DE102005040258A1

DE102005040258A1 - Form für Verbindungselemente in Fügetechniken

Info

Publication number: DE102005040258A1
Application number: DE102005040258A
Authority: DE
Inventors: Stephen Livonia Kernosky
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2006-04-13
Also published as: GB2417452A; GB0517164D0; GB2417452B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Form für Verbindungselemente in Fügetechniken, wie Nieten oder Durchsetz-Fügen, mit einer unteren Form und einer oberen Form, wobei die untere Form mehrteilig und nachgiebig ist und dadurch die Standzeit der Formen erheblich verbessert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrteilige Form für Verbindungselemente zum Nieten, Durchsetz-Fügen und ähnliche Verbindungsverfahren.

Bei typischen Befestigungsverfahren, wie beim selbstdurchbohrenden Nieten oder Durchsetz-Fügen wird das Verbindungselement zwischen einer oberen und unteren Form derart komprimiert, dass das Verbindungselement zwei oder mehr Materialien miteinander verbinden kann. Beim Nieten wird ein Niet durch mehrere Schichten Material getrieben und komprimiert, um die Schichten aneinander zu befestigen. Beim Durchsetz-Fügen werden die Schichten selbst bearbeitet und über ihre Deformation mittels einer Durchsetzfügestanzeinrichtung aneinander befestigt. Bei jedem Betriebsschritt nimmt eine einteilige, tassenartige untere Form Material und/oder zumindest teilweise das Verbindungselement auf, während es durch die obere Form niedergepreßt wird.

Beim Befestigungsverfahren unterliegt der innere Formhohlraum der tassenförmigen unteren Form mechanischen Belastungen. Insbesondere sind die Innenkanten der unteren Form erheblichen Belastungen aufgrund des beim Drücken des Verbindungselementes durch die obere Form gegen die untere Form ausgeübten Biegemoments ausgesetzt.

Da die untere Form scharfe Innenkanten besitzt, führt wiederholtes Befestigen zu beträchtlichem Verschleiß, ggf. sogar zum Bruch der unteren Form, was zu erhöhten Produktionszeiten und Teilekosten führt. Bei der herkömmlichen Auslegung beträgt die Standzeit einer unteren Form etwa 7000 bis 8000 Zyklen.

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, die Standzeit derartiger Formen zu verlängern.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. orteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, dass die untere Form so ausgelegt und hergestellt ist, dass eine Konzentration der Belastung auf die Innenkanten der Form wesentlich verringert wird, wird die Formstandzeit beträchtlich verlängert.

Beispielsweise kann die untere Form aus mehreren Teilen bestehen, sodass die Innenwände der Form während des Befestigungsverfahrens nachgeben können. Dies verringert die Konzentration der Belastung auf die Innenkanten der unteren Form.

