DE102010035951A1

DE102010035951A1 - Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung

Info

Publication number: DE102010035951A1
Application number: DE102010035951A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Hußmann Dominik; Robert Schlegelmilch
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen wenigstens zwei nicht vorgelochten Fügepartnern (1, 2) in einem Fügebereich (3) mittels eines von einem Setzgerät (5) eingetriebenen Nagels (4). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Nagel (4) vor dem Eintreiben in die Fügepartner (1, 2) erwärmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen wenigstens zwei nicht vorgelochten Fügepartnern gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 10 2006 002 238 A1 ist ein solches Verfahren, auch Hochgeschwindigkeitsfügen genannt, bekannt, das einen Nagel bzw. einen Setzbolzen verwendet, der einen Nagelkopf mit einer an der Kopfunterseite vorgesehenen Ringnut, einen Nagelschaft und eine Nagelspitze aufweist. Der Nagel wird vom Treiber eines Setzgerätes mit hoher Geschwindigkeit in mindestens einen nicht vorgelochten Fügepartner im Wesentlichen drehungsfrei axial so eingetrieben, dass die Nagelspitze und der Nagelschaft in den Fügepartner eindringen, der Nagelkopf an der Oberseite des Fügepartners aufliegt und hierbei an der Oberseite des Fügepartners ein Materialaufwurf gebildet wird, der in die Ringnut an der Kopfunterseite des Nagels vorsteht, sowie im nagelkopfabgewandten Fügepartner an dessen Unterseite ein kraterförmiger Materialauswurf gebildet wird, der in nagelkopfabgewandter Richtung vorsteht. Dieses druckluft-betriebene Hochgeschwindigkeitsfügen erfordert nur eine einseitige Zugänglichkeit des Fügebereichs, so dass in der Regel auch auf eine Matrize verzichtet werden kann.
Mit einem solchen Hochgeschwindigkeitsfügen können Fügepartner aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff mit oder ohne Faseranteil gefügt werden.
Um in der Automobilindustrie Gewichtsreduzierungen zu realisieren, kommen immer dünnere Fügepartner aus hochfesten oder höchstfesten Stählen, Aluminium oder Kunststoff zum Einsatz, deren Umformverhalten nicht den bisher eingesetzten Werkstoffen entspricht. Insbesondere besteht bei spröden Kunststoffen oder höchstfesten Stahlwerkstoffen die Gefahr einer Rissbildung, die zu einer verminderten Verbindungsqualität der Fügestelle führt.
Daher kann das oben beschriebene Hochgeschwindigkeitsfügen mit ungelochten Fügepartnern nicht in allen Anwendungsfällen mit Fügepartnern aus hoch- oder höchstfesten Stählen oder Kunststoffen durchgeführt werden, sondern die Fügepartner müssen bspw. vorgelocht werden, wodurch die Prozesszeiten verlängert und dadurch auch die Herstellungskosten ansteigen.
Neben dem Hochgeschwindigkeitsfügen sind weitere mechanische Verbindungsverfahren bekannt, die hinsichtlich Aufwand und Fügezeit nicht mit diesem Verfahren vergleichbar sind.
So ist bspw. aus der DE 100 60 390 A1 ein Stanznietverfahren bekannt, bei dem ein Stanzniet mittels eines Stempels durch einen ersten Fügepartner hindurch getrieben und mit einem zweiten, auf einer Matrize aufliegenden Fügepartner verbunden wird. Bei diesem bekannten Verfahren werden der Stanzniet und die beiden Fügepartner erwärmt, wodurch die Materialeigenschaften auf die erforderliche Umformung abgestimmt werden, so dass auch unter Umgebungstemperatur nur eingeschränkt verformbare Materialien umgeformt werden können. Durch die Erwärmung der Fügepartner wird auch die erforderliche Fügekraft reduziert, so dass nahezu beliebige Materialien unabhängig von deren Formstabilität miteinander verbunden werden können. Die Erwärmung erfolgt resistiv, indem ein Strom über den Stempel in den Stanzniet und das matrizenseitige Material als Teil eines elektrischen Stromkreises eingeleitet wird, so dass durch den elektrischen Widerstand gezielt auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden kann.
Dieses zu einem Formschluss führende Stanznietverfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass ihm die Einfachheit des Hochgeschwindigkeitsfügens fehlt bzw. lange Prozesszeiten erfordert und daher zu hohen Fertigungskosten führt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren, welches beim Hochgeschwindigkeitsfügen der eingangs beschriebenen Art den Einsatz von ungelochten Fügepartnern aus hoch- und höchstfesten Werkstoffen, Aluminium sowie aus Kunststoffen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bei einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren wird der Nagel vor dem Eintreiben in die Fügepartner erwärmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich also dadurch aus, dass vor dem Fügen nur der Nagel bzw. der Setzbolzen erwärmt wird. Damit wird beim Auftreffen des erwärmten Nagels auf den nagelkopfseitigen Fügepartner die Verformbarkeit und Duktilität von dessen Material punktuell erhöht. Dies führt zu einer besseren Klemmwirkung des Nagelschaftes des Nagels in dem Material der Fügepartner, wodurch eine erhöhte Fügequalität erzielt wird.
Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren spröde Kunststoffe gefügt werden, da aufgrund des warmen Nagels auch der Kunststoff erwärmt wird und damit leichter durchdrungen werden kann und sich dabei das Material des Kunststoffs um den Nagelschaft herum anschmiegt, wodurch weitgehend eine Rissbildung vermieden wird. Ebenso führt das erfindungsgemäße Verfahren auch beim Fügen von höchstfesten Stahlwerkstoffen oder Aluminium zu Fügeverbindungen, die auf der Austrittsseite des Nagels weitestgehend rissfrei sind.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Nagel während des Eintreibvorgangs nicht so stark belastet wird und dadurch ein Bruch des Nagels weitestgehend vermieden wird.
Gegenüber dem bekannten Hochgeschwindigkeitsfügen ohne erwärmten Nagel lässt das erfindungsgemäße Verfahren auch das Fügen von dickeren Fügepartnern aus hoch- oder höchstfesten Stahlwerkstoffen oder Aluminium zu.
Die Erwärmung des Nagels erfolgt gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung mittels einer Heizvorrichtung des Setzgerätes. Besonders vorteilhaft ist es dabei, diese Heizvorrichtung in einem Magazin des Setzgerätes vorzusehen, aus dem der Nagel vor dem Fügen entnommen wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Nagel auch mittels einer in dem Schusskanal des Setzgerätes vorgesehenen Heizvorrichtung vorgenommen werden.
Dabei ist es vorteilhaft, die Heizvorrichtung derart auszuführen, dass die Erwärmung des Nagels berührungslos erfolgt, vorzugsweise induktiv, durch Infrarotbestrahlung, durch Laserbestrahlung oder durch Ultraschallbestrahlung. Dadurch sind kostengünstige Realisierungsmöglichkeiten gegeben.
Gemäß einer letzten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Erwärmung des Nagels auch resistiv erfolgen, d. h. dass der Nagel oder mehrere im Magazin deponierte Nägel Teil eines Stromkreises wird bzw. werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 bis 5 eine schematische Darstellung von Prozessschritten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Setzgerät.
Die 1 bis 5 zeigen ein nur schematisch angedeutetes Setzgerät 5 in unterschiedlichen Prozessstellungen. Dieses Setzgerät 5 in Form eines Bolzenschussgerätes, einer Pulverkartusche oder dergleichen umfasst einen Schubkolben 7 der in einem rohrförmigen Mundstück 8 geführt wird. In diesem Mundstück 8 befindet sich ein in zwei zu fügende flächige Fügepartner 1 und 2 einzutreibender Nagel bzw. Setzbolzen 4 mit einem Nagelkopf und einem eine Spitze aufweisenden Nagelschaft. Das Mundstück 8 wird in einem Fügebereich 3 auf den Fügepartner 1 aufgesetzt.
Das Setzgerät 5 umfasst ferner ein Magazin 6 zur Aufnahme von Nägel 4, aus dem aufeinanderfolgend jeweils ein Nagel 4 in den von dem Mundstück 8 gebildeten Schusskanal 10 mittels einer Vereinzeleinheit (nicht dargestellt) transportiert wird.
1 zeigt den ersten Prozessschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Erwärmung des Nagels 4 erfolgt. Hierzu sind zwei alternative Möglichkeiten dargestellt.
Zum einen kann eine Heizvorrichtung 9a in dem Magazin 6 vorgesehen werden, so dass alle von diesem Magazin 6 aufgenommenen Nägel 4 von dieser Heizvorrichtung 9a erwärmt bzw. erhitzt werden können.
Zum anderen kann eine solche Heizvorrichtung 9b auch im oberen Bereich eines von dem Mundstück 8 gebildeten Schusskanals 10, in welchem der Nagel 4 vor dem Eintreiben liegt, angeordnet werden, so dass nur der aktuell einzutreibende Nagel 4 erwärmt bzw. erhitzt wird.
Schließlich kann die Heizvorrichtung auch zusammen mit der bereits erwähnten Vereinzeleinheit des Setzgerätes 5 realisiert werden (in den Figuren nicht dargestellt), die dazu dient, die Nägel 4 aus dem Magazin 6 zu vereinzeln und dem Schusskanal 10 zuzuführen.
Diese Heizvorrichtung 9a oder 9b kann als Induktionsheizung, als Infrarotheizung, als Laser oder als Ultraschallheizung ausgebildet sein, wodurch die Erwärmung bzw. Erhitzung des Nagels 4 berührungslos erfolgt.
Ferner bietet es sich an, die Heizvorrichtung 9a des Magazins 6 resistiv auszubilden, indem alle dort deponierten Nägel 4 Teil eines Stromkreises werden, so dass diese ständig auf der gewünschten Temperatur erwärmt sind. Dies bietet den Vorteil, dass für das Erwärmen keine Prozesszeit erforderlich ist.
