DE102015102174A1 - Punch rivet and method of making a riveted joint - Google Patents
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Abstract
Stanzniet (10) zur Verbindung zweier Werkstücke, mit einem Nietkopf (14) und einem sich daran anschließenden Nietschaft (16), wobei der Nietschaft (16) als Hohlschaft ausgebildet ist, und wobei der Stanzniet (10) zumindest teilweise aus einem Duplexstahl besteht.Punch rivet (10) for connecting two workpieces, with a rivet head (14) and an adjoining rivet shank (16), wherein the rivet shank (16) is formed as a hollow shank, and wherein the punch rivet (10) consists at least partially of a duplex steel.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stanzniet zur Verbindung zweier Werkstücke, mit einem Nietkopf und einem sich daran anschließenden Nietschaft, wobei der Nietschaft als Hohlschaft ausgebildet ist. Derartige Stanzniete werden auch als Halbhohlstanzniete bezeichnet.The present invention relates to a punch rivet for connecting two workpieces, with a rivet head and an adjoining rivet shank, wherein the rivet shank is designed as a hollow shank. Such punch rivets are also referred to as semi-hollow punch rivets.
Beispiele für solche Stanzniete sind aus der
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Stanznietverbindung von zumindest einem ersten und einem zweiten Werkstück, bei dem der erfindungsgemäße Stanzniet verwendet wird.The invention further relates to a method for producing a stamped-riveted joint of at least a first and a second workpiece, in which the stamped rivet according to the invention is used.
Stanznieten ist ein umformendes Fügeverfahren und kann mittels sogenannter Vollniete und/oder sogenannter Halbhohlniete bzw. Halbhohlstanzniete durchgeführt werden. Vorliegend geht es um das Stanznieten mit Halbhohlstanznieten, die mit einem Hohlschaft ausgebildet sind. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Halbhohlstanzniet in eine Anordnung von zwei Werkstücken, einem ersten und einem zweiten Werkstück, getrieben wird, wobei das erste (obere Werkstück) von dem Hohlschaft des Halbhohlstanzniets durchstanzt (gelocht) wird. Eine Matrize, auf der das zweite (untere) Werkstück aufliegt, ist so konstruiert, dass er Hohlschaft im Folgenden radial aufgespreizt wird und radial in das zweite bzw. untere Werkstück getrieben wird, so dass sich ein Hinterschnitt bildet. Dabei wird das zweite bzw. untere Werkstück in der Regel nicht durchtrennt, so dass die der Matrize zugewandte Seite des Werkstückes geschlossen bleibt und folglich wenig rostanfällig ist. Dieses Stanznietverfahren mit Halbhohlstanzniet wird seit einigen Jahren in der Kraftfahrzeugindustrie vermehrt eingesetzt. Das Stanznietverfahren eignet sich insbesondere zur Verbindung von Werkstücken unterschiedlichen Materials (beispielsweise Stahl und Aluminium oder Faserverbundwerkstoff und Metall). Da insbesondere im Karosseriebau ein Trend hin zu einer Kombination von an den jeweiligen Anwendungszweck angepassten, unterschiedlichen Materialien besteht, ist das Stanznietverfahren für diesen Fall ein gegenüber Schweißverfahren bevorzugtes Fügeverfahren.Punch rivets is a reshaping joining process and can be carried out by means of so-called solid rivets and / or so-called semi-tubular rivets or semi-hollow punch rivets. In the present case, it is about the punch riveting with semi-hollow punch rivets, which are formed with a hollow shaft. This method is characterized in that the semi-hollow punch rivet is driven into an arrangement of two workpieces, a first and a second workpiece, wherein the first (upper workpiece) is pierced (punched) by the hollow shaft of the semi-hollow punch rivet. A die, on which the second (lower) workpiece rests, is designed so that the hollow shaft is subsequently spread radially and is driven radially into the second or lower workpiece, so that an undercut is formed. In this case, the second or lower workpiece is usually not severed, so that the side facing the die of the workpiece remains closed and therefore is less susceptible to rust. This punch riveting method with Halbhohlstanzniet has been used for several years in the automotive industry increasingly. The punch riveting method is particularly suitable for joining workpieces of different materials (for example steel and aluminum or fiber composite material and metal). Since there is a trend towards a combination of different materials adapted to the respective application, in particular in body construction, the stamped riveting method is in this case a preferred joining method compared to welding methods.
