DE102017130449A1 - Stempelwerkzeug zum Reibnieten - Google Patents

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Abstract

Das Reibnieten ermöglicht, unterschiedliche Werkstoffe dauerhaft miteinander zu verbinden. Dabei werden die Werkstücke zusammengenietet. Es wird ein Stempelwerkzeug 3 zum Reibnieten von Werkstücken 1 mit einem Niet 2 vorgeschlagen, wobei das Stempelwerkzeug 3 auf einem metallischen Werkstoff basiert und eine Nietkontaktfläche 5 aufweist, wobei während eines Nietvorgangschrittes die Nietkontaktfläche 5 rotierend ist und mit dem Niet 2 in einer reibenden Wirkverbindung ist, wobei die Nietkontaktfläche 5 eine Kohlenstoffbeschichtung zur Reduzierung des Anhaftens von Nietmaterial 2 auf dem Stempelwerkzeug 3 aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Stempelwerkzeug zum Reibnieten von Werkstücken mit einem Niet, wobei das Stempelwerkzeug auf einem metallischen Werkstoff basiert und eine Nietkontaktfläche aufweist, wobei während eines Nietvorgangs die Nietkontaktfläche rotierend ist und mit dem Niet in einer reibenden Wirkverbindung ist.
  • Zum Fügen von Bauteilen, insbesondere von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen, werden Nietverbindungen verwendet. Dabei werden als Niet häufig Leichtmetalllegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen, verwendet, wobei das Nietwerkzeug aus einem Stahl gefertigt ist. Im Zuge der Prozessoptimierung wurden zum Fügen neue Techniken entwickelt, beispielsweise das Reibnieten von Bauteilen.
  • Die Druckschrift JP 2007 1777 997 A beschreibt eine Methode zum Verbinden eines Metallniets mit einem Kunststoffwerkstück. Dabei wird der rotierende Niet durch die Kunststoffschicht getrieben, wobei der Kunststoff aufgeschmolzen wird.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verschleißreduziertes Stempelwerkzeug zum Reibnieten von Werkstücken mit einem Niet bereitzustellen.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch das Stempelwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Stempelwerkzeug. Das Stempelwerkzeug ist zum Reibnieten von Werkstücken mit einem Niet. Die Werkstücke sind vorzugsweise metallische Werkstücke, alternativ sind die Werkstücke Verbundwerkstoffe. Der Niet kann insbesondere auch ein Werkstück sein oder der Niet ist Teil des Werkstücks. Der Niet ist insbesondere ein metallischer Niet, beispielsweise ein Niet aus Aluminium, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung. Das Reibnieten sieht insbesondere vor, dass das Stempelwerkzeug eine Stempelachse aufweist. Während des Reibnietens rotiert der Stempel um die Stempelachse. Zum Reibnieten ist es insbesondere vorgesehen, dass das Stempelwerkzeug entlang der Stempelachse von einer Ausgangsposition in eine Kontaktposition verschoben wird, wobei in der Kontaktposition das Stempelwerkzeug auf den Niet drückt und mit diesem in Reibkontakt ist. Insbesondere rotiert das Stempelwerkzeug, wobei das Stempelwerkzeug mittels der reibenden Kontaktierung Wärme in den Niet einträgt und/oder den Niet erhitzt. Das Erhitzen des Niets durch das Stempelwerkzugs ist vorzugsweise eine Erwärmung um mehr als 100 Grad Celsius und im Speziellen um mehr als 250 Grad Celsius. Mittels eines Anpressdrucks kann der Niet bei dem Nietvorgang mit einem Druck beaufschlagt werden, wobei der Niet gestaucht wird und die Nietverbindung bildet.
  • Das Stempelwerkzeug ist aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Besonders bevorzugt ist es, dass das Stempelwerkzeug aus einem Stahl gefertigt ist, beispielsweise einem Schnellarbeitsstahl (englisch: HSS, High speed steel) oder einem Warmarbeitstahl. Alternativ kann der Stempel aus Hartmetall gefertigt sein.
  • Das Stempelwerkzeug weist eine Nietkontaktfläche auf. Insbesondere ist die Nietkontaktfläche nicht gleichgerichtet zur Stempelachse, beispielsweise ist die Nietkontaktfläche senkrecht zur Stempelachse. Die Nietkontaktfläche weist vorzugsweise einen Durchmesser auf der größer ist, als der Durchmesser des Niets. Die Nietkontaktfläche kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein und ist beispielsweise eine Kreisfläche. Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Stempelwerkzeug zylindrisch ausgebildet ist und vorzugsweise einen Voll- oder Hohlzylinder bildet. Während eines Nietvorgangsschrittes ist die Nietkontaktfläche in Wirkverbindung mit dem Niet. Beispielsweise weist der Niet eine Arbeitsfläche auf, wobei beispielsweise die Arbeitsfläche senkrecht zur Längserstreckung des Niets ist.
