DE102013217640A1

DE102013217640A1 - Verfahren zur Anbringung eines Befestigungselements an ein Werkstück, Kombination einer Scheibe mit einer Matrize sowie Matrize

Info

Publication number: DE102013217640A1
Application number: DE102013217640.6A
Authority: DE
Inventors: Oliver Diehl; Dr. Humpert Richard; Andreas Lembach
Original assignee: Profil Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Profil Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2015-03-05
Also published as: CA2862054A1; EP2845680A1; CN104514796A; US20150059156A1; RU2014135995A; IN2014DE02479A

Abstract

Ein Verfahren zur Anbringung eines Befestigungselements an ein Werkstück mit Hilfe einer Scheibe sowie einer Matrize wird beschrieben. Das Befestigungselement weist einen Flansch größeren Durchmessers, einen Nietabschnitt kleineren Durchmessers, der sich vom Flansch wegerstreckt und eine Werkstückanlagefläche auf der dem Nietabschnitt zugewandten Seite des Flansches auf, die Matrize ist zur Aufnahme der Scheibe vorgesehen und weist einen mittleren Pfosten auf, dessen Stirnseite mindestens flächenbündig mit der dem Werkstück zugewandten Seite der Scheibe liegt. Das nicht vorgelochte Werkstück wird vor der genannten Stirnseite des mittleren Pfostens und dem freien Stirnendes des Nietabschnitts gelocht und der Nietabschnitt des Befestigungselements wird anschließend zu einem Nietbördel umgeformt. Es werden außerdem eine Matrize und eine Kombination einer Matrize mit einer Scheibe beansprucht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anbringung eines Befestigungselements an ein Werkstück mit Hilfe einer Scheibe, insbesondere einer Metallscheibe, sowie einer Matrize und eine Kombination einer Scheibe mit einer Matrize.
Solche Verfahren und Kombinationen sind aus der US 7,160,047 bekannt, bei denen das Werkstück aus einem Verbundmaterial besteht, das dort als sprödes oder nachgiebiges Bauteil definiert wird, welches aus einem Material mit Hohlräumen oder Poren, wie zum Beispiel Kunststoffen, Holz, Metallschäumen, Metallen, die mit hohlen Körpern oder Kunststoffen oder einem anderen relative weichen Material gefüllt ist, besteht, und wahlweise in Form einer Sandwichkonstruktion oder als Verbundmaterial, zum Beispiel in der Form einer einlagigen oder mehrlagigen Struktur mit zum Beispiel zwei Blech- oder Kunststofflagen mit einem Kern aus einem der obengenannten Stoffen oder Materialien vorliegt.
Die vorliegende Erfindung befasst sich dagegen insbesondere mit Werkstücken, die aus einem faser- oder gewebeverstärkten Kunststoff bestehen und insbesondere solche mit einem duroplastischen Matrixmaterial, wobei die Erfindung allerdings auch zur Anwendung mit Werkstücken in Form von Blechteilen geeignet ist. Im Gegensatz zu den in der US 7,160,047 definierten Materialien sind die vorliegenden Werkstücke durchaus relativ hart und dünn, so dass andere Überlegungen für die Verarbeitung der Materialien im Sinne der Anbringung von Befestigungselementen anzustellen sind.
Als Befestigungselemente kommen solche Arten in Frage, die einen Flansch größeren Durchmessers, einen Nietabschnitt kleineren Durchmessers, der sich vom Flansch wegerstreckt und eine Werkstückanlagefläche auf der dem Nietabschnitt zugewandten Seite des Flansches aufweisen, wobei die Werkstückanlagefläche den Nietabschnitt umgibt. Beispiele für solche Befestigungselemente umfassen unter anderem insbesondere Bolzenelemente, die im Handel mit den Namen SBF von der vorliegenden Anmelderin erhältlich sind und Mutterelemente mit den Bezeichnungen RSN und RSF, die ebenfalls von der vorliegenden Anmelderin erhältlich sind.
Das SBF-Element ist beispielsweise im US Patent 4,555,838 und im US-Patent 4,459,073 beschrieben. Das SBF-Element und das Verfahren zur Anbringung des Elements sind außerdem im US-Patent 4,543,701 und im US-Patent 4,727,646 genau angegeben. Eine verbesserte Version des SBF-Bolzens ist der EP-B-1430229 zu entnehmen.
RSN-Elemente sind beispielsweise in der EP-A-0,539,739 und RSF-Elemente im US-A-4,610,072 beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem Befestigungselemente der genannten Art an Werkstücke angebracht werden, die insbesondere aus einem faser- oder gewebeverstärkten Kunststoff bestehen und insbesondere solche mit einem duroplastischen Matrixmaterial und gegebenenfalls auch dazu geeignet ist, mindestens in einer leicht abgewandelter Form mit Werkstücken in Form von Blechteilen angewandt zu werden.
Unter der Bezeichnung faser- oder gewebeverstärkten Kunststoff versteht man Verbundwerkstoffe die hochfeste Fasern wie zum Beispiel Aramidfasern, Kohlenfasern oder Glasfasern aufweisen, die entweder als relativ kurze Füllfasern oder als lange Filamente oder in Form eines aus Filamenten gefertigten Gewebes in einem Matrixmaterial aus Kunststoff eingebettet sind. Als Kunststoff können zwar thermoplastische Materialien verwendet werden, für Karosseriebauteile werden aber üblicherweise duroplastische Kunststoffe verwendet. Die entsprechenden Bauteile liegen vorwiegend in Tafelform vor, im Regelfall mit einer dreidimensionalen Formgebung.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Matrize vorgesehen, die an einer Stirnseite zur Aufnahme der Scheibe ausgebildet ist und einen mittleren Pfosten aufweist, dessen Stirnseite mindestens flächenbündig mit der dem Werkstück zugewandten Seite der Scheibe liegt und gegebenenfalls über diese Seite der Scheibe hinausragt. Das nicht vorgelochte Werkstück wird vor der genannten Stirnseite des mittleren Pfostens bzw. vor oder auf der Scheibe angeordnet und mittels des freien Stirnendes des Nietabschnitts des Befestigungselements, das auf die der Matrize abgewandten Seite des Werkstückes zubewegt wird, in Zusammenarbeit mit dem mittleren Pfosten im Bereich der Stirnseite der Matrize gelocht. Der Nietabschnitt des Befestigungselements wird dabei durch einen sich zwischen der Lochung der Scheibe und dem mittleren Pfosten der Matrize befindlichen Ringspalt hindurchgeführt und mittels einer auf der dem Werkstück abgewandten Seite der Scheibe sich befindlichen in etwa konkav gerundeten, den mittleren Pfosten umgebenden Ringfläche der Matrize zu einem Nietbördel umgeformt, wobei das Werkstück und die Scheibe zwischen der Werkstückauflagefläche des Befestigungselements und dem Nietbördel eingeklemmt wird.
