DE102014000624A1

DE102014000624A1 - Verfahren zum Fügen von zumindest zwei zumindest in einer Fügezone überlappend angeordneten Fügeteilen unter Verwendung eines Fügelements

Info

Publication number: DE102014000624A1
Application number: DE102014000624.7A
Authority: DE
Inventors: Norbert Hornbostel; Heiko Hellmeier; Frank Barkhausen
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-01-18
Filing date: 2014-01-18
Publication date: 2015-07-23
Anticipated expiration: 2034-01-19
Also published as: CN105899308A; US20160332214A1; US10239115B2; WO2015106780A1; CN105899308B; DE102014000624B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei zumindest in einer Fügezone (22) überlappend angeordneten Fügeteilen (1, 2) unter Verwendung eines Fügelements (6), welches in einer Fügerichtung (F) der Fügezone zugeführt wird und zumindest in einem Schaft (13) entgegen der Fügerichtung (F) gesehen hinterschnittfrei ausgebildet ist, wobei mittels des Fügeelements (6) zumindest ein in Fügerichtung (F) zuerst mit dem Fügeelement (6) in Wechselwirkung tretendes erstes Fügeteil (1) durchstanzt wird und das Fügeelement (6) ein zweites Fügeteil (2) nicht durchstanzend in das zweite Fügeteil (2) eingedrückt wird, wobei der Schaft (13) des Fügeelements (6) nach dem Eindrücken in das zweite Fügeteil (2) hinterschnittfrei und zumindest entgegen der Fügerichtung (F) gesehen formschlussfrei das erste und zweite Fügeteil (1, 2) radialkraftbeaufschlagt berührend angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei zumindest in einer Fügezone überlappend angeordneten Fügeteilen unter Verwendung eines Fügelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 103 29 447 A1 ist ein Fügeverfahren zum Verbinden von überlappend angeordneten Fügeteilen bekannt, welches ein in einem Schaftbereich hinterschnittfreies Fügeelement nutzt. Bei diesem offenbarten Fügeverfahren wird Material eines ersten Fügeteils während des Fügeverfahrens durch eine beim Fügeverfahren erzeugte Stanzausnehmung des zweiten Fügeteils getrieben, wodurch ein unerwünschter Stanzbutzen entsteht. Nachdem Durchtreiben von Material des ersten Fügeteils durch die entstandene Stanzöffnung des zweiten Fügeteils wird das Material des ersten Fügeteils relativ zum zweiten Fügeteil verpresst, so dass zwischen dem ersten und dem zweiten Fügeteil ein Formschluss entsteht. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass ein unerwünschter Stanzbutzen entsteht, der von der Fügestelle zuverlässig abtransportiert werden muss. Außerdem entstehen beim Durchtreiben des ersten Materials durch die gerade erst erzeugte Stanzöffnung im zweiten Fügeteil unbeschichtete Kantenbereiche, wodurch es zu unerwünschten Korrosionen kommen kann.
Aus der DE 10 2011 009 649 A1 ist das allgemein unter dem Begriff Vollstanznieten bekannte Verfahren offenbart. Bei einem derartigen Verfahren hat das verwendete Fügeelement zumindest im Schaftbereich in Umfangsrichtung umlaufende Hinterschnitte oder Rillen und Vertiefungen, die dazu dienen, dass durch ein Einpressen von Material, welches mittels einer Matrize erfolgt, die Vollstanzniet formschlüssig im Material der beiden Fügeteile sitzt.
Bei einem sogenannten Vollstanznietverfahren ist nachteilig, dass zumindest ein, gegebenenfalls sogar zwei Stanzbutzen der beiden zu fügenden Teile entstehen.
Insbesondere wenn die Fügeteile aus unterschiedlichem Material bestehen, sind zwei entstehende Stanzbutzen besonders nachteilig, da diese im Nachgang zur Fügung mittels der Vollstanzniet zum Zwecke des Recyclings materialspezifisch wieder getrennt werden müssen.
