DE69317303T2

DE69317303T2 - Selbststanzende nieten

Info

Publication number: DE69317303T2
Application number: DE69317303T
Authority: DE
Inventors: Stuart Edmond Blacket; Alf Cotterill; Sumanjit Singh
Original assignee: Henrob Ltd
Current assignee: Atlas Copco IAS UK Ltd
Priority date: 1992-12-19
Filing date: 1993-12-20
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2013-12-21
Also published as: AU5708294A; GB9226517D0; KR950704069A; DE69317303T3; WO1994014554A1; ES2115921T3; EP0675774A1; EP0675774B1; EP0675774B2; US5752305A; JP3553938B2; KR100316090B1; DE69317303D1; JPH08505087A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft selbststanzendes Nieten und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nieten von der Art, bei der ein selbststanzender Niet ohne vollständiges Durchdringen in Folien/-Blechmaterial eingefügt wird, so daß das verformte Ende des Niets von einem gestauchten Ringraum des Folien-/Blechmaterials umschlossen bleibt. (Siehe zum Beispiel "Engineering", Bd. 222, September 1982, London GB, Seiten 634-635, und EP-A-2 350 901).
Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt eines Beispiels einer Nietverbindung, die mittels eines solchen Nietverfahrens gemäß der Erfindung hergestellt wurde. Ein Niet 1 weist einen Kopf 2 und einen Schaft 3 auf, der in einer ringförmigen Kante 4 endet. Der Schaft 3 ist anfangs zylindrisch, wird aber nach außen in die dargestellte Gestalt konisch erweitert, während der Niet in zwei sich überlappende Folien/Bleche 5, 6 getrieben wird, die sich auf einer geeignet geformten Matrize befinden. Wie gezeigt bleiben der Schaft 3 und die Kante 4 des Niets im Folien- /Blechmaterial 5, 6 eingebettet, nachdem der Niet gesetzt wurde.
Nietverbindungen der in Fig. 1 dargestellten Art haben bisher verschiedene Mängel aufgewiesen. Der Kopf 2 des Niets 1 ist wünschenswerterweise bündig mit der umgebenden Oberfläche der Folie/des Blechs 5, die unverformt bleiben sollte, und das ringförmige Tal 7 zwischen der Folie/dem Blech 5 und dem Nietkopf 2 sollte so flach wie möglich sein. Tatsächlich können die Nietspannungen jedoch zu einer wesentlichen Verformung der oberen Folie/des oberen Blechs führen, zum Beispiel in Form einer kreisförmigen Vertiefung bzw. eines kreisförmigen Grübchens um den Nietort herum, und das Tal 7 kann unakzeptabel tief sein. Solche Oberflächenverzerrungen sind zwar bei vielen Anwendungen problemlos, sind aber oft unakzeptabel, zum Beispiel für sichtbare Verbindungen der Karosseriebleche von Kraftfahrzeugen, insbesondere für die gekrümmten Abschnitte dieser Bleche. Auf der versteckten Seite der Verbindung ist das Erscheinungsbild belanglos, jedoch kann eine Ungleichmäßigkeit in der Dicke des Folien/Blechmaterials 6, das das Nietende 4 umschließt, die Festigkeit der Verbindung beeinflussen und einen Durchbruch des Nietendes gestatten, wodurch eine Korrosion gefördert wird.
Es versteht sich, daß selbststanzendes Nieten nicht auf Niete der in Fig. 1 gezeigten Art beschränkt ist. So können zum Beispiel auch senkkopfartige und flachkopfartige Niete verwendet werden, aber Nietverbindungen, die solche alternativen Niete verwenden, haben bisher unter zumindest einigen der oben erwähnten Mängel gelitten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum selbststanzenden Nieten der definierten Art bereitzustellen, bei dem die oben genannten Nachteile umgangen bzw. gemildert werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Nietmaschine zum Setzen selbststanzender Nieten auf die beschriebene Art und Weise. Eine bekannte Nietmaschine zum Setzen selbststanzender Nieten ist in der Europäischen Patentschrift 172171 von Nietek Pty. Ltd. beschrieben, deren Offenbarung hierin per Bezugnahme aufgenommen wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannte Nietmaschine zu modifizieren, um die davon erzeugte Nietverbindung zu verbessern.