DE19648231A1

DE19648231A1 - Punched rivet as headed shank and foot

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Publication number: DE19648231A1
Application number: DE19648231A
Authority: DE
Inventors: Ortwin Prof Dr Ing Hahn; Axel Dipl Ing Schulte; Wilhelm Dr Ing Lappe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1996-11-21
Publication date: 1998-05-28

Abstract

The hollow (10) of the rivet (2) is filled wholly or in part with a substance which works hydrostatically during the punching process, and which adopts liquid or paste-type condition during the processing of the rivet. This substance should react chemically, solidify on termination of the process and combine with the wetted surface after the process. Areas of the rivet shank deform variously under equal inwards-acting pressure. The substance is inserted through a filling channel in the head (4) of the rivet which is shaped on top to accept seals. The degree to which the cavity is filled depends on the heat consumption of the particular substance as well as the heat loss, the material and wall thickness of the rivet and the shank (8) deformation energy and/or that of the parts being joined. Additional factors involved are the desired outside contour of the rivet, the required residual thickness of the lower part, i.e. on the die side at the rivet join and/or the shape of the die itself.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stanzniete in Form einer Halbhohlniete zum Verbinden von Fügeelementen im Überlappungsbereich, bestehend aus einem Nietkopf, einem Nietschaft und einem Nietfuß, sowie ein entsprechendes Stanznietverfahren. Die Stanznieten sowie das Stanznietverfahren werden beispielsweise in Produkten blechverarbeitender Betriebe zum dauerhaften Verbinden von Fügeteilen eingesetzt.The invention relates to a punch rivet in the form of a semi-hollow rivet for connecting Joining elements in the overlap area, consisting of a rivet head, a rivet shank and a rivet foot, as well as a corresponding punch riveting process. The punch rivets and that Punch riveting processes are used, for example, in products of sheet metal processing companies permanent joining of parts to be used.

