DE102006002238A1

DE102006002238A1 - Verfahren zum Herstellen einer Nagelverbindung sowie Nagel hierfür

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Publication number: DE102006002238A1
Application number: DE102006002238A
Authority: DE
Inventors: Torsten Dr. Draht; Gerson Dr. Meschut
Original assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Current assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-01-18
Also published as: EP1926918B2; JP2009523965A; US20080222873A1; BRPI0707881A2; DE502007001179D1; JP5280209B2; DE102006002238B4; ES2329631T5; KR20080084831A; EP1926918B1; KR101368835B1; US8375549B2; US20130008009A1; BRPI0707881B1; ATE438040T1; CN101375066B; ES2329631T3; RU2008127227A; US9435366B2; WO2007082714A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Herstellen einer Nagelverbindung zwischen zwei Bauteilen sowie ein Nagel hierfür. Der Nagel wird mit hoher Geschwindigkeit durch die im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile so eingetrieben, dass die Nagelspitze beide Bauteile vollständig durchdringt und im nagelkopfseitigen Bauteil ein wulstförmiger Materialaufwurf gebildet wird, der in eine Ringnut des Nagelkopfes vorsteht, sowie im nagelkopfabgewandten Bauteil ein kraterförmiger Materialaufwurf gebildet wird, der in entgegengesetzter Richtung vorsteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nagelverbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines Nagels, der von einem Setzgerät mit hoher Geschwindigkeit in die Bauteile eingetrieben wird, sowie einen Nagel hierfür.
Dieses Verfahren, auch unter dem Begriff „Bolzensetzen" bekannt, ist ein umformtechnisches Fügeverfahren, bei dem der Nagel (Bolzen) mit hoher Geschwindigkeit in die zu fügenden Bauteile eingetrieben wird. Es hat den Vorteil, dass im Allgemeinen eine einseitige Zugänglichkeit des Fügebereiches ausreicht und häufig Vorlochoperationen vermieden werden können. Das Bolzensetzen findet bereits in vielen Bereichen wie Stahlbau, Fassadenbau, Metallbau, Schiffbau und Bauwirtschaft als verlässliches Fügeverfahren Anwendung.

Aus DE 1 575 152 , 1 940 447, 1 500 770 sind beispielsweise Nägel (Setzbolzen) bekannt, die mittels Setzgeräten in Form von pulverkraftbetriebenen Kartuschen in Stahl, Baueisen, Blech und ähnliche metallische Werkstoffe eingetrieben werden. Ein solcher Nagel besteht üblicherweise aus einem Nagelkopf, Nagelschaft und einer ogivalen Nagelspitze, wobei der Schaft mit einer Oberflächenprofilierung in Form von Kreuz- oder Pfeilrandrierungen, wendelförmig verlaufenden Riffelungen und dergleichen versehen sein kann.

Aus DE-GM 72 26 710 ist ein Nagel (Bolzen) mit einem Flachkopf, einem zylindrischen Schaft und einer ogivalen Nagelspitze bekannt, der zum Befestigen von Blechen an einem Metallteil von gegenüber dem Blech größerer Stärke dient. Der Nagel wird durch ein vorgefertigtes Loch des Bleches hindurch in das Metallteil eingeschossen. Im Kopf und/oder im Schaft des Nagels ist eine Ausnehmung zur Aufnahme des beim Einschiessen in das Metallteil aus diesem hervorquellenden Materials vorgesehen. Gemäß einer Ausführungsform dieser Druckschrift ist die Ausnehmung an der Unterseite des Nagelkopfes vorgesehen, so dass der das vorgefertigte Loch umgebende Rand des Bleches von dem verdrängten Material des Metallteils in die Ausnehmung hochgebogen wird. Das Metallteil, dessen Dicke deutlich größer ist als die Länge des Nagels, umschließt die Nagelspitze vollständig. Das in dieser Druckschrift offenbarte Verfahren dient in erster Linie zum Befestigen von Typenschildern an Maschinen. Zum Befestigen von Blechen an Strangpressprofilen mit geschlossenem Querschnitt oder an innenhochdruckumgeformten Bauteilen, wie beispielsweise im Fahrzeugbau erforderlich, ist dieses Fügeverfahren nicht geeignet.

