DE102014206787A1 - Semi-punched rivet with large punch diameter and method for producing a workpiece composite - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Halbhohlstanzniet (100) zum vorlochfreien Fügen von Werkstücken, mit einem Nietkopf (110) und einem sich daran anschließenden Nietschaft (122), wobei der Nietschaft (122) mit einer konzentrischen Ausnehmung (121) ausgebildet ist und einen Nietfuß (124) mit einer Stanzkante (127) aufweist. Es ist vorgesehen, dass der Nietfuß (124) umlaufend einen größeren Außendurchmesser als der übrige Nietschaft (122) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückverbunds unter Verwendung wenigstens eines solchen Halbhohlstanzniets (100).The invention relates to a semi-hollow punch rivet (100) for pre-punch-free joining of workpieces, comprising a rivet head (110) and a rivet shank (122) adjoining it, wherein the rivet shank (122) is formed with a concentric recess (121) and has a rivet foot (124 ) having a punching edge (127). It is envisaged that the rivet foot (124) circumferentially has a larger outer diameter than the rest of the rivet shank (122). The invention further relates to a method for producing a workpiece composite using at least one such semi-hollow punch rivet (100).
Description
Die Erfindung betrifft einen Halbholstanzniet zum vorlochfreien Fügen von Werkstücken. The invention relates to a Halbholstanzniet for pre-punching joining of workpieces.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückverbunds unter Verwendung wenigstens eines Halbhohlstanzniets.The invention further relates to a method for producing a workpiece composite using at least one semi-hollow punch rivet.
Halbhohlstanzniete zum vorlochfreien Fügen von Werkstücken und damit ausführbare Fügeverfahren zum vorlochfreien Fügen von Werkstücken durch Herstellen einer Stanznietverbindung sind aus dem Stand der Technik bekannt, wozu bspw. auf die Patentschriften
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbholstanzniet und ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückverbunds eingangs genannter Art anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweisen.The invention has for its object to provide a Halbholstanzniet and a method for producing a workpiece composite of the type mentioned, which do not have at least one associated with the prior art disadvantage or at least only to a reduced extent.
Dies gelingt mit einem erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Werkstückverbunds entsprechend den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen. This is achieved with a Halbhohlstanzniet according to the invention according to the features of claim 1 and with a method according to the invention for producing a workpiece composite according to the features of the independent claim. Preferred developments and refinements emerge analogously for both subject matters of the invention both from the dependent claims and from the following explanations.
Der erfindungsgemäße Halbhohlstanzniet zum vorlochfreien Fügen von Werkstücken hat einen Nietkopf und einen sich daran anschließenden Nietschaft, wobei der Nietschaft mit einer konzentrisch angeordneten Ausnehmung ausgebildet ist und einen Nietfuß mit (wenigstens) einer Stanz- bzw. Schneidkante aufweist. Es ist vorgesehen, dass der Nietfuß umlaufend (d. h. an jeder Umfangsstelle) einen größeren Außendurchmesser als der übrige bzw. sonstige Nietschaft aufweist, womit auch das während des Fügevorgangs mit diesem Nietfuß im nietkopfseitigen Werkstück erzeugbare Stanzloch einen größeren Durchmesser als der dieses Stanzloch schließlich durchragende Schaftabschnitt des Nietschafts aufweist. Dadurch ergibt sich ein radialer Spalt zwischen dem (betreffenden) Schaftabschnitt und der Stanzlochwandung, der an der Fügestelle eine bedingte Relativbewegung der gefügten Werkstücke quer zur Fügeachse der Stanznietverbindung bzw. quer zu Längsachse des Halbhohlstanzniets ermöglicht. The semi-hollow punch rivet according to the invention for pre-hole-free joining of workpieces has a rivet head and a rivet shank adjoining it, wherein the rivet shank is formed with a concentrically arranged recess and has a rivet foot with (at least) one punching or cutting edge. It is envisaged that the Nietfuß circumferentially (ie, at each circumferential location) has a larger outer diameter than the rest or other rivet shank, whereby also during the joining process with this Nietfuß producible in the rivet head workpiece punching hole has a larger diameter than the punched hole this finally projecting shaft portion of the riveting shank. This results in a radial gap between the (relevant) shaft portion and the punching hole wall, which allows a relative movement of the joined workpieces at the joint transverse to the joining axis of the Stanznietverbindung or transversely to the longitudinal axis of the Halbhohlstanzniets.
