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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen Stanznietprozess und insbesondere ein Matrizenglied zur Verwendung in einem Stanznietprozess.
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Beim Zusammenfügen von Komponenten, die bei Großserienfahrzeugfertigung verwendet werden, kann es wünschenswert sein, mechanische Befestigungselemente zu verwenden, um dazu beizutragen, die erforderliche Festigkeit und Langlebigkeit von Verbindungen zu erreichen. Eine Art von mechanischem Befestigungselement, das bei der Fahrzeugfertigung verwendet wird, ist ein Stanzniet (SPR – self-piercing rivet).
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Die allgemeinen Grundlagen der Stanzniettechnologie sind in der Technik bekannt. Zum Anbringen eines Stanzniets an zusammenzufügenden Werkstücken wird ein Teil eines ersten Werkstücks oder einer ersten Tafel auf einer Auflagefläche eines Matrizengliede so platziert, dass er über eine in dem Matrizenglied ausgebildete Matrizenvertiefung liegt. Teile einer oder mehrerer zusätzlicher Tafeln werden dann auf den über die Matrizenvertiefung liegenden Teil der ersten Tafel gestapelt. Die Tafeln werden bezüglich einander und bezüglich des Matrizenglieds in Position gesichert, um eine Relativbewegung der Teile während des Anbringens des Niets zu verhindern. Die Matrizenvertiefung kann auch einen Matrizenanschlag enthalten, der dazu beiträgt, einen Teil des Niets dazu zu zwingen, radial nach außen zu spreizen oder durchzubiegen, wenn an den Niet ein Druck angelegt wird, der dazu ausreicht, das erste Werkstück zu durchstanzen. Des Weiteren durchsticht der Niet Flächen der auf der ersten Tafel liegenden zweiten Tafel. Auf bekannte Weise können unter Verwendung von bekannten SPR-Prozessen bis zu vier Materiallagen zusammengefügt werden.
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Bei Anbringen des Niets an den zusammenzufügenden Werkstücken wird ein als SPR-"Ausbauchung" bekanntes Merkmal erzeugt. Diese SPR-Ausbauchung liegt in Form eines Vorsprungs in einer Fläche der zweiten Tafel entlang einer Seite der zweiten Tafel gegenüber der von dem Niet durchstochenen Seite vor. Eine der Herausforderungen beim SPR-Fügen ist die Nukleation und Ausbreitung von Rissen auf der "Ausbauchungs"-Seite der Verbindung entlang Ecken der Ausbuchung, die von dem Boden und den Wänden der Matrizenvertiefung während des SPR-Vorgangs geformt werden. Die Gegenwart und die Größe dieser Risse können die Qualität der Verbindung und die Durchführbarkeit der SPR-Technologie als eine Befestigungsoption beeinflussen.
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Somit besteht ein Bedarf für eine Matrizengeometrie, bei der Rissbildung im Nietmaterial entlang der SPR-Ausbauchung bei der Herstellung der Ausbauchung reduziert oder auf ein Minimum verringert wird.
