功能元件的制作方法

1.本发明涉及一种自冲压功能元件，该自冲压功能元件被构造用于冲压到工件中，特别是冲压到钣金零件中。该元件包括形成凸缘的头部；以及冲压部分，该冲压部分远离头部延伸，特别地与功能元件的中心纵轴同轴地布置，并且具有周边冲压边缘。


背景技术：

2.在生产时机械附接到例如钣金零件的工件的连接元件或功能元件的领域中，在一方面的压配合元件与另一方面的铆钉元件之间存在区别。压配合元件的特征在于，它们在附接到工件时至少不是有意地变形，而是工件本身变形并与压配合元件的形状特征接合，据此，压配合元件以免于被压出的方式紧固到钣金零件。在铆钉元件的情况下，该元件在附接到钣金零件时有意地变形，通常以形成铆钉卷边，据此，钣金零件被捕获在铆钉卷边与凸缘部分之间，以便在此也实现免于被压出的连接。
3.此外，压配合元件和铆钉元件都被称为自冲压元件。名称自冲压应被理解为使得对应的元件在紧固过程中在工件中冲压其自身的孔。为此所需的力例如由压力机、机器人或动力操纵的一对夹钳生成。在这个方面，自冲压元件被压靠在工件上，同时工件在远离元件的一侧被支撑在对应的模具上。自冲压元件与成本优势相关联，因为工件不必预先冲压。
4.前面描述的类型的功能元件尤其用于汽车工程中，但迄今为止不仅用于汽车工程中。随着这种功能元件的使用范围的扩大，它们必须满足的要求也增加。
5.因此，需要一种自冲压功能元件，该功能元件可以以简单的方式可靠地紧固到工件，并且应付高的压出力或张力以及扭矩。


技术实现要素：

6.本发明提供了这样的功能元件。根据本发明规定，头部具有：接触面，该接触面用于与工件接触，所述接触面至少部分地在径向外侧包围冲压部分；和边界部分，该边界部分至少部分地在径向外侧界定接触面并且在与冲压部分相同的方向上远离接触面延伸。边界部分特别在周向上是连续的。面向冲压部分的边界部分的内壁和面向边界部分的冲压部分的外壁至少部分地倾斜于功能元件的纵轴布置，使得内壁和外壁各自在包括纵轴的至少一个平面中形成底切。
7.内壁、接触面和外壁这样形成了环形空间，由于内壁和外壁相对于纵轴至少部分地倾斜布置，该环形空间具有底切，并且因此适于与在紧固过程中被压入环形空间中的工件的材料形成形状配合。
8.在这一点上，术语“倾斜”也应理解为所述壁的至少部分弯曲的设计。由于在内壁和外壁处都至少部分地设置底切，实现了抵抗元件的压出或拉出的特别良好的抵抗能力。底切不必在周向上是连续的。在许多实施例中，如果外壁和内壁的至少相应的一个周边段各自形成底切，则这可能是足够的。两个周边段特别沿径向观察彼此相对地设置。
9.外壁优选地具有在周向上连续的底切，而内壁具有多个特别以均匀方式分布的底
切段。
10.本发明的另外实施例在说明书、附图和权利要求中阐述。
11.根据实施例，内壁在轴向端面视图中具有多边形轮廓，这带来了防止元件旋转的提高的安全性。这意味着被紧固的元件可以承受较大的扭矩，因为在工件与元件之间可以建立在周向上有效的形状配合。
12.当边界部分具有面向工件并且内边缘和/或外边缘在轴向端面视图中具有多边形轮廓的轴向端面时，也实现了防止旋转的安全性的提高。
13.边界部分可以具有轴向端面，该端面面向工件，并且该端面的平面布置在由接触面所跨越的平面与由冲压边缘所跨越的平面之间。这三个平面特别地彼此平行地布置。
14.头部和/或冲压部分优选地具有在轴向上观察
‑
即在垂直于纵轴的平面中观察
‑
的圆形基本形状。然而，也可以想到不同的基本形状，例如椭圆形、矩形或多边形基本形状。冲压部分的冲压边缘和/或外壁在轴向端面视图中特别具有多边形轮廓。在特定的应用中，如果头部和冲压部分具有不同的基本形状，则可以是有利的。
