DE102009039936A1

DE102009039936A1 - Stanzniet, Verfahren zum Hersteller einer Stanznietverbindung und Werkstückanordnung

Info

Publication number: DE102009039936A1
Application number: DE102009039936A
Authority: DE
Inventors: Paul Bartig
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2011-04-07
Also published as: EP2470799A1; CN102483084A; US8763233B2; JP2013502550A; WO2011023616A1; CN102483084B; US20120180305A1; EP2470799B1; JP5722325B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stanzniet (30) zur Verbindung zweier Werkstücke (12, 14), mit einem Kopf (32) und einem Schaft (34), wobei der Schaft (34) als Hohlschaft mit einem Schaftinnendurchmesser (D3), einem Schaftaußendurchmesser (D1) und einer Schaftstirnseite ausgebildet ist, wobei an der Schaftstirnseite eine Ringschneide (50) ausgebildet ist, deren Durchmesser (D4) kleiner ist als der Schaftaußendurchmesser (D1), und wobei der Schaftinnendurchmesser (D3) über einen Schneidenradius (R2) in die Ringschneide (50) übergeht. Dabei ist das Verhältnis von Schneidenradius (R2) zu Schaftaußendurchmesser (D1) größer als 0,3 (Fig. 2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stanzniet zur Verbindung zweier Werkstücke, mit einem Kopf und einem Schaft, wobei der Schaft als Hohlschaft mit einem Schaftinnendurchmesser, einem Schaftaußendurchmesser und einer Schaftstirnseite ausgebildet ist, wobei an der Schaftstirnseite eine Ringschneide ausgebildet ist, deren Durchmesser kleiner ist als der Schaftaußendurchmesser, und wobei der Schaftinnendurchmesser über einen Schneidenradius in die Ringschneide übergeht.
Ein derartiger Stanzniet ist bekannt aus dem Dokument DE 10 2005 052 360 B4 .
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Stanznietverbindung von wenigstens zwei Werkstücken, von denen eines insbesondere aus einem hochfesten Werkstoff mit einer Festigkeit von mindestens 800 MPa besteht und insbesondere eine Dicke von wenigstens 0,5 mm aufweist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Werkstückanordnung aus wenigstens zwei Werkstücken, die mittels wenigstens eines derartigen Stanzniets bzw. mittels eines derartigen Stanznietverfahrens verbunden sind.
Stanznieten ist ein umformendes Fügeverfahren und kann mittels sogenannter Vollniete und sogenannter Halbhohlniete durchgeführt werden. Vorliegend geht es um das Stanznieten mit Halbhohlniet, der mit einem Hohlschaft ausgebildet ist. Dieses Verfahren kennzeichnet sich dadurch aus, dass der Halbhohlniet in eine Anordnung von zwei Werkstücken getrieben wird (insbesondere zwei Bleche), wobei das oberste Werkstück von dem Hohlschaft durchstanzt (gelocht) wird. Eine Matrize, auf der das unterste Werkstück aufliegt, ist so konstruiert, dass der Hohlschaft im Folgenden radial aufgespreizt wird und radial in das untere Werkstück getrieben wird, so dass sich ein Hinterschnitt bildet. Dabei wird das untere Werkstück in der Regel nicht durchtrennt, so dass die der Matrize zugewandte Seite des unteren Werkstückes geschlossen bleibt und folglich wenig rostanfällig ist. Dieses Stanznietverfahren mit Halbhohlniet wird seit einigen Jahren in der Kraftfahrzeugindustrie vermehrt eingesetzt. Das Stanznietverfahren eignet sich insbesondere zur Verbindung von Werkstücken unterschiedlichen Materials (beispielsweise Stahl und Aluminium). Da insbesondere im Karosseriebau ein Trend hin zu einer Kombination von an den jeweiligen Anwendungszweck angepassten, unterschiedlichen Materialien besteht, ist das Stanznietverfahren für diesen Fall ein gegenüber Schweißverfahren bevorzugtes Fügeverfahren.
Es versteht sich dabei, dass zumindest der Werkstoff des unteren, matrizenseitigen Werkstücks gut kaltumformbar sein und möglichst homogene Werkstoffeigenschaften besitzen sollte.