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Gemäß einem Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält ein Matrizenglied für einen Stanznietprozess eine Matrizenvertiefung mit einer Achse und mehreren Seiten, die um die Achse herum positioniert sind. Jede Seite der Matrizenvertiefung erstreckt sich entlang einer Ebene, die eine zwei Punkte entlang eines auf der Achse zentrierten Kreises verbindende Sehne enthält.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält ein Matrizenglied für einen Stanznietprozess eine in dem Matrizenglied ausgebildete Matrizenvertiefung. Ein Umfang der Vertiefung wird durch mehrere Seiten und mehrere Ausrundungsradien gebildet. Jedes Ende jeder Seite der Matrizenvertiefung ist durch einen Ausrundungsradius mit einer benachbarten Seite der Vertiefung an einem Ende der benachbarten Seite verbunden.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält ein Matrizenglied für einen Stanznietprozess eine Anlagefläche und eine in der Anlagefläche ausgebildete Matrizenvertiefung. Die Matrizenvertiefung enthält einen Vertiefungsboden und eine mittlere Achse, die durch den Vertiefungsboden verläuft. Mehrere Vertiefungsseiten erstrecken sich zwischen dem Vertiefungsboden und der Anlagefläche. Mindestens eine der Seiten ist in einer vom Boden zu der Anlagefläche verlaufenden Richtung von der Achse weg geneigt.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält ein Matrizenglied für einen Stanznietprozess sechs Wandteile, wobei jedes Ende jedes Wandteils mit dem benachbarten Wandteil an einem Ende des benachbarten Wandteils verbunden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellenden Zeichnungen zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Stanzniets, der mit einem Matrizenglied gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Zusammenfügen von Teilen eines Paars gestapelter Tafeln verwendet werden kann;
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2 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines mehrseitigen Matrizenglieds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Teils des mehrseitigen Matrizenglieds;
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4 eine Draufsicht des in 2 gezeigten Teils eines Matrizenglieds, die Positionen der Matrizenvertiefungsseiten oder -wandteile entlang einem Umfang der Matrizenvertiefung zeigt;
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5 eine Draufsicht eines Teils eines mehrseitigen Matrizenglieds gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6–9 eine Abfolge von Arbeitsgängen beim Anbringen eines Stanzniets an einem Paar Tafeln zum Zusammenfügen der Tafeln;
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10 eine Draufsicht eines Teils eines mehrseitigen Matrizenglieds gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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11 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines mehrseitigen Matrizenglieds gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen stellen Details zur Veranschaulichung bereit und können Variationen bei der Struktur und Ausführung erfahren. Es versteht sich, dass die hier verwendete Ausdruckweise und Terminologie der Beschreibung dient und nicht als einschränkend betrachtet werden soll.
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Die hier verwendeten Ausdrücke "ein" und "eine" bezeichnen keine Einschränkung hinsichtlich der Menge, sondern bezeichnen das Vorhandensein mindestens eines der bezeichneten Objekte. Des Weiteren soll die Verwendung der Ausdrücke "enthalten", "umfassen", "aufweisen" und Variationen davon in dieser Schrift die nachfolgend angeführten Objekte und Äquivalente davon mit umfassen sowie das Vorhandensein von zusätzlichen Objekten gestatten. Des Weiteren soll die Verwendung der Ausdrücke "erste", "zweite" und "dritte" und dergleichen in dieser Schrift keine bestimmte Reihenfolge, Menge oder relative Bedeutung der Objekte, auf die sie sich beziehen, bezeichnen, sondern stattdessen werden sie zur Unterscheidung eines Elements von dem anderen verwendet.
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Wenn nicht anders angegeben, werden Ausdrücke wie "konfiguriert", "angeordnet", "platziert", "gekoppelt mit" und Variationen davon allgemein verwendet und umfassen direkt und indirekt Befestigungen, Kupplungen und Eingriffe. Darüber hinaus sind die Ausdrücke "befestigt" und "gekoppelt" und Variationen davon nicht auf physische oder mechanische Befestigungen oder Kupplungen beschränkt.
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Wenn nicht anders angegeben, beziehen sich ähnliche Bezugszahlen, die in den Ansichten verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auftreten, auf ähnliche Elemente. Zum Beispiel bezieht sich die Bezugszahl 59 in 3 auf einen Seiten- oder Wandteil der in 3 gezeigten Matrizenvertiefung 52, während sich die Bezugszahl 59' in 5 auf einen Seiten- oder Wandteil der in 5 gezeigten Matrizenvertiefung 52' bezieht.
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Die 1–9 zeigen eine Ausführungsform eines beispielhaften Stanzniets 20 und eines Matrizenglieds 50, die in einem Stanznietvorgang zum Aneinanderbefestigen eines Paars gestapelter Tafeln verwendet werden können. Der Stanzniet und die Matrizenstruktur, die hier beschrieben werden, können bei einer beliebigen Anwendung verwendet werden, in der Niete derzeit verwendet werden, wie zum Beispiel beim Aneinanderbefestigen von Tafeln und Verschlüssen. Wie hier verwendet, bezieht sich "Tafel" auf irgendeine Platte, Tafel oder irgendein Blech mit einer Dicke, die dazu geeignet ist, Durchstanzen der Tafel oder einer Fläche der Tafel mit dem Niet, wie hier beschrieben, zu gestatten.
