EP1078701B1

EP1078701B1 - Method of producing a riveted joint

Info

Publication number: EP1078701B1
Application number: EP00117990A
Authority: EP
Inventors: Hans-Günther Prof. Dr. Haldenwanger; Ulrich Dr. Walther; Harald Kudliczka
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2003-07-09
Anticipated expiration: 2020-08-22
Also published as: DE50002808D1; EP1078701A3; EP1078701A2; DE19940803A1; ES2197042T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Nietverbindung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for producing a Rivet connection according to the preamble of claim 1.

Verfahren zur Herstellung von Nietverbindungen der genannten Art sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt In diesem Zusammenhang kann auf die EP 0675774 B1 sowie die DE 197 01 150 A1 verwiesen werden. Insbesondere im zweitgenannten Dokument ist in der Beschreibungseinleitung nochmals eingehend die Vorgehensweise zur Herstellung einer solchen Nietverbindung beschrieben, 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 werkzeugseitig 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 zentrische Erhebung aufweist, um dadurch u. a. das Spreizen des Nietschaftes beim Setzvorgang zu begünstigen.Process for the production of rivet joints of the type mentioned are in State of the art well known in this context can EP 0675774 B1 and DE 197 01 150 A1 are referenced. In particular, in the second document is in the Description introduction again detailed the procedure for Production of such a riveted joint described so that in so far can be referred to and on a second this description is omitted in this passage. For the connection of at least two sheet metal blanks is at least tool side a stamp is present, which acts on the rivet head and the rivet in collects the sheets to be joined. On the opposite side is as counter tool a die provided, the engraving of a centric Survey has to u. a. the spreading of the rivet shank to favor the setting process.

Eine anderweitige Verfahrensweise zur Herstellung einer Nietverbindung ist in der EP 0 614 405 B1 beschrieben. Dort erfüllt das Niet nicht die Funktion, zunächst eines der zu verbindenden Bauteile zu durchstanzen. Vielmehr werden mittels des Nietes an der Verbindungsstelle die zu verbindenden Blechplatinen in eine Auswölbung einer Matrize hineinverformt und so deformiert, dass zwischen Niet bzw. den beiden zu verbindenden Blechplatinen eine Formschlußverbindung entsteht.Another method of making a riveted joint is in EP 0 614 405 B1. There, the rivet does not fulfill the function first punch through one of the components to be connected. Much more be connected by means of the rivet at the junction to be joined Sheet metal blanks deformed into a bulge of a die and so deformed that between rivet or the two to be joined Sheet metal blanks creates a positive connection.

Die genannte DE 197 01 150 A1 befaßt sich mit dem Problem, daß es bisweilen zur Schädigung der Unterseite des unmittelbar auf der Matrize liegenden 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 Abplatzen und Verschieben von Beschichtungspartikeln, so daß im Einzelfall der blanke Grundwerkstoff sichtbar wird. Die signifikante Schädigung der Beschichtung des matrizenseitigen Bleches ist meist schon makroskopisch zu erkennen. Ursachen hierfür sind die partiell enormen Oberflächenvergrößerungen des matrizenseitigen Bleches in Verbindung mit hoher Flächenpressung und Reibung zwischen Matrizengravur und Blechoberfläche während der Ausbildung des Schließkopfes in der Matrizengravur. Die Folgen sind negative Auswirkungen auf Fügeteileigenschaften, optischen Eindruck, Korrosionsresistenz, Dichtheit und damit verbunden auch auf die statische und dynamische Verbindungsfestigkeit der Bauelemente.The mentioned DE 197 01 150 A1 deals with the problem that it sometimes for damaging the underside of the immediately lying on the die Joining parts (sheet metal blank) comes. Assign the components to be connected Coatings, the damage is characterized by cracks and furrows of the coatings in the closing head area and by chipping and moving coating particles, so that in the individual case of bare base material becomes visible. The significant damage to the coating of the die-side sheet is usually already macroscopically recognize. Causes for this are the partially enormous surface enlargements the die-side sheet in conjunction with high surface pressure and friction between die engraving and sheet surface during the formation of the closing head in the die engraving. The consequences are negative effects on adherend properties, visual impression, corrosion resistance, Tightness and associated with it also on the static and Dynamic connection strength of the components.