Es versteht sich dabei, dass zumindest der Werkstoff des zweiten bzw. unteren, matrizenseitigen Werkstücks gut kaltumformbar sein und möglichst homogene Werkstoffeigenschaften besitzen sollte.It goes without saying that at least the material of the second or lower die-side workpiece should be readily cold-workable and should have the most homogeneous possible material properties.
Ein weiterer Trend in der Automobilindustrie besteht in der vermehrten Verwendung von Faserverbundwerkstoffen, wie beispielsweise Faserverbundkunststoff (FVK), kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (KFK), karbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) und glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK). Die Verwendung solcher Materialien stellt auch völlig neue Anforderungen an das Stanznieten bzw. an die technischen Eigenschaften eines Stanzniets. Zwar ist es bereits bekannt, FVK-Werkstoffe zu nieten, jedoch versagen die Niete meist bei den Korrosionstests. Die bisherigen Niete bzw. insbesondere die bisher bekannten Halbhohlstanzniete wurden nicht für FVK-Werkstoffe entwickelt und sind meist aus rein austenitischen Stählen hergestellt. Halbhohlstanzniete aus rein austenitischen Stählen weisen zwar die notwendige Korrosionsbeständigkeit auf, nicht jedoch die notwendige Härte, da sie nicht gehärtet werden können. Mit solchen Stanznieten ist das Durchstanzen von FVK-Werkstoffen nicht möglich. Daher ist ein besonderer Ansatz notwendig, um diese Faserverbundwerkstoffe für das Stanznieten zu öffnen.Another trend in the automotive industry is the increased use of fiber composite materials, such as fiber reinforced plastic (FRP), carbon fiber reinforced plastic (CFRP), carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and glass fiber reinforced plastic (GRP). The use of such materials also makes completely new demands on the punch riveting or on the technical properties of a punch rivet. Although it is already known to rivet FRP materials, however, the rivets usually fail in the corrosion tests. The previous rivets or in particular the previously known semi-hollow punch rivets were not developed for FRP materials and are usually made of pure austenitic steels. Although semi-hollow punching rivets made of pure austenitic steels have the necessary corrosion resistance, they do not have the necessary hardness, since they can not be hardened. With such punch rivets the punching of FRP materials is not possible. Therefore, a special approach is needed to open these fiber composites for punch riveting.
Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Halbhohlstanzniet sowie ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Stanznietverbindung anzugeben, mittels denen sich Faserverbundwerkstoffe prozesssicher fügen lassen.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an improved semi-hollow punch rivet and an improved method for producing a stamped rivet connection, by means of which fiber composites can be added reliably.
Die obige Aufgabe wird bei einem Stanzniet der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Stanzniet zumindest teilweise aus einem Duplexstahl besteht.The above object is achieved in a punch rivet of the type mentioned in that the punch rivet consists at least partially of a duplex steel.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Stanznietverbindung von zumindest einem ersten und einem zweiten Werkstück, mit den Schritten:
- – Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Stanzniets, und
- – Durchführen eines Stanznietvorganges, wobei wenigstens das erste Werkstück zumindest teilweise durchstanzt wird.
- - Providing a punch rivet according to the invention, and
- - Performing a stamped riveting process, wherein at least the first workpiece is at least partially punched.
Durch die Verwendung von Duplexstählen bei Halbhohlstanznieten wird es möglich, FVK-Bleche mittels Stanznieten zu fügen und die gewünschte Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Duplexstähle zeichnen sich nicht nur durch ihre besondere Korrosionsbeständigkeit, sondern auch durch ihre extrem hohe Festigkeit aus. Im Vergleich zu rostfreien Chromstählen weisen sie eine höhere Duktilität auf.By using duplex steels in semi-hollow rivets, it is possible to add FRP sheets by means of punch rivets and to ensure the desired corrosion resistance. Duplex steels are characterized not only by their special corrosion resistance, but also by their extremely high strength. Compared to stainless chromium steels they have a higher ductility.
Als Duplexstahl bezeichnet man einen Stahl, der ein zweiphasiges Gefüge aufweist, das aus einer Ferrit-Matrix mit darin eingebetteten Teilen (Inseln) aus Austenit besteht.A duplex steel is a steel which has a two-phase structure consisting of a ferrite matrix with austenite islands embedded in it.
