DE102005031916B4

DE102005031916B4 - Halbhohlstanzniet zum mechanischen Fügen und Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung

Info

Publication number: DE102005031916B4
Application number: DE102005031916A
Authority: DE
Inventors: Torsten Draht; Gerson Meschut; Jürgen Wandtke
Original assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Current assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: GB2428077B; GB0613363D0; DE102005031916A1; GB2428077A

Abstract

Halbhohlstanzniet mit einem Kopf (18) und einem Schaft (20), dessen Umfangsfläche zumindest in einem vorgegebenen Bereich (22; 22a; 22b; 22c; 22d) außerhalb des Übergangs zwischen Schaft und Kopf in Richtung auf den Kopf (18) divergierend ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbhohlstanzniet zum mechanischen Fügen sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen mindestens zwei plattenförmigen Fügeteilen.
Derartige Halbhohlstanzniete werden in den unterschiedlichsten industriellen Bereichen eingesetzt und bestehen üblicherweise aus einem Kopf und einem Schaft, welcher zumindest bereichsweise zylindrisch ausgebildet ist. Eine Schwierigkeit, die beim Herstellen entsprechender Fügeverbindungen auftreten kann, besteht darin, dass der zylindrische Bereich des Halbhohlstanznietes ein gewisses Spiel im Loch der plattenförmigen Fügeteile hat. Dies kann insbesondere bei dynamisch hoch belasteten Verbindungen wie z. B. in der Kraftfahrzeugtechnik von großem Nachteil sein.
Das vorstehend genannte Fügeverfahren wird häufig mit dem Kleben zur Hybridfügetechnik „Fügen-Kleben" kombiniert. Diese Hybridfügetechnik leidet nicht selten an dem Nachteil, dass die Verbindungsfestigkeit der Fügeverbindung durch Fehler in der Klebstoffschicht, insbesondere eine unvollständige Klebfugenfüllung, beeinträchtigt wird. Dies hat in der Praxis u. a. dazu geführt, die Klebnähte nachzuversiegeln, was natürlich einen entsprechenden Aufwand erfordert.
Aus DE 102 59 334 C1 , RF 2 700 817 A1 , US 5,678,970 A und JP 2001-132718 A sind Vollstanzniete mit einem Kopf und einem Schaft bekannt, dessen Umfangsfläche in einem vorgegebenen Bereich in Richtung auf den Kopf divergierend ausgebildet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbhohlstanzniet sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen mindestens zwei plattenförmigen Fügeteilen anzugeben, die es erlauben, jegliches Spiel zwischen dem Halbhohlstanzniet und den plattenförmigen Fügeteilen zu vermeiden und im Falle von Füge-Klebe-Verbindungen Beeinträchtigungen der Verbindungsfestigkeit zwischen den plattenförmigen Fügeteilen aufgrund einer unvollständigen Klebfugenfüllung zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbhohlstanzniet gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Halbhohlstanzniet ist die Umfangsfläche des Schaftes zumindest in einem vorgegebenen Bereich in Richtung auf den Nietkopf divergierend, also sich erweiternd, ausgebildet. Das bedeutet, dass der Außendurchmesser des Schaftes in dem betreffenden Bereich in Richtung auf den Kopf größer wird. Der divergierende Bereich kann sich über die gesamte Länge oder auch nur über einen Teil der Länge des Schaftes erstrecken, wobei der divergierende Bereich konisch oder auch gekrümmt verlaufen kann.