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Ein Stanzniet und zugehöriges Matrizenglied der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können für Massenproduktionsanwendungen, darunter Kraftfahrzeuganwendungen, ausgeführt sein. Ausführungsformen des Stanzniets und des Matrizenglieds, die hier offenbart werden, eignen sich zur Installation und Verwendung in einer herkömmlichen Stanzpresse, wie sie zum Beispiel von der Kraftfahrzeugindustrie zum Zusammenfügen von Blechteilen, darunter Karosseriebeplankungen und Strukturbauteilen, verwendet werden. Bei solchen Anwendungen bringt die Presse einen oder mehrere Stanzniete mit jeden Hub der Presse an.
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1 zeigt ein Beispiel für einen Stanzniet 20 bekannter Ausführung. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform enthält der Niet 20 einen Kopfteil 22 und einen Körperteil 24, der sich von dem Kopfteil erstreckt. Der Körperteil 24 ist zumindest teilweise hohl und enthält eine Basisfläche 24a, die in einem Abstand d von dem Kopfteil 22 angeordnet ist, und eine ringförmige Wand 24b, die die Basisfläche 24a umgibt. Die Basisfläche 24a und die Wand 24b definieren zusammen einen Hohlraum 24c. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Basisfläche 24a konkav.
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Ein Ende 24d der Wand 24b ist zu einer Schnitt- oder Stanzfläche ausgebildet, die dazu konfiguriert, eine Tafel oder ein Werkstück auf in der Technik bekannte Weise zu durchstanzen, wenn das Wandende 24d durch Anlegen einer Presskraft an den Niet 20 in Kontakt mit dem Werkstück gedrückt wird. Falls gewünscht, kann ein innerer Teil der Wand 24b neben dem Wandende 24d abgeschrägt sein, wie in 1 gezeigt. Ebenso kann ein Außenteil der Wand 24b neben dem Wandende 24d, falls gewünscht, auch abgeschrägt sein. Wie in der Technik bekannt, kann der Stanzniet 20 aus Stahl oder irgendeinem anderen geeigneten Material hergestellt sein und kann für Oberflächenhärte, Zähigkeit usw. wärmebehandelt sein.
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Die 2–4 zeigen verschiedene Ansichten eines Matrizenglieds 50 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Matrizenglied 50 enthält eine Anlagefläche 51 und eine Matrizenvertiefung 52, die in der Anlagefläche ausgebildet ist. Die Anlagefläche 51 stützt Teile von Werkstücken 100 und 102 (3), die durch den Nietvorgang zusammengefügt werden sollen. Die Vertiefung 52 enthält einen ringförmigen Boden oder eine ringförmige Matrizenfläche 56, die einen mittleren Matrizenanschlag 58 umgibt. Eine mittlere Achse X der Matrizenvertiefung 52 erstreckt sich durch den mittleren Anschlag 58 und den Boden 56. Falls gewünscht, kann das Matrizenglied einen (nicht gezeigten) Entlastungskanal enthalten, der ein Ausströmen von Luft gestattet, die ansonsten während eines Nietvorgangs zwischen der zweiten Tafel 102 und dem Matrizenvertiefungsboden 56 eingeschlossen werden würde, wie unten beschrieben. Eine Außenfläche 64 des Matrizenanschlags verjüngt sich entlang ihrer Erstreckung in die Vertiefung zum Boden 56 radial nach außen. Des Weiteren geht bei der in den 2–3 gezeigten Ausführungsform die Fläche 64 gleichmäßig in den Matrizenvertiefungsboden 56 über.
