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Die Erfindung betrifft einen Halbholstanzniet zum vorlochfreien Fügen von Werkstücken.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückverbunds unter Verwendung wenigstens eines Halbhohlstanzniets.
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Halbhohlstanzniete zum vorlochfreien Fügen von Werkstücken und damit ausführbare Fügeverfahren zum vorlochfreien Fügen von Werkstücken durch Herstellen einer Stanznietverbindung sind aus dem Stand der Technik bekannt, wozu bspw. auf die Patentschriften
DE 10 2009 050 342 B4 und
DE 199 05 528 A1 hingewiesen wird. Ergänzend wird auch auf die Patentschrift
DE 199 09 821 A1 hingewiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbholstanzniet und ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückverbunds eingangs genannter Art anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweisen.
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Dies gelingt mit einem erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Werkstückverbunds entsprechend den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Der erfindungsgemäße Halbhohlstanzniet zum vorlochfreien Fügen von Werkstücken hat einen Nietkopf und einen sich daran anschließenden Nietschaft, wobei der Nietschaft mit einer konzentrisch angeordneten Ausnehmung ausgebildet ist und einen Nietfuß mit (wenigstens) einer Stanz- bzw. Schneidkante aufweist. Es ist vorgesehen, dass der Nietfuß umlaufend (d. h. an jeder Umfangsstelle) einen größeren Außendurchmesser als der übrige bzw. sonstige Nietschaft aufweist, womit auch das während des Fügevorgangs mit diesem Nietfuß im nietkopfseitigen Werkstück erzeugbare Stanzloch einen größeren Durchmesser als der dieses Stanzloch schließlich durchragende Schaftabschnitt des Nietschafts aufweist. Dadurch ergibt sich ein radialer Spalt zwischen dem (betreffenden) Schaftabschnitt und der Stanzlochwandung, der an der Fügestelle eine bedingte Relativbewegung der gefügten Werkstücke quer zur Fügeachse der Stanznietverbindung bzw. quer zu Längsachse des Halbhohlstanzniets ermöglicht.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, weist der Nietschaft eines erfindungsgemäßen Halbholstanzniets seinen größten Außendurchmesser im Bereich des Nietfußes auf, wodurch das im nietkopfseitigen Werkstück mit diesem Nietfuß erzeugbare Stanzloch größer ist als der übrige Nietschaft, so dass der Nietschaft und insbesondere dessen sich an den Nietkopf anschließende axiale Schaftabschnitt mit umlaufendem radialen Spalt in diesem Stanzloch aufgenommen werden kann bzw. aufnehmbar ist. Die aus dem radialen Freiraum resultierende bedingte Relativbeweglichkeit zwischen den gefügten Werkstücken (quer zur Füge- bzw. Längsachse) ermöglicht insbesondere eine unterschiedliche Wärmeausdehnung, ohne dass es zu einer Beschädigung des Nietelements und/oder der Werkstücke kommt. Die hergestellte Stanznietverbindung wird geringer beansprucht und mit einem Versagen ist nicht zu rechnen.
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Ein erfindungsgemäßer Halbhohlstanzniet ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet (bezüglich seiner Längsachse), wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Nietkopf den Nietschaft in radialer Richtung hutartig überragt.
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Bevorzugt ist der sich an den Nietkopf anschließende axiale Schaftabschnitt des Nietschafts zylindrisch ausgebildet. Der Nietfuß weist bezüglich dieses Schaftabschnitts bevorzugt einen um 1,0 mm bis 3,0 mm und insbesondere um 1,5 mm bis 2,0 mm größeren Durchmesser auf.
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Der Nietschaft kann mit einem sich konisch aufweitenden Endabschnitt ausgebildet sein, wodurch der Nietfuß einen größeren Durchmesser als der an den Nietkopf angrenzende Schaftabschnitt aufweist.
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Der Nietschaft kann auch mit einem zylindrischen Endabschnitt ausgebildet sein, wobei dieser Endabschnitt einen größeren Durchmesser als der an den Nietkopf angrenzende Schaftabschnitt aufweist.