Aus der DE 10 2008 005 289 ist eine Befestigungsanordnung eines Karosseriebauteils, insbesondere eines Dachelements für ein Fahrzeugdach an einer Karosserie eines Kraftwagens bekannt. Diese Befestigungsanordnung nutzt als Befestigungs- bzw. Fügelösung das Vollstanznietverfahren, bei dem beim Einbringen der Vollstanzniet in die zu fügenden Bauteile zwei Stanzbutzen entstehen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist das Entstehen von Stanzbutzen, die einen erhöhten Entsorgungsaufwand auslösen.
Aufgabe der Erfindung ist es die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Fügeverfahren unter Verwendung eines Fügeelements anzugeben, bei dem eine Korrosionsanfälligkeit im Bereich der Fügestellen minimiert ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fügeverfahren anzugeben, bei dem keine freien Stanzbutzen entstehen, die entsorgt werden müssen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fügeverfahren mit einem einfach geformten Fügeelement anzugeben, welches ausreichende Ausknöpffestigkeiten bzw. Ausknöpfkräfte zur Verfügung stellt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stanzniet-Fügeverfahren anzugeben, welches auch innerhalb in einer eng bemessenen Fügezone, insbesondere in einem Bereich eines Karosserieflansches von 12 mm oder weniger Flanschlänge einsetzbar ist.
Diese Aufgaben werden mit einem Fügeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gegeben.
Ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei zumindest in einer Fügezone überlappend angeordneten Fügeteilen unter Verwendung eines Fügeelements, welches in einer Fügerichtung F der Fügezone zugeführt wird und zumindest in einem Schaftbereich entgegen der Fügerichtung F gesehen hinterschnittfrei ausgebildet ist, wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass mittels des Fügeelements zumindest ein in Fügerichtung F zuerst mit dem Fügeelement in Wechselwirkung tretendes erstes Fügeteil durchstanzt wird und das Fügeelement ein zweites Fügeteil nicht durchstanzend in das zweite Fügeteil eingedrückt wird, wobei der Schaftbereich des Fügeelements nach dem Eindrücken in das zweite Fügeteil hinterschnittfrei und zumindest in Fügerichtung F gesehen formschlussfrei das erste und zweite Fügeteil radialkraftbeaufschlagt berührend angeordnet ist.
Bei einem derartigen erfindungsgemäßen Verfahren ist von besonderem Vorteil, dass keine unerwünschten Stanzbutzen entstehen. Insbesondere wird der beim Durchstanzen des ersten Fügeteils mittels des Fügeelements entstehende Stanzbutzen in einen Bereich des zweiten Fügeteils verschoben und dort eingebettet. Das Fügeelement bleibt beim erfindungsgemäßen Fügeverfahren nahezu unverformt und soll gerade nicht wie beim Halbhohlsstanznieten aufpilzen. Hierdurch kann die Fügezone besonders klein gehalten werden, was es ermöglicht, auch im Durchmesser kleine Stempel und Matrizen bzw. Niederhalter einzusetzen, so dass das erfindungsgemäße Fügeverfahren auch im Bereich kleiner Überlappungszonen, insbesondere im Bereich von schmalen Karosserieflanschen gut einsetzbar ist. Überraschend ist, dass beim erfindungsgemäßen Fügeverfahren durch das Durchdringen des ersten Fügeteils und durch das Einbringen des Fügeelements in das zweite Fügeteil entlang der Formrichtung F offensichtlich so große Radialkräfte auf den Schaft des Fügeelements einwirken, dass ausreichend hohe Ausknöpfkräfte erreichbar sind, die z. B. für eine Verbindung von Karosserieteilen mittels Niettechnik notwendig sind. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird bewusst kein Formschluss erzeugt sondern durch das Eindrücken des hinterschnittfreien Fügeelements entsteht jeweils zwischen den Fügeteilen und dem Fügeelement an den sich berührenden Flächen reiner Kraft- und/oder Reibschluss, wobei die hierdurch entstehenden Ausziehkräfte des Fügeelements aus den Fügeteilen ein ausreichend hohes Maß erreichen.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein beim Durchstanzen des ersten Fügeteils entstehender Stanzbutzen zwischen einem stirnseitigen freien Ende des Fügeelements und dem nicht durchstanzten zweiten Fügeteil eingebettet. Hierdurch verbleibt also der beim Durchstanzen des ersten Fügeteils entstehende Stanzbutzen in der Fügeverbindung zwischen den zu fügenden Fügeteilen. Es entsteht somit kein Abfall in Form eines Stanzbutzens, der z. B. von der Fügestation, an der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, entfernt und/oder entsorgt werden muss.
Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich Fügeelemente, welche einen Schaftbereich und einen Fügeteilkopf besitzen, wobei der Schaftbereich entgegen der beabsichtigten Fügerichtung F gesehen hinterschnittfrei ausgebildet ist und hinsichtlich seiner Schaftaußenfläche im Schnitt kreisförmig, oval, drei- oder mehreckig oder polygonal ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann sich der Schaftbereich des Fügeelements zu seinem freien Ende hin verjüngen.
Das erfindungsgemäß verwendete Fügeelement ist derart ausgebildet, dass es beim Fügevorgang hinsichtlich seiner Raumform unverändert oder nahezu unverändert bleibt. Unter „unverändert” oder „nahezu unverändert” ist hierbei zu verstehen, dass selbstverständlich beim Eintreiben des Fügeelements gegebenenfalls Riefen oder Furchen an den Außenseiten des Fügeelements entstehen können. Die Raumform des Fügeelements bleibt dabei allerdings im Wesentlichen unverändert. Als Gegenbeispiel, bei dem die Raumform des Fügeelements nicht unverändert bleibt, sei hier das Halbhohlstanznieten erwähnt, bei dem eine definierte Verformung des Halbhohlstanzniets zur Ausbildung eines Hinterschnitts in der Fügeverbindung erforderlich und gewollt ist. Dem gegenüber ist ein geeignetes Fügeelement für das erfindungsgemäße Fügeverfahren ein Massivkörper der beim Fügen seine Raumform behält.
Es hat sich gezeigt, dass es bereits zu einer ausreichend hohen Festigkeit der Fügestelle kommt, wenn das Fügeelement in dem Bereich der Schaftaußenfläche eine Rauhtiefe von R_a ≤ 10 μm aufweist. Bereits bei einer solchen Oberflächenrauhtiefe entstehen durch die beim Fügen entstehenden Radialkräfte auf die Schaftaußenfläche des Fügeelements ausreichend hohe Reibkräfte, die zu ausreichend hohen Ausknöpfkräften bzw. Ausknöpffestigkeiten der Verbindungsstelle führen.
Zweckmäßigerweise wird das Fügeteil unter Verwendung eines Stempels und einer Matrize eingesetzt. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Durchmesser des Schaftbereichs des Fügeelements, der kleiner als 4 mm, insbesondere kleiner als 3,5 mm ist, Matrizen mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger, insbesondere weniger als 10 mm im Bereich der Fügezone verwendet werden können, so dass eine solche Matrize geeignet ist, in engen Bereichen von Fügezonen, beispielsweise bei Karosserieflanschen, eingesetzt zu werden.
Zweckmäßigerweise ist das Fügeelement aus einem Material gebildet, welches härter ist als das härtere der beiden zu fügenden Fügeteile.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Fügen zweier Fügeteile aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien. Beispielsweise kann das Fügeteil 1 und das Fügeteil 2 aus unterschiedlichen Kunststoffen bestehen. Gleichwohl ist es auch möglich, dass eines der beiden Fügeteile aus Kunststoff, das andere der beiden Fügeteile aus einem Metall besteht. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Fügeteilen, die aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen bestehen, einsetzbar.
Zur weiteren Verbesserung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fügeverbindung empfiehlt es sich gegebenenfalls, das Fügeelement aus einem Material auszubilden, welches einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten α besitzt als der größte Wärmeausdehnungskoeffizient α der zu fügenden Fügeteile.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, die Fügezone, also z. B. ein Teilbereich der Fügeteile, in den das Fügeelement eingedrückt werden soll vor dem Durchführen des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens zu erwärmen. Eine derartige Erwärmung kann beispielsweise über geeignete Heizeinrichtungen in einem Niederhalter oder einer Matrize bewirkt werden. Besteht zumindest eines der Fügeteile aus einem induktiv erwärmbaren Metall, kann beispielsweise mittels einer induktiven Erwärmung das aus Metall bestehende Fügeteil lokal vor dem Eindrücken des Fügeelements erwärmt werden. Hierzu können zum Zwecke der induktiven Erwärmung im Niederhalter und/oder der Matrize Induktionsspulen vorhanden sein.