Aus dem Stand der Technik sind Stanznieten auch in Form der Halbhohlniete zur dauerhaften Verbindung von zumindest zwei Fügeteilen miteinander an sich bekannt. Im Prozeßverlauf eines Stanznietvorganges schneidet sich die Stanzniete aufgrund einer auf sie einwirkenden Kraft zunächst in das stempelseitige obenliegende Fügeteil ein und durchstößt mit dem unteren Teil des Nietfußes das stempelseitige Fügeteil. Das untenliegende Fügeteil wird im Prozeßverlauf von einer der auf die Stanzniete einwirkenden Kraft entgegenwirkenden Matrize gehalten. Beim weiteren Eindringen des Halbhohlnietes in die Fügeteile weitet und spreizt sich der hohl ausgeführte Nietschaft unterstützt durch die Wirkung eines in der Matrize ausgeführten, erhabenen Matrizendornes. Durch die Weitung und Spreizung des Nietschaftes soll ein Hinterschnitt des von der Stanzniete bereits durchdrungenen Fügeteil-Ma terials bewirkt werden, wodurch eine formschlüssige Verbindung der Stanzniete mit den Fügeteilen entsteht. Mit der Anlage des Nietkopfes an das stempelseitige obere Fügeteil ist der Fügeprozeß beendet. Versuche haben ergeben, daß das erreichte Maß des Hinterschnitts der Fügeteile durch die Stanzniete erheblichen Einfluß hat auf die Haltekraft der hergestellten Verbindung. Dabei hat sich auch herausgestellt, daß der Hinterschnitt erst nach erheblicher Nietspreizung eintritt. Der sich durch Nietspreizung einstellende Zuwachs des Nietfußdurch messers kann, da er nicht vollständig in Hinterschnitt umgesetzt wird, im Gegensatz zum Hinterschnitt nur bedingt zur Bestimmung des Maßes des erreichten Formschlusses her angezogen werden. Ebenfalls wichtig für die Qualität der Verbindung ist eine noch aus reichende Materialstärke des matrizenseitigen unteren Fügeteils im Bereich des Nietfußes und ein möglichst geringer Anteil an Spalt- und Hohlräumen in der Verbindung. Partielle oder vollständige Materialtrennungen sowie zu dünne Materialdicken fördern den Korrosions angriff, wodurch die Verbindungen frühzeitig geschädigt werden und unter Umständen eine Materialtrennung bewirkt wird, die zu einem Totalausfall der Verbindungen führen kann. Als nachteilig erweisen sich kraftschlüssig gehaltene Lochbutzen, die sich aufgrund von Last- oder Korrosionseinwirkungen auf die Verbindungen lösen können und als "lose Teile" in elektrischen Geräten erheblichen Schaden anrichten können. Eine solche Verbindung ist nicht mehr abgedeckt und es sind Einbußen in der Korrosionsbeständigkeit und der Festigkeit der Verbindungen zu kalkulieren. Die Verringerung der Materialstärke des unteren matrizenseiti gen Fügeteils wird verursacht durch die Matrize, die während des Stanznietprozesses die Fügeteiloberfläche beschädigt und das Material streckzieht, um eine Spreizung der Niete bewirken zu können. Da also immer eine ausreichende Restmaterialstärke des matrizenseiti gen unteren Fügeteils stehenbleiben muß, sind einer optimalen Aufweitung des Nietfuß durchmessers durch die Matrize Grenzen gesetzt. Um trotzdem größere Nietfußdurchmesser erreichen zu können, hat man das Aufweitungsverhalten des Nietfußes verbessert, indem man den Nietfuß angespitzt und mit einer aufweitungsfördernden Fußgeometrie versehen hat. Mit dieser Maßnahme wird jedoch noch immer nicht das volle Aufweitungspotential ausge schöpft, da auch diese Maßnahme nur eine Verbesserung in Teilbereichen der Niete, und zwar dem entsprechend ausgeformten Nietfuß, bringt.From the prior art, punch rivets are also permanent in the form of semi-hollow rivets Connection of at least two parts to be joined together known per se. In the course of the process In a punch riveting process, the punch rivet cuts due to an action on it Force first into the stamp-side joining part and pierces with the lower part of the rivet foot the stamp-side joining part. The joining part below is in the Process course of one of the forces acting on the punch rivets counteracting Held die. When the semi-hollow rivet penetrates further into the parts to be joined and expands the hollow rivet shaft expands supported by the effect of an in Executed, raised die mandrel. By expanding and spreading the The rivet shank is said to be an undercut of the part of the joining part already penetrated by the punch rivet terials are effected, whereby a positive connection of the punch rivets with the Joined parts are created. With the contact of the rivet head to the upper part of the die the joining process ends. Experiments have shown that the degree of undercut achieved The parts to be joined by the punch rivets have a considerable influence on the holding force of the manufactured parts Connection. It has also been found that the undercut only after significant Rivet spreading occurs. The increase in the rivet foot caused by rivet spreading As it is not completely implemented in undercut, knives can, in contrast to Undercut can only be used to a limited extent to determine the degree of positive locking achieved be attracted. Another important factor for the quality of the connection is still one out sufficient material thickness of the lower part to be joined in the area of the rivet foot and the smallest possible proportion of gaps and voids in the connection. Partial or Complete material separations and material thicknesses that are too thin promote corrosion attack, which damages the connections early and possibly a Material separation is caused, which can lead to a total failure of the connections. As disadvantageously proven are perforated slugs, which due to load or can solve the effects of corrosion on the connections and as "loose parts" in electrical devices can cause considerable damage. Such a connection is not covered more and there are losses in the corrosion resistance and the strength of the Calculate connections. Reducing the material thickness of the lower die side The part to be joined is caused by the die, which during the punch riveting process The surface of the joint is damaged and the material stretches to spread the rivet to be able to effect. So there is always sufficient residual material thickness of the die side The lower part to be joined must be an optimal expansion of the rivet foot diameter limits set by the die. For larger rivet base diameters anyway To be able to achieve, the expansion behavior of the rivet foot has been improved by sharpened the rivet foot and provided it with an expansion-promoting foot geometry. With however, this measure still does not fully exploit the potential for expansion draws, since this measure also only an improvement in parts of the rivet, and the appropriately shaped rivet foot brings.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stanzniete sowie ein Verfahren zum Stanznieten vorzuschlagen, das ein frühes Aufweitungsverhalten des Nietenfußes fördert und dadurch das Potential des erzielbaren Hinterschnitts sowie die Sicherheit gegen Durchstoßen des matrizenseitigen Werkstoffes durch die Einwirkung von Nietfuß und Matrize erhöht.It is an object of the present invention, a punch rivet and a method for To propose punch rivets that promote early expansion behavior of the rivet foot and thereby the potential of the undercut that can be achieved and the security against puncturing the material on the die side is increased by the action of the rivet foot and die.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst, indem der Hohlkörper der Stanzniete zum Teil oder vollständig mit einer während des Stanznietprozesses hydrostatisch wirkenden Substanz gefüllt ist. Der Nietschaft kann zusätzlich so ausgelegt sein, daß eine optimale Aufweitung unterstützt wird. Der Druck, der bei Kontakt der hydrostatisch wirkenden Substanz mit der Oberfläche des oberen stempelseitigen Fügeteils durch das weitere Einpressen der Stanzniete in die Fügeteile entsteht, wird aufgrund der hydrostatischen Wirkung der Substanz und der damit zusammenhängenden gleichmäßigen Innendruckverteilung direkt und gleichmäßig an die Wände des befüllten Hohlkörpers übertragen. Wenn der Nietschaft eine geringere Haltekraft gegen Verformung aufweist als der Nietkopf, wird der Nietschaft beginnend am Nietfuß durch den Druck aufgeweitet. Der Nietschaft kann bei gleichem einwirkendem Innendruck durch Material- oder Wanddickenunterschiede in Teilbereichen unterschiedlich stark verformbar sein, um den Aufweitungsprozeß in günstiger Weise zu unterstützen. So können andere als runde Stanznietgeometrien realisiert werden, beispielsweise eine sternför mige Geometrie, die die Fügeteile besser gegen Verdrehen sichert. Der Beginn des Aufwei tungsprozesses ist abhängig vom Füllgrad des Nietschaftes, er setzt aber, wenn eine Füllsub stanz im Hohlraum vorhanden ist, insbesondere im oberen Schaftbereich der Stanzniete früher ein als bei einer Aufweitung, die ausschließlich durch die Einwirkung einer Matrize oder zusätzlich durch eine angespitzte Nietfußgeometrie eingeleitet wird. Die neu vorgeschla gene Technik ist problemlos mit den beiden aus dem Stand der Technik bekannten Aufwei tungstechniken kombinierbar, wodurch höhere Hinterschnittwerte erzielbar sind. Da die Auf weitung des Nietschaftes früher beginnt, kann der Matrizendorn weniger aggressiv ausge formt sein oder vorteilhafterweise sogar ganz entfallen, was einerseits zu einem geringeren Verschleiß der Matrize und damit geringeren Kosten für den Austausch von verschlissenen Matrizen führt und andererseits das Material des unteren matrizenseitigen Fügeteils weniger stark streckzieht, was der verbleibenden Materialstärke und damit der Festigkeit der Stanz nietverbindung zugute kommt. Insgesamt kann damit eine Verbesserung des Formschlusses und der Korrosionsfestigkeit der Verbindung, eine höhere Prozeßsicherheit, bedingt durch die geringere Neigung, das Material des matrizenseitigen unteren Fügeteils zu durchstoßen, sowie eine höhere Reproduzierbarkeit des Fügeergebnisses erzielt werden.The object of the invention is achieved in part by the hollow body of the punch rivets or completely with a substance that acts hydrostatically during the punch riveting process is filled. The rivet shank can also be designed so that an optimal expansion is supported. The pressure that occurs when the hydrostatic substance comes into contact with the Surface of the upper part to be stamped by further pressing in the punch rivets in the parts to be joined is due to the hydrostatic effect of the substance and the related uniform internal pressure distribution directly and evenly transfer the walls of the filled hollow body. If the rivet shank is less Holding force against deformation than the rivet head, the rivet shaft is starting on Rivet foot widened by pressure. The rivet shank can act in the same way Internal pressure due to differences in material or wall thickness in different areas be highly deformable to support the expansion process in a favorable manner. So other than round punch rivet geometries can be realized, for example a star shape geometry that better secures the parts to be joined against twisting. The beginning of the demonstration process depends on the fill level of the rivet shank, but it starts when a filler punch is present in the cavity, especially in the upper shaft area of the punch rivet earlier than in the case of expansion, which is caused exclusively by the action of a matrix or is additionally initiated by a pointed rivet foot geometry. The newly proposed gene technology is easy with the two known from the prior art can be combined, which enables higher undercut values to be achieved. Since the on When the rivet shank starts to expand earlier, the mandrel can be less aggressive be shaped or advantageously even be omitted entirely, which on the one hand results in less Wear of the die and thus lower costs for the exchange of worn out Matrices leads and on the other hand less the material of the lower joining part on the die side strongly stretches what the remaining material thickness and thus the strength of the punch riveted joint benefits. Overall, this can improve the form fit and the corrosion resistance of the connection, higher process reliability due to the less tendency to penetrate the material of the lower part to be joined on the die side, as well as a higher reproducibility of the joining result.