Da in dem oben beschriebenen Anwendungsgebiet ein Trend hin zu hochfesten Werkstoffen besteht (beispielsweise Festigkeiten des oberen, stempelseitigen Werkstückes von größer 1000 MPa), müssen die hierzu verwendeten Stanzniete eine entsprechend höhere Festigkeit (Niethärte) besitzen, insbesondere, um ein solches Werkstück aus einem hochfesten Material durchstanzen zu können. Gleichzeitig soll der Stanzniet in seinem Schaftbereich eine hinreichende Verformbarkeit besitzen, um für einen hinreichenden Hinterschnitt in der fertiggestellten Stanznietverbindung zu sorgen.
Auf dem Gebiet der Halbhohlniete gibt es verschiedene Standard-Typen, beispielsweise den sogenannten C-Niet, wie er aus dem Dokument WO 95/09307 bekannt ist. Der dort beschriebene Halbhohlniet weist einen zylindrischen Hohlschaft auf, wobei am Außenrand der Stirnseite des Schaftes eine scharfe Ringschneide ausgebildet ist. Zu diesem Zweck geht der Innendurchmesser über einen Schneidenradius in den Schaftaußendurchmesser über. Dieser C-Niet ist zum Stanznieten von hochfesten Werkstücken jedoch weniger geeignet, da der C-Niet eine Tendenz hat, sich beim Stanznietvorgang stark aufzuspreizen, so dass im Hinterschnittbereich des unteren Werkstückes nur wenig Material vorhanden ist. Die erzielbare Festigkeit ist folglich relativ gering. Ein abgewandelter C-Niet mit einer scharfen Ringschneide, die jedoch von dem Schaftaußendurchmesser beabstandet ist, ist aus dem Dokument DE 203 19 610 U1 bekannt.
Ferner ist im Stand der Technik ein sogenannter P-Niet bekannt, beispielsweise aus dem Dokument DE 10 2005 052 360 B4 .
Bei diesem Stanzniet ist eine Ringschneide an der Schaftstirnseite ausgebildet, deren Durchmesser kleiner ist als der Schaftaußendurchmesser. Die Ringschneide ist als in radialer Richtung ausgerichtete, plane Ringfläche ausgebildet, die über eine Schaftaußenfase in den Schaftaußendurchmesser übergeht und folglich vom Schaftaußendurchmesser beabstandet ist. Der Schaftinnendurchmesser geht über einen relativ kleinen Radius in diese Ringfläche über.
Der P-Niet hat zwar beim Stanznieten von hochfesten Werkstücken bessere Eigenschaften als der C-Niet. Nichtsdestotrotz verbleibt auch gegenüber dem P-Niet in dieser Hinsicht ein Verbesserungsbedarf.
Demzufolge ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Stanzniet sowie ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Stanznietverbindung anzugeben, mittels denen sich hochfeste Werkstücke prozesssicher fügen lassen.
Die obige Aufgabe wird zum einen durch einen Stanzniet der eingangs genannten Art gelöst, wobei das Verhältnis von Schneidenradius zu Schaftaußendurchmesser größer ist als 0,3.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Stanznietverbindung von wenigstens zwei Werkstücken, von denen eines insbesondere aus einem hochfesten Werkstoff mit einer Festigkeit von mindestens 800 MPa besteht und insbesondere eine Dicke von wenigstens 0,5 mm aufweist, mit den Schritten:

– Bereitstellen eines Stanzniets, der einen Kopf und einen Schaft aufweist und aus einem Material mit einer bestimmten Niethärte hergestellt ist, wobei der Schaft als Hohlschaft mit einem Schaftinnendurchmesser, einem Schaftaußendurchmesser und einer Schaftstirnseite ausgebildet ist, und wobei der Schaft in der axialen Projektion eine durch den Schaftaußendurchmesser und den Schaftinnendurchmesser vorgegebene Ringfläche aufweist, insbesondere eines Stanzniets der obengenannten Art, und
– Durchführen des Stanzvorganges, wobei das obere Werkstück mit einer bestimmten Lochkraft durchstanzt wird,

Schließlich wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Werkstückanordnung aus wenigstens zwei Werkstücken, die mittels wenigstens eines erfindungsgemäßen Stanzniets bzw. mittels eines erfindungsgemäßen Stanznietverfahrens verbunden sind.
