DE19940803A1 - Stanznietverbindung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stanznietverbindung, bestehend aus einem selbststanzenden Niet (4), dessen Schaft (5) eines der zu verbindenden Bauteile (2) durchstanzt und, ohne es zu durchdringen, in ein weiteres Bauteil (3) eindringt, sich dabei deformiert und an der freien Oberfläche des weiteren Bauteiles (3) eine Auswölbung (6) entstehen läßt. Diese ist nach der Erfindung im wesentlichen kugelabschnittförmig ausgebildet. Vorteilhaft kann im Übergangsbereich zwischen der Auswölbung (6) und dem nicht verformten Flächenbereich des weiteren Bauteiles (3) eine gegengerichtete Krümmung vorgesehen sein.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stanznietverbindung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Stanznietverbindungen der genannten Art sind im Stand der Technik hin­ länglich bekannt. In diesem Zusammenhang kann auf die EP 0675774 B1 sowie die DE 197 01 150 A1 verwiesen werden. Insbesondere im zweitge­ nannten Dokument ist in der Beschreibungseinleitung nochmals eingehend die Vorgehensweise zur Herstellung einer solchen Stanznietverbindung be­ schrieben, so daß in soweit darauf Bezug genommen werden kann und auf eine nochmalige dahingehende Beschreibung in dieser Stelle verzichtet wird. Für die Verbindung mindestens zweier Blechplatinen ist jedenfalls werkzeug­ seitig ein Stempel vorhanden, der auf den Nietkopf einwirkt und das Niet in die zu verbindenden Bleche eintreibt. An der gegenüberliegenden Seite ist als Gegenhalterwerkzeug eine Matrize vorgesehen, deren Gravur eine zen­ trische Erhebung aufweist, um dadurch u. a. das Spreizen des Nietschaftes beim Setzvorgang zu begünstigen.

Die genannte DE 197 01 150 A1 befaßt sich mit dem Problem, daß es bis­ weilen zur Schädigung der Unterseite des unmittelbar auf der Matrize liegen­ den Fügeteiles (Blechplatine) kommt. Weisen die zu verbindenden Bauteile Beschichtungen auf, so sind die Schädigungen gekennzeichnet durch Risse und Furchen der Beschichtungen im Schließkopfbereich sowie durch Abplat­ zen und Verschieben von Beschichtungspartikeln, so daß im Einzelfall der blanke Grundwerkstoff sichtbar wird. Die signifikante Schädigung der Be­ schichtung des matrizenseitigen Bleches ist meist schon makroskopisch zu erkennen. Ursachen hierfür sind die partiell enormen Oberflächenvergröße­ rungen des matrizenseitigen Bleches in Verbindung mit hoher Flächenpres­ sung und Reibung zwischen Matrizengravur und Blechoberfläche während der Ausbildung des Schließkopfes in der Matrizengravur. Die Folgen sind negative Auswirkungen auf Fügeteileigenschaften, optischen Eindruck, Kor­ rosionsresistenz, Dichtheit und damit verbunden auch auf die statische und dynamische Verbindungsfestigkeit der Bauelemente.

Als Lösungsansatz wird in der genanten Vorveröffentlichung vorgeschlagen, daß vor dem Fügevorgang ein Opferblech auf die Matrize aufgelegt wird, welches als Unterlage für die darauf zu liegenden Fügeteile dient. Das Op­ ferblech wird beim Stanznietvorgang in die Gravur der Matrize eingeformt und nach dem Stanznietvorgang liegen die verbundenen Fügeteile und das Opferblech wieder getrennt voneinander vor.

