DE9410201U1 - Werkzeug zum Herstellen einer Nietverbindung - Google Patents

Description

M-8694

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Herstellen einer Nietverbindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum Verbinden von flächigen Werkstücken, insbesondere Blechen, sind Nietverbindungen, insbesondere mit selbststanzenden Nieten weithin bekannt. Das Einbauwerkzeug besteht aus einem Stempel und einer Matrize. Der mit Schneidkanten versehene Stanzniet durchstanzt die beiden miteinander zu vernietenden Werkstoffe und anschließend wird das austretende Ende des Stanznietes im Formhohlraum der Matrize umgeformt. Es ist auch bekannt, den Stanzniet derart zu gestalten, daß er beim Einbau nur das obere Blech durchstanzt und dann anschließend im Formhohlraum der Matrize des Einbauwerkzeugs aufgespreizt wird. Es wird also das untere Blech nicht aufgeschnitten, sondern so umgeformt, daß eine fluiddichte Verbindung entsteht. Solche Stanzniete werden von der Anmelderin unter dem Warenzeichen "RIV-SERT" vertrieben.

Beim bekannten Durchsetzfügen dagegen werden die miteinander zu verbindenden Bleche durch Einschneiden, Durchdrücken von Blechmaterial und Fließverpressen des durchgedrückten Materials hinter den Einschnitten miteinander verbunden. Auch beim Durchsetzfügen ist es möglich, fluiddichte Verbindungen zu erhalten (EP-A-O 268 302). Dazu wird in einem ersten Arbeitsgang in dem einen Blechwerkstück eine Aufnahmeöffnung gebildet, durch die in einem zweiten Arbeitsgang Material des anderen Blechwerkstückes verdrängt wird, ohne daß dieses Blechwerkstück durchschnitten wird.

Die bekannten Nietverbindungen besitzen zahlreiche Nachteile. Bei selbststanzenden Nieten muß der Nietwerkstoff wesentlich härter sein als die zu verbindenden Werkstücke,

so daß beim Umformen des Niets in der Matrize sehr hohe Kräfte erforderlich sind. Dabei treten insbesondere im Umformbereich des Niethalses hohe Spannungen auf. Die an den Stanznieten erforderlichen scharfen Schneidkanten können beim Herstellen fluiddichter Verbindungen auch das untere Blech durchschneiden oder Anlaß zu Rissen geben. Die unterschiedlichen Werkstoffe von Niet und Blechen haben Korrosion und Rostansatz zur Folge. Insbesondere auch beim Durchsetzfügen treten Probleme hinsichtlich der Festigkeit der Verbindung dahingehend auf, daß beim Durchdrücken und Fließpressen die Werkstück-Wandstärke stark ausgedünnt werden kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Nietverbindung zu schaffen, die eine höhere Festigkeit aufweist, fluiddicht ist und deren mechanische und chemische, insbesondere hinsichtlich Korrosion, Eigenschaften wesentlich verbessert sind.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Werkzeug gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Zur Lösung der Aufgabe dienen auch insbesondere die Merkmale der den Preßkörper und das Einbauwerkzeug betreffende Ansprüche.

Erfindungswesentlich ist einerseits, daß durch das Zusammenwirken von Stempel und Formhohlraum der Matrize zunächst die beiden flächig aufeinanderliegenden Werkstücke zusammen verformt werden, um eine Eintiefung zum Einsetzen des Preßkörpers zu bilden. Der Durchdrückvorgang erfolgt nach Art des Tiefziehens, bei dem der Spalt zwischen Stempel und Formhohlraum so groß ist, daß der Werkstoff ohne Einschnitte verformbar ist, d.h. beim Einfahren des Stempels werden die Bleche, insbesondere das obere, dem Stempel zugekehrte Blech nicht aufgeschnitten. Auch wird die Wandstärke der Bleche, insbesondere des dem Stempel zugekehrten Bleches nicht

wesentlich verringert. Beim anschließenden Verpressen des Preßkörpers wird der Formhohlraum von den zu verbindenden Blechen vollständig ausgefüllt und wird der Preßkörper unter radialer Aufweitung verformt und in den Blechwerkstoff eingepreßt, so daß durch den Fließpreßvorgang eine sichere und hochfeste Nietverbindung entsteht. Das Fließpressen läßt sich so genau steuern, daß weder im Preßkörper noch im Verformbereich der Bleche Risse oder Ungleichmäßigkeiten auftreten .

