DE202016102528U1

DE202016102528U1 - Stanzniet sowie Stanznietverbindung

Info

Publication number: DE202016102528U1
Application number: DE202016102528.1U
Authority: DE
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2026-05-12
Also published as: EP3455507A1; JP2019516048A; CN109072963A; WO2017194501A1; EP3455507B1; US20190078601A1; JP7004672B2; CN109072963B; US11408457B2

Abstract

Stanzniet (10) zum Verbinden von Werkstücken (34, 36), insbesondere aus hochfesten Stählen, mit einem Kopf (12), der einen Kopfdurchmesser (DH) aufweist, und mit einem Schaft (14), der einen Schaftdurchmesser (DS) aufweist, wobei der Schaft (14) an dem dem Kopf (12') gegenüberliegenden Fußende (18') eine axiale Ausnehmung (22) aufweist, die eine axiale Tiefe (LB) hat, wobei der Schaft (14) an dem Fußende (18) einen flachen Flächenabschnitt (20) oder eine Ringschneide (80) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich eines Übergangsabschnittes (16) zwischen dem Kopf (12'; 12''; 12IV; 12V) und dem Schaft (14'; 14'', 14'''; 14IV; 14V) eine axiale Ringausnehmung (60) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stanzniet zum Verbinden von Werkstücken, insbesondere aus hochfesten Stählen, mit einem Kopf, der einen Kopfdurchmesser aufweist, und mit einem Schaft, der einen Schaftdurchmesser aufweist, wobei der Schaft an dem dem Kopf gegenüberliegenden Fußende eine axiale Ausnehmung aufweist, die eine axiale Tiefe hat, wobei der Schaft an dem Fußende einen flachen Flächenabschnitt oder eine Ringschneide aufweist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Stanznietverbindung mit wenigstens einem oberen Werkstück und einem unteren Werkstück, von denen wenigstens eines aus einem Metall ausgebildet ist, insbesondere aus einem hochfesten Stahl, und mit einem umgeformten Stanzniet der oben bezeichneten Art, dessen Kopf an dem oberen Werkstück anliegt.
Ein Stanzniet mit einem flachen Flächenabschnitt am Fußende ist aus dem Dokument DE 10 2013 020 504 A1 bekannt. Durch diese Ausgestaltung des Stanznietes ergibt sich bei einem hiermit durchgeführten Stanznietverfahren eine Umformung des Stanznietes, die weniger auf ein Aufspreizen des Nietschaftes abstellt. Durch die relativ kurze axiale Tiefe der Ausnehmung wird vielmehr erreicht, dass sich die Verbindung durch einen Stauchvorgang des Nietes bildet, der insbesondere durch den Gegendruck des hochfesten Stahls der Werkstückanordnung hervorgerufen wird. Die Hinterschneidung bzw. der Hinterschnitt, der hierdurch gebildet wird, kann dabei relativ gering sein. Aufgrund der hochfesten Werkstoffe ist selbst ein relativ geringer Hinterschnitt jedoch hinreichend, um die erforderliche Verbindungsfestigkeit zu realisieren.
Ferner ist ein Stanzniet aus dem Dokument EP 1 229 254 A2 bekannt. In diesem Dokument wird vorgeschlagen, eine Stanznietverbindung mit zumindest zwei Fügeteilen aus einem hochfesten Stahl bereitzustellen, die mittels eines Halbhohlstanznietes miteinander verbunden sind, der aus Stahl gebildet ist und der einen Nietkopf sowie einen sich daran anschließenden Nietschaft mit einem endseitigen Nietfuß aufweist, wobei der Nietfuß im Ausgangszustand vor dem Fügevorgang stumpf ausgebildet ist. Die Form des Stanznietes soll dabei identisch sein zu der Form eines Stanznietes, wie er auch zum Fügen von Leichtmetall-Werkstücken bekannt ist, und zwar aus dem Dokument EP 0 833 063 A1 . Durch die stumpfe Ausbildung des Nietfußes soll ein günstiges Umformverhalten des Halbhohlstanzniets beim Fügen der hochfesten Fügeteile erzielt werden, wobei das Bestreben des Nietschafts, sich aufzuspreizen, im Vergleich zu einem angespitzten Nietfuß reduziert ist. Dabei soll das Aufspreizen erst dann stattfinden, wenn der Nietschaft mit dem Nietfuß in das untere Fügeteil eindringt. Die Fügeteile sollen eine Zugfestigkeit größer 500 N/mm² aufweisen, bis hin zu 1500 N/mm². Die Zugfestigkeit des verwendeten Halbhohlstanzniets soll in einem Bereich zwischen 1200 und 1400 N/mm² liegen, kann jedoch auch Werte bis zu 2000 N/mm² erreichen.
Um ein geeignetes Aufspreizverhalten zu gewährleisten, soll der Quotient aus der axialen Tiefe des Schafthohlraumes und dem Nietfußaußendurchmesser zwischen 0,3 und 0,7 liegen. Bei einer zu geringen axialen Tiefe des Schafthohlraumes soll sich der Nietschaft nach dem Lochen des oberen Stahlblechs nicht ausreichend aufspreizen.
Ein weiterer Halbhohlstanzniet ist aus dem Dokument WO 2007/132194 A1 bekannt. Hier soll in dem Schaft eine zentrale Sacklochbohrung vorgesehen sein, wobei das Verhältnis einer Differenz zwischen einem Außen- und einem Innendurchmesser des Schaftes in dem Bereich der Bohrung zu dem Außendurchmesser des Schaftes in dem Bereich von 0,47 bis 0,52 liegen soll.
Ferner offenbart das Dokument EP 2 314 890 A2 einen Halbhohlstanzniet zum Verbinden hoch- und höchstfester Stähle, wobei ein Kopfdurchmesser generell kleiner gleich dem 1,3-fachen des Schaftdurchmessers ist.
Stanznietverbindungen des Standes der Technik, mit denen hoch- oder höchstfeste Stähle verbunden werden, können jedoch nach wie vor diverse Probleme haben. Zum einen kann das Maß der Aufspreizung nicht symmetrisch in Bezug auf eine Nietachse sein. Ferner kann es vorkommen, dass der Schaft zusammengedrückt und verbogen wird. In manchen Fällen ist es nicht einmal möglich, den Niet in die Werkstückanordnung zu drücken, wobei es auch zu Brüchen des Stanzniets kommen kann.
Stanzniete, die zur Verbindung von hoch- oder höchstfesten Stählen ausgelegt sind, weisen an dem Fußende in der Regel einen flachen Flächenabschnitt auf, wie oben erwähnt. Andere Stanzniete, wie bspw. C-Niete, weisen an dem Fußende des Schaftes eine Ringschneide auf. Eine Ringschneide ist insbesondere gebildet durch eine Schnittlinie zwischen einem Radius oder einer Abschrägung im Bereich einer Innenseite der axialen Ausnehmung und einem Radius oder einer Abschrägung hin zu einer radialen Außenseite des Schaftes. Eine derartige Ringschneide sollte dazu ausgebildet sein, ein oberes Werkstück einer zu verbindenden Werkstückanordnung ringförmig zu durchtrennen, wobei das obere Werkstück vorzugsweise aus einem Stahl hergestellt ist, jedoch auch aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein kann.
Stanzniete der oben beschriebenen Form weisen an einem Übergang von der Außenseite des Schaftes hin zu dem Kopf einen Unterkopfradius auf, und die Kopfunterseite ist häufig gegenüber einer Radialebene des Stanznietes geneigt und bildet einen Konusabschnitt.
