DE19721355A1

DE19721355A1 - Niet und Verfahren zum Anbringen eines Niets

Info

Publication number: DE19721355A1
Application number: DE19721355A
Authority: DE
Inventors: John A Aurentz; Franklin S Briles
Original assignee: Franklin S Briles
Current assignee: Allfast Fastening Systems Inc
Priority date: 1996-05-24
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 1997-11-27
Also published as: JPH10118736A; JP3192387B2; US5680690A; CA2200674C; CA2200674A1; FR2749047B1; FR2749047A1

Description

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Befestigungsele mente und betrifft insbesondere Verfahren für den Einbau von Nieten zum Erzielen einer zwischen zwei Blechen aufrecht er haltenen Druckklemmung, um auf die Weise eine Grenzflächenbe wegung (Reibverschleiß) zu hemmen, und dadurch die Ermüdungs lebensdauer zu verbessern.

Diese Erfindung betrifft auch ein Schutzverfahren und kontrolliertes Nieten, welches Korrosion insbesondere bei der Außenhautbefestigung von Flugzeugen hemmt.

Korrosion von und um Nietverbindungen herum bei Flugzeu gen beeinträchtigt ernstlich die Strukturlebensdauer, wodurch sie verhindert, daß ein Flugzeug seine Ermüdungs- oder Be triebslebensdauer erreicht. Die Korrosionsarten beruhen pri mär auf Schichtkorrosion, Elektrolyse und Beanspruchung. Es gibt einen Bedarf nach Verbesserungen, um potentielle Korro sionsprobleme zu reduzieren oder zu eliminieren. Wie zu sehen sein wird, können die hierin offenbarten Schutzbeschichtun gen, Dichtungsmittel und Verfahren, zusammen mit der Abmes sungskontrolle der Nieten und Löcher/Senkbohrungen des Werk stückes effektiv Schicht-, Elektrolyse- und Beanspruchungs korrosion in Flugzeugstrukturen minimieren oder eliminieren.

Es besteht auch ein Bedarf, eine derartige Halteklemmung in gleichmäßiger Weise zu erzielen, zumal eine große Anzahl beschichteter Nieten verwendet werden, um Blechelemente mit einander, wie z. B. Überlappungen und Spitzen von Flugzeug rumpfhäuten zu verbinden. Es gibt auch einen Bedarf, eine verbesserte Ermüdungslebensdauer von solchen miteinander ver bundenen Bleche zu erzielen und eine Verschleißreibung zwi schen solchen Blechen zu hemmen.

Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, Schutzbe schichtungen und Dichtungsmittel auf Nieten aufzubringen, welche nach dem Einbau rauhe Oberflächen, Kanten, konusartige Senkungen, nicht-runde Senkbohrungen auffüllen, um offenlie gende Werkstück-Korrosionsstellen zu eliminieren, und um Luftspaltbildungsmöglichkeiten unter dem Nietkopf bei der Senkbohrung zu eliminieren.

Die Schutzbeschichtung wirkt auch als eine Barriere zum Verhindern elektrolytischer Korrosion, und wird, wenn die Be schichtung stromführend ist, elektrisch verbunden, was eine mögliche Blitzschlagbeschädigung reduziert.

Grundsätzlich umfaßt das Verfahren der Erfindung das Zu sammenklemmen zweier Werkstückbleche unter Verwendung eines Niets, wobei das eine Blech eine Bohrung aufweist, und eine Senkbohrung, welche stumpfkegelig ist und nach vorne zwischen einer Seite des einen Blechs und der Bohrung, und auf die Bohrung zu zusammenläuft, und die Schritte des Verfahrens um fassen:

a) Bereitstellen eines metallischen Niets mit einem sich axial erstreckenden Schaft, der eine Achse definiert, wobei das Nietmetall im wesentlichen aus einer feingekörnten, duk tilen Aluminiumlegierung besteht,
b) Bereitstellen des Niets mit einem Kopf, welcher eine Endfläche aufweist und einen nach vorne konisch zulaufenden stumpfkegeligen Abschnitt, der vor der Endfläche angeordnet ist,
c) Einbauen des Schafts in die Bohrung und des Kopfs in die Senkbohrung, so daß der Umfang des Kopfendfläche im we sentlichen bündig mit der Werkstückfläche ist, wobei: die Endfläche so geformt ist, daß sie eine ringförmige Wölbung bildet, die axial in einer rückwärtigen Richtung herausragt, und die Wölbung so angeordnet ist, daß sie sich um die Achse herum in einer im wesentlichen axialen Ausrichtung zu der Au ßenoberfläche des Schaftes erstreckt,
d) der Nietkopf mit einer Umfangsseitenwand versehen ist, die radial von einer Seitenwand beabstandet ist, die von der Senkbohrung des Werkstückes gebildet wird, und der Raum zwi schen den Seitenwänden ein Volumen A aufweist,
e) die Wölbung mit einem metallischen Volumen B versehen ist,
f) und wobei das Volumen B das Volumen A in der Weise übersteigt, daß dann, wenn die Wölbung während der Nietver formung eingeebnet wird, die Seitenwand des Nietkopfes radial in das Volumen A ausgedehnt wird und gegen die Senkbohrungs seitenwand des Werkstücks stößt, so daß letztere radial nach außen verformt wird,
g) und Bereitstellen eines Barrierenmaterials zwischen der Seitenwand des Niets und der Senkbohrungsseitenwand des Werkstückes, so daß die Zwischenräume zwischen der Seitenwand nach einer radialen Auswärtsverformung des Werkstückes ausge füllt werden.

Eine weitere Aufgabe ist das Aufbringen der Barrieren schicht auf die Seitenwand vor der Nietverformung in einem Dickenbereich von etwa 5 bis 150 µm (0,0002 bis 0,006 in.) Ein solches Material kann ein Abdichtungsmittel oder ein An tikorrosionsmaterial, oder eine Kombination eines Barrieren beschichtungs- und Abdichtungsmaterials sein. Die Verformung des Nietkopfes bewirkt ein Anpressen des Barrierenmaterials gegen die Senkbohrungswand des Werkstückes, und in die Me tallzwischenräume.

