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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück, die so angeordnet sind, dass sie einen Werkstückstapel bilden. Ein Schaft eines Nietelements wird durch den Werkstückstapel hindurchgeführt. Ein vorderer Abschnitt des Schafts wird umgeformt, um einen Kopf der Nietverbindung zu bilden. Die Erfindung betrifft außerdem einen Werkstückstapel mit einer entsprechenden Nietverbindung.
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Bei solchen Nietverbindungen erstreckt sich ein Schaft durch den Werkstückstapel hindurch. An beiden Enden des Schafts ist jeweils ein Kopf ausgebildet, durch den die Werkstücke relativ zu dem Schaft fixiert werden. Bei klassischen Nietverbindungen wird der Schließkopf durch Druck oder Hammerschläge auf den vorderen Abschnitt des Schafts erzeugt und die Werkstücke müssen vorgelocht sein. Herkömmliche Stanzniete benötigen kein Vorloch, erzielen aber in vielen Fällen nicht die Verbindungsfestigkeit wie Vollniete mit deren formschlüssigen Köpfen. Stanzniete erfordern plastische Verformbarkeit mindestens eines der Werkstücke.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nietverbindung und ein Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung vorzustellen, die einfach und kostengünstig sind.
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Ausgehend vom genannten Stand der Technik wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Drehbewegung zwischen dem Nietelement und einem Druckstück erzeugt, so dass der vordere Abschnitt des Schafts durch Reibung zwischen dem Nietelement und dem Druckstück umgeformt wird, um den Kopf der Nietverbindung zu bilden.
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Durch die Reibung zwischen dem Nietelement und dem Druckstück erwärmt sich das Material des Nietelements und lässt sich dadurch mit geringem Kraftaufwand verformen. Das Druckstück, das keine Verbindung mit dem Nietelement eingeht, wird nach dem Erstellen der Nietverbindung entfernt. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung der Nietverbindung.
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Im Bereich der Nietverbindung liegen die Werkstücke übereinander und bilden damit einen Werkstückstapel. Der Werkstückstapel umfasst mindestens zwei Werkstücke. Möglich sind auch Werkstückstapel aus mehr als zwei Werkstücken, beispielsweise aus drei oder vier Werkstücken. Die Werkstücke haben vorzugsweise eine vergleichsweise große Flächenausdehnung und eine geringe Dicke in Axialrichtung. Die Anwendung des Verfahrens ist auch bei andersartig gestalteten Werkstücken möglich.
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Die aus den beiden Nietelementen gebildete Nietverbindung erstreckt sich durch den Werkstückstapel hindurch. Die Nietverbindung umfasst einen zentralen Schaft, der an seinen beiden Enden jeweils in einen Kopf übergeht. Als Kopf wird ein Abschnitt der Nietverbindung bezeichnet, der einen größeren Durchmesser hat als der Schaft.
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In einer Ausführungsform hat das Nietelement einen vorgeformten Kopf, von dem sich der Schaft erstreckt. Vorgeformt bedeutet, dass die betreffende Form bereits vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Der Schaft kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 1 mm und 6 mm haben. Der vordere Abschnitt des Schafts kann an dem anderen Ende des Nietelements ausgebildet sein, das dem Kopf gegenüberliegt. Die Angabe vorderer Abschnitt orientiert sich an der Bewegungsrichtung, mit der das Nietelement durch den Werkstückstapel hindurch geführt wird.
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Möglich ist auch ein Nietelement ohne vorgeformten Kopf, bei dem an beiden Enden des Schafts ein Kopf durch Rotation relativ zu einem Druckstück erzeugt wird. Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass das Druckstück relativ zu dem Nietelement gedreht wird und das andere Ende des Nietelements festgehalten wird. Allgemein ist es im Zusammenhang des Verfahrens gleichwertig, ob das Nietelement relativ zu dem Druckstück gedreht wird oder umgekehrt. Möglich ist auch, dass sowohl das Nietelement als auch das Druckstück gedreht werden. Dies kann gleichsinnig oder gegensinnig erfolgen.
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Es ist möglich, dass der Werkstückstapel oder einzelne Werkstücklage vorgelocht wird, sodass der Schaft des Nietelements durch den Werkstückstapel hindurch gesteckt werden kann, um mit dem Druckstück in Anlage gebracht zu werden.