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Bei einer bestimmten Ausführungsform bildet die Matrizenanschlagaußenfläche 64 einen Winkel J in einem Bereich von 9,5 Grad bis einschließlich 30,5 Grad bezüglich der Achse X. Bei einer anderen bestimmten Ausführungsform ist der Matrizenanschlag aus der Matrizenvertiefung weggelassen. Bei dieser Ausführungsform wird durch Druck der Wand gegen die Matrizenfläche 56 eine Verformung der Nietwand 24b erzeugt.
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Bei bestimmten Ausführungsformen weist eine mehrseitige oder polygonale Matrizenvertiefung 52 gemäß der vorliegenden Erfindung mehrere Wandteile oder - seiten 59 auf, die sich zwischen der Matrizenfläche 56 und der Anlagefläche 51 erstrecken. Die Wandteile 59 sind innerhalb der Grenzen von Herstellungstoleranzen gerade.
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Bei einer bestimmten Ausführungsform liegt die Tiefe des Matrizenhohlraums, wie von einer durch die Anlagefläche 51 definierten Ebene bis zu einer durch die Matrizenfläche 56 definierten Ebene gemessen, und entlang einer parallel zur Achse X verlaufenden Ebene innerhalb eines Bereichs von 1,95 mm bis einschließlich 3,30 mm.
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Auf 4 Bezug nehmend, liegt bei einer bestimmten Ausführungsform eine Spanne S der Matrizenvertiefung zwischen einander gegenüberliegenden geraden Seiten, wenn an der Anlagefläche 51 gemessen, innerhalb eines Bereichs von 6,95 mm bis einschließlich 12,05 mm.
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Auf 4 Bezug nehmend, kann bei bestimmten Ausführungsformen die Anordnung von Seiten 59 entlang dem Matrizenvertiefungsumfang für eine gegebene Anzahl von Seiten durch Formen eines Kreises C' mit einer Mitte C und einem Radius R an dem
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Matrizenglied und Verlängern mehrerer winkelförmig und gleichmäßig beabstandeter Linien 200 von der Mitte C nach außen, so dass sie den Kreis an Schnittpunkten P2 schneiden, definiert werden. Die Anzahl von Linien 200, die sich von der Mitte C erstrecken, ist gleich der Anzahl von Seiten 59, die der Umfang der Vertiefung 52 haben soll. Jede Seite 59 erstreckt sich dann entlang einer Ebene, die eine benachbarte Schnittpunkte P2 verbindende Sehne C2 des Kreises C' enthält. Wie hier verwendet, ist der Begriff "Sehne" als ein einziges Geradensegment, das zwei Punkte auf einer Kurve verbindet, definiert. In 4 ist die Kurve Kreis C'. Die bestimmte Ausführungsform in 4 stellt das Layout einer sechsseitigen oder hexagonalen Matrizenvertiefung mit Seiten gleichmäßiger Länge dar.
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Bei diesen Ausführungsformen verläuft die mittlere Achse X der Matrizenvertiefung durch die Kreismitte C. Somit ist die Achse X in einem gleichmäßigen Abstand R von jedem Punkt P2, an dem sich benachbarte Sehnen C2 schneiden, angeordnet, wie in 4 gezeigt. Darüber hinaus sind der Matrizenvertiefung zugekehrte gleichmäßige Winkel θ zwischen benachbarten Sehnen C2 gebildet.
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In der in 4 gezeigten Ansicht und auch bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Ebene, entlang der sich die Seite 59 erstreckt, parallel zur Achse X und erstreckt sich zwischen einer durch die Anlagefläche 51 definierten Ebene und einer durch den Boden 56 definierten Ebene. Des Weiteren ist bei dieser Ausführungsform zu sehen, dass eine die mittlere Achse X mit einem Punkt auf der Seite 59, der der Achse am nächsten ist, verbindende Linie L1 an diesem Punkt senkrecht zu der Seite 59 verläuft.
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Bei einer bestimmten Ausführungsform erstreckt sich die Ebene, entlang der sich die Seite 59 erstreckt, senkrecht zu einer durch die Anlagefläche 51 definierten Ebene und verläuft auch senkrecht zu einer durch den Vertiefungsboden 56 definierten Ebene.