Der divergierende Bereich des Halbhohlstanznietes sorgt beim Fügevorgang dafür, dass der Schaft aufgrund seiner reibschlüssigen Anlage am Werkstoff der plattenförmigen Fügeteile gestaucht wird. Auf diese Weise wird die Druckspannung im Halbhohlstanzniet wie auch im Werkstoff der plattenförmigen Fügeteile erhöht, was insbesondere bei dynamisch hoch belasteten Fügeverbindungen wie z. B. in der Kraftfahrzeugtechnik von erheblichem Vorteil ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Halbhohlstanzniete besteht darin, dass ihnen in ihrem kritischen Bereich eine höhere Stabilität verliehen werden kann. So kommt es im Stand der Technik beim Stanznieten hochfester Werkstoffe nicht selten zu einem Abreißen bzw. Abscheren von Stanznieten in einem mittleren Bereich, da beim Stanznieten fester Werkstoffe der Rückfederungseffekt besonders hoch ist. Durch die divergierende Form des Schaftes kann der Schaft des Halbhohlstanznietes in diesen kritischen Bereichen besonders stabil ausgeführt werden.
Besonders vorteilhaft lässt sich der erfindungsgemäß ausgebildete Halbhohlstanzniet in Verbindung mit der Hybridfügetechnik „Fügen-Kleben" verwenden, und zwar aus folgenden Gründen:
Wie bereits oben erwähnt wurde, können im Stand der Technik beim Herstellen von Füge-Klebe-Verbindungen Lufteinschlüsse und -Kanäle in der Klebstoffschicht entstehen. Der Erfinder hat erkannt, dass z. B. im Fall von Stanznietverbindungen nach dem Durchstanzen des stempelseitigen Fügeteiles (Bleches) dieses zurückfedert, so dass ein Hohlraum zwischen den beiden Fügeteilen (Blechen) entsteht. Der Hohlraum füllt sich über den Schneidspalt mit Luft. Beim anschließenden Fertigsetzen des Halbhohlstanznietes werden die beiden Bleche miteinander verpresst, und die eingeschlossene, unter Druck gesetzte Luft expandiert in die Klebstoffschicht. Wird ein heißhärtender Klebstoff eingesetzt, expandiert die in der Klebstoffschicht enthaltende Luft im Härtungsofen weiter, so dass sich Luftkanäle zur Umgebung bilden, durch welche korrosive Medien an den Stanzniet gelangen können.
Es hat sich nun gezeigt, dass durch Verwendung eines Halbhohlstanznietes mit einem divergierend ausgebildeten Schaft Lufteinschlüsse und -kanäle in der Klebstoffschicht vermieden werden können. Der Erfinder nimmt an, dass die erfindungsgemäß vorgesehene Ausbildung der Außenfläche des Schaftes dazu führt, dass das Rückfedern des stempelseitigen Bleches und damit das Einziehen von Luft unterbunden oder zumindest reduziert wird. Jedenfalls wird bei Verwendung von erfindungsgemäßen Halbhohlstanznieten mit divergierend ausgebildetem Schaft die Verbindungsfestigkeit der Stanzniet-Klebe-Verbindung nicht durch Lufteinschlüsse bzw. -kanäle beeinträchtigt.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen mindestens zwei plattenförmigen Fügeteilen ist in Anspruch 11 definiert. Bei diesem Verfahren wird ein vorstehend beschriebener Halbhohlstanzniet dazu verwendet, eine erhöhte Druckspannung im Halbhohlstanzniet und im Fügebereich der plattenförmigen Fügeteile zu erzeugen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird dieses Fügeverfahren in Verbindung mit dem Kleben verwendet, wie bereits vorstehend erläutert wurde.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
1 einen schematischen Querschnitt durch eine Stanzniet-Klebe-Verbindung nach dem Stand der Technik;
2 eine der 1 entsprechende Ansicht einer Stanzniet-Klebe-Verbindung unter Verwendung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Stanznietes;
3 eine Seitenansicht des Stanznietes in 2;
4 bis 7 abgewandelte Ausführungsformen des Stanznietes.
