DE102021112716A1 - Semi-hollow punch rivet, a punch rivet connection of at least two components using the semi-tubular punch rivet, a manufacturing process for the semi-tubular punch rivet and a method for connecting the components with the semi-tubular punch rivet - Google Patents
Semi-hollow punch rivet, a punch rivet connection of at least two components using the semi-tubular punch rivet, a manufacturing process for the semi-tubular punch rivet and a method for connecting the components with the semi-tubular punch rivet Download PDFInfo
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Abstract
Vorliegende Erfindung offenbart einen Halbhohlstanzniet 1, mit dem eine Verbindung zwischen mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen herstellbar ist und der die folgenden Merkmale aufweist: einen geschlossenen Nietkopf 10 und einen sich davon erstreckenden Nietschaft mit einem Schaftdurchmesser DS, der eine umlaufende Schaftwand 34 mit einer zylindrischen Mantelfläche 32 sowie einen sich in Richtung Nietkopf 10 verjüngenden Schafthohlraum 50 mit einer Schaftinnenfläche aufweist, an einem dem Nietkopf 10 abgewandten Ende des Nietschafts 30 endet die Schaftwand 34 in einem polygonalen Nietfuß 40, der in einem axialen Querschnitt des Halbhohlstanzniets 1 die Form eines n-eckigen Polygons mit n ≥ 3 aufweist, welches an einer dem Nietkopf 10 zugewandten Seite durch eine gedachte Polygon-Grundseite G senkrecht zu einer Längsachse L des Halbhohlstanzniets 1 über eine vollständige radiale Breite der Schaftwand 34 begrenzt ist, die mit der zylindrischen Mantelfläche 32 und der Schaftinnenwand 36 jeweils eine Polygonecke bildet, wobei der Nietfuß 40 in mindestens einer Polygonecke abgewandt vom Nietkopf 10 ausläuft, die um eine Polygonhöhe hPsenkrecht von der Polygon-Grundseite gemäß hP/DS≤0,035 beabstandet ist.The present invention discloses a semi-tubular punch rivet 1 with which a connection can be produced between at least two components arranged in a stack one above the other and which has the following features: a closed rivet head 10 and a rivet shank extending therefrom with a shank diameter DS, which has a circumferential shank wall 34 with a cylindrical Lateral surface 32 and a shank cavity 50 that tapers in the direction of the rivet head 10 and has a shank inner surface. angular polygon with n ≥ 3, which is delimited on a side facing the rivet head 10 by an imaginary polygon base G perpendicular to a longitudinal axis L of the semi-tubular punch rivet 1 over a complete radial width of the shank wall 34, which is connected to the cylindrical lateral surface 32 u nd the inner wall 36 of the shank forms a polygon corner, with the rivet foot 40 terminating in at least one polygon corner facing away from the rivet head 10, which is spaced perpendicularly from the polygon base by a polygon height hP according to hP/DS≦0.035.
Description
1. Gebiet der Erfindung1. Field of the Invention
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbhohlstanzniet, mit dem eine Verbindung zwischen mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen herstellbar ist. Des Weiteren betrifft vorliegende Erfindung eine Stanznietverbindung aus mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen mit diesem Halbhohlstanzniet, ein Verfahren zum Verbinden der mindestens zwei Bauteile mithilfe des Halbhohlstanzniets sowie ein Herstellungsverfahren für den Halbhohlstanzniet.The present invention relates to a semi-tubular punch rivet with which a connection can be produced between at least two components arranged in a stack one above the other. Furthermore, the present invention relates to a punch rivet connection of at least two stacked components with this semi-tubular punch rivet, a method for connecting the at least two components using the semi-tubular punch rivet and a manufacturing method for the semi-tubular punch rivet.
2. Hintergrund der Erfindung2. Background of the Invention
Im Stand der Technik sind verschiedene Nietgeometrien bekannt, mit denen gestapelte Bauteile aus hochfesten oder höchstfesten Werkstoffen mit Zugfestigkeiten von bis zu 2000 MPA gefügt werden können. Zu diesen Werkstoffen zählen neben warmumgeformten Vergütungsstählen auch Leichtmetalllegierungen, wie beispielsweise Aluminiumlegierungen, sowie Stähle niedrigerer Zugfestigkeiten.Various rivet geometries are known in the prior art, with which stacked components made of high-strength or ultra-high-strength materials with tensile strengths of up to 2000 MPA can be joined. In addition to hot-formed tempered steels, these materials also include light metal alloys such as aluminum alloys and steels with lower tensile strengths.
