DE20013526U1 - Device for connecting sheets by punch riveting or clinching - Google Patents
Device for connecting sheets by punch riveting or clinchingInfo
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Abstract
Description
Avdel Verbindungselemente GmbH, Klusriede 24, 30581 Langenhagen Avdel Fasteners GmbH, Klusriede 24, 30581 Langenhagen
Vorrichtung zum Verbinden von Blechen durch Stanznieten oder DurchsetzfügenDevice for joining sheets by punch riveting or clinching
Bei Vorrichtungen zum Verbinden von Blechen durch Stanznieten oder Durchsetzfügen besteht das Problem, daß jeweils sehr hohe Kräfte aufgebracht werden müssen. Dadurch kommt es häufig, insbesondere bei der Verarbeitung von Aluminiumblechen, zu Anlegierungen an die Stanznietmatrizen und die Matrizen und Stempel, die beim Durchsetzfügen (Clinchen) verwendet werden.The problem with devices for joining sheets by means of punch riveting or clinching is that very high forces have to be applied in each case. This often leads to alloys forming on the punch rivet dies and the dies and punches used in clinching, particularly when processing aluminum sheets.
Ausgehend von dieser Problematik ist es die Aufgabe der vor-Based on this problem, it is the task of the
Jk- liegenden Erfindung, die entsprechenden Stanznietmatrizen bzw. Matrizen und Stempel für das Durchsetzfügen dergestalt weiterzuentwickeln, daß deutlich niedrigere Kräfte bei der Verarbeitung erforderlich sind, und das Problem des Entstehens von Anlegierungen an die Matrizen, also einer Art Kaltschweißen oder "Fressen", verhindert werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Matrize zumindest teilweise mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet ist. Überraschenderweise führt eine solche Beschichtung dazu, daß um etwa 20 % geringere Kräfte für das Herstellen der gleichen Verbindung erforderlich sind. Außerdem wird das Problem mit dem Anlegieren von Aluminiumblechen sicher behoben. Zusätzlich wird der Verschleiß der Matrizen erheblich geringer, und Jk- underlying invention, to further develop the corresponding punch riveting dies or dies and punches for clinching in such a way that significantly lower forces are required during processing and the problem of the formation of alloys on the dies, i.e. a type of cold welding or "seizing", is prevented. According to the invention, this object is achieved by coating the die at least partially with a carbon layer. Surprisingly, such a coating leads to about 20% lower forces being required to produce the same connection. In addition, the problem with the alloying of aluminum sheets is reliably eliminated. In addition, the wear of the dies is significantly reduced and
selbst wenn Verschleiß auftritt, führt dieser üblicherweise nur zur einer Abnutzung der Beschichtung, so daß die Matrize nach einer geeigneten Nachbeschichtung weiter verwendet werden kann, und nicht durch eine neue Matrize ersetzt werden muß.Even if wear does occur, it usually only leads to a wear of the coating, so that the die can be used again after a suitable recoating and does not have to be replaced by a new die.
Um Kosten bei der Beschichtung zu sparen, kann es bevorzugt sein, daß lediglich die dem Fügepunkt zugewandten Bereiche der Matrize mit einer entsprechenden Kohlenstoffschicht beschichtet sind.In order to save costs in the coating, it may be preferred that only the areas of the die facing the joining point are coated with a corresponding carbon layer.
Bei Vorrichtungen zum Durchsetzfügen, die ja zusätzlich zu der Matrize einen Stempel aufweisen, ist es besonders bevorzugt, wenn auch der Stempel zumindest teilweise mit einer entsprechenden Kohlenstoffschicht beschichtet ist.In the case of clinching devices which have a punch in addition to the die, it is particularly preferred if the punch is also at least partially coated with a corresponding carbon layer.
Dabei weist die Matrize häufig einen Amboß mit auf diesem seitlich beweglichen Backen auf, wobei es dann besonders bevorzugt ist, daß sowohl der Amboß als auch die Backen zumindest teilweise mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet sind.The die often has an anvil with jaws that can be moved laterally on it, and it is then particularly preferred that both the anvil and the jaws are at least partially coated with a carbon layer.
^ Als besonders geeignete Beschichtung hat sich eine Kohlenstoffbeschichtung in Form einer "Diamond like Carbon"- (DLC) Beschichtung erwiesen.
