WO2018177629A1 - Verfahren zum vorlochfreien fügen mindestens eines kunststoff-bauteils mit einem metallbauteil, bauteilverbund und stanznietwerkzeug - Google Patents

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Rainer Gschneidinger
Philipp Kuhnert-Fischer
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Definitions

  • the invention relates to a method for the pre-hole-free joining of at least one plastic component with a metal component, a composite component and a punch riveting tool.
  • stamp and die are in particular corresponding components of a riveting tool or so-called setting tool.
  • the Halbhohlstanzniet is pressed with the punch through the punch-side component, wherein the rivet intersects a passage opening in the punch-side component.
  • the rivet foot is pressed into the die-side component.
  • the die acts on the one hand as a counter-hard for receiving the setting forces and on the other hand serves to deform the rivet in the die-side component.
  • the rivet foot is anchored in a form-fitting manner in the die-side component.
  • the stamped slug punched out of the punch-side component remains inside the rivet shank.
  • lightweight structures are susceptible to contact corrosion due to the different electrical surface potentials of the materials used. This applies in particular to a composite component of aluminum and CFRP (carbon fiber reinforced plastics).
  • a Punch rivet is known in which in order to achieve improved strength and corrosion resistance a Nietfußabites exits the composite component and is bent inwards, whereby the punching is fixed inside the Nietfuß.
  • the object of the invention is to specify a possibility with which the joining of mixed structural joints is improved, in particular with regard to the strength and corrosion resistance of the obtained rivet joint, as well as a component composite produced by the process and a punch riveting tool suitable for the process.
  • a method for pre-hole-free joining of at least one plastic component with a metal component with the steps: Providing and fitting at least a first component and a second component,
  • the Nietfu completely penetrates the components to be joined and exiting the die-side component and a protruding from the components Nietfußendabites is bent inwardly on a guide surface of the die, so that the Punching is fixed in the rivet foot.
  • the geometry of the Nietfußes and the punching blade is designed so that spreads when expanding the rivet in the components to be joined, the Nietfuß or expands, so that the components are positively fixed to each other and against the rivet head in the manner of an undercut.
  • the exiting from the components end of the Nietfußes in turn is bent inwardly to the central longitudinal axis of the Halbholstanzniets, whereby the punched slug is held and fixed in Nietfuß.
  • the length of the Nietfußes is designed accordingly, whereby an adapted to the increase in volume reservoir is provided in which the punched slug can be safely stored in the rivet. A caused by internal pressure loss of the punching and a consequent loss of strength or corrosion problems are avoided. A particularly secure fixation of the stamped body can be achieved in one embodiment by the fact that the Nietfußende is only bent at the guide surface of the die when the rivet head is brought into contact with the punch side component. This ensures that the punching butt is absorbed as deeply as possible in the semi-hollow rivet.
  • the guide surface is formed by an end face of a Matrizenstempels and the Matrizenstkov, after the Nietfußende has pierced the components, is first moved away from the Nietfußende before the Nietfußende is bent inwards. This ensures that the Nietfußende remains free of force after exiting the matrizah structuralen component until the rivet head rests on the punch side component.
  • the Nietfußende is bent by the Matrizenstempel is moved in the direction of the Halbholhstanzniet, while the rivet head is fixed by the punch on the punch-side component.
  • the method preferably connects at least one plastic or FRP component and at least one metal component by means of the semi-hollow punch rivet.
  • the method if it is ⁇ component is in the plastic to an FRP component more preferably it may be a carbon fiber reinforced (CFRP) part, a glass fiber reinforced
  • CFRP carbon fiber reinforced
  • the plastic component or FRP component may in particular be a flat, sheet-like component
  • the metal component is, in particular, a sheet-metal shaped part, for example made of an aluminum or steel sheet, where it is can also be a casting or profile part.
  • the stamp-necked component is a plastic component or an FRP component and the die-side component is a metal component.
  • a component composite is specified, which is produced by the method according to the invention, whereby at least a first component and a second component are connected by means of a Halbhohlstanzniets, the components are completely penetrated by Nietfuß, and a Nietfußabêt, on the side facing away from the Nietkopf from the Part assembly emerges, is bent inwards, so that the punched joint is fixed in the rivet.
  • the component composite achieves the same technical effects and advantages as described for the method.
  • the invention relates to a riveting tool for pre-hole-free joining of at least two components by introducing a Halbholstanzniets with a rivet head and a molded Nietfuß formed thereon with Nietfußende designed as a cutting edge, with a hold-down and a die, between which the components can be fixed with a clamping force.
  • the riveting tool further comprises a punch which drives the rivet foot into the components in a cutting phase and brings the rivet head into contact with the punch-side component.
  • the punch is movable relative to the hold-down device and the die.
  • the die in the region of the exit of the Nietfuß from the components on a guide surface which is inclined to the central longitudinal axis of the rivet that by a linear Aufggeride the guide surface on the Nietfuß this along the guide surface inwardly towards the central longitudinal axis of the Halbholstanzniets bendable is.
  • the die has a counter-holder and a die die, which is movable relative to the counter-holder in the longitudinal direction of the rivet and the guide surface is formed by an end face of the die-stamp.
  • the counterholder is designed as an abutment to the clamping force applied by the hold-down device.