Aus dem Dokument US 2016/0084288 A1 ist ein Halbhohlstanzniet bekannt geworden, bei dem an einem Fußende des Schaftes ein Vorsprung ausgebildet ist, der mittels eines Schweißstromes aufgeschmolzen werden kann, um mit dem unteren Werkstück einer Werkstückanordnung verschweißt zu werden. Der Schaft spreizt sich bei diesem Stanzniet nicht in radialer Richtung auf, wenn der Setzvorgang durchgeführt wird. Ein Kopf dieses Setznietes weist im Bereich eines Außenumfanges einer Kopfunterseite eine axial nach vorn stehende Schneide auf, die in eine obere Oberfläche eines oberen Werkstückes der Werkstückanordnung eindringt und hierdurch eine Presspassung erzeugen soll.
Bei Stanznietverbindungen des Standes der Technik kann es während Setzvorgängen zu Spannungen im Bereich eines Überganges zwischen Schaft und Kopf kommen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Stanzniet sowie eine verbesserte Stanznietverbindung anzugeben, die zur Verbindung von unterschiedlichen Materialien, insbesondere von Metallen, insbesondere von Aluminium oder Stahl und insbesondere zur Verbindung von hoch- und höchstfesten Stählen geeignet sind.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Stanzniet dadurch gelöst, dass in einem Bereich eines Übergangsabschnittes zwischen dem Kopf und dem Schaft eine axiale Ringausnehmung ausgebildet ist.
Die axiale Ausnehmung ermöglicht es, die Setzkräfte beim Setzen bzw. beim Durchführen eines Stanznietverfahrens zu reduzieren.
Durch die Reduktion der Setzkräfte kann erreicht werden, dass Beschädigungen des Stanznietes und/oder von einem der Werkstücke während des Durchführens des Stanznietverfahrens weniger wahrscheinlich sind oder ausgeschlossen werden. Denn gerade bei hoch- und besonders bei höchstfesten Blechen steigt die Setzkraft in der Regel enorm an, sobald eine Kopfunterseite, die häufig als Schräge oder mit einem positiven Radius ausgebildet ist, eine Oberseite des oberen Werkstückes der zu verbindenden Werkstückanordnung berührt.
Die Unterseite des Kopfes im Bereich des Kopfüberstandes gegenüber dem Schaft ist vorzugsweise entweder im Wesentlichen radial ausgerichtet oder aber gegenüber einer solchen Radialebene abgeschrägt oder mit einem Radius versehen, und zwar derart, dass ein Winkel zwischen einer Schaftaußenseite und dem Kopfüberstand größer gleich 80° und kleiner 140° ist. Der Kopfüberstand kann folglich vorzugsweise nicht in eine obere Werkstückoberfläche eindringen.
Durch die Ringausnehmung ist es möglich, dass sich der Kopfüberstand bei dem Setzvorgang gegenüber einer Radialebene ringförmig abhebt, so dass der Kopfüberstand im gesetzten Zustand gegenüber der Radialebene einen Winkel größer als 0° einnimmt.
Der erfindungsgemäße Stanzniet ist jedoch nicht nur bei der Verwendung in Stanznietverfahren von Vorteil, bei denen hoch- und höchstfeste Bleche verwendet werden. Auch bei anderen Anwendungen (Mischbau, höchstfeste Stähle, Standardstahl, CFK, Al) ist der erfindungsgemäße Stanzniet vorteilhaft.
Insbesondere können bei dem Durchführen von Stanznietverfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Stanznietes Risse in dem Stanzniet im Bereich des Übergangsabschnittes zwischen dem Kopf und dem Schaft verhindert werden oder mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit auftreten.
Die Ringausnehmung kann eckig ausgebildet sein, ist jedoch vorzugsweise im Längsschnitt als kontinuierliche Ausnehmung mit einem stetigen Ausnehmungsverlauf ausgebildet. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Ausnehmung durch eine Mehrzahl von Radien ausgebildet ist, die jeweils stetig aneinander anschließen.
Bei dem erfindungsgemäßen Stanzniet ist das Verhältnis von axialer Tiefe der Ausnehmung zu Schaftdurchmesser für Anwendungen in Verbindung mit hochfesten Stählen vorzugsweise kleiner als 0,3, insbesondere kleiner als 0,28, und besonders bevorzugt kleiner als 0,25, oder sogar kleiner als 0,2.
Das Verhältnis von axialer Tiefe der Ausnehmung zu Schaftdurchmesser ist vorzugsweise größer als 0,05, und vorzugsweise größer als 0,1, und insbesondere größer als 0,12.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Stanznietverbindung mit einem oberen Werkstück und mit einem unteren Werkstück, von denen wenigstens eines aus einem Metall, insbesondere einem hochfesten Stahl ausgebildet ist, und mit einem umgeformten Stanzniet, dessen Kopf an dem oberen Werkstück anliegt, wobei der Stanzniet insbesondere ein erfindungsgemäßer Stanzniet ist.
Schließlich wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Verfahren und zum Herstellen eines Stanznietverbindung, insbesondere einer Stanznietverbindung der oben bezeichneten Art, mit den Schritten, eine Werkstückanordnung, die wenigstens ein oberes und ein unteres Werkstück aufweist, bereitzustellen, und einen Stanzniet der erfindungsgemäßen Art mit einer Stanzkraft in die Werkstückanordnung zu treiben.
Bei einem flachen Flächenabschnitt am Fußende ergibt sich bei dem Stanznietverfahren eine Umformung des Stanznietes, die weniger auf ein Aufspreizen des Nietschaftes abstellt. Durch eine relativ kurze axiale Tiefe der Ausnehmung wird erreicht, dass sich die Verbindung durch einen Stauchvorgang des Nietes bildet, der insbesondere durch den Gegendruck des hochfesten Stahls der Werkstückanordnung hervorgerufen wird. Die Hinterschneidung bzw. der Hinterschnitt, der hierdurch gebildet wird, kann dabei relativ gering sein. Aufgrund von hochfesten Werkstoffen ist selbst ein relativ geringer Hinterschnitt jedoch hinreichend, um die erforderliche Verbindungsfestigkeit zu realisieren.
Zudem wird dDurch die bevorzugte relativ geringe axiale Tiefe der Ausnehmung wird ferner erreicht, dass der Stanzniet eine deutlich höhere Stabilität erhält, die es ermöglicht, auch hoch- und höchstfeste Stähle zu durchstanzen.
Einen Beitrag zu der neuartigen Herstellung von Stanznietverbindungen mit hochfesten Stählen bildet der flache Flächenabschnitt an dem Fußende. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, wenn die auch als Schneidkante bezeichnete, in der Regel ringförmige Stirnseite des Fußendes zumindest anteilig flach ausgebildet ist, und zwar vorzugsweise senkrecht zu einer Längsachse des Stanzniets ausgerichtet.
Das obere Werkstück der Werkstückanordnung ist für diesen Fall vorzugsweise aus Stahl hergestellt und besitzt eine Zugfestigkeit, die vorzugsweise größer ist als 800 N/mm², insbesondere größer als 1000 N/mm². Die Zugfestigkeiten zumindest des oberen Werkstückes können bis hin zu 1500 N/mm² liegen und darüber hinaus.
Die Zugfestigkeit des unteren Werkstückes ist – ohne Erwärmung – vorzugsweise auf etwa 600 N/mm² begrenzt.
Mit anderen Worten können mit dem erfindungsgemäßen Stanzniet auch Umformstähle mit der notwendigen Verbindungsfestigkeit gefügt werden, wie sie unter der Bezeichnung ”Usibor^®” bekannt sind, bei denen die Mikrostruktur vor einer Wärmebehandlung insbesondere aus einem ferritischen-perlitischen Gefüge besteht.
Es versteht sich, dass die Festigkeit bzw. Härte des Stanznietes entsprechend angepasst ist. Ferner versteht sich, dass der Stanzniet ein Halbhohlstanzniet ist, der insbesondere rotationssymmetrisch und/oder einstückig aus Stahl hergestellt ist.