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Auf 10 Bezug nehmend, ist bei einer anderen Ausführungsform eine Ebene, entlang der sich mindestens eine der Seiten 59 erstreckt, in einer von der Anlagefläche 51 zum Boden 56 verlaufenden Richtung nach innen zur Achse X abgewinkelt. Diese Neigung der Wand 59 erleichtert das Herausziehen der SPR-Ausbauchung aus dem Matrizenglied 50. Neigung der Vertiefungswand (Vertiefungswände) oder -seiten 59
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von der Anlagefläche 51 zum Boden 56 kann auch dazu verwendet werden, die radialen Abstände von der Achse X zu den Teilen der Wand (Wände), die entlang oder nahe dem Boden der Matrizenvertiefung liegen, (im Vergleich zu den Abständen von der Achse X zu Teilen der Anlagefläche 51) zu reduzieren, wodurch die radiale Verformung oder "Spreizung" der SPR-Ausbauchung in der Vertiefung während der Ausbauchungsbildung verkürzt wird. Man geht davon aus, dass diese dazu beiträgt, das Auftreten von Mikrorissen zu vermeiden oder zu reduzieren.
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Die oben angeführte Vorgehensweise kann dazu verwendet werden, eine Matrizenvertiefung mit irgendeiner gewünschten Zahl von Vertiefungsseiten gleicher Länge (unter Berücksichtigung von Herstellungstoleranzen der Längen der Seiten) bereitzustellen.
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Darüber hinaus wird an jedem Schnittpunkt benachbarter Wandteile 59 ein Ausrundungsradius r gebildet, der sich entlang den Wandteilschnittpunkten zwischen der Matrizenfläche 56 und der Anlagefläche 51 erstreckt. Bei einer Ausführungsform weist jeder Radius r einen Wert innerhalb eines Bereichs von 0,25 mm bis einschließlich 1,0 mm auf. Bei einer bestimmten Ausführungsform weisen die Radien r einen Wert in einem Bereich von 0,75 mm bis einschließlich 3,25 mm auf.
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Bei einer Ausführungsform weisen die Seiten 59 gleiche Längen bei gleichen zwischen jeweils zwei benachbarten Seiten gebildeten und der Matrizenvertiefung zugekehrten Winkeln θ auf (wieder innerhalb der Grenzen von Herstellungstoleranzen).
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Wie in den 2–4 gezeigt, liegt bei einer Ausführungsform ein Umfang einer Vertiefung 52 in Form eines sechsseitigen Polygons oder Hexagons vor. Bei der bestimmten Ausführungsform eines Hexagons, die in den 2–4 gezeigt wird, weisen die Seiten 59 gleiche Längen bei gleichen zwischen jeweils zwei benachbarten Seiten gebildeten Winkeln von 120° auf.
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5 zeigt ein Matrizenglied 50'' gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform liegt ein Umfang der Matrizenvertiefung 52'' in Form eines achtseitigen Polygons oder Oktagons vor. Bei der in 5 gezeigten bestimmten Ausführungsform eines Oktagons weisen die Seiten 59'' gleiche Längen bei zwischen jeweils zwei benachbarten Seiten gebildeten gleichen Winkeln θ = 135° auf. Bei dieser Ausführungsform sind die Anlagefläche 51'', der Matrizenanschlag 58'' und der Vertiefungsboden 56'' wie zuvor beschrieben strukturiert.
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Auf 11 Bezug nehmend, weist bei einer anderen bestimmten Ausführungsform 850 die Matrizenvertiefung zwölf gerade Seiten auf.
