DE102012001651A1 - Device for mechanical joining of stacked plate-shaped joining partners, has shaping contour formed on surface on die, rivet penetrating rectilinearly into joint partners, and die comprising pressure contour at die surface - Google Patents

Device for mechanical joining of stacked plate-shaped joining partners, has shaping contour formed on surface on die, rivet penetrating rectilinearly into joint partners, and die comprising pressure contour at die surface Download PDF

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Ngoc Boi Tran
Florian Woelke
Raffaele Tassone
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Universitaet Stuttgart
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Universitaet Stuttgart
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    • B21J15/10Riveting machines
    • B21J15/36Rivet sets, i.e. tools for forming heads; Mandrels for expanding parts of hollow rivets

Abstract

The device (1) has joint partners (3, 5) on a die (9) arranged one above another by punch riveting with a rivet (7). A shaping contour (12) is formed on a die surface (10.1) on another die (10) below the joint partners. The rivet penetrates rectilinearly into the adding partners. The latter die comprises a pressure contour (14) at the die surface. The shaping contour is designed as recess (12.1) between an upper plane (12.4) formed by a die top face, and a lower plane (12.2). The pressure contour comprises rounded off or round cross section (14.2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for mechanical joining according to the preamble of patent claim 1.

Gattungsgemäße Vorrichtungen zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern mittels Stanznieten sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Eine derartige Vorrichtung besteht üblicherweise aus einem werkzeugseitigen Stempel, welcher auf einen Nietkopf einwirkt und einer dem Stempel gegenüberliegend angeordneten Matrize, welche als Gegenstempel fungiert. Während des Fügevorgangs wird der Niet in die beiden Fügepartner hineingetrieben, wobei der Nietschaft des Niets den oben angeordneten ersten Fügepartner durchdringt, um sich im matrizenseitigen Fügepartner materialverdrängend zu spreizen und sich mit ihm zu verbinden. Auf Grund der auftretenden Zugspannungen während des Fügevorgangs neigen spröde Leichtmetallwerkstoffe, wie beispielsweise Aluminiumlegierungen, Magnesiumgussiegierungen oder 7000er-Aluminium-Legierungen, im Bereich einer Oberseite des matrizenseitigen Fügepartners zu Rissbildung mit negativen Auswirkungen auf die Verbindungsqualität. Vorzugsweise bilden sich die Risse im Bereich einer Umformkontur der Oberseite des matrizenseitigen Fügepartners aus, da an dieser Stelle besonders hohe Zugspannungen während des Fügevorgangs entstehen. Aktuelle Maßnahmen zur Vermeidung der Risse führen jedoch zu Einschränkungen möglicher Werkstoffkombinationen.Generic devices for the mechanical joining of superimposed joining partners by means of punch rivets are well known in the art. Such a device usually consists of a tool-side punch, which acts on a rivet head and a punch arranged opposite the die, which acts as a counter punch. During the joining process, the rivet is driven into the two joining partners, wherein the rivet shank of the rivet penetrates the first joining partner arranged above, in order to spread and connect to the material in the matrix-side joining partner in a material-displacing manner. Due to the tensile stresses occurring during the joining process, brittle light metal materials, such as, for example, aluminum alloys, magnesium casting alloys or 7000 aluminum alloys, tend to form cracks in the region of an upper side of the die-side joining partner with negative effects on the bonding quality. Preferably, the cracks form in the region of a forming contour of the upper side of the die-side joining partner, since particularly high tensile stresses occur during the joining process at this point. However, current measures to avoid cracks lead to restrictions of possible material combinations.