1 zeigt in stark schematisierter Form eine Stanzniet-Klebe-Verbindung nach dem Stand der Technik unter Verwendung eines herkömmlichen Halbhohlstanznietes 2 während des Fügevorgangs. Der Halbhohlstanzniet 2 hat in herkömmlicher Weise einen Nietkopf 4 und einen Nietschaft 6 mit einer zylindrischen Außenfläche. Der Halbhohlstanzniet 2 dient zum Verbinden zweier plattenförmiger Fügeteile 8, 10 (Bleche), in deren Anlagebereich eine Klebstoffschicht 9 vorgesehen ist. Das Setzwerkzeug zum Setzen des Halbhohlstanznietes 2 umfasst in herkömmlicher Weise eine Matrize 12 sowie einen Niederhalter 14 zum Ausüben einer Niederhalterkraft. Da derartige Setzwerkzeuge und ihre Funktionsweise bekannt sind, wird hierauf nicht näher eingegangen.
Wie in 1 übertrieben dargestellt ist, federt das dem Setzstempel (nicht gezeigt) zugewandte Fügeteil 8, nachdem es vom Halbhohlstanzniet 2 durchstanzt wurde, zurück, wodurch ein Spalt S zwischen den beiden Fügeteilen 8 und 10 entsteht. Über den Spalt S kann Luft in den Bereich der Klebstoffschicht 9 eindringen. Wenn der Halbhohlstanzniet 2 fertiggesetzt und hierbei der Nietkopf 4 in das stempelseitige Fügeteil 8 eingedrückt wird, werden die beiden Fügeteile 8, 10 miteinander verpresst. Die eingeschlossene und unter Druck gesetzte Luft expandiert dann in die Klebstoffschicht 9. Wird ein heißhärtender Klebstoff eingesetzt, expandiert die in der Klebstoffschicht enthaltene Luft im Härtungsofen weiter, und es bilden sich Luftkanäle zur Umgebung, durch welche korrosive Medien an den Niet gelangen können.
Die 2 und 3 zeigen nun ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Stanznietes 16, mit dem die Bildung eines Spaltes S und damit von Lufteinschlüssen und -kanälen in der Klebstoffschicht 9 vermieden oder zumindest gemindert werden kann.
Wie dargestellt, ist die Umfangsfläche des Nietschaftes 20 im Bereich 22 in Richtung auf den Nietkopf 18 leicht divergierend (sich erweiternd) ausgebildet. Genauer gesagt, hat die Umfangsfläche die Form eines Konus mit dem Konuswinkel α. Wird der Stanzniet 16 mit der konusförmigen Umfangsfläche vom Setzstempel (nicht gezeigt) in die Fügeteile 8, 10 eingetrieben (2), übt der Nietschaft 20 aufgrund seiner Konizität auf das stempelseitige Fügeteil 8 eine nach unten gerichtete Kraft aus, die ein Rückfedern des stempelseitigen Fügeteils 8 unterbindet. Die Folge ist, dass die Fügeteile 8, 10 in der Fügezone in Anlage bleiben, so dass kein Spalt S entsteht. Die im Stand der Technik (1) vorhandene Bildung von Lufteinschlüssen und -kanälen und die daraus resultierende Beeinträchtigung der Verbindungsfestigkeit werden auf diese Weise verhindert.
Der optimale Konuswinkel α ist von verschiedenen Faktoren wie z. B. der Art und dem Werkstoff des Halbhohlstanznietes, dem Werkstoff der Fügeteile und dergleichen abhängig. Der Konuswinkel α ist in jedem Fall größer als Null und auch größer als fertigungsbedingte Konuswinkel und liegt z. B. im Bereich von 0,2° bis 30°, vorzugsweise 0,5 bis 20°, besonders bevorzugt 1° bis 10°.
Der Nietkopf 18 des Halbhohlstanznietes 16 kann beliebig ausgebildet sein und beispielsweise ein Senkkopf, Flachkopf, Flachrundkopf, Großkopf oder dergleichen sein. Als Werkstoff für den Stanzniet 16 kommen alle gängigen Werkstoffe in Frage. Der am häufigsten verwendete Werkstoff ist Stahl; andere Werkstoffe wie Aluminiumlegierungen, Edelstahl, Titan und dergleichen sind jedoch ebenfalls einsetzbar
Der Stanzniet kann im übrigen mit einem Stehbolzen, Stutzen oder einen ähnlichen Ansatz, wie im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, versehen sein.
