DE102015203608A1

DE102015203608A1 - Stanz-Verbindungselement

Info

Publication number: DE102015203608A1
Application number: DE102015203608.1A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Christ
Original assignee: Ejot GmbH and Co KG
Current assignee: Ejot GmbH and Co KG
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-01
Also published as: WO2016135319A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stanz-Verbindungselement (10, 36, 50, 70, 104), das einen Kopf (12) und einen Schaft (13) aufweist, wobei der Kopf (12) in einen Schaft (13) mit einem ersten Schaftabschnitt (14) übergeht, wobei der erste Schaftabschnitt (14) einen Querschnitt aufweist, der wenigstens zwei äußerste Punkte umfasst, die auf einem Außenkreis mit einem ersten Durchmesser liegen, ferner der Schaft (13) im weiteren Verlauf zu seinem dem Kopf abgewandten Ende hin sich zu einem zweiten Schaftabschnitt (16) aufweitet, wobei der zweite Schaftabschnitt (16) eine Verdickung (18, 52) hat, die einen Querschnitt aufweist, der wenigstens zwei äußerste Punkte umfasst, die auf einem Außenkreis mit einem Maximaldurchmesser (Dmax) liegen, und der Schaft (13) sich bis zu dem Kopf (12) abgewandten Ende des Schafts (13) wieder verjüngt, wobei an der dem Kopf (12) abgewandten Seite des zweiten Schaftabschnitts (16) ein Stanzabschnitt zum Stanzen eines Loches in ein Blech liegt, der einen Querschnitt hat, bei welchem wenigstens zwei äußere Punkte auf einem Außenkreis mit einem Stanzdurchmesser (DStanz) liegt, wobei die Verdickung (18, 52) relativ zum Stanzbereich (22, 42) so gestaltet ist, dass der Maximaldurchmesser (Dmax) um höchstens 25%, insbesondere höchstens 20%, größer als der Stanzdurchmesser (DStanz) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stanz-Verbindungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Bauteilverbindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Zur Verbindung von wenigstens zwei Blechlagen sind Halbhohlstanzniete oder Vollstanzniete bekannt. So offenbart die DE 102 59 334 C1 einen Vollstanzniet, der selbstlochend in einen Bauteilverbund eingebracht wird. Der Stanzniet weist eine Rille auf, in die Blechmaterial durch plastische Materialverformung hineingedrängt wird, um den Stanzniet im Bauteilverbund festzulegen.
Ein solcher Stanzniet hat den Nachteil, dass die unterste Bauteillage plastisch verformbar sein muss, um den Hinterschnitt auszufüllen und auf diese Weise einen Formschluss herzustellen.
Da bei einem Nietprozess immer eine plastische Verformung des unteren Bauteils zur Herstellung eines axialen Formschlusses erfolgen muss, ist eine Nietverbindung für einen Bauteilverbund mit einer harten untersten Bauteillage, deren Material schlecht plastisch verformbar ist, ungeeignet.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Stanz-Verbindung und ein geeignetes Verbindungselement anzugeben, mit welchem eine Verbindung mehrerer Bauteillagen ermöglicht wird, wobei die unterste Bauteillage ein Material hoher Festigkeit ist und damit schlechte plastische Verformungseigenschaften aufweist.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
In bekannter Weise umfasst ein Stanz-Verbindungselement zur Verbindung zweier, insbesondere plattenartiger Bauteile, einen Kopf und einen Schaft. Ferner geht der Kopf in einen Schaft mit einem ersten Schaftabschnitt über, wobei der erste Schaftabschnitt einen Querschnitt aufweist, der in einem Hüllkreis mit einem ersten Durchmesser liegt. Zudem verdickt sich der Schaft im weiteren Verlauf zu seinem dem Kopf abgewandten Ende hin zu einem zweiten Schaftabschnitt. Der zweite Schaftabschnitt stellt eine Verdickung dar, die einen Querschnitt aufweist, der in einem Hüllkreis mit einem Maximaldurchmesser relativ zum übrigen Schaft liegt. Der Schaft verjüngt sich entsprechend in seinem weiteren Verlauf wieder bis zu dem Kopf abgewandten Ende des Schafts. Das Stanz-Verbindungselement weist an der dem Kopf abgewandten Seite des zweiten Schaftabschnitts einen Stanzabschnitt zum Stanzen eines Loches in ein Blech auf. Der Stanzabschnitt hat einen Querschnitt, der in einem Hüllkreis mit einem Stanzdurchmesser liegt, wobei die Verdickung relativ zum Stanzbereich so gestaltet ist, dass der Maximaldurchmesser um höchstens 25%, insbesondere höchstens 20%, insbesondere 15%, größer ist als der Stanzdurchmesser.