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Nietverfahren vorgesehen, das das Einfügen eines selbststanzenden Niets in Folien-/Blechmaterial ohne vollständiges Durchdringen desselben umfaßt, so daß das verformte Ende des Niets von einem gestauchten Ringraum des Folien-/Blechmaterials umschlossen bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Folien-/Blechmaterial während des Nietvorgangs im Bereich um die Nieteinfügungsstelle herum mit einer wesentlichen Kraft festgeklemmt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Nietmaschine zum Einfügen eines selbststanzenden Niets in Folie n-/Blechmaterial ohne vollständiges Durchdringen desselben vorgesehen, so daß das verformte Ende des Niets von einem gestauchten Ringraum des Folien/Blechmaterials umschlossen bleibt, wobei die genannte Maschine folgendes umfaßt: einen Stempel, eine Einrichtung zum aufeinanderfolgenden Zuführen von Nieten zum Stempel zum Einfügen in zu nietendes Folien-/Blechmaterial, eine auf den Stempel ausgerichtete Matrize zum Verformen des dadurch eingefügten Niets und eine Klemmeinrichtung zum Festklemmen des Folien-/Blechmaterials mit einer wesentlichen Kraft während des Nietvorgangs im Bereich um die Nieteinfügungsstelle herum.
Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt einer Nietverbindung, die durch das Nietverfahren der Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 2 ein Diagramm, das die wirksamen Komponenten einer Nietmaschine der Erfindung zu Beginn eines Nietvorgangs zeigt;
Fig. 3 einen Seitenaufriß, teilweise im Schnitt, eines Niets, der zur Verwendung im Nietverfahren der Erfindung geeignet ist;
Fig. 4 und 5 Längsschnittansichten auf zueinander senkrecht liegende Ebenen eines Ausführungsbeispiels einer Nietmaschine gemäß der Erfindung; und
Fig. 6 und 7 entsprechende Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Nietmaschine gemäß der Erfindung.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. Die Nietverbindung aus Fig. 1 ist bereits als ein Beispiel für die Art von Verbindung beschrieben worden, die durch das Nietverfahren der Erfindung erzeugt wird. Der unverformte Niet ist in Fig. 3 gezeigt und ist mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Es ist ersichtlich, daß der Schaft 3 anfangs zylindrisch ist und das freie Ende 4 eine innere Verjüngung aufweist, um eine Schneidkante zu definieren, was die Einfügung und die Ausweitung des Niets erleichtert.
Fig. 2 zeigt einen Stempel 10 eines Nietwerkzeugs, der von einem Vorklemmelement 11 umgeben ist, das eine ringförmige Klemmoberfläche 12 aufweist, die zwei sich überlappende Folien/Bleche 13, 14 gegen eine Matrize 15 drückt. Die Oberfläche 12 kann eine rauhe Oberflächenausführung aufweisen, die zum Beispiel durch Rändeln bzw. durch ringförmiges Riffeln bereitgestellt wird, um das Folien-/Blechmaterial besser zu fassen und um zu verhindern, daß Material seitlich in die Verbindung gezogen wird. An der Oberfläche 12 kann ein Machschlagring vorgesehen sein, wie im Mebenbild zu Fig. 2 gezeigt ist. Der Machschlagring dient dazu, einen Materialfluß zu verhindern und ferner dazu, eine Verzerrung neben dem Nietkopf zu regulieren, um ein gleichförmiges Erscheinungsbild zu erzeugen. Ein Niet 16 der in Fig. 3 gezeigten Art befindet sich am Ende des Plungers 10 und ist zur Einfügung in die Folien/Bleche 13, 14 bereit. Die Matrize 15 hat eine ringförmige Oberfläche 17 (die auf die gleiche Weise wie die Oberfläche 12 aufgerauht sein kann), die mit der Klemmoberfläche 12 zusammenwirkt und einen halbringförmigen Hohlraum 18 um einen mittigen Vorsprung 19 umgibt, der bevorzugt oberhalb des Niveaus der Klemmoberfläche 17 liegt, der aber auch unterhalb dieser Oberfläche oder auf gleichem Niveau damit liegen kann. Das Klemmelement 12 übt eine