WO2023011991A1 - Riveted connection - Google Patents

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WO2023011991A1
WO2023011991A1 PCT/EP2022/070968 EP2022070968W WO2023011991A1 WO 2023011991 A1 WO2023011991 A1 WO 2023011991A1 EP 2022070968 W EP2022070968 W EP 2022070968W WO 2023011991 A1 WO2023011991 A1 WO 2023011991A1
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rivet
foot
rivet foot
cylindrical
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PCT/EP2022/070968
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Jochen Rintelmann
Jan-Oliver Brassel
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Audi Planung GmbH
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    • F16B19/00Bolts without screw-thread; Pins, including deformable elements; Rivets
    • F16B19/04Rivets; Spigots or the like fastened by riveting
    • F16B19/08Hollow rivets; Multi-part rivets
    • F16B19/086Self-piercing rivets
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21JFORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
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    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21KMAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00Making machine elements
    • B21K1/58Making machine elements rivets
    • B21K1/60Making machine elements rivets hollow or semi-hollow rivets

Abstract

The invention relates to a riveted connection in which a rivet foot (7) of a rivet element (5) is driven with a setting force (F) into at least one single- or multi-part, in particular pilot hole-free, component (1, 3) of material thickness (s), to be precise with spreading apart of the rivet foot (7) and while maintaining a residual bottom thickness (r) in the component (1, 3), wherein the rivet foot (7) has, in the non-deformed state, a cavity (13) which is open towards the rivet foot end side (11). According to the invention, the component side facing away from the setting side is designed to have a completely planar surface, that is to say without die-induced bowing, such that in the component side facing away from the setting side there occurs no material deformation and/or material change in the region of the residual bottom thickness (r).

Description

Beschreibung Description
Nietverbindung rivet connection
Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 , ein Nietelement nach Anspruch 9 sowie eine Prozessanordnung bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Nietverbindung nach Anspruch 10. The invention relates to a rivet connection according to the preamble of claim 1, a rivet element according to claim 9 and a process arrangement or a method for producing a rivet connection according to claim 10.
Bei einer solchen Nietverbindung ist der Nietfuß eines Nietelements mit einer Setzkraft in ein Bauteil eingetrieben, und zwar unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke im Bauteil sowie unter Aufspreizung des Nietfußes. Im eingetriebenen Zustand weist der Nietfuß, im Vergleich zu seinem noch unverformten Zustand, einen aufgeweiteten Querschnitt auf. In such a rivet connection, the rivet foot of a rivet element is driven into a component with a setting force, specifically while maintaining a residual base thickness in the component and with the rivet foot spreading open. When driven in, the rivet foot has an expanded cross-section compared to its undeformed state.
Die obige Nietverbindung wird im Stand der Technik mit Hilfe eines Setzgerätes erzeugt, bei dem ein Setzkolben das Nietelement in das Bauteil eintreibt. Auf der, dem Setzkolben gegenüberliegenden Seite ist das Bauteil auf einer Matrize abgestützt. Diese weist eine profilierte Matrizenfläche mit Ausnehmung (das heißt Matrizengravur) auf, mittels der das Aufspreizverhalten des Nietfußes gesteuert wird. In the prior art, the above riveted connection is produced with the aid of a setting device in which a setting piston drives the rivet element into the component. The component is supported on a die on the side opposite the setting piston. This has a profiled die surface with a recess (i.e. die engraving) by means of which the spreading behavior of the rivet foot is controlled.
Bei einem solchen Setzprozess erfolgt über die gesamte Materialdicke des Bauteil-Werkstoffes (das heißt von der Setzseite bis zur Matrizenseite) eine Materialumformung bzw. Werkstoffveränderung. Speziell bei Verwendung eines nur eingeschränkt tiefziehfähigen Bauteil- Werkstoffes mit geringer Duktilität (zum Beispiel Aluminium-Druckguss) kann eine solche Materialumformung zu einer Beeinträchtigung der Verbindungsfestigkeit durch das eingetriebene Nietelement im Bauteil-Werkstoff führen. In such a setting process, a material deformation or material change takes place over the entire material thickness of the component material (ie from the setting side to the die side). Especially when using a component material with limited deep-drawing capability with low ductility (e.g. die-cast aluminium), such a material deformation can occur lead to an impairment of the connection strength by the driven-in rivet element in the component material.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Nietverbindung bereitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik auch bei Verwendung eines nur eingeschränkt tiefziehfähigen Bauteil-Werkstoffes eine einwandfreie Verbindungsfestigkeit ermöglicht. The object of the invention is to provide a riveted connection which, in comparison to the prior art, enables perfect connection strength even when using a component material that has only limited deep-drawing capability.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 , 9 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart. The object is solved by the features of claim 1, 9 or 10. Preferred developments of the invention are disclosed in the dependent claims.
Die Erfindung geht von einer Nietverbindung aus, bei der der Nietfuß eines Nietelements mit einer Setzkraft in zumindest ein, insbesondere vorlochfreies Bauteil eingetrieben ist, und zwar unter Aufspreizung des Nietfußes sowie unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke im Bauteil. Der Nietfuß weist im unverformten Zustand einen zur Nietfuß-Stirnseite offenen Nietfuß-Hohlraum auf. Der Nietfuß kann mit einem, den Hohlraum begrenzenden Nietfuß- Wandabschnitt ausgebildet sein. Dieser ist im unverformten Zustand bis zur Nietfuß-Stirnseite um einen Vorspreiz-Konuswinkel nach radial außen aufgeweitet. Es hat sich gezeigt, dass durch den konisch aufgeweiteten Nietfuß- Wandabschnitt das Aufspreizverhalten des Nietelements derart unterstützt wird, dass im Setzprozess auf eine gängige Matrize mit profilierter Matrizenfläche (das heißt Matrizengravur) verzichtet werden kann. Das Aufspreizverhalten des Nietfußes ist unabhängig von der Bauteildicke und wird im Wesentlichen durch die Nietfuß-Geometrie gesteuert, nicht jedoch durch eine profilierte Matrizenfläche, wie es im Stand der Technik der Fall ist. The invention is based on a rivet connection in which the rivet foot of a rivet element is driven with a setting force into at least one component, in particular one without a pre-drilled hole, with the rivet foot spreading open and a residual base thickness being maintained in the component. In the non-deformed state, the rivet foot has a rivet foot cavity which is open toward the rivet foot end face. The rivet foot can be formed with a rivet foot wall section delimiting the cavity. In the non-deformed state, this is expanded radially outwards by a pre-expansion cone angle as far as the rivet foot end face. It has been shown that the expanding behavior of the rivet element is supported by the conically widened rivet foot wall section in such a way that a common die with a profiled die surface (ie die engraving) can be dispensed with in the setting process. The spreading behavior of the rivet foot is independent of the component thickness and is essentially controlled by the rivet foot geometry, but not by a profiled die surface, as is the case in the prior art.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist erfindungsgemäß die Materialumformung bzw. Werkstoffveränderung auf die Eindringtiefe des Nietelements in den Bauteil-Werkstoff beschränkt, so dass eine matrizenseitige Materialumformung bzw. Werkstoffveränderung im Bereich der Restbodendicke wegfällt. In contrast to the prior art, according to the invention, the material deformation or material change is based on the penetration depth of the The rivet element is limited to the component material, so that there is no material deformation or material change on the die side in the area of the remaining base thickness.
Insgesamt wird somit eine Nietverbindung bereitgestellt, bei der im Vergleich zum Stand der Technik eine wesentlich reduziertere Materialumformung während des Setzprozesses erfolgt. Die Erfindung ist daher bevorzugt anwendbar für eingeschränkt tiefziehfähige Bauteil-Werkstoffe, wie etwa Aluminium-Druckguss, bei denen aufgrund der reduzierten Materialumformung im Bauteil-Werkstoff trotz geringer Duktilität eine einwandfreie Verbindungsfestigkeit unter Einsatz des Nietelements im Bauteil-Werkstoff erzielt werden kann. Overall, a rivet connection is thus provided in which there is a significantly reduced material deformation during the setting process compared to the prior art. The invention can therefore preferably be used for component materials that can only be deep-drawn to a limited extent, such as die-cast aluminum, in which, due to the reduced material deformation in the component material, perfect connection strength can be achieved using the rivet element in the component material despite low ductility.