Als Werkstoff für die Fügeteile 8 und 10 sind ebenfalls alle gängigen Werkstoffe möglich. Im übrigen können für die Fügeteile 8 und 10 artgleiche oder auch verschiedene Werkstoffe verwendet werden.
Als Klebstoff für die Klebstoffschicht 9 können ebenfalls alle gängigen Klebstoffe wie z. B. ein kalthärtender Zweikomponenten-Klebstoff oder ein heißhärtender Einkomponenten-Klebstoff verwendet werden.
Bei dem in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der gesamte Bereich 22 der Umfangsfläche des Nietschaftes 20 divergierend bzw. konisch ausgebildet. Der divergierende Bereich kann jedoch auch eine vom Konus abweichende Form haben und muss sich nicht über die gesamte axiale Länge des Schaftes erstrecken, wie die Ausführungsformen der 4 bis 7 zeigen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 hat der Stanzniet 16a einen Schaft 20a, bei dem der divergierende Bereich 22a gekrümmt bzw. bogenförmig ausgebildet ist und am Fuß des Schaftes 20a angrenzt. Der divergierende Bereich 22a geht in einen zylindrischen Bereich 24a über, der an den Übergang zwischen dem Schaft 20a und dem Kopf 18 angrenzt.
Der gekrümmte divergierende Bereich 22a könnte sich jedoch auch über die gesamte Länge des Schaftes 20a erstrecken. In 4 ist der divergierende Bereich 22a konvex nach außen gekrümmt; er könnte jedoch auch konkav ausgebildet sein.
Die Ausführungsform der 4 lässt sich relativ einfach herstellen. Außerdem ermöglicht diese Form des Stanznietes ein relativ leichtes Eindringen des Stanznietes in die plattenförmigen Fügeteile ohne abrupte Änderungen der aufzubringenden Nietkraft.
Bei der Ausführungsform der 5 ist der divergierende Bereich 22b des Stanznietes 16b konisch ausgebildet, liegt jedoch zwischen einem am Nietfuß angrenzenden zylindrischen Bereich 24b und dem Übergang zwischen Schaft und Kopf. Die axiale Länge des zylindrischen Bereiches 24b ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Dicke des stempelseitigen Fügeteils 8. Hierdurch wird erreicht, dass der Nietschaft 20b nach dem Durchstanzen des stem pelseitigen Fügeteiles 8 an diesem reibschlüssig anliegt, um das Rückfedern des Fügeteils 8 zu verhindern. Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ergibt sich hierbei der Vorteil, dass das Durchstanzen des stempelseitigen Fügeteils 8 und insbesondere das Spreizen des Stanznietes 16a beim Verformen des matrizenseitigen Fügeteiles 10 zum Bilden des Schließkopfes beglinstigt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 6 ist der divergierende Bereich 22c des Stanznietes 16c konisch ausgebildet und grenzt an den Nietfuß an. Er erstreckt sich jedoch nur über einen Teil der Länge des Nietschaftes 20c. Zwischen dem divergierenden Bereich 22c und dem Übergang ist ein zylindrischer Bereich 24c vorgesehen. Auch bei dieser Ausführungsform wird das Eindringen des Stanznietes in die plattenförmigen Fügeteile begünstigt.
7 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform eines Stanznietes 16d, bei dem der divergierende Bereich 22d zwischen einem am Nietfuß angrenzenden zylindrischen Bereich 24d und einem zylindrischen Bereich 25d liegt, welcher am Übergang zwischen Schaft und Kopf angrenzt.