Bezogen auf die bekannten Konstruktionen von Halbhohlstanznieten ist es daher die Aufgabe vorliegender Erfindung, eine wirkungsvolle Nietfußgeometrie eines Halbhohlstanzniets bereitzustellen, der für das Fügen von Bauteilen aus hochfesten und höchstfesten Werkstoffen geeignet ist.In relation to the known designs of semi-tubular punch rivets, it is therefore the object of the present invention to provide an effective rivet foot geometry of a semi-tubular punch rivet that is suitable for joining components made of high-strength and ultra-high-strength materials.
3. Zusammenfassung der Erfindung3. Summary of the Invention
Die obige Aufgabe wird durch einen Halbhohlstanzniet gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, eine Stanznietverbindung aus mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen mit Hilfe dieses Halbhohlstanzniets gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10, durch ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen mithilfe des Halbhohlstanzniets gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 11 sowie durch ein Herstellungsverfahren des Halbhohlstanzniets gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen vorliegender Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den begleitenden Zeichnungen und den anhängenden Patentansprüchen hervor.The above object is achieved by a semi-tubular punch rivet according to
Mit dem erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet ist eine Fügeverbindung zwischen mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen herstellbar. Dieser Halbhohlstanzniet weist die folgenden Merkmale auf: einen geschlossenen Nietkopf und einen sich davon erstreckenden Nietschaft mit einem Schaftdurchmesser DS, der eine umlaufende Schaftwand mit einer zylindrischen Mantelfläche sowie einen sich in Richtung Nietkopf erstreckenden Schafthohlraum mit einer Schaftinnenfläche aufweist, an einem dem Nietkopf abgewandten Ende des Nietschafts endet die Schaftwand in einem polygonalen Nietfuß, der in einem axialen Querschnitt des Halbhohlstanzniets die Form eines n-eckigen Polygons mit n ≥ 3 aufweist, welches an einer dem Nietkopf zugewandten Seite durch eine gedachte Polygon-Grundseite senkrecht zu einer Längsachse L des Halbhohlstanzniets über eine vollständige radiale Breite der Schaftwand begrenzt ist, die mit der zylindrischen Mantelfläche und der Schaftinnenwand jeweils eine gedachte Polygonecke bildet, wobei der Nietfuß in mindestens einer Polygonecke abgewandt vom Nietkopf ausläuft, die um eine Polygonhöhe hP senkrecht von der Polygon-Grundseite gemäß hP /DS ≤ 0,035 beabstandet ist.With the semi-tubular punch rivet according to the invention, a joint can be produced between at least two components arranged in a stack one above the other. This semi-tubular punch rivet has the following features: a closed rivet head and a rivet shank extending therefrom with a shank diameter D S , which has a circumferential shank wall with a cylindrical lateral surface and a shank cavity with an inner shank surface extending in the direction of the rivet head, at an end facing away from the rivet head of the rivet shank, the shank wall ends in a polygonal rivet foot, which in an axial cross section of the semi-tubular punch rivet has the shape of an n-cornered polygon with n ≥ 3, which on a side facing the rivet head is perpendicular to a longitudinal axis L of the semi-tubular punch rivet by an imaginary polygon base is limited over a complete radial width of the shank wall, which forms an imaginary polygon corner with the cylindrical lateral surface and the inner wall of the shank, the rivet foot ending in at least one polygon corner facing away from the rivet head, which is perpendicular to the polygon height h P from the Polygon base is spaced according to h P /D S ≤ 0.035.
Der erfindungsgemäße Halbhohlstanzniet weist ein robustes Design im Bereich des Nietfußes und im Speziellen im Bereich der Nietschneide auf. Diese Konstruktion des Nietfußes ist darauf gerichtet, eine ausreichende Stabilität des Halbhohlstanzniets beim Fügen und Stanzen von höchstfesten Werkstoffen zu gewährleisten.The semi-tubular punch rivet according to the invention has a robust design in the area of the rivet foot and in particular in the area of the rivet blade. This design of the rivet foot is aimed at ensuring sufficient stability of the semi-tubular punch rivet when joining and punching high-strength materials.
