DE19847980A1

DE19847980A1 - Werkzeug zum Setzen von Stanznieten

Info

Publication number: DE19847980A1
Application number: DE19847980A
Authority: DE
Inventors: Georg Donhauser; Reinhard Mauermann; Gunter Quaiser; Wolfgang Voelkner; Michael Zimmermann
Original assignee: EIBES KERB KONUS GmbH; Talbot & Co KG GmbH; Technische Universitaet Dresden; Kerb Konus Vertriebs GmbH
Current assignee: EIBES KERB KONUS GmbH; Talbot & Co KG GmbH; Technische Universitaet Dresden; Kerb Konus Vertriebs GmbH
Priority date: 1998-10-17
Filing date: 1998-10-17
Publication date: 2000-04-20
Also published as: DK1121213T3; ES2195642T3; EP1121213B1; DE59905226D1; PT1121213E; CA2355343C; WO2000023213A1; US6405420B1; CA2355343A1; EP1121213A1; ATE238116T1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Setzen von Stanznieten, insbesondere von Vollnieten oder Halbhohlnieten (14), mit einem Niederhalter (20) zum Vorspannen der Fügeteile, insbesondere von Blechen (2, 3), einem in einem Zylinder (24) des Niederhalters (20) in axialer Richtung (26) beweglichen und mit einer Kraft beaufschlagbaren Nietstempel (25) sowie einer dem Niederhalter (20) gegenüberliegenden Matrize (27) mit einer Erhebung (34) auf einem Abschnitt ihrer dem Nietstempel (20) zugewandten Stirnfläche (36). Die Stirnfläche (36) der Matrize ist radial außerhalb der Erhebung (34) geteilt, und die äußeren Abschnitte (35) der Stirnfläche (36) sind in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Stanzniets (14) in die Fügeteile (2, 3) oder von der Kraft, die der Nietstempel (25) auf den Stanzniet (14) ausübt, in axialer Richtung (26) gegeneinander verschiebbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Setzen von Stanznieten, insbesondere von Vollnieten oder Halbhohlnieten, mit einem Niederhalter zum Vorspannen der Füge teile, insbesondere von Blechen, einem in einem Zylinder des Niederhalters axial beweglich geführten und mit einer Kraft beaufachlagbaren Nietstempel sowie einer dem Niederhalter gegenüberliegenden Matrize mit einer Erhebung auf einem Ab schnitt ihrer dem Nietstempel zugewandten Stirnfläche.

Das Setzen von Stanznieten ist beispielsweise in der Schrift "Nietsysteme, Verbin dungen mit Zukunft" (vgl. U. Klemens und O. Hahn: Nietsysteme, Verbindungen mit Zukunft, Herausgebergemeinschaft: Interessensgemeinschaft Umformtechnisches Fügen und Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität-GM Pader born.-Sonderausgabe-Holzminden: Hinrichsen, 1994, Seiten 18 bis 20) ausführlich beschrieben. Beim Stanznieten mit Vollniet ist eine vollständige Füllung der Ringnut des Nietes durch das matrizenseitige Blech eine wesentliche Bedingung für hohe übertragbare Kräfte. Mit den bekannten Werkzeugen gelingt diese Füllung der Ringnut des Nietes allerdings nicht immer vollständig. Das liegt daran, dass beim Setzen eines Vollniets in dem matrizenseitigen Blech bereits zu Beginn des Nietvor gangs örtlich unerwünschte Verformungen auftreten können. Die Verformungen tre ten am äußeren Rand der kreisringförmigen Erhebung der Stirnfläche der Matrize auf. Im weiteren Verlauf des Prägevorgangs des Nietprozesses fehlt dann das ver drängte und in die Verformungen hinein geflossene Material zur Füllung der Ringnut des Vollniets. Die Folge ist, dass die so hergestellte Nietverbindung nicht jene Fe stigkeit erreicht, die sie eigentlich haben sollte.