Ein Hüllkreis im Sinne der Erfindung ist ein Kreis, der den Querschnitt vollständig mit kleinstmöglichem Durchmesser einschließt. Die Hüllkreise liegen insbesondere koaxial.
Durch diese Ausgestaltung kann bei Verbindung wenigstens zweier Bauteillagen, bei welcher die unterste Bauteillage ein hartes oder superhartes Blech ist, eine formschlüssige Verbindung erreicht werden. Durch die geringfügige Verdickung im Vergleich zum Stanzdurchmesser kann die Elastizität des Bauteils derart ausgenutzt werden, dass ein Durchdringen der untersten Bauteillage mit dem Stanz-Verbindungselement derart möglich ist, dass dieses aufgrund der radialen Rückfederung, nach Durchdringen der Verdickung, das Blech gegen den Schaft verstemmt.
Denkbare Querschnitte sind beispielsweise tribolare, polygone oder auch kreisförmige Querschnitte. Bei einem kreisförmigen Querschnitt kann der Querschnittsradius identisch mit dem Hüllkreisradius sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser des ersten Schaftteils wenigstens dem Stanzdurchmesser entspricht. Dies hat zur Folge, dass die in die Decklage eingebrachte Ausnehmung sich eng an den ersten Schaftteil anlegen kann, was einen spielfreien, radialen und axialen Formschluss ermöglicht.
Vorzugsweise kann die Steigung vom ersten Schaftteil zum Maximaldurchmesser, also zur Verdickung, eine Neigung von höchstens 10°, insbesondere etwa 6°, aufweisen. Dies hat zur Folge, dass beim Rückfedern der Bauteillage an den Schaft des Verbindungselements die Bauteillage mit der Mantelfläche, die sich in der entsprechenden Steigung aufweitet, eine Verspannungssituation bildet und der Formschluss in axialer Richtung hergestellt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung endet der Schaft in einem Kegel, Kegelstumpf oder einem Zylinder. Endet der Schaft in einem Kegel, ist zu beachten, dass die Stirnfläche des Schafts nicht notwendigerweise den Stanzbereich bildet. So kann beispielsweise der Stanzbereich durch einen Querschnitt gebildet werden, der axial nach dem Kegel angeordnet ist. Endet der Schaft in einem Kegelstumpf, kann die Stirnfläche des Kegelstumpfes den Stanzbereich darstellen, wobei der Kegelstumpf insbesondere mit seinem Basiskreis an die Verdickung schließt. Durch eine doppelkonische Ausgestaltung kann ein besonders sanftes Aufdehnen und Rückfedern der unteren Bauteillage erfolgen.
Insbesondere verläuft der Übergangsbereich vom ersten zum zweiten Schaftabschnitt konisch.
Dies hat zur Folge, dass sich eine ideale Anlagefläche für die rückfedernde unterste Bauteillage ergibt.
Alternativ kann der Übergangsbereich vom ersten Schaftabschnitt zum Maximaldurchmesser der Verdickung eine Krümmung beispielsweise einen konkaven Verlauf aufweisen, wodurch sich eine höhere axiale Auszugskraft erreichen lässt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass sich der Schaft vom Maximaldurchmesser der Verdickung zum Schaftende hin konisch verjüngt. Während des Stanzens erfolgt dadurch eine gleichmäßige, elastische Aufweitung des Stanzloches in der untersten Bauteillage.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Schaft in seiner Stirnfläche eine zentrale Ausnehmung aufweist. Diese kann zum Einen die Elastizität des Stanz-Verbindungselementes vergrößern, zum Anderen kann ein Aufnahmeraum für Material der Decklage bereitgestellt werden.