Die minimale Nietlänge ist vorzugsweise die Dicke des oberen Werkstückes zuzüglich einer Länge, die vorzugsweise größer ist als 2 mm und insbesondere gleich 3 mm ist. Die maximale Nietlänge liegt vorzugsweise im Bereich der Dicke der Werkstückanordnung.
Während oben bevorzugte Ausgestaltungen eines Stanznietes für die Anwendung mit hoch- und höchstfesten Stählen beschrieben sind, bei denen der Stanzniet einen flachen Flächenabschnitt am Fußende und vorzugsweise eine relativ geringe axiale Tiefe einer zentralen Ausnehmung aufweist, können andere Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stanznietes auch für Anwendungen mit normalen Stählen oder anderen Werkstoffen (bspw. Aluminium) ausgebildet sein.
In diesem Fall ist das Verhältnis von axialer Tiefe der Ausnehmung zu Schaftdurchmesser vorzugsweise deutlich größer als 0,5, insbesondere größer als 0,75 und kann auch Werte von 1 oder darüber erreichen. Ferner ist in diesem Fall vorzugsweise an dem Fußende des Schaftes eine Ringschneide ausgebildet, wie sie bspw. für sog. C-Niete allgemein bekannt geworden ist.
Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
Besonders bevorzugt ist es in einer Variante, wenn der Kopf eine Kopfunterseite aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des Stanznietes ausgebildet ist.
Mit anderen Worten ist es bevorzugt, wenn ein Übergangsbereich zwischen dem Schaft und dem Kopf nicht durch einen Radius oder eine schräge Konusfläche gebildet ist. Denn dies würde dazu führen, dass bereits zu einem relativ frühen Zeitpunkt dieser Übergangsbereich eine Oberseite des obersten Werkstückes beim Durchführen eines Stanznietverfahrens kontaktiert, was zu hohen Setzkräften führt.
Mit anderen Worten kann die Ausgestaltung des Kopfes derart, dass dessen Kopfunterseite im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des Stanzniets ausgebildet ist, zu einer Verringerung der Setzkräfte beitragen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung weist der Kopf eine Kopfunterseite auf, die unter einem Winkel zwischen 5° und 45°, insbesondere zwischen 5° und 20° oder in einem Bereich von 15° bis 45° in Bezug auf eine Radialebene ausgerichtet ist.
Bei dieser Variante ist eine Kopfunterseite des Kopfes radial außerhalb der axialen Ringausnehmung insgesamt abgeschrägt bzw. im Wesentlichen konisch ausgebildet.
Auch bei dieser Ausgestaltung können die Setzkräfte deutlich verringert werden. Durch die Abschrägung kann manchen Ausführungsformen nach einem Setzvorgang und nach einem Abbiegen des Kopfüberstandes in im Wesentlichen axialer Richtung die schräge Kopfunterseite auf einer Oberfläche des oberen Werkstückes im Wesentlichen flächig aufliegen, bspw. zum Zwecke einer Abdichtung. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Stanzniet relativ weit in die Werkstückanordnung hineingetrieben ist. Eine Oberseite des Kopfes des Stanznietes ist vorzugsweise mit einer Oberseite des oberen Werkstückes bündig ausgerichtet, oder liegt sogar etwas unterhalb der Oberseite des oberen Werkstückes, so dass der Stanzniet quasi in die Werkstückanordnung versenkt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die axiale Ringausnehmung an einer gegenüber dem Schaft radial vorstehenden Kopfunterseite des Kopfes ausgebildet.
Die Ringausnehmung erstreckt sich hierbei vorzugsweise nicht radial in den Bereich des Schaftes hinein.
Bei dieser Ausführungsform können nach wie vor hohe Kräfte in axialer Richtung über den Schaft übertragen werden, wobei ggf. eine Abbiegung des Kopfüberstandes möglich ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die axiale Ringausnehmung in einem ersten radialen Ausnehmungsabschnitt, der dem Schaft zugewandt ist, eine größere axiale Tiefe aufweist als in einem zweiten radialen Ausnehmungsabschnitt.
Auch dies trägt dazu bei, dass der Kopfüberstand sich während des Setzvorganges leicht gegenüber der Radialebene abbiegen lässt. Eine virtuelle Biege„achse”, die in diesem Fall ringförmig konzentrisch zu einer Längsachse des Schaftes ausgebildet ist, liegt dabei vorzugsweise in dem ersten radialen Ausnehmungsabschnitt.
Der erste radiale Ausnehmungsabschnitt ist vorzugsweise direkt benachbart zu dem Schaft. Der zweite Ausnehmungsabschnitt ist vorzugsweise radial von einem Kopfaußenumfang beabstandet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Verhältnis von radialer Länge der axialen Ringausnehmung zu einer radialen Kopfüberstandslänge größer als 0,2. Besonders bevorzugt ist es, wenn dieses Verhältnis größer ist als 0,3, insbesondere größer als 0,4 oder sogar 0,5. Vorzugsweise ist das Verhältnis von radialer Länge der axialen Ringausnehmung zu einer radialen Kopfüberstandslänge kleiner als 0,9, insbesondere kleiner als 0,8 und vorzugsweise kleiner als 0,7.
Hierdurch kann die Setzkraft weiter reduziert werden, da sich ein längerer Teil des Kopfüberstandes gegenüber der Längsachse des Schaftes abbiegt, wenn ein Setzvorgang durchgeführt wird.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn ein Verhältnis einer axialen Tiefe der axialen Ringausnehmung zu einer axialen Kopfhöhe größer ist als 0,15. Das Verhältnis ist vorzugsweise größer als 0,25, insbesondere größer als 0,3. Das Verhältnis ist insbesondere kleiner als 0,6, vorzugsweise kleiner als 0,5 und insbesondere kleiner als 0,4.
Zur Berechnung dieses Verhältnisses wird vorzugsweise die maximale axiale Tiefe der axialen Ringausnehmung angenommen, die in axialer Richtung vorzugsweise von einer axialen Position des Stanznietes ausgeht, die durch eine radial außerhalb der Ringausnehmung liegende unterste Position der Kopfunterseite definiert ist.
Auch das oben genannte Verhältnis von axialer Tiefe der Ringausnehmung zu axialer Kopfhöhe trägt zu einer Verringerung der Setzkräfte bei.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Kopfunterseite des Kopfes in einem Abschnitt radial außerhalb der axialen Ringausnehmung abgeschrägt.
Der abgeschrägte Abschnitt ist bei dieser Ausführungsform entweder der gesamte radial außerhalb der axialen Ringausnehmung liegende Abschnitt der Kopfunterseite. Der abgeschrägte Abschnitt der Kopfunterseite kann jedoch auch in radialer Richtung von der axialen Ringausnehmung beabstandet sein, derart, dass zwischen der axialen Ringausnehmung und dem abgeschrägten Abschnitt ein im Wesentlichen radial ausgerichteter Kopfunterseitenabschnitt ausgebildet ist.
Die Abschrägung ist vorzugsweise so, dass dieser abgeschrägte Kopfunterseitenabschnitt im gesetzten Zustand im Wesentlichen flächig auf einer Oberseite eines gefügten Werkstückes aufliegt.
Hierdurch kann eine Dichtheit der gesetzten Stanznietverbindung erhöht werden.