Die hydrostatisch wirkende Substanz kann aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen.The hydrostatic substance can consist of a wide variety of materials.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich um Füll- oder Werkstoffe, deren Aggregatzustand bei üblichen Raum- und Transporttemperaturen fest, bei der Ver arbeitung jedoch schnell in einen flüssigen oder pastösen Aggregatzustand umgewandelt werden kann. Eine Füllung des Hohlraums mit solchen Substanzen weist den Vorteil auf, daß die Stanznieten mit ihrer Füllung ohne besondere Vorkehrungen gegen Auslaufen des Füllstoffes transportier-, lager- und handhabbar sind. Ein solches Verhalten des Aggregatzu standswechsels findet sich beispielsweise bei Schmelzklebstoffen, Wachs bzw. paraffinhaltigen Werkstoffen, Gelen, Ölen, Kunststoffen, weichen metallischen Werkstoffen, magnetisierten oder magnetisierbaren Füllstoffen oder sonstigen Füllstoffen oder Füllstoffmischungen. Die Energie zum Wechsel des Aggregatzustandes kann der aus dem Druck entstehenden Prozeß wärme entnommen, sie kann jedoch auch durch eine separate Heizung zugeführt werden. Bei Verwendung vernetzbarer Füllsubstanzen, z. B. Klebstoffe, wird eine Aussteifung des Fügeelementes sowie eine zusätzliche Klebverbindung der benetzten Flächen erreicht, was die Festigkeit der Verbindungen zusätzlich erhöht. Durch die Schmierwirkung der Füllsub stanz und die Vereinfachung der Matrize, zum Beispiel durch den Verzicht auf den Matrizen dorn, wird eine nennenswerte Reduzierung der Fügekraft erreicht. Die hydrostatisch wirken de Substanz kann während oder nach der Verarbeitung der Stanzniete chemisch reaktions fähig sein, sie kann sich nach dem Prozeßende verfestigen oder chemisch reagieren, und sie kann nach Prozeßende eine Verbindung mit den benetzten Flächen eingehen. Die Präsenz der Füllsubstanz sowie ihre aufspreizungsfördernde Wirkung kann im Fügeprozeß durch die Messung der Prozeßgrößen Fügekraft und Stempelweg nachgewiesen werden. Somit steht eine wirksame Methode zur Prozeßüberwachung der Fügeoperation anhand von Kraft- und Wegdaten zur Verfügung, die Teil des Fügesystems sein kann. In der Fügekraft-Stempelweg-Dar stellung wird der spezifische Umformprozeß transparent, so daß Abweichungen vom Normprozeß erkannt und durch die Analyse der Kurven Fehlerkategorien zugeordnet werden können. Die Füllung des Nietes kann durch Durchstoßen einer Folie oder eines Bandes eingebracht werden. Die Füllsubstanz könnte während des Fügeprozesses zum Beispiel auf dem Fügeteil liegen oder als zusätzliches Tape geführt und durchstoßen werden. Auch ist vorstellbar, eine Füllsubstanz vor den Nietprozeß auf die Fügeteile aufzuspritzen oder aufzutragen. Die Füllsubstanz kann bereits als Beschichtung des Blechwerkstoffes des stempelseitigen Fügeteils vorliegen. Denkbar wäre als Beschichtungswerkstoff eine Gummi auflage oder hydrostatisch wirkende Substanzen.In a preferred embodiment of the invention, there are fillers or materials, whose physical state is fixed at normal room and transport temperatures, when ver However, work quickly converted into a liquid or pasty state of matter can be. Filling the cavity with such substances has the advantage that the punch rivets with their filling without any special precautions against leakage Filler can be transported, stored and handled. Such behavior of the aggregate change in position can be found, for example, in hot melt adhesives, wax or paraffin Materials, gels, oils, plastics, soft metallic materials, magnetized or magnetizable fillers or other fillers or filler mixtures. The The process resulting from the pressure can provide energy for changing the physical state heat removed, but it can also be supplied by a separate heater. At Use of crosslinkable fillers, e.g. B. adhesives, a stiffening of the Joining element and an additional adhesive connection of the wetted surfaces achieved what the strength of the connections is further increased. Due to the lubricating effect of the filler punching and simplification of the die, for example by dispensing with the dies mandrel, a significant reduction in the joining force is achieved. The act hydrostatically de Substance can react chemically during or after processing the punch rivets capable, it can solidify or react chemically after the end of the process, and it can connect to the wetted surfaces after the end of the process. The presence of the Filler and its spreading effect can in the joining process by Measurement of the process variables joining force and punch path can be demonstrated. Thus stands an effective method for process monitoring of the joining operation using force and Path data is available, which can be part of the joining system. In the Fügekraft-Stempelweg-Dar position, the specific forming process becomes transparent so that deviations from the Standard process recognized and error categories assigned by analyzing the curves can. The rivet can be filled by piercing a film or tape be introduced. The filling substance could, for example, during the joining process lie on the part to be joined or be guided and punctured as additional tape. Is too conceivable to spray a filling substance onto the parts to be joined before the riveting process or to apply. The filling substance can already be used as a coating of the sheet material stamp-side joining part are present. A rubber would be conceivable as a coating material overlay or hydrostatic substances.

