DE102012017289A1 - Stamping element, useful in fastening arrangement for resistance welding of joining members e.g. sheet metal parts, comprises head element and shaft element having annular contour located at its one end facing away from end of head element - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Einprägeelement insbesondere für das Widerstandsschweißen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, eine Befestigungsanordnung mit einem solchen Einprägeelement nach dem Patentanspruch 9 sowie eine Vorrichtung zur Verbindung des Einprägeelements mit einem Fügepartner nach dem Patentanspruch 10. Ein derartiges Einprägeelement kann beispielhaft als ein Nietelement in einem Stanznietverfahren angewendet werden.The invention relates to an embossing element in particular for resistance welding according to the preamble of claim 1, a fastening arrangement with such an embossing element according to
Bei im Automobilbereich verwendeten Leichtbaustrukturen ist der Einsatz von Aluminium-Stahl-Verbindungen bekannt, bei denen zum Beispiel ein Aluminium-Blechteil mit einem Stahl-Blechteil verbunden ist. Zur Verbindung dieser beiden Blechteile kann zunächst ein Stahl-Einprägeelement in das Aluminium-Blechteil eingetrieben werden. Anschließend kann das in dem Aluminium-Blechteil eingetriebene Stahl-Einprägeelement durch Punktschweißen mit dem Stahl-Blechteil verbunden werden.In lightweight structures used in the automotive industry, the use of aluminum-steel joints is known in which, for example, an aluminum sheet metal part is connected to a steel sheet metal part. To connect these two sheet metal parts, a steel stamping element can first be driven into the aluminum sheet metal part. Subsequently, the driven in the aluminum sheet metal part steel stamping element can be connected by spot welding to the steel sheet metal part.
Auf der
Gemäß der
Bei der oben dargelegten Nietelement-Geometrie kann allerdings eine außermittige, das heißt exzentrische Krafteinleitung beim Eintreiben des Nietelementes in das Aluminium-Blechteil zu Problemen führen. Erfolgt nämlich die Krafteinleitung nicht in Flucht mit der Längsachse, sondern um einen Querversatz exzentrisch dazu, so ergibt sich zwischen der Krafteinleitungsstelle und der Längsachse ein Hebelarm. Dadurch wird das Nietelement mit einem, um den Aufsetzpunkt gerichteten Kippmoment beaufschlagt. Dies kann zwischen dem Nietelement-Kopf und dem Aluminium-Blechteil zu einer Spaltbildung mit den bekannten Korrosionsproblemen führen. Zudem ergibt sich durch den gegebenenfalls einseitig aufstehenden Nietelement-Kopf eine Störkontur, die im weiteren Fertigungsverlauf zu Problemen führen kann.In the case of the rivet element geometry set out above, however, an eccentric, ie eccentric, introduction of force when the rivet element is driven into the aluminum sheet metal part can lead to problems. If the introduction of force does not occur in alignment with the longitudinal axis, but eccentrically by a transverse offset, a lever arm results between the force introduction point and the longitudinal axis. As a result, the rivet element is subjected to a tilting moment directed around the seating point. This can lead to a gap formation between the rivet element head and the aluminum sheet metal part with the known corrosion problems. In addition, results from the optionally one-sided rivet element head an interference contour, which can lead to problems in the further manufacturing process.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Einprägeelement für das Widerstandsschweißen, eine Befestigungsanordnung mit einem solchen Einprägeelement sowie eine Vorrichtung zur Verbindung des Einprägeelementes mit dem Fügepartner bereitzustellen, bei dem in einfacher Weise eine einwandfreie Bauteilverbindung gewährleistet ist.The object of the invention is to provide an embossing element for resistance welding, a fastening arrangement with such an embossing element and a device for connecting the embossing element with the joining partner, in which a perfect component connection is ensured in a simple manner.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1, des Patentanspruches 9 oder des Patentanspruches 10 gelöst.The object is solved by the features of claim 1, claim 9 or claim 10.