Die Ausrichtung des Kopfunterseitenabschnittes bzw. dessen Kegelwinkel liegt vorzugsweise in einem Bereich größer 0° und kleiner 45°. Dieser Kegelwinkel des radial außen liegenden Kopfunterseitenabschnittes entspricht vorzugsweise einer beabsichtigten Abbiegung des Kopfüberstandes beim Durchführen des Setzvorganges gegenüber einer Radialebene.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine eigene Erfindung darstellt, ist die zentrale Ausnehmung im Längsschnitt kegelstumpfförmig, wobei ein Ausnehmungsboden der Ausnehmung kegelförmig ausgebildet ist, wobei ein Verhältnis eines Kegelwinkels des Ausnehmungsbodens zu einem Kegelwinkel der Ausnehmung kleiner ist als 0,4.
Das Verhältnis dieser Winkel ist vorzugsweise kleiner als 0,3, insbesondere kleiner als 0,25. Vorzugsweise ist dieses Verhältnis größer als 0,05 und insbesondere größer als 0,1, vorzugsweise größer als 0,2.
Mit dem kegelförmigen Ausnehmungsboden, der vorzugsweise einen sehr flachen Kegel bildet, kann insbesondere die Herstellbarkeit des Stanznietes vereinfacht werden und/oder es kann eine optimierte Aufnahme eines Stanzbutzens realisiert werden und/oder eine verbesserte radiale Aufweitung zum Zwecke eines Bildens einer Hinterschneidung beim Durchführen eines Setzvorganges.
Wenn die Ausnehmung im Längsschnitt kegelstumpfförmig ist, ist der Durchmesser der Ausnehmung im Bereich des Fußendes vorzugsweise größer als jener im Bereich eines Bodens der Ausnehmung. Der Boden der Ausnehmung kann bei dieser Ausführungsform vorzugsweise flach sein, kann jedoch auch konkav oder konvex gewölbt sein, oder kegelförmig, wie oben ausgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zentrale Ausnehmung im Längsschnitt bogenförmig.
Die Bogenform kann sich dabei durch einen einzelnen Radius ergeben, so dass die Ausnehmung im Längsschnitt kreisbogenförmig ist.
Von besonderem Vorzug ist es jedoch, wenn die Ausnehmung im Längsschnitt die Form eines Spitzbogens bzw. eines gotischen Bogens aufweist.
Eine solche Bogenform ergibt sich durch zwei aus Kreisen konstruierte Bögen mit Spitze.
Dabei ist es bevorzugt, wenn die Spitze über einen Radius in geeigneter Art und Weise abgerundet ist.
Ferner ist es bei der Spitzbogenform bevorzugt, wenn die Mittelpunkte der jeweiligen Bögen jeweils auf anderen Seiten – im Längsschnitt gesehen – einer Längsmittelachse des Stanzniets liegen als der jeweils zugeordnete Bogen.
Bei den beiden oben genannten Ausführungsformen – kegelstumpfförmig bzw. bogenförmig – ist es vorteilhaft, dass die vom Kopfende aus wirkenden Stanzkräfte geeignet in das Fußende eingeleitet werden.
Insgesamt ist es ferner bevorzugt, wenn die zentrale Ausnehmung keinen zylindrischen Abschnitt aufweist.
Ein zylindrischer Abschnitt in der Ausnehmung kann bei sehr hohen Stanzdrücken zu einer Instabilität und ggf. zu Brüchen führen.
Durch den Verzicht auf einen zylindrischen Abschnitt innerhalb der Ausnehmung kann die Stabilität des Stanzniets insgesamt erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besitzt die zentrale Ausnehmung ein Ausnehmungsvolumen, wobei ein Verhältnis von Ausnehmungsvolumen zu Volumen des Schaftes kleiner ist als 0,25, insbesondere kleiner als 0,18, und/oder größer ist als 0,05, insbesondere größer als 0,1.
Das Ausnehmungsvolumen berechnet sich hierbei ausgehend von dem Fußende des Stanzniets. Das Volumen des Schaftes ist jenes Volumen des Schaftes, bei dem der Schaft einen einheitlichen Außendurchmesser aufweist, also ausschließlich eines etwaigen Übergangsabschnittes hin zu einem Kopf des Stanznietes, jedoch einschließlich des Ausnehmungsvolumens, das folglich in dem Volumen des Schaftes mit enthalten ist.
Durch das relativ kleine Ausnehmungsvolumen ergibt sich zum einen eine hohe Stabilität des Stanznietes. Zum anderen wird ein aus dem oberen Werkstück abgetrennter Stanzbutzen nicht von der Ausnehmung aufgenommen, sondern vielmehr während des Stanzvorganges von dem Niet vor sich hergedrückt. Hierdurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass eine größere Umformung von Material innerhalb einer Matrize eines Stanznietwerkzeuges erfolgt anstelle einer Verformung innerhalb der Ausnehmung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der flache Flächenabschnitt als Ringflächenabschnitt ausgebildet und weist im Querschnitt eine radiale Breite auf, wobei das Verhältnis von radialer Breite des Ringflächenabschnittes zu Schaftdurchmesser größer ist als 0,05 und/oder kleiner ist als 0,25.
Der Stanzniet ist vorzugsweise aus einem Stahl mit einer Härte von wenigstens 500 HV10 (1630 MPa) hergestellt, insbesondere mit einer Härte von wenigstens 650 HV10, insbesondere mit wenigstens 700 HV10. Die Härte ist in der Regel kleiner als 800 HV10.
Bei der erfindungsgemäßen Stanznietverbindung ist es bevorzugt, wenn die axiale Dicke des oberen Werkstückes größer gleich der axialen Tiefe der zentralen Ausnehmung im unverformten Zustand ist.
Ferner ist es bei erfindungsgemäßen Stanznietverbindung vorteilhaft, wenn von dem oberen Werkstück ein Stanzbutzen abgetrennt ist und wenn sich weniger als 50% des Volumens des Stanzbutzens innerhalb der verformten zentralen Ausnehmung befindet, insbesondere weniger als 30%, vorzugsweise weniger als 25% und besonders bevorzugt weniger als 20%.
Hieraus ergibt sich, dass der Stanzniet so ausgebildet ist, dass er im Wesentlichen gestaucht wird, wodurch sich das Volumen der Ausnehmung verkleinert, so dass der Stanzbutzen während des Stanznietvorganges im Wesentlichen vor dem Niet hergeschoben wird.
Hierdurch kann mittels des Stanzbutzens Material des unteren Werkstückes innerhalb der Matrize geeignet verdrängt werden, so dass dieses hinter eine Hinterschneidung des Schaftes des Stanznietes fließt.
Insgesamt ist es ferner vorteilhaft, wenn der Schaft des umgeformten Stanznietes eine Hinterschneidung gegenüber Kräften in Richtung des Kopfes bildet, wobei das Verhältnis von Hinterschneidung zu Schaftdurchmesser kleiner ist als 0,1 und/oder größer ist als 0,01.
Hieraus ergibt sich, dass das Maß der Hinterschneidung vergleichsweise gering ist. Beim Verbinden von hochfesten Stählen ist eine derart geringe Hinterschneidung jedoch hinreichend, um die notwendige Verbindungsfestigkeit zu realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Stanznietverbindung ist das Verhält von axialer Länge des Stanznietes nach der Umformung und axialer Länge des Stanznietes vor der Umformung größer ist als 0,8 und/oder kleiner als 0,95.
Hieraus ergibt sich, dass der Stanzniet aufgrund seiner vorgegebenen Härte nur vergleichsweise gering gestaucht wird, was ebenfalls zu einer relativ geringen Hinterschneidung in radialer Richtung führt.
Hieraus ergibt sich auch, dass die minimale Länge des Stanzniets sich vorzugsweise aus der Dicke des oberen Werkstückes zuzüglich einem Wert von vorzugsweise 3 oder 3,5 mm ergibt, wohingegen sich die maximale Länge des Stanzniets vorzugsweise durch die Gesamtdicke der Werkstückanordnung zuzüglich 1 mm errechnet oder gleich der Gesamtdicke der Werkstückanordnung ist.
