Wenn Niete ins Wanken kommen

Das Taumelnietclinchen reduziert die Fügekräfte und kommt ohne Matrize aus. Die bereits bekannten umformenden Fügeverfahren wie Stanznieten oder Clinchen zeichnen sich durch einfache Handhabbarkeit...

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Das Taumelnietclinchen reduziert die Fügekräfte und kommt ohne Matrize ausDie bereits bekannten umformenden Fügeverfahren wie Stanznieten oder Clinchen zeichnen sich durch einfache Handhabbarkeit und gute Automatisierbarkeit aus. Die Verbindungen können ohne Wärmeeinwirkung und somit auch ohne den damit verbundenen Wärmeverzug hergestellt werden. Es sind mit diesen Verfahren auch Verbindungen artfremder Werkstoffe ohne Probleme fügbar. Als Nachteile dieser bekannten umformenden Fügeverfahren erweisen sich jedoch folgende Punkte: - Hohe Fügekräfte, die insbesondere bei der Verwendung von offenen C-Gestellen zur Aufbiegung und damit zu Winkel- und Lateralversatz der Werkzeuge führen. - Geringe zulässige Winkel- und Lateralversätze der Werkzeuge. - Optisch und im Einsatz störende Öffnungen und Erhebungen an den FügestellenUm diese Nachteile zu vermeiden und trotzdem die Vorteile der Umformfügeverfahren nutzen zu können, wurde am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik ein neues Fügeverfahren entwickelt - das Taumelnietclinchen. Es hat das Potential, den Einsatzbereich der Umformfügeverfahren wesentlich zu erweitern. Wie Bild 1 zeigt, wird ein Hilfsfügeteil in die zu verbindenden Fügepartner eingeformt. Dabei entsteht ein Formschluss, ähnlich dem Hinterschnitt einer Clinchverbindung. Die Stempelbewegung ist in der Regel so gestaltet, dass der Niet zuerst gerade in die zu fügenden Bleche eingedrückt wird, um die Nietposition zu fixieren und ein späteres Verkanten des Nietes zu verhindern. Anschließend kann der geradlinigen Stempelbewegung eine Taumelbewegung überlagert werden. Dadurch verbessert sich der Werkstofffluss und es werden nur verhältnismäßig geringe Setzkräfte benötigt. Das Gegenwerkzeug beim Taumelnietclinchen ist keine konturierte Matrize, sondern ein flacher Amboss. Bei der Einformung des Nietes bildet sich auf der Ambossseite eine Erhebung, deren Größe abhängig von der Niederhalterkraft ist. Diese Erhebung wird beim weiteren Zustellen des Stempels flacher und der noch unter dem Niet verbliebene Werkstoff fließt in radialer Richtung, wodurch ein Hinterschnitt entsteht.Bei den Bewegungen, die dem axialen Stempelhub überlagert werden können, unterscheidet man zwei Kinematiken. Die erste ist die vom klassischen Taumelnieten bekannte Kreisbewegung, bei der die Stempelaufnahme auf einer kreisförmigen Bahn läuft. Die Zweite ist die auch in der Radialniettechnik verwendete Rosettenbewegung, bei der die Stempelaufnahme auf einer Hypozykloidenbahn läuft. In beiden Fällen erfolgt keine Rotation des Stempels. Die Stempellänge wird in Abhängigkeit vom maximalen Auslenkungswinkel a (Bild 1) so bestimmt, dass die Stempelspitze keine seitlichen Bewegungen ausführt. Der Kontakt mit dem Niet erfolgt über eine Werkstoff schonende Abwälzbewegung. Die Hauptvorteile des Taumelnietclinchens gegenüber bekannten umformenden Fügeverfahren sind: - Die erreichbaren Verbindungsfestigkeiten liegen in der Größenordnung von Verbindungen, die mit Halbhohlstanznieten gefügt wurden und übertreffen damit die Festigkeit von vergleichbaren Clinchverbindungen um mehr als das Doppelte. - Das Fügen erfolgt gegen einen flachen Amboss, das heißt es wird keine Matrize verwendet, die sonst bei allen praxisrelevanten umformenden Fügeverfahren ohne Vorloch notwendig ist. Dadurch beeinträchtigt selbst ein großer axialer Versatz zwischen Stempel und Gegenwerkzeug die Qualität der Verbindung nicht. Der Einrichtaufwand beim Einbau oder Wechsel der Werkzeuge sinkt drastisch. Das Gegenwerkzeug verschleißt fast nicht und damit steigt die Prozesssicherheit. - Die Verbindung ist von guter optischer Qualität. Die Kopfseite ist nahezu spaltfrei und eben, die Unterseite weist nur eine geringe Erhebung von einigen Zehntelmillimeter auf. Die gefügten Teile sind im Bereich der Verbindung problemlos zu reinigen und zu lackieren. - Das Hilfsfügeteil kann in einer sehr einfachen Geometrie ausgeführt werden. Es sind Formen realisierbar, die eine Zuführung ohne vorherige Lageorientierung ermöglichen und kostengünstig in großen Mengen umformend produziert werden können. - Die Fügekräfte sinken aufgrund der überlagerten Taumelbewegung um 50 bis 70%. Dadurch können Maschinen und Werkzeuge geringerer Steifigkeit, und damit geringeren Gewichts, verwendet werden. In den bisherigen Versuchen konnte die Realisierbarkeit des Taumelnietclinchens sowohl bei artgleichen Fügepaarungen verschiedener Aluminium- und Stahllegierungen als auch bei Mischverbindungen von Stahl und Aluminium nachgewiesen werden. Bild 2 zeigt beispielhaft eine Aluminiumverbindung, deren Festigkeit mit einer durchschnittlichen maximalen Scherzugkraft von 3,9 kN (Bild 3) nur wenig unter den 4,2 kN liegt, die für vergleichbare Halbhohlstanznietverbindungen angegeben werden. Das Verfahren ist prinzipiell mit sehr verschiedenen Nietgeometrien realisierbar. Da es sich beim Taumelnietclinchen um eine Neuentwicklung handelt, besteht noch Forschungsbedarf in Bezug auf optimale Nietgeometrien, den Einfluss der unterschiedlichen Prozessparameter auf die Ausbildung der Verbindung und die Auslegung des Fügeprozesses.