In einer technischen Umsetzung kann der konisch aufgeweitete Nietfuß- Wandabschnitt entlang der Nietelement-Längsachse in Richtung Nietkopf an einer Übergangskante bzw. einer Knickstelle in einen vollzylindrischen oder hohlzylindrischen Nietfußabschnitt übergehen. An den voll- oder hohlzylindrischen Nietfußabschnitt schließt sich der Nietkopf an. In diesem Fall wird das Aufspreizverhalten im Setzprozess lediglich durch ein Bemessen des Vorspreizkonus-Winkels und der axialen Längenaufteilung zwischen dem konisch aufgeweiteten Nietfuß-Wandabschnitt und dem zylindrischen Nietfuß- Wandabschnitt gesteuert, nicht jedoch durch eine profilierte Matrizenoberfläche. In a technical implementation, the conically widened rivet foot wall section can transition along the longitudinal axis of the rivet element in the direction of the rivet head at a transition edge or a kink point into a fully cylindrical or hollow cylindrical rivet foot section. The rivet head follows the solid or hollow cylindrical rivet foot section. In this case, the spreading behavior in the setting process is only controlled by measuring the pre-spreading cone angle and the axial length distribution between the conically widened rivet foot wall section and the cylindrical rivet foot wall section, but not by a profiled die surface.
Das Nietelement ist im unverformten Zustand bevorzugt rotationssymmetrisch um eine Nietelement-Längsachse ausgebildet. Zudem kann der Nietkopf an seiner Oberseite einen beliebig gestalteten Funktionsabschnitt aufweisen, etwa einen Gewindebolzen, ein Rastelement oder dergleichen. In the non-deformed state, the rivet element is preferably designed to be rotationally symmetrical about a longitudinal axis of the rivet element. In addition, the rivet head can have an arbitrarily designed functional section on its upper side, such as a threaded bolt, a locking element or the like.
Im unverformten Zustand des Nietelements vergrößert sich der Außendurchmesser des konisch aufgeweiteten Nietfuß-Wandabschnitts bis zur Nietfuß-Stirnseite konusartig. Im Gegensatz dazu bleibt der Außendurchmesser des zylindrischen Nietfußabschnittes entlang der Nietelement-Längsachse (das heißt zwischen Nietkopf und Knickstelle) konstant. In the undeformed state of the rivet element, the outer diameter of the conically widened rivet foot wall section increases up to Cone-like rivet foot end face. In contrast to this, the outer diameter of the cylindrical rivet foot section remains constant along the longitudinal axis of the rivet element (ie between the rivet head and the kink point).
Der zylindrische Nietfußabschnitt kann in einer Ausführungsvariante nicht aus Vollmaterial gebildet sein, sondern vielmehr einen, den Hohlraum begrenzenden, hohlzylindrischen Nietfuß-Wandabschnitt aufweisen. Der hohlzylindrische Nietfuß-Wandabschnitt kann beim Nietelement- Herstellungsprozess als ein Führungsabschnitt wirken, in dem ein später beschriebener Spreiz-Dorn zentrisch geführt ist. In one embodiment variant, the cylindrical rivet foot section cannot be made of solid material, but rather have a hollow-cylindrical rivet foot wall section that delimits the cavity. During the rivet element manufacturing process, the hollow-cylindrical rivet foot wall section can act as a guide section in which an expanding mandrel, described later, is guided centrally.
Die Wandstärke des zylindrischen Nietfuß-Wandabschnittes und die Wandstärke des konisch aufgeweiteten Nietfuß-Wandabschnittes können im Wesentlichen gleich groß bemessen sein. The wall thickness of the cylindrical rivet foot wall section and the wall thickness of the conically widened rivet foot wall section can be dimensioned to be essentially the same.
Der Nietfuß-Hohlraum kann ausgehend von der Nietfuß-Stirnseite entlang der Nietelement-Längsachse in Axialrichtung um eine Profiltiefe bis zu einer inneren Scheitelstelle in den Nietfuß einragen. In einer ersten Ausführungsvariante kann sich der Hohlraum in Axialrichtung mit einem Axial-Übermaß über die Knickstelle hinweg in Richtung Nietkopf erstrecken. Alternativ dazu kann in einer zweiten Ausführungsvariante die Scheitelstelle des Hohlraums und die Knickstelle in etwa auf gleicher Axialhöhe positioniert sein. The rivet foot cavity can protrude from the rivet foot end face along the longitudinal axis of the rivet element in the axial direction by a profile depth up to an inner apex point in the rivet foot. In a first embodiment variant, the cavity can extend in the axial direction with an axial oversize beyond the kink point in the direction of the rivet head. As an alternative to this, in a second embodiment variant, the apex of the cavity and the buckling point can be positioned at approximately the same axial height.
In einer technischen Umsetzung kann der konisch aufgeweitete Nietfuß- Wandabschnitt an der Nietfuß-Stirnseite mit einer ringförmigen, zum Beispiel spitzwinkligen Schneidkante abschließen. Der erfindungsgemäße Nietfuß kann mit einer Schneidkante beliebiger Schneidgeometrie realisiert werden. In a technical implementation, the conically widened rivet foot wall section can terminate at the rivet foot end face with an annular, for example acute-angled cutting edge. The rivet foot according to the invention can be realized with a cutting edge of any cutting geometry.
Wie bereits erwähnt, ist erfindungsgemäß das Aufspreizen des Nietfußes im Setzprozess alleine durch den Vorspreiz-Konuswinkel und durch die Höhenposition der Knickstelle steuerbar. Auf diese Weise kann im Setzprozess auf eine Matrize mit profilierter Matrizenfläche verzichtet werden. Anstelle dessen kann im Setzprozess der Setzkolben mit einer komplett ebenflächigen Werkzeug-Gegenkontur (das heißt Amboss) Zusammenwirken. In diesem Fall ist die von der Setzseite abgewandte Bauteil-Seite komplett ebenflächig ausgebildet, das heißt ohne matrizenseitige Durchwölbung. As already mentioned, according to the invention the spreading of the rivet foot in the setting process is solely due to the pre-spreading cone angle and the Height position of the kink controllable. In this way, a die with a profiled die surface can be dispensed with in the setting process. Instead of this, the setting piston can interact with a completely planar counter-contour of the tool (ie anvil) in the setting process. In this case, the side of the component facing away from the setting side is designed to be completely flat, that is to say without any arching on the die side.
Das erfindungsgemäße Nietelement kann in einer nachfolgend beschriebenen Prozessabfolge im Kaltschlagprozess gefertigt werden. So kann in einem ersten Prozessschritt ein Nietelement-Grundmaterial bereitgestellt werden. Das Grundmaterial kann je nach Anwendungsfall zum Beispiel ein schweißgeeigneter Drahtwerkstoff, insbesondere ein Kaltfließpressstahl oder ein Kaltstauchstahl sein. Mit Hilfe eines Kaltschlagwerkzeugs wird das Grundmaterial zu einem Nietelement-Rohling bearbeitet. Im Nietelement- Rohling ist der Nietfuß über seine gesamte Nietfuß-Länge zylindrisch mit konstantem Außendurchmesser ausgebildet. Der Nietfuß-Hohlraum des Nietelement-Rohlings ist nicht kalottenförmig, sondern vollständig hohlzylindrisch ausgebildet, und zwar über seine gesamte Axiallänge von der Nietfuß-Stirnseite bis zur inneren kopfseitigen inneren Scheitelstelle. The rivet element according to the invention can be manufactured in a process sequence described below in the cold forging process. A rivet element base material can thus be provided in a first process step. Depending on the application, the base material can be, for example, a weldable wire material, in particular a cold extruded steel or a cold upsetting steel. With the help of a cold forging tool, the base material is processed into a rivet element blank. In the rivet element blank, the rivet foot is cylindrical with a constant outer diameter over its entire length. The rivet foot cavity of the rivet element blank is not dome-shaped but completely hollow-cylindrical, namely over its entire axial length from the rivet foot end face to the inner head-side inner apex.