Generell ist es auch möglich, mit dem erfindungsgemäßen Stanzniet ein Stanznietverfahren durchzuführen, bei dem eine Stanznietverbindung hergestellt wird, insbesondere eine Stanznietverbindung der oben beschriebenen Art, mit den Schritten, eine Werkstückanordnung, die wenigstens ein oberes und ein unteres Werkstück aufweist, bereitzustellen, und einen Stanzniet der erfindungsgemäßen Art mit einer Stanzkraft in die Werkstückanordnung zu treiben.
Bei diesem Verfahren ist es vorteilhaft, wenn sich die Werkstückanordnung an einer Matrize mit einem Matrizenvolumen abstützt, in das hinein wenigstens das untere Werkstück getrieben wird, wobei das Verhältnis von Matrizenvolumen zu einem Volumen des Stanznietes vorzugsweise größer gleich 1,0 und/oder kleiner gleich 1,5 ist.
Das Matrizenvolumen ist das Volumen, in das hinein Material wenigstens des unteren Werkstückes während des Stanznietvorganges fließt, wobei die Oberkante der hierzu vorgesehenen Matrizenausnehmung im Wesentlichen bündig mit einer Abstützungsfläche ist. Die Form der Matrizenausnehmung ist dabei vorzugsweise kegelstumpfförmig, mit einem relativ großen Durchmesser im Bereich der Auflagefläche und einem kleineren Durchmesser im Bereich eines Bodens des Matrizenvolumens.
Insgesamt lässt sich ferner ergänzend Folgendes anmerken. Beim herkömmlichen Stanznieten ist die Hinterschnittbildung ein für die Verbindungsfestigkeit qualitätsrelevantes Merkmal. Wenn der erfindungsgemäße Niet eine hohe Festigkeit hat, ist dieses Merkmal nicht mehr allein gültig. Der Niet benötigt dann ein relativ festes oberes Werkstück, dessen Stanzbutzen dann den Niet staucht und dabei etwas auseinanderdrückt. Der Hinterschnitt in der Verbindung wird im Unterschied zu Nieten des Standes der Technik nicht durch ein klassisches Aufspreizen erzeugt, sondern vielmehr durch einen Stauchvorgang des Niets erzeugt, der durch den Gegendruck des hochfesten Stahls hervorgerufen wird. Bei solchen Nieten beginnt der Anwendungsbereich in der Regel erst bei 800 N/mm², insbesondere bei 1000 N/mm² Zugfestigkeit des oberen Werkstückes. Stähle dieser Festigkeitsklasse haben durch den verstärkten Einsatz von Leichtbaustrukturen aus höchstfesten Blechen Einsatz im Fahrzeugbau gefunden. Der Einsatzbereich dieses Stanzniets nach unten wird vorzugsweise durch eine minimale Stanzkraft – die Kraft zum Lochen/Durchstanzen der hochfesten Werkstückanordnung – von 8 kN begrenzt. Ab dieser Kraft fängt ein ausreichendes Aufstauchen (nicht primär spreizen) des Stanzniets an, und man erhält das notwendige Stauchmaß, das vorzugsweise mindestens 0,15 mm beträgt. Zur Bewertung der Verbindungsqualität ist neben der Hinterschnittbildung auch das Stauchmaß zu betrachten. Das Stauchmaß berechnet sich aus der axialen Länge des Stanzniets vor der Umformung abzüglich der axialen Länge des Stanzniets nach der Umformung, d. h. im gesetzten Zustand.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Längsschnittansicht durch eine Ausführungsform eines Stanzniets des Standes der Technik;
2 eine Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines Stanzniets des Standes der Technik;
3 eine Längsschnittansicht durch Stanznietverbindungen, die mittels Stanznieten hergestellt sind;
4 eine der 1 vergleichbare Längsschnittansicht durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stanznietes;
5 eine Detailansicht V der 4;
6 eine Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stanznietes;
7 eine Detailansicht VII der 6;
8 eine Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stanznietes;
9 eine Detailansicht IX der 8;
10 eine Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stanznietes;
11 eine Detailansicht XI der 10;
12 eine Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stanznietes; und
13 eine Detailansicht XIII der 12.
In 1 ist ein rotationssymmetrischer Halbhohlstanzniet im Längsschnitt schematisch dargestellt und generell mit 10 bezeichnet.
Der Stanzniet 10 ist aus einem festen Stahl hergestellt und weist vorzugsweise eine Härte größer 500 HV auf. Insbesondere ist der Stanzniet durch Druckumformung hergestellt.
Der Stanzniet 10 weist einen Kopf 12 und einen sich hieran in axialer Richtung anschließenden Schaft 14 auf. Der Schaft 14 geht über einen Übergangsabschnitt 16 in den Kopf 12 über. Ein dem Kopf 12 gegenüberliegendes Ende des Schaftes 14 ist als Fußende ausgebildet und in 1 mit 18 bezeichnet.
An dem Fußende 18 ist ein flacher Flächenabschnitt 20 ausgebildet, der als Ringflächenabschnitt ausgebildet ist, dessen Außendurchmesser durch einen Außendurchmesser des Schaftes 14 begrenzt ist und dessen Innendurchmesser durch einen Rand einer Ausnehmung 22 begrenzt ist, die sich von dem Fußende 18 in Richtung hin zu dem Kopf 12 erstreckt.
In 1 ist die Ausnehmung 22 kegelstumpfförmig ausgebildet und weist ausgehend von dem Fußende 18 einen konisch verlaufenden Ausnehmungsübergangsabschnitt 24 sowie einen Ausnehmungsboden 26 auf. Der Ausnehmungsboden 26 kann, wie dargestellt, flach ausgebildet sein, kann jedoch auch konkav oder konvex ausgebildet sein.

Ferner sind in 1 folgende Abmessungen gezeigt, wobei in der nachstehenden Tabelle jeweils auch die bevorzugten Werte für diese Abmessung eingetragen sind:

Bezeichnung	Abkürzung	Bevorzugter Wert	Anmerkung
Axiale Länge Stanzniet	LR	5 mm
Länge Schaft	LS	3,6 mm
Axiale Höhe Kopf	LH	0,5 mm
Axiale Tiefe Ausnehmung	LB	1 mm
Durchmesser Kopf	DH	7,75 mm
Außendurchmesser Schaft	OS	5,5 mm
Ausnehmungsdurchmesser am Fußende	DB	4,5 mm
Ausnehmungsdurchmesser am Boden	DB'	~2,5 mm
Radiale Breite Ringflächenabschnitt	BF	0,5 mm
Kegelwinkel Ausnehmung	αB	~40°	z. B. 25°–50°
Kegelwinkel Übergangsabschnitt	αH	~27°	z. B. 20°–50°

Bei dem Stanzniet der 1 beträgt das Verhältnis von axialer Tiefe LB der Ausnehmung 22 zu dem Schaftdurchmesser DS etwa 0,18.
Das Verhältnis von radialer Breite BF zu dem Schaftdurchmesser DS beträgt etwa 0,09.
Ferner beträgt das Verhältnis des Ausnehmungsvolumens zu dem Volumen des Schaftes etwa 0,135, wobei sich das Volumen der Ausnehmung angenähert berechnet zu VB = (LB·π)/3·[(DB/2)² + DB·DB' + (DB'/2)²], und wobei sich das Volumen des Schaftes berechnet zu VS = π·(DS/2)²·LS.
Das Volumen VS des Schaftes beinhaltet folglich das Ausnehmungsvolumen VB.
Die in der obigen Tabelle angegebenen Werte für die jeweiligen Abmessungen und Winkel können vorzugsweise im Rahmen der Erfindung jeweils nach oben und nach unten um wenigstens 20% abweichen, vorzugsweise um jeweils 10% nach oben und nach unten.