Ungeachtet dessen, ob die zu verbindenden Bauteile mit Beschichtungen ausgestattet sind oder nicht, ist die Herstellbarkeit bzw. Qualität einer sol­ chen Stanznietverbindung naturgemäß auch in starkem Maße davon abhän­ gig, aus welchem Werkstoff die Bauteile bestehen. Zu diesen insofern kriti­ schen, weil schwierig umformbaren Werkstoffen zählen u. a. einige für den Leichtbau sehr bedeutende Aluminiumlegierungen und Magnesiumwerk­ stoffe. Magnesium gilt als besonders schwierig umformbar. Der Versuch Ma­ gnesiumwerkstoffe durch Stanznieten ohne Erwärmung (rißfrei) zu verbinden, ist bislang stets gescheitert. Ergebnis beim Versuch, Stanznietverbindungen aus solchen Werkstoffen zu erzielen, ist stets eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Rißbildung 1, wie aus Fig. 1 zu erkennen.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine Stanznietverbin­ dung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 in der Weise zu gestalten, daß weder Schädigungen am Grundwerkstoff der zu verbindenden Bauteile entstehen noch, falls vorhanden, daß Bauteilbeschichtungen angegriffen werden.

Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, daß die dem Nietkopf gegenüber liegende Bauteil-Auswölbung im wesentlichen kugelabschnittförmig ausge­ bildet ist.

So wurden beispielsweise bei der Anmelderin Untersuchungen an der Al-Le­ gierung 6005-6007 durchgeführt, die überraschend erkennen ließen, daß mit der neuartigen Geometrie der Auswölbung gleichwertige Festigkeitsei­ genschaften gegenüber dem bekannten Stand der Technik erzielbar sind. Gleichzeitig verringerte sich aber die Gefahr der Rißbildung des umgeform­ ten Bauteilwerkstoffes im Bereich des Nietschaftes, so daß die Prozeßsi­ cherheit des Verfahrens - Stanznieten - erhöht werden kann. Auch läßt sich eine wesentliche Verbesserung der Optik erzielen, so daß sich diese Verbin­ dungstechnik ggf. auch bei Bauteilen einsetzen läßt, deren Fügestellen im Sichtbereich liegen (Fügetechnik als Designelement). Ungeachtet des feh­ lenden zentrischen Dornes in der Matrize ergab sich beim Herstellen der Verbindung eine ausreichende Spreizung des Nietschaftes mit damit sich einstellendem Hinterschnitt zur Optimierung der Formschlußverbindung.

Nietverbindungen mit kugelabschnittförmigen Schließköpfen sind im Stand der Technik an sich bekannt (DE 196 32 238 A1). Dabei handelt es sich aber nicht um Stanznietverbindungen der anmeldungsgemäßen Art, sondern um Verbindungen, deren Herstellungsprozeß und deren Zusammenwirken der einzelnen Verbindungsbestandteile gänzlich anders gelagert sind. Eine Stanznietverbindung der anmeldungsgemäßen Art, bei der die Matrize in ei­ ner Ausführungsform keinen zentrischen Dorn aufweist, ist beispielsweise durch die südafrikanische Patentanmeldung 918340, Fig. 13 bis 15, be­ kannt geworden. Die europäische Patentanmeldung 0129358 A2 verzichtet gänzlich auf eine Gravur im Gegenhalterwerkzeug.

Die erfindungsgemäße Stanznietverbindung ist nachstehend beschrieben und in einem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 gezeigt. Die zur Herstellung verwendete Matrize 7 zeigt Fig. 3a. Die Fig. 3b und 3c zeigen alternative Matrizengeometrien 8, 9, die der Herstellung leicht modifizierter Stanzniet­ verbindungen dienen.

Gemäß Fig. 2 sind in an sich bekannter Weise eine obere und eine untere Blechplatine 2, 3 mittels eines Halbhohlnietes 4 (Geometrie im nicht montierten Ausgangszustand z. B. entsprechend EP 0675774 B1 oder DE 197 01 150 A1) über dessen Nietschaft 5 miteinander verbunden. Der Niet­ schaft 5 durchdringt die obere Blechplatine 2, dringt in die untere Blechpla­ tine 3 ein, wird dabei deformiert und verdrängt den Bauteilwerkstoff der unte­ ren Blechplatine 3 in eine hier nicht gezeigte kugelkalottenförmige Matrize hinein, sodaß eine entsprechende kugelabschnittförmige Auswölbung 6 mit dem Radius R entsteht. Dabei hat sich als vorteilhaft erwiesen, im Über­ gangsbereich zwischen kugelabschnittförmiger Auswölbung 6 und dem nicht verformten Flächenabschnitt der unteren Blechplatine 3 eine gegengerichtete Krümmung mit dem Radius r vorzusehen. Die Tiefe der Auswölbung 6 ist mit - t - bezeichnet. Bei Einhaltung der Beziehung W ≅ √(R + r)² - (R - t + r)² (vgl. Fig. 3a) werden fließende bzw. tangentiale Übergänge der Radien R, r untereinander bzw. in die matrizenseitige Blechplatinenoberfläche erzielt.