Diese Eigenschaften sind besonders gut erfüllt, wenn sich die zentrale Ausnehmung in axialer Ausrichtung wenigstens bis zum Maximaldurchmesser erstreckt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass in die Stirnseite eine erste zentrale Ausnehmung eingebracht ist, die sich in axialer Richtung in Richtung des Kopfes erstreckt, wobei die Ausnehmung einen ersten Ausnehmungsdurchmesser und einen zum ersten Ausnehmungsmesser unterschiedlichen zweiten Ausnehmungsmesser aufweist. Der zweite Ausnehmungsdurchmesser liegt dabei in axialer Richtung zwischen dem ersten Ausnehmungsdurchmesser und dem Kopf. Insbesondere liegt der zweite Ausnehmungsdurchmesser zwischen dem ersten Ausnehmungsdurchmesser und dem Maximaldurchmesser. Durch die unterschiedliche Gestaltung der Ausnehmungsdurchmesser kann das Materialfluss- und Verdrängungsverhalten beim Stanzvorgang beeinflusst werden.
So kann beispielsweise der erste Ausnehmungsdurchmesser an der Stirnfläche des Stanz-Verbindungselements größer sein als der zweite Ausnehmungsdurchmesser, der dann im übrigen Bereich der zentralen Ausnehmung vorliegt. Dies hat zur Folge, dass möglichst viel von dem ausgestanzten Material durch die sich verjüngende Ausnehmung abgeführt werden kann, was zu einer verbesserten Ausbildung einer Schneidkante in der untersten Bauteillage führt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der erste Ausnehmungsdurchmesser, der der Stirnseite zugewandt ist, einen kleineren Ausnehmungsdurchmesser aufweisen als der in Kopfrichtung nachfolgende zweite Ausnehmungsdurchmesser.
Dies hat zur Folge, dass ein ausgestanzter Materialbutzen mit einem Durchmesser, der dem ersten Ausnehmungsdurchmessers entspricht, in eine zentrale Ausnehmung eingeleitet wird, die dann einen größeren Durchmesser als der Materialbutzen hat. Dadurch kann gewährleistet werden, dass ein ausreichend großes Spiel zwischen Materialbutzen und Ausnehmung verbleibt, wodurch ein Einfedern nicht behindert wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass ein dritter Ausnehmungsdurchmesser vorgesehen sein kann, der in axialer Richtung zwischen dem zweiten Ausnehmungsdurchmesser und dem Kopf liegt, wobei der zweite Ausnehmungsdurchmesser kleiner als der dritte Ausnehmungsdurchmesser ist.
Dies verbindet die Ausgestaltung von einer scharfen Schneidkante mit einem größten Außendurchmesser an der Stirnfläche, der sich zu einem geringeren Ausnehmungsdurchmesser in Kopfrichtung verjüngt, um den Durchmesser des verdrängten Materialbutzens festzulegen und sich anschließend wieder in einen größeren dritten Ausnehmungsdurchmesser aufweitet, um ein ausreichend großes Luftvolumen bereit zu stellen.
Zudem kann vorgesehen sein, dass in die Mantelfläche eine Bohrung eingebracht ist, welche auf die zentrale Ausnehmung trifft. Dadurch kann eine Entlüftung der zentralen Ausnehmung erfolgen, wenn beim Stanzvorgang verdrängtes Material in der zentralen Ausnehmung aufgenommen wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese eine Bauteilverbindung umfassend ein Stanz-Verbindungselement und wenigstens eine Decklage und eine Basislage, wobei das Verbindungselement einen Kopf und einen Schaft aufweist, wobei der Kopf in einen ersten Schaftabschnitt übergeht, der einen Querschnitt aufweist, der in einem Hüllkreis mit einem ersten Durchmesser liegt. Im weiteren Verlauf zu seinem dem Kopf abgewandten Ende geht der erste Schaftabschnitt in einem zweiten Schaftabschnitt über, der einen zweiten Querschnitt aufweist, der auf einem Hüllkreis mit einem Verdickungsdurchmesser liegt, wodurch eine Verdickung gebildet ist. Nach der Verdickung verjüngt sich der Schaft bis zu dem Kopf abgewandten Ende des Schafts wieder, wobei sich ein Stanzdurchmesser ergibt, mit dem in der Basislage unter Bildung eines Durchzugs ein Loch ausgestanzt ist, in welches sich das Stanz-Verbindungselement mit seinem Schaft erstreckt.