In 1 ist ferner ein Radius RB eingezeichnet, der am Übergang zwischen dem Ausnehmungsübergangsabschnitt 24 und dem Ausnehmungsboden 26 ausgebildet ist. Der Wert von RB kann bspw. 0,35 mm betragen. Der Wert von DB' ist ein angenäherter Wert, der etwa in der Mitte des Radius RB liegt, in radialer Richtung gesehen.
Ferner ist in 1 ein Radius RH eingezeichnet, der den Übergang bildet zwischen dem konischen Übergangsabschnitt 16 und dem Schaft 14. Der Wert von RH kann bspw. 0,5 mm oder weniger betragen.
Eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stanznietes ist in der 2 dargestellt und generell ebenfalls mit 10 bezeichnet. Der Stanzniet 10 der 2 entspricht hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell dem Stanzniet 10 der 1. Gleiche Elemente sind daher durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Folgenden werten im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
Die Ausnehmung 22 des Stanznietes 10 der 2 ist nicht kegelstumpfförmig wie bei dem Stanzniet 10 der 1, sondern ist bogenförmig ausgebildet. Genauer gesagt besitzt die Ausnehmung 22 in 2 im Längsschnitt die Form eines Spitzbogens, der aus zwei Kreisbögen zusammengesetzt ist, die auf der Längsachse eine Spitze bilden. Die Ursprünge der Kreisbögen liegen jeweils auf der ihrem Kreisbogen gegenüberliegenden Seite der Längsachse. Im Bereich der Spitze, die durch die zwei Kreisbögen gebildet wird, ist die Ausnehmung mit einem Radius abgerundet, der bspw. 0,5 mm betragen kann. Dieser Radius ist in 2 mit R1 schematisch angedeutet.
Der Radius der zwei Kreisbögen ist in 2 schematisch mit R2 angedeutet und kann bspw. etwa 4 mm betragen.
Bei dem Stanzniet 10 der 2 beträgt die maximale axiale Tiefe der Ausnehmung 22 vorzugsweise etwa 1,5 mm, so dass sich ein Verhältnis LB/DS von etwa 0,273 ergibt.
Der Durchmesser DS sowie die axiale Länge LS wie auch andere Abmessungen können identisch sein wie bei dem Stanzniet 10 der 1.
In 3 ist auf der linken Seite eine mittels des Stanznietes 10 der 1 hergestellte Stanznietverbindung schematisch im Längsschnitt dargestellt und generell mit 30 bezeichnet.
Die Stanznietverbindung 30 verbindet eine Werkstückanordnung 32, die wenigstens ein oberes Werkstück 34 und ein unteres Werkstück 36 beinhaltet, von denen zumindest das obere Werkstück als Stahlblech aus hochfesten oder höchstfesten Stählen hergestellt sein kann.
In 3 ist dargestellt, dass der Stanzniet 10* aus dem oberen Werkstück 34 einen Stanzbutzen 38 ausgeschnitten und während des Stanznietvorgangs vor sich hergedrückt hat. Die Restbodendicke zwischen der Unterseite des Stanzbutzens und der Unterseite des unteren Werkstückes 36 ist mit 40 bezeichnet. Diese kann bspw. größer sein als 0,5 mm.
Ferner ist in 3 eine radiale Hinterschneidung des umgeformten Schaftes 14* gezeigt. Durch das relativ harte Material des oberen Werkstückes 34 ist der Stanzniet 10* insbesondere im Bereich des Fußendes gestaucht worden, so dass dessen Material im Bereich des Fußendes radial etwas nach außen geflossen ist. Aufgrund der großen Härte auch des Stanznietes 10* ist die Hinterschneidung 42 doch sehr gering und kann bspw. kleiner sein als 0,5 mm, ist jedoch in der Regel größer als 0,05 mm. Entsprechend ist das Verhältnis von Hinterschneidung 42 zu Schaftdurchmesser DS vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 0,01.
Schließlich ist in 3 ein Überstand 44 gezeigt, um den der Kopf 12* gegenüber der Oberseite des oberen Werkstückes 34 vorsteht. Der Überstand 44 ist vorzugsweise kleiner als die axiale Höhe LH des Stanznietes 10 im unverformten Zustand.
Ferner ist in 3 die axiale Länge LR* des umgeformten Stanznietes 10* gezeigt. Diese kann im dargestellten Beispiel bspw. etwa 4,4 mm betragen. Das Verhältnis von axialer Länge LR* des Stanznietes 10* nach der Umformung und axialer Länge LR des Stanznietes 10 vor der Umformung ist vorzugsweise größer als 0,8 und/oder kleiner 0,95.
Der Stanzniet 10* ist im Bereich des Fußendes, wie gesagt, gestaucht worden, so dass das verbleibende Volumen der verbleibenden Ausnehmung 22* relativ gering ist. Demzufolge ist in der dargestellten Ausführungsform höchstens ein Anteil von 50%, insbesondere höchstens ein Anteil von 25% des Volumens des Stanzbutzens 38 innerhalb der verformten Ausnehmung 22* aufgenommen.
Die axiale Dicke des oberen Werkstückes 34 ist mit L34 bezeichnet. Diese kann größer gleich der axialen Tiefe LB des Stanznietes 10 im unverformten Zustand sein. Die axiale Dicke des unteren Werkstückes 36 ist mit L36 bezeichnet. Diese ist vorzugsweise größer als 134. Das untere Werkstück 36 ist vorzugsweise weicher als das obere Werkstück 34.
In 3 ist ferner schematisch eine Matrize 50 eines Stanznietwerkzeuges dargestellt, mittels dessen bei dem Stanznietvorgang eine Axialkraft (Stanzkraft) 52 auf die Oberseite des Kopfes 12 des Stanznietes 10 ausgeübt wird. Die Ausnehmung der Matrize 50 ist etwa kegelstumpfförmig ausgebildet. Das etwas weichere Material des zweiten Werkstückes 34 wird durch den Stanzbutzen 38 und die Matrize 50 radial weggedrückt und fließt hierbei hinter die Hinterschneidung 42, so dass die Stanznietverbindung 30 eine formschlüssige Verbindung zwischen den Werkstücken 34, 36 einrichtet.
Das Volumen der Matrizenausnehmung ist vorzugsweise größer gleich dem Volumen des Stanznietes 10 im unverformten Zustand. Insbesondere ist das Verhältnis vom Matrizenvolumen zu dem Volumen des Stanznietes 10 vorzugsweise größer gleich 1,0 und/oder kleiner gleich 1,5.
Die minimale Stanzkraft 52 beträgt vorzugsweise 8 kN.
Die minimale Länge des Stanzniets 10 im unverformten Zustand ergibt sich aus der Dicke L34 zuzüglich einem Wert, der bspw. 3 oder 3,5 mm betragen kann. Die maximale Länge des Stanznietes 10 im unverformten Zustand kann gleich der Gesamtdicke L34 + L36 sein oder ein Wert, der gleich der Gesamtblechdicke + einem Wert von bspw. 1 mm gebildet ist.
Das obere Werkstück 34 hat vorzugsweise eine Zugfestigkeit im Bereich von größer 800 N/mm², insbesondere größer 1000 N/mm². Das untere Werkstück 36 hat vorzugsweise eine Zugfestigkeit von kleiner 600 N/mm². Der Stanzniet 10 weist vorzugsweise eine Härte von mehr als 650 HV (nach Vickers) auf.