Die mehrteilige Auslegung der Form steigert die Standzeit von einem bisherigen Maximum von 8000 Zyklen auf mindestens 80000 Zyklen, also um das mehr als 10-fache der bekannten Formen. Eine Analyse des Aufwands zeigt, dass es günstiger ist, eine zweiteilige Form herzustellen, als eine einteilige Form.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und der begleitenden Zeichnung, auf die sie keineswegs eingeschränkt ist, näher erläutert.
Darin zeigt:
1 einen schematischen Querschnitt durch eine Nietvorrichtung;
2 einen Vergleich einer mehrteiligen Form nach der Erfindung mit einer einteiligen herkömmlichen Form;
3 eine Ausführungsform einer zweiteiligen Form mit einem Schaft mit Pfosten und einem Kragen;
4 schematisch einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer mehrteiligen Form mit Schaft und Kragen sowie einer Erhebung;
5 schematische einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer mehrteiligen From mit einem Schaft und Kragen mit einem Pfostenteil und einer Erhebung;
6 eine weitere Ausführungsform der Form mit Kragen und Flanschen; und
7 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte bei der Befestigung des Ring/Kragenteils durch Löten.
1 zeigt einen Vergleich einer herkömmlichen einteiligen unteren Form mit einer erfindungsgemäßen zweiteiligen Form.
In 2 und 3 sind Ausführungsformen einer zweiteiligen Form zum Einsatz beim selbstdurchbohrendem Nieten dargestellt. Dabei ist ein erster Teil des Werkzeugs der Schaft. Der Schaft ist die Basis des Werkzeugs und mit einem Werkzeughalter verbindbar. Das Ring- oder Kragenteil paßt so auf das Oberteil des Schaftes, dass die Ring-Innenwand und das oberste Teil des Schaftes einen Umformbereich für das Verbindungselement bilden. Der Schaftabschnitt größeren Radius' ist das Pfostenteil, auf dem der Kragen liegt. Beim Schliessen der Form wird so ein nachgiebiger Forminnenkantenbereich geschaffen, der hohen Belastungen ausweichen kann und so eine Überlastung dieses Bereichs vermeidet.
Das mehrteilige Konzept, wie es beispielhaft in den 2 bis 3 dargestellt ist, ist keineswegs auf Ausführungsformen mit flachen Formböden eingeschränkt. Die Erfindung kann auch Schaftformen unterschiedlichster Form haben. In 4 ist bspw. eine weitere mehrteilige Form mit einer Erhebung auf dem durch den Schaft gebildeten Formboden gezeigt.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mehrteiligten Form mit einem Schaft mit Kragen sowie einer Erhebung am Formboden des Pfostenteils. Diese zweiteilige Ausführung reduziert ebenfalls signifikant die Konzentration der Lasten beim Umformen auf die Innenkanten der Form.
Die mehrteilige Form kann einen Kragen aufweisen, der auf verschiedene Weise abgeschrägt ist. Beispielsweise kann der Kragen Flansche, wie in 6 gezeigt, besitzen. Da auch diese Form verschiedene getrennte Teile aufweist, dient diese Auslegung immer noch dazu, die Konzentration der Lasten auf die Innenkanten der Form signifikant zu reduzieren. Ferner dienen die Flansche dazu, die mechanischen Belastungen alternativ zu verteilen und demzufolge die Formstandzeit zu erhöhen.
Die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen mehrteiligen Form können durch bekannte Verfahren hergestellt und aneinander befestigt werden. Einsetzbare Verfahren für die Herstellung der Formkomponenten umfassen konventionelle Bearbeitungsmethoden, wie Schneiden, Schleifen, Walzen, Bearbeitung mit elektrischer Entladung (EDM), Pulvermetallurgie, Gießen und Schmieden; auch Kombinationen der Verfahren sind ggf. geeignet.
Die Komponenten können durch verschiedenste Verfahren wie Schweißen, Löten, Hartlöten, Kleben, mechanische Verbindungsverfahren oder eine Kombination dieser Verfahren zusammengesetzt werden. Die spezielle Auslegung und Materialauswahl bestimmen das beste Verfahren. Beispielsweise kann eine aus einem gehärtetem Werkzeugstahl hergestellte Form durch mechanische Verfahren zusammengefügt werden, wie durch Schrumpfsitz, Preßsitz oder Gewinde, aber auch durch Löten oder Hartlöten.
Bei aus Werkzeugstahl hergestellten Formen können die Komponenten durch Erhitzen des Kragenteils so lange, bis dieser expandiert, und nachfolgendes Abkühlenlassen desselben auf dem Schaftteil befestigt werden (Schrumpfverfahren). Ein ähnliches Resultat kann durch aneinander gelötete Teile erzielt werden.
7 zeigt eine kleine Vertiefung im Schaft, wodurch das Lötmaterial, zwischen Schaft und Kragen fließen kann. Die Materialien werden so bei einer Wärmebehandlung aneinander befestigt.
Die Formstandzeit hängt auch von dem für die Form ausgewählten Material ab. Allgemein werden typische Werkzeugmaterialien, wie Werkzeugstahl, die ausreichende Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit haben, um bei dieser Anwendung an zufriedenstellender Weise zu wirken, eingesetzt. Ein typisches Beispiel ist üblicher Werkzeugstahl (H13).
Andere Werkzeugstähle, wie vom Typ O, A, D, T, M, L und P werden sich ebenfalls günstig verhalten. Spezifische Werkzeugstahllegierungen, wie DC53 können die gewünschten Charakteristika liefern. Ferner können Stahllegierungen wie 4140, 4340 und 5160 in zufriedenstellender Weise arbeiten. Niedrig legierte Stähle, wie Werkzeugstähle vom W-Typ-1080 und 1340 können ebenfalls zufriedenstellendes Verhalten zeigen, während sie zusätzliche Kosteneinsparungen ermöglichen. Weniger populäre Materialien, wie rostfreie und martensitaushärtende Stähle können unter bestimmten Bedingungen angezeigt sein, falls die Umgebung der Befestigung die Anwendung derartig spezialisierter Materialien erfordert.
Für die Bearbeitung der ausgewählten Materialien sind keinerlei Grenzen gesetzt. Die Materialkomponenten können durch verschiedenste Verfahren hergestellt werden, eingeschlossen Elektroschlackenumschmelzen (ESR), Vakuumlichtbogen-Umschmelzen (VAR) und pulvermetallurgische (PM) Verfahren. Aushärten (durch Austenitisieren, Abschrecken oder Tempern) eignet sich ebenfalls für viele Materialien und kann unter Verwendung verschiedenster Verfahren erzielt werden, eingeschlossen solche, die einen Vakuumofen oder ein Salzbad verwenden. Oberflächenbehandlungen, wie Aufkohlen oder Einsatzhärten und Nitrieren können bei bestimmten Materialien auch die gewünschten Eigenschaften liefern.
Es wird erwartet, dass die meisten Materialien eine Wärmebehandlung benötigen, um die erwünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Die Wärmebehandlungsverfahren können entsprechend dem ausgewählten Material variieren, sollten aber im allgemeinen den üblichen Verfahren für dieses Material entsprechen.
Selbstverständlich kann die Wärmebehandlung vor oder nach der Teileherstellung erfolgen.
Während spezielle Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sind vielfältige Abweichungen und alternative Ausführungsformen dem Fachmann offensichtlich. Demzufolge soll die Erfindung nur durch den Schutzumfang der Ansprüche begrenzt sein.