Stanzdurchmesser und Maximaldurchmesser sind derart aufeinander abgestimmt, so dass nach Einbringung des Stanz-Verbindungselements der Durchzug eine Rückstellkraft entgegen der Eintreibrichtung auf das Stanz-Verbindungselement ausüben kann, wodurch dieses formschlüssig festlegt wird.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Differenz des Maximaldurchmessers zum Stanzdurchmesser kleiner oder gleich der Summe der maximalen Durchmesservergrößerung des Loches in der Basislage aufgrund elastischer Verformung und der Durchmesserverkleinerung der Aufweitung des Verbindungselements aufgrund der elastischen Verformung in radialer Richtung ist.
Dadurch wird gewährleistet, dass eine ausreichende elastische Rückstellung der Basislage ermöglicht wird. Im Falle eines Stanz-Verbindungselements aus Vollmaterial ist die Durchmesserverkleinerung aufgrund elastischer Verformung des Stanz-Verbindungselements vernachlässigbar. Die Aufweitung erfolgt dann ausschließlich über die elastische Verformung des Stanzlochs in der unteren Basislage.
In einer vorteilhaften Gestaltung der Bauteilverbindung ist die Summe der Dicke der wenigstens einen Decklage und der Dicke der Basislage geringer als der Abstand des Aufweitungsmaximums zum Kopf. Dies hat zur Folge, dass nach Einbringen des Stanz-Verbindungselements die Verdickung außerhalb des Bauteilverbunds zum Liegen kommt und eine formschlüssige Verbindung in axialer Richtung bereitstellen kann.
Insbesondere schließt die Dicke der Bauteilverbindung auch den sich während des Verbindungsvorgangs ergebenden Durchzug ein. Insbesondere ist die unterste Bauteillage aus einem Material hoher Festigkeit, insbesondere einem hochfesten Material, insbesondere aus einem Material mit einer Zugfestigkeit von mehr als 800 Megapascal (MPa), insbesondere mehr als 1000 MPa, gebildet. Die Basislage kann vorzugsweise aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Bauteilverbindung ein erfindungsgemäßes Verbindungselement wie zuvor beschrieben. Das Verbindungselement ist dabei so dimensioniert, dass der Abstand von der Aufweitung zur untersten Bauteillage geringer ist als die Dicke der Basislage. Dies hat zur Folge, dass die unterste Bauteillage in dem sich aufweitenden Bereich des Stanz-Verbindungselements an diesem zur Anlage kommt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Bauteilverbindung, wobei ein erfindungsgemäßes Stanz-Verbindungselement unter Axialkraft durch wenigstens eine Decklage und eine Basislage gedrückt wird. Die Basislage wird während des Eintreibvorgangs durch eine Matrize, insbesondere Schneidmatrize, abgestützt, die einen größeren Innendurchmesser aufweist als der Stanzdurchmesser des Stanz-Verbindungselements.
Vorzugsweise ist der Durchmesserunterschied von Stanzdurchmesser und Innendurchmesser der Matrize größer als die Stärke der Basislage. Dadurch wird eine elastische Verformung der Basislage bei Eindringen des Stanz-Verbindungselement mit seiner Verdickung in die Basislage ermöglicht.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn der Durchmesserunterschied von Stanzdurchmesser und Innendurchmesser der Matrize kleiner als das Dreifache der Stärke der Basislage ist. Dadurch kann verhindert werden, dass der den Stanzverbinder umgreifende Bereich der Basislage beim Eintreibvorgang aufbricht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Stanz-Verbindungselements;
2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Bauteilverbindung;
3 eine Vorderansicht eines Stanz-Verbindungselements;
4 eine Teilschnittansicht einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stanz-Verbindungselements;
5 eine Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Bauteilverbindung;
6 eine Teilschnittansicht einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stanz-Verbindungselements;
7 eine Teilschnittansicht einer Bauteilverbindung mit einer Decklage und einer superharten Basislage, und
8 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Setzvorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbundes.
1 zeigt eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Stanz-Verbindungselements 10 mit einem Kopf 12 und einem Schaft 13, der in einen ersten Schaftabschnitt 14 übergeht. Gemäß dieser Ausführungsform ist der erste Schaftabschnitt 14 zylindrisch ausgebildet. Im Anschluss an den ersten Schaftabschnitt 14 schließt sich ein zweiter Schaftabschnitt 16 an, der sich konisch zu einer Verdickung 18 aufweitet. Die Verdickung 18 hat den Maximaldurchmesser D_max und stellt folglich die dickste Stelle des Schafts dar.