Eine weitere Aufgabe ist das Aufbringen einer Barrieren beschichtung auf der Ringwölbung des Niets, wodurch das Ein ebnen der Wölbung ein Eindringen des Barrierenmaterials in die Metallzwischenräume an der Oberfläche der eingeebneten Wölbung und angrenzend am äußersten Umfang der radial ausge dehnten Kopfseitenwand während der radialen Ausdehnung des Kopfseitenwand bewirkt.

Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung so wie die Details einer veranschaulichenden Ausführungsform werden aus der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen vollständiger verständlich, in welchen:

Fig. 1 eine Aufrißschnittansicht ist, welche einen in ein Werkstück eingesetzten Niet darstellt;

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 ist, welche aber den Niet während der Quetschverformung darstellt;

Fig. 2a eine Ansicht ähnlich Fig. 2 ist, welche aber den Niet nach dem Abschluß der Verformung mit einem ausgebil deten Stauchende darstellt;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilschnittansicht ist, welche einen Nietkopf mit einer (minimalen) Größenbeziehung zu ei ner Werkstücksenkbohrung darstellt;

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 3 ist, welche einen Niet kopf mit einer anderen (maximalen) Größenbeziehung zu einer Werkstücksenkbohrung darstellt;

Fig. 5 eine Explosionsansicht ist, welche Elemente eines Niets in Beziehung zu Elementen einer Werkstückboh rung und einer Senkbohrung darstellt;

Fig. 6a ein vergrößerter Schnitt ist, welcher den anfängli chen Sitz eines Niets in Werkstückblechen darstellt;

Fig. 6b ähnlich wie Fig. 6a ist, jedoch die Lage des Niets und Bleche nach dem Stauchen des Niets darstellt;

Fig. 7a bis 7e Ansichten sind, welche progressive Stufen der Nietverformung darstellen;

Fig. 8 ein vergrößerter Schnitt ist, welcher ein Barrieren material auf dem Niet darstellt;

Fig. 9 wie Fig. 8 ist, aber den Einbau darstellt;

Fig. 10 ein weiterer vergrößerter Schnitt ist, welcher das Barrierenmaterial in Zwischenräumen in den Niet- und Werkstückwänden darstellt;

Fig. 11 eine einen Luftspalt darstellende Ansicht ist, wenn kein Barrierenmaterial verwendet wird; und

Fig. 12 eine vergrößerte Teilschnittansicht ist, welche eine Barrierenverformung an der erhabenen Kopfkante nach der Verformung darstellt.

In Fig. 1 definieren zwei Platten 111 und 112 (Metall, Glasfaser, Kompositmaterial, usw.) das Werkstück 110. Eine Hauptbohrung 113 erstreckt sich in beide Platten, und eine Senkbohrung 209 und eine konische Einsenkung 114 in die Plat te 111. Die Bohrung und die Einsenkung weisen eine gemeinsame nach vorne sich erstreckende Achse 116 auf.

Der aus einer feinkörnigen, duktilen Aluminiumlegierung bestehende Niet 118 weist einen axial sich erstreckenden Schaft 119 auf, der nach vorne in und durch eine Bohrung 113 gemäß Darstellung mit Spiel eingesetzt ist. Der Nietschaft oder das Nietende ragt vorwärts aus der Platte 112 hervor. Der Nietkopf weist eine (eine ringförmige Wölbung bildende) Endfläche 121 auf, welche nach hinten weist und in einem Ab stand über der Oberseite der Platte 11 liegt. Ein zylindri scher Abschnitt 208 des Niets wird von der zylindrischen Wand 209 begrenzt; und ein vorwärts zulaufender stumpfkegeliger Abschnitt 122 des Niets liegt in einem Abstand vor dem Ab schnitt 208.

Der Niet wird progressiv durch eine Maschinenquetschung oder durch Hämmer 124 und 125 so verformt, daß die vorstehen de Kopfwölbung 121a eingeebnet und gleichzeitig das in Fig. 2a zu sehende Stauch- oder Gegenende 126 geformt wird. Die Pfeile bei dem Querschnitt des Kopfs 120 stellen die Richtun gen der Metallverformung während der Einebnung der Wölbung dar. Diesbezüglich tendiert das an die konische Fläche 122a angrenzende Kopfmetall dazu, zu der und um die ringförmige Kante 130 an der Schnittstelle der Bohrung 113 mit der Ein senkung 114 zu fließen, bedingt durch den Umstand daß eine dem Nietkopf durch Verformung aufgegebene Kraft zentral über den Scheitel der Ringwölbung auf die Kante 130 zu gerichtet ist, welche eine konvexe ringförmige Extrusionsfläche für den Fluß des Nietmetalls darüber bildet.

Der Niet gemäß Fig. 1 weist einen ringförmigen Umfang 121a der Endfläche 121 auf, die im wesentlichen mit der Werk stückfläche 131 bündig ist; zusätzlich bildet die Endfläche eine Ringwölbung 132 die axial in rückwärtiger Richtung her vorsteht. Diese Wölbung ist im allgemeinen ringförmig und er streckt sich um eine Achse 116. Das Maß des rückwärtigen Vor stands der Wölbung ist so, daß sich das gesamte Kopfende 121 (vor der Verformung) im wesentlichen oberhalb und parallel zu der Werkstückoberfläche erstreckt. Nach dem Abschluß der Nietverformung gemäß Darstellung bei 121b in Fig. 2a ist die Wölbung im wesentlichen eliminiert. Die Endfläche 121 ragt dann nur noch zwischen 25 und 150 µm (0,001 bis 0,006 in.) über das Niveau der Werkstückoberfläche 13 hinaus.

