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Dokumentenidentifikation DE10258238B4 10.11.2005
Titel Nagelschraube zur Herstellung einer Fügeverbindung, sowie ein Fügeverfahren unter Verwendung der Nagelschraube und eine Vorrichtung zur Durchführung des Fügeverfahrens
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Hornbostel, Norbert, 74177 Bad Friedrichshall, DE
DE-Anmeldedatum 13.12.2002
DE-Aktenzeichen 10258238
Offenlegungstag 15.07.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 10.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.11.2005
IPC-Hauptklasse F16B 25/10
IPC-Nebenklasse F16B 15/06   B25B 21/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Fügeverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Fügeverfahren nach Anspruch 9 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Fügeverfahrens nach Anspruch 16.

Eine aus der DE 44 45 812 C2 bekannte Nagelschraube umfasst einen Lochformabschnitt, der eine kegelige Nagelspitze mit einem unmittelbar oder mittelbar axial anschließenden unteren Zylinderschaft aufweist. Zudem ist ein axial an den unteren Zylinderschaft des Lochformabschnitts anschließender Gewindeformabschnitt vorgesehen, der ein selbstformendes bzw. selbstschneidendes Gewinde aufweist, dessen Kerndurchmesser dem Außendurchmesser des unteren Zylinderschaftes entspricht. An den Gewindeformabschnitt schließt sich axial ein oberer Zylinderschaft und ein Schraubenkopf an.

Zudem ist in obiger Patentschrift ein Verfahren zum Setzen der Nagelschraube beschrieben. Dabei wird durch bohrhammerartig erzeugte ständige Schlagbewegungen die Nagelspitze in ein Bauteil eingeschlagen, wobei durch den am Lochformabschnitt angeordneten unteren Zylinderschaft ein Loch im Bauteil geformt wird. Ist durch die mittels der Schlagbewegungen hervorgerufene Schlageinwirkung auf die Nagelschraube diese so weit in das Bauteil eingeschlagen, dass der Beginn des Gewindeformabschnitts der Oberseite des Fügepartners zugeordnet ist, wird die Nagelschraube mit einer Drehbewegung beaufschlagt, wobei beim anschließenden Gewindeform- oder -schneidvorgang die Schlageinwirkung in ihrer Stärke vermindert oder ganz ausgeschaltet wird. Diese Nagelschraube ist zum Anschrauben vorgelochter Anbauteile verwendbar. Die Herstellung einer Fügeverbindung mit mehreren übereinanderliegenden nicht vorgelochten Fügepartnern ist nicht vorgesehen, da diese entweder beim Verbinden im Gewindeformabschnitt nicht spaltfrei übereinanderliegen oder beim Eindrehen mit einem oberen Zylinderschaft mit einem Durchmesser entsprechend dem Gewindedurchmesser die geformten Gewinde zerstört werden würden.

Aus der DE 39 09 725 C1 ist eine Schraube bekannt, die einen Lochformabschnitt mit axial daran anschließendem Gewindeformabschnitt aufweist. Direkt anschließend an den Gewindeformabschnitt ist der Schraubenkopf angeordnet. An dem dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Ende der Nagelschraube ist am Lochformteil eine ballige Reibfläche ausgebildet, an die sich ein gewindefreies Zylinderteil axial anschließt. Zum Anbringen der Schraube an einen Fügepartner wird die Schraube in eine Drehbewegung versetzt und zugleich in Richtung Fügepartner mit Druck axial beaufschlagt. Aufgrund des Druckes der balligen Reibfläche auf den Fügepartner und der Drehbewegung wird die Ausbildung eines Loches im Fügepartner erreicht. Ist die Schraube so weit in den Fügepartner eingedreht, dass der Gewindeformabschnitt diesen erreicht, wird im Fügepartner ein Gewinde ausgebildet.

Weiter ist aus der GB 2305703 A eine Fügeverbindung mit einer als Nagelschraube ausgebildeten Holzschraube bekannt, bei der die Nagelschraube einen Lochformabschnitt mit einer kegeligen Nagelspitze aufweist, an die sich ein spitzenseitiger Zylinderschaft anschließt. An den spitzenseitigen Zylinderschaft schließt sich ein Gewindeabschnitt an, der ein selbstformendes bzw. selbstschneidendes Gewinde aufweist, dessen Kerndurchmesser dem Durchmesser des spitzenseitigen Zylinderschafts entspricht. Weiter schließt sich an den Gewindeabschnitt zu einem Schraubenkopf hin ein gewindefreier, kopfseitiger Zylinderschaft an, dessen Durchmesser kleiner als der Außendurchmesser des Gewindes ist. Hierbei handelt es sich um einen üblichen Aufbau einer Holzschraube.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Fügeverbindung zu schaffen, mittels der die aus einem Metallmaterial und/oder einem Kunststoffmaterial ausgebildeten Fügepartner mittels einer Nagelschraube spaltfrei und mit einem gegenseitigen Anpressdruck verbunden werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Fügeverbindung aufzuzeigen sowie eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen.

Diese Aufgaben werden gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. der Ansprüche 9 und 16.