Mit anderen Worten ausgedrückt, weist der Nietschaft eines erfindungsgemäßen Halbholstanzniets seinen größten Außendurchmesser im Bereich des Nietfußes auf, wodurch das im nietkopfseitigen Werkstück mit diesem Nietfuß erzeugbare Stanzloch größer ist als der übrige Nietschaft, so dass der Nietschaft und insbesondere dessen sich an den Nietkopf anschließende axiale Schaftabschnitt mit umlaufendem radialen Spalt in diesem Stanzloch aufgenommen werden kann bzw. aufnehmbar ist. Die aus dem radialen Freiraum resultierende bedingte Relativbeweglichkeit zwischen den gefügten Werkstücken (quer zur Füge- bzw. Längsachse) ermöglicht insbesondere eine unterschiedliche Wärmeausdehnung, ohne dass es zu einer Beschädigung des Nietelements und/oder der Werkstücke kommt. Die hergestellte Stanznietverbindung wird geringer beansprucht und mit einem Versagen ist nicht zu rechnen. In other words, the rivet shank of a half-holed rivet according to the invention has its largest outer diameter in the region of the rivet base, whereby the punch hole produced in the rivet head-side workpiece with this rivet foot is larger than the remaining rivet shank, so that the rivet shank and, in particular, its axial adjoining the rivet head Shank portion can be received with circumferential radial gap in this punched hole or is receivable. The conditional relative mobility between the joined workpieces (transverse to the joining or longitudinal axis) resulting from the radial free space in particular makes it possible to achieve different thermal expansion without the rivet element and / or the workpieces being damaged. The produced Stanznietverbindung is less stressed and a failure is unlikely.
Ein erfindungsgemäßer Halbhohlstanzniet ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet (bezüglich seiner Längsachse), wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Nietkopf den Nietschaft in radialer Richtung hutartig überragt. A semi-hollow punch rivet according to the invention is preferably rotationally symmetrical (with respect to its longitudinal axis), wherein provision is made in particular for the rivet head to project beyond the rivet shank in the radial direction in the manner of a hat.
Bevorzugt ist der sich an den Nietkopf anschließende axiale Schaftabschnitt des Nietschafts zylindrisch ausgebildet. Der Nietfuß weist bezüglich dieses Schaftabschnitts bevorzugt einen um 1,0 mm bis 3,0 mm und insbesondere um 1,5 mm bis 2,0 mm größeren Durchmesser auf. Preferably, the axial shaft portion of the rivet shank adjacent to the rivet head is cylindrical. The rivet foot preferably has a diameter which is larger by 1.0 mm to 3.0 mm and in particular by 1.5 mm to 2.0 mm with respect to this shaft section.
Der Nietschaft kann mit einem sich konisch aufweitenden Endabschnitt ausgebildet sein, wodurch der Nietfuß einen größeren Durchmesser als der an den Nietkopf angrenzende Schaftabschnitt aufweist. The rivet shank can be formed with a conically widening end section, whereby the rivet foot has a larger diameter than the shank section adjoining the rivet head.
Der Nietschaft kann auch mit einem zylindrischen Endabschnitt ausgebildet sein, wobei dieser Endabschnitt einen größeren Durchmesser als der an den Nietkopf angrenzende Schaftabschnitt aufweist. The rivet shank may also be formed with a cylindrical end section, this end section having a larger diameter than the shaft section adjoining the rivet head.
