KR20200091902A - 적어도 2개의 부품을 해제 불가능한 방식으로 연결하기 위한 연결 부재 및 복합 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연결 부재(10)가 연결 부재(10)의 종방향 축선(10.1)을 중심으로 회전될 때, 마찰 용접에 의해 적어도 2개의 부품(12.1, 12.2)을 해제 불가능하게 연결하기 위한 연결 부재(10)에 관한 것이다. 연결 부재(10)는, - 적어도 하나의 부품(12.1)을 침투하기 위해 스템(10.2-10.4)의 자유 단부에 스템면(10.2)을 가지며 종방향 축선(10.1)을 따라 형성되는 스템(10.2-10.4); 및 - 종방향 축선(10.1)을 중심으로 하는 토크를 회전 공구로부터 스템(10.2-10.4)으로 전달하기 위해 스템(10.2-10.4)에 연결되는 헤드(10.5)를 포함하며, 스템면(10.2)은 뭉툭한 형상을 갖는 볼록 엔벨로프(10.22)를 구비한 스템 단부면(10.21)을 갖는다.

Description

적어도 2개의 부품을 해제 불가능한 방식으로 연결하기 위한 연결 부재 및 복합 장치
본 발명은 마찰 용접에 의해 적어도 두 개의 부품을 해제 불가능하게 결합하기 위한 연결 부재 및 마찰 용접에 의해 적어도 두 개의 부품을 연결하는 적어도 하나의 부재를 갖는 복합 장치에 관한 것이다.
금속 재료 또는 부품의 자동 결합 기술에서, 처리 시간 또는 처리 속도는 필수 생산성 및 비용 인자를 나타낸다. 따라서, 더 짧은 처리 시간에 대한 요구가 널리 퍼져 있다. 그러나, 이러한 요구는 마찰 용접에 의해 결합될 때 결합 부재에 대한 높은 축방향 힘과 같은 처리 시간의 증가를 초래하는 기술적 경계 조건 및 결합 부재가 회전될 때 금속 칩의 수량 감소에 대한 요구와 충돌할 수 있다.
독일 특허공개공보 DE 10 2009 006 775 A1호로부터, 서로 부착된 2개의 공작물을 결합하기 위한 결합 부재가 공지되어 있다. 결합 부재의 침투 섹션은 환형 에지, 절삭 에지 또는 갭-형상 리세스와 같이, 결합 부재를 제1 공작물 내로 침투하는 것을 용이하게 하도록 의도된 형상을 갖는 구형 돌출부를 갖는다.
침투 섹션의 돌출부 형성은 가공물이 가공되게 한다. 결합 부재를 회전시킬 때 금속 칩의 양의 증가 및 생성된 연결부의 불충분한 강도와 같은 문제가 이러한 처리와 관련된다.
독일 특허공개공보 DE 10 2010 017 550 A1호는 적어도 2개의 플레이트-형 부품의 마찰 용접된 연결부를 생성하기 위한 연결 부재를 개시하고 있다. 연결 부재는 나사산-형상의 비-원형 프로파일을 가지며, 이를 통해 변위된 재료가 목표된 방식으로 멀어지도록 유도된다.
연결 부재가 회전될 때 금속 칩의 양의 증가 및 연결 부재에 적용되고 요구되는 힘의 증가에 필요한 처리 시간의 증가와 같은 문제가 이러한 처리와 관련된다.
따라서, 본 발명의 목적은 연결 부재 또는 결합 부재와 관련하여 전술한 단점을 제거하거나 적어도 부분적으로 제거하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 마찰 용접에 의해 적어도 2개의 부품을 해제 불가능하게 결합하기 위한 연결 부재 및 적어도 하나의 연결 부재를 갖는 복합 장치를 제공하는 것이고, 이에 의해, 생성된 연결의 강도가 개선되고 및/또는 연결의 생성이 보다 효율적으로 되고, 바람직하게는 재료 낭비 및/또는 연결로 인한 처리 시간의 감소가 달성된다.
상기 목적은 독립 청구항에 의해 해결된다. 이에 따라, 상기 목적은 청구항 제1항의 특징부에 있는 마찰 용접에 의해 적어도 2개의 부품을 해제 불가능하게 결합하기 위한 연결 부재에 의해 그리고 청구항 제10항의 특징부에 있는 마찰 용접에 의해 적어도 2개의 부품을 연결하는 적어도 하나의 연결 부재를 갖는 복합 장치에 의해 해결된다. 본 발명의 다른 특징 및 세부 사항은 종속 청구항, 상세한 설명 및 도면에 위치한다. 연결 부재와 관련하여 설명된 특징 및 세부 사항은 또한 복합 장치와 관련하여 유효하며, 그 반대도 마찬가지이므로, 본 개시와 관련하여 본 발명의 개별 양태을 참조하거나 항상 참조할 수 있다.
제1 양태에 따르면, 상기 목적은, 연결 부재가 연결 부재의 종방향 축선을 중심으로 회전될 때, 마찰 용접에 의해 적어도 2개의, 특히, 플레이트-형상 부품의 해제 불가능한 연결을 위한 연결 부재에 의해 해결된다. 연결은 결합으로 이해되고, 연결 부재는 결합 부재 또는 마찰-용접된 연결 부재이다.
연결 부재는,
- 적어도 하나의 부품을 침투하기 위해 스템의 자유 단부에 스템면을 가지며 종방향 축선을 따라 형성된 스템, 및
- 종방향 축선을 중심으로 하는 회전 토크를 회전 공구로부터 샤프트로 전달하기 위해 스템에 연결된 헤드를 포함한다.