Die Erfindung beruht zunächst auf der Erkenntnis, dass bei adäquater Abstützung des faser- oder gewebeverstärkten Werkstücks auf der Scheibe und auf der Stirnseite des mittleren Pfostens, wobei ein Ringspalt zwischen dem Lochrand des Loches der Scheibe und dem mittleren Pfosten vorliegt, der Druck des freien Stirnendes des Nietabschnittes auf das Werkstück dazu führt, dass das duroplastische Matrixmaterial dort im kalten Zustand, d. h. in etwa bei Raumtemperatur, zerbröselt, wodurch der entstandene Stanzbutzen in etwa die Größe der Stirnfläche des mittleren Pfostens der Matrize aufweist und der Nietabschnitt durch den Ringspalt hindurch geführt werden kann, ohne dass er durch den zerbröselten Kunststoff oder die Faser-/Gewebereste, die noch vom Lochrand des so gelochten Werkstücks oder vom Stanzbutzen hinausragen, an dieser Bewegung gehindert wird.
Die Bewegung des hohlen Nietabschnittes durch den genannten Ringspalt und die anschließende Umbördelung des Nietabschnittes an der insbesondere halbtorusförmigen, konkaven Ringfläche zu einem Nietbördel führt dazu, dass das Werkstück und die Scheibe zwischen der Werkstückauflagefläche des Befestigungselements und dem Nietbördel eingeklemmt werden. Die Scheibe dient dann als Lastverteiler so, dass die Flächenpressung zwischen der Scheibe und dem Werkstück aufgrund der Fläche der Scheibe innerhalb von zulässigen Grenzen gehalten werden kann. Dennoch lässt sich ein hochwertiger Nietbördel ausbilden, so dass der Ausziehwiderstand sowohl bei einem Bolzenelement als auch bei einem Mutterelement recht hoch ist. Hierdurch kann ein zweites Bauteil an das Werkstück befestigt werden, und zwar dadurch, dass bei Anwendung eines Bolzenelements dessen Schaftteil durch ein Loch im zweiten Bauteil hindurchgeführt und einer Mutter, die auf dem Schaftteil des Bolzenelements aufgeschraubt wird. Bei der Anbringung eines Mutterelements am Werkstück kann das zweite Bauteil an das Werkstück dadurch befestigt werden, dass ein Bolzen durch ein Loch im zweiten Bauteil in das Gewinde des Mutterelements eingeschraubt wird.
Bei dieser Ausführung der Erfindung wird der Stanzbutzen bei einem Bolzenelement innerhalb des Hohlraumes des Nietabschnitts eingedrückt und versteift dort die Verbindung zwischen dem Nietbördel und der Scheibe.
Je nachdem wie lang der Hohlraum des Nietabschnitts ist und wie dick das Werkstück ist, kann es von Vorteil sein, den mittleren Pfosten so zu verlängern, dass der Stanzbutzen gegen das Ende des Hohlraums gedrückt wird. Ferner kann der mittlere Pfosten mit einem konusförmigen Stirnende versehen werden, das den Stanzbutzen konusförmig eindellt. Hierdurch wird der Durchmesser des Stanzbutzens etwas verkleinert, wodurch er einfacher in den Hohlraum eingedrückt werden kann. Ferner kann dann der Ringspalt in seiner radialen Breite kleiner gemacht werden, wodurch die Menge an zerbröseltem Material verkleinert wird und die Zerbröselung leichter von statten geht. Darüber hinaus kann auf diese Weise das Durchstanzen eines Werkstücks in Form eines Blechteils durchgeführt werden, wobei zum Beispiel die Scheibe zur Versteifung der Anbindung eines Befestigungselements an ein dünnes Blechteil oder an ein weiches Blechteil verwendet werden kann.
Verdrehsicherungsmerkmale sind mit Vorteil auf der Werkstückanlagefläche vorgesehen und werden durch die Bewegung des Befestigungselements auf das Werkstück zu in Eingriff mit dem Material des Werkstücks gebracht. Hierdurch wird die Verdrehsicherheit der Anbindung des Befestigungselements an das Werkstück erhöht.
Bei dem Befestigungselement kann es sich, wie bereits erwähnt, um ein Bolzenelement handeln, dessen vorzugsweise ein Gewinde aufweisendes Schaftteil sich von der dem Nietabschnitt abgewandten Seite des Flansches wegerstreckt, wobei der aus dem Werkstück herausgestanzte Butzen innerhalb des Nietabschnitts und durch den mittleren Pfosten der Matrize in Eingriff mit dem Boden des hohlen Nietabschnitts gebracht wird.
Alternativ hierzu kann es sich bei dem Befestigungselement um ein hohles Mutterelement handeln, wobei der aus dem Werkstück herausgestanzte Butzen durch den mittleren Pfosten der Matrize innerhalb des hohlen Nietabschnitts bzw. in Eingriff mit der durch den Übergang des hohlen Nietabschnitts in das Innengewinde gebildeten Schulter gebracht wird und anschließend aus dem Nietabschnitt heraus entfernt wird.