Beim Stanznieten mit Halbhohlnieten ist das Erreichen einer großen Verspreizung des Nietschaftes eine wichtige Kenngröße, die wesentlichen Einfluss auf die durch die Verbindung übertragbaren Kräfte hat. Durch die Stauchung des Halbhohlniets wird ein spaltfreier Formschluss der Fügeteile angestrebt. Die Praxis bei der Ver wendung der bekannten Werkzeuge, und insbesondere beim Vernieten von gegen über der Härte des Halbhohlniets verhältnismäßig harten Blechen, hat aber auch gezeigt, dass der Nietfuß nicht ausreichend gespreizt und sodann stark gestaucht wird. Es wird kein richtiger Hinterschnitt erzielt, der an sich für die Festigkeit der Verbindung ausschlaggebend ist.

Aus diesen Mängeln bei der Verwendung bekannter Werkzeuge zum Setzen von Stanznieten, und insbesondere auch beim Vernieten von gegenüber der Härte der Stanznieten verhältnismäßig harten Blechen, ergibt sich die Aufgabe der vorliegen den Erfindung, die bekannten Werkzeuge so weiter zu bilden, dass sich die vorbe schriebenen Defekte bei der fertigen Nietverbindung nicht einstellen. Zugleich soll die Weiterbildung der bekannten Werkzeuge einfach, unkompliziert und preiswert sein.

Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, die Stirnfläche der Matrize außerhalb der Erhebung in Abschnitte zu teilen und die einzelnen Abschnitte der Stirnfläche in Ab hängigkeit von der Eindringtiefe des jeweiligen Stanzniets in die Fügeteile oder von der Kraft, die der Nietstempel auf den Stanzniet ausübt, in axialer Richtung gegen einander verschiebbar zu machen. Bei der Verwendung eines Vollniets wird auf die se Weise beispielsweise das Entstehen einer unerwünschten örtlichen Verformung in dem matrizenseitigen Blech zu Beginn des Nietvorgangs wirksam verhindert. In dieser Phase liegen die außerhalb der ringförmigen Erhebung der Matrize befindli chen Abschnitte ihrer Stirnfläche fest an dem matrizenseitigen Blech an und verhin dern das Entstehen einer Deformation. Beim weiteren Fortschreiten des Nietvor gangs weichen diese Flächenabschnitte sodann gegenüber der ringförmigen Erhe bung in axialer Richtung zurück. Die ringförmige Erhebung behält ihre ursprüngliche Stellung bei. Somit bleibt das ansonsten durch eine unerwünschte Verformung "verloren gegangene" Material des matrizenseitigen Blechs erhalten und kann, wie vorgesehen, in die Ringnut des Vollniets hinein fließen und diese vollständig aus füllen.

Anders ist es beim Verarbeiten von Halbhohlnieten. Hier springt die buckelförmige Erhebung im Zentrum der Stirnfläche der Matrize zu Beginn des Nietvorgangs ge genüber den umgebenden Flächenabschnitten hervor. Dadurch wird bewirkt dass die unterhalb der Ausnehmung des Halbhohlniets befindlichen Teile des zu fügen den Materials zunächst einmal veranlasst werden, sich in die Ausnehmung des Halbhohlniets hineinzuwölben. Mit dem Fortschreiten des Nietvorgangs weicht so dann die buckelförmige zentrische Erhebung der Matrize in axialer Richtung zurück, so dass eine Nietverbindung entstehen kann, worin alle miteinander beteiligten Kom ponenten in der vorgegebenen Weise verbunden sind. Insbesondere wird ein re gelmäßig ausgebildeter Schließkopf erhalten, bei dem sowohl der Halbhohlniet ohne übermäßige Stauchung seiner Schneidränder ausreichend gespreizt ist und wo die miteinander vernieteten Bleche in gleichmäßiger Dicke in die Ausnehmung des Halbhohlniets hinein geflossen sind.

Ein weitere Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung besteht darin, dass die nach dem Stande der Technik erforderliche besonders hohe Steifigkeit der Fügeein richtung nicht mehr in dem gleichen Maße erforderlich ist. Da die verbesserten Niet werkzeuge ein kontinuierliches Fließen und Fügen der miteinander zu verbindenden Teile bewirken, kann auf eine besonders hohe Steifigkeit der Fügeeinrichtungen weitgehend verzichtet werden, was die Werkzeuge universeller einsetzbar macht.

