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Die vorliegende betrifft ein Verfahren für die Herstellung einer Stanznietverbindung sowie eine Verbindungsvorrichtung für die Herstellung einer Stanznietverbindung.
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Es ist grundsätzlich bekannt, Stanznietverbindungen in einem Werkstück zur Verfügung zu stellen. Dies wird z. B. durchgeführt, um ein Werkstück aus zwei oder mehr Fügebauteilen zusammenzufügen, so dass die beiden Fügebauteile miteinander eine feste Verbindung eingehen. Das Befestigen erfolgt bei einer Stanznietverbindung ohne vorherige Lochung des Werkstücks. Vielmehr wird während der Durchführung des Stanznietvorganges durch den Stanzniet selbst eine plastische Verformung des Werkstücks oder sogar ein Ausstanzen eines Teils des Werkstücks durchgeführt.
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Wird ein bekanntes Stanznietverfahren angewendet, um in einem Werkstück aus einem Leichtmetallguss eine Stanznietverbindung zu erzeugen, so ist diese hinsichtlich der Stabilität des fertiggestellten Werkstücks mit der Stanznietverbindung risikobehaftet. So führt die plastische Verformung des Leichtmetallguss-Materials im Bereich der Stanznietverbindung zu einer mechanischen Beeinflussung, welche zu Rissbildung in diesem Nietbereich führen kann. Dementsprechend wird im Bereich der Verbindung der einzelnen Fügebauteile zu dem Werkstück durch die Stanznietverbindung die mechanische Stabilität des Werkstücks negativ beeinflusst. Dies wird durch bekannte Verfahren dadurch reduziert, dass vor Beginn des Stanznietverfahrens das gesamte Werkstück vorgewärmt wird. Das Vorwärmen führt zu einer Erhöhung der Duktilität des Materials, so dass eine solche Vorwärmung des Werkstücks eine Reduktion des voranstehend beschriebenen Risikos mit sich bringt. Jedoch führt das Vorwärmen, wie erläutert worden ist, zu einer Reduktion der Duktilität des Werkstücks und damit ebenfalls zu einer Einschränkung der mechanischen Stabilität. Da jedoch ein solches Werkstück z. B. als Strukturbauteil an einem Fahrzeug mechanische Lasten übernehmen soll, bringt eine Reduktion der mechanischen Stabilität einen Nachteil mit sich. Um noch in ausreichender Weise mechanische Lasten tragen zu können, ist bei bekannten Werkstücken dementsprechend eine Erhöhung des Querschnitts sowie ein höherer Materialaufwand notwendig, um die vergrößerte Duktilität durch das Vorwärmen ausgleichen zu können.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für die Herstellung einer Stanznietverbindung sowie eine Verbindungsvorrichtung für die Herstellung einer Stanznietverbindung zur Verfügung zu stellen, welche in kostengünstiger und einfacher Weise eine Erhöhung der Stabilität bei der Stanznietverbindung in einem Werkstück aus Leichtmetallguss erlauben.
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Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Verbindungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Herstellung einer Stanznietverbindung in einem Werkstück aus Leichtmetallguss. Ein solches erfindungsgemäßes Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- – Vorsehen eines Werkstücks aus Leichtmetallguss mit einem Nietbereich, in welchem die Stanznietverbindung erzeugt werden soll,
- – Erhöhen der Temperatur ausschließlich des Nietbereichs auf eine Vorwärmtemperatur, um die Duktilität des Materials des Werkstücks ausschließlich im Nietbereich zu erhöhen,
- – Durchführen wenigstens eines Stanznietvorganges mit einem Stanzniet im Nietbereich des Werkestücks zu Erzeugung der Stanznietverbindung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren sieht also ein Werkstück aus einem Leichtmetallguss vor. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren muss jedoch für das Herstellen der Stanznietverbindung vorab nicht das gesamte Werkstück aus Leichtmetallguss vorgewärmt werden. Vielmehr erfolgt ein partielles und dementsprechend zielgerichtetes Erwärmen ausschließlich in dem Nietbereich, so dass nur dieser Nietbereich mit einer erhöhten Duktilität des Materials versehen wird. Mit anderen Worten verbleibt das restliche Material außerhalb des Nietbereichs des Werkstücks unbeeinflusst bzw. im Wesentlichen unbeeinflusst von der Vorwärmung. Dies bedeutet, dass der übrige Abschnitt des Werkstücks außerhalb des Nietbereichs auch nicht mit einer erhöhten Duktilität versehen wird und dementsprechend die ursprünglichen mechanischen Stabilitätseigenschaften des Leichtmetallguss-Materials mit sich bringt.