Im Inneren des Nietschafts ist ein Schafthohlraum vorgesehen, der gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine zylindrische Form aufweist.Inside the rivet shank, a shank cavity is provided, which according to a preferred Embodiment of the invention has a cylindrical shape.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung verjüngt sich der Schafthohlraum vom Nietfuß in Richtung Nietkopf.According to a further preferred embodiment of the present invention, the shank cavity tapers from the rivet foot in the direction of the rivet head.
Aufgrund dieser bevorzugten sich verjüngenden Form des Schafthohlraums verringert sich ein Durchmesser des Schafthohlraums vom Nietfuß in Richtung Nietkopf. Auf diese Weise wird die Stabilität des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets weiter gestärkt. Darüber hinaus unterstützt die nichtzylindrische Form des Schafthohlraums bevorzugt das Aufspreizen des Halbhohlstanzniets während des Fügevorgangs und das damit verbundene radiale Aufweiten im Anschluss an den Stanzprozess. Auf diese Weise wird eine verlässliche form- und kraftschlüssige Verbindung des Halbhohlstanzniets mit den stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen sichergestellt.Because of this preferred tapering shape of the shank cavity, a diameter of the shank cavity decreases from the rivet foot in the direction of the rivet head. In this way, the stability of the semi-hollow punch rivet according to the invention is further strengthened. In addition, the non-cylindrical shape of the shank cavity preferably supports the spreading of the semi-tubular punch rivet during the joining process and the associated radial expansion after the punching process. In this way, a reliable positive and non-positive connection of the semi-tubular punch rivet with the stacked components is ensured.
Der polygonal ausgebildete Nietfuß ist vorzugsweise in seiner Form auf die Werkstoffe der miteinander zu verbindenden Bauteile abgestimmt. Denn erfindungsgemäß bevorzugt wird der polygonale Nietfuß bei einem ersten Anpressen an das dem Halbhohlstanzniet zugewandte Bauteil eines Stapels von mehreren miteinander zu verbindenden Bauteilen, also der Decklage, deformiert. Diese Deformation des Nietfußes erzeugt eine bevorzugte Kaltverfestigung des Metallwerkstoffs, der die Nietfußgeometrie bildet.The shape of the polygonal rivet foot is preferably matched to the materials of the components to be connected. This is because, according to the invention, the polygonal rivet foot is deformed during a first pressing against the component of a stack of several components to be connected to one another, ie the cover layer, which faces the semi-tubular punch rivet. This deformation of the rivet foot creates preferential strain hardening of the metal material that forms the rivet foot geometry.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets ist die mindestens eine Polygonecke am Nietfuß über eine erste Polygonseite direkt mit der zylindrischen Mantelfläche des Nietschafts verbunden und die erste Polygonseite schließt mit einer Normalen zur Längsachse L des Halbhohlstanzniets einen Winkel α < 40° ein.According to a preferred embodiment of the semi-tubular punch rivet according to the invention, the at least one polygon corner on the rivet foot is connected directly to the cylindrical lateral surface of the rivet shank via a first polygon side, and the first polygon side encloses an angle α <40° with a normal to the longitudinal axis L of the semi-tubular punch rivet.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die mindestens eine Polygonecke des Nietfußes in einem bestimmten Winkel einer Polygonseite in die äußere Mantelfläche des Nietschafts übergeht. Dieser Winkel definiert aber gerade nicht einen Phasenwinkel, um eine Materialablenkung des ersten Bauteils bzw. der Decklage des Bauteilstapels zur radialen Außenseite des Nietschafts zu erzeugen. Vielmehr dient die gezielte Winkeleinstellung der radial außen angeordneten Polygonseite einer Abstimmung der Materialmenge des Nietfußes, die für eine Deformation und eine bevorzugt damit in Verbindung stehende Kaltverfestigung des Nietfußes zur Verfügung gestellt wird.It has proven to be advantageous if the at least one polygon corner of the rivet foot merges into the outer surface of the rivet shank at a specific angle of a polygon side. However, this angle does not define a phase angle in order to produce a material deflection of the first component or the cover layer of the component stack to the radial outside of the rivet shank. Rather, the purposeful angular setting of the polygon side arranged radially on the outside serves to coordinate the amount of material in the rivet foot that is made available for deformation and preferably associated strain hardening of the rivet foot.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets ist die mindestens eine Polygonecke am Nietfuß über eine zweite Polygonseite direkt mit der Schaftinnenwand verbunden und die zweite Polygonseite schließt mit einer Normalen zur Längsachse L des Halbhohlstanzniets einen Winkel α < 40° ein.According to a further preferred embodiment of the semi-tubular punch rivet according to the invention, the at least one polygon corner on the rivet foot is connected directly to the inner wall of the shank via a second polygon side, and the second polygon side encloses an angle α <40° with a normal to the longitudinal axis L of the semi-tubular punch rivet.
