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DE102009044888B4 - Verfahren und Werkzeug zum mechanischen Fügen von mindestens einem unteren und einem oberen Formteil mittels eines Stanzniets - Google Patents

Verfahren und Werkzeug zum mechanischen Fügen von mindestens einem unteren und einem oberen Formteil mittels eines Stanzniets Download PDF

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DE102009044888B4
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punch
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punch rivet
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Prof. Dr.-Ing. Hahn Ortwin
Dipl.-Ing. Schübeler Christian
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Abstract

Verfahren zum mechanischen Fügen von mindestens einem unteren und einem oberen Formteil (8, 9) mittels eines Stanzniets mit einem flachen Nietkopf (2) und einem Schaft, der mindestens eine Ringnut (5) aufweist, zwischen einem Pressstempel (6) und einer Matrize (7), dadurch gekennzeichnet, dass
– die Formteile (8, 9) auf der Matrize (7) und unter dem angehobenen Presstempel (6) positioniert werden,
– ein Stanzniet (1) mit seinem flachen Nietkopf (2) am unteren Ende des Pressstempels (6) mit einer Hülse (12) gehalten wird,
– der Stanzniet mit Hilfe des niederfahrenden Presstempels (6) durch die Formteile (8, 9) gestanzt wird, so dass der Nietkopf (2) mit seiner Unterseite auf das obere Formteil (8) gepresst wird,
– das untere Formteil (9) mittels einer Erhebung (11) auf der Matrize (7) so verformt wird, dass Material des unteren Formteils (9) in die Ringnut (5) gepresst wird,
– die Kraft zum Verformen des...

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und Werkzeug zum mechanischen Fügen von mindestens einem unteren und einem oberen Formteil mittels eines Stanzniets mit einem Nietkopf und einem Schaft, der mindestens eine Ringnut aufweist, zwischen einem Pressstempel und einer Matrize.
  • Stanznieten werden zum Fügen von zwei oder mehr Formteilen, wie Blechen oder Profilen, verwendet. Der Stanzniet wird mit Hilfe eines Pressstempels ohne Vorlochen durch die zu verbindenden Formteile gestanzt, wobei der Stanzniet gleichzeitig als Schneidstempel dient. Ein solcher Stanzniet ist beispielsweise in der Gebrauchsmusterschrift DE 299 08 928 U1 beschrieben.
  • Bei dem Stanznieten werden die zu fügenden Formteile üblicherweise von einem Niederhalter gegen eine untere Matrize gedrückt. Der Stanzniet stanzt den Butzen durch die Matrize aus dem zu verbindenden Material.
  • Durch den Pressdruck des Niederhalters wird das auf der Matrize aufliegende Formteil so verformt, dass Material in die Schaftnut eindringt und den Niet festsetzt. Auf die Weise wird eine dauerhafte Verbindung hergestellt.
  • Ein Stanz-Prägeniet mit Senkkopf und Schaftnut ist auch in der Gebrauchsmusterschrift DE 298 22 745 U1 beschrieben. Wie die Kraft zum Stanzen und Prägen aufgebracht wird und wie der die Materialien fixiert werden, ist nicht beschrieben.
  • In der Patentschrift DE 195 49 819 B4 wird ein Werkzeug zum Setzen von Nieten als Stand der Technik beschrieben, bei dem der Niet auf zusätzlichen Zentrierkugeln in einer Hülse ausgerichtet wird. Die Hülse selbst besitzt keine federnden Elemente.
  • Bei dem Stanznieten werden die Formteile oft noch vorher bearbeitet. So beschreibt die Patentanmeldung DE 198 52 809 A1 ein Verfahren zum Fügen mit Stanznieten, bei dem die Verbindungszone vor dem Einpressen des Stanzniets erwärmt wird, um das Material einfacher durchstanzen zu können.
  • Üblicherweise werden die Formteile aber an der Fügestelle mit einem Klebstoff versehen, der später nach dem Fügen aushärtet. Eine solche Klebeverbindung erhöht wesentlich die Festigkeit der Verbindung.