  • the riveting tool further comprises a control device which is set up to move the die punch both independently of the punch and to move simultaneously with the punch in the same direction.
  • the control device makes it possible, in particular, for the rivet foot end to remain force-free after the components have been pierced until the rivet head has been brought into contact with the component and only subsequently bent inwards.
  • the punch riveting tool is used to carry out the method described above, with the same technical effects and advantages as described for the method according to the invention.
  • Figures 1 to 5 are sectional views for explaining an exemplary method with exemplary riveting tool at different times of the method
  • FIG. 6 shows a component assembly produced by the method.
  • a first component 1 in the form of a CFRP component and a second component 2 in the form of a metal component are placed against one another in the joining region and inserted into a punch riveting tool 3.
  • the punch riveting tool has on one side a cylindrical punch 4 and a hold-down 5, which surrounds the punch 4 in the circumferential direction at least partially.
  • the stamp 4 and the Matrizenstempel 7 are opposite to each other, as well as the hold-5 and the counter-holder 8 are arranged opposite to each other.
  • a Halbhohlstanzniet 9 to be introduced into the components is inserted into the riveting tool 3. This can e.g. done in a known manner via an automatic rivet feed.
  • the Halbhohlstanzniet 9 is formed as a one-piece, metallic rivet and has a rivet head 10 and a molded thereon Nietfuß 1 1.
  • the Nietfuß 11 is formed in the manner of a hollow cylinder with a circumferential, closed cylinder wall.
  • the free end of the Nietfuß is formed as a punching blade 12, for which purpose the wall thickness of the Nietfußes 11 tapers towards the end.
  • FIG. 1 shows the components 1, 2 and the riveting tool 3 at the beginning of the actual riveting operation.
  • the half-hollow punch rivet is located on the punch side in the riveting tool 3 and with its punching blade 12 on the plastic component 1.
  • the components 1, 2 are fixed and supported by the hold-down 5 and the opposing counter-holder 8.
  • the components 1, 2 are additionally supported by the die die 7, for which purpose it is brought into contact with the metal component 2 with a support section 13 of its end face.
  • the support section 13 is formed in a central region of the end face.
  • the punch 4 is moved linearly in the direction of the components, whereby the Halbhohlstanzniet 9 with its Nietfußende or the punching blade 12 cuts into the adjacent plastic component 1 and this cut as shown in Figure 2.
  • the arrow indicates the direction of movement of the stamp.
  • the punching process destroys the structure of the fiber composite plastic. This results in an increase in volume of the punched Butzens the plastic component, which is problematic in conventional riveted joints.
  • the resulting plastic fuel rod is received in the cavity formed by the rivet base 11 in the interior of the half-hollow rivet 9.
  • the hollow hollow punch rivet 9 is further driven into the components 1, 2 and cuts into the second component 2 and cuts it completely.
  • the rivet head 10 is not yet on the Kunststoffstotfbauteil or first component 1.
  • the components 1, 2 are supported during the driving of the rivet 9 by the support portion 13 of the die.
  • the support portion 13 serves as an abutment for the force introduced by the Haibhohlstanzniet 9 and the punch 4.
  • the support section 13 holds the stamped slug in place, whereby it is displaced in the direction of the rivet head 10 as the semi-hollow punch rivet advances.
  • the punch 4 is moved further in the direction of the components 1, 2 until the rivet head 10 comes into contact with the plastic component or the first component 1.
  • the matrix punch 7 moves linearly away from the components 1, 2 and the hollow hollow punch rivet 9.
  • the Matrizenstempe! 7 is moved back so fast and so far from the components 1, 2 that after piercing the components 1, 2 as long as no further force on the Nietfußende or the punch blade 12 acts until the rivet with its rivet head in contact with the plastic component brought is.
  • the die punch 7 is moved to the same extent, ie, at the same speed and by the same distance, as the punch 4 of the riveting tool 3.
  • the Halbholstanzniet 9 is as shown in Figure 4, with its rivet head 10 on the plastic component 1 and the Nietfußende protrudes through the components to be joined and in the longitudinal direction of the Halbhohlstanzniets 9 beyond the punching out 14th
  • the geometry of the Nietfu ßes 1 1 and in particular the cutting edge 12 is chosen so that the Nietfuß 1 1 expands with increasing penetration into the components 1, 2 or spreads.
  • a first undercut 15 is formed, which extends through both components 1, 2 passes through this form-fitting manner.
  • the stamped by the Halbhohlstanzniet 9 punched slug 14 now includes punched material of the plastic component and the metal component.
  • the length of the Nietfußes 11 is designed so that the protruding from the components 1, 2 Nietfu lordabites 16 can be subsequently bent inward and the punching slug 14 securely fixed to the rivet 9.
  • the die punch 7 is moved in the direction of the components 1, 2, during the Stamp 4 remains in its position and the rivet head 10 is fixed on the plastic component 1.
  • the die punch 7 reaches the face side with a guide surface 17 in contact with the rivet foot end or the punch cutting edge 12.
  • the guide surface 16 is inclined inwards relative to the longitudinal axis of the die punch 7. If now the die ram 7 is further displaced in the direction of the components 1, 2, the guide surface 17 guides the rivet foot resting on it inwards and causes the rivet foot end portion 16 to bend inward.