Die Füllstoffe können jedoch auch kurz vor der Verarbeitung der Stanzniete in den Hohlraum zudosiert werden, wenn die Stanzniete mit ihrer Öffnung im Bereich des Nietfußes nach oben verarbeitet wird. Auch ist es denkbar, die Stanzniete unter 0°C abzukühlen, den Hohlraum teilweise mit zu Eis gefrierendem Wasser zu befüllen, das Eis während des Verarbeitungsvor ganges der Stanzniete beispielsweise durch Mikrowellen aufzutauen, die Stanznietverbindung herzustellen und den Effekt der verzögerten Erwärmung der Stanzniete und der einhergehen den Wärmedehnung zur zusätzlichen Fixierung der Verbindung zu nutzen. Das Wasser oder auch andere benutzte Werk- oder Füllstoffe können mit Zusatzstoffen versehen sein, wie beispielsweise korrosionshemmenden Zusätzen oder magnetischen Zusätzen, die eine elek tronische und bedarfsweise automatisierte Nachkontrolle der erzielten Verbindungsqualität erlauben.However, the fillers can also enter the cavity shortly before the punch rivets are processed be added when the punch rivets with their opening in the area of the rivet foot upwards is processed. It is also conceivable to cool the punch rivet below 0 ° C, the cavity partially fill with water that freezes to ice, during processing thawing the punch rivet, for example by microwaves, the punch rivet connection manufacture and the effect of delayed heating of the punch rivets and the associated to use the thermal expansion for additional fixation of the connection. The water or other materials or fillers used can be provided with additives, such as For example, corrosion-inhibiting additives or magnetic additives that an elec tronic and, if necessary, automated post-control of the connection quality achieved allow.

Der Füllstoff kann auch während des Prozeßablaufs des Stanznietens in den Hohlraum gefüllt werden, wenn die Stanzniete im Bereich des Nietkopfes eine Einfüllöffnung aufweist. Bei einer solchen Ausgestaltung der Stanzniete kann dann jedoch der sich im Prozeßverlauf des Stanznietens im Hohlraum aufbauende Prozeßdruck als Energiequelle des Aufweitungs prozesses des Nietschaftes nur noch genutzt werden, wenn nach dem Befüllen des Hohlraums die Zuführöffnung entsprechend druckfest abgedichtet ist, weil die hydrostatisch wirkende Substanz sonst den Hohlraum über die Zuführöffnung im Nietkopf wieder verlassen würde.The filler can also be filled into the cavity during the punch riveting process if the punch rivet has a filling opening in the area of the rivet head. At Such a configuration of the punch rivet can then, however, change in the course of the process Punch riveting in the cavity building process pressure as an energy source of expansion process of the rivet shank can only be used if after filling the cavity the feed opening is sealed pressure-tight because the hydrostatic one Otherwise substance would leave the cavity through the feed opening in the rivet head.

Bei einer solchen Ausgestaltung wäre es vorteilhafter, die hydrostatisch wirkende Substanz über eine Hochdruck-Einspritzanlage, die Teil des Preßstempels ist, in den Hohlraum einzubringen. Bei Aufrechterhaltung der druckdichten Zuführverbindung zwischen Hohlraum und Hochdruck-Einspritzanlage kann dann der Aufweitungsprozeß des Nietschaftes nach Bedarf durch zusätzlichen Druck der Hochdruck-Einspritzanlage gefördert werden, wobei dadurch der Druckwert nach Bedarf regelbar ist. Um eine ausreichende Druckdichtigkeit gewährleisten zu können, kann der Nietkopf auf seiner Oberseite eventuell für die Anlage von Dichtungen geeignete Ausformungen aufweisen.With such a configuration, it would be more advantageous to use the hydrostatic substance into the cavity via a high-pressure injection system that is part of the press ram bring in. Maintaining the pressure-tight supply connection between the cavity and the high-pressure injection system can then follow the expansion process of the rivet shank Demand can be promoted by additional pressure of the high-pressure injection system, whereby the pressure value can be regulated as required. To ensure adequate pressure tightness To be able to guarantee, the top of the rivet head can possibly be used for the system suitable formations of seals.

Bei der Wahl des Füllgrades des Hohlraums mit einer hydrostatisch wirkenden Substanz sind verschiedene Parameter zu beachten. Um das Ziel, eine optimale Fügeelementausformung zu erzielen, realisieren zu können, müssen als Einflußgrößen gegebenenfalls die Energie für den Phasenwechsel der hydrostatisch wirkenden Substanz, die Abwärme, die Festigkeit des Nietschaftes sowie die für seine Aufweitung benötigte Energie sowie das Verformungs verhalten und die erforderliche Verformungsenergie der Fügeteile gegeneinander abgewogen werden. Auch die gewünschte Außenkontur der Stanznietverbindung oder die verbleibende Restmaterialstärke auf der Matrizenseite sowie die Kontur der Matrize sind in diesem Zusammenhang zu beachten. Unter Beachtung dieser Einflußgrößen kann ein Fachmann einen für die gewünschte Anwendung geeigneten Füllgrad festlegen.When choosing the degree of filling of the cavity with a hydrostatic substance different parameters to consider. To achieve the goal of optimal joining element formation To achieve, to be able to realize, the energy for the Phase change of the hydrostatic substance, the waste heat, the strength of the Rivet shaft as well as the energy required for its expansion and the deformation behave and the required deformation energy of the parts to be weighed against each other will. The desired outer contour of the punch rivet connection or the remaining one Residual material thickness on the die side and the contour of the die are in it Note connection. A specialist can take these factors into account determine a fill level that is suitable for the desired application.