Die erfindungsgemäße Nietverbindung erfolgt also in zwei Schritten, nämlich Durchdrücken der Bleche und Fließpressen mit Hilfe des Preßkörpers. Die beiden Schritte werden vom Stempel entweder in zwei Arbeitshüben oder auch in einem einzigen Arbeitshub ausgeführt. Beim zweistufigen Verfahren wird der Stempel nach dem Tiefziehvorgang zurückgezogen und der Preßkörper eingeführt, worauf im zweiten Hub der Fließpreßvorgang erfolgt. Wird mit einem einzigen Arbeitshub gearbeitet, so wird beim Niedergehen des Stempels der Preßkörper mitgenommen und das Durchdrücken und Fließpressen erfolgt während der weiteren Verschiebung des Stempels. Vorzugsweise wird der Preßkörper von dem niedergehenden Stempel aus einem Blechstück ausgestanzt und mitgenommen.

Vorzugsweise besteht der Blechkörper aus dem gleichen Werkstoff wie die zu verbindenden Werkstücke. Damit können die auf den Stempel wirkenden zur Umformung notwendigen Druckkräfte verringert werden. Ferner wird die Verformung vergleichmäßigt und die Festigkeit der Verbindung wird erhöht. Außerdem kann keine Korrosion auftreten und die Kosten sind' geringer. Beim Fließpreßvorgang im Verformungsbereich bleibt die Wandstärke der Bleche noch ausreichend stark, um die Festigkeit und insbesondere die Scherfestigkeit der Verbindung zu erhöhen.

Während des Hersteilens der Nietverbindung sind die Werkstücke auf die Matrize gepreßt, so daß das Durchdrücken der Bleche, das Formen der Eintiefung und das Verpressen des Preßkörpers symmetrisch erfolgt, ohne daß die zu verbindenden Teile einseitig ausweichen.

Mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug lassen sich insbesondere Alubleche vermeiden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. Ia-Ie anhand der Schnittdarstellung eines Einbauwerkzeuges die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte bei einer zweistufigen Herstellung der Nietverbindung in einer ersten Ausführungsart;

Fig. 2a-2d anhand einer weiteren Ausführungsform des Einbauwerkzeuges aufeinanderfolgende Verfahrensschritte bei einer einstufigen Herstellung der Nietverbindung und

Fig. 3a-3e anhand der Schnittdarstellung eines abgeänderten Einbauwerkzeuges aufeinanderfolgende Verfahrensschritte bei der zweistufigen Herstellung einer

Nietverbindung in einer abgeänderten Ausführungsform.

In den Fig. la bis Ie ist ein Einbauwerkzeug im Schnitt mit einem Stempel 1, einem Niederhalter 2 und eine Matrize 3 mit einem Formhohlraum 4 dargestellt. In einer Bohrung 5 des Niederhalters 2 ist der Stempel 1 angeordnet. Durch einen seitlichen Kanal 6 können Preßkörper in die Bohrung 5 eintreten, wenn der Stempel 1 nach oben gefahren ist.

Zwei miteinander zu verbindende Bleche 10 und 11 sind flächig übereinander auf die Matrize 3 aufgelegt und werden vom Niederhalter 2 unter Druck an die Matrize 3 angepreßt. Dies

dient zum Fixieren und Festhalten der Bleche 10 und 11 während des nun auszuführenden Nietvorgangs. Es können auch mehr als zwei Bleche miteinander verbunden werden.

Gemäß Fig. Ib fährt der Stempel 1 in Pfeilrichtung nach unten und verdrängt dabei Werkstoff der Bleche 10 und 11 in den Formhohlraum 4 der Matrize 3. Es bildet sich damit eine napfförmige Eintiefung 15 (s. Fig. Ic). Aus Fig« Ib ist ersichtlich, daß zwischen dem Stempel 1 und dem Stempelkanal 5 im Niederhalter 2 ein ausreichender Spalt 7 vorgesehen ist, so daß sich eine Art Tiefziehvorgang einstellt, ohne daß bei diesem Vorgang bereits ein Vernieten eintritt. Vielmehr wird der Tiefziehvorgang derart gesteuert, daß die Wandstärken der Bleche im Verformungsbereich etwa gleichmäßig bleiben. Zwischen dem Niederhalter 2 und der Matrize 3 können die Bleche beim Durchdrücken nachgezogen werden.

