DE19700627C2

DE19700627C2 - joining methods

Info

Publication number: DE19700627C2
Application number: DE19700627A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Thomala
Original assignee: Richard Bergner GmbH and Co
Current assignee: Richard Bergner GmbH and Co
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1997-01-10
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2017-01-11
Also published as: DE19700627A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie ein Verfahren zum Fügen zweier aufeinanderliegender Teile, insbesondere zweier Bleche aus metallischen Werk stoffen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens sowie eine mit dem erfinderischen Verfahren realisier bare, für sich erfinderische Nietverbindung.The present invention relates primarily to a method for joining two parts lying on top of each other, in particular two sheets of metal work materials. Furthermore, the invention relates to a device for performing the inventive method as well as realizing with the inventive method bare, inventive rivet connection.

Aus dem Stand der Technik ist ein als Stanznietverfahren bekanntes Fügeverfah ren geläufig. Beim Stanznietverfahren werden zwei aufeinanderliegende Bleche aus metallischem Werkstoff mit Hilfe eines Nietelements verbunden. Das Nietele ment durchstanzt hierbei zunächst das ihm zugewandte Blech und verformt dabei das ihm dabei abgewandte Blech, um sich dann im ihm abgewandten Blech zu verspreizen. Das Nietelement bildet somit mit dem ihm abgewandten Blech einen seiner beiden Nietköpfe aus. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist die Gas- und Flüssigkeitsdichtigkeit, welche das Korrosionsverhalten der Verbindung positiv beeinflußt, weil eine Korrisionsgefahr weitgehend ausgeschlossen ist. Außerdem ist diese bekannte Stanznietverbindung nach dem Stand der Technik hochfest und hoch belastbar. Schließlich ist sie fertigungstechnisch einfach durchzuführen.A joining method known as punch riveting is known from the prior art ren common. The punch riveting process involves two sheets lying on top of each other made of metallic material with the help of a rivet element. The Nietele ment first punched the sheet metal facing it and deformed it the sheet turned away from him in order to then turn in the sheet turned away from him caulking. The rivet element thus forms one with the sheet metal facing away from it of his two rivet heads. The advantage of this method is the gas and Liquid tightness, which the corrosion behavior of the connection positive influenced because a risk of corruption is largely excluded. Moreover is this known punch rivet connection according to the prior art high strength and highly resilient. After all, it is easy to carry out in terms of production technology.

Dieses bekannte Stanznietverfahren ist beispielsweise beschrieben in
HAHN, ORTWIN; LAPPE, WILHELM "Stanznieten oberflächenveredelter Stahlbleche" in BLECH ROHRE PROFILE, Ausgabe 42, 1995, 2, S. 100 ff.
sowie aus
BUDDE, LOTHAR u. a. "Weiterentwicklung der Stanzniettechnik" in BLECH ROHRE PROFILE, Ausgabe 39, 1992, 4, S. 310 ff. This known punch riveting method is described for example in
HAHN, ORTWIN; LAPPE, WILHELM "punch rivets of surface-coated steel sheets" in BLECH ROHRE PROFILE, edition 42 , 1995 , 2 , p. 100 ff.
as well as from
BUDDE, LOTHAR and others "Further development of punch riveting technology" in BLECH ROHRE PROFILE, edition 39 , 1992 , 4 , p. 310 ff.

Es ist zudem bekannt, daß das Nietelement eine sehr viel höhere Festigkeit als das durchzustanzende Blech aufweisen muß. Stahlbleche weisen üblicherweise eine Zugfestigkeit im Bereich von 300 bis 350 N/mm² auf. Aluminiumbleche wei sen eine Zugfestigkeit von 150 bis 250 N/mm² auf. Bei beiden Blechwerkstoffen ist es deshalb unproblematisch, Nietelemente aus Stahl zu verwenden. Derartige Stahlnieten haben nämlich eine Zugfestigkeit im Bereich von 1200 bis 1400 N/mm².It is also known that the rivet element must have a much higher strength than the sheet to be punched. Steel sheets usually have a tensile strength in the range from 300 to 350 N / mm ² . Aluminum sheets have a tensile strength of 150 to 250 N / mm ² . With both sheet materials, it is therefore unproblematic to use steel riveting elements. Steel rivets of this type have a tensile strength in the range from 1200 to 1400 N / mm ² .