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Bei alternativen Ausführungsformen kann die Matrizenvertiefung 52 statt sechs oder acht geraden Seiten eine größere Anzahl von geraden Seiten oder eine geringere Anzahl von geraden Seiten gemäß den Erfordernissen eines bestimmten Prozesses aufweisen. Obgleich die obigen Beispiele hexagonale und oktagonale Matrizenvertiefungen beschrieben, kann somit eine Vertiefung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von den Eigenschaften und der Dicke der zusammenzufügenden Materialien, der Anzahl von zusammenzufügenden Blechen und anderer relevanter Faktoren eine gewünschte Anzahl von Seiten mit im Wesentlichen gleicher Länge haben. Bei bestimmten Ausführungsformen kommen Vertiefungen mit beliebig von drei bis einschließlich zwanzig Seiten in Betracht.
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Darüber hinaus wird an der Schnittstelle zwischen der Matrizenfläche 56 und jedem der Wandteile 59 ein Radius r2 gebildet. Bei einer Ausführungsform weist jeder Radius einen Wert innerhalb eines Bereichs von 0,25 mm bis einschließlich 1,0 mm auf. Bei einer bestimmten Ausführungsform weisen die Radien r2 Werte in einem Bereich von 0,75 mm bis einschließlich 3,25 mm auf.
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Auf 10 Bezug nehmend, enthält das Matrizenglied 50' bei einer weiteren bestimmten Ausführungsform eine Anlagefläche 51' und eine Matrizenvertiefung 52', die in der Anlagefläche ausgebildet ist. Die Vertiefung 52' enthält einen Vertiefungsboden 56' und eine mittlere Achse X', die sich durch den Vertiefungsboden erstreckt. Mehrere Vertiefungswandteile oder -seiten 59' erstrecken sich zwischen dem Vertiefungsboden 56' und der Anlagefläche 51'. Ein Teil mindestens einer der Seiten 59' neben der Anlagefläche 51' ist in einem ersten Abstand d1 von der Achse X angeordnet. Ein Teil mindestens einer der Seiten 59' neben dem Boden 56' ist in einem zweiten Abstand d2 von der Achse X beabstandet. Bei dieser Ausführungsform ist der erste Abstand d1 größer als der zweite Abstand d2. Somit sind bei dieser Ausführungsform eine oder mehrere Seiten 59' im Verhältnis nach außen (das heißt von der Achse X weg) in einer vom Boden 56' zur Anlagefläche 51' verlaufenden Richtung geneigt. Diese Neigung der Wand 59' erleichtert das Herausziehen der SPR-Ausbauchung aus dem Matrizenglied 50'.
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Bei einer bestimmten Ausführungsform sind alle Seiten 59' der Vertiefung nach außen geneigt, wie oben beschrieben.
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Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform sind eine oder mehr Seiten 59' so geneigt, dass eine durch die Seiten gebildete Ebene mit einer parallel zur Achse X' und entlang einer durch einen Schnittpunkt der Seitenebene und der Anlagefläche 51' definierten Linie verlaufenden Ebene K einen Winkel Q bildet. Bei einer bestimmten Ausführungsform weist der Winkel Q einen Wert innerhalb eines Bereichs von 0 Grad bis einschließlich 15,5 Grad auf.
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Beliebige der Ausführungsformen des hier beschriebenen Matrizenglieds können aus Stahl oder aus irgendeinem anderen Material oder irgendwelchen anderen Materialien hergestellt sein.
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Die 6–9 sind perspektivische Ansichten einer Montagefolge zum Zusammenfügen von Teilen eines Paars gestapelter Tafeln 100 und 102 unter Verwendung eines Stanzniets und komplementären Matrizenglieds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wenn die Stanzniete 20 durch eine Stanzpresse angebracht werden, können die Niete einem (nicht gezeigten) Anlagekopf zugeführt werden, der an einer Platte der Stanzpresse befestigt ist. Der Anlagekopf kann einen Stempel 42 enthalten, der eine Bohrung oder eine Vertiefung (nicht gezeigt) aufweist, die den Kopfteil 22 des Niets aufnimmt. Der Stempel enthält eine Antriebsfläche 46, die gegen den Nietkopfteil angetrieben wird. Das Matrizenglied 50 kann an der (nicht gezeigten) gegenüberliegenden Matrizenplatte befestigt sein, wobei die Matrizenvertiefung 52 koaxial auf den Stempel 42 ausgerichtet ist.