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Einprägeelement als ein Nietelement speziell bei Anwendung in einem Stanznietverfahren beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass das Einprägeelement nicht auf das Stanznietverfahren beschränkt ist. So beruht die Erfindung auf dem Sachverhalt, dass bei der oben angegebenen Nietelement-Geometrie mit nur einer punktförmigen Spitze am unteren Ende des Nietelementes eine zur Nietelement-Längsachse koaxiale Krafteinleitung beim Stanznietverfahren zwingend erforderlich ist, jedoch oftmals nur mit entsprechend hohem fertigungstechnischen Aufwand ermöglicht ist. Vor diesem Hintergrund weist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 der Nietschaft des erfindungsgemäßen Nietelementes an seinem dem Nietkopf abgewandten Ende eine spezielle Ringkontur auf. Mit der Ringkontur kann das Nietelement unter Bildung einer ringförmigen Kontaktzone auf dem Fügepartner aufgesetzt werden. Durch die ringförmige Kontaktzone ist der Nietschaft nicht mehr nur punktförmig abstützbar, sondern ist seine Abstützbasis entsprechend erhöht. Auf diese Weise ist das Stanznietverfahren insgesamt toleranzverträglicher gestaltet, wobei selbst eine exzentrische Krafteinleitung mit Querversatz erlaubt ist, ohne dass es zu einer Kippbewegung des Nietelementes kommt. Insbesondere kann der Krafteinleitungspunkt radial innerhalb der Ringkontur liegen, ohne dass eine Kippbewegung des Nietelementes zu befürchten ist.The embossing element according to the invention will be described below as a rivet element, especially when used in a stamped riveting method. It is understood, however, that the embossing element is not limited to the punch riveting method. Thus, the invention is based on the fact that in the above rivet element geometry with only a punctiform tip at the lower end of the rivet element coaxial to the rivet longitudinal axis force application in punch riveting is mandatory, but often only with a correspondingly high manufacturing complexity is possible. Against this background, according to the characterizing part of patent claim 1, the rivet shank of the rivet element according to the invention has a special ring contour at its end remote from the rivet head. With the ring contour, the rivet element can be placed on the joining partner to form an annular contact zone. Due to the annular contact zone, the rivet shank is no longer only punctiform supportable, but his Abstützbasis is increased accordingly. In this way, the punch riveting method is designed to tolerate more tolerable, with even an eccentric introduction of force with transverse offset is allowed without causing a tilting movement of the rivet element. In particular, the force introduction point can lie radially within the ring contour, without a tilting movement of the rivet element is to be feared.
Die nachfolgenden Erfindungsaspekte werden zum einfacheren Verständnis anhand einer besonders bevorzugten Verbindung eines Aluminium-Blechteiles mit einem Stahl-Blechteil mit Hilfe eines Stahl-Nietelementes beschrieben. Demnach ist der erste Fügepartner das Aluminium-Blechteil und der zweite Fügepartner das Stahl-Blechteil. Es versteht sich, dass die folgenden Erfindungsaspekte jedoch auch unabhängig von dieser speziellen Werkstoff-Paarung generell für jegliche andere Fügepartner gelten.The following aspects of the invention will be described for ease of understanding with reference to a particularly preferred connection of an aluminum sheet metal part with a steel sheet metal part by means of a steel rivet element. Accordingly, the first joining partner is the aluminum sheet metal part and the second joining partner is the steel sheet metal part. It is understood, however, that the following aspects of the invention, regardless of this particular material pairing, generally apply to any other joining partner.
In einer Ausführungsform kann zur Ausbildung der Ringkontur der Nietschaft zumindest in seinem, dem Nietkopf abgewandten Bereich hohlzylindrisch mit einer ringförmigen Stirnseite ausgebildet sein. Die ringförmige Stirnseite kann je nach Geometrie in Flächenkontakt oder in Linienkontakt mit dem Aluminium-Blechteil oder dem Stahl-Blechteil bringbar sein. Im Hinblick auf eine einwandfreie Schweißanbindung ist ein Linienkontakt der Ringkontur mit dem Fügepartner von Vorteil. In one embodiment, in order to form the ring contour of the rivet shank, at least in its region facing away from the rivet head, a hollow cylinder with an annular end face may be formed. Depending on the geometry, the annular end face can be brought into surface contact or in line contact with the aluminum sheet metal part or the steel sheet metal part. With regard to a perfect welding connection, line contact of the ring contour with the joining partner is advantageous.