Aus Gründen des Korrosionsschutzes und der Gewichtsersparnis wird in jüngster Zeit jedoch vermehrt gefordert, Aluminiumbleche mit Aluminiumnietelementen zu fügen. Erwünscht ist hierbei die Stanznietverbindung mit ihren eingangs erwähn ten Vorteilen. Da bekannte Stanzniete aus Aluminium jedoch lediglich eine Zugfe stigkeit im Bereich von 400 bis 450 N/mm² aufweisen, hat sich in der Praxis immer wieder gezeigt, daß Aluminiumnietelemente bereits beim Durchstanzen des dem Stanzstempel zugewandten Blechs eine so große plastische Deformation erfah ren, daß sie anschließend mit dem dem Stempel abgewandten Blech keine hinrei chend funktionssichere Fügeverbindung mehr bilden können. Zur Herstellung der Fügeverbindung muß sich nämlich der Nietwerkstoff im nicht durchgestanzten Blech so weit verkrallen, daß ein gewisser Hintergriff ausgebildet ist.For reasons of corrosion protection and weight savings, however, there has recently been an increasing demand to join aluminum sheets with aluminum rivet elements. What is desired here is the punch rivet connection with its advantages mentioned at the outset. Since known punch rivets made of aluminum, however, only have a tensile strength in the range of 400 to 450 N / mm ² , it has been shown in practice again and again that aluminum rivet elements already experience such a large plastic deformation when punching through the sheet metal facing the punch stamp that they can then no longer form a sufficiently reliable joint connection with the sheet facing away from the stamp. To produce the joint, the rivet material has to claw in the non-punched sheet metal to such an extent that a certain engagement is formed.

Aus der DE 44 04 659 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung bekannt, bei der eine Verstärkung eines Durchsetzfügepunktes erreicht wird, in dem die beiden zu verbindenden Werkstücke verformt werden und anschließend ein Nietelement mit beiden Werkstücken fliesverpreßt wird. Dieses Verfahren setzt voraus, daß beide Werkstücke gut umformbar sind.DE 44 04 659 A1 describes a method for producing a riveted connection known in which an enforcement point is strengthened, in which the two workpieces to be joined are deformed and then a rivet element is extruded with both workpieces. This procedure continues ahead that both workpieces are easy to form.

Ausgehend von diesen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches das Fügen zweier aufeinanderliegender Bleche mit Nietelementen erlaubt, deren Festigkeit im Bereich oder nur geringfügig über der Festigkeit der zu fügenden Bleche liegt. Diese Aufgabe ist durch die Merk malskombination des Anspruches 1 gelöst, wobei das erfindungsmäßige Fügeverfahren ausdrücklich nicht nur auf ein Fügen mit Aluminiumnietelementen be schränkt sein soll. Das Fügeverfahren eignet sich vielmehr auch für das Fügen mit herkömmlichen Stahlnietelementen. Außerdem eignet sich das Verfahren insbe sondere für das Fügen mit Hilfe von Nietelementen mit geringer Nietelementfe stigkeit. Based on these disadvantages, the invention is based on the object Specify the process of joining two sheets lying on top of each other allowed with rivet elements, the strength of which is in the range or only slightly above the strength of the sheets to be joined lies. This task is through the Merk Painting combination of claim 1 solved, wherein the inventive joining method expressly not only on joining with aluminum rivet elements should be limited. The joining process is also more suitable for joining with conventional steel rivet elements. The method is also particularly suitable especially for joining with the help of rivet elements with low rivet elements stigkeit.