In Fig. Ic ist der Stempel 1 hochgehoben und durch den Kanal 6 wird ein Preßkörper in den Stempelkanal 5 eingeschoben. Der Preßkörper 8 besteht aus dem gleichen Werkstoff wie die Bleche 10 und 11 und ist scheibenförmig mit einer konkaven Einwölbung 9 auf der Unterseite. Die Dicke der Scheibe ist abhängig von der Dicke der Bleche und der gewünschten Nietverbindung .

Fig. Id zeigt den zweiten Arbeitsschritt, in dem der Stempel 1 den Preßkörper 8 verformt und damit die Nietverbindung durch Fließpressen vom Preßkörper 8 und den Blechen 10, 11 im Verformungsbereich hergestellt wird. Fig. Id zeigt, daß vom Preßkörper 8 unter dem Druck des Stempels 1 der Formhohlraum von den durchgedrückten Blechabschnitten vollständig ausgefüllt wird. Vorteilhafterweise ist am Boden des Formhohlraums eine Ringnut 14 vorgesehen, die ebenfalls von dem Blechwerkstoff ausgefüllt wird. Die Einwölbung 9 am Boden des Preßkörpers 8 unterstützt diesen Vorgang sowie

auch das Flachpressen und die radiale Expansion des Preßkörpers 8.

Fig. Ie zeigt die fertige Nietverbindung, bei der der Fließpreßvorgang beendet ist, wobei die Bleche im Verformungsbereich miteinander verriegelt sind, jedoch eine weitgehend gleichmäßige Wandstärke aufweisen, so daß die Nietverbindung fluiddicht und hochfest ist.

Wie aus den Fig. Id und Ie ersichtlich ist, kann die Dicke des Preßkörpers 8 so gewählt werden, daß er entweder die napfförmige Eintiefung ausfüllt (Fig. Id) oder als Scheibe innerhalb der Eintiefung angeordnet ist (Fig. Ie).

In den Fig. 2a bis 2d ist ein Einbauwerkzeug in geänderter Ausführungsform im Schnitt dargestellt, mit dem es möglich ist, die Nietverbindung in einem einzigen Arbeitsschritt herzustellen. Der Stempel 1 ist im Stempelkanal 5 des Niederhalters 2 verschiebbar. In einem Kanal 16 des Niederhalters 2 ist ein Blech 17 verschiebbar angeordnet. Der Ringspalt zwischen dem Stempel 1 und dem Stempelkanal 5 ist so gewählt, daß beim Niederfahren des Stempels 1 aus dem Blech 17 ein Preßkörper 18 (Fig. 2c) ausgeschnitten wird. An der Unterseite des Niederhalters 2 ist im Bereich des Stempelkanals 5 eine Nase 19 angeformt.

In Fig. 2b hat der Niederhalter 2 auf die Bleche 10 und 11 aufgesetzt und hält diese fest, so daß die Bleche fixiert sind und die Umformung symmetrisch vonstatten gehen kann. Die ringförmige Nase 19 drückt die Bleche beim Aufsetzen des Niederhalters 2 nach unten in Richtung auf den Formhohlraum 4, dessen Durchmesser so groß gewählt ist, daß in der bereits erläuterten Weise das Durchdrücken des Werkstoffs ohne Aufschneiden der Bleche und ohne nennenswerte Wandstärkenverringerung vonstatten gehen kann. Der Boden des Formhohl-

raums ist bei 20 konvex vorgewölbt, um den Fließpreßvorgang zu unterstützen.

Fig. 2c zeigt, daß der Preßkörper 18 vom Stempel 1 mitgenommen wird und auf den Blechen 1O₇ 11 aufsitzt. Anschließend erfolgt das Durchdrücken des Blechwerkstoffes in den Formhohlraum, das Ausfüllen des Formhohlraums und das Verpressen des Preßkörpers bis zur Verklammerung der Bleche, im Verformungsbereich durch das radiale Aufweiten des Preßkörpers.

Vorzugsweise besteht das Blech 17 aus dem gleichen Werkstoff wie die Bleche 10 und 11.

