DE4333052A1 - Selbststanzende Befestigungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine selbststanzende Befestigungsvorrichtung, bestehend aus einem von einem Stößel beaufschlagten Niet und einem Gegenhalterwerkzeug (Matrize), wobei das Niet aus einem Nietkopf und einem Nietschaft mit zentrischer Ausnehmung, dessen freie Stirnfläche ein ihn aufnehmendes Werkstück (Blechtafel) nicht vollends durchstanzt, besteht.

Eine solche selbststanzende Befestigungsvorrichtung ist in der Deutschen Patentschrift DE 39 42 482 C1 beschrie­ ben. Im erläuterten Anwendungsbeispiel werden zwei Bleche unterschiedlicher Dicke miteinander verbunden, die Teile einer Behälterwand sind und wobei besonderen Wert auf Wasser- und Gasdichtigkeit gelegt worden ist. Auch die Korrosionsstabilität der Nietverbindung ist bei diesem Stand der Technik berücksichtigt.

Sollen solche selbststanzenden Nietverbindungen auch im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik verwendet werden, bei­ spielsweise um Karosseriebleche miteinander zu verbin­ den, so spielen neben der erwähnten Korrosionsstabilität noch weitere wesentliche Faktoren hinein. Wegen dort auftretender hoher mechanischer Beanspruchungen ist die Qualität, d. h. die Festigkeit der Verbindung zweier Bleche von ausschlaggebender Bedeutung. Darüberhinaus sollte je nach Einsatzort (nicht verdeckte Karosseriebe­ reiche) die Oberseite des Nietkopfes nach Herstellung der Nietverbindung mit der umgebenden Blechoberfläche soweit als möglich bündig abschließen können. Auch darf die Herstellung der Nietverbindung besagte Oberflächenbereiche des Bleches so wenig als möglich beeinträchtigen (z. B. verformen aufgrund von Blechverzug), um evtl. notwendig werdende Nacharbeiten zur Verbesserung des optischen Eindruckes auf ein Minimum zu reduzieren.

Diesen weiteren Erfordernissen genügt die vorbekannte Nietverbindung nicht im gewünschten Umfang.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die bekannte selbststanzende Befestigungsvorrichtung in der Weise weiterzubilden, daß die damit hergestellte Nietverbin­ dung bezüglich ihrer Festigkeit hohen Anforderungen genügen kann und daß die Werkstückoberfläche im Bereich der Nietverbindung nicht nachhaltig beeinträchtigt wird.

Dies gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß die selbststanzende Befestigungsvorrichtung die weiteren Merkmale nach dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufweist.

Aufgrund der im weitesten Sinne konusförmigen Ausbildung der Nietschaftausnehmung im Bereich der freien Stirnflä­ che wird beim Eindringen des Nietes in das Werkstück mit zunehmender Eindringtiefe wegen einer dabei entstehenden größeren Spreizkraft bewirkt, daß die radiale Auswärtsbewegung (Aufweitung) des Nietschaftes eine solche Größenordnung erreicht, daß ein Spreizwinkel < 45° entstehen kann, was wiederum einen die Festigkeit, insbesondere die Kopfzugfestigkeit, der Nietverbindung entsprechend erhöhenden Hinterschnitt (Endbereich des Nietschaftes radial weiter ausladend als die an der Nietschaft-Mantelfläche anliegende Auswölbung des unte­ ren Bleches; vgl. Bezugszeichen 30 in Fig. 4) erzeugt.

Die Ausformung des Nietschaftes im Bereich der freien Stirnfläche sowie der im wesentlichen gerundete Übergang des Nietschaftes in den Nietkopf bewirken darüberhinaus beim Durchstoßen eines im Ausführungsbeispiel gezeigten oberen Bleches während des Nietens eine soweit möglich schonende Behandlung des oberen Bleches und sorgen u. a. dafür, daß dann, wenn der Nietkopf eine plane Oberseite aufweist diese Oberseite mit der umgebenden Blechober­ fläche bündig abschließen kann und die kreisförmige Einkerbung beim Übergang Nietkopf-Blechoberfläche ausgesprochen schmal und von nur geringer Tiefe ist.

