DE10134963C2 - Niet, insbes. hochfester Niet, Herstellung des Niets und einer Nietverbindung unter Verwendung des Niets - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Niet zur Verbindung von spröden Werkstof­ fen auf Metall gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, auf ein Verfahren zur Herstel­ lung dieses Niets gemäß Oberbegriff des Anspruchs 3 sowie auf ein Verfahren zum Vernieten gemäß Oberbegriff des Anspruchs 4, wie sie allgemein zur Ver­ bindung insbesondere hoch beanspruchter plattenförmiger Teile durch Vernieten Verwendung finden.

Es ist bekannt, daß Niete Verbindungselemente sind, die formschlüssig umge­ formt werden. Dabei wird während der Vernietung der Nietschaft aufgebaucht, wodurch ein radialer Druck im Bereich der Durchgangsbohrung der zu verbin­ denden Teile auftritt. Dies stellt bei aus Metall, z. B. aus Aluminium, gefertigten Teilen, kein Problem dar, im Gegenteil, es findet durch die Aufbauchung des Schaftes ein relativ elastisches, formschlüssiges Verspannen des aufgestauchten Schaftteiles in der Metalldurchgangsbohrung statt, die ein Festhalten der zu ver­ bindenden Teile verstärkt. Erfolgt jedoch dieser Aufbauchvorgang in einem Ver­ bindungsteil aus sprödem oder porösem Werkstoff, der die radialen Spannungen, ausgeübt durch die Nietschaft-Aufbauchungen im Bereich der Durchgangsboh­ rung, nicht elastisch-plastisch aufnehmen kann, erfolgt eine Überlastung des Ma­ terials in diesem Bereich. Derartige partielle Überlastungen können aber an­ schließend zum frühzeitigen Versagen der Nietverbindung führen, insbesondere indem z. B. bei einer Nietreihe zwischen den Nietlöchern der spröde Werkstoff reißt. Dies ist aber insbesondere bei hoch beanspruchten Nietverbindungen, wie sie z. B. bei Flugzeugen vorhanden sind, bei denen die aus Kompositwerkstoffen gefertigte Außenhaut auf einem Aluminiumrahmen aufgenietet ist, äußerst prob­ lematisch. Zwar könnten hierfür Verbindungselemente verwendet werden, die keine radiale Aufstauchung verursachen, wie Schraubverbindungen. Diese sind jedoch im Vergleich zu Nietverbindungen bedeutend teuerer.

Aus der FR-PS 1 506 430 ist bereits ein Niet bekannt, bei dem bestimmte Zonen des zur Nietherstellung verwendeten Drahtes oder der fertig geformte Niet in be­ stimmten Zonen unterschiedlich thermisch behandelt wird, also einerseits einer Härtung und andererseits einer Vergütung unterzogen wird. So werden am Aus­ gangsdraht nacheinander weiche und harte Zonen eingebracht und zwar weiche Zonen für den Schließkopf und den Setzkopf und eine harte Zone für den Niet­ schaft. Abgesehen davon, dass die Einbringung der Zonen unterschiedlicher Här­ te eine hohe Komplexität in der Herstellung darstellt, ist hier auch angestrebt, möglichst nur den kurzen Enden, die der Herstellung der Nietköpfe dienen, eine bessere Verformbarkeit zu verleihen. Bei Verwendung eines solchen Niets zur Verbindung von sprödem Werkstoff auf Metall wird beim Nietvorgang, d. h. beim Setzen des Schließkopfes gerade nur das äußerste Schaftende verformt, wo­ durch jedoch die darunterliegende Zone des Schaftes im Metallteil meist nicht ausreichend aufgestaucht wird, so dass der Niet im Metallteil unzureichend fest verspannt ist.

Schließlich ist aus der DE 20 62 187 B2 ein Niet beschrieben, der aus zwei an einer Grenzfläche miteinander zu einem Stück verbundenen Abschnitten aus un­ terschiedlich beanspruchbaren Werkstoffen besteht, um die Formung eines ein­ wandfreien Schließkopfes zu ermöglichen. Diese zweiteilige Nietausführung ist aber relativ komplex und erfordert besondere Herstelleinrichtungen.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen Niet, insbes. einen hochfesten Niet, ein Verfahren zur Herstellung dieses Niets sowie ein Nietverfahren bereitzustellen, durch die spröde Werkstoffe auf Metall optimal verbindbar sind.