Die Entfernung des Stanzbolzens kann zum Beispiel der Anbringung des hohlen Mutterelements durch einen sich durch das Gewinde des Mutterelements hindurch bewegenden Stempel durchgeführt werden.
Wie ebenfalls bereits erwähnt kann die Stirnseite des mittleren Pfostens eine zumindest in etwa konusförmige Erhebung aufweisen, die dazu verwendet wird, um den Stanzbutzen konusförmig zu verformen und damit im Durchmesser zu verkleinern, wodurch die Einführung in den Nietabschnitt hinein erleichtert wird.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner die Kombination einer Scheibe, insbesondere einer Metallscheibe mit einer Matrize zur Anbringung eines einen Nietabschnitt aufweisenden Befestigungselements an ein Werkstück, wobei die Matrize zur Aufnahme der Scheibe vorgesehen ist und einen mittleren Pfosten aufweist, dessen Stirnseite mindestens flächenbündig mit der dem Werkstück zugewandten Seite der Scheibe liegt und gegebenenfalls über diese Seite der Scheibe hinausragt, wobei ein sich zwischen der Lochung der Scheibe und dem mittleren Pfosten der Matrize befindlicher Ringspalt vorgesehen ist, und der mittlere Pfosten auf der dem Werkstück abgewandten Seite der Scheibe von einer konkav gerundeten Ringfläche der Matrize umgeben ist.
Dabei kann die Scheibe mit Vorteil in einer Ringvertiefung der Matrize untergebracht werden, die den mittleren Pfosten umgibt, wobei die dem Werkstück zugewandte Seite der Scheibe zumindest in etwa flächenbündig mit der stirnseitigen Fläche der Matrize radial außerhalb der Scheibe ist. Die Ringvertiefung zentriert die Scheibe in Bezug auf den Pfosten und stellt somit sicher, dass der Ringspalt eine gleichmäßige Breite aufweist.
Die Erfindung umfasst ferner eine Matrize gemäß Anspruch 10, wobei besondere Weiterbildungen der Matrize in den Ansprüchen 11 und 12 beschrieben sind.
Zusammenfassend wird hier eine gelochte Unterlegscheibe benutzt, die einerseits beim Einstanzen als Matrize dient, damit das faserverstärkte Material an der Stelle, wo es geschnitten wird, unterstützt wird, und nicht die Schneidkräfte dazu führen, dass Material in die Matrize eingezogen wird und dabei zerbröselt. Im eingestanzten Zustand dient die Unterlegscheibe andererseits dazu, die Flächenpressung zwischen Bolzen und Kunststoff in Durchzugsrichtung zu verringern.
Weiterbildungen der Erfindung werden anhand von praktischen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:
1A bis 1C ein SBF-Bolzenelement entsprechend der EP-B-1430229 , und zwar in einer Stirnansicht (1A) auf den Nietabschnitt des Bolzenelements in Pfeilrichtung I der 1B gesehen, in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht (1B) und in einer perspektivischer Darstellung (1C),
2A bis 2C Darstellungen von drei Phasen der Anbringung des Bolzenelements gemäß 1A bis 1C an ein Werkstück, wobei die 2A die Ausgangssituation, die 2B die Positionierung einer Matrize unterhalb des Werkstücks und 2C das fertige Zusammenbauteil zeigen,
3A bis 3C eine Zeichnungsreihe entsprechend den 1A bis 1C, jedoch mit einer abgewandelten Form des Bolzenelements,
4A bis 4C eine Zeichnungsreihe entsprechen den 2A bis 2C, jedoch mit Anwendung des Bolzenelements gemäß 3A bis 3C.
5A bis 5C eine Zeichnungsreihe entsprechend den 1A bis 1C, jedoch mit einem Mutterelement anstelle eines Bolzenelements und
6A bis 6D eine Zeichnungsreihe entsprechend den 2A bis 2C, wobei die zusätzliche 6D das fertige Zusammenbauteil nach der Entfernung des Stanzbutzens zeigt.
Die 1A bis 1C zeigen ein Befestigungselement 10, hier in Form eines Bolzenelements, das einen Flansch 12 größeren Durchmessers D1, einen Nietabschnitt 14 kleineren Durchmessers D2, der sich vom Flansch 12 wegerstreckt und eine Werkstückanlagefläche 16 auf der dem Nietabschnitt 14 zugewandten Seite 18 des Flansches 12 aufweist, wobei die Werkstückanlagefläche 16 den Nietabschnitt 14 umgibt. Das Bolzenelement 10 weist ferner einen Schaftteil 20 mit einem Gewindezylinder 22 auf, der auf der dem Nietabschnitt 14 abgewandten Seite des Flansches 12 wegragt und von einer ringförmigen Anlagefläche 24 umgeben ist, an der ein Bauteil (nicht gezeigt) befestigt werden kann, wobei das weitere Bauteil mit einem Loch versehen wird, durch das der Schaftteil 20 hindurchgeführt wird, wobei das Bauteil an der Anlagefläche 24 mittels einer Mutter (ebenfalls nicht gezeigt) geklemmt werden kann, die auf den Gewindezylinder geschraubt wird.
Ferner sind Verdrehsicherungsmerkmale 26 in Form von Vertiefungen 28 und dazwischen angeordneten Rippen 30 auf der Werkstückanlagefläche 16 vorgesehen. Das freie Stirnende des Bolzenelements ist mit einer gerundeten Kante 32 und einer konusförmigen Schneidfläche 34 versehen.