15.内壁和外壁以及冲压边缘、内边缘和外边缘的上述较大的几何设计自由度导致环形空间可具有复杂的形状。因此，在本发明的上下文中，该术语的含义不仅仅限于圆环。
16.为了进一步提高防止旋转的安全性，外壁和/或内壁和/或接触面和/或轴向端面可以设有至少一个提供防止旋转的安全性的特征，特别是设有至少一个在轴向和/或径向上延伸的凸起部和/或凹部。特征的数量、定位和形状可以根据需要来选择。
17.例如，至少一个肋沿径向从内壁朝向冲压部分延伸，并且沿轴向远离接触面延伸，特别地，其中，肋的轴向范围从外向内减小。肋可以延伸到冲压部分。然而，肋也可以仅跨越边界部分与冲压部分之间的间隔的一部分或环形空间的一部分(例如，小于间隔的80％、小于间隔的70％、小于间隔的60％或小于间隔的50％)。肋的端面可以具有圆形形状，以最小化其切口效应，因此不降低工件在元件区域中的抗疲劳性。
18.另外地或替代性地，至少一个在轴向上远离接触面延伸的基部可以在径向上从外壁朝向边界部分延伸。基部可以一直延伸到边界部分。然而，基部也可以仅跨越边界部分与冲压部分之间的间隔的一部分或环形空间的一部分(例如，小于间隔的80％、小于间隔的70％、小于间隔的60％或小于间隔的50％)。基部可以具有基本上平面的端面，该端面被布置为垂直于或倾斜于纵轴。基部不仅用于提高防止旋转的安全性，而且有助于在紧固过程中压入环形空间中的工件材料的位移和分布。除了其他的以外，有利的结果是改善了元件与工件之间的连接的紧密性。
19.肋和基部可以沿接触面的周向偏移布置。特别地，设置多个肋和基部，该多个肋和基部沿周向均匀分布地布置并且彼此偏移地布置。优选地在径向上重叠的肋和基部的交替布置提供了关于元件与工件之间的连接的可靠性和紧密性的特别好的结果。
20.根据实施例，功能元件是具有带内螺纹的孔的螺母元件。功能元件也可以是螺栓元件，该螺栓元件具有在远离冲压部分的一侧从头部延伸的螺栓部分，特别地，其中，螺栓部分至少部分地设置有外螺纹。
21.本发明还涉及一种部件组件，该部件组件包括根据前述实施例中的至少一个的功能元件；以及工件，特别是钣金零件，其中，工件至少部分地被推入由内壁、接触面和外壁形成的环形空间中，并且在围绕由冲压部分冲压出的孔的区域中被推入底切中，使得功能元
件以形状配合的方式连接至工件。
22.根据部件组件的实施例，工件的远离接触面的一侧在与孔相邻的区域中或与孔直接相邻地设置有在周向上连续或分段的凹部，特别是环形凹部。在凹部的区域中的工件的材料特别地至少部分地布置在环形空间中。凹部的几何基本形状优选地与环形空间的几何基本形状互补。然而，它也可以偏离。凹部特别是旋转对称的。
23.凹部可以在将元件紧固到工件的过程中产生，例如通过模具来产生，该模具将与由冲压部分产生的孔相邻的工件的材料压入环形空间中。
24.在制造部件组件时，元件必须与工件在要生产的孔的区域中的厚度和设计相协调。在许多情况下，冲压部分的长度，即其从头部开始的轴向范围，有利地小于凹部的深度。换言之，在部件组件的该实施例中，冲压部分的轴向范围被选择成使得冲压部分不从凹部突出，以便获得尽可能紧凑的部件组件。因此，尤其确保了在工件的远离功能元件的头部的一侧上存在平坦的紧固平面。
25.也可以规定，为了简化孔的冲压，工件在孔区域中的厚度基本上对应于或小于冲压部分的轴向范围。然而，工件也可以具有大于冲压部分的轴向范围的厚度。