In den rückbezogenen Ansprüchen sind vorteilhafte und erfinderische Weiterbil dungen der Erfindung offenbart. Vorteil der nach dem Verfahren hergestellten Nietverbindung ist die Möglichkeit, sowohl Blechmaterial als auch Nietmaterial mit geringer Eigenfestigkeit verwenden zu können. Besonders vorteilhaft ist es, Alu miniumbleche mit Aluminiumnietelementen verbinden zu können, was insbeson dere das Korrosionsverhalten der Verbindung vorteilhaft beeinflußt. Die Verwen dung von Stahlnieten zum Fügen von Aluminiumblechen nach dem Stand der Technik hat sich nämlich als sehr korrosionsanfällig erwiesen.Advantageous and inventive further developments are in the related claims end of the invention. Advantage of those produced by the process Rivet connection is the possibility of using both sheet metal material and rivet material to be able to use low inherent strength. It is particularly advantageous to use aluminum to be able to connect aluminum sheets with aluminum rivet elements, which in particular which advantageously influences the corrosion behavior of the connection. The use of steel rivets for joining aluminum sheets according to the state of the art Technology has proven to be very susceptible to corrosion.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß eines der zu fügenden Bleche zusammen mit dem Nietelement einen geschlossenen Schließkopf der Nietverbindung ausbildet. Ne ben den günstigen Festigkeitseigenschaften der erfindungsmäßigen Nietverbin dung zeichnet sich diese zusätzlich noch durch hohe Dichtigkeit gegen das Ein dringen von Gasen und Flüssigkeiten aus, was insbesondere die Korrosionsbe ständigkeit der erfindungsmäßigen Nietverbindungen erhöht.It is also advantageous that one of the sheets to be joined together with the Rivet element forms a closed closing head of the rivet connection. ne ben the favorable strength properties of the inventive rivet joint This is also characterized by high tightness against ingress penetrate from gases and liquids, which in particular the corrosion durability of the inventive riveted joints increased.

Schließlich ist zu erwähnen, daß mit dem Verfahren auch Fügeteile im sogenann ten Hybridverfahren zusammengefügt werden können, also Bleche unterschiedli chen Werkstoffs. Es lassen sich folglich Stahlbleche mit Aluminiumblechen unter Verwendung von Aluminiumnieten fügen.Finally, it should be mentioned that with the method also joining parts in the so-called Hybrid processes can be combined, i.e. different sheet metal chen material. Steel sheets with aluminum sheets can therefore be placed underneath Join using aluminum rivets.

Anhand des in den Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispiels ist die Erfindung zusätzlich erläutert. Es zeigen:Based on the embodiment shown in the drawing figures Invention explained in addition. Show it:

Fig. 1 Das Aufsetzen des Stanzstempels auf die auf der Stanzmatrize auflie genden, zu fügenden Bleche, Fig. 1, the mounting of the punch to the punch die auflie on the constricting, to be joined sheets,

Fig. 2 das Durchstanzen (Lochen) des oberen Blechs und das gleichzeitige Verformen des unteren Blechs mit dem Stanzstempel, Fig. 2, the punching (hole punching) of the upper sheet and the simultaneous forming of the lower sheet with the punch,

Fig. 3 das Entfernen des Stanzstempels und der Stanzmatrize, Fig. 3 shows the removal of the punch and the stamping die,

Fig. 4 das Einbringen des Nietelements sowie die Anbringung der Nietmatri ze, Fig. 4, the insertion of the rivet member and the attachment of the Nietmatri ze,

Fig. 5 das Einfahren der zu fügenden Bleche in die Nietmatrize und das Ein fahren des Nietelements mit Hilfe des Nietstempels, Fig. 5, the retraction of the plates to be joined in the riveting die and the driving of the rivet member by means of the riveting die,

Fig. 6 das Verspreizen des Nietelements mit Hilfe des Nietstempels sowie Fig. 6, the spreading of the rivet element with the aid of the rivet punch and

Fig. 7 die fertige, mit dem Verfahren gefügte Nietverbindung. Fig. 7 shows the finished riveted joint joined with the method.