Zur Realisierung eines solchen Linienkontaktes kann der Nietschaft zur Ausbildung der Ringkontur an seinem, dem Nietkopf abgewandten Ende eine ringförmig umlaufende Auflagekante aufweisen, die spitzwinklig oder stumpfwinklig in Axialrichtung vorragt. Damit die Ringkontur eine stabile Abstützbasis für das Nietelement ergibt, kann diese bevorzugt durchgängig in einer Querebene des Nietschaftes verlaufen. Die oben beschriebene ringförmige Auflagekante kann zudem unmittelbar in der dem Nietkopf abgewandten Stirnseite des Nietschaftes ausgebildet sein. Hierzu kann die ringförmige Auflagekante durch aufeinander zu laufende Flanken gebildet sein. Die ringförmige Auflagekante kann zur weiteren Verbesserung der Abstützbasis bevorzugt in der Radialrichtung auf gleicher Höhe wie die Außenseite des Nietschaftes liegen. In diesem Fall ist die ringförmige Auflagekante in axialer Verlängerung zur Außenseite des Nietschaftes angeordnet. Alternativ dazu kann die ringförmige Auflagekante auch auf gleicher Höhe wie die Innenseite des hohlzylindrischen Nietschafts liegen.To realize such a line contact, the rivet shank for forming the ring contour at its, the rivet head end remote from an annular peripheral support edge, which projects at an acute angle or obtuse angle in the axial direction. So that the ring contour results in a stable support base for the rivet element, it can preferably run continuously in a transverse plane of the rivet shank. The above-described annular support edge may also be formed directly in the end face of the rivet shank facing away from the rivet head. For this purpose, the annular bearing edge may be formed by mutually running flanks. The annular support edge may be to further improve the support base preferably in the radial direction at the same height as the outside of the rivet shank. In this case, the annular bearing edge is arranged in axial extension to the outside of the rivet shank. Alternatively, the annular bearing edge can also be at the same height as the inside of the hollow cylindrical rivet shank.
Besonders bevorzugt ist es, wenn nach dem erfolgten Stanz-Nietverfahren das Nietelement verliersicher im Aluminium-Blechteil befestigt ist. Zur Bereitstellung einer solchen Verliersicherung kann der Nietschaft radial außenseitig eine Vertiefung, insbesondere eine radial umlaufende Ringnut aufweisen. Beim Verbindungsvorgang des Nietelementes mit dem Aluminium-Blechteil kann Aluminium-Material zur Bildung einer Formschlussverbindung in die Vertiefung hinein verlagert werden.It is particularly preferred if, after the punching riveting process has taken place, the rivet element is fastened captive in the aluminum sheet metal part. To provide such a captive securing, the rivet shank may have a recess on the outside, in particular a radially encircling annular groove. When connecting the rivet element to the aluminum sheet metal part, aluminum material can be displaced into the recess to form a positive connection.
Wie oben erwähnt, wird das Nietelement beim Stanznieten zunächst auf das Aluminium-Blechteil aufgesetzt und mit vorgegebener Einpresskraft in das Aluminium-Blechteil getrieben. Nach erfolgtem Eintreiben kann das Nietelement mit einem vorgegebenen Überstand die dem Nietkopf abgewandte Seite des Aluminium-Blechteiles überragen. Das aus dem Aluminium-Blechteil vorragende Ende des Nietschaftes wird anschließend gegebenenfalls unter Zwischenlage einer Klebschicht mit dem Stahl-Blechteil verschweißt, wobei die Schweißlinse bevorzugt nicht punktförmig, sondern ringförmig ist. Mit Hilfe der Klebschicht wird zudem gewährleistet, dass ein elektrolytischer Kontakt zwischen dem Aluminium-Blechteil und dem Stahl-Blechteil verhindert ist.As mentioned above, the rivet element is initially placed on the aluminum sheet metal part during punching riveting and driven into the aluminum sheet metal part with a predetermined press-in force. After the driving in, the rivet element can protrude beyond the rivet head side of the aluminum sheet metal part with a predetermined projection. The protruding from the aluminum sheet metal part end of the rivet shank is then optionally welded with the interposition of an adhesive layer with the steel sheet metal part, wherein the weld lens is preferably not point-like, but annular. With the help of the adhesive layer is also ensured that an electrolytic contact between the aluminum sheet metal part and the steel sheet metal part is prevented.