26.如果功能元件具有提供防止旋转的安全性的肋和基部，则通过将所述功能元件附接到工件来产生部件组件，所述部件组件的特征在于，肋和基部都与工件形状配合地接合。换言之，工件以形状配合的方式延伸到环形空间中，因为其围绕肋和基部延伸并且接合在底切后面。此外，围绕冲压部分接合和/或接合到底切中的材料，即工件中的孔的壁区域中的材料，基本上弹性地压靠在冲压部分上，其中，在冲压部分周围的工件材料中存在压缩环应力。工件材料与冲压部分之间的对应的束缚导致接合连接的高质量抗疲劳性。
27.部件组件优选地借助于模具形成，该模具具有环形突出部，使得工件远离元件头部的一侧设置有围绕冲压边缘延伸的环形凹部。当工件的厚度大于冲压部分的轴向范围时，由模具的环形突出部产生的该环形凹部尤其重要。即，凹部然后确保工件被冲压部分完全地冲压穿过。例如，冲压部分比工件厚度短达0.04mm的量，优选地达0.02mm的量。
附图说明
28.根据本发明的功能元件或对应的部件组件的优选实施例可以从从属权利要求和参照附图的示例的下列描述中看出。它们示出：
29.图1是根据本发明的功能元件的实施例的透视图；
30.图2是根据图1的功能元件的端面视图；
31.图3是根据图1的功能元件的剖视图；
32.图4、图5是用于将根据图1的功能元件紧固到工件的紧固过程的实施例；以及
33.图6、图7是通过紧固过程获得的部件组件的部分截面。
具体实施方式
34.图1至图3以透视图、端面视图和两个剖面a、b中的剖视图示出了螺母元件10的实施例，图2中指示了螺母元件的位置。所述螺母元件10被构造成用于紧固到钣金零件。元件10具有形成用于与工件接触的凸缘的头部12。所述元件10包括沿着纵轴l的具有内螺纹16的中心孔14。根据本发明设计的元件也可以是螺栓元件，而不是孔14，在该螺栓元件中，螺
栓从头部12延伸。
35.元件10是自冲压压配合元件。元件从远离头部12的钣金接触面20延伸的冲压部分18获得其自冲压特性。冲压部分18具有周边冲压边缘22，该周边冲压边缘与将在下面描述的模具协作，以在接收部分18的钣金零件(或任何其它期望的工件)中冲孔。如特别地从图3中可以看到的，部分18的外壁24没有被布置成完全平行于纵轴l。只有直接与冲压边缘22相邻的部分22a平行延伸，以便稳定冲压边缘22。外壁24倾斜地布置在部分22a与钣金接触面20之间，使得它形成底切，通过该底切，元件10可以与元件10的压入方向相反地固定到钣金零件。即，由部分18产生的孔的边缘接合在该底切后面，因此将元件10固定到钣金零件。外壁24的倾斜部分与纵轴之间的角度为几度，特别地小于15
°
，优选小于10
°
。在制造元件10时，可以通过对最初为圆柱形的冲压部分进行轴向挤出来产生底切。
36.为了改善固定，元件10具有在周向上连续的边缘26，该边缘在径向外侧处界定接触面20。边缘26包括内壁28，该内壁面向冲压部分18，并且至少部分地倾斜于纵轴l布置。因此，壁28部分地同样形成底切，该底切增加了被压出的阻力或被拉出的阻力。内壁28的倾斜部分与纵轴之间的角度为几度。在本实施例中，该角度大于内壁24与纵轴l之间的角度。边缘26还具有轴向端面26a，该轴向端面平行于钣金接触面20布置，并在元件10的组装状态下布置在钣金零件上。
37.壁24、28和钣金接触面20限定了环形空间30，在元件10的压入时，钣金零件的材料被压入该环形空间中，据此产生了在轴向上作用的形状配合。通过多个特征产生在径向上起作用的形状配合，该形状配合通过作用在元件10上的扭矩来使元件10免于旋转。
38.一方面，边缘26的内壁28不具有环形设计，而是具有多边形设计。该形状通过在元件10的制造过程
‑
冷冲击过程期间在中间状态下将圆形的边缘26部分径向向内压入以简单的方式实现。在本实施例中，八个段s已经被向内推动。如果有必要，段s的数量可以适应于相应的应用。由于边缘26的处理，边缘的端面26a整体上具有多边形形状，即端面26a的内边缘和外边缘都具有多边形轮廓。
