DE19912460C2

DE19912460C2 - Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken mit Nietelementen

Info

Publication number: DE19912460C2
Application number: DE19912460A
Authority: DE
Inventors: Michael Busch; Ralf Schaeuble
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2019-03-20
Also published as: WO2000056479A1; DE19912460A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Stanznietverfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken mit Nietelementen.

Ein technisches Anwendungsgebiet ist das Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken fester Form mit Nietelementen ohne Vorlochen. Im Gegensatz zum konventionellen Stanznieten ist mit dem neuen Verfahren ein schnelles, automatisierbares Verbinden von artverschiedenen Werkstoffen, die nicht notwendig duktiles Verformungsverhalten aufweisen müssen, möglich.

Typische Anwendungen sind: Verbinden von Faserverbund-Blechen beim Fahrzeug- Rohbau, bei Transportbehältern, im Flugzeugbau; Mischverbindungen aus verschiedenen Materialien u. a..

Aus der DE 39 23 263 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Blindnietverbindungen bekannt, bei dem der Nietstift eines Blindniets von einer Seite in ein Loch in den zu verbindenden Werkstücken eingesetzt und von der gegenüberliegenden Seite mit einer Zugkraft beaufschlagt wird, um den Stauchvorgang durchzuführen. Durch die Ausübung der Zugbewegung wird der Blindniet vollständig eingezogen und der Stiftkopf gestaucht. Zur Erhöhung der Festigkeit einer derartigen Blindnietverbindung wird ein Nietstift mit gewindeartigen Erhöhungen eingesetzt und gleichzeitig mit der Zugbewegung eine Drehbewegung auf den Nietstift ausgeübt. Dies führt zu einer Art zusätzlicher Verschraubung, die die Festigkeit der Verbindung erhöht.

Bei diesem Blindnietverfahren muß jedoch zunächst eine Vorlochung der Werkstücke durchgeführt werden, um die Löcher zu erzeugen, in die der Nietstift eingesetzt werden kann.

Das Stanznieten ist ein verbreitetes Verfahren für das zweiseitige Verbinden mit Nietelementen ohne Vorlochen. Die zu verbindenden Teile werden von zwei Seiten mit Nietelementen verbunden. Ein Vorlochen ist beim Stanznieten nicht erforderlich, da das Vorlochen beim konventionellen Stanznieten durch einen Niet-Schneiden-Vorgang ersetzt wird. Das Stanznieten ist sowohl mit Voll- als auch mit Halbhohlniet möglich.

Aus der DE 197 01 780 A1 ist ein Stanzniet bekannt, der an der Stirnseite seines Nietsschaftes eine Schneidkante aufweist, die im Schneidbereich durch eine durchgehend achsparallel verlaufende Außenseite und eine konische Innenseite des Nietschaftes gebildet ist. Der Stanzniet ist rohrförmig in axialsymmetrischer Ausführung ausgebildet und beidseitig mit gleichen Schneidkanten versehen. Die Verbindung zweier Werkstücke mit diesem Stanzniet erfolgt in gleicher Weise wie dies im Folgenden in Verbindung mit einem Halbhohlniet anhand der Prinzipskizze der Fig. 1a erläutert wird.

Beim Stanznieten mit einem Halbhohlniet (s. Prinzipskizze in Abb. 1a) wird der Niet durch die obere Blechlage gedrückt und verformt die untere Blechlage plastisch zu einem Schließkopf. Dabei verspreizt sich der Niet (s. Prinzipskizze in Abb. 1b). Die Fügestelle liegt während des Nietvorganges auf einer Matrize auf, der Niet wird mittels eines Stempels in die zu fügenden Teile gepreßt. Beim Stanznieten wird der Werkstoff plastisch umgeformt, wobei das stempelseitige Material nicht notwendig plastisch verformbar sein muß.

Sollen spröde Materialien wie beispielsweise faserverstärkte Laminate mit duroplastischer Matrix (Harzmatrix) mittels Stanznieten gefügt werden kommt es beim Einpressen des Nietes (betrifft sowohl Vollniet als auch Halbhohlniet) zu einer Schädigung im Bereich des Nietes, die dazu führt, daß keine hinreichende Verbindung zwischen den zu fügenden Teilen erreicht wird. Im Falle faserverstärkter Laminate mit spröder Harzmatrix kommt es z. B. zu einem Zerbröseln des Harzes im Bereich des Nietes, das letztlich in einem unzureichenden Fügeergebnis resultiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Stanznieten zu schaffen, das auch für spröde Materialien geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Stanznietverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 gelöst, dadurch daß beim Einpressen eines Niets der Pressbewegung eine Drehbewegung um seine Längsachse überlagert ist. Vorlochoperationen sind bei dem Verfahren dennoch nicht erforderlich, das Fügen ist schnell und mit automatischer Verarbeitung möglich. Mit dem neuen Verfahren lassen sich beispielsweise faserverstärkte Laminate mit spröder Harzmatrix in einem Arbeitsschritt mechanisch miteinander verbinden.