In einem zweiten Prozessschritt erfolgt ein konisches Aufweiten des Nietfußes, bei dem durch plastische Verformung der konisch aufgeweitete Nietfuß- Wandabschnitt an der Nietfuß-Stirnseite erzeugt wird. Hierzu kann bevorzugt ein Spreiz-Dorn mit einem Vorspreizkonus in den Hohlraum des Nietelements- Rohlings eingetrieben werden, wodurch der konisch aufgeweitete Nietfuß- Wandabschnitt erzeugt wird. In a second process step, the rivet foot is conically widened, in which the conically widened rivet foot wall section is produced on the rivet foot end face by plastic deformation. For this purpose, an expanding mandrel with a pre-expansion cone can preferably be driven into the cavity of the rivet element blank, as a result of which the conically widened rivet foot wall section is produced.
Eine lagerichtige Zentrierung des Spreiz-Dorns gegenüber dem Nietelement ist von großer Bedeutung für eine einwandfreie Nietelement-Funktion. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn der Vorspreizkonus des Spreiz-Dorns an der Dornspitze in einen zylindrischen Zentrierzapfen übergeht. Im zweiten Prozessschritt wird der zylindrische Zentrierzapfen des Spreiz-Dorns mit geringem Lochspiel in den hohlzylindrischen Nietelement-Hohlraum eingefahren, wodurch der Spreizdorn und das Nietelement zueinander zentrisch ausgerichtet sind. A correctly positioned centering of the expanding mandrel in relation to the rivet element is of great importance for a perfect function of the rivet element. Against this background, it is preferred if the Vorspreizkonus the expanding mandrel at the Mandrel tip merges into a cylindrical centering pin. In the second process step, the cylindrical centering pin of the expanding mandrel is inserted into the hollow cylindrical rivet element cavity with a small hole clearance, as a result of which the expanding mandrel and the rivet element are aligned centrally to one another.
In einer weiteren Ausführungsform kann zur Sicherung des Nietelements am Bauteil das folgende Wirkprinzip zum Einsatz kommen: So bildet die erfindungsgemäße Nietfuß-Geometrie einen bistabilen Federabschnitt, der zwei Gleichgewichtszustände aufweist. Ein erster Gleichgewichtszustand entspricht dem querschnittsreduzierten, unverformten Nietfuß-Zustand. Durch Einwirken der Setzkraft schlägt der Nietfuß in den zweiten Gleichgewichtszustand um, in dem der Nietfuß mit einem ausgeweiteten Querschnitt im Bauteil verspreizt ist. Das Umschlagen in den Spreiz-Zustand erfolgt im Wesentlichen ohne Aufbau einer Rückfederkraft, die das Nietelement in Richtung unverformtem Zustand vorspannt. In a further embodiment, the following active principle can be used to secure the rivet element on the component: The rivet foot geometry according to the invention thus forms a bistable spring section which has two states of equilibrium. A first state of equilibrium corresponds to the cross-sectionally reduced, non-deformed rivet foot state. The effect of the setting force causes the rivet foot to switch to the second state of equilibrium, in which the rivet foot is braced in the component with an expanded cross section. The transition to the expanded state occurs essentially without building up a springback force that prestresses the rivet element in the direction of the non-deformed state.
Erfindungsgemäß erfolgt also die Verformung des Nietelements im Setzprozess unter Nutzung des sogenannten Springbeuleffekts (auch bekannt als Knackfroscheffekt). Unter dem Springbeuleffekt versteht man einen physikalischen Effekt, bei dem die Gestalt des Nietelements zwei stabile Zustände aufweist, die durch eine geeignete Krafteinwirkung ineinander überführt werden können. According to the invention, the rivet element is deformed in the setting process using the so-called spring buckling effect (also known as the click frog effect). The spring buckling effect is a physical effect in which the shape of the rivet element has two stable states that can be converted into one another by applying a suitable force.
In einer technischen Umsetzung kann das Bauteil im unverformten Zustand nicht komplett vorlochfrei gebildet sein, sondern vielmehr an der herzustellenden Fügestelle ein Vorloch aufweisen. Im Zusammenbauzustand ist der Nietfuß des Nietelements gegen den Innenumfang des Vorloches verspreizt. Im Spreiz-Zustand kann die Nietfußwand entgegen der Setzrichtung, das heißt in Richtung Nietkopf, umgeschlagen sein. In diesem Fall kann die Aufsetzkante in Spreizeingriff mit dem Innenumfang des Bauteil-Vorloches sein. In a technical implementation, the component in the non-deformed state cannot be formed completely without pre-holes, but rather have a pre-hole at the joint to be produced. In the assembled state, the rivet foot of the rivet element is braced against the inner circumference of the pilot hole. In the spread state, the rivet foot wall can be folded over in the opposite direction to the setting direction, ie in the direction of the rivet head. In this case, the positioning edge can be in spreading engagement with the inner circumference of the pilot hole for the component.
In einer technischen Realisierung kann das Bauteil ein Gussteil, zum Beispiel ein Aluminium-Druckgussteil sein, während das Nietelement aus einem Kaltschlagmaterial gefertigt sein kann. Speziell in diesem Fall ist es bevorzugt, wenn das Bauteil während des Setzvorgangs im Wesentlichen ohne plastische Verformung, das heißt insbesondere nur elastisch beansprucht wird. Das Bauteil kann besonders bevorzugt nach erfolgtem Setzprozess weitgehend unverformt bleiben. In a technical implementation, the component can be a cast part, for example an aluminum die-cast part, while the rivet element can be made from a cold-forming material. Especially in this case, it is preferred if the component is stressed during the setting process essentially without plastic deformation, that is to say in particular only elastically. The component can particularly preferably remain largely undeformed after the setting process has taken place.
Im Hinblick auf eine einwandfreie Überführung des Nietelements vom unverformten Zustand in den Spreiz-Zustand ist es von Vorteil, wenn das Bauteil-Vorloch eine entsprechende Aktivierungskontur aufweist. Mittels der Aktivierungskontur kann im Setzvorgang ein Überführen des Nietelement vom unverformten Zustand in den zweiten Spreiz-Zustand prozesssicher gestaltet werden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Bauteil-Vorloch die folgende Geometrie aufweisen: So kann das Bauteil-Vorloch als ein Sackloch mit geschlossenem Boden realisiert sein. Das Sackloch kann einen durchmessergroßen Einführabschnitt aufweisen. Dieser geht an einer umlaufenden Ringschulter in eine durchmesserkleine Senkung über. Die Aufsetzkante des noch unverformten Nietelements kann auf einem Durchmesser liegen, der größer bemessen ist als der Innendurchmesser der Ringschulter. Dadurch kann (in Vorbereitung auf den Setzprozess) das Nietelement mit seiner Aufsetzkante auf der Ringschulter des Bauteil-Vorloches positioniert werden. With regard to a perfect transition of the rivet element from the undeformed state to the expanded state, it is advantageous if the component pre-hole has a corresponding activation contour. By means of the activation contour, a transfer of the rivet element from the non-deformed state to the second expanded state can be designed in a process-reliable manner during the setting process. In a preferred embodiment variant, the component pilot hole can have the following geometry: The component pilot hole can be implemented as a blind hole with a closed bottom. The blind hole can have a large-diameter insertion section. At a circumferential ring shoulder, this merges into a small-diameter countersink. The contact edge of the still undeformed rivet element can lie on a diameter that is larger than the inner diameter of the ring shoulder. This allows (in preparation for the setting process) the rivet element to be positioned with its contact edge on the ring shoulder of the component pilot hole.
Bei Einwirken der Setzkraft kann sich das Nietelement mit seiner Aufsetzkante nach radial außen aufweiten, und zwar bis Erreichen eines maximalen Außendurchmessers. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses kann das Nietelement um einen zusätzlichen Übertotpunkt-Hubweg in die Vorloch- Senkung eingetrieben werden. Dadurch erfolgt eine Überformung beziehungsweise Überspreizung des Nietfußes, bei der der Nietfuß in den Spreiz-Zustand umschlägt. When the setting force acts, the rivet element can expand with its contact edge radially outwards, specifically until a maximum is reached outside diameter. In the further course of the setting process, the rivet element can be driven into the pre-drill countersink by an additional over-centre stroke. This results in over-shaping or over-spreading of the rivet foot, during which the rivet foot changes to the spread state.