Mit der erfindungsgemäßen Fügeverbindung ist somit der kopfseitige Zylinderschaft in wenigstens einen zum Schraubenkopf hin liegenden Fügepartner und der Gewindeabschnitt im dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Fügepartner aufgenommen. Beim Herstellen der Fügeverbindung ist zwar der Gewindeabschnitt durch das Metall- und/oder Kunststoffmaterial des oder der kopfseitig angrenzenden Fügepartner hindurchgedreht, jedoch dort nicht mehr wirksam, da in der fertigen Fügeverbindung im vorgeformten Loch der kopfseitige Zylinderschaft aufgenommen ist. Der Gewindeabschnitt ist zum Ende der Herstellung der Fügeverbindung nur noch im dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Fügepartner aufgenommen, so dass die aus einem Metallmaterial und/oder einem Kunststoffmaterial ausgebildeten Fügepartner zwischen dem Schraubenkopf und dem dem Schraubenkopf gegenüberliegenden äußeren Fügepartner unter Druck zusammenpressbar sind.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung gemäß Anspruch 2 kann der Außendurchmesser des oberen Zylinderschaftes dem Außendurchmesser des unteren Zylinderschaftes entsprechen. Damit ist das durch den unteren Zylinderschaft im oberen Fügepartner geformte Loch im Durchmesser exakt für den oberen Zylinderschaft geschaffen, so dass beim Einschrauben der Nagelschraube keine Aufweitung des Loches im oberen Fügepartner durch den oberen Zylinderschaft erfolgt. Dadurch ist eine genaue Passung des oberen Fügepartners zum oberen Zylinderschaft und somit in Querrichtung zur Nagelschraube gegeben. Grundsätzlich kann der Außendurchmesser des oberen Zylinderschaftes auch kleiner als der Außendurchmesser des unteren Zylinderschaftes sein, so dass nach dem Einschrauben der Nagelschraube vor dem Herstellen der endgültigen Klemmung zwischen den Fügepartnern eine Querjustierung des oberen Fügepartners möglich ist. Aufgrund der Gewindefreiheit des oberen Zylinderschaftes ist unabhängig davon, ob der Außendurchmesser des oberen Zylinderschaftes gleich oder kleiner als der Außendurchmesser des unteren Zylinderschaftes ist, eine Spaltfreiheit zwischen den Fügepartnern im eingeschraubten Zustand der Nagelschraube gegeben, da dadurch eine Abstoßung der Fügepartner beim Einschrauben der Nagelschraube verhindert wird.

Gemäß Anspruch 3 kann zwischen der Nagelspitze und dem unteren Zylinderschaft ein kegelstumpfförmiger Übergangsschaft als Bestandteil des Lochformabschnitts vorgesehen sein. Nach dem Einschlagen bzw. Durchschlagen der Nagelschraube in die Fügepartner ist in Abhängigkeit von der axialen Längendimensionierung des unteren Zylinderschaftes der Übergangsschaft im Bereich des unteren Fügepartners angeordnet. Beim anschließenden Schraubvorgang wird das Loch im unteren Fügepartner durch den Übergangsschaft langsam weiter aufgeweitet bis zu dem Außendurchmesser des unteren Zylinderschaftes, wodurch ein Fließen des Materials des unteren Fügepartners in Axialrichtung nach unten für die Ausbildung weiterer Gewindegänge vorteilhaft erfolgt.

Dementsprechend kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 4 der Übergangsschaft in Axialrichtung gesehen in etwa doppelt so lang wie der untere Zylinderschaft sein. Durch das Fließen des Materials des unteren Fügepartners in Axialrichtung nach unten ist somit die Ausbildung zusätzlicher Gewindegänge möglich, so dass auch bei dünnen Fügepartnern ausreichend Gewindegänge für eine Fügeverbindung mit hoher Festigkeit vorhanden sind.

Für eine einfache Ausbildung des Gewindes beim Einschrauben der Nagelschraube kann sich gemäß Anspruch 5 der Außendurchmesser des Gewindeformabschnitts vom Schraubenkopf in Richtung Nagelspitze gesehen verjüngen. Somit wird beim Einschrauben der Nagelschraube in den Fügepartnern zuerst ein Vorgewinde mit geringerem Außendurchmesser ausgeformt und erst mit den letzten Gewindegängen der Nagelschraube das dementsprechend gewünschte spaltfreie Gewinde in den Fügepartnern hergestellt.

In einer weiteren Ausführungsform kann gemäß Anspruch 6 an der Unterseite des Schraubenkopfes eine umlaufende Schrägfläche ausgebildet sein. Die Schräge verläuft im Querschnitt in Axialrichtung gesehen vom Schraubenkopfrand radial zur Nagelschraubenmitte hin in Richtung Nagelspitze zunehmend. Dadurch ist trotz etwaiger Einzüge, die an der Oberseite des oberen Fügepartners beim Einschlagen der Nagelschraube entstehen können, eine flächige Auflage der Unterseite des Schraubenkopfes am oberen Fügepartner gewährleistet. Damit ist an der Schraubstelle eine gute Abstützung und Dichtigkeit gegeben, wodurch vorteilhaft Korrosion im Bereich der Schraubstelle eingeschränkt werden kann.

Für die Aufnahme von etwaigen nach oben an die Oberseite des oberen Fügepartners während des Gewindeformvorganges geflossenen Materials des oberen Fügepartners kann gemäß Anspruch 7 an der Unterseite des Schraubenkopfes im Übergangsbereich zum oberen Zylinderschaft eine umlaufende Unterkopfnut ausgebildet sein, wodurch eine flächige Anlage der Unterseite des Schraubenkopfes am oberen Fügepartner gewährleistet ist. Die Kombination der umlaufenden Schrägfläche und der umlaufenden Unterkopfnut jeweils an der Unterseite des Schraubenkopfes gewährleistet im Bereich der Schraubstelle eine gute Bauteiloberfläche, so dass etwaige Nacharbeiten nach dem Setzen der Nagelschraube vorteilhaft entfallen können.

Für ein einfaches Anbringen der Nagelschraube an den Fügepartnern kann gemäß Anspruch 8 am Schraubenkopf ein Werkzeugansatz ausgebildet sein. Regelmäßig verwendete Ausführungen von Werkzeugansätzen sind dabei z. B. ein Innen- oder Außen-Sechskant oder eine Torxaufnahme.