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In anderen Ausführungsformen wird auf das Vorlochen verzichtet. Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass der Durchgang durch den Werkstückstapel mit dem Nietelement erzeugt wird. In einer Variante wird der Durchgang durch Reibung zwischen dem Nietelement und dem Material der Werkstücke erzeugt. Durch die Reibung kann das Material des Werkstücks bis auf eine Temperatur nicht weit unterhalb des Schmelzpunkts erwärmt werden, sodass das Material in einen plastifizierten Zustand versetzt wird und sich leicht verformen lässt. Dafür ist es von Vorteil, wenn das Material der Werkstücke einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als das Material des Nietelements, sodass das Material der Werkstücke in einen plastifizierten Zustand versetzt werden kann, ohne dass das Nietelement seine Form verliert.
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In einer anderen Variante kann der Durchgang durch den Werkstückstapel durch mechanisches Abtragen (z.B. Stanzen oder Bohren) erzeugt werden. Hierfür ist es von Vorteil, wenn das Material der Werkstücke weicher ist als das Material des Nietelements, sodass Späne von dem Material der Werkstücke abgetragen werden können, während das Nietelement seine Form behält. Das Nietelement ist zu diesem Zweck vorzugsweise mit einer Bohrstruktur oder Schneidestruktur an seinem vorderen Abschnitt versehen. Erforderlichenfalls kann das Nietelement gehärtet werden und/oder mit einer harten Beschichtung versehen werden, um einen Materialabtrag von den Werkstücken zu ermöglichen.
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Das Erzeugen eines Durchgangs durch mechanisches Abtragen ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Material der Werkstücke hitzeempfindlich ist. Um die Erzeugung von zu viel Hitze zu vermeiden, kann das Nietelement beim Erzeugen des Durchgangs wesentlich langsamer gedreht werden als beim anschließenden Formen des Kopfes. Es kann ein Durchgang in dem Werkstückstapel erzeugt werden, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Schafts. Dazu kann die Drehbewegung des Nietelements beim Erzeugen des Durchgangs mit einer Bewegung in radialer Richtung überlagert werden. Beispielsweise kann das Nietelement beim Erzeugen des Durchgangs exzentrisch rotiert werden.
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Ist das Werkstück hinreichend plastisch verformbar während des Eindringens des Nietelements kann das Nietelement auch ohne Materialabtrag unter Verdrängung des Werkstückmaterials die Werkstücklage durchdringen.
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Das Druckstück ist vorzugsweise so gestaltet, dass es eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Reibung und Wärme hat als das Nietelement. Damit wird erreicht, dass das Material des Nietelements durch die Reibung an dem Druckstück umgeformt wird, während das Druckstück seine Form behält und allenfalls einem leichten Verschleiß unterliegt. Dadurch wird es möglich, mit einem Druckstück eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Nietverbindungen herzustellen. Angestrebt wird eine größere Zahl von beispielsweise einhundert Nietverbindungen, bevor das Druckstück aufgearbeitet oder ausgetauscht werden muss. Es kann vorgesehen sein, dass das Druckstück bei Verschleiß nachbearbeitet wird und anschließend wieder verwendet wird.
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Möglich ist auch ein Druckstück, das für eine einmalige Verwendung vorgesehen ist. Ein solches Druckstück kann dem Werkstückstapel fest zugeordnet sein oder fest mit dem Werkstückstapel verbunden sein. Bei einem Nietelement aus Aluminium kann das Druckstück aus Stahl bestehen.
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Um eine Nietverbindung von hoher Stabilität zu erzeugen, kann für das Nietelement ein Werkstoff von hoher Festigkeit verwendet werden. Das Nietelement kann aus einem Stahl bestehen, vorzugsweise Mangan-Bor-legiert wie beispielsweise aus 19MnB4 oder 22MnB4 oder beispielweise Einsatzstahl wie z.B. 16MnCr5.
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Ein Druckstück, das für solche Nietelemente geeignet ist, kann beispielsweise aus einem pulvermetallurgischen Hartmetall oder einer technischen Keramik oder einem geeignetem Refraktärmetall bestehen. In Betracht kommen auch Mischungen oder Legierungen solcher Materialien.
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Ein beispielhaftes Material ist WC-Co-Hartmetall. WC-Co ist Wolframcarbid in Cobalt eingebunden (zusammen mit geringeren Anteilen anderer Karbide und Refraktär-Metallen). Nickel als Binder-Metall ist auch – aber weniger – gebräuchlich. Ebenfalls in Betracht kommen Wolfram-Rhenium (W-Re), kubisches Bornitrid (CBN), CBN mit W-Re in einer Verbundmatrix. Anzustreben ist in jedem Fall, dass das Druckstück sich unter dem Einfluss der Rotationsreibung nicht verformt und dass auch keine Anschweißung des Nietelements stattfindet. Bei Bedarf kann die Widerstandsfähigkeit des Druckstücks mit einer Hartstoff-Beschichtung weiter erhöht werden. Insbesondere wird für geeignete Materialien auf
AT 506 133 A1 verwiesen.