25^ A carbon coating in the form of a "diamond like carbon" (DLC) coating has proven to be particularly suitable.
25
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Kohlenstoffschicht durch Plasmabeschichten oder Sputtern aufgebracht ist.It is particularly preferred if the carbon layer is applied by plasma coating or sputtering.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt:The present invention is described in more detail below with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings.
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Matrize für das Stanznieten;Fig. 1 shows a die according to the invention for punch riveting;
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Matrize für das Durchsetzfügen;
Fig. 3 den Amboß der Matrize gemäß Fig. 2;
Fig. 4 die Backen der Matrize gem. Fig. 2;Fig. 2 shows a die according to the invention for clinching;
Fig. 3 the anvil of the die according to Fig. 2;
Fig. 4 the jaws of the die according to Fig. 2;
Fig. 5 den erfindungsgemäß beschichteten Stempel zu der Matrize gemäß Fig. 2.Fig. 5 shows the stamp coated according to the invention for the die according to Fig. 2.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- mm dung in Form einer Matrize für das Stanznieten. Die entsprechende Matrize 10 weist eine kreisringförmige, glatte äußere Oberfläche 12 auf, die den durch ein Stanzniet zu verbindenden Blechteilen zugewandt ist. In der Mitte dieser kreisringförmigen Fläche 12 ist ein Gesenk 14 ausgenommen, in dem der Fügepunkt bei dem Stanznietvorgang gebildet wird.Fig. 1 shows an embodiment of the present invention in the form of a die for punch riveting. The corresponding die 10 has a circular, smooth outer surface 12 which faces the sheet metal parts to be joined by a punch rivet. In the middle of this circular surface 12 there is a recess 14 in which the joining point is formed during the punch riveting process.
Wie in Fig. 1 durch die strichpunktierten Linien angedeutet, sind die Oberfläche 12 und das Gesenk 14 erfindungsgemäß speziell mit Kohlenstoff beschichtet. Es handelt sich dabei um eine sogenannte "Diamond like Carbon"- (DCL)-Beschichtung. Er- ^ findungsgemäß kann ebenfalls eine Plasmabeschichtung mit Kohlenstoff oder eine Beschichtung durch Aufsputtern von Kohlenstoff verwendet werden. Alle diese Verfahren erzeugen eine extrem dünne kristalline Kohlenstoffablagerung auf dem behandelten Gegenstand. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann sich die entsprechende Beschichtung noch um die Ecke herum auf eine Teilfläche der Mantelfläche der Matrize 10 erstrecken. Entscheidend ist jedoch, daß diejenigen Flächen beschichtet sind, die mit dem zu verarbeitenden Blech in Berührung kommen .As indicated in Fig. 1 by the dot-dash lines, the surface 12 and the die 14 are specially coated with carbon according to the invention. This is a so-called "diamond like carbon" (DCL) coating. According to the invention, a plasma coating with carbon or a coating by sputtering carbon can also be used. All of these methods produce an extremely thin crystalline carbon deposit on the treated object. As shown in Fig. 1, the corresponding coating can extend around the corner to a partial area of the outer surface of the die 10. However, it is crucial that those areas that come into contact with the sheet metal to be processed are coated.
Fig. 2 zeigt eine Matrize 20 für das Durchsetzfügen. Diese besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Amboß 22, derFig. 2 shows a die 20 for clinching. This consists of a substantially cylindrical anvil 22, which
auch in Fig. 3 alleine dargestellt ist, mit abgerundeten Vorderkanten. Um den Amboß sind vier Backen 21 angeordnet und am Amboß 22 dergestalt gelagert, daß sie beim Erzeugen eines Fügepunkts mit den Verfahren des Durchsetzfügens elastisch und federnd zur Seite ausweichen können.also shown alone in Fig. 3, with rounded front edges. Four jaws 21 are arranged around the anvil and are mounted on the anvil 22 in such a way that they can move elastically and resiliently to the side when a joining point is created using the clinching process.
Erfindungsgemäß wird die obere (vordere) Stirnfläche des Amboß 22 mit der oben beschriebenen Kohlenstoffbeschichtung DLC beschichtet. Die Beschichtung kann sich dabei auch auf einen Teil der Mantelfläche des Amboß 22 erstrecken.According to the invention, the upper (front) face of the anvil 22 is coated with the carbon coating DLC described above. The coating can also extend to part of the outer surface of the anvil 22.
