DE10354680B4

DE10354680B4 - Verfahren zum Verbinden von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen

Info

Publication number: DE10354680B4
Application number: DE10354680A
Authority: DE
Inventors: Gunter Quaisser; Stephan Dietrich; Frank Finger; Raik Grützner; Reinhard Dr.-Ing. Mauermann; Kurt Lagler; Thomas Dipl.-Ing. Keller
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; ThyssenKrupp Automotive AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; ThyssenKrupp Technologies AG
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-11-22
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2023-11-23
Also published as: DE10326430A1; DE10354680A1

Abstract

Verfahren zum Verbinden von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (1, 2), insbesondere Blechen, in einem mechanischen Fügeprozess ohne Vorloch, mit Hilfe eines Halbhohlnietes (5) als Fügeelement, wobei der Halbhohlniet (5) mittels einer impulsförmig aufgebrachten Einpresskraft in die sich überlappenden Bauteile (1, 2) eingeformt wird und sich die überlappenden Bauteile (1, 2) an der dem eindringenden Halbhohlniet (5) gegenüber liegenden Seite (14) gegen eine im Wesentlichen ebene Fläche abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpresskraft mit einem einzigen Impuls derart aufgebracht wird, dass der Halbhohlniet (5) mit einer Anfangseindringgeschwindigkeit von wenigstens 5 m/s in die sich überlappenden Bauteile (1, 2) eindringt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen mit Hilfe von Halbhohlnieten als Fügeteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der letzten Zeit werden miteinander vernietete Bleche wieder verstärkt im Fahrzeugbau verwendet. Dieses ist auch dadurch bedingt, dass unterschiedliche Materialien miteinander zu Baugruppen verbunden werden. Darüber hinaus kann das Verbinden mittels Nieten durch Kleben ergänzt werden.
Für den vorbeschriebenen Einsatzfall werden bevorzugt mechanische Fügeprozesse ohne Vorloch eingesetzt. Für derartige Fügeprozesse haben sich Halbhohlniete als Fügeteile bewährt.
Üblicherweise werden zum Nieten Nietzangen eingesetzt, bei denen der Niettreiber und der Gegenhalter an den Enden eines gemeinsamen U-förmigen Bügels angebracht werden. Diese Nietzangen werden von Hand oder auch von einem Roboter geführt. Tendenziell wird jedoch auch bereits einseitig mit Robotern genietet. Dazu müssen jedoch aufwändige Gegenhaltekonstruktionen eingesetzt werden. Darüber hinaus ist dann eine sehr genaue Robotersteuerung erforderlich. Diese hohe Steuergenauigkeit an den Robotern muss noch erhöht werden, wenn als Gegenhalteteil Dornmatrizen zum Einsatz kommen.

In der DE 199 05 528 A1 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Derartige bekannte Nietverfahren arbeiten mit hydraulischen, pneumohydraulischen oder servoelektrischen Antrieben, die Anfangseindringgeschwindigkeiten des Niets von unter 1 m/s erzeugen. In dieser Druckschrift wird in Bezug auf eine Nietverbindung, die zwischen einer dünnen oberen und einer im Vergleich dazu wesentlich dickeren unteren Blechlage ausgebildet wird, ein Nietverfahren vorgeschlagen, bei dem zur Verringerung der maximal aufzubringenden Nieteinpresskraft die Einpresskraft nicht in einem einstufigen Vorgang, sondern in mehreren aufeinander folgenden Stößen bzw. Impulsen aufgebracht wird. Dadurch, dass der Niet mit Hilfe mehrerer aufeinander folgender Impulse sukzessive durch die miteinander zu vernietenden Blechlagen getrieben wird, wird zur Erzeugung einer Nietverbindung eine entsprechend lange Nietsetzzeit benötigt. Insbesondere bei Fahrzeugbauteilen, die mit einer großen Anzahl einzelner Nietverbindungen verbunden werden, ist das bekannte Nietverfahren zu langsam und weist daher erhebliche Produktivitätsnachteile auf. Darüber hinaus ist der bei dem bekannten Verfahren notwendige pulsierende Antrieb zur Erzeugung der aufeinander folgenden Impulse vorrichtungstechnisch aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Fügeverfahren hinsichtlich der zur Durchführung eingesetzten Vorrichtung zu vereinfachen und dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine höhere Produktivität erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben.