Ein für diesen Anwendungszweck geeignetes Fügeverfahren ist beispielsweise das sogenannte Direktverschrauben, auch als „Flow Drilling Screw (FDS)" bezeichnet. Bei diesem Verfahren (vgl. z.B. DE 102 48 427 A1 , DE 39 22 684 A1 , DE 39 09 725 C1 und DE 196 37 969 C2 ) wird eine Schraube verwendet, die einen flachen Schraubenkopf, einen mit Gewinde versehenen Schraubenschaft und eine Schraubenspitze aufweist. Die Schraube wird zunächst mit hoher Drehzahl und einer entsprechenden Anpresskraft auf die zu fügenden Bauteile aufgesetzt. Die hierbei auftretende Reibungswärme plastifiziert den umzuformenden Fügeteilwerkstoff. Hierbei bilden sich sowohl entgegen wie auch in Vorschubrichtung krater- bzw. wulstförmige Ansätze, in denen das Schraubengewinde ein Gegengewinde ausfurcht. Wenn die Schraube die Bauteile durchdrungen und der Schraubenkopf auf dem oberen Bauteil aufgesetzt hat, wird der Einschraubvorgang beendet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines mit hoher Geschwindigkeit eingetriebenen Nagels sowie einen Nagel hierfür zu schaffen, welche bei nur einseitiger Zugänglichkeit der Bauteile einsetzbar sind, kein Vorlochen der Bauteile erfordern, einen extrem einfachen und vor allem kurzzeitigen Fügevorgang ohne Drehbewegung des Nagels ermöglichen und dennoch zu einer hohen Verbindungsqualität führen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Lösen dieser Aufgabe ist in dem Patentanspruch 1 definiert. Ein bei diesem Verfahren verwendbarer Nagel ist in dem Patentanspruch 22 definiert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Nagel verwendet, der einen Nagelkopf mit einer an der Kopfunterseite vorgesehenen Ringnut, einen Nagelschaft und eine Nagelspitze aufweist. Der Nagel wird von einem Setzgerät mit hoher Geschwindigkeit in die im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile im Wesentlichen drehungsfrei axial so eingetrieben, dass die Nagelspitze beide Bauteile vollständig durchdringend über das nagelkopfabgewandte Bauteil hinaus austritt und im nagelkopfseitigen Bauteil ein wulstförmiger Materialaufwurf gebildet wird, der in die Ringnut des Nagelkopfes vorsteht, sowie im nagelkopfabgewandten Bauteil ein kraterförmiger Materialaufwurf gebildet wird, der in nagelkopfabgewandter Richtung vorsteht.

Vorzugsweise entspricht das Volumen der Ringnut im Wesentlichen dem Volumen des Materialaufwurfs des nagelkopfseitigen Bauteils, so dass die Ringnut vollständig von dem Materialaufwurf ausgefüllt wird.

Der Nagelschaft, der zylindrisch oder auch in Richtung auf den Nagelkopf konvergierend oder divergierend ausgebildet sein kann, ist vorzugsweise mit einer Oberflächenprofilierung versehen, die beim Fügevorgang mit verdrängtem Material gefüllt wird.

Die Bauteile können aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff mit oder ohne Faseranteil bestehen. Der Nagel wird vorzugsweise aus Stahl, insbesondere vergütetem Stahl hergestellt, kann jedoch auch aus Aluminium, Magnesium, Messing, Keramik oder faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch große Einfachheit und extrem geringe Fügezeit aus, da ein Vorlochen der Bauteile nicht erforderlich ist und der Nagel ohne Drehbewegung in einem einzigen Fügevorgang mit hoher Geschwindigkeit in und durch die beiden Bauteile getrieben wird. Wie durch Versuche erhärtet wurde, zeichnet sich die auf diese Weise hergestellte Verbindung zwischen den beiden Bauteilen durch eine hohe Verbindungsqualität aus. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine zweiseitige Zugänglichkeit des Fügebereiches bei aus reichend steifer Ausführung des nagelkopfabgewandten Bauteils nicht erforderlich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines Nagels mit Teilen der Herstellungsvorrichtung;
2 einen Längsschnitt durch den Nagel in 1;
3 eine mit III bezeichnete Einzelheit der 2 in vergrößertem Maßstab;
4 bis 8 der 2 entsprechende Längsschnitte abgewandelter Ausführungsformen des Nagels gemäß der Erfindung;
9 eine mit IX bezeichnete Einzelheit der 8 in vergrößertem Maßstab;
10 eine Draufsicht auf den Nagelkopf des Nagels in 8;
11 eine teilweise geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Nagels gemäß der Erfindung.