Die beschichteten Bereiche sind in Fig. 3 mit einer strichpunktierten darüberlaufenden Linie bezeichnet.The coated areas are marked in Fig. 3 with a dot-dash line running over them.
Fig. 4 zeigt die ebenfalls erfindungsgemäß beschichteten Bakken 21 der Matrize 20. Erfindungsgemäß muß zumindest die Ober- (Vorder-)seite der Backen 21 DLC-beschichtet sein. Es empfiehlt sich aber, die Backen 21, die ja stets besonders hohen Belastungen beim Durchsetzfügen ausgesetzt sind, vollständig in der oben beschriebenen Weise mit Kohlenstoff zu beschichten, wie dies in Fig. 4 durch die strichpunktierte ^ Linie angedeutet ist.Fig. 4 shows the jaws 21 of the die 20, which are also coated according to the invention. According to the invention, at least the upper (front) side of the jaws 21 must be DLC-coated. However, it is recommended that the jaws 21, which are always subjected to particularly high loads during clinching, be completely coated with carbon in the manner described above, as is indicated in Fig. 4 by the dot-dash line ^.
Fig. 5 zeigt einen Amboß 30, der zur Erzeugung eines Fügepunkts mit der Matrize 2 0 zusammenwirken kann. Dieser umfaßt insbesondere einen zylindrischen Ansatz 32, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung, die von den Backen 21 gebildet wird. Erfindungsgemäß ist auch dieser zylindrische Teil 32 des Stempels 30 in der oben beschriebenen Weise mit Kohlenstoff DLC-beschichtet. Die Beschichtung sollte sich dabei mindestens auf die Stirnfläche des zylinderförmigen Teils 32 und einen Teil der daran anschließenden Mantelfläche erstrecken.Fig. 5 shows an anvil 30 which can cooperate with the die 20 to produce a joining point. This comprises in particular a cylindrical projection 32 whose diameter is slightly smaller than the diameter of the opening formed by the jaws 21. According to the invention, this cylindrical part 32 of the punch 30 is also DLC-coated with carbon in the manner described above. The coating should extend at least to the end face of the cylindrical part 32 and part of the adjacent lateral surface.
Erfindungsgemäß kann diese Beschichtung auch nachträglich auf bereits existierende Matrizen und Stempel aufgebracht werden. Außerdem kann die Beschichtung erfindungsgemäß bei Abnutzung erneuert werden, so daß statt einem Ersatz der jeweiligen Werkzeuge ein Neubeschichten genügt.According to the invention, this coating can also be applied subsequently to existing dies and punches. In addition, according to the invention, the coating can be renewed when it becomes worn, so that a new coating is sufficient instead of replacing the respective tools.
Durch die erfindungsgemäße Beschichtung können die erforderlichen Fügekräfte sowohl beim Durchsetzfügen, als auch beim Stanznieten erheblich verringert werden. Gleichzeitig erhöht die Standzeit der Werkzeuge wesentlich, es kommt kaum noch zu M Fehlern und es entstehen keine Anlegierungsprobleme bei der Verarbeitung aluminiumhaltiger Bleche. Im folgenden sind entsprechende Versuchsergebnisse beispielhaft angegeben:The coating according to the invention allows the joining forces required for both clinching and punch riveting to be reduced considerably. At the same time, the service life of the tools is increased significantly, there are hardly any M errors and no alloying problems arise when processing sheets containing aluminum. The following are examples of corresponding test results:
Das Problem "abstehende Niete" führte in der Vergangenheit zu einer kontinuierlichen Erhöhung des Setzdruckes. Es ist nicht mehr nachvollziehbar, warum es über die Zeit zu diesem Umstand kam. Um ein zufriedenstellendes Ergebnis bei der Verarbeitung zu erreichen, wurde der Setzdruck auf ca. 250 bar eingestellt, was ca. 49 kN entspricht. Aus den gesammelten Erfahrungen hat sich gezeigt, daß dies die einzige Möglich- ^ keit ist, um eine zufriedenstellende Nietverbindung zu erzeugen. Der höhere Druck stellt für alle Anlagenkomponenten eine höhere Belastung dar, was zu einem vorzeitigen VerschleißIn the past, the problem of "protruding rivets" led to a continuous increase in the setting pressure. It is no longer clear why this situation arose over time. In order to achieve a satisfactory result during processing, the setting pressure was set to approx. 250 bar, which corresponds to approx. 49 kN. Experience has shown that this is the only way to produce a satisfactory rivet connection. The higher pressure represents a higher load for all system components, which leads to premature wear.