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Besteht das Nietelement aus einem weicheren Material wie beispielsweise Leichtmetall, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, so sind die Anforderungen an das Material des Druckstücks geringer. Das Druckstück kann in diesem Fall beispielsweise aus einer ZrO2-Keramik bestehen, die gegebenenfalls mit zusätzlichen Elementen legiert sein kann. Das Nietelement kann mit einer Schicht aus Hart-Eloxal beschichtet sein, um zu verhindern, dass sich das Nietelement während der Durchdringung des Werkstückstapels zu sehr erwärmt. Zugleich macht die Hart-Eloxalschicht das Nietelement aus Aluminiumlegierung widerstandfähig gegen Abnutzung bei der Durchdringung des Werkstückstapels.
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Das Nietelement kann eine die Verklammerung steigernde Strukturierung wie z.B. Rillen, Wendeln, Vorsprünge aufweist. Das Nietelement kann eine die Werkstück-Durchdringung erleichternde Strukturierung wie z.B. eine oder mehrere Schneiden, Furchen, Raspel, Kanten, Vorsprünge oder Spitzen aufweisen. Das Nietelement kann außerdem eine die zweckmäßige Umverteilung des verdrängten Werkstückmaterials begünstigende Strukturierung wie z.B. Furchen, Abflachungen, Unterkopfraum, Unterwulstraum aufweisen.
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Ist eines der Werkstücke wärmeempfindlich (beispielsweise FVK, faserverstärkter Kunststoff), so wird vorzugsweise ein Druckstück mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet. In Betracht kommt außer WC-Co beispielsweise ein Keramikmaterial wie zum Beispiel SiC (Siliziumcarbid), solches auch mit Silizium infiltriert, AlN, Al2O3, oder Si3N4.
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Das Druckstück ist vorzugsweise so bemessen, dass es den aus dem Werkstückstapel austretenden vorderen Abschnitt des Nietelements im Querschnitt überdeckt. Damit ist sichergestellt, dass die Reibung zwischen dem Nietelement und dem Druckstück jedenfalls anfänglich vollständig von dem Druckstück aufgenommen werden kann. Nachdem der Umformvorgang des Nietelements begonnen hat, bereitet sich das Material des Nietelements zur Seite hin aus. Es wird vorzugsweise ein Druckstück-Bauteil verwendet, dass eine Führungsfläche umfasst, die so angeordnet ist, dass das zur Seite verdrängte Material des Nietelements so geleitet wird, dass es die gewünschte Kopfform bildet. Die Führungsfläche kann mit einer reibungsmindernden Beschichtung versehen sein.
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Das Druckstück-Bauteil kann so gestaltet sein, dass es einen Hohlraum mit dem Werkstückstapel einschließt, wenn es auf dem Werkstückstapel aufliegt. Der Hohlraum kann der gewünschten Kopfform der Nietverbindung entsprechen. Der Kopf der Nietverbindung kann dadurch gebildet werden, dass das zur Seite verdrängte Material des Nietelements den Hohlraum ausfüllt. Alternativ kann das Druckstück-Bauteil flächig auf dem Werkstückstapel aufliegen. Das durch den Reibvorgang plastifizierte Material des Werkstücks wird dann zusammen mit dem Material des Nietelements zur Seite verdrängt. Der Kopf der Nietverbindung ist bei dieser Ausführungsform im Inneren des Werkstückstapels angeordnet. Der vorgeformte Kopf des Nietelements kann ebenfalls so gestaltet sein, dass er flächig auf dem Werkstückstapel aufliegt, oder dass er einen Hohlraum mit dem Werkstückstapel einschließt oder in den Werkstückstapel eingesenkt ist.