Die Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Stanz-Nietverfahrens weist einen Stempel auf, mit dem das Nietelement durch das Aluminium-Blechteil getrieben werden kann. Zudem weist die Vorrichtung eine Matrize auf, die als ein Widerlager auf der, vom Stempel abgewandten Seite des Aluminium-Blechteiles positioniert ist. Der beim Eintreiben des Stahl-Nietelementes in das Aluminium-Blechteil ausgestanzte Butzen kann durch einen Durchlass der Matrize abgeführt werden, in den der Nietschaft des Nietelementes mit seinem unteren Ende einfahrbar ist.The device for carrying out a punching-riveting method according to the invention has a punch with which the rivet element can be driven through the aluminum sheet-metal part. In addition, the device has a die, which is positioned as an abutment on the side facing away from the stamp side of the aluminum sheet metal part. The punched in driving the steel rivet in the aluminum sheet metal part can be removed through a passage of the die, in which the rivet shank of the rivet element is retractable with its lower end.
Nachfolgend ist eine spezielle Geometrie der Matrize beschrieben, um das Stahl-Nietelement verliersicher im Aluminium-Blechteil zu haltern. Demzufolge ist der Durchlass der Matrize ringförmig gestaltet, und zwar radial begrenzt durch eine äußere hohlzylindrische Innenwand der Matrize sowie einen radial inneren Konus. Der Konus weitet sich in der Einfahrrichtung des Nietelementes aus und kann gegebenenfalls so bemessen sein, dass beim Einfahrvorgang die Ringkontur an der Konusfläche anschlägt und aufgespreizt wird.The following is a special geometry of the die described to hold the steel rivet element captive in the aluminum sheet metal part. Accordingly, the passage of the die is annular, namely radially bounded by an outer hollow cylindrical inner wall of the die and a radially inner cone. The cone expands in the direction of retraction of the rivet element and can optionally be dimensioned so that the ring contour abuts the cone surface during retraction and is spread apart.
Alternativ/oder zusätzlich kann die Matrize auf ihrem, dem Aluminium-Blechteil zugewandten Auflager zumindest einen Vorsprung aufweisen. Der Vorsprung wird beim Stanznieten in das Aluminium-Blechteil gedrückt, wodurch Aluminium-Material verlagert wird, und dadurch entsprechend die auf den Nietschaft wirkenden Klemmkräfte erhöht werden. Bevorzugt ist der Vorsprung unmittelbar am Durchlass-Rand der Matrize angeformt.Alternatively / or additionally, the die may have at least one projection on its support facing the aluminum sheet metal part. The projection is pressed during punch riveting in the aluminum sheet metal part, whereby aluminum material is displaced, and thereby correspondingly increases the clamping forces acting on the rivet shank. Preferably, the projection is formed directly on the passage edge of the die.
Die mit dem Vorsprung ausgebildete Matrize ist insbesondere in Kombination mit den radial außenseitigen Vertiefungen im Nietschaft wirkungsvoll. In diesem Fall kann sich nämlich das Aluminium-Material in die radial äußeren Vertiefungen des Nietschaftes hinein verlagern, wodurch sich eine Formschlussverbindung zwischen dem Nietelement und dem Aluminium-Blechteil ergibt.The die formed with the projection is effective, in particular in combination with the radially outer recesses in the rivet shank. In this case, namely, the aluminum material can be displaced into the radially outer recesses of the rivet shank, resulting in a positive connection between the rivet and the aluminum sheet metal part.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.The advantageous embodiments and / or further developments of the invention explained above and / or reproduced in the dependent claims can be used individually or else in any desired combination with one another, for example in the case of clear dependencies or incompatible alternatives.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnung näher erläutert.The invention and its advantageous embodiments and / or developments and their advantages will be explained in more detail with reference to the drawing.
Es zeigen:Show it:
Das erfindungsgemäße Einprägeelement
Nach dem Einpressvorgang ragt gemäß der
Anhand der
Durch die hohlzylindrische Ausbildung des Nietschaftes
Die Ringkontur
Die in der
Der Querversatz Δy3 bei der exzentrischen Krafteinleitung Fp3 ist dagegen größer als der Außenradius r des Nietschafts
In den folgenden
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Die in der
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