In der Offenlegungsschrift DE 199 40 803 A1 wird beispielsweise eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern mittels Stanznieten beschrieben. Beim Stanznieten mit einem Niet bzw. einem so genannten Halbhohlniet werden unter Einsatz eines oberhalb der Fügepartner vorgesehenen Stempels und einer unterhalb der Fügepartner vorgesehenen Matrize mit einer an der Matrizenoberfläche ausgebildeten Umformkontur die Fügepartner miteinander verbunden, wobei der Niet im Wesentlichen geradlinig in die Fügepartner eindringt. Bei diesem Fügevorgang kann mit der Umformkontur der Matrizenoberfläche die Gefahr der Rissbildung im matrizenseitigen Fügepartner zwar verringert, aber nicht ganz ausgeschlossen werden.In the published patent application DE 199 40 803 A1 For example, a device for mechanical joining of superimposed joining partners is described by means of punch rivets. In punch riveting with a rivet or a so-called half-tubular rivet, the joining partners are connected to one another by using a punch provided above the joining partner and a die provided below the joining partner with a forming contour formed on the die surface, wherein the rivet penetrates substantially rectilinearly into the joining partners. In this joining process, with the forming contour of the die surface, the risk of crack formation in the die-side joining partner can indeed be reduced, but not completely eliminated.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern zu schaffen, welche bei einfacher und kostengünstiger Konstruktion eine rissfreie Umformung im Bereich der Verbindung der beiden Fügepartner ermöglicht.The object of the invention is to provide a device for mechanical joining of superimposed joining partners, which allows a simple and cost-effective construction, a crack-free deformation in the region of the connection of the two joining partners.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.According to the invention the object is achieved by a device for mechanical joining of superimposed joining partners with the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Um eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern zu schaffen, welche bei einfacher und kostengünstiger Konstruktion eine rissfreie Umformung im Bereich der Verbindung der beiden Fügepartnern ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Matrize an der Matrizenoberfläche zusätzlich zumindest eine Druckkontur aufweist.In order to provide a device for mechanical joining of superimposed joining partners, which allows a simple and cost-effective construction a crack-free deformation in the region of the connection of the two joining partners, the invention proposes that the die on the Matrizenoberfläche additionally has at least one pressure contour.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch eine gezielte Anordnung der erfindungsgemäßen Druckkontur in der Matrizenoberfläche mehrachsige Druckspannungszustände in den matrizenseitigen Fügepartner induziert werden können, so dass sich vorhandene Zugspannungszustände während des Fügevorgangs reduzieren und der Werkstoff des matrizenseitigen Fügepartners beim Halbhohlstanznieten ein größeres plastisches Formänderungsvermögen erzielen kann, ohne dabei Risse auszubilden. In diesem Zusammenhang soll unter ”Formänderungsvermögen” insbesondere eine Eigenschaft eines metallischen Werkstoffes verstanden werden, welche plastische Formänderung ohne Werkstofftrennung bzw. Rissbildung ertragen kann. Da das Formänderungsvermögen eines Werkstoffes unter anderem vom jeweiligen Spannungszustand abhängt, ist es möglich, dass der Werkstoff bei geeigneter Einflussnahme auf den Spannungszustand noch größere Formänderungen erträgt, ohne dass es zur Rissbildung oder gar zum vollständigen Versagen des Werkstoffes kommt. In vorteilhafter Weise sind unter Druckspannungen größere Formänderungen als unter Zugspannungen möglich, wodurch die induzierte mehrachsige Druckspannung im matrizenseitigen Fügepartner auch bei spröden Leichtmetallwerkstoffen eine rissfreie Umformung im Bereich der Verbindung der beiden Fügepartner gewährleistet. Vorzugsweise ermöglicht die erfindungsgemäße Druckkontur in der Matrizenoberfläche eine reproduzierbare hohe Verbindungsqualität der beiden Fügepartner, ohne Einschränkungen möglicher Werkstoffkombinationen. Je genauer und sicherer eine duktile Werkstückschädigung bzw. eine Rissbildung beim Fügevorgang ausgeschlossen werden kann, umso mehr steigt die Wirtschaftlichkeit des Stanznietverfahrens.A significant advantage of the invention is that multi-axial compressive stress states can be induced in the die-side joining partner by a targeted arrangement of the pressure contour of the invention in the Matrizenoberfläche so that reduce existing tensile states during the joining process and the material of the die-side joining partner in semi-hollow riveting a greater plastic deformation capacity can achieve without cracking. In this context, "deformability" is to be understood as meaning in particular a property of a metallic material which can endure plastic deformation without material separation or cracking. Since the material's ability to change its shape depends, inter alia, on the particular state of stress, it is possible for the material, with a suitable influence on the stress state, to tolerate even greater changes in shape without cracking or even complete failure of the material. Advantageously, larger changes in shape than under tensile stresses are possible under compressive stresses, whereby the induced multiaxial compressive stress in the matrizenseitigen joining partners, even with brittle light metal materials ensures a crack-free deformation in the region of the connection of the two joining partners. Preferably, the pressure contour according to the invention in the die surface allows a reproducible high quality of connection of the two joining partners, without restrictions of possible material combinations. The more accurate and secure a ductile workpiece damage or a crack formation during the joining process can be excluded, the more the cost-effectiveness of the punch riveting process increases.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Umformkontur als Ausnehmung zwischen einer durch eine Matrizenoberseite gebildeten oberen Ebene und einer unteren Ebene ausgebildet. Vorzugsweise weist die Ausnehmung zwischen der unteren Ebene und einem einen Einzugsbereich der Matrize ausbildenden Übergangsbereich einen ersten Radius und zwischen dem Übergangsbereich und der oberen Ebene einen tangential auslaufenden zweiten Radius auf. Das bedeutet, dass Teile der Umformkontur des matrizenseitigen Fügepartners als Kugelabschnitt mit einer konstanten Wölbung und einem festen Radius ausgeführt sind. Derartige Umformkonturen sind nahezu unempfindlich gegen äußere Einflüsse und ermöglichen durch die konstruktiv einfache Geometrie in vorteilhafter Weise eine genaue Herstellung der Umformkontur mit einer hohen Formstabilität und Verwindungssteifigkeit. Durch den tangential auslaufenden ersten Radius kann in vorteilhafter Weise auf eine einfache Weise eine Verbesserung der optischen Ausgestaltung der durch Stanznieten hergestellten Nietverbindungen erreicht werden. In vorteilhafter Weise weist die Oberfläche des matrizenseitigen Fügepartners nach dem Fügevorgang der beiden Fügepartner eine reproduzierbare Qualität mit fließenden Übergängen auf, und kann daher auch im Bereich der Außenhaut der Fahrzeugkarosserie angewendet werden. Optisch unvorteilhafte Konturen mit eventuell mechanisch nachteiliger Wirkung können durch tangential auslaufende Radien im Übergangsbereich vermieden werden.In an advantageous embodiment of the device according to the invention the forming contour is formed as a recess between an upper level formed by a Matrizenoberseite and a lower level. Preferably, the recess between the lower level and a feed area of the die forming Transition region on a first radius and between the transition region and the upper level on a tangentially expiring second radius. This means that parts of the forming contour of the die-side joining partner are designed as a spherical section with a constant curvature and a fixed radius. Such forming contours are almost insensitive to external influences and allow by the structurally simple geometry advantageously an accurate production of the forming contour with a high dimensional stability and torsional rigidity. Due to the tangential expiring first radius can be achieved in an advantageous manner in a simple manner an improvement of the optical design of the rivet joints produced by punch riveting. In an advantageous manner, the surface of the matrizenseitigen joining partner after the joining process of the two joining partners on a reproducible quality with flowing transitions, and therefore can also be applied in the outer skin of the vehicle body. Optically unfavorable contours with possibly mechanically disadvantageous effect can be avoided by tangential radii in the transition area.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die zumindest eine Druckkontur außerhalb des als Einzugsbereich der Matrize ausgebildeten Übergangsbereichs an der Matrizenoberfläche der Matrize ausgebildet werden. In vorteilhafter Weise kann durch die geschickte Anordnung der Druckkontur das Formänderungsvermögen des Werkstoffs und damit des matrizenseitigen Fügepartners gezielt beeinflusst werden. So kann durch eine vorab eingebrachte Verformung des matrizenseitigen Fügepartners ein mehrachsiger Druckspannungszustand außerhalb des als Einzugsbereich der Matrize ausgebildeten Übergangsbereichs in den matrizenseitigen Fügepartner induziert und das Formänderungsvermögen bzw. die Verformungen des matrizenseitigen Fügepartners schwerpunktmäßig außerhalb des als Einzugsbereich der Matrize ausgebildeten Übergangsbereichs beeinflusst und optimiert werden. Vorzugsweise ist die zumindest eine Druckkontur an der Matrizenoberfläche in der oberen Ebene der als Ausnehmung ausgeführten Umformkontur der Matrize ausgebildet. In vorteilhafter Weise wird hierdurch die Druckkontur in dem Bereich der Matrizenoberfläche mit dem größten Formänderungsvermögen angeordnet. Eine derart im Bereich der größten Umformung angeordnete Druckkontur induziert in vorteilhafter Weise einen mehrachsigen Druckspannungszustand, welcher auf eine einfache Weise die vorhandenen Zugspannungen während des Fügevorgangs abbauen und somit den Bereich rissfrei ausbilden kann. Bei Bedarf und dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend, kann die zumindest eine Druckkontur zusätzlich oder alternativ an der Matrizenoberfläche in der unteren Ebene der als Ausnehmung ausgeführten Umformkontur der Matrize ausgebildet werden.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the at least one pressure contour can be formed on the die surface of the die outside the transition region formed as a draw-in region of the die. Advantageously, the formability of the material and thus of the die-side joining partner can be specifically influenced by the skillful arrangement of the printing contour. Thus, by a previously introduced deformation of the die-side joining partner, a multiaxial compressive stress state outside the transition area formed as the draw-in area of the die is induced in the die-side joining partner, and the shape-changing ability or the deformations of the die-side joining partner are influenced and optimized outside the transition area formed as the draw-in area of the die. Preferably, the at least one pressure contour is formed on the die surface in the upper level of the reshaping contour of the die designed as a recess. In this way, the pressure contour is advantageously arranged in the area of the die surface with the greatest possible deformability. Such a pressure contour arranged in the region of the largest deformation advantageously induces a multiaxial compressive stress state, which in a simple manner can reduce the tensile stresses present during the joining process and thus form the region free of cracks. If necessary and according to the particular application, the at least one pressure contour can additionally or alternatively be formed on the die surface in the lower level of the forming contour of the die, which is designed as a recess.