Bevorzugt kann das Nietelement aus einem Kaltschlagmaterial gefertigt sein, bei dem insbesondere bei der Überspreizung eine Umformgrenze überschritten wird, bei der eine Verfestigung des Nietelement-Materials eintritt, die im Hinblick auf eine gesteigerte Verbindungsfestigkeit zwischen dem Nietelement und dem Bauteil von Vorteil ist. Von daher kann erfindungsgemäß auf eine Matrize verzichtet werden, deren Matrizenform ein Aufspreizen des Nietfußes unterstützt. Anstelle dessen kann das Bauteil zwischen einem Niederhalter und einem ebenflächigen Amboss zwischengeklemmt sein. The rivet element can preferably be made of a cold impact material, in which a deformation limit is exceeded, particularly during overspreading, at which the rivet element material hardens, which is advantageous with regard to increased connection strength between the rivet element and the component. Therefore, according to the invention, there is no need for a die whose die shape supports the spreading of the rivet foot. Instead, the component can be clamped between a hold-down device and a planar anvil.
Der erfindungsgemäße Setzprozess kann Bestandteil einer vollautomatischen Prozesskette sein, bei der ein Setzgerät am distalen Ende eines Roboterarms eines Industrieroboters befestigt ist, der mittels einer Programmsteuerung autonom arbeitet. Um einen einwandfreien Setzvorgang zu gewährleisten, ist es bevorzugt, wenn der Nietfuß-Außendurchmesser kleiner bemessen ist als der Ringschulter-Außendurchmesser. Auf diese Weise kann das noch unverformte Nietelement mit seiner Aufsetzkante in schwimmender Lagerung, das heißt mit Querspiel, auf der Ringschulter positioniert werden, wodurch Bauteil und/oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können. The setting process according to the invention can be part of a fully automatic process chain in which a setting device is attached to the distal end of a robot arm of an industrial robot that works autonomously by means of a program control. In order to ensure a perfect setting process, it is preferred if the outside diameter of the rivet foot is dimensioned smaller than the outside diameter of the annular shoulder. In this way, the still undeformed rivet element can be positioned with its contact edge in a floating bearing, ie with transverse play, on the annular shoulder, as a result of which component and/or manufacturing tolerances can be compensated for.
Bei Verwendung eines Druckgussteils kann das Bauteil-Vorloch während des Gießverfahrens in der Bauteil-Oberfläche erzeugt werden. In diesem Fall kann das Bauteil-Vorloch einen konusartigen Innenumfang aufweisen, der als Entformungsschräge dient. Der konusartige Innenumfang wirkt während des Setzvorgangs zusätzlich auch als eine Einführschräge, um eine einwandfreie Positionierung des Nietelements auf der Ringschulter des Bauteil-Vorloches zu gewährleisten. When using a die-cast part, the component pilot hole can be created in the component surface during the casting process. In this case, the component pilot hole can have a cone-like inner circumference, which serves as a draft angle. During the setting process, the cone-like inner circumference also acts as a lead-in bevel to ensure a flawless To ensure positioning of the rivet element on the annular shoulder of the component pilot hole.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying figures.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 in einer Schnittdarstellung eine Nietverbindung; FIG. 1 shows a riveted connection in a sectional view;
Figur 2 in einer Seitenschnittdarstellung ein Nietelement in unverformten Zustand; FIG. 2 shows a rivet element in a non-deformed state in a side sectional view;
Figur 3 eine Ansicht zur Veranschaulichung eines Setzprozesses; Fig. 3 is a view showing a setting process;
Figur 4 bis 6 jeweils Ansichten, anhand derer eine Prozessabfolge zur Herstellung des Nietelements veranschaulicht ist; FIGS. 4 to 6 are views showing a process sequence for manufacturing the rivet element;
Figuren 7 und 8 Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele; sowie FIGS. 7 and 8 views of further exemplary embodiments; as well as
Figur 9 bis 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel. Figure 9 to 11 another embodiment.
In der Figur 1 ist eine fertiggestellte Nietverbindung gezeigt, bei der ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 3 mit Hilfe eines Nietelements 5 miteinander verbunden sind. In der Figur 1 weisen die beiden Bauteile 1 , 3 eine Blechdicke s auf. Alternativ dazu ist auch eine Nietverbindung in nur ein einteiliges Bauteil mit gleicher Blechdicke s möglich. In der Nietverbindung ist ein Nietfuß 7 des Nietelements 5 mit einer Setzkraft F (Figur 3) in die beiden vorlochfreien Bauteile 1 , 3 eingetrieben, und zwar unter Aufspreizung des Nietfußes 7 sowie unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke r im unteren Bauteil 3. Das Nietelement 5 weist zudem einen Nietkopf 9 auf, der mit seiner Unterseite auf der Oberfläche des ersten Bauteils 1 aufliegt. FIG. 1 shows a finished riveted connection, in which a first component 1 and a second component 3 are connected to one another with the aid of a rivet element 5 . In FIG. 1, the two components 1, 3 have a sheet metal thickness s. As an alternative to this, a riveted connection is also possible in just a one-piece component with the same sheet thickness s. In the riveted joint, a rivet foot 7 of the rivet element 5 is driven into the two pre-hole-free components 1, 3 with a setting force F (Figure 3), specifically with the rivet foot 7 spreading open and a residual base thickness r being maintained in the lower component 3. The Rivet element 5 also has a rivet head 9 which rests with its underside on the surface of first component 1 .
Nachfolgend wird anhand der Figur 2 die Geometrie des Nietelements 5 im unverformten Zustand beschrieben: Demnach ist das Nietelement 5 um eine Nietelement-Längsachse L rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Nietfuß 7 weist einen zur Nietfuß-Stirnseite 11 offenen Hohlraum 13 auf, der in Axialrichtung um eine Profiltiefe t bis zu einer Scheitelstelle 15 in den Nietfuß 7 einragt. An der Nietfuß-Stirnseite 11 ist eine ringförmige Schneidkante 16 ausgebildet. The geometry of the rivet element 5 in the non-deformed state is described below with reference to FIG. The rivet foot 7 has a cavity 13 which is open towards the rivet foot end face 11 and protrudes into the rivet foot 7 in the axial direction by a profile depth t up to an apex 15 . An annular cutting edge 16 is formed on the rivet foot end face 11 .
Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass der Nietfuß 7 entlang der Nietelement-Längsachse L zweiteilig ausgeführt ist, und zwar mit einem am Nietkopf 9 angeformten hohlzylindrischen Nietfußabschnitt 17. Dieser geht an einer Übergangskante 19 bzw. Knickstelle in einen, den Hohlraum 13 begrenzenden Nietfuß-Wandabschnitt 21 über. Der Nietfuß-Wandabschnitt 21 ist in der Figur 3 ausgehend von der Knickstelle 19 bis zur Nietfuß-Stirnseite 11 um einen Vorspreiz-Konuswinkel a nach radial außen aufgeweitet. Durch Bemessen des Vorspreiz-Konuswinkels a und der Längenaufteilung zwischen den beiden Nietfußabschnitten 17, 21 wird erfindungsgemäß das Aufspreizverhalten des Nietelements im Setzprozess (Figur 3) gesteuert. A core of the invention is that the rivet foot 7 is designed in two parts along the longitudinal axis L of the rivet element, namely with a hollow-cylindrical rivet foot section 17 molded onto the rivet head 9. This goes at a transition edge 19 or kink point into a rivet foot delimiting the cavity 13 -Wall section 21 above. The rivet foot wall section 21 is widened radially outwards in FIG. By measuring the pre-expansion cone angle a and the length distribution between the two rivet foot sections 17, 21, the expansion behavior of the rivet element in the setting process (FIG. 3) is controlled according to the invention.