Wie aus der 1B ersichtlich, sind die Verdrehsicherungsmerkmale 32 und 34 hier auf einer konusförmigen Werkstückanlagefläche 16 ausgebildet, d. h. es handelt sich hier um ein Element, das nicht nur entsprechend der EP-B-1430229 , sondern auch entsprechend der EP-B-1497073 ausgebildet ist. Auch käme eine konusförmige Ausbildung entsprechend der EP-B-1381785 in Frage. Die Anwendung einer konusförmigen Werkstückanlagefläche 16 ist allerdings nicht zwingend erforderlich, die Werkstückanlagefläche 16 könnte zum Beispiel in einer Ebene liegen, die senkrecht zur mittleren Längsachse 17 des Bolzenelements steht.
Das Verfahren zur Anbringung des an sich bekannten Bolzenelements 10 an einem Werkstück wird nunmehr anhand der 2A bis 2C näher erläutert.
Die 2A zeigt das Bolzenelement 10 in der Lage gemäß 1B unmittelbar oberhalb eines Werkstücks 40 angeordnet, wobei eine vorgelochte Scheibe 42 auf der dem Bolzenelement 10 abgewandten Seite 44 des Werkstücks angeordnet ist. Das Loch 46 der Scheibe ist koaxial zur mittleren Längsachse 17 des Bolzenelements ausgerichtet und hat einen inneren Durchmesser D2, der dem Außendurchmesser D2 des Nietabschnitts 14 entspricht.
Das Werkstück 40 besteht hier aus einem faser- oder gewebeverstärkten Kunststoff, wie oben definiert, könnte aber auch durch ein Blechteil gebildet werden. Obwohl der hier gezeigte Ausschnitt aus dem Werkstück 40 planar dargestellt ist, könnte es auch dreidimensional geformt sein oder sich um einen planaren Bereich eines dreidimensional geformten Werkstücks 40 handeln. Ferner muss das Werkstück nicht aus einem einzelnen Bauteil bestehen, sondern könnte es sich um zwei oder mehrere übereinandergelegte Werkstücke handeln, die alle oder nur einige davon aus einem faser- oder gewebeverstärkten Kunststoff bestehen.
Wie in der 2B gezeigt, wird dann eine Matrize 50 unterhalb des Werkstücks positioniert, wobei die Matrize 50 zur Aufnahme der Scheibe 42 vorgesehen ist sowie einen mittleren Pfosten 52 aufweist, dessen Stirnseite 54 mindestens flächenbündig mit der Stirnseite 55 der Matrize außerhalb der Scheibe 42 und mit der dem Werkstück 40 zugewandten Seite 43 der Scheibe 42 liegt. Gegebenenfalls kann die Stirnseite 54 des mittleren Pfostens 52 über die Seite 43 der Scheibe 42 hinausragen, wie in 4B gezeigt. Die Matrize 50 hat ferner eine mittig angeordnete Längsbohrung 51 zur Druckentlastung.
In diesem Beispiel ist die Scheibe in einer Ringvertiefung 53 der Matrize 50 angeordnet, die von einer Ringfläche 55 der Matrize 50 umgeben ist. Es befindet sich ein Ringspalt 48 zwischen dem Rand des Loches 46 der Scheibe und dem mittleren Pfosten 52 der Matrize, da der mittlere Pfosten 52 einen Außendurchmesser in der mittleren Höhe der Scheibe aufweist, der im Wesentlichen dem inneren Durchmesser D3 des Nietabschnitts 14 entspricht. Dabei divergiert der mittlere Pfosten 52 in der Richtung nach unten in 2B und geht in eine konkave, halbtorusförmige Ringvertiefung 58 über. Die Scheibe 42 wird somit von der Ringvertiefung zentriert und koaxial mit der mittleren Längsachse 17 des Bolzenelements 10 gehalten.
Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Scheibe von einer Ringfläche 55 der Matrize umgeben ist, es reicht schließlich, wenn die Scheibe von irgendwelchen Formmerkmalen zentriert wird, beispielsweise von Stiften (nicht gezeigt), die in die Matrize 50 eingesetzt werden.
Das nicht vorgelochte Werkstück 40 ist vor der genannten Stirnseite 54 des mittleren Pfostens bzw. vor oder auf der Scheibe 42 angeordnet und wird in Zusammenarbeit mit dem mittleren Pfosten 52 im Bereich der Stirnseite der Matrize 50 mittels des freien Stirnendes 33 des Nietabschnitts 14 des Befestigungselements 10 durchstanzt, wenn das Bolzenelement auf die der Matrize abgewandten Seite 45 des Werkstückes zu bewegt wird. Der Nietabschnitt des Befestigungselements wird anschließend durch den sich zwischen der Lochung 46 der Scheibe und dem mittleren Pfosten der Matrize befindlichen Ringspalt hindurchgeführt und mittels einer auf der dem Werkstück 40 abgewandten Seite der Scheibe sich befindlichen in etwa konkav gerundeten, den mittleren Pfosten umgebenden Ringfläche 58 der Matrize 50 zu einem Nietbördel 60 umgeformt. Hierdurch wird das Werkstück 40 und die an dem Werkstück 40 fest anliegenden Scheibe 42 zwischen der Werkstückauflagefläche 16 des Befestigungselements und dem Nietbördel 60 eingeklemmt.
Bei dem Durchstanzen des Werkstücks 40 mit dem freien Stirnende 33 des Nietabschnitts 14 wird das Material des Werkstücks 40, wenn es sich um faser- oder gewebeverstärkten Kunststoff handelt (insbesondere ein duroplastischer Kunststoff), das unmittelbar im Berührung mit dem Stirnende des Nietabschnitts gelangt, zerbröselt und die Verstärkungsfasern bzw. -filamente durchtrennt.