Die Wölbung, welche ringförmig ist, ist radial von der Einsenkung 114 aus nach hinten gerichtet angeordnet, wodurch das Nietkopfmaterial als Reaktion auf die Wölbungseinebnung in Eingriff mit der Einsenkung bleibt und kein Spiel zu die ser bildet. Für beste Ergebnisse ist der radial äußere Um fang 132a der Wölbung, welcher nach außen und nach vorne aus läuft, im wesentlichen vollständig in axial beabstandeter Be ziehung zu der Einsenkung, d. h., zu der konischen Einsenkung 114 angeordnet. Der Auslauf bei 132a zu dem äußersten Kopfum fang hin, liegt in einen Winkel vor, der so angepaßt ist, daß sichergestellt ist, daß dessen Außenumfang sich in einer Ebe ne senkrecht zu der Achse 116 befindet, Ferner befindet sich der Scheitelabschnitt 132b der Wölbung in im wesentlichen axialer Ausrichtung zu der Schaftaußenoberfläche 119b und auch zu der Werkstückbohrung 113. Die Höhe "d" (siehe Fig. 3) des Scheitels über dem Niveau 121a beträgt für beste Ergeb nisse zwischen 100 und 400 µm (0,004 und 0,016 in.)

Demzufolge bleibt während des Nietvorgangs die konische Fläche 122a des Nietkopfes im wesentlichen über seine gesamte Länge auf der Einsenkung 114 sitzen, und es wird keine Rück federung in dem Maße erzeugt, daß sich nach Abschluß des Ein baus ein Spiel entwickelt.

Diesbezüglich beachte man, daß die zentrale Konkavität oder Vertiefung bei 133 in Fig. 3 auf der Kopfrückseite wäh rend der Verformung des Nietkopfs, d. h., durch die Ringwöl bungseinebnung und durch eine Rückfüllung des Schaftmateri als, wenn die Schaftsäule zusammenbricht und eine Ausdehnung auftritt, ausgefüllt wird. Die durch die Pfeile in Fig. 2 dargestellten Verformungskräfte bleiben auf die Einsenkung 114 ausgerichtet konzentriert, wodurch das Kopfmetall kon stant unter Zwang gegen diese Einsenkung gedrückt wird, um Entstehen von Spielräumen zu verhindern. Eine gleichmäßige vollständige Füllung der Vertiefungen bei mehreren die Bleche zusammengeklemmt haltenden Nieten wird durch die Verwendung einer feingekörnten duktilen Aluminiumlegierung, wie nachste hend ausgeführt, erzielt.

Im Verlauf des Nietvorgangs wird das von der Kopfwand 209 begrenzte, und zwischen der Wölbung 132 und dem Abschnitt 122 angeordnete Kopfmetall typischerweise gegen die Senkbohrung 209 des Werkstückes (siehe Fig. 3) verformt, so daß der ring förmige Spielraum geschlossen wird.

In der praktischen Ausführung, und im Hinblick auf Pro duktionsnieten und für beste Ergebnisse wird, wenn die Wöl bung bei der Nietverformung eingeebnet wird, die Seitenwand des Nietkopfes radial ausgedehnt und drückt nach außen gegen die Seitenwand der Senkbohrung, so daß die letztere radial nach außen verformt wird.

Fig. 3 stellt eine Beziehung zwischen einem minimalen Kopfdurchmesser (bei 209) und einer maximalen Senkbohrung (bei 210) dar, wodurch der Nietkopf gemäß Darstellung in Vor wärtsrichtung bei 114 aufsitzt; und Fig. 4 stellt eine Bezie hung zwischen einem maximalen Kopfdurchmesser (bei 209) und einer minimalen Senkbohrung (bei 210) dar, wodurch der Niet kopf in Rückwärtsrichtung so aufsitzt, daß die Wölbung 132 vor der Verformung nach rückwärts aus dem Werkstück hervor steht.

Bei der Verformung wird die Senkbohrung 210 durch die Ausdehnung der Wand 209 mit der Einebnung der Wölbung radial nach außen gedehnt. Die gewünschte Verformung der Wölbung 132 tritt während des Nietvorgangs auf, so daß die Wände 209 und 210, wie gewünscht unter radialen Druck und Umfangsspannung gehalten werden. Es wird auch, wie es hierin noch beschrieben wird, ein Stauchende für die Festklemmfunktion ausgebildet.

In beiden Fig. 3 und 4 wird fein gekörntes Schaftmaterial aus Aluminium nach oben extrudiert (siehe Pfeil 400), um die von der Ringwölbung begrenzte Vertiefung während der Wöl bungseinebnung aufzufüllen, wobei die Oberseite der Nietkop fes oberhalb (d. h., hinter) der Ebene des Werkstückoberfläche 131 bleibt.

Typischerweise ist das Nietmetall (welches bevorzugt aus einer fein gekörnten Aluminiumlegierung zur Verbesserung des Metallflusses bei 400 besteht) weicher als das Werkstückme tall. Beispielsweise weist die Werkstückplatte für beste Er gebnisse eine Zugfestigkeit wesentlich höher als die Zugfe stigkeit des Niets auf. Somit dehnen und kontrahieren sich der Niet und das Werkstück mit Raten, welche radiale Spalte während einer Temperaturveränderung verhindern.

In einem typischen Beispiel liegt der maximale Kopfdurch messer in dem Bereich von 6,553 bis 6,502 mm (0,258 bis 0,256 in.); und die Kopfseitenwände weisen eine axiale Länge von etwa 0,305 bis 1,067 mm (0,012 bis 0,042 in.). Ferner liegt die Seitenwandlänge plus der axialen Länge des Kopfes, der konisch auf den Schaft zuläuft, innerhalb des Bereichs von 0,559 und 2,642 mm (0,022 bis 0,104 in.).

Fig. 5 ist ähnlich wie Fig. 3, stellt aber die Elemente in axialer Explosionsansicht dar. Es sind Spielräume zwischen der Wand 209 und der Senkbohrung 210 dargestellt, so wie sie nach dem Einsetzen des Niets (aber vor der Verformung) und zwischen dem Schaft 119a und der Bohrung 113 existieren. Fer ner ist lediglich für eine bessere Erkennbarkeit eine leichte axiale Trennung zwischen dem konischen Sitz 114 und der koni schen Kopffläche 122a (120° Konuswinkel gemäß Darstellung in Fig. 1), und zwischen der konvexen Kante 130 und der konkaven Außenfläche 223 eines Übergangsabschnittes 220 dargestellt.