In der Figur 2 vergrößert sich der Außendurchmesser di des konisch aufgeweiteten Nietfuß-Wandabschnitts 21 von der Knickstelle 19 bis zur Nietfuß-Stirnseite 11 kontinuierlich. Der Außendurchmesser d2 des zylindrischen Nietfußabschnittes 17 bleibt dagegen entlang der Nietelement- Längsachse L konstant. Wie aus der Figur 2 weiter hervorgeht, sind die Wandstärken w des zylindrischen Nietfuß-Wandabschnittes 23 und des konisch aufgeweiteten Nietfuß-Wandabschnittes 21 im Wesentlichen gleich groß bemessen. Der Hohlraum 13 erstreckt sich in der Figur 2 in Axialrichtung mit einem Axial-Übermaß a (Figur 3) über die Knickstelle 19 hinweg. Auf diese Weise sind die innere Scheitelstelle 15 (Figur 2) und die Knickstelle 19 in Axialrichtung zueinander versetzt positioniert. In FIG. 2, the outer diameter di of the conically widened rivet foot wall section 21 increases continuously from the kink point 19 to the rivet foot end face 11 . The outer diameter d2 of the cylindrical rivet foot section 17, on the other hand, remains constant along the longitudinal axis L of the rivet element. As can also be seen from FIG. 2, the wall thicknesses w of the cylindrical rivet foot wall section 23 and the conically widened rivet foot wall section 21 are essentially the same size. The cavity 13 extends in the figure 2 in the axial direction an axial oversize a (Figure 3) over the kink 19 away. In this way, the inner apex 15 (FIG. 2) and the kink 19 are offset from one another in the axial direction.
Nachfolgend wird anhand der Figur 3 eine Prozessabfolge zur Herstellung der Nietverbindung veranschaulicht: Demzufolge werden zur Vorbereitung des Setzprozesses die beiden Bauteile 1 , 3 aufeinanderliegend auf eine ebenflächige Gegenkontur 25 des Setzwerkzeuges positioniert und mittels eines nicht gezeigten Niederhalter-Systems mit einer Niederhalterkraft zusammengepresst. Anschließend wird das Nietelement mit Hilfe eines Stempels 30 mit der Setzkraft F in die beiden Bauteile 1 , 3 eingetrieben. Beim Setzprozess durchstößt das Nietelement 5 das Material des stempelseitigen Bauteils 1 und wird durch dieses bis in das zweite Bauteil 3 eingetrieben, und zwar unter Aufrechterhaltung der Restbodendicke r im Bauteil 3. Die Aufspreizung des Nietelements 5 wird gemäß der Figur 3 alleine durch den Vorspreiz-Konuswinkel a des konisch aufgeweiteten Nietfuß-Wandabschnittes 21 sowie durch die axiale Längenaufteilung zwischen den beiden Nietfußabschnitten 17, 21 gesteuert. A process sequence for producing the riveted connection is illustrated below with reference to FIG. 3: Accordingly, in preparation for the setting process, the two components 1, 3 are positioned one on top of the other on a planar counter-contour 25 of the setting tool and pressed together with a holding-down device by means of a holding-down system (not shown). The rivet element is then driven into the two components 1 , 3 with the aid of a stamp 30 with the setting force F. During the setting process, the rivet element 5 pierces the material of the component 1 on the stamp side and is driven through this into the second component 3, while maintaining the remaining bottom thickness r in the component 3. According to FIG. Cone angle a of the conically widened rivet foot wall section 21 and controlled by the axial length distribution between the two rivet foot sections 17, 21.
Aufgrund der ebenflächigen Gegenkontor 25 weist die Nietverbindung auf der von der Setzseite abgewandten Bauteil-Seite keine matrizenbedingte Durchwölbung auf. Vielmehr ist die Nietverbindung auf der von der Setzseite abgewandte Bauteil-Seite komplett ebenflächig. Zudem ist im Bereich der Restbodendicke r keine Materialumformung und/oder Werkstoffveränderung im unteren Bauteil 3 erfolgt. Die Materialumformung bzw. Werkstoffveränderung ist daher auf die Eindringtiefe des Nietelements 5 in die Bauteile 1 , 3 beschränkt. Because of the planar counter-counter 25, the riveted connection does not exhibit any arching caused by the die on the side of the component facing away from the setting side. Rather, the rivet connection is completely flat on the component side facing away from the setting side. In addition, no material deformation and/or material change has taken place in the lower component 3 in the area of the remaining bottom thickness r. The material deformation or material change is therefore limited to the penetration depth of the rivet element 5 into the components 1 , 3 .
Durch die Aufspreizung des konisch aufgeweiteten Nietfuß-Wandabschnittes 21 wird eine Hinterschneidung zwischen der Nietfuß-Stirnseite 11 und dem Nietkopf 9 erzeugt, in der die beiden Bauteile 1 , 3 gegeneinander verspannt sind. By spreading the conically widened rivet foot wall section 21 is an undercut between the rivet foot end face 11 and the Rivet head 9 generated, in which the two components 1, 3 are braced against each other.
Anhand der Figuren 4 bis 6 ist beispielhaft eine Prozessabfolge zur Herstellung des erfindungsgemäßen Nietelements 5 beschrieben: Demzufolge ist das Nietelement 5 in einem Kaltschlagprozess fertigbar. Dieser weist grob vereinfacht zwei Prozessschritte auf: In einem ersten Prozessschritt (Figur 4) wird ein Nietelement-Grundmaterial 26, das heißt ein Drahtmaterial, mit Hilfe eines angedeuteten Kaltschlagwerkzeugs 28 vorgeformt, und zwar unter Bildung eines Nietelement-Rohlings 27 (Figur 5). Der Nietelement-Rohling 27 weist einen Nietfuß 7 auf, der über seine gesamte Nietfuß-Länge zylindrisch mit konstantem Außendurchmesser ausgebildet ist. A process sequence for the production of the rivet element 5 according to the invention is described by way of example with reference to FIGS. Roughly simplified, this has two process steps: In a first process step (Figure 4), a rivet element base material 26, i.e. a wire material, is preformed with the aid of an indicated cold forging tool 28, with the formation of a rivet element blank 27 (Figure 5). The rivet element blank 27 has a rivet foot 7 which is cylindrical with a constant outer diameter over its entire rivet foot length.
Erfindungsgemäß weist das Kaltschlagwerkzeug 28 einen zylindrischen Stempel 30 auf, der in das Nietelement-Grundmaterial 26 eingetrieben wird und den hohlzylindrischen Nietfuß-Hohlraum 13 erzeugt. Die Herstellung des hohlzylindrischen Nietfuß-Hohlraum 13 kann fertigungstechnisch vorteilhaft in einem einstufigen Kaltschlagprozess erfolgen, da aufgrund der zylindrischen Stempelgeometrie die Reibung zwischen Stempel 30 und Nietelement- Grundmaterial 26 reduziert ist. Im Unterschied dazu ist im Stand der Technik der Nietfuß-Hohlraum 13 in gängiger Praxis nicht hohlzylindrisch, sondern kalottenförmig oder glockenförmig ausgebildet. Hierfür ist eine entsprechende glockenförmige Stempelgeometrie erforderlich. Bei einer solchen glockenförmige Stempelgeometrie ist im Kaltschlagprozess die Reibung zwischen Stempel und Nietelement-Grundmaterial wesentlich erhöht. Der Kaltschlagprozess muss daher fertigungstechnisch aufwändig mehrstufig erfolgen. According to the invention, the cold impact tool 28 has a cylindrical stamp 30 which is driven into the rivet element base material 26 and produces the hollow cylindrical rivet foot cavity 13 . The production of the hollow-cylindrical rivet foot cavity 13 can advantageously be carried out in a single-stage cold forging process, since the friction between the stamp 30 and the base material 26 of the rivet element is reduced due to the cylindrical stamp geometry. In contrast to this, in the prior art the rivet foot cavity 13 is not hollow-cylindrical in common practice, but is designed in the shape of a spherical cap or bell. A corresponding bell-shaped punch geometry is required for this. With such a bell-shaped punch geometry, the friction between the punch and the base material of the rivet element is significantly increased in the cold forging process. The cold forging process must therefore be carried out in several stages, which is complex in terms of production technology.