Ergänzende Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen beschrieben. Neben der dabei angegebenen bevorzugten Formgebung des Nietes ist eine besondere Weiterbildung darin zu sehen (Anspruch 6), daß die Umfangswand der Matrizen- Ausnehmung radial bewegbar ausgeführt ist. Damit ist insbesondere bei dünnen Blechen ein Abstützeffekt beim Schneiden des Oberbleches verbunden, ohne daß der Spreizvorgang des Nietschaftes im unteren Blech in irgendeiner Weise be­ einträchtigt wäre, da die federnd abgestützten Nutsteine (Anspruch 7) entsprechend radial nach außen ausweichen können.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung gezeigt und nachstehend unter entsprechender Bezugnahme erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Niet als Teil der selbststanzenden Befesti­ gungsvorrichtung,

Fig. 2 die Anordnung der Einzelelemente (mehrteilige Matrize im Schnitt gemäß Pfeile II in Fig. 3) der selbststanzenden Befestigungsvorrichtung mit den zwischen ihnen aufgenommenen und zu verbin­ denden Blechen,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die mehrteilige Matrize und

Fig. 4 eine nach der Erfindung hergestellte Nietverbin­ dung.

Wie aus den Figuren in ihrer Zusammenschau ersichtlich, sind ein oberes und ein unteres Metallblech 1, 2 mittels eines Nietes 3 miteinander verbunden. Dieses besteht aus einem Nietkopf 4 mit planer Oberseite 5 und einem zylin­ derförmigen Nietschaft 6 mit zentrischer (Längsachse 7) Ausnehmung 8.

Im dem Nietkopf 4 abgewandten Bereich des Nietschaftes 6 ist die Ausnehmung 8 als Konus 9 mit einem Öffnungswin­ kel α ausgebildet, wobei die Konusflanken 10 vorteilhaf­ terweise leicht gewölbt sein sollten. Damit wird im Rah­ men der fertigungstechnisch gegebenen Möglichkeiten qua­ si eine "scharfe Kante" geschaffen, über die das Niet 3 beim Stanzen das obere Metallblech 1 durchdringen und in das untere Metallblech 2 eindringen kann.

Die übrigen Formgebungs- und Bemaßungsparameter des Nie­ tes 3 gemäß Fig. 1 sind neben dem Konusöffnungswinkel α der Durchmesser d1 der Ausnehmung 8, der Durchmesser d2 des Nietschaftes 6, der Durchmesser D des Nietkopfes 4, die Gesamtlänge L des Nietes 3, die Höhe H des Nietkop­ fes 4, der auswärts gerichtete Radius R1 für den Über­ gang Nietschaft 6 zur Unterseite 11 des Nietkopfes 4, der einwärts gerichtete und sich daran anschließende Radius R2 für den Übergang von der Nietkopf-Unterseite 11 zur Nietkopf-Oberseite 5 und der Radius R3 für den Grund 12 der Ausnehmung 8. Die Höhe H des Nietkopfes 4 bestimmt sich aus dem beginnenden Übergang vom Niet­ schaft 6 zum auswärts gerichteten Radius R1.

Die Ausnehmung 8 weist eine derartige Tiefe auf, daß ihr im Rahmen der fertigungstechnischen Möglichkeiten gerun­ deter (Radius R3) Grund 12 in den Nietkopf 4 hinein­ reicht.

Durch den Radius R1 wird beim Stanzvorgang das Entstehen von hohen Spannungsspitzen im Nietkopfbereich vermieden, da keine scharfen Kanten vorliegen.