Im Anschluss an die Verdickung wiederum verjüngt sich der Schaft in einen dritten Schaftabschnitt 20, bis dieser im vorliegenden Beispiel in einem Stanzbereich 22 mit einem Stanzdurchmesser D_Stanz endet, der eine kreisförmige Planfläche bildet. Im vorliegenden Fall ist der Maximaldurchmesser D_max etwa 10 % größer als der Stanzdurchmesser D_Stanz.
2 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Bauteilverbindung 30 umfassend zwei Bauteillagen mit einer unteren Basislage 34 aus hochfestem Stahl von mehr als 800 MPa, insbesondere mehr als 1000 MPa Zugfestigkeit. Auf dieser Basislage 34 liegt eine Decklage 32 aus Leichtmetall, Faserverbundkunststoffen oder Stahl. Die beiden Bauteile werden durch ein erfindungsgemäßes Stanz-Verbindungselement 36 zusammengehalten, wobei das Stanz-Verbindungselement 36 ohne Vorlochen durch die beiden Platten getrieben wird. Dabei entsteht ein Stanzloch insbesondere im unteren Blech mit dem Durchmesser D_Stanz. Während des Eintreibvorgangs ruft die Verdickung 18 beim Durchdringen des Stanzloches in der Basislage 34 eine in Radialrichtung elastische Aufweitung des Loches hervor, welche durch eine Verformung des Bleches 34 in Eintreibrichtung festzustellen ist. Der dort gebildete Durchzug ist im Wesentlichen nur im elastisch verformbaren Bereich verformt. Dies hat zur Folge, dass sich eine Rückstellkraft ergibt, welche bestrebt ist, den elastisch aufgeweiteten Lochdurchmesser wieder auf den Stanzdurchmesser zu reduzieren. Da die Verdickung außerhalb des Durchzugs liegt und insbesondere die Basislage 34 im konischen Bereich des Stanz-Verbindungselements 36 anliegt, wird auf diese Weise in axialer Richtung ein Formschluss hergestellt. So kann durch einen Stanzvorgang mit einem erfindungsgemäß gestalteten Verbindungselement ein hochfestes Blech mit einer weiteren Materiallage auf einfache Weise verbunden werden.
3 zeigt eine Vorderansicht eines Stanz-Verbindungselements 40, das im Wesentlichen dem in 1 beschriebenen Stanz-Verbindungselement entspricht, wobei am stirnseitigen Ende des Schaftes ein Stanzbereich 42 mit dem Stanzdurchmesser D_Stanz vorgesehen ist, wobei sich jedoch eine Kegelspitze 44 anschließt. Die Kegelspitze hat den Vorteil, dass das Material der Decklage besser verdrängt wird, sich durch elastische Verformung der Basislage bessere Stanzbedingungen und auch eine größere elastische Rückfederung ergeht.
Eine Bauteilverbindung ergibt sich mit dem Stanz-Verbindungselement 40 wie in 2 beschrieben.
4 zeigt eine Teilschnittansicht einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stanz-Verbindungselements 50. Dieses ist in seiner Grundform ähnlich dem Stanz-Verbindungselement gemäß 1 ausgestaltet und weist entsprechend eine Verdickung 52 auf. In die Stirnfläche des Stanz-Verbindungselements ist in dieser Teilschnittansicht deutlich zu erkennen, dass ein Loch in die Stirnfläche 54 des Stanz-Verbindungselements 50 eingebracht ist, das sich in axialer Richtung in Richtung des Kopfes erstreckt. Die Ausnehmung 56 ist zylindrisch ausgestaltet und kann dann bei Durchdringen einer Decklage dort vorhandenes Material in Form eines Butzens aufnehmen. Dies verbessert die Stanzqualität des Loches in der Basislage. Zudem erlaubt die zentrale Ausnehmung ein Einfedern des Schaftes im Bereich der Verdickung. Solches Verhalten ist in 5 näher beschrieben.