Die Volumina des zylindrischen Abschnittes 208, des Ke gelstumpfabschnittes 122 und des Übergangsabschnittes 220 werden in Bezug auf die Durchmesserabmessungen der Werkstück bohrung 113 und auf die (axialen und radialen) Abmessungen der Werkstücksenkbohrungen 114 und 210 so eingestellt oder vorgegeben, daß nach dem Einebnen der Wölbung bei der Niet verformung, die Wölbung eine eingeebnete Fläche aufweist, welche zwischen den etwa so definierten Grenzwerten liegt:

- bündig mit der Außenoberfläche des Werkstücks
- 150 µm (0,006 in.) aus der Außenoberfläche des Werk stücks hervorstehend.

Diese stellt eine aerodynamische Bündigkeit sicher und wird durch Verwendung der fein gekörnten Aluminiumlegierung des Niets gewährleistet, so daß der gewünschte Metallfluß ge mäß Beschreibung erzielt wird.

Ein weiterer wichtiger Aspekt liegt in der Erzeugung und Beibehaltung der zwei Radien R₁ und R₂, in der Weise, daß R₂ zwischen 95% und 75% von R₁ beträgt (5% bis 25% Differenz), wobei:

- R₁ der Radius einer konkaven Fläche 223 in axial-radi alen Ebenen ist (wobei die Fläche 223 ringförmig ist)
- R₂ der Radius einer konvexen Fläche 130 des Werkstückes in axial-radialen Ebenen ist, und die Fläche 130 ring förmig ist und gleitend an der Fläche 223 bei der Niet verformung angreift.

Wenn diese Beziehungen zusammen mit der Konus-Winkligkeit der Flächen 114 und 122a gemäß Darstellung (bei der die Fläche 114 die Fläche 130 schneidet, und die Fläche 122a die Fläche 223 schneidet), eingehalten werden, wird die Scherlastaufnah mefähigkeit des Niets optimiert, während die Zugkraft-Durchziehfähigkeit des Niets sichergestellt ist. Dieser Vor teil wird auch bei einem Einbau in dem dünnsten möglichen Blech (d. h., nahezu bei einem Messerschneiden-Zustand) reali siert, da die Fläche 300 und 301 (Fig. 2) um dem Nietkopf her um konstant bleiben und dadurch ein hohes Maß (mindestens 40% von dem Blech) eines Scherlast tragenden Bereich des Bleches sicherstellen.

Fig. 5 stellt ebenfalls dar, wie der ringförmige Schei telabschnitt 132b zwischen radial inneren und äußeren Grenz werten (siehe Linien 260 und 261 parallel zu der Achse 116) angeordnet ist, wie der radiale Spalt zwischen den Linien 260 und 261 kleiner als 25% der radialen Abmessung 264 des Wöl bungsquerschnittbereiches ist, und wie der Spalt zu der Schaftaußenoberfläche ausgerichtet ist.

Ein Vergleich von Fig. 6a und 6b zeigt, daß sich während der Nietverformung die Kopfwand 209 radial nach (links) außen bewegt, so daß sie an der Bohrungswand 210 angreift; und daß die Wand 209 ferner die Wand 210 um einen Betrag S₁ nach links verschiebt, wobei die Endlagen der Wände mit 209′ und 210′ be zeichnet sind. Gleichzeitig bewegt sich die Schaftwand 223 ra dial nach (links) außen und greift an der Bohrungswand 113 an; und die Wand 223 verschiebt ferner die Wand 113 etwa um den Betrag S₂ nach links, wobei die Endlagen der Wände bei 223′ und 113′′ dargestellt sind. In Wirklichkeit erstreckt sich die Wand 223′ in einem Winkel α bezogen auf ihre Ausgangslage 223, wobei die Wand 223′ in Richtung 240 auseinanderläuft. Wie es später noch beschrieben wird, wird ein "Stauchende" an dem Schaftendeabschnitt geformt, welches an der Kante des Loches in dem Werkstück angreift, so daß gleiche Klemmkräfte zwischen dem Stauchende und dem Kopfwinkelabschnitt erzeugt werden.

Ferner wird das Nietmetall (siehe Pfeil 241) auf die Kopfver tiefung zu verschoben, um welche sich die Wölbung 132 in Fig. 6a herum erstreckt, um diese Vertiefung auszufüllen, wenn die Ringwölbung eingeebnet ist, und die eingeebnete obere oder rückwärtige Oberfläche 403 bleibt über dem Niveau der Blech fläche 431 erhalten. Siehe auch wie sich der von dem Umfang des vorgenannten Kopfes gebildete Kopfringabschnitt 432 zu der angrenzenden Fläche hin erstreckt und dabei die Kopfoberfläche 403 über dem Niveau von 431 hält. Demzufolge hält der verform te Niet die Werkstückbleche 111 und 112 in einem zusammenge klemmten Zustand. Siehe die Pfeile 420 und 421 in Fig. 2.

Für beste Ergebnisse wird der Niet aus einem fein gekörn ten Aluminiumlegierungsdraht hergestellt, welcher aus der nachstehenden Tabellengruppe ausgewählt wird, wobei der ausge gewählte Draht eine Korngröße und physikalische Eigenschaften gemäß Auflistung in der nachstehenden Tabelle aufweist:

Diesbezüglich ist die Korngrößenanzahl zu der tatsächli chen Korngröße invers und wird nach ASTM E: 112 gemessen. Die Korngrößenanzahlen sind höher als die früher erzielbaren, wo durch nun kleinere Korne möglich sind, welche zu einem we sentlich besseren Fließvermögen des Metalls in dem Schaft zum Füllen der von der Ringwölbung umgebenen Vertiefung führt. Dieses ermöglicht wiederum eine bessere Gleichmäßigkeit bei der Verformung mehrerer Nieten in einer Weise, daß sie die Werkstückbleche in einem dauerhaften Klemmzustand, d. h., für einen verringerten Reibverschleiß halten.