In Tests, welche von der Anmelderin bereits durchgeführt worden sind, haben sich Halbhohlstanzniete aus Duplexstahl als überraschend vorteilhaft herausgestellt, obwohl eine Verwendung von Duplexstahl für Halbhohlstanzniete keineswegs als naheliegend zu betrachten ist. Im Gegenteil, aufgrund des speziellen, oben beschriebenen Stanznietverfahrens müssen Halbhohlstanzniete eine gute Verformbarkeit aufweisen, da der Halbhohlstanzniet während des Fügeprozesses einer Kaltumformung unterzogen wird. Duplexstähle besitzen in gespanntem Zustand jedoch bereits eine Vickers-Härte von über 300 HV. Zudem verfestigen sich Duplexstähle während der Kaltumformung sehr stark, so dass sie sich für Kaltumformprozesse mit hohen Umformgraden eigentlich nicht anbieten, da die Kräfte zur Umformung zu hoch werden. Die Anmelderin konnte jedoch durch Simulationen zeigen, dass durch einen entsprechend abgestimmten Kaltumformprozess Duplexstähle auch für Halbhohlstanzniete verwendet werden können und dies sogar vorteilhaft ist.In tests, which have already been carried out by the applicant, half-hollow punch rivets made of duplex steel have proved to be surprisingly advantageous, although a use of Duplex steel for semi-hollow punching rivets is by no means considered obvious. On the contrary, because of the special punch riveting method described above, half-punched rivets must have good deformability because the semi-hollow rivet is subjected to cold working during the joining process. Duplex steels, however, already have a Vickers hardness of over 300 HV when clamped. In addition, duplex steels solidify very strongly during cold forming, so that they do not actually offer themselves for cold forming processes with high degrees of deformation, since the forces for forming become too high. However, the Applicant was able to show by simulations that duplex steels can also be used for semi-hollow punch rivets by a suitably coordinated cold forming process and this is even advantageous.
Vorzugsweise ist ein Großteil des Stanzniets aus Duplexstahl. Zumindest ein Teil des Nietkopfes und/oder zumindest ein Teil des Nietschaftes besteht vorzugsweise aus Duplexstahl. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht der Stanzniet vollständig aus Duplexstahl.Preferably, a majority of the punch rivet is duplex steel. At least a part of the rivet head and / or at least a part of the rivet shank is preferably made of duplex steel. According to a further embodiment of the present invention, the punch rivet consists entirely of duplex steel.
Erfindungsgemäß ist es insbesondere bevorzugt, dass der Duplexstahl 40 bis 60% austenitische Anteile aufweist. Hierdurch lässt sich die Umformbarkeit des Stanzniets positiv beeinflussen.According to the invention, it is particularly preferred that the duplex steel has 40 to 60% austenitic portions. As a result, the formability of the punch rivet can be positively influenced.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der Duplexstahl Anteile aus Chrom, Nickel, Molybdän und Stickstoff auf. Als insbesondere vorteilhaft hat sich die Verwendung von X2CrNiMoN22-5-3 erwiesen. Dieser Duplexstahl ist hoch korrosionsbeständig, weist eine sehr hohe Festigkeit auf und lässt sich bei einer Verwendung in einem Halbhohlstanzniet dennoch relativ gut kaltumformen.According to one embodiment, the duplex steel has fractions of chromium, nickel, molybdenum and nitrogen. As particularly advantageous, the use of X2CrNiMoN22-5-3 has been found. This duplex steel is highly corrosion resistant, has a very high strength, and yet is relatively cold-workable when used in a semi-hollow rivet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung hat der als Hohlschaft ausgebildete Nietschaft einen Schaftinnendurchmesser und einen Schaftaußendurchmesser, wobei das Verhältnis von Schaftinnendurchmesser zu Schaftaußendurchmesser kleiner als 0.6, insbesondere kleiner als 0.52, ist.According to a further embodiment, the rivet shank embodied as a hollow shank has a shank inner diameter and a shank outer diameter, wherein the ratio of shank inner diameter to shank outer diameter is smaller than 0.6, in particular smaller than 0.52.