  • the guide surface 17 extends below the punched slug 14, so that the rivet foot surrounds the punched slug 14 and is fixed in the semi-hollow punch rivet 9.
  • the riveting tool 3 includes other components, not shown, with which e.g. the movement of the blank holder 5, the punch 4 and the die punch 7 can be generated. This can be done, for example, by those skilled in conventional riveting known hydraulic or servo-motor actuators.
  • the dummy tool has a control device 18, which is set up to coordinate the movement of the punch 4 and the die punch 7 and, in particular, to move the punch 4 and the die punch 7 as described above.
  • the control device 18 may also control the movement of the hold-down 5.
  • FIG. 6 shows the resulting component composite in which the plastic component 1 and the metal component 2 are riveted by means of the half-holed rivet 9, the components 1, 2 being completely penetrated by the rivet base 11.
  • a Nietfußabterrorism protrudes from the components 1, 2 and is bent inwards, so that the punched slug 14 is fixed in Nietfuß 1 1.
  • the rivet foot 11 has a first undercut 15 which fixes the components 1, 2 to the rivet head 10 and a second undercut 19, which runs counter to the first undercut 15 and which holds the stamped joint.
  • the method and punch riveting tool according to the invention makes it possible to produce a stamped rivet joint which provides sufficient clearance to accommodate the destroyed FRP fibers. Corrosion problems caused by exposed fibers in connection with the mating part can be reduced or avoided altogether.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Connection Of Plates (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum vorlochfreien Fügen von wenigstens einem Kunststoffbauteil mit einem Metallbauteil mit den Schritten: - Bereitstellen und Aneinandersetzen von wenigstens einem ersten Bauteil (1) und einem zweiten Bauteil (2), - Aufsetzen eines Nietwerkzeugs (3) auf den Bauteilen, wobei die Bauteile (1,2) zwischen einem Niederhalter (5) und einer Matrize (6) des Nietwerkzeugs (3) fixiert werden, - Eintreiben eines Halbhohlstanzniets (9) mittels eines Stempels (4) des Nietwerkzeugs (3) in die Bauteile (1, 2), wobei ein als Stanzschneide (12) ausgebildetes Nietfußende in die Bauteile (1, 2) einschneidet, dadurch gekennzeichnet, dass - beim Eintreiben des Halbhohlstanzniets (9) der Nietfuß (11) die zu fügenden Bauteile (1, 2) vollständig durchdringt und aus dem matrizenseitigen Bauteil (2) austritt und - ein Nietfußendabschnitt (16) an einer Führungsfläche (17) der Matrize (6) nach innen umgebogen wird, so dass der Stanzbutzen (14) im Nietfuß (11) fixiert wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum vorlochfreien Fügen mindestens eines Kunststoff-Bauteils mit einem Metallbauteil, Bauteilverbund und Stanznietwerkzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das vorlochfreie Fügen mindestens eines Kunststoff-Bauteils mit einem Metallbauteil, einen Bauteilverbund und ein Stanznietwerkzeug.
Beim vorlochfreien Fügen mittels Halbhohlstanzniet werden die dauerhaft miteinander zu verbindenden Bauteile an der Fügestelle zwischen einem Einpressstempel und einer Matrize positioniert. Stempel und Matrize sind insbesondere korrespondierende Komponenten eines Nietwerkzeugs oder sogenannten Setzgeräts. Der Halbhohlstanzniet wird mit dem Stempel durch das stempelseitige Bauteil gedrückt, wobei der Niet eine Durchgangsöffnung in das stempelseitige Bauteil schneidet. Im weiteren Fügevorgang wird der Nietfuß in das matrizenseitige Bauteil eingepresst. Die Matrize wirkt einerseits als Gegen harter zur Aufnahme der Setzkräfte und dient andererseits dazu, den Niet im matrizenseitigen Bauteil zu verformen. Üblicherweise wird der Nietfuß formschlüssig im matrizenseitigen Bauteil verankert. Der aus dem stempelseitigen Bauteil ausgestanzte Stanzbutzen verbleibt im Inneren des Nietschafts.
Im Automobilbau finden im Rahmen des Leichtbaus zunehmend Mischbauverbindungen Verwendung, in denen Bauteile aus Kunststoffen mit Metallbauteilen verbunden sind. Wird als Kunststoff-Bauteil ein Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff (FVK-Bauteil) verwendet und ein solcher Bauteilverbund mittels Halbhohlstanzniet gefügt, so ergeben sich besondere Anforderungen an den Niet und die Nietverbindung. Durch die partielle Zerstörung der Faserverbundstru ktu r im ausgestanzten Bereich kommt es zu einer Volumenzunahme, welche einen erhöhten Innendruck im Niet bewirkt. Es besteht wenig Hinterschnitt und somit wenig Verbindungsfestigkeit.
Weiterhin sind Leichtbaustrukturen aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Oberflächenpotenziale der verwendeten Materialien anfällig für Kontaktkorrosionsvorgänge. Dies gilt insbesondere für einen Bauteilverbund aus Aluminium und CFK (kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen).
Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10201621 1550.2 ist eine Stanznietverbindung bekannt, bei der zur Erzielung einer verbesserten Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit ein Nietfußabschnitt aus dem Bauteilverbund austritt und nach innen umgebogen ist, wodurch der Stanzbutzen im Inneren des Nietfuß fixiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, mit dem das Fügen von Mischbauverbindungen insbesondere hinsichtlich der Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit der erzielten Stanznietverbindung verbessert ist so- wie.ein mit dem Verfahren hergestellten Bauteilverbund und ein für das Verfahren geeignetes Stanznietwerkzeug.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Stanznieten gemäß Patentanspruch 1 , einen Bauteilverbund nach Patentanspruch 7 und ein Stanznietwerkzeug gemäß Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Verfahren angegeben zum vorlochfreien Fügen von wenigstens einem Kunststoffbauteil mit einem Metallbauteil mit den Schritten: - Bereitstellen und Aneinandersetzen wenigstens eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils,
- Aufsetzen eines Nietwerkzeugs auf den Bauteilen, wobei die Bauteile zwischen einem Niederhalter und einer Matrize mit einer Klemmkraft fixiert werden,
- Eintreiben eines Halbhohlstanzniets mittels eines Stempels des Nietwerkzeugs in das erste und zweite Bauteil, wobei ein als Stanzschneide ausgebildetes Nietfußende in die Bauteile einschneidet.
Erfindungsgemäß wird der Halbhohlstanzniet bis zur Auflage des Nietkopfs auf dem stempelseitigen Bauteil eingetrieben, wobei der Nietfu die zu fügenden Bauteile vollständig durchdringt und aus dem matrizenseitigen Bauteil austritt und ein aus den Bauteilen ragender Nietfußendabschnitt an einer Führungsfläche der Matrize nach innen umgebogen wird, so dass der Stanzbutzen im Nietfuß fixiert wird.
Durch das Eintreiben des Halbhohlstanzniets wird ein Abschnitt der Bauteile, der auch als Stanzbutzen bezeichnet wird, ausgestanzt. Vorzugsweise ist die Geometrie des Nietfußes und der Stanzschneide so gestaltet, dass sich beim Einpressen des Niets in die zu fügenden Bauteile der Nietfuß aufspreizt bzw. aufweitet, so dass die Bauteile in der Art einer Hinterschneidung zueinander und gegen den Nietkopf formschlüssig fixiert werden. Das aus den Bauteilen austretende Ende des Nietfußes wiederum wird nach innen zur Mittenlängsachse des Halbholstanzniets umgebogen, wodurch der Stanzbutzen im Nietfuß gehalten und fixiert wird. Die Länge des Nietfußes wird entsprechend ausgelegt, wodurch ein an die Volumenzunahme angepasstes Reservoir bereitgestellt wird, in dem der Stanzbutzen sicher im Niet verwahrt werden kann. Ein durch Innendruck herbeigeführter Verlust des Stanzbutzens und eine daraus resultierende Festigkeitsabnahme oder Kcrrosionsprobleme werden sicher vermieden. Eine besonders sichere Fixierung des Stanzbutzens kann in einer Ausgestaltung dadurch erreicht werden, dass das Nietfußende an der Führungsfläche der Matrize erst umgebogen wird, wenn der Nietkopf in Anlage mit dem stempelseitigen Bauteil gebracht ist. Somit wird erreicht, dass der Stanzbut- zen möglichst tief im Halbhohlstanzniet aufgenommen wird.
Für die Ausbildung der Nietverbindung und die Aufspreizung des Nietfußes innerhalb der Bauteile vorteilhaft ist es, wenn die Führungsfläche durch eine Stirnfläche eines Matrizenstempels gebildet wird und der Matrizenstempel, , nachdem das Nietfußende die Bauteile durchstoßen hat, zunächst von dem Nietfußende weg verfahren wird, bevor das Nietfußende nach innen umgebogen wird. Hierdurch wird erreicht, dass das Nietfußende nach dem Austreten aus dem matrizehseitigen Bauteil kraftfrei verbleibt, bis der Nietkopf auf dem stempelseitigen Bauteil aufliegt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Nietfußende umgebogen, indem der Matrizenstempel in Richtung auf den Halbholhstanzniet verfahren wird, während der Nietkopf durch den Stempel an dem stempelseitigen Bauteil fixiert wird. Durch diese Verfah'rensführung wird der Stanzbutzen optimal in den Hohlraum des Halbholstanzniets eingepresst und in diesem fixiert.
Mit dem Verfahren werden vorzugsweise mindestens ein Kunststoff- oder FVK-Bauteil und mindestens ein Metallbauteil mittels des Halbhohlstanzniets verbunden. Es können jedoch auch mehrere Kunststoff- oder FVK-Bauteile und oder Metallbauteile in beliebiger Schichtung verbunden werden.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn es sich bei dem Kunststoff- ■ Bauteil um ein FVK-Bauteil handelt, besonders bevorzugt kann es sich um ein kohlenstofffaserverstärktes (CFK-) Bauteil, ein glasfaserverstärktes (GFK-) Bauteil oder ein aramidfase (verstärktes Bauteil handelt. Bei dem Kunststoff- oder FVK-Bauteil kann es sich insbesondere um ein flächiges, blechartiges Bauteil handeln. Das Metallbauteil ist insbesondere ein Blechformteil, z.B. aus einem Aluminium- oder Stahlblech, wobei es sich auch um ein Gußteil oder Profilteil handeln kann.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das stempelseittge Bauteil ein Kunststoff - bauteil oder ein FVK-Bauteil und das matrizenseitige Bauteil ein Metallbauteil ist.