Fig. 3a bis 3d zeigen im Schnitt ein abgeändertes Einbauwerkzeug zur zweistufigen Herstellung einer Nietverbindung. In Fig. 3a ist wiederum eine Matrize 3 mit einem Formhohlraum 4 dargestellt, der eine ringförmige Eintiefung 21 aufweist. Die Bleche 10 und 11 werden von einem Niederhalter 2 auf die Matrize 3 angepreßt. Im Niederhalter 2 ist ein Kanal 22 ausgebildet, in dem ein Schieber 23 seitlich verschiebbar angeordnet ist. Der Schieber 23 weist zwei Kanäle 24 und 25 auf. Im Kanal 24 ist ein Stempel 1 angeordnet, an dessen Boden eine Ausnehmung 26 vorgesehen ist, deren Durchmesser und Tiefe entsprechend dem Formhohlraum 4 insbesondere der Ringnut 21 gestaltet ist, um den Flxeßpreßvorgang durchzuführen. Der Stempel 1 ist von einer Feder 26 gehalten und wird vom Stößel 1' im Stempelkanal 5 des Niederhalters 2 mitgenommen. Im Kanal 25 des Schiebers 23 wird ein Preßkörper 28 von einem elastischen Vorsprung 29 gehalten. Der Preßkörper 28 wird von oben in den Kanal 25 eingesetzt. Der Preßkörper 28 weist einen unteren Ringbund 30 auf, der leicht schräg nach außen verläuft und einen konischen Querschnitt aufweist.

Fig. 3b zeigt den ersten Arbeitshub, bei dem der Stößel 1' nach unten fährt und den Stempel 1 mitnimmt. Damit wird das

Blechmaterial in den Formhohlraum 4 gedrückt und füllt diesen aus. Wie Fig. 3b zeigt, müssen der Querschnitt des Formhohlraums 4, der Boden des Stempels 1 mit der Ausnehmung 26 und die Dicke der Bleche 10 und 11 so aufeinander abgestimmt sind, daß die in Fig. 3b dargestellte Verformung stattfindet, ohne daß die Bleche eingeschnitten werden oder die Wandstärke der Bleche zu stark verringert wird. Auch hier wird eine Verformung der Bleche beim Durchdrücken nach Art eines Tiefziehvorgangs angestrebt.

In Fig. 3c hat der Stößel 1' abgehoben und der Stempel 1 kehrt durch die Kraft der Feder 26 in den Kanal 24 zurück. Daraufhin wird der Schieber 23 nach rechts verschoben und der Preßkörper 28 über den Formhohlraum 21 über den Formhohlraum 4 der Matrize 3 gebracht.

Dies ist in Fig. 3d dargestellt. Hier ist auch die ringförmige Eintiefung 29 in den Blechen 10 und 11 ersichtlich, in die der Ringbund 30 des Preßkörpers 28 eintreten soll. Es wird betont, daß die mit dem ersten Arbeitsschritt hervorgerufene Umformung des Blechwerkstoffs dazu dient, die in Fig. 3d dargestellte Formgebung der Bleche zu erhalten, ohne daß das dem Stößel zugekehrte Blech 10 eingeschnitten wird und ohne daß bereits ein Fließpressen im Sinne einer Verklammerung der beiden Bleche miteinander erfolgt.

Dies ist vielmehr dem zweiten Arbeitshub vorbehalten, bei dem der Stößel 1' mit seiner glatten Bodenseite nach unten fährt und den Preßkörper 28 in die Eintiefung des Blechwerkstückes preßt. Es ist in Fig. 3e dargestellt, daß infolge der Ausbildung des Ringbundes 30 und unter dem hohen Druck des Stößels 1' der Ringbund das obere Blech 10 durchschneidet und der Ringbund 30 radial aufgespreizt wird, so daß auch hier der Preßkörper 28 radial expandiert und durch den Fließpreßvorgang die Verklammerung im Verformungsbereich hergestellt wird.