Der erfindungsgemäße Stanzniet weist eine Ringschneide auf, deren Durchmesser kleiner ist als der Schaftaußendurchmesser. Hierdurch kann ein zu starkes Aufspreizen des Stanznietes, wie es beim C-Niet auftritt, verhindert werden. Ferner ist das Verhältnis von Schneidenradius zu Schaftaußendurchmesser größer als 0,3. Mit anderen Worten weist der Stanzniet einen relativ großen Schneidenradius auf. Hierdurch kann während des Stanzvorganges ein aus dem oberen, stempelseitigen Werkstück herausgestanzter Stanzbutzen jedenfalls zu einem großen Teil in dem Hohlschaft aufgenommen werden. Mit anderen Worten wird dieser Stanzbutzen nicht, wie es beim P-Niet der Fall ist, in Stanzrichtung von der Schaftstirnseite nach unten gedrückt. Hierdurch wiederum ist es möglich, auch Fügeverbindungen zu erzielen, bei denen das untere, matrizenseitige Werkstück relativ dünn ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für hochfeste Werkstoffe mit einer Festigkeit von mindestens 800 MPa eingesetzt werden, folglich bei Werkstücken aus Stahl aber auch bei weniger festen Werkstoffen wie Leichtmetalle. Auch das Verbinden von zwei Werkstücken aus Aluminium ist möglich. Die Werkstücke haben bevorzugt eine Dicke von 0,8 mm bis 2,5 mm. Bei besonders hochfesten Werkstoffen mit einer Festigkeit von 1000 MPa oder sogar 1500 MPa oder mehr, sind die verwendeten Werkstücke bevorzugt relativ dünn, bspw. 0,8 mm.
Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
Von besonderem Vorteil ist es bei dem erfindungsgemäßen Stanzniet, wenn das Verhältnis von Schneidenradius zu Schaftaußendurchmesser größer ist als 0,5.
Durch diese Maßnahme können die oben beschriebenen Vorteile in noch weitergehendem Umfang erzielt werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis von Schneidenradius zu Schaftaußendurchmesser kleiner ist als 0,7. Hierdurch wird verhindert, dass der Schaft im Bereich der Stirnseite zu dünn wird. Somit kann auch bei hochfesten Stählen eine hohe Stanzwirkung erzielt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform geht die Ringschneide über eine Schaftaußenfase in den Schaftaußendurchmesser über, die unter einem Fasenwinkel kleiner 42° in Bezug auf eine Radialebene ausgerichtet ist. Vorzugsweise ist der Fasenwinkel kleiner 35°, insbesondere kleiner 32°.
Hierdurch wird erreicht, dass der Stanzniet sich nach dem Durchstanzen des stempelseitigen Werkstückes besser aufspreizen kann, so dass ein ausreichender Hinterschnitt und damit eine hohe Festigkeit der Stanzverbindung erzielt werden kann.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Schaftaußenfase über einen Übergangsradius in den Schaftaußendurchmesser übergeht. Der Übergangsradius kann ein sehr kleiner Radius von beispielsweise kleiner 0,2 mm, insbesondere kleiner 0,15 mm sein. Durch den Übergangsradius werden in diesem Bereich Spannungen während des Stanzvorganges vermieden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die auch unabhängig von dem Verhältnis des Schneidenradius zu dem Schaftaußendurchmesser eine eigene Erfindung darstellt, ist das Verhältnis eines Kopfaußendurchmessers zu dem Schaftaußendurchmesser kleiner als 1,44, insbesondere kleiner als 1,42.
Durch diese Maßnahme wird der Stanzniet mit einem relativ großen Schaftaußendurchmesser versehen. Hierdurch kann die Ringfläche vergrößert werden, die der Schaft in der axialen Projektion aufweist. Die Stabilität des Stanzniets während des Stanzvorganges kann hierdurch erhöht werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Schaftaußendurchmesser über einen Unterkopfradius in den Außenumfang des Kopfes übergeht, wobei das Verhältnis des Unterkopfradius zu dem Schaftaußendurchmesser größer ist als 0,15.
Ferner ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis des Unterkopfradius zu dem Schaftaußendurchmesser kleiner ist als 0,3.
Folglich ist der Unterkopfradius deutlich kleiner als bei dem C-Niet, so dass sich die Setzkraft verringert. Im Vergleich zu dem P-Niet werden Spannungen besser aufgenommen.
Insgesamt ist es ferner bevorzugt, wenn die Ringschneide eine in radialer Richtung ausgerichtete Schneidenringfläche aufweist, deren radiale Breite so gewählt ist, dass das Verhältnis von Ringflächenbreite zu der radialen Dicke des Schaftes im Bereich von 0,03 bis 0,1 liegt.