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Das Druckstück-Bauteil kann ein einheitliches Bauteil mit einer durchgehenden Fläche sein, die einen Reibbereich und einen Führungsbereich umfasst. Alternativ ist es möglich, dass das Druckstück-Bauteil ein zusammengesetztes Bauteil (Baugruppe) ist aus einer Druckstück-Komponente und einer Führungs-Komponente. Die Führungs-Komponente kann so gestaltet sein, dass sie die Druckstück-Komponente rundherum umgibt. Die Führungs-Komponente ist geringeren Belastungen ausgesetzt als die Druckstück-Komponente, weswegen die Führungs-Komponente aus einem weniger widerstandsfähigen Material bestehen kann. Die Druckstück-Komponente kann unter Druck vorgespannt in die Führungs-Komponente eingesetzt sein, sodass die Führungs-Komponente als Spannstück für die Druckstück-Komponente wirkt. Die Druckstück-Komponente kann lösbar mit der Führungs-Komponente verbunden sein, sodass die Druckstück-Komponente mit geringem Aufwand ausgetauscht werden kann.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Druckstück-Komponente relativ zu der Führungs-Komponente in axialer Richtung verschiebbar ist. Axiale Richtung ist die Richtung, in der der Schaft des Nietelements durch den Werkstückstapel hindurch geführt wird. Während das Nietelement durch den Werkstückstapel hindurch geführt wird, kann die Druckstück-Komponente in einer zurückgezogenen Position angeordnet sein, sodass es möglich wird, von dem Nietelement verdrängtes Material der Werkstücke zu führen. Insbesondere wird es dadurch möglich, dass das Nietelement in einer Art Stanzvorgang ein Stück aus dem Werkstückstapel heraus trennt. Das Nietelement kann durch den Werkstückstapel hindurchgedrückt werden, ohne dass das Nietelement sich dreht. Sobald der vordere Abschnitt des Nietelements aus dem Werkstückstapel herausragt, kann das Druckstück wieder in Richtung des Nietelements bewegt werden, sodass der Reibvorgang beginnen kann. Dies kann beispielsweise maschinell zum Beispiel mit hydraulischem Druck geschehen.
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Das Druckstück-Bauteil kann mit einem Kanal versehen sein, durch den eine Flüssigkeit geleitet werden kann. Der Kanal kann dazu genutzt werden, das Druckstück-Bauteil zu temperieren, damit es sich beim Herstellen der Nietverbindung nicht zu sehr erwärmt.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Kanal vorgesehen sein, der im Reibbereich mündet. Es wird dadurch möglich, eine Flüssigkeit direkt zu dem Bereich zuzuführen, in dem der Reibvorgang zwischen dem Nietelement und dem Druckstück stattfindet. Auch diese Flüssigkeit kann der Kühlung dienen. Auch möglich ist es, dass die Flüssigkeit mit Partikeln versetzt ist, die den Umformvorgang des Nietelements fördern. Beispielsweise kann die Flüssigkeit mit hexagonalem Bor-Nitrid versehen sein.
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Der Werkstück-Stapel kann so gestaltet sein, dass die Werkstücke unter Druck miteinander verbunden werden. Dies hat zur Folge, dass ein intensiver flächiger Kontakt zwischen den Werkstücken des Werkstückstapels besteht. Ein solcher intensiver Kontakt ist allerdings nicht immer gewünscht. Dies ist insbesondere dann nicht der Fall, wenn die Werkstücke zu Kontaktkorrosion neigen, wie es beispielsweise zwischen Aluminium und kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) der Fall ist. In einem solchen Fall kann unter kontrolliert gesteuertem Fügedruck und Temperatur eine zuvor aufgebrachte Dicht- oder Klebemasse in den Fügespalt treiben und so den Zutritt korrosiver Medien, z.B. Salzwasser, zur Fügestelle verhindern.
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Es ist möglich, Dichtmaterial zwischen den Werkstücken anzuordnen. Auch möglich ist es, Dichtmaterial zwischen dem Nietelement und einem oder mehreren Werkstücken anzuordnen. Das Dichtmaterial kann gleichzeitig eine klebende Wirkung haben. Möglich ist es auch, einen Klebstoff anstatt des Dichtmaterials zu verwenden. Zwischen dem Nietelement und dem Werkstückstapel kann ein durch Reibung oder Wärme aktivierbarer Dicht- und/oder Klebstoff verwendet werden. Möglich ist auch die Verwendung eines geeigneten Thermoplast oder eines temperaturbeständigen Dichtelements.
