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DE10124920A1 - Verfahren zum Verbinden von Teilen mit Verbindungselementen - Google Patents

Verfahren zum Verbinden von Teilen mit Verbindungselementen

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Publication number
DE10124920A1
DE10124920A1 DE2001124920 DE10124920A DE10124920A1 DE 10124920 A1 DE10124920 A1 DE 10124920A1 DE 2001124920 DE2001124920 DE 2001124920 DE 10124920 A DE10124920 A DE 10124920A DE 10124920 A1 DE10124920 A1 DE 10124920A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
rivet
anvil
sonotrode
joined
connection
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
DE2001124920
Other languages
English (en)
Inventor
Uwe Lehmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HOERMANN ENGINEERING GMBH, 09112 CHEMNITZ, DE
Original Assignee
Hoermann Rawema 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 Hoermann Rawema GmbH filed Critical Hoermann Rawema GmbH
Priority to DE2001124920 priority Critical patent/DE10124920A1/de
Publication of DE10124920A1 publication Critical patent/DE10124920A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Arbeitsverfahren in Verbindung mit dem des Maschinenbaus, insbesondere das Verbinden von Teilen im Nietverfahren mit einteiligen oder mehrteiligen Nietformen. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Lösung geht vom Stanznietverfahren aus und sieht erfindungsgemäß vor, dass Niete unter bestimmten definierten Bedingungen mit Hilfe von Ultraschall einerseits mit dem zu fügenden Teil andererseits mit anderen Verbindungselementen stoffschlüssig verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Arbeitsverfahren in Verbindung mit dem des Maschinenbaus, insbesondere das Verbinden von Teilen im Nietverfahren mit einteiligen oder mehrteiligen Nietformen.
Allgemein bekannt sind eine Reihe von form-, kraft- und stoffschlüssigen Verbindungen, einschließlich der Verfahren ihrer Herstellung, um Teile oder Bleche miteinander verbinden zu können. Jedes dieser Verbindungselemente und Verfahren ist durch bestimmte Eigenschaften und den sich daraus ergebenden Vor- und Nachteilen gekennzeichnet. Um Bleche miteinander verbinden zu können, werden demzufolge auch Niete, so auch Stanzniete im Nietverfahren eingesetzt. Besonders bedeutungsvoll wurde die Art der Stanzniete mit dem Einzug des Werkstoffes Aluminium in den Karosseriebau der Automobilindustrie. Diese Verbindungsart mit ihrer -technologie und ihren -elementen wird seither sehr häufig und insbesondere bei der Herstellung von Aluminiumkarosserien eingesetzt. Natürlich ist auch dieser Stanzniet mit Nachteilen behaftet, die sich darin manifestieren, dass folgende, nicht immer erfüllbare Voraussetzungen gegeben sein müssen, um diese Verbindung sicher im Hinblick auf ihre Herstellung für den späteren Gebrauch der Erzeugnisse zu gestalten, was eine sogenannte "stanznietgerechte" Gestaltung der Verbindung voraussetzt:
  • - Der Stanzniet muß einen ersten Fügepartner durchdringen können.
  • - Ein zweiter Fügepartner muss in bestimmten Maße umformbar sein.
  • - Bestimmte Materialdicken und -festigkeiten ergeben Einsatz- und technologische Grenzen.
Hierzu sind als nächstgelegener Stand der Technik die Schriften DE 196 48 231 A1 und die dieser sehr nahegelegenen DE 197 00 627 A1 zu benennen. Das in diesen Schriften dargestellte Stanznietverfahren besitzt ausser den vorgenannten drei wesentlichen Nachteilen, insbesondere den der begrenzten Blechdicke und weil die Umformung noch möglich sein muß, die begrenzte Materialfestigkeit, darüber hinaus noch den Mangel, dass kein Fügen mit kompakten Körpern möglich ist. Federnde Eigenschaften innerhalb der Verbindung sind nicht möglich. Die gerade für dies zwei technischen Lösung darzustellenden Nachteile, die die o. g. für Stanznietverbindungen zusammenfassend dargestellten Nachteile bestätigen, lassen sich wie folgt darstellen.