Der Stanzbutzen 62 liegt zunächst auf der Stirnseite des mittleren Pfostens 52 auf und wird in den Endbereich des inneren Hohlraums des Nietabschnitts gedrückt und klemmt dort fest, wie aus der 2C ersichtlich. Der Stanzbutzen 62 hat aufgrund der Zerbröselung des Kunststoffs einen Durchmesser im entspannten Zustand, der etwas kleiner ist als D2 und etwas größer ist als D3. Somit wird der Stanzbutzen 62 durch Kompressionskräfte in den Hohlraum des Nietabschnitts unmittelbar am Ende des Hohlraums kraftschlüssig gehalten. Wenn das fertige Zusammenbauteil gemäß 2C von der Matrize 50 getrennt wird, bleibt der Stanzbutzen 62 innerhalb des Hohlraumes des Nietabschnitts 14 stehen und versteift den Nietbördel 60 und verbessert somit die Anbindung des Befestigungselements 10 am Werkstück 40.
Die konusförmig divergierende Form des mittleren Pfostens unterstützt die Umformung des Nietabschnitts 14 zu dem Nietbördel 60 durch die konkave Ringfläche, indem es die nach außen gerichtete Bördelbewegung des Nietabschnitts und die damit einhergehende Streckung des Nietabschnitts 13 einleitet.
Obwohl das Verfahren so beschrieben ist wie anhand der 2A bis 2C erkennbar ist, und ein derartiges Vorgehen durchaus möglich ist, wird in der Praxis das Verfahren üblicherweise anders ablaufen. Zum Beispiel wird die Scheibe 42 üblicherweise erst in die Ringvertiefung 53 eingesetzt und das Werkstück 40 erst anschließend über die Matrize 50 positioniert.
Für die Anbringung des Befestigungselements 10 wird es normalerweise in einen hier nicht gezeigten Setzkopf (der für sich bestens bekannt ist,) eingeführt, der solche Befestigungselemente eines nach dem anderen an eine Folge von Werkstücken 49 liefert. Dabei wird üblicherweise auch ein gefederter Niederhalter (ebenfalls nicht gezeigt, jedoch auch für sich bestens bekannt) verwendet, der das Befestigungselement umfasst und welcher dazu dient, das Werkstück an die Stirnseite der Matrize 50 bzw. der Scheibe oder des mittleren Pfostens 52 zu drücken, damit dieses in seiner vorgesehenen Position gehalten werden kann. Das Befestigungselement 10 wird üblicherweise von einem Stempel (ebenfalls nicht gezeigt) des Setzkopfes in Richtung auf das Werkstück zu bewegt, wobei der Stempel zur Aufnahme des Schaftteils 20 des Befestigungselementes 10 eine mittig angeordnete Bohrung (nicht gezeigt) aufweist. Unterhalb des Werkstücks 40 befindet sich die Matrize 50 mit einer zylindrischen Form, die in einer entsprechenden Bohrung (nicht gezeigt) eines Werkzeugs (ebenfalls nicht gezeigt) eingelassen ist.
Es handelt sich hier, wie üblich bei der Anbringung von Befestigungselementen, um einen Setzkopf, der am oberen Werkzeug einer Presse oder an einer Zwischenplatte der Presse angeordnet ist, während es sich beim die Matrize 50 aufnehmenden Werkzeug um die Zwischenplatte der Presse bzw. um das untere Werkzeug der Presse handelt. Auch wäre eine umgekehrte Anordnung möglich, bei der der Setzkopf am unteren Werkzeug der Presse oder an einer Zwischenplatte der Presse angebracht ist, während sich die Matrize 50 dann an der Zwischenplatte bzw. am oberen Werkzeug der Presse befindet.
Es ist keinesfalls zwingend erforderlich, eine Presse für die Anbringung des Befestigungselements an das Werkstück zu verwenden. Es könnte beispielsweise in an sich bekannter Weise ein Roboter, beispielsweise nach dem europäischen Patent 0 691 900 , zur Anwendung gelangen, wobei die Matrize 50 und der Setzkopf dann vom Roboter getragen werden. Es könnte aber auch ein Schlagwerkzeug oder andere Werkzeuge für die Anbringung der Funktionselementanordnung am Bauteil verwendet werden, beispielsweise ein Werkzeug nach einem der nachfolgenden Schutzrechte DE-PS 197 47 267 , EP 0 890 397 oder DE-PS 197 01 088 .
Es ist zwar allgemein üblich, Befestigungselemente 10 mit der mittleren Längsachse 17 vertikal angeordnet an ein Werkstück anzubringen, und eine solche Orientierung ist keinesfalls zwingend erforderlich. Stattdessen kann die mittlere Längsachse 17 eine beliebige Orientierung im Raum annehmen. Wenn daher geometrische Begriffe wie vertikal oder oben oder unten oder oberhalb oder unterhalb in dieser Anmeldung verwendet werden, so ist dies so zu verstehen, dass die Bezeichnungen sich lediglich auf die Orientierung der entsprechenden Figur zurückzuführen ist und keineswegs einschränkend auszulegen ist.
Ferner ist darauf hinzuweisen, dass die Verdrehsicherungsmerkmale 28, 30 durch die starken Presskräfte, die angewandt werden, vollständig in Eingriff mit dem Material des Werkstückes 40 gebracht werden, so dass sich ein höherer Verdrehwiderstand ergibt, der verhindert, dass das Bolzenelement gegenüber dem Werkstück gedreht wird.
Wenn es sich bei dem Befestigungselement um ein Bolzenelement 10 handelt, dessen vorzugsweise ein Gewinde 22 aufweisendes Schaftteil 20 sich von der dem Nietabschnitt 14 abgewandten Seite 24 des Flansches 12 wegerstreckt, wird somit der aus dem Werkstück herausgestanzte Stanzbutzen 62 innerhalb des Nietabschnitts 14 und durch den mittleren Pfosten 52 der Matrize 50 in Eingriff mit dem Boden des hohlen Nietabschnitts gebracht.