Das erfindungsgemaße Verfahren besteht darin, den Hohlraum einer Stanzniete ganz oder teilweise mit einer während des Stanznietprozesses hydrostatisch wirkenden Substanz zu füllen, wobei dabei die vorgenannten und in den Unteransprüchen beschriebenen Techniken ausgenutzt werden können. Die Verarbeitung der Stanzniete kann mittels handelsüblicher Setzsysteme erfolgen. Als Beispiele hierzu seien hydraulisch oder pneumatisch angetriebene Setzsysteme oder auch mechanische beispielsweise über Exzenter arbeitende Systeme ange führt. Diese herkömmlichen Antriebsarten von Setzgeräten arbeiten mit nur geringen Setzge schwindigkeiten, die in der Größenordnung von 1 bis 20 mm/s liegen. Die mit einer hydro statisch wirkenden Substanz versehenen Stanzniete können demgegenüber vorteilhaft mit einer extrem hohen Setzgeschwindigkeit verarbeitet werden. Gegenüber handelsüblicher Stanzniete zeigen mit hydrostatisch wirkender Substanz gefüllte Stanzniete ein differenziertes Verhalten im Setzprozeß. Durch die Füllung bedingt, kann der Stanzniet bei schlagartiger Verarbeitung nicht das matrizenseitige Fügeteil durchschlagen, wie es bei der Verwendung herkömmlicher Stanzniete zu befürchten ist, sondern er verspreizt sich innerhalb des matri zenseitigen Fügeteils. Die hierzu notwendigen Anpassungen in der Formgebung der mit hydrostatisch wirkender Substanz gefüllten Stanzniete sowie der Matrizenausformung sind einem Fachmann mit seinem fachnotorischen Wissen möglich. Die Vorteile der Verarbeitung der Stanzniete mit Hoch- und Höchstgeschwindigkeit sind in einer massiven Reduzierung der Steifigkeit des notwendigen C-Rahmens mit der damit verbundenen hohen Gewichtsein sparung zu suchen, da die Aufnahme der üblicherweise hohen Fügekräfte von 30-50 kN über Massenbeschleunigungen kompensiert werden kann. Somit lassen sich Stanznietsysteme realisieren, die eine große Rachentiefe mit einem geringen Gewicht kombinieren. Die Verarbeitungsgeschwindigkeiten zum Setzen der Stanzniete mit hydrostatisch wirkender Substanz im Schaft des Halbhohlnietes liegen deutlich oberhalb üblicher Verarbeitungs geschwindigkeiten handelsüblicher Systeme.The method according to the invention is to completely or completely empty a punch rivet partially with a substance that acts hydrostatically during the punch riveting process fill, the techniques mentioned and described in the subclaims can be exploited. The processing of the punch rivets can be done using commercially available Setting systems take place. Examples of this are hydraulically or pneumatically driven Setting systems or mechanical systems, for example, working via eccentrics leads. These conventional types of drive for setting tools work with only a small setting speeds in the range of 1 to 20 mm / s. The one with a hydro In contrast, punch rivets provided with a substance with a static effect can advantageously be used at an extremely high setting speed. Compared to commercially available Punch rivets show a differentiated punch rivets filled with hydrostatically active substance Behavior in the setting process. Due to the filling, the punch rivet can suddenly Processing does not penetrate the part to be joined on the die side, as is the case during use conventional punch rivets is to be feared, but spreads within the matri zenseite joining part. The necessary adjustments to the shape of the punch rivets filled with hydrostatic substance and the die shape possible for a specialist with his technical knowledge. The advantages of processing the punch rivets with high and maximum speed are in a massive reduction of Stiffness of the necessary C-frame with the associated high weight to look for savings, since the absorption of the usually high joining forces of 30-50 kN can be compensated via mass accelerations. This makes punch riveting systems possible realize that combine a large throat depth with a low weight. The Processing speeds for setting the punch rivets with hydrostatically acting Substance in the shaft of the semi-hollow rivet is clearly above the usual processing speeds of commercially available systems.

Das erfindungsgemaße Verfahren ermöglicht auch eine Prozeß- und/oder Qualitätsüber wachung des Stanznietprozesses. So können während des Stanznietprozesses beispielsweise Kraft- und Wegdaten und/oder Körperschallsignale, die durch eine geeignete Sensorik ermittelbar und von einer Auswerteelektronik weiterverarbeitbar sind, als Prozeßdaten aufgezeichnet und/oder ausgewertet werden. Die Kraft-, Wegdaten und/oder Körperschall signale können dann als Prozeßdaten zur Prüfung des charakteristischen Umformprozesses bei der Herstellung der Stanznietverbindung und zur Beurteilung der Verbindung, beispiels weise durch einen Soll-Ist-Vergleich oder eine Grenzwertbetrachtung, herangezogen werden. Aus den Prozeßdaten können auch charakteristische Kennwerte zur Beurteilung des Hinter schnitts abgeleitet, eine Information über die Anwesenheit der Füllsubstanz in den Stanznie ten oder Informationen über den Zustand und die Menge der Füllsubstanz oder der ordnungs gemäßen Verarbeitung der mit Füllsubstanz versehenen Stanzniete gewonnen werden.The method according to the invention also enables process and / or quality transfer monitoring the punch riveting process. For example, during the punch riveting process Force and travel data and / or structure-borne noise signals by suitable sensors can be determined and further processed by evaluation electronics as process data be recorded and / or evaluated. The force, path data and / or structure-borne noise Signals can then be used as process data to check the characteristic forming process in the manufacture of the punch rivet connection and for assessing the connection, for example wise by a target-actual comparison or a limit value consideration. Characteristic parameters for assessing the background can also be obtained from the process data cut derived, information about the presence of the filling substance in the punch never or information about the condition and the amount of the filling substance or the order appropriate processing of the punch rivets provided with filling substance can be obtained.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht neue Verarbeitungstechniken, wie beispielsweise schlagartige Verfahren. So kann eine schlagartige Verarbeitung der Stanzniete mit einer durch Explosivstoffe angetriebenen Stanznietsetzeinrichtung erfolgen, oder bekannte Ver arbeitungstechniken werden zu einer schlagartigen Verarbeitung weiterentwickelt. Die schlagartige Verarbeitung der Stanzniete erlaubt es, eine Fügeeinrichtung mit deutlich reduzierter Steifigkeit gegenüber den bekannten beispielsweise hydraulischen Systemen zu verwenden. Somit kann das erfindungsgemäße Stanznietverfahren aufgrund der geringeren Gewichte und der damit zusammenhängenden besseren Handhabbarkeit auch in automatisier ten oder handgeführten Werkzeugen eingesetzt werden.The method according to the invention enables new processing techniques such as, for example sudden procedures. Sudden processing of the punch rivets with a punch rivet setting device driven by explosives, or known Ver work techniques are developed into abrupt processing. The abrupt processing of the punch rivets allows a joining device with clearly reduced rigidity compared to the known hydraulic systems, for example use. The punch riveting method according to the invention can therefore be carried out on account of the lower Weights and the associated better manageability also in automated handheld tools.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments. Show it:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Stanzniete, Fig. 1 shows a cross section through a self-piercing rivets,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Stanznietverbindung bei einem teilweise durch geführten Prozeßverlaufstatus eines Stanznietvorgangs, Fig. 2 shows a cross section through a punch rivet connection with a partially-implemented process progress status of a punch riveting operation,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Stanznietverbindung bei einem teilweise durch geführten Prozeßverlaufstatus eines Stanznietvorgangs, wobei die hydrostatisch wirkende Substanz während des Stanznietvorganges zugeführt wird, Fig. 3 shows a cross section through a punch rivet connection with a partially-implemented process progress status of a punch riveting operation, wherein the substance acting hydrostatically is supplied during the Stanznietvorganges,

