DE102010023471A1

DE102010023471A1 - Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung

Info

Publication number: DE102010023471A1
Application number: DE201010023471
Authority: DE
Inventors: Dr. Hußmann Dominik; Markus Staudigl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere nicht vorgelochten Bauteilen (1, 2) in einem Fügebereich (3) mittels eines Nagels (4), der einen Nagelkopf (4a), und einen Nagelschaft (4b) aufweist, indem der Nagel (4) in die aufeinanderliegenden, an einem Gegenhalter (5) abgestützten Bauteile (1, 2) getrieben wird, wobei das Schaftende (4c) beide Bauteile (1, 2) vollständig durchdringt und über das nagelkopfabgewandte Bauteil (2) hinaus austritt, erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Gegenhalter (5) eine Ausnehmung (6) aufweist, in die das austretende Schaftende (4c) eintaucht und die Tiefe (T) der Ausnehmung (6) in Eintreibrichtung des Nagels (4) derart gewählt ist, dass vor dem Ende des Eintreibvorganges das Schaftende (4c) auf dem Grund der Ausnehmung (7) auftrifft und dadurch eine Aufstauchung (8) im Bereich des Nagelschaftes (4b) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nagelverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere nicht vorgelochten Bauteilen in einem Fügebereich mittels eines Nagels und eines Gegenhalters gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 10 2006 002 238 A1 ist ein solches Verfahren 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. Wenn bei diesem bekannten Verfahren das nagelkopfabgewandte Bauteil keine ausreichende Steifigkeit aufweist, wird ein Gegenhalter in Form einer Hülse verwendet, in das die Nagelspitze beim Eintreiben eintaucht und das Bauteil abstützt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gegenüber dem bekannten Verfahren verbessertes Verfahren hinsichtlich einer höheren Verbindungsqualität anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere nicht vorgelochten Bauteilen in einem Fügebereich mittels eines Nagels, der einen Nagelkopf und einen Nagelschaft aufweist, bei welchem der Nagel in die aufeinanderliegenden, an einem Gegenhalter abgestützten Bauteile getrieben wird und das Schaftende beide Bauteile vollständig durchdringt und über das nagelkopfabgewandte Bauteil hinaus austritt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass

– der Gegenhalter eine Ausnehmung aufweist, in die das austretende Schaftende eintaucht, und
– die Tiefe der Ausnehmung in Eintreibrichtung des Nagels derart gewählt ist, dass vor dem Ende des Eintreibvorganges das Schaftende auf dem Grund der Ausnehmung auftrifft und dadurch eine Aufstauchung im Bereich des Nagelschaftes erfolgt.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Nagel zur Verbesserung der Verbindungsqualität kontrolliert zur Verbindungsausbildung umgeformt, wodurch ein höherer Kraftschluss zwischen dem Nagel und den zu fügenden Bauteilen erreicht wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Schaftende des Nagels mit einer konisch spitz zulaufenden Nagelspitze geformt, so dass bei einer hohlzylindrisch ausgebildeten Ausnehmung des Gegenhalters die Nagelspitze aufgestaucht wird. Dies führt zu einem höheren Formschluss in der Verbindung. Dabei ist vorzugsweise zur Zentrierung der auf den Grund der hohlzylindrischen Ausnehmung auftreffenden Nagelspitze der Grund dieser Ausnehmung kegelig vertieft ausgebildet.
Ferner ist die Ausnehmung in dem Gegenhalter bei dieser Weiterbildung der Erfindung derart ausgebildet ist, dass ein beim Austreten des Schaftendes bzw. der Nagelspitze aus dem nagelkopfabgewandten Bauteil sich bildender Materialaufwurf in die Ausnehmung ragt. Die Abstützung der Bauteile erfolgt damit außerhalb des sich kraterförmig bildenden Materialaufwurfes.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass das Schaftende des Nagels mit einer konisch spitz zulaufenden Nagelspitze ausgeformt ist und die Ausnehmung in dem Gegenhalter im Wesentlichen komplementär zur Form der Nagelspitze derart ausgebildet ist, dass der Nagelschaft im Bereich der Bauteile aufgestaucht wird. Vorzugsweise ist die Ausnehmung mit einer kegelförmigen Innenfläche ausgebildet.