Bei der Ausbildung eines Verhältnisses von Schaftinnendurchmesser zu Schaftaußendurchmesser von kleiner als 0.6 kann erreicht werden, dass die radiale Schaftdicke relativ groß ist. Hierdurch erreicht ein solcher Stanzniet während eines Stanznietprozesses eine hohe Steifigkeit und eignet sich zum Durchdringen von hochfesten Werkstoffen, beispielsweise von Faserverbundwerkstoffen. Andererseits hat er jedoch noch eine ausrechende Deformationsfähigkeit zum Ausbilden eines Hinterschnitts und ferner ein noch hinreichend großes Schaftinnenvolumen (Bohrlochvolumen), um den Stanzbutzen aufzunehmen. Zudem kann auch eine hinreichend hohe Restbodendicke erreicht werden. Unter Restbodendicke versteht sich die axiale Dicke des Materials des stempelseitigen Werkstücks, und zwar dort, wo die axiale Höhe dieses Werkstücks am geringsten ist, wobei dies in der Regel in der axialen Projektion etwa im Bereich der Schaftstirnfläche zwischen Schaftinnendurchmesser und Schaftaußendurchmesser liegt.When forming a ratio of shaft inner diameter to shaft outer diameter of less than 0.6, it can be achieved that the radial shaft thickness is relatively large. As a result, such a punch rivet achieves high rigidity during a punch riveting process and is suitable for penetrating high-strength materials, for example fiber composite materials. On the other hand, however, it still has a sufficient deformation ability to form an undercut and also a still sufficiently large internal shaft volume (borehole volume) to accommodate the stamping. In addition, a sufficiently high residual soil thickness can be achieved. Remaining floor thickness is understood as the axial thickness of the material of the punch-side workpiece, specifically where the axial height of this workpiece is the lowest, which is usually in the axial projection approximately in the region of the shaft end face between the shaft inner diameter and shaft outer diameter.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Nietkopf eine um die Längsachse des Stanzniets umlaufende Schulter auf, welche über den Nietschaft radial übersteht, wobei an einer an den Nietschaft angrenzenden Schulterunterseite ein erstes Fügematerial angeordnet ist.According to a further preferred embodiment, the rivet head has a shoulder which extends around the longitudinal axis of the punch rivet and projects radially over the rivet shank, a first joining material being arranged on a shoulder underside adjoining the rivet shank.
Die Verwendung eines solchen Fügematerials an der Schulterunterseite ist insbesondere beim Stanznieten von CFK-Strukturen von Vorteil. Bei CFK-Strukturen ergibt sich beim Stanznieten die Gefahr der Delamination. Delamination bezeichnet das Ablösen von Schichten in Werkstoffverbunden, zum Beispiel in Faserverbundwerkstoffen oder das Ablösen einer Korrosionsschutzschicht auf einem Stahlteil.The use of such a joining material on the shoulder underside is particularly advantageous in the case of punched riveting of CFRP structures. With CFRP structures, the risk of delamination arises during punch riveting. Delamination refers to the detachment of layers in material composites, for example in fiber composites or the detachment of a corrosion protection layer on a steel part.
Als Fügematerial wird vorzugsweise Klebstoff verwendet, wobei eine Vielzahl unterschiedlichster Klebstoffe hierbei zum Einsatz kommen können. Die Terminologie ”erstes Fügematerial” wird in der vorliegenden Anmeldung lediglich zur Unterscheidung von einem ”zweiten Fügematerial” verwendet. Diese Terminologie impliziert jedoch weder eine Anzahl noch eine Reihenfolge. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Anmeldung zwischen erstem und zweitem Fügematerial hauptsächlich bezüglich deren unterschiedlichen Anordnung am Stanzniet unterschieden wird. Bei beiden Fügematerialien kann es sich jedoch um die gleiche Art von Fügematerial, also beispielsweise um den gleichen Klebstoff handeln.As a joining material, adhesive is preferably used, wherein a variety of different adhesives can be used here. The terminology "first joining material" is used in the present application merely to distinguish it from a "second joining material". However, this terminology does not imply a number or an order. Furthermore, it should be noted that in the present application between the first and second joining material is distinguished mainly with respect to their different arrangement on the punch rivet. However, both joining materials may be the same type of joining material, ie, for example, the same adhesive.
Das erste Fügematerial ist vorzugsweise in einer um die Längsachse des Stanzniets umlaufenden Ausnehmung angeordnet, welche in die Schulterunterseite eingebracht ist. Alternativ oder in Kombination zu dieser Ausgestaltung weist der Nietkopf innerhalb des als Hohlschaft ausgebildeten Nietschaftes eine Kopfunterseite auf, an der ein zweites Fügematerial angeordnet ist. Wie bereits erwähnt, kann es sich hierbei ebenfalls um eine Art von Klebstoff handeln.The first joining material is preferably arranged in a recess running around the longitudinal axis of the punch rivet, which recess is introduced into the shoulder underside. Alternatively or in combination with this embodiment, the rivet head has, within the rivet shank designed as a hollow shank, a head underside on which a second joining material is arranged. As already mentioned, this can also be a type of adhesive.
