斜的表面形成。所述表面优选地与纵轴X形成105±5°角。所述成角度地设置的平面优选地通过圆弧过渡到杆内表面16中。
由于从杆端面20到自冲铆钉2的孔8的弧形过渡，杆内表面16在铆钉杆6的整个轴长上并非形成圆柱形。而是铆钉杆6的径向宽度b，从杆端面20开始沿着铆钉头4的轴向递增。铆钉杆6的最大宽度bm不超出杆内表面16的圆柱形延伸部分。铆钉杆6的最大径向宽度设计成bm。铆钉杆6的最小径向宽度bs位于杆端面20的部分中。该最小径向宽度对应杆端面宽度。由于铆钉杆6的这种几何结构，孔8在圆柱形部分或者毗邻铆钉头4的直径为D3。孔8在铆钉杆6的远离铆钉头4的端部达到最大直径，所述最大直径指定成D4。
根据本发明的优选实施例，自冲铆钉2的尺寸如下：
Dl＝5.2±0.1mm
D2＝7.75±0.15mm
D3＝2.9±0.1mm
D4＝4.0mm
h＝0.3±0.1mm
L＝5.5±0.15mm
bm＝1.15±0.1mm
bs＝0.6±0.1mm
Rl＝0.5±0.1mm
R2＝3mm
α1＝20±2°
在所显示的实施例中所述自冲铆钉2的轴向长度L为5.5±0.15mm。也可优选地使用其他大于或小于5mm的铆钉长度L，而自冲铆钉2其它尺寸相同。
自冲铆钉2由于其几何结构尤其适用于高强钢顶层和置于模侧上的厚壁铝层之间的连接。优选地，其它材料层被安置在高强钢顶层和模侧上的铝层之间。自冲铆钉2被证明在高强钢作为顶层和模侧上的铸铝材料层之间的结合连接的产生中具有明显的优势。因此，优选地，由铝或铸铝材料制成的组件在结合方向上的厚度是对应顶层在连接方向上的厚度的至少1.5倍，优选大于2到4倍。
在铸铝的过程中，铝被融化，例如以各种中间合金的形式。因此，铝熔体的特性会被加入不同的合金元素所影响。这些特性指的是机械加工的硬度、震动吸收、韧性和可加工性。对于发动机箱和变速箱优选的合金添加元素为：铜、硅、镁和其它有效的元素。众所周知，铸造的方法由很多种。铝/铝合金由于其低熔点可以在压铸下加工，该加工方法尤其用于汽车工业当中。由此可生产出例如发动机组、泵壳、气缸盖和底盘组件以及变速箱。
铝压铸指的是一种压铸工艺，其中液态或膏状铝在高压下被压入预热后的模具。该工艺取代了该形式中存在的空气，并且在整个凝固过程都处于高压下。优选地由钢制成的模具是将要以收缩度扩大的待生产的铸件的确切的负版(negative)。该形式由至少两部分组成(如果需要可加入滑块)，因此在填料过程且金属固化之后可以打开模具，从中取出铸件。
这种新型自冲铆钉几何结构的发展是必要的，因为传统半空心自冲铆钉存在很高的开裂风险，在变形的铝组件和必要的极高强度自冲铆钉中都是如此。然而，与传统的自冲铆钉相比，本发明的自冲铆钉的优选几何结构减小了铝组件的残余应力或内应力，其中残余应力或内应力产生于结合连接。另外，在连接过程中，自冲铆钉2内部产生较低的压力，这也导致了更低的残余应力，尤其是在自冲铆钉2轴向上的设定的自冲铆钉2的拉伸应力。由此需要强调，由高强度钢制成的顶层优选的强度范围为800-1100MPa。当然，连接更高或更低强度的顶层也是优选的。当顶层强度更高时，自冲铆钉的强度必须相应地提高。在顶层强度更低的情况下，也可以将自冲铆钉的强度降低，低于所给定的强度范围。
根据本发明的优选实施例，在厚度为1.6mm的高强钢组件作为顶层和在T6状态(如固溶退火和人工老化来提高强度)下的铸铝部分作为底层之间，通过自冲铆钉2建立一种结合连接。因此优选地实现了自冲铆钉2仅处于一种强度等级或一种强度，该强度略高于顶层的强度。这样，在其它后处理条件下加工铝部分，如T4、T5或T7，也是优选的。