Hierdurch wird erreicht, dass zum Zeitpunkt des Einpressens des Fügeelements in die Fügeteile diese eine höhere Temperatur aufweisen als das Fügeelement, wodurch nach dem Einsetzen des Fügeelements die auf die Schaftaußenfläche des Fügeelements einwirkenden Radialkräfte erhöht werden können. Hierdurch entsteht eine erhöhte Ausknöpffestigkeit, da aufgrund der erhöhten Radialkräfte auch eine erhöhte Reibkraft zwischen den Fügeteilen und dem Fügeelement entsteht und somit der erfindungsgemäß gewollte Kraft/-Reibschluss unter Vermeidung eines Formschlusses in ausreichend hohem Maße erreicht wird.
Zur weiteren Erhöhung der Festigkeit oder zum Zwecke der Erreichung von dichten Flanschverbindungen kann es zweckmäßig sein, vor dem Durchführen des erfindungemäßen Fügeverfahrens zwischen den Fügeteilen, insbesondere im Bereich der Fügeflansche eine Klebeverbindung herzustellen oder zumindest vorzubereiten. Unter einer vorbereiteten Klebeverbindung wird beispielsweise verstanden, dass ein Klebstoffauftrag erfolgt, der in einem späteren Schritt ausgehärtet wird. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
1: einen Querschnitt durch eine Fügeteilanordnung, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügt werden soll;
2: schematisch einen Schnitt durch einen Flanschbereich von zu fügenden Fügeteilen im Bereich einer Fügezone mit einem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Fügeelement und
3a bis 3c: eine perspektivische Ansicht, eine Seitenansicht und eine Schnittdarstellung eines für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehenen Fügeelements.
Eine beispielhafte Fügeteilanordnung, die für das erfindungsgemäße Fügeverfahren geeignet ist, ist in 1 gezeigt. Die Fügeteilanordnung besitzt ein erstes Fügeteil 1, ein zweites Fügeteil 2 sowie optional ein drittes Fügeteil 3. Die Fügeteile 1, 2, 3 bilden beispielsweise einen ersten Fügeflansch 4 und einen zweiten Fügeflansch 5. Im Bereich der Fügeflansche 4 und 5 werden mit dem erfindungemäßen Fügeverfahren z. B. in Fügerichtungen F Fügeelemente eingesetzt. Die Fügerichtungen F stehen dabei bevorzugt senkrecht auf den Fügeflanschen 4, 5. Im dargestellten Beispiel gemäß 1 bestehen das zweite und das dritte Fügeteil 2, 3 beispielsweise aus einem Stahlwerkstoff, wobei das zweite und das dritte Fügeteil 2, 3 im Bereich der Fügeflansche 4, 5 mittels einer Punktschweißung miteinander verbunden sind. Mit dem erfindungemäßen Fügeverfahren soll das erste Fügeteil 1 im Bereich der Fügeflansche 4, 5 mit dem bereits bestehendem Verbund aus dem zweiten und dem dritten Fügeteil 2, 3 verbunden werden. Das erste Fügeteil 1 kann dabei ebenfalls aus einem Stahlwerkstoff oder einem anderen Metallwerkstoff, z. B. Aluminium, oder aus Kunststoff bestehen.