Der Konusöffnungswinkel α ist vorzugsweise in Abhängig­ keit der Materialeigenschaften (Streckgrenze R_p0,2) der zu verbindenden Metallbleche 1, 2 zu wählen. Es haben sich folgende Zuordnungen als günstig erwiesen:

R_p0,2 250 N/mm² 75° < α < 120°
R_p0,2 < 250 N/mm² 25° < α < 75

Fig. 2 zeigt in schematisierter Form die weiteren Be­ standteile der selbststanzenden Befestigungsvorrichtung. Dabei wird das Niet 3 von einem auf der Oberseite 5 des Nietkopfes 4 aufsetzenden Stößel 13 mit einer Stößel­ kraft F_S beaufschlagt. Der Stößel 13 ist von einem Nie­ derhalter 14 umgeben, der zusammen mit einer als Gegen­ halterwerkzeug dienenden Matrize 15 die Metallbleche 1, 2 kontaktiert und mit einer Niederhalterkraft F_N beauf­ schlagt. Diese Niederhalterkraft F_N sollte während des Niet-Stanzvorganges konstant bleiben, was in geeigneter Weise dadurch gewährleistet werden kann, daß der Niederhalter 14 von einer entsprechenden druckkon­ trollierten Hydraulikeinheit beaufschlagt wird.

Um die Wirkung des Niederhalters 14 zu optimieren, ist dessen das obere Metallblech 1 kontaktierende Oberfläche aufgerauht. Dadurch kann verhindert werden, daß beim Stanzen die umgebenden Blechbereiche über Gebühr in die Stanzzone eingezogen werden, vielmehr wird das obere Me­ tallblech 1 sauber geschnitten.

Die in den Fig. 2 und 3 gezeigte mehrteilige Matrize 15 weist einen Dorn 20 mit Stempelansatz 16 auf. Der Dorn 20 ist von einer entsprechend dimensionierten Ausnehmung 17 einer Dornaufnahme 18 aufgenommen und von einem seit­ lich dort eingesetzten Gewindestift 19 gehalten. Über eine zusätzlich in die Ausnehmung 17 eingesetzte Unter­ legscheibe 21 bestimmter Stärke, die ohne weiteres gegen eine andere Unterlegscheibe mit davon abweichender Stär­ ke ausgetauscht werden kann, kann erreicht werden, daß der Stempelansatz 16 um ein mehr oder weniger geringes Maß aus der Oberseite 22 der Dornaufnahme 18 herausragt. Eine in die Dornaufnahme 18 eingearbeitete Entlüftungs­ öffnung 31 reicht bis zur Ausnehmung 17.

In die Oberseite 22 der Dornaufnahme 18 sind drei radial gerichtete, gleichmäßig über den Umfang verteilt ange­ ordnete Nuten 23 eingearbeitet, die jeweils der Aufnahme eines Nutsteines 24 dienen. An ihrem dem Stempelansatz 16 zugewandten Ende weisen die Nutsteine 24 Kreislinien­ form auf und ergänzen sich zu einer geschlossenen Kreis­ linie.

Das radial außenliegende Ende eines jeden Nutsteines 24 wird von einer Blattfeder 25 beaufschlagt, welche an der Dornaufnahme 18 mittels Zylinderschrauben 26 befestigt ist. Ein von der Dornaufnahme 18 schließlich nach unten wegragender Zapfen 27 dient seiner Aufnahme und Fixie­ rung in einem Werkzeug.

Im Verlaufe des Nietvorganges werden die Nutsteine 24 durch das vom Niet 3 verdrängte Material insbesondere des unteren Metallbleches 2 nach außen gedrückt, so daß dem Niet 3 schließlich ein den Spreizvorgang günstig beeinflussender zusätzlicher Hohlraum geboten wird. Nach Herstellen der Verbindung und Entfernen des so entstan­ denen Verbundkörpers aus der Matrize 15 drücken die Blattfedern 25 die Nutsteine 24 wieder in ihre Ausgangs­ position zurück.

Wesentlich ist, daß zu Beginn des Fügevorganges der Ma­ trizendurchmesser (von den Nutsteinen 24 gebildete Kreislinie 28) nur geringfügig größer ist, als der Außendurchmesser d₂ des Nietschaftes 6, so daß ein möglichst reines Durchstanzen des nietseitigen oberen Metallbleches 1 stattfindet, ohne daß dieses in die Matrize 15 eingezogen wird.

