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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zumindest
zwei Bauteilen, bei welchem eine in einer Durchbrechung der Bauteile
angeordnete Niethülse, insbesondere ein Blindniet, durch
Eintreiben eines Fügedorns in eine Öffnung der
Niethülse zumindest abschnittsweise derart verformt wird,
dass eine formschlüssige Nietverbindung der beiden Bauteile
erzeugt wird.
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Das
Blindnieten ist ein in der Praxis weit verbreitetes Fügeverfahren,
welches nur den Zugang zu einer Seite der zu verbindenden Bauteile
erfordert. Ein Blindniet besteht neben dem eigentlichen, hohlen Nietkörper
mit Kopf an der Vorderseite aus einem längeren, durchgesteckten
Dorn mit Kopf am hinteren Nietende, der mit einer Sollbruchstelle
versehen ist. Beim Blindnieten wird der Blindniet zunächst
in eine Durchbrechung der Bauteile eingeführt und anschließend
wird der am Kopf herausragende Dorn mit einer Blindnietzange herausgezogen.
Dies führt zu einer Stauchung und somit zu einer Aufweitung
des Nietkörpers hinter der Durchbrechung. Am Ende des Fügevorgangs
bricht der Dorn an der Sollbruchstelle innerhalb des Nietkörpers
ab und ragt nicht aus dem Niet hervor. Der Rest des Dorns befindet
sich dann in der Blindnietzange und wird entsorgt.
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Bei
diesem Verfahren erweisen sich die hohen Fertigungskosten des Blindniets,
insbesondere des Domes, und die hohen Genauigkeitsanforderungen
an die Sollbruchstelle, über welche die Fügekraft eingestellt
wird, als besonders nachteilig. Es wird ein verhältnismäßig
langer Dorn benötigt, welcher nach dem Nietvorgang als
Abfall entsorgt werden muss.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
DE 82 23 170 U1 bekannt.
Bei diesem Blindnietverfahren wird ein wiederverwendbarer Fügedorn in
die Öffnung einer Niethülse eingetrieben. Die
Niethülse weist einen zylindrischen Schaft mit einer durchgehenden Öffnung
auf, wobei an einem Ende der Niethülse ein radial nach
außen weisender Flansch und an dem anderen Ende ein radial
in die Öffnung weisender innerer Bund vorgesehen ist. Durch
das Eintreiben des Fügedorns in die Öffnung der
Niethülse wird der in die Öffnung weisende innere Bund
axial und radial derart verformt, dass eine formschlüssige
Nietverbindung der Bauteile erzeugt wird. Im Anschluss an den Nietvorgang
wird der Fügedorn aus der Niethülse herausgezogen
und steht dann für einen nachfolgenden Fügevorgang
zur Verfügung.
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Hierbei
erweist es sich als nachteilig, dass das angeführte Verfahren
ausschließlich dann durchgeführt werden kann,
wenn Aluminiumblindniete oder Stahlniete mit geringen Festigkeiten
verwendet werden.
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Weiterhin
ist aus der
DE
10 2004 006 344 A1 ein Verfahren bekannt, bei welchem durch
einen aus einer Niethülse und einem Nietdorn bestehenden Blindniet
an der Verbindungsstelle der zu verbindenden Bleche durch Drücken
eine Öffnung in den Bauteilen erzeugt wird. Anschließend
wird die Niethülse durch Herausziehen des Dorns gestaucht
und der Dorn entfernt. Gleichzeitig zu dem Drücken kann
der aus der Niethülse und dem Dorn bestehende Blindniet,
welcher am vorderen Ende eine Schneide aufweist, in Drehung versetzt
werden. Hierdurch wird aus den zu verbindenden Bauteilen im Bereich
der Verbindungsstelle ein Blechpfropfen herausgetrennt und eine
Durchbrechung für den Blindniet erzeugt.
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Aus
der
GB 2 255 607 A ist
ein weiteres Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen bekannt.
Der aus Kunststoff bestehende Blindniet weist eine Heizeinrichtung
auf, mittels welcher ein Endabschnitt des Blindniets nach der Erwärmung
durch die Heizeinrichtung durch Herausziehen eines Kabels plastisch verformt
wird.