Im Folgenden wird anhand der 2 das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft näher erläutert, wobei 2 einen Fügeflansch 4, 5 zeigt, in den ein Fügeelement 6 eingesetzt ist. Das Fügeelement 6 wurde mittels eines Stempels 7 entlang der Fügerichtung F in den Fügeflansch 4, 5 eingedrückt. Beim Eindrücken des Fügeelements 6 entlang der Fügerichtung F kommt das Fügeelement 6 zunächst mit dem ersten Fügeteil 1 in Kontakt. Durch eine Weiterbewegung des Stempels 7 wird das erste Fügeteil 1 durchstanzt, so dass ein Stanzbutzen 8 entsteht. Der Stanzbutzen 8 wird zusammen mit einem in Fügerichtung F vorderen freien Ende 9 des Fügeelements 6 in das zweite Fügeteil 2 eingedrückt, wobei – was wesentlich ist – das zweite Fügeteil 2 nicht vollständig durchstanzt wird, sondern lediglich partiell in Richtung der Fügerichtung F verformt wird. Hierdurch gelingt es, den Stanzbutzen 8 zwischen dem Fügeelement 6, insbesondere seinem freien Ende 9, und dem nicht durchstanzten verbleibenden Rest des zweiten Fügeteils 2 einzubetten. Sofern ein drittes Fügeteil 3 an der Bildung des Fügeflansches 4, 5 beteiligt ist, wird dieses durch das Eintreiben des Fügeelements 6 in Fügerichtung F gegebenenfalls in einem Ausnehmungsbereich 10 einer Matrize 11 lokal verformt. Es hat sich überraschender Weise gezeigt, dass sich durch das Eintreiben des Fügeelements 6 in Fügerichtung F Radialkräfte R bilden, welche ausreichend groß sind, um mit einer Außenoberfläche 12 eines Schaftes 13 des Fügeelements 6 zusammen zu wirken. Aufgrund dieser Radialkräfte entstehen Reibungskräfte R, die ein Herausziehen des Fügeelementes 6 entgegen der Fügerichtung F aus den Fügeteilen 1, 2 entgegengerichtet sind. Diese Haftreibungskräfte sind ausreichend hoch, so dass eine ausreichend hohe Ausknöpfkraft, bei der sich die Fügeteile 1 und 2 wieder lösen lassen, erreicht werden kann. Den Stempel 7 umgebend kann zweckmäßiger Weise ein Niederhalter 14 angeordnet sein, wobei selbstverständlich nach dem Einsetzen des Fügeelements 6 in den Fügeflansch 4, 5 sowohl der Stempel 7, der Niederhalter 14, als auch die Matrize 11 wieder entfernt werden. Bei einem dreilagigen Aufbau des Fügeflansches 4, 5, wie er in 2 dargestellt ist, ist es gegebenenfalls zweckmäßig, die Fügeteile 2 und 3 bereits vor dem Einsetzen des Fügeelements 6 miteinander zu verbinden. Beispielsweise bietet sich hier eine Punktschweißung an, die schematisch durch eine Punktschweißlinse 15 angedeutet ist. Der Niederhalter 14 und die Matrize 11 weisen jeweils Kontaktflächen 20 bzw. 21 auf, die während des Einsetzens des Fügeelements 6 im Bereich einer Fügezone 22 mit den Fügeflanschen 4, 5 in Kontakt sind. Über diese Kontaktflächen 20, 21 kann bei Bedarf Wärme in die Fügezone eingeleitet werden. Zu diesem Zwecke kann es zweckmäßig sein, den Niederhalter 14 und die Matrize 11 im Bereich der Kontaktflächen 20, 21 mittels Heizeinrichtungen (nicht gezeigt) zu beheizen.
Im Ergebnis sitzt das Fügeelement 6 somit nach dem Durchführen des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens hinterschnittfrei und zumindest in Fügerichtung F gesehen, formschlussfrei mit seinem Schaft 13 in den Fügeteilen 1, 2.
Ein geeignetes Fügeelement 6 für das erfindungsgemäße Fügeverfahren ist in den 3a bis 3c dargestellt. Ein solches Fügeelement 6 weist einen Schaft 13 und einen Kopf 23 auf. Der Kopf 23 wirkt mit seiner Außenseite 24 während des Fügevorganges mit dem Stempel 7 zusammen. Gegenüber der Außenseite 24 verjüngt sich der Kopf 23 des Fügeelements 6 bevorzugt mit einen Winkel α > 120° und mündet über einen Radiusbereich 25 in den Schaft 13. An seinem freien Ende 9 weist der Schaft 13 stirnseitig eine flache Vertiefung 26 auf, welche sich in einer Längserstreckung L des Fügeelements 6 gesehen, um ein geringes Maß, bevorzugt weniger als 1/5 bevorzugt weniger als 1/10 der Längserstreckung L von dem freien Ende 9 weg erstreckt. Alternativ kann auch eine ebene Stirnfläche zum Einsatz kommen.