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 Opferblech wird beim Stanznietvorgang in die Gravur der Matrize eingeformt und nach dem Stanznietvorgang liegen die verbundenen Fügeteile und das Opferblech wieder getrennt voneinander vor.As a solution approach is proposed in the cited Vorveröffentlichung, that before the joining process, a sacrificial sheet is placed on the die, which serves as a base for the parts lying on it. The sacrificial sheet is formed during the punch riveting process in the engraving of the die and after the punch riveting process are the joined parts and the joining Sacrificial sheet again separated from each other.

Ungeachtet dessen, ob die zu verbindenden Bauteile mit Beschichtungen ausgestattet sind oder nicht, ist die Herstellbarkeit bzw. Qualität einer solchen Nietverbindung naturgemäß auch in starkem Maße davon abhängig, aus welchem Werkstoff die Bauteile bestehen. Zu diesen insofern kritischen, weil schwierig umformbaren Werkstoffen zählen u. a. einige für den Leichtbau sehr bedeutende Aluminiumlegierungen und Magnesiumwerkstoffe. Magnesium gilt als besonders schwierig umformbar. Der Versuch Magnesiumwerkstoffe 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.Regardless of whether the components to be joined with coatings are equipped or not, is the manufacturability or quality of such Riveting, of course, also heavily dependent on which material the components consist of. To this extent critical, because difficult to convert materials include u. a. some for the Lightweight very significant aluminum alloys and magnesium materials. Magnesium is considered to be particularly difficult to form. The trial of magnesium materials by punch rivets without heating (crack-free) too connect, has always failed. Result when trying Punch rivet joints made of such materials is always one more or less pronounced cracking 1, as shown in Fig. 1 to recognize.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Nietverbindung 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. The invention is therefore based on the object, a method for Production of a riveted joint according to the preamble of the claim 1 in such a way that neither damage to the base material the components to be joined still arise, if any, that Component coatings are attacked.

Erfindungsgemäß gelingt dies mit einer Vorgehensweise gemäß Kennzeichen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche beanspruchen vorteilhafte Weiterbildungen.According to the invention, this is achieved by a procedure according to Characteristics of claim 1. Claim the subclaims advantageous developments.

So wurden beispielsweise bei der Anmelderin Untersuchungen an der Al-Legierung 6005 - 6007 durchgeführt, die überraschend erkennen ließen, daß mit dem neuartigen Herstellverfahren gleichwertige Festigkeitseigenschaften gegenüber dem bekannten Stand der Technik erzielbar sind. Gleichzeitig verringerte sich aber die Gefahr der Rißbildung des umgeformten Bauteilwerkstoffes im Bereich des Nietschaftes, so daß die Prozeßsicherheit des Verfahrens erhöht werden kann. Auch läßt sich eine wesentliche Verbesserung der Optik erzielen, so daß sich diese Verbindungstechnik ggf. auch bei Bauteilen einsetzen läßt, deren Fügestellen im Sichtbereich liegen (Fügetechnik als Designelement). Ungeachtet des fehlenden 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.For example, the Applicant has studied the Al alloy 6005-6007, which surprisingly revealed that with the novel manufacturing process equivalent strength properties can be achieved over the known prior art. simultaneously but reduced the risk of cracking of the reshaped Component material in the region of the rivet shank, so that the process reliability of the method can be increased. Also can be a significant improvement achieve the optics, so that this connection technology possibly also can be used for components whose joints lie within the field of view (joining technique as a design element). Notwithstanding the missing centric thorn in the template was sufficient in preparing the compound sufficient Spreading the rivet shank with thus adjusting undercut for optimizing the positive connection.