5 zeigt eine Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Bauteilverbindung 60 während des Eintreibvorgangs umfassend eine Decklage 62 sowie eine Basislage 64 aus einem hochfesten Material. Ein Stanz-Verbindungselement 50 gemäß 4 ist dort während des Einbringvorgangs auf etwa halber Einbringstrecke dargestellt. Übertrieben dargestellt ist hier das Einfedern der Verdickung 52, wodurch sich somit die elastische Verformung des Lochrandes aus der Summe der elastischen Aufweitung des Lochrandes und der elastischen Einfederung der Verdickung 52 ergibt. Nach Durchdringen des Bauteilverbundes ergibt sich ein Auffedern des Stanz-Verbindungselements 50 im Bereich der Verdickung 52 und führt zu einer formschlüssigen Verbindung, wie sie bereits in 2 beschrieben ist.
6 zeigt eine Teilschnittansicht einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stanz-Verbindungselements 70, das ähnlich dem Stanz-Verbindungselement 50 aus 4 aufgebaut ist. Das Stanz-Verbindungselement 70 weist in seiner Stirnfläche 74 eine konische Ausnehmung 76 auf, die sich in Richtung des Kopfes von einem ersten Ausnehmungsdurchmesser D_A1 zu einem kleineren zweiten Ausnehmungsdurchmesser D_A2 verjüngt. Nach dem zweiten Ausnehmungsdurchmessers D_A2 erfolgt eine Aufweitung des Ausnehmungsdurchmessers zu einem dritten Ausnehmungsdurchmesser D_A3.
Diese Gestaltung hat den Vorteil, dass das aus einer Decklage ausgestanzte Material in Form eines Butzens mit einem Durchmesser D_A2 in das Stanz-Verbindungselement 70 aufgenommen wird. Aufgrund der Erweiterung der Ausnehmung 72 ergibt sich, dass nicht das gesamte Ausnehmungsvolumen mit Material der Decklage gefüllt wird, sondern ein Volumen, das mit Luft gefüllt ist, bestehen bleibt.
Durch die konische Verjüngung von Durchmesser D_A1 zum Durchmesser D_A2 ergibt sich eine klare Schneidkante am Umfang der Stirnfläche 74, wobei das Material der Decklage in die Ausnehmung 72 gedrängt wird. Dadurch folgt ein verbessertes Stanzverhalten für den Lochstanzvorgang in die Basislage, außerdem wird das Einfedern des Stanz-Verbindungselements verbessert.
7 zeigt eine Teilschnittansicht einer in Bauteil-Verbindung 80 mit einer Decklage 82 und einer hochfesten Basislage 84 mit einem in der Ausnehmung befindlichen Materialbutzen, wobei ein Verbindungselement 86 ähnlich dem in 4 dargestellten Verbindungselement gezeigt ist, welches ohne Vorloch in den Bauteilverbund eingebracht ist. Um die Aufnahme des Materials der Decklage 82 in die Ausnehmung 88 zu verbessern, ist radial eine Entlüftungsbohrung 90 eingebracht. Durch diese Entlüftungsbohrung 90 kann in der Ausnehmung 88 eingeschlossenes Gas, insbesondere Luft, entweichen und die Aufnahme des Materialbutzens der Decklage 82 ermöglichen.
8 zeigt eine Setzvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteilverbundes 102 aus einer oberen Bauteillage 102a und einer unteren Bauteillage 102b durch ein erfindungsgemäßes Stanz-Verbindungselement 104. Dazu umfasst die Setzvorrichtung 100 einen Niederhalter 106, der zusammen mit einer Schneidmatrize 108 den Blechverbund 102 klemmt. Die Schneidmatrize 108 weist einen Durchmesser auf, der, wie dargestellt, im Vergleich zum Stanzdurchmesser etwas vergrößert ist, um eine freie rückfederbare Verformung der unteren Bauteillage 102b zu ermöglichen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Durchmesserdifferenz etwa das Doppelte der Stärke der Basislage 102b. Das Stanz-Verbindungselement 104 wird mittels Stempel 110 in das Material eingebracht. Nachdem das Stanz-Verbindungselement 104, wie in den vorangegangenen Figuren beschrieben, den Blechverbund 102 durchdrungen hat, wird der Bauteilverbund 102 durch elastisches Rückfedern der unteren Bauteillage 102b formschlüssig festgelegt.