Beim Stanznieten müssen die Fügepartner im gewissen Grade umformbar sein, da die erste Matrialschicht, hier in beiden Fällen die oben aufliegende, vom Stanzniet durchstoßen und die zweite Materialschicht stark umgeformt wird. Die zu verbindenden Blechstärken sind durch die übliche Nietlänge relativ begrenzt uns müssen somit relativ dünn gehalten werden. Im Falle der DE 197 00 627 A1 ist mit Sicherheit die Mediendichtheit der Verbindung nicht gewährleistet, da beide Bleche durchstossen werden. Bei der technischen Lösung nach DE 196 48 231 A1 ist die Mediendichtheit zumindest ernsthaft deswegen in Frage zu stellen, da die hohe Verformumg der zweiten Blechschicht durchaus ein Rissbildung in dieser Blechschicht bewirken kann, zumindest ist dies nicht mit absoluter Sicherheit auszuschließen. Somit stellt auch diese technische Lösung bezüglich der Mediendichtheit einen hohen Unsicherheitsgrad dar. Zum Setzen der Stanznieten sind hohe Stanznietenzangenkräfte notwendig. Eine Mischbauweise mit Metallen und Nichtmetallen (z. Bsp. Kunststoffe) ist beim Stanznieten nicht möglich. Beim Stanznieten werden nur kreisrunde Nietquerschnitte verwendet, damit ist keine Verdrehsicherheit zwischen den Blechen gegeben.
Der verstärkte Einsatz von höher- bzw. hochfesten Blechen, auch solcher Aluminiumbleche, beseitigt die bisherigen technischen und wirtschaftlichen nachteiligen Wirkungen des bekannten Standes der Technik nicht und löst somit auch nicht das Problem, verstärkt es eher noch, in dem sich insbesondere der Fahrzeugkarosseriebau befindet. Die Mediendichtheit der bisherigen Nietverbindungen ist wiederum an bestimmte, teilweise eingrenzende, somit nachteilige, Materialeigenschaften der Fügepartner gebunden.
Von den Mängeln und ihren Ursachen beim oben dargestellten Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Nietverfahren bereitzustellen, welches unabhängig von den o. g. bisherigen Voraussetzungen ist und darüber hinaus eine wesentlich höhere Verbindungssicherheit und Mediendichtheit, damit weit höhere Gebrauchssicherheit der Nietverbindung aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Entsprechend der vorgeschlagenen Erfindung werden zunächst alle Teile der zukünftigen Nietverbindung genau positioniert. Danach wird beim Einsatz einteiliger Verbindungselemente ein Kraft- und Formschluss zwischen dem Amboss und dem zugehörigen, zu fügenden Teil und bei Anwendung von mehrteiligen Verbindungselementen gleichbedeutend zwischen dem Amboss und der dem Amboss zugewandten Niethältfe durch definierte Auflage des Ambosses auf dem zu fügenden Teil oder auf dem Nietkopf sowie ein Kraft- und Formschluss zwischen der Sonotrode und dem dieser Sonotrode zugewandtem Niet gleichfalls durch definierte Auflage der Sonotrode auf dem Nietkopf hergestellt. Den Formschluss kann eine formangepasste Eindrehung oder Einsenkung auf dem Gegenstück des Ambosses oder eine wellige, zackige, geriffelt oder anders uneben gestaltete Oberfläche des Ambosses bei gleichzeitigem Eindrücken dieser so ausgestalteten Oberfläche des Ambosses in das zugehörige Gegenstück, das zu fügende Teil oder der Nietkopf, herstellen. Im weiteren werden Amboss und Sonotrode gegeneinander bewegt und vermittels dessen die Kraftkomponenten 1 und 1' aufgebaut. Unter definierten