DE102015013233A1

DE102015013233A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds

Info

Publication number: DE102015013233A1
Application number: DE102015013233.4A
Authority: DE
Inventors: Kevin Rothe
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-10-10
Also published as: DE102015013233B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds aus zumindest zwei Fügepartnern (1, 3), die an einer Fügestelle (F) mittels einer Schließringbolzen-Anordnung (5) in Verbindung sind, bei der in einem Fügeschritt ein Bolzen (6) mit seinem Bolzenschaft (9) durch die beiden Fügepartner (1, 3) geführt wird und in einem Einformschritt an einer dem Bolzenkopf (7) gegenüberliegenden Seite ein Schließring (8) in einen von den beiden Fügepartner (1, 3) überstehenden Bolzenfuß (15) eingeformt wird. Erfindungsgemäß werden zur Bildung der Fügestelle (F) zumindest einer, insbesondere die beiden Fügepartner (1, 3) vorlochfrei bereitgestellt. Im Fügeschritt wird der Bolzen (6) in einem Bohrvorgang unter Rotation und Anpressdruck durch den zumindest einen Fügepartner (1, 3) gebohrt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds aus zumindest zwei Fügepartnern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, eine Setzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 8 sowie einen Bauteilverbund nach dem Patentanspruch 9.
Im Automobilbau können Fügepartner aus einem Faserverbundkunststoff, zum Beispiel einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, über eine Klebung miteinander verbunden werden. Zusätzlich zur Klebung können an der Fügestelle mechanische Verbinder (zum Beispiel Niete) integriert sein. Diese bewirken eine Fixierung der Fügepartner bis zur vollständigen Klebstoffaushärtung. Zudem können die mechanischen Verbinder im Crashfall zusätzliche Energie aufnehmen und eine für den Klebstoff schädliche Schälbeanspruchung verhindern.
Als mechanische Fügeelemente werden im Automobilbau in gängiger Praxis Blindniete verwendet. Alternativ dazu kann in einem gattungsgemäßen Fügeprozess ein Schließringbolzensystem verwendet werden, bei dem in einem Fügeschritt ein Bolzen mit seinem Bolzenschaft durch die beiden Fügepartner geführt wird. In einem anschließenden Setzschritt wird an einer, dem Bolzenkopf gegenüberliegenden Seite ein Schließring in einen von den beiden Fügepartnern überstehenden Bolzenfuß eingeformt.
Im obigen gattungsgemäßen Fügeprozess werden vor dem Fügeschritt Vorlöcher in die Fügepartner eingebracht (zum Beispiel durch Zirkularfräsen oder durch Wasserstrahlschneiden), durch die der Bolzen mit Lochspiel führbar ist. Dies ist mit zusätzlichen Prozesszeiten und damit zusätzlichen Prozesskosten verbunden. Zudem müssen die Fügepartner zur Toleranzkompensation unterschiedlich große Vorlöcher aufweisen, so dass eine Kraftübertragung am Schließringbolzensystem nur durch die aufgebrachte Klemmkraft des Schließringes erfolgt.
Aus der DE 10 2009 048 398 A1 ist eine Bauteilverbindung zwischen zwei Fügepartnern aus faserverstärktem Kunststoff sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilverbindung bekannt, bei dem zur Bildung der Fügestelle die beiden Fügepartner zunächst vorlochfrei bereitgestellt werden. Anschließend wird in einem Zustellschritt ein selbstlochender Bolzen durch die beiden Fügepartner sowie durch ein matrizenseitiges Gegenlager gestanzt. Das scheibenförmige Gegenlager wird dadurch am Bolzenschaft befestigt, so dass die beiden Fügepartner zwischen dem Bolzenkopf und dem Gegenlager fixiert sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds bereitzustellen, bei dem die Bauteilverbindung im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch einfacher mit reduzierten Prozesszeiten herstellbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1, 8 oder 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass der im Stand der Technik durchgeführte vorbereitende Prozessschritt zur Vorloch-Einbringung in die beiden Fügepartner prozesstechnisch aufwendig ist. Vor diesem Hintergrund werden zur Bildung der Fügestelle gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 zumindest einer der Fügepartner, insbesondere die beiden Fügepartner vorlochfrei bereitgestellt. Anschließend erfolgt ein Fügeschritt, bei dem der Bolzen in einem Bohrvorgang unter Rotation und Anpressdruck durch den zumindest einen Fügepartner gebohrt wird. Die Locheinbringung erfolgt somit durch einen selbstlochenden Bolzen. Dieser wird erfindungsgemäß nicht in einem Stanzvorgang, sondern in einem Bohrvorgang in die beiden Fügepartner eingetrieben.