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Die Erhöhung der Duktilität ausschließlich im Nietbereich erlaubt es, den Stanznietvorgang im Nietbereich durchzuführen, ohne das Risiko der Rissbildung in diesem Nietbereich einzugehen. So führt die Vorwärmung und die Erhöhung der Duktilität im Nietbereich dazu, dass ein Stanznietvorgang mithilfe einer plastischen Verformung des Werkstücks im Nietbereich bzw. einem Ausstanzen eines Teils des Nietbereichs durchgeführt werden kann, ohne dass diese erhöhte Belastung des Materials des Werkstücks im Nietbereich zu einer negativen Beeinflussung der mechanischen Stabilität führen würde. Insbesondere können, auch in Bezug auf einen Dauereinsatz eines solchen Werkstücks, Rissbildungen im Nietbereich auf diese Weise wirksam verhindert werden bzw. deren Auftrittswahrscheinlichkeit reduziert werden.
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Ein Leichtmetallguss-Material im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein metallisches Material, welches eine Dichte von weniger als 5 g/cm3 aufweist. Das Werkstück kann im Sinne der vorliegenden Erfindung aus ein, zwei oder auch mehr Fügebauteilen bestehen. Vorzugsweise sind zwei oder mehr Fügebauteile vorgesehen, die miteinander fest verbunden werden sollen. Diese feste Verbindung wird durch die Stanznietverbindung zur Verfügung gestellt.
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Der Nietbereich ist im Sinne der vorliegenden Erfindung von außen gesehen ein Oberflächenabschnitt der Oberfläche des Werkstücks. Die Erwärmung erfolgt von diesem Oberflächenabschnitt aus in Tiefenrichtung, vorzugsweise durch die gesamte Materialdicke des Werkstücks. So kann die Vorwärmung des Nietbereichs als eine dreidimensionale Vorwärmung eines Volumenabschnitts des Werkstücks verstanden werden.
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Selbstverständlich können auch eine Vielzahl von Nieten und damit mehrere Nietbereich oder ein zusammenhängender großer Nietbereich vorgesehen sein. Insbesondere bei Nietverbindungen an einem Flanschanschluss kann ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders vorteilhaft eingesetzt werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Vorwärmtemperatur bei ca. 200° Celsius liegt bzw. ca. 200° Celsius nicht übersteigt. Insbesondere liegt die Vorwärmtemperatur zwischen ca. 150° Celsius und ca. 200° Celsius. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Vorwärmtemperatur an die entsprechende Leichtmetallgussart bzw. die entsprechende Leichtmetallgusslegierung angepasst ist, um eine ausreichende Erhöhung der Duktilität des Materials im Nietbereich zu erzielen. Höhere Temperaturen könnten zu einer zu hohen Beeinflussung führen, die mit zu starker Duktilitätserhöhung einhergeht und dementsprechend eine mechanische Sollbruchstelle im Werkstück erzeugen würde. Wird eine zu geringe Vorwärmtemperatur angelegt, kann dies möglicherweise zu einer zu geringen Erhöhung der Duktilität führen, so dass nicht in optimaler Weise die Rissbildung bei der Erzeugung der Stanznietverbindung reduziert wird. Bei der Vorwärmtemperatur wird vorzugsweise auch die Wärmeleitung innerhalb des Materials des Werkstücks berücksichtigt.
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Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Nietbereich auf der Oberfläche des Werkstücks eine geometrische Erstreckung aufweist, die größer oder gleich der Erstreckung der Stanznietverbindung auf der Oberfläche des Werkstücks ist. Der Nietbereich erstreckt sich also auf seinem Oberflächenabschnitt über den Kopf eines Stanzniets hinaus. Dieser Umgebungsbereich um den Kopf einer Nietverbindung herum wird durch die Wärmebeeinflussung und das Vorwärmen vor Rissbildung nach dem Erzeugen bzw. durch das Erzeugen der Stanznietverbindung geschützt. Unter der geometrischen Erstreckung der Stanznietverbindung ist dabei insbesondere der Durchmesser der plastischen Verformung bzw. der Durchmesser des Stanzausschnitts durch den Stanzniet zu verstehen.