Vorteilhaft bei dem Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung unter Verwendung der Nagelschraube ist, dass ohne Voroperationen an den Fügepartnern einfach und funktionssicher eine spaltfreie Verbindung der Fügepartner herstellbar ist. Beim Einschlagen der Nagelschraube mit einem einzigen Schlag mit hoher kinetischer Energie kann zwar eine Verformung des oberen Fügepartners entstehen, die aber zugleich zur Verringerung des Überstandes des Schraubenkopfes genutzt werden kann. Zudem gewährleistet eine Fügeverbindung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hohe quasi-statische und dynamische Festigkeit trotz kleiner Durchmesser der Nagelschraube.

Zur Herstellung der Fügeverbindung ist nur eine einseitige Zugänglichkeit von der Schraubseite des oberen Fügepartners her notwendig. Das Verfahren ist einfach automatisierbar, beispielsweise mittels eines Schraubroboters, so dass ein rationeller kostengünstiger Einsatz, insbesondere bei Großserien, gegeben ist.

In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zur Herstellung einer Fügeverbindung unter Verwendung der Nagelschraube kann gemäß Anspruch 10 die Schlagvorrichtung mit einer Haltevorrichtung gekoppelt sein, mit der die Nagelschraube gehalten und an der Schraubstelle zum Einschlagen positioniert wird. Durch die Koppelung der Schlagvorrichtung mit der Haltevorrichtung kann vorteilhaft eine separate Haltevorrichtung entfallen.

Beim Einschlagen bzw. Durchschlagen der Nagelschraube in die Fügepartner kann die Haltevorrichtung gemäß Anspruch 11 zusammen mit der Schlagvorrichtung in Schlagrichtung weggesteuert verlagert werden. Das Einschlagen erfolgt mit einem einzigen Schlag so, dass die Nagelschraube bis zum Beginn des Gewindeformabschnitts in die Fügepartner eingeschlagen wird. Mittels der Wegsteuerung, die z. B. durch einen Anschlag für die Haltevorrichtung und/oder die Schlagvorrichtung ausgeführt sein kann, ist ein genaues Einschlagen der Nagelschraube bis zum Beginn des Gewindeformabschnitts in die Fügepartner funktionssicher gewährleistet. Zudem dient die Wegsteuerung zur Erhöhung der Arbeitssicherheit, da damit ein mögliches Einklemmen z. B. einer Hand eines Werkers zwischen den oberen Fügepartner und der Haltevorrichtung weitgehend ausgeschlossen ist. Grundsätzlich kann die Haltevorrichtung nach der Positionierung an der Schraubstelle in Einschlagrichtung auch unbewegt bleiben und nur die Schlagvorrichtung zum Einschlagen der Nagelschraube relativ zur Haltevorrichtung verlagert werden.

Für eine weitere Reduzierung der benötigten Werkzeuge kann die Schlagvorrichtung gemäß Anspruch 12 zugleich als Schraubvorrichtung verwendet werden. Dazu ist die Schlagvorrichtung bzw. die Schraubvorrichtung dem Werkzeugansatz am Schraubenkopf angepasst, so dass die Schlagvorrichtung bzw. die Schraubvorrichtung sowohl zum Einschlagen als auch zum weiteren Einschrauben der Nagelschraube formschlüssig im Werkzeugansatz des Schraubenkopfes aufgenommen ist.

Gemäß Anspruch 13 kann beim Einschrauben der Nagelschraube das Metall- und/oder Kunststoffmaterial des unteren Fügepartners in Schraubrichtung zur Ausbildung weiterer Gewindegänge am unteren Fügepartner fließen. Dieser Vorgang wird durch den Übergangsschaft, der zwischen Nagelspitze und unterem Zylinderschaft angeordnet ist, vorteilhaft beeinflusst, da durch die kegelstumpfförmige Ausbildung des Übergangsschafts ein langsames und gezieltes Fließen des Blechmaterials in Schraubrichtung erhalten wird. Somit werden auch bei dünneren Fügepartnern, insbesondere auch bei dünneren unteren Fügepartnern ausreichend Gewindegänge für eine hohe Festigkeit der Fügeverbindung erhalten.

Für ein einfacheres Positionieren der Nagelschraube an der Schlagvorrichtung kann gemäß Anspruch 14 vor dem Einschlagen wenigstens ein Teilvakuum im Bereich der Schlagvorrichtung angelegt werden. Durch das Teilvakuum wird die Nagelschraube, vorzugsweise mittels der Haltevorrichtung geführt, zur Schlagvorrichtung hin verlagert und positioniert sich bei dementsprechender Auslegung des Werkzeugansatzes am Schraubenkopf der Nagelschraube ggf. von selbst an der Schlagvorrichtung.

Für eine etwaige Prozessüberwachung kann gemäß Anspruch 15 nach dem Durchschrauben der Nagelschraube diese mit einem vordefinierten Anzugsdrehmoment versehen werden. Damit ist einfach und funktionssicher eine Drehmomentüberwachung der Nagelschraube, die ggf. dokumentierbar ist, möglich.

Gemäß Anspruch 16 können an einer Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren eine Haltevorrichtung, eine Schlagvorrichtung und eine Schraubvorrichtung vorgesehen sein.

Vorteilhaft bei dieser Vorrichtung ist, dass mit nur einer einzigen Vorrichtung alle für das Verfahren notwendigen Arbeitsschritte, nämlich das Halten und Positionieren der Nagelschraube mittels der Haltevorrichtung, das Einschlagen bzw. das Durchschlagen der Nagelschraube durch die Fügepartner mittels der Schlagvorrichtung und das Einschrauben bzw. Durchschrauben der Nagelschraube mittels der Schraubvorrichtung, integriert sind, so dass kein zeitaufwendiger Wechsel separater Vorrichtungen erforderlich ist.

