Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Verbindung zwischen einem Funktionselement und einem plattenförmigen Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein gattungsbildendes Verfahren zur Erzeugung einer Verbindung zwischen einem als Stanzniet ausgebildeten Funktionselement und einem einzelnen Blech ist aus der DE 43 33 052 A1 bekannt. Mit einem solchen Stanzniet können auch zwei oder mehrere Metallbleche miteinander verbunden werden. Dieses Funktionselement besteht aus einem Nietkopf, an den sich ein als Hohlzylinder ausgebildeter Nietschaft anschließt, dessen zum Nietkopf abgewandten Stirnseite als Konus ausgebildet ist, wobei dessen Konusflanken leicht gewölbt sind, so dass eine Schneide entsteht, über die der Niet bspw. beim Verbinden von zwei Metallblechen das obere Metallblech durchdringen und in das untere Metallblech eindringen kann.

Zur Herstellung einer solchen aus zwei Metallblechen bestehenden Verbindung mittels eines solchen Nietes sind ein als Oberwerkzeug ausgebildetes Werkzeug und eine als Unterwerkzeug ausgebildete Matrize vorgesehen. Zum Fügen der beiden Metallbleche werden diese auf der Matrize abgelegt und von einem Niederhalter des Werkzeugs mit einer Haltekraft beaufschlagt und anschließend mit einem Stößel der Niet zugeführt und in Richtung einer Vertiefung der Matrize gedrückt. Diese Vertiefung der Matrize weist eine domförmige Erhebung auf, die während des Setzvorganges in den hohlzylin- derförmigen Schaftabschnitt des Nietes gedrückt wird und dabei eine Aufweitung dieses Schaftabschnittes unter Bildung eines Hinterschnittes bewirkt.

Auch die DE 10 2012 003 819 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung einer Verbindung zwischen einem als Stanzniet ausgebildeten Funktionselement und einem einzelnen Blechteil. Dieses Funktionsteil umfasst einen Kopfabschnitt mit einem eine Schneide aufweisenden Schneidenfuß, wobei der Schneidenfuß zum durchbrechungsfreien Einstanzen in das Blechteil ausgelegt ist. Der Schneidenfuß ist als hohler Zylinder ausgebildet, der auf seiner äußeren Mantelfläche sich parallel zur Längsrichtung erstreckende Rippen aufweist. Die Innenseite des Schneidenfußes läuft am freien Ende in eine divergierende Kegelstumpf Form aus, die beim Einstanzen in das Blechteil der Aufweitung des Schneidenfußes dient.

Weiterhin beschreibt die EP 1 533 054 A 2 ein Verfahren zur Erzeugung einer Verbindung zwischen einem als Stanznietmutter ausgebildeten Funktionselement und einem einzelnen Blechteil. Dieses Funktionselement ist zylinderförmig mit einem ein Innengewinde aufweisenden Abschnitt und einem als Schneidenfuß ausgebildeten weiteren Abschnitt. Beim Einstanzen in das Blechteil wird dieser Schneidenfuß radial nach außen aufgespreizt, ohne das Bauteil zu durchstanzen.

Ferner beschreibt die DE 199 49 161 A1 ein als Nietelement ausgebildetes Funktionselement zum Befestigen an einem plattenförmigen Bauteil. Dieses Funktionselement ist mit einem Funktionsansatz in Form eines Gewindebolzens versehen und besteht aus einem stummeiförmigen Fügeabschnitt und einem Bundabschnitt, der zwischen dem Fügeabschnitt und dem Funktionsansatz angeordnet ist. Der Fügeabschnitt ist an seinem Umfang mit einer Hinterschneidung versehen, in die beim Setzvorgang Material des plattenförmigen Bauteiles einfließt, so dass eine Verbindung zwischen dem Funktionselement und dem Bauteil entsteht. Beim Setzvorgang des Funktionsele- mentes bleibt dieses unverformt. Der Fügeabschnitt und ein Teil des Bundabschnittes dringen zwar in das plattenförmige Bauteil ein, ohne jedoch in das Material einzudringen oder es zu durchstanzen. Es kommt lediglich zu einer Verdrängung und Umformung des Materials, so dass ein Restboden von nahezu gleichförmiger Dicke um den Fügeabschnitt herum verbleibt.

Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass eine Verwendung von unterschiedlichen Materialien zur Herstellung der Verbindung von Funktionselement und plattenförmigen Bauelement bei Temperaturbelastungen zu Werkstoffspannungen aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten führt, da das Material des Bauteils formschlüssig den Schneidenfuß umschließt und auch formschlüssig an der Unterseite eines Kopfabschnittes des Funktionselementes anliegt. Dieser Effekt tritt insbesondere dann auf, wenn bspw. für das Funktionselement ein Stahlwerkstoff verwendet wird und das plattenförmige Bauelement bspw. aus einem Aluminium besteht.

Aus der DE 10 2011 109 815 A1 ist ein Bolzen zur Verbindung von zwei aneinander liegenden Bauteile bekannt, welcher zur Herstellung der Verbindung mit hoher Geschwindigkeit unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung mittels eines Werkzeugs in die Bauteile getrieben wird, so dass eine feste Verbindung durch Reibungserhitzen und lokale Verformung der Bauteilwerk- stoffe entsteht. In einem Bereich des Schaftes des Bolzens sind abschnittsweise Erhöhungen und/oder Vertiefungen vorgesehen, die durch einfließen des erhitzten Materials eine Formschluss zwischen dem Bolzen und den Bauteilen herstellen. An den Kopf des Bolzens schließt sich ein zylinderförmiger Abschnitt an, dessen Durchmesser im Vergleich zum Durchmesser des sich daran anschließenden Zylinderabschnittes reduziert ist. Dieser zylinderförmige Abschnitt mit reduziertem Durchmesser bewirkt, dass nach dem Eintreiben des Bolzens in die Bauteile ein geringer Umfangsspalt zwischen diesem zylinderförmigen Abschnitt und dem diesen umgebenden Bau- teil entsteht, der die Werkstoffspannungen und die Temperaturbelastungen in diesem Bereich vermindern soll.

Als Nachteil eines solchen Bolzens gemäß der DE 10 2011 109 815 A1 ist jedoch die lokale Schwächung des Bolzens im Bereich des zylinderförmigen Abschnittes mit reduziertem Durchmesser.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein eingangs genanntes Verfahren zu schaffen, mit welchem bei Temperaturbelastungen eine spannungsfreie Verbindung zwischen einem Funktionselement und einem plattenförmigen Bauteil geschaffen wird. Ferner ist es Aufgabe dieser Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Verbindung zwischen einem Funktionselement und einem plattenförmigen Bauteil anzugeben. ·

Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Ein solches Verfahren zur Erzeugung einer Verbindung zwischen einem einen Kopfabschnitt und eine Schneide aufweisenden Funktionselement und einem plattenförmigen Bauteil mit einer Dicke S, bei welchem

- der Kopfabschnitt des Funktionselementes mit einem die Schneide aufweisenden Schneidenfuß mit einer Fußlänge F und einem vorgegebenen Fußdurchmesser E ausgebildet wird,

- der Schneidenfuß mittels eines an dem Funktionselement angreifenden Werkzeugs in eine Vertiefung einer Matrize mit einer axialen Vorschubbewegung unter radialer Spreizung zur Bildung einer Hinterschneidung in das Bauteil eingedrückt wird, ohne das Bauteil zu durchdringen, und

- die Vertiefung der Matrize mit einer Matrizentiefe C und einem Matrizendurchmesser D ausgebildet wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass - zur Realisierung eines den Schneidenfuß im Übergang zum Kopfabschnitt umlaufenden Umfangspaltes die Fußlänge F des Schneidenfußes sowie der Matrizendurchmesser D und die Matrizentiefe C der Matrize in Abhängigkeit der vorgegebenen Dicke S nach folgender Maßgabe gewählt werden:

- F <2,2xS

- D <2xS+E

- C <S.

Mit diesen Maßgaben hinsichtlich der Fußlänge des Schneidenfußes, des Matrizendurchmessers und der Matrizentiefe der Matrize wird ein definierter Umfangsspalt realisiert. Ein solcher Umfangsspalt in der Art einer Lufttasche wirkt sich positiv auf die Festigkeit einer Stahl-Aluminiumblechverbindung aus, wenn bspw. das Funktionselement aus einem Stahlwerkstoff und ein Aluminiumblech als Bauelement verwendet werden.