스템면은 볼록한 엔벨로프 및/또는 볼록한 형상을 갖는 외부 영역을 향하는 스템 단부면을 갖는다. 엔벨로프는 뭉툭한 형상이거나 또는 샤프트 단부면은 뭉툭한 형상을 갖는다.
본원 명세서에, "스템면" 및 "스템 단부면"이라는 용어는 스템면 또는 스템 단부면의 형상과 관련하여 동일하게 사용되거나 동일한 대상을 나타낸다. 그러나, 스템면의 전방은 스템 단부면과 달리 문제의 대상체의 내부 영역을 지정할 수 있다. 스템 단부면의 코스를 참조하면, 공간적 2D 코스가 지정된다.
스템 단부면의 엔벨로프는 스템 단부면을 둘러싸고 그 지점이 스템 단부면의 상대 최대값을 연결하는 표면으로 이해되어야 한다. 스템 단부면의 상대 최대값은 바람직하게는 스템 단부면의 산 형상 또는 마운드 형상의 높이이며, 스템 단부면은 복수의 상대 최대값을 가질 수 있다. 상대 최대값은 바람직하게는 2D 보간 표면의 지지 점이고, 바람직하게는 보간은 선형이거나 스플라인에 의해 형성된다. 2D 보간 표면은 바람직하게는 상대 최대값 또는 지지 점을 서로 연결하여 엔벨로프를 형성할 수 있다.
엔벨로프가 엔벨로프를 통한 단면 평면에서 볼록 함수로 표현될 수 있는 경우에, 스템 단부면의 엔벨로프는 볼록하다. 섹션 평면은 바람직하게는 종방향 축선을 포함하는 종단면 평면 또는 종방향 축선에 수직인 섹션 평면이다. 함수의 전체 범위에 대해 다음 조건이 충족되면, 함수가 볼록하다:
- 함수 그래프에서 임의의 두 점 사이의 라인 세그먼트가 그래프 위에, 즉, 스템 전방 또는 엔벨로프의 내부 영역에 있다.
- 함수의 2차 미분 값이 0보다 크다.
표면, 바람직하게는 스템 단부면 또는 그 엔벨로프는 뾰족하지 않거나 또는 각이 지지 않거나 또는 날카롭지 않은 경우 뭉툭한 형상을 갖는다. 바람직하게는, 종방향 또는 횡단면 평면에서 표면이 연속 함수로 표현되거나 표현될 수 있는 경우에, 표면은 뭉툭한 형상을 가지며, 이의 1차 미분은 함수의 에지들 사이에서 연속적이다.
뭉툭한 형상을 갖는 표면은 뭉툭한 표면으로 간주될 수 있다. 환형 에지, 절삭 에지 또는 갭-형상 리세스를 갖는 돌출부를 구비한 스템 단부면은 각각 각이 지거나 날카로운 것으로 간주될 수 있고, 뭉툭한 형상을 갖지 않는다. 특히, 이러한 스템 단부면의 엔벨로프는 뭉툭하지 않다.
제2 양태에 따르면, 상기 목적은 적어도 2개의 부품 및 제1 양태에 따른 적어도 하나의 연결 부재를 포함하는 복합 장치에 의해 해결되며, 복합 장치에 의해 부품들은 마찰 용접에 의해 분리 불가능하게 연결된다.
부품들은 바람직하게는 플레이트-형상 및/또는 시트 금속 형상이다. 그러나, 부품들은 다른 구성일 수도 있다. 예를 들어, 연결 부재에 의해 먼저 침투되는 제1 부품은 플레이트-형상일 수 있다. 위에 제1 부품이 평평하게 배치되고 연결 부재에 의해 결합되는 제2 부품은 직육면체 또는 입방체-형상일 수 있거나 또는 일부 영역에서 제1 부품이 놓일 수 있는 평평한 표면을 갖는 경우에 임의의 형상일 수 있다.
연결을 생성할 때, 연결 부재는 먼저 회전 및 축선 방향 압력에 의해 적어도 하나의 제1 부품으로 회전되고, 이를 통해 이동되며, 침투하지 않고 후속 부품으로 가압될 수 있다. 비틀림 및 만입에 의해 발생된 마찰은 연결 부재 및 접촉된 주변 부품을 뜨겁게 하여 부품 재료를 변형 가능하게 하고, 전진 연결 부재에 의해 변위되도록 하여서, 부품들이 서로 접촉된 상태로 유지되는 동안에 연결 부재가 대응하는 부품에 연결된다.
부품들과 접촉, 마찰, 연화, 변형 및 침투하는 연결 부재 표면의 형성, 특히, 침투 스템 영역의 스템 단부면 및/또는 외부 스템 표면의 형성은 연결 부재와 부품들 사이의 마찰을 발생시키고, 이에 따라 마찰 용접의 효율에 크게 책임이 있다. 스템 단부면이 i) 둔각 코스를 갖는 볼록한 형상 및/또는 ii) 둔각 코스를 갖는 볼록한 엔벨로프를 갖는 특징은 유리하게는,
- 연결 생성 중에 마찰을 증가시키는 표면 구조 또는 표면 형상으로 인해, 스템 단부면과 용접될 부품 사이의 접촉 중에 더 높은 열 입력이 발생하여 공정 시간을 단축시키고,
- 연결 부재가 투입될 때 에지, 특히 날카로운 에지 또는 팁의 부재가 칩의 발생을 감소시키거나 방지하기 때문에, 연결을 생성할 때 발생하는 재료 폐기물을 감소시키며, 및
- 변위된 부품 재료가 플라잉 칩 형태가 아닌 항복 응력이 감소된 재료 형태로 배출되고, 냉각 후에 연결 부재와 부품들 사이의 연결을 강화시키므로 생성된 연결 강도를 개선시킨다.