Gemäß des ersten Prozessschritt nach 1, bei dem sich der Nagel 4 in dem Mundstück 8 befindet, ist der Schubkolben 7 in seiner Anfangslage abgebildet. Ist das Setzgerät 5 mit einem Magazin 6 ausgestattet, das eine Heizvorrichtung 9a aufweist, ist der Nagel 4 in dem Schusskanal 10 bereits erhitzt und es kann der nächste Prozessschritt gemäß 2 beginnen. Im anderen Fall, wenn eine Heizvorrichtung 9b im Mundstück 8 angeordnet ist, erfolgt zunächst die Erwärmung (angedeutet durch das Bezugszeichen S) des in dem Mundstück 8 sich befindenden Nagels 4 durch diese Heizvorrichtung 9b, bevor der eigentliche Setzvorgang gemäß 2 durchgeführt wird. Um die hierfür erforderliche Prozesszeit zu reduzieren, kann die Erwärmung des Nagels 4 während des Wechsels bzw. Verfahrens von einem Fügebereich 3 zum nächsten Fügebereich 3 mittels bspw. eines Roboters durchgeführt werden oder während des Ausfahrens des Mundstücks 8 auf den nagelkopfseitigen Fügepartner 1.
Im nächsten Prozessschritt gemäß 2 beginnt der Setzvorgang, indem der Schubkolben 7 angetrieben mit hoher Geschwindigkeit v₁ sich mit dem Nagel bzw. Setzbolzen 4 in Richtung der Fügepartner 1 und 2 beschleunigt. Dabei ist bspw. die Heizvorrichtung 9b in dem Mundstück 8 abgeschaltet.
3 zeigt den Zustand des Nagels 4, in welchem er mit seiner Nagelspitze auf der Oberfläche des nagelkopfseitigen Fügepartners 1 aufsteht.
Gemäß 4 ist der Nagel 4 in die beiden Fügepartner 1 und 2 vollständig mit dem in seiner Endlage sich befindenden Schubkolben 7 eingetrieben, so dass die Spitze des Schaftes des Nagels 4 auf der Rückseite des Fügepartners 2 austritt und dabei einen Materialaufwurf 11 erzeugt. Die Unterseite des Nagelkopfes des Nagels 4 liegt dabei auf der Oberfläche des Fügepartners 1 auf. Nach diesem Setzvorgang wird der Schubkolben 7 in seine Anfangslage zurückgezogen, wie dies 5 zeigt.
Anschließend wird das Setzgerät 5 zum nächsten Fügebereich 3 bzw. Fügestelle bspw. mittels eines Roboters geführt und dort mit dem nächsten Fügevorgang begonnen. Falls eine Heizvorrichtung 9b in dem Mundstück 8 vorgesehen ist, wird während des Verfahrens zum nächsten Fügebereich 3 der Nagel 4 erhitzt.
Der in den 1 bis 5 dargestellte Nagel bzw. Setzbolzen 4 ist lediglich schematisch dargestellt, so dass das Verfahren nicht nur mit einer bestimmten Ausgestaltung bzw. Form, sondern mit allen dem Fachmann bekannten Formen solcher Nägel bzw. Setzbolzen durchführbar ist.
Ähnliches gilt auch für die Materialien der zu fügenden Fügepartner 1 und 2. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren mit Fügepartnern aus hoch- und höchstfesten Stahlwerkstoffen, aus Aluminium oder sprödem Kunststoff einsetzbar.
Bezugszeichenliste

1: Fügepartner
2: Fügepartner
3: Fügebereich
4: Nagel, Setzbolzen
5: Setzgerät
6: Magazin
7: Schubkolben
8: Mundstück
9a: Heizvorrichtung im Magazin 6
9b: Heizvorrichtung im Mundstück 8
10: Schusskanal
11: Materialaufwurf auf der Unterseite des Fügepartners 2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006002238 A1 [0002]
DE 10060390 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen wenigstens zwei nicht vorgelochten Fügepartnern (1, 2) in einem Fügebereich (3) mittels eines von einem Setzgerät (5) eingetriebenen Nagels (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (4) vor dem Eintreiben in die Fügepartner (1, 2) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Nagels (4) mittels einer Heizvorrichtung (9a, 9b) des Setzgerätes (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (4) aus einem Magazin (6) des Setzgerätes (5) entnommen wird und das Magazin (6) die Heizvorrichtung (9a) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (4) in den Schusskanal (10) aufgenommen wird und zur Erwärmung des Nagels (4) die Heizvorrichtung (9b) im Schusskanal (10) des Setzgerätes (5) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Nagels (4) berührungslos erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Nagels (4) induktiv erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Nagels (4) durch Infrarotbestrahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Nagels (4) durch Laserbestrahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Nagels (4) durch Ultraschallbestrahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Nagels (4) resistiv erfolgt.