Fig. 4 zeigt schließlich die fertige Nietverbindung. Dabei ist besonders deutlich erkennbar, daß die Obersei­ te 5 des Nietkopfes 4 bündig mit der Oberseite des obe­ ren Metallbleches 1 abschließt. Auch wird erkennbar, daß die kreisringförmige Kerbe 29 im Übergangsbereich zwi­ schen Nietkopf 4 und oberem Metallblech 1 ausgesprochen schmal und von geringer Tiefe ist. Des weiteren zeigt Fig. 4 den die Festigkeit der Nietverbindung ausgespro­ chen positiv beeinflussenden großen Hinterschnitt 30, der sich u. a. durch den mit dem Niet 3 beim Stanzen einstellenden großen Nietschaft-Spreizwinkel β (ggf. < 45°) ergibt.

Es versteht sich, daß die selbststanzende Befestigungs­ vorrichtung auch verwendet werden kann, um mehr als zwei Bleche miteinander zu verbinden oder auch, um lediglich ein Niet, z. B. ein solches mit einem bolzenförmigen Nietkopf, in einem einzelnen Blech zu befestigen.

Des weiteren ist die Anwendung auch nicht auf die Ver­ bindung von Blechtafeln oder Blechprofilen beschränkt. Vielmehr können auch Nichtmetall-Werkstücke (z. B. Kunst­ stoff) auf diese Weise miteinander verbunden werden.

Claims (8)

1. Selbststanzende Befestigungsvorrichtung, bestehend aus einem von einem Stößel beaufschlagten Niet und einem Gegenhalterwerkzeug (Matrize), wobei das Niet aus einem Nietkopf und einem Nietschaft mit zentri­ scher Ausnehmung, dessen freie Stirnfläche ein ihn aufnehmendes (Werkstück) Blechtafel nicht vollends durchstanzt, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (8) im dem Nietkopf (4) abgewandten Ende des Nietschaftes (6) im wesentlichen konusförmig mit einem Öffnungswinkel (α) ausgebildet ist, daß weiterhin der Übergang des Nietschaftes (6) zur Unterseite (11) des Nietkopfes (4) im wesentlichen gerundet (Radius R1) ausgebildet ist.

2. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Höhe (H) des Nietkopfes (4) aus dem beginnenden Übergang vom Nietschaft (6) zur Nietkopf-Unterseite (11) über den Radius (R1) bestimmt und daß die Ausnehmung (8) mit ihrem Grund (12) in den Nietkopf (4) hineinreicht.

3. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nietkopf (4) eine nach Her­ stellung der Nietverbindung mit der Oberseite des Werkstückes (Metallblech 1) bündig abschließende plane Oberseite (5) aufweist.

4. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nietschaft (6) bei der fer­ tigen Nietverbindung einen Spreizwinkel β < 45° aufweist.

5. Befestigungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die das Werkstück (Metallblech 1) kontaktierende Oberfläche eines den Stößel (13) umgebenden Niederhalters (14) aufgerauht ist.

6. Befestigungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Aufnahme des während der Herstellung der Niet­ verbindung sich spreizenden Nietschaftes (6) dienen­ de Ausnehmung (17) des Gegenhaltewerkzeuges (Matrize 15) eine radial bewegbare Umfangswand aufweist.

7. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Matrize (15) mehrteilig ausge­ bildet ist und auf einer dem Werkstück (Metallblech 2) zugewandten Oberseite (22) einer Dornaufnahme (18) in Nuten (23) geführte, unter Federdruck (Blattfeder 25) gehaltene Nutsteine (24) aufweist.

8. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß drei gleichmäßig über den Umfang der Dornaufnahme (18) verteilt angeordnete, radial gerichtete Nutsteine (24) vorhanden sind, deren einem mittig in einer Ausnehmung (17) der Dornauf­ nahme (18) eingesetzten Dorn (20) zugewandte Enden sich zu einer Kreislinie (28) ergänzen.