konstante Klemmkraft auf die Folien/Bleche 13, 14 aus. Ein elektronischer Druckschalter fühlt den Klemmdruck und den Hauptnietvorgangdruck ab und wird als eine Steuereinrichtung verwendet, die von einer programmierbaren Logiksteuereinheit koordiniert wird. Die Klemmkraft, die während des Nietvorgangs konstant bleibt, kann präzise auf einen beliebigen Wert bis zu etwa 1,5 Tonnen eingestellt werden. Bei einer hydraulisch betriebenen Nietmaschine kann die Steuerung der Klemmkraft das Auffüllen des Öls im Klemmzylinder umfassen, um den Klemmdruck aufrechtzuerhalten, während der Nietvorgang stattfindet. Das ist erforderlich, da sich der Rahmen der Nietmaschine, bei dem es sich um einen U-Rahmen der in der Europäischen Patentschrift Nr. 172171 gezeigten Maschine handelt, während des Nietvorgangs wölbt, und daher muß der Klemmzylinder vorrücken, um die Klemmkraft konstant zu halten.
Das sich verjüngende Ende 4 des Niets 1 stellt einen Schneidring bereit, der als Folge der Klemmkraft die obere Folie/das obere Blech 13 mit minimaler Einziehung des Folien/-Blechmatenais schneidet. Der Verjüngungswinkel am Ende des Niets stellt eine Verjüngungsoberfläche bereit, die aufgrund des Zusammenspiels von Matrize und Stempel radial nach außen gestoßen werden kann, was zu einer zuverlässigen Ausweitung des Niets führt, während er vom Stempel in die Matrize gezwungen wird. Der Niet ist bevorzugt hitzebehandelt, um seine Selbststanzeigenschaft zu verbessern.
Die Nietmaschine ist bevorzugt konstruiert, wie in der oben genannten Europäischen Patentschrift gezeigt. Alternative Ausführungen des Klemm- und Stanzteils der Maschine sind in den Fig. 4, 5 und den Fig. 6, 7 gezeigt. In den Fig. 4, 5 wird ein Stempel 20 von einem Plunger 21 getragen, der in einem doppelt wirkenden Kolben 22 endet, welcher in einem Hauptzylinder 23 verschiebbar ist, der an entgegengesetzten Seiten des Kolbens 22 Einlaß/Auslaßverbindungen 24, 25 aufweist. Der untere Teil des Plungers 21 (in den Fig. 4 und 5 links) ist in einer Führungsbuchse 26 verschiebbar, die ein Betätigungselement 27 trägt und in einer Nase 28 endet, deren Stirnfläche die Klemmoberfläche 12 aus Fig. 2 bereitstellt. Die Betriebsweise des Betätigungselements 27, des Plungers 21 und des Stempels 20 ist vollständig in der oben genannten Europäischen Patentschrift beschrieben. Die Maschine aus den Fig. 4 und 5 unterscheidet sich von der in der Europäischen Patentschrift beschriebenen aufgrund der Tatsache, daß der Kopf 29 der Führungsbuchse 26 eine Schulter aufweist, die von einer Spannhülse 30 in Eingriff genommen wird, welche in einem hydraulischen Zylinder 31 verschiebbar ist, der eine Einlaß-/Auslaßverbindung 32 für eine Hydraulikflüssigkeit aufweist.
Im Betrieb wird die Nase 28 des Werkzeugs vorgeschoben, um das Werkstück zu berühren, indem Fluid unter Druck durch die Verbindung 32 eingeführt wird. Durch eine Druckbeaufschlagung des Zylinders 31, um die Hülse 30 vorzuschieben, wird dann eine vorgegebene Klemmkraft auf die Nase 28 ausgeübt. Auf die bereits beschriebene Weise ist eine konstante Klemmkraft vorgewählt, und der Stempel 20 wird dann dazu betrieben, den Niet so einzufügen, wie es vollständig in der oben genannten Europäischen Patentschrift beschrieben ist. Da der mittige Vorsprung 19 der Matrize 15 (Fig. 2) oberhalb des Niveaus der ringförmigen Oberfläche 17 der Matrize 15 liegt, führt die Klemmkraft, die vor dem Einfügen des Niets 16 auf das Arbeitsstück, d.h. auf die Folien/Bleche 13, 14, ausgeübt wird, zu einer Voreindrückung der unteren Folie/des unteren Blechs 14, was eine verbesserte Geometrie des Materialflusses während des Nietensetzens zur Folge hat.
