DE19905528A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Werkstoffen durch Stanznieten - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Werkstoffen durch StanznietenInfo
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Abstract
Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznieten, bei denen ein Stanzniet mittels einer Setzeinheit in die flächig aufeinanderliegenden, von einem Gegenhalter abgestützten Werkstücke getrieben wird. Gemäß einer Lösung wird als Gegenhalter nicht eine Matrize mit einer Gravur (Ausnehmung), sondern ein Amboss mit einer ebenen Gegenfläche verwendet, an der das untere Werkstück in einem Bereich fluchtend zur Wirkungslinie der Setzeinheit so abgestützt wird, daß die Unterseite des unteren Werkstückes beim Nietvorgang eben bleibt. Gemäß einer anderen Lösung wird als unteres Werkstück ein massives Werkstück verwendet, dessen Dicke gegenüber der Dicke des oberen plattenförmig ausgebildeten Werkstückes so groß ist, daß die Unterseite des unteren Werkstückes beim Nietvorgang unverformt bleibt. Die Erfindung erlaubt es somit, den Stanzniet - ähnlich wie einen Nagel - in die Werkstücke einzutreiben, ohne daß an der Unterseite des unteren Werkstückes ein vorstehender Schließkopf entsteht.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznieten sowie einen hierbei
verwendbaren Stanzniet.
Beim herkömmlichen Stanznieten wird ein Stanzniet mittels einer Setzeinheit
in die flächig aufeinanderliegenden, plattenförmigen Werkstücke so getrieben, daß
der Stanzniet das obere Werkstück durchstanzt und in das untere Werkstück ein
dringt, ohne es zu durchstanzen. Hierbei werden die aufeinanderliegenden platten
förmigen Werkstücke von einer Matrize mit einer Gravur (Ausnehmung) abgestützt.
Der Stanzniet weitet sich während des Nietvorganges auf und verformt hierbei den
Werkstoff der Werkstücke so, daß der plastisch verformte Werkstoff der Werk
stücke in die Gravur der Matrize verdrängt wird und hierbei einen sogenannten
Schließkopf bildet, durch den der Niet und die Werkstücke formschlüssig miteinan
der verbunden werden.
Da der metallische Werkstoff der Werkstücke - ähnlich wie Flüssigkeiten -
praktisch inkompressibel ist, bleibt das Volumen des Werkstoffes während des Um
formvorgangs konstant. Aus diesem Grund ist die Matrize, wie bereits erwähnt, mit
einer Vertiefung versehen, in die der umgeformte Werkstoff verdrängt wird. Die
Nietverbindung ist daher lediglich an der Oberseite des oberen Werkstückes eben
ausgebildet, während von der Unterseite der Schließkopf vorsteht.
Für bestimmte Anwendungszwecke ist der nach unten vorstehende Schließ
kopf hinderlich. So ist es zum Beispiel im Kraftfahrzeugbau manchmal erforderlich,
auf die miteinander verbundenen Werkstücke Dichtungen aufzuschieben, was dann
wegen des von der Unterseite vorstehenden Schließkopfes kaum möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich
tung zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznieten zu schaffen,
bei denen der Stanznietvorgang keine störenden Vorsprünge an der Unterseite der
Nietverbindung verursacht.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 2 und 7, 8 definierte Er
findung gelöst.
Gemäß einer Lösung der Erfindung wird zum Abstützen der plattenförmig
ausgebildeten Werkstücke nicht eine Matrize mit Gravur, sondern ein Amboß mit
einer ebenen Gegenfläche als Gegenhalter verwendet. Überraschenderweise hat sich
gezeigt, daß sich mit dieser Maßnahme eine Stanznietverbindung herstellen läßt, bei
der nicht nur die Oberseite, sondern auch die Unterseite der Stanznietverbindung
eben bleibt, vorausgesetzt, daß das untere plattenförmige Werkstück eine ausrei
chende Dicke hat und die Einpreßkraft groß genug zum Einpressen des Stanzniets
ist.