Das Fügeelement 6 ist im Beispiel gemäß den 3a bis 3c als rotationssymmetrisches Bauteil ausgeführt, wobei die Vertiefung 26 kegelig ausgebildet ist. Die Vertiefung 26 erstreckt sich in radialer Richtung von einer Mittelachse M des Fügeelements 6 aus gesehen bis nahezu zur Außenoberfläche 12 des Schaftes 13, so dass eine umlaufende Zentrierkante 27 gebildet ist. Die Zentrierkante 27 bewirkt eine Verminderung der Kippneigung beim Aufsetzen den Fügeelements 6 auf dem Fügeteil 1, bevor das Fügeelement 6 eingedrückt wird und unterstützt das Durchstanzen des ersten Fügeteils 1 mittels des Fügeelements 6. Die Außenoberfläche 12 des Schaftes 13 weist bevorzugt eine Rautiefe R_a von 10 μm oder weniger auf. Das Fügeelement 6 ist mit Ausnahme der Vertiefung 26 als Massivteil ausgebildet (vgl. 3c), so dass eine Änderung der Raumform, insbesondere eine bis auf minimale Veränderungen der Außenoberfläche 12 des Schaftes 13 (d. h. Riefen oder Furchen) beim Einsetzen des Fügeelements 6 eine weitergehende Raumformänderung des Fügeelements 6 beim Fügen unterbleibt.
Zweckmäßiger Weise weist das Fügeelement 6 zumindest im Bereich des Schaftes 13 eine Beschichtung, z. B. eine Mischung aus Zink, Aluminium oder Nickel auf. Falls das Fügeelement eine Beschichtung aufweist, besitzt diese zumindest im Bereich des Schaftes 13 eine Rautiefe R_a ≤ 10 μm auf.
Eine weitere Funktion der Vertiefung 26 ist die zumindest teilweise Aufnahme des entstehenden Stanzbutzens 8 und eine Führung des Stanzbutzens 8 beim Eindringen in das zweite Formteil 2.
Der Schaft 13 des Fügeelements 6 ist im Ausführungsbeispiel 3a bis 3c zylindrisch, jedenfalls hinterschnittfrei ausgebildet. Die Materialauswahl für das Fügeelement 6 erfolgt bevorzugt derart, dass für das Fügeelement 6 ein härteres Material verwendet wird, welches härter als das härtere der beiden zu fügenden Fügeteile 1, 2 ist. Zweckmäßiger Weise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient α des Fügeelements 6 größer als der größte Wärmeausdehnungskoeffizient α der zu fügenden Teile 1, 2.
Unter ”hinterschnittfrei” im Sinne der Erfindung sind auch Raumformen des Schaftes 13 zu verstehen, welche sich zum freien Ende 9 hinterschnittfrei verjüngen. So kann der Schaft 13 beispielsweise als Kegelstumpf ausgebildet werden, wobei sich Mantellinien 28 der Außenoberfläche 12 spitzwinklig unter einem Winkel β von wenigen Grad, insbesondere weniger als 3° bis 5° mit der Mittellinie M (in 3c gestrichelt dargestellt) schneiden. Bei der Wahl des Winkels β ist vor allem ein Reibkoeffizient zwischen der Außenfläche 12 und den Fügeteilen 1, 2 maßgeblich und wird in fachmännischer Art und Weise derart klein gewählt, dass bei der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Fügeverbindung noch ausreichend hohe Ausknöpfkräfte erreichbar sind.
Für im Karosseriebau für Kraftfahrzeuge übliche Flanschverbindungen hat sich ein Durchmesser des Schaftes 13 des Fügeelements 6 von weniger als 4 mm, insbesondere weniger als 3,5 mm bewährt. Im Falle eines sich zum freien Ende 9 hin verjüngenden Schaftes 13 sei als Durchmesser DS der größte Durchmesser des Schaftes 13 definiert, der unmittelbar am Übergang zum Radiusbereich 25 vorliegt.
Ein Durchmesser DK des Kopfes 23 des Fügeelements beträgt bevorzugt das 1,5- bis 2-fache des Durchmessers DS des Schaftes 13.
Das Fügeelement 6 ist insbesondere aus hochfestem Vergütungsstahl oder aus einem Werkstoff ausgeführt, der eine Härte von mindestens 520 HV, bevorzugt 540 HV bis 650 HV besitzt. Gegebenenfalls kann zur Ausbildung der Zentrierkante 27 der Schaft 13 im Bereich seines freien Endes 9 sich stärker verjüngendausgebildet sein, z. B. mit einer Phase oder einem Übergangsradius versehen sein.