Diese Aufgabe wird durch einen Niet gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zu des­ sen Herstellung gemäß Anspruch 3 sowie ein Verfahren zur Herstellung der ent­ sprechenden Nietverbindungen nach Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen sind in den entsprechend rückbezogenen Unteransprüchen beschrieben.

Demgemäß ist vorgesehen, daß der Nietschaft über einen Teil seiner oberen Länge eine höhere Festigkeit hat als im unteren Bereich. Hierdurch wird beim Nietvorgang der Schaft im Bereich der niedrigeren Festigkeit schneller aufge­ staucht als in der härteren Zone.

Wird nun in vorteilhafter Weise die Übergangszone zwischen höherer und niedri­ gerer Festigkeit so ausgewählt, daß diese sich in eingeführtem Zustand des Rohniets ca. in der Trennebene zwischen den beiden zu verbindenden Teilen befindet, dann erfolgt die Aufstauchung des Schaftes größtenteils nur in der Zone des unteren Bauteils. Hier ist diese Aufstauch-Verspannung aber gerade sehr erwünscht, da hierdurch der Niet in diesem Metallbauteil entsprechend festge­ setzt ist. Gleichzeitig findet aber in dem Schaftteil mit höherer Festigkeit, der im oberen Werkstück aus sprödem Material vorgesehen ist, keine oder eine nur ver­ nachlässigbar geringe Aufstauchung statt, so daß kein Druck auf die spröde Lochwand ausgeübt wird, der zur Zerstörung der Nietverbindung führen könnte.

Erfindungsgemäß wird nun der hochfeste Niet mit in seiner Axialrichtung sich än­ dernder Festigkeit nicht durch die Wahl unterschiedlicher Werkstoffe, aus denen der Niet hergestellt wird, realisiert, sondern durch das Herstellverfahren selbst. Erfindungsgemäß wird nämlich zuerst das Nietmaterial, also der Draht, aus dem der Niet gefertigt wird, insgesamt einem Vergütungsprozeß unterzogen, so dass dieser auf seiner gesamten Länge die gleiche Festigkeit aufweist. Danach wird das Kaltumformen durchgeführt, durch das der Setzkopf des Niets geformt wird. Es wird somit nicht, wie üblicherweise bei der Herstellung hochfester Niete, erst nach der Kaltumformung ein Vergütungsprozeß durchgeführt, sondern bereits beim Niet-Ausgangsmaterial. Dadurch besitzen am fertiggestellten Produkt die Zonen eine höhere Festigkeit, in welchen eine Kaltumformung stattgefunden hat, also der Nietkopf und der an diesen anschließende, obere Schaftteil. Es wird hier somit gezielt der an sich allgemein bekannte Effekt genutzt, daß sich Metalle bei der Kaltumformung in der Festigkeit verändern, also härter werde. Zudem ist an­ zumerken, daß zur Herstellung des erfindungsgemäßen Niets keine zusätzlichen oder anderen Verfahrensschritte durchzuführen sind als allgemein üblich, son­ dern dass lediglich zwei übliche Verfahrensschritte in ihrer Abfolge vertauscht werden. Es fallen also keine zusätzlichen Tätigkeiten und Kosten an, die den erfindungsgemäßen Niet verteu­ ern würden. Und doch wird durch diese einfache Maßnahme ein sehr wertvoller Effekt erzielt.

Erfindungsgemäß wird des weiteren ein Nietverfahren bereitgestellt, bei dem der Nietvorgang, also das Setzen des Schließkopfes, mit einem Werkzeug vorge­ nommen wird, welches mit einer sehr hohen Frequenz Impulse auf das Schaf­ tende ausübt. Die erzeugten Impulswellen werden dabei von der Übergangszone von der niedrigen zur höheren Festigkeit des Nietschaftes reflektiert und unter­ stützen die radiale Aufstauchung des Nietschaftes in dem gewünschten Bereich. Hierdurch wird die Aufstauchung der Nietschaftes im weicheren Bereich opti­ miert.