Bei der kompakteren Ausführung einer Nietmaschine, die in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, ist ein Plunger 40 an einem Ende mit einem Stempel 41 und an seinem anderen Ende mit einem Kolben 42 verbunden, der in einem Hauptzylinder 43 verschiebbar ist, welcher an entgegengesetzten Seiten des Kolbens 42 Hydraulikflüssigkeitseinlässe 44, 45 aufweist. Eine Führungsbuchse 46 ist mittels eines Querglieds 47 mit den Kolben eines Paars von Kolben-und- Zylinder-Klemmeinrichtungen 48, 49 verbunden, die den Hauptzylinder 43 flankieren. In diesem Fall ist die Nietenzufuhr zum Kopf der Maschine im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel aus den Fig. 4 und 5 und der Ausführung, die in der oben genannten Europäischen Patentschrift gezeigt ist, nicht mechanisch sondern pneumatisch.
Die Klemmfunktion ist bei beiden Werkzeugen identisch - die Nase des Werkzeugs wird vorgeschoben, um das Werkstück zu berühren und das Werkstück mit einem vorgewählten Druck zwischen der Nase und der Matrize des Nietwerkzeugs festzuklemmen. Als nächstes arbeitet der primäre Hydraulikzylinder, um den Niet einzusetzen, währenddessen die Vorklemmung aufrechterhalten wird. Während der Stempel mittels des primären Zylinders eingezogen wird, werden dann auch der/die Klemmzylinder eingezogen. Das Signal, daß der Vorklemmvorgang stattgefunden hat, wird von einem Druckschalter erzeugt, der den Klemmdruck überwacht. Sobald der vorgewählte Druck erreicht ist, signalisiert der Druckschalter dem Hauptzylinder, sich zum Nietvorgang vorzuschieben. Im Fall des Werkzeugs mit Standardhub zieht die Vorwärtsbewegung der Klemmvorrichtung den Plunger und den Kolben des Haupthydraulikzylinders nach vorne. Während dies geschieht, liegt am Haupthydraulikzylinder kein positiver Druck vor. Bei beiden Versionen wird der Klemmdruck mittels eines Absperrventils aufrechterhalten, und die Schaltungsbaugruppe berücksichtigt ein Auffüllen des Volumens der Hydraulikflüssigkeit, die mittels des Absperrventils unter Druck gehalten wird. Dieses Auffüllen soll einen Ausgleich für die geringfügige zusätzliche Vorschubbewegung schaffen, die die Klemmvorrichtungskomponenten ausführen müssen, um den Druck auf das Werkstück aufrechtzuerhalten, da sich der U-Rahmen während des Nietvorgangs wölbt.
Eine genietete Verbindung kann durch die Verwendung eines Klebstoffs zwischen angrenzenden Oberflächen der Verbindung verstärkt werden, zum Beispiel zwischen den Folien/Blechen 5, 6 in Fig. 1. Der Klebstoff kann in Form eines Streifens aufgetragen werden, der dann durch die Anwendung von Druck mittels des Vorklemmechanismus, der dazu eingestellt ist, für diesen Zweck einen geringen Anfangsdruck zu liefern, gleichmäßig über die zusammengehörigen Oberflächen verteilt wird.
Die Festigkeit der genieteten Verbindung kann weiter verbessert werden, indem der Klemmdruck am Ende des Nietvorgangs erhöht wird. Das kann dadurch erreicht werden, daß am Ende des Niethubs das hintere (in Fig. 4 rechts gelegene) Ende der Spannhülse 30 als ein Widerlager für den Anschlagring 21a am Plunger 21 verwendet wird. Die Klemmkraft wird so momentan erhöht, zum Beispiel auf etwa 5 Tonnen. Eine ähnliche Wirkung kann dadurch erzielt werden, daß der Machschlagring (der in Fig. 2 als ein in einem Stück mit der Klemmoberfläche 12 gebildetes Teil gezeigt ist) zu einem separaten Teil gemacht wird, das am Ende bzw. auf das Ende des Nietvorgangs zu mittels einer geeigneten Betätigungseinrichtung (zum Beispiel mittels einer mechanischen Betätigungseinrichtung, die vom Plungermechanismus betrieben wird) in seine betriebsbereite Position gedrückt wird, und zwar mit einem Einfügungsdruck, der den Klemmdruck, der auf das Werkstück wirkt, wirksam verbessert.
Es hat sich gezeigt, daß besonders dann, wenn eine Matrize mit einem erhöhten mittigen Vorsprung zum Voreindrücken des Werkstücks verwendet wird, ein Festklemmen des Werkstücks zu deutlich verbesserten Festigkeits- und Erscheinungsbildeigenschaften der Nietverbindung führt.