Dadurch dass beim Auftreffen der Nagelspitze auf dem Grund der Ausnehmung auch deren Innenfläche nahezu vollständig in Kontakt mit der Nagelspitze kommt, kann die Aufstauchung des Nagelschaftes fast nur ausschließlich im Bereich der Bauteile erfolgen. Durch diese Aufstauchung wird eine höhere Verspannung zwischen dem Nagel und den Bauteilen und damit ebenso ein höherer Kraftschluss erzielt.
Vorzugsweise kann bei dieser Weiterbildung der Erfindung der Erfindung die Ausnehmung in dem Gegenhalter derart ausgebildet werden, dass ein beim Austreten des Schaftendes aus dem nagelkopfabgewandten Bauteil sich bildender Materialaufwurf während des Eintreibens des Nagels in die Ausnehmung verdrängt und im Wesentlichen in die Kontur der kegelförmigen Ausnehmung verformt wird. Diese Verdichtung erfolgt dabei in den Zwischenraum zwischen dem Nagelschaft bzw. der Nagelspitze und dem oberen Randbereich der Ausnehmung.
Zur optimalen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist es vorteilhaft den Nagel aus einem umformbaren Material herzustellen, dessen Härte größer als die Härte der Bauteile ist.
Das Verfahren ist ohne Einschränkung hinsichtlich der Geometrie der Nägel oder Bolzen verwendbar, vorzugweise für Nägel, deren Nagelschaft mit einer Oberflächenprofilierung versehen ist, ebenso für Nägel mit unterschiedlichen Querschnittsformen, wie bspw. kreisförmig oder trilobularförmig.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung mehrerer Verfahrensschritte eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 eine schematische Darstellung mehrerer Verfahrensschritte eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figurenfolgen 1a bis 1d und 2a bis 2d zeigen den Eintreibvorgang eines Nagels 4 in einen Fügebereich 3 zum Verbinden eines ersten Bauteils 1 mit einem zweiten Bauteils 2, wobei die aufeinanderliegenden Bauteile 1 und 2 von einem Gegenhalter 5 bzw. einer Matrize 5 abgestützt werden, die eine Ausnehmung 6 aufweist und in die beim Eintreiben des Nagels 4 dieser in diese Ausnehmung 6 eintaucht. Nicht dargestellt sind das hierzu erforderliche Setzwerkzeug, also bspw. der Treiberkolben und der Setzstempel, da solche Werkzeuge aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Der in den 1 und 2 dargestellte Nagel 4 umfasst einen Nagelkopf 4a, der auf der Unterseite eine umlaufende Ringnut 12 aufweist, einen Nagelschaft 4b mit einem als Nagelspitze 4c ausgebildeten Schaftende. Der Nagelschaft 4b ist mit einer Oberflächenprofilierung 11 versehen.
1a stellt den Zustand kurz vor dem Eintreiben des Nagels 4 in die beiden ungelochten Bauteile 1 und 2 dar. Nach Beginn des Eintreibens dringt die Nagelspitze 4c unter Ausbildung eines Materialaufwurfes 13 auf der Oberseite des Bauteils 1 in die beiden Bauteile 1 und 2 ein, dargestellt in 1b. Der Materialaufwurf 13 wird im Zustand des eingetriebenen Nagels 4 von der auf der Unterseite des Nagelkopfes 4a umlaufenden Ringnut 12 aufgenommen (siehe 1d)
In dem Zustand gemäß 1c ist die Nagelspitze 4c des Nagels 4 bereits unter Ausbildung eines Materialaufwurfes 9 aus dem nagelkopfabgewandten Bauteil 2 ausgetreten und ragt teilweise in die Ausnehmung 6 der Matrize 5.
