DE19912460A1

DE19912460A1 - Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken mit Nietelementen

Info

Publication number: DE19912460A1
Application number: DE19912460A
Authority: DE
Inventors: Michael Busch; Ralf Schaeuble
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2019-03-20
Also published as: WO2000056479A1; DE19912460C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken mit Nietelementen und ist dadurch gekennzeichnet, dass beim Einpressen des Niets der Pressbewegung eine Drehbewegung um seine Längsachse überlagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken mit Niete lementen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Technisches Anwendungsgebiet

Ein technisches Anwendungsgebiet ist das Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken fester Form mit Nietelementen ohne Vorlochen. Im Gegensatz zum konventionellen Stanznieten ist mit dem neuen Verfahren ein schnelles, automatisierbares Verbinden von artverschiedenen Werk stoffen, die nicht notwendig duktiles Verformungsverhalten aufweisen müssen, möglich.

Typische Anwendungen sind: Verbinden von Faserverbund-Blechen beim Fahrzeug-Rohbau, bei Transportbehältern, im Flugzeugbau; Mischverbindungen aus verschiedenen Materialien u. a.

Stand der Technik, Nachteile des Standes der Technik

Das Stanznieten ist ein verbreitetes Verfahren für das zweiseitige Verbinden mit Nietelementen ohne Vorlochen. Die zu verbindenden Teile werden von zwei Seiten mit Nietelementen verbun den. Ein Vorlochen ist beim Stanznieten nicht erforderlich, da das Vorlochen beim konventionel len Stanznieten durch einen Niet-Schneiden-Vorgang ersetzt wird. Das Stanznieten ist sowohl mit Voll- als auch mit Halbhohlniet möglich.

Beim Stanznieten mit einem Halbhohlniet (s. Prinzipskizze in Abb. 1a) wird der Niet durch die obere Blechlage gedrückt und verformt die untere Blechlage plastisch zu einem Schließkopf. Da bei verspreitzt sich der Niet (s. Prinzipskizze in Abb. 1b). Die Fügestelle liegt während des Niet vorganges auf einer Matrize auf, der Niet wird mittels eines Stempels in die zu fügenden Teile gepreßt. Beim Stanznieten wird der Werkstoff plastisch umgeformt, wobei das stempelseitige Material nicht notwendig plastisch verformbar sein muß.

Sollen spröde Materialien wie beispielsweise faserverstärkte Laminate mit duroplastischer Matrix (Harzmatrix) mittels Stanznieten gefügt werden, kommt es beim Einpressen des Nietes (betrifft sowohl Vollniet als auch Halbhohlniet) zu einer Schädigung im Bereich des Nietes, die dazu führt, daß keine hinreichende Verbindung zwischen den zu fügenden Teilen erreicht wird. Im Falle fa serverstärkter Laminate mit spröder Harzmatrix kommt es z. B. zu einem Zerbröseln des Harzes im Bereich des Nietes, das letztlich in einem unzureichenden Fügeergebnis resultiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Stanznieten zu schaffen, das auch für spröde Materialien geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das nachfolgend vorgestellte Verfahren nach An spruch 1 gelöst. Vorlochoperationen sind bei dem Verfahren dennoch nicht erforderlich, das Fü gen ist schnell und mit automatischer Verarbeitung möglich. Mit dem neuen Verfahren lassen sich beispielsweise faserverstärkte Laminate mit spröder Harzmatrix in einem Arbeitsschritt me chanisch miteinander verbinden.