Es ist zweifellos überraschend, daß trotz der Volumenkonstanz des metalli
schen Werkstoffes während des Umformvorganges die Unterseite des unteren
Werkstückes beim Nietvorgang eben bleibt. Es ist anzunehmen, daß der vom
Stanzniet verdrängte Werkstoff der Werkstücke in die Seitenbereiche der Werk
stücke ausweicht. Versuche haben jedenfalls gezeigt, daß sich aufgrund der Erfin
dung Stanznietverbindungen mit ebener Ober- und Unterseite herstellen lassen, die
überdies noch folgende Vorteile haben:
- 1. Da bei dem erfindungsgemäßen Stanznieten der Stanzniet stärker als beim herkömmlichen Stanznieten gestaucht und gespreizt wird, hat das den Niet um schließende Material der Werkstücke eine größere verbleibende Wandstärke als beim herkömmlichen Stanznieten. Insbesondere wird dadurch die Gefahr, daß der Stanzniet beim Nietvorgang auch das untere Werkstück durchstanzt, erheblich ver ringert.
- 2. Da keine Matrizengravur vorhanden ist, kann es zu keine Exzentrizität zwischen Niet und Matrizengravur und somit auch nicht zu einer asymmetrischen Ausbildung der Nietverbindung kommen. Hierdurch wird ebenfalls die Gefahr, daß der Stanzniet das Material des unteren Werkstückes durchstanzt oder, daß es zumin dest zu ungleichen Wandstärken des den Stanzniet umschließenden Materials kommt, entsprechend verringert.
- 3. Da das Material des Stanzniets und der Werkstücke beim Nietvorgang nicht in eine Matrizengravur ausweichen kann, kommt es zu einer stärkeren Aufspreizung des Niets und zu höheren Druckspannungen im Material der Werk stücke. Dies führt zu einer höheren Festigkeit und insbesondere einer höheren Dauerfestigkeit der Nietverbindung.
- 4. Aufgrund der höheren Umformkräfte und stärkeren Verformung des Niets ist die Gefahr, daß es zu Lufteinschlüssen zwischen dem Kopf des Stanzniets und dem umgebenden Material des oberen Werkstückes - im Bereich des Radius des Nietkopfes - kommt, wesentlich geringer als beim herkömmlichen Stanznieten. Hierdurch wird der Eintritt eines korrosiven Mediums in die Grenzfläche zwischen Niet und Werkstücken verhindert, wodurch die Korrosionsgefahr herabgesetzt wird.
Gemäß einer anderen Lösung der Erfindung, bei der das obere Werkstück
plattenförmig ausgebildet ist, wird als unteres Werkstück ein massives Werkstück
verwendet, dessen Dicke gegenüber der Dicke des oberen plattenförmigen Werk
stückes so groß ist, daß die Unterseite unverformt bleibt.
Bei dieser Lösung wird der Stanzniet - ähnlich wie beim Nageln - durch das
obere Werkstück hindurch in das untere Werkstück eingetrieben. Da das untere
Werkstück massiv - also "unendlich" dick - ausgebildet ist, kommt es an der Un
terseite des unteren, vom Gegenhalter abgestützten Werkstücks, zu keiner Verfor
mung. Die Unterseite des Werkstückes und somit der Gegenhalter können hierbei
eine beliebige Form haben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteran
sprüchen hervor.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zum
Stanznieten vor dem Nietvorgang;
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht nach dem Nietvorgang;
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht eines anderen Ausfüh
rungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 4, 5 Schnittansichten zweier Ausführungsformen eines Stanzniets.
Die in den Fig. 1 und 2 schematisch angedeutete Stanznietvorrichtung dient
zum Verbinden zweier plattenförmiger Werkstücke 2, 4 mittels eines Stanzniets 6.