Weiterhin wird eine Bauteilverbund angegeben, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, wodurch zumindest ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil mittels eines Halbhohlstanzniets verbunden sind, die Bauteile vom Nietfuß vollständig durchdrungen sind, und ein Nietfußabschnitt, der auf der dem Nietkopf abgewandten Seite aus dem Bauteilverbund austritt, nach innen umgebogen ist, so dass der Stanzbutzen im Nietfuß fixiert ist. Der Bauteilverbund erzielt dieselben technischen Wirkungen und Vorteile wie zum Verfahren beschrieben.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Nietwerkzeug zum vorlochfreien Fügen von mindestens zwei Bauteilen durch Einbringen eines Halbholstanzniets mit einem Nietkopf und einem daran angeformten Nietfuß mit als Schneidkante ausgebildetem Nietfußende, mit einem Niederhalter und einer Matrize, zwischen denen die Bauteile mit einer Klemmkraft fixierbar sind. Bei geschlossenem Nietwerkzeug werden die zu vernietenden Bauteile zwischen dem Niederhalter und der Matrize eingeklemmt und fixiert. Das Nietwerkzeug umfasst weiterhin einen Stempel, welcher den Nietfuß in einer Schneidphase in die Bauteile eintreibt und den Nietkopf in Anlage mit dem stempelseitigen Bauteil bringt. Hierzu ist der Stempel gegenüber dem Niederhalter und der Matrize verfahrbar. Neben dem Fixieren der Bauteile kommt der Matrize zudem die Aufgabe zu, den Nietfuß nach dem Austritt aus den Bauteilen nach innen umzuformen und so den Stanzbutzen zu fixieren. Hierzu weist die Matrize im Bereich des Austritts des Nietfuß aus den Bauteilen eine Führungsfläche auf, welche derart zur Mittenlängsachse des Niets geneigt ist, dass durch ein lineares Aufeinanderzuführen der Führungsfläche auf den Nietfuß dieser entlang der Führungsfläche nach innen in Richtung auf die Mittenlängsachse des Halbholstanzniets umbiegbar ist.
Als besonders vorteilhaft zur Erzielung einer hohen Verbindungsfestigkeit ist eine Ausgestaltung, bei der die Matrize einen Gegenhalter und einen Matrizenstempel aufweist, der gegenüber dem Gegenhalter in Längsrichtung des Niets verfahrbar ist und die Führungsfläche durch eine Stirnseite des Matrizenstempels gebildet ist. Der Gegenhalter ist als Gegenlager zu der vom Niederhalter aufgebrachten Klemmkraft konzipiert. So kann das Umbiegen des Nietfußes erfolgen, während die Bauteile weiterhin mit einer definierten Klemmkraft zwischen Niederhalter und Gegenhalter fixiert werden. Der Antrieb des Matrizenstempels kann in analoger Weise realisiert werden, wie dies von herkömmlichen Stempeln in Nietwerkzeugen bekannt ist.
In einer Ausgestaltung umfasst das Nietwerkzeug weiterhin eine Steuerungsvorrichtung, die eingerichtet ist um den Matrizenstempel sowohl unabhängig vom Stempel zu verfahren als auch zeitgleich und richtungsgleich mit dem Stempel zu verfahren. Die Steuerungsvorrichtung ermöglicht es insbesondere, dass das Nietfußende nach dem Durchstoßen der Bauteile zunächst kraftfrei bleibt, bis der Nietkopfs in Anlage mit den Bauteil gebracht ist und erst anschließend nach innen umgebogen wird. Bevorzugt wird das Stanznietwerkzeug verwendet, um das voranstehend beschriebene Verfahren durchzuführen, wobei dieselben technischen Wirkungen und Vorteile erreicht werden, wie sie zum erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden
Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
Figuren 1 bis 5 Schnittansichten zur Erläuterung eines beispielhaften Verfahrens mit beispielhaftem Nietwerkzeug zu verschiedenen Zeitpunkten des Verfahrens und
Figur 6 einen mit dem Verfahren hergestellten Bauteiiverbund.
Zum vorlochfreien Fügen mittels Halbhohlstanzniet entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein erstes Bauteil 1 in Form eines CFK- Bauteils und ein zweites Bauteil 2 in Form eines Metallbauteils im Fügebereich aneinander gesetzt und in ein Stanznietwerkzeug 3 eingelegt. Das Stanznietwerkzeug weist auf der einen Seite einen zylinderförmigen Stempel 4 und einen Niederhalter 5 auf, der den Stempel 4 in Umfangsrichtung zu- · mindest teilweise umgibt. Auf der anderen Seite weist das Stanznietwerkzeug eine Matrize 6 auf, die als zweigeteilte Matrize ausgeführt ist mit einem zylinderförmigen Matrizenstempel 7 und einem feststehenden Gegenh alter 8, der den Matrizenstempel 7 umfangsseitig umgibt. Der Stempel 4 und der Matrizenstempel 7 liegen einander gegenüber, ebenso sind der Niederhalter 5 und der Gegenhalter 8 einander gegenüberliegend angeordnet.