Bei einem Stanzvorgang erfolgt eine Verdrängung des Fügepartner-Werkstoffes radial nach außen, wodurch speziell bei faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen Kunststoffmaterial zwischen Faserlagen geschoben werden kann, was zu großflächigen Schädigungen des Faserverbund-Kunststoffes führen kann. Eine solche radiale Werkstoff-Verdrängung nach außen wird beim erfindungsgemäßen Bohrvorgang vermieden, bei dem der Werkstoff schichtweise spanabhebend abgetragen wird und entgegen der Bohrrichtung nach außen transportiert wird.
Wie aus der Vorbeschreibung hervorgeht, ist das erfindungsgemäße Verfahren bei Fügepartnern anwendbar, die aus einem Faserverbundkunststoff, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, hergestellt sind. Dabei wird der Bolzen im Fügeschritt unter gleichzeitiger Bildung der Bohrungen durch die beiden Fügepartner geführt. Der in die Fügepartner gebohrte Bolzen wirkt somit als ein Passbolzen, der passgenau, das heißt im Wesentlichen spielfrei, durch die beiden Fügepartner geführt ist. Auf diese Weise ist die Verbindungsfestigkeit zwischen der Schließringbolzen-Anordnung und den beiden Fügepartnern verbessert.
Durch den Lochungsprozess, der erfindungsgemäß direkt in den Fügeprozess integriert wird, entfällt zudem ein kostenintensiver Vorlochprozess. Schließringbolzensysteme können hohe Klemmkräfte in Axialrichtung aufbauen. Diese Klemmung ist speziell für CFK-Verbindungen von Bedeutung, da hohe axiale Klemmungen eine hohe Dauerfestigkeit der Verbindung bewirken. Im Gegensatz zu selbststanzenden Fügeverfahren (zum Beispiel Stanznieten oder selbststanzende Schließringbolzen-Anordnungen) können daher Laminatschädigungen durch Anwendung eines Bohrprozesses minimiert werden, was ebenfalls die Verbindungsfestigkeit steigert.
Im Hinblick auf einen betriebssicheren Lochungsprozess kann die Geometrie des Bolzens wie folgt ausgebildet sein: So kann der Bolzen (speziell beim Fügen von CFK-Fügepartnern) in etwa eine Holzbohrer-Geometrie aufweisen, und zwar mit einer an seinem Bolzenfuß spitz zulaufenden Bohrerspitze. Zudem kann der Bolzen an seinem Bolzenschaft zumindest eine, spiralförmig mit Steigung radial außen umlaufende Bohrerschneide aufweisen. Diese trennt in Umfangsrichtung Spannuten zum Späne-Abtransport voneinander.
In einer technischen Umsetzung kann sich die radial außen umlaufende Bohrerschneide in der Axialrichtung bis zum, von den beiden Fügepartnern überstehenden Bolzenfuß erstrecken. In diesem Fall wirken die mit Steigung spiralförmig umlaufenden Spannuten als Schließnuten, in die im Einformschritt der Schließring einformbar ist.
Alternativ und/oder zusätzlich kann der Bolzen an seinem, von den Fügepartnern überstehenden Bolzenfuß eine Ringnut aufweisen, die ohne Steigung, das heißt rechtwinklig zur Bohrerachse, verläuft. Die Ringnut kann ebenfalls als eine Schließnut wirken, in die im Einformschritt der Schließring eingeformt werden kann.
Zur Steigerung der Klemmverbindung zwischen dem Schließring und dem Bolzen ist es bevorzugt, wenn die Ringnut und die Spannuten sich in der Bolzen-Axialrichtung einander überlagern.
Der obige Fügeprozess kann in einer Setzvorrichtung erfolgen, bei der die beiden Fügepartner unter Zwischenlage des Schließrings auf einer Matrize ablegbar sind. Die Setzvorrichtung kann zusätzlich einen Niederhalter aufweisen, der im Setzprozess die beiden Fügepartner gegen die Matrize drückt. Die Matrize kann bevorzugt zweiteilig ausgeführt sein, und zwar mit einem Gegenhalter, auf dem der Schließring sowie die beiden Fügepartner ortsfest positionierbar sind, und einer axial hubverstellbaren Anformmatrize, mittels der nach erfolgtem Fügeschritt im Einformvorgang der Schließring in eine Schließnut im Bolzenfuß einformbar ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Fügeprozesses kann die Setzvorrichtung außerdem eine Antriebseinheit mit einer Antriebsspindel aufweisen, mittels der der Bolzen im Setzschritt unter Rotation und Anpressdruck in einem Bohrvorgang durch zumindest einen, bevorzugt durch die beiden vorlochfreien Fügepartner gebohrt wird.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 in einer Schnittdarstellung einen Bauteilverbund zwischen zwei FVK-Fügepartnern;
2 bis 4 jeweils Ansichten, die den Fügeprozess veranschaulichen.