Fig. 4a-4d einen Ablauf eines Stanznietvorgangs in vier Phasen, Fig. 4a-4d a flow of a punch riveting operation in four phases,

Fig. 5 eine fertige Stanznietverbindung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Stanzniets, Fig. 5 is a finished punch rivet using the self-piercing rivet according to the invention,

Fig. 6 eine Gegenüberstellung von Prozeßkurven von Stanznietprozessen unter Verwendung einer Stanzniete mit Füllsubstanz und einer Stanzniete ohne Füllsubstanz. Fig. 6 is a comparison of process curves of Stanznietprozessen using a self-piercing rivets with filler substance and a piercing rivets without filling substance.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Stanzniete 2 in Form eines Halbhohlnietes zum Verbinden von Fügeelementen im Überlappungsbereich, bestehend aus einem Nietkopf 4 und einem Nietfuß 6 und einem Nietschaft 8. Der Nietschaft 8 umschließt seitlich einen nach unten offenen Hohlraum 10. Nach oben ist der Hohlraum 10 durch die Unterseite des Nietkopfes 4 begrenzt. In einem Teil des Hohlraumes 12 befindet sich eine während des Stanzprozesses hydrostatisch wirkende Substanz 12. Fig. 1 shows a cross section through a punch rivet 2 in the form of a semi-hollow rivet for the connection of joining elements in the overlapping area consisting of a rivet head 4 and a rivet base 6 and a rivet shank. 8 The rivet shaft 8 laterally encloses a cavity 10 which is open at the bottom. The cavity 10 is delimited at the top by the underside of the rivet head 4 . A part 12 of the cavity 12 contains a substance 12 which acts hydrostatically during the stamping process.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine Stanznietverbindung in einem teilweise durchgeführ ten Prozeßverlaufsstatus eines Stanznietvorganges zu sehen. Die Stanzniete 2 hat von der Prozeßkraft P, die über einen nicht näher dargestellten Preßstempel auf die Stanzniete 2 aufgebracht wird, das Material des stempelseitigen oberen Fügeteils 14 durchdrungen und ist mit dem Nietfuß 6 bereits leicht in das Material des matrizenseitigen unteren Fügeteils 16 eingedrungen. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die erfindungsgemäße Stanzniete auch bei einer Verbindung von mehr als zwei Fügeteilen einsetzbar ist; die Erläuterung eines Aus führungsbeispiels mit nur zwei Fügeteilen ist also nicht als Einschränkung des Erfindungs gegenstandes zu verstehen. Während des Prozeßablaufs des Stanznietens werden die Fügeteile 14, 16 von einer unter der Verbindungsstelle positionierten Matrize 20 gegengehalten. Die Matrize 20 kann einen auf ihrer dem Fügeteil 16 zugewandten Oberfläche eine Formung aufweisen, die geeignet ist, den Prozeßablauf des Stanznietens so zu beeinflussen, daß die Bildung einer dauerhaften Verbindung und die Ausbildung des Hinterschnittes unterstützt wird. Vorzugsweise kann auf die Formung der Matrize im beschriebenen Sinn verzichtet werden. Zusätzlich können auf die Oberfläche des Fügeteils 14 nicht näher dargestellte Nie derhalter einwirken. In dem zuvor mit Luft gefüllten Teil des Hohlraums 10 befindet sich nun eine vom Nietfuß 6 ausgestanzte Materiallinse 18 des Fügeteils 14. Die evtl. vorhandene komprimierte Restluft des Hohlraums 10 ist in Fig. 2 aus Vereinfachungsgründen nicht gezeigt. Wird nun aus der in Fig. 2 dargestellten Situation heraus der Prozeßverlauf fortgesetzt und die Stanzniete 2 tiefer in die Fügeteile 14, 16 eingedrückt, wird bedingt durch den Abschluß des Hohlraumes durch die Fügeteile 14, 16 auf die Substanz 12 Druck ausgeübt, der aufgrund der in weiten Grenzen anzunehmenden Inkompressibilität der Sub stanz 12 auf den Nietschaft 8 übertragen wird. Je weiter die Stanzniete 2 in das Material der Fügeteile 14, 16 hineingetrieben wird, desto höher steigt der Druck H in der hydraulisch wirkenden Substanz 12 an. Unter der Voraussetzung, daß der Nietschaft 8 zumindest in Teilbereichen leichter mit geringeren Kräften umformbar ist als der Nietkopf 4, wird dann abhängig vom Material des Nietschafts 8 und seiner Wandstärke im Verlauf des Druck anstiegs ein Grenzdruck erreicht, ab dem das Material des Nietschafts 8 dem Druck der Substanz 12 nachgibt und sich im Kontaktbereich der hydrostatisch wirkenden Flüssigkeit aufweitend verformt. Da sich die hydrostatisch wirkende Substanz 12 im oberen Bereich des Nietschaftes 8 befindet, kann die unter Druck stehende Substanz 12 auch in diesem Bereich aufweitend wirken. Wird nach Erreichen des Grenzdruckes die Stanzniete 2 noch weiter in das Material der Fügeteile 14, 16 hineingetrieben, setzt die hydraulisch wirkende Substanz 12 das aus dem Eintauchweg der Stanzniete 2 resultierende verdrängte Volumen durch Druckeinwirkung der Substanz 12 auf den Nietschaft 8 in eine Aufweitungsbewegung des Nietschaftes 8 um.In Fig. 2 a cross section is shown by a punch rivet connection in a partially durchgeführ th process progress status of a Stanznietvorganges. The punch rivet 2 has penetrated by the process force P, which is applied to the punch rivet 2 via a press ram (not shown), the material of the punch-side upper joining part 14 and has already easily penetrated into the material of the lower joining part 16 on the die side with the rivet foot 6 . At this point it should be noted that the punch rivet according to the invention can also be used when connecting more than two joining parts; the explanation of an exemplary embodiment with only two joining parts is not to be understood as a limitation of the subject matter of the invention. During the process of punch riveting, the joining parts 14 , 16 are held against a die 20 positioned under the connection point. The die 20 can have a shape on its surface facing the joining part 16 which is suitable for influencing the process of punch riveting in such a way that the formation of a permanent connection and the formation of the undercut is supported. The formation of the die in the sense described can preferably be dispensed with. In addition, Nie derhalter can act on the surface of the joining part 14, not shown. In the part of the cavity 10 which was previously filled with air, there is now a material lens 18 punched out of the rivet foot 6 of the joining part 14 . The possibly existing compressed residual air of the cavity 10 is not shown in FIG. 2 for reasons of simplification. If the process is now continued from the situation shown in FIG. 2 and the punch rivets 2 are pressed deeper into the joining parts 14 , 16 , pressure is exerted on the substance 12 due to the closure of the cavity by the joining parts 14 , 16 The incompressibility of the substance 12 is transferred to the rivet shank 8 within wide limits. The further the punch rivet 2 is driven into the material of the joining parts 14 , 16 , the higher the pressure H in the hydraulically acting substance 12 rises. Provided that the rivet shaft 8 is easier to form at least in some areas with lower forces than the rivet head 4 , a limit pressure is then reached depending on the material of the rivet shaft 8 and its wall thickness in the course of the pressure rise, from which the material of the rivet shaft 8 Pressure of the substance 12 yields and deforms in the contact area of the hydrostatically acting liquid. Since the hydrostatically acting substance 12 is located in the upper region of the rivet shank 8 , the substance 12 under pressure can also expand in this region. After reaching the limit pressure the punch rivet 2 further into the material of the joining members 14, 16 driven in, 12 12 converts the substance hydraulically acting the resulting from the immersion path of the punch rivet 2 volume displaced by the action of pressure of the substance on the rivet shank 8 in an expansion movement of the shank 8 um.