Die 1 zeigt eine fertige Verbindung zwischen einem Bauteil 2 und einem Bauteil 4 mittels eines Nagels 6a. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 2 ein dünnwandiges Bauteil in Form eines Bleches, und das Bauteil 4 ist ein Bauteil größerer Wandstärke, das beispielsweise ein Profilbauteil ist. Es kann sich beispielsweise um Karosserieteile für den Fahrzeugbau handeln, wenngleich die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.
Die Bauteile 2, 4 können aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff mit und ohne Faseranteil bestehen. Sie sind vor dem Fügevorgang nicht vorgelocht, wie noch genauer erläutert wird.
Wie den 1 und 2 zu entnehmen ist, besteht der Nagel 6a aus einem Nagelkopf 8, einem Nagelschaft 10a und einer Nagelspitze 12.
Der Nagelkopf 8 ist ein Flachkopf mit einer ebenen Oberseite 14, einer zylindrischen Umfangsfläche 16 und einer ebenen Unterseite 20, in der angrenzend am Nagelschaft 10a eine Ringnut 22 gebildet ist. Die Ringnut 22 weist eine abgerundete umlaufende Fläche 24 auf, die einerseits tangential in den Nagelschaft 12 und andererseits tangential in eine konische Fläche 26 übergeht.
Der Nagelschaft 10a ist im Ausführungsbeispiel der 1, 2 im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und in einem bestimmten Bereich seiner Oberfläche mit einer Oberflächenprofilierung 28a versehen. Wie insbesondere aus 3 hervorgeht, besteht die Oberflächenprofilierung 10a im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Reihe von ringförmigen Vertiefungen 30 und Erhöhungen 32. Die Oberflächenprofilierung 28a hat somit in Axialschnitten ein abgerundet wellenförmiges Profil, das im dargestellten Ausführungsbeispiel sinusförmig ausgebildet ist. Die in 3 mit R1 bezeichneten Radien der Vertiefungen 30 und Erhöhungen 32 sind daher identisch. Der Winkel α zwischen den Flanken der Erhöhungen 32 liegt hierbei in der Größenordnung von 90°.
Wie dargestellt, hat die Oberflächenprofilierung 28a nur eine relativ geringe Tiefe. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Tiefe T der Oberflächenprofilierung 28a zum mittleren Schaftdurchmesser D kleiner als 0,1 und insbesondere kleiner als 0,05. Beispielsweise liegt dieses Verhältnis in der Größenordnung von 0,03.
Die Nagelspitze 12 hat eine ogivale Oberfläche 34 mit einem abgerundeten Endpunkt 36. Der Ogivalitätsfaktor, d.h. das Verhältnis des Radius R2 zum Schaftdurchmesser D der ogivalen Oberfläche 34, liegt vorzugsweise im Bereich von 3 bis 5 und insbesondere in der Größenordnung von 4.
Der Nagel 6a einschließlich Kopf, Schaft und Spitze ist rotationssymmetrisch ausgebildet, was auch für die Ausführungsbeispiele der 4 bis 7 und 11 zutrifft.
Der Nagel 6a besteht vorzugsweise aus Stahl. Je nach Anwendung kann er jedoch auch aus Aluminium, Magnesium, Messing, Keramik, oder fa serverstärktem Kunststoff bestehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Nagel 6a unbeschichtet; er kann jedoch auch beschichtet sein.
Wie dargestellt, ist der Nagel 6a einteilig ausgebildet. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Nagelkopf einerseits und den Nagelschaft mit der Nagelspitze andererseits aus zwei Teilen unterschiedlicher Härte herzustellen, die anschließend miteinander verbunden werden. So kann beispielsweise der Nagelschaft mit der Nagelspitze aus Metall und der Nagelkopf aus Aluminium hergestellt werden, die dann mittels Reibschweißen zusammengesetzt werden.