본 발명의 우선적인 추가 개발에서, 스템 단부면은 마찰-향상 부재를 갖는 구형 쉘 세그먼트로부터 벗어난 표면 구조를 갖는 뭉툭한 표면 형상을 갖는다. 스템 단부면은 바람직하게는 다음 마찰-향상 부재 중 적어도 하나를 포함한다:
- 스템 단부면은 예를 들어 산, 언덕 및 계곡의 형태이며, 균일하게 또는 가능하게는 불균일하게 분포되는 복수의 리세스 및 돌출부를 갖는다.
- 스템 단부면은 골프 공처럼 구성된다. 골프 공과 같은 용어는 바람직하게는 구형 쉘 세그먼트로서 형성된 엔벨로프를 가질 수 있는 함몰부 및 돌출부를 갖는 표면 구조(골프 공 구조)를 기술한다. 함몰부 및 돌출부는 예를 들어, 주기적으로 균일하게 형성 및/또는 재발될 수 있다.
- 스템 단부면은 종단면 평면 및/또는 횡단면 평면에서 물결 모양의 윤곽을 갖는다. 물결 모양의 윤곽은 정현파 형태 또는 절단 또는 뭉툭한 코너를 갖는 톱니 형상(삼각형) 또는 절단 또는 뭉툭한 코너를 갖는 직사각형 형상일 수 있다.
기술된 표면 구조 또는 표면 형상은 스템 단부면과 부품들 사이의 마찰 또는 마찰 계수를 증가시킨다. 증가된 마찰은 결국 접촉 표면 또는 마찰 표면에서 열 발생을 증가시키고 및/또는 더 강한 마모 효과를 유발하고, 유리하게는 연결 부재의 침투를 용이하게 하며, 마찰 용접의 효율을 증가시키고, 예컨대, 칩과 같은 재료 폐기물을 생성하지 않고 처리 시간 또는 사이클 시간을 감소시킨다.
본 발명의 우선적인 추가 개발에서, 스템 단부면의 엔벨로프는 종단면 평면에서 원형 또는 원호형 윤곽을 갖는다. 이는 연결 부재가 조여질 때 에지, 특히, 날카로운 에지 또는 점의 부재가 칩의 생성을 감소시키거나 피하기 때문에 연결의 제조 중에 생성되는 재료 폐기물의 양을 감소시키는 이점을 갖는다.
전체적으로, 스템 단부면 및 형성 영역의 외부 표면을 포함하는 연결 부재의 침투 부분의 원형 또는 뭉툭한 형상 및 이들 부분에 제공된 마찰 향상-부재는 침투 부분의 엉킴을 피하면서 마찰 증가 및 결과적으로 마찰 용접의 증가된 효율이 달성되는 것을 보장한다.
본 발명의 다른 우선적인 추가 개발에 따르면, 스템 단부면의 엔벨로프는 종방향 축선을 중심으로 회전 대칭이고 및/또는 횡단면 평면에서 원형 윤곽을 갖는다. 이는 유리하게는 생산을 용이하게 하고 생산 비용을 감소시킬 수 있다(회전 대칭 부재는 비-회전 대칭 부재보다 제조하기 쉽고 저렴하다).
본 발명의 다른 우선적인 추가 실시예에서, 스템 단부면의 엔벨로프 종방향 평면에서 원형 또는 포물선 또는 타원형의 윤곽을 갖는다. 회전 대칭 형상과 조합하여, 이러한 윤곽은 마찰이 양호하고 동시에 재료 폐기물을 피하는 이점이 있으며, 동시에 생산이 용이하고 생산 비용이 낮다.
본 발명의 우선적인 추가 실시예에 따르면, 스템은 스템의 자유 단부로부터 시작하는 몰드 섹션 및 스템의 헤드로부터 시작하는 유지 섹션을 포함하는 적어도 2개의 섹션을 포함한다. 유지 섹션은 헤드를 유지하는 스템의 상부 부분을 형성하고, 몰드 섹션은 스템면에 인접한 스템의 하부 부분을 형성하고, 스템면과 함께 연결 부재와 부품들 사이의 증가된 마찰의 생성에 기여하여, 증가된 마찰 용접 효과에 기여한다.
본 발명의 우선적인 추가 개발에서, 몰드 섹션은 횡단면 평면에서 둥근 코너를 갖는 다각형, 즉 다각형 또는 다각형의 윤곽을 가지며, 바람직하게는 코너 사이의 거리는 i) 마찰 용접 동안 균일한 회전 움직임을 유발하기 위해 동일한 길이이고, 및/또는 ii) 연결 부재와 부품들 사이에 마찰을 증가시키면서 동시에 폐기물을 피하기 위해 일부 영역에서 직선 및/또는 만곡되어 있다.
본 발명의 다른 우선적인 추가 실시예에 따르면, 몰드 섹션의 다각형-형상의 윤곽은 적어도 3개, 4개 또는 6개의 코너를 갖는다. 이는 연결 부재와 부품들 사이의 마찰을 증가시키면서 동시에 폐기물을 줄이고 연결 부재의 생산 비용을 절감한다는 점에서 이점이 있다.
본 발명의 우선적인 추가 실시예에서, 몰드 섹션의 외부 표면은 특정 영역에서 평평하고, 바람직하게는 몰드 섹션의 외부 표면은 적어도 3개의 평평하거나 대략 평평한 표면 섹션을 포함한다. 대략 평평한 형상은 평평한 형상으로부터 약간 벗어나는 약간 만곡된 형상으로 이해되어야 한다. 이는 유리하게는 외부 표면 또는 접촉 표면의 뭉툭한 코스를 초래하고, 동시에 연결 부재와 부품들 사이의 마찰을 증가시키면서 폐기물을 피할 수 있다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예의 경우, 몰드 섹션은 원통형 또는 대략 원통형 형상이다. 이와 관련하여, 원통형 형태는 종단면 평면에서 몰드 섹션의 윤곽이 종방향 축선에 평행하거나 대략 평행하게 연장되는 형태로 이해되어야 하며, 몰드 섹션이 반드시 종방향 축선에 대해 회전 대칭일 필요는 없다.