Durch Absenken des Niederhalters 4 auf die Bauteilel , 2 (angedeutet durch die Pfeile in Figur 1) werden die Bauteile 1 , 2 zwischen dem Niederhalter 4 und dem Gegenhalter 8 eingeklemmt und mit einer definierten Klemmkraft gehalten.
Ein in die Bauteile einzubringender Halbhohlstanzniet 9 ist in das Nietwerkzeug 3 eingelegt. Dies kann z.B. in bekannter Art und Weise über eine automatische Nietzuführung erfolgen. Der Halbhohlstanzniet 9 ist als einstückiger, metallischer Niet ausgebildet und weist einen Nietkopf 10 auf und einen daran angeformten Nietfuß 1 1. Der Nietfuß 11 ist in der Art eines Hohlzylinders ausgebildet mit einer umlaufenden, geschlossenen Zylinderwand. Das freie Ende des Nietfuß ist als Stanzschneide 12 ausgebildet, wozu sich die Wandstärke des Nietfußes 11 zum Ende hin verjüngt.
Figur 1 zeigt die Bauteile 1 , 2 und das Nietwerkzeug 3 zu Beginn des eigentlichen Nietvorgangs. Der Halbhohlstanzniet liegt stempelseitig in dem Nietwerkzeug 3 und mit seiner Stanzschneide 12 auf dem Kunststoffbauteil 1 auf. Die Bauteile 1 , 2 sind durch den Niederhalter 5 und den gegenüberliegenden Gegenhalter 8 fixiert und gestützt. Auf der dem Stempel 4 gegenüberliegenden Seite werden die Bauteile 1 , 2 zusätzlich durch den Matrizenstempel 7 gestützt, wozu dieser mit einem Stützabschnitt 13 seiner Stirnfläche in Anlage mit dem Metallbauteil 2 gebracht wird. Der Stützabschnitt 13 ist in einem mittleren Bereich der Stirnfläche ausgebildet.
Nun wird der Stempel 4 linear in Richtung auf die Bauteile zubewegt, wodurch der Halbhohlstanzniet 9 mit seinem Nietfußende bzw. der Stanzschneide 12 in das angrenzende Kunststoffbauteil 1 einschneidet und dieses durchtrennt, wie in Figur 2 dargestellt. Der Pfeil deutet die Bewegungsrichtung des Stempels an. Durch den Stanzvorgang wird die Struktur des Faser- verbundkunststoffs zerstört. Hieraus resultiert eine Volumenzunahme des ausgestanzten Butzens des Kunststoff-Bauteils, welche bei herkömmlichen Nietverbindungen problematisch ist. Der entstehende Ku nststof f -Stan zbutze n wird in dem durch den Nietfuß 11 gebildeten Hohlraum im Inneren des Halb- hohlstanzniets 9 aufgenommen.
Durch eine weitere Zustellbewegung des Stempels 4 (s. Figur 3) wird der Haibhohlstanzniet 9 weiter in die Bauteile 1 , 2 eingetrieben und schneidet in das zweite Bauteil 2 ein und durchschneidet es vollständig. Zu dem Zeitpunkt, wenn die Stanzschneide 12 aus dem zweiten Bauteil 2 austritt, liegt der Nietkopf 10 noch nicht auf dem Kunststotfbauteil bzw. ersten Bauteil 1 auf.
Die Bauteile 1 , 2 werden während des Eintreibens des Niets 9 durch den Stützabschnitt 13 der Matrize gestützt. Hierdurch wird einer Verformung der Bauteile entgegenwirkt, der Stützabschnitt 13 dient als Gegenlager für die durch den Haibhohlstanzniet 9 und den Stempel 4 eingebrachte Kraft. Zudem hält der Stützabschnitt 13 den Stanzbutzen an seinem Platz, wodurch dieser mit fortschreitendem Einpressen des Halbhohlstanzniets in Richtung auf den Nietkopf 10 verschoben wird.
Im weiteren Verfahrensablauf wird der Stempel 4 weiter in Richtung auf die Bauteile 1 , 2 bewegt, solange bis der Nietkopf 10 in Anlage mit dem Kunst- stoffbauteil bzw. dem ersten Bauteil 1 gelangt. Während dieses Vorgangs wird jedoch, sobald der Haibhohlstanzniet 9 das untere Bauteil 2 durchschnitten hat, der Matrizenstempel 7 linear von den Bauteilen 1 , 2 und dem Haibhohlstanzniet 9 weg bewegt. In diesem Verfahrensabschnitt erfolgt die Bewe- gung von Stempel 4 und Matrizenstempel 7 in dieselbe Richtung. Der Matri- zenstempe! 7 wird so schnell und so weit von den Bauteilen 1 , 2 zurückbewegt, dass nach dem Durchstoßen der Bauteile 1 , 2 solange keine weitere Kraft mehr auf das Nietfußende bzw. die Stanzschneide 12 wirkt, bis der Niet mit seinem Nietkopf in Anlage mit dem Kunststoffbauteil gebracht ist. Hierdurch wird verhindert,' dass sich der Nietfuß 1 1 unkontrolliert oberhalb des Kunststoff bauteils 1 verformt. Vorzugsweise wird der Matrizenstempel 7 in diesem Verf ahrensabsch nitt im gleichen Maße, d.h. mit derselben Geschwindigkeit und um dieselbe Strecke, bewegt wie der Stempel 4 des Nietwerkzeugs 3.