Im einfachsten Fall wird die Kraft, unter welcher die die Erhebung der Stirnfläche umgebenden Abschnitte der Stirnfläche gegenüber der Erhebung axial verschiebbar sind, in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Stanzniets in die zu fügenden Bleche durch die Kraft einer vorgespannten Feder erzeugt. Dabei handelt es sich um eine passive Steuerung der axialen Bewegung der Flächenabschnitte der Matrize. Eine solche Steuerung wird bevorzugt angewandt, wenn eine einfache und stetig stei gende Kraft-Weg-Kennlinie für den Fügeprozess ein gutes Ergebnis erbringt. Dabei kann mit mechanischen Elementen, wie z. B. Teller-, Schrauben- oder Kunststoffe dern eine einfache Steuerung realisiert werden. Lage und Form der Kennlinie wer den hierbei innerhalb des Werkzeuges durch die Steifigkeit und die Vorspannung der Federn vorgegeben.

Weitaus effizienter allerdings ist es, wenn diese Kraft in Abhängigkeit vom Druck des Nietstempels eingestellt wird. Dabei kann die axiale Verschiebung der Stirnflä che zugleich auch in Abhängigkeit von der Härte der zu vernietenden Werkstoffe eingestellt werden. Im einfachsten Fall wird als Druckmittelquelle ein an sich be kanntes Hydraulikaggregat verwendet, welches ein einstellbares Überdruckventil aufweist.

Im Einzelnen ist das erfindungsgemäße Werkzeug so ausgestaltet, dass zum Setzen eines Vollniets die die ringförmige Erhebung der Stirnfläche der Matrize konzen trisch umgebenden Abschnitte dieser Stirnfläche gegenüber der ringförmigen Erhe bung axial verschiebbar ausgestaltet sind. Im anderen Fall, beim Setzen eines Halbhohlniets, wo eine buckelförmige Erhebung im Zentrum der Stirnfläche der Ma trize angeordnet ist, ist diese Stirnfläche so ausgestaltet, dass jener, die buckelför mige Erhebung aufweisende Flächenabschnitt der Stirnfläche gegenüber den ihn konzentrisch umgebenden äußeren Abschnitten der Stirnfläche der Matrize axial verschiebbar ist.

Mit Hilfe eines Hydraulikaggregats kann man variable Kraft-Weg-Kennlinien von au ßen einstellen, d. h. frei programmieren. Bei programmierbaren Steuerungen bedient man sich zum Einstellen der Kennlinie der an sich bekannten elektro-hydraulischen Servoventile. Die Festigkeit der Nietverbindung, insbesondere die dynamische Fe stigkeit, kann mit einer variablen Kennlinie wesentlich verbessert und bei einigen Anwendungsfällen auch nur auf diese Weise erreicht werden.

Beim Setzen von Vollnieten kann der Schneidprozess im Hinblick auf eine saubere Schnittfläche im Stanzloch und im Hinblick auf den Vorspannungszustand nach dem Nieten positiv beeinflusst werden. Diese wichtigen Parameter sind abhängig vom zunehmenden Verschleiß der Schneidkante der Matrize. Der Verschleiß dieser Schneidkante wird dadurch kompensiert, indem man die axiale Höhe der ringförmi gen Erhebung der Schneidkante der Matrize mit fortschreitendem Verschleiß ver größert. Diese Einstellung kann laufend und von außen vorgenommen werden. Im einfachsten Fall verringert man das Volumen des hydraulischen Druckmittels, wenn der äußere Matrizenteil als Kolben ausgebildet ist.

Beim Setzen von Halbhohlnieten wird der Bewegungsablauf so eingestellt, dass zu Beginn des Nietvorgangs eine große Gegenkraft vorgegeben wird. Damit wird das Aufspreizen des Halbhohlniets am Anfang des Nietvorgangs gefördert. Im weiteren Verlauf wird eine stetig abnehmbare Gegenkraft erzeugt um auf diese Weise eine besonders gute Hinterschneidung zu erhalten.

