DE102012202242A1

DE102012202242A1 - Verfahren zum Fügen und Stanzniet

Info

Publication number: DE102012202242A1
Application number: DE102012202242A
Authority: DE
Inventors: Rolf Bense; Eugen Gorr; Jörg Jendrny
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2013-08-14
Also published as: US20130205576A1

Abstract

Offenbart sind ein Verfahren zum Fügen von Formteilen mit einem Stanzniet, wobei bei zu stanzenden Formteilen ein Stanzloch zumindest abschnittsweise radial aufgeweitet wird, sowie ein Stanzniet, der einen Verformungsabschnitt hat, der einen größeren Außendurchmesser als ein Stanzabschnitt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Formteilen mit einem Stanzniet sowie einen Stanzniet zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Ein bekanntes Verfahren zum Fügen von Formteilen ist das sogenannte Stanznieten mit Vollniet. Das Stanznieten findet häufig im Automobilbau bzw. allgemein in der blechverarbeitenden Industrie bei dünnen Blechen verschiedenster metallischer Materialien Anwendung. Geeignete Materialien sind bspw. Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium oder eisenhaltige Metalle wie Stahl. Das Stanznieten erlaubt jedoch auch das Fügen eines metallischen Formteils mit einem kunststoffbasierten Formteil und somit die Herstellung von Hybrid-Verbindungen.
Das Stanznieten mit Vollstanzniet beruht auf einem kombinierten Lochen und Druckumformen der Formteile, bei dem ein starrer Vollniet eine Kraft und formschlüssige Punktverbindung erzeugt. Zur Herstellung der Verbindung werden die Formteile, wie beispielsweise in der Patentanmeldung DE 10 2009 044 888 A1 oder in dem Patent US 6,244,808 B1 gezeigt, mittels eines Niederhalters auf einer Matrize fixiert. Dann wird der Stanzniet mittels eines Nietstempels durch die Formteile getrieben und diese somit gelocht. Durch die Kontur der Matrize und die über Nietstempel und Niederhalter aufgebrachte Druckkraft fließt der Werkstoff des matrizenseitigen Formteils in eine umlaufende Schaftnut des Stanzniets. Der Werkstofffluss ist dabei entgegen bzw. quer zur Stanzrichtung. Gleichzeitig wird der Stanznietkopf gegen das stempelseitige Formteil gedrückt bzw. wenn dieser ein Senkkopf ist in das stempelseitige Formteil eingeprägt. Der Hauptfestigkeitsanteil der Verbindung beruht auf dem Formschluss, der sich aus der Hinterschneidung am Stanznietkopf und der Ausfüllung der Schaftnut des Stanznietes ergibt. Ein Nachteil der Stanznietverbindungen ist, dass diese im Vergleich zu Bolzenverbindungen eine relativ geringe Schwingfestigkeit aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Fügen von Formteilen und einen Stanzniet zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile beseitigen und zu einer verbesserten Schwingbeanspruchung einer Fügeverbindung führen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 1 und durch einen Stanzniet mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fügen von Formteilen mit einem Stanzniet wird beim Stanzen der Formteile zumindest abschnittsweise ein Stanzloch radial aufgeweitet.
Erfindungsgemäß wird beim Stanznieten ein Stanzloch in die Formteile eingebracht, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des eigentlichen Stanznietschaftes ist, so dass der Stanzniet direkt in einer Presspassung mit einer entsprechenden Kaltverformung in das Stanzloch gedrückt wird. Die Kaltverformung bzw. radiale Aufweitung bewirkt eine Kaltverfestigung in dem aufgeweiteten Stanzlochbereich, wodurch ein sich günstig auf die Schwingfestigkeit auswirkender Eigenspannungszustand in der Umgebung des Stanzloches erzeugt wird. Nach dem Aufweiten des jeweiligen Stanzlochbereichs verbleibt in diesem eine Druckspannung in Umfangsrichtung, welche die Entstehung und Ausbreitung von Rissen behindert, was zu einer erhöhten Schwingfestigkeit der Fügeverbindung führt.