"Bruchdehnung" in der Tabelle bezieht sich auf die gemes sene Trennung von Meßmarken für eine Probe während eines Zugspanungstests bis zum Ausfall. Frühere Bruchdehnungswerte von bis 11 oder 12 werden hierin durch die Verwendung einer fein gekörnten Aluminiumlegierung überschritten, welche die Duktilität verbessert, um so ein Fließen des Schaftmetalls in die aufzufüllende Vertiefung zu fördern. Deshalb ist das vor liegende Nietmetall durch eine hohe Bruchdehnung gekennzeich net. Ferner bewirkt die Ausdehnung des Schafts angrenzend an die Außenoberfläche des unteren Werkstückblechs einen span nenden Eingriff mit diesem Blech in der Weise, daß die Erzeu gung einer Klemmkraft bei der Formung des Stauchendes er leichtert wird.

Fig. 7a bis 7e stellen ein typisches Beispiel einer Ver formung des vorliegenden Niets dar. Der gemäß Darstellung konfigurierte 120°-Niet wird in die aus zwei Blechen 111 und 112, oder metallischen Materialien der angegebenen Zusammen setzung, bestehende Struktur eingesetzt, wobei die Löcher und Senkbohrungen innerhalb einer spezifizierten Toleranz herge stellt sind. Ein Nietwerkzeug wird zum Aufbringung von Kraft auf den "Ringwölbungs"-Kopf 120 des Niets und gleichzeitig auch auf das Endteil 118a verwendet. Man beachte, daß der Scheitel der Ringwölbung in einem Abstand von etwa 250 µm (0,010 in.) oberhalb der Werkstückoberfläche liegt.

Gemäß Darstellung in Fig. 7b beginnt der Nietschaft mit steigender Stauchkraft anzuschwellen, so daß er einen ring förmigen Konus- oder Keilbereich bei 118b unterhalb der unte ren Werkstückoberfläche 112a bildet. Der vergrößerte Umfang 118c des Schafts befindet sich in axialer Ausrichtung zu dem Kopf 120. Die Ringwölbung 132 wird gleichzeitig eingeebnet.

In Fig. 7b ist der Wölbungsscheitel auf einen Abstand von etwa 200 µm (0,008 in.) von der Werkstückoberfläche 131 ein geebnet; und die Bodenfläche 132a der konkaven Vertiefung ist bis zu einem Niveau von etwa 76 µm (0,003 in.) über das Ni veau der Werkstückoberfläche 131 hochgedrückt. Dieses ent spricht der Auffüllung der Vertiefung. Es beginnt auch der Aufbau der Klemmung, wie nachstehend noch beschrieben. Fig. 7c stellt das Niveau des Wölbungsscheitels auf etwa 190 µm (0,0075 in.) über der Oberfläche 131 reduziert, und die Bo denfläche 132a der Vertiefung auf ein Niveau von etwa 140 µm (0,0055 in.) über die Werkstückoberfläche hochgedrückt dar.

Mit fortgesetzter Stauchkraftaufbringung wird der koni sche Schaft bei 118d so wie in Fig. 7d verformt, daß er an greifend oder flach bei 118c die untere Werkstückoberfläche 112a um das Loch 113 herum erfaßt und dadurch einen zusammen drückenden Klemmdruck gegen die 120°-Konus-Unterseite des Kopfes 120 ausübt. Man beachtet, daß der nun eingeebnete Scheitel der Ringwölbung auf ein Niveau von etwa 178 µm (0,007 in.) über der Werkstückoberfläche reduziert ist, und die Bodenfläche 132a der Vertiefung nun auf etwa 165 µm (0,0065 in.) über diese Oberfläche angehoben ist.

Wenn noch mehr Stauchkraft aufgebracht wird, wird der Schaft 118 so verformt, daß er eine "Stauchende"-Form angren zend an die Unterseite 112a des Werkstückes gemäß Darstellung in Fig. 7e bildet. Der Scheitel der Ringwölbung und der Bo den der Vertiefung befinden sich nun gemäß Darstellung im selben Abstand, 127 µm (0,005 in.), über der Werkstückober fläche, wodurch der Kopf nun eingeebnet ist. Eine derartige in entgegengesetzter Richtung erfolgende Verformung des Scheitels der Ringwölbung (nach unten) und der konkaven Ver tiefung 132a (nach oben), welche durch die fein gekörnte me tallische Zusammensetzung des Nietmetalls erleichtert wird, erleichtert ferner die gewünschte gleichmäßige Verformung der Nieten zu dem in Fig. 7e dargestellten Zustand mit der dauer haften Klemmung der Werkstückbleche. Eine derartige Klemmung erhöht die Ermüdungslebensdauer der Verbindung, und die dicht versiegelte genietete Verbindung hemmt eine Korrosionsent wicklung an den Werkstückgrenzflächen.

Die Korngröße bezieht sich beispielsweise auf das gemit telte Nennmaß µm (in.) pro Korn, auf die Kornanzahl (Kanten erfassung) für insgesamt 50 Erfassungen, und auf einen gemit telten Erfassungsabstand gemäß nachstehender Tabelle.

Regeln

1. Das Eindringen in ein Korn in der Richtung der Prüf linie wird als ein halbes (1/2) Korn gewertet.
2. Enden der Meßlinie werden nicht als eine Erfassung gezählt.
3. Ein in die Meßlinie sich erstreckendes Korn wird als ein (1) Korn gezählt.
4. Zwei (2) oder mehrere sich in eine Meßlinie erstrec kende Kornverbindungen werden als eineinhalb (11/2) Korne gezählt.
5. Zwei (2) Erfassungen desselben Korns werden als ins gesamt zwei (2) Korne gezählt.

Die Bestimmung der Korngröße in einer Drahtprobe, aus welcher Niete der Erfindung geformt werden sollen, beinhaltet beispielsweise das Zählen von 50 (d. h., einer vorgegebenen Anzahl) aufeinanderfolgender Korne (bei 100-facher Vergröße rung) entlang einer geraden Strecke quer zu der Endfläche ei nes abgescherten Drahtes und die Ermittlung der Längenabmes sung, d. h., der von den 50 Kornen belegten Strecke, und dann die Division dieser Strecke durch 50, um die gemittelte Er fassungsstrecke zu bestimmen. Diese Strecke wird auf eine ge mitteltes Nennmaß in µm (in.) pro Korn und auf die hierin an gegebenen Korngröße gemäß Darstellung in der vorstehenden Ta belle bezogen.