Eine Verbesserung gegenüber dem bisherigen Verfahren wird dadurch erreicht, daß dem Niet gleichzeitig zur Einpreß-Bewegung in das Material eine Drehbewegung um seine Längsachse überlagert wird (s. Prinzipskizze in Abb. 2), so daß beim Fügen ein Niet-Bohr-Vorgang stattfindet. Durch diese Kombination aus gleichzeitigem Stanzen und Bohren in einem Arbeitsschritt kann ein schädigungsarmes Eindringen des Nietes ohne aufwendige Vorlochoperationen erreicht werden. Voraussetzung hierfür sind Niete mit geeigneten Geometrie-, Werkstoff- und Oberflächeneigenschaften. Der Werkstoff muß z. B. genügend Duktilität für die Umbördelunsvorgänge bzw. das Aufspreizen aufweisen, und andererseits genügend Härte, um beim Schneiden des Nietloches das zu verbindende Material abzutragen. Die erforderliche Härte kann durch eine entsprechende Härtung der Oberfläche oder eine geeignete Oberflächenbeschichtung der Nietspitze erreicht werden. Aufgrund des Niet-Bohr-Vorganges und der damit einhergehenden geringeren Preßkräfte als beim konventionellen Stanznieten mit reinem Bohr-Schneiden-Vorgang ist neben dem zweiseitigen auch ein einseitiges Verbinden ohne Matrize in einem Arbeitsgang möglich, so daß dadurch auch Anwendungen, bei denen nur eine einseitige Zugänglichkeit gewährleistet ist und die bisher dem Stanznieten vorbehalten waren, erschlossen werden können.

Beim konventionellen Stanznieten wird der Niet durch einen Niet-Schneiden-Vorgang in das Material eingepreßt (Prinzip s. Abb. 1), das dabei plastisch verformt wird. Grundlegender Bestandteil der hier beschriebenen Erfindung zum schädigungsarmen Stanznieten mit Halbhohlniet ist das Ersetzen des Niet-Schneiden-Vorganges durch einen Niet-Bohr-Vorgang (Prinzipskizze Abb. 2). Die erforderliche Drehbewegung des Nietes um seine Längsachse bei gleichzeitigem Vorschub in Richtung der Längsachse (s. Abb. 2) wird durch eine geeignete Bohrmaschine erreicht, die in der Lage ist, die Dreh- und Vorschubbewegung bei entsprechend hohen Vorschubkräften zu leisten. Daher sollte der Niet während der Drehbewegung fixiert sein. Die Eignung des Nietes für den Bohrvorgang muß durch seine Geometrie-, Werkstoff- und Oberflächeneigenschaften eingestellt werden.

Bei dem Niet-Bohr-Vorgang wird das Material an dem Ort, der nach dem Nieten vom Halbhohlniet eingenommen wird, schädigungsarm abgetragen, so daß in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Nietes und den gewählten Verfahrensparametern (dazu zählen insbesondere die Drehzahl (z. B. < 3-4000 Umdrehungen/Minute) und der Anpreßdruck) ein spaltfreier und kraftschlüssiger Formschluß erreicht werden kann.

Der Bohr-Niet-Vorgang kann zum zweiseitigen Verbinden mit einer Matrize auf der Unterseite sowohl mit vollständig durchgehendem Niet als auch mit nicht durchgehendem Niet verwendet werden. Der Kraftschluß kann dadurch verbessert werden, daß das aus den Blechlagen ausgebohrte Material den hohlen Nietschaft ausfüllt. Hierzu muß der Niet im Falle des durchgehenden Nietes auf der Unterseite geeignet umgeformt werden, um den Einschluß des Materials im Nietschaft zu gewährleisten. Eine solche Umformung kann durch eine geeignete Matrizenform erreicht werden. Eine Spreizung des Nietes ist bei dieser Variante für eine gute Fügeverbindung keine notwendige Voraussetzung.