또한, 본 발명의 바람직한 추가 실시예에 따르면, 몰드 섹션은 특정 영역에서 원호형 또는 직선인 단면 평면의 윤곽을 갖는다. 바람직하게는, 단면 평면의 몰드 섹션은 영역에서 교대로 직선 및 원호-형상인 윤곽을 갖는다. 그럼에도 불구하고 원형 형상으로부터 벗어나는 큰 원형 형상은 유리하게는 마찰을 증가시키면서 동시에 연결의 제조 중에 생성되는 재료 폐기물을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예의 경우, 몰드 섹션의 외부 표면은 종방향 축선을 중심으로 원주 방향으로 프로파일되고, 특히, 반경 방향 홈, 노치 또는 함몰부를 나타낸다. 이러한 프로파일은 원주 윤곽의 대응하는 반경 방향 변화에 의해 단면 평면에 특징이 있다. 임의의 종류의 리세스를 포함하는 프로파일링은 바람직하게는 단면 평면에서 둥근 형상 또는 윤곽을 갖는다. 그럼에도 불구하고 마찰-향상 부재를 갖는 큰 원형 형상은 유리하게는 마찰을 증가시키고 동시에 연결을 생성할 때 발생하는 재료 폐기물의 양을 감소시킬 수 있다.
대안적으로, 몰드 섹션의 외부 표면은 바람직하게는 종향향 축선을 중심으로 원주 방향에서 매끄럽다. 이러한 방식으로, 연결의 제조 중에 생성된 재료 폐기물의 추가적인 감소 및/또는 몰드 섹션의 외부 표면에 걸쳐 균일한 힘의 전달 및 짧은 사이클 시간을 갖는 신뢰성 있는 마찰 용접된 연결이 달성될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 추가 실시예에 따르면, 몰드 섹션의 외부 표면은 삼차 다각형(tripolygonal) 형상이다. 여기서 삼차 다각형은 특히, 몰드 섹션의 외부 표면이 3개의 다각형 표면, 바람직하게는 4개의 코너 표면 또는 직사각형 표면을 포함한다는 것을 의미한다. 이는 제1 부품에서의 롤링 및 이에 따라, 연결 부재의 마찰 열 증가 및 스크류-인 거동 개선에 유리하다. 또한, 팁, 즉, 스템 단부면을 제외한 연결 부재가 전기 도금되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예에서, 유지 섹션의 외부 표면은 원통형 또는 대략 원통형 또는 원뿔형이고 특히, 매끄럽다. 이는 연결 부재의 나사 결합 또는 침투 및 가소화된 부품 재료의 전달을 용이하게 하기 위해 유리하다.
또한, 본 발명의 바람직한 추가 실시예에 따르면, i) 스템면과 몰드 섹션의 외부 표면 사이 및/또는 ii) 몰드 섹션과 유지 섹션 사이의 전이부는 둥글다. 이로 인해 추가적으로 부품들로 침투하는 연결 부재의 섹션이 둥글거나 뭉툭하게 형성된다. 이는 스템 외부면의 관련 영역에 에지 또는 점이 없도록 하는데 유리하다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예에서, 스템을 향하는 헤드의 하부 표면은 원주 홈을 갖는다. 이 구성은 홈에 대응하고, 연결의 제조 중에 변위 또는 형성되는 부품 재료의 수용을 가능하게 하여, 헤드 바닥의 외부 에지가 상호 연결된 부품들의 상부에 평평하게 놓이고, 결과적으로 수분 침투에 대해 마찰 용접된 연결부를 추가로 밀봉한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 예에서, 스템으로부터 이격된 헤드의 상부 측은 마찰 용접 중에 회전 공구로부터 연결 부재의 헤드로 토크를 전달하기 위한 토크 커플러를 특징으로 한다. 바람직하게는, 토크 커플러는 반경 방향 홈, 리세스 또는 돌출부를 갖는다. 이는 헤드로의 효율적인 토크 전달 및 전체 연결 부재의 단순하고 비용 효율적인 생산에 유리하다. 이러한 토크 커플러는 연결 부재에 효과적인 토크 전달을 제공하기 위해 회전 공구가 연결 부재 헤드로 하강될 때, 회전 공구가 매우 정밀하게 위치될 필요가 없기 때문에 자동화된 응용에 특히 적합하다.
본 발명의 우선적인 추가 실시예에서, 연결 부재는 스틸 합금, 바람직하게는 스크류-퀀칭 및 템퍼링 재료, 또는 망간 및/또는 붕소-함유 스틸, 특히, 20MnB4, 23MnB4 또는 22MnB5로 형성된다. 대안적으로, 연결 부재는 Ti 합금으로 제조된다. 특히, 연결 부재는 마르텐사이트 구조를 갖는다. 대안적으로, 연결 부재는 오스테나이트 미세 구조를 가지며, 이는 고강도를 갖는 것으로 알려져 있다. 연결 부재의 표면은 바람직하게는 예를 들어, 침탄에 의해 경화되고, 특히, 저항성 침투 층을 생성한다.