Bevorzugterweise wird die radiale Aufweitung auf Stanzlochbereiche begrenzt, die frei von einer formschlüssigen Verriegelung bzw. Verquetschung mit dem Stanzniet sind. Hierdurch wird verhindert, dass die mit dem Stanzniet zu verquetschenden Formteilbereiche einer unnötigen Kaltverfestigung unterzogen werden, was die Verquetschung mit dem Stanzniet unnötig erschweren würde. Die Verquetschung kann auf herkömmliche Art und Weise mit bspw. einer Schneidprägematrize erfolgen. Wenn die Verquetschung des Stanznietes mit einem Schließring erfolgt, kann das Stanzloch über seine gesamte axiale Länge radial aufgeweitet und somit mittels des Verformungsabschnitts verfestigt werden.
Ein erfindungsgemäßer Stanzniet zum Fügen von Formteilen, insbesondere zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren, hat einen Nietkopf und zumindest einen Nietschaft, der einen Stanzabschnitt aufweist. Erfindungsgemäß hat der Nietschaft zumindest einen Verformungsabschnitt zur zumindest abschnittsweisen Aufweitung eines Stanzloches, der in Stanzrichtung betrachtet hinter dem Stanzabschnitt angeordnet ist und einen größeren Außendurchmesser als der Stanzabschnitt hat.
Mittels des Stanznietes erfolgt eine automatische Kaltverformung der Bereiche des Stanzloches, die von dem Verformungsabschnitt radial aufgeweitet werden. Hierdurch werden diese Stanzlochbereiche verfestigt und es wird eine erhöhte Schwingfestigkeit der Fügeverbindung erreicht. Eine gesonderte Kaltverformung beispielsweise durch einen in das Stanzloch eingetriebenen Dorn zur Erzeugung einer zumindest abschnittsweisen plastischen Deformation des Stanzloches ist nicht notwendig.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zumindest eine Verformungsabschnitt in Stanzrichtung betrachtet hinter einem Verriegelungsabschnitt des Nietschaftes angeordnet. Hierdurch wird verhindert, dass eine Kaltverformung des Stanzloches durch den Verformungsabschnitt in dem Bereich erfolgt, in dem der Stanzniet mit seinem Verriegelungsabschnitt positioniert ist. Somit ist das mit dem Stanzniet zu verquetschende Material unverfestigt und kann bequem mit dem Verriegelungsabschnitts verpresst werden. Dabei wird das mit dem Verriegelungsabschnitt verpresste Material bei der Verpressung auch verfestigt, so dass eine Verfestigung der Formteile über die gesamte Länge des Stanzloches erfolgt.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel erstreckt sich der zumindest eine Verformungsabschnitt von dem Stanzabschnitt. Hierdurch erfolgt eine Verfestigung des Stanzloches über seine gesamte axiale Länge mittels des Verformungsabschnitts. Eine derartiger Stanzniet hat bevorzugterweise einen von dem Stanzabschnitt gebildeten Verriegelungsabschnitt, auf den ein Schließring aufgequetscht wird.
Um das Stanzloch unmittelbar im Bereich des Nietkopfes verfestigen zu können, erstreckt sich bei beiden Ausführungsbeispielen der zumindest eine Verformungsabschnitt vorteilhafterweise bis zum Nietkopf.
Um eine konstante Kaltverfestigung über die gesamte Länge des zumindest eine Verformungsabschnittes zu erreichen, kann dieser einen konstanten Außendurchmesser aufweisen und somit zylinderartig ausgebildet sein.
Alternativ kann der zumindest eine Verformungsabschnitt in Richtung des Nietkopfes radial erweitert sein und somit konusartig ausgebildet sein. Hierdurch lässt sich beispielsweise eine unterschiedlich intensive Verfestigung einstellen. Im Bereich des Nietkopfes und somit in einem äußeren Bereich der Fügeverbindung könnte somit die höchste Verfestigung und in einem inneren Bereich der Fügeverbindung, bspw. im Kontaktbereich der beiden Formteile, eine geringere Verfestigung eingestellt werden.