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Um Hitzeschäden an den Werkstücken vorzubeugen und bei der nachfolgenden Verwendung auftretende Spannungskonzentrationen an der Fügestelle entgegenzuwirken, kann ein Verstärkungselement vorgesehen sein, dass bei der fertigen Nietverbindung zwischen dem Kopf und dem Werkstück angeordnet ist. Das Verstärkungselement kann ähnlich wie eine Unterlegscheibe einer Schraubenmutter dem dafür passend profiliertem Druckstück zugeführt werden und im Fügevorgang vom Kopf des Nietelements umfasst werden. Das Verstärkungselement kann zusätzlich als Barriere gegen korrosive Medien eine Dicht- und/oder Klebemasse mitführen – oder aufweichend in der Reibungswärme sich selbst als solche Masse, z.B. thermoplastisch heiß-klebend oder reaktiv klebend, im Fügevorgang der Fügestelle einbringen. Möglich ist auch eine Verstärkung als Bestandteil des Werkstücks, die in einem vorangegangenen Arbeitsgang dem Werkstück hinzugefügt wurde. Die Verstärkung kann auch als örtliche Aufdickung oder Veränderung der Zusammensetzung eines FVK-Werkstückes, zum Beispiel örtlicher Zusatzanteil von Feststoff wie feinen Glasperlen, Keramikpulver, Metallpulver, Dicht-/Klebegranulat oder einer höheren Faserdichte oder eines widerstandfähigeren Duromer oder Polymer erzeugt und wirksam sein. Je nach Beschaffenheit des Verstärkungselements bzw. der verstärkten Werkstückzone und des Nietelements kann der Schaft des Nietelements das Verstärkungselement durchdringen, oder das Verstärkungselement bzw. die verstärkte Werkstückzone ist an der Fügestelle mit genügendem Durchmesser für die Durchführung des Nietelements vorgelocht.
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Während der Drehung wird zwischen dem Nietelement und dem Druckstück eine Kraft in axialer Richtung auf das Nietelement und das Druckstück ausgeübt. Die Druckkraft kann beispielsweise zwischen 1kN und 10 kN liegen. Axiale Richtung bezeichnet die Richtung, in der sich die Nietverbindung durch den Werkstückstapel hindurch erstreckt. Werden das Nietelement und das Druckstück unter Druck gegeneinander gedreht, so kommt es zu einer Verformung der Nietelemente. Um trotz der Verformung eine hinreichende Reibung zwischen dem Nietelement und dem Druckstück aufrecht zu erhalten, können Nietelement und Druckstück während der Rotation nachgeführt werden. Nachführen bedeutet, das Nietelement und Druckstück in axialer Richtung aufeinander zu bewegt werden.
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Es kann von Vorteil sein, den Druck in axialer Richtung auch nach dem Ende der Rotation aufrechtzuerhalten, bis das plastifizierte Material des Nietelements wieder abgekühlt und erstarrt ist. Gegebenenfalls ist es auch möglich, den Druck mit dem Ende der Rotation oder nach dem Ende der Rotation zu erhöhen, um die Nietverbindung zu stauchen.
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Das Nietelement und das Druckstück werden vorzugsweise mit hoher Drehzahl gegeneinander gedreht. Die Drehzahl kann beispielsweise höher als 8000 U/min, vorzugsweise höher als 12.000 U/min, weiter vorzugsweise höher als 18.000 U/min liegen. Bei einem Nietelement aus Stahl kann die Reibdauer beispielsweise zwischen 0,5 Sekunden und 2 Sekunden liegen. Bei einem Nietelement aus Aluminium kann die Reibdauer beispielsweise zwischen 0,2 Sekunden und 0,8 Sekunden liegen.
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Für die Werkstücke kommen unterschiedliche Materialien in Betracht. Es ist möglich, dass die Werkstücke des Werkstückstapels alle aus dem gleichen Material bestehen. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil bei Werkstücken aus unterschiedlichen Materialien, die anders nicht ohne weiteres miteinander verbunden werden können. Beispielsweise kann eines der Materialien ein Metall und das andere ein faserverstärkter Kunststoff sein. In Betracht kommt beispielsweise ein duromerer FVK, insbesondere CFK (Carbon-Faserverbund-Kunststoff). Insbesondere bei Kunststoffmaterialien sollten die beschriebenen Maßnahmen genutzt werden, um eine übermäßige Wärmeübertragung auf das Werkstück zu verhindern, da Kunststoffmaterialien sonst zum Verkoken neigen können und unbrauchbar werden.
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Die Erfindung kann zur Anwendung kommen bei Werkstücken aus Leichtmetall-Legierungen und Werkstücken aus Kunststoff, vorrangig faserverstärkten Kunststoffen. Dazu gehören Thermoplast-Werkstücke, auch faserverstärkt, insbesondere sogenannten Organobleche, oder Duromer-Werkstücke, auch faserverstärkt. Auch Werkstücke, die ganz oder anteilig aus Biopolymeren und Naturfasern bestehen, sind möglich. Der Werkstückestapel kann Werkstücke aus beliebigen Kombinationen dieser Materialien umfassen. Auch Werkstücke aus Stahl sind möglich, wenn ein Durchgangsloch vorhanden – oder mit dem Nietelement im ersten Schritt ein Durchgangsloch ausgestanzt wird. Der Wärmeeintrag bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist so gering, dass eine Anwendung auch bei kunststoffhaltigen Verbundblechen möglich ist, also Metall-Kunststoff-Metall-Sandwich.