Der in der Figur 5 bereitgestellte Nietelement-Rohling 27 kann je nachThe provided in the figure 5 rivet element blank 27 can depending on
Anforderungsprofil im folgenden zweiten Prozessschritt (Figur 6) weiterbearbeitet werden. Im zweiten Prozessschritt (Figur 6) erfolgt ein konisches Aufweiten des Nietfußes 7. Hierzu wird ein Spreiz-Dorn 29 mit Vorspreizkonus 31 in den Hohlraum 13 des Nietelement-Rohlings 27 eingetrieben. Auf diese Weise wird der konisch aufgeweitete Nietfuß- Wandabschnitt 21 erzeugt. Requirement profile in the following second process step (Figure 6) be further processed. In the second process step (FIG. 6), the rivet foot 7 is widened conically. In this way, the conically widened rivet foot wall section 21 is produced.
Je nach Werkstoffeigenschaften und/oder Bauteildicke des oder der Bauteile 1 , 3 kann ein Spreiz-Dorn 29 mit geeigneter Längeneinteilung zwischen den Nietfußabschnitten 17, 21 und/oder geeigneter Größe des Vorspreiz- Konuswinkels a ausgewählt werden. Depending on the material properties and/or component thickness of the component(s) 1, 3, a spreading mandrel 29 with a suitable length division between the rivet foot sections 17, 21 and/or a suitable size of the pre-spreading cone angle a can be selected.
Für eine Zentrierung des Spreiz-Dorns 29 gegenüber dem Nietelement 5 geht der Vorspreizkonus 31 des Spreiz-Dorns 29 an der Dornspitze in einen zylindrisches Zentrierzapfen 33 über, der mit geringem Lochspiel in den Hohlraum 13 des Nietelements 5 einfahrbar ist. To center the expanding mandrel 29 relative to the rivet element 5, the pre-expansion cone 31 of the expanding mandrel 29 merges into a cylindrical centering pin 33 at the mandrel tip, which can be moved into the cavity 13 of the rivet element 5 with a small hole clearance.
Im ersten Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 6 ist die Oberseite des Nietkopfes 9 flach ausgeführt. Anstelle dessen kann auf der Nietkopf-Oberseite auch ein beliebiger, zum Beispiel bolzenförmiger Funktionsabschnitt 35 angeformt sein. Der bolzenförmiger Funktionsabschnitt 35 kann zum Beispiel in einem Rollierverfahren mit zum Beispiel einem metrischen Gewinde (siehe Figur 7) oder mit einem Rohgewinde ausgebildet werden. Alternativ dazu kann der Funktionsabschnitt 35 auch als ein Rastelement (Figur 8) realisiert sein, so dass das Nietelement 5 werkzeugtechnisch einfach mit hoher Fertigungsvariabilität herstellbar ist. In the first embodiment of Figures 1 to 6, the top of the rivet head 9 is flat. Instead of this, any functional section 35, for example in the form of a bolt, can also be formed on the upper side of the rivet head. The bolt-shaped functional section 35 can be formed, for example, in a rolling process with, for example, a metric thread (see FIG. 7) or with a raw thread. As an alternative to this, the functional section 35 can also be realized as a latching element (FIG. 8), so that the rivet element 5 can be produced easily with high manufacturing variability using tools.
In den Figuren 9 bis 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem das Nietelement 5 in ein Bauteil-Vorloch 37 eingetrieben wird, das sich konusartig bis zu einer Vorlochtiefe erstreckt und dort mit einem Vorloch-Boden 39 abschließt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wirkt der Nietfuß 7 als ein bistabiler Federabschnitt. Dieser weist zwei Gleichgewichtszustände auf, nämlich den unverformten querschnittsreduzierten Zustand (Figur 9) und einen ausgeweiteten Spreiz-Zustand (Figur 11 ). Durch Einwirken der Setzkraft F schlägt das Nietelement 5 vom unverformten Zustand (Figur 9) in den Spreiz- Zustand um, in dem der Nietfuß 7 mit dem ausgeweiteten Querschnitt im Bauteil 3 verspreizt ist. Der Spreiz-Zustand (Figur 11) zeichnet sich dadurch aus, dass (im Unterschied zum Stand der Technik) im Wesentlichen keine Rückfederkraft aufgebaut ist, die das Nietelement 5 in Richtung unverformtem Zustand vorspannt. Von daher kann erfindungsgemäß auf ein formschlüssiges Einfassen der Nietfußspitze mittels des Bauteil-Materials verzichtet werden. A further exemplary embodiment is shown in FIGS. 9 to 11, in which the rivet element 5 is driven into a preliminary hole 37 in the component, which extends conically to a preliminary hole depth and terminates there with a preliminary hole bottom 39 . In the illustrated embodiment, the rivet foot 7 acts as a bistable spring section. This has two states of equilibrium, namely the non-deformed state with reduced cross-section (FIG. 9) and an expanded state (FIG. 11). Due to the action of the setting force F, the rivet element 5 changes from the undeformed state (FIG. 9) to the expanded state in which the rivet foot 7 with the expanded cross section is expanded in the component 3 . The expanded state (FIG. 11) is characterized in that (in contrast to the prior art) essentially no spring-back force is built up that prestresses the rivet element 5 in the direction of the non-deformed state. Therefore, according to the invention, a form-fitting enclosing of the rivet foot tip by means of the component material can be dispensed with.
Nachfolgend werden anhand der Figuren 9 bis 11 die Vorloch-Geometrie des Bauteils 3, die Nietelement-Geometrie sowie der erfindungsgemäße Setzvorgang beschrieben: So ist gemäß der Figur 9 das noch unverformte Nietelement 5 mit Bezug auf seine Längsachse L rotationssymmetrisch ausgebildet. The pre-hole geometry of component 3, the rivet element geometry and the setting process according to the invention are described below with reference to FIGS. 9 to 11: According to FIG.
Das Umschlagen der als bistabiler Federabschnitt wirkenden Nietfußwand 7 wird mittels einer speziellen Aktivierungskontur im Bauteil-Vorloch 37 unterstützt, die wie folgt ausgebildet ist: So weist das Bauteil-Vorloch 37 in der Figur 9 einen durchmessergroßen Einführabschnitt 43 auf. Dieser geht in Richtung Vorloch-Boden 39 an einer umlaufenden Ringschulter 45 stufenartig in eine durchmesserkleine Vorloch-Senkung 47 über. Bei noch unverformtem Nietelement 5 verläuft dessen Aufsetzkante auf einem Durchmesser dK (Figur 9), der größer bemessen ist als der Innendurchmesser di der Ringschulter 45. Zudem ist der Aufsetzkanten-Außendurchmesser dK kleiner bemessen als der Ringschulter-Außendurchmesser dA. Folding over of the rivet foot wall 7 acting as a bistable spring section is supported by a special activation contour in the component pilot hole 37, which is designed as follows: The component pilot hole 37 in FIG. 9 has an insertion section 43 of large diameter. In the direction of the bottom 39 of the pre-hole, this gradually changes at a circumferential annular shoulder 45 into a pre-hole countersink 47 of small diameter. When the rivet element 5 is still undeformed, its contact edge has a diameter dK (FIG. 9) that is larger than the inside diameter di of the annular shoulder 45. In addition, the outside diameter dK of the contact edge is smaller than the outside diameter dA of the annular shoulder.