표면 코팅을 갖는 연결 부재가 또한 바람직하다. 이는 바람직하게는 전기 도금, 또는 화학적 니켈 방법, 플라즈마 분무, 동역학적 냉각 가스 압축, 화염 분무, 경질 크롬 도금 또는 물리적 기상 증착에 의해 적용된다. 특히 높은 경도를 위해, 연결 부재는 적어도 일부 영역에 특히, 시멘트질 구조를 갖는 고-탄소 스틸을 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 추가 실시예에 따르면, 적어도 스템 단부면(필요한 경우, 몰드 영역 및 유지 섹션을 포함함)은 전기 아연 도금되며, 바람직하게는 아연 또는 아연-니켈 화합물을 포함하는 재료의 층은 적어도 스템 단부면에 전기 화학적으로 적용된다. 스템 단부면 및/또는 몰드 영역 상에 특히 경질 또는 저항성 층을 생성하는 것이 유리하다. 이상적으로, 완전한 연결 부재는 완전히 전기 도금된다. 노출되지 않은 팁, 즉, 전기 도금되지 않은 스템 단부면은 신뢰성 있는 용접 방법을 가능하게 한다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예에서, 몰드 섹션의 길이는 스템의 길이보다 약 2배 내지 3배 작다. 이는 유리하게는 마찰 용접에서 짧은 사이클 시간이 달성될 수 있게 하며, 원형 단면을 갖는 유지 섹션에 의해 신뢰성 있는 밀봉이 보장된다.
본 발명의 우선적인 추가 실시예 이후에, 각각의 부품은 금속 또는 금속 합금으로 형성된다. 따라서, 마찰 용접이 유리하게 가능해진다.
본 발명의 다른 바람직한 추가 실시예에 따르면, 부품들 중 적어도 하나, 특히, 연결 부재에 의해 침투된 제1 부품은 비철 금속, 바람직하게는 구리, 알루미늄 또는 황동을 포함하고 및/또는 연결 부재보다 낮은 재료 경도를 갖는 재료로 형성된다. 부품들 중 적어도 하나가 플라스틱, 특히, 열가소성 또는 열경화성 플라스틱으로 제조되는 것이 동일하게 바람직하다. 이는 연결 부재의 부품으로의 침투를 용이하게 하고, 마찰 용접이 보다 효율적으로 될 수 있으며 사이클 시간이 단축될 수 있기 때문에 유리하다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예에서, 부품들은 각각 금속 시트 또는 금속 플레이트로서 구성된다. 바람직하게는, 부품들은 각각 천공되지 않거나 또는 i) 몰드 섹션의 최대 직경 및/또는 ii) 유지 섹션의 직경보다 작은 직경의 홀을 가질 수 있다. 이것의 이점은 마찰 용접 중에 생성되고 및/또는 연결 부재에 의해 채워지는 홀이 마찰 용접된 연결의 완료 후 헤드로부터 시작하는 스템의 유지 섹션에 의해 신뢰성 있게 밀봉된다는 것이다. 이를 위해, 유지 섹션은 몰드 섹션의 최대 직경보다 큰 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 우선적인 추가 실시예 이후에, 적어도 하나의 제1 부품의 재료는 다른 부품들의 재료보다 낮은 경도를 갖는다. 이는 유리하게는 연결 부재의 부품으로의 침투를 용이하게 하고, 마찰 용접이 보다 효율적으로 될 수 있으며 사이클 시간이 단축될 수 있다.
또한, 본 발명의 우선적인 추가 실시예 이후에, 제1 부품으로서 배치되지 않은 부품들 중 적어도 하나는 스틸로 제조된다. 이는 마찰 용접 중에 연결 부재의 침투를 여전히 방해하거나 손상시키지 않으면서 복합 장치의 강도를 증가시키기 위해 유리하다.
본 발명의 우선적인 추가 실시예에 따르면, 부품들의 총 두께는 연결 부재의 유지 섹션의 길이, 즉, 축선 방향 연장부만큼 길다. 이는 스템면 및 몰드 섹션을 포함하는 연결 부재의 전방 부분이 마찰 용접 중에 마모되거나 용융되는 경우 연결 부재에 의한 부품의 완전한 침투를 보장하는데 유리하다.
본 발명에 따른 연결 부재는 도면에 기초하여 이하에서 더 상세히 설명된다. 이들은 각각 개략적으로 도시되어 있다.
도 1은 연결 부재의 제1 실시예의 측면도이다.
도 2는 연결 부재의 제1 실시예의 평면도이다.
도 3은 연결 부재의 제1 실시예의 저면도이다.
도 4 내지 도 7은 마찰 용접에 의한 2개의 부품과 복합 부재가 있는 복합 장치의 가공 단계를 도시한다.
도 8은 스템면을 통한 종단면에서 본 연결 부재의 제1 실시예이다.
도 9는 스템면을 통한 횡단면의 평면 단면에서 본 연결 부재의 제1 실시예이다.
도 10은 스템면을 통한 횡단면의 단면에서 본 연결 부재의 제2 실시예이다.
도 11은 연결 부재의 제3 실시예의 측면도이다.
도 12는 유지 섹션 및 형성 섹션을 통한 횡단면의 평면 단면에서 본 연결 부재의 제3 실시예이다.
도 13은 종단면에서 본 연결 부재의 제3 실시예이다.
동일한 기능 및 작동 모드를 갖는 부재들에는 각각 도시된 도 1 내지 도 13에서 동일한 도면부호가 제공된다.
도 1은 연결 부재(10)의 종방향 축선(10.1)을 중심으로 연결 부재(10)를 회전시킬 때, 마찰 용접에 의해 2개의 부품(12.1, 12.2)의 해제 불가능한 연결에 사용되며, 도 4 내지 도 7에서 사용되는 연결 부재(10)의 제1 실시예를 도시한다.