In der 1 ist eine Bauteilverbund gezeigt, der aus zwei Fügepartner 1, 3 besteht, die aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt sind. Die beiden Fügepartner 1, 3 sind an einer Fügestelle F mittels eines Schließringbolzensystems 5 miteinander mechanisch verbunden. Gegebenenfalls können die beiden Fügepartner 1, 3 zusätzlich auch durch eine nicht gezeigte Klebung miteinander verbunden sein.
Das Schließringbolzensystem 5 ist in der 1 aus einem Bolzen 6 und einem Schließring 8 aufgebaut. Der Bolzen 6 liegt mit seinem Bolzenkopf 7 auf dem in der Fügerichtung I (2 oder 3) ersten Fügepartner 1 auf und ist mit seinem Bolzenschaft 9 durch die in den Fügepartnern 1, 3 eingebrachten Bohrlöcher 11, 13 geführt ist. Der Schließring 8 ist dabei in einem, von den beiden Fügepartnern 1, 3 nach unten überstehenden Bolzenfuß 15 eingeformt, und zwar in hierfür vorgesehene Schließnuten, wie es später noch beschrieben wird.
Der Bolzen 6 weist eine selbstlochende Bolzen-Geometrie auf, wodurch der Lochungsprozess zur Erzeugung der Bohrlöcher 11, 13 direkt im Fügeprozess integrierbar ist und ein prozesstechnisch aufwendiger Vorlochprozess vermieden werden kann. Der Lochungsprozess wird in einem später beschriebenen Bohrvorgang durchgeführt, bei dem der Bolzen 6 durch die beiden Fügepartner 1, 3 gebohrt wird.
Nachfolgend ist die selbstlochende Bolzen-Geometrie anhand der 1 beschrieben: Demzufolge weist der Bolzen 6 an seinem Bolzenfuß 15 eine spitz zulaufende Bohrerspitze 17 auf. Zwischen der Bohrerspitze 17 und dem Bolzenkopf 7 verlaufen spiralförmig (das heißt mit Steigung) radial außen umlaufende Bohrerschneiden 19 mit dazwischen angeordneten Spannuten 21. Zudem weist der Bolzen 6 an seinem, von den Fügepartnern 1, 3 überstehenden Bolzenfuß 15 eine Ringnut 23 auf, die rechtwinklig, das heißt ohne Steigung, zur Bohrerachse verläuft. Sowohl die Ringnut 23 als auch die Spannuten 21 wirken als Schließnuten, in die der Schließring 8 in Radialrichtung nach innen eingeformt ist.
Mit dem Bohrvorgang wird erreicht, dass der Bolzen 6 als ein Passbolzen passgenau, das heißt im Wesentlichen spielfrei, durch die Bohrlöcher 11, 13 der beiden Fügepartner 1, 3 geführt ist.
Nachfolgend wird anhand der 2 bis 4 der Fügeprozess beschrieben, der mittels einer in den 2 bis 4 angedeuteten Setzvorrichtung durchführbar ist. Wie aus den 2 bis 4 hervorgeht, weist die Setzvorrichtung eine Matrize 25 auf, auf die die beiden Fügepartner 1, 3 vorbereitend sowie unter Zwischenlage des Schließrings 8 ablegbar sind. Die beiden Fügepartner 1, 3 sind in der 2 noch vorlochfrei.
Gemäß den 2 bis 4 ist die Matrize 25 zweiteilig ausgeführt, und zwar mit einem ortsfesten, hohlzylindrischen Gegenhalter 27 und einer darin hubverstellbar geführten Anformmatrize 29. Auf der, den beiden Fügepartnern 1, 3 zugewandten Stirnseite 31 (2) des Gegenhalters 27 sind die beiden Fügepartner 1, 3 unter Zwischenlage des noch unverformten Schließringes 8 abgelegt. Zudem werden die beiden Fügepartner 1, 3 sowie der Schließring 8 mittels eines Niederhalters 33 gegen den matrizenseitigen Gegenhalter 27 gedrückt.
Im hohlzylindrischen Niederhalter 33 ist eine in der 3 und 4 gezeigte Antriebsspindel 35 drehbar sowie hubverstellbar geführt. Die Antriebsspindel 35 ist in der 3 oder 4 stirnseitig momentenübertragend, das heißt verdrehsicher, mit dem Bolzenkopf 7 des Bolzens 6 in Verbindung. Zur Durchführung des Bohrschrittes wird die Antriebsspindel 35 mit dem damit verbundenen Bolzen 6 in der Fügerichtung I auf die Fügepartner 1, 3 hubverstellt, und zwar unter Rotation sowie Anpressdruck. Auf diese Weise erfolgt ein Bohrvorgang, bei dem der Bolzen 6 unter Bildung der beiden Bohrlöcher 11, 13 durch die Fügepartner 1, 3 gebohrt wird, bis eine Bolzenkopfauflage erreicht ist. Nach Erreichen der Bolzenkopfauflage wird der Rotationsantrieb beendet. In der 3 ist der Zustand nach Abschluß des Bohrschritts gezeigt. Demzufolge durchragt der Bolzenschaft 9 die beiden Bohrlöcher 11, 13 der Fügepartner 1, 3, während der von den beiden Fügepartnern 1, 3 nach unten überstehende Bolzenfuß 15 mit Spiel durch den noch unverformten Schließring 8 geführt ist (3).