Eine beispielhafte Kombination dieser beiden Geometrien sieht zumindest einen Verformungsabschnitt vor, der in Stanzrichtung betrachtet einen konusartigen Abschnitt und einen nachgeschalteten zylindrischen Abschnitt aufweist. Ein derartiger kombinierter Verlauf ist insofern vorteilhaft, als dass hierdurch die radiale Aufweitung des Stanzloches erleichtert wird, da an dem Verformungsabschnitt im Übergansbereich vom vorherigen Schaftabschnitt keine Stufe bzw. Kante gebildet wird, sondern ein sanfter Außendurchmesseranstieg realisierbar ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Stanzniet ein Mehrbereichsniet, zwischen dessen Verriegelungsabschnitten Verformungsabschnitte sind. Hierdurch sind die Verformungsabschnitte und die Verriegelungsabschnitte in Stanzrichtung quasi alternierend angeordnet, wodurch auch zwischen den Verriegelungsabschnitten eine Kaltverformung erfolgt.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen erläutert. Die einzige 1 zeigt eine Fügeverbindung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Stanzniets.
In 1 ist eine Fügeverbindung 1 von zwei Formteilen 2, 4 mittels eines erfindungsgemäßen Stanznietes 6 gezeigt. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Formteile 2, 4, mittels des erfindungsgemäßen Stanznietes 6 gefügt werden. Die Formteile 2, 4 sind im Bereich der Fügeverbindung 1 plattenartig ausgebildet und bestehen jeweils aus einem kaltverformbaren Werkstoff wie Aluminium, Magnesium, Stahl oder einer entsprechenden Metalllegierung. Der Stanzniet 6 ist vollständig in einem von ihm gebildeten Stanzloch 8 aufgenommen und schließt im Eintrittsbereich bündig mit einer Oberfläche 10 des gemäß der Darstellung in 1 oberen Formteils 2 ab. Im Austrittsbereich des Stanzloches 8, d. h. im Bereich einer Oberfläche 12 des gemäß der Darstellung in 1 unteren Formteils 4, ist zwischen dem Stanzniet 6 und dem Stanzloch 8 ein Prägering 13 gebildet, der koaxial zur Stanzlochachse verläuft und beim Stanzen von einer Schneidprägematrize eingebracht wird. Vorzugsweise besteht der Stanzniet 6 aus einem metallischen Werkstoff wie Stahl oder einem nicht metallischen Werkstoff wie eine Oxidkeramik. Er hat einen Kopf 14 und einen Schaft 16.
Der Kopf 14 ist als ein Senkkopf mit einer in Stanzrichtung betrachtet konischen Verjüngung 18 ausgebildet. Alternativ ist der Kopf 14 beispielsweise als ein Universalkopf ausgebildet.
Der Schaft 16 hat einen Stanzabschnitt 20, einen Verriegelungsabschnitt 22 sowie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Verformungsabschnitt 24. Bei Ausbildung des Stanzniets 6 als ein Mehrbereichsniet kann dieser eine Vielzahl von in Stanzrichtung voneinander beabstandeten Verformungsabschnitten 24 aufweisen. In Stanzrichtung betrachtet ist der Verriegelungsabschnitt 22 hinter dem Stanzabschnitt 20 und der Verformungsabschnitt 24 hinter dem Verriegelungsabschnitt 22 angeordnet. Der Verriegelungsabschnitt 22 ist also zwischen dem Stanzabschnitt 20 und dem Verformungsabschnitt 24 angeordnet, wobei der Stanzabschnitt 20 in Stanzrichtung betrachtet dem Verriegelungsabschnitt 22 vorgeschaltet und der Verformungsabschnitt 24 dem Verriegelungsabschnitt 22 nachgeschaltet ist.
Der Stanzabschnitt 20 dient zur Bildung des Stanzloches 8. Er kann bspw. durch eine lokale Wärmebehandlung gehärtet sein und/oder eine nicht bezifferte axiale Schneidkante aufweisen. Er hat bei dem in 1 gezeigtem Ausführungsbeispiel eine zylindrische Gestalt mit einem konstanten Außendurchmesser d1 und geht unmittelbar in den Verriegelungsabschnitt 22 über. Bei einem alternativen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel verjüngt sich der Stanzabschnitt kegelförmig in Richtung des Kopfes 14.