  • Während des Nietvorgangschrittes ist die Nietkontaktfläche rotierend, beispielsweise dadurch, dass während des Nietvorgangsschrittes das Stempelwerkzeug rotiert.
  • Insbesondere rotiert das Stempelwerkzeug um die Stempelachse, wobei sich eine Kontaktfläche des Werkzeugs, insbesondere die Nietkontaktfläche, relativ zum Werkstück und/oder Niet dreht. Während des Nietvorgangsschrittes reibt eine Werkzeugkontaktfläche, insbesondere die Nietkontaktfläche, auf dem Niet, sodass sich der Niet erhitzt.
  • Die Nietkontaktfläche weist erfindungsgemäß eine Beschichtung zur Haftreduzierung zwischen Niet und Stempelwerkzeug auf. Vorzugweise weist das Stempelwerkzeug eine Stempeloberfläche auf, wobei die Nietkontaktfläche Teil der Stempeloberfläche ist. Beispielsweise ist die Stempeloberfläche eine Mantelfläche des Stempelwerkzeugs. Insbesondere kann die Stempeloberfläche die Beschichtung aufweisen. Beispielsweise weist die gesamte Stempeloberfläche die Beschichtung auf oder die Stempeloberfläche weist partiell die Beschichtung auf, im Speziellen nur an einem Endbereich des Stempelwerkzeugs. Die Beschichtung ist insbesondere im gesamten Bereich der Nietkontaktfläche angeordnet, alternativ ist die Nietkontaktfläche abschnittsweise mit der Beschichtung beschichtet. Die Haftreduzierung ist ausgebildet, ein Anhaften des Niets und/oder des Werkstoffes des Niets an der Nietkontaktfläche zu verhindern und/oder zu reduzieren.
  • Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass mittels der Haftreduzierung zwischen Niet und Stempelwerkzeug ein Anhaften des Nietwerkstoffes am Stempel reduziert wird, sodass das Stempelwerkzeug weniger schnell verschleißt. Beispielsweise kommt es beim Reibnieten von Aluminiumlegierungen zu einem hohen Verschleiß des Werkzeugs dadurch, dass das beim Reibnieten erwärmte und/oder erhitzte Aluminium am Stempel teilweise verbleibt. Dadurch kann es bei der Weiterbenutzung des Stempels zu Produkten mit schlechten Oberflächenqualitäten kommen, sodass insbesondere der Ausschuss erhöht wird. Des Weiteren kann es durch das Anhaften von Aluminium am Werkzeug zu Produktionsstörungen kommen.
  • Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Beschichtung aus Kohlenstoff ausgebildet ist, insbesondere als eine diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtung (engl. Diamond-like Carbon, DLC) ausgebildet ist.
  • Insbesondere ist die Beschichtung eine Beschichtung aus tetraedrischem amorphen Kohlenstoff (ta-C). Die Kohlenstoffbeschichtung weist insbesondere eine hohe Mikrohärte auf. Vorzugsweise ist die Kohlenstoffbeschichtung besonders abriebfest, hart, chemisch resistent und/oder biokompatibel. Die tetraedrische Kohlenstoffschicht kann beispielsweise eine tetraedrische sp3-koordinierte wasserstofffreie Kohlenstoffschicht (ta-C) sein. Die amorphe Kohlenstoffbeschichtung, insbesondere tetraedrische amorphe Kohlenstoffbeschichtung, kann eine wasserstofffreie (ta-C) oder eine wasserstoffhaltige (ta-C:H) sein.
  • Optional ist es vorgesehen, dass die Beschichtung Strukturen aufweist, wobei die Strukturen bei einer Nachbehandlung auf das Stempelwerkzeug und/oder in die Beschichtung eingebracht wurden. Beispielsweise sind die Strukturen Erhebungen oder Vertiefungen, welche beispielsweise mittels Laserablation eingebracht wurden. Die Strukturen können eine Aufrauhung der Beschichtung darstellen.
  • Besonders bevorzugt ist es, dass die Strukturen als Droplets ausgebildet sind und/oder die Beschichtung Droplets beinhaltet. Als Droplets werden insbesondere eingebaute Mikropartikel in der Beschichtung verstanden. Die Strukturen und/oder die Droplets können gleichmäßig in der Beschichtung angeordnet sein und/oder gleichmäßig von der Beschichtung umfasst sein, alternativ sind die Droplets ungleichmäßig in der Beschichtung angeordnet. Die Droplets und/oder Mikroteilchen weisen vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 0,1 und 5 Mikrometer auf. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Beschichtung strukturfrei ist und/oder frei von Droplets ist.