Nachfolgend wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen jeweils nicht in maßstäblicher und teilweise stark vereinfachter Schnitt darstellung die

Fig. 1 die Wirkungsweise des Werkzeugs beim Setzen eines Vollniets,

Fig. 2 die Ausgestaltung einer Matrize,

Fig. 3 die Wirkungsweise eines bekannten Werkzeugs beim Setzen eines Halbhohlniets und

Fig. 4 die Ausgestaltung einer Matrize zum Setzen eines Halbhohlniets.

Die linke Hälfte der Fig. 1 stellt das Setzen eines Vollniets 1 mit herkömmlichen Werkzeugen dar. Die Bleche 2 und 3 sollen mit Hilfe des Vollniets 1 miteinander verbunden werden. Dazu werden die Bleche 2 und 3 unter dem Druck eines Nieder halters 20 auf der Stirnfläche 21 einer Matrize 4 vorgespannt. Die Stirnfläche 21 weist eine ringförmige Erhebung 5 auf, deren Innendurchmesser 22 so groß ist, dass der Schaft 23 des Vollniets 1 unter Einhaltung eines vorgegebenen Schnittspiels hineinpasst. Der Niederhalter 20 hat einen Zylinder 24, in welchem der Nietstempel 25 in axialer Richtung 26 beweglich geführt ist. Unter der Kraft des Nietstempels 25 wird der Vollniet 1 durch die Bleche 2 und 3 hindurchgestanzt, die sich dabei in der auf der linken Seite der Fig. 1 gezeigten Weise verformen. Hierbei tritt zu Beginn am matrizenseitigen Blech 3 außerhalb der ringförmigen Erhebung 5 örtlich eine Deformation 6 auf. Diese Deformation 6 ist unerwünscht, da das vorzeitig in die De formation hinein fließende Material des matrizenseitigen Bleches 3 später, d. h. bei vollendeter Prägung der Nietung fehlt, um die Ringnut 7 im Schaft 23 des Vollniets 1 vollständig auszufüllen.

Zur Vermeidung des vorstehend geschilderten Fehlers ist die Stirnfläche 21 der Ma trize 27 in Abschnitte 5 und 29 unterteilt. Die ringförmige Erhebung 5 der Fig. 2 bildet den stirnseitigen Abschluss eines Hohlstempels 11, welcher mit dem Matri zengehäuse 28 fest verbunden ist. In dem Matrizengehäuse 28, welches nach Art eines Zylinders ausgebildet ist, ist ein Stempelorgan 9 in axialer Richtung 26 be weglich gelagert. Das Stempelorgan 9 umgibt den Hohlstempel 11 konzentrisch. Die Stirnfläche 29 des Stempelorgans 9 und die ringförmige Erhebung 5 des Hohlstem pels 11 bilden zusammen die geschlossene Stirnfläche 21 der Matrize 27. Bei ge schlossener Stirnfläche 21 befindet sich das Stempelorgan 9 an einem oberen An schlag 10 der Matrize 27. Bei Verschiebung in axialer Richtung 26 des Stempelor gans 9 gegenüber dem Hohlstempel 11 trifft das Stempelorgan 9 auf einen unteren Anschlag 12 auf. Bei dieser axialen Verschiebung des Stempelorgans 9 gegenüber dem Hohlstempel 11 tritt am radial äußeren Rand der ringförmigen Erhebung 5 ein Versatz 8 ein, um den die Stirnfläche 29 des Stempelorgans 9 gegenüber der ring förmigen Erhebung 5 des Hohlstempels 11 zurückspringt. Der Versatz 8 tritt aber erst ein, nachdem die kraft des Nietstempels 25 eine bestimmte Größe erreicht hat. Dazu ist der Ringraum 30, unterhalb des Stempelorgans 9 an eine an sich bekannte Druckmittelquelle 31 angeschlossen, welche auch ein einstellbares Oberdruckventil 32 aufweist. Anstelle der Druckmittelquelle 31 kann auch ein starkes mit unterbro chenen Strichen angedeutetes Federpaket 33 vorgesehen sein, das in dem Rin graum 30 angeordnet ist. Die Federn 33 sind vorgespannt. Jedenfalls wird der Ab schnitt 29 der Stirnfläche 21 der Matrize 27 so lange in einer Ebene mit der Stirnflä che der ringförmigen Erhebung 5 gehalten, bis der Vollniet 1 weit genug in die zu vernietenden Bleche 2 und 3 eingedrungen ist. Die geschlossene Stirnfläche 21 zu Beginn des Nietvorgangs verhindert: dass sich am unteren Blech 3 die Deformation 6 ausbilden kann. Das Zurückweichen des Flächenabschnitts 29 im weiteren Verlauf des Nietvorgangs bewirkt sodann, dass die Ringnut 7 des Vollniets 1 ausreichend gefüllt wird, so wie das auf der rechten Hälfte der Fig. 1 dargestellt ist.