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Der erfindungsgemäße Halbholstanzniet ist bevorzugt aus einem Stahlmaterial, insbesondere einem Einsatzstahl, gebildet. Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Halbholstanzniet auch eine Beschichtung auf, die zumindest außenseitig aufgebracht ist. Die Beschichtung kann Korrosion verhindern und/oder den Fügevorgang (Setzvorgang) vereinfachen.
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Der erfindungsgemäße Halbholstanzniet kann spanend oder umformend hergestellt sein. Eine spanende Herstellung kann bspw. durch Drehen erfolgen. Eine umformende Herstellung kann bspw. durch Fließpressen und anschließendes Anstauchen des Nietschafts erfolgen. Bevorzugt handelt es sich also um ein Dreh- oder Umformteil.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Werkstückverbunds mit wenigstens zwei Werkstücken umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- – Positionieren und Ausrichten der zu fügenden Werkstücke;
- – Ausführen eines Fügevorgangs zum vorlochfreien Fügen der Werkstücke mittels bzw. unter Verwendung von wenigstens einem erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet (d. h. das Fügen erfolgt an wenigstens einem Fügepunkt bzw. einer Fügestelle); und
- – Durchführen bzw. Ausführen eines Beschichtungsprozesses, im Zuge dessen die gefügten Werkstücke auch erwärmt werden und am Fügepunkt bzw. an den Fügepunkten zueinander eine bedingte Relativbewegung (d. h. im Rahmen des radialen Spalts zwischen dem Nietschaft und der Stanzlochwandung im nietkopfseitigen Werkstück) ausführen können.
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Bei dem Beschichtungsprozess kann es sich um einen herkömmlichen Lackierprozess zum Aufbringen bzw. Auftragen eines Decklackes handeln, wobei beim Erwärmen (zum Aushärten der aufgebrachten Lackierung) Temperaturen von bis zu 80 °C und mehr erreicht werden können.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Beschichtungsprozess um ein kathodisches Tauchlackieren der gefügten Werkstücke und anschließendes Erwärmen (zum Aushärten der aufgebrachten Lackierung), was zusammenfassend auch als KTL-Prozess bzw. KTL-Durchlauf bezeichnet werden kann. Eine kathodische Tauchlackierung dient insbesondere als Korrosionsschutzbeschichtung und/oder als Grundlack. Das Aushärten erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 180 °C und 210 °C. Ein sich an den Fügevorgang anschließender KTL-Durchlauf führt zu einer hohen korrosiven und bei optionaler Verwendung eines Klebstoffs (siehe unten) auch hohen mechanischen Belastbarkeit des hergestellten Werkstückverbunds.
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Bevorzugt handelt es sich zumindest bei dem oberen (bzw. nietkopfseitigen oder stempelseitigen) Werkstück um ein Blechwerkstück oder um ein blechartiges Werkstück, wobei dieses Werkstück während eines Fügevorgangs vom Nietfuß des verwendeten Halbhohlstanzniets durchstanzt bzw. durchlocht wird, bevor dieser mit dem unteren vom nietkopfseitigen Werkstück abgewandten Werkstück (bzw. mit dem matrizenseitigen Werkstück) formschlüssig verpresst wird. Der Nietschaft und das betreffende Werkstück werden beim Verpressen lokal plastisch verformt. Der Stanzabfall (Butzen) verbleibt in der Ausnehmung des hohlen Nietschafts. In analoger Weise können auch mehr als zwei Werkstücke gefügt werden, wobei sowohl das obere Werkstück und als auch das wenigstens eine mittlere Werkstücke durchstanzt werden, bevor der Nietschaft fußseitig mit dem unteren bzw. vom nietkopfseitigen Werkstück abgewandten Werkstück verpresst wird.
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Bei dem herzustellenden Werkstückverbund handelt es sich insbesondere um ein Karosseriebauteil, Karosserieanbauteil oder Karosseriebestandteil für ein Kraftfahrzeug (insbesondere für eine PKW-Karosserie).