Der erfindungsgemäße Halbholstanzniet ist bevorzugt aus einem Stahlmaterial, insbesondere einem Einsatzstahl, gebildet. Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Halbholstanzniet auch eine Beschichtung auf, die zumindest außenseitig aufgebracht ist. Die Beschichtung kann Korrosion verhindern und/oder den Fügevorgang (Setzvorgang) vereinfachen. The Halbholstanzniet invention is preferably made of a steel material, in particular a case steel formed. Preferably, the Halbholstanzniet invention also has a coating which is applied at least on the outside. The coating can prevent corrosion and / or simplify the joining process (setting process).
Der erfindungsgemäße Halbholstanzniet kann spanend oder umformend hergestellt sein. Eine spanende Herstellung kann bspw. durch Drehen erfolgen. Eine umformende Herstellung kann bspw. durch Fließpressen und anschließendes Anstauchen des Nietschafts erfolgen. Bevorzugt handelt es sich also um ein Dreh- oder Umformteil.The Halbholstanzniet invention can be made by machining or forming. A machining can, for example, be done by turning. A reshaping production can take place, for example, by extrusion and subsequent upsetting of the rivet shank. Preferably, therefore, it is a turning or forming part.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Werkstückverbunds mit wenigstens zwei Werkstücken umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- – Positionieren und Ausrichten der zu fügenden Werkstücke;
- – Ausführen eines Fügevorgangs zum vorlochfreien Fügen der Werkstücke mittels bzw. unter Verwendung von wenigstens einem erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet (d. h. das Fügen erfolgt an wenigstens einem Fügepunkt bzw. einer Fügestelle); und
- – Durchführen bzw. Ausführen eines Beschichtungsprozesses, im Zuge dessen die gefügten Werkstücke auch erwärmt werden und am Fügepunkt bzw. an den Fügepunkten zueinander eine bedingte Relativbewegung (d. h. im Rahmen des radialen Spalts zwischen dem Nietschaft und der Stanzlochwandung im nietkopfseitigen Werkstück) ausführen können.
- - positioning and aligning the workpieces to be joined;
- Performing a joining operation for pre-punch-free joining of the workpieces by means of or using at least one semi-hollow punch rivet according to the invention (ie the joining takes place at at least one joining point or a joint); and
- Performing or carrying out a coating process in which the joined workpieces are also heated and at the joining point or at the joining points to each other a conditional relative movement (ie within the radial gap between the rivet shank and the punching hole in nietkopfseitigen workpiece) can perform.
Bei dem Beschichtungsprozess kann es sich um einen herkömmlichen Lackierprozess zum Aufbringen bzw. Auftragen eines Decklackes handeln, wobei beim Erwärmen (zum Aushärten der aufgebrachten Lackierung) Temperaturen von bis zu 80 °C und mehr erreicht werden können. The coating process may be a conventional painting process for applying or applying a topcoat, wherein when heated (for curing the applied paint) temperatures of up to 80 ° C and more can be achieved.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Beschichtungsprozess um ein kathodisches Tauchlackieren der gefügten Werkstücke und anschließendes Erwärmen (zum Aushärten der aufgebrachten Lackierung), was zusammenfassend auch als KTL-Prozess bzw. KTL-Durchlauf bezeichnet werden kann. Eine kathodische Tauchlackierung dient insbesondere als Korrosionsschutzbeschichtung und/oder als Grundlack. Das Aushärten erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 180 °C und 210 °C. Ein sich an den Fügevorgang anschließender KTL-Durchlauf führt zu einer hohen korrosiven und bei optionaler Verwendung eines Klebstoffs (siehe unten) auch hohen mechanischen Belastbarkeit des hergestellten Werkstückverbunds. The coating process is preferably a cathodic dip coating of the joined workpieces and subsequent heating (for curing the applied coating), which can also be referred to collectively as KTL process or CDP pass. A cathodic dip coating is used in particular as a corrosion protection coating and / or as a base coat. The curing is preferably carried out at a temperature between 180 ° C and 210 ° C. A subsequent to the joining process KTL-run leads to a high corrosive and optional use of an adhesive (see below) and high mechanical strength of the workpiece assembly produced.