Die Fig. 3 zeigt zunächst das Vernieten zweier Bleche 2 und 3 mit Hilfe eines Halbhohlniets 14 in herkömmlicher Weise. Auf der linken Hälfte der Fig. 3 ist die Schneidphase und auf der rechten Hälfte die Prägephase dargestellt. Die Matrize 27 hat in ihrem Zentrum eine buckelförmige Erhebung 34. Die buckelförmige Erhebung 34 ragt aus einer Einsenkung 35 hervor, welche die geschlossene Stirnfläche 36 der Matrize 27 für den Halbhohlniet 14 aufweist. In Abhängigkeit von der Härte der zu vernietenden Bleche 2 und 3 gegenüber der Härte des Halbhohlniets 14 kann es vorkommen, dass der untere Schneidrand 37 des Halbhohlniets 14 vor der Präge phase nicht ausreichend gespreizt sondern zu einer unerwünschten Verdickung 19 deformiert wird. Das Auftreten einer derartigen Verdickung 19 gilt als fehlerhaft, da sie eine ausreichend feste Fügung der beiden Bleche 2 und 3 verhindert.

Angestrebt wird ein sauberer Hinterschnitt 17 wie er auf der rechten Hälfte der Fig. 4 dargestellt ist. Dazu ist auch in diesem Fall die Matrize 27 geteilt ausgebildet und weist einen feststehenden Außenteil 18 auf: der einen Zylinder darstellt. Innerhalb des Außenteils 18 ist in axialer Richtung 26 ein Kolben 13 beweglich gelagert. Die ser Kolben 13 kann sich innerhalb des Außenteils 18 zwischen einem unteren An schlag 16 und einem oberen Anschlag 15 bewegen. Die Stirnseite des Kolbens 13 weist die bereits beschriebene buckelförmige Erhebung 34 im Zentrum der Matrize 27 auf. Die Stirnseite des Kolbens 13 bildet aber auch zugleich einen Abschnitt der Vertiefung 35, welche dazu dient den Schneidrand 37 des Halbhohlniets 14 zu spreizen. Sofern er nicht unter der Vorspannung eines Federpakets 33 steht, wird der Kolben 13 auf seiner Unterseite von einem Druckmittel beaufschlagt, das aus der Druckmittelquelle 31 stammt, welche auch wiederum ein einstellbares Über druckventil 32 aufweist. Eine Ringnut 38 gewährleistet den Zufluss des Druckmittels auf der Unterseite des Kolbens 13 und eine Entlüftungsbohrung 39 sorgt dafür, dass der Kolben 13 auch ungehindert bis zum oberen Anschlag 15 bewegt werden kann. Auch die in der Fig. 2 dargestellte Matrize 27 weist eine solche Entlüftungsbohrung 39 auf.