Der Setzvorgang wird mit einem Setzgerät durchgeführt, das in der Figur 9 den Niederhalter 49 aufweist, in dem ein Setzkolben 30 hubverstellbar geführt ist. Das Bauteil 3 ist zwischen dem Niederhalter 49 und einer ebenflächigen Gegenkontur 25 zwischengeklemmt. Die Gegenkontur 25 weist im Gegensatz zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Matrize keine spezielle Kontur zur Unterstützung einer Aufspreizbewegung des Nietfußes 7 auf, sondern ist diese ist vielmehr ebenflächig als Amboss ausgebildet. Auch kommt es zu keiner Verformung des Bauteils 3. In der Figur 10 ist das Nietelement 5 mit seiner Aufsetzkante auf der Ringschulter 45 im Bauteil-Vorloch 37 abgestützt. Bei Einwirken der Setzkraft F weitet sich der Nietfuß 7 mit seiner Aufsetzkante nach radial außen auf, und zwar bis Erreichen eines Setzhub-Totpunktes T (Figur 10). Im Setzhub-Totpunkt T ist die Aufsetzkante des Nietelements 5 mit einem maximalen Durchmesser dmax ausgeweitet und in Spreizeingriff mit dem Innenumfang des durchmessergroßen Einführabschnitts 43 des Bauteil- Vorloches 37. Zudem befindet sich die Stirnseite der Nietfußspitze großflächig in Kontakt mit der Ringschulter 45. Ferner liegt im Setzhub-Totpunkt T (Figur 10) der von den Spreizlinien aufgespannte Spreizwinkel ß bei etwa 180°. The setting process is carried out with a setting device which, in FIG. 9, has the hold-down device 49 in which a setting piston 30 is guided in a stroke-adjustable manner. The component 3 is clamped between the hold-down device 49 and a planar counter-contour 25 . In contrast to a die known from the prior art, the counter-contour 25 does not have any special contour to support a spreading movement of the rivet foot 7, but is rather designed with a planar surface as an anvil. Also, there is no deformation of the component 3. In FIG. When the setting force F acts, the rivet foot 7 widens radially outward with its contact edge, specifically until a setting stroke dead center T is reached (FIG. 10). In the setting stroke dead center T, the contact edge of the rivet element 5 is expanded with a maximum diameter dmax and is in expanding engagement with the inner circumference of the large-diameter insertion section 43 of the component pilot hole 37. In addition, the end face of the rivet foot tip is in large-area contact with the annular shoulder 45. It is also located in the setting stroke dead center T (FIG. 10), the spread angle β spanned by the spread lines is approximately 180°.
Der Setzhub ist erfindungsgemäß über den Totpunkt T hinaus mit einer Übertotpunkt-Hubweg h (Figur 10) verlängert. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses wird daher der Nietfuß 7 um den Übertotpunkt- Hubweg h in Richtung Vorloch-Senkung 47 eingetrieben. Auf dieser Weise ergibt sich eine Überformung beziehungsweise Überspreizung der Nietfußwand, bei der die Nietfußwand in den Spreiz-Zustand (Figur 11) umschlägt. Im Spreiz-Zustand ist der von den Spreizlinien 51 aufgespannte Spreizwinkel ß (im Vergleich zum Setzhub-Totpunkt T gemäß der Figur 10) bis auf etwa 200° vergrößert. Die Nietfußwand ist daher entgegen der Setzrichtung, das heißt in Richtung Nietkopf 9, umgeschlagen. Die umgeschlagene Nietfußwand erstreckt sich in der Umfangsrichtung durchgängig sowie tellerförmig um den verbleibenden Nietfuß des Nietelements 5. Wie aus der Figur 10 weiter hervorgeht, ist der Innenumfang des durchmessergroßen Einführabschnittes 43 des Bauteil-Vorloches 37 konusartig ausgebildet, sodass der Innenumfang als Einführschräge wirkt, mittels der ein leichtgängiges Einsetzen des Nietelements 5 in das Bauteil-Vorloch 37 ermöglicht ist. Zudem ist das Nietelement 5 auf der Ringschulter 45 in schwimmender Lagerung positioniert (Figur 10), das heißt mit Querspiel positioniert, wodurch Bauteil- und/oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können. According to the invention, the setting stroke is extended beyond the dead center T with an over-dead center stroke h (FIG. 10). In the further course of the setting process, therefore, the rivet foot 7 is driven in by the over-center stroke h in the direction of the pre-hole countersink 47 . This results in an overshaping or overspreading of the rivet foot wall, in which the rivet foot wall changes into the expanded state (FIG. 11). In the spread state, the spread angle β spanned by the spreading lines 51 (compared to the setting stroke dead center T according to FIG. 10) is increased to approximately 200°. The rivet foot wall is therefore turned over in the opposite direction to the setting direction, ie in the direction of the rivet head 9 . The turned-over rivet foot wall extends continuously in the circumferential direction and in the shape of a plate around the remaining rivet foot of the rivet element 5. As can also be seen in FIG. 10, the inner circumference of the large-diameter insertion section 43 of the component pilot hole 37 is cone-shaped, so that the inner circumference acts as an insertion bevel, by means of which the rivet element 5 can be easily inserted into the component pilot hole 37. In addition, the rivet element 5 is positioned on the annular shoulder 45 in a floating bearing (FIG. 10), that is to say positioned with lateral play, as a result of which component and/or manufacturing tolerances can be compensated for.
Bezuqszeichenliste Reference character list
1 , 3 Bauteile 1, 3 components
5 Nietelement 5 rivet element
7 Nietfuß 7 rivet foot
9 Nietkopf 9 rivet head
11 Nietfuß-Stirnseite 11 Rivet foot face
13 Hohlraum 13 cavity
15 Scheitelstelle 15 vertex
16 Schneidkante 16 cutting edge
17 zylindrischer Nietfußabschnitt 17 cylindrical rivet foot section
19 Knickstelle bzw. Übergangskante19 kink or transition edge
21 konischer Nietfuß-Wandabschnitt21 conical rivet foot wall section
23 zylindrischer Nietfuß-Wandabschnitt23 cylindrical rivet foot wall section
25 ebenflächige Gegenkontur 25 planar counter-contour
26 Nietelement-Grundmaterial 26 rivet element base material
27 Nietelement-Rohling 27 rivet element blank
28 Kaltschlagwerkzeug 28 cold striking tool
29 Spreiz-Dorn 29 expanding mandrel
30 Setzkolben, Stempel 30 setting pistons, stamps
31 Vorspreizkonus 31 pre-expansion cone
33 Zentrierzapfen 33 centering pin
35 Funktionsabschnitt 35 functional section
37 Bauteil-Vorloch 37 component pilot hole
39 Vorloch-Boden 39 prehole floor
43 Einführabschnitt 45 umlaufende Ringschulter 43 insertion section 45 circumferential ring shoulder
47 durchmesserkleine Vorloch-Senkung47 diameter small pre-drill countersink
49 Niederhalter 49 hold-down device
51 Spreizlinie 51 spread line
T Totpunkt dmax Durchmesser T dead center dmax diameter
L Nietelement-Längsachse a Vorspreiz-Konuswinkel ß Spreizwinkel h Übertotpunkt-Hubweg t Profiltiefe w Wandstärken a Axial-Überstand di, d2 Außendurchmesser s Blechdicke dK Aufsetzkanten-Durchmesser dA Ringschulter-Außendurchmesser di Ringschulter-Innendurchmesser L Longitudinal axis of the rivet element a Pre-spreading cone angle ß Spreading angle h Over dead center stroke t Profile depth w Wall thicknesses a Axial overhang di, d 2 outer diameter s Sheet thickness dK Contact edge diameter dA Ring shoulder outer diameter di Ring shoulder inner diameter

Claims

Patentansprüche patent claims
1 . Nietverbindung, bei der ein Nietfuß (7) eines Nietelements (5) mit einer Setzkraft (F) in zumindest ein- oder mehrteiliges, insbesondere vorlochfreies Bauteil (1 , 3) einer Materialdicke (s) eingetrieben ist, und zwar unter Aufspreizung des Nietfußes (7) und unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke (r) im Bauteil (1 , 3), wobei der Nietfuß (7) im unverformten Zustand einen zur Nietfuß-Stirnseite (1 1) offenen Hohlraum (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Setzseite abgewandte Bauteil-Seite komplett ebenflächig, das heißt ohne matrizenbedingte Durchwölbung, ausgebildet ist, und/oder dass in der von der Setzseite abgewandte Bauteil-Seite im Bereich der Restbodendicke (r) keine Materialumformung und/oder Werkstoffveränderung erfolgt. 1 . Riveted joint, in which a rivet foot (7) of a rivet element (5) is driven with a setting force (F) into at least one-part or multi-part component (1, 3), in particular without a pre-drilled hole, of a material thickness (s), specifically with the rivet foot spreading open ( 7) and while maintaining a residual bottom thickness (r) in the component (1, 3), the rivet foot (7) in the undeformed state having a cavity (13) open to the rivet foot end face (1 1), characterized in that the The component side facing away from the setting side is completely flat, i.e. without any arching caused by the die, and/or that no material deformation and/or material change occurs in the component side facing away from the setting side in the area of the remaining base thickness (r).