Durch die Erfindung ist eine einfache und schnelle Möglichkeit gegeben, mehrere Bauteillagen mit einem hoch oder hochfesten Blech als unterste Basislage zu verbinden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10259334 C1 [0002]

Claims

Stanz-Verbindungselement (10, 36, 50 70, 104), das einen Kopf (12) und einen Schaft (13) aufweist, wobei der Kopf (12) in einen Schaft (13) mit einem ersten Schaftabschnitt (14) übergeht, wobei der erste Schaftabschnitt (14) einen Querschnitt aufweist, der in einem Hüllkreis mit einem ersten Durchmesser liegt, ferner sich der Schaft (13) im weiteren Verlauf zu seinem dem Kopf (12) abgewandten Ende hin zu einem zweiten Schaftabschnitt (16) aufweitet, wobei der zweite Schaftabschnitt (16) eine Verdickung (18, 52) hat, die einen Querschnitt aufweist, der in einem Hüllkreis mit einem Maximaldurchmesser (D_max) liegt, und der Schaft (13) sich bis zu dem Kopf (12) abgewandten Ende des Schafts (13) wieder verjüngt, wobei an der dem Kopf (12) abgewandten Seite des zweiten Schaftabschnitts (16) ein Stanzabschnitt zum Stanzen eines Loches in ein Blech liegt, der einen Querschnitt hat, der in einem Hüllkreis mit einem Stanzdurchmesser (D_Stanz) liegt, wobei die Verdickung (18, 52) relativ zum Stanzbereich (22, 52) so gestaltet ist, dass der Maximaldurchmesser (D_max) um höchstens 25%, insbesondere höchstens 20%, größer als der Stanzdurchmesser (D_Stanz) ist.
Stanz-Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des ersten Schaftabschnitts (14) wenigstens dem Stanzdurchmesser (D_Stanz) entspricht.
Stanz-Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung vom ersten Schaftabschnitt (14) zum Maximaldurchmesser (D_max) eine Steigung von etwa 6° aufweist (Bereich).
Stanz-Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (13) in einem Kegel, Kegelstumpf oder einem Zylinder endet.
Stanz-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (13) in seiner Stirnfläche (54, 74) eine zentrale Ausnehmung (56, 76, 88) aufweist
Stanz-Verbindungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zentrale Ausnehmung (56, 76, 88) in axialer Richtung wenigstens bis zur Verdickung (18, 52) erstreckt.
Stanz-Verbindungselement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirnfläche (54, 74) eine erste zentrale Ausnehmung (56, 76, 88) vorgesehen ist, die sich in axialer Richtung in Richtung des Kopfes (12) erstreckt, wobei die Ausnehmung (56, 76, 88) einen mit einem ersten Ausnehmungsdurchmesser (D_A1) und einem zum ersten Ausnehmungsdurchmesser (D_A1) unterschiedlichen zweiten Ausnehmungsdurchmesser (D_A2) aufweist, wobei der zweite Ausnehmungsdurchmesser (D_A2) in axialer Richtung zwischen dem ersten Ausnehmungsdurchmesser (D_A1) und dem Kopf (12) liegt.
Stanz-Verbindungselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausnehmungsdurchmesser (D_A1) größer als der zweite Ausnehmungsdurchmesser (D_A2) ist.
Stanz-Verbindungselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausnehmungsdurchmesser (D_A1) kleiner als der zweite Ausnehmungsdurchmesser (D_A2) ist.
Stanz-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Ausnehmungsdurchmesser (D_A3) vorgesehen ist, der in axialer Richtung zwischen zweitem Ausnehmungsdurchmesser (D_A2) und Kopf liegt, wobei der zweite Ausnehmungsdurchmesser (D_A2) kleiner als der dritte Ausnehmungsdurchmesser (D_A3) ist.
Stanz-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in die Mantelfläche des Schafts (13) eine Bohrung (90) eingebracht ist, welche die Ausnehmung (56, 76, 88) trifft.
Stanz-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung (18, 52) vom zylindrischen ersten Schaftabschnitt (14) zur Verdickung (18, 52,) konisch verläuft.
Stanz-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaftabschnitt (16) im Verlauf vom ersten Schaftabschnitt (14) zur Verdickung (18, 52) eine Krümmung aufweist.
Stanz-Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schaft (13) von der Verdickung (18, 52) zum Schaftende konisch verjüngt.