In einer konkreten Ausführung gemäß Anspruch 17 kann die Haltevorrichtung wenigstens zwei Greifbacken umfassen, die zwischen einer Offen-Stellung und einer Greif-Stellung verlagerbar sind. In der Greif-Stellung ist die Nagelschraube so haltbar, dass der Schraubenkopf von der Oberseite in Axialrichtung frei zugänglich ist. In der Offen-Stellung ist die in die Fügepartner eingeschlagene Nagelschraube in Schraubrichtung schraubbar.

In einer vorteilhaften Weiterbildung gemäß Anspruch 18 können die wenigstens zwei Greifbacken im Querschnitt in Axialrichtung gesehen L-förmig ausgebildet sein. In der Greif-Stellung hintergreift je ein L-Schenkel der wenigstens zwei Greifbacken den Schraubenkopf. Somit liegt der Schraubenkopf mit seiner Unterseite in der Greif-Stellung der wenigstens zwei Greifbacken auf diesen auf, wodurch ein einfaches Positionieren der Nagelschraube an der Schraubstelle mittels der Haltevorrichtung möglich ist.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung gemäß Anspruch 19 können die wenigstens zwei Greifbacken in der Greif-Stellung umlaufend topfartig an der Nagelschraube angreifen. Im Topfboden ist eine dem oberen Zylinderschaft angepasste Durchgangsöffnung vorgesehen, so dass der Schraubenkopf im Topfinneren aufnehmbar ist. Die zwei Greifbacken sind dabei jeweils in der Art einer Halbschale ausgebildet, die in der Greif-Stellung zusammen die Topfform bilden. Die Trennung zwischen den beiden Greifbacken verläuft in Axialrichtung. Die Nagelschraube ist somit in der Greif-Stellung der zwei Greifbacken sicher aufgenommen, so dass auch bei einer Positionierung und damit verbundenen Bewegung der Haltevorrichtung ein Verlieren bzw. Verrutschen der Nagelschraube aus der Haltevorrichtung ausgeschlossen ist. Die Dicke des Topfbodens ist dabei der axialen Länge und der Durchmesser der Durchgangsöffnung dem Durchmesser jeweils des oberen Zylinderschaftes angepasst. In der Greif-Stellung liegt die Unterseite des Schraubenkopfes auf dem Topfboden auf und der Gewindeformabschnitt und Lochformabschnitt der Nagelschraube ragen durch die Durchgangsöffnung hindurch heraus.

Für eine Unterstützung der Positionierung der Nagelschraube in der Haltevorrichtung gegenüber der Schlagvorrichtung kann gemäß Anspruch 20 das Topfinnere wenigstens mit einem Teilvakuum beaufschlagt werden. Die Schlagvorrichtung greift hierzu in Richtung Schraubenkopf in das Topfinnere ein, wobei der Schraubenkopf bzw. die komplette Nagelschraube aufgrund des angelegten Teilvakuums der Schlagvorrichtung so weit entgegenkommt, dass ein einfaches Positionieren der Schlagvorrichtung vorzugsweise im Werkzeugansatz des Schraubenkopfes funktionssicher gewährleistet ist.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß Anspruch 21 kann eine Andrück- und/oder Positioniervorrichtung unmittelbar oder mittelbar mit der Haltevorrichtung gekoppelt sein für ein Andrücken der Fügepartner und/oder als Positionierhilfe der Haltevorrichtung. Ein Andrücken der Fügepartner ist insbesondere vor dem Einschlagen der Nagelschraube für ein funktionssicheres und genaues Einschlagen der Nagelschraube vorteilhaft. Nach dem Positionieren der Vorrichtung an der Schraubstelle wird die Nagelschraube zusammen mit der Schlagvorrichtung relativ zur Haltevorrichtung in Richtung der Fügepartner verlagert und mit einem einzigen Schlag in die Fügepartner ein- bzw. durchgeschlagen. Die Andrück- und/oder Positioniervorrichtung drückt dabei von oben auf den oberen Fügepartner für ein Andrücken desselben.

In einer Weiterbildung gemäß Anspruch 22 kann an der Andrück- und/oder Positioniervorrichtung wenigstens eine Gleitrolle vorgesehen sein, die an den wenigstens einen oberen Fügepartner andrückbar ist. Bei der Positionierung der Vorrichtung an der Schraubstelle ist die Gleitrolle entlang dem oberen Fügepartner verfahrbar, so dass damit der Positioniervorgang erleichtert wird.

In einer konkreten Ausführungsform gemäß Anspruch 23 kann die Schlagvorrichtun einen Schlagstempelumfassen, der in Axialrichtung als Schlagrichtung zur Positionierung der Nagelschraube relativ zur Haltevorrichtung und zum Einschlagen der Nagelschraube zusammen mit oder relativ zu der Haltevorrichtung verlagert wird. Dabei wird bei einer ersten Ausführung der Vorrichtung der Schlagstempel relativ zu der vorzugsweise feststehenden Haltevorrichtung zur Positionierung und Ausrichtung der Nagelschraube in Axialrichtung Richtung Schraubenkopf abgesenkt, so dass die Nagelschraube in einer Art Klemmung zwischen den Greifbacken der Haltvorrichtung und dem Schlagstempel der Schlagvorrichtung funktionssicher für ein Einschlagen gehalten ist. Zum Einschlagen der Nagelschraube wird der Schlagstempel der Schlagvorrichtung zusammen mit der Haltevorrichtung in Richtung der Fügepartner verlagert, so dass der Lochformabschnitt in die Fügepartner eindringt und der Beginn des Gewindeformabschnittes an der Oberseite des oberen Fügepartners angeordnet ist. Bei einer alternativen Ausführung der Vorrichtung wird die Nagelschraube aufgrund des oberhalb des Schraubenkopfes angelegten Vakuums mit der Werkzeugaufnahme formschlüssig am Schlagstempel gehalten und zum Einschlagen zusammen mit diesem relativ zur Haltevorrichtung in Richtung der Fügepartner verlagert, so dass der Lochformabschnitt in die Fügepartner eindringt und der Beginn des Gewindeformabschnittes an der Oberseite des oberen Fügepartners angeordnet ist.