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6 zeigt den Niet 20 vor Kontakt mit einer ersten Platte oder einem ersten Werkstück 100. Auf die 1–4 und 6–9 Bezug nehmend, wird der Nietkörperteil 24 im Betrieb in koaxialer Ausrichtung auf den mittleren Matrizenanschlag 58 der Matrizenvertiefung 52 in die erste Tafel 100 getrieben. Im tatsächlichen Betrieb können die Tafeln 100 und 102 festgeklemmt sein, um eine Bewegung der Tafeln bezüglich einander zu verhindern und um eine Bewegung der Platte 102 bezüglich der Anlagefläche 51 zu verhindern.
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7 zeigt, wie der Niet in die erste Tafel 100 getrieben wird. Während der Körperteil 24 in die Tafel getrieben wird, verformt sich die Stanzfläche entlang der ringförmigen Wand 24b und durchstanzt dann die Fläche der ersten Tafel 100. Des Weiteren drückt die Wand 24b den ungestützten Teil der zweiten Tafel 102 in den Matrizenhohlraum 52 und in Eingriff mit dem Matrizenanschlag 58.
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Auf 8 Bezug nehmend, wird, wenn der ungestützte Teil der zweiten Tafel den Matrizenanschlag 58 berührt, ein weiteres Durchbiegen des zweiten Tafelteils verhindert, und der Teil der zweiten Tafel, der in der Matrizenvertiefung sitzt, wird nun gestützt. Somit bewirkt eine weitere Bewegung des Niets in Richtung des Pfeils "A", dass die Nietwand 24b radial nach außen durchbiegt, während die Wand 24b den gestützten Teil der zweiten Tafel 102 in Eingriff nimmt. Wie in 8 zu sehen, erzeugt eine weitere Abwärtsdurchbiegung und radiale Spreizung der Nietwand 24b eine entsprechende Durchbiegung nach unten und radial nach außen des Teils der zweiten Tafel, der durch den Matrizenanschlag 58 nicht gestützt wird, entlang dem Boden der Matrizenvertiefung 52. Dieser Vorgang erzeugt eine "Matrizenausbauchung" oder SPR-Ausbauchung 150, die als ein Vorsprung in einer Fläche der zweiten Tafel entlang einer Seite der zweiten Tafel gegenüber der Seite, entlang der der Niet angebracht wird, definiert wird.
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Die Nietausführung, die Matrizengliedausführung und die Prozessparameter sind so festgelegt, dass der Nietwandteil 24b die Dicke der zweiten Tafel 102 während der Bildung der Matrizenausbauchung nicht vollständig durchstanzt. Der Teil der zweiten Tafel, der in die Matrizenvertiefung 52 durchgebogen wird, wird radial aufgeweitet, bis er an die Vertiefungswandteile 59 stößt. 9 zeigt die fertiggestellte Nietverbindung nach dem Zurückziehen des Stempels 42.