Bedingungen bringt die Sonotrode unter Ultraschallabgabe bei gleichfalls definierter Frequenz den Niet, einschließlich der angrenzenden Kontaktzone im zu fügenden Teil, zur Schwingung. Gleiches geschieht beim Einsatz mehrteiliger Verbindungselemente an den Schaftenden der Niete. Die Kontaktfläche zwischen Nietschaftende und zu fügendem Teil einerseits oder zwischen den beiden Nietschaftenden andererseits werden beidseitig aufschmolzen und ein Verschmelzen der unter Druckeinwirkung kontaktierten Teile wird bewirkt. Während und/oder nach dem Aufschmelzen erfolgt eine weitere Relativbewegung von Sonotrode und Amboss gegeneinander bis der bis dahin, bezogen auf das zugewandte zu fügende Teil, noch berührungsfrei gelegene Nietkopf satt auf dem zu fügenden Teil zur Auflage kommt. Mit dieser Verfahrensweise können mehr als nur zwei zu fügende Teile nietend verbunden werden. Das nach Verfahrensdurchführung entstandene Verbindungselement wird bei der Verfahrensdurchführung als einteiliges oder mehrteiliges Verbindungselement bzw. aus mehreren Nieten eingesetzt. Die verfahrensgemäß einzusetzenden Verbindungselemente Niet sind bei einteiliger Ausführung in ihrer einzelnen Schaftlänge und bei mehrteiliger Ausführung in der Summe ihrer Schaftlängen länger ausgestaltet als die Einzeldicke der dem Niet bei einteiliger Ausführung anliegendem Blech oder als bei mehrteiliger Ausführung die Summe der einzelnen hierzu zugehörigen Dicken der zu fügenden Teile. Die Schäfte der Niete können voll oder hohl ausgebildet sein Als Verbindungselemente können Niete in der Bauart von Tellerfedern eingesetzt werden. Verfahrensgemäß wird abschließend ein Form- Kraft- und Stoffschluss in der Verbindung hergestellt.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch nachfolgende vorteilhafte Wirkungen aus. Beim Einsatz einteiliger Verbindungselemente wird ein mediendichter Abschluss erreicht. Es sind auch spröde und sehr harte Metalllegierungen verbindbar. Im Gegensatz zum vergleichbaren Stand der Technik gemäß DE 197 00 627 A1 sind bei der vorgeschlagenen Verfahrensweise auch Verbindungen mit sehr hohen Blechdicken bzw. mit Kompaktbauteilen möglich. Ein Ausknicken des Nietes durch die hohen Nietsetzkräfte wie bei den DE 197 00 627 A1 und DE 196 48 231 A1 ist nicht möglich, da beim Herstellen der Verbindung keine großen Druckkräfte zwischen den Ultraschallnieten und Blechen notwendig sind. Darüber hinaus garantiert diese Verfahrensweise Verdrehsicherheit bei den zu fügenden Teilen, da auch nichtkreisrunde Verbindungsquerschnitte einsetzbar sind. Durch den Einsatz von Nieten, die als Tellerfedern ausgebildet sind, bzw. denen man solche Funktionen geben kann, kann eine definierte Vorspannung durch Federwirkung in der Verbindung vorgesehen werden. Bei der Verfahrensweise mit zweiteiligem Niet kann das Nietmaterial mit dem Material des jeweils anliegenden Bleches in Übereinstimmung gebracht werden, wodurch im Außenbereich Korrosionswirkungen durch das Aneinanderliegen unterschiedlicher Materialien vermieden werden. Jedoch können auch alle Materialien miteinander gefügt werden und es ist auch eine Hybridbauweise zwischen Metallen und Nichtmetallen (z. B. Kunststoffen) möglich
Nachfolgende Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung näher erläutern.