Das Fügeverfahren mit den Stanznieten der 2 bis 7 wurde anhand der Hybridtechnik „Stanznieten-Kleben" beschrieben. Wie bereits eingangs erläutert, können jedoch Halbhohlstanzniete mit der dargestellten und beschriebenen Schaftgeometrie auch ohne Kleben mit Vorteil eingesetzt werden. So macht 2 deutlich, dass der Stanzniet 16 während des Fügevorgangs reibschlüssig an dem stempelseitigen Fügeteil 8 anliegt. Hierdurch wird der Stanzniet 16 etwas gestaucht, wodurch eine entsprechende Druckspannung sowohl im Stanzniet 16 wie auch im angrenzenden Werkstoff der Fügeteile 8, 10 erzeugt wird. Ein Spiel oder Spalt zwischen der Umfangsfläche 22 des Stanznietes 16 und den Fügeteilen 8, 10 kann daher nicht entstehen. Dieser Effekt ist besonders vorteilhaft bei dynamisch hochbelasteten Verbindungen, wie sie beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik zu finden sind.
Bei allen beschriebenen Ausführungsformen beruht die vorteilhafte Wirkung der beschriebenen Schaftgeometrie darauf, dass in dem stempelseitigen Fügeteil ein Loch mit einem kleineren Durchmesser als im oberen Bereich des Schaftes gebildet wird, wodurch die reibschlüssige Anlage zwischen Schaft und Fügeteilen erreicht und das Rückfedern des stempelseitigen Fügeteils vermieden wird.

Claims

Halbhohlstanzniet mit einem Kopf (18) und einem Schaft (20), dessen Umfangsfläche zumindest in einem vorgegebenen Bereich (22; 22a; 22b; 22c; 22d) außerhalb des Übergangs zwischen Schaft und Kopf in Richtung auf den Kopf (18) divergierend ausgebildet ist.
Halbhohlstanzniet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der divergierende Bereich (22) der Umfangsfläche über die gesamte Länge des Schaftes (20) bis zum Übergang in den Kopf (18) erstreckt.
Halbhohlstanzniet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der divergierende Bereich (22a; 22b; 22c; 22d) der Umfangsfläche nur über einen Teil der Länge des Schaftes erstreckt.
Halbhohlstanzniet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der divergierende Bereich (22a; 22c) am Fuß des Schaftes (20a; 20c) angrenzt.
Halbhohlstanzniet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der divergierende Bereich (22b) am Übergang zwischen Schaft und Kopf angrenzt.
Halbhohlstanzniet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der divergierende Bereich (22d) sowohl zum Fuß wie auch zum Übergang zwischen Schaft und Kopf beabstandet ist.
Halbhohlstanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der divergierende Bereich (22; 22b; 22c; 22d) konisch verläuft.
Halbhohlstanzniet nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Konuswinkel des divergierenden Bereiches (22; 22b; 22c; 22d) 0,5° bis 20°, insbesondere 1° bis 10°, beträgt.
Halbhohlstanzniet nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der divergierende Bereich (22a) gekrümmt verläuft.
Halbhohlstanzniet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsfläche des Schaftes (20) ohne Vertiefungen und Erhöhungen ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen mindestens zwei plattenförmigen Fügeteilen (8, 10), bei dem ein Halbhohlstanzniet (16; 16a; 16b; 16c; 16d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in die Fügeteile (8, 10) so eingetrieben wird, dass der divergierende Bereich (22; 22a; 22b; 22c; 22d) des Schaftes (20) des Halbhohlstanznietes auf das stempelseitige Fügeteil (8) eine ein Rückfedern des stempelseitigen Fügeteils verhindernde Reibkraft ausübt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbhohlstanzniet (16; 16a; 16b; 16c; 16d) in die Fügeteile (8, 10) so eingetrieben wird, dass eine erhöhte Druckspannung im Halbhohlstanzniet und im Fügebereich der plattenförmigen Fügeteile (8, 10) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den plattenförmigen Fügeteilen (8, 10) zumindest im Fügebereich eine Klebstoffschicht (9) vorgesehen wird und dann die Fügeteile (8, 10) unter Verwendung eines Halbhohlstanznietes (16; 16a; 16b; 16c; 16d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gefügt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Fügeteile (8, 10) während des Fügevorganges mit keiner oder nur einer geringen Niederhalterkraft gegeneinander gedrückt werden.