Auch im Hinblick auf die zweite Polygonseite hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diese in einem bestimmten Winkel in Bezug auf eine Normale zur Längsachse des Halbhohlstanzniets anzuordnen. Denn auch mit dieser winkligen Einstellung der zweiten Polygonseite wird bevorzugt eine im Nietfußbereich zur Verfügung stehende Materialmenge eingestellt bzw. festgelegt, die aufgrund ihrer Deformation zu einer bevorzugten Kaltverfestigung des Metallmaterials des Nietfußes führt. In Analogie zur ersten Polygonseite ist auch die zweite Polygonseite in einem bevorzugten Winkel von α < 40° angeordnet.Also with regard to the second side of the polygon, it has proven to be advantageous to arrange it at a specific angle in relation to a normal to the longitudinal axis of the semi-hollow punch rivet. Even with this angular setting of the second polygon side, a quantity of material available in the rivet foot area is preferably set or fixed, which due to its deformation leads to a preferred work hardening of the metal material of the rivet foot. In analogy to the first side of the polygon, the second side of the polygon is also arranged at a preferred angle of α<40°.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets weist der Nietfuß ein viereckiges oder ein fünfeckiges Polygon auf.According to a further preferred embodiment of the semi-hollow punch rivet according to the invention, the rivet foot has a square or a pentagonal polygon.
Es hat sich gezeigt, dass mit einer zunehmenden Anzahl an Ecken der polygonalen Nietfußgeometrie auch die zur Verfügung stehende verformbare Materialmenge des Nietfußes zunimmt. Des Weiteren lassen sich über die Ecken der polygonalen Nietfußgeometrie mechanische Spannungsspitzen im Nietfußbereich erzeugen, um das Verformungsverhalten zu beeinflussen.It has been shown that with an increasing number of corners of the polygonal rivet foot geometry, the available amount of deformable material of the rivet foot also increases. Furthermore, mechanical stress peaks can be generated in the rivet foot area via the corners of the polygonal rivet foot geometry in order to influence the deformation behavior.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets weist der Nietschaft einen Schaftdurchmesser DS von DS ≤ 5,6 mm, vorzugsweise von DS = 5,3 mm, auf. Zudem hat der Nietkopf des erfindungsgemäß bevorzugten Halbhohlstanzniets bevorzugt einen Kopfdurchmesser DK von 7,75 mm und der Halbhohlstanzniet weist eine Länge LN im Bereich von 4 mm ≤ LN ≤ 9 mm auf.According to a further preferred embodiment of the semi-tubular punch rivet according to the invention, the rivet shank has a shank diameter D S of D S ≦5.6 mm, preferably D S =5.3 mm. In addition, the rivet head of the semi-tubular punch rivet preferred according to the invention preferably has a head diameter D K of 7.75 mm and the semi-tubular punch rivet has a length L N in the range of 4 mm≦L N ≦9 mm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets weist der Schafthohlraum eine Tiefe LB in Bezug auf den Schaftdurchmesser DS des Halbhohlstanzniete im Bereich von 1/4 DS ≤ LB ≤ 3/4 DS auf.According to a further preferred embodiment of the semi-tubular punch rivet according to the invention, the shank cavity has a depth L B in relation to the shank diameter D S of the semi-tubular punch rivet in the range of 1/4 D S ≦L B ≦3/4 D S .