Wie hierin bereits angegeben, ist ein Drahtprobe für den Niet nur dann verwendbar, wenn die ermittelte Feinkorngröße zwischen 5 und 9 liegt, d. h., daß die gemittelte festgestell te Erfassungsstrecke (festgestellt durch das vorstehend er wähnte Zählen) zwischen 56,6 µm und 14,1 µm (0,00223 und 0,000577 in.) liegt.

Es ist ferner eine Aufgabe des Verfahrens der Erfindung die Ausbildung eines größeren Stauchende-Durchmesser bezogen auf den Ausgangsdurchmesser des Nietschaftes während der Nietverformung beim Einbau zu ermöglichen. Eine solche Aus bildung wird durch die Verwendung der hierin beschriebenen fein gekörnten Aluminiumlegierung ermöglicht. Beispielsweise kann das Stauchende nun so ausgebildet werden, daß es einen minimalen Durchmesser aufweist, welcher mindestens das 1,4-fache des nicht verformten Anfangsdurchmesser des Schafts für einen fertigen Niet ist. In einem weiteren Beispiel wird eine 7050-T3 Legierung so verformt, daß sie einen minimalen Durch messer am Stauchende aufweist, welcher mindestens das 1,5-fache des Ausgangsdurchmesser des Schaftes ist. Dieses steht im Vergleich zu einem Stauchende-Durchmesser von etwa dem 1,3-fachen des Ausgangsdurchmesser des Schaftes für frühere Nietmaterialien. Große Stauchenden erleichtern eine bessere Dauerklemmung, deren Vorteile vorstehend beschrieben sind.

In Fig. 8 ist nun ein Niet 118 mit einem dünnen Barrie renmetall 400 auf seinen Oberflächen, wie z. B. bei 400a auf der Endfläche 121 der Ringwölbung 121a 400b auf der Kopf außenwand 209, und 400c an der Kegelstumpf- oder Konusober fläche 122a dargestellt. Die Barrierendicke liegt typisch zwischen 5 und 50 µm (0,0002 und 0,002 in.) und die Schutz barriere besteht typischerweise aus einem Abdichtungsmittel oder einer Beschichtung oder einem über einer Beschichtung aufgebrachten Abdichtungsmittel.

Beispielsweise kann die Beschichtung aus aluminisierten Partikeln in einem Träger, wie etwa einem Phenolharz, beste hen, welche auf die Nietoberflächen bei Temperaturen zwischen 93°C und 232°C (200°F und 450°F) aufgebacken werden, um den Träger zu verflüchtigen. Ein im Handel erhältliches Beispiel ist TecKote 8-G oder HI-COTE 1.

Ein Beispiel für das Abdichtungsmittel ist ein flexibler Polysulfid-Epoxid-Gummi in einer sprühbaren Lösung. Ein im Handel erhältliches Beispiel ist PRC1436GE2 von Courtauld.

Fig. 9 stellt die Barrierenmaterialschicht 400b dar, wie sie während der Kopfausdehnung nach außen auf und in die Senkbohrungswand 210 des Werkstücks, d. h., in die Zwischen räume an dieser Wand verschoben wird.

Fig. 10 ist eine stark vergrößerte Ansicht, welche die Oberflächenrauhigkeit 209a und 210a an den Wänden 209 und 210 darstellt, welche Zwischenräume bilden, in die das Barrieren material 400b gemäß Darstellung eindringt. Man beachte die variable Dicke und die gezackte Konfiguration des die Zwi schenräume füllenden und abdichtenden Materials 400b.

Man beachte ferner, daß die Einebnung der Wölbung zu ei ner Extrusion des Barrierenmaterials führt, welche eine Über lappung bei 400d erzeugt, die sich auf das Werksstück, an grenzend an die Bohrungskante mit einem zusätzlichen Abdich tungseffekt erstreckt. Die Barriereschichten 400a und 400b können sich gewollt zu dieser Überlappung hin erstrecken.

Fig. 9 stellt auch die Barrierenschicht 400c gegen die konische Senkbohrung bei 114a des Werkstückes 111 angedrückt dar, so daß die Zwischenräume aufgefüllt sind. Dieses besei tigt den Luftspalt 410 wie er bei Einbauten nach dem Stand der Technik, wie z. B. nach Fig. 11, auftritt, bei denen kein Abdichtungsmittel oder keine Beschichtung wie bei der vorlie genden Erfindung verwendet wird.

In Fig. 8 möge das Volumen der Wölbung 121a einen Wert A aufweisen; der Raum zwischen den Wänden 209 und 210 möge ein Volumen B aufweisen; und die Volumina mögen so beschaffen sein, daß dann, wenn die Wölbung während der Verformung ein geebnet wird, sich die Wand 209 in das Volumen A ausdehnt und nach außen gegen die Seitenwand 210 drückt, so daß diese nach außen verformt wird.

Ferner werden die nachstehenden Beziehungen eingehalten:

h) daß das Verhältnis B/A in dem Bereich von 1,20 : 1 bis 70 : 1 liegt,
i) daß die Kopfendfläche so geformt ist, daß sie eine von der ringförmigen Erhebung begrenzte Vertiefung bildet, und
j) daß die Wölbungseinebnung so ausgeführt wird daß die Scherlast tragenden Bereiche um den genieteten Kopf herum eine Dicke aufweisen, welche zumindest bei 40% der Dicke des Werkstückblechs bleibt, in welchem der Kopf angeordnet ist.