Bei den plattenförmigen Werkstücken 2, 4 handelt es sich um Bleche, die aus einem
kalt umformbaren Werkstoff wie z. B. Stahl, Aluminium, Magnesium oder einem
anderen duktilen metallischen Werkstoff bestehen. Das obere Werkstück 2 kann
auch aus einem Kunststoff wie z. B. kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK)
bestehen. Im übrigen können die beiden Werkstücke 2, 4 aus dem gleichen Werk
stoff oder aber auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. So ist beispiels
weise eine Kombination von Kunststoff und Stahl oder Aluminium oder eine Kom
bination von Magnesium und Aluminium oder Stahl möglich. Bestehen die Werk
stücke 2, 4 aus unterschiedlichen. Werkstoffen, so besteht das untere Werkstück 4
zweckmäßigerweise aus dem weicheren Material wie z. B. Kunststoff oder Leicht
metall.
Der Stanzniet 6 ist ein herkömmlicher Halbhohlniet mit einem Kopf 15 und
einem zylindrischen Schaft 16, der in einer Schneidkante 18 ausläuft (siehe auch
Fig. 4).
Die Stanznietvorrichtung selbst besteht aus einer Setzeinheit 8, von der le
diglich ein Stempel angedeutet ist, und einem Gegenhalter 10. Der Gegenhalter 10
ist, wie bereits eingangs erläutert, mit einer ebenen Gegenfläche 12 versehen, also
ohne Gravur (Vertiefung) ausgebildet.
Wird der Niet 6 vom Stempel der Setzeinheit 8 nach unten getrieben, so
durchstanzt er das obere Werkstück 2 und dringt in das untere Werkstück 4 ein,
ohne es zu durchstanzen. Aufgrund der ebenen Gegenfläche 12 des Gegenhalters
10, die die Werkstücke 2, 4 in einem Bereich fluchtend zur Wirkungslinie A der
Setzeinheit 8 abstützt, kann weder das Material des Stanzniets 6 noch das der Werk
stücke 2, 4 nach unten ausweichen, so daß der Stanzniet 6 entsprechend stark ge
spreizt und das umgebende Material der Werkstücke 2, 4 m seitlicher Richtung ver
formt wird. Die Folge ist eine Nietverbindung, die nicht nur an der Oberseite, son
dern auch an der Unterseite eben ausgebildet ist.
Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, hat das untere Werkstück 4 eine größere
Dicke als das obere Werkstück 2. Die Dicke des unteren Werkstücks 4 wie auch die
von der Setzeinheit 8 aufgebrachte Einpreßkraft müssen so bemessen werden, daß
es zu der in Fig. 2 dargestellten Form der Nietverbindung kommt.
Hierbei ist unter Umständen eine größere Einpreßkraft erforderlich als beim
herkömmlichen Nieten, bei dem das verformte Material der Werkstücke in die Gra
vur der Matrize ausweichen kann. Zur Verringerung der maximal aufzubringenden
Einpreßkraft kann daher die Setzeinheit so ausgebildet werden, daß sie einen pulsie
renden Antrieb aufweist. Die Einpreßkraft wird daher nicht in einem einstufigen
Vorgang, sondern in mehreren aufeinanderfolgenden Stößen bzw. Impulsen aufge
bracht.
Wie schematisch dargestellt, ist ein Niederhalter 14 vorgesehen, der in her
kömmlicher Weise die Werkstücke 2, 4 um die Nietstelle herum gegen die Gegen
fläche 12 des Gegenhalters 10 andrückt. Der Niederhalter 14 kann von einer fest
vorgegebenen Kraft (Feder) oder einer steuerbaren Kraft (Hydraulik- oder Pneuma
tikzylinder) beaufschlagt sein.
Der Stanzniet 6 kann auch eine von der in den Fig. 1, 2 und 4 dargestellten
Form abweichende Form haben; beispielsweise kann er einen konisch verlaufenden
Schaft 16' (Fig. 5) haben, wobei der Konuswinkel je nach Anwendungszweck un
terschiedlich gewählt werden kann.
Die in Fig. 2 dargestellte Stanznietverbindung hat die eingangs angegebenen
Vorteile, d. h., eine relativ große Restwandstärke des den Nietfuß umgebenden Ma
terials der Werkstücke 2, 4, exakte Rotationssymmetrie (wegen des Fehlens einer
nichtfluchtenden Matrizengravur), hohe Festigkeit aufgrund hoher Druckspannun
gen, die durch das große Aufspreizverhältnis bedingt sind, sowie einen spaltfreien
Formschluß zwischen Stanzniet 6 und dem umgebenden Material der Werkstücke 2,
4, insbesondere auch im Bereich des Radius des Schließkopfes 15 des Stanzniets.