In den 4 und 5 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stanznietes 10' dargestellt. Der Stanzniet 10 entspricht hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell dem Stanzniet 10 der 1. Gleiche Elemente sind daher durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
Während bei dem Stanzniet 10 der 1 ein Übergangsabschnitt 16 zwischen Schaft 14 und Kopfaußendurchmesser im Wesentlichen über einen positiven Radius RH und eine sich daran anschließende konische Fläche bis hin zum Außenumfang des Kopfes 12 gebildet ist, weist der Stanzniet 10' der 4 und 5 einen Kopf 12' auf, dessen Übergangsabschnitt 16' eine axiale Ringausnehmung 60 beinhaltet. Die axiale Ringausnehmung 60 ist so geformt, dass der gegenüber dem Schaft 14' radial überstehende Abschnitt des Kopfes 12' gegenüber einer virtuellen Radialebene abgebogen werden kann, und zwar um eine virtuelle ringförmige Drehachse 62, wie es in 4 bei 64 gezeigt ist.
Da bei den angestrebten Stanznietverbindungen das obere Werkstück 34 vorzugsweise aus einem sehr festen Material hergestellt ist, kommt es beim Durchführen eines Stanznietvorganges folglich ggf. zu einer Aufbiegung des äußeren Abschnittes des Kopfes 12'. Hierdurch kann die zum Herstellen der Stanznietverbindung erforderliche Setzkraft verringert werden. Dies wiederum kann zu geringeren Spannungen während eines Stanznietvorganges führen, insbesondere in dem Bereich des Übergangsabschnittes 16'. Folglich kann die Bildung von Rissen im Bereich des Übergangsabschnittes 16' verringert oder vermieden werden.
Die axiale Ringausnehmung 60 beinhaltet einen ersten radialen Ausnehmungsabschnitt 66, der dem Schaft 14' zugewandt ist, sowie einen zweiten radialen Ausnehmungsabschnitt 68, der dem Schaft 14' abgewandt ist.
Der erste radiale Ausnehmungsabschnitt 66 weist eine größere axiale Tiefe auf, als der zweite radiale Ausnehmungsabschnitt 68. Die axiale Ringausnehmung 60 ist insgesamt im Bereich einer Kopfunterseite 70 des Kopfes 12' ausgebildet, und zwar vorzugsweise derart, dass die Ausnehmung 60 unmittelbar benachbart ist zu dem Schaft 14' bzw. dem Außendurchmesser DS des Schaftes 14' (siehe 1).
Wie es in 5 gezeigt ist, weist die Ringausnehmung 60 eine radiale Länge DA auf, die kleiner ist als eine radiale Kopfüberstandslänge ΔD. Ein Verhältnis von DA zu ΔD ist vorzugsweise größer als 0,4 und vorzugsweise kleiner als 0,9.
Die axiale Ringausnehmung 60 weist ferner eine axiale Tiefe LA auf. Ein Verhältnis der axialen Tiefe LA zu einer axialen Kopfhöhe LH' ist vorzugsweise größer als 0,25 und vorzugsweise kleiner als 0,6.
Eine axiale Restdicke LR des Kopfes 12' ist vorzugsweise größer als eine axiale Tiefe LA der axialen Ringausnehmung 60.
Die axiale Tiefe LA der Ringausnehmung 68 geht aus von der Kopfunterseite 70.
Da die radiale Ringausnehmung 60 radial kürzer ist als der Kopfüberstand, ist es bevorzugt, wenn radial außerhalb der axialen Ringausnehmung 60 ein Kopfunterseitenabschnitt ausgebildet ist, der, wie es insbesondere in 4 zu erkennen ist, vorzugsweise abgeschrägt ist. Der Abschrägungswinkel ist in 4 bei αH' gezeigt und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 2° bis 25°. Der Abschrägungswinkel αH' entspricht vorzugsweise einem Winkel, um den der überstehende Abschnitt des Kopfes 12' bei einem Stanznietvorgang abgebogen werden kann. Dies ist in 3 auf der rechten Seite dargestellt. Der überstehende Teil des Kopfes 12'* des umgeformten Stanznietes 10'* einer so hergestellten Stanznietverbindung 30' ist ebenfalls um einen Winkel αH' gegenüber einer Radialebene abgebogen. Durch die Abschrägung kann dabei im Wesentlichen eine flächige Anlage an einer Oberseite des oberen Werkstückes 34 erreicht werden, so dass die fertiggestellte Stanznietverbindung abgedichtet sein kann.
Wie es in 5 gezeigt ist, ist die axiale Ringausnehmung 60 vorzugsweise durch eine Mehrzahl von Radien RA₁, RA₂, RA₃ gebildet.
Der Radius RA₃ geht aus von dem Schaftaußendurchmesser und weist einen Wert in einem Bereich von 0,05 bis 0,3 mm auf. In radialer Richtung nach außen schließt sich daran ein Radius RA₂ an, der vorzugsweise größer ist als der Radius RA₃, und zwar vorzugsweise wenigstens fünfmal so groß ist wie RA₃. Der Wert von RA₂ liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 2 mm.
Die Radien RA₃ und RA₂ sind gleich gekrümmt. An den Radius RA₂ schließt sich in radialer Richtung nach außen der Radius RA₁ an, der entgegengesetzt gekrümmt ist und stetig in den abgeschrägten äußeren Abschnitt des Kopfes 12' übergeht. Der Radius RA₁ ist vorzugsweise größer as der Radius RA₃ und ist vorzugsweise kleiner als der Radius RA₂ und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 bis 0,8 mm.
Die Radien RA₁, RA₂ RA₃ sind so gewählt und schließen sich so an die benachbarten Abschnitte an, dass die axiale Ringausnehmung 60 im Wesentlichen durch eine stetige Form gebildet ist.
In 4 ist ferner zu erkennen, dass der Boden 26 der kegelstumpfförmigen Ausnehmung 22' kegelförmig ausgebildet ist, und zwar mit einem Kegelwinkel αC, der kleiner ist als der Kegelwinkel αB' der Ausnehmung 22'.
Die axiale Länge des kegelförmigen Bodens 26' ist in 4 schematisch bei LK dargestellt. LK ist vorzugsweise deutlich kleiner als LB', insbesondere kleiner als ein Drittel von LB', insbesondere kleiner als ein Viertel von LB'.
Die Übergänge zwischen den Kegelabschnitten der Ausnehmung 22' und des Bodens 26' können abgerundet sein, über entsprechende Radien, die in 4 der Übersichtlichkeit halber jedoch nicht dargestellt sind.
In den 6 bis 13 sind weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Stanznieten gezeigt. Diese Stanznieten sind in der Regel aus einem weicheren Material hergestellt als die oben beschriebenen Stanznieten und weisen ein deutlich größeres Verhältnis von axialer Länge der zentralen Ausnehmung zu dem Außendurchmesser des Schaftes auf. Ferner ist an dem Fußende vorzugsweise kein flacher, rein radial ausgerichteter Flächenabschnitt vorgesehen. Stattdessen endet das Fußende des Schaftes in einer Ringschneide 80, wie sie bspw. vom sog. C-Niet bekannt geworden ist.
Sämtliche in den 6 bis 13 gezeigten Niete weisen jedoch ebenfalls wie der oben beschriebene Stanzniet eine axiale Ringausnehmung sowie einen Kopf auf, deren Ausgestaltung, Form und Funktion generell der axialen Ringausnehmung und dem Kopf entsprechen können, die oben unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel der 4 und 5 beschrieben worden ist. Gleiche Elemente sind daher durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
Bei dem in den 6 und 7 gezeigten Stanzniet 10'' ist ein Kopf 12' vorgesehen, dessen Kopfunterseite 70 ähnlich ausgebildet ist wie die Kopfunterseite des Stanzniet 10' der 4 und 5. Jedoch ist der radial äußerste Abschnitt der Kopfunterseite 70 nicht abgeschrägt, sondern ist rein radial ausgerichtet.