Nietverbindungen mit kugelabschnittförmigen Schließköpfen sind im Stand der Technik an sich bekannt (DE 196 32 238 A1). Dabei handelt es sich aber nicht um Nietverbindungen der anmeldungsgemäßen Art, sondern um Verbindungen, deren Herstellungsprozeß und deren Zusammenwirken der einzelnen Verbindungsbestandteile gänzlich anders gelagert sind. Eine Nietverbindung der anmeldungsgemäßen Art, bei der die Matrize in einer Ausführungsform (Fig. 13 - 15) keinen zentrischen Dorn aufweist, ist beispielsweise durch die südafrikanische Patentanmeldung ZA-A-91 08340 bekannt geworden.Rivet connections with spherical section closing heads are in the state the technique known per se (DE 196 32 238 A1). But that's it not rivet joints of the type according to the application, but order Compounds, their production process and their interaction individual connection components are stored completely differently. A Rivet of the type according to the application, in which the die in a Embodiment (Figures 13-15) has no central mandrel is for example, by the South African patent application ZA-A-91 08340 known become.

Aus den Fig. 9 und 12 dieser letztgenannten Patentanmeldung ist darüber hinaus ersichtlich, dass sich beim Nietsetzvorgang das sich werkzeugseitig abstützende untere Bauteil im wesentlichen kugelabschnittförmig auswölbt. Eine Matrize im eigentlichen Sinne wird dabei nicht verwendet, vielmehr handelt es sich um eine freie, an sich unkontrollierte Ausformung. Dies hat auch unmittelbar negative Auswirkungen auf den Niet-Setzvorgang dahingehend, dass ein zentrisches Eindringen des Nietes nicht gewährleistet ist. Weitere Probleme bei dieser Art und Weise des Setzen eines Nietes ergeben sich mit zunehmender Materialstärke (Dicke) der zu verbindenden Platinen bzw. bei Verwendung von Materialien mit höheren Festigkeiten. Bei der Freiverformung nach diesem Stand der Technik entsteht aufgrund der fehlenden Abstützung beim Setzen des Nietes keine an sich günstige Kaltverfestigung des Platinenmaterials.From Figs. 9 and 12 of this latter patent application is about In addition, it can be seen that in the rivet setting process, the tool side supporting lower component bulges essentially spherical section. A matrix in the true sense is not used, but rather it is a free, inherently uncontrolled formation. this has also directly negative effects on the rivet setting process to the effect that a central penetration of the rivet is not guaranteed is. Other problems with this way of setting a rivet arise with increasing material thickness (thickness) of the connected Boards or when using materials with higher strengths. at The free-forming according to this prior art is due to the lack of support when setting the rivet is not in itself favorable Hardening of the board material.

Die europäische Patentanmeldung 0129358 A2 verzichtet gänzlich auf eine Gravur im Gegenhalterwerkzeug.The European patent application 0129358 A2 dispenses entirely with a Engraving in the counter tool.

Das erfindungsgemäße Nietverfahren ist nachstehend beschrieben und in der zugehörigen Zeichnung gezeigt. Fig. 2 veranschaulicht die verfahrensgemäß hergestellte Nietverbindung. Die zur Herstellung verwendete Matrize 7 zeigt Fig. 3a. Die Figuren 3b und 3c zeigen alternative Matrizengeometrien 8, 9, die der Herstellung leicht modifizierter Nietverbindungen dienen.The riveting method according to the invention is described below and in shown in the accompanying drawing. Fig. 2 illustrates the according to the method produced rivet. The for the production used die 7 shows Fig. 3a. Figures 3b and 3c show alternative Die geometries 8, 9, the production of slightly modified rivet joints serve.