Es zeigen:
Fig. 1 Senkrechte Schnittdarstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Nietverfahrens mit einem einteiligen Niet
Fig. 2 Senkrechte Schnittdarstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Nietverfahrens mit einem mehrteiligen Niet
Ausführungsbeispiel 1
Zunächst wird das Positionieren der Teile der Anordnung zur Durchführung des Nietverfahrens und der zu vernietenden Teile 4 und 5 in dieser sowie des Nietes 7 in der Bohrung des Teiles 4 vorgenommen. Zwischen Amboss 2 und dem zu fügenden Teil 5 wird Kraft- und Formschluss durch eine gezackte Oberfläche 9 des Ambosses 2 und des Hineindrückens dieser Oberfläche 9 in das zu fügende Teil 5 hergestellt. Gleichzeitig wird auch der Kraft- und Formschluss durch definierte Auflage der Sonotrode 3 auf den Nietkopf 7.1 vermittels einer ebenfalls gezackten Fläche 9 an der Sonotrode 3 und deren hineindrücken in den Nietkopf 7.1 zwischen dem Niet 7 und der Sonotrode 3 hergestellt. Es wirken Amboss 2 und Sonotrode 3 mit einer Kraft 1 und 1' gegeneinander. Die Sonotrode 3 wirkt als mit Ultraschall bewegtes Vorrichtungselement. Die Sonotrode 3 schwingt mit dem Niet 7 in einer definierten Frequenz. Das zu fügende Teil 5 wird durch den Amboss 2 in Ruhe gehalten. Bei der Vorschubbewegung der Sonotrode 3 gegen den Amboss 2 wird der Niet 7 gegen das zu fügende Teil 5 gedrückt. Dabei berührt der Niet 7 mit dem Nietschaft 7.2 zuerst das zu fügende Teil 5. Der Nietkopf 7.1 bleibt noch bezogen auf das zu fügende Teil mit diesem berührungsfrei. Durch definierte Verfahrensbedingungen in bezug auf Druck und Ultraschallfrequenz wird an der Berührungsfläche zwischen Nietschaft 7.2 und dem zu fügende Teil 5 eine Schweißzone gebildet. Durch das Verschmelzen des Nietschafts 7.2 mit dem zu fügende Teil 5 verkürzt sich die Länge des Nietschafts 7.2 so weit, bis der Nietkopf 7.1 satt auf dem zu fügenden Teil zur Auflage kommt. Bei entsprechender Materialabstimmung zwischen Niet und zu verbindenden Material kann zusätzlich der Nietkopf mit der entstandenenen Auflagefläche verschweißt werden. Die Verbindung erhält somit einen Form und bisher noch nicht gekannten Stoffschluss. Wird der Nietkopf in Form einer Tellerfeder konstruktiv ausgestaltet, wird eine weitere neue Wirkung, nämlich die einer Vorspannkraft in der neuartig erzeugten Verbindung erreicht. Solche Nietverbindungen mit durch das Herstellungsverfahren integrierter Vorspannkraft sind dem Fachmann bisher unbekannt.
Ausführungsbeispiel 2
Diese Ausführungsbeispiel zeigt das vorteilhafte erfinderische Verfahren am Beispiel mehrteiliger Vernietung. Hierbei wird mit einer Niethälfte 7 und einer Niethälfte 8 gearbeitet. Durch definierte Auflagen auf den Nietköpfen 7.1 und 8.1 werden analog zum Ausführungsbeispiel 1 nach den erforderlichen Positionierungen Form- und Kraftschluss zum Amboss 2 wie auch zur Sonotrode 3 hergestellt. Auch hierbei wirken Amboss 2 und Sonotrode 3 mit einer Kraft 1 und 1' gegeneinander. Die Sonotrode 3 schwingt mit dem Niet 7 in einer definierten Frequenz. Die Niethälfte 8 wird durch den Amboss 2 in Ruhe gehalten.
Bei der Vorschubbewegung der Sonotrode 3 gegen den Amboss 2 wird der Niet 7 gegen das zu fügende Teil 5 gedrückt. Durch die Vorschubbewegung der Sonotrode 3 gegen den Amboss 2 kommt es zur Berührung der beiden Nietschäfte 7.2 und 8.2. Der Nietkopfe 7.1, 8.1 bleibt zunächst ohne Berührung zum zu fügenden Teil 4, 5. Durch gleichfalls definierte Verfahrensbedingungen in bezug auf Druck und Ultraschallfrequenz wird an der Berührungsfläche zwischen Nietschaft 7.2 und dem Nietschaft 8.2 eine Schweißzone gebildet. Durch das Verschmelzen der beiden Nietschäfte 7.2 und 8.2 verkürzt sich die Länge der beiden Nietschäfte so weit, bis die Nietköpfe 7.1 und 8.1 jeweils satt auf den zu fügenden Teilen 4 und 5 zur Auflage kommen. Bei entsprechender Materialabstimmung zwischen Niet und zu verbindenden Material kann zusätzlich der Nietkopf mit der entstandenenen Auflagefläche verschweißt werden. Auch hierbei erhält die Verbindung einen Form- und bisher derartig nicht bekannten Stoffschluss, sowie bei Tellerfederausgestaltung der beiden Niethälften eine bisher nicht bewirkbare Vorspannkraft innerhalb der Nietverbindung. Daraus ergeben sich für die Produkte im Fahrzeug- und Anlagenbau nachfolgend dargestellte weitere besonders günstige technische Wirkungen und Vorteile. Es lassen sich Hybridbauweisen somit Verbindungen von Metallen und Nichtmetallen realisierten. Blechverbindungen mit mindestens einer völlig glatten und mediensichten Oberflächenseite sind hertsellbar. Es ist eine Positionierung von Bauteilen und Blechen durch Verdrehsicherung möglich.