Der Verriegelungsabschnitt 22 dient zur Aufnahme von Material des unteren Formteils 4 und somit zur Verriegelung der Fügeverbindung 1. Zur Aufnahme des verquetschen Materials weist er eine Ringnut 26 mit einer konkaven Nutwandung auf. Er hat einen minimalen Außendurchmesser bzw. Kerndurchmesser d2 und geht über eine Durchmesservergrößerung in den Verformungsabschnitt 24 über. Alternativ kann eine Vielzahl von parallelen Ringnuten 26 in dem Verriegelungsabschnitt 22 vorgesehen sein. Ebenso kann der Verriegelungsabschnitt 22 anstelle der zumindest einen Ringnut 26 mit einem Außengewinde versehen sein.
Der Verformungsabschnitt 24 dient zur Kaltverformung des oberen Formteils 2 im Bereich des Stanzloches 8. Er hat eine zylindrische Gestalt mit einem konstanten Außendurchmesser d3 und geht unmittelbar in die konische Verjüngung 14 des Kopfes 8 über. Erfindungsgemäß ist der Außendurchmesser d3 des Verformungsabschnittes 24 größer als der Außendurchmesser d1 des Stanzabschnittes 20, so dass gilt d3 > d1 > d2. Ein gewünschtes Maß an Presspassung, mit dem der Stanzniet 6 im Bereich seines Verformungsabschnitts 24 in dem Stanzloch 8 aufgenommen ist, kann durch ein entsprechend gewähltes Durchmesserverhältnis d1:d3 eingestellt werden. Insbesondere richtet sich das Durchmesserverhältnis d1:d3 nach dem Material des im Stanzlochbereich zu verfestigenden Formteils 2 und nach dem Maß der gewollten Verfestigung. Vorzugsweise hat der Verformungsabschnitt 24 eine Erstreckung in Stanzrichtung bzw. eine axiale Länge, die größer ist als die axiale Länge des Stanzabschnitts 20 und die des Verriegelungsabschnitts 22. Vorteilhafterweise hat der Verformungsabschnitt 24 eine axiale Länge, die in etwa der Dicke des oberen Formteils 2 im Fügebereich entspricht, so dass das obere Formteil beim Eintreiben des Stanznietes 6 über seinen gesamten Stanzlochbereich verfestigt wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fügen von zumindest zwei Formteilen 2, 4 werden diese zwischen einem Niederhalter und einer Schneidprägematrize eingeklemmt. Dann wird der Stanzniet 6 mittels eines Nietstempels durch die Formteile 2, 4 getrieben, wodurch ein Stanzloch 12 ausgebildet wird. Ein sogenannter Stanzbutzen wird matrizenseitig ausgeworfen. Der Stanzniet 6 wird soweit durch die Formteile 2, 4 getrieben, bis sein Kopf 14 bündig mit der Oberfläche 10 des Formteils 2 abschließt. Aufgrund der konischen Verjüngung 18 wird der Kopf 14 dabei in das obere Formteil 2 oberflächenseitig eingeprägt.
Gleichzeitig wird durch den Verformungsabschnitt 24 das Stanzloch 8 im Bereich des Formteils 2 entsprechend dem Durchmesserverhältnis d1:d3 radial aufgeweitet und somit das Formteil 2 im Stanzlochbereich einer Kaltverfestigung unterzogen. Wie in der 1 gezeigt, erstreckt sich bei diesem Ausführungsbeispiel der Verformungsabschnitt 24 nach dem Versenken des Kopfes 14 in den Stanzlochbereich des unteren Formteils 4 hinein, so dass auch dieser Teilbereich des unteren Formteils 4 durch den Verformungsabschnitt verfestigt wird. Zudem wird gleichzeitig das untere Formteil 4 im Bereich des Stanzlochs 8 mit dem Verriegelungsabschnitt 22 bzw. mit der Ringnut 26 verquetscht und somit der Stanzniet 6 in dem Stanzloch 8 verriegelt.