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Außerdem
ist aus der
DE 42 26
787 A1 ein Verfahren zur Verankerung eines Befestigungselementes
aus Metall in einem hinterschnittenen Bohrloch einer Fassadenplatte
bekannt. Hierbei wird das in das Bohrloch eingeführte hülsenförmige
Befestigungselement durch ein Werkzeug in Rotation versetzt und
durch die entstehende Reibungswärme und eine axial gerichtete
Kraft wird ein im Bohrloch angeordnetes Verankerungsteil des Befestigungselementes
in einen plastischen Zustand überführt und dabei
in die Hinterschneidung erweitert. Nach dem Abkühlen erhält
man eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Befestigungselement
und der Fassadenplatte.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels welchem auch
hochfeste Nietverbindungen erzeugt werden können.
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Diese
Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen
besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist
also ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen
vorgesehen, bei welchem der in der Öffnung der Niethülse
eingeführte Fügedorn eine eine Relativbewegung
zwischen dem Fügedorn und der Niethülse verursachende
Rotationsbewegung ausführt. Die Rotationsbewegung des Fügedorns
bzw. die hieraus resultierende Relativbewegung zwischen dem Fügedorn und
der Niethülse erzeugt Reibungswärme, welche zu
einer starken Erwärmung der Niethülse bzw. des zu
verformenden Niethülsenabschnittes führt. Durch diese
Erwärmung wird das metallische Material der Niethülse
weich bzw. plastisch verformbar gemacht und die Bauteile können
unter einem geringen Kraftaufwand gefügt werden. Hierdurch
können auch hochfeste Nietwerkstoffe, beispielsweise 22MnB5, mittels
des Verfahrens verarbeitet und somit hochfeste Nietverbindungen
erzeugt werden. Durch eine nachfolgende Abkühlung kann
das Material der Niethülse zusätzlich gehärtet
werden.
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Solchenfalls
erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn
die Niethülse während der Rotationsbewegung des
Fügedorns derart in der Durchbrechung der Bauteile fixiert
wird, dass eine Relativbewegung zwischen der Niethülse
und den Bauteilen verhindert wird. Durch eine derartige Fixierung
der Niethülse wird ein Drehen der Niethülse in
der Durchbrechung und dadurch die Entstehung von Reibungswärme
in einem Bereich zwischen der Niethülse und den Bauteilen
verhindert. Die gesamte aus der Rotation des Fügedorns
resultierende Reibungswärme wird ausschließlich
in einem Bereich zwischen dem Fügedorn und der Niethülse
erzeugt und in den zu verformenden Niethülsenabschnitt
eingeleitet.
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Die
Fixierung der Niethülse in der Durchbrechung der Bauteile
kann in einfacher Art und Weise dadurch erfolgen, dass ein auf einem
der Bauteile aufliegender radialer Flansch der Niethülse
durch ein den Fügedorn aufnehmendes Fügewerkzeug
mit einer definierten, eine Relativbewegung zwischen der Niethülse
und den Bauteilen verhindernden, Andrückkraft beaufschlagt
wird.
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Ein
andere besonders zweckmäßige Weiterbildung der
vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Niethülse
und/oder der Fügedorn und/oder die Bauteile vor oder/und
während des Fügevorgangs, insbesondere durch konduktive oder/und
induktive Widerstandserwärmung, erwärmt werden.
In Abhängigkeit der Materialeigenschaften des jeweils verwendeten
Nietwerkstoffs kann somit eine zusätzliche Erwärmung
des Materials der Niethülse erfolgen. Hierdurch kann wiederum
der zur Verformung der Niethülse erforderliche Kraftaufwand
reduziert werden.
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Eine
wiederum abgewandelte Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird dadurch erreicht, dass in die Niethülse
und/oder den Fügedorn und/oder die Bauteile während
des Fügevorgangs Schwingungen eingeleitet werden. Hierdurch
wird die Reibung zwischen dem Fügedorn und der Niethülse, insbesondere
beim Eintreiben des Fügedorns in die Öffnung der
Niethülse, verringert und dadurch die erforderliche Kraft
zum Eintreiben des Fügedorns reduziert.
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Aus
betriebswirtschaftlicher Sicht hat es sich als besonders vorteilhaft
erwiesen, dass der Fügedorn nach dem Ausbilden einer formschlüssigen Nietverbindung
aus der Öffnung der Niethülse entfernt wird. Durch
einen derartigen wiederverwendbaren Fügedorn wird ein abfallfreies
Fügeverfahren zur Verfügung gestellt.
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Eine
andere Variante des vorliegenden Verfahrens wird auch dadurch erreicht,
dass der Fügedorn nach dem Ausbilden einer formschlüssigen Nietverbindung
in der Öffnung der Niethülse verbleibt. Hierdurch
kann eine dichte Nietverbindung der Bauteile erzeugt werden.