Zum Ende dieses Verfahrensabschnitts liegt der Halbholstanzniet 9 wie in Figur 4 gezeigt, mit seinem Nietkopf 10 auf dem Kunststoffbauteil 1 auf und das Nietfußende ragt durch die zu verbindenden Bauteile hindurch und in Längsrichtung des Halbhohlstanzniets 9 über den Stanzbutzen hinaus 14.
Die Geometrie des Nietfu ßes 1 1 und insbesondere der Schneidkante 12 ist dabei so gewählt, dass sich der Nietfuß 1 1 mit fortschreitendem Eindringen in die Bauteile 1 , 2 aufweitet bzw. aufspreizt. Hierbei bildet sich ein erster Hinterschnitt 15 aus, der durch beide Bauteil 1 , 2 hindurch reicht diese formschlüssig fixiert. Der vom Halbhohlstanzniet 9 ausgestanzte Stanzbutzen 14 umfasst nun ausgestanztes Material des Kunststoff bauteils sowie des Metallbauteils.
Die Länge des Nietfußes 11 ist so konzipiert, dass der aus den Bauteilen 1 , 2 hinausragende Nietfu ßendabschnitt 16 nachfolgend nach innen umgebogen werden kann und den Stanzbutzen 14 sicher am Niet 9 fixiert.
Dies geschieht in einem nachfolgenden Verfahrensabschnitt, indem der Matrizenstempel 7 in Richtung auf die Bauteile 1 , 2 verfahren wird, während der Stempel 4 in seiner Position verbleibt und den Nietkopf 10 auf dem Kunststoffbauteil 1 fixiert. Durch die Bewegung des Matrizenstempels 7 gelangt der Matrizenstempel 7 stirnseitig mit einer Führungsfläche 17 in Kontakt mit dem Nietfußende bzw. der Stanzschneide 12. Die Führungsfläche 16 ist in Bezug auf die Längsachse des Matrizenstempels 7 nach innen geneigt. Wird nun der Matrizenstempel 7 weiter in Richtung auf die Bauteile 1 , 2 verschoben, so führt die Führungsfläche 17 den auf ihr aufliegenden Nietfuß nach innen und bewirkt ein Umbiegen des Nietfußendabschnitts 16 nach innen. Die Führungsfläche 17 erstreckt sich bis unterhalb des Stanzbutzen 14, so dass der Nietfuß den Stanzbutzen 14 umgreift und im Halbhohlstanzniet 9 fixiert.
Das Nietwerkzeug 3 beinhaltet weitere nicht dargestellte Komponenten, mit denen z.B. die Bewegung des Niederhalters 5, des Stempels 4 und des Matrizenstempels 7 erzeugt werden kann. Dies kann beispielsweise durch, dem Fachmann aus herkömmlichen Nietwerkzeugen bekannte, hydraulische oder servomotorische Stellglieder erfolgen.
Weiterhin weist das Niotwerkzeug eine Steuerungsvorrichtung 18 auf, die eingerichtet ist, um die Bewegung des Stempels 4 und des Matrizenstempels 7 zu koordinieren und insbesondere den Stempel 4 und den Matrizenstempel 7 wie voranstehend beschrieben zu bewegen. Die Steuerungsvorrichtung 18 kann ebenso die Bewegung des Niederhalters 5 steuern.
Nach Abschluss des Nietvorgangs wird das Nietwerkzeug 3 geöffnet und der Bauteilverbund entnommen. Figur 6 zeigt den resultierenden Bauteilverbund, bei dem das Kunststoff-Bauteil 1 und das Metallbauteil 2 mittels des Halb- hohlstanzniets 9 vernietet sind, wobei die Bauteile 1 , 2 vom Nietfuß 11 vollständig durchdrungen sind. Auf der dem Nietkopf 10 abgewandten Seite ragt ein Nietfußabschnitt aus den Bauteilen 1 , 2 heraus und ist nach innen umgebogen, so dass der Stanzbutzen 14 im Nietfuß 1 1 fixiert ist. Der Nietfuß 11 weist einen ersten Hinterschnitt 15 auf, der die Bauteile 1 , 2 zum Nietkopf 10 fixiert und einen dem ersten Hinterschnitt 15 gegenläufigen zweiten Hinterschnitt 19, der den Stanzbutzen hält.
Das erfindungsgemäße Verfahren und Stanznietwerkzeug ermöglicht es, einen Stanznietverbund herzustellen, der ausreichend Freiraum bietet, um die zerstörten FVK-Fasern aufzunehmen. Korrosionsprobleme durch offenliegende Fasern in Verbindung mit dem Partnerfügeteil können reduziert bzw. gänzlich vermieden werden.