  • Besonders bevorzugt ist es, dass zwischen der Beschichtung und dem metallischen Werkstoff des Stempelwerkzeugs eine Haftvermittlerschicht angeordnet ist. Insbesondere ist die Haftvermittlerschicht ein metallischer Haftvermittler. Beispielsweise kann die Haftvermittlerschicht mittels PVD-Verfahren aufgebracht werden. Vorzugsweise ist die Haftvermittlerschicht aus der Gruppe: Aluminium und/oder Chrom und/oder Kupfer und/oder Molybdän und/oder Nickel und/oder Titanund/oder Vanadium und/oder Zirkon und/oder Niob und/oder Wolfram oder einer Kombination hiervon. Besonders bevorzugt besteht die Haftvermittlerschicht aus Chrom und/oder Titan.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schichtdicke der Beschichtung größer als 0,4 Mikrometer ist und im Speziellen größer ist als 1 Mikrometer. Ferner ist es beispielsweise vorgesehen, dass die Schichtdicke kleiner ist als 10 Mikrometer und im Speziellen kleiner ist als 4 Mikrometer.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Nietkontaktfläche und/oder die Beschichtung eine gemittelte Rautiefe größer als 0,3 Mikrometer aufweist. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die gemittelte Rautiefe größer ist als 1 Mikrometer. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die gemittelte Rautiefe der Beschichtung und/oder der Nietkontaktfläche kleiner als 4 Mikrometer ist und im Speziellen kleiner ist als 3 Mikrometer. Als Rautiefe wird insbesondere das Maß der Rauigkeit der Beschichtung und/oder der Nietkontaktfläche verstanden. Insbesondere wird als Rautiefe der Rz-Wert verstanden. Alternativ kann als Maß für die Rauigkeit die mittlere Rauigkeit verwendet werden oder die quadratische Rauigkeit. Insbesondere wird die Rauigkeit und/oder die Rautiefe basierend auf der EN ISO 25178 bestimmt. Die Rauigkeit kann beispielweise mittels Weißlichtinterferometrie oder einem taktilen Profilmeter bestimmt worden sein.
  • Besonders bevorzugt ist es, dass die Beschichtung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (engl. Physical Vapour Deposition, PVD) aufgetragen ist. Zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) werden bevorzugt die Verfahren Lichtbogenverdampfen und/oder Kathodenzerstäubung oder eine Kombination davon eingesetzt.
  • Besonders bevorzugt ist es, dass das Stempelwerkzeug eine Stirnfläche aufweist, wobei die Stirnfläche die Nietkontaktfläche bildet. Die Stirnfläche ist vorzugsweise rechtwinklig zur Längsachse des Stempelwerkzeuges ausgebildet. Beispielsweise ist das Stempelwerkzeug ein Zylinder, wobei die Stirnfläche von der Kreisfläche gebildet wird, welche zum Niet während des Nietvorgangs weist. Besonders bevorzugt ist das Stempelwerkzeug ein metallischer Vollzylinder, beispielsweise ein Stahlzylinder, dessen kreisförmige Stirnfläche mit tetraedrischem amorphem Kohlenstoff beschichtet ist. Alternativ kann die Stirnfläche vollständig und eine Mantelfläche des Stempelwerkzeugs partiell beschichtet werden.
  • Ferner kann die Erfindung in einem Verfahren zum Reibnieten mit dem Stempelwerkzeug realisiert sein.
  • Weitere Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie der beigefügten Figur. Dabei zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung des Reibnietens mit dem Stempelwerkzeug.
  • 1 zeigt schematisch das Reibnieten eines Werkstückes 1 mit einem Niet 2. Ferner wird zum Reibnieten ein Stempelwerkzeug 3 benutzt. Das Stempelwerkzeug 3 ist aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, wobei der metallische Werkstoff beispielsweise ein Stahl ist. Das Stempelwerkzeug 3 ist als ein Zylinder ausgebildet und im Speziellen als ein Vollzylinder. Die Zylinderachse bildet eine Längsachse des Stempelwerkzeugs, wobei diese Längsachse des Stempelwerkzeugs eine Rotationsachse 4 bildet und ferner als Nietachse bezeichnet wird.
  • Zum Reibnieten wird das Stempelwerkzeug um die Rotationsachse 4 rotiert. Insbesondere erfolgt die Rotation mit einer Rotationsgeschwindigkeit zwischen 6.000 Umdrehungen pro Minute und 21.000 Umdrehungen in der Minute. Das Stempelwerkzeug 3 weist eine Nietkontaktfläche 5 auf. Die Nietkontaktfläche 5 wird von der Stirnfläche des Stempelwerkzeugs 3 gebildet, die beim Reibnietvorgang zum Niet 2 und/oder zum Werkstück 1 weist. Die Nietkontaktfläche 5 ist hier kreisförmig ausgebildet. Die Nietkontaktfläche 5 steht senkrecht zur Rotationsachse 4.