Im Gegensatz zu dem eingangs erwähnten RIV-SERT-Verfahren, bei dem das Durchdrücken des Blechwerkstoffes in den Formhohlraum, das Aufschneiden des dem Niet zugekehrten Bleches und das Fließpressen durch Aufspreizen erfolgt, wird erfindungsgemäß im ersten Arbeitsschritt der Formhohlraum ausgefüllt, ohne Einschnitt und ohne die Wandstärke der Bleche in nennenswertem Maße zu verändern, worauf dann im zweiten Arbeitsschritt der vorzugsweise aus dem gleichen. Werkstoff wie die Bleche bestehende Preßkörper nach dem Durchschneiden des oberen Bleches die Verklammerung des Blechwerkstoffes durch Aufspreizen bewirkt.

Bei den erfindungsgemäß hergestellten Nietverbindungen beträgt die Wandstärke des dem Stempel zugekehrten Bleches im Verformungsbereich und insbesondere im Halsbereich bis zu 90% und mehr der Ausgangsblechstärke. Diese Materialstärke erhöht die Festigkeit der Nietverbindung gegenüber bekannten Verfahren.

Claims (11)

Patentanwälte Dr.-Ing. Negendank (-1973) HAUCK GRAALFS WEHNERT DÖRING SIEMONS Hamburg München Düsseldorf M-8694 WERKZEUG ZUM HERSTELLEN EINER NIETVERBINDUNG SCHUTZANSPRÜCHE

1. Werkzeug zum Herstellen einer Nietverbindung zwischen flächig aufeinanderliegenden Werkstücken, insbesondere Blechen, mit einer einen Formhohlraum aufweisenden Matrize und mit einem axial bewegbaren Stempel, der in einem Stempelkanal eines Niederhalters verschiebbar ist, wobei der Stempel Blechmaterial in den Formhohlraum der Matrize zum Ausformen einer Eintiefung verdrängt und das verdrängte Material durch Fließpressen miteinander verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Stempelkanal (5) des Niederhalters (2) unterhalb des Stempels (1) ein radial aufweitbarer Preßkörper (8, 18, 28) vom Stempel verschiebbar ist, das Aufweiten des Preßkörpers durch den Stempel erfolgt, das Fließverpressen der Bleche im Verformungsbereich durch den Preßkörper erfolgt und der Niederhalter die Bleche (10, 11) auf die Matrize (3) preßt.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßkörper (8, 18) zum Einpressen in eine napfförmige Vertiefung (15) scheibenförmig ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Preßkörper (8) auf der dem Stempel (1) abgekehrten Fläche,eine konkave Einwölbung (9) aufweist.

4. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßkörpfer (28) auf der dem Stempel abgekehrten Fläche einen Ringbund (30) zum radialen Aufspreizen und Fließverpressen des Blechwerkstoffes aufweist.

5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden des Formhohlraums (4) der Matrize (3) eine Ringnut (14) vorgesehen ist.

6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden des Formhohlraums (4) der Matrize (3) eine konvexe Aufwölbung (20) vorgesehen ist.

7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Niederhalter (2) ein seitlicher Kanal (6) zum Zuführen der Preßkörper (8) vorgesehen ist.

8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einen Stößel (1') und den Blechen (10, 11) ein Schieber (23) mit zwei nebeneinanderliegenden Kanälen (24, 25) angeordnet ist, in dem ersten Kanal der gegen Federkraft verschiebbare Stempel (1) angeordnet ist, der von dem Stößel beaufschlagt das Blechmaterial in den Formhohlraum (4) verdrängt, und daß in dem zweiten Kanal (23) der Preßkörper (28) gehalten ist, der von dem Stempel in die Eintiefung gedrückt wird, wodurch das Blechmaterial fließverpreßt wird.

9. Werzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Niederhalter (2) ein seitlicher Kanal (16) vorgesehen ist, in dem ein Blech (17) verschiebbar geführt ist, daß durch den Stempel (1) der Preßkörper (18) aus dem Blech (17) ausgeschnitten wird und der Preßkörper zusammen mit den Blechen (10, 11) in den Formhohlraum (4) der Matrize (3) verdrängt und zum Herstellen der Nietverbindung fließverpreßt wird.

10. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stempel (1) und dem Formhohlraum (4) ein Ringspalt vorgesehen ist, in dem der Blechwerkstoff beim Ausformen der Eintiefung ohne wesentliche Änderung der Wandstärke aufgenommen ist.

11. Werkzeug nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederhalter (2) im Bereich de.s Stempelkanals (5) eine ringförmige Nase (19) zum anfänglichen Verformen der Blechwerkstoffe aufweist.