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Ein weiterer Vorteil wird erzielt, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Nietbereich einen Radius aufweist, welcher größer oder gleich dem Durchmesser der herzustellenden Stanznietverbindung ausgebildet ist. Dies ist eine besonders vorteilhafte geometrische Korrelation zwischen der Erstreckung des Nietbereichs und der Erstreckung der Stanznietverbindung. Auch hier ist der Durchmesser der herzustellenden Stanznietverbindung insbesondere auf das erzeugte Loch bzw. auf den Durchmesser der erzeugten Stanzausschnittweite beim Stanznietvorgang bezogen. Mit anderen Worten ist der Nietbereich im Wesentlichen doppelt so groß wie die herzustellende Stanznietverbindung.
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Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Temperatur im Nietbereich über eine Einflusszone erhöht wird, welche kleiner als der Nietbereich ausgebildet ist. Unter einer Einflusszone kann z. B. eine Fläche auf der Oberfläche des Werkstücks verstanden werden, welche mit Wärmestrahlung beeinflusst wird. Auch kann hier eine Kontaktfläche definiert werden, welche z. B. durch Konvektion und dementsprechend Kontakt mit einem wärmeführenden Medium die Wärmeeinleitung für die Vorwärmung ermöglicht. Die Reduktion der geometrischen Erstreckung der Einflusszone auf einen Abschnitt, welcher kleiner als der Nietbereich ist, berücksichtigt die Wärmeleitung im Material. So kann sichergestellt werden, dass ein möglichst geringer Energiebedarf notwendig ist, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass durch Wärmeleitung eine saubere Trennung zwischen dem vorgewärmten Bereich im Nietbereich einerseits und dem nicht vorgewärmten umgebenden Bereich des Materials des Werkstücks andererseits hergestellt wird.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für den Stanznietvorgang ein Halbhohlniet verwendet wird. Dieser führt zu einer plastischen Verformung des Werkstücks bei der Herstellung der Stanznietverbindung und ist eine besonders vorteilhafte Ausführung des vorliegenden Verfahrens.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Verbindungsvorrichtung für die Herstellung einer Stanznietverbindung in einem Werkstück aus Leichtmetallguss. Eine solche Verbindungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Stanznietverbindung und zumindest eine Vorwärmvorrichtung auf, welche ausgebildet ist für die Vorwärmung ausschließlich eines Nietbereichs des Werkstücks auf eine Vorwärmtemperatur, um die Duktilität des Materials des Werkstücks ausschließlich im Nietbereich zu erhöhen. Eine erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung ist vorzugsweise dahingehend weitergebildet, dass eine Kontrollvorrichtung vorgesehen ist, welche für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Dementsprechend bringt eine erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind.
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Die vorliegende Erfindung wird näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Die dabei verwendeten Begrifflichkeiten „links”, „rechts”, „oben” und „unten” beziehen sich auf eine Ausrichtung der Zeichnungsfiguren mit normal lesbaren Bezugszeichen. Es zeigen schematisch:
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1 ein Werkstück vor der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 das Werkstück aus 1 in einem nächsten Schritt des Verfahrens,
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3 das Werkstück der 2 in einem nächsten Schritt des Verfahrens,
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4 ein Werkstück nach der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5 einen Querschnitt durch ein Werkstück während der Vorwärmung und
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6 den Temperaturverlauf über den Querschnitt mit Bezug auf 5.
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Anhand der 1 bis 4 wird schematisch kurz eine Ausführungsform der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. So wird ein Werkstück 20 vorgesehen, welches zwei Fügebauteile 22 und 24 aufweist. Bei dieser Ausführungsform des Werkstücks 20 sind die beiden Fügebauteile 22 und 24 im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und aufeinandergelegt. Mit einer gestrichelten Linie ist ein Nietbereich 30 angezeigt, welcher auf der Oberfläche 26 des Werkstücks 20 zu erkennen ist. Dort soll eine Stanznietverbindung 10 eine Befestigung der beiden Fügebauteile 22 und 24 miteinander erzeugen.