Mit dem erfindungsmäßigen Verfahren sollen das in Stanzrichtung 1 dem Stanz stempel 2 zugewandte, obere Blech 3 und das in Stanzrichtung 1 dem Stanz stempel 2 abgewandte, untere Blech 4 miteinander zusammengefügt werden. Hierfür liegen das obere Blech 3 und das untere Blech 4 aufeinander. Das untere Blech 4 liegt seinerseits wiederum auf der Stanzmatrize 5 auf. Im ersten Verfah rensschritt wird der Stanzstempel 2 in Stanzrichtung 1 zur Stanzmatrize 5 hin verfahren. Durch die Verfahrbewegung des Stanzstempels 2 in Stanzrichtung 1 wird das obere Blech 3 durchgestanzt (gelocht). Gleichzeitig wird das untere, der Matrize 5 zugewandte Blech in den Verformungsraum 6 der Stanzmatrize 5 hin einverformt. Das untere Blech gleicht seine Geometrie an der Stanzstelle folglich der Geometrie des Verformungsraums 6 an (Fig. 2).With the method according to the invention, even in the punching direction, the punch 1 to 2 facing, upper plate 3 and the punching direction in the punch 1 2 facing away from lower plate 4 are assembled together rubber stamp. For this purpose, the upper plate 3 and the lower plate 4 lie on top of one another. The lower plate 4 in turn rests on the stamping die 5 . In the first procedural step, the punch 2 is moved in the punching direction 1 toward the punch die 5 . The upper plate 3 is punched (perforated) by the movement of the punch 2 in the punching direction 1 . At the same time, the lower plate facing the die 5 is deformed into the deformation space 6 of the punch die 5 . The lower metal sheet therefore adjusts its geometry at the punching point to the geometry of the deformation space 6 ( FIG. 2).

Nach dem Durchstanzen des oberen Blechs 3 bzw. dem Verformen des unteren Blechs 4 wird zunächst der Stanzstempel 2 in seine Ausgangslage zurückverfah ren. In Stanzrichtung 1 wird auch die Matrize 5 wegverfahren, so daß die beiden Bleche 3, 4 zur nächsten Fertigungsstation der Fertigungsvorrichtung gefördert werden können. An der nächsten Fertigungsstation wird das untere Blech 4 in Stanzrichtung 1 auf die Nietmatrize 7 aufgelegt. Die Nietmatrize 7 weist eine der Geometrie der fertigen Fügestelle angepaßte Matrizenwirkfläche 8 auf. Desweite ren wird in den durchgestanzten Bereich 9 des oberen Blechs 3 das beim Ausfüh rungsbeispiel aus Aluminium bestehende Nietelement 10 in Stanzrichtung 1 ein geführt. Mit Hilfe des in Stanzrichtung 1 oberhalb des Nietelements 10 angeordne ten Nietstempels 11 wird das Nietelement 10 in Stanzrichtung 1 auf das untere Blech 4 vorgetrieben (Fig. 5). Zunächst wird das untere Blech 4 auf der Matrizen wirkfläche 8 verformt (Fig. 5). Durch weiteres Vortreiben des Nietelements 10 in Stanzrichtung 1 wird der Schaft 12 des Nietelements 10 im wesentlichen quer zur Stanzrichtung 1 aufgespreizt, nämlich in der zur Stanzrichtung 1 rechtwinklig ver laufenden Spreizrichtung 13. Während des Aufspreizprozesses ist d er mit dem Stanzstempel 2 aus dem oberen Blech 3 ausgestanzte Stanzbut zen 14 als Biegehilfselement für den Schaft 12 wirksam.After punching the upper sheet 3 or deforming the lower sheet 4 , the punch 2 is first moved back to its initial position. In the punching direction 1 , the die 5 is also moved away, so that the two sheets 3 , 4 are conveyed to the next manufacturing station of the manufacturing device can be. At the next production station, the lower sheet 4 is placed on the rivet die 7 in the punching direction 1 . The rivet die 7 has a die effective surface 8 adapted to the geometry of the finished joint. Ren Desweite is the one performed in the punched area through 9 of the upper sheet 3 at approximately exporting for example made of aluminum rivet member 10 in the punching direction. 1 With the help of the attached arrange in the punching direction 1 above the rivet member 10 th riveting die 11, the rivet 10 is propelled in the punching direction 1 on the lower plate 4 (Fig. 5). First, the lower plate 4 is deformed on the die surface 8 ( Fig. 5). By further advancing the rivet element 10 in the punching direction 1 , the shank 12 of the rivet element 10 is expanded essentially transversely to the punching direction 1 , namely in the spreading direction 13 running at right angles to the punching direction 1 . During the spreading process, the punched punch 14 punched out of the upper sheet 3 with the punch 2 is effective as a bending aid for the shaft 12 .