Durch die beiden oben erwähnten Fügematerialien und deren spezielle Art der Anordnung auf der Schulterunterseite und/oder der Kopfunterseite des Nietkopfes wird das Fügematerial während des Fügeprozesses von CFK-Werkstoffen zwischen den Stanzniet und die Fasern der CFK-Struktur gedrückt. Dadurch werden die Fasern verklebt und die Fügestellen abgedichtet.By means of the two joining materials mentioned above and their special type of arrangement on the shoulder underside and / or the head underside of the rivet head, the joining material is pressed between the punch rivet and the fibers of the CFRP structure during the joining process of CFRP materials. This bonds the fibers and seals the joints.
Bezüglich der zuletzt genannten Ausgestaltungen, bei denen am Stanzniet ein oder mehrere Fügematerialien angeordnet sind, kann es insbesondere vorteilhaft sein, dass der Nietschaft rotationssymmetrisch zu einer Längsachse des Stanzniets ist und mehrere, parallel zur Längsachse verlaufende Schlitze aufweist, welche den Nietschaft in radialer Richtung durchtrennen. Hierdurch wird ein vorteilhaftes Verspreizen des Stanzniets erreicht, was insbesondere beim Stanznieten von CFK-Werkstoffen von Vorteil sein kann. Das Fügematerial kann dabei die undichten Stellen, welche beim Verspreizen des Stanzniets entstehen können, abdichten. With regard to the last-mentioned embodiments in which one or more joining materials are arranged on the punch rivet, it may be particularly advantageous for the rivet shank to be rotationally symmetrical about a longitudinal axis of the punch rivet and to have a plurality of slots running parallel to the longitudinal axis which sever the rivet shank in the radial direction , As a result, an advantageous spreading of the punched rivet is achieved, which can be particularly advantageous in the case of punched riveting of CFRP materials. The joining material can thereby seal the leaks, which can occur during the spreading of the punch rivet.
Bei der Verwendung von Fügematerial, welches an der Schulterunterseite und/oder der Kopfunterseite des Nietkopfes angeordnet ist, kann es ebenso von Vorteil sein, dass der Nietschaft mehrere, parallel zur Längsachse verlaufende Ausnehmungen aufweist, welche in eine Schaftaußenfläche und/oder eine Schaftinnenfläche eingebracht sind. Hierbei handelt es sich dann nicht um den Nietschaft radial vollständig durchtrennende Schlitze, sondern in diesem von außen oder von innen eingebrachte Rillen bzw. nutförmige Ausnehmungen. Auch diese wirken sich vorteilhaft auf die Verformung des Stanzniets aus, verhindern jedoch im Gegensatz zu den oben beschriebenen Schlitzen eine eventuell unerwünschte, zu starke Verformung.When using joining material, which is arranged on the shoulder underside and / or the head underside of the rivet head, it may also be advantageous for the rivet shank to have a plurality of recesses extending parallel to the longitudinal axis, which are introduced into a shank outer surface and / or a shank inner surface , This is then not the rivet shank radially completely severing slots, but in this from the outside or from the inside introduced grooves or groove-shaped recesses. These also have an advantageous effect on the deformation of the punch rivet, but in contrast to the slots described above, prevent any undesired, excessive deformation.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Oberfläche oder zumindest ein Teil der Oberfläche des Stanzniets oberflächengehärtet.According to a further embodiment of the present invention, the surface or at least a part of the surface of the punch rivet is surface hardened.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:
In den
Der Stanzniet
Des Weiteren weist der Nietkopf
Von der Kopfunterseite
Der Nietschaft
Der Stanzniet
Als Verhältnis zwischen Schaftinnendurchmesser D2 und Schaftaußendurchmesser D1 hat sich ein Verhältnis von kleiner als 0,6 als vorteilhaft herausgestellt. Besonders vorteilhaft ist ein Verhältnis von kleiner als 0,52.As ratio between shank inner diameter D2 and shank outer diameter D1, a ratio of smaller than 0.6 has been found to be advantageous. Particularly advantageous is a ratio of less than 0.52.
Die in den
Durch das Schlitzen des Nietschaftes
Ein weiterer Unterschied im Vergleich zur ersten Ausführungsform besteht darin, dass bei der in den
Bei der in den
Der grundsätzliche Unterschied zu den ersten beiden Ausführungsformen besteht bei der dritten Ausführungsform jedoch darin, dass auf der Schulterunterseite
Die Klebtaschen
Im Gegensatz zu den gemäß der zweiten Ausführungsform des Stanzniets
Wenngleich dies vorliegend nicht explizit gezeigt ist, sei darauf hingewiesen, dass derartige, nutförmige Ausnehmungen
Bei der in den
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