Oben genannte Angaben zur Härte des Fügeelements 6 sind bevorzugt für das Fügen von hochfesten Karosserieblechen verwendbar. Werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise ein erstes und ein zweites Fügeteil 1, 2 aus einem weicheren Werkstoff, beispielsweise aus Kunststoff oder aus Aluminium miteinander verbunden, so können selbstverständlich Fügeelemente 6 mit einer geringeren Härte eingesetzt werden. Insbesondere zum Fügen von Nichtstahlwerkstoffen, kann es zweckmäßig sein, ein gegebenenfalls auch unbeschichtetes Fügeelement 6, z. B. aus einem sogenannten Edelstahl zu verwenden.
Zur Erhöhung der am Aufbau des Kraft-/Reibschlusses beteiligten Außenseite 24 des Schaftes 23 können rillenartige Vertiefungen 29 und/oder rippenartige Erhebungen 30 vorgesehen sein. Die rillenartigen Vertiefungen 29 und/oder rippenartige Erhebungen 30 verlaufen dabei parallel zur Längserstreckung, d. h. parallel zur Mittelachse M des Fügeelements 6, was gleichbedeutend ist mit einer Parallelrichtung zur Fügerichtung F.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es in vorteilhafter Weise, eine einfach herzustellende und insbesondere hinsichtlich der Verhinderung von Feuchtigkeitseintritt in die Fügestelle optimierte Fügeverbindung herzustellen. Der Grund hierfür liegt darin, dass zumindest ein außenliegendes Fügeteil nicht durchstanzt wird, so dass dieses Fügeteil, im Bespiel gemäß 2 das Fügeteil 2 keine Durchbrechung erfährt und somit feuchtigkeitsdicht bleibt. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig durchführbar, da zum einen eine Vorstanzung des Fügeteils 1 im Bereich der Fügezone 22 nicht erforderlich ist. Zum anderen wird der beim Durchstanzen des Fügeteils 1 mittels des Fügeelements 6 entstehende Stanzbutzen 8 im Fügeteil 2 mit eingebettet, so dass eine Entsorgung dieses Stanzbutzens 8 und gegebenenfalls eine materialmäßige Trennung dieses Stanzbutzens 8 von anderen Stanzbutzen 8 nicht erforderlich ist.
Des Weiteren ist es von besonderem Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren den Einsatz besonders kleiner Fügeelemente 6, z. B. mit einem Schaftdurchmesser von lediglich maximal 4 mm erlaubt, wodurch ein Außendurchmesser der Fügehilfswerkzeuge (Matrize 11 und Niederhalter 14) kleingehalten werden kann. Hierdurch gelingt es, dass das erfindungsgemäße Fügeverfahren auch an besonders kurz bauenden Fügeflanschen 4, 5 mit Flanschlängen von weniger als 15 mm, insbesondere 12 mm oder weniger gut einsetzbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Verbindung von blechartige, zu durchstanzende Fügeteilen 1, welche insbesondere eine Dicke von 0,5 mm bis 1,5 mm, insbesondere von 0,8 mm bis 1,2 mm Fügeteildicke aufweisen können. Des Weiteren sind blechartige Fügeteile 2, in die die Stanzbutzen 8 eingebettet werden, in einer Dicke von 1,5 mm bis 6 mm zur Verwendung geeignet. Dabei können die Dicken der zu fügenden Fügeteile 1, 2 gleich oder unterschiedlich sein. Bevorzugt ist das dickere der beiden Fügeteile (im Ausführungsbeispiel das Fügeteil 2) dasjenige, welches zur Aufnahme des Stanzbutzens 8 dient und welches nicht durchstanzt wird.