In einer konkreten Ausführung der Schraubvorrichtung gemäß Anspruch 24 kann diese einen Schraubbit umfassen, der dem Werkzeugansatz am Schraubenkopf angepasst ist. Je nach Ausführung des Werkzeugansatzes am Schraubenkopf ist der Schraubenbit beispielsweise als Imbus- oder als Torxbit ausgeführt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Anspruch 25 kann der Schraubbit zugleich als Schlagstempel der Schlagvorrichtung einsetzbar sein. Damit ist vorteilhaft kein Wechsel des Werkzeuges nach dem Einschlagen der Nagelschraube in die Fügepartner für ein weiteres Einschrauben der Nagelschraube in die Fügepartner erforderlich. Aufgrund der entsprechend angepassten Ausführung des Schraubbits bzw. des Schlagstempels an den Werkzeugansatz am Schraubenkopf ist sowohl beim Ein- bzw. Durchschlagen der Nagelschraube als auch beim Einschrauben eine formschlüssige Führung zwischen dem Schraubbit bzw. Schlagstempel und dem Werkzeugansatz am Schraubenkopf gegeben.

Gemäß Anspruch 26 ist eine Steuer- und Regeleinrichtung vorgesehen, mit der die Haltevorrichtung und/oder die Schlagvorrichtung und/oder die Schraubvorrichtung steuer- und regelbar sind. Mit der Steuer- und Regeleinrichtung sind alle Bewegungen und Arbeitsschritte der Vorrichtung, sowie die Verfahrensschritte unter Verwendung der Vorrichtung steuer- und regelbar, so dass eine Automatisierung einfach vollzogen werden kann.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht einer nenerungsgemäßen Vorrichtung mit einer nenerungsgemäßen Nagelschraube in einem ersten Verfahrensschritt,

2 eine schematische Schnittdarstellung der Vorrichtung und der Nagelschraube von 1 in einem zweiten Verfahrensschritt,

3 eine schematische Schnittdarstellung der Vorrichtung und der Nagelschraube von 1 in einem dritten Verfahrensschritt,

4 eine schematische Schnittdarstellung der Vorrichtung und der Nagelschraube von 1 in einem vierten Verfahrensschritt.

5 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Vorrichtung mit der Nagelschraube in einem ersten Verfahrensschritt, und

6 eine schematische Schnittdarstellung der Vorrichtung und der Nagelschraube von 5 in einem zweiten Verfahrensschritt.

In 1 ist schematisch eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und eine erfindungsgemäße Nagelschraube 2 dargestellt. Die Nagelschraube 2 umfasst einen Lochformabschnitt 3, der in Axialrichtung aneinander anschließend aus einer kegeligen Nagelspitze 4, einem kegelstumpfförmigen Übergangsschaft 5 und einem unteren Zylinderschaft 6 besteht. Der Übergangsschaft 5 ist in Axialrichtung gesehen etwa doppelt so lang wie der untere Zylinderschaft 6. Axial anschließend an den Lochformabschnitt 3 ist ein Gewindeformabschnitt 7 angeordnet, der ein selbstformendes bzw. selbstschneidendes Gewinde 8 aufweist. Der Kerndurchmesser des Gewindes 8 entspricht dem Außendurchmesser des unteren Zylinderschaftes 6. In Axialrichtung an den Gewindeformabschnitt 7 anschließend ist ein oberer Zylinderschaft 9 und ein Schraubenkopf 10 angeordnet. Der Außendurchmesser des oberen Zylinderschaftes 9 entspricht dem Außendurchmesser des unteren Zylinderschaftes 6. Der Außendurchmesser des Gewindeformabschnittes 7 bzw. des Gewindes 8 selbst verjüngt sich vom Schraubenkopf 10 in Richtung Nagelspitze 4. An der Unterseite des Schraubenkopfes 10 ist eine umlaufende Schrägfläche 11 ausgebildet, wobei die Schräge im Querschnitt in Axialrichtung gesehen vom Schraubenkopfrand 12 radial zur Nagelschraubenmitte hin in Richtung Nagelspitze zunehmend verläuft. Im Übergangsbereich von der Unterseite des Schraubenkopfes 10 zum oberen Zylinderschaft 9 ist eine umlaufende Unterkopfnut 13 ausgebildet. Am Schraubenkopf 10 ist ein Werkzeugansatz 14 angeordnet.

Die Nagelschraube 2 ist mittels einer Halteeinrichtung 15, die Bestandteil der Vorrichtung 1 ist, positioniert an einer Schraubstelle 16 gehalten. Die Haltevorrichtung 15 umfasst dabei zwei Greifbacken 17 und 18, die zwischen einer Offen-Stellung und einer Greif-Stellung verlagerbar sind. In 1 ist die Greif-Stellung der beiden Greifbacken 17 und 18 dargestellt. Die Greifbacken 17 und 18 sind im Querschnitt in Axialrichtung gesehen L-förmig ausgebildet, wobei sie jeweils halbschalenförmig ausgeführt sind, so dass die beiden Greifbacken 17 und 18 in der Greif-Stellung topfartig an der Nagelschraube 2 angreifen. Ein L-Schenkel 19 und 20 der Greifbacken 17 und 18 bildet dabei jeweils einen Teilbereich des Topfbodens, in dem eine dem oberen Zylinderschaft 9 angepasste Durchgangsöffnung 21 vorgesehen ist. Der Schraubenkopf 10 liegt in der Greif-Stellung der Greifbacken 17 und 18 auf den beiden L-Schenkeln 19 und 20 im Topfinneren 22 auf, der obere Zylinderschaft 9, der anschließende Gewindeformabschnitt 7 und der Lochformabschnitt 3 ragen durch die Durchgangsöffnung 21 aus der Haltevorrichtung 15 heraus.