In alternativer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die zumindest eine Druckkontur innerhalb des als Einzugsbereich der Matrize ausgebildeten Übergangsbereichs an der Matrizenoberfläche ausgebildet werden. Hierdurch kann in einem definierten Bereich innerhalb des Einzugsbereichs der Matrize das größte Formänderungsvermögen bzw. die größten Verformungen des matrizenseitigen Fügepartners erzielt werden.In an alternative embodiment of the device according to the invention, the at least one pressure contour can be formed on the die surface within the transition region formed as a draw-in region of the die. As a result, in a defined region within the feed region of the die, the greatest formability or the greatest deformations of the die-side joining partner can be achieved.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die zumindest eine Druckkontur als radial umlaufende bzw. kreisringförmige Erhebung ausgeführt werden. Alternativ kann die zumindest eine Druckkontur als Vielzahl von noppenförmigen Erhebungen ausgebildet werden. Bei beiden Ausführungsformen kann die zumindest eine Druckkontur in vorteilhafter Weise einen abgerundeten oder runden Querschnitt aufweisen. Diese geometrische Ausgestaltung der Druckkontur erzeugt in vorteilhafter Weise beim Fügevorgang auf der matrizenseitigen Seite des Fügepartners zwangsläufig ein negatives Abbild der Druckkontur mit radial umlaufenden Vertiefungen bzw. Löchern ohne scharfe Kanten. Die kreisringförmige Erhebung mit der radial umlaufenden Ausführung der Druckkontur vereinfacht die Herstellung der Matrize, wodurch kostenintensive Herstellungszeit gespart werden kann bzw. hohe Stückzahlen oder Matrizen mit unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich Formänderungsvermögen wirtschaftlich hergestellt werden können. Vorzugsweise kann eine kreisringförmig radial umlaufende Erhebung als Bestandteil einer Matrize außerordentlich gut hohe Druckkräfte beim Fügevorgang aufnehmen und ist dadurch besonders gut für das Stanznieten mit hohen Stückzahlen geeignet.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the at least one pressure contour can be designed as a radially encircling or annular survey. Alternatively, the at least one pressure contour can be formed as a plurality of knob-shaped elevations. In both embodiments, the at least one pressure contour can advantageously have a rounded or round cross-section. This geometric design of the printing contour generated in an advantageous manner during the joining process on the matrizenseitigen side of the joining partner inevitably a negative image of the printing contour with radially encircling depressions or holes without sharp edges. The circular elevation with the radially encircling design of the printing contour simplifies the production of the die, whereby cost-intensive production time can be saved or high numbers or matrices with different properties with respect to deformability can be produced economically. Preferably, a circular annular radial circumferential survey as part of a matrix exceptionally well absorb high pressure forces during the joining process and is therefore particularly well suited for punch riveting with high quantities.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mindestens zwei als radial umlaufende Erhebungen ausgeführte Druckkonturen mit einem vorgegebenen seitlichen Abstand zueinander an der Matrizenoberfläche der Matrize ausgebildet. Abhängig vom gewünschten Umformgrad und vom verwendeten Werkstoff bzw. von der Werkstoffkombination kann über die Anzahl und den Abstand der radial umlaufenden Erhebungen das Formänderungsvermögen besonders einfach eingestellt werden.In an advantageous embodiment of the device according to the invention, at least two printing contours designed as radially circumferential elevations are formed with a predetermined lateral distance from one another on the die surface of the die. Depending on the desired degree of deformation and on the material used or on the combination of materials, the ability to modify the shape can be set particularly easily by means of the number and the spacing of the radially encircling elevations.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Erhebung ausgehend von der Matrizenoberfläche eine Höhe im Bereich von 01 bis 0,8 mm aufweisen. Da ein Werkstoff bei zu großer Kaltumformung verfestigt und sich somit das Formänderungsvermögen reduziert, weist die erfindungsgemäße Druckkontur in vorteilhafter Weise nur eine geringe Höhe auf. Diese ist grundsätzlich an die Materialstärke und an die gewünschte Verformung des matrizenseitigen Fügepartners angepasst, da ein durch Vorumformen kaltverfestigter Werkstoff mit fortschreitender Umformung zur Rissbildung neigt.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the survey starting from the die surface may have a height in the range of 01 to 0.8 mm. Since a material solidifies at excessive cold forming and thus reduces the deformability, the pressure contour according to the invention in an advantageous manner Only a small amount on. This is fundamentally adapted to the thickness of the material and to the desired deformation of the die-side joining partner, since a material which has been work-hardened by pre-forming with progressive deformation tends to crack.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.Advantageous embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described below.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Schnittdarstellung der erfindungswesentlichen Teile eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Stanznieten mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Matrize mit einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckkontur, 1 1 is a schematic sectional view of the parts according to the invention of a first exemplary embodiment of a device for punch riveting with a first exemplary embodiment of a die with a first exemplary embodiment of the pressure contour according to the invention;