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Man geht davon aus, dass Rissnukleation im Niet mit dem Mangel an Duktilität in Verbindung steht, der oftmals bei hochfesten Legierungen (einschließlich Materialien auf Aluminiumbasis), aus denen der Niet hergestellt sein kann, besteht. Man geht davon aus, dass die in SPR-Ausbauchungen beobachteten Risse nach Erreichen einer kritischen Spannung oder kumulativen Belastung in einem gegebenen Material nukleieren und wachsen. Während des Stanznietprozesses wird Material während der Bildung der SPR-Ausbauchung in der Matrizenvertiefung verschoben und bedeutenden multiaxialen Spannungen und Belastungen ausgesetzt. Wenn Risse in der SPR-Ausbauchung eingeleitet werden, werden die Risse oft entlang dem Ausbauchungsrand und der Ausbauchungsfläche beobachtet. Man geht davon aus, dass die größten kumulativen Belastungen im Nietmaterial entlang Flächen der Ausbauchung auftreten, die sich im größten Abstand von der mittleren Achse der Matrizenvertiefung befinden, was auf die erforderlichen bedeutenden Materialverschiebungen und das Erfordernis, dass die Matrizenvertiefung das Volumen des verformten Niets aufnimmt, zurückzuführen ist.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Geometrie der Matrizenvertiefung eine bedeutende Rolle bei der Steuerung der Verschiebung des Nietmaterials während der Bildung der SPR-Ausbauchung spielen kann. Man geht davon aus, dass eine in einer mehrseitigen Matrizenvertiefung 52, wie oben unter Verwendung eines Kreises C' mit einem Radius R definiert, gebildete SPR-Ausbauchung weniger Rissbildung erfährt als eine in einer kreisförmigen Matrizenvertiefung mit dem Radius C' gebildete SPR-Ausbauchung. Das Material einer zweiten Tafel 102 wird von den geraden Wandteilen 59 daran gehindert, sich gleichförmig radial nach außen zu verformen. Statt sich zu einer kreisförmigen Konfiguration mit dem gleichmäßigen Radius R des Kreises C' zu verformen, nimmt der Außenumfang der SPR-Ausbauchung die Form der mehrseitigen Matrizenvertiefung 52 an. Somit geht man davon aus, dass die Verwendung von geraden Wandteilen 59 bei der Einschränkung oder Begrenzung von Verformung des SPR-Ausbauchungmaterials dazu beiträgt, Rissbildung und Rissausbreitung entlang den Außenflächen der SPR-Ausbauchung 150 zu vermindern.
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Weiterhin ist zu sehen, dass mit Zunahme der Anzahl von geraden Wandteilen, die die Seiten der Matrizenvertiefung 52 bilden, die Fläche des Bodens 56 des Hohlraums 52 zunimmt und sich der Bodenfläche, die bei einer kreisförmigen Vertiefung mit dem Radius R bereitgestellt werden würde, dichter annähert. Diese Zunahme der Bodenfläche gestattet eine im Verhältnis größere radiale Ausdehnung des die Matrizenausbauchung bildenden Materials. Somit kann bei einer Stanznietanwendung, bei der die Fläche oder der Raum, die bzw. der durch die Nietverbindung eingenommen wird, eingeschränkt ist, die für die Ausdehnung der Matrizenausbauchung zur Verfügung stehende Matrizenvertiefungsbodenfläche innerhalb einer zulässigen kreisförmigen Verbindungsfläche oder Matrizenausbauchungsfläche πR2 des Kreises C' maximiert werden, während Rissbildung, zu der es ansonsten während einer gleichförmigen radialen Ausdehnung des Matrizenausbauchungsmaterials kommt, eliminiert oder vermindert wird.
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Die Anzahl von Matrizenvertiefungsseiten kann auch so festgelegt werden, dass das zur Aufnahme einer gegebenen Nietgröße erforderliche Vertiefungsvolumen berücksichtigt wird, während immer noch die kumulative Belastung während der Verformung des Nietmaterials mit einer gegebenen Duktilität auf ein Minimum reduziert wird. Diese Designflexibilität bezüglich der Matrizenvertiefungsabmessungen trägt auch dazu bei, Rissbildung zu eliminieren oder zu vermindern.
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Die optimale Konfiguration der Wandteile 59 kann iterativ und/oder analytisch auf Grundlage von Faktoren, wie Nietausführung, Tafelmaterialien und -dicken, zulässiger SPR-Ausbauchungsfläche und anderer relevanter Faktoren bestimmt werden, um den Erfordernissen einer bestimmten Anwendung gerecht zu werden.
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Es versteht sich, dass die vorangehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung nur der Veranschaulichung dient und dass die verschiedenen strukturellen und Betriebsmerkmale, die hier offenbart werden, mehrere Modifikationen erfahren können, von denen keine von dem Gedanken und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abweicht. Die vorangehende Beschreibung soll deshalb nicht den Schutzbereich der Erfindung einschränken. Stattdessen soll der Schutzbereich der Erfindung nur durch die angehängten Ansprüche und ihre Äquivalente bestimmt werden.
