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WO2023025535A1 - Nietverbindung - Google Patents

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Info

Publication number
WO2023025535A1
WO2023025535A1 PCT/EP2022/071658 EP2022071658W WO2023025535A1 WO 2023025535 A1 WO2023025535 A1 WO 2023025535A1 EP 2022071658 W EP2022071658 W EP 2022071658W WO 2023025535 A1 WO2023025535 A1 WO 2023025535A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rivet
hole
component
shank
setting process
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/071658
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Rintelmann
Jan-Oliver Brassel
Original Assignee
Audi Planung GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi Planung GmbH filed Critical Audi Planung GmbH
Publication of WO2023025535A1 publication Critical patent/WO2023025535A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B19/00—Bolts without screw-thread; Pins, including deformable elements; Rivets
    • F16B19/04—Rivets; Spigots or the like fastened by riveting
    • F16B19/08—Hollow rivets; Multi-part rivets
    • F16B19/086—Self-piercing rivets

Definitions

  • the invention relates to a riveted connection according to the preamble of claim 1 and a component with a pilot hole with an activation contour for producing such a riveted connection according to claim 10.
  • a rivet element is driven into a component with its shank, while maintaining a residual base thickness in the component and expanding the rivet shank.
  • the cross-section of the rivet shank is reduced in the undeformed state.
  • the shank of the rivet has an expanded cross-section.
  • such a rivet connection is produced in a setting process, in which the rivet element has an expanded rivet head and a rivet shank with an open inner curvature at the rivet shank tip.
  • the component without a pre-hole is clamped between a die and a holding-down device of a setting device.
  • the rivet element is driven in with a predefined setting force, as a result of which the rivet shank tip expands radially outwards over an expansion distance.
  • the rivet shank tip is framed by the component material in a form-fitting manner. This causes a relative movement, for example caused by springback of the rivet shank after spreading, because this causes a deformation of the
  • a joint connection is known from DE 10 2018 122 200 A1.
  • a punch riveting process is known from WO 95/35174 A1.
  • DE 10 2015 014 941 A1 discloses a method for producing a connection between a functional element and a plate-shaped component.
  • the object of the invention is to provide a rivet connection in which the rivet element is secured in a simple manner against unintentional detachment from the component.
  • the invention is based on a rivet connection in which a rivet element with its hollow rivet shank is driven into, in particular precisely one component in a setting direction, specifically with the rivet shank being spread open.
  • the component In the non-deformed state, the component has a blind hole-like pilot hole at the joint to be produced.
  • In the expanded state a base-side wall section of the hollow rivet shank element is at a Circumferential wall of the pilot hole driven into the component material.
  • an activation contour is formed in the component pilot hole, which controls a transfer of the rivet element from the undeformed state to the expanded state in the setting process.
  • the activation contour is implemented as an expanding cone protruding from the bottom of the pre-hole.
  • the foot-side wall section of the rivet shank can turn over counter to the setting direction with the help of the activation contour.
  • a head-side wall section of the rivet shank therefore merges at a fold-over edge remote from the rivet head into the base-side wall section protruding in the direction of the rivet head.
  • the rivet shank acts as a bistable spring section that has two states of equilibrium. A first state of equilibrium corresponds to the cross-sectionally reduced, non-deformed rivet element state. The effect of the setting force causes the rivet shank to switch to the second state of equilibrium, in which the rivet shank is braced with an expanded cross-section in the pre-hole in the component.
  • the transition to the expanded state takes place essentially without the build-up of a restoring force that prestresses the rivet element in the direction of the non-deformed state.
  • this active principle there is no need for a form-fitting, complete enclosing of the expanded rivet shank, as would be the case in a conventional setting process.
  • the folded-over foot-side wall section of the rivet shank can penetrate into the component material on the pre-hole peripheral wall, while the head-side wall section and/or the folded-over edge remain without material contact with the component material.
  • the activation contour formed in the pre-hole in the component can also have an annular groove, which surrounds the expansion cone at its cone base.
  • the ring groove can merge radially outwards into the peripheral wall of the pre-hole at an inner corner area, in particular a rounded area.
  • the expansion cone in combination with the ring groove and the pre-hole inner corner area lead to a foldover of the foot-side wall section of the rivet shank, as described above.
  • a setting process that can be carried out with the activation contour according to the invention is described below:
  • the rivet element can sit with its cutting edge on the cone surface of the expanding cone.
  • the rivet element can slide with its cutting edge along the cone surface in the direction of the ring groove without penetrating the component material.
  • the base-side wall section of the rivet shank is pre-expanded with thinning of the material.
  • the material-thinned, foot-side wall section of the rivet shank is guided from the expansion cone into the ring groove.
  • the base-side cutting edge of the rivet element is driven into the component material on the peripheral wall of the pre-hole.
  • a pre-expansion of the rivet shank takes place in the setting process at the expansion cone. Due to the pre-expansion, the rivet shank is conically expanded from its dimensionally stable, cylindrical undeformed state. The conical widening of the rivet shank takes place while reducing the wall thickness of the shank wall. This reduces the dimensional stability of the rivet shank. In the further course of the setting process, the rivet shank can therefore be transferred to its expanded state in a process-reliable manner. For a process-reliable course of the setting process, it is important that the rivet element does not penetrate the component material with its cutting edge at the expansion cone at the beginning of the setting process.