Neben dem bereits oben beschriebenen sich in Richtung Nietkopf verjüngenden Schafthohlraum ist es vorzugsweise für die Stabilität des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets von Vorteil, wenn sich der Schafthohlraums nur in eine bestimmte Tiefe des Nietschafts ausgehend vom Nietfuß erstreckt. Diese Tiefe ist in Bezug auf den Durchmesser des Nietschafts und auf Grundlage der obigen Ungleichung derart begrenzt, dass der Halbhohlstanzniet seine Fügefunktion effektiv umsetzen kann.In addition to the above-described shank cavity tapering in the direction of the rivet head, it is advantageous for the stability of the semi-tubular punch rivet according to the invention if the shank cavity only extends to a certain depth of the rivet shank, starting from the rivet foot. This depth is limited in relation to the diameter of the rivet shank and based on the above inequality such that the semi-tubular self-piercing rivet can effectively implement its joining function.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets ist der polygonale Nietfuß über einen konvexen Flächenabschnitt mit der Schaftinnenwand des Schafthohlraums verbunden, der einen Einlaufradius RS in den Schafthohlraums im Bereich von 0,3 mm ≤ RS ≤ 6 mm aufweist.According to a further preferred embodiment of the semi-tubular punch rivet according to the invention, the polygonal rivet foot is connected to the inner wall of the shank cavity via a convex surface section, which has an entry radius RS in the shank cavity in the range of 0.3 mm ≦ RS ≦ 6 mm.
Um dem ausgestanzten Butzen während des Fügevorgangs das Einlaufen in den Schafthohlraum zu erleichtern, ist vorzugsweise anschließend an die polygonale Form des Nietfußes ein konvexer Einlaufbereich in den Schafthohlraum vorgesehen. Dieser verhindert vorzugsweise ein Blockieren des Stanzbutzens am Eingang in den Schafthohlraum, was den weiteren Fügevorgang behindern würde und zu einer Überlastung des Halbhohlstanzniets führen könnte. Dabei wurde die Dimensionierung, also der Radius des konvexen Einlaufbereichs, derart gewählt, dass sich weder eine kantenähnliche Gestaltung durch einen zu kleinen Radius oder eine konusähnliche Gestaltung durch einen zu großen Radius ergibt.In order to make it easier for the punched-out slug to enter the shank cavity during the joining process, a convex entry area into the shank cavity is preferably provided following the polygonal shape of the rivet foot. This preferably prevents blocking of the punched slug at the entrance into the shaft cavity, which would impede the further joining process and could lead to overloading of the semi-hollow punch rivet. The dimensioning, ie the radius of the convex inlet area, was selected in such a way that neither an edge-like design results from a radius that is too small, nor a cone-like design from a radius that is too large.
Vorliegende Erfindung liefert zudem eine Stanznietverbindung aus mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen, die über den erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet oder eine seiner bevorzugten Ausgestaltungen miteinander verbunden sind.The present invention also provides a punch rivet connection made up of at least two components arranged in a stack one above the other, which are connected to one another via the semi-tubular punch rivet according to the invention or one of its preferred configurations.
Des Weiteren offenbart vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen mithilfe des oben beschriebenen erfindungsgemäß bevorzugten Halbhohlstanzniets, welches die folgenden Schritte aufweist: Anordnen der mindestens zwei Bauteile übereinander in einer stapelförmigen Anordnung auf einer Matrize oder einem Amboss und Setzen des Halbhohlstanzniets in die mindestens zwei Bauteile, wodurch eine Fügeverbindung zwischen diesen Bauteilen hergestellt wird.Furthermore, the present invention discloses a method for connecting at least two components using the semi-tubular punch rivet described above, which has the following steps: arranging the at least two components one above the other in a stacked arrangement on a die or an anvil and setting the semi-tubular punch rivet in the at least two components, creating a joint connection between these components.
Zudem offenbart vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren des oben beschriebenen erfindungsgemäß bevorzugten Halbhohlstanzniets. Dieses Herstellungsverfahren weist die folgenden Schritte auf: Kaltschlagen des Halbhohlstanzniets aus einem Drahtsegment und vorzugsweise Beschichten des Halbhohlstanzniets nach dem Kaltschlagen, vorzugsweise mit einem Korrosionsschutz.In addition, the present invention discloses a manufacturing method of the semi-hollow self-piercing rivet described above, which is preferred according to the invention. This manufacturing method has the following steps: Cold forging the semi-tubular punch rivet from a wire segment and preferably coating the semi-tubular punch rivet after cold forging, preferably with an anti-corrosion agent.