Bauteilverbindung (30, 60, 80, 102) umfassend ein Stanz-Verbindungselement (10, 36, 40, 50, 70, 104), wenigstens eine Decklage (32, 62, 82, 102a) und eine Basislage (34, 64, 84, 102b), wobei das Stanz-Verbindungselement einen Kopf (12) und einen Schaft (13) aufweist, wobei der Kopf (12) in einen ersten Schaftabschnitt (14) übergeht, der einen Querschnitt aufweist, der in einem Hüllkreis mit einem ersten Durchmesser liegt, der sich im weiteren Verlauf zu seinem dem Kopfabgewandten Ende in einem zweiten Schaftabschnitt (16) einen zweiten Querschnitt aufweist, der in einem Hüllkreis mit einem Maximaldurchmesser (D_max) liegt, wodurch eine Verdickung (18, 52) gebildet ist, nach welcher sich der Schaft (13) bis zum dem Kopf abgewandten Ende des Schafts (13) wieder verjüngt, wobei sich ein Stanzdurchmesser (D_Stanz) ergibt, mit dem in der Basislage (34, 64, 84, 102b) unter Bildung eines Blechdurchzugs ein Loch ausgestanzt ist, in welches sich das Stanz-Verbindungselement (10, 36, 40, 50, 70, 104) mit seinem Schaft (13) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass Stanzdurchmesser (D_Stanz) und Maximaldurchmesser (D_max) derart aufeinander abgestimmt sind, dass nach Einbringung des Stanz-Verbindungselements der Basislage (34, 64, 84, 102b) eine Rückstellkraft entgegen der Eintreibrichtung auf das Verbindungselement ausgeübt und dadurch das Stanz-Verbindungselement formschlüssig festgelegt wird.
Bauteilverbindung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz des Maximaldurchmessers (D_max) zum Stanzdurchmesser (D_Stanz) kleiner oder gleich der Summe der maximalen Durchmesservergrößerung des Lochs in der Basislage (34, 64, 84, 102b) aufgrund elastischer Verformung und der Durchmesserverkleinerung der Verdickung (18, 52) des Stanz-Verbindungselements (10, 36, 40, 50, 70, 104) aufgrund der elastischen Verformung in radialer Richtung ist.
Bauteilverbindung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Dicke der wenigstens einen Decklage (32, 62, 82) und der Dicke der Basislage (34, 64, 84, 102b) geringer ist als der Abstand der Verdickung (18, 52) zum Kopf (12).
Bauteilverbindung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Dicke der wenigstens einen Decklage (32, 62, 82, 102a) und der Dicke der Basislage (34, 64, 84) einschließlich eines sich beim Verbindungsvorgang ergebenden Durchzugs geringer ist als der Abstand des Maximaldurchmessers (D_max) zum Kopf (12).
Bauteilverbindung nach einem der vorangehenden Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Basislage (34, 64, 84, 102b) aus einem harten Material, insbesondere aus einem Material mit einer Zugfestigkeit von mehr als 800 MPa, insbesondere mehr als 1000 MPa, besteht.
Bauteilverbindung nach einem der vorangehenden Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Basislage (34, 64, 84, 102b) aus Metall gebildet ist.
Bauteilverbindung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Stanz-Verbindungselement (10, 36, 40, 50, 70, 104) einem Stanz-Verbindungselement der Ansprüche 1 bis 14 entspricht.
Verfahren zur Herstellung einer Bauteilverbindung (30, 60, 80, 102) nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei ein Stanz-Verbindungselement (10, 36, 40, 50, 70, 104) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14 unter Axialkraft durch wenigstens eine Decklage (102a) und eine Basislage (102b) gedrückt wird, wobei die Basislage (102b) durch eine Matrize (108) abgestützt wird, die einen größeren Innendurchmesser (D_M) aufweist als der Stanzdurchmesser (D_Stanz) des Stanz-Verbindungselements (104).
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesserunterschied von Stanzdurchmesser(D_Stanz) und Innendurchmesser (D_M) der Matrize (108) größer als die Stärke der Basislage (102b) ist.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesserunterschied von Stanzdurchmesser (D_Stanz) und Innendurchmesser (D_M) der Matrize (108) kleiner als das Dreifache der Stärke der Basislage (102b) ist.