  • a cutting flank on the cutting edge can have a cutting edge angle that corresponds approximately to a cone angle that is spanned between the cone surface of the expanding cone and a right-angled plane. This ensures that the cutting edge of the rivet element can slide along the lateral surface of the expanding cone in the direction of the ring groove without penetrating into the component material.
  • the peripheral wall of the preliminary hole can merge into a component surface on the setting side at a preliminary hole opening edge.
  • the peripheral wall of the pre-hole can expand conically from the bottom-side pre-hole inner corner area to the pre-hole opening wheel or run in a cylindrical shape.
  • the pilot hole diameter is preferably dimensioned larger than the outside diameter of the rivet shank. In this way, the rivet element can be easily pre-positioned in the pre-hole in the component in preparation for the setting process with hole play.
  • the rivet element has a rivet head, the underside of which rests on the opening edge area of the pilot hole opening of the component after the setting process has taken place. Therefore, the pre-hole diameter at the pre-hole opening edge is smaller than a head diameter of the rivet head.
  • the rivet element is designed to be rotationally symmetrical to a longitudinal axis of the rivet element.
  • the rivet shank can have a cylindrical shape on the outside.
  • the rivet shank can be implemented as a hollow cylinder, resulting in a constant wall thickness of the shank wall along the longitudinal axis of the rivet element.
  • the rivet element can have a rivet element length of 2 to 5 mm, for example, in the non-deformed state.
  • the wall thickness of the shank wall of the rivet shank in the non-deformed state can be in a range between 0.3 and 0.7 mm, in particular 0.5 mm.
  • the rivet element can be made, for example, from a wire material suitable for welding, or from a conventional cold-forming steel, in which a deformation limit is exceeded, in particular during overspreading, i.e. when folding over during the setting process, at which the rivet element hardens. Material occurs, which is advantageous in terms of increased connection strength between the rivet element and the component.
  • a die can be dispensed with during the setting process, the die engraving of which supports the spreading of the rivet shank. Instead, the component can be clamped between a hold-down device and a planar anvil during the setting process.
  • the component can preferably be made of a material that is softer than tool steel, for example, such as a die-cast material, that is to say, for example, die-cast aluminum.
  • Figs. 3 to 5 are views showing a setting process; and 6 and 7 are views of a conventional setting process, respectively.
  • FIGS. 6 and 7, on the basis of which a riveted connection known from the prior art is described.
  • the rivet connection shown in FIG. 6 consists of a rivet element 1 and a component 3.
  • the rivet element 1 is rotationally symmetrical with respect to a longitudinal axis L of the rivet element.
  • the rivet element 1 has an expanded rivet head 9, on the upper side of which a functional section 19, e.g. a coarse thread, is formed.
  • the rivet head 9 merges into a rivet shank 11 in the axial direction.
  • the rivet shank 11 is divided into a head-side solid rivet shank section 13 and an adjoining hollow-cylindrical rivet shank wall 17. This ends at an annular circumferential cutting edge 15 and delimits an inner curvature 14 open at the rivet shank tip.
  • the setting process takes place with the aid of a setting device, which in FIGS.
  • the matrix engraving is designed in such a way that the rivet shank 11 is supported to spread radially outwards during the setting process.
  • the component 3 without a pre-hole is clamped between the die 30 and the hold-down device 27 .
  • the rivet element 1 is driven in by the setting piston 29 with a predefined setting force F, as a result of which the rivet shank tip expands radially outwards over an expansion path.
  • the setting force F introduced into the rivet element 3 is divided at a crest point above the inner curvature 14 into load paths, which in FIG. 6 or 7 extend along imaginary expansion lines 16 (indicated by dashed lines).
  • the spreading lines 16 span a spreading angle a.
  • the rivet element 1 is driven in by a setting stroke up to a bottom dead center T (FIG. 7).
  • T is the end face of The rivet shank tip is in contact with the component material and the spread angle a is increased (compared to FIG. 6). This results in an undercut between the rivet head 9 and the widened tip of the rivet shank, which is almost completely filled with component material.
  • the rivet element 1 In the setting process (FIGS. 6 and 7), the rivet element 1 is not only deformed plastically but also elastically, specifically with the build-up of a restoring force that prestresses the rivet element 1 in the direction of the non-deformed state.
  • the rivet shank 11 in FIG. 7 In order to prevent springing back into the non-deformed state, the rivet shank 11 in FIG. 7 is surrounded almost completely by component material in a form-fitting manner.
  • a relative movement for example caused by the resilience of the rivet shank 11 after spreading, is prevented, because this would require a deformation of the component 3 .
  • the rivet element 1 In this way, the rivet element 1 is reliably secured against loosening.
  • the component material In order to bring about such a form-fitting enclosing of the rivet shank by means of the component material, the component material must have sufficiently high flowability or ductility.
  • the rivet connection according to the invention can also be realized with a component 3 whose flowability or ductility is reduced compared to the prior art (for example a component made of die-cast aluminum).
  • the rivet element 3 is not secured by a complete form-fit enclosing of the rivet shank 11 by means of the component material, but by the securing mechanism described below with reference to Figures 1 to 5:
  • the rivet element 1 is driven into a component pre-hole 5, which extends conically to a pre-hole depth t and terminates there with a pre-hole bottom.
  • an activation contour 31 is formed in the component pilot hole 5, which controls the transfer of the rivet element 1 from the undeformed state to the expanded state in the setting process.