Es versteht sich, daß sich in der beschriebenen Weise nicht nur zwei platten
förmige Werkstücke, sondern auch mehr als zwei plattenförmige Werkstücke fügen
lassen.
Die Ausführungsform der Fig. 3 entspricht grundsätzlich der der Fig. 1, 2 und
unterscheidet sich im wesentlichen von dieser nur dadurch, daß statt eines platten
förmigen unteren Werkstücks 4 ein massives Werkstück 4' vorgesehen ist, dessen
Dicke so groß ist, daß eine Verformung der Unterseite des Werkstückes 4' bereits
aufgrund der Masse des Werkstücks verhindert wird. Bei dieser Ausführungsform
kommt es also, wie in Fig. 3 dargestellt, aufgrund der großen Dicke des unteren
Werkstücks 4' zu keiner Verformung an der Unterseite des Werkstücks 4', wobei in
diesem Fall die Unterseite des Werkstücks 4' wie auch die Gegenfläche 12 des Ge
genhalters 10 nicht unbedingt eben zu sein brauchen, sondern beispielsweise auch
eine gekrümmte oder unregelmäßige Form haben könnten. In diesem Fall dringt
also der Stanzniet 6 ähnlich wie ein Nagel durch das obere Werkstück 2 hindurch in
das untere Werkstück 4' ein, wobei es allerdings aufgrund der Aufspreizung des
Stanzniets 6 und der dadurch bedingten Verformung des Werkstoffes der Werk
stücke 2 und 4' zu einer formschlüssigen Verbindung kommt.
Claims (11)
1. Verfahren zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznie
ten, bei dem ein Stanzniet mittels einer Setzeinheit in die flächig aufeinanderliegen
den, an einem Gegenhalter abgestützten, plattenförmig ausgebildeten Werkstücke
getrieben wird, wobei der Stanzniet das obere Werkstück durchstanzt und in das
untere Werkstück eindringt, ohne es zu durchstanzen, um durch Aufweitung des
Stanzniets und plastische Umformung des Materials der Werkstücke eine Form
schlußverbindung zwischen diesen zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß als Ge
genhalter ein Amboß mit einer ebenen Gegenfläche verwendet wird, an der das un
tere Werkstück in einem Bereich fluchtend zur Wirkungslinie der Setzeinheit so
abgestützt wird, daß die Unterseite des unteren Werkstückes beim Nietvorgang eben
bleibt.
2. Verfahren zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanznie
ten, bei dem ein Stanzniet mittels einer Setzeinheit in die flächig aufeinanderliegen
den, von einem Gegenhalter abgestützten Werkstücke abgestützt wird, wobei der
Stanzniet das plattenförmig ausgebildete obere Werkstück durchstanzt und in das
untere Werkstück eindringt, ohne es zu durchstanzen, um durch Aufweitung des
Stanzniets und durch plastische Umformung des Materials der Werkstücke eine
Formschlußverbindung zwischen diesen zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß als
unteres Werkstück ein massives Werkstück verwendet wird, dessen Dicke gegen
über der Dicke des oberen plattenförmigen Werkstückes so groß ist, daß die Unter
seite des unteren Werkstückes beim Nietvorgang unverformt bleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenför
mige untere Werkstück eine größere Dicke als das plattenförmige obere Werkstück
hat.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen dem oberen und unteren Werkstück ein weiteres platten
förmiges Werkstück oder mehrere weitere plattenförmige Werkstücke vorgesehen
sind, die von dem Stanzniet durchstanzt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Werkstücke aus einem Metall, insbesondere Stahl, Aluminium,
Magnesium, oder einem Kunststoff bestehen, wobei die Werkstücke aus demselben
Material oder verschiedenen Materialien bestehen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Setzeinheit eine pulsierende Kraft zum Eintreiben des Stanzniets
erzeugt.