Die Ringflächenbreite ist folglich im Vergleich zum P-Niet generell kleiner, so dass ein Kollabieren bzw. Stauchen des Schaftes während eines Stanzvorganges besser verhindert werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Stanznietverfahren ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis der Lochkraft, gemessen in kN, zu der Größe der Ringfläche, gemessen in mm², im Bereich von 1,2 bis 1,5 liegt.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Ringfläche an die erforderliche Lochkraft angepasst werden kann. Da es bevorzugt ist, den Schaftaußendurchmesser für verschiedene Lochkräfte unverändert zu lassen, ist es bevorzugt, wenn hierbei der Schaftinnendurchmesser in Abhängigkeit von der erforderlichen Lochkraft angepasst wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird bei dem erfindungsgemäßen Stanznietverfahren die Größe der Ringfläche ermittelt, und zwar durch das Verhältnis von Lochkraft zu einer modifizierten Niethärte, wobei die modifizierte Niethärte ermittelt wird durch das Multiplizieren der Niethärte mit einem Modifikationsfaktor, der im Bereich von 0,7 bis 0,9 liegt.
Auch auf diese Weise kann für eine vorgegebene Lochkraft und eine vorgegebene Niethärte die Ringfläche eingestellt werden. Dies erfolgt wiederum, wie oben, bevorzugt durch Einstellung des Schaftinnendurchmessers bei unverändertem Schaftaußendurchmesser.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Stanznietvorrichtung;
2 eine Längsschnittansicht durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stanzniets;
3 eine mittels des in 2 gezeigten Stanzniets hergestellte Stanznietverbindung;
4 eine gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung eines sogenannten P-Stanzniets hergestellte Stanznietverbindung;
5 eine gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung eines sogenannten C-Stanzniets hergestellte Stanznietverbindung;
6 eine gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung eines abgewandelten P-Stanzniets hergestellte Stanznietverbindung mit relativ dünnem matrizenseitigen Werkstück; und
7 eine mittels des in 2 gezeigten Stanzniets hergestellte Stanznietverbindung mit relativ dünnem matrizenseitigen Werkstück.
In 1 ist eine Stanznietvorrichtung generell mit 10 bezeichnet.
Die Stanznietvorrichtung 10 dient dazu, ein erstes Werkstück 12 und ein zweites Werkstück 14 miteinander zu verbinden. Die Werkstücke 12, 14 können insbesondere Bleche sein, wie sie im Fahrzeugkarosseriebau verwendet werden. Die Dicke der Werkstücke 12, 14 kann im Bereich von beispielsweise 0,5 mm bis 4 mm liegen, insbesondere im Bereich von 1 mm bis 2,5 mm. Die Werkstoffe der Werkstücke 12, 14 müssen die üblichen Anforderungen an kaltumformbare Materialien erfüllen. Häufig sind dies legierte Metalle, wie Stahl, Aluminium, Magnesium. Es ist jedoch auch möglich, eines der Werkstücke 12, 14, insbesondere das obere Werkstück 12, aus einem Kunststoffmaterial herzustellen.
Die Stanznietvorrichtung 10 weist eine Matrize 16 auf, auf die die Werkstücke 12, 14 unmittelbar übereinanderliegend aufgelegt werden. Zum Fixieren der Werkstücke dienen Niederhalter, die mit einer bestimmten Niederhaltekraft 20 auf die Werkstückanordnung gedrückt werden. Zwischen den Niederhaltern 18 ist ein Stempel 22 angeordnet, der entlang einer Längsachse 26 auf die Matrize 16 zu bewegbar ist, und zwar mit einer vorbestimmten Stanznietkraft 24. Der Stempel 22 dient dazu, einen Stanzniet 30 in die Werkstückanordnung 12, 14 zu treiben. Der Stanzniet 30 ist als Halbhohlstanzniet ausgebildet, mit einem Kopf 32 und einem sich hiervon in axialer Richtung erstreckenden Hohlschaft 34, an dessen stirnseitigem Ende eine Schneide 36 ausgebildet ist.
Beim Niederbewegen des Stempels 22 durchstanzt der Schaft 34 zunächst das obere, stempelseitige Werkstück 14, so dass aus diesem ein sogenannter Stanzbutzen ausgeschnitten wird. Im weiteren Verlauf des Stanzvorganges wird das freie Schaftende 34 in das matrizenseitige Werkstück 14 eingetrieben. In der Matrize 16 ist ein Hohlraum 38 ausgebildet, der in an sich bekannter Weise dafür sorgt, dass der Schaft 34 im weiteren Verlauf des Stanznietvorganges radial aufgespreizt wird, so dass das freie Ende des Schaftes 34, in axialer Richtung gesehen, sich hinter Material des matrizenseitigen Werkstückes 14 drängt. Der Stanzniet 30 wird in der Regel so weit in die Werkstückanordnung 12, 14 eingetrieben, bis der Kopf bündig mit der Oberfläche des stempelseitigen Werkstückes 12 abschließt.