Die Schraubstelle 16 ist an einem oberen Fügepartner 23 definiert, an der flächig anliegend ein unterer Fügepartner 24 positioniert gehalten ist.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird für ein Einschlagen bzw. Durchschlagen der Nagelschraube durch die beiden Fügepartner 23 und 24 ein Schlagstempel 25 in das Topfinnere 22 in Richtung Schraubenkopf 10 geführt. Dies ist mit dem Pfeil 26 in 1 eingezeichnet. Der Schlagstempel 25 ist dem Werkzeugansatz 14 am Schraubenkopf 10 angepasst, so dass dieser formschlüssig im Werkzeugansatz 14 aufnehmbar ist. Zur Unterstützung und Vereinfachung der Positionierung des Schlagstempels im Werkzeugansatz 14 des Schraubenkopfs 10 wird das Topfinnere 22 mit einem Teilvakuum beaufschlagt, so dass die Nagelschraube 2 in Richtung Schlagstempel 25 gezogen wird, was mit den Pfeilen 27 in 1 eingezeichnet ist. Die Haltevorrichtung 15 wird dabei positionsfest gehalten, so dass der Schlagstempel 25 relativ zur Haltevorrichtung 15 in Richtung Schraubenkopf 10 verlagert wird.

Sitzt der Schlagstempel 25 formschlüssig im Werkzeugansatz 14 des Schraubenkopfes 10, so wird in einem nächsten Verfahrensschritt mit einem einzigen Schlag die Haltevorrichtung 15 zusammen mit dem Schlagstempel 25 in Axialrichtung verlagert, so dass die Nagelschraube 2 an der Schraubstelle 16 in die Fügepartner 23, 24 ein- bzw. durchgeschlagen wird. Dies ist in 2 schematisch dargestellt, wobei die Schlagwirkung mit Pfeil 28 eingezeichnet ist. Das Einschlagen der Nagelschraube 2 ist z. B. mittels eines Anschlags (nicht dargestellt) wegbegrenzt, so dass nach dem Einschlagen der Beginn des Gewindeformabschnittes 7 an der Oberseite des oberen Fügepartners 23 angeordnet ist. Beim Einschlagen entsteht zwischen den beiden Fügepartnern 23 und 24 kein Spalt, da aufgrund der hohen kinetischen Energie der Schlageinwirkung 28 sich der obere Fügepartner 23 am unteren Fügepartner 24 abstützen kann. An der Unterseite des unteren Fügepartners 24 wird Material 29 nach unten hin verdrängt. An der Oberseite des oberen Fügepartners 23 ist eine Verformung 30 aufgrund der Schlageinwirkung 28 in Schlagrichtung zu erkennen, die für eine Verringerung des Überstandes des Schraubenkopfes 10 im eingeschraubten Zustand der Nagelschraube 2 genutzt werden kann. Durch das Einschlagen des Lochformeinschnitts 3 in die Fügepartner 23 und 24 ist an der Schraubstelle 16 ein dementsprechendes Loch für die Gewindeformung mittels dem Gewindeformabschnitt 7 ausgebildet. Die axialen Längen des unteren Zylinderschaftes 6 und des Übergangsschafts 5 sind so aufeinander und mit den Materialstärken der Fügepartner 23 und 24 abgestimmt, dass der Übergangsschaft 5 nach dem Einschlagen der Nagelschraube 2 im Bereich des unteren Fügepartners 24 aufgenommen ist.

Der in 3 schematisch dargestellte Verfahrensschritt zeigt die Greifbacken 17 und 18 der Haltevorrichtung 15 in der Offen-Stellung, so dass der Schraubenkopf 10 bzw. die Nagelschraube 2 in Axialrichtung frei verlagerbar ist. Mittels einem Schraubbit 31 wird die Nagelschraube 2 in die Fügepartner 23 und 24 unter Ausformung eines Gewindes in den Fügepartnern 23 und 24 eingeschraubt. Dies ist mit Pfeil 32 in 3 eingezeichnet. Der Übergangsschaft 5 lässt bei dem weiteren Einschrauben der Nagelschraube 2 das Material des unteren Fügepartners 4 im Bereich der Schraubstelle 16 weiter nach unten fließen, so dass in Axialrichtung mehr Gewindegänge ausbildbar sind. Der für das Gewinde notwendige Kerndurchmesser wird mit dem unteren Zylinderschaft 6 endgültig hergestellt. Um einen Werkzeugwechsel zu vermeiden, ist der Schraubbit 31 zugleich als Schlagstempel 25 einsetzbar. Der Schraubbit 31 bzw. der Schlagstempel 25 bilden zusammen mit der Haltevorrichtung 15 die Vorrichtung 1, mittels der sämtliche Verfahrensschritte durchführbar sind.