연결 부재(10)는,
- 부품(12.1)을 침투하기 위해 스템(10.2-10.4)의 자유 단부에서 스템면(10.2)을 가지며 종방향 축선(10.1)을 따라 형성된 스템(10.2-10.4); 및
- 종방향 축선(10.1)을 중심으로 하는 토크를 회전 공구로부터 스템(10.2-10.4)으로 전달하기 위해 스템(10.2-10.4)에 연결된 헤드(10.5)를 포함한다.
스템면(10.2)은 뭉툭한 코스를 갖는 볼록 엔벨로프(10.22)를 구비한 스템 단부면(10.21)을 갖는다. 스템 단부면(10.21)의 엔벨로프(10.22)는 스템 단부면(10.21)을 둘러싸고 그 지점이 스템 단부면(10.21)의 상대 최대값을 연결하는 표면으로 이해되어야 한다(도 8-10 참조). 엔벨로프(10.22)를 나타내는 상대 최대값은 상대 최대값 또는 지점을 연결하는 2D 보간 표면의 지점을 형성한다.
도 1에 도시된 연결 부재(10)의 정면도에서, 엔벨로프(10.22)는 스템 단부면(10.21)의 윤곽에 대응한다. 이에 반하여, 도 8 및 도 9에 도시된 스템면(10.2)의 단면도에서, 엔벨로프(10.22)는 스템면(10.2)의 윤곽(10.21)과 상이하므로 명확하게 인식 가능하다.
도 2에 도시된 연결 부재(10)의 평면도에서, 헤드(10.5)가 식별될 수 있고, 스템(10.2-10.4)으로부터 먼 쪽을 향하는 헤드(10.5)의 상부 측은 그 중심에 원형의 평평한 압력 표면(10.53) 및 마찰 용접 중에 회전 공구로부터 헤드(10.5)로 토크를 전달하기 위해 압력 표면 주위에서 외부에 있는 토크 커플러(10.52)를 갖는다. 토크 커플러는 반경 방향 홈 또는 리세스(10.52)를 포함하는데, 여기서 회전 공구가 연결 부재(10)를 회전시키기 위해 축선 방향으로 하강될 때, 회전 공구(도시되지 않음)의 대응하는 대응물, 예를 들어, 회전 공구의 면의 반경 방향 돌출부는 토크 커플러와 협력하거나 또는 반경 방향 홈에 결합된다. 평평한 압력 표면(10.53)은 연결 부재(10) 상의 축선 방향 압력을 위해 제공된다.
도 3에 도시된 연결 부재(10)의 아래로부터의 도면에서, 스템 단부면(10.21)이 보이고, 스템 단부면은 스템 단부면(10.21)의 마찰-증가 부재를 형성하는 크레스트 또는 돌출부(10.23) 및 트로프 또는 함몰부(10.24)를 갖는다.
도 8 및 도 9에서 예로서 도시된 스템 단부면(10.21)은 뾰족하지 않거나 각이 지지 않은 뭉툭한 형상을 갖는다. 즉, 스템 단부면(10.21)은 종방향 단면 평면(도 8) 또는 횡단면 평면(도 9)에서 연속 함수로 표현되거나 도시될 수 있으며, 그 1차 미분은 스템 단부면(10.21)의 에지이기도 한 함수의 에지들 사이에서 연속적이다.
도 8은 스템면(10.2)을 통한 종단면 평면 단면도에서 마찰 증가 부재를 갖는 스템 단부면(10.21)의 제1 형성부를 도시한다. 여기서 스템면(10.2)의 윤곽(10.21)은 균일하게 분포된 복수의 돌출부 또는 파동 크레스트(10.23) 및 복수의 함몰부 또는 파동 벨리(10.24)를 갖는다는 것을 알 수 있다. 스템면(10.2)을 통한 횡단면의 평면 단면을 도시한 도 9에서, 스템면(10.2) 또는 스템 단부면(10.21)의 윤곽이 도시되어 있고, 유사한 마찰 증가 부재(균일하게 분포된 돌출부(10.23) 및 함몰부(10.24))가 식별 가능하다. 일반적으로, 스템 단부(10.2)는 스템 단부(10.2)를 통한 단면도에서 파형 윤곽(10.21)을 가지며, 이에 의해, 예시적인 목적을 위해 도시된 도면에서, 파동의 높이 또는 진폭이 과장되어 있으며, 즉 실제 스케일에 비해 더 크다.
도 10은 스템 단부(10.2)를 통한 종단면 평면 단면도에서 마찰-향상 부재를 갖는 스템 단부면(10.21)의 추가적인 형성부를 도시한다. 이 실시예에서, 스템면(10.2)의 윤곽(10.21)은 직사각형 형상의 물결 모양 코스를 나타내며, 이에 의해 코너가 절단되거나 뭉툭하다.
도 8 내지 도 10에 도시된 연결 부재(10)의 실시예는 스템면(10.2)과 함께 스템 단부면(10.21) 및/또는 엔벨로프(10.22)의 뭉툭한 코스로 인해 실질적인 마찰 용접 효과를 가지며, 마찰-향상 부재(10.23, 10.24)를 갖는 표면 구조를 갖는다. 또한, 스템 단부면(10.21)의 (도시되지 않은) 골프 공 구조에 의해 유사한 효과(마찰, 가열, 재료 용융, 폐기물 발생 없음)가 생성된다.