  • the activation contour 31 has an expanding cone 33 protruding from the bottom of the pre-hole, which is surrounded at its cone foot by an annular groove 35 formed in the bottom of the pre-hole.
  • the ring groove 35 merges radially outwards at a rounded inner corner area 37 into a peripheral wall 39 for the pre-hole.
  • the smooth-surfaced peripheral wall 39 of the pre-hole extends slightly conically from the inner corner region 37 of the pre-hole to a pre-hole opening edge 41 on the component surface on the setting side.
  • a base-side wall section 43 of the hollow rivet shank 11 is driven into the component material with its cutting edge 15 on the peripheral wall 39 of the pre-hole.
  • the pilot hole diameter dv is dimensioned larger than the rivet shank outer diameter dA, so that the rivet element 1 can be prepositioned with a hole clearance in the component pilot hole 5 in preparation for the setting process.
  • the pre-hole diameter dv is also dimensioned smaller than a head diameter dK of the rivet head 9. Its underside is in contact with the opening edge area of the component pre-hole 5 after the setting process has taken place cylindrical.
  • the inner curvature 14 of the rivet shank 11 is implemented as a hollow cylinder, resulting in a constant wall thickness w of the shank wall along the longitudinal axis of the rivet element.
  • the rivet element 1 is designed overall to be rotationally symmetrical to the longitudinal axis L of the rivet element.
  • the activation contour 31 can reliably transfer the rivet shank 11 to the spread state in the further setting process.
  • the cutting edge 15 of the rivet element 1 is driven into the component material on the circumferential wall 39 of the preliminary hole.
  • two cutting flanks 45, 47 converge on the rivet foot, forming the cutting edge 15.
  • the radially inner cutting edge 45 spans a cutting edge angle ⁇ with a plane perpendicular to the longitudinal axis L of the rivet element. This corresponds to a cone angle ⁇ , which is spanned between the cone surface of the expansion cone 33 and a plane perpendicular to the longitudinal axis L of the rivet element. This ensures that the cutting edge 15 reliably slides in the direction of the annular groove 35 during the setting process without penetrating the component material.
  • the foot-side wall section 43 of the rivet shank 11 is turned over counter to the setting direction S in the setting process.
  • a head-side wall section 49 therefore merges at a fold-over edge 51 remote from the rivet head into the base-side wall section 43 protruding in the direction of the rivet head 9 .
  • the turned-up foot-side wall section 43 extends in the circumferential direction continuous and plate-shaped around the head-side wall section 49. It should be emphasized that only the folded-over foot-side wall section 43 penetrates the component material with its cutting edge 15 of the rivet shank 11 on the pre-hole peripheral wall 39, while the head-side wall section 49 remains without material contact with the component material.
  • the rivet shank 11 thus acts like a bistable spring section, which changes over to the expanded spread state during the setting process.
  • the expanded state (FIG. 1 or FIG. 5) is characterized in that, in contrast to the prior art, essentially no springback force is built up in the rivet shank 11, which prestresses the rivet element 1 in the direction of the non-deformed state. Therefore, according to the invention, an almost completely form-fitting enclosing of the rivet shank 11 in the component material can be dispensed with.
  • the setting device according to the invention does not have a die with die engraving as counter-holder 30, but rather a planar anvil.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Insertion Pins And Rivets (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung, bei der ein Nietelement (1) mit seinem hohlen Nietschaft (11) in, insbesondere genau ein Bauteil (3) in Setzrichtung (S) eingetrieben ist, und zwar unter Aufspreizung des Nietschafts (11), wobei das Bauteil (3) im unverformten Zustand an der herzustellenden Fügestelle ein sacklochartiges Vorloch (5) aufweist, und wobei im Spreiz- Zustand ein fußseitiger Wandabschnitt (43) des hohlen Nietschafts (11) mit seiner Schneidkante (15) an einer Vorloch-Umfangswand (39) in das Bauteilmaterial eingetrieben ist. Erfindungsgemäß ist im Bauteil-Vorloch (5) eine Aktivierungskontur (31) ausgebildet, die im Setzprozess ein Überführen des Nietelements (1) vom unverformten Zustand in den Spreizzustand steuert. Die Aktivierungskontur (31) weist einen vom Vorloch-Boden vorragenden Spreizkegel (33) auf.

Description

Beschreibung
Nietverbindung
Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Bauteil mit einem Vorloch mit Aktivierungskontur für die Erzeugung einer solchen Nietverbindung nach Anspruch 10.
Bei einer gattungsgemäßen Nietverbindung ist ein Nietelement mit seinem Nietschaft in ein Bauteil eingetrieben, und zwar unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke im Bauteil sowie unter Aufspreizung des Nietschaftes. Der Nietschaft ist im noch unverformten Zustand querschnittsreduziert. Im eingetriebenen Zustand weist der Nietschaft einen ausgeweiteten Querschnitt auf.
Im Stand der Technik wird eine solche Nietverbindung in einem Setzprozess erzeugt, bei dem das Nietelement einen ausgeweiteten Nietkopf sowie einen Nietschaft mit an der Nietschaftspitze offener Innenwölbung aufweist. Bei einem Setzvorgang ist das vorlochfreie Bauteil zwischen einer Matrize und einem Niederhalter eines Setzgerätes geklemmt. Das Nietelement wird mit einer vordefinierten Setzkraft eingetrieben, wodurch sich die Nietschaftspitze über einen Spreizweg nach radial außen ausweitet. Dadurch ergibt sich eine Hinterschneidung zwischen dem Nietkopf und der ausgeweiteten Nietschaftspitze, die mit Bauteilmaterial gefüllt ist. Die Nietschaftspitze ist dabei formschlüssig von Bauteilmaterial eingefasst. Dadurch wird eine Relativbewegung, zum Beispiel hervorgerufen durch Rückfederung des Nietschaftes nach dem Spreizen, verhindert, weil dafür eine Verformung des
Bauteils erforderlich wäre.