  • Durch das Pressen der Formteile mit dem Niederhalter wird der Klebstoff zwischen den Formteilen um den Niederhalter herum verdrängt. Das Verdrängen wird noch weiter verstärkt, wenn der Pressdruck durch den Niederhalter weiter erhöht wird, um die Verformung des unteren Formteils durch die Matrize und das Eindringen des Materials in die Ringnut zu erreichen. Wenn nun der Niederhalter zurückgefahren wird, federn die Formteile um die Fügestelle herum auf. Es dringt Luft in die Klebeschicht und sie verbindet die Formteile nicht mehr vollflächig. Damit wird die verstärkende Wirkung der Klebverbindung reduziert.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und ein Werkzeug zum Stanznieten anzugeben, bei dem das Auffedern der Formteile nach dem Vernieten vermieden wird.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und dem Werkzeug nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und des Werkzeugs sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Das Verfahren zum mechanischen Fügen von mindestens einem unteren und einem oberen Formteil mittels eines Stanzniets zwischen einem Pressstempel und einer Matrize zeichnet sich dadurch aus, dass die Formteile dann auf der Matrize und unter dem angehobenen Presstempel positioniert werden, ein Stanzniet mit seinem Nietkopf in einem Klemmring am unteren Ende des Pressstempels gehalten wird und der Stanzniet mit Hilfe des niederfahrenden Presstempels so durch die Formteile gestanzt wird, dass der Kopf des Stanzniets auf das obere Formteil gepresst wird, und das untere Formteil mittels einer Erhebung auf der Matrize so verformt wird, dass Material des Formteils in die Ringnut im Schaft des Stanznietes gepresst wird. Die notwendige Fügekraft wird dabei über den Pressstempel und den Nietkopf aufgebracht.
  • Der Pressstempel drückt nicht direkt auf die beiden Formteile, sondern der Nietkopf des Stanznietes wird durch den hohen Pressdruck fest auf die Formteile gepresst und der Nietkopf verbleibt auch in dieser Presslage und die Formteile federn nicht wieder auf, wie es ansonsten bei einem Pressdruck über den Niederhalter der Fall wäre, wenn dieser wieder hochfährt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich also auch dadurch aus, dass neben dem Pressstempel kein Niederhalter erforderlich ist.
  • Die Formteile in diesem Verfahren sind typischerweise Metallbleche. Es können aber auch Gussteile, Profile oder Teile aus anderen Materialien wie Verbundwerkstoffen oder Kunststoffteile auf diese Weise gefügt werden. Das Verfahren kommt insbesondere bei Materialien die nicht oder nur aufwendig miteinander verschweißt werden können, zum Einsatz.
  • Dabei ist der Nietkopf als Flachkopf mit einem breiten Flansch ausgeführt. Durch den breiten Flansch wird die flächige Presswirkung auf die Formteile vergrößert.
  • An dem Schaft des Stanznietes ist mindestens eine Ringnut vorgesehen, in die Material aus dem unteren Formteil eindringen kann.
  • Für die Vernietung von unterschiedlich dicken Formteilen mit einem gleichen Stanzniet kann der Schaft des Stanznietes auch länger ausgeführt sein und mehrere Ringnuten besitzen.
  • Die Erhebung in der Matrize ist vorteilhafterweise ein zum Stanzniet konzentrischer ebener Ring, der das Material des unteren Formteils in die Ringnut drückt und den Stanzniet festsetzt. Dazu wird der Pressdruck auf den Stanzniet nach dem Durchstanzen weiter erhöht.
  • Die Fügekraft für das beschriebene Fügeverfahren mittels Stanznieten wird vorteilhafterweise mittels eines pneumatischen, hydraulischen oder elektromechanischen Antriebs stetig oder impulsförmig aufgebracht.
  • Wenn zwischen die beiden Formteile vor dem Fügen zunächst ein Klebstoff eingebracht wird, kann die Belastung der Fügeverbindung weiter erhöht werden ohne dass es zu einem Abreißen der Verbindung kommt. Da die Fügeverbindung nach dem Stanznieten kaum wieder auffedert, wird auch die Klebung um das Stanzloch nicht wieder aufgerissen und es kann keine Luft oder Feuchtigkeit in die Fügeverbindung eindringen.
  • Das Werkzeug zum erfindungsgemäßen Stanznieten besitzt neben dem Pressstempel eine Hülse, in der der Stanzniet vor und während des Setzens gehalten wird. Dadurch wird verhindert, dass der Stanzniet während des Aufsetzens auf die Formteile verrutscht oder verkippt, wenn die Formteile durch das Aufsetzen des Stanznietes etwas nachgeben.
  • Wenn der Stanzniet durch die Formteile gedrückt wird, wird er aus der Hülse herausgedrückt. Da die Hülse beim Setzen des Stanznietes nicht bis auf die Formteile aufsetzt, erfüllt sie nicht die bisher übliche Funktion eines Niederhalters.
  • Der Stanzniet wird vorteilhafterweise über einen Unterdruck in der Hülse und an dem Pressstempel gehalten. Dazu ist eine Vakuumbohrung in dem Presstempel vorgesehen, über die der Stanzniet an den Pressstempel angesaugt wird.