Es wird nun das Verfahren zum Herstellen der in 1 gezeigten Verbindung zwischen den Bauteilen 2 und 4 mittels des Nagels 6a beschrieben:
Wie bereits erwähnt, sind die Bauteile 2 und 4 vor dem Fügevorgang nicht vorgelocht. Wenn die beiden Bauteile 2 und 4 aneinander anliegen, wird der Nagel 6a von einem Setzgerät mit hoher Geschwindigkeit von oben in die beiden Bauteile 2 und 4 eingetrieben. Die Setzgeschwindigkeit hängt vom Anwendungsfall ab und liegt z.B. zwischen 5 und 300 m/s, vorzugsweise 10 und 100 m/s.
Das Bolzensetzgerät ist beispielsweise ein Bolzenschussgerät, eine pulverkraftbetriebene Kartusche oder dergleichen. In 1 ist ein Kolben 42 eines derartigen Setzgerätes angedeutet. Ferner ist das Mundstück 44 eines im Übrigen nicht dargestellten Niederhalters zu sehen.
Wie bereits erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren bei nur einseitiger Zugänglichkeit der Fügestelle durchführbar. Wenn jedoch das Bauteil 4 keine ausreichende Steifigkeit hat, sollte ein Gegenhalter in Form einer Hülse 46 vorgesehen werden, an der die Bauteile 2, 4 abgestützt werden.
Beim Fügevorgang dringt zunächst die Nagelspitze 12 in das Bauteil 2 ein. Hierbei kommt es an der Oberseite des Bauteils 2 zu einem Materialaufwurf 38, der beim Eindringen der Nagelspitze 12 in das Bauteil 2 anwächst.
Die Nagelspitze 12 durchdringt dann das untere Bauteil 4. Dies führt einerseits zu einem kraterförmigen Materialaufwurf 40, der beim Durchdringen der Nagelspitze 12 in Eintreibrichtung größer wird. Andererseits fließt Material in die Oberflächenprofilierung 28a, wodurch die Vertiefungen der Oberflächenprofilierung 28a vollständig mit Material 4 ausgefüllt werden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Material des Bauteils 4. Unter Umständen lässt sich jedoch nicht vermeiden, dass sich die Vertiefungen der Oberflächenprofilierung 28a zumindest teilweise mit Material des Bauteils 2 füllen.
Der Fügevorgang ist beendet, wenn der Nagelkopf 8 mit seiner Unterseite an der Oberseite des Bauteils 2 aufliegt. Der Nagelkopf 8 ist so ausgebildet, dass er eine gewisse Flexibilität hat, um Spaltbildung unter dem Nagelkopf zu vermeiden und leichte Schiefstellungen des Nagels ausgleichen zu können. Wenn sich der Setzstempel 42 vom Nagelkopf 8 löst, federt der Nagel 6a geringfügig zurück. Hierdurch werden die Bauteile 2, 4 miteinander verspannt, was der Verbindungsqualität zugute kommt.
Das Volumen der Ringnut 22 entspricht im Wesentlichen dem Volumen des Materialaufwurfs 38, so dass die Ringnut 38 vollständig mit dem Werkstoff des Bauteils 2 ausgefüllt wird. Bei Rohbauanwendungen, bei dem das Bauteil 2 mit einer Beschichtung (Lack oder kathodische Tauchlackierung) versehen ist, kann es daher zu keiner Blasenbildung durch eingeschlossene Luft kommen.
Wie dargestellt, ist die Oberflächenprofilierung 28a nur in demjenigen Bereich des Nagelschaftes 10a vorgesehen, der sich bei der fertigen Verbindung innerhalb des Werkstoffes des Bauteils 4 befindet. Auf diese Weise entsteht eine Verbindung hoher Auszugsfestigkeit, da die Bauteile 2, 4 einerseits durch Kraft- und Formschluss zwischen Nagelschaft 10a und Bauteil 4 und andererseits durch Formschluss zwischen Nagelkopf 8 und Bauteil 2 miteinander verspannt werden. Wie dargestellt, bleiben die Bauteile 2 und 4 in der Trennebene im Wesentlichen unverformt, so dass die Ebenheit der Anlageflächen der Bauteile 2 und 4 erhalten bleibt. Wie ferner in 1 zu sehen ist, ragt die Nagelspitze 12 im Wesentlichen vollständig aus dem Bauteil 4 vor.