Bei Verwendung von Bauteilmaterial mit geringer Duktilität, zum Beispiel Aluminium-Druckguss, ist ein solches formschlüssiges Umfassen der Nietschaftspitze nur eingeschränkt möglich, sodass es nach dem Setzprozess zu einer Rückfederung des Nietschaftes (nach dem Spreizen) kommt. Von daher ist das Nietelement nicht ausreichend gegen ein Lösen gesichert. Zudem besteht bei Bauteilmaterial mit geringer Duktilität die Gefahr von Kerbbildung, die zu einem frühzeitigen Bauteilriss oder -bruch führen kann.
Aus der DE 10 2018 122 200 A1 ist eine Fügeverbindung bekannt. Aus der WO 95/35174 A1 ist ein Stanznietprozess bekannt. Aus der DE 10 2015 014 941 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Verbindung zwischen einem Funktionselement und einem plattenförmigen Bauteil bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Nietverbindung bereitzustellen, bei der das Nietelement in einfacher Weise gegen ein unbeabsichtigtes Lösen vom Bauteil gesichert ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Nietverbindung aus, bei der ein Nietelement mit seinem hohlen Nietschaft in, insbesondere genau ein Bauteil in einer Setzrichtung eingetrieben wird, und zwar unter Aufspreizung des Nietschafts. Das Bauteil weist im unverformten Zustand an der herzustellenden Fügestelle ein sacklochartiges Vorloch auf. Im Spreiz-Zustand ist ein fußseitiger Wandabschnitt des hohlen Nietschaftelements mit seiner Schneidkante an einer Vorloch-Umfangswand in das Bauteilmaterial eingetrieben. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist im Bauteil-Vorloch eine Aktivierungskontur ausgebildet, die im Setzprozess ein Überführen des Nietelements vom unverformten Zustand in den Spreiz-Zustand steuert. Die Aktivierungskontur ist als ein, vom Vorloch-Boden vorragender Spreizkegel realisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann mit Hilfe der Aktivierungskontur der fußseitige Wandabschnitt des Nietschafts im Setzprozess entgegen der Setzrichtung umschlagen. Ein kopfseitiger Wandabschnitt des Nietschafts geht daher an einer nietkopffernen Umschlagkante in den, in Richtung Nietkopf ragenden, fußseitigen Wandabschnitt über. In diesem Fall kommt zur Sicherung des Nietelements am Bauteil das folgende Wirkprinzip zum Einsatz: So wirkt der Nietschaft als ein bistabiler Federabschnitt, der zwei Gleichgewichtszustände aufweist. Ein erster Gleichgewichtszustand entspricht dem querschnittsreduzierten, unverformten Nietelement-Zustand. Durch Einwirken der Setzkraft schlägt der Nietschaft in den zweiten Gleichgewichtszustand um, in dem der Nietschaft mit einem ausgeweiteten Querschnitt im Bauteil-Vorloch verspreizt ist. Das Umschlagen in den Spreiz- Zustand erfolgt im Wesentlichen ohne Aufbau einer Rückstellkraft, die das Nietelement in Richtung unverformten Zustand vorspannt. Bei diesem Wirkprinzip kann auf ein formschlüssiges, komplettes Umfassen des ausgeweiteten Nietschafts verzichtet werden, wie es in einem herkömmlichen Setzprozess der Fall wäre. Vielmehr kann bevorzugt lediglich der umgeschlagene fußseitige Wandabschnitt des Nietschafts an der Vorloch- Umfangswand in das Bauteilmaterial eindringen, während der kopfseitige Wandabschnitt und/oder die Umschlagkante ohne Materialeingriff mit dem Bauteilmaterial verbleiben. Die im Bauteil-Vorloch ausgebildete Aktivierungskontur kann zusätzlich eine Ringkehle aufweisen, die den Spreizkegel an seinem Kegelfuß umzieht. Die Ringkehle kann radial nach außen an einem, insbesondere gerundeten Inneneckbereich in die Vorloch-Umfangswand übergehen. Speziell der Spreizkegel in Kombination mit der Ringkehle sowie dem Vorloch- Inneneckbereich führen zu einem Umschlagen des fußseitigen Wandabschnittes des Nietschafts, wie es oben beschrieben ist.
Nachfolgend ist ein mit der erfindungsgemäßen Aktivierungskontur durchführbarer Setzprozess beschrieben: So kann zu Beginn des Setzprozesses das Nietelement mit seiner Schneidkante auf der Kegelmantelfläche des Spreizkegels sitzen. Durch Einwirken der Setzkraft kann das Nietelement mit seiner Schneidkante entlang der Kegelmantelfläche in Richtung Ringkehle gleiten, ohne in das Bauteilmaterial einzudringen. Auf diese Weise wird der fußseitige Wandabschnitt des Nietschafts unter Materialverdünnung vorgespreizt. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses wird der materialverdünnte, fußseitige Wandabschnitt des Nietschafts vom Spreizkegel in die Ringkehle geführt. Zum Abschluss des Setzprozesses wird die fußseitige Schneidkante des Nietelements an der Vorloch-Umfangswand in das Bauteilmaterial eingetrieben.
