DE19905528B4

DE19905528B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Werkstoffen durch Stanznieten

Info

Publication number: DE19905528B4
Application number: DE1999105528
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Hollerung
Original assignee: Boellhoff GmbH
Current assignee: Boellhoff GmbH
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2019-02-11
Also published as: DE19905528A1

Abstract

Verfahren zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznieten, bei dem ein Stanzniet mittels einer Setzeinheit in die flächig aufeinanderliegenden, an einem Gegenhalter abgestützten, plattenförmig ausgebildeten Werkstücke getrieben wird, wobei der Stanzniet das obere Werkstück durchstanzt und in das untere Werkstück eindringt, ohne es zu durchstanzen, um durch Aufweitung des Stanzniets und plastische Umformung des Materials der Werkstücke eine Formschlußverbindung zwischen diesen zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenhalter ein Amboß mit einer ebenen Gegenfläche verwendet wird, an der das untere Werkstück in einem Bereich fluchtend zur Wirkungslinie der Setzeinheit so abgestützt wird, daß die Unterseite des unteren Werkstückes beim Nietvorgang eben bleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznieten sowie einen hierbei verwendbaren Stanzniet.
Beim herkömmlichen Stanznieten wird ein Stanzniet mittels einer Setzeinheit in die flächig aufeinanderliegenden, plattenförmigen Werkstücke so getrieben, daß der Stanzniet das obere Werkstück durchstanzt und in das untere Werkstück eindringt, ohne es zu durchstanzen. Hierbei werden die aufeinanderliegenden plattenförmigen Werkstücke von einer Matrize mit einer Gravur (Ausnehmung) abgestützt. Der Stanzniet weitet sich während des Nietvorganges auf und verformt hierbei den Werkstoff der Werkstücke so, daß der plastisch verformte Werkstoff der Werkstücke in die Gravur der Matrize verdrängt wird und hierbei einen sogenannten Schließkopf bildet, durch den der Niet und die Werkstücke formschlüssig miteinander verbunden werden.
Da der metallische Werkstoff der Werkstücke – ähnlich wie Flüssigkeiten – praktisch inkompressibel ist, bleibt das Volumen des Werkstoffes während des Umformvorgangs konstant. Aus diesem Grund ist die Matrize, wie bereits erwähnt, mit einer Vertiefung versehen, in die der umgeformte Werkstoff verdrängt wird. Die Nietverbindung ist daher lediglich an der Oberseite des oberen Werkstückes eben ausgebildet, während von der Unterseite der Schließkopf vorsteht.
Für bestimmte Anwendungszwecke ist der nach unten vorstehende Schließkopf hinderlich. So ist es zum Beispiel im Kraftfahrzeugbau manchmal erforderlich, auf die miteinander verbundenen Werkstücke Dichtungen aufzuschieben, was dann wegen des von der Unterseite vorstehenden Schließkopfes kaum möglich ist.
DE 197 00 627 A1 offenbart ein Verfahren zum Fügen zweier aufeinander liegender Bleche aus metallischem Werkstoff. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt mit einem Stanzstempel das ihm zugewandte Blech durchstanzt und das ihm abgewandte Blech verformt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann ein Nietelement durch den durchstanzten Bereich hindurch in die Verbindung eingeführt und plastisch derart verformt, dass das Nietelement und das dem Stanzstempel abgewandte Blech den Schließkopf der Nietverbindung bilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznieten zu schaffen, bei denen der Stanznietvorgang keine störenden Vorsprünge an der Unterseite der Nietverbindung verursacht.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 2 und 7, 8 definierte Erfindung gelöst.
Gemäß einer Lösung der Erfindung wird zum Abstützen der plattenförmig ausgebildeten Werkstücke nicht eine Matrize mit Gravur, sondern ein Amboß mit einer ebenen Gegenfläche als Gegenhalter verwendet. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß sich mit dieser Maßnahme eine Stanznietverbindung herstellen läßt, bei der nicht nur die Oberseite, sondern auch die Unterseite der Stanznietverbindung eben bleibt, vorausgesetzt, daß das untere plattenförmige Werkstück eine ausreichende Dicke hat und die Einpreßkraft groß genug zum Einpressen des Stanzniets ist.
Es ist zweifellos überraschend, daß trotz der Volumenkonstanz des metallischen Werkstoffes während des Umformvorganges die Unterseite des unteren Werkstückes beim Nietvorgang eben bleibt. Es ist anzunehmen, daß der vom Stanzniet verdrängte Werkstoff der Werkstücke in die Seitenbereiche der Werkstücke ausweicht. Versuche haben jedenfalls gezeigt, daß sich aufgrund der Erfindung Stanznietverbindungen mit ebener Ober- und Unterseite herstellen lassen, die überdies noch folgende Vorteile haben:

1. Da bei dem erfindungsgemäßen Stanznieten der Stanzniet stärker als beim herkömmlichen Stanznieten gestaucht und gespreizt wird, hat das den Niet umschließende Material der Werkstücke eine größere verbleibende Wandstärke als beim herkömmlichen Stanznieten. Insbesondere wird dadurch die Gefahr, daß der Stanzniet beim Nietvorgang auch das untere Werkstück durchstanzt, erheblich verringert.
2. Da keine Matrizengravur vorhanden ist, kann es zu keine Exzentrizität zwischen Niet und Matrizengravur und somit auch nicht zu einer asymmetrischen Ausbildung der Nietverbindung kommen. Hierdurch wird ebenfalls die Gefahr, daß der Stanzniet das Material des unteren Werkstückes durchstanzt oder daß es zumindest zu ungleichen Wandstärken des den Stanzniet umschließenden Materials kommt, entsprechend verringert.
3. Da das Material des Stanzniets und der Werkstücke beim Nietvorgang nicht in eine Matrizengravur ausweichen kann, kommt es zu einer stärkeren Aufspreizung des Niets und zu höheren Druckspannungen im Material der Werkstücke. Dies führt zu einer höheren Festigkeit und insbesondere einer höheren Dauerfestigkeit der Nietverbindung.
4. Aufgrund der höheren Umformkräfte und stärkeren Verformung des Niets ist die Gefahr, daß es zu Lufteinschlüssen zwischen dem Kopf des Stanzniets und dem umgebenden Material des oberen Werkstückes – im Bereich des Radius des Nietkopfes – kommt, wesentlich geringer als beim herkömmlichen Stanznieten. Hierdurch wird der Eintritt eines korrosiven Mediums in die Grenzfläche zwischen Niet und Werkstücken verhindert, wodurch die Korrosionsgefahr herabgesetzt wird.