Ferner weisen A und B eine der zwei nachstehenden Bezie hungen auf:

X₁ A liegt in dem Bereich von 0,197 mm³ (0,0000120 cu.in.) bis 3,12 mm³ (0,0000190 cu.in.) und B ist so vorgesehen, daß es in dem Bereich von 0,205 mm³ (0,0000125 cu.in.) und 14,76 mm³ (0,00090 cu.in.) liegt.
X₂ A liegt in dem Bereich von 0,021 mm³ (0,0000013 cu.in.) bis 0,213 mm³ (0,000013 cu.in.) und B ist so vorgesehen, daß es in dem Bereich von 0,476 mm³ (0,000029 cu.in.) und 14,42 mm³ (0,00088 cu.in.) liegt.

Zusätzlich ist A so vorgesehen, daß es in dem Bereich von 0,197 mm³ (0,0000120 cu.in.) bis 3,116 mm³ (0,000190 cu.in.), und B ist so vorgesehen, daß es in dem Bereich von 0,205 mm³ (0,0000125 cu.in.) und 14,76 mm³ (0,00090 cu.in.) liegt. Ty pischerweise liegt der maximale Durchmesser des Kopfes in dem Bereich von 3,07 mm (0,121 in.) und 13,23 mm (0,521 in.) und die Kopfseitenwand weist eine axiale Länge von etwa 0,31 mm (0,012 in.) bis 1,07 mm (0,042 in.) auf.

Das Verfahren beinhaltet die Ausbildung der Wölbung in der Weise, daß sie einen ringförmigen Scheitelabschnitt in im wesentlichen axialer Ausrichtung zu der Schaftaußenoberfläche aufweist, und daß die äußere Ausdehnung der Wölbung, welche nur eine Hälfte der Wölbung bildet, in axial beabstandeter Beziehung zu einem vorwärtsgerichteten Konus, der durch den vorwärtsgerichteten stumpfkegeligen Abschnitt gebildet wird, angeordnet ist, wobei der Scheitelbereich der Wölbung nach hinten konvex in axial-radialen Ebene verläuft. Die äußerte ringförmige Ausdehnung des Scheitels ist in etwa zu der Au ßenoberfläche des Schaftes ausgerichtet.

Sowohl der Niet als auch die Wand sind metallisch, wobei das Nietmetall weicher als das Wandmetall ist, und der Niet aus einem der nachstehenden Materialien besteht:

i) Aluminium
ii) Aluminiumlegierung
iii) Titan
iv) Titanlegierung
v) CRES-Legierung.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstückblechen unter Verwendung eines Niets, wobei ein Blech eine Bohrung auf weist, und eine Senkbohrung, welche stumpfkegelig ist und nach vorne zwischen einer Seite des einen Blechs und der Bohrung und auf die Bohrung zu zusammenläuft, mit den Schritten:

a) Bereitstellen eines metallischen Niets mit einem sich axial erstreckenden Schaft, der eine Achse defi niert,
b) Bereitstellen des Niets mit einem Kopf, welcher eine Endfläche aufweist und einen nach vorne zusammenlau fenden stumpfkegeligen Abschnitt, der vor der Endfläche angeordnet ist,
c) Einbauen des Schafts in die Bohrung und des Kopfs in die Senkbohrung, so daß der Umfang der Kopfendfläche im wesentlichen bündig mit der Werkstückfläche ist, wo bei: die Endfläche so geformt ist, daß sie eine ringför mige Wölbung bildet, die axial in einer rückwärtigen Richtung herausragt, und die Wölbung so angeordnet ist, daß sie sich um die Achse herum in einer im wesentlichen axialen Ausrichtung zu der Außenoberfläche des Schaftes erstreckt,
d) der Nietkopf mit einer Umfangsseitenwand versehen ist, die radial von einer Seitenwand beabstandet ist, die von der Werkstücksenkbohrung gebildet wird, und der Raum zwischen den Seitenwänden ein Volumen A aufweist,
e) die Wölbung mit einem metallischen Volumen B ver sehen ist,
f) und wobei das Volumen B das Volumen A in der Wei se übersteigt, daß dann, wenn die Wölbung während der Nietverformung eingeebnet wird, die Seitenwand des Niet kopfes radial in das Volumen A ausgedehnt wird und nach außen gegen die Seitenwand der Senkbohrung des Werkstücks stößt, so daß letztere radial nach außen verformt wird,
g) und Bereitstellen eines Barrierenmaterials zwi schen der Nietseitenwand und der Senkbohrungsseitenwand des Werkstückes, so daß die Zwischenräume zwischen den Seitenwänden nach einer radialen Auswärtsverformung des Werkstückes ausgefüllt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Barrierenmaterial ein Korrosion verhinderndes Mittel enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Korrosion verhin dernde Mittel im wesentlichen aus einer aluminisierten, pigmentierten Beschichtung besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Barrierenmaterial ein Abdichtungsmittel enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Werkstück zwei Ble che aufweist und wobei die Wölbung während der Nietver formung so eingeebnet wird, daß die Scherkraft tragenden Bereiche um den ausgedehnten Nietkopf herum eine Dicke aufweisen, welche zumindest bei 40% der Dicke des Werk stückblechs bleibt, in welchem der Kopf angeordnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, welches die Ausbildung der Wölbung in der Weise beinhaltet, daß diese einen ringför migen Scheitelabschnitt in im wesentlichen axialer Aus richtung zu der Schaftaußenoberfläche aufweist, und die äußere Ausdehnung der Wölbung, welche nur etwa die Hälfte der Wölbung bildet, in axial beabstandeter Beziehung zu einem vorwärtsgerichteten Konus, der durch den vorwärts gerichteten stumpfkegeligen Abschnitt gebildet wird, an geordnet ist, wobei der Scheitelbereich der Wölbung nach hinten konvex in axial-radialen Ebenen verläuft.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Kopfendfläche so ausgebildet ist, daß sie ein konkave zentrale Vertiefung radial innerhalb des Scheitelabschnittes aufweist, wäh rend die äußerte ringförmige Ausdehnung des Scheitels in etwa zu der Außenfläche des Schaftes ausgerichtet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Niet metallisch ist und aus einem der nachstehenden Materialien besteht:

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Barriere eine Be schichtungsdicke zwischen 5 µm (0,0002 in.) und 50 µm (0,002 in.) aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Nietverformung ein zwangsweises Andrücken des Barrierenmaterials gegen die Senkbohrungsseitenwand des Werkstücks bewirkt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, welches das Beschichten des Barrierenmaterials auf die ringförmige Wölbung umfaßt, und das Einebnen der Wölbung umfaßt, um das Barrierenma terial darauf zu veranlassen, in metallische Zwischenräu me auf der Oberfläche der eingeebneten Wölbung und an grenzend an die äußerte Ausdehnung der radial ausgedehn ten Kopfseitenwand während der radialen Ausdehnung der Kopfseitenwand einzudringen.