39.另一方面，肋32和基部34从内壁28或外壁24沿径向延伸到环形空间30中。它们均匀分布并在周向上偏移布置。由于它们的径向范围大于环形空间宽度的50％，它们在周向上重叠，使得产生特别好的防止旋转的安全性效果。
40.肋32与不径向向内倾斜的内壁部分连通(参见图3中的截面b)。这些部分在制造期间不被向内挤压，因为相邻的段s在此彼此邻接。
41.在本实施例中，从接触面20延伸的肋32的上边缘是圆形的，并且被设计成径向向内向下倾斜。在元件10的组装状态下，肋32深入到压入环形空间30中的钣金零件的材料中。
42.基部34各自具有基本上平坦的表面，该表面与钣金接触面20平行布置。也可以设想将该表面设计成部分或完全倾斜和/或弯曲。与肋32相比仅从接触面20沿轴向稍微延伸的基部34特别地引起位移，因此引起压入环形空间30中的工件的材料的有利分布，因此，它们不仅有助于提高防止旋转的安全性，而且有助于提高元件10到工件的连接的紧密性。
43.图4示出了将元件10紧固到未被预先冲压的钣金零件36的过程。将元件10布置在安装装置38的凹部中。冲压部分18从该凹部稍微突出。在紧固时，将钣金零件36布置在具有环形突出部42的模具40上。环形突出部42具有由模具边缘46界定的中心凹部44。当元件10通过安装装置38以足够大的力压靠到钣金零件36上时，边缘46和冲压边缘22最终引起废料
与钣金零件36的分离。废料被向下引导离开。
44.在安装过程中，环形突出部42具有以下效果：钣金零件36在围绕冲孔52的区域中被压入环形空间30中，如图5中可以清楚地看到的。钣金零件36的材料在这个方面被推到壁24、28的底切后面。钣金零件36的材料通过突出到环形空间30中的肋32并且特别是通过基部34分布，使得在元件10与钣金零件36之间产生可靠的形状配合，该形状配合在元件10的轴向和周向上都是有效的。元件10和钣金零件36现在形成部件组件50(参见图5)。
45.图6和图7各自以斜上方或斜下方的透视图示出了部件组件50。部分段被切掉以例示元件10与钣金零件36之间的连接性质。图6中的左侧截面的一部分延伸通过肋32(也如图2和图3中的截面b)，据此，其上边缘在径向上的向下倾斜是可识别的。
46.同样，从图6中可以看出，冲压部分18不从所产生的环形凹部48突出。因此，它不妨碍将另外工件紧密接触地紧固到钣金零件36。
47.在图7中，可以识别由环形突出部42产生的圆环形的环形凹部48。环形凹部48的几何基本形状实际上未被形成为与环形空间30的形状完全互补，因为环形空间在径向外侧由多边形内壁28界定。然而，由于提供防止旋转的安全性的特征32、34和环形突出部42的形状，钣金零件36的材料在环形空间30中充分良好地分布。
48.附图标记列表
49.10
ꢀꢀ
螺母元件
50.12
ꢀꢀ
头部
51.14
ꢀꢀ
孔
52.16
ꢀꢀ
内螺纹
53.18
ꢀꢀ
冲压部分
54.20
ꢀꢀ
钣金接触面
55.22
ꢀꢀ
冲压边缘
56.22a 冲压边缘部分
57.24
ꢀꢀ
外壁
58.26
ꢀꢀ
边缘
59.38a 端面
60.28
ꢀꢀ
内壁
61.30
ꢀꢀ
环形空间
62.32
ꢀꢀ
肋
63.34
ꢀꢀ
基部
64.36
ꢀꢀ
钣金零件
65.38
ꢀꢀ
安装装置
66.40
ꢀꢀ
模具
67.42
ꢀꢀ
环形突出部(nose)
68.44
ꢀꢀ
凹部
69.46
ꢀꢀ
模具边缘
70.48
ꢀꢀ
环形凹部
71.50
ꢀꢀ
部件组件
72.52
ꢀꢀ
孔
73.a、b 剖面
74.l
ꢀꢀꢀ
纵轴
75.s
ꢀꢀꢀ
段