Gemäß Patentanspruch 1 wird die vorgenannte Aufgabe also dadurch gelöst, dass die Einpresskraft mit einem einzigen Impuls derart aufgebracht wird, dass der Halbhohlniet mit einer Anfangseindringgeschwindigkeit von wenigstens 5 m/s in die sich überlappenden Bauteile eindringt.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass ein sicheres Vernieten von zwei sich teilweise überlappenden Bauteilen, vorzugsweise Blechen, mittels eines Halbhohlniets als Fügeteil erreicht wird. Dabei ist ein einseitiges Nieten möglich, ohne dass die Nietvorrichtung übermäßig genau geführt werden muss. Auch die Auflagekonstruktion an der dem Niet entgegen liegenden Seite muss nicht so genau ausgebildet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren weist darüber hinaus besonders den Vorteil auf, dass das Verfahren sicher in einer großen Variationsbreite hinsichtlich Nietkraft, Werkstoffstreuung und Werkstoffkombination eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ergibt sich eine weniger zerklüftete Form an der Innenseite der miteinander zu verbindenden Bauteile.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 die schematische Darstellung einer Nietvorrichtung,
2 einen vergrößerten Schnitt durch eine Nietverbindung nach dem heute üblichen Stand der Technik und
3 einen Schnitt durch eine Nietverbindung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden teilweise überlappende Bauteile, insbesondere Bleche, mittels Halbhohlnieten als Fügeteil miteinander verbunden. Dazu ist es nicht erforderlich, die Bauteile mit einem Vorloch zu versehen. Halbhohlniete gra ben sich aufgrund ihrer Form durch das obere Bauteil und in das untere Bauteil ein. Das Vernieten erfolgt über einen einseitig vor die zu verbindenden Bauteile angesetzten Nietsetzer. Auf der anderen Seite ist ein Gegenhalter angebracht. Nietsetzer und Gegenhalter können über eine Zange miteinander verbunden sein. Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere Gegenhalter an einer Auflagekonstruktion angeordnet sind und ein Nietsetzer beispielsweise über einen Roboter an die jeweiligen Nietpunkte geführt und dann die Nietung ausgelöst wird.
1 stellt diesen Aufbau einer Nietvorrichtung schematisch dar. Zwei Bauteile 1, 2, im Ausführungsbeispiel Bleche, liegen teilweise überlappend aufeinander. Sie werden im Ausführungsbeispiel von einem flachen Gegenhalter 3 getragen. Über eine nicht näher dargestellte Führungseinheit wird der Nietsetzer 4 mit dem eingelegten Halbhohlniet 5 über den Nietpunkt geführt. Dieses kann im einfachsten Fall auch von Hand erfolgen. Bei der Ausbildung des Nietsetzers 4 wird ein Schussbolzen 6 in einem Führungsrohr 7 über eine Beschleunigungsstrecke 8 beschleunigt und trifft mit seiner Endgeschwindigkeit auf den Kopf des Halbhohlniets 5. Die Beschleunigung des Schussbolzens 6 erfolgt durch eine nur schematisch dargestellte Beschleunigungseinheit 9. Die Beschleunigung des Schussbolzens 6 kann in verschiedenster Weise erfolgen, beispielsweise über Luftdruck, mechanisch über eine Feder oder auch elektromagnetisch.
Weiterhin kann sich der Halbhohlniet 5 auch direkt am Schussbolzen 6 befinden und gemeinsam mit diesem beschleunigt werden, sodass der Halbhohlniet 5 selbst mit hoher Geschwindigkeit auf die Bauteile auftrifft.
Wie in 2 und 3 ersichtlich, gräbt sich der Halbhohlniet 5 mit dem Auftreffen des Schussbolzens 6 auf den Kopf des Halbhohlniets 5 mit seiner Schneide 10 durch das obere Bauteil 1 und in das untere Bauteil 2. Um sicherzustellen, dass der Halbhohlniet 5 sich durch das obere Bauteil 1 und bis in das untere Bauteil 2 eingräbt, gehört es zum Stand der Technik, wie in 2 gezeigt, als Gegenhalter eine Formmatrize zu verwenden, deren Dorn 11 etwa zentral unterhalb der Bohrung 12 des Halbhohlniets 5 angeordnet sein muss, um eine sichere Vernietung zu gewährleisten. Bereits aus der Darstellung in 2 ist erkennbar, dass hier sehr hohe Genauigkeiten zwischen der Lage des Dorns 11 der Formmatrize und der Lage des den Halbhohlniet 5 führenden Nietsetzers 4 erforderlich ist. Von daher ist ein freies Nietsetzen nur von außen mit hohen Risiken hinsichtlich der Qualität der Nietverbindung verbunden. Es werden Nietzangen mit entsprechend hohem Gewicht benötigt oder aber bei freiem Setzen von außen Roboter mit einer höchsten Positionierungsgenauigkeit. Die in den 2 und 3 vergrößert dargestellten Halbhohlniete 5 haben einen Schaftdurchmesser von 3 bis 8 mm.
Erst nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine sichere Vernietung von zwei Bauteilen 1, 2 gemäß 3 möglich. Voraussetzung für eine derartige Vernietung ist, dass der Halbhohlniet 5 mit einer Anfangseindringgeschwindigkeit von wenigstens 5 m/s in die sich überlappenden Bauteile eindringt. Bei einer derartig hohen Anfangseindringgeschwindigkeit wird es möglich, die Bauteile 1, 2 an der der Eindringseite 13 gegenüber liegenden Seite 14 gegen eine ebene, leicht gewölbte oder leicht konkave Fläche am Gegenhalter 3 abzustützen.
Erst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dann eine relativ ebene Innenfläche, wie sie in 3 gezeigt ist, erzielt und trotzdem sichergestellt, dass das obere Bauteil 1 vom Halbhohlniet 5 durchdrungen und bis in das untere Bauteil 2 eingedrungen ist.
Überraschenderweise wird die in 3 dargestellte Vernietung sicher über einen großen Streubereich hinsichtlich Eindringgeschwindigkeit des Halbhohlniets 5 und Streuung von Qualität und Wandstärke der Bauteile 1, 2 erreicht. Selbstverständlich muss beim erfindungsgemäßen Verfahren keine so hohe Genauigkeit mehr zwischen der Position des Nietsetzers 4 und dem Gegenhalter 3 eingehalten werden, da der Gegenhalter 3 einen Gegenhalt über eine große Fläche gewährleistet.