Der Nietstempel 11 wird solange in Stanzrichtung 1 zur Nietmatrize 7 hinverfah ren, bis das Nietelement 10 und das obere Blech 3 in Spreizrichtung 13 eine na hezu ebene Fläche bilden. Die Geometrie des unteren Blechs 4 ist in diesem Zu stand der Geometrie der Matrizenwirkfläche 8 angepaßt, so daß der Schaft 12 des Nietelements 10 im unteren Blech 4 vollständig verspreizt ist und mit dem unteren Blech 4 regelrecht einen Hintergriff ausbildet (Fig. 6).The rivet punch 11 is renverfah ren in the punching direction 1 to the rivet die 7 until the rivet element 10 and the upper plate 3 in the spreading direction 13 form a na almost flat surface. The geometry of the lower plate 4 is in this To the geometry of the die surface 8 adapted so that the shaft 12 of the rivet element 10 in the lower plate 4 is fully expanded and forms a rear grip with the lower plate 4 ( Fig. 6).

Bei der fertigen Nietverbindung (Fig. 7) bilden der verspreizte Schaft 12 des Niete lements 10 und das untere Blech 4 im Bereich der Fügestelle einen geschlosse nen Schließkopf 15 miteinander aus.In the finished rivet connection ( Fig. 7), the expanded shaft 12 of the rivet element 10 and the lower plate 4 in the region of the joint form a closed closing head 15 with each other.

Mit einer in den Zeichnungsfiguren nicht gezeichneten Variante des erfindungs mäßigen Verfahrens ist es durch Zwischenschaltung eines Verfahrenszwischen schritts möglich, den Stanzbutzen 14 aus dem durchgestanzten Bereich 9 zu entfernen, sobald der Stanzstempel 2 nach dem Durchstanzen des oberen Blechs 3 wieder aus dem durchgestanzten Bereich 9 herausgefahren ist (Fig. 3). Dies ist bislang bei Verfahren nach dem Stand der Technik nicht möglich gewe sen. Ebenso können die Stirnfläche des Stanzstempels 2 und/oder des Nietstem pels 11 bzw. die Geometrie des Verformungsraums 6 der Stanzmatrize 5 und/oder die Matrizenwirkfläche 8 der Nietmatrize 7 beliebig gestaltet und somit auf den jeweiligen Anwendungsfall optimal abgestimmt sein.With a not shown in the drawings Description of the Invention regular method, it is step possible by the interposition of an intermediate process, the slug 14 from the through punched area 9 to remove as soon as the punch 2 after punching of the upper sheet 3 moved out again from the through punched area 9 is ( Fig. 3). Up to now, this has not been possible with methods according to the prior art. Likewise, the end face of the punch 2 and / or the rivet stamp 11 or the geometry of the deformation space 6 of the punch die 5 and / or the die surface 8 of the rivet die 7 can be designed as desired and thus optimally matched to the respective application.

