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DE102010006400A1 - Verfahren zur Herstellung einer thermisch unterstützten Nagelverbindung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer thermisch unterstützten Nagelverbindung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen wenigstens zwei nicht vorgelochten Bauteilen in einem Fügebereich mittels eines von einem Setzgerät eingetriebenen Nagels. Erfindungsgemäß wird der Fügebereich der beiden Bauteile vor dem Eintreiben des Nagels lokal thermisch erweicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen wenigstens zwei nicht vorgelochten Bauteilen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Aus der DE 10 2006 002 238 A1 ist ein solches Verfahren, auch Hochgeschwindigkeitsfügen genannt, bekannt, das einen Nagel verwendet, der einen Nagelkopf mit einer an der Kopfunterseite vorgesehenen Ringnut, einen Nagelschaft und eine Nagelspitze aufweist. Der Nagel wird vom Treiber eines Setzgerätes mit hoher Geschwindigkeit in mindestens ein nicht vorgelochtes Bauteil im Wesentlichen drehungsfrei axial so eingetrieben, dass die Nagelspitze und der Nagelschaft in das Bauteil eindringen, der Nagelkopf an der Oberseite des Bauteils aufliegt und hierbei an der Oberseite des Bauteils ein Materialaufwurf gebildet wird, der in die Ringnut an der Kopfunterseite des Nagels vorsteht, sowie im nagelkopfabgewandten Bauteil an dessen Unterseite ein kraterförmiger Materialauswurf gebildet wird, der in nagelkopfabgewandter Richtung vorsteht. Dieses druckluftbetriebene Hochgeschwindigkeitsfügen erfordert nur eine einseitige Zugänglichkeit des Fügebereichs, so dass in der Regel auch auf eine Matrize verzichtet werden kann.
  • Mit einem solchen Hochgeschwindigkeitsfügen können Bauteile aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff mit oder ohne Faseranteil gefügt werden.
  • Um in der Automobilindustrie Gewichtsreduzierungen zu realisieren, kommen immer dünnere Bauteile aus hochfesten oder höchstfesten Stählen zum Einsatz, deren Umformverhalten nicht den bisher eingesetzten Stählen entspricht. Daher kann das oben beschriebene Hochgeschwindigkeitsfügen mit ungelochten Bauteilen nicht in allen Anwendungsfällen mit Bauteilen aus hoch- oder höchstfesten Stählen durchgeführt werden, sondern die Bauteile müssen bspw. vorgelocht werden, wodurch die Prozesszeiten verlängert und dadurch auch die Herstellungskosten ansteigen.
  • Neben dem Hochgeschwindigkeitsfügen sind weitere mechanische Verbindungsverfahren bekannt, die hinsichtlich Aufwand und Fügezeit nicht mit diesem Verfahren vergleichbar sind.
  • So ist bspw. aus der DE 198 52 809 A1 ein Stanznieten mittels Halbhohlniet oder Vollniet beschrieben, bei dem in der künftigen Umformzone eine lokal und zeitlich begrenzte Erwärmung der Fügeteile durch eine elektrische Widerstandserwärmung durchgeführt wird. Ein solches Stanznieten führt zu einem Formschluss zwischen den Fügepartnern.
  • Des weiteren ist aus der DE 1 440 747 A2 ein Stanznieten und ein Clinchverfahren bekannt, bei dem ebenfalls vor dem Fügen eine lokale Erwärmung der Fügepartner durchgeführt wird. Das Clinchverfahren ist aufgrund einer erforderlichen Matrize nur durchführbar, wenn der Fügebereich beidseitig zugänglich ist. Ein ähnliches Clinchverfahren beschreibt auch die DE 196 30 488 C2 , bei dem die Fügeteile an den Fügeflächen durch Kontakt mit vorgewärmten Werkzeugteilen oder durch berührungslose Wärmezufuhr erwärmt werden, bis die Fügeteile ein für das Umformen ausreichendes Formänderungsvermögen erhalten.