Für die Verbindung von Werkstücken aus den verschiedensten Materialien stehen in der Regel unterschiedliche Typen von Stanznieten 30 bereit.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Stanzniets 30 gezeigt, der insbesondere in Verbindung mit Werkstücken 12, 14 aus hochfesten Materialien geeignet ist. Das matrizenseitige Werkstück 14 kann dabei beispielsweise eine Festigkeit von größer 400 MPa, vorzugsweise jedoch nicht mehr als 800 MPa, aufweisen. Das stempelseitige Werkstück kann hochfeste Werkstoffe mit Festigkeiten von mehr als 1000 MPa oder mehr als 1200 MPa aufweisen.
Der Stanzniet 30 selber ist ebenfalls aus einem hochfesten Material hergestellt, beispielsweise mit einer Niethärte von größer 1500 MPa, insbesondere größer 1700 MPa.
Der Stanzniet 30 ist rotationssymmetrisch um die Längsachse 26 ausgebildet und weist einen Kopf 32 und einen Schaft 34 auf. Der Schaft 34 unterteilt sich in einen Schaftabschnitt 40, der an den Kopf 32 anschließt, und einen Schneidenabschnitt 42. Der Schaftabschnitt 40 ist hohlzylindrisch ausgebildet und weist einen Schaftaußendurchmesser D1 sowie einen Schaftinnendurchmesser D3 auf. Der Schneidenabschnitt 42 weist eine Schneidenabschnitthöhe M2 auf.
Der Kopf 32 weist eine plane Kopfoberseite 44 auf und eine zylindrische Kopfaußenfläche 46. Die Kopfoberseite 44 weist einen Kopfaußendurchmesser D2 auf. Die Kopfaußenfläche 46 weist eine Kopfaußenflächenhöhe M1 auf. Innerhalb des Schaftes 34 weist der Kopf 32 eine Kopfunterseite 48 auf, die im vorliegenden Fall stumpf kegelig zulaufend ausgebildet ist und über einen Kopfinnenradius R3 in den Schaftinnendurchmesser D3 übergeht. Am Außenumfang geht der Schaftaußendurchmesser D1 über einen Unterkopfradius R1 in die Unterseite der Kopfaußenfläche 46 über. Dabei ist der Unterkopfradius R1 so angeordnet, dass er tangential sowohl in den Schaftaußendurchmesser D1 als auch in eine Radialebene übergeht, die etwa parallel zu der Kopfoberseite 44 angeordnet ist. Der Kopf 32 weist eine Kopfhöhe H auf, die sich von der Kopfoberseite 44 bis zu der Kegelspitze der Kopfunterseite 48 erstreckt.
Der Schaft 30 weist im Bereich des Schaftabschnittes 40 eine Schaftdicke M5 auf, die gleich der Hälfte der Differenz zwischen dem Schaftaußendurchmesser D1 und dem Schaftinnendurchmesser D3 ist. In der axialen Projektion weist der Schaft 34 ferner eine Ringfläche auf, die außenumfänglich durch den Schaftaußendurchmesser D1 und innenumfänglich durch den Schaftinnendurchmesser D3 begrenzt ist.
An der Stirnseite des Schaftes 32, genauer des Schneidenabschnittes 42, ist eine Ringschneide 50 ausgebildet, die als plane Schneidenringfläche ausgebildet ist und sich in radialer Richtung erstreckt. Der Innendurchmesser der Schneidenringfläche ist in 2 bei D4 gezeigt. Ferner weist die Schneidenringfläche eine radiale Breite M3 auf. In der axialen Projektion liegt die Ringschneide 50 folglich etwas außerhalb des mittleren Schaftdurchmessers, der durch den Mittelwert zwischen Schaftaußendurchmesser D1 und Schaftinnendurchmesser D3 gebildet wird.
Der Außenumfang der Schneidenringfläche geht über eine Schaftaußenfase 52 in den Schaftaußendurchmesser D1 über. Die Schaftaußenfase 52 nimmt mit einer Radialebene einen Winkel α₁ ein. Ferner geht die Schaftaußenfase 52 über einen Übergangsradius R4 in den Schaftaußendurchmesser D1 über. Die Außenfasenhöhe ist in 2 bei M4 gezeigt.