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Beim Herstellen der Nietverbindung können benachbart zu der Nietverbindung ein Niederhalter und ein Gegen-Niederhalter angeordnet werden, die den Werkstückstapel zusammendrücken. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Werkstückstapel beim Herstellen der Nietverbindung richtig aufeinander liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Niederhalter und/oder der Gegen-Niederhalter temperiert, so dass die Werkstücke im Bereich der Nietverbindung innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs gehalten werden. Insbesondere kann zu diesem Zweck eine Flüssigkeit mit geeigneter Temperatur durch den Niederhalter und/oder den Gegen-Niederhalter geleitet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann der Niederhalter die Werkstücke auf vordefinierte flächige Distanz zueinander drücken, insbesondere wenn damit eine Spaltweite zwischen den Werkstücken eingehalten werden soll, die mit einem Klebstoff oder einem Dichtmaterial gefüllt werden soll oder als bereits aufgebrachte solche Schicht ausfüllt.
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Das Verfahren kann mittels einer Anlage durchgeführt werden, die auch zum Reibelementschweißen geeignet ist. Auch im Fall nötiger von Hand oder automatisiert wechselbarer Adaptierungen z.B. des Werkstück-Gegenhalters oder Teile dessen liegt der Vorteil bezüglich geringerem Anlagen-Invest oder vermiedenen längeren Umrüstzeiten auf der Hand. Da sich das Nietelement unter dem Einfluss der Reibung plastisch-teigig ausformt, ist dessen Endform durch die Druckstück-Schmiegeform und die Maschinenprozessfunktionen Drehzahl (Zeit), Vorschubkraft (Zeit) und ggf. Zangenschließkraft (Zeit) schnell, kräftearm und zweckmäßig gestaltbar und optimierbar auf maximale Ausreißkraft sowie auf vorteilhafte Umlagerung des vom Nietelement-Schaft verdrängten Werkstückmaterials. Alle für den Fügeprozess nötigen Wirkparameter können zweckmäßig von Hand oder mittels Programmablauf gesteuert, geregelt und bestimmbar sein. Bei Bedarf können die Werkstücke vor dem Herstellen der Nietverbindung vorausgerüstet oder vorbehandelt werden, durch z.B. Formung, Wärmebehandlung, Vorlochung, Beschichtung, Hinzufügen einer Positionierhilfe oder einer Hilfe zur Qualitätskontrolle.
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Die Anlage sollte so gestaltet sein, dass sie eine ausreichende Kraft in axialer Richtung auf das Nietelement ausüben kann. Übliche Prozesskräfte liegen in einer Größenordnung von 10 kN. Solche Kräfte können problemlos mit einer C-Zange aufgebracht werden. Bei Verwendung eines kräftigen Roboterarms kann die Nietverbindung in einem sogenannten „Stoßpunkt“-Betrieb auch ohne Zange drückend gegen das Werkstück, welches in einer ortsfesten Werkstück-Haltevorrichtung befestigt ist, erzeugt werden. Wird also für das Setzen des Nietelements der Zangenumgriff nicht benötigt, so erlaubt der einseitige Zugang vorteilhaft erweiterte Gestaltungsfreiheit der Fügestellen z.B. von Karosseriebauteilen. Das Stoßpunktverfahren bietet sich insbesondere dann an, wenn nur kleinere Kräfte in der Größenordnung von beispielsweise 3 kN in Axialrichtung aufgebracht werden müssen.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Werkstückstapel mit einer durch ein solches Verfahren herstellbaren Nietverbindung. Die Nietverbindung umfasst einen Schaft, der sich durch den Werkstückstapel hindurch erstreckt und der einen ersten Kopf und einen zweiten Kopf der Nietverbindung miteinander verbindet. Erfindungsgemäß umfasst die Nietverbindung einen durch Rotation zwischen einem Nietelement und einem Druckstück erzeugten Kopf.
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Der Werkstückstapel kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind. Das Verfahren kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Werkstückstapels beschrieben sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensschritts;
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2: die Darstellung gemäß 1 in einem anderen Stadium des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3: ein erfindungsgemäßes Nietelement;
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4: eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Nietverbindung;
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5: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckstück-Bauteils;
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6: eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckstück-Bauteils;
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7: die Ansicht gemäß 2 bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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8: ein für das in 7 gezeigte Verfahren geeignetes Druckstück.