Figurenlistecharacter list
Die bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Halbhohlstanzniets mit charakteristischen Größen zur Definition der Geometrie des Halbhohlstanzniets, -
2 eine Ausschnittsvergrößerung aus 1 , mit der die erfindungsgemäß bevorzugte polygonale Nietfußgeometrie erläutert wird, -
3 eine schematische dreistufige Darstellung eines bevorzugten Umformverhaltens der Nietfußgeometrie an einem dem Halbhohlstanzniet zugewandten Bauteil zu Beginn eines Fügevorgangs, -
4 eine bevorzugte polygonale Nietfußgeometrie mit einem 3-eckigen Polygon, -
5 eine bevorzugte polygonale Nietfußgeometrie mit einem 4-eckigen Polygon, -
6 eine bevorzugte polygonale Nietfußgeometrie mit einem 5-eckigen Polygon, -
7 eine schematische Darstellung bevorzugter Gestaltungen des Nietkopfes, -
8 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Verbindungsverfahrens mithilfe des Halbhohlstanzniets und -
9 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für den Halbhohlstanzniet.
-
1 a schematic sectional view of a preferred embodiment of the semi-tubular punch rivet with characteristic sizes for defining the geometry of the semi-tubular punch rivet, -
2 an enlargement of asection 1 , with which the polygonal rivet foot geometry preferred according to the invention is explained, -
3 a schematic three-stage representation of a preferred deformation behavior of the rivet foot geometry on a component facing the semi-tubular punch rivet at the beginning of a joining process, -
4 a preferred polygonal rivet foot geometry with a triangular polygon, -
5 a preferred polygonal rivet foot geometry with a 4-sided polygon, -
6 a preferred polygonal rivet foot geometry with a pentagonal polygon, -
7 a schematic representation of preferred designs of the rivet head, -
8th a flow chart of a preferred embodiment of a connection method using the semi-tubular punch rivet and -
9 a flow chart of a preferred embodiment of a manufacturing method for the semi-tubular punch rivet.
5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen5. Detailed Description of Preferred Embodiments
Die um den Schafthohlraum 50 umlaufende Wand 34 des Nietschafts 30 läuft an der nietkopfabgewandten Seite in einem polygonalen Nietfuß 40 aus. Insgesamt hat der Halbhohlstanzniet 1 eine Länge LN, während der Schafthohlraums 50 eine Tiefe LB aufweist.The
Der Halbhohlstanzniet 1 ist vorzugsweise aus einem Vergütungsstahl, einer Aluminiumlegierung oder aus Edelstahl hergestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung wird der Halbhohlstanzniet 1 in einem ersten Herstellungsschritt H 1 kaltgeschlagen. Gemäß bevorzugter Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens folgt danach ein Beschichten des Halbhohlstanzniets 1 vorzugsweise mit einem Korrosionsschutz (Schritt H2, siehe
Der erfindungsgemäß bevorzugte Halbhohlstanzniet 1 ist daran angepasst, mindestens zwei übereinander angeordnete Bauteile BT1, BT2 miteinander zu verbinden. Die Bauteile bestehen aus einem hochfesten oder höchstfesten Material mit einer Zugfestigkeit von bis zu 2000 MPa.The
Zu Beginn eines Fügevorgangs derartiger Bauteile BT1, BT2 trifft der Nietfuß 40 auf das erste Bauteil BT1 und wird zu einem Stumpf deformiert (siehe
Wie man aus bevorzugten polygonalen Nietfußkonstruktionen der
Durch die Deformation des polygonalen Nietfußes 40 und der damit erzeugten Kaltverfestigung des Endbereichs des Nietfußes 40 angrenzend an die Decklage BT1 bildet sich eine radiale äußere Kante 42 am Nietfuß 40 als eine Schneidkante für den folgenden Stanzprozess des Halbhohlstanzniets 1. Die Schneidkante 42 verbindet die Grenzfläche des Nietfußes 40 zur Decklage mit der Mantelfläche 32 des Nietschafts 30.Due to the deformation of the