  • Diese zu einem Formschluss führenden Verbindungsverfahren weisen jedoch den Nachteil auf, dass Ihnen die Einfachheit des Hochgeschwindigkeitsfügens fehlt bzw. lange Prozesszeiten erfordern und daher zu hohen Fertigungskosten führen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, welche beim Hochgeschwindigkeitsfügen der eingangs beschriebenen Art den Einsatz von ungelochten Bauteilen aus hoch- und höchstfesten Werkstoffen ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
  • Bei einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren wird der Fügebereich der beiden Bauteile vor dem Eintreiben des Nagels lokal thermisch erweicht.
  • Der wesentlichste Vorteil einer solchen lokalen Erwärmung des Fügebereichs liegt darin, dass bspw. bei einem Bauteil aus einem hoch- oder höchstfesten Stahlwerkstoff durch die Erweichung eine bessere Klemmwirkung am Nagelschaft des eingetriebenen Nagels erzielt wird, ohne dass eine Vorlochung erforderlich ist oder die Prozesszeit verlängert werden muss. Fügeteile aus hoch- oder höchstfesten Werkstoffen können ohne starke Belastung gefügt werden, wobei gleichzeitig auch die Belastung des Setzwerkzeugs niedrig gehalten werden kann.
  • Ferner können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur auf Stahl-Bauteile aufliegende Aluminium-Bauteile gefügt werden, sondern auch umgekehrt auf Aluminium-Bauteile liegende Stahl-Bauteile.
  • Gegenüber dem Hochgeschwindigkeitsfügen ohne thermische Unterstützung lässt das erfindungsgemäße Verfahren auch das Fügen von dickeren Bauteilen aus hoch- oder höchstfesten Stahlwerkstoffen zu.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die thermische Erweichung des Fügebereichs der beiden Bauteile berührungslos, wodurch eine einfache und kostengünstige Realisierung ermöglicht wird.
  • Ferner wird in vorteilhafter Weise gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung die Erweichungstemperatur in Abhängigkeit des Materials der beiden Bauteile eingestellt.
  • Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung der Fügestelle zur thermischen Erweichung induktiv, durch Infrarotbestrahlung, durch Laserbestrahlung, durch Ultraschallbestrahlung oder ein Heißluftgebläse.
  • Gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Setzgerät eine Heizvorrichtung, die vorzugsweise als Induktionsheizung, als Infrarotheizung, als Laser, als Ultraschallheizung oder als Heizluftgebläse ausgebildet ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
  • 1 bis 4 eine schematische Darstellung von Prozessschritten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Setzgerät.
  • Die 1 bis 4 zeigen ein nur schematisch angedeutetes Setzgerät 5 in unterschiedlichen Prozessstellungen. Dieses Setzgerät 5 in Form eines Bolzenschussgerätes, einer Pulverkartusche oder dergleichen umfasst einen Schubkolben 7 der in einem rohrförmigen Mundstück 8 geführt wird. In diesem Mundstück 8 befindet sich ein in zwei zu fügende flächige Bauteile 1 und 2 einzutreibender Nagel bzw. Setzbolzen 4 mit einem Nagelkopf und einem eine Spitze aufweisenden Nagelschaft. Das Mundstück 8 wird in einem Fügebereich 3 auf das Bauteil 1 aufgesetzt, wobei dieser Fügebereich 3 durch einen Durchmesser a begrenzt wird.
  • Das Setzgerät 5 umfasst ferner eine Heizvorrichtung 6 zur thermischen Erweichung des Fügebereichs 3. Diese Heizvorrichtung 6 kann als Induktionsheizung, als Infrarotheizung, als Laser, als Ultraschallheizung oder als Heizluftgebläse ausgebildet sein, so dass sie das Mundstück 8 kreisförmig umgibt, um eine gleichmäßige Erwärmung des Materials der Bauteile 1 und 2 im Fügebereich 3 zu erzielen. Die Erweichungstemperatur hängt von den Materialien der zu fügenden Bauteile 1 und 2 ab. Um die Temperatur im Fügebereich 3 zu erfassen, zu überwachen und einzustellen, ist ein Temperatursensor (nicht dargestellt) vorgesehen.
  • 1 zeigt den ersten Prozessschritt, bei dem sich ein Nagel 4 in dem Mundstück 8 befindet, der Schubkolben 7 in seiner Anfangslage abgebildet ist. Bei diesem ersten Prozessschritt ist die Heizvorrichtung 6 aktiviert, um den Fügebereich 3 so lange zu erwärmen, bis das Material der beiden Bauteile 1 und 2 im Fügebereich 3 die erforderliche Temperatur erreicht hat, bei der dieses Material in seinen Erweichungszustand übergeht.