Gemäß einer anderen Lösung der Erfindung, bei der das obere Werkstück plattenförmig ausgebildet ist, wird als unteres Werkstück ein massives Werkstück verwendet, dessen Dicke gegenüber der Dicke des oberen plattenförmigen Werkstückes so groß ist, daß die Unterseite unverformt bleibt.
Bei dieser Lösung wird der Stanzniet – ähnlich wie beim Nageln – durch das obere Werkstück hindurch in das untere Werkstück eingetrieben. Da das untere Werkstück massiv – also „unendlich" dick – ausgebildet ist, kommt es an der Unterseite des unteren, vom Gegenhalter abgestützten Werkstücks, zu keiner Verformung. Die Unterseite des Werkstückes und somit der Gegenhalter können hierbei eine beliebige Form haben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zum Stanznieten vor dem Nietvorgang;
2 eine der 1 entsprechende Ansicht nach dem Nietvorgang;
3 eine der 2 entsprechende Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;
4, 5 Schnittansichten zweier Ausführungsformen eines Stanzniets.
Die in den 1 und 2 schematisch angedeutete Stanznietvorrichtung dient zum Verbinden zweier plattenförmiger Werkstücke 2, 4 mittels eines Stanzniets 6. Bei den plattenförmigen Werkstücken 2, 4 handelt es sich um Bleche, die aus einem kalt umformbaren Werkstoff wie z.B. Stahl, Aluminium, Magnesium oder einem anderen duktilen metallischen Werkstoff bestehen. Das obere Werkstück 2 kann auch aus einem Kunststoff wie z.B. kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) bestehen. Im übrigen können die beiden Werkstücke 2, 4 aus dem gleichen Werkstoff oder aber auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. So ist beispielsweise eine Kombination von Kunststoff und Stahl oder Aluminium oder eine Kombination von Magnesium und Aluminium oder Stahl möglich. Bestehen die Werkstücke 2, 4 aus unterschiedlichen. Werkstoffen, so besteht das untere Werkstück 4 zweckmäßigerweise aus dem weicheren Material wie z.B. Kunststoff oder Leichtmetall.
Der Stanzniet 6 ist ein herkömmlicher Halbhohlniet mit einem Kopf 15 und einem zylindrischen Schaft 16, der in einer Schneidkante 18 ausläuft (siehe auch 4).
Die Stanznietvorrichtung selbst besteht aus einer Setzeinheit 8, von der lediglich ein Stempel angedeutet ist, und einem Gegenhalter 10. Der Gegenhalter 10 ist, wie bereits eingangs erläutert, mit einer ebenen Gegenfläche 12 versehen, also ohne Gravur (Vertiefung) ausgebildet.
Wird der Niet 6 vom Stempel der Setzeinheit 8 nach unten getrieben, so durchstanzt er das obere Werkstück 2 und dringt in das untere Werkstück 4 ein, ohne es zu durchstanzen. Aufgrund der ebenen Gegenfläche 12 des Gegenhalters 10, die die Werkstücke 2, 4 in einem Bereich fluchtend zur Wirkungslinie A der Setzeinheit 8 abstützt, kann weder das Material des Stanzniets 6 noch das der Werkstücke 2, 4 nach unten ausweichen, so daß der Stanzniet 6 entsprechend stark ge spreizt und das umgebende Material der Werkstücke 2, 4 in seitlicher Richtung verformt wird. Die Folge ist eine Nietverbindung, die nicht nur an der Oberseite, sondern auch an der Unterseite eben ausgebildet ist.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, hat das untere Werkstück 4 eine größere Dicke als das obere Werkstück 2. Die Dicke des unteren Werkstücks 4 wie auch die von der Setzeinheit 8 aufgebrachte Einpreßkraft müssen so bemessen werden, daß es zu der in 2 dargestellten Form der Nietverbindung kommt.
Hierbei ist unter Umständen eine größere Einpreßkraft erforderlich als beim herkömmlichen Nieten, bei dem das verformte Material der Werkstücke in die Gravur der Matrize ausweichen kann. Zur Verringerung der maximal aufzubringenden Einpreßkraft kann daher die Setzeinheit so ausgebildet werden, daß sie einen pulsierenden Antrieb aufweist. Die Einpreßkraft wird daher nicht in einem einstufigen Vorgang, sondern in mehreren aufeinanderfolgenden Stößen bzw. Impulsen aufgebracht.
Wie schematisch dargestellt, ist ein Niederhalter 14 vorgesehen, der in herkömmlicher Weise die Werkstücke 2, 4 um die Nietstelle herum gegen die Gegenfläche 12 des Gegenhalters 10 andrückt. Der Niederhalter 14 kann von einer fest vorgegebenen Kraft (Feder) oder einer steuerbaren Kraft (Hydraulik- oder Pneumatikzylinder) beaufschlagt sein.
Der Stanzniet 6 kann auch eine von der in den 1, 2 und 4 dargestellten Form abweichende Form haben; beispielsweise kann er einen konisch verlaufenden Schaft 16' (5) haben, wobei der Konuswinkel je nach Anwendungszweck unterschiedlich gewählt werden kann.
Die in 2 dargestellte Stanznietverbindung hat die eingangs angegebenen Vorteile, d.h., eine relativ große Restwandstärke des den Nietfuß umgebenden Materials der Werkstücke 2, 4, exakte Rotationssymmetrie (wegen des Fehlens einer nichtfluchtenden Matrizengravur), hohe Festigkeit aufgrund hoher Druckspannungen, die durch das große Aufspreizverhältnis bedingt sind, sowie einen spaltfreien Formschluß zwischen Stanzniet 6 und dem umgebenden Material der Werkstücke 2, 4, insbesondere auch im Bereich des Radius des Schließkopfes 15 des Stanzniets.
Es versteht sich, daß sich in der beschriebenen Weise nicht nur zwei plattenförmige Werkstücke, sondern auch mehr als zwei plattenförmige Werkstücke fügen lassen.
Die Ausführungsform der 3 entspricht grundsätzlich der der 1, 2 und unterscheidet sich im wesentlichen von dieser nur dadurch, daß statt eines plattenförmigen unteren Werkstücks 4 ein massives Werkstück 4' vorgesehen ist, dessen Dicke so groß ist, daß eine Verformung der Unterseite des Werkstückes 4' bereits aufgrund der Masse des Werkstücks verhindert wird. Bei dieser Ausführungsform kommt es also, wie in 3 dargestellt, aufgrund der großen Dicke des unteren Werkstücks 4' zu keiner Verformung an der Unterseite des Werkstücks 4', wobei in diesem Fall die Unterseite des Werkstücks 4' wie auch die Gegenfläche 12 des Gegenhalters 10 nicht unbedingt eben zu sein brauchen, sondern beispielsweise auch eine gekrümmte oder unregelmäßige Form haben könnten. In diesem Fall dringt also der Stanzniet 6 ähnlich wie ein Nagel durch das obere Werkstück 2 hindurch in das untere Werkstück 4' ein, wobei es allerdings aufgrund der Aufspreizung des Stanzniets 6 und der dadurch bedingten Verformung des Werkstoffes der Werkstücke 2 und 4' zu einer formschlüssigen Verbindung kommt.