  • Die Hülse ist an ihrem unteren Ende federnd aufweitbar, um den Stanzniet nach dem Durchdrücken durch die Formteile freizugeben.
  • Wenn die Hülse aus einer federnden Metall-Legierung gefertigt ist, wird sie vorteilhafterweise an ihrem Ende aufgeschlitzt, so dass sich Federzungen ergeben.
  • Die Erfindung wird anhand der Figuren weiter erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Seitenansicht eines Stanzniets;
  • 2 das Werkzeug und die Anordnung zum Fügen zweier Formteile ohne Klebstoff;
  • 3 das Werkzeug und die Anordnung zum Fügen zweier Formteile mit Klebstoff;
  • 4 und 5 die Formteile mit aufgesetztem Stanzniet, mit und ohne Klebstoff;
  • 6 und 7 das Durchdrücken des Stanznietes durch die Formteile, mit und ohne Klebstoff;
  • 8 und 9 die gefügten Formteile nach dem Nietvorgang, mit und ohne Klebstoff;
  • 10 ein Festigkeitsdiagramm der Nietverbindung.
  • In 1 ist ein Stanzniet 1 in der Seitenansicht dargestellt. Er besitzt einen breiten Nietkopf 2, der als Flansch ausgebildet ist und eine flache Unterseite 4 besitzt.
  • Der Schaft 3 besitzt einen deutlich geringeren Durchmesser als der Flansch und ist mit einer Ringnut 5 versehen. Es können auch mehrere Ringnuten 5 vorhanden sein.
  • Das Verfahren zum Stanznieten wird anhand der 2 bis 9 dargestellt.
  • 2 und 3 zeigen die Anordnung von einem oberen Formteil 8 das mittels des Stanznietes 1 mit dem unteren Formteil 9 verbunden werden soll. Zwischen den beiden Formteile 8 und 9 befindet sich optional die Klebeschicht 10, die später aushärtet.
  • Der Stanzniet 1 ist mit seinem Nietkopf 2 in der Hülse 12 gehalten, die den Stanzniet 1 federnd führt. Der Stanzniet 1 ist mittels der Vakuumbohrung 16 an dem Pressstempel 6 gehalten und kann nach unten aus der Hülse 12, die über die Schlitze 14 aufweitbar ist, herausgedrückt werden. Die Hülse 12, durch die Feder 17 belastet, und auch der Pressstempel 6 sind in der Werkzeugführung 15 geführt.
  • Unter den beiden Formteilen 8 und 9 befindet sich die Matrize 7, die konzentrisch zum Presstempel eine ringförmige Erhebung 11 aufweist.
  • In den 4 und 5 ist der nächste Schritt des Verfahrens gezeigt, nämlich wie der Stanzniet 1 auf die Formteile 8, 9 aufgesetzt ist und diese auf die Matrize 7 drückt. Dabei befindet sich, gemäß 5, Klebstoffzwischen den Formteilen 8 und 9. Der Stanzniet ist durch den Unterdruck durch die Vakuumbohrung sicher gegen Verkippen gehalten.
  • In den 6 und 7 ist der Stanznietvorgang dargestellt. Der Presstempel 6 drückt den Stanzniet 2 aus der Hülse 12 und presst ihn durch die beiden Formteile 8 und 9, zwischen denen gemäß 7 Klebstoff 10 eingebracht sein kann. Der Butzen 13 fällt durch eine Öffnung der Matrize 7 heraus.
  • Die flache Unterseite 4 des Nietkopfes 2 presst dabei die Formteile flach zusammen, die dabei außerhalb des Flansches etwas auffedern können und Teile der Klebeschicht 10 herauspressen.
  • Der Bereich unterhalb des Flansches wird dabei nicht aufgefedert, da der Pressdruck über den Nietkopf 2 auch beim Zurückfahren des Stempels 6 und der Matrize 7 erhalten bleibt und das Formteil 8 dort nicht entlastet wird.
  • Die ringförmige Erhebung 11 der Matrize 7 presst das untere Formteil 9 so, dass Material in die Ringnut 5 des Stanzniets 1 fließt.
  • 8 und 9 zeigen die Anordnung der Formteile 8 und 9 nach dem Nietvorgang. Die Matrize 7 und der Pressstempel sind zurückgefahren und die Hülse 12 enthält keinen Stanzniet mehr. Die Feder 17 ist wieder entlastet.
  • Der Stanzniet 1 presst mit seinem Nietkopf 2 die Formteile 8 und 9 zusammen und die ringförmige Erhebung der Matrize 7 hat Material vom unteren Formteil 9 in die Ringnut des Stanznietes 1 gepresst.