Wie ohne weiteres ersichtlich, ist für den Fügevorgang eine Zugänglichkeit nur von der Oberseite her erforderlich. Der Fügevorgang ist extrem einfach, da weder ein Vorlochen der Bauteile 2, 4 noch eine Drehbewegung des Nagels 6a erforderlich ist. Die Fügezeit ist äußerst gering. Außerdem sind nur vergleichsweise geringe Fügekräfte erforderlich. Dennoch ergibt sich eine hohe Verbindungsqualität mit entsprechend hoher Auszugsfestigkeit.
Wie sich ferner gezeigt hat, führt die abgerundete Form der Oberflächenprofilierung 28a zu vergleichsweise geringen Spannungen in der Verbindung zwischen den Bauteilen 2, 4 und dem Nagel 6a, was zu der Verbindungsqualität entsprechend beiträgt.
Wie in 1 zu sehen ist, erstreckt sich die Oberfläche des Nagelkopfes 8 bis nahezu zum äußeren Rand (Umfangsfläche 16) des Nagelkopfes 8. Zwischen der eben ausgebildeten Oberseite 14 und der Umfangsfläche 16 ist nur eine relativ kleine Rundung oder Fase 18 vorgesehen, so dass der Kolben 42 am Nagelkopf 8 im Wesentlichen über dessen gesamte Breite angreift.
Wenn die Bolzenspitze 12 in die Bauteile 2, 4 eindringt, wird der größte Teil der Setzkraft vom Kolben 42 auf den zentralen Bereich des Nagelkopfes 8 übertragen, so dass im zentralen Bereich des Nagelkopfes 8 entsprechend hohe Spannungen entstehen. Wenn am Ende des Setzvorgangs der Nagelkopf 8 auf der Oberseite des Bauteils 2 aufsetzt, wird der größte Teil der Setzkraft vom Kolben 42 auf den radial äußeren Bereich des Nagelkopfes 8 und von da über die Außenfläche der Unterseite 20 auf die Bauteile 2, 4 übertragen, während der zentrale Bereich des Nagelkopfes 8 druckentlastet wird.
Somit werden die vom Kolben 42 ausgeübten Setzkräfte nicht in den Nagelschaft 10a eingeleitet. Auf diese Weise wird vermieden, dass es zu einem „Durchschlag" beim Aufsetzen des Nagels 6a auf dem Bauteil 2 kommt, selbst wenn der Setzvorgang mit Energieüberschuss betrieben wurde. Bei einem so genannten „Durchschlag" dringt der Nagelkopf 8 in das Bauteil 2 ein, und außerdem entsteht ein Spalt zwischen der Oberflächenprofilierung 28a des Nagelschaftes 10a und dem Loch des Bauteils 4.
Der Niederhalter 44 dient in erster Linie dazu, die Bauteile 2 und 4 vor und während des Setzvorganges in Anlage gegeneinander zu drücken. Hierzu reichen im Allgemeinen Niederhalterkräfte kleiner 3 kN aus. Höhere Niederhalterkräfte zum Beeinflussen der Materialeigenschaften der Bauteile 2 und 4 sind im Allgemeinen nicht erforderlich.
Der Gegenhalter in Form der Hülse 46 ist, wie bereits erwähnt, nur dann erforderlich, wenn die Steifigkeit des Bauteils 4 nicht ausreichend ist. Anhand der 2 bis 10 werden nun verschiedene Ausführungsformen des Nagels beschrieben, die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden können.
Der Nagel 6b der 4 unterscheidet sich von dem Nagel 6a der 2 lediglich dadurch, dass zwischen der Nagelspitze 12 und dem mit der Oberflächenprofilierung 28b versehenen Teil des Nagelschaftes 10b ein zylindrischer Abschnitt 48 vorgesehen ist, wodurch der Nagelschaft 10b eine entsprechend größere Länge erhält. Der längere Nagelschaft 10b begünstigt die Entspannungsphase nach dem Eindringen der Nagelspitze in die Bauteile, wodurch Verformungen der Bauteile reduziert werden.
Der Nagel 6c der 5 unterscheidet sich von dem Nagel 6a der 2 lediglich dadurch, dass der Nagelschaft 10a eine im Wesentlichen konische Form hat, die von der Nagelspitze 12 aus in Richtung auf den Nagelkopf 8 konvergiert. Die Oberflächenprofilierung 28c ist hierbei an die konische Form des Nagelschaftes 10c so angepasst, dass ihre Tiefe im Wesentlichen konstant bleibt. Durch diese „Taillierung" des Nagelschaftes 10c lässt sich eine höhere Auszugsfestigkeit der Verbindung erreichen.