In den Figuren wird das Verfahren beispielhaft anhand von zwei zu verbindenden Bauteilen erläutert. Jedoch können mit dem Verfahren mehr als die gezeigten zwei Bauteile miteinander verbunden werden. Ebenso können andere Materialien oder Schichtungen der Bauteile als in Figur 1 dargestellt verwendet werden.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
Bezugszeichenliste
1 Bauteil
2 Bauteil
3 Stanznietwerkzeug
4 Stempel
5 Niederhalter
6 Matrize
7 Matrizenstempel
Gegen halter
9 Halbhohlstanzniet
10 Nietkopf
1 1 Nietfuß
12 Stanzschneide
13 Stützabschnitt
14 Stanzbutzen
5 Hinterschnitt
16 Nietfußendabschnitt 7 Führuhgsfläche 8 Steuerungsvorrichtung 9 Hinterschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum vorlochfreien Fügen von wenigstens einem Kunststoff- bauteil mit einem Metallbauteil mit den Schritten:
Bereitstellen und Aneinandersetzen von wenigstens einem ersten Bauteil (1 ) und einem zweiten Bauteil (2),
Aufsetzen eines Nietwerkzeugs (3) auf den Bauteilen, wobei die Bauteile (1 , 2) zwischen einem Niederhalter (5) und einer Matrize (6) des Nietwerkzeugs (3) fixiert werden,
Eintreiben eines Halbhohlstanzniets (9) mittels eines Stempels (4) des Nietwerkzeugs (3) in die Bauteile (1 , 2), wobei ein als Stanzschneide (12) ausgebildetes Nietfußende in die Bauteile (1 , 2) einschneidet,
dadurch gekennzeichnet, dass
beim Eintreiben des Halbhohlstanzniets (9) der Nietfuß (11 ) die zu fügenden Bauteile (1 , 2) vollständig durchdringt und aus dem matrizenseitigen Bauteil (2) austritt und
ein Nietfu ßendabschnitt (16) an einer Führungsfläche (17) der Matrize (6) nach innen umgebogen wird, so dass der Stanzbutzen ( 4) im Nietfu (11 ) fixiert wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Nietfu ßendabschnitt (16) an der Führungsfläche (17) der Matrize (6) erst umgebogen wird, wenn der Nietkopf (10) in Anlage mit dem stempelseitigen Bauteil (2) gebracht ist.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Führungsfläche (17) durch eine Stirnfläche eines Matrizenstempels (7) gebildet wird und der Matrizenstempel (7), nachdem das Nietfußende die Bauteile durchstoßen hat, zunächst von dem Nietfußende weg verfahren wird, bevor das Nietfußende nach innen umgebogen wird..
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Nietfußende umgebogen wird, indem der Matrizenstempel (7) in Richtung auf den Halbhohlstanzniet (9) verfahren wird, während der Nietkopf (10) durch den Stempel (4) auf dem stempeiseitigen Bauteil (1) fixiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Faserverbundkunststoff-Bauteil und ein Metallbauteil miteinander verbunden werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das stempelseitige Bauteil ein Kunststoffbauteil oder ein FVK-Bauteil ist.
7. Bauteil verbünd hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6,
bei dem zumindest ein erstes Bauteil (1 ) und ein zweites Bauteil (2) mittels eines Halbhohlstanzniets (9) verbunden sind,
die. Bauteile (1 , 2) vom Nietfuß (1 1 ) des Halbhohlstanzniets (9) vollständig durchdrungen sind, und
ein Nietfußendabschnitt (16), der auf der dem Nietkopf (10) abgewandten Seite aus dem Bauteilverbund austritt, nach innen umgebogen ist, so dass der Stanzbutzen (14) im Nietfuß (1 1 ) fixiert ist.
8. Nietwerkzeug (3) zur vorlochfreien Fügen von mindestens zwei Bauteilen durch Einbringen eines Halbholstanzniets (9) mit einem Niotkopf (10) und einem daran anschließenden Nietfu (11) mit als Schneidkante (12) ausgebildetem Nietfußende, mit:
einem Niederhalter (5) und einer Matrize (6), zwischen denen die Bauteile (1 , 2) mit einer Klemmkraft fixierbar sind,
einem Stempel (4), welcher den Nietfuß in einer Schneidphase in die Bauteile (1 , 2) eintreibt und den Nietkopf (10) in Anlage mit dem stempelseitigen Bauteil (1 ) bringt, wobei
die Matrize (6) im Bereich des Austritts des Nietfuß (11 ) aus dem matrizen- seitigen Bauteil (2) eine Führungsfläche (17) aufweist, die so zur Mittenlängsachse des Niets geneigt ist, dass durch ein lineares Aufeinanderzuführen der Führungsfläche (17) auf den Nietfuß dieser entlang der Führungsfläche (17) nach innen in Richtung auf die Mittenlängsachse des Halbholstanzniets umbiegbar ist.
9. Nietwerkzeug nach Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Matrize (6) einen Gegenhalter (8) und einen Matrizenstempel (7) aufweist, der gegenüber dem Gegenhalter in Längsrichtung des Niets verfahrbar ist und die Führungsfläche (17) durch eine Stirnfläche des Matrizenstempels (7) gebildet ist.
10. Nietwerkzeug nach Patentanspruch 9,
weiterhin mit einer Steuerungsvorrichtung ( 8), die eingerichtet ist um den Matrizenstempel (7) sowohl unabhängig vom Stempel (4) zu verfahren als auch zeitgleich und richtungsgleich mit dem Stempel (4) zu verfahren.
PCT/EP2018/052608 2017-03-28 2018-02-02 Verfahren zum vorlochfreien fügen mindestens eines kunststoff-bauteils mit einem metallbauteil, bauteilverbund und stanznietwerkzeug WO2018177629A1 (de)

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