Die 3A bis 3C zeigen eine alternative Form eines Bolzenelements 10, das mit den gleichen Bezugszeichen versehen wird wie in den 1A bis 1C und 2A bis 2C verwendet. Es versteht sich, dass Teile die mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind, die gleiche Form oder Funktion haben wie die bisher beschriebenen Teile, es sei denn, etwas Gegenteiliges wird gesagt, so dass eine erneute Beschreibung dieser Teile oder ihrer Funktion nicht erforderlich ist, sondern es gilt noch die bisherige Beschreibung. Diese Konvention gilt für alle hierin beschriebenen Teile, und die weitere Beschreibung konzentriert sich jetzt nur auf die Unterschiede.
Das Bolzenelement 10 der 3A bis 3C unterscheidet sich vom Bolzenelement gemäß den 1A bis 1C dadurch, dass das freie Stirnende 33 des Nietabschnitts 14 über zumindest im Wesentlichen die gesamte radiale Breite durch eine Konusfläche 34 gebildet ist.
Das Bolzenelement 10 der 3A bis 3C kann mit dem Verfahren gemäß 2A bis 2C an ein Werkstück angebracht werden; noch besser ist es, ein leicht modifiziertes Verfahren gemäß den 4A bis 4C zu verwenden. Dieses Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung unterscheidet sich von dem bzw. der der 2A bis 2C dadurch, dass der mittlere Pfosten hier ein freies Stirnende 54 aufweist, das über die Stirnseite 55 der Matrize 50 hinausragt, in diesem Beispiel um in etwa die Hälfte der Dicke des Werkstücks. Auch hier ist der mittlere Pfosten 52 mit einer abgerundeten Kante 56 versehen und an dem vorderen Ende radial innerhalb der abgerundeten Kante flach und steht dort senkrecht zur mittleren Längsachse 17 des Bolzenelements. Alternativ hierzu könnte der mittlere Pfosten an seinem freien Ende konusförmig ausgebildet sein, und zwar so, dass die Konusform in Richtung von der Matrize 50 weg konvergiert.
Das Verfahren gemäß den 4A bis 4C läuft im Prinzip genauso ab wie bei der Ausführungsform gemäß den 2A bis 2C mit Ausnahme der Durchstanzung des Werkstücks 40. Diese Konusfläche 34 des Nietabschnitts führt auch hier zu der erwünschten Zerbröselung des Werkstücks, wenn es sich um einen faser- oder gewebeverstärkten Kunststoff mit duroplastischem Matrixmaterial handelt, die Zusammenarbeit mit der vorstehenden Form des mittleren Pfostens führt aber dazu, dass der Stanzbutzen 62 eine eingedellte oder konische Form annimmt und somit leichter in den Hohlraum des Nietabschnitts eingepresst werden kann. Die Formgebung 34 am Ende des Nietabschnitts 14 kann auch von Vorteil sein, wenn es sich um ein metallisches Werkstück 40 handelt.
Anstatt eines Bolzenelements 10 kann auch ein Mutterelement 10 verwendet werden wie in den 5A bis 5C dargestellt. Der Unterschied hier liegt vor allem darin, dass es sich bei einem Mutterelement um ein hohles Element ohne Schaftteil handelt, das mit einem Gewindezylinder 22 in Form eines Innengewindes innerhalb des Flansches 12 versehen ist, wobei der Außendurchmesser des Gewindes kleiner ist als der Innendurchmesser des Nietabschnitts 14. Es befindet sich eine Ringschulter 64 am Übergang von dem Hohlraum des Nietabschnitts in den Gewindezylinder 22. Wie das Mutterelement an ein Werkstück angebracht wird, wird in den 6A bis 6D gezeigt.
Die 6A bis 6D sind mit den gleichen Bezugszeichen wie die 2A bis 2C und 4A bis 4C versehen. Die Übereinstimmung ist klar zu erkennen und eine erneute detaillierte Beschreibung entbehrlich.
Hier ist es nicht angebracht, den Stanzbutzen innerhalb des Hohlraums des umgebördelten Nietabschnitts permanent zu fixieren, sondern es wird hier der Stanzbutzen nachträglich entfernt, wie durch einen Vergleich der 6C und 6D ersichtlich ist.
Der aus dem Werkstück 40 durch den mittleren Pfosten 52 der Matrize 50 herausgestanzte Butzen 62 wird zunächst innerhalb des hohlen Nietabschnitts 14 bzw. in Eingriff mit der durch den Übergang des hohlen Nietabschnitts in das Innengewinde 22 gebildeten Ringschulter 66 gebracht. Anschließend, in einem zweiten Bearbeitungsschritt, der im Anschluss an den Bearbeitungsschritt, der in 6C zu Ende ist, wird der Stanzbutzen 62 aus dem Nietabschnitt 14 entfernt.
Die Entfernung des Stanzbutzens 62 kann zum Beispiel mit einem Stempel und einer weiteren Matrize (nicht gezeigt) erfolgen, die das Zusammenbauteil gemäß 6C von unten abstützt. Der ebenfalls nicht gezeigte Stempel wird dann durch das hohle Element 10' geführt wird und drückt den Stanzbutzen nach unten in eine Passage der weiteren Matrize, die bemessen ist, um den Stanzbutzen durch Schwerkraft und oder einen Luftstoß zu entfernen.
Auch könnte die Entfernung des Stanzbutzens nach der Fertigstellung des Zusammenbauteils gemäß 6C in einer getrennten Anlage stattfinden beispielsweise mittels einer Schraube, die in das Innengewinde 22 eingeschraubt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Kombination einer Scheibe 42, insbesondere einer Metallscheibe 42 mit einer Matrize 50 zur Anbringung eines einen Nietabschnitt 14 aufweisenden Befestigungselements 10. 10' an ein Werkstück 40, wobei die Matrize 50 zur Aufnahme der Scheibe 42 vorgesehen ist sowie einen mittleren Pfosten 52 aufweist, dessen Stirnseite 54 mindestens flächenbündig mit der dem Werkstück 40 zugewandten Seite 43 der Scheibe 42 liegt und gegebenenfalls über diese Seite der Scheibe 42 hinausragt, wobei ein sich zwischen der Lochung der Scheibe 42 und dem mittleren Pfosten 52 der Matrize befindlicher Ringspalt 48 vorgesehen ist, und der mittlere Pfosten 52 auf der dem Werkstück 40 abgewandten Seite der Scheibe 42 von einer konkav gerundeten Ringfläche 58 der Matrize umgeben ist.