Bevorzugt handelt es sich zumindest bei dem oberen (bzw. nietkopfseitigen oder stempelseitigen) Werkstück um ein Blechwerkstück oder um ein blechartiges Werkstück, wobei dieses Werkstück während eines Fügevorgangs vom Nietfuß des verwendeten Halbhohlstanzniets durchstanzt bzw. durchlocht wird, bevor dieser mit dem unteren vom nietkopfseitigen Werkstück abgewandten Werkstück (bzw. mit dem matrizenseitigen Werkstück) formschlüssig verpresst wird. Der Nietschaft und das betreffende Werkstück werden beim Verpressen lokal plastisch verformt. Der Stanzabfall (Butzen) verbleibt in der Ausnehmung des hohlen Nietschafts. In analoger Weise können auch mehr als zwei Werkstücke gefügt werden, wobei sowohl das obere Werkstück und als auch das wenigstens eine mittlere Werkstücke durchstanzt werden, bevor der Nietschaft fußseitig mit dem unteren bzw. vom nietkopfseitigen Werkstück abgewandten Werkstück verpresst wird. Preferably, at least at the upper (or rivet head side or punch side) workpiece is a sheet metal workpiece or a sheet-like workpiece, this workpiece is punched or pierced during a joining operation of Nietfuß used semi-punched rivet, before this with the lower of nietkopfseitigen workpiece remote workpiece (or with the matrizenseitigen workpiece) is positively pressed. The rivet shank and the workpiece in question are locally plastically deformed during pressing. The punching waste (slug) remains in the recess of the hollow rivet shaft. In an analogous manner, more than two workpieces can be joined, wherein both the upper workpiece and the at least one middle workpieces are punched before the rivet shank is pressed on the foot side with the lower or the rivet head side workpiece facing away from the workpiece.
Bei dem herzustellenden Werkstückverbund handelt es sich insbesondere um ein Karosseriebauteil, Karosserieanbauteil oder Karosseriebestandteil für ein Kraftfahrzeug (insbesondere für eine PKW-Karosserie). The workpiece assembly to be produced is in particular a body component, body component or body component for a motor vehicle (in particular for a car body).
Bevorzugt sind die Werkstücke aus verschiedenen Metallmaterialien gebildet. Insbesondere haben diese verschiedenen Metallmaterialien eine unterschiedliche Wärmeausdehnung. Eines der Werkstücke, insbesondere das nietkopfseitige Werkstück, kann aus einem Aluminiummaterial, bspw. einem Aluminiumblech, und das andere Werkstück aus einem Stahlmaterial, bspw. einem Stahlblech, gebildet sein. Preferably, the workpieces are formed from different metal materials. In particular, these various metal materials have a different thermal expansion. One of the workpieces, in particular the rivet-head-side workpiece, may be formed from an aluminum material, for example an aluminum sheet, and the other workpiece from a steel material, for example a steel sheet.
Wenigstens eines der Werkstücke, insbesondere das nietkopfseitige Werkstück, kann auch aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, bspw. CFK oder GFK, gebildet sein, wobei das andere Werkstück aus einem Metallmaterial, bspw. einem Aluminiummaterial (insbesondere Aluminiumblech) oder einem Stahlmaterial (insbesondere Stahlblechmaterial), gebildet sein kann (so genannter Hybrid- oder Mischbau). At least one of the workpieces, in particular the rivet-head-side workpiece, may also be formed from a fiber-reinforced plastic material, for example CFRP or GFRP, the other workpiece being made of a metal material, for example an aluminum material (in particular aluminum sheet) or a steel material (in particular steel sheet material), may be formed (so-called hybrid or mixed construction).