Claims

1. Nietverfahren, das das Einfügen eines selbststanzenden Niets (16) in Folien-/Blechmaterial (13, 14) ohne vollständiges Durchdringen desselben umfaßt, so daß das verformte Ende des Niets von einem gestauchten Ringraum des Folien-/Blechmatenais umschlossen bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Folien-/Blechmaterial während des Nietvorgangs im Bereich um die Nieteinfügungsstelle herum mit einer wesentlichen Kraft festgeklemmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Klemmkraft zumindest während des größten Teils des Nietvorgangs konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Klemmkraft bis zu 1,5 Tonnen beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Klemmkraft anfänglich niedrig ist, um die einheitliche Verteilung von Klebstoff in einer zu nietenden Verbindung zu unterstützen.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Klemmkraft am Ende des Nietvorgangs momentan erhöht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die momentane Erhöhung der Klemmkraft durch einen Machschlagvorgang erzielt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Nieten mit Hilfe einer Matrize (15) mit einem halbringförmigen Hohlraum (18) in einer Matrizenoberfläche durchgeführt wird, gegen die das Folien-/Blechmaterial (13, 14) festgeklemmt wird, wobei der Hohlraum einen mittigen Vorsprung (19) umgibt, der sich über die genannte Oberfläche hinaus erstreckt zu dem Zweck, das Folien/Blechmaterial während des anfänglichen Festklemmens vor Einfügen des Niets voreinzudrücken.

8. Nietmaschine zum Einfügen eines selbststanzenden Niets (16) in Folien-/Blechmaterial (13, 14) ohne vollständiges Durchdringen desselben, so daß das verformte Ende des Niets von einem gestauchten Ringraum des Folien-/Blechmaterials umschlossen bleibt, wobei die genannte Maschine folgendes umfaßt: einen Stempel (20), eine Einrichtung zum aufeinanderfolgenden Zuführen von Nieten zum Stempel zum Einfügen in zu nietendes Folien-/Blechmaterial und eine auf den Stempel ausgerichtete Matrize (15) zum Verformen des dadurch eingefügten Niets, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Klemmeinrichtung (11) zum Festklemmen des Folien-/Blechmatenais mit einer wesentlichen Kraft während des Nietvorgangs im Bereich um die Nieteinfügungsstelle herum umfaßt.

9. Maschine nach Anspruch 8, bei der ein Nietstempel (20) in einem Klemmkopf mit einer ringförmigen Klemmoberfläche (12) geführt wird, die mit einer Matrizenoberfläche zusammenwirkt, um das Folien-/Blechmaterial bei Gebrauch festzuklemmen.

10. Maschine nach Anspruch 9, bei der die genannte ringformige Klemmoberfläche (12) und die Matrizenoberfläche gerändelt oder anderweitig aufgerauht sind, um das Folien/Blechmaterial während des Festklemmens besser zu fassen.

11. Maschine nach Anspruch 9 oder 10, bei der separate fluiddruckbetriebene Betätigungseinrichtungen zum Ausüben einer Klemmkraft auf den Klemmkopf und zum Treiben des Stempeis (20) in die Nieteinfügungsrichtung vorgesehen sind und die Klemmungsbetätigungseinrichtung einen Anschlag für die Stempelbetätigungseinrichtung vorsieht, um eine momentane Erhöhung der Klemmkraft am Ende des Nietvorgangs zu bewirken.

12. Maschine nach Anspruch 9 oder 10, bei der ein versetzbarer Machschlagring eine Betätigungseinrichtung zum Durchführen eines Machschlagvorgangs am Ende des Nietvorgangs hat, wodurch eine momentane Erhöhung der Klemmkraft am Ende des Nietvorgangs verursacht wird.

13. Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei der die Matrize (15) einen halbringförmigen Hohlraum (18) in einer Matrizenoberfläche hat, gegen die das Folien-/Blechmaterial festgeklemmt wird, wobei der Hohlraum einen mittigen Vorsprung (19) umgibt, der sich über die genannte Oberfläche hinaus erstreckt zu dem Zweck, das Folien/Blechmaterial vor Einfügen des Niets voreinzudrücken.

14. Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der separate fluiddruckbetriebene Einrichtungen (48, 49) zum Ausüben der Klemmkraft und zum Treiben des Stempels (20) nebeneinander angeordnet sind, um die Gesamtlänge der Maschine zu verringern.