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In 2 ist der nächste Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. So wird hier über eine Vorwärmvorrichtung 120 eine Vorwärmung ausschließlich des Nietbereichs 30 erzeugt. Die Vorwärmung erfolgt dabei auf eine Vorwärmtemperatur, welche vorzugsweise ca. 200° Celsius nicht übersteigt. Die umgebenden Abschnitte der Oberfläche 26 des Werkstücks 20 bleiben dabei von der Vorwärmvorrichtung 120 vorzugsweise im Wesentlichen unbeeinflusst, so dass das restliche Werkstück 20 dementsprechend die vorab bestehende Temperatur, also z. B. Raumtemperatur von ca. 21° Celsius, beibehält. Die Erhöhung auf die Vorwärmtemperatur führt zu einer Materialveränderung im Nietbereich 30, welcher eine Erhöhung der Duktilität dieses Materials bedeutet. Um die Erhöhung der Temperatur im Nietbereich durch die Vorwärmvorrichtung 120 steuern bzw. regeln zu können ist eine Kontrollvorrichtung 130 vorgesehen, welche vorzugsweise zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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3 zeigt schematisch den nächsten bzw. abschließenden Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens. So ist nach dem Vorwärmen gemäß 2 nun eine Stanznietvorrichtung 110 vorgesehen, welche in dem vorgewärmten Nietbereich 30 die Stanznietverbindung 10 mithilfe eines Stanzniets erzeugt. Das Ergebnis zeigt 4, bei welcher noch der Kopf der Stanznietverbindung 10 zu erkennen ist.
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Wie die 4 ebenfalls gut zeigt, ist die geometrische Korrelation zwischen der Stanznietverbindung 10 und dem Nietbereich 30 dahingehend ausgebildet, dass der Nietbereich 30 größer als die Stanznietverbindung 10 ist. Damit wird die Umgebung um die Stanznietverbindung 10 herum durch den Vorwärmschritt mit einer höheren Vorwärmtemperatur beeinflusst, so dass die damit einhergehende Erhöhung der Duktilität eine verminderte Rissbildung mit sich bringt.
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Die 5 und 6 zeigen eine weitere Möglichkeit der Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens während des Vorwärmschritts. So zeigt 5 das Werkstück 20 in einem Querschnitt, wobei die Oberfläche 26 nach oben gerichtet ist. Auch hier sollen zwei Fügebauteile 22 und 24 miteinander verbunden werden. Auf der Oberfläche 26 des Werkstücks 20 ist von oben eine Vorwärmvorrichtung 120 aufgesetzt, welche einen Hohlraum bildet, welcher von unten durch das Werkstück 20, durch dessen Oberfläche 26, abgeschlossen wird. So kann z. B. durch Einbringen eines fluiden Wärmetransportmittels und dessen Kontakt mit der Oberfläche 26 des Werkstücks 20 ein Wärmeeintrag über eine Einflusszone 40 in das Material des Werkstücks 20 erfolgen. Wie die 5 gut zeigt, ist die Einflusszone 40 hinsichtlich ihrer geometrischen Erstreckung kleiner ausgebildet, als die geometrische Erstreckung des Nietbereichs 30. Dadurch kann die Wärmeleitung im Inneren des Materials des Werkstücks 20 berücksichtigt werden. Dies reduziert die geometrische Anforderung an die Vorwärmvorrichtung 120, die notwendige Energie für das Vorwärmen und stellt darüber hinaus sicher, dass die umgebenden Bereiche nicht zu hoch vorgewärmt werden.
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6 zeigt einen schematischen Temperaturverlauf über die Oberfläche 26 des Werkstücks 20 gemäß 5. Dieser spiegelt sich selbstverständlich auch in Tiefenrichtung wieder, da es sich hier um eine dreidimensionale Wärmetransportsituation handelt. Wie in 6 gut zu erkennen ist, wird ausschließlich der Nietbereich 30 bzw. im Wesentlichen ausschließlich der Nietbereich 30 vorgewärmt, so dass die umgebenden Bereiche des Werkstücks 20 im Wesentlichen bei ihrer ursprünglichen Temperatur verharren. Dies führt dazu, dass im Wesentlichen ausschließlich der Nietbereich mit der erhöhten Duktilität versehen wird. Die übrigen Bereiche des Werkstücks 20 verbleiben bei der ursprünglichen Duktilität und können dementsprechend die gewünschte mechanische Stabilität ohne Einschränkung für weitere Konstruktionsaufgaben zur Verfügung stellen.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stanznietverbindung
- 20
- Werkstück
- 22
- Fügebauteil
- 24
- Fügebauteil
- 26
- Oberfläche
- 30
- Nietbereich
- 40
- Einflusszone
- 100
- Verbindungsvorrichtung
- 110
- Stanznietvorrichtung
- 120
- Vorwärmvorrichtung
- 130
- Kontrollvorrichtung