In 4 ist die Nagelschraube 2 vollständig bis zur Anlage der Unterseite des Schraubenkopfes 10 am oberen Fügepartner 23 für eine spaltfreie Verklemmung der Fügepartner 23 und 24 im Bereich der Schraubstelle 16 durchgeschraubt. Dabei sind der Gewindeformabschnitt 7 im unteren Fügepartner 24 und der obere Zylinderschaft 9 im oberen Fügepartner 23 aufgenommen. Aufgrund der Gewindefreiheit des oberen Zylinderschaftes 9 ist eine Abstoßung zwischen den geformten Gewinden in den beiden Fügepartnern 23 und 24 auszuschließen. Die Schrägfläche 11 des Schraubenkopfes 10 liegt an der Verformung 30 flächenbündig an, so dass eine gute Dichtigkeit an der Schraubstelle 16 gewährleistet ist. Etwaiges nach oben vom oberen Fügepartner 23 an der Schraubstelle 16 geflossenes Material bei der Gewindeausbildung im oberen Fügepartner 23 kann in der Unterkopfnut 13 aufgenommen werden.

In 5 ist schematisch eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung 1' in einem ersten Verfahrensschritt dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung 1' entspricht der oben beschriebenen Vorrichtung 1, so dass für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet sind. An den beiden Greifbacken 17 und 18 der Vorrichtung 1' ist eine Andrück- und/oder Positioniervorrichtung 33 angeordnet. Mittels Gleitrollen 34, die mit der Andrück- und/oder Positioniervorrichtung gekoppelt sind, ist ein Andrücken an den oberen Fügepartner 23 möglich. Durch das im Topfinneren 22 angelegte Vakuum, das mit den Pfeilen 27 in 5 eingezeichnet ist, wird die Nagelschraube 2 am Schraubbit 31 gehalten, so dass der Schraubbit 31 formschlüssig in den Werkzeugansatz 14 am Schraubenkopf 10 eingreift. Nach dem Positionieren der Vorrichtung 1' an der Schraubstelle 16, wofür die Vorrichtung auch aufgrund der Gleitrollen 34 entlang dem oberen Fügepartner 23 verfahren werden kann, wird die Nagelschraube 2 zusammen mit dem Schraubbit 31, der zugleich als Schlagstempel 25 eingesetzt wird relativ zur Haltevorrichtung 15 bzw. relativ zu den Greifbacken 17 und 18 verlagert und die Nagelschraube 2 in die Fügepartner 23 und 24 ein- bzw. durchgeschlagen. Die beiden L-Schenkel 19 und 20 der Greifbacken 17 und 18 sind so angeordnet, dass damit ein Anschlag für den Schraubenkopf 10 der Nagelschraube 2 gebildet ist, so dass die Nagelschraube 2 bis zum Beginn des Gewindeformabschnitts 7 eingeschlagen ist. Die Durchgangsöffnung 21 ist dabei so dimensioniert, dass der Außendurchmesser des Gewindes 8 kleiner als die Durchgangsöffnung 21 ist.

Aufgrund der mit dem Pfeil 28 eingezeichneten Schlagwirkung wird die Nagelschraube 2 bis zum Beginn des Gewindeformabschnitts 7 eingeschlagen, wobei der Schraubenkopf 10 auf den L-Schenkeln 19 und 20, die als Anschlag dienen, aufliegt. Dieser Verfahrensschritt ist in 6 schematisch dargestellt. Im Anschluss daran werden die Greifbacken 17 und 18 von der Nagelschraube 2 entfernt und die Nagelschraube 2 wird mittels dem Schraubbit 31 vollständig eingeschraubt. Dies entspricht den oben beschriebenen Verfahrensschritten, so dass hier darauf nicht mehr näher eingegangen wird.

Somit ist eine Fügeverbindung mit einer hohen quasistatischen und dynamischen Festigkeit geschaffen, die einfach und ohne Voroperationen an den Fügepartnern 23 und 24 mittels der Vorrichtung 1 oder 1' und dem nenerungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.


Anspruch[de]
  1. Fügeverbindung

    – mit wenigstens zwei übereinanderliegenden Fügepartnern und mit wenigstens einer Nagelschraube, wobei

    – die Nagelschraube einen Lochformabschnitt aufweist, mit einer kegeligen Nagelspitze, an die sich ein spitzenseitiger Zylinderschaft anschließt,

    – an den spitzenseitigen Zylinderschaft ein Gewindeabschnitt anschließt, der ein selbstformendes bzw. selbstschneidendes Gewinde aufweist, dessen Kerndurchmesser dem Durchmesser des spitzenseitigen Zylinderschaftes entspricht, und

    – an den Gewindeabschnitt zu einem Schraubenkopf hin ein gewindefreier, kopfseitiger Zylinderschaft anschließt, dessen Durchmesser kleiner als der Außendurchmesser des Gewindes ist,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass die axiale Länge des kopfseitigen Zylinderschafts der Materialstärke des wenigstens einen zum Schraubenkopf hin liegenden Fügepartners entspricht und damit in der Fügeverbindung der kopfseitige Zylinderschaft im wenigstens einen zum Schraubenkopf hin liegenden Fügepartner und der Gewindeabschnitt im dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Fügepartner aufgenommen sind, wobei die Fügepartner aus einem Metallmaterial und/oder einem Kunststoffmaterial ausgebildet sind.
  2. Fügeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des kopfseitigen Zylinderschaftes (9) dem Durchmesser des spitzenseitigen Zylinderschaftes (6) entspricht.
  3. Fügeverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Nagelspitze (4) und dem spitzenseitigen Zylinderschaft (6) ein kegelstumpfförmiger Übergangsschaft (5) vorgesehen ist.
  4. Fügeverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsschaft (5) in Axialrichtung gesehen in etwa doppelt so lang ist wie der spitzenseitige Zylinderschaft (6).
  5. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Außendurchmesser des Gewindeabschnitts (7) vom Schraubenkopf (10) in Richtung Nagelspitze (4) gesehen verjüngt.
  6. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite des Schraubenkopfes (10) eine umlaufende Schrägfläche (11) ausgebildet ist dergestalt, dass die Schräge im Querschnitt in Axialrichtung gesehen vom Schraubenkopfrand (12) radial zur Nagelschraubenmitte hin in Richtung Nagelspitze (4) zunehmend verläuft.
  7. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite des Schraubenkopfes (10) im Übergangsbereich zum kopfseitigen Zylinderschaft (9) eine umlaufende Unterkopfnut (13) ausgebildet ist.
  8. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Schraubenkopf (10) ein Werkzeugansatz (14) ausgebildet ist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