Die erzeugte äußere Schneidkante 42 wird vorzugsweise durch die Kristallgitterversetzung während der Kaltverfestigung des Nietfußmaterials fester und behält im folgenden Stanzprozess im Wesentlichen die Schneidkantenkontur bei. Diese äußere Schneidkante 42 wandelt maßgeblich eine auf den Halbhohlstanzniet 1 aufgebrachte Setzkraft in eine mechanische Scherspannung in der Decklage BT1 um (siehe
Um erfindungsgemäß bevorzugt die Nietfußverformung zu erzielen, hat sich eine Höhe hP des Polygons des Nietfußes 40 als hilfreiche Größe ergeben. Wie in
Die Höhe hP des Polygons des Nietfußes 40 muss folgende Verhältnisgleichung erfüllen
Als Referenzgröße für die Verhältnisgleichung wurde der Durchmesser DS des Nietschafts 30 gewählt. Er ist durch die Gesamtdimensionierung des Halbhohlstanzniets 1 bestimmt. Der bevorzugte Grenzwert der Verhältnisgleichung stellt sicher, dass die Deformation des Nietfußes 40 keinen negativen Einfluss auf das Stanzverhalten erzeugt.The diameter DS of the
Der Eckpunkt E1 des polygonalen Nietfußes 40 grenzt an die beiden Polygonseiten P1 und P2 an. Vorzugsweise schließt nur eine der Polygonseiten P1, P2 oder schließen beide Polygonseiten P1, P2 mit der Normalen N zur Längsachse L einen Winkel α < 40° ein. Auf diese Weise wird bevorzugt die gezielte Verformung des Nietfußes 40 unterstützt und die Formstabilität des polygonalen Nietfußes 40 reduziert. Wird der Winkel α größer gewählt, resultiert daraus eine zu hohe Stützwirkung im Kristallgitter des metallischen Nietwerkstoffs.The corner point E 1 of the
Der bevorzugte polygonale Nietfuß 40 hat vorzugsweise drei oder mehr Ecken. Dazu werden die Schnittpunkte der Grundseite G mit der Mantelfläche 32 und der Innenwand 36 des Schafthohlraums 50 bevorzugt ebenfalls als Eckpunkte angesehen.The preferred
Versuche haben gezeigt, dass mit zunehmender Festigkeit des Materials der Bauteile, vorzugsweise der Decklage BT1, die Anzahl der Eckpunkte des polygonalen Nietfußes 40 zunehmen sollte. Denn mit einer zunehmenden Anzahl an Eckpunkten wird eine größere Materialmenge des Nietfußes 40 deformiert und komprimiert. Dies führt zu einer entsprechend stärkeren Kaltverfestigung im Nietfuß 40.Experiments have shown that the number of corner points of the
Entsprechend wird gemäß unterschiedlicher bevorzugter Ausführungsformen vorliegender Erfindung ein polygonaler Nietfuß 40 mit drei Ecken (siehe
Weiterhin bevorzugt hat der Halbhohlstanzniet 1 eine Nietlänge LN aus dem Bereich von 4 mm ≤ LN ≤ 9 mm. Ein bevorzugter Kopfdurchmesser DK umfasst 7,75 mm und ein Schaftdurchmesser DS ist vorzugsweise ≤ 5,6 mm, bevorzugt gleich 5,3 mm.Furthermore, the
Bezugnehmend auf die Konstruktion des erfindungsgemäß bevorzugten Halbhohlstanzniets 1 soll beim Fügen von hochfesten und höchstfesten Bauteilwerkstoffen zunächst der polygonale Nietfuß 40 nachgeben und umgeformt werden. Dies führt erfindungsgemäß bevorzugt zu einer Verfestigung und Stabilisierung des Nietschafts. Erst danach soll im weiteren Verlauf eines Fügevorgangs die restliche Schaftgeometrie gestaucht und radial aufgeweitet werden. Daher ist es erfindungsgemäß bevorzugt, die Geometrie des Nietschafts 30 ausreichend stabil zu gestalten und mechanische Überlastzustände während des Fügevorgangs im Schaftmaterial zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird bevorzugt eine maximale Tiefe LB des Schafthohlraums 50 auf 3/4 des Schaftdurchmessers DS begrenzt. Auf diese Weise wird erzielt, dass das obere Nietsegment, d. h. der Nietschaft 30 in der Umgebung des Nietkopfes 10, massiv ausgebildet ist und einer Deformation dieses Schaftbereichs widersteht. Der Nietschaftbereich benachbart zum Nietfuß 40 ist hohl ausgebildet, um eine Aufnahme des Stanzbutzens und ein Aufweiten während des weiteren Fügevorgangs zu gewährleisten.Referring to the construction of the