Bei Versuchen mit bekannten Stahlstanznieten zum Verbinden eines Stahlwerkstoffes DP 500 mit einem Aluminium-Strangpreßprofil haben sich folgende Abmessungen der kugelabschnittförmigen Auswölbung 6 (und damit auch Abmessungen der Matrize) bewährt: R: 10 bis 13 mm und t: 1,5 bis 1,75 mm.

Die Matrizengeometie gemäß Fig. 3a zur Herstellung einer entsprechend konturierten kugelabschnittförmigen Auswölbung 6 an der matrizenseitigen Bauteiloberfläche eignet sich insbesondere für wenig duktile Werkstoffe mit ε 10% (z. B. Magnesium). Die Matrizengeometrie gemäß Fig. 3b, bei der der sehr klein bemessene Radius r = 0,5 mm mehr oder weniger nur dazu dient, die Kante zu brechen, ist insbesondere geeignet für duktilere Werkstoffe mit ε 10% (z. B. Aluminium, Blechdicke < 1,5 mm). Bei der Matrizengeometrie gemäß Fig. 3c geht der Radius R zunächst in einen weiteren Radius r₁ über, der wiederum in den Radius r (z. B. 0,5 mm) mündet. Diese Matrizengeometrie, die eine stärker in die Tiefe gehende Auswölbung entstehen läßt, eignet sich insbesondere für duktilere Werkstoffe (z. B. Aluminium, Blechdicke < 1,5 mm).

Mit - Werkstoff - in der vorstehenden Bezugnahme auf die Fig. 3a bis 3c ist der matrizenseitige Platinenwerkstoff gemeint. Es versteht sich, daß der darauf aufliegende, stempelseitige Platinenwerkstoff gleicher oder anderer Art sein kann. Ggf. käme hierfür auch Kunststoff in Frage. Die Art des stempelseitigen Platinenwerkstoffes ist für die Auswahl der Matrizengeometrie und damit für die Konturierung der entstehenden Auswölbung 6 von nicht so entscheidender Bedeutung.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Halbhohlnieten beschränkt. In gleicher Weise können z. B. auch Stanznieten eingesetzt werden, dessen jeweiliger Nietschaft im wesentlichen als durchgehend zylindrisches Rohr, mit oder ohne Radialwand, ausgebildet ist, wie z. B. in der DE 197 01 780 A1 beschrieben. Des weiteren kann neben der Stanznietverbindung noch eine Klebeverbindung der Bauteile vorgesehen sein.

Claims (5)

1. Stanznietverbindung, bestehend aus einem selbststanzenden Niet, dessen Schaft eines der zu verbindenden Bauteile durchstanzt und, ohne es zu durchdringen, in ein weiteres Bauteil eindringt, sich dabei deformiert und an der freien Oberfläche des weiteren Bauteiles eine Auswölbung entstehen läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswölbung (6) im wesentlichen kugelabschnittförmig ausgebildet ist.

2. Stanznietverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Übergangsbereich zwischen kugelabschnittförmiger Auswölbung (6) und dem nicht verformten Oberflächenbereich des weiteren Bauteiles (3) eine gegengerichtete Krümmung (Radius r) vorhanden ist.

3. Stanznietverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den die kugelabschnittförmige Auswölbung (6) im wesentlichen bestimmenden Radius (R) ein kleinerer Radius (r₁) mit gleichgerichteter Krümmung anschließt, der dann in den Radius (r) übergeht.

4. Stanznietverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Niet (4) als Halbhohlniet ausgebildet ist.

5. Stanznietverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Niet als Hohlniet, mit oder ohne Radialwand, ausgebildet ist.