Dabei liegt die Scheibe 42 vorzugsweise in einer Ringvertiefung 53 der Matrize, die den mittleren Pfosten umgibt, und die dem Werkstück zugewandte Seite der Scheibe ist zumindest in etwa flächenbündig mit der stirnseitigen Fläche 55 der Matrize 50 radial außerhalb der Scheibe 42.
Schließlich umfasst die Erfindung auch eine Matrize 50 zur Anbringung eines einen Nietabschnitt 14 aufweisenden Befestigungselements 10, 10' an ein Werkstück 40, wobei die Matrize 50 an ihrer einen Stirnseite 55 zur Aufnahme einer Scheibe 42 vorgesehen ist sowie einen mittleren Pfosten 52 aufweist, dessen Stirnseite 54 mindestens flächenbündig mit der dem Werkstück 40 zugewandten Seite der Scheibe 42 liegt und gegebenenfalls über diese Seite der Scheibe hinausragt, wobei ein sich zwischen der Lochung der Scheibe 42 und dem mittleren Pfosten 52 der Matrize 50 befindlicher Ringspalt 48 vorgesehen ist und der mittlere Pfosten 52 auf der dem Werkstück 40 abgewandten Seite der Scheibe 42 von einer konkav gerundeten Ringfläche 58 der Matrize 50 umgeben ist.
Auch hier ist vorzugsweise eine Ringvertiefung 53 an der genannten Stirnseite 55 der Matrize 50 vorgesehen, die so bemessen ist, dass im Betrieb die Scheibe 42, die den mittleren Pfosten umgibt, an der dem Werkstück zugewandten Seite der Scheibe zumindest in etwa flächenbündig mit der stirnseitigen Fläche der Matrize radial außerhalb der Scheibe liegt. Die Stirnseite des mittleren Pfostens kann gerundet sein wie in den 2B, 4B und 6B gezeigt oder sie kann eine zumindest in etwa konusförmige Erhebung aufweisen.
Bei allen Ausführungsformen können als Beispiel für den Werkstoff der Befestigungselemente alle Materialien genannt werden, die im Rahmen der Kaltverformung die Festigungswerte der Klasse 8 gemäß ISO-Standard oder höher erreichen, beispielsweise eine 35B2-Legierung gemäß DIN 1654. Auch können Aluminiumlegierungen, insbesondere solche mit hoher Festigkeit, für das die Befestigungselemente benutzt werden, z. B. AlMg5. Auch kommen Befestigungselemente aus höherfesten Magnesiumlegierungen wie beispielsweise AM50 in Frage.
Bezugszeichenliste

10: Befestigungselement (Bolzenelement oder Mutterelement
12: Flansch
14: Nietabschnitt
16: Werkstückanalagefläche
17: mittlere Längsachse des Befestigungselements
18: Seite des Flansches
20: Schaftteil
22: Gewindezylinder
24: Anlagefläche für weiteres Bauteil
26: Verdrehsicherungsmerkmale
28: Verdrehsicherungsvertiefung
30: Verdrehsicherungsnase
32: gerundete Kante
33: freies Stirnseite des Nietabschnitts
34: konusförmige Fläche
40: Werkstück
42: Scheibe
43: Werkstück zugewandte Stirnseite der Scheibe
44: Matrize zugewandte Seite des Werkstücks
45: Matrize abgewandte Seite des Werkstücks
46: Loch, Lochung der Scheibe 42
48: Ringspalt
50: Matrize
51: Druckentlastungsbohrung
52: mittlerer Pfosten der Matrize
53: Ringvertiefung
54: Werkstück zugewandte Stirnseite des mittleren Pfostens
55: Werkstück zugewandte Stirnseite der Matrize
56: abgerundete Kante des mittleren Pfostens
58: konkave Ringvertiefung
60: Nietbördel
62: Stanzbutzen
64: Ringschulter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7160047 [0002, 0003]
US 4555838 [0005]
US 4459073 [0005]
US 4543701 [0005]
US 4727646 [0005]
EP 1430229 B [0005, 0024, 0032]
EP 0539739 A [0006]
US 4610072 A [0006]
EP 1497073 B [0032]
EP 1381785 B [0032]
EP 0691900 [0046]
DE 19747267 [0046]
EP 0890397 [0046]
DE 19701088 [0046]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 1654 [0064]

Claims

Verfahren zur Anbringung eines Befestigungselements (10. 10') an ein Werkstück (40) mit Hilfe einer Scheibe (42), insbesondere einer Metallscheibe, sowie einer Matrize (50), wobei das Befestigungselement einen Flansch (12) größeren Durchmessers (D1), einen Nietabschnitt (14) kleineren Durchmessers (D2), der sich vom Flansch (12) wegerstreckt und eine Werkstückanlagefläche (16) auf der dem Nietabschnitt (14) zugewandten Seite des Flansches (12) aufweist, wobei die Werkstückanlagefläche (16) den Nietabschnitt (14) umgibt und die Matrize (50) zur Aufnahme der Scheibe (42) vorgesehen ist sowie einen mittleren Pfosten (52) aufweist, dessen Stirnseite (54) mindestens flächenbündig mit der dem Werkstück (40) zugewandten Seite der Scheibe (42) liegt und gegebenenfalls diese Seite der Scheibe hinausragt, wobei das nicht vorgelochte Werkstück (40) vor der genannten Stirnseite (54) des mittleren Pfostens (52) bzw. vor oder auf der Scheibe (42) angeordnet wird und mittels des freien Stirnendes (33) des Nietabschnitts (14) des Befestigungselements (10. 