Unter der Wirkung des mit unterbrochenen Strichen angedeuteten Federpakets 33 - wobei vorausgesetzt wird, dass die Federn 33 vorgespannt sind - oder des von der Druckmittelquelle 31 gelieferten Druckmittels ist der Kolben 13 zu Beginn des Niet vorgangs in axialer Richtung 26 ausgefahren, wodurch die ansonsten geschlossene Stirnfläche 36 der Matrize 27 einen Versatz 8 erhält. Die am Kolben 13 wirksame Kraft bewirkt, dass zu Beginn des Nietvorgangs die beiden Bleche 2 und 3 in die Ausnehmung 40 des Halbhohlniets 14 hineingewölbt werden, wie man das auf der linken Seite der Fig. 4 sehen kann. Mit dem Fortschritt des Nietvorgangs weicht der Kolben 13 sodann in axialer Richtung 26 zurück und es entsteht ein idealer Schließ kopf 41, der auf der rechten Hälfte der Fig. 4 dargestellt ist.

Ziffernverzeichnis

1

Vollniet

2

Blech

3

Blech

4

Matrize

5

ringförmige Erhebung

6

örtliche Deformation

7

Ringnut

8

Versatz

9

Stempelorgan

10

oberer Anschlag

11

Hohlstempel

12

unterer Anschlag

13

Kolben

14

Halbhohlniet

15

oberer Anschlag

16

unterer Anschlag

17

Hinterschnitt

18

Außenteil

19

Verdickung

20

Niederhalter

21

Stirnfläche

22

Innendurchmesser

23

Schaft

24

Zylinder

25

Nietstempel

26

axiale Richtung

27

Matrize

28

Matrizengehäuse

29

Stirnfläche

30

Ringraum

31

Druckmittelquelle

32

Überdruckventil

33

Federpaket

34

buckelförmige Erhebung

35

Einsenkung

36

Stirnfläche

37

unterer Schneidrand

38

Ringnut

39

Entlüftungsbohrung

40

Ausnehmung

41

Schließkopf

Claims

1. Werkzeug zum Setzen von Stanznieten, insbesondere von Vollnieten oder Halbhohlnieten, mit einem Niederhalter zum Vorspannen der Fügeteile, ins besondere von Blechen, einem in einem Zylinder des Niederhalters axial beweglich geführten und mit einer kraft beaufschlagbaren Nietstempel sowie einer dem Niederhalter gegenüberliegenden Matrize mit einer Erhebung auf einem Abschnitt ihrer dem Nietstempel zugewandten Stirnfläche, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Stirnfläche (21, 36) der Matrize (27) radial außerhalb der Erhebung (5, 34) in Abschnitte (5, 29, 34, 35) geteilt ist und die
- einzelnen Abschnitte (5, 29, 34, 35) der Stirnfläche (21, 36) in Abhängig keit von der Eindringtiefe des Stanzniets (1, 14) in die Fügeteile (2, 3) oder von der Kraft, die der Nietstempel (25) auf den Stanzniet (1, 14) ausübt, in axialer Richtung (26) gegeneinander verschiebbar sind.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axial ver schiebbaren Abschnitte (29, 34) der Stirnfläche (21, 36) der Matrize (27) durch die kraft von Federn (33) beaufschlagbar sind.

3. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axial ver schiebbaren Abschnitte (29, 34) der Stirnfläche (21, 36) der Matrize (27) durch die kraft eines Druckmittels beaufschlagbar sind, das von einer Druckmittelquelle (31) erzeugt wird.

4. Werkzeug nach Anspruch 1 zum Setzen eines Vollniets mit einer ringförmi gen Erhebung der Stirnfläche der Matrize, dadurch gekennzeichnet, dass die die ringförmige Erhebung (5) konzentrisch umgebenden Abschnitte (29) der Stirnfläche (21) als Teile eines Stempelorgans (9) ausgebildet und ge genüber der ringförmigen Erhebung (5) in axialer Richtung (26) verschiebbar sind.

5. Werkzeug nach Anspruch 1 zum Setzen eines Halbhohlniets mit einer buckelförmigen Erhebung im Zentrum der Stirnfläche der Matrize, dadurch ge kennzeichnet, dass der die buckelförmige Erhebung (34) aufweisende Flä chenabschnitt als Teil eines Kolbens (13) ausgebildet und gegenüber den ihn konzentrisch umgebenden übrigen Abschnitten (35) der Stirnfläche (36) der Matrize (27) in axialer Richtung (26) verschiebbar ist.