Die Tiefe T der Ausnehmung 6 ist so gewählt, dass die Nagelspitze 4c bereits dann auf den Grund 7 der Ausnehmung 6 auftrifft, bevor der Nagel 4 vollständig eingetrieben ist. 1d zeigt diesen Nagel 4 in vollständig eingetriebenen Zustand, d. h. wenn die Unterseite des Nagelkopfes 4a auf der Oberfläche des ersten Bauteils 1 aufliegt, wobei in gestrichelter Darstellung eine Nagelspitze S gezeichnet ist, die in voller Länge L auf der Unterseite des zweiten Bauteils 2 überstehen würde, wenn bspw. keine Matrize 5 verwendet würde. Dadurch dass die Tiefe T der Ausnehmung 6 geringer als die Länge L ist, wird der Nagelschaft 4b im Bereich der Nagelspitze 4c aufgestaucht, wobei sich die entstandene Aufstauchung 8 in radialer Richtung in den verbleibenden Raum der Ausnehmung 6 ausdehnen kann. Hierzu ist die Ausnehmung 6 im Wesentlichen hohlzylindrisch oder hohlkegelstumpfförmig ausgeformt, wobei der Grund 7 dieser Ausnehmung 6 kegelig vertieft mit einem von den Kegelflächen gebildeten Zentrierspitze 7a ausgebildet ist. Diese Zentrierspitze 7a dient zur Zentrierung der Nagelspitze 4c beim Eintreiben des Nagels 4.
Die Ausnehmung 6 ist so groß mit einem Durchmesser am oberen Rand ausgebildet, dass hierdurch der beim Eintreiben entstehende Materialaufwurf 9 vollständig in den verbleibenden Zwischenraum eintauchen kann. Die Abstützung der Bauteile 1 und 2 durch die Matrize 5 erfolgt daher außerhalb des kraterförmigen Materialaufwurfs 9.
Durch die an der Nagelspitze 4c entstandene Aufstauchung 8 wird ein höherer Formschluss zwischen dem Nagel 4 und den Bauteilen 1 und 2 und damit auch ein höherer Kraftschluss erreicht.
Das Ausführungsbeispiel gemäß den 2a bis 2d unterscheidet sich von dem vorangegangen durch eine andere Formgestaltung der in der Matrize 5 gebildeten Ausnehmung 6. Daher wird im Folgenden nur noch auf diese Unterschiede eingegangen.
Die in der Matrize 5 angeordnete Ausnehmung 6 weist eine kegelförmige Innenfläche 10 mit einer leicht gebrochenen Spitze auf, die den Grund 7 der Ausnehmung 6 bildet. Auch bei dieser Ausnehmung 6 ist deren Tiefe T geringer gewählt, als die Länge L, mit der die Nagelspitze 4c ohne Verwendung einer Matrize 5 über die Oberfläche des zweiten Bauteils 2 ragen würde, wie dies in 2d mit einer gestrichelt dargestellten Nagelspitze S gezeigt ist.
Der Öffnungswinkel der kegelförmigen Ausnehmung 6 ist an den konischen oder ogivalen Verlauf der Nagelspitze 4c angepasst, so dass beim Auftreffen der Nagelspitze 4c auf dem Grund 7 der Ausnehmung 6 die Umfangsfläche der Nagelspitze 4c fast vollständig an der kegelförmigen Innenfläche 10 anliegt.
Im vollständig eingetriebenen Zustand des Nagels 4 entsteht dadurch eine Aufstauchung 8 vor allem im Bereich des Nagelschaftes 4b und weniger im Bereich der Nagelspitze 4c, da sich diese aufgrund der nahezu anliegenden Innenfläche 10 nicht aufstauchen bzw. aufweiten kann. Die Nagelspitze 4c wird in die dem Bereich der Spitze 7 entsprechenden Kontur der Ausnehmung 6 geformt.
Diese partielle Aufweitung 8 des Nagelschaftes 4b durch Stauchung führt zu einer höheren Verspannung in den gefügten Bauteilen 1 und 2 und damit ebenso zu einem höheren Kraftschluss.