Von Vorteil ist, wenn die aufgebrachten Impulsfrequenzen weit über dem tech­ nisch üblichen Bereich liegen, nämlich oberhalb von 4 kHz. Durch diese sehr ho­ hen Frequenzen findet die optimalste Aufbauchungsunterstützung durch die an der Festigkeitsänderungsebene reflektierten Impulswellen statt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen hochfesten Niet nach dem Stand der Technik, eingeführt in die Bohrung der zu verbindenden Teile, in unvernietetem Zustand,

Fig. 2 einen Schnitt wie in Fig. 1, in fertigem Vernietzustand der Verbin­ dung,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Niet,

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Niet in eingesetztem Zustand während des Nietvorganges.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besitzt ein herkömmlicher hochfester Niet 1 einen Niet­ kopf 2, hier einen Senkkopf, und einen Nietschaft 3 und ist durchgehend aus dem gleichen Material mit gleicher Festigkeit gefertigt. Er dient zur Verbindung, wie hier beispielhaft dargestellt, von mindestens zwei plattenförmigen Bauteilen 4 und 5, die jeweils mit einer koaxialen Bohrung 6 versehen sind, die durch diese hin­ durchgeführt ist, wobei der Nietkopf 2 in einer entsprechenden Ansenkung des oberen Bauteils 4 einliegt.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie der bekannte hochfeste Niet aus Fig. 1 in fertig ver­ nietetem Zustand verformt ist. Es ist zu erkennen, daß in dieser in bekannter Weise durch Quetschen oder Hämmern hergestellten Nietverbindung der Niet 1 nunmehr einen Stauch- bzw. Schließkopf 8 hat, während der zwischen diesem und dem Setz-Nietkopf 1 befindliche Schaft 3 eine tonnenförmig ausbauchende Aufstauchung 9 besitzt, die in Achsrichtung gesehen eine gleichförmige Bogen­ form aufweist. Dabei ist zu erkennen, daß die Aufstauchung 9 in der Mitte des Nietschaftes am stärksten ist und somit auch der radiale Druck in der Bohrung 6 der beiden durch den Niet verbundenen Bauteile. Bei dem unteren, verformbaren Bauteil aus Metall, z. B. Aluminium, formt sich die Aufbauchung 9 in den Mantel der Bohrung 6 ein und bewirkt ein entsprechendes Verklemmen bzw. Verspan­ nen des Nietschaftes im Teil 5, was sich positiv auf die Verbindung auswirkt. Der gleiche radiale Druck wird auch in der Bohrung 6 des Bauteiles 4 ausgeübt, nur daß er sich in dem Bauteil, welches aus sprödem Material gefertigt ist, z. B. aus Komposite-Werkstoff, aber sehr negativ auswirkt, da diese Materialien eine nur relativ ungenügende Festigkeit auf Druckbeanspruchung besitzen. Das Material zerbröselt an diesen druckbeanspruchten Stellen.

Wie in Fig. 3 in angedeuteter Weise dargestellt, besitzt nun ein erfindungsgemä­ ßer Niet 10 nicht mehr eine durchgehend gleiche Festigkeit, sondern einen obe­ ren Abschnitt 11 mit höherer Festigkeit und einen unteren Abschnitt 12 mit niedri­ gerer Festigkeit. Am Übergang zwischen diesen beiden Abschnitten bildet sich eine Übergangszone 14. Somit besitzt der Nietschaft, auf den beim Nietvorgang die axiale Stauchung ausgeübt wird, ein oberes härteres Schaftteil 13 und ein unteres weicheres Schaftteil 12.