2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Matrize für die Vorrichtung zum Stanznieten aus 1 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckkontur, 2 a schematic sectional view of a second embodiment of the die for the device for punch riveting out 1 with a second embodiment of the printing contour according to the invention,

3 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiel der Matrize für die Vorrichtung zum Stanznieten aus 1 mit einem dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckkontur, 3 a schematic sectional view of a third embodiment of the die for the device for punch riveting 1 with a third embodiment of the printing contour according to the invention,

4 ein Diagramm zur Darstellung einer Schubfestigkeit in Abhängigkeit von einem Spannungszustand, 4 a diagram showing a shear strength as a function of a stress state,

5 eine schematische Schnittdarstellung Fügeverbindung ohne Rissbildung, welche mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der Matrize aus 2 hergestellte wurde, und 5 a schematic sectional view joint connection without cracking, which with the second embodiment of the die 2 was manufactured, and

6 eine schematische Schnittdarstellung einer Fügeverbindung mit Rissbildung, welche mit einer herkömmlichen Fügevorrichtung hergestellt wurde. 6 a schematic sectional view of a joint with cracking, which was prepared with a conventional joining device.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern 3, 5 mittels Stanznieten mit einem Niet 7. Unter Einsatz eines oberhalb der Fügepartner 3, 5 vorgesehenen Stempels 9 und einer unterhalb der Fügepartner 3, 5 vorgesehenen Matrize 10, welche eine an der Matrizenoberfläche 10.1 ausgebildete Umformkontur 12 aufweist, dringt der Niet 7 im Wesentlichen geradlinig in die Fügepartner 3, 5 ein. Vorzugsweise sind die übereinander angeordneten Fügepartner 3, 5 plattenförmig ausgebildet und können unterschiedliche Blechdicken aufweisen. Als Werkstoffe werden spröde Leichtmetall-Werkstoffe, wie beispielsweise Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium-Gusslegierungen oder 7000er-Aluminium-Legierungen verwendet, wobei auch andere Werkstoffe denkbar sind. Alternativ hierzu können die Fügepartner 3, 5 aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine große Vielfalt an Werkstoffkombinationen mit unterschiedlichsten Eigenschaften ermöglicht. 1 shows a device 1 for mechanical joining of superimposed joining partners 3 . 5 using punch rivets with a rivet 7 , Using one above the joining partner 3 . 5 provided stamp 9 and one below the joining partner 3 . 5 provided template 10 which one on the die surface 10.1 trained forming contour 12 shows, the rivet penetrates 7 essentially straight in the joining partners 3 . 5 one. Preferably, the superimposed joining partners 3 . 5 plate-shaped and may have different thicknesses. As materials brittle light metal materials, such as aluminum, aluminum alloys, magnesium casting alloys or 7000er aluminum alloys are used, although other materials are conceivable. Alternatively, the joining partners 3 . 5 consist of different materials, so that the device of the invention allows a wide variety of material combinations with different properties.