  • Der Niet 2 ist an einem Gehäuse 6 angeordnet, wobei das Gehäuse 6 als ein Entkopplungsspanner ausgebildet ist. Der Niet 2 ist durch eine Nietdurchstecköffnung 7 in dem Werkstück 1 geführt. Der Niet 2 weist ferner eine Nietstirnfläche 8 auf, wobei die Nietstirnfläche 8 zur Nietkontaktfläche 5 des Stempelwerkzeugs 3 während des Nietschrittes weist.
  • Zum Reibnieten wird die Nietkontaktfläche 5 in reibenden Kontakt mit der Nietstirnseite 8 gebracht. Durch die reibende Kontaktierung wird der Niet 2 erhitzt. Durch Vergrößern des Anpressdrucks des Stempelwerkzeugs 3 auf den Niet 2 wird der Niet 2 gestaucht, wobei die Stauchung in Nietlängserstreckung 9 erfolgt. Dadurch wird der Niet in seinem Durchmesser vergrößert und eine Nietverbindung geschaffen.
  • Die Nietkontaktfläche 5 weist eine Beschichtung auf, wobei diese Beschichtung als eine haftreduzierende Beschichtung zwischen Material des Nietes 2 und dem Material des Stempelwerkzeugs 3 fungiert. Die Beschichtung des Stempelwerkzeugs 3 ist insbesondere als eine amorphe Kohlenstoffbeschichtung ausgebildet und im Speziellen als eine tetraedrische amorphe Kohlenstoffbeschichtung. Insbesondere ist die Beschichtung ausschließlich auf der Nietkontaktfläche 5 angeordnet, wobei alternativ auch weitere Flächen des Stempelwerkzeugs 3, beispielsweise die Mantelfläche, auch beschichtet sein können.
  • Die Beschichtung im Bereich der Nietkontaktfläche 5 kann insbesondere Strukturen aufweisen wie beispielsweise Droplets. Die Droplets sind dabei als Mikropartikel in der Beschichtung auf der Nietkontaktfläche 5 ausgebildet. Die Beschichtung auf der Nietkontaktfläche 5 weist eine Schichtdicke höher als 0,4 Mikrometer auf. Die Beschichtung ist ausgebildet, ein Anhaften des Nietmaterials, insbesondere bei Kontakt mit einem erwärmten Niet 2, auf dem Stempelwerkzeug 3 insbesondere im Bereich der Nietkontaktfläche 5 zu unterbinden. Somit wird ein Stempelwerkzeug 3 bereitgestellt, welches besonders verschleißresistent ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Werkstück
    2
    Niet
    3
    Stempelwerkzeug
    4
    Rotationsachse
    5
    Nietkontaktfläche
    6
    Gehäuse
    7
    Nietdurchstecköffnung
    8
    Nietstirnseite
    9
    Nietlängserstreckung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 20071777997 A [0003]

Claims (9)

  1. Stempelwerkzeug (3) zum Reibnieten von Werkstücken (1) mit einem Niet (2), wobei das Stempelwerkzeug (3) auf einem metallischen Werkstoff basiert und eine Nietkontaktfläche (5) aufweist, wobei während eines Nietvorgangschrittes die Nietkontaktfläche (5) rotierend ist und mit dem Niet (2) in einer reibenden Wirkverbindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nietkontaktfläche (5) zur Reduzierung eines Anhaftens von Nietmaterial am Stempelwerkzeug (3) eine Beschichtung aufweist.
  2. Stempelwerkzeug (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Kohlenstoff, insbesondere tetraedrischem amorphen Kohlenstoff, ausgebildet ist.
  3. Stempelwerkzeug (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf einer Nachbehandlung basierende Strukturen aufweist.
  4. Stempelwerkzeug (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Droplets umfasst.
  5. Stempelwerkzeug (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine metallische Haftvermittlerschicht zwischen der Beschichtung und dem Werkstoff des Stempelwerkzeugs.
  6. Stempelwerkzeug (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtdicke aufweist, wobei die Schichtdicke größer als 0,4 Mikrometer ist.
  7. Stempelwerkzeug (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nietkontaktfläche eine gemittelte Rautiefe Rz größer als 0,3 Mikrometer aufweist.
  8. Stempelwerkzeug (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels eines PVD-Verfahrens aufgetragen ist.
  9. Stempelwerkzeug (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelwerkzeug (3) eine Stirnfläche aufweist, wobei die Stirnfläche die Nietkontaktfläche (5) bildet.
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