Wie nun aus Fig. 4 zu erkennen ist, findet bei Ausübung eines Stauchdruckes über ein Werkzeug 15 auf den Schaft 3 eines erfindungsgemäßen hochfesten Niets 10 in dem im Inneren der Durchgangsbohrung 6 befindlichen Schaftteil, in Längsrichtung gesehen, eine ungleichförmige Aufstauchung statt. Auch ist zu erkennen, daß, wenn sich die Übergangszone 14 zwischen härterem und weiche­ rem Schaftteil ungefähr in Höhe der Trennebene 16 der beiden Bauteile 4 und 5 befindet, die Aufbauchung im wesentlichen nur bis zur Kontaktebene bzw. bis zur Übergangszone 14 stattfindet, also nur in der Bohrungszone des elastisch ver­ formbaren Metallteiles 5. Der obere, härtere Schaftteil 13 liegt praktisch drucklos in dem Bohrungsabschnitt des spröden Bauteiles 4 ein. Es findet somit keine ra­ diale Druckbeanspruchung des spröden Materials durch den Nietschaft statt.

Aus Fig. 4 ist zudem zu erkennen, daß, wenn über das Werkzeug 15 Impulse 17 sehr hoher Frequenz auf das Schaftende ausgeübt werden, die axial gerichteten Impulswellen an der Übergangszone 14 reflektiert werden und die Aufstauchung des Nietschafts in dem gewünschten Bereich unterstützen, also im Bereich des elastisch verformbaren unteren Bauteils 5.

Bezugszeichenliste

1

Niet (Stand der Technik)

2

Nietkopf (Setzkopf)

3

Nietschaft

4

Sprödes Bauteil

5

Metall-Bauteil

6

Bohrung/Nietloch

7

Ansenkung

8

Schließkopf

9

Aufstauchung

10

Niete (Erfindung)

11

Oberer, härterer Abschnitt

12

Unterer, weicherer Abschnitt (unterer Schaftteil)

13

Harter Schaftteil (oberer Schaftteil)

14

Übergangszone

15

Werkzeug

16

Trennebene

17

Impuls

18

Impulswellen

Claims (5)

1. Niet, insbes. hochfester Niet zur Verbindung von spröden Werkstoffen auf Metall, mit einem Setzkopf, einem an den Setzkopf anschließenden oberen Schaftteil höherer Festigkeit und einem, zur Schließkopfbildung verformbaren Endabschnitt des Schaftes niedrigerer Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Niet aus einem insgesamt vor der Nietherstellung vergüteten Drahtma­ terial gefertigt ist und die durch das Formen des Nietkopfes erhaltene Länge des oberen Schaftteiles (13) mit höherer Festigkeit so gewählt ist, dass sich die Ü­ bergangsstelle (14) zum unteren Schaftteil niedrigerer Festigkeit (12) ungefähr in Höhe der Kontaktstelle der miteinander zu verbindenden Materialien (4, 5) befin­ det.

2. Niet nach den Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, daß im vernieteten Zustand der Nietschaft (3) nur in dem unteren Schaftteil mit niedrigerer Festigkeit (12) und somit nur in der Zone des Metallteiles (5), aufgestaucht ist, radial gegen das Nietloch (6) drückend.

3. Verfahren zum Herstellen eines hochfesten Niets nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Niet-Ausgangsmaterial, d. h. der zur Herstel­ lung des Niets verwendete Draht, insgesamt einem Vergütungsprozeß unterzo­ gen wird, und erst danach durch Kaltumformen der Nietkopf (2) gefertigt wird.

4. Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung von sprödem Werkstoff auf Metall unter Verwendung eines Niets gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem nach Einbringen des Nietloches in die beiden zu verbindenden Bauteile (4, 5) und Ein­ fügen des Rohniets, mit Hilfe eines Nietwerkzeuges durch Hämmern/Schlagen am freien Nietende der Schließkopf des Niets hergestellt und gleichzeitig eine Aufstauchung des zwischen Niet-Setzkopf und Niet-Schließkopf befindlichen Schaftteiles erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Nietwerkzeug (15) mit einer sehr hohen Frequenz Impulse auf das Ende des Schaftes (3) ausübt, die von der Festigkeits-Übergangszone (14) zumindest teilweise reflektiert werden, wodurch die Aufstauchung des Nietschafts (3) im Be­ reich des Metallbauteiles (5) unterstützt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachten Impulsfrequenzen in einem Be­ reich oberhalb 4 kHz liegen.