Anschließend erfolgt ein Einformschritt, bei dem die in den 2 und 3 nach unten zurückgesetzte Anformmatrize 29 um einen Hubweg Δh (4) vertikal nach oben axial hubverstellt wird. Auf diese Weise tritt deren hohlzylindrische Umformkontur 37 (4) der Anformmatrize 29 außenseitig mit einem hohlzylindrischen Schließring-Abschnitt 39 (4) des Schließringes 8 in Kontakt und formt diese den hohlzylindrische Schließring-Abschnitt 39 radial nach innen in die Ringnut 23 sowie in die Spannuten 21 ein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009048398 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds aus zumindest zwei Fügepartnern (1, 3), die an einer Fügestelle (F) mittels einer Schließringbolzen-Anordnung (5) in Verbindung sind, bei der in einem Fügeschritt ein Bolzen (6) mit seinem Bolzenschaft (9) durch die beiden Fügepartner (1, 3) geführt wird und in einem Einformschritt an einer dem Bolzenkopf (7) gegenüberliegenden Seite ein Schließring (8) in einen von den beiden Fügepartner (1, 3) überstehenden Bolzenfuß (15) eingeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Fügestelle (F) zumindest einer, insbesondere die beiden Fügepartner (1, 3) vorlochfrei bereitgestellt werden, und dass im Fügeschritt der Bolzen (6) in einem Bohrvorgang unter Rotation und Anpressdruck durch den zumindest einen Fügepartner (1, 3) gebohrt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fügepartner (1, 3) aus einem Faserverbundkunststoff, insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, hergestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (6) an seinem Bolzenfuß (15) eine spitzzulaufende Bohrerspitze (17) aufweist, und/oder dass der Bolzen (6) an seinem Bolzenschaft (9) zumindest eine, spiralförmig mit Steigung radial außen umlaufende Bohrerschneide (19) aufweist, die in Umfangsrichtung Spannuten (21) zum Späne-Abtransport voneinander trennt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (6) im Fügeschritt durch Bohrungen (11, 13) der Fügepartner (1, 3) geführt wird, und dass die Bohrungen (11, 13) im Fügeschritt unmittelbar mittels des Bolzens (6) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bohrerschneide (19) in der Axialrichtung bis zum, von den beiden Fügepartner (1, 3) überstehenden Bolzenfuß (15) erstrecken, und dass insbesondere die mit Steigung spiralförmig umlaufenden Spannuten (21) als Schließnuten wirken, in die im Einformschritt der Schließring (8) einformbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (6) an seinem, von den Fügepartner (1, 3) überstehenden Bolzenfuß (15) eine Ringnut (23) aufweist, die rechtwinklig zur Bohrerachse verläuft, und dass die Ringnut (23) als eine Schließnut wirkt, in die im Einformschritt der Schließring (8) eingeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (23) und die Spannuten (21) sich in der Axialrichtung einander überlagern.
Setzvorrichtung zum Fügen zumindest zweier Fügepartner (1, 3) in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Matrize (25), auf die die beiden Fügepartner (1, 3) unter Zwischenlage eines Schließrings (8) ablegbar sind und mit einem Niederhalter (33), der die beiden Fügepartner (1, 3) gegen die Matrize (25) drückt, wobei die Matrize (25) zweiteilig mit einem Gegenhalter (27), auf dem der Schließring (8) ortsfest positioniert ist, und einer hubverstellbaren Anformmatrize (29) aufgebaut ist, mittels der im Einformschritt der Schließring (8) in eine Schließnut des Bolzens (6) einformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Setzvorrichtung eine Antriebseinheit mit einer Antriebsspindel (35) aufweist, mittels der der Bolzen (6) im Fügeschritt unter Rotation und Anpressdruck in einem Bohrvorgang durch zumindest einen, insbesondere durch die beiden Fügepartner (1, 3) gebohrt wird.
Bauteilverbund aus zumindest zwei Fügepartner (1, 3), die in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gefügt sind, wobei der Bolzen (6) als ein Passbolzen passgenau, das heißt im Wesentlichen spielfrei durch die Bohrung (11, 13) zumindest eines der Fügepartner (1, 3), insbesondere der beiden Fügepartner (1, 3), geführt ist.