Claims (9)

1. Verfahren zur Verbindung von Teilen mit Verbindungselementen ausgestaltet als Nietverfahren dadurch gekennzeichnet,
dass nach vorausgehender Positionierung der Nietvorrichtung und aller Teile der zukünftigen Nietverbindung ein Kraft- und Formschluss zwischen dem Amboss (2) und dem zu fügenden Teil (5), gleichbedeutend zwischen dem Amboss (2) und der Niethälfte (8) durch definierte Auflage des Ambosses (2) auf dem zu fügenden Teil (5)/dem Nietkopf (8.1) einerseits sowie ein Kraft- und Formschluss zwischen der Sonotrode (3) und dem Niet (7) durch definierte Auflage der Sonotrode (3) auf dem Nietkopf (7.1) hergestellt wird,
dass daraufhin Amboss (2) und Sonotrode (3) gegeneinander bewegt werden und vermittels dessen die Kraftkomponenten 1 und 1' aufgebaut werden,
dass unter definierten Bedingungen die Sonotrode (3) unter Ultraschallabgabe den Niet (7) in definierter Frequenz zur Schwingung bringt, einschließlich der angrenzenden Kontaktzone (6) im zu fügenden Teil (5), gleichbedeutend am Nietschaftende (8.2) wobei die Kontaktzone (6) beidseitig aufschmilzt und ein Verschmelzen der unter Druckeinwirkung kontaktierten Teile vorgenommen wird,
dass danach eine weitere Relativbewegung von Sonotrode (3) und Amboss (2) gegeneinander erfolgt, bis der bis dahin, bezogen auf das zu fügende Teil (4, 5) noch berührungsfrei gelegene Nietkopf (7.1, 8.1) satt auf dem zu fügenden Teil (4, 5) zur Auflage kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Formschluss durch eine formangepasste Eindrehung oder Einsenkung auf dem Gegenstück des Ambosses (2) oder eine wellige, zackige, geriffelt oder anders uneben gestaltete Oberfläche (9) des Ambosses (2) bei gleichzeitigem Eindrücken dieser so ausgestalteten Oberfläche (9) des Ambosses (2) in das zugehörige Gegenstück, das zu fügende Teil (5) oder der Nietkopf (8.1), hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass gleichartiger Formschluss zwischen Sonotrode (3) und dem Niet (7) hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehr (Y) als nur zwei zu fügende Teile (4, 5) nietend verbunden werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nach Verfahrensdurchführung entstandene Verbindungs­ element bei der Verfahrensdurchführung als einteiliges (7) oder mehrteiliges Verbindungselement (7 + 8 + . . . + X) bzw. aus mehreren Nieten (7, 8, . . . X) bestehend, eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verfahrendgemäß einzusetzenden Verbindungselemente Niet (7) (bei einteiliger Ausführung in ihrer einzelnen Schaftlänge und bei mehrteiliger Ausführung in der Summe ihrer Schaftlängen länger ausgestaltet sind als die Einzeldicke der dem Niet bei einteiliger Ausführung anliegendem Blech (4) oder als bei mehrteiliger Ausführung die Summe der einzelnen hierzu zugehörigen Dicken der zu fügenden Teile (4, 5, Y).
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verbindungselemente verfahrensgemäß einzusetzenden Schäfte (7.2, 8.2) der Niete voll oder hohl ausgebildet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur verfahrensgemäßen Durchführung als Verbindungselemente (7, 8) Niete in der Bauart von Tellerfedern eingesetzt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ergebnis des Verfahrens ein Form- Kraft- und Stoffschluss in der Verbindung hergestellt wird.
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