2. Nietverbindung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Nietfuß (7) mit einem, den Hohlraum (13) begrenzenden Nietfuß- Wandabschnitt (21) ausgebildet ist, der im unverformten Zustand bis zur Nietfuß-Stirnseite (11) um einen Vorspreiz-Konuswinkel (a) nach radial außen aufgeweitet ist, um das Aufspreizverhalten des Nietelements (5) im Setzprozess zu unterstützen und zu steuern. 2. Riveted connection according to claim 1, characterized in that the rivet foot (7) is formed with a rivet foot wall section (21) delimiting the cavity (13) which, in the non-deformed state, extends by a pre-spreading Cone angle (a) is expanded radially outwards to support and control the spreading behavior of the rivet element (5) in the setting process.
3. Nietverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konisch aufgeweitete Nietfuß-Wandabschnitt (21) entlang der Nietelement-Längsachse (L) in Richtung Nietkopf (9) an einer Übergangskante bzw. Knickstelle (19) in einen vollzylindrischen oder hohlzylindrischen Nietfußabschnitts (17) übergeht, an dem sich der Nietkopf (9) anschließt. Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (di) des konisch aufgeweiteten Nietfuß-Wandabschnitts (21) sich bis zur Nietfuß- Stirnseite (11) konusartig vergrößert, und/oder dass der Außendurchmesser (d2) des zylindrischen Nietfußabschnitts (17) entlang der Nietelement-Längsachse (L) konstant bleibt. Nietverbindung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Nietfußabschnitt (17) einen den Hohlraum (13) begrenzenden, zylindrischen Nietfuß-Wandabschnitt (23) aufweist, und dass insbesondere die Wandstärke (w) des zylindrischen Nietfuß- Wandabschnitts (23) und die Wandstärke (w) des konisch aufgeweiteten Nietfuß- Wandabschnittes (21) im Wesentlichen gleich groß bemessen sind. Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietfuß-Hohlraum (13) ausgehend von der Nietfuß-Stirnseite (11) entlang der Nietelement-Längsachse (L) in Axialrichtung um eine Profiltiefe (t) bis zu einer inneren Scheitelstelle (15) im Nietfuß (7) einragt, und dass insbesondere sich der Nietfuß- Hohlraum (13) in Axialrichtung mit einem Axial-Übermaß (a) über die Knickstelle (19) hinweg erstreckt, und zwar unter Bildung eines hohlzylindrischen Nietfußabschnittes (17), und dass insbesondere im Fertigungsprozess der hohlzylindrischen Nietfußabschnittes (17) als eine Zentrierführung mit einem Zentrierzapfen (33) eines Spreiz-Dorns (29) zusammenwirkt. Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufspreizverhalten des Nietfußes (7) im Setzprozess alleine durch die Größe des Vorspreiz-Konuswinkels (a) und durch die Längenaufteilung der beiden Nietfußabschnitte (17, 21) steuerbar ist, und dass insbesondere im Setzprozess auf eine Matrize mit profilierter Matrizenfläche, die das Aufspreizen unterstützt, verzichtet werden soll. Nietelement insbesondere für eine Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Nietelement bevorzugt in einem Kaltschlagprozess fertigbar ist, bei dem 3. Riveted connection according to claim 2, characterized in that the conically widened rivet foot wall section (21) along the longitudinal axis (L) of the rivet element in the direction of the rivet head (9) at a transition edge or kink (19) into a fully cylindrical or hollow-cylindrical rivet foot section (17) which is followed by the rivet head (9). Rivet connection according to one of the preceding claims, characterized in that the outside diameter (di) of the conically widened rivet foot wall section (21) increases conically up to the rivet foot end face (11), and/or that the outside diameter (d2) of the cylindrical rivet foot section ( 17) remains constant along the longitudinal axis (L) of the rivet element. Riveted connection according to Claim 3 or 4, characterized in that the cylindrical rivet foot section (17) has a cylindrical rivet foot wall section (23) delimiting the cavity (13), and in that in particular the wall thickness (w) of the cylindrical rivet foot wall section (23) and the wall thickness (w) of the conically widened rivet foot wall section (21) are dimensioned to be essentially the same size. Rivet connection according to one of the preceding claims, characterized in that the rivet foot cavity (13), starting from the rivet foot end face (11) along the longitudinal axis (L) of the rivet element, extends in the axial direction by a profile depth (t) up to an inner apex (15 ) protrudes into the rivet foot (7), and that in particular the rivet foot cavity (13) extends in the axial direction with an axial oversize (a) beyond the kink point (19), specifically forming a hollow-cylindrical rivet foot section (17), and that particularly in the manufacturing process of the hollow-cylindrical rivet foot section (17) interacts as a centering guide with a centering pin (33) of an expanding mandrel (29). Riveted connection according to one of the preceding claims, characterized in that the spreading behavior of the rivet foot (7) in the setting process can be controlled solely by the size of the pre-spreading cone angle (a) and by the length distribution of the two rivet foot sections (17, 21), and that in particular in Setting process on a matrix with a profiled matrix surface, which supports the spreading, is to be dispensed with. Rivet element in particular for a rivet connection according to one of the preceding claims, wherein the rivet element is preferably manufacturable in a cold impact process in which
- in einem ersten Prozessschritt ein Nietelement-Grundmaterial (26) mittels eines Kaltschlagwerkzeugs (28) bearbeitbar ist, und zwar unter Bildung eines Nietelement-Rohlings (27), wobei der Nietfuß (7) über seine gesamte Nietfuß-Länge zylindrisch mit konstantem Außendurchmesser ausgebildet ist und/oder ein hohlzylindrischer Nietfuß-Hohlraum (13) bereitstellbar ist, und - In a first process step, a rivet element base material (26) can be processed using a cold forging tool (28), specifically with the formation of a rivet element blank (27), the rivet foot (7) being cylindrical with a constant outer diameter over its entire rivet foot length and/or a hollow cylindrical rivet foot cavity (13) can be provided, and
- in einem zweiten Prozessschritt ein konisches Aufweiten des Nietfußes (7) erfolgt, bei dem durch plastische Verformung der konisch aufgeweitete Nietfuß-Wandabschnitt (21) an der Nietfuß- Stirnseite (11) erzeugbar ist. Nietelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Prozessschritt ein Dorn (29) mit einem Vorspreizkonus (31) in den Nietfuß-Hohlraum (13) des Nietelement-Rohlings (27) eintreibbar ist, und zwar unter Bildung des konisch aufgeweiteten Nietfuß- Wandabschnitts (21), und dass insbesondere für eine Zentrierung des Spreiz-Dorns (29) gegenüber dem Nietelement (5) der Vorspreizkonus (31) des Spreiz-Dorns (29) an der Dornspitze in einen zylindrischen 22 Zentrierzapfen (33) übergeht, der mit geringem Lochspiel in den Hohlraum (13) des Nietelements (5) einfahrbar ist. Prozessanordnung bzw. Verfahren zur Herstellung einer Nietverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8. - In a second process step, the rivet foot (7) is widened conically, in which the conically widened rivet foot wall section (21) can be produced on the rivet foot end face (11) by plastic deformation. Rivet element according to Claim 8, characterized in that in the second process step a mandrel (29) with a pre-spreading cone (31) can be driven into the rivet foot cavity (13) of the rivet element blank (27), specifically with the formation of the conically widened rivet foot Wall section (21), and that in particular for centering the expanding mandrel (29) relative to the rivet element (5) of the pre-spreading cone (31) of the expanding mandrel (29) at the mandrel tip in a cylindrical 22 centering pin (33), which can be moved into the cavity (13) of the rivet element (5) with a small hole play. Process arrangement or method for producing a rivet connection according to one of Claims 1 to 8.
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