Wie oben erwähnt, findet im Setzprozess am Spreizkegel eine Vorspreizung des Nietschafts statt. Durch die Vorspreizung wird der Nietschaft von seinem formstabilen, zylindrischen unverformten Zustand konisch ausgeweitet. Die konische Ausweitung des Nietschafts erfolgt unter Reduzierung der Wandstärke der Schaftwandung. Dadurch reduziert sich die Formstabilität des Nietschafts. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses kann daher der Nietschaft prozesssicher in seinen Spreiz-Zustand überführt werden. Für einen prozesssicheren Ablauf des Setzvorganges ist es von Bedeutung, dass das Nietelement mit seiner Schneidkante zu Beginn des Setzprozesses nicht am Spreizkegel in das Bauteilmaterial eindringt. Vor diesem Hintergrund kann eine Schneidflanke an der Schneidkante einen Schneidenwinkel aufweisen, der in etwa einem Kegelwinkel entspricht, der zwischen der Kegelmantelfläche des Spreizkegels und einer rechtwinkligen Ebene aufgespannt ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das Nietelement mit seiner Schneidkante entlang der Kegelmantelfläche des Spreizkegels in Richtung Ringkehle abgleiten kann, ohne in das Bauteilmaterial einzudringen.
Die Vorloch-Umfangswand kann an einem Vorloch-Öffnungsrand in eine setzseitige Bauteil-Oberfläche übergehen. Dabei kann sich die Vorloch- Umfangswand vom bodenseitigen Vorloch-Inneneckbereich bis zum Vorloch- Öffnungsrad konisch ausweiten oder zylinderförmig verlaufen. Der Vorloch- Durchmesser ist bevorzugt größer bemessen als der Nietschaft- Außendurchmesser. Auf diese Weise kann das Nietelement in Vorbereitung auf den Setzprozess mit Lochspiel leichtgängig in dem Bauteil-Vorloch vorpositioniert werden.
Das Nietelement weist einen Nietkopf auf, dessen Unterseite nach erfolgtem Setzprozess auf den Öffnungsrandbereich der Vorloch-Öffnung des Bauteils aufliegt. Von daher ist der Vorloch-Durchmesser am Vorloch-Öffnungsrand kleiner bemessen als ein Kopfdurchmesser des Nietkopfes.
Im Hinblick auf eine kostengünstige Herstellung ist es bevorzugt, wenn das Nietelement rotationssymmetrisch zu einer Nietelement-Längsachse ausgeführt ist. Im unverformten Zustand kann der Nietschaft außenseitig zylindrisch ausgebildet sein. Zudem kann der Nietschaft hohlzylindrisch realisiert sein, wodurch sich eine konstante Wandstärke der Schaftwandung entlang der Nietelement-Längsachse ergibt. In einer konkreten Ausgestaltung kann das Nietelement im unverformten Zustand eine Nietelementlänge von beispielhaft 2 bis 5 mm aufweisen. Die Wandstärke der Schaftwandung des Nietschafts kann im unverformten Zustand in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,7 mm liegen, insbesondere bei 0,5 mm. Zudem kann das Nietelement je nach Anwendungsfall zum Beispiel aus einem schweißgeeigneten Drahtwerkstoff, oder aus einem herkömmlichen Kaltschlagstahl gefertigt sein, bei dem insbesondere bei der Überspreizung, das heißt beim Umschlagen während des Setz prozesses, eine Umformgrenze überschritten wird, bei der eine Verfestigung des Nietelement-Materials eintritt, die im Hinblick auf eine gesteigerte Verbindungsfestigkeit zwischen dem Nietelement und dem Bauteil von Vorteil ist. Erfindungsgemäß kann während des Setzprozess auf eine Matrize verzichtet werden, deren Matrizengravur ein Aufspreizen des Nietschafts unterstützt. Anstelle dessen kann das Bauteil im Setzprozess zwischen einem Niederhalter und einem ebenflächigen Ambos zwischengeklemmt sein.
Das Bauteil kann bevorzugt aus einem, zum Beispiel im Vergleich zu werkzeugstahlweicherem Werkstoff gefertigt sein, etwa einem Druckgusswerkstoff, das heißt zum Beispiel Aluminiumdruckguss.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig.1 Eine Nietverbindung in einer Querschliff-Ansicht;
Fig. 2 eine Explosionsdarstellung des Nietelements sowie des Bauteils jeweils im un verformten Zustand;
Fig. 3 bis 5 Ansichten, anhand derer ein Setzprozess veranschaulicht ist; und Fig. 6 und 7 jeweils Ansichten eines konventionellen Setzprozesses.
Im Hinblick auf ein einfacheres Verständnis der Erfindung wird zunächst Bezug auf die Figuren 6 und 7 genommen, anhand derer eine aus dem Stand der Technik bekannte Nietverbindung beschrieben ist. Die in der Figur 6 gezeigte Nietverbindung besteht aus einem Nietelement 1 und einem Bauteil 3. Das Nietelement 1 ist mit Bezug auf eine Nietelement-Längsachse L rotationssymmetrisch ausgebildet. Zudem weist das Nietelement 1 einen ausgeweiteten Nietkopf 9 auf, an dessen Oberseite ein Funktionsabschnitt 19, z.B. ein Grobgewinde, ausgebildet ist. Der Nietkopf 9 geht in Achsrichtung in einen Nietschaft 1 1 über. Der Nietschaft 11 ist aufgeteilt in einen kopfseitigen Nietschaft-Vollmaterialabschnitt 13 und in eine daran anschließende hohlzylindrische Nietschaftwand 17. Diese schließt an einer ringförmig umlaufenden Schneidkante 15 ab und begrenzt eine an der Nietschaftspitze offene Innenwölbung 14.