25 verschiedener Komponenten führen kann.25 different components.
Um den Verarbeitungsdruck zu reduzieren, wurden in der Vergangenheit verschiedene Versuche unternommen. So wurden Stanzniete gewachst bzw. verschiedene Lieferanten für die Oberflächenbeschichtung getestet, um hier ein positives Ergebnis zu erzielen. Leider brachten diese Maßnahmen keinen Signifikaten Erfolg.In order to reduce the processing pressure, various attempts have been made in the past. For example, punch rivets were waxed and various suppliers for the surface coating were tested in order to achieve a positive result. Unfortunately, these measures did not bring any significant success.
Werden Umformwerkzeuge aus Stahl, wie z.B. Stanznietmatrizen, zum Umformen von Aluminium ohne Gleit- bzw. Schmiermittelzusatz d.h. zur Trockenumformung verwendet, so kommt es mit der Zeit zu einer Anhaftung bzw. Kaltaufschweißung von Aluminiumpartikeln auf der Stahloberfläche. Dies hat eine Erhöhung des Reibungskoeffizienten zur Folge und reduziert somit das Fließverhalten des Materials in der Matrize. Um bei einer Matrize mit einer rauheren Oberfläche im Vergleich zu einer Matrize mit einer glatten Oberfläche, gleiche Ergebnisse im bezug auf das Fließen des Materials zu erzielen, muß die erfor- mm derliche Kraft zur Überwindung des Reibungswiderstandes deutlich vergrößert werden.If forming tools made of steel, such as punch rivet dies, are used to form aluminum without the addition of a lubricant or lubricant, ie for dry forming, aluminum particles will adhere or cold weld onto the steel surface over time. This results in an increase in the coefficient of friction and thus reduces the flow behavior of the material in the die. In order to achieve the same results in terms of the flow of the material with a die with a rougher surface compared to a die with a smooth surface, the force required to overcome the frictional resistance must be significantly increased.
Der in diesem Beispiel durchgeführte Versuch sollte den Einfluß einer sogenannten DLC-Beschichtung auf der Matrizenoberfläche zeigen. DLC (Diamond like Carbon) hat die Eigenschaft, eine Schicht zu erzeugen, die sehr hart ist und sehr gute Trenneigenschaften besitzt. Ist die Schicht unbeschädigt, kommt es zu keiner Anlagerung von Aluminium auf der Oberfläehe. The test carried out in this example was intended to show the influence of a so-called DLC coating on the die surface. DLC (Diamond like Carbon) has the property of producing a layer that is very hard and has very good separation properties. If the layer is undamaged, no aluminum will accumulate on the surface.
^ Um im Versuch den Nachweis dieser Theorie zu führen, wurden Matrizen mit einer DLC-Beschichtung eingesetzt. Der Setzdruck wurde auf ca. 210 bar, ca. 41 kN reduziert. Über 3 Arbeitstage (entspricht ca. 50.000 Nietungen pro Matrize) wurde der Einfluß unter produktionsnahen Bedingungen überprüft. Alle in diesem Zeitraum durchgeführten Nietungen zeigten ein i.O.Verhalten, d.h. der Nietkopf lag auf der Bauteiloberfläche auf. Um zu Überprüfen, ob dies ein rein zufälliges Ergebnis war, wurden zum Test gebrauchte unbeschichtete Matrizen eingesetzt. Die erste Nietung mit diesen Matrizen zeigt einen abstehenden Niet und ebenso bei 10 weiteren genieteten Trägern. Darauffolgende Nietungen mit DLC-beschichteten Matrizen ergaben en i.0.-Setzbild.^ In order to prove this theory in the test, dies with a DLC coating were used. The setting pressure was reduced to approx. 210 bar, approx. 41 kN. The influence was tested under conditions similar to production over 3 working days (corresponding to approx. 50,000 rivetings per die). All rivetings carried out during this period showed OK behavior, i.e. the rivet head rested on the component surface. To check whether this was a purely random result, used uncoated dies were used for the test. The first riveting with these dies showed a protruding rivet and the same was true for 10 other riveted beams. Subsequent rivetings with DLC-coated dies resulted in an OK setting pattern.