  • Im nächsten Prozessschritt gemäß 2 beginnt der Setzvorgang, indem der Schubkolben angetrieben mit hoher Geschwindigkeit v1 sich auf den Nagel bzw. Setzbolzen 4 zubewegt und ihn in Richtung der Bauteile 1 und 2 beschleunigt, wobei gleichzeitig die Heizvorrichtung abgeschaltet wird.
  • 3 zeigt den in die beiden Bauteile 1 und 2 eingetriebenen Nagel 4 mit dem in seiner Endlage sich befindenden Schubkolben 7, so dass die Spitze des Schaftes des Nagels 4 auf der Rückseite des Bauteils 2 austritt und dabei einen Materialaufwurf 9 erzeugt. Nach diesem Setzvorgang wird der Schubkolben 7 in seine Anfangslage zurückgezogen, wie dies 4 zeigt.
  • Anschließend wird das Setzgerät 5 zum nächsten Fügebereich 3 bzw. Fügestelle bspw. mittels eines Roboters geführt und dort mit dem nächsten Fügevorgang, d. h. zunächst mit der Erwärmung dieses nächsten Fügebereichs begonnen. Es ist auch möglich, die Heizvorrichtung derart an dem Setzgerät anzubringen, dass während der Setzphase bereits der nächste Fügebereich erwärmt wird, um damit ein kontinuierliches Hochgeschwindigkeitsfügen durchführen zu können, d. h. ohne dass das Setzgerät beim Anfahren eines Fügebereichs zur Erwärmung abgebremst werden muss, um nach der Setzphase wieder zum nächsten Fügebereich beschleunigt zu werden. Damit werden sehr kurze Taktzeiten erzielt.
  • Der in den 1 bis 4 dargestellte Nagel bzw. Setzbolzen 4 ist lediglich schematisch dargestellt, so dass das Verfahren nicht nur mit einer bestimmten Ausgestaltung bzw. Form, sondern mit allen dem Fachmann bekannten Formen solcher Nägel bzw. des Setzbolzen durchführbar ist.
  • Ähnliches gilt auch für die Materialien der zu fügenden Bauteile 1 und 2. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren mit Bauteilen aus hoch- und höchstfesten Stahlwerkstoffen einsetzbar, wobei auch eines der Bauteile 1 oder 2 aus Aluminium sein kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bauteil
    2
    Bauteil
    3
    Fügebereich
    4
    Nagel, Setzbolzen
    5
    Setzgerät
    6
    Heizvorrichtung
    7
    Schubkolben
    8
    Mundstück
    9
    Materialaufwurf auf der Unterseite des Bauteils 2
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006002238 A1 [0002]
    • DE 19852809 A1 [0006]
    • DE 1440747 A2 [0007]
    • DE 19630488 C2 [0007]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen wenigstens zwei nicht vorgelochten Bauteilen (1, 2) in einem Fügebereich (3) mittels eines von einem Setzgerät (5) eingetriebenen Nagels (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Fügebereich (3) der beiden Bauteile (1, 2) vor dem Eintreiben des Nagels (4) lokal thermisch erweicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Erweichung des Fügebereichs (3) der beiden Bauteile (1, 2) berührungslos erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweichungstemperatur in Abhängigkeit des Materials der beiden Bauteile (1, 2) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Fügebereichs (3) zur thermischen Erweichung induktiv erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Fügebereichs (3) zur thermischen Erweichung durch Infrarotbestrahlung erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass die Erwärmung der Fügebereichs (3) zur thermischen Erweichung durch Laserbestrahlung erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Fügebereichs (3) zur thermischen Erweichung durch Ultraschallbestrahlung erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Fügebereichs (3) zur thermischen Erweichung durch ein Heißluftgebläse erfolgt.
  9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Setzgerät (5) eine Heizvorrichtung (6) umfasst.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (6) als Induktionsheizung ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (6) als Infrarotheizung ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (6) als Laser ausgebildet ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (6) als Ultraschallheizung ausgebildet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (6) als Heizluftgebläse ausgebildet ist.
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