Der Setzprozess erfolgt mit Hilfe eines Setzgeräts, das in den Figuren 6 oder 7 einen Niederhalter 27, einen Setzkolben 29 und eine Matrize als Gegenhalter 30 aufweist. Die Matrizengravur ist derart ausgebildet, dass im Setzvorgang ein Aufspreizen des Nietschaftes 11 nach radial außen unterstützt wird. Bei einem Setzvorgang ist das vorlochfreie Bauteil 3 zwischen die Matrize 30 und dem Niederhalter 27 geklemmt. Das Nietelement 1 wird vom Setzkolben 29 mit einer vordefinierten Setzkraft F eingetrieben, wodurch sich die Nietschaftspitze über einen Spreizweg nach radial außen ausweitet. Die in das Nietelement 3 eingeleitete Setzkraft F teilt sich an einer Scheitelstelle oberhalb der Innenwölbung 14 in Lastpfade auf, die sich in der Figur 6 oder 7 entlang von gedachten (gestrichelt angedeuteten) Spreizlinien 16 erstrecken. Die Spreizlinien 16 spannen einen Spreizwinkel a auf. Beim Setzvorgang (Figur 7) wird das Nietelement 1 um einen Setzhub bis zu einem unteren Totpunkt T (Figur 7) eingetrieben. Im unteren Totpunkt T befindet sich die Stirnseite der Nietschaftspitze in Kontakt mit dem Bauteilmaterial und ist der Spreizwinkel a (im Vergleich zur Figur 6) vergrößert. Dadurch ergibt sich zwischen dem Nietkopf 9 und der ausgeweiteten Nietschaftspitze eine Hinterschneidung, die nahezu komplett mit Bauteilmaterial gefüllt ist.
Im Setzvorgang (Figuren 6 und 7) wird das Nietelement 1 nicht nur plastisch, sondern auch elastisch verformt, und zwar unter Aufbau einer Rückstellkraft, die das Nietelement 1 in Richtung unverformtem Zustand vorspannt. Um eine Rückfederung in den unverformten Zustand zu verhindern, ist in der Figur 7 der Nietschaft 11 nahezu komplett formschlüssig von Bauteilmaterial eingefasst. Dadurch wird eine Relativbewegung, zum Beispiel hervorgerufen durch die Rückfederung des Nietschaftes 11 nach dem Spreizen, unterbunden, weil dafür eine Verformung des Bauteils 3 erforderlich wäre. Auf diese Weise ist das Nietelement 1 zuverlässig gegen ein Lösen gesichert. Um ein solches formschlüssiges Einfassen des Nietschafts mittels des Bauteilmaterials zu bewerkstelligen, ist eine ausreichend große Fließfähigkeit bzw. Duktilität des Bauteilmaterials erforderlich.
In Abkehr davon kann die erfindungsgemäße Nietverbindung auch mit einem Bauteil 3 realisiert werden, dessen Fließfähigkeit bzw. Duktilität im Vergleich zum Stand der Technik reduziert ist (zum Beispiel ein Bauteil aus Aluminiumdruckguss). Erfindungsgemäß erfolgt nämlich die Sicherung des Nietelements 3 nicht durch ein vollständiges formschlüssiges Einfassen des Nietschafts 11 mittels des Bauteilmaterials, sondern durch den nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 5 beschriebenen Sicherungsmechanismus:
Gemäß der Figur 1 ist das Nietelement 1 in ein Bauteil-Vorloch 5 eingetrieben, das sich konusartig bis zu einer Vorlochtiefe t erstreckt und dort mit einem Vorloch-Boden abschließt. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass im Bauteil-Vorloch 5 eine Aktivierungskontur 31 ausgebildet ist, die im Setzprozesse die Überführen des Nietelements 1 vom unverformten Zustand in den Spreiz-Zustand steuert. Die Aktivierungskontur 31 weist einen vom Vorloch-Boden vorragenden Spreizkegel 33 auf, der an seinem Kegelfuß von einer, im Vorloch-Boden ausgebildeten Ringkehle 35 umzogen ist. Die Ringkehle 35 geht radial nach außen an einem gerundeten Inneneckbereich 37 in eine Vorloch-Umfangswand 39 über. In den Figuren 1 bis 5 erstreckt sich die glattflächige Vorloch-Umfangswand 39 vom Vorloch-Inneneckbereich 37 bis zu einem Vorloch-Öffnungsrand 41 an der setzseitigen Bauteil-Oberfläche geringfügig konisch ausgeweitet.
Gemäß der Figur 1 ist ein fußseitiger Wandabschnitt 43 des hohlen Nietschafts 11 mit seiner Schneidkante 15 an der Vorloch-Umfangswand 39 in das Bauteilmaterial eingetrieben.