Gemäß Figur 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 Nietschaft 5 durchdringt die obere Blechplatine 2, dringt in die untere Blechplatine 3 ein, wird dabei deformiert und verdrängt den Bauteilwerkstoff der unteren Blechplatine 3 in eine hier nicht gezeigte kugelkalottenförmige Matrize hinein, so daß eine entsprechende kugelabschnittförmige Auswölbung 6 mit dem Radius R entsteht. Dabei hat sich als vorteilhaft erwiesen, im Übergangsbereich 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.2, an upper and a lower sheet metal plate 2, 3 are connected to each other in a manner known per se by means of a semi-tubular rivet 4 (geometry in the uninstalled initial state, eg according to EP 0675774 B1 or DE 197 01 150 A1) via its rivet shank 5. The rivet shank 5 penetrates the upper sheet metal blank 2, penetrates into the lower sheet metal blank 3, is deformed and displaces the component material of the lower sheet metal blank 3 into a spherical cap die, not shown here, so that a corresponding spherical segment shaped bulge 6 with the radius R is created. It has proved to be advantageous to provide in the transition region between spherical segment-shaped bulge 6 and the non-deformed surface portion of the lower sheet metal plate 3, a counter-directional curvature with the radius r. The depth of the bulge 6 is denoted by - t -. Adhering to the relationship W ≅ (R + r) 2 - (R - t + r) 2 (see Fig. 3a) flowing or tangential transitions of the radii R, r are achieved with each other or in the Matrizenseitige Blechplatinenoberfläche.

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 Matrizen-Auswölbung 6) bewährt: R: 10 bis 13 mm und t: 1,5 bis 1,75 mm.In tests with known steel punch rivets for connecting a Steel material DP 500 with an aluminum extruded profile have following dimensions of the spherical segment-shaped bulge 6 (and thus also dimensions of the die bulge 6) proven: R: 10 to 13 mm and t: 1.5 to 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 6 entstehen läßt, eignet sich insbesondere für duktilere Werkstoffe (z. B. Aluminium, Blechdicke < 1,5 mm).The die geometry according to FIG. 3 a for producing a correspondingly contoured spherical segment-shaped bulge 6 on the die-side component surface is particularly suitable for less ductile materials with ε <10% (eg magnesium). The die geometry according to FIG. 3b, in which the very small radius r = 0.5 mm only serves more or less to break the edge, is particularly suitable for ductile materials with ε> 10% (eg aluminum, Sheet thickness> 1.5 mm). In the die geometry according to Fig. 3c, the radius R initially passes into a further radius r ₁ , which in turn opens into the radius r (for example 0.5 mm). This matrix geometry, which gives rise to a more pronounced bulge 6, is particularly suitable for more ductile materials (eg aluminum, sheet metal thickness <1.5 mm).

Mit - Werkstoff - in der vorstehenden Bezugnahme auf die Figuren 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.With - Material - in the above reference to Figures 3a to 3c is meant the die-side board material. It is understood that the resting on it, punch-side board material of the same or different Can be kind. Possibly. This would also plastic in question. The nature of the stamp-sided board material is for the selection of Matrizengeometrie and thus for the contouring of the resulting Bulge 6 of not so crucial importance.

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.The invention is not limited to the use of semi-tubular rivets. In the same way, for. B. also punch rivets are used, whose respective rivet shank substantially as a continuous cylindrical tube, with or without radial wall, is formed, such. B. in DE 197 01 780 A1 described. Furthermore, in addition to the Stanznietverbindung another Adhesive connection of the components may be provided.

Claims

Method of producing a riveted joint, in which a rivet (4) acts at a connecting point on components (2, 3) that are to be connected, presses these into the curved recess (6) of a die (7, 8, 9), without penetrating through the component (3) lying on the die (7, 8, 9), but deforming the components (2, 3) in such manner that a positive connection results between the rivet (4) and the components (2, 3) that are to be connected, characterised by the utilisation of a die (7, 8, 9) having a curved recess (6) that is essentially in the shape of a segment of a sphere.
Method according to claim 1, characterised by the utilisation of a die (7, 8, 9) in which the curved recess (6) in the shape of a segment of a sphere is adjoined by a curve (radius = r) extending in the opposite direction.
Method according to claim 2, characterised by the relation W ≅ (R + r)2 - (R - t + r)2 wherein - t - represents the depth of the curved recess (6).
Method according to claim 2, characterised by the utilisation of a die (9) in which the radius R, which essentially determines the curved recess (6) having the shape of a segment of a sphere, is adjoined by a smaller radius r₁, extending in the same direction, which then merges into the radius r.
Method according to claim 1, characterised by the utilisation of a part tubular rivet (4) to produce the riveted joint.
Method according to claim 1, characterised by the utilisation of a tubular rivet, with or without radial partition, to produce the riveted joint.