Bei dem Nagel 6d der 6 ist der Nagelschaft 10d mit der Oberflächenprofilierung 28d ebenfalls im Wesentlichen konisch ausgebildet, jedoch so, dass er von der Nagelspitze 12 in Richtung auf den Nagelkopf 8 divergierend verläuft. Hierdurch wird eine spannungsgünstige Anordnung und ein besseres Hinterfliesen der Oberflächenprofilierung 28d erreicht.
Der Nagel 6e der 7 hat einen im Wesentlichen zylindrischen Nagelschaft 10e mit einer Oberflächenprofilierung 28e, die in Längsschnitten sägezahnförmig ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich eine höhere Auszugsfestigkeit erzielen, die allerdings durch höhere Spannungen in der Verbindung erkauft werden muss.
Der Nagel 6f der 8 bis 10 ist mit einer Oberflächenprofilierung 28f in Form eines Gewindes versehen. Das Gewinde, das in 9 vergrößert dargestellt ist, ist als Feinstgewinde ausgebildet, dessen Steigung vorzugsweise kleiner als 3,5 ist und z.B. in der Größenordnung von 0,25 liegt.
Die übrigen Fügeparameter in Verbindung mit der Ausbildung der Oberflächenprofilierung 28f werden so gewählt, dass der Nagel 6f beim Fügevorgang durch die beiden Bauteile 2, 4 getrieben wird, ohne dass der Nagel 6f eine merkliche Drehbewegung ausführt. Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen füllen sich hierbei die Gewindegänge der Oberflächenprofilierung 28f mit plastifiziertem Material. Hierbei wird zu den Bauteilen 2, 4 ein Gegengewinde gebildet. Der Nagel 6f kann daher nach dem Setzvorgang wieder aus den beiden Bauteilen 2, 4 gelöst werden. Zu diesem Zweck ist der Nagelkopf 8f mit einem Antriebsmerkmal 46 versehen, so dass der Nagel 6f mit Hilfe eines Werkzeuges (nicht gezeigt) aus den Bauteilen herausgeschraubt werden kann.
Der Nagel 6g der 11 entspricht im Wesentlichen dem Nagel 6b der 4, d.h. er besitzt einen Nagelkopf 8g, einen Nagelschaft 10g mit einer Oberflächenprofilierung 28g, eine Nagelspitze 12 sowie einen nicht profilierten Abschnitt 50, der zwischen der Nagelspitze 12 und dem mit der Oberflächenprofilierung 28g versehenen Teil des Nagelschaftes 10g angeordnet ist. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der 4 hat jedoch der profilfreie Abschnitt 50 eine verjüngte Form, d.h. sein Durchmesser ist kleiner als der maximale Durchmesser der Nagelspitze 12 und als der Durchmesser des mit der Oberflächenprofilierung 28g versehenen Teils des Nagelschaftes. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der durchmesserverringerte Abschnitt 50 zylindrisch ausgebildet; grundsätzlich könnte er jedoch auch eine andere geometrische Form haben.
Aufgrund der Durchmesserverringerung des Abschnittes 50 entsteht beim Eindringen des Nagels 8g in die Bauteile 2, 4 eine Druckentlastung, sobald die Nagelspitze 12 vollständig in das Material der Bauteile eingedrungen ist. Diese Druckentlastung begünstigt eine geringere Verformung der Bauteile 2, 4 und dadurch höhere Verbindungsfertigkeiten.
Das beschriebene Verfahren zum Setzen der Nägel lässt sich besonders vorteilhaft in Verbindung mit einem Kleben der Bauteile 2, 4 einsetzen. Bei dieser Hybrid-Fügetechnik werden die Bauteile 2, 4 an ihren aneinander anliegenden Flächen durch einen Kleber zusätzlich miteinander verbunden, wodurch eine extrem hochfeste und gleichförmige Verbindung zwischen den Bauteilen 2, 4 entsteht. Hierbei können beliebige herkömmliche Kleber verwendet werden, wie sie im Stand der Technik in großer Vielfalt bekannt sind.