Die erfindungsgemäße radiale Aufweitung ist auf die Stanzlochbereiche beschränkt, die keiner Verquetschung bzw. Prägung durch die Schneidprägematrize unterliegen. Eine erfindungsgemäße radiale Aufweitung ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in dem Prägebereich, das heißt im Bereich des Verriegelungsabschnitts 22, auch gar nicht beabsichtigt, da hierdurch zum Einen die Verpressung bzw. Prägung erschwert werden würde und zum Anderen beim Prägen selbst Druckspannungen in das untere Formteil 4 im Stanzlochbereich eingeleitet werden, die zu einer Kaltverfestigung führen. Die Formteile 2, 4 werden durch Kombination des Verformungsabschnitts 24 mit dem Prägen im Bereich des Verriegelungsabschnitts 22 quasi übergangsfrei über die gesamte Länge des Stanzloches 8 kaltverfestigt. Bei Ausführung des erfindungsgemäßen Stanzniets 6 als ein Mehrbereichsniet mit einer Vielzahl von in Stanzrichtung abwechselnd hintereinander angeordneten Verriegelungsabschnitten 22 und Verformungsabschnitten 24 wird erst ein Stanzlochbereich radial aufgeweitet und dann radial verjüngt bzw. geprägt, so dass sehr wohl eine Prägung eines mittels eines Verformungsabschnitts 24 zuvor bereits kaltverformten Stanzlochbereichs erfolgen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das Setzen des erfindungsgemäßen Stanzniets 6 kann mit den gleichen Werkzeugen durchgeführt werden bzw. erfolgen, wie bei herkömmlichen Stanznietprozessen. Es ist jedoch die Stanzmatrize an den Außendurchmesser d1 des Stanzabschnittes 20 anzupassen, damit der Stanzbutzen matrizenseitig frei abgeführt werden kann.
Offenbart sind ein Verfahren zum Fügen von Formteilen mit einem Stanzniet, wobei bei zu stanzenden Formteilen ein Stanzloch zumindest abschnittsweise radial aufgeweitet wird, sowie ein Stanzniet, der einen Verformungsabschnitt hat, der einen größeren Außendurchmesser als ein Stanzabschnitt aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Fügeverbindung
2: Formteil
4: Formteil
6: Stanzniet
8: Stanzloch
10: Oberfläche
12: Oberfläche
13: Prägering
14: Kopf
16: Schaft
18: konische Verjüngung
20: Stanzabschnitt
22: Verriegelungsabschnitt
24: Verformungsabschnitt
26: Ringnut
d1: Außendurchmesser Stanzabschnitt
d2: Außendurchmesser Verriegelungsabschnitt
d3: Außendurchmesser Verformungsabschnitt

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 102009044888 A1 [0003]
US 6244808 B1 [0003]

Claims

Verfahren zum Fügen von Formteilen (2, 4) mit einem Stanzniet (6), wobei beim Stanzen der Formteile (2, 4) ein Stanzloch (8) zumindest abschnittsweise radial aufgeweitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die radiale Aufweitung auf Stanzlochbereiche begrenzt wird, die frei von einer radialen Verquetschung mit dem Stanzniet (8) sind.
Stanzniet (6) zum Fügen von Formteilen (2, 4), insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Nietkopf (14) und mit zumindest einem Nietschaft (16), der einen Stanzabschnitt (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietschaft (16) zumindest einen Verformungsabschnitt (24) zur zumindest abschnittsweisen Aufweitung eines Stanzloches hat, der in Stanzrichtung betrachtet hinter dem Stanzabschnitt (20) angeordnet ist und einen größeren Außendurchmesser (d3) als der Stanzabschnitt (20) aufweist.
Stanzniet nach Anspruch 3, wobei der zumindest eine Verformungsabschnitt (24) in Stanzrichtung betrachtet hinter einem Verriegelungsabschnitt (22) angeordnet ist.
Stanzniet nach Anspruch 4, wobei sich der zumindest eine Verformungsabschnitt (24) von dem Stanzabschnitt (20) erstreckt.
Stanzniet nach Anspruch 4 oder 5, wobei sich der zumindest eine Verformungsabschnitt (24) bis zum Nietkopf (14) erstreckt.
Stanzniet nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei der Außendurchmesser (d3) des zumindest einen Verformungsabschnitts (24) konstant ist.
Stanzniet nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei der zumindest eine Verformungsabschnitt (24) in Richtung des Nietkopfes (14) radial erweitert ist.
Stanzniet nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Verformungsabschnitt (24) in Stanzrichtung betrachtet einen konusartigen Abschnitt und einen nachgeschalteten zylindrischen Abschnitt hat.
Stanzniet nach Anspruch 3, wobei der Stanzniet ein Mehrbereichsniet mit zwischen den Verriegelungsabschnitten (22) angeordneten Verformungsabschnitten (24) ist.