Insofern erfüllt erfindungsgemäß bevorzugt die Tiefe LB des Schafthohlraums 50 folgende Ungleichung
Um den Nietschaft 30 während des Fügevorgangs mechanisch zu entlasten ist es zudem bevorzugt, angrenzend an die Eingangsöffnung des Schafthohlraums 50 einen konvexen Einlaufbereich mit einem Einlaufradius RS vorzusehen. Der Einlaufradius, im Speziellen dieser konvexe Einlaufbereich, begünstigt im Gegensatz zu einer spitzkantigen Ausführungsform der Innenwand 36 des Schafthohlraums 50, wie beispielsweise eine Fase, eine annähernd fließende Aufnahme eines Stanzbutzens (nicht gezeigt) in den Schafthohlraum 50. Steigt der Stanzbutzen nicht ausreichend weit in den Schafthohlraum 50 auf, wird das weitere Eintreiben des Halbhohlstanzniets 1 in die miteinander zu verbindenden Bauteile erschwert. Dies hat zur Folge, dass die mechanische Belastung des Halbhohlstanzniets 1 zunimmt.In order to mechanically relieve the
Vorzugsweise weist der konvexe Einlaufbereich des Schafthohlraums 50 einen Einlaufradius RS aus dem Bereich 0,3 mm ≤ RS ≤ 6 mm auf.The convex entry area of the shaft cavity 50 preferably has an entry radius R S in the range of 0.3 mm≦R S ≦6 mm.
Ein Einlaufradius RS > 6 mm ist für diese Funktion weitestgehend wirkungslos, da ein derart großer Einlaufradius in Relation zur Gesamtabmessung des Halbhohlstanzniets 1 zu groß ist. Ein Einlaufradius RS von < 0,3 mm wirkt wiederum ähnlich einer Fase zu scharfkantig und ist somit anfällig für mechanische Spannungsspitzen im Schafthohlraum 50.A run-in radius R S >6 mm is largely ineffective for this function since such a large run-in radius is too large in relation to the overall dimensions of the
Der erfindungsgemäß bevorzugte Halbhohlstanzniet 1 umfasst den bereits oben genannten Nietkopf 10. Der Nietkopf 10 weist je nach Anwendungsfall eine bevorzugte Kopfform auf, wie sie beispielgebend in
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Halbhohlstanznietsemi-tubular punch rivet
- 1010
- Nietkopfrivet head
- 3030
- Nietschaftrivet shank
- 3232
- Mantelflächelateral surface
- 3434
- Schaftwandshaft wall
- 3636
- Innenwand des Schafthohlraums 50Inner wall of the shaft cavity 50
- 4040
- Nietfußrivet foot
- 5050
- Schafthohlraumshaft cavity
- LL
- Mittellängsachse des HalbhohlstanznietsCentral longitudinal axis of the semi-hollow punch rivet
- NN
- Normale zur Längsachse des HalbhohlstanznietsNormal to the longitudinal axis of the semi-tubular punch rivet
- GG
- Grundseite des Polygons des polygonalen NietfußesBase of the polygon of the polygonal rivet foot
- P1, P2P1, P2
- geradlinige Polygonseiten des polygonalen Nietfußesrectilinear polygon sides of the polygonal rivet foot
- E1, E2, E3, E4, E5, E6E1, E2, E3, E4, E5, E6
-
Eckpunkte des polygonalen Nietfußes 40Corner points of the
polygonal rivet foot 40
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102015101950 A1 [0003]DE 102015101950 A1 [0003]
- DE 20319610 U1 [0003]DE 20319610 U1 [0003]
- DE 102005052360 B4 [0003]DE 102005052360 B4 [0003]
- DE 102019102383 A1 [0004]DE 102019102383 A1 [0004]
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-
2021
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