1: Bauteil
2: Bauteil
3: Gegenhalter
4: Nietsetzer
5: Halbhohlniet
6: Schussbolzen
7: Führungsrohr
8: Beschleunigungsstrecke
9: Beschleunigungseinheit
10: Schneide
11: Dorn
12: Bohrung
13: Eindringseite
14: der Eindringseite gegenüber liegende Seite

Claims

Verfahren zum Verbinden von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (1, 2), insbesondere Blechen, in einem mechanischen Fügeprozess ohne Vorloch, mit Hilfe eines Halbhohlnietes (5) als Fügeelement, wobei der Halbhohlniet (5) mittels einer impulsförmig aufgebrachten Einpresskraft in die sich überlappenden Bauteile (1, 2) eingeformt wird und sich die überlappenden Bauteile (1, 2) an der dem eindringenden Halbhohlniet (5) gegenüber liegenden Seite (14) gegen eine im Wesentlichen ebene Fläche abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpresskraft mit einem einzigen Impuls derart aufgebracht wird, dass der Halbhohlniet (5) mit einer Anfangseindringgeschwindigkeit von wenigstens 5 m/s in die sich überlappenden Bauteile (1, 2) eindringt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbhohlniet (5) mit einer Anfangseindringgeschwindigkeit von 30 m/s bis 100 m/s in die sich überlappenden Bauteile (1, 2) eindringt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbhohlniet (5) auf den Bauteilen (1, 2) aufliegt und durch den Schussbolzen (6) in die Bauteile (1, 2) eingetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbhohlniet (5) mit dem Schussbolzen (6) beschleunigt und in die Bauteile (1, 2) eingetrieben wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbhohlniet (5) oder der Schussbolzen (6) mittels einer Impulsfügevorrichtung beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfügevorrichtung mittels Druckluft beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfügevorrichtung elektromagnetisch beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfügevorrichtung mechanisch, beispielsweise mittels einer sich entspannenden Feder beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfügevorrichtung mittels Zündung eines Gasgemisches beschleunigt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfügevorrichtung mittels eines Roboters gehalten und/oder positioniert wird.