7. Vorrichtung zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanz
nieten, mit
einem Gegenhalter (10) mit einer Gegenfläche (12), an der die flächig auf einanderliegenden plattenförmig ausgebildeten Werkstücke (2, 4) abgestützt wer den, und
einer Setzeinheit (8), die bei Betätigung einen Stanzniet (6) in die Werk stücke (2, 4) so eintreibt, daß der Stanzniet (6) das obere Werkstück (2) durchstanzt und in das untere Werkstück (4) eindringt, ohne es zu durchstanzen,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gegenhalter (10) als Amboß mit ebener Gegenfläche (12) ausgebildet ist, an der das untere Werkstück (4) in einem Bereich fluchtend zur Wirkungslinie der Setzeinheit (8) so abgestützt wird, daß die Unterseite des unteren Werkstückes (4) beim Nietvorgang eben bleibt.
einem Gegenhalter (10) mit einer Gegenfläche (12), an der die flächig auf einanderliegenden plattenförmig ausgebildeten Werkstücke (2, 4) abgestützt wer den, und
einer Setzeinheit (8), die bei Betätigung einen Stanzniet (6) in die Werk stücke (2, 4) so eintreibt, daß der Stanzniet (6) das obere Werkstück (2) durchstanzt und in das untere Werkstück (4) eindringt, ohne es zu durchstanzen,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gegenhalter (10) als Amboß mit ebener Gegenfläche (12) ausgebildet ist, an der das untere Werkstück (4) in einem Bereich fluchtend zur Wirkungslinie der Setzeinheit (8) so abgestützt wird, daß die Unterseite des unteren Werkstückes (4) beim Nietvorgang eben bleibt.
8. Vorrichtung zum Verbinden mindestens zweier Werkstücke durch Stanz
nieten, mit
einem Gegenhalter (10) mit einer Gegenfläche (12), an der die flächig auf einanderliegenden Werkstücke (2, 4) abgestützt werden und
einer Setzeinheit (8), die bei Betätigung einen Stanzniet (6) in die Werk stücke (2, 4) so eintreibt, daß der Stanzniet (6) das plattenförmig ausgebildete obere Werkstück (2) durchstanzt und in das untere Werkstück (4') eindringt, ohne es zu durchstanzen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Setzeinheit (8) und der Gegenhalter (10) so ausgebildet sind, daß als unteres Werkstück (4') ein massives Werkstück einsetzbar ist, dessen Dicke gegen über der Dicke des oberen plattenförmigen Werkstücks (2) so groß ist, daß die Un terseite des unteren Werkstückes (4') beim Nietvorgang unverformt bleibt.
einem Gegenhalter (10) mit einer Gegenfläche (12), an der die flächig auf einanderliegenden Werkstücke (2, 4) abgestützt werden und
einer Setzeinheit (8), die bei Betätigung einen Stanzniet (6) in die Werk stücke (2, 4) so eintreibt, daß der Stanzniet (6) das plattenförmig ausgebildete obere Werkstück (2) durchstanzt und in das untere Werkstück (4') eindringt, ohne es zu durchstanzen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Setzeinheit (8) und der Gegenhalter (10) so ausgebildet sind, daß als unteres Werkstück (4') ein massives Werkstück einsetzbar ist, dessen Dicke gegen über der Dicke des oberen plattenförmigen Werkstücks (2) so groß ist, daß die Un terseite des unteren Werkstückes (4') beim Nietvorgang unverformt bleibt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen Nieder
halter (14), der die Werkstücke (2, 4) während des Nietvorgangs in einem den
Stanzniet (6) umgebenden Bereich mit einer fest vorgegebenen oder steuerbaren
Kraft gegen den Gegenhalter (10) andrückt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Setzeinheit (8) einen pulsierend arbeitenden Antrieb aufweist.
11. Stanzniet (6) für das Verfahren oder die Vorrichtung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Halbhohlniet ausgebil
det ist, dessen Schaft (16, 16') im unverformten Zustand zylindrisch oder konisch
verläuft.
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