Eine besonders hohe Auszugfestigkeit wird dann erreicht, wenn weiterbildungsgemäß die Vertiefung der Matrize, insbesondere die Bodenfläche der Vertiefung mit einer domförmigen Erhebung versehen wird. Hierbei wird vorzugsweise die domförmige Erhebung derart ausgebildet, dass mit der axialen Vorschubbewegung das Material des Bauteils über die domförmige Erhebung gesteckt wird und die dem Bauteil zugewandte Stirnseite des Kopfabschnittes sich mit der Schneide im Bauteil eingräbt und radial nach außen verdrängt wird. Dadurch dass mit einer solchen domartigen Erhebung in der Vertiefung der Matrize bereits zu Beginn des Setzvorganges eine radiale Materialverdrängung nach außen erreicht wird, können als plattenförmige Bauteile äußerst dünne Bauteile, wie Dünnbleche aus duktilem Material eingesetzt werden.

Weiterhin ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Bildung des Schneidenfußes die dem Bauteil zugewandte Stirnseite des Kopfabschnittes mit einer balligen Vertiefung und deren Übergang zur Mantelfläche des Schneidenfußes als Schneide ausgebildet wird. Dies führt zu einer konstruktiv einfachen Kontur des Funktionselementes und lässt sich daher kostengünstig herstellen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Kopfabschnitt des Funktionselementes mit wenigstens einem dem Bauteil zugewandten Verdrehschutznoppen ausgebildet, der den Umfangsspalt nicht unterbricht. Solche Verdrehschutznoppen verkrallen sich nach dem Eindrücken des Funktionselementes in das Bauteil und führen zu einem optimalen Verdrehschutz.

Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.

Eine solche Vorrichtung zur Erzeugung einer Verbindung zwischen einem einen Kopfabschnitt und eine Schneide aufweisenden Funktionselement und einem plattenförmigen Bauteil mit einer Dicke S, wobei

- der Kopfabschnitt des Funktionselementes mit einem die Schneide aufweisenden Schneidenfuß mit einer Fußlänge F und einem vorgegebenen Fußdurchmesser E ausgebildet ist,

- der Schneidenfuß mittels eines an dem Funktionselement angreifenden Werkzeugs in eine Vertiefung einer Matrize mit einer axialen Vorschubbewegung unter radialer Spreizung zur Bildung einer Hinterschneidung in das Bauteil eingedrückt ist, ohne das Bauteil zu durchdringen, und

- die Vertiefung der Matrize mit einer Matrizentiefe C und einem Matrizendurchmesser D ausgebildet ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass

- zur Realisierung eines den Schneidenfuß im Übergang zum Kopfabschnitt umlaufenden Umfangspaltes die Fußlänge F des Schneidenfußes sowie der Matrizendurchmesser D und die Matrizentiefe C der Matrize in Abhängigkeit der vorgegebenen Dicke S nach folgender Maßgabe gewählt sind:

- F 2,2xS

- D <2xS+E - C <S.

Mit einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich eine Verbindung zwischen dem Funktionselement und dem plattenförmigen Bauteil mit einem definierten Umfangsspalt realisieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mit den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche 6 bis 8 gegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Funktionselementes zur

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Matrize zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Figur 3 eine schematische Darstellung eines abgeschlossenen Setzvorganges zur Verbindung des Funktionselementes nach Figur 1 mit einem plattenförmigen Bauteil mittels eines Setzwerkzeuges.

Figur 1 zeigt ein als Einspreiznietbolzen ausgeführtes Funktionselement 1 , welches einen Kopfabschnitt 2 aufweist, der auf einer Seite in einen Bolzenabschnitt 6 übergeht und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Schneidenfuß 4 ausgebildet ist. Dieser Schneidenfuß 4 als auch der Bolzen- abschnitt 6 ist mit einem gegenüber dem Kopfabschnitt 2 geringeren Durchmesser ausgebildet, so dass ein den Schneidenfuß 4 und den Bolzenabschnitt 6 umlaufender Bund 2.2 entsteht. Der Schneidenfuß 4 weist eine Fußhöhe F und einen Fußdurchmesser E auf. Der Bolzenabschnitt 6 des Funktionselementes 1 dient als Funktionsansatz und ist bspw. mit einem Außengewinde versehen. Auch könnte dieser Bolzenabschnitt 6 kugelförmig ausgeführt sein, um ein Kugelgelenk mit einem weiteren Bauteil zu bilden.

Auf der Unterseite 2