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Dadurch,
dass der Fügedorn impulsartig mit einer Geschwindigkeit
von 10 bis 800 m/s in die Öffnung der Niethülse
eingetrieben wird, kann zusätzlich die Trägheit
der Körper genutzt werden.
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Die
Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu.
Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in
der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in
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1a–d
einzelne Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen;
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2a–d
eine abgewandelte Variante des in 1 dargestellten
Verfahrens zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen.
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Die 1a bis 1d zeigen
einzelne Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Fügen von zumindest zwei gelochten Bauteilen 1, 2.
In einer Durchbrechung 3 der beiden Bauteile 1, 2 ist
eine als Blindniet ausgebildete Niethülse 4 aus
hochfestem Werkstoff angeordnet, welche eine durchgehende Öffnung 5 aufweist.
Weiterhin weist die Niethülse 4 an einem Ende
einen radial nach außen weisenden Flansch 6 auf,
welcher auf dem oberen Bauteil 1 aufliegt und verhindert,
dass die Niethülse 4 nach unten aus der Durchbrechung 3 heraus fällt.
An dem anderen Ende weist die Niethülse 4 einen
radial in die Öffnung 5 weisenden inneren Bund 7 auf,
durch welchen sich in der Öffnung 5 der Niethülse 4 eine
Verengung 8 ausbildet. Zum Herstellen einer Nietverbindung
wird zunächst ein drehbar in einem Fügewerkzeug 9 gelagerter
Fügedorn 10 in die Öffnung 5 der
Niethülse 4 eingeführt. Der Fügedorn 10 kann
entlang einer Mittelachse 11 relativ zum Fügewerkzeug 9 bewegt
werden. Das Fügewerkzeug 9 und der Fügedorn 10 werden
zunächst, wie in 1b dargestellt,
derart angeordnet, dass der Fügedorn 10 mit seiner
Spitze 12 im Bereich der Verengung 8 anliegt und
der Flansch 6 der Niethülse 4 mittels
des Fügewerkzeugs 9 mit einer definierten Andrückkraft Fa
beaufschlagt wird. Durch die Beaufschlagung des Flansches 6 mittels
der Andrückkraft Fa wird die Niethülse 4 in
der Durchbrechung 3 der Bauteile 1, 2 fixiert
und ein Drehen der Niethülse 4 in der Durchbrechung 3 der
Bauteile 1, 2 verhindert.
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Durch
eine in 1c mittels eines Richtungspfeils 13 symbolisierte
Rotationsbewegung des in der Öffnung 5 der Niethülse 4 angeordneten
Fügedorns 10 wird eine Relativbewegung zwischen
dem Fügedorn 10 und der Niethülse 4 erzeugt.
Hierbei entsteht Reibungswärme, welche die Niethülse 4 insbesondere
im Bereich der Verengung 8 erwärmt und dadurch
weich bzw. plastisch verformbar macht. Durch eine nachfolgende oder
gleichzeitige impulsartige Beaufschlagung des Fügedorns 10 mit
einer Fügekraft Ff wird die Niethülse 4 dann
axial und radial derart verformt, dass ein flanschförmiger
Hinterschnitt 14 erzeugt wird, welcher sich gegen die Außenseite 15 des
Bauteils 2 anlegt und die Bauteile 1, 2 zusammenpresst.
Gleichzeitig wird die Niethülse 4 in der Durchbrechung 3 der
Bauteile 1, 2 radial verspannt. Das Eintreiben
des Fügedorns erfolgt vorzugsweise unter hohen Geschwindigkeiten
von 10 bis 800 m/s, um zusätzlich die Trägheit
der Körper zu nutzen. Nach dem Fügevorgang wird
der Fügedorn 10 dann aus der Öffnung 5 der
Niethülse 4 herausgezogen (1d). Alternativ
oder zusätzlich kann die Niethülse 4,
die Bauteile 1, 2 oder der Fügedorn 10 durch
konduktive oder induktive Widerstandserwärmung erwärmt
werden bzw. mit Schwingungen beaufschlagt werden.
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Die 2a bis 2d zeigen
eine abgewandelte Variante des in 1 dargestellten
Verfahrens, wobei die Unterschiede im Wesentlichen darin bestehen,
dass der Fügedorn 10 eine abgerundete Spitze 12 aufweist
und nach dem Fügevorgang in der Öffnung 5 der
Niethülse 4 verbleibt, um eine dichte Nietverbindung
zu erzeugen (2d).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 8223170
U1 [0004]
- - DE 102004006344 A1 [0006]
- - GB 2255607 A [0007]
- - DE 4226787 A1 [0008]