Der Innenumfang der Schneidenringfläche geht über einen Schneidenradius R2 in den Schaftinnendurchmesser D3 über. Dabei geht der Schneidenradius R2 tangential in den Schaftinnendurchmesser D3 über und endet unter Ausbildung eines Öffnungswinkels α₂ in der Schneidenringfläche. Der Radius R2 erstreckt sich genauer gesagt von dem Schaftinnendurchmesser D3 hin zu der Schneidenringfläche derart, dass die Innenseite des Schaftes einen Öffnungswinkel α₂ von 65° ergibt. Der Öffnungswinkel α₂ sollte vorzugsweise größer sein als 55°.

Die oben erwähnten Abmessungen des Stanzniets 30 sind in der nachfolgenden Tabelle 1 wiedergegeben. Für die jeweiligen Werte sind zum einen bevorzugte Wertebereiche angegeben und ferner ein Beispiel einer besonders bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 2 gezeigt ist. Zudem sind in Tabelle 1 bevorzugte Verhältnisse dieser Abmessungen angegeben, aus denen sich ergibt, wie ein erfindungsgemäßer Stanzniet auch für andere Anwendungsbeispiele dimensioniert werden kann. Tabelle 1:

	Bezeichnung	Wertebereich	Beispiel	Verhältnisse
Schaftaußendurchmesser	D1	≥ 5,3 mm	5,50 mm
Kopfaußendurchmesser	D2	≤ 8,0 mm	7,75 mm	D2/D1 < 1,44
Schaftinnendurchmesser	D3	≤ 3,5 mm	3,35 mm	D3/D1 < 0,7
Ringschneidendurchmesser	D4		4,60 mm	D4 > (D1 – D3)/2
Kopfaußenflächenhöhe	M1	≤ 0,50 mm	0,30 mm
Schneidabschnitthöhe	M2	≥ 1,4 mm	1,80 mm	M2/D1 > 0,25
Schneidenringflächenbreite	M3	> 0 UND ≤ 0,15 mm	0,10 mm	0,03 < M3/M5 < 0,1
Außenfasenhöhe	M4	≤ 0,4 mm	0,30 mm	M4/D1 < 0,07
Schaftdicke	M5	≥ 1 mm	1,075 mm
Nietlänge	M6	Variabel	4,5 mm
Fasenwinkel	α₁	≤ 42°	30° ± 10°
Öffnungswinkel	α₂	≤ 55°	65°
Kopfhöhe	H	≤ 1,5 mm	1,00 mm
Unterkopfradius	R1	≤ 1,5 mm	1,20 mm	0,15 < R1/D1 < 0,3
Schneidenradius	R2	≥ 2 mm	3,00 mm	R2/D1 > 0,3
Kopfinnenradius	R3		0,50 mm
Übergangsradius	R4		0,10 mm

Ferner versteht sich, dass der Stanzniet 30 in unterschiedlichen Längen ausgebildet sein kann, wobei hierbei jeweils die Länge des Schaftabschnittes 40 variiert. Der Schneidenabschnitt 42 verbleibt hingegen bei allen Ausführungsformen mit unterschiedlichen Längen vorzugsweise unverändert.
In 2 ist die axiale Gesamtlänge des Stanzniets 30 bei M6 gezeigt.
Durch das Verhältnis von D2/D1 < 1,44 kann der Stanzniet 30 mit einem relativ großen Schaftaußendurchmesser ausgebildet werden, wodurch sich die Stabilität während des Stanznietvorganges erhöht. Durch das Verhältnis von D3/D1 < 0,7 kann der Schaft 34 mit einer relativ großen Ringfläche in der axialen Projektion ausgebildet werden.
Durch das Verhältnis von D4 > (D1 – D3)/2 kann gewährleistet werden, dass der Schaft sich während eines Stanzvorganges tendenziell eher radial nach außen bewegt und folglich die Kaltumformung zum Zwecke des Hinterschneidens des matrizenseitigen Werkstückes unterstützt.
Durch das Verhältnis von M2/D1 > 0,25, insbesondere > 0,3, kann erreicht werden, dass in dem Innenraum des Schaftes ein relativ großes Volumen während des Stanzvorganges aufgenommen werden kann. Demzufolge ist es möglich, dass der Schaft einen aus dem stempelseitigen Werkstück abgetrennten Stanzbutzen zumindest weitgehend aufnimmt. Hierdurch wird verhindert, dass der Stanzbutzen von dem Schaft axial heruntergedrückt wird, was entweder zu einem Stauchen des Stanzniets führen würde oder zu einem Bruch des matrizenseitigen Werkstückes.