Ein wichtiger Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass eine nur sehr geringe Setzdauer zum Setzen eines Nagels erforderlich ist. Ferner kann das Verfahren, wie bereits ausführlich erläutert, ohne Vorlochen und bei nur einseitiger Zugänglichkeit der Bauteile durchgeführt werden. Diese vorteilhaften Eigenschaften machen das beschriebene Verfahren besonders geeignet für ein „kontinuierliches Nageln", wie im Folgenden erläutert wird:
Häufig müssen zwei Bauteile an mehreren zueinander beabstandeten Fügestellen, beispielsweise entlang von Fügeflanschen, miteinander verbunden werden. Bei herkömmlichen mechanischen Fügeverfahren wird dann das Setzgerät von einem Roboter nacheinander zu den Fügestellen bewegt. An jeder Fügestelle wird das Setzgerät zunächst abgebremst, der Fügevorgang durchgeführt und das Setzgerät wieder beschleunigt. Dies führt naturgemäß zu vergleichsweise langen Taktzeiten. So erfordern die Fügetechniken Stanznieten, Clinchen, Blindnieten und das Nageln mittels dem eingangs beschriebenen FDS-Verfahren Taktzeiten von 2–7 s, 2–6,5 s, 3–7,5 s bzw. 3–8 s.
Im Gegensatz zu dem beschriebenen diskontinuierlichen Fügen der Bauteile an den Fügestellen erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren ein „kontinuierliches Fügen". Genauer gesagt, erfolgt die vom Roboter erzeugte Bewegung des Setzgerätes von Fügestelle zu Fügestelle kontinuierlich, wobei während dieser Zustellbewegung die Nägel nach dem oben beschriebenen Verfahren gesetzt werden. Die Bauteile werden zweckmäßigerweise beim kontinuierlichen Ablauf dieser Fügevorgänge von entsprechenden Spannvorrichtun gen in der richtigen Position zueinander gehalten. Voraussetzung ist lediglich, dass die Fügestellen für das Setzgerät zugänglich sind. Dies ist häufig der Fall, wenn sich die Fügestellen an Fügeflanschen befinden.
Das kontinuierliche Nageln wird dadurch erleichtert, dass zum Setzen der Nägel nach dem beschriebenen Verfahren eine präzise Ansteuerung der Fügestellen im allgemeinen nicht erforderlich ist. Die vom Roboter durchgeführte Zustellbewegung des Setzgerätes kann berührungslos erfolgen. Statt dessen kann jedoch ein am Setzgerät vorgesehenes Mundstück (Niederhalter 44 in 1) am oberen Bauteil 2 anliegen.
In jedem Fall ergibt sich eine beträchtliche Reduzierung der Taktzeiten, da keine Brems- und Beschleunigungsvorgänge des Roboters erforderlich sind und zudem kürzere Setzzeiten als bei herkömmlichen mechanischen Fügeverfahren erzielt werden. So sind mit dem beschriebenen Verfahren Taktzeiten in der Größenordnung von 1,5–3 s möglich, was eine Taktzeitreduzierung von ca. 50% ausmacht.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen (2, 4) in einem Fügebereich mittels eines Nagels (6a–f), der einen Nagelkopf (8; 8f) mit einer an der Kopfunterseite vorgesehenen Ringnut (22), einen Nagelschaft (10a–f) und eine Nagelspitze (12) aufweist, bei welchem Verfahren: der Nagel (6a–f) von einem Setzgerät mit hoher Geschwindigkeit in die im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile (2, 4) im Wesentlichen drehungsfrei axial so eingetrieben wird, dass die Nagelspitze (12) beide Bauteile (2, 4) vollständig durchdringend über das nagelkopfabgewandte Bauteil (4) hinaus austritt und im nagelkopfseitigen Bauteil (2) ein wulstförmiger Materialaufwurf (38) gebildet wird, der in die Ringnut (22) des Nagelkopfes (8; 8f) vorsteht, sowie im nagelkopfabgewandten Bauteil (4) ein kraterförmiger Materialaufwurf (40) gebildet wird, der in nagelkopfabgewandter Richtung vorsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Ringnut (22) im Wesentlichen dem Volumen des Materialaufwurfs (38) des nagelkopfseitigen Bauteils (2) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (22) angrenzend am Nagelschaft (10a–f) eine abgerundete Fläche (24) hat, die in eine konusförmige Fläche (26) übergeht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (10a, b, e, f) im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (10c) in Richtung auf den Nagelkopf (8) konvergierend ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (10d) in Richtung auf den Nagelkopf (8) divergierend ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (10a–f) mit einer Oberflächenprofilierung (28a–f) versehen ist, die sich beim Herstellen der Verbindung mit verdrängtem Material füllt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28a–f) nur in einem Bereich des Nagelschaftes (10a–f) angeordnet ist, der in der fertigen Verbindung innerhalb des nagelkopfabgewandten Bauteils (4) liegt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der maximalen Tiefe (T) der Oberflächenprofilierung (28a–f) zu dem mittleren Durchmesser (D) des Nagelschaftes (10a–f) kleiner als 0,1, vorzugsweise kleiner als 0,05 und insbesondere kleiner als 0,03 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28a–d) in Axialschnitten aus einem abgerundet wellenförmigen Profil besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28e) in Axialschnitten aus einem Sägezahnprofil besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28a–e) von einer Reihe kreisförmiger Vertiefungen (30) und Erhöhungen (32) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28) von einem Gewinde gebildet wird, das beim axialen Eintreiben des Nagels in die beiden Bauteile (2, 4) ein entsprechendes Gegengewinde bildet.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung des von der Oberflächenprofilierung (28f) gebildeten Gewindes kleiner als 0,35 ist und vorzugsweise in der Größenordnung von 0,25 liegt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelkopf (8f) ein Antriebsmerkmal (46) für das Angreifen eines Werkzeuges hat, um den Nagel (6f) aus den beiden Bauteilen (2, 4) wieder lösen zu können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem mit einer Oberflächenprofilierung (28d; 28g) versehenen Teil des Nagelschaftes (10d; 10g) und der Nagelspitze (12) ein profilfreier Abschnitt (48; 50) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem mit einer Oberflächenprofilierung (28g) versehenen Teil des Nagelschaftes (10g) und der Nagelspitze (12) ein durchmesserverringerter Abschnitt (50) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (14) des Nagelkopfes (8) im Wesentlichen bis zu dessen äußerem Rand eben ist, um in der Endlage des Nagels die auf den Nagelkopf (8) wirkenden Setzkräfte weitgehend auf das nagelkopfseitige Bauteil (2) zu übertragen und dadurch einen Durchschlag des Nagels durch die beiden Bauteile zu vermeiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nagelspitze (12) eine ogivale Form mit einem Ogivalitätsfaktor von 3 bis 5, insbesondere 4 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (6a–f) einteilig aus Stahl oder Aluminium oder Magnesium oder Messing oder Keramik oder einem faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft und Kopf des Nagels aus unterschiedlich harten Werkstoffen hergestellt und anschließend miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nagelkopfseitige Bauteil (2) ein relativ dünnes Blech und das nagelkopfabgewandte Bauteil (4) ein Profilbauteil größerer Dicke ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2, 4) aus Stahl und/oder Aluminium und/oder Magnesium und/oder Kunststoff bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteile (2, 4) zusätzlich durch Kleben miteinander verbunden werden.
Verfahren zum Herstellen mehrerer Verbindungen zwischen zwei Bauteilen an zueinander beabstandeten Fügestellen, bei dem ein Setzgerät zum Setzen von Nägeln von einem Roboter nacheinander zu den Fügestellen bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Roboter hervorgerufene Bewegung des Setzgeräts zu den Fügestellen kontinuierlich erfolgt und bei dieser kontinuierlichen Bewegung die Nägel mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in die beiden Bauteile eingetrieben werden.
Nagel zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen (2, 4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher aufweist: einen Nagelkopf (8; 8f), einen Nagelschaft (10a–f) und eine Nagelspitze (12), von denen der Nagelkopf (8; 8f) an seiner Unterseite eine Ringnut (22) zur Aufnahme eines wulstförmigen Materialaufwurfs (38) des nagelkopfseitigen Bauteils (2) aufweist, der Nagelschaft (10a–f) mit einer Oberflächenprofilierung (28a–f) zur Aufnahme von Material des nagelkopfabgewandten Bauteils (4) versehen ist und die Nagelspitze (12) eine ogivale Form mit einem Ogivalitätsfaktor von 3 bis 5 hat.