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das aus faserverstärktem Kunststoffmaterial gebildete Werkstück beim Fügevorgangs durchlocht bzw. durchstanzt wird und dass sich ein radialer Spalt zwischen dem Schaftabschnitt und der Stanzlochwandung in diesem Werkstück ausbildet, der beim Erwärmen eine Relativbewegung der gefügten Bauteile an der Fügestelle ermöglicht, wodurch eine kritische Scherbelastung des Halbhohlstanzniets und/oder kritische Lochleibungspressungen, insbesondere in der Stanzlochwandung des aus faserverstärktem Kunststoffmaterial gebildeten Werkstücks, verhindert werden können. It is preferably provided that the workpiece formed from fiber-reinforced plastic material is pierced or punched during the joining process and that a radial gap between the shaft portion and the punching hole in this workpiece is formed, which allows a relative movement of the joined components at the joint during heating, whereby a critical shear stress of the Halbhohlstanzniets and / or critical Lochleibungspressungen, in particular in the punching hole wall of the formed of fiber-reinforced plastic material workpiece can be prevented.
Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ist somit im Hinblick auf die Herstellung stanznietgefügter Hybrid- bzw. Mischbauverbunde (insbesondere CFK-Metall-Verbunde) mit anschließendem KTL-Durchlauf optimal geeignet.The procedure according to the invention is thus optimally suited with regard to the production of rivet-jointed hybrid or mixed construction composites (in particular CFRP metal composites) with subsequent cathodic fluid flow pass.
Bevorzugt werden die Werkstücke ergänzend auch miteinander verklebt, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass der verwendete Klebstoff beim Erwärmen im Zuge des Beschichtungsprozesses und insbesondere beim Erwärmen im Rahmen des kathodischen Tauchlackierens (d. h. beim KTL-Durchlauf) aushärtet. Preferably, the workpieces are additionally glued together, wherein it is preferably provided that the adhesive used hardens during heating in the course of the coating process and in particular during heating in the context of cathodic dip painting (that is, in the KTL run).
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen und nicht maßstabsgerechten Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können jedoch, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein. The invention will now be described by way of non-limiting example with reference to FIG the schematic and not to scale figures explained in more detail. However, the features shown in the figures and / or explained below may, regardless of specific feature combinations, be general features of the invention.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Nietfuß
Der in
Das Fügen erfolgt in an und für sich bekannter Weise, wobei das obere bzw. nietkopfseitige Werkstück
Die axiale Länge des Nietschafts
An einer Fügestelle weist das bei einem Fügevorgang mit Hilfe des Nietfußes
Das radiale Spaltmaß des Spalts S gibt den möglichen Bewegungsumfang an einer Fügestelle bzw. einem Fügepunkt vor. Bevorzugt ist der Halbhohlstanzniet
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Halbhohlstanzniet (Nietelement) Semi-hollow punch rivet (rivet element)
- 110110
- Nietkopf rivet head
- 120120
- Nietschaft rivet
- 121121
- Ausnehmung (Hohlraum) Recess (cavity)
- 122122
- Schaftabschnitt (kopfnah) Shaft section (close to the head)
- 123123
- Übergangsbereich Transition area
- 124124
- Schaftabschnitt, Endabschnitt Shank section, end section
- 125125
- Nietfuß rivet foot
- 127127
- Stanzkante punching edge
- 200200
- Werkstückverbund Workpiece composite
- 210210
- Werkstück workpiece
- 211211
- Abfallstück (Butzen) Waste piece (slug)
- 215215
- Stanzloch punch hole
- 220220
- Werkstück workpiece
- 230230
- Klebstoff, Klebstoffschicht Adhesive, adhesive layer
- DD
- Durchmesser diameter
- LL
- Längsachse, Fügeachse Longitudinal axis, joining axis
- RR
- Relativbewegung relative movement
- SS
- Spalt gap
- aa
- Winkel angle
- dd
- Durchmesser diameter
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 19905528 A1 [0003] DE 19905528 A1 [0003]
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