Durch das Verhältnis der Schneidenringflächenbreite M3 zur Schaftdicke M5 kann gewährleistet werden, dass eine gute Stanzwirkung bei hoher Stabilität erzielbar ist. Dies gilt auch für das Verhältnis von Außenfasenhöhe zu Schaftaußendurchmesser (M4/D1 < 0,07).
Durch das Verhältnis von R2/D1 > 0,3 wird ebenso wie durch die relativ hohe Schneidenabschnitthöhe M2 erreicht, dass ein relativ großes Volumen im Innenraum des Schaftes entsteht, so dass der ausgestanzte Stanzbutzen gut aufgenommen werden kann. Hierdurch kann verhindert werden, dass der Schaft beim Stanznieten von hochfesten Materialien gestaucht wird.
In 3 ist eine mittels des in 2 gezeigten Stanznietes 30 hergestellte Werkstückanordnung 60 gezeigt, die eine Stanznietverbindung 62 beinhaltet. Die Stanznietverbindung 62 verbindet mittels des umgeformten Stanzniets 30 ein oberes stempelseitiges Werkstück 12 mit einem unteren, matrizenseitigen Werkstück 14. Das stempelseitige Werkstück war dabei ein Stahl mit einer Dicke von 2 mm vom Typ DP 800. Das matrizenseitige Werkstück 14 war ein Aluminiumblech mit einer Stärke von 2 mm.
Man erkennt, dass der Stanzniet 30 den aus dem stempelseitigen Werkstück 12 ausgestanzten Stanzbutzen 64 nahezu vollständig innerhalb des Schaftes 34 aufgenommen hat. Gleichzeitig hat sich der Schaft 34 hinreichend aufgespreizt, um eine Hinterschneidung mit Material des matrizenseitigen Werkstückes 14 zu bilden, derart, dass zwischen dem Kopf 32 und dem Hinterschnitt hinreichend Material des matrizenseitigen Werkstückes 14 vorhanden ist. Die Kopfoberseite des Stanznietes 30 schließt etwa bündig mit der ursprünglichen Oberseite des stempelseitigen Werkstückes 12 ab.
In einem Vergleichsversuch wurden die gleichen Werkstücke 12, 14 mit einem P-Niet verbunden, wie er beispielsweise aus der DE 10 2005 052 360 B4 bekannt ist. Man erkennt, dass der Stanzniet P in axialer Richtung kollabiert ist. Dabei hat der Schaft den Stanzbutzen vor sich hergetrieben und hat es nicht erreicht, einen ausreichenden Hinterschnitt in dem matrizenseitigen Werkstück 14 zu bilden.
5 zeigt einen C-Niet, wie er dem Grunde nach aus dem Dokument WO 95/09307 bekannt ist. Man erkennt hier, dass beim Stanzen des gleichen Materials der Niet C sehr stark aufgespreizt wird und keinen hinreichenden Hinterschnitt bilden kann.
6 zeigt schließlich ein weiteres Vergleichsbeispiel, wobei das matrizenseitige Werkstück 14 etwas dünner war (1,7 mm Aluminium statt 2,0 mm bei den vorherigen Versuchen). Es wurde ein Stanzniet P' verwendet, wie er dem Grunde nach aus dem Dokument US 2009/0116934 A1 bekannt ist. Man erkennt, dass der Stanzbutzen hierbei von dem Stanzniet sehr stark nach unten gedrückt wurde und der Stanzniet P' sehr stark gestaucht wurde.