Bezugszeichenliste

1: erstes Fügeteil
2: zweites Fügeteil
3: drittes Fügeteil
4: erster Fügeflansch
5: zweiter Fügeflansch
6: Fügeelement
7: Stempel
8: Stanzbutzen
9: freies Ende
10: Ausnehmungsbereich
11: Matrize
12: Außenoberfläche
13: Schaft
14: Niederhalter
15: Punktschweißlinse
20: Kontaktfläche
21: Kontaktfläche
22: Fügezone
23: Kopf
24: Außenseite
25: Radiusbereich
26: Vertiefung
27: Zentrierkante
28: Mantellinie
29: rillenartige Vertiefungen
30: rippenartige Erhebungen
R: Radialkraft
R_a: Rautiefe
L: Längserstreckung
M: Mittelachse
F: Fügerichtung
DS: Durchmesser des Schaftes
DK: Durchmesser des Kopfes
α: Winkel/Wärmeausdehnungskoeffizient
β: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10329447 A1 [0002]
DE 102011009649 A1 [0003]
DE 102008005289 [0006]

Claims

Verfahren zum Fügen von zumindest zwei zumindest in einer Fügezone (22) überlappend angeordneten Fügeteilen (1, 2) unter Verwendung eines Fügelements (6), welches in einer Fügerichtung (F) der Fügezone zugeführt wird und zumindest in einem Schaft (13) entgegen der Fügerichtung (F) gesehen hinterschnittfrei ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Fügeelements (6) zumindest ein in Fügerichtung (F) zuerst mit dem Fügeelement (6) in Wechselwirkung tretendes erstes Fügeteil (1) durchstanzt wird und das Fügeelement (6) ein zweites Fügeteil (2) nicht durchstanzend in das zweite Fügeteil (2) eingedrückt wird, wobei der Schaft (13) des Fügeelements (6) nach dem Eindrücken in das zweite Fügeteil (2) hinterschnittfrei und zumindest entgegen der Fügerichtung (F) gesehen formschlussfrei das erste und zweite Fügeteil (1, 2) radialkraftbeaufschlagt berührend angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein beim Durchstanzen des ersten Fügeteils (1) entstehender Stanzbutzen (8) zwischen einem stirnseitigen freien Ende (9) des Fügeelements (6) und dem nicht durchstanzten zweiten Fügeteil (2) eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fügeelement (6) mit einem Schaft (13) und einem Kopf (23) verwendet wird, wobei der Schaft (13) entgegen der Fügerichtung (F) gesehen hinterschnittfrei ausgebildet ist und hinsichtlich seiner Außenoberfläche (12) im Querschnitt kreisförmig, oval, drei-, vier- oder mehreckig, oder polygonal ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (13) des Fügeelements (6) sich zu seinem freien Ende (9) hin verjüngend ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumform des Fügeelements (6) durch den Fügevorgang unverändert oder nahezu unverändert bleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6) im Bereich der Außenoberfläche (12) eine Rautiefe von R_a ≤ 10 μm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6) unter Verwendung eines Stempels (7) und einer Matrize (11) das Fügen der Fügeteile (1, 2) bewirkend, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser der im Bereich der Fügezone (22) am zweiten Fügeteil (2) anliegenden Matrize (11) weniger als 12 mm, insbesondere weniger als 10 mm beträgt und/oder ein Durchmesser des Schafts (13) des Fügeelements (6) kleiner als 4 mm, insbesondere kleiner als 3,5 mm ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6) aus einem Material besteht, welches härter ist, als das härte der beiden zu fügenden Fügeteile (1, 2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fügeteil (1) und das zweite Fügeteil (2) aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise Kunststoff 1-Kunststoff 2 und/oder Kunststoff-Metall und/oder Metall 1-Metall 2 bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegend zur Matrize (11) ein Niederhalter (14) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) besitzt, welcher größer ist, als der größte Wärmeausdehnungskoeffizient (α) der zu fügenden Fügeteile (1, 2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der zu fügenden Fügeteile (1, 2) zumindest im Bereich der Fügezone (22) bevorzugt lokal erwärmt wird, so dass zumindest die Fügeteile (1, 2) im Bereich der Fügezone (22) eine höhere Temperatur aufweisen als das Fügeelement (6).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der induktiven Erwärmung der Fügezone (22) in dem Niederhalter (14) und/oder der Matrize (11) Induktionsspulen vorhanden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Fügen das Fügeelement (6) gegenüber zumindest einem der beteiligten Fügeteile (1, 2) eine niedrigere Temperatur aufweist, z. B. um zumindest 30 K kälter ist als zumindest das eine beteiligte Fügeteil (1, 2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Durchführen des Fügeverfahrens zwischen den Fügeteilen (1, 2) eine Klebeverbindung hergestellt oder vorbereitet wird.