Claims

Verfahren zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznieten, bei dem ein Stanzniet mittels einer Setzeinheit in die flächig aufeinanderliegenden, an einem Gegenhalter abgestützten, plattenförmig ausgebildeten Werkstücke getrieben wird, wobei der Stanzniet das obere Werkstück durchstanzt und in das untere Werkstück eindringt, ohne es zu durchstanzen, um durch Aufweitung des Stanzniets und plastische Umformung des Materials der Werkstücke eine Formschlußverbindung zwischen diesen zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenhalter ein Amboß mit einer ebenen Gegenfläche verwendet wird, an der das untere Werkstück in einem Bereich fluchtend zur Wirkungslinie der Setzeinheit so abgestützt wird, daß die Unterseite des unteren Werkstückes beim Nietvorgang eben bleibt.
Verfahren zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznieten, bei dem ein Stanzniet mittels einer Setzeinheit in die flächig aufeinanderliegenden, von einem Gegenhalter abgestützten Werkstücke abgestützt wird, wobei der Stanzniet das plattenförmig ausgebildete obere Werkstück durchstanzt und in das untere Werkstück eindringt, ohne es zu durchstanzen, um durch Aufweitung des Stanzniets und durch plastische Umformung des Materials der Werkstücke eine Formschlußverbindung zwischen diesen zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß als unteres Werkstück ein massives Werkstück verwendet wird, dessen Dicke gegenüber der Dicke des oberen plattenförmigen Werkstückes so groß ist, daß die Unterseite des unteren Werkstückes beim Nietvorgang unverformt bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige untere Werkstück eine größere Dicke als das plattenförmige obere Werkstück hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen und unteren Werkstück ein weiteres platten förmiges Werkstück oder mehrere weitere plattenförmige Werkstücke vorgesehen sind, die von dem Stanzniet durchstanzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke aus einem Metall, insbesondere Stahl, Aluminium, Magnesium, oder einem Kunststoff bestehen, wobei die Werkstücke aus demselben Material oder verschiedenen Materialien bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Setzeinheit eine pulsierende Kraft zum Eintreiben des Stanzniets erzeugt.
Vorrichtung zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznieten, mit einem Gegenhalter (10) mit einer Gegenfläche (12), an der die flächig aufeinanderliegenden plattenförmig ausgebildeten Werkstücke (2, 4) abgestützt werden, und einer Setzeinheit (8), die bei Betätigung einen Stanzniet (6) in die Werkstücke (2, 4) so eintreibt, daß der Stanzniet (6) das obere Werkstück (2) durchstanzt und in das untere Werkstück (4) eindringt, ohne es zu durchstanzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenhalter (10) als Amboß mit ebener Gegenfläche (12) ausgebildet ist, an der das untere Werkstück (4) in einem Bereich fluchtend zur Wirkungslinie der Setzeinheit (8) so abgestützt wird, daß die Unterseite des unteren Werkstückes (4) beim Nietvorgang eben bleibt.
Vorrichtung zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznieten, mit einem Gegenhalter (10) mit einer Gegenfläche (12), an der die flächig aufeinanderliegenden Werkstücke (2, 4) abgestützt werden und einer Setzeinheit (8), die bei Betätigung einen Stanzniet (6) in die Werkstücke (2, 4) so eintreibt, daß der Stanzniet (6) das plattenförmig ausgebildete obere Werkstück (2) durchstanzt und in das untere Werkstück (4') eindringt, ohne es zu durchstanzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Setzeinheit (8) und der Gegenhalter (10) so ausgebildet sind, daß als unteres Werkstück (4') ein massives Werkstück einsetzbar ist, dessen Dicke gegenüber der Dicke des oberen plattenförmigen Werkstücks (2) so groß ist, daß die Unterseite des unteren Werkstückes (4') beim Nietvorgang unverformt bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen Niederhalter (14), der die Werkstücke (2, 4) während des Nietvorgangs in einem den Stanzniet (6) umgebenden Bereich mit einer fest vorgegebenen oder steuerbaren Kraft gegen den Gegenhalter (10) andrückt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Setzeinheit (8) einen pulsierend arbeitenden Antrieb aufweist.
Stanzniet (6) für das Verfahren oder die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Halbhohlniet ausgebildet ist, dessen Schaft (16, 16') im unverformten Zustand zylindrisch oder konisch verläuft.