도 11에 도시된 연결 부재(10)의 측면도에서, 스템(10.2-10.4)은 스템의 자유 단부로부터 시작하는 몰드 섹션(10.3) 및 스템의 헤드(10.5)로부터 시작하는 유지 섹션(10.4)을 포함하는 것을 알 수 있다. 따라서, 유지 섹션(10.4)은 헤드(10.5)를 유지하는 스템의 상부 부분을 형성하고, 몰드 섹션(10.3)은 스템면(10.2)에 인접한 스템의 하부 부분을 형성하고, 스템면(10.2)과 함께 연결 부재(10)와 부품들(12.1, 12.2) 사이의 증가된 마찰의 생성에 기여하여, 증가된 마찰 용접 효과에 기여한다.
도 11 및 도 13에 도시된 스템면(10.2)은 파동 형상이 없지만 개선된 마찰 용접의 원하는 효과를 생성하는 미세한 입자의 마찰-향상 표면 구조를 갖는 뭉툭한 스템 단부면(10.21)을 갖는다.
도 11에 도시된 유지 섹션(10.4)은 몰드 섹션(10.3)의 최대 직경보다 큰 직경을 갖는다. 이는 마찰 용접 중에 제1 부품(12.1)에 (보어을 통해) 생성 또는 확산되는 홀 또는 마찰 용접된 연결부의 완료 후에 제2 부품(12.2)에 생성되는 파일럿 홀이 헤드(10.5)로부터 시작하는 유지 섹션(10.4)에 의해 신뢰성 있게 밀봉된다는 이점을 갖는다. 이에 반하여, 도 1에 도시된 연결 부재(10)는 몰드 섹션(10.3)과 유지 섹션(10.4)이 서로 다르지 않거나 단지 약간 다른 스템(10.2-10.4)을 갖는다.
도 12에 도시된 유지 섹션(10.4)(단면 A-A) 및 몰드 섹션(10.3)(단면 B-B)을 통한 횡단면의 평면 단면도에서, 유지 섹션(10.4)은 원형 윤곽(10.41)을 갖는 횡단면을 가지고, 몰드 섹션은(10.3)은 원형이 아니지만 약간 물결 모양이 있는 윤곽(10.31)을 갖는 횡단면을 갖는다. 몰드 섹션(10.3)의 횡단면 윤곽(10.31)은 마찰이 증가하여 마찰 용접을 개선하고 사이클 시간을 감소시킨다. 또한, 형성 섹션 윤곽(10.31)의 최대 직경이 유지 섹션 윤곽(10.41)의 직경보다 크다는 것을 알 수 있다. 따라서, 마찰 용접된 연결부의 제조 후, 몰드 섹션(10.3)의 외주는 상부 부품(12.1)에 생성된 홀의 서지에 대해 평평하게 되어 생성된 마찰 용접된 연결부의 신뢰성 있는 밀봉을 보장한다.
도 13에 도시된 연결 부재(10)를 통한 종단면 평면 단면도에서, 연결 부재(10)의 전체 구조가 보인다. 종방향 축선(10.1)을 따라 형성된 스템(10.2-10.4)은 만곡되고 뭉툭한 스템면(10.2)을 가지며 헤드(10.5)와 연결된다. 스템(10.2-10.4)은 스템면(10.2)에 연결된 하부 부분에 몰드 섹션(10.3) 및 헤드(10.5)에 연결된 상부 부분에 유지 섹션(10.4)을 갖는다. 스템(10.2-10.4)을 향하는 헤드(10.5)의 바닥은 원주 홈(10.51)을 갖는다. 이 구성은 챔퍼에 대응하고, 유리하게는 마찰 용접 중에 용융된 부품 재료를 수용하는 것을 가능하게 하여, 헤드(10.5)의 바닥 상의 외부 에지가 상호 연결된 부품들(12.1, 12.2)의 상부(12.1)에 평평하게 유지되고, 수분 침투에 대해 마찰 용접된 연결부를 추가로 밀봉한다.
도 4 내지 도 7의 경우에, 연결 부재(10)는 먼저 회전 및 축선 방향 압력에 의해 알루미늄으로 구성된 제1 부품(12.1)(도 4)로 회전되고, 이를 통해 이동되고, 침투 없이 스틸로 제조된 다음의 제2 부품(2.2)으로 가압된다(도 5). 회전 및 가압에 의해 생성된 마찰로 인해, 연결 부재(10) 및 접촉된 주변 부품 재료가 뜨거워져서 부품 재료의 유동 응력이 낮아지고, 연결 부재(10)에 의해 재료가 변위되어서(도 6), 부품들(12.1, 12.2)이 서로 접촉된 상태로 유지되는 동안에 연결 부재(10)는 부품들(12.1, 12.2)에 결합된다. 용융된 부품 재료는 연결 부재(10)의 측면 위로 상승하고, 헤드(10.5)의 바닥 상의 원주 홈(10.51)으로 침투한다. 마지막으로, 회전 및 축선 방향 압력에 의해, 스템(10.2-10.4)의 압축이 이루어지고, 연결 부재(10)의 헤드(10.5)는 제1 부품(12.1) 상의 단부 위치로 된다(도 7).