In Fig. 3 ist ein Fig. 2 vergleichbarer Prozeßstatus gezeigt. Unterschiedlich ist der Einfüllkanal 22 für die hydrostatisch wirkende Substanz 12, welche über die im Preßstempel 24 integrierte Einspritzdüse 26 in den Hohlraum 10 eingespritzt wird. Am Ende der Ein spritzdüse 26 sind Dichtmittel 28 angebracht, die in einer Vertiefung 30 des Nietkopfes 4 aufliegen und gegen Spritzverluste abdichten sollen.A process status comparable to FIG. 2 is shown in FIG. 3. The filling channel 22 is different for the hydrostatically acting substance 12 , which is injected into the cavity 10 via the injection nozzle 26 integrated in the press ram 24 . At the end of a spray nozzle 26 sealant 28 are attached, which rest in a recess 30 of the rivet head 4 and are intended to seal against spray losses.

Fig. 4a zeigt den Beginn eines Stanznietprozesses. Die Stanzniete 2 befindet sich unterhalb des Preßstempels 30, der vom Niederhalter 32 umgriffen ist. Die Fügeteile 14, 16 werden von der Matrize 20 gegengehalten. Die hydrostatisch wirkende Substanz 12 befindet sich im Hohlraum 10. In Fig. 4b hat der Preßstempel seinen Arbeitshub begonnen, die Stanzniete 2 taucht in das Material des Fügeteils 14 ein. Die Fügeteile 14, 16 werden dabei gleichzeitig verformt. In Fig. 4c ist der Preßhub annähernd beendet. Man kann im Querschnitt gut erkennen, wie sehr der Nietschaft 8 aufgeweitet wurde. Die Aufweitung wurde insbesondere bewirkt durch die hydrostatisch wirkende Substanz 12 und die geometrische Formung des Nietfußes 6. Die Aufweitung kann durch eine geeignete Ausformung der Matrize unterstützt werden, worauf aber aufgrund der Einwirkung der hydrostatisch wirkenden Substanz 12 verzichtet werden kann. In Fig. 4d wird der Preßstempel von den Fügeteilen abgehoben, die Stanznietverbindung ist fertig hergestellt. FIG. 4a shows the start of a Stanznietprozesses. The punch rivet 2 is located below the ram 30 , which is held by the hold-down 32 . The joining parts 14 , 16 are held against the die 20 . The hydrostatically acting substance 12 is located in the cavity 10 . In Fig. 4b the ram has started its working stroke, the punch rivet 2 is immersed in the material of the joining part 14 . The joining parts 14 , 16 are deformed at the same time. In Fig. 4c, the press stroke is almost complete. One can clearly see in cross section how much the rivet shank 8 has been widened. The expansion was caused in particular by the hydrostatically acting substance 12 and the geometric shape of the rivet base 6 . The expansion can be supported by a suitable shape of the die, but this can be dispensed with due to the action of the hydrostatically acting substance 12 . In Fig. 4d the ram is lifted from the parts to be joined, the punch rivet connection is finished.

In Fig. 5 ist zur näheren Erläuterung ein Querschnitt durch eine fertige Stanznietverbindung gezeigt. Gut erkennbar ist der Hinterschnitt S, der den Formschluß der Verbindung quantifi ziert. Die Ausformung der Unterseite des Fügeteils 16 ist bedingt durch die Matrizenform; die Form der Matrize kann auch anders gestaltet sein. Allerdings läßt sich eine kleine Erhebung an der Stelle der Stanznietverbindung nicht vermeiden.In FIG. 5 for a more detailed explanation of a cross-section through a finished punch rivet connection. The undercut S, which quantifies the positive connection of the connection, is clearly visible. The shape of the underside of the joining part 16 is due to the die shape; the shape of the die can also be designed differently. However, a small elevation at the point of the punch rivet connection cannot be avoided.