Aufgrund des nur geringen Zwischenraumes zwischen dem oberen Rand der kegelförmigen Ausnehmung 6 und dem Nagelschaft 4b wird der Materialaufwurf 9 während des Eintreibens des Nagels 4 in diesen Zwischenraum verdrängt und im Wesentlichen in die dort vorliegende Kontur der kegelförmigen Ausnehmung 7 verformt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Nagel 4 kontrolliert zur Verbindungsformung umgeformt. Hierzu ist der Nagel 4 aus umformbaren Material hergestellt, wobei dieses Material härter als die zu fügenden Bauteile 1 und 2 ist, damit diese von einem solcher Nagel 4 deformationsfrei durchdrungen werden.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: Bauteil
3: Fügebereich
4: Nagel
4a: Nagelkopf
4b: Nagelschaft
4c: Nagelspitze
5: Gegenhalter, Matrize
6: Ausnehmung
7: Grund der Ausnehmung 6
8: Aufstauchung
9: Materialaufwurf
10: Umfangsfläche der Ausnehmung 6
11: Oberflächenprofilierung des Nagelschaftes 4b
12: Ringnut am Nagelkopf 4a
13: Materialaufwurf auf der Oberseite des Bauteils 1

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]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere nicht vorgelochten Bauteilen (1, 2) in einem Fügebereich (3) mittels eines Nagels (4), der einen Nagelkopf (4a), und einen Nagelschaft (4b) aufweist, indem der Nagel (4) in die aufeinanderliegenden, an einem Gegenhalter (5) abgestützten Bauteile (1, 2) getrieben wird, wobei das Schaftende (4c) beide Bauteile (1, 2) vollständig durchdringt und über das nagelkopfabgewandte Bauteil (2) hinaus austritt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Gegenhalter (5) eine Ausnehmung (6) aufweist, in die das austretende Schaftende (4c) eintaucht, und – die Tiefe (T) der Ausnehmung (6) in Eintreibrichtung des Nagels (4) derart gewählt ist, dass vor dem Ende des Eintreibvorganges das Schaftende (4c) auf dem Grund der Ausnehmung (7) auftrifft und dadurch eine Aufstauchung (8) im Bereich des Nagelschaftes (4b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Schaftende des Nagels (4) mit einer konisch spitz zulaufenden Nagelspitze (4c) ausgebildet ist, und – die Ausnehmung (6) hohlzylindrisch derart ausgebildet ist, dass die Nagelspitze (4c) des Nagelschaftes (4b) aufgestaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zentrierung der auf den Grund (7) der hohlzylindrischen Ausnehmung (6) auftreffenden Nagelspitze (4c) der Grund dieser Ausnehmung (6) kegelig vertieft ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (6) derart ausgebildet ist, dass ein beim Austreten des Schaftendes (4c) aus dem nagelkopfabgewandten Bauteil (2) sich bildender Materialaufwurf (9) in die Ausnehmung (6) ragt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Schaftende des Nagels (4) mit einer konisch spitz zulaufenden Nagelspitze (4c) ausgebildet ist, und – die Ausnehmung (6) im Wesentlichen komplementär zur Form der Nagelspitze (4c) derart ausgebildet ist, dass der Nagelschaft (4b) im Bereich der Bauteile (1, 2) aufgestaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (6) mit einer kegelförmigen Innenfläche (10) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (6) derart ausgebildet ist, dass ein beim Austreten des Schaftendes (4c) aus dem nagelkopfabgewandten Bauteil (2) sich bildender Materialaufwurf (9) während des Eintreibens des Nagels (4) in die Ausnehmung (6) verdrängt und im Wesentlichen in die Kontur der kegelförmigen Ausnehmung (7) verformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (4b) mit einer Oberflächenprofilierung (11) versehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (4b) mit kreisförmigen oder trilobularen Querschnitt ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (4) aus einem umformbaren Material hergestellt ist, dessen Härte größer als die Härte des Materials der Bauteile (1, 2) ist.