Der Niet 7 ist vorzugsweise als Halbhohlniet ausgebildet und ist besonders ideal für die Anwendungen beim Stanznieten bzw. Halbhohlstanznieten, da er Belastungen beim Fügevorgang gut aufnehmen und ein Stauchen des Halbhohlnietfußes 7.1 reduziert werden kann. Nach dem Fügevorgang mit dem Halbhohlniet 7 weisen die beiden Fügepartner 3, 5 eine in 5 dargestellte formschlüssige Nietverbindung mit besonders hoher Festigkeit auf. Derartige Halbhohlnieten 7 werden üblicherweise aus Vergütungsstahl hergestellt, wobei auch andere Werkstoffe denkbar sind.The rivet 7 is preferably designed as Halbhohlniet and is particularly ideal for the applications in the punch riveting or semi-hollow punch riveting, since it takes up loads during the joining process well and upsetting the Halbhohlnietfußes 7.1 can be reduced. After the joining process with the semi-tubular rivet 7 have the two joining partners 3 . 5 one in 5 illustrated positive rivet connection with a particularly high strength. Such semi-tubular rivets 7 are usually made of tempered steel, although other materials are conceivable.

Um eine Vorrichtung 1 zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten plattenförmigen Fügepartnern 3, 5 zu schaffen, welche bei einfacher und kostengünstiger Konstruktion eine rissfreie Umformung im Bereich der Verbindung der beiden Fügepartnern 3, 5 ermöglich, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Matrize 10 an der Matrizenoberfläche 10.1 zusätzlich zumindest eine Druckkontur 14 aufweist.To a device 1 for mechanical joining of superimposed plate-shaped joining partners 3 . 5 to create which with a simple and inexpensive construction a crack-free deformation in the region of the connection of the two joining partners 3 . 5 allows, is proposed according to the invention, that the die 10 at the die surface 10.1 additionally at least one pressure contour 14 having.

Hierdurch kann beim Halbhohlstanznieten in vorteilhafter Weise eine Anwendungserweiterung des Verbindungsspektrums von spröden Leichtmetallwerkstoffen erfolgen, wie beispielsweise die schwer bearbeitbaren Werkstoffe Aluminium-Druckguss oder 7000er Aluminium-Legierungen.As a result, in semi-hollow punch riveting advantageously an application extension of the compound spectrum of brittle light metal materials, such as the hard-to-work materials die-cast aluminum or 7000er aluminum alloys.

4 stellt in einem Diagramm mittels Mohrscher Spannungskreise die Schubfestigkeit in Abhängigkeit des Spannungszustandes anschaulich dar. Ein Mohrscher Spannungskreis beschreibt den Spannungszustand in einem Punkt eines Körpers, wobei jedem Schnittwinkel ein Punkt auf dem Kreis zugeordnet ist. Dadurch lassen sich die Spannungen für jeden Schnitt und auch die Hauptspannungen und die Hauptschubspannung unmittelbar ablesen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann während des Fügevorgangs eine Induzierung mehrachsiger Druckspannungszustände in den Werkstoff des matrizenseitigen Fügepartners 5 erfolgen und somit das Formänderungsvermögen aus einem Bereich des kombinierten Zugspannungszustandes in einen Bereich des kombinierten Druckspannungszustandes verschoben werden, wodurch das plastische Formänderungsvermögen des Werkstoff des matrizenseitigen Fügepartners 5 in vorteilhafter Weise erhöht werden kann. Somit kann der Werkstoff des matrizenseitigen Fügepartners 5 während des Fügevorgangs in vorteilhafter Weise einer hohen Zugspannung ausgesetzt werden, bevor es zu einer Rissbildung kommen kann. 4 Mohr's circle of stress graphically depicts the shear strength as a function of the stress state. A Mohr stress circle describes the stress state in a point of a body, with each point of intersection being assigned a point on the circle. As a result, the voltages for each cut and also the main stresses and the main shear stress can be read directly. In the present exemplary embodiment of the device according to the invention, during the joining process, an induction of multiaxial compressive stress states into the material of the die-side joining partner can be achieved 5 take place and thus the formability of a range of the combined tensile state to be shifted in a range of the combined compressive stress state, whereby the plastic deformation capacity of the material of the die-side joining partner 5 can be increased in an advantageous manner. Thus, the material of the matrizenseitigen joining partner 5 during the joining process in be advantageously exposed to a high tensile stress before it can cause cracking.

1 bis 3 zeigen drei verschiedene Ausführungsbeispiele der Matrize 10, 10', 10'' für die mechanischen Fügevorrichtung 1. 1 to 3 show three different embodiments of the die 10 . 10 ' . 10 '' for the mechanical joining device 1 ,

Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, ist die die Umformkontur 12, 12', 12'' bei den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils als Ausnehmung 12.1 zwischen einer durch eine Matrizenoberseite gebildeten oberen Ebene 12.4 und einer unteren Ebene 12.2 ausgebildet, welche den Boden der Ausnehmung 12.1 repräsentiert. Die Ausnehmung 12.1 weist zwischen der unteren Ebene 12.2 und einem einen Einzugsbereich der Matrize 10, 10', 10'' ausbildenden Übergangsbereich 12.3 einen ersten Radius 16.1 und zwischen dem Übergangsbereich 12.3 und der oberen Ebene 12.4 einen tangential auslaufenden zweiten Radius 16.2 auf. Zudem ist die mindestens eine Druckkontur 14, 14', 14'' bei den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils außerhalb des als Einzugsbereich der Matrize 10, 10', 10'' ausgebildeten Übergangsbereichs 12.3 an der Matrizenoberfläche 10.1, 10.1', 10.1'' in der oberen Ebene 12.4 der Matrize 10, 10', 10'' ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ kann die mindestens eine Druckkontur 14, 14', 14'' bei nicht dargestellten Ausführungsbeispielen aber auch innerhalb des als Einzugsbereich der Matrize 10, 10', 10'' ausgebildeten Übergangsbereichs 12.3 an der Matrizenoberfläche 10.1, 10.1', 10.1'' und/oder auch außerhalb des als Einzugsbereich der Matrize 10, 10', 10'' ausgebildeten Übergangsbereichs 12.3 an der Matrizenoberfläche 10.1, 10.1', 10.1'' in der unteren Ebene 12.2 der Matrize 10, 10', 10'' ausgebildet werden. Hierbei sind jedoch auch andere einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Positionen oder eine beliebige Kombination von unterschiedlichen Positionen der Druckkonturen 14, 14', 14'' denkbar. Grundsätzlich wird die Position der mindestens einen Druckkontur 14, 14', 14'' von der Lage der größten Verformung bestimmt, wodurch lokal eine optimale Anpassung des Formänderungsvermögens des matrizenseitigen Fügepartners 5 eingestellt werden kann.How out 1 to 3 it can be seen that is the forming contour 12 . 12 ' . 12 '' in the illustrated embodiments, each as a recess 12.1 between a top plane formed by a die top 12.4 and a lower level 12.2 formed, which the bottom of the recess 12.1 represents. The recess 12.1 points between the lower level 12.2 and a catchment area of the die 10 . 10 ' . 10 '' forming transitional area 12.3 a first radius 16.1 and between the transition area 12.3 and the upper level 12.4 a tangentially expiring second radius 16.2 on. In addition, the at least one pressure contour 14 . 14 ' . 14 '' in the illustrated embodiments in each case outside of the catchment area of the die 10 . 10 ' . 10 '' trained transition area 12.3 at the die surface 10.1 . 10.1 ' . 10.1 '' in the upper level 12.4 the matrix 10 . 10 ' . 10 '' educated. Additionally or alternatively, the at least one pressure contour 14 . 14 ' . 14 '' in embodiments not shown but also within as the catchment area of the die 10 . 10 ' . 10 '' trained transition area 12.3 at the die surface 10.1 . 10.1 ' . 10.1 '' and / or outside of as the catchment area of the die 10 . 10 ' . 10 '' trained transition area 12.3 at the die surface 10.1 . 10.1 ' . 10.1 '' in the lower level 12.2 the matrix 10 . 10 ' . 10 '' be formed. However, other positions which appear appropriate to a person skilled in the art or any combination of different positions of the printing contours are also suitable here 14 . 14 ' . 14 '' conceivable. Basically, the position of the at least one pressure contour 14 . 14 ' . 14 '' Determined by the position of the largest deformation, which locally optimal adjustment of the deformability of the die-side joining partner 5 can be adjusted.

Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Druckkontur 14 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel als radial umlaufende bzw. kreisringförmige Erhebung 14.1 mit einem abgerundeten Querschnitt 14.2 ausgeführt. Die Höhe h der radial umlaufenden bzw. kreisringförmigen Erhebung 14.1 liegt ausgehend von der Matrizenoberfläche 10.1 vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,8 mm.How out 1 it can be seen, is the pressure contour 14 in the illustrated first embodiment as a radially encircling or circular survey 14.1 with a rounded cross-section 14.2 executed. The height h of the radially encircling or annular survey 14.1 lies starting from the matrix surface 10.1 preferably in the range of 0.1 to 0.8 mm.

Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Druckkontur 14' im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel zwei radial umlaufende bzw. kreisringförmige Erhebungen 14.1 mit einem abgerundeten Querschnitt 14.2. Die Höhe h der radial umlaufenden bzw. kreisringförmigen Erhebungen 14.1 liegt ausgehend von der Matrizenoberfläche 10.1' analog zum ersten Ausführungsbeispiel vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,8 mm. Ein seitlicher Abstand A zwischen den beiden radial umlaufenden bzw. kreisringförmigen Erhebungen 14.1 kann in Abhängigkeit vom gewünschten Umformgrad und vom verwendeten Werkstoff bzw. von der Werkstoffkombination vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 5 mm vorgegeben werden.How out 2 it can be seen comprises the pressure contour 14 ' in the illustrated second embodiment, two radially encircling or annular elevations 14.1 with a rounded cross-section 14.2 , The height h of the radially encircling or annular elevations 14.1 lies starting from the matrix surface 10.1 ' analogous to the first embodiment, preferably in the range of 0.1 to 0.8 mm. A lateral distance A between the two radially encircling or annular elevations 14.1 can be specified in the range of 0.5 to 5 mm, depending on the desired degree of deformation and on the material used or on the material combination, preferably in the range of 0.5 to 5 mm.