12. Verfahren nach Anspruch 10, welches weiterhin das Be schichten des Barrierenmaterials auf den vorwärtsgerich tet zusammenlaufenden Stumpfkegelabschnitt umfaßt, wobei das Einebnen der Wölbung das Barrierenmaterial auf dem Stumpfkegelabschnitt veranlaßt, in die metallischen Zwi schenräume des einen Bleches, der stumpfkegeligen Senk bohrung und angrenzend in den innersten Umfang der radial ausgedehnten Kopfseitenwand einzudringen.

13. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Barrierenmaterial ein Abdichtungsmittel enthält.

14. Metallischer Niet mit einem Kopf, welcher eine ringförmi ge Wölbung auf der Kopfoberseite bildet, und mit einem festen Barrierenmaterial, das den Niet beschichtet, um Zwischenräume an dem Nietkopf und an Senkbohrungswänden des Werkstückes auszufüllen, wenn die Ringwölbung während der Nietverformung eingeebnet wird.

15. Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstückblechen unter Verwendung eines Niets, wobei ein Blech eine Bohrung auf weist, und eine Senkbohrung, welche stumpfkegelig ist und nach vorne zwischen einer Seite des einen Blechs und der Bohrung und auf die Bohrung zu zusammenläuft, mit den Schritten:

a) Bereitstellen eines metallischen Niets mit einem sich axial erstreckenden Schaft, der eine Achse defi niert, wobei das Nietmetall im wesentlichen aus einer fein gekörnten, duktilen Aluminiumlegierung besteht,
b) Bereitstellen des Niets mit einem Kopf, welcher eine Endfläche aufweist und einen nach vorne zusammenlau fenden stumpfkegeligen Abschnitt, der vor der Endfläche angeordnet ist,
c) Einbauen des Schafts in die Bohrung, mit einem Teil des Kopfs in die Senkbohrung, so daß der Umfang der Kopfendfläche über der Werkstückoberfläche liegt, wobei die Endfläche so geformt ist, daß sie eine ringförmige Wölbung bildet, die axial in einer Richtung nach oben herausragt, die Wölbung so angeordnet ist, daß sie sich um die Achse herum in einer im wesentlichen axialen Aus richtung zu der Außenoberfläche des Schaftes erstreckt, die Ringwölbung eine zentrale Vertiefung bildet,
d) der Nietkopf mit einer Umfangsseitenwand versehen ist, die radial von einer Seitenwand beabstandet ist, die von der Werkstücksenkbohrung gebildet wird, und der Niet schaft eine Endabschluß aufweist,
e) Aufbringen von Kraft auf die Ringwölbung und auf den Endabschluß, um den Schaft in der Nähe des Endab schlusses zu einer Ausdehnung und zu einem Eingriff mit der freiliegenden Außenoberfläche des unteren Bleches zu veranlassen, und um gleichzeitig das Einebnen der Ring wölbung zu veranlassen, und um das fein gekörnte Alumini umlegierungsmetall des Schaftes zu einem Rückfluß nach oben zu veranlassen, um einen Fluß von Metall nach oben und zentrisch in die Vertiefung zu bewirken.
f) wobei die Kraftaufbringung fortgesetzt wird, um den sich ausdehnenden unteren Abschluß zu veranlassen, ein an die Außenfläche des unteren Blechs angrenzendes gegen diese Außenfläche eine Klemmkraft ausübendes Stau chende zu bilden, und um eine eingeebnete oberste Fläche an dem Nietkopf zu erzeugen, wobei diese oberste Fläche auf das obere Flächenniveau des oberen Bleches zu abge senkt wird aber davon beabstandet bleibt, wodurch die zwei Bleche in einen zwangsweise geklemmten Zustand zwi schen dem Kopf und dem Stauchende gehalten werden, nach dem die Verformung abgeschlossen ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die eingeebnete oberste Fläche des Kopfes so verformt wird, daß sie zwischen 0 und 152 µm (0,006 in.) über der Oberfläche des oberen Bleches liegt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das fein gekörnte Schaftmaterial zum Aufwärtsfließen veranlaßt wird, um die Vertiefung aufzufüllen, wenn die Ringwölbung so eingeeb net wird, daß sie über der Oberfläche des oberen Bleches liegt, und das Stauchende durch Kraftaufbringung gebildet wird, und das Metall weiterhin durch eine hohe Dehnung gekennzeichnet ist.

18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Nietmetall eine Feinkorngröße zwischen 5 und 9 aufweist und die Korngröße nach ASTM E: 112 bestimmt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 15, wobei vorgesehen ist, daß die Bleche im wesentlichen aus Metall bestehen, das aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Titan, rostfreien Legie rungen und Kombinationen von Legierungen ausgewählt ist.

20. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Nietmetall in die Schaftvertiefung gefüllt wird, um den Nietkopf gegen eine radial nach innen gerichtete Kontraktion zu sichern, wo durch der Klemmungszustand aufrechterhalten wird.

21. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Aluminiumlegierung aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aufweist: 12017-T4
2024-T4
2117-T4
2219-T62
7050-T73
7050-T715.

22. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Niet aus einem Alu miniumlegierungsdraht hergestellt wird, der aus den nach stehenden Tabellengruppen ausgewählt wird, und der ausge wählte Draht eine Korngröße und physikalische Eigenschaf ten gemäß Angabe in den nachstehenden beiden Tabellen aufweist:

23. Niet bzw. Niet-Verbindung herstellbar nach einem der Ver fahren der Ansprüche 1 bis 22.