Fig. 6 zeigt in einem Fügekraft-Stempelweg-Diagramm eine Gegenüberstellung von Prozeßkurven zweier Stanznietprozesse, in denen Stanzniete mit und ohne Füllung mit einer hydrostatisch wirkenden Substanz verwendet wurden. Auf der Abszisse ist der Stempelweg x in mm, auf der Ordinate die Fügekraft y in kN dargestellt. Die gestrichelt gezeichnete Kurve 100 zeigt den Verlauf für einen Stanzniet mit hydrostatisch wirkenden Füllsubstanz, die durchgehend gezeichnete Kurve 102 den für einen Stanzniet ohne hydrostatisch wirkende Füllsubstanz. Mit dem Bereich I ist der Beginn der Aufweitung und Spreizung gekenn zeichnet. Es wird deutlich, daß der Stanzniet mit hydrostatisch wirkender Füllsubstanz wesentlich früher mit dem Spreizen beginnt. Die flache Matrizenform ohne Matrizendorn und die Schmierwirkung des Füllstoffes reduziert die maximale Fügekraft des Stanzniet prozesses über den gekennzeichneten Bereich II. Das Fügekraft-Stempelweg-Diagramm ist als nur beispielhaft zu verstehen; bei anders gewählten Stanznieten, Werkstoffen, Füllsub stanzen, Fügeteilen etc. kann der Kurvenverlauf variieren, ohne daß sich dadurch jedoch die Grundaussage des in Fig. 6 gezeigten Fügekraft-Stempelweg-Diagramms verändern würde. Fig. 6 shows in a joining force punch travel chart a comparison of process curves of two Stanznietprozesse in which piercing rivets were used with and without filling with a hydrostatically acting substance. The stamp path x is shown in mm on the abscissa and the joining force y in kN on the ordinate. The dashed curve 100 shows the course for a punch rivet with hydrostatically acting filler, the continuous curve 102 shows for a punch rivet without hydrostatically acting filler. Area I marks the beginning of widening and spreading. It becomes clear that the punch rivet with the hydrostatic filling substance starts spreading much earlier. The flat die shape without die and the lubricating effect of the filler reduces the maximum joining force of the punch riveting process over the marked area II. The joining force-punch path diagram is only to be understood as an example; with differently selected punch rivets, materials, Füllsub substances, joining parts etc., the course of the curve can vary without however changing the basic statement of the joining force-punch path diagram shown in FIG. 6.

Claims

1. punch rivets in the form of a semi-hollow rivet consisting of a rivet head, a rivet shank and a rivet foot, characterized in that the hollow body 10 of the punch rivet 2 is partially or completely filled with a substance 12 which acts hydrostatically during the punch riveting process.

2. punch rivet according to claim 1, characterized in that the hollow body 10 of the punch rivet 2 is filled with a hydrostatically acting substance 12 which assumes a liquid or pasty state during processing of the punch rivet 2 .

3. punch rivet according to claim 1 or 2, characterized in that the hydrostatically acting substance 12 is chemically reactive during or after the processing of the punch rivet 2 .

4. punch rivets according to one of claims 1 to 3, characterized, that the hydrostatic substance solidifies after the end of the process.

5. punch rivets according to one or more of claims 1 to 4, characterized, that the hydrostatic substance reacts chemically after the end of the process.

6. punch rivets according to one or more of claims 1 to 5, characterized, that the hydrostatic substance has a connection with the process wetted area.

7. punch rivets according to one or more of claims 1 to 6, characterized, that parts of the rivet shank differed with the same acting internal pressure are strongly deformable.

8. punch rivets according to one or more of claims 1 to 7, characterized, that the hydrostatically active substance can be supplied via a filling channel in the rivet head is.

9. self-piercing rivets according to claim 8, characterized in that the rivet head 4 has on its upper side a suitable form for the installation of seals.

10. self-piercing rivets according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that the upper region of the rivet shank 8 adjoining the rivet head 4 is filled with the hydrostatically acting substance 12 .

11. punch rivets according to one or more of claims 1 to 10, characterized, that the hydrostatic substance is provided with additives.

12. self-piercing rivets according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that the degree of filling of the cavity 10 with the hydrostatically acting substance 12 as a function of the heat consumption of the hydrostatically acting substance 12 , the waste heat, the material and the wall thickness of the rivet shaft 8 , the required deformation energy for the rivet shaft 8 and / or the material of the joining parts 14 , 16 , the desired outer contour of the punch rivet connection, the desired residual material strength of the die-side lower joining part in the area of the punch rivet connection and / or the shaping of the die is selected.

13. punch rivets according to one or more of claims 1 to 12, characterized, that the rivet foot has a geometric shape that supports the expansion.

14. A method for punch riveting, consisting of the steps of pressing the punch rivet into the joining parts, one during the immersion of the punch rivet in the joining parts on widening and spreading of the rivet foot and stem as well as the upsetting of the punch rivet connection, characterized in that the cavity 10 one Punch rivet 2 is partially filled with a hydrostatically acting substance 12 during the punch riveting process.

15. The method according to claim 14, characterized in that the hydrostatically active substance 12 is introduced into the cavity 10 before or during the punch rivet process.

16. The method according to claim 14 or 15, characterized in that during the punch riveting process a form-locking undercut between punch rivet 2 and joining parts 14 , 16 is achieved.

17. The method according to one or more of claims 14 to 16, characterized in that the punch rivet 2 is colder than the joining parts 14 , 16 at the beginning of the punch riveting process.

18. The method according to one or more of claims 14 to 17, characterized in that the process heat of the punch riveting process is at least partially used for changing the physical state of the hydrostatically acting substance 12 .

19. The method according to one or more of claims 14 to 18, characterized, that process data are recorded and / or evaluated.

20. The method according to one or more of claims 14 to 19, characterized, that the punch rivets are processed suddenly.