高强度钢作为顶层和较厚的铸铝材料作为模层(die layer)的结合需要穿透顶层的高强度钢，并需要在铸铝材料中建立一种可靠的连接。由于自冲铆钉2的形状，因此在自冲铆钉内的形变和机械应力必须保持足够低，以至于储存在自冲铆钉2中的机械应力不会导致自冲铆钉2失效。特别地，自冲铆钉2在连接的过程中推动冲头而受到应力，冲头冲出高强度顶层，象征性地处在它前面。由于顶层的强度高导致的冲头的变形能力差，因此它仅在特定的方式下才可以进入或者形成于自冲铆钉2中孔8的内部，该方式基于铆钉的结构和目前为止所知道的设置方法。
为了保证在连接过程中通过自冲铆钉2穿透顶层，冲头表面与传统的自冲铆钉相比进行了调整，以使得自冲铆钉2的穿透能力与现有技术相比得到提高。进一步地，从杆端面到孔8的圆弧形过渡提供了一种杆端面背离头部的滑动或者在冲头上自冲铆钉2切边的滑动。这使得以下情况也成为可能：在结合任务中使用比现有技术更平的模具，因此尽管铆钉座或者铆钉杆6在铸铝材料中变形，仍然减小了裂纹形成的风险，并且形成了高度更低的压盖头。
为同样减小结合过程以后储存在自冲铆钉2中的拉伸应力，特别地，在结合过程中，上端金属层的渗入(taking-in)将被减小。为了达到上述目的，头下倒角与自冲铆钉的径向平面相比具有20±2°的角α1。进一步地，在这种情况下，铆钉头4高度h仅为0.3±0.1mm。特别地，自冲铆钉2的这种几何结构减小了上端金属层的渗入(taking-in)，优选地所述上端金属层为高强度钢顶层。减小储存于连接的自冲铆钉的拉伸应力对结合连接的强度有积极的影响，特别是在设置的结合连接的动态加载中。由于上述本发明的优选自冲铆钉2的几何结构的影响，与现有技术相比，优选地产生了具有更低硬度的自冲铆钉2。由此，积极的副作用为在设置结合连接之后降低了自冲铆钉2内部开裂变形的风险。
从上述讨论的本发明优选的自冲铆钉2的几何特征，可以看出：特别是铆钉座的几何结构，比如切边24、杆端面20和孔8中的圆弧形过渡的协作，使得穿孔的操作更有效，同时产生更小的变形。事实上，导致更小变形的原因在于，与传统的自冲铆钉相比，在结合过程中，铆钉是在顶层更小的冲坑或漏斗结构中施拉。与现有技术相比，由于更浅的冲击的漏斗结构，通过在圆锥形头下倒角18和杆外表面14之间更小的过渡角和更小的半径，可以实现将铆钉头4加工得更平整而作为暗钉。由于在结合过程中顶层更少地被移入冲击的漏斗结构中，在完成结合过程并移除所设冲床或凸模后，顶层弹回到原来位置的趋势更小了。因此，与现有技术相比，顶层变形量的减小导致了自冲铆钉2中相对平整的暗钉头在所设的自冲铆钉2内部储存的机械拉伸张力更少了。
进一步地，从切边24和杆端面20进入到孔8内部的圆弧形且连续的过渡，使得在结合操作的过程中，冲头(未显示)在进入孔8时的阻力更小了。这同样也导致了自冲铆钉2在结合过程中进入模侧上的铝或铸铝层的阻力更小了。因此，在结合过程中，自冲铆钉2被更少地压缩，而后仅在铆钉杆部分6处伸展。
另外，从杆端面20的内切边进入到孔8的过渡的圆弧线支持自冲铆钉2在结合过程中的定向伸展。然而铆钉杆6在其具有最大径向宽度bm的圆柱形部分几乎没有变形，铆钉杆6向杆端面20逐渐减小的部分向外径向伸展。与现有技术所知的自冲铆钉相比，铆钉杆6这种由径向宽度选择性变化支持的变形能力，支持模侧上的铝层底切(undercut)的变形，以使得自冲铆钉2的机械内应力更低，在设立的结合连接中的冲孔效应更小。本发明发明优选的自冲铆钉2的这些结合特性，使得用更平的模具作为平台支撑邻接铝或铸铝层成为可能。然而，平的模具中铆钉座更大的变形导致自冲铆钉的内应力更高，而在变形的铝板中，产生的内应力更小。这尤其降低了铸铝材料的开裂风险，其与铸铝材料层或组件壁尤其相关。因为作为轧制或拉拔铝材的铸铝材料普遍存在更高的开裂趋势。