Erzeugte Verbesserungen und Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Eine Verbesserung gegenüber dem bisherigen Verfahren wird dadurch erreicht, daß dem Niet gleichzeitig zur Einpreß-Bewegung in das Material eine Drehbewegung um seine Längsachse überlagert wird (s. Prinzipskizze in Abb. 2), so daß beim Fügen ein Niet-Bohr-Vorgang stattfindet. Durch diese Kombination aus gleichzeitigem Stanzen und Bohren in einem Arbeitsschritt kann ein schädigungsarmes Eindringen des Nietes ohne aufwendige Vorlochoperationen erreicht wer den. Voraussetzung hierfür sind Niete mit geeigneten Geometrie-, Werkstoff- und Oberflä cheneigenschaften. Der Werkstoff muß z. B. genügend Duktilität für die Umbördelungsvorgänge bzw. das Aufspreizen aufweisen, und andererseits genügend Härte um beim Schneiden des Nietloches das zu verbindende Material abzutragen. Die erforderliche Härte kann durch eine ent sprechende Härtung der Oberfläche oder eine geeignete Oberflächenbeschichtung der Nietspitze erreicht werden. Aufgrund des Niet-Bohr-Vorganges und der damit einhergehenden geringeren Preßkräfte als beim konventionellen Stanznieten mit reinem Bohr-Schneiden-Vorgang ist neben dem zweiseitigen auch ein einseitiges Verbinden ohne Matrize in einem Arbeitsgang möglich, so daß dadurch auch Anwendungen, bei denen nur eine einseitige Zugänglichkeit gewährleistet ist und die bisher dem Stanznieten vorbehalten waren, erschlossen werden können.

Grundzüge des Lösungsweges/Beschreibung der Erfindung

Beim konventionellen Stanznieten wird der Niet durch einen Niet-Schneiden-Vorgang in das Ma terial eingepreßt (Prinzip s. Abb. 1), das dabei plastisch verformt wird. Grundlegender Bestandteil der hier beschriebenen Erfindung zum schädigungsarmen Stanznieten mit Halbhohlniet ist das Ersetzen des Niet-Schneiden-Vorganges durch einen Niet-Bohr-Vorgang (Prinzip s. Abb. 2). Die erforderliche Drehbewegung des Nietes um seine Längsachse bei gleichzeitigem Vorschub in Richtung der Längsachse (s. Abb. 2) wird durch eine geeignete Bohrmaschine erreicht, die in der Lage ist die Dreh- und Vorschubbewegung bei entsprechend hohen Vorschubkräften zu leisten. Daher sollte der Niet während der Drehbewegung fixiert sein. Die Eignung des Nietes für den Bohrvorgang muß durch seine Geometrie-, Werkstoff- und Oberflächeneigenschaften eingestellt werden.

Bei dem Niet-Bohr-Vorgang wird das Material an dem Ort, der nach dem Nieten vom Halbhohl niet eingenommen wird, schädigungsarm abgetragen, so daß in Abhängigkeit von den Eigen schaften des Nietes und den gewählten Verfahrensparametern (dazu zählen insbesondere die Drehzahl (z. B. < 3-4000 Umdrehungen/Minute) und der Anpreßdruck) ein spaltfreier und kraft schlüssiger Formschluß erreicht werden kann.

Der Bohr-Niet-Vorgang kann zum zweiseitigen Verbinden mit einer Matrize auf der Unterseite sowohl mit vollständig durchgehendem Niet als auch mit nicht durchgehendem Niet verwendet werden. Der Kraftschluß kann dadurch verbessert werden, daß das aus den Blechlagen ausge bohrte Material den hohlen Nietschaft ausfüllt. Hierzu muß der Niet im Falle des durchgehendes Nietes auf der Unterseite geeignet umgeformt werden, um den Einschluß des Materials im Niet schaft zu gewährleisten. Eine solche Umformung kann durch eine geeignete Matrizenform er reicht werden. Eine Spreizung des Nietes ist bei dieser Variante für eine gute Fügeverbindung keine notwendige Voraussetzung.

Im Falle des nicht durchgehenden Nietes ist die Spreizung des Nietes für eine feste Nietverbin dung erforderlich. Eine solche Spreizung kann durch eine geeignete Nietform und einen auf die Nietform und die zu fügenden Materialien abgestimmten Niet-Bohr-Vorgang erreicht werden. Eine andere Möglichkeit den nicht durchgehenden Niet im Material zu fixieren, besteht darin, daß die Oberfläche mit Widerhaken-ähnlichen Oberflächenstrukturen versehen ist, die zu einer festen Verankerung des Niets im Material führen.