  • Eine sichere und dauerhafte Verbindung ist entstanden, die durch eine Klebstoffschicht 10 noch weiter verstärkt wird.
  • In 10 ist ein Kraft-Weg-Diagramm für die Festigkeit einer Stahlverbindung unter Scherzug beispielhaft dargestellt. Zwei miteinander verklebte Bleche aus unterschiedlichem Material und mit erfindungsgemäßem Vollstanznieten gefügt, werden einem Scherzug unterworfen.
  • Die Verbindung kann mit einem Scherzug von bis zu 25 kN belastet werden. Bei herkömmlich vernieteten Verbindungen, die hier als gestrichelte Kurve dargestellt sind, werden nur 20 kN erreicht und sie reißen nach 0,5 mm vollständig auf.
  • Die mit dem neuartigen Verfahren mittels Stanzniet gefügte Verbindung hält aber einem Scherzug mit mehr als 5 kN stand und reißt erst nach 2,5 mm vollständig auf.
  • Dieses Verhalten ist besonders in sicherheitsrelevanten Produkten, wie etwa im Automobilbau, wichtig, da eine Restfestigkeit auch nach einer Belastung der Verbindung gegeben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Stanzniet
    2
    Nietkopf mit Flansch
    3
    Schaft
    4
    Unterseite des Flansches
    5
    Ringnut
    6
    Presstempel
    7
    Matrize
    8
    oberes Formteil
    9
    unteres Formteil
    10
    Klebeschicht
    11
    Ringförmige Erhebung
    12
    Hülse
    13
    Butzen
    14
    Schlitz
    15
    Werkzeugführung
    16
    Vakuumbohrung
    17
    Feder
    F
    Kraft
    S
    Weg

Claims (13)

  1. Verfahren zum mechanischen Fügen von mindestens einem unteren und einem oberen Formteil (8, 9) mittels eines Stanzniets mit einem flachen Nietkopf (2) und einem Schaft, der mindestens eine Ringnut (5) aufweist, zwischen einem Pressstempel (6) und einer Matrize (7), dadurch gekennzeichnet, dass – die Formteile (8, 9) auf der Matrize (7) und unter dem angehobenen Presstempel (6) positioniert werden, – ein Stanzniet (1) mit seinem flachen Nietkopf (2) am unteren Ende des Pressstempels (6) mit einer Hülse (12) gehalten wird, – der Stanzniet mit Hilfe des niederfahrenden Presstempels (6) durch die Formteile (8, 9) gestanzt wird, so dass der Nietkopf (2) mit seiner Unterseite auf das obere Formteil (8) gepresst wird, – das untere Formteil (9) mittels einer Erhebung (11) auf der Matrize (7) so verformt wird, dass Material des unteren Formteils (9) in die Ringnut (5) gepresst wird, – die Kraft zum Verformen des unteren Formteils ausschließlich über den Nietkopf (2) und die Matrize (7) aufgebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile (8, 9) aus Metall, aus Verbundwerkstoffen oder Kunststoffen bestehen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die beiden Formteile (8, 9) vor dem Fügen ein Klebstoff (10) eingebracht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (11) ein zum Stanzniet (1) konzentrischer ebener Ring ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressdruck auf den Stanzniet (1) zum Verformen des Materials des untern Formteils (9) gegenüber dem Schritt des Durchstanzens des Stanznietes weiter erhöht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Positionierung der Formteile (8, 9) ein Niederhalter genutzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (3) des Stanznietes (1) mehrere Ringnuten (5) aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügekraft mittels eines pneumatischen, hydraulischen oder elektromechanischen Antriebs stetig oder impulsförmig aufgebracht wird.
  9. Werkzeug zum Ausführen des Verfahrens zum Setzen von Stanznieten gemäß einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Pressstempel (6) und einer Matrize (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Stanzniet (1) mit seinem flachen Nietkopf (2) in einer Hülse (12), die an dem den Formteilen (8, 9) zugewandten Ende in ihrem Innendurchmesser verjüngt ist, klemmend fixiert wird und damit gegen Verrutschen/Verkippen vor und während des Setzvorgangs gesichert ist und der Stanzniet zum Ende des Setzvorgangs aus der Hülse (12) herausgedrückt wird.
  10. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stanzniet (1) über Unterdruck in der Hülse (12) gehalten ist.
  11. Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck über eine Vakuumbohrung (16) im Pressstempel (6) zugeführt ist.
  12. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) an ihrem unteren Ende federnd aufweitbar ist.
  13. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) aus einer federnden Metall-Legierung gefertigt ist und an ihrem Ende aufgeschlitzt ist.
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