Mit der Erfindung ist es auch möglich, mehr als zwei aufeinanderliegende Ble che 3, 4 miteinander zu fügen, wobei darauf zu achten ist, daß das jeweils untere Blech 4 nicht durchstanzt wird, sondern lediglich in den Matrizen 5, 7 eine Verfor mung erfährt. With the invention, it is also possible to join more than two sheets 3 , 4 lying one on top of the other, care being taken that the respective lower sheet 4 is not punched through, but only undergoes deformation in the dies 5 , 7 .

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Stanzrichtung
punching direction

22

Stanzstempel
punch

33

oberes Blech
top sheet

44

unteres Blech
lower sheet

55

Stanzmatrize
punch die

66

Verformungsraum
deformation space

77

Nietmatrize
riveting

88th

Matrizenwirkfläche
Matrizenwirkfläche

99

durchgestanzter Bereich
punched area

1010

Nietelement
rivet

1111

Nietstempel
riveting punch

1212

Nietschaft
rivet

1313

Spreizrichtung
the spreading

1414

Stanzbutzen
slug

1515

Schließkopf
closing head

Claims

1. A method for joining two sheets ( 3 , 4 ) lying one on top of the other from metallic material
by a first method step, in which a punch ( 2 ) punches through the sheet ( 3 ) facing it and deforms the sheet ( 4 ) facing away from it and
by a second method step, in which a rivet element ( 10 ) is inserted into the connection through the punched area ( 9 ) and plastically deformed such that the rivet element ( 10 ) and the sheet metal ( 4 ) facing away from the punch ( 2 ) close the closing head ( 15 ) form the rivet connection.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the first method step at the punching point, a punch ( 2 ), preferably a steel punch, and a punch die ( 5 ) work together.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in the second method step at the punching a rivet element ( 10 ) in the punching direction ( 1 ) propelling rivet punch ( 11 ) and a rivet die ( 7 ) adapted to the geometry of the rivet element ( 10 ) interact.

4. The method according to one or more of the preceding claims, characterized by an intermediate process step interposed between the first and the second process step, in which the sheet ( 3 ) facing the punch ( 2 ) facing punched slug ( 14 ) is punched out of the punching area ( 9 ) is completely removed.

5. A device for a method according to claims 1 to 4, characterized
by means of a punch ( 2 ) cutting through at least one sheet ( 3 ), preferably a steel punch,
by means of a stamping die ( 5 ) designed to be complementary to the stamping punch ( 2 ) for plastically deforming at least one sheet ( 4 ),
by a rivet punch ( 11 ) for propelling the rivet element ( 10 ) in the punching direction ( 1 ) and for introducing the deformation energy into the rivet element ( 10 ) and
by one of the geometry of the closing head ( 15 ) of the rivet connection adapted rivet die ( 7 ).

6. A device for a method according to claim 5, characterized by a manipulator for removing the punching slug ( 14 ) when executing the intermediate method step according to claim 4.

7. In particular with a method according to claims 1 to 4 and in particular a special device according to claims 5 and 6 manufactured rivet connection, characterized by a rivet element ( 10 ) made of light metal, in particular aluminum.

8. riveted joint according to claim 7, characterized, that the connection is gas and / or liquid tight.

9. riveted joint according to claim 7 or 8, characterized in that the joined sheets ( 3 , 4 ) are aluminum sheets.

10. riveted joint according to claim 7 or 8, characterized in that the joined sheets ( 3 , 4 ) made of different materials be to form a joint connection in hybrid construction.

11. Rivet connection according to claim 10, characterized in that the one sheet ( 3 ) made of steel and the other sheet ( 4 ) made of aluminum.

12. Rivet connection according to one or more of the preceding claims, characterized in that the rivet element ( 10 ) and the merely deformed sheet ( 4 ) form a closing head ( 15 ) with one another.

13. Rivet connection according to claim 12, characterized in that the rivet shaft ( 12 ) in the deformed sheet ( 4 ), in particular aluminum sheet, is spread to form an undercut.