• B ·• B ·
Der Nachteil der DLC-Beschichtung besteht darin, daß die Schicht mit der Zeit Verschleiß aufweist und somit die Anhaftung von Aluminium wieder entsteht. Abhilfe kann hier ein zyklischer Wechsel der Matrizen z.B. wie im Versuch ermittelt, alle 3 Tage schaffen. Es besteht die Möglichkeit, diese Matrizen dann zu entschichten und neu zu beschichten. Hier muß ein logistischer Ablauf geschaffen werden, der die Anzahl der in Umlauf befindlichen Matrizenm kostengünstig realisiert. Geschützt wird, daß die Lebensdauer einer wiederbeschichteten Matrize ca. 60 % der einer neuen beschichteten Matrize entspricht. Dies gilt es jedoch in der Praxis nachzuweisen.The disadvantage of the DLC coating is that the layer wears out over time and the aluminum then adheres again. This can be remedied by changing the dies cyclically, for example every 3 days as determined in the test. It is then possible to strip the dies and recoat them. A logistical process must be created here that allows the number of dies in circulation to be managed cost-effectively. It is assumed that the service life of a recoated die is approximately 60% of that of a newly coated die. However, this must be proven in practice.
Kostenmäßig ist mit einem höheren Preis pro Matrize, aufgrund der relativ hohen Kosten für die Beschichtung, zu rechnen. Wird dies jedoch im Vergleich zu der höheren Lebensdauer der Matrize gesehen, reduzieren sich die Kosten, die bei Matrizenbruch auftreten. Des weiteren hat eine Reduzierung des erforderlichen Drucks positive Auswirkung auf die Lebensdauer des Gesamtsystems, welches Hydraulikkomponenten und andere mechanische Komponenten umfaßt.In terms of costs, a higher price per die is to be expected due to the relatively high cost of the coating. However, when compared to the longer life of the die, the costs associated with die breakage are reduced. Furthermore, a reduction in the required pressure has a positive effect on the life of the entire system, which includes hydraulic components and other mechanical components.
(gesamt)(in total)
Niete/MatrizeRivet/Die
(bar)(bar)
ProzeßkontrolleProcess control
• · <
■ ·
*•
· <
■ ·
*
&phgr; Φ.1#. 07 . 00
ϕ φ
nehmen zu; Kegel der Matrize zeigt
keine Abplatzungen; Matrizen ohne Be
schichtung getestet und Niete stehen
ab; Matrizen mit Beschichtung einge
setzt Nietbild wieder i.O.Chipping in the base of the matrix
increase; cone of the matrix shows
no chipping; matrices without
layering tested and rivets are
matrices with coating
sets rivet pattern back to normal
•
* ·
* · 1? .07.00
•
* ·
* ·
• · · ·
mit geringen Unterbrechungen, <KecjeiL
in der Matrize noch blank I **·
• · Il Components still blank on the die side
· · ·
with minor interruptions, <KecjeiL
still blank in the matrix I **·
• · Il
lisch blank ·*** · Components on the matrix side still metal
lisch blank ·*** ·
der Oberfläche im äußeren Rand.'8^%
Matrize (teilweise metallisch blanj^t
* *Re-polishing of the matrices; wear
the surface in the outer edge.'8^%
Matrix (partly metallic blanj^t
* *
Die Versuche wurden mit Original Matrizen, Art.-Nr. AOOOT-47195, mit einer DLC Beschichtung durchgeführt. Bei 50.000 Nietungen wurden die Matrizen ausgebaut und nachpoliert, da sich an den Stellen, an denen die Beschichtung abgeplatzt war, Aluminium angesammelt hat. Nach dem Polieren war die Matrize an diesen Stellen wieder metallisch blank. Die Trägerstückzahlen wurden am Gesamtzähler abgenommen. Unbeschichtete Matrizen erfordern einen Setzdruck von ca. 250 bar, um ein zufriedenstellendes Setzbild des Stanznietes zu erreichen.The tests were carried out with original dies, item no. AOOOT-47195, with a DLC coating. After 50,000 rivetings, the dies were removed and repolished because aluminum had accumulated in the places where the coating had chipped off. After polishing, the die was metallically bright again in these places. The number of carrier pieces was taken from the total counter. Uncoated dies require a setting pressure of approx. 250 bar in order to achieve a satisfactory setting pattern of the punch rivet.
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