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Ein in 1 gezeigter Werkstückstapel 14 ist zusammengesetzt aus einem ersten Werkstück 15 und einem zweiten Werkstück 16. Die beiden Werkstücke 15, 16 sind in diesem Ausführungsbeispiel Bleche aus Aluminiumlegierungen. Oberhalb des Werkstückstapels 14 ist ein Nietelement 18 gezeigt. Unterhalb des Werkstückstapels 14 ist ein Druckstück 19 angeordnet. Das Nietelement 18 besteht aus Stahl, beispielsweise 19MnB4 oder 22MnB4. Das Druckstück 19 besteht aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Hartmetallstück.
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Das in 3 vergrößert dargestellte Nietelement 18 umfasst einen vorgeformten Kopf 20, an den sich ein Schaft 21 mit einem vorderen Schaftabschnitt 22 anschließt.
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Zusätzlich kann ein nicht dargestellter Niederhalter von oben an den Werkstückstapel herangeführt werden. Der Niederhalter umgibt das Nietelement 18 rundherum, so dass das Nietelement 18 in einer Öffnung des Niederhalters angeordnet ist. Ein ebenfalls nicht dargestellter Gegen-Niederhalter kann von unten an den Werkstückstapel 14 herangeführt werden. Der Gegen-Niederhalter hat eine Ausnehmung, die zu dem Druckstück 19 passt. Mit dem Niederhalter und dem Gegen-Niederhalter kann Druck auf den Werkstückstapel ausgeübt werden, so dass dieser zusammengedrückt wird. In einer Ausführung ohne Gegenhalter kann das Druckstück oder die Führungskomponente der Druckstück-Baugruppe am Werkstück aufliegen und der Kraft des Eindringens des Nietelementes in den Werkstückstapel entgegenhalten werden.
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Mit einem nicht dargestellten Werkzeug wird an dem Kopf 20 des Nietelements 18 angegriffen, um das Nietelement 18 in Drehung zu versetzen. Parallel dazu wird mit dem Werkzeug ein Druck in axialer Richtung auf das Nietelement 18 ausgeübt, so dass in dem Kontaktbereich zwischen dem Nietelement 18 und dem Material des Werkstücks 15 Reibungswärme entsteht. Das Aluminium-Material des Werkstücks 14 wird dadurch im Kontaktbereich auf eine Temperatur nicht weit unterhalb der Schmelztemperatur gebracht, so dass das Aluminium-Material in einen plastifizierten Zustand übergeht. Das Nietelement 18 wird während der Drehung in axialer Richtung nachgeführt, so dass das plastifizierte Material in den Hohlraum verdrängt wird, den das Nietelement 18 mit dem Werkstück 15 einschließt. Die Rotation und das Nachführen werden fortgesetzt, bis der vordere Abschnitt 22 des Nietelements 18 auf die Oberfläche des Druckstücks 19 auftrifft.
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Indem der vordere Abschnitt 22 des Nietelements 18 an dem Druckstück 19 reibt, wird nun das Material des Nietelements 18 bis in die Nähe seines Schmelzpunkts erwärmt, sodass das Material des Nietelements 18 in einen plastifizierten Zustand versetzt wird. Das plastifizierte Material verteilt sich in dem Hohlraum, den das Druckstück 19 mit dem Werkstück 16 einschließt. Das Druckstück 19 wirkt dabei als Führungsfläche, dass die Bewegung des plastifizierten Materials leitet. Die Rotation des Nietelements 18 wird gestoppt, wenn der Kopf 20 des Nietelements 18 auf der Oberfläche des Werkstücks 15 aufliegt. Dabei wird der Druck in axialer Richtung aufrechterhalten, bis das plastifizierte Material des Nietelements 18 wieder abgekühlt ist und erstarrt ist. Das erstarrte Material bildet gemäß 2 einen zweiten Kopf 23 der Nietverbindung. Die Form des Kopfes 23 ist definiert durch die Form des Hohlraums zwischen dem Druckstück 19 und dem zweiten Werkstück 16.
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Nach dem Entfernen des Werkzeugs, des Niederhalters und des Gegen-Niederhalters hält die aus dem Nietelement 18 gebildete Nietverbindung die beiden Werkstücke 15, 16 sicher zusammen. Der Endzustand ist in Figur 4 gezeigt.
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Das Wolframcarbid-Material des Druckstücks 19 ist hinreichend widerstandsfähig, sodass es durch die Reibung des Nietelements 18 nur einem leichten Verschleiß unterliegt.