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Bevorzugt sind die Werkstücke aus verschiedenen Metallmaterialien gebildet. Insbesondere haben diese verschiedenen Metallmaterialien eine unterschiedliche Wärmeausdehnung. Eines der Werkstücke, insbesondere das nietkopfseitige Werkstück, kann aus einem Aluminiummaterial, bspw. einem Aluminiumblech, und das andere Werkstück aus einem Stahlmaterial, bspw. einem Stahlblech, gebildet sein.
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Wenigstens eines der Werkstücke, insbesondere das nietkopfseitige Werkstück, kann auch aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, bspw. CFK oder GFK, gebildet sein, wobei das andere Werkstück aus einem Metallmaterial, bspw. einem Aluminiummaterial (insbesondere Aluminiumblech) oder einem Stahlmaterial (insbesondere Stahlblechmaterial), gebildet sein kann (so genannter Hybrid- oder Mischbau).
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das aus faserverstärktem Kunststoffmaterial gebildete Werkstück beim Fügevorgangs durchlocht bzw. durchstanzt wird und dass sich ein radialer Spalt zwischen dem Schaftabschnitt und der Stanzlochwandung in diesem Werkstück ausbildet, der beim Erwärmen eine Relativbewegung der gefügten Bauteile an der Fügestelle ermöglicht, wodurch eine kritische Scherbelastung des Halbhohlstanzniets und/oder kritische Lochleibungspressungen, insbesondere in der Stanzlochwandung des aus faserverstärktem Kunststoffmaterial gebildeten Werkstücks, verhindert werden können.
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Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ist somit im Hinblick auf die Herstellung stanznietgefügter Hybrid- bzw. Mischbauverbunde (insbesondere CFK-Metall-Verbunde) mit anschließendem KTL-Durchlauf optimal geeignet.
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Bevorzugt werden die Werkstücke ergänzend auch miteinander verklebt, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass der verwendete Klebstoff beim Erwärmen im Zuge des Beschichtungsprozesses und insbesondere beim Erwärmen im Rahmen des kathodischen Tauchlackierens (d. h. beim KTL-Durchlauf) aushärtet.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen und nicht maßstabsgerechten Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können jedoch, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
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1 zeigt in zwei Einzeldarstellungen einen erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet.
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2 zeigt ausschnittsweise in einer Schnittansicht einen unter Verwendung von mehreren Halbhohlstanznieten gemäß 1 hergestellten Werkstückverbund.
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3 zeigt in zwei Einzeldarstellungen einen anderen erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet.
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1 zeigt einen Halbhohlstanzniet 100, der einen Nietkopf 110 und einen sich daran anschließenden Nietschaft 120 aufweist. Die linke Darstellung (1a) zeigt eine Seitenansicht und die rechte Darstellung (1b) zeigt eine Schnittansicht. Der Halbhohlstanzniet 100 ist bezüglich seiner Längsachse L rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Nietkopf 110 überragt in radialer Richtung den Nietschaft 120. Das vom Nietkopf 110 wegweisende Ende des Nietschafts 120 wird als Nietfuß 125 bezeichnet. Der Nietfuß 125 weist stirnseitig eine umlaufende Stanz- bzw. Schneidkante 127 auf. Ferner ist der Nietschaft 120 hohl ausgebildet, wozu dieser in an und für sich bekannter Weise eine vom Nietfuß 125 ausgehende und sich in Richtung des Nietkopfs 110 erstreckende, konzentrisch angeordnete Ausnehmung 121 aufweist, wie aus der Schnittansicht ersichtlich. Der Nietkopf 110 kann auch eine andere Ausgestaltung aufweisen und bspw. als Senkkopf ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Nietfuß 125 umlaufend einen größeren Außendurchmesser D als der übrige Nietschaft 120 und insbesondere als der an den Nietkopf 110 angrenzende zylindrische Schaftabschnitt 122 aufweist. Hierzu ist der Nietschaft 120 mit einem sich konisch aufweitenden Endabschnitt 124 ausgebildet, so dass der Nietfuß 125 einen größeren Durchmesser als der an den Nietkopf angrenzende zylindrische Schaftabschnitt 122 aufweist. Der Durchmesser D des Nietfußes 125 ist bspw. um 1,0 mm bis 3,0 mm und insbesondere um 1,5 mm bis 2,0 mm größer als der Durchmesser d des kopfnahen Schaftabschnitts 122. (Der Nietfuß 125 könnte z. B. einen Durchmesser D von ca. 7 mm aufweisen und der kopfnahe Schaftabschnitt 122 könnte einen Durchmesser d von nur ca. 5,0 mm aufweisen). Der Konuswinkel a der Außenumfangfläche im Endabschnitt 124 liegt bevorzugt in einem Bereich von 40° bis 50°.