Claims

Form für Verbindungselemente in Fügetechniken, wie Nieten oder Durchsetz-Fügen, mit einer unteren Form und einer oberen Form, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Form mehrteilig und nachgiebig ist.
Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Form aufweist: – einen Schaft, der mit einem Werkzeughalter verbindbar ist; dessen oberes Ende den Formboden bildet und – ein ringartiges Kragenteil, das auf dem Schaft befestigt ist und dessen Innenwände Forminnenwände bilden.
Form nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft der unteren Form einen Pfostenabschnitt, welcher den Boden der unteren Form bildet, besitzt.
Form nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Form mindestens eine Erhebung auf dem durch den Schaft oder Pfosten gebildeten Formboden aufweist.
Form nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pfostenabschnitt des Schafts einen grösseren Durchmesser als der Schaft aufweist.
Form nach Anspruch 5, wobei der Kragen Flansche aufweist.
Form nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest teilweise aus Werkzeugstahl hergestellt ist.
Form nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Werkzeugstahl H13, Stählen vom Typ O, A, D. T, M, L und P; DC53, 4140, 4340, 5160 sowie Werkzeugstählen vom W-Typ, wie 1080 und 1340; rostfreien Stählen, martensitaushärtenden Stählen.
Form nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Formteile hergestellt sind durch ein Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Elektroschlackenumschmelzen, Vakuumlichtbogen-Umschnmelzen, Pulvermetallurgischen Verfahren, Schneiden, Schleifen, Fräsen, Walzen, EDM, Giessen, Schmieden und beliebigen Kombinationen derselben.
Form nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile zumindest teilweise ausgehärtet sind, wobei Aushärtverfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus Nitrieren, Aufkohlen, Austenitisieren, Abschrecken, Tempern, Einsatzhärten eingesetzt sind.
Form nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile zumindest teilweise getempert sind.
Form nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile zumindest teilweise aneinander durch ein Befestigungsverfahren befestigt sind.
Form nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsverfahren ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fügen, Löten, Hartlöten, Schweissen, Schrumpfen, Pressen, Verschrauben.