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Es können etwa einhundert Nietverbindungen hergestellt werden, bevor das Druckstück 19 nachgearbeitet werden muss. Gemäß der perspektivischen Darstellung der 5 umfasst das Druckstück 19 eine Auflagefläche 24, mit der das Druckstück auf dem Werkstück 16 aufliegt. Der Hohlraum für den Kopf 23 der Nietverbindung wird gebildet durch eine von der Auflagefläche 24 eingeschlossene Vertiefung 25, die zugleich als Reibfläche für den vorderen Abschnitt 22 des Nietelements 18 und als Führungsfläche zum Formen des Kopfes 23 wirkt.
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Ein Druckstück-Bauteil 26, das alternativ zu dem in 5 gezeigten Druckstück 19 verwendet werden kann, ist in 6 dargestellt. Das Druckstück-Bauteil 26 umfasst eine Führungs-Komponente 27 und eine Druckstück-Komponente 28. Die Druckstück-Komponente 28 ist in die Führungs-Komponente 27 eingesetzt und wird unter Spannung in Position gehalten. Bei dieser Ausführungsform sind die Reibfläche und die Führungsfläche voneinander getrennt. Die Reibfläche wird von der Druckstück-Komponente 28 gebildet. Die Führungsfläche 29, durch die die Form des Kopfes 23 der Nietverbindung vorgegeben wird, ist an der Führungs-Komponente 27 ausgebildet. Die Druckstück-Komponente 28 besteht aus widerstandsfähigem Wolframcarbid. Die Führungs-Komponente 27 besteht aus gehärtetem und mit Hartstoff beschichtetem oder auf verschleißbeständige Oberfläche diffusionsbehandeltem Stahl und ist damit hinreichend widerstandsfähig, um den im Bereich der Führungsfläche 29 auftretenden Kräften zu widerstehen. Die Druckstück-Komponente 28 ist ein Verschleißteil, das nach etwa einhundert Nietvorgängen ausgetauscht wird.
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Alternativ kann die Führungskomponente auch aus Hartmetall, nötigenfalls beschichtet, bestehen. Damit kann eine deutlich höhere Standzeit erreicht werden. Außerdem ist das Material beständig gegen wässrige Kühlflüssigkeiten und weist im Vergleich zu Werkzeugstahl eine um einen Faktor von ca. 2 bis 3 größere Wärmeleitfähigkeit auf. Auch die Führungskomponente kann von einem Stahlring bruchsicher im Presssitz umfasst sein.
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In der Führungs-Komponente 27 sind Kanäle 30 ausgebildet, durch die eine Flüssigkeit geleitet werden kann, um das Druckstück-Bauteil 26 zu kühlen. Über einen Verbindungskanal 31 kann die Flüssigkeit direkt in den Reibbereich geleitet werden, um Wärme von dort abzuführen. Die Flüssigkeit kann mit Partikeln aus hexagonalem Bor-Nitrid versetzt sein, um den Reibvorgang, die Fließformung und den Verschleiß vorteilhaft zu beeinflussen.
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In einer Variante ist der Werkstückstapel 14 aus zwei CFK-Platten 15, 16 oder aus einer CFK-Platte 15 und einer Aluminiumplatte 16 zusammengesetzt. Das Nietelement 18 ist in diesem Fall vorzugsweise aus einer Stahllegierung. Auch bei diesen Varianten ist die beschriebene Kühlung ratsam, um Verkokung zu vermeiden. Bei dem Werkstückstapel 14 mit Aluminiumplatte 16 werden Hitzeschäden an der CFK-Platte 15 zudem dadurch vermieden, dass der sehr heiße Wulst des Nietelements nur die Aluminiumlage, nicht aber die CFK-Lage berührt.
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Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform bestehen die beiden Werkstücke 15, 16 aus Aluminiumlegierungen. Das untere Werkstück 16, hat in dem Bereich, in dem die Nietverbindung hergestellt werden soll, eine Verdickung 33, wie sie beispielweise für Gussteile zweckmäßig sein kann. Je nach Art des Werkstückes kann anstelle der Verdickung auch einfach genügende Werkstückdicke vorliegen. Das in 8 gezeigte Druckstück 19 hat eine ebene Auflagefläche 24, die flächig auf der Verdickung 33 aufliegt. Der vordere Abschnitt des Nietelements 18 wird durch Reibung an der Auflagefläche 24 in einen plastifizierten Zustand versetzt. Dabei bewegt sich das plastifizierte Material in seitlicher Richtung und verdrängt dabei Material des Werkstücks 16. Der Kopf 23 der Nietverbindung ist bei dieser Ausführungsform innerhalb des Werkstücks 16 angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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