Wie aus 3 ersichtlich ist, umfasst die Druckkontur 14'' im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel fünf radial umlaufende bzw. kreisringförmige Erhebungen 14.1 mit einem abgerundeten oder runden Querschnitt 14.2. Die Höhe h der radial umlaufenden bzw. kreisringförmigen Erhebungen 14.1 liegt ausgehend von der Matrizenoberfläche 10.1'' analog zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,8 mm. Die Anzahl der radial umlaufenden bzw. kreisringförmigen Erhebungen 14.1 und der seitliche Abstand A zwischen jeweils zwei radial umlaufenden bzw. kreisringförmigen Erhebungen 14.1 kann in Abhängigkeit vom gewünschten Umformgrad und vom verwendeten Werkstoff bzw. von der Werkstoffkombination gewählt werden. Hierbei können zwischen jeweils zwei radial umlaufenden bzw. kreisringförmigen Erhebungen 14.1 gleiche oder verschiedene Abstände A vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 5 mm vorgegeben werden.How out 3 it can be seen comprises the pressure contour 14 '' in the illustrated third embodiment, five radially encircling or annular elevations 14.1 with a rounded or round cross-section 14.2 , The height h of the radially encircling or annular elevations 14.1 lies starting from the matrix surface 10.1 '' analogous to the first and second embodiments, preferably in the range of 0.1 to 0.8 mm. The number of radially encircling or annular elevations 14.1 and the lateral distance A between each two radially encircling or annular elevations 14.1 can be selected depending on the desired degree of deformation and the material used or on the material combination. In this case, between each two radially encircling or annular elevations 14.1 the same or different distances A are preferably specified in the range of 0.5 to 5 mm.

Bei einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die mindestens eine Druckkontur eine Vielzahl von noppenförmigen Erhebungen umfassen, die jeweils einen abgerundeten oder runden Querschnitt aufweisen.In an alternative embodiment, not shown, of the present invention, the at least one pressure contour may comprise a plurality of knob-shaped elevations, each having a rounded or round cross-section.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Druckkontur 14, 14', 14'' ist aus der in 5 dargestellten Nietverbindung ersichtlich, die mit der Matrize 10' gemäß 2 hergestellt wurde. Wie aus 5 ersichtlich ist, haben sich auf der matrizenabgewandten Seite des Fügepartners 5 in einem Bereich 5.1 mit erhöhter Zugspannung während des Fügevorgangs keine Risse 18 ausgebildet, da die Druckkontur 14' in den matrizenseitigen Fügepartner 5 einen mehrachsigen Druckspannungszustand induziert, wodurch vorhandene Zugspannungszustände während des Fügevorgangs reduziert werden können und der Werkstoff des matrizenseitigen Fügepartners 5 beim Halbhohlstanznieten ein größeres plastisches Formänderungsvermögen erzielen kann.The mode of action of the pressure contour according to the invention 14 . 14 ' . 14 '' is from the in 5 shown rivet connection with the die 10 ' according to 2 was produced. How out 5 can be seen, have on the matrizenabgewandten side of the joining partner 5 in one area 5.1 with increased tension during the joining process no cracks 18 formed because the pressure contour 14 ' in the Matriceside joining partner 5 induced a multiaxial compressive stress state, whereby existing tensile states during the joining process can be reduced and the material of the die-side joining partner 5 can achieve a greater plastic deformation capacity in semi-hollow punching rivets.

Im Unterschied zu 5 zeigt 6 eine Nietverbindung mit Rissbildung, welche mit einer herkömmlichen Vorrichtung ohne die erfindungsgemäße Druckkontur 14, 14', 14'' hergestellt wurde. Wie aus 6 ersichtlich ist, weist die dort verwendete Matrize 100 eine an der Matrizenoberfläche 110 ausgebildete Umformkontur 112 ohne erfindungsgemäße Druckkontur 14, 14', 14'' auf. Auf Grund der hohen Zugspannungen bilden sich auf der matrizenabgewandten Seite des Fügepartners 5 im Bereich 5.1 mit erhöhter Zugspannung während des Fügevorgangs Risse 18 aus.In contrast to 5 shows 6 a rivet joint with cracking, which with a conventional device without the pressure contour according to the invention 14 . 14 ' . 14 '' was produced. How out 6 it can be seen that points there used die 100 one on the die surface 110 trained forming contour 112 without pressure contour according to the invention 14 . 14 ' . 14 '' on. Due to the high tensile stresses form on the matrizenabgewandten side of the joining partner 5 in the area 5.1 with increased tensile stress during the joining process cracks 18 out.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Fügevorrichtungjoining device
3, 53, 5
Fügepartnerjoining partner
5.15.1
Bereich mit erhöhter ZugspannungArea with increased tension
77
Nietrivet
7.17.1
HalbhohlnietfußHalbhohlnietfuß
99
Stempelstamp
10, 10', 10''10, 10 ', 10' '
Matrizedie
10.1, 10.1', 10.1''10.1, 10.1 ', 10.1' '
Matrizenoberflächedie surface
12, 12', 12''12, 12 ', 12' '
UmformkonturUmformkontur
12.112.1
Ausnehmungrecess
12.212.2
untere Ebene (Matrizenoberfläche)lower level (matrix surface)
12.312.3
ÜbergangsbereichTransition area
12.412.4
obere Ebene (Matrizenoberfläche)upper level (matrix surface)
14, 14', 14''14, 14 ', 14' '
Druckkonturpressure contour
14.114.1
radial umlaufende Erhebung (Kreisring)radially encircling elevation (circular ring)
14.214.2
Querschnittcross-section
16.116.1
erster Radiusfirst radius
16.216.2
zweiter Radiussecond radius
1818
RissCrack
hH
Höheheight
AA
Abstanddistance
100100
herkömmliche Matrizeconventional die
110110
Matrizenoberflächedie surface
112112
UmformkonturUmformkontur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19940803 A1 [0003] DE 19940803 A1 [0003]

Claims (10)

Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern (3, 5) mittels Stanznieten mit einem Niet (7), unter Einsatz eines oberhalb der Fügepartner (3, 5) vorgesehenen Stempels (9) und einer unterhalb der Fügepartner (3, 5) vorgesehenen Matrize (10, 10', 10'') mit einer an der Matrizenoberfläche, (10.1, 10.1', 10.1'') ausgebildeten Umformkontur (12, 12', 12''), wobei der Niet (7) im Wesentlichen geradlinig in die Fügepartner (3, 5) eindringt, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (10, 10', 10'') an der Matrizenoberfläche (10.1, 10.1', 10.1'') zusätzlich zumindest eine Druckkontur (14, 14', 14'') aufweist.Device for mechanically joining superimposed joining partners ( 3 . 5 ) by means of punch rivets with a rivet ( 7 ), using one above the joining partner ( 3 . 5 ) provided stamp ( 9 ) and one below the joining partner ( 3 . 5 ) template ( 10 . 10 ' . 10 '' ) with one on the die surface, ( 10.1 . 10.1 ' . 10.1 '' ) formed forming contour ( 12 . 12 ' . 12 '' ), wherein the rivet ( 7 ) substantially rectilinearly into the joining partners ( 3 . 5 ) penetrates, characterized in that the die ( 10 . 10 ' . 10 '' ) on the die surface ( 10.1 . 10.1 ' . 10.1 '' ) additionally at least one pressure contour ( 14 . 14 ' . 14 '' ) having. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformkontur (12, 12', 12'') als Ausnehmung (12.1) zwischen einer durch eine Matrizenoberseite gebildeten oberen Ebene (12.4) und einer unteren Ebene (12.2) ausgebildet ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the forming contour ( 12 . 12 ' . 12 '' ) as a recess ( 12.1 ) between an upper level formed by a die top ( 12.4 ) and a lower level ( 12.2 ) is trained. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (12.1) zwischen der unteren Ebene (12.2) und einem einen Einzugsbereich der Matrize (10, 10', 10'') ausbildenden Übergangsbereich (12.3) einen ersten Radius (16.1) und zwischen dem Übergangsbereich (12.3) und der oberen Ebene (12.4) einen tangential auslaufenden zweiten Radius (16.2) aufweist.Device according to claim 2, characterized in that the recess ( 12.1 ) between the lower level ( 12.2 ) and a catchment area of the die ( 10 . 10 ' . 10 '' ) transitional area ( 12.3 ) a first radius ( 16.1 ) and between the transitional area ( 12.3 ) and the upper level ( 12.4 ) a tangentially expiring second radius ( 16.2 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Druckkontur (14, 14', 14'') außerhalb des als Einzugsbereich der Matrize (10, 10', 10'') ausgebildeten Übergangsbereichs (12.3) an der Matrizenoberfläche (10.1, 10.1', 10.1'') ausgebildet ist.Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the at least one pressure contour ( 14 . 14 ' . 14 '' ) outside of the feed area of the die ( 10 . 10 ' . 10 '' ) transitional area ( 12.3 ) on the die surface ( 10.1 . 10.1 ' . 10.1 '' ) is trained. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Druckkontur (14, 14', 14'') an der Matrizenoberfläche (10.1, 10.1', 10.1'') in der oberen Ebene (12.4) und/oder in der unteren Ebene (12.2) der als Ausnehmung (12.1) ausgeführten Umformkontur (12, 12', 12'') ausgebildet ist.Apparatus according to claim 4, characterized in that the at least one pressure contour ( 14 . 14 ' . 14 '' ) on the die surface ( 10.1 . 10.1 ' . 10.1 '' ) in the upper level ( 12.4 ) and / or in the lower level ( 12.2 ) as a recess ( 12.1 ) formed forming contour ( 12 . 12 ' . 12 '' ) is trained. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Druckkontur (14, 14', 14'') innerhalb des als Einzugsbereich der Matrize (10, 10', 10'') ausgebildeten Übergangsbereichs (12.3) an der Matrizenoberfläche (10.1, 10.1', 10.1'') ausgebildet ist.Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the at least one pressure contour ( 14 . 14 ' . 14 '' ) within the catchment area of the die ( 10 . 10 ' . 10 '' ) transitional area ( 12.3 ) on the die surface ( 10.1 . 10.1 ' . 10.1 '' ) is trained. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Druckkontur (14, 14', 14'') als radial umlaufende Erhebung (14.1) oder als eine Vielzahl von noppenförmigen Erhebungen ausgeführt ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the at least one pressure contour ( 14 . 14 ' . 14 '' ) as a radial circumferential survey ( 14.1 ) or is designed as a plurality of knob-shaped elevations. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Druckkontur (14, 14', 14'') einen abgerundeten oder runden Querschnitt (14.2) aufweist.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the at least one pressure contour ( 14 . 14 ' . 14 '' ) has a rounded or round cross-section ( 14.2 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei als radial umlaufende Erhebungen (14.1) ausgeführten Druckkonturen (14', 14'') mit einem vorgegebenen seitlichen Abstand (A) zueinander an der Matrizenoberfläche (10.1, 10.1', 10.1'') ausgebildet sind.Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that at least two as radially encircling elevations ( 14.1 ) executed printing contours ( 14 ' . 14 '' ) with a predetermined lateral distance (A) to each other on the die surface ( 10.1 . 10.1 ' . 10.1 '' ) are formed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (14.1) ausgehend von der Matrizenoberfläche (10.1, 10.1', 10.1'') eine Höhe (h) im Bereich von 0,1 bis 0,8 mm aufweist.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the survey ( 14.1 ) starting from the die surface ( 10.1 . 10.1 ' . 10.1 '' ) has a height (h) in the range of 0.1 to 0.8 mm.
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