Wie aus der Figur 2 hervorgeht, ist der Vorloch-Durchmesser dv größer bemessen als der Nietschaft-Außendurchmesser dA, sodass das Nietelement 1 in Vorbereitung auf den Setzprozess mit einem Lochspiel im Bauteil-Vorloch 5 vorpositionierbar ist. Der Vorloch-Durchmesser dv ist zudem kleiner bemessen als ein Kopfdurchmesser dK des Nietkopfes 9. Dessen Unterseite ist nach erfolgtem Setzprozess in Anlage mit dem Öffnungsrandbereich des Bauteil- Vorloches 5. Wie aus der Figur 2 weiter hervorgeht, ist der Nietschaft 11 im unverformten Zustand außenseitig zylindrisch ausgebildet. Die Innenwölbung 14 des Nietschafts 11 ist hohlzylindrisch realisiert, wodurch sich über die Nietelement-Längsachse eine konstante Wandstärke w der Schaftwandung ergibt. Das Nietelement 1 ist insgesamt rotationssymmetrisch zur Nietelement- Längsachse L ausgeführt.
Nachfolgend wird anhand der Figuren 3 bis 5 ein erfindungsgemäßer
Setzprozess beschrieben: Zu Beginn des Setzprozesses (Figur 3) wird das Nietelement 1 mit seiner Schneidkante 15 in Anlage mit der Kegelmantelfläche des Spreizkegels 33 gebracht. Das Nietelement 1 ist dabei koaxial zum Spreizkegel 33 ausgerichtet. Mit Einleitung der Setzkraft F gleitet das Nietelement 1 mit seiner Schneidkante 15 entlang der Kegelmantelfläche in Richtung Ringkehle 35. Auf diese Weise wird der fußseitige Wandabschnitt 43 des Nietschafts 11 vorgespreizt. Durch die Vorspreizung weitet sich einerseits der zylindrische Nietschaft 11 konisch aus. Andererseits reduziert sich durch die konische Ausweitung des Nietschafts 11 speziell am fußseitigen Wandabschnitt 43 die Wandstärke w. Aufgrund der konischen Ausweitung sowie der reduzierten Wandstärke w kann die Aktivierungskontur 31 im weiteren Setzprozess den Nietschaft 1 1 prozesssicher in den Spreiz-Zustand überführen. Zum Abschluss des Setzprozesses (Figur 5) wird die Schneidkante 15 des Nietelements 1 an der Vorloch-Umfangswand 39 in das Bauteilmaterial eingetrieben.
Wie aus der Figur 2 hervorgeht, laufen am Nietfuß zwei Schneidflanken 45, 47 unter Bildung der Schneidkante 15 zusammen. Die radial innere Schneidkante 45 spannt mit einer zur Nietelement-Längsachse L rechtwinkligen Ebene einen Schneidenwinkel ß auf. Dieser entspricht einem Kegelwinkel y, der zwischen der Kegelmantelfläche des Spreizkegels 33 und einer zur Nietelement- Längsachse L rechtwinkligen Ebene aufgespannt ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass im Setzprozess die Schneidkante 15 prozesssicher in Richtung Ringkehle 35 abgleitet, ohne in das Bauteilmaterial einzudringen.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Aktivierungskontur 31 wird der fußseitige Wandabschnitt 43 des Nietschafts 11 im Setzprozess entgegen der Setzrichtung S umgeschlagen. In der fertiggestellten Nietverbindung geht daher ein kopfseitiger Wandabschnitt 49 an einer nietkopffernen Umschlagkante 51 in den, in Richtung Nietkopf 9 ragenden fußseitigen Wandabschnitt 43 über. Der umgeschlagene fußseitige Wandabschnitt 43 erstreckt sich in Umfangsrichtung durchgängig sowie tellerförmig um den kopfseitigen Wandabschnitt 49. Es ist hervorzuheben, dass lediglich der umgeschlagene fußseitige Wandabschnitt 43 mit seiner Schneidkante 15 des Nietschafts 11 an der Vorloch-Umfangswand 39 in das Bauteilmaterial eindringt, während der kopfseitige Wandabschnitt 49 ohne Materialeingriff mit dem Bauteilmaterial verbleibt.
Der Nietschaft 11 wirkt somit wie ein bistabiler Federabschnitt, der im Setzprozess in den ausgeweiteten Spreiz-Zustand umschlägt. Der Spreiz- Zustand (Figur 1 oder Figur 5) zeichnet sich dadurch aus, dass im Gegensatz zum Stand der Technik im Wesentlichen keine Rückfederkraft im Nietschaft 11 aufgebaut wird, die das Nietelement 1 in Richtung unverformtem Zustand vorspannt. Von daher kann erfindungsgemäß auf ein nahe komplett formschlüssiges Einfassen des Nietschafts 11 in das Bauteilmaterial verzichtet werden.
Gemäß den Figuren 3 bis 5 weist das erfindungsgemäße Setzgerät als Gegenhalter 30 keine Matrize mit Matrizengravur, sondern einen ebenflächigen Amboss auf.