7 zeigt eine Stanznietverbindung 62 mit den gleichen Werkstücken 12, 14 wie in 6, jedoch hergestellt mit einem erfindungsgemäßen Stanzniet 30. Man erkennt, dass im Vergleich zu der Stanznietverbindung der 6 bei Verwendung des erfindungsgemäßen Stanzniets 30 in dem matrizenseitigen Werkstück 14 eine deutlich größere Restdicke 66 verbleibt. Zusätzlich werden die Vorteile erzielt, die oben ausführlich unter Bezugnahme auf 3 beschrieben worden sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005052360 B4 [0002, 0008, 0067]
WO 95/09307 [0007, 0068]
DE 20319610 U1 [0007]
US 2009/0116934 A1 [0069]

Claims

Stanzniet (30) zur Verbindung zweier Werkstücke (12, 14), mit einem Kopf (32) und einem Schaft (34), wobei der Schaft (34) als Hohlschaft mit einem Schaftinnendurchmesser (D3), einem Schaftaußendurchmesser (D1) und einer Schaftstirnseite ausgebildet ist, wobei an der Schaftstirnseite eine Ringschneide (50) ausgebildet ist, deren Durchmesser (D4) kleiner ist als der Schaftaußendurchmesser (D1), und wobei der Schaftinnendurchmesser (D3) über einen Schneidenradius (R2) in die Ringschneide (50) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Schneidenradius (R2) zu Schaftaußendurchmesser (D1) größer ist als 0,3.
Stanzniet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Schneidenradius (R2) zu Schaftaußendurchmesser (D1) größer ist als 0,5.
Stanzniet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Schneidenradius (R2) zu Schaftaußendurchmesser (D1) kleiner ist als 0,7.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringschneide (50) über eine Schaftaußenfase (52) in den Schaftaußendurchmesser (D1) übergeht, die unter einem Fasenwinkel (α₁) kleiner 42° in Bezug auf eine Radialebene ausgerichtet ist.
Stanzniet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftaußenfase (52) über einen Übergangsradius (R4) in den Schaftaußendurchmesser (D1) übergeht.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis eines Kopfaußendurchmessers (D2) zu dem Schaftaußendurchmesser (D1) kleiner ist als 1,44.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftaußendurchmesser (D1) über einen Unterkopfradius (R1) in den Außenumfang des Kopfes (32) übergeht, wobei das Verhältnis des Unterkopfradius (R1) zu dem Schaftaußendurchmesser (D1) größer ist als 0,15.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftaußendurchmesser (D1) über einen Unterkopfradius (R1) in den Außenumfang des Kopfes (32) übergeht, wobei das Verhältnis des Unterkopfradius (R1) zu dem Schaftaußendurchmesser (D1) kleiner ist als 0,3.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringschneide (50) eine in radialer Richtung ausgerichtete Schneidenringfläche aufweist, deren radiale Breite (M3) so gewählt ist, dass das Verhältnis von Ringflächenbreite (M3) zu der radialen Dicke (M5) des Schaftes (34) im Bereich von 0,03 bis 0,1 liegt.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (34) einen Schneidenabschnitt (42) aufweist, wobei das Verhältnis von dessen Höhe (M2) zu dem Schaftaußendurchmesser (D1) größer ist als 0,25.
Verfahren zum Herstellen einer Stanznietverbindung (62) von wenigstens zwei Werkstücken (12, 14), von denen eines insbesondere aus einem hochfesten Werkstoff mit einer Festigkeit von mindestens 800 MPa besteht und insbesondere eine Dicke von wenigstens 0,5 mm aufweist, mit den Schritten: – Bereitstellen eines Stanzniets (30), der einen Kopf (32) und einen Schaft (34) aufweist und aus einem Material mit einer bestimmten Niethärte hergestellt ist, wobei der Schaft (34) als Hohlschaft mit einem Schaftinnendurchmesser (D3), einem Schaftaußendurchmesser (D1) und einer Schaftstirnseite ausgebildet ist, und wobei der Schaft (34) in der axialen Projektion eine durch den Schaftaußendurchmesser (D1) und den Schaftinnendurchmesser (D3) vorgegebene Ringfläche aufweist, insbesondere eines Stanzniets nach einem der Ansprüche 1 bis 10, – Durchführen des Stanzvorganges, wobei das obere Werkstück (12) mit einer bestimmten Lochkraft durchstanzt wird, wobei der Stanzniet (30) mit einer Größe der Ringfläche bereitgestellt wird, die abhängig ist von der Lochkraft.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verhältnis der Lochkraft, gemessen in kN, zu der Größe der Ringfläche, gemessen in mm², im Bereich von 1,2 bis 1,5 liegt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Größe der Ringfläche ermittelt wird durch das Verhältnis von Lochkraft zu einer modifizierten Niethärte, wobei die modifizierte Niethärte ermittelt wird durch Multiplizieren der Niethärte mit einem Modifikationsfaktor, der im Bereich von 0,7 bis 0,9 liegt.
Werkstückanordnung (60) aus wenigstens zwei Werkstücken (12, 14), die mittels wenigstens eines Stanzniets (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder mittels eines Stanznietverfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 13 verbunden sind.