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Der in 2 gezeigte Werkstückverbund 200 umfasst ein oberes Werkstück 210 und ein unteres Werkstück 220, die an mehreren Fügepunkten bzw. -stellen mit jeweils einem Halbhohlstanzniet 100 gemäß 1 gefügt sind. Die Werkstücke 210 und 220 können optional auch mit einem Klebstoff 230 verklebt sein. Bei den Werkstücken 210 und 220 handelt es sich beispielhaft um Blechwerkstücke bzw. blechartige Werkstücke. Das untere Werkstück 220 ist aus einem plastisch verformbaren Material, wie bspw. einem Aluminium- oder Stahlblech, gebildet. (Bei dem unteren Werkstück 220 könnte es sich auch um ein Profilteil, Gussteil oder dergleichen handeln.) Das obere Werkstück 210 kann ebenfalls aus einem plastisch verformbaren Material, wie bspw. einem Aluminium- oder Stahlblech, oder auch aus einem plastisch unverformbaren Material, wie bspw. einem GFK- oder CFK-Material, gebildet sein. Der Fügebereich, innerhalb dem die beiden Werkstücke 210 und 220 miteinander gefügt sind, kann abweichend zu dem gezeigten ebenen Verlauf auch einen räumlichen Verlauf aufweisen.
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Das Fügen erfolgt in an und für sich bekannter Weise, wobei das obere bzw. nietkopfseitige Werkstück 210 vom Nietschaft 120 der verwendeten Halbhohlstanzniet 100 durchstanzt bzw. durchlocht wird, bevor dieser mit dem unteren Werkstück 220 formschlüssig und hinterschnittig verpresst wird. Die konische bzw. schürzenartige Ausgestaltung des Nietschaftendabschnitts 124 und die in Richtung des Nietfußes 125 abnehmende Wanddicke (die Wanddicke bzw. Wandstärke des hohlen Nietschafts 120 nimmt ausgehend vom Nietfuß 125 in Richtung des Nietkopfs 110 zu, oder umgekehrt, wie aus der Schnittansicht in 1 ersichtlich) vereinfachen die Aufspreizung und das formschlüssige hinterschnittige Verpressen mit dem unteren Werkstück 220. Das obere Werkstück 210 wird an der Fügestelle zwischen dem radial überstehenden Nietkopf 110 und dem unteren Werkstück 220 eingeklemmt und bis zur Aushärtung des optionalen Klebstoffs 230 nur durch diese Klemmung fixiert. Das beim Durchstanzen des oberen Werkstücks 210 anfallende Abfallstück 211 wird dauerhaft in der Innenausnehmung 121 des Nietschafts 120 aufgenommen.
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Die axiale Länge des Nietschafts 120 und die axialen Längen der Nietschaftabschnitte 122 und 124 richten sich nach der Dicke der zu fügenden Werkstücke 210 und 220. Die Durchmesser des Nietkopfs 110 und der Schaftabschnitte 122 und 124 können nach unterschiedlichen Kriterien (bspw. Werkstofffestigkeit, zu erzielende Verbindungsfestigkeit, Werkstückdicke und dergleichen) dimensioniert sein.