Im Falle des nicht durchgehenden Nietes ist die Spreizung des Nietes für eine feste Nietverbindung erforderlich. Eine solche Spreizung kann durch eine geeignete Nietform und einen auf die Nietform und die zu fügenden Materialien abgestimmten Niet-Bohr-Vorgang erreicht werden. Eine andere Möglichkeit den nicht durchgehenden Niet im Material zu fixieren, besteht darin, daß die Oberfläche mit Widerhaken-ähnlichen Oberflächenstrukturen versehen ist, die zu einer festen Verankerung des Niets im Material führen.

Da der Vorschub des Nietes bei diesem Verfahren durch den abrasiven Materialabtrag beim Bohrvorgang beeinflußt wird, sind prinzipiell geringere Preßkräfte erforderlich als beim konventionellen Stanznieten, so daß neben dem zweiseitigen auch ein einseitiges Verbinden ohne Matrize in Betracht kommt.

Nachfolgend sind einige Ausführungsbeispiele für das Verfahren gegeben. Es zeigen die Abbildungen:

1. 1.a Konventionelles Stanznieten mit Halbhohlniet durch Niet-Schneiden-Vorgang
2. 1.b Querschnitt durch die Verbindung nach dem Nieten
3. Neues Verfahren, Stanznieten mit Halbhohlniet durch Niet-Bohr-Vorgang
4. Zweiseitiges Verbinden mit durchgehendem Niet
5. Zweiseitiges Verbinden mit nicht durchgehendem Niet
6. Einseitiges Verbinden mit nicht durchgehendem Niet
7. Halbhohlniet mit glattem Rand
8. Halbhohlniet mit gezahntem Rand

Beispiel 1

Das Verfahren kann mit Stempel und Matrize auf der Gegenseite ausgeführt werden. Der Niet kann durch die zu fügenden Teile durchgehen und auf der unteren Seite durch die Matrize so verformt werden, daß das ausgebohrte Material eingeschlossen wird (s. Abb. 3). In diesem Fall muß der Niet für eine feste Verbindung nicht notwendig aufspreizen.

Beispiel 2

Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren kann auch in der Weise betrieben werden, daß der Niet nicht vollständig durch das untere Fügeteil durchgeht (s. Abb. 4). Durch das Aufspreizen des Nietes, das durch eine geeignete Nietform und einen entsprechend gewählten Verfahrensablauf erreicht werden kann, läßt sich eine hohe Festigkeit der Verbindung erreichen.

Beispiel 3

Da das Niet-Bohr-Verfahren in geringeren Preßkräften resultiert, kann abhängig von den zu fügenden Materialien und weiteren genauen Umständen ggf. auf die Matrize verzichtet werden, so daß ein einseitiges Verbinden mit nicht durchgehendem Niet (s. Abb. 5) möglich ist. Diese Variante kann zum Beispiel für das Stanznieten sehr dicker Laminate interessant sein.

Für mögliche Niet-Geometrien sind nachfolgend zwei Beispiele angegeben.

Beispiel 4

Für den Niet-Bohr-Vorgang muß der Niet im Hinblick auf die Geometrie, die Werkstoff- und die Oberflächeneigenschaften bestimmte Anforderungen erfüllen. Hinsichtlich der Geometrie kann zum Beispiel ein Halbhohlniet mit glattem Rand verwendet werden (s. Abb. 6).

Beispiel 5

Sowohl im Hinblick auf den Bohrvorgang als auch auf das Umformen des Nietes im Falle des zweiseitigen Verbindens mit durchgehendem Niet (s. Beispiel 1 und Abb. 3) kann es vorteilhaft sein, einen Halbhohlniet mit gezahntem Rand (s. Abb. 7) einzusetzen.

Claims

1. Stanznietverfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken mit Nietelementen, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einpressen des Niets der Pressbewegung eine Drehbewegung um seine Längsachse überlagert ist.

2. Stanznietverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet oberflächenbeschichtet oder wenigstens an der Spitze gehärtet ist.

3. Stanznietverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet hohl ausgebildet ist.

4. Stanznietverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet an der Spitze mit einer Schneidkante ausgebildet ist.

5. Stanznietverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet wenigstens am zu haltenden Ende fixierbar ausgebildet ist.

6. Stanznietverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet am Ende mit einem Schlitz, Kreuzschlitz oder kantig oder gezahnt ausgebildet ist.

7. Stanznietverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet längsseitig Oberflächenverformungen zur Verbesserung des Presssitzes aufweist.

8. Stanznietverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet spreizbar ausgebildet ist