Da der Vorschub des Nietes bei diesem Verfahren durch den abrasiven Materialabtrag beim Bohrvorgang beeinflußt wird, sind prinzipiell geringere Preßkräfte erforderlich als beim konven tionellen Stanznieten, so daß neben dem zweiseitigen auch ein einseitiges Verbinden ohne Ma trize in Betracht kommt.

Ausführungsbeispiele

Nachfolgend sind einige Ausführungsbeispiele für das Verfahren gegeben:
Beispiel 1: Das Verfahren kann mit Stempel und Matrize auf der Gegenseite ausgeführt werden. Der Niet kann durch die zu fügenden Teile durchgehen und auf der unteren Seite durch die Ma trize so verformt werden, daß das ausgebohrte Material eingeschlossen wird (s. Abb. 3). In die sem Fall muß der Niet für eine feste Verbindung nicht notwendig aufspreizen.
Beispiel 2: Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren kann auch in der Weise betrieben werden, daß der Niet nicht vollständig durch das untere Fügeteil durchgeht (s. Abb. 4). Durch das Aufspreizen des Nietes, das durch eine geeignete Nietform und einen entsprechend gewählten Verfahrensablauf erreicht werden kann, läßt sich eine hohe Festigkeit der Verbindung erreichen.
Beispiel 3: Da das Niet-Bohr-Verfahren in geringeren Preßkräften resultiert, kann abhängig von den zu fügenden Materialien und weiteren genauen Umständen ggf. auf die Matrize verzichtet werden, so daß ein einseitiges Verbinden mit nicht durchgehendem Niet s. Abb. 5) möglich ist. Diese Variante kann zum Beispiel für das Stanznieten sehr dicker Laminate interessant sein.

Für mögliche Niet-Geometrien sind nachfolgend zwei Beispiele angegeben.
Beispiel 4: Für den Niet-Bohr-Vorgang muß der Niet im Hinblick auf die Geometrie, die Werk stoff- und die Oberflächeneigenschaften bestimmte Anforderungen erfüllen. Hinsichtlich der Geometrie kann zum Beispiel ein Halbhohlniet mit glattem Rand verwendet werden (s. Abb. 6).
Beispiel 5: Sowohl im Hinblick auf den Bohrvorgang als auch auf das Umformen des Nietes im Falle des zweiseitigen Verbindens mit durchgehendem Niet (s. Beispiel 1 und Abb. 3) kann es vorteilhaft sein, einen Halbhohlniet mit gezahntem Rand (s. Abb. 7) einzusetzen.

Abbildungsunterschriften

1. Konventionelles Stanznieten mit Halbhohlniet durch Niet-Schneiden-Vorgang
2. Querschnitt durch die Verbindung nach dem Nieten
3. Neues Verfahren, Stanznieten mit Halbhohlniet durch Niet-Bohr-Vorgang
4. Zweiseitiges Verbinden mit durchgehendem Niet
5. Zweiseitiges Verbinden mit nicht durchgehendem Niet
6. Einseitiges Verbinden mit nicht durchgehendem Niet
7. Halbhohlniet mit glattem Rand
8. Halbhohlniet mit gezahntem Rand

Claims

1. Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken mit Nietelementen, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einpressen des Niets der Pressbewegung eine Drehbewegung um seine Längsachse überlagert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet oberflächenbeschichtet oder wenigstens an der Spitze gehärtet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet hohl ausgebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet an der Spitze mit einer Schneidkante ausgebildet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet wenigstens am zu haltenden Ende fixierbar ausgebildet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet am Ende mit einem Schlitz, Kreuzschlitz oder kantig oder gezahnt ausgebildet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet längsseitig Oberflächenverformungen zur Verbesserung des Presssitzes aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet spreizbar ausgebildet ist.