Zudem ist das Verhältnis von radialer Länge der Ringausnehmung 60 zu der Kopfüberstandslänge vorzugsweise größer als 0,25 und vorzugsweise kleiner als 0,6. Dieses Verhältnis ist bei den folgenden Ausführungsformen der 8 bis 13 vorzugsweise identisch vorgesehen.
In den 8 und 9 ist ein Stanzniet 10''' gezeigt, der im Vergleich zu den Ausführungsformen der 4 bis 7 einen Kopf 12''' aufweist, dessen axiale Kopflänge deutlich größer ist, so dass das Verhältnis von axialer Tiefe der axialen Ringausnehmung 60 zu der axialen Kopfhöhe kleiner ist als 0,4 und vorzugsweise größer ist als 0,15.
Ferner geht eine Kopfoberseite des Kopfes 12''' bei der Ausführungsform der 8 und 9 über einen großen Radius RO in den Bereich der Kopfunterseite über.
Ein in den 10 und 11 gezeigter Stanzniet 10 ^IV weist einen Kopf 12 ^IV auf, dessen Kopfunterseite 70 ^IV radial außerhalb der axialen Ringausnehmung 60 insgesamt unter einem Winkel αH^IV abgeschrägt ist, der in einem Bereich von 5° bis 30° liegen kann.
Bei einem Stanzniet 10 ^V der in den 12 und 13 gezeigt, ist, ist ein Kopf 12 ^V mit einer Kopfunterseite 70 ^V gezeigt, bei der ein Abschnitt radial außerhalb der axialen Ringausnehmung 60 insgesamt unter einem Winkel αH^V geneigt ist, der in einem Bereich von 25° bis 45° liegen kann.
Bei den Stanznieten 10', 10'', 10 ^IV und 10 ^V ist eine Außenseite des jeweiligen Kopfes zylindrisch ausgebildet, also im Wesentlichen parallel zu der Längsachse ausgerichtet. Lediglich bei dem Stanzniet 10''' ist die Außenseite des Kopfes 12''' durch einen Radius RO gebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013020504 A1 [0003]
EP 1229254 A2 [0004]
EP 0833063 A1 [0004]
WO 2007/132194 A1 [0006]
EP 2314890 A2 [0007]
US 2016/0084288 A1 [0011]

Claims

Stanzniet (10) zum Verbinden von Werkstücken (34, 36), insbesondere aus hochfesten Stählen, mit einem Kopf (12), der einen Kopfdurchmesser (DH) aufweist, und mit einem Schaft (14), der einen Schaftdurchmesser (DS) aufweist, wobei der Schaft (14) an dem dem Kopf (12') gegenüberliegenden Fußende (18') eine axiale Ausnehmung (22) aufweist, die eine axiale Tiefe (LB) hat, wobei der Schaft (14) an dem Fußende (18) einen flachen Flächenabschnitt (20) oder eine Ringschneide (80) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich eines Übergangsabschnittes (16) zwischen dem Kopf (12'; 12''; 12 ^IV; 12 ^V) und dem Schaft (14'; 14'', 14'''; 14 ^IV; 14 ^V) eine axiale Ringausnehmung (60) ausgebildet ist.
Stanzniet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von axialer Tiefe (LB) der axialen Ausnehmung (22') zu Schaftdurchmesser (DS) kleiner ist als 0,3.
Stanzniet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (12'; 12''') eine Kopfunterseite (70) aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des Stanznietes (10') ausgebildet ist.
Stanzniet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (12 ^IV; 12 ^V) eine Kopfunterseite (70 ^IV; 70 ^V) aufweist, die unter einem Winkel (αH^IV; αH^V) zwischen 5° und 45° in Bezug auf eine Radialebene ausgerichtet ist.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ringausnehmung (60) an einer gegenüber dem Schaft (14'; 14'', 14'''; 14 ^IV; 14 ^V) radial vorstehenden Kopfunterseite (70) des Kopfes (12'; 12'''; 12 ^IV; 12 ^V) ausgebildet ist.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ringausnehmung (60) in einem ersten radialen Ausnehmungsabschnitt (66), der dem Schaft (14') zugewandt ist, eine größere axiale Tiefe aufweist als in einem zweiten radialen Ausnehmungsabschnitt (68).
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von radialer Länge (DA) der axialen Ringausnehmung (60) zu einer radialen Kopfüberstandslänge (ΔD) größer ist als 0,2, insbesondere größer als 0,4.
Stanzniet nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kopfunterseite (70; 70 ^IV; 70 ^V) des Kopfes (12'; 12 ^IV; 12 ^V) in einem Abschnitt radial außerhalb der axialen Ringausnehmung (60) abgeschrägt ist.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis einer axialen Tiefe (LA) der axialen Ringausnehmung (60) zu einer einer axialen Kopfhöhe (LH') größer ist als 0,15, insbesondere größer als 0,25.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1–9, oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (22') im Längsschnitt kegelstumpfförmig ist, wobei ein Ausnehmungsboden (26') der Ausnehmung (22') kegelförmig ausgebildet ist, wobei ein Verhältnis eines Kegelwinkels (αC) des Ausnehmungsbodens (26') zu einem Kegelwinkel (αB') der Ausnehmung (22') kleiner ist als 0,4.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (22') keinen zylindrischen Abschnitt aufweist.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (22') ein Ausnehmungsvolumen besitzt, wobei ein Verhältnis von Ausnehmungsvolumen zu Volumen des Schaftes (14') kleiner ist als 0,25, insbesondere kleiner als 0,18 und/oder größer ist als 0,05, insbesondere größer als 0,1.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass der flache Flächenabschnitt (20) als Ringflächenabschnitt (20) ausgebildet ist und im Querschnitt eine radiale Breite (BF) aufweist, wobei das Verhältnis von radialer Breite (BF) des Ringflächenabschnittes (20) zu Schaftdurchmesser (DS) größer ist als 0,05 und/oder kleiner ist als 0,25.
Stanzniet nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stanzniet (10) aus einem Stahl mit einer Härte von wenigstens 500 HV10 hergestellt ist.
Stanznietverbindung (30') mit einem oberen Werkstück (34) und einem unteren Werkstück (36), von denen wenigstens eines aus einem Metall ausgebildet ist, und mit einem umgeformten Stanzniet (10'*), insbesondere nach einem der Ansprüche 1–14, dessen Kopf (12'*) an dem oberen Werkstück (34) anliegt.
Stanznietverbindung nach Anspruch 15, wobei die axiale Dicke (L34) des oberen Werkstückes (34) größer gleich der axialen Tiefe (LB) der Ausnehmung (22') im unverformten Zustand ist.
Stanznietverbindung nach Anspruch 15 oder 16, wobei von dem oberen Werkstück (34) ein Stanzbutzen (38) abgetrennt ist und wobei sich weniger als 50% des Volumens des Stanzbutzens (38) innerhalb der Ausnehmung (22*) des umgeformten Stanzniets (10'*) befindet, insbesondere weniger als 25%.
Stanznietverbindung nach einem der Ansprüche 15–17, wobei der Schaft (14*) des umgeformten Stanznietes (10*) eine Hinterschneidung (42) gegenüber Kräften in Richtung des Kopfes (12'*) bildet, wobei das Verhältnis von Hinterschneidung (42) zu Schaftdurchmesser (DS) kleiner ist als 0,1 und/oder größer ist als 0,01.
Stanznietverbindung nach einem der Ansprüche 15–18, wobei das Verhältnis von axialer Länge (LR*) des Stanznietes (10'*) nach der Umformung und von axialer Länge (LR) des Stanznietes (10) vor der Umformung größer ist als 0,8 und/oder kleiner als 0,95.