Bezuqszeichenliste
1 Nietelement
3 Bauteil
5 Vorloch
9 Nietkopf
11 Nietfuß
13 Nietfuß-Vollmaterialabschnitt
14 Innenwölbung
15 Aufsetzkante
16 Spreizlinien
17 Nietfußwand
19 Funktionsabschnitt
27 Niederhalter
29 Setzkolben
30 Amboss
31 Aktivierungskontur
33 Spreizkegel
35 Ringkehle
37 Inneneckbereich
39 Vorloch-Umfangswand
41 Vorloch-Öffnungsrand
43 fußseitiger Wandabschnitt
45, 47 Schneidenflanken
49 kopfseitiger Wandabschnitt
51 Umschlag kante dA Schaft-Außendurchmesser dK Kopfdurchmesser dv Vorlochdurchmesse w Wandstärke F Setzkraft S Setzrichtung
L Nietelement-Längsachse a Spreizwinkel ß Schneidenwinkel
Y Kegel winkel t Vorloch-Tiefe

Claims
Patentansprüche Nietverbindung, bei der ein Nietelement (1 ) mit seinem hohlen Nietschaft (11) in, insbesondere genau ein Bauteil (3) in Setzrichtung (S) eingetrieben ist, und zwar unter Aufspreizung des Nietschafts (11), wobei das Bauteil
(3) im unverformten Zustand an der herzustellenden Fügestelle ein sacklochartiges Vorloch (5) aufweist, und wobei im Spreiz-Zustand ein fußseitiger Wandabschnitt (43) des hohlen Nietschafts (11) mit seiner Schneidkante (15) an einer Vorloch- Umfangswand (39) in das Bauteilmaterial eingetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bauteil-Vorloch (5) eine Aktivierungskontur (31) ausgebildet ist, die im Setzprozess ein Überführen des Nietelements (1) vom unverformten Zustand in den Spreizzustand steuert, und dass die Aktivierungskontur (31) einen vom Vorloch-Boden vorragenden Spreizkegel (33) aufweist. Nietverbindung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungskontur (31) eine im Vorloch-Boden ausgebildete Ringkehle (35) aufweist, die den Spreizkegel (33) an seinem Kegelfuß umzieht, und dass insbesondere die Ringkehle (33) radial nach außen an einem insbesondere gerundeten Inneneckbereich (37) in die Vorloch- Umfangswand (39) übergeht. Nietverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Setzprozesses das Nietelement (1) mit seiner Schneidkante (15) auf der Kegelmantelfläche des Spreizkegels (33) sitzt und anschließend entlang der Kegelmantelfläche in Richtung Ringkehle (35) gleitet, so dass sich der fußseitige Wandabschnitt (43) des Nietschafts (1 1) unter Materialverdünnung vorspreizt, und dass insbesondere im weiteren Verlauf des Setzprozesses der materialverdünnte fußseitige Wandabschnitt (43) des Nietschafts (11) vom Spreizkegel (33) in die Ringkehle (35) führbar ist, und dass zum Abschluss des Setzprozesses die fußseitige Schneidkante (15) des Nietelements (1) an der Vorloch-Umfangswand (39) in das Bauteilmaterial eintreibbar ist.
4. Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im unverformten Zustand des Nietelements (1) am Nietfuß zwei Schneidflanken (45, 47) unter Bildung der Schneidkante (15) zusammenlaufen, und dass eine der Schneidkanten (45) mit einer zur Nietelement-Längsachse (L) rechtwinkligen Ebene einen Schneidenwinkel (ß) aufspannt, und dass der Schneidenwinkel (a) einem Kegelwinkel (y) entspricht, der zwischen der Kegelmantelfläche und der rechtwinkligen Ebene aufgespannt ist.
5. Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Aktivierungskontur (31 ), insbesondere mittels der Ringkehle (35) und des Vorloch- Inneneckbereiches (37), der fußseitige Wandabschnitt (43) des Nietschafts (11) im Setzprozess entgegen der Setzrichtung (S) umschlägt, so dass insbesondere ein kopfseitiger Wandabschnitt (49) an einer nietkopffernen Umschlagkante (51) in den in Richtung Nietkopf (9) ragenden fußseitigen Wandabschnitt (43) übergeht, und dass insbesondere lediglich der umgeschlagene fußseitige Wandabschnitt (43) des Nietschafts (1 1) an der Vorloch-Umfangswand (39) mit seiner Schneidkante (15) in das Bauteilmaterial eindringt, während der 16 kopfseitige Wandabschnitt (49) und/oder die Umschlagkante (51) ohne Materialeingriff mit dem Bauteilmaterial verbleiben. Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorloch-Umfangswand (39) an einem Vorloch-Öffnungsrand (41) in eine Bauteil-Oberfläche übergeht, und dass insbesondere die Vorloch-Umfangswand (39) sich vom Vorloch- Inneneckbereich (37) bis in Richtung Vorloch-Öffnungsrand (41) konisch ausweitet oder zwischen dem Vorloch-Inneneckbereich (37) und dem Vorloch-Öffnungsrand (41) zylinderförmig verläuft. Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorloch-Durchmesser (dv) größer bemessen ist als der Nietschaft-Außendurchmesser (dA), so dass das Nietelement (1) mit Lochspiel in dem Bauteil-Vorloch (5) vorpositionierbar ist. Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorloch-Durchmesser (dv) am Vorloch- Öffnungsrand (41) kleiner bemessen ist als ein Kopfdurchmesser (di<) des Nietkopfes (9), so dass nach erfolgtem Setzprozess die Nietkopf- Unterseite in Anlage mit dem Öffnungsrandbereich des Bauteil- Vorloches (5) ist. Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im unverformten Zustand der Nietschaft (11) außenseitig zylindrisch sowie bevorzugt mit konstanter Wandstärke ausgebildet ist und/oder rotationssymmetrisch zu einer Nietelement- Längsachse (L) ist. 17 Bauteil mit einem Vorloch (5) mit Aktivierungskontur (31) für die Erzeugung einer Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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