10 연결 부재
10.1 연결 부재의 종방향 축선
10.2 연결 부재의 스템면
10.21 스템면의 스템 단부면, 윤곽
10.22 스템 단부면 또는 스템면의 엔벨로프
10.23 스템 단부면 또는 스템면의 돌출부, 크레스트
10.24 스템 단부면 또는 스템면의 리세스, 트로프
10.3 연결 부재의 몰드 섹션
10.31 몰드 섹션의 윤곽
10.4 연결 부재의 유지 섹션
10.41 유지 섹션의 윤곽
10.5 연결 부재의 헤드
10.51 헤드의 바닥에 있는 원주 홈
10.52 헤드의 상부 상의 토크 커플러, 반경 방향 홈
10.53 헤드의 상부 상의 압력 표면
12.1 연결되는 제1 부품
12.2 연결되는 제2 부품

Claims (12)

  1. 연결 부재(10)가 연결 부재(10)의 종방향 축선(10.1)을 중심으로 회전될 때, 마찰 용접에 의해 적어도 2개의 부품(12.1, 12.2)을 해제 불가능하게 연결하기 위한 연결 부재(10)로,
    - 적어도 하나의 부품(12.1)을 침투하기 위해 스템(10.2-10.4)의 자유 단부에 스템면(10.2)을 가지며 종방향 축선(10.1)을 따라 형성되는 스템(10.2-10.4); 및
    - 종방향 축선(10.1)을 중심으로 하는 토크를 회전 공구로부터 스템(10.2-10.4)으로 전달하기 위해 스템(10.2-10.4)에 연결되는 헤드(10.5)를 포함하며,
    스템면(10.2)은 뭉툭한 형상을 갖는 볼록 엔벨로프(10.22)를 구비한 스템 단부면(10.21)을 갖는 것을 특징으로 하는 연결 부재.
  2. 제1항에 있어서,
    - 스템 단부면(10.21)이 복수의 리세스 및 돌출부를 갖는 구성;
    - 스템 단부면(10.21)이 골프 공 형상으로 구성되는 구성 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연결 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    스템 단부면(10.21)의 엔벨로프(10.22)는 종단면 평면에서 원형 또는 원호형 윤곽을 갖는 것을 특징으로 하는 연결 부재.
  4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    - 스템(10.2-10.4)이 스템(10.2-10.4)의 자유 단부로부터 시작하는 몰드 섹션(10.3) 및 스템(10.2-10.4)의 헤드(10.5)로부터 시작하는 유지 섹션(10.4)을 포함하는 구성;
    - 몰드 섹션(10.3)이 횡단면 평면에서 둥근 코너를 갖는 다각형-형상의 윤곽(10.31)을 갖는 구성;
    - 몰드 섹션(10.3)의 다각형 윤곽(10.31)이 적어도 3개의 코너를 갖는 구성;
    - 유지 섹션(10.4)의 직경이 몰드 섹션(10.3)의 최대 직경보다 큰 구성 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연결 부재.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    몰드 섹션(10.3)은 단면 평면에서 교대로 직선 및 원호-형상인 윤곽(10.31)을 갖는 것을 특징으로 하는 연결 부재.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    - 각각의 경우에, 몰드 섹션(10.3)의 평평한 표면 섹션이 다각형-형상이며, 각각의 경우에 하나의 다각형은 바람직하게는 삼각형 또는 사각형인 구성;
    - 몰드 섹션(10.3)의 외부 표면이 종방향 축선을 중심으로 몰드 섹션(10.3)의 원주 방향으로 프로파일링되는 구성;
    - 몰드 섹션(10.3)의 외부 표면이 삼각형 형상인 구성;
    - 몰드 섹션(10.3)의 외부 표면이 i) 반경 방향 홈, 노치 또는 함몰부를 갖거나 또는 ii) 매끄러운 구성 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연결 부재.
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    - 유지 섹션(10.4)이 원통형 또는 대략 원통형 또는 원뿔형이고, 특히, 유지 섹션(10.4)의 외부 표면이 매끄러운 구성;
    - i) 스템면(10.2)과 몰드 섹션(10.3) 사이 및/또는 ii) 몰드 섹션(10.3)과 유지 섹션(10.4) 사이의 전이부가 둥근 형태인 구성 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연결 부재.
  8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    - 스템(10.2-10.4)을 향하는 헤드(10.5)의 바닥이 원주 홈(10.51)을 갖는 구성;
    - 스템(10.2-10.4)으로부터 이격된 헤드(10.5)의 상부 측이 회전 공구로부터 헤드(10.5)로 토크를 전달하기 위한 토크 커플러(10.52)를 갖는 구성;
    - 토크 커플러(10.52)가 복수의 반경 방향 홈, 리세스 또는 돌출부를 포함하는 구성 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연결 부재.
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    - 연결 부재(10)가 스틸 합금, 바람직하게는 스크류 템퍼링 재료, 특히, 20MnB4로 형성되는 구성;
    - 적어도 스템 단부면(10.21)이 전기 아연 도금되고, 바람직하게는 아연 또는 아연-니켈 화합물을 포함하는 재료의 층이 적어도 스템 단부면(10.21)에 전기 화학적으로 적용되는 구성;
    - 몰드 섹션(10.3)의 길이가 스템(10.2-10.4)의 길이보다 약 2배 내지 3배 작은 구성 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연결 부재.
  10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    스템 단부면(10.21)을 제외한 연결 부재(10)는 전기 도금되는 것을 특징으로 하는 연결 부재.
  11. 복합 장치로,
    - 적어도 2개의 부품(12.1, 12.2), 및
    - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 연결 부재(10)를 포함하며,
    연결 부재에 의해 부품들(12.1, 12.2)이 마찰 용접에 의해 해제 불가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    - 각각의 부품(12.1, 12.2)이 금속 또는 금속 합금으로 형성되는 구성;
    - 부품들(12.1, 12.2) 중 적어도 하나, 특히, 연결 부재(10)에 의해 침투된 적어도 제1 부품(12.1)이 비철 금속, 바람직하게는 구리, 알루미늄 또는 황동을 포함하고 및/또는 연결 부재(10) 보다 낮은 재료 경도를 갖는 재료로 형성되는 구성;
    - 제1 부품으로서 배치되지 않은 부품들 중 적어도 하나(12.2)가 스틸로 제조되는 구성;
    - 부품들(12.1, 12.2)의 총 두께가 연결 부재(10)의 유지 섹션의 길이만큼 긴 구성 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 장치.
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