10'), das auf die der Matrize abgewandten Seite des Werkstückes (40) zubewegt wird, in Zusammenarbeit mit dem mittleren Pfosten (52) im Bereich der Stirnseite der Matrize (50) gelocht wird und der Nietabschnitt (14) des Befestigungselements durch einen sich zwischen der Lochung (46) der Scheibe und dem mittleren Pfosten (52) der Matrize befindlichen Ringspalt (48) hindurchgeführt und mittels einer auf der dem Werkstück (40) abgewandten Seite der Scheibe (42) sich befindlichen in etwa konkav gerundeten, den mittleren Pfosten umgebenden Ringfläche (58) der Matrize zu einem Nietbördel (60) umgeformt wird, wobei das Werkstück (40) und die Scheibe (42) zwischen der Werkstückauflagefläche (16) des Befestigungselements und dem Nietbördel (60) eingeklemmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Werkstück (40) aus einem Verbundwerkstoff besteht, insbesondere aus einem faserverstärkten duroplastischen Werkstoff, und der Werkstoff im Bereich der Stirnende (33) des Nietabschnitts (14) zerbröselt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Verdrehsicherungsmerkmale (26) auf der Werkstückanlagefläche (16) vorgesehen sind und durch die Bewegung des Befestigungselements (10, 10') auf das Werkstück (40) zu in Eingriff mit dem Material des Werkstücks gebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei dem Befestigungselement um ein Bolzenelement (10) handelt, dessen vorzugsweise ein Gewinde (22) aufweisendes Schaftteil (20) sich von der dem Nietabschnitt (14) abgewandten Seite des Flansches (12) wegerstreckt und der aus dem Werkstück (40) herausgestanzte Butzen (62) innerhalb des Nietabschnitts (14) und durch den mittleren Pfosten (52) der Matrize (50) in Eingriff mit dem Boden des hohlen Nietabschnitts gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei dem Befestigungselement (10') um ein hohles Mutterelement handelt und der aus dem Werkstück herausgestanzte Butzen (62) durch den mittleren Pfosten (52) der Matrize (50) innerhalb des hohlen Nietabschnitts (14) bzw. in Eingriff mit der durch den Übergang des hohlen Nietabschnitts (14) in das Innengewinde (22) gebildeten Schulter (64) gebracht wird und anschließend aus dem Nietabschnitt (14) heraus entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Entfernung des Butzens (62) bei der nach der Anbringung des hohlen Mutterelements (10') durch einen sich durch das Gewinde (22) des Mutterelements hindurch bewegenden Stempel durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stirnseite (54) des mittleren Pfostens (52) eine gerundete oder eine zumindest in etwa konusförmige Erhebung aufweist und verwendet wird, um den Stanzbutzen einzudellen bzw. konusförmig zu verformen und damit im Durchmesser zu verkleinern, wodurch die Einführung in den Nietabschnitt (14) hinein erleichtert wird.
Kombination einer Scheibe (42), insbesondere einer Metallscheibe mit einer Matrize (50) zur Anbringung eines einen Nietabschnitt (14) aufweisenden Befestigungselements (10, 10') an ein Werkstück (40), insbesondere nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Matrize (50) zur Aufnahme der Scheibe vorgesehen ist sowie einen mittleren Pfosten (52) aufweist, dessen Stirnseite (54) mindestens flächenbündig mit der dem Werkstück (40) zugewandten Seite der Scheibe (42) liegt und gegebenenfalls über diese Seite der Scheibe (42) hinausragt, wobei ein sich zwischen der Lochung (46) der Scheibe und dem mittleren Pfosten (52) der Matrize (50) befindlicher Ringspalt (48) vorgesehen ist, und der mittlere Pfosten auf der dem Werkstück (40) abgewandten Seite der Scheibe (42) von einer konkav gerundeten Ringfläche (58) der Matrize (50) umgeben ist.
Kombination nach Anspruch 8, wobei die Scheibe in einer Ringvertiefung (53) der Matrize untergebracht ist, die den mittleren Pfosten (52) umgibt, und die dem Werkstück (40) zugewandte Seite der Scheibe (42) zumindest in etwa flächenbündig mit der stirnseitigen Fläche (55) der Matrize (50) radial außerhalb der Scheibe (42) ist.
Matrize (50) zur Anbringung eines einen Nietabschnitt (14) aufweisenden Befestigungselements (10, 10') an ein Werkstück (40), insbesondere zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bzw. in einer Kombination nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Matrize (50) an ihrer einen Stirnseite (55) zur Aufnahme der Scheibe (42) vorgesehen ist sowie einen mittleren Pfosten (52) aufweist, dessen Stirnseite (54) mindestens flächenbündig mit der dem Werkstück (40) zugewandten Seite der Scheibe (42) liegt und gegebenenfalls über diese Seite der Scheibe (42) hinausragt, wobei ein sich zwischen der Lochung (46) der Scheibe und dem mittleren Pfosten (52) der Matrize befindlicher Ringspalt (48) vorgesehen ist und der mittlere Pfosten (52) auf der dem Werkstück (40) abgewandten Seite der Scheibe (42) von einer konkav gerundeten Ringfläche (56) der Matrize (50) umgeben ist.
Matrize nach Anspruch 10 mit einer Ringvertiefung (53) an der genannten Stirnseite (55) der Matrize (50), die so bemessen ist, dass im Betrieb die Scheibe (42), die den mittleren Pfosten umgibt, an der dem Werkstück zugewandten Seite der Scheibe (42) zumindest in etwa flächenbündig mit der stirnseitigen Fläche (55) der Matrize radial außerhalb der Scheibe (42) liegt.
Matrize nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Stirnseite (54) des mittleren Pfostens (52) eine zumindest in etwa konusförmige Erhebung aufweist.