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An einer Fügestelle weist das bei einem Fügevorgang mit Hilfe des Nietfußes 125 und der daran ausgebildeten Stanzkante 127 ausgebildete Durchgangsloch 215 im oberen bzw. nietkopfseitigen Werkstück 210 einen größeren Durchmesser als der dieses Stanzloch 215 schließlich durchragende kopfnahe Schaftabschnitt 122 der Halbhohlstanzniet 100 auf. Dadurch ergibt sich ein radialer Spalt S zwischen diesem Schaftabschnitt 122 und der Stanzlochwandung, wodurch an der Fügestelle eine bedingte Relativbewegung bzw. Relativverschiebung der gefügten Werkstücke 210 und 220 quer zur Fügeachse bzw. Längsachse L der Halbhohlstanzniet 100 ermöglicht ist. Die insgesamt zwischen den Werkstücken 210 und 220 ermöglichte Relativbewegung ist in 2 mit den Pfeilen R veranschaulicht. Die durch die Spalte S gegebenen Freiräume an den Fügestellen ermöglichen insbesondere die weitgehend spannungsfreie Ausdehnung des Werkstücks mit dem höheren Material-Wärmeausdehnungskoeffizient, bspw. während der Aufheizphase eines KTL-Durchlaufs. Ferner werden ein Verkippen der Halbhohlstanzniete 100 und eine Beschädigung selbiger und/oder der Werkstücke 210/220 verhindert.
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Das radiale Spaltmaß des Spalts S gibt den möglichen Bewegungsumfang an einer Fügestelle bzw. einem Fügepunkt vor. Bevorzugt ist der Halbhohlstanzniet 100 so beschaffen, dass der sich ergebende Spalt S beim Erwärmen der Werkstücke 210 und 220, insbesondere im Zuge eines kathodischen Tauchlackierens (d. h. beim KTL-Durchlauf), eine resultierende unterschiedliche Wärmeausdehnung der Werkstücke 210 und 220 an der Fügestelle ermöglicht, wodurch Beschädigungen am Nietelement 100 und/oder an den Werkstücken 210/220 vermieden werden und woraus auch weitere Vorteile resultieren. Das radiale Spaltmaß des Spalts S ergibt sich aus der Durchmesserdifferenz (D – d) zwischen dem Nietfuß 125 und dem kopfnahen Schaftabschnitt 122. Gemäß der oben angegebenen bevorzugten Durchmesserdifferenz (D – d) von 1,0 mm bis 3,0 mm und insbesondere von 1,5 mm bis 2,0 mm ergibt sich ein bevorzugtes radiales Spaltmaß des Spalts S von 0,5 mm bis 1,5 mm und insbesondere von 0,75 mm bis 1,0 mm.
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3 zeigt eine andere Ausführungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets 100’, bei der der Nietschaft 120’ einen zylindrischen Endabschnitt 124’ aufweist, der durchmessergrößer als der an den Nietkopf 110’ angrenzende zylindrische Schaftabschnitt 122’ ausgebildet ist. Zwischen den Nietschaftabschnitten 122’ und 124’ befindet sich ein kantenfreier Übergangsbereich 123’. Der zylindrische Endabschnitt 124’ weist gegenüber dem konischen Endabschnitt 124 der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsmöglichkeit eine höhere Verformungsfestigkeit bzw. eine höhere Steifigkeit auf, wodurch Werkstücke aus festeren und/oder spröderen Materialien einfacher durchlochbar bzw. durchstanzbar sind. Ansonsten gelten analog die vorausgehenden Erläuterungen zu den 1 und 2, insbesondere auch im Hinblick auf die genannten Durchmesserverhältnisse.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Halbhohlstanzniet (Nietelement)
- 110
- Nietkopf
- 120
- Nietschaft
- 121
- Ausnehmung (Hohlraum)
- 122
- Schaftabschnitt (kopfnah)
- 123
- Übergangsbereich
- 124
- Schaftabschnitt, Endabschnitt
- 125
- Nietfuß
- 127
- Stanzkante
- 200
- Werkstückverbund
- 210
- Werkstück
- 211
- Abfallstück (Butzen)
- 215
- Stanzloch
- 220
- Werkstück
- 230
- Klebstoff, Klebstoffschicht
- D
- Durchmesser
- L
- Längsachse, Fügeachse
- R
- Relativbewegung
- S
- Spalt
- a
- Winkel
- d
- Durchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009050342 B4 [0003]
- DE 19905528 A1 [0003]
- DE 19909821 A1 [0003]