    – dass wenigstens zwei zu verbindende Fügepartner (23, 24) an der Stelle (16) der Fügeverbindung flächig aneinanderliegend positioniert gehalten werden,

    – dass die Nagelschraube (2) von der Kopfseite her mittels einer Schlagvorrichtung (25) mit einem einzigen Schlag in die Fügepartner (23, 24) eingeschlagen wird dergestalt, dass der Beginn des Gewindeabschnitts (7) an der der Kopfseite zugewandten Oberseite des Fügepartners (23) liegt, und dass der Lochformabschnitt (3) in seiner axialen Länge so dimensioniert ist, dass wenigstens die Nagelspitze (4) durch alle Fügepartner (23, 24) durchgeschlagen ist

    – dass die Nagelschraube (2) mittels einer Schraubvorrichtung (31) unter Ausbildung der Gewinde in die Fügepartner (23, 24) eingeschraubt wird, und

    – dass die Nagelschraube (2) mittels der Schraubvorrichtung (31) bis zur Anlage der Unterseite des Schraubenkopfes (10) am kopfseitigen Fügepartner (23) für eine spaltfreie Verklemmung der Fügepartner (23, 24) im Bereich der Schraubstelle (16) durchgeschraubt wird dergestalt, dass der Gewindeabschnitt (7) im dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Fügepartner (24) und der kopfseitige Zylinderschaft (9) im wenigstens einen kopfseitigen Fügepartner (23) aufgenommen sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagvorrichtung (25) mit einer Haltevorrichtung (15) gekoppelt ist, mit der die Nagelschraube (2) gehalten und an der Schraubstelle (16) zum Einschlagen positioniert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (15) beim Einschlagen der Nagelschraube (2) zusammen mit der Schlagvorrichtung (25) in Schlagrichtung weggesteuert verlagert wird dergestalt, dass die Nagelschraube (2) bis zum Beginn des Gewindeabschnitts (7) in die Fügepartner (23, 24) eingeschlagen wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagvorrichtung (25) zugleich als Schraubvorrichtung (31) verwendet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschrauben der Nagelschraube (2) das Metall- und/oder Kunststoffmaterial des dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Fügepartners (24) unter Ausbildung weiterer Gewindegänge in Schraubrichtung fließt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung der Positionierung der Nagelschraube (2) an der Schlagvorrichtung (25) vor dem Einschlagen wenigstens ein Teilvakuum im Bereich der Schlagvorrichtung (25) angelegt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Durchschrauben der Nagelschraube (2) diese mit einem vordefinierten Anzugsdrehmoment versehen wird.
  16. Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach Anspruch 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an der Vorrichtung (1) eine Haltevorrichtung (15), eine Schlagvorrichtung (25) und eine Schraubvorrichtung (31) vorgesehen sind.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (15) wenigstens zwei Greifbacken (17, 18) umfasst, die zwischen einer Offen-Stellung und einer Greif-Stellung verlagerbar sind dergestalt, dass in der Greif-Stellung die Nagelschraube (2) so haltbar ist, dass der Schraubenkopf (10) von der Oberseite in Axialrichtung frei zugänglich ist und dass in der Offen-Stellung die in die Fügepartner (23, 24) eingeschlagene Nagelschraube (2) in Schraubrichtung schraubbar ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Greifbacken (17, 18) im Querschnitt in Axialrichtung gesehen L-förmig ausgebildet sind dergestalt, dass je ein L-Schenkel (19, 20) in der Greif-Stellung den Schraubenkopf (10) hintergreift.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Greifbacken (17, 18) in der Greif-Stellung umlaufend topfartig an der Nagelschraube (2) angreifen dergestalt, dass im Topfboden eine dem oberen Zylinderschaft (9) angepasste Durchgangsöffnung (21) vorgesehen ist, so dass der Schraubenkopf (10) im Topfinneren (22) aufnehmbar ist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Topfinnere (22) wenigstens mit einem Teilvakuum beaufschlagbar ist für eine Unterstützung der Positionierung der Nagelschraube (2) in der Haltevorrichtung (15) gegenüber der Schlagvorrichtung (25).
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Andrück- und/oder Positioniervorrichtung unmittelbar oder mittelbar mit der Haltevorrichtung gekoppelt ist für ein Andrücken der Fügepartner insbesondere vor dem Einschlagen der Nagelschraube und/oder als Positionierhilfe der Haltevorrichtung.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass an der Andrück- und/oder Positioniervorrichtung wenigstens eine Gleitrolle vorgesehen ist, die an den wenigstens einen kopfseitigen Fügepartner andrückbar ist.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagvorrichtung einen Schlagstempel (25) umfasst, der in Axialrichtung als Schlagrichtung zur Positionierung der Nagelschraube (2) relativ zur Haltevorrichtung (15) und zum Einschlagen der Nagelschraube (2) zusammen mit oder relativ zu der Haltevorrichtung (15) verlagerbar ist.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubvorrichtung einen Schraubbit (31) umfasst, der einem Werkzeugansatz (14) am Schraubenkopf (10) angepasst ist.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubbit (31) zugleich als Schlagstempel (25) der Schlagvorrichtung einsetzbar ist.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Regeleinrichtung vorgesehen ist, mit der die Haltvorrichtung (15) und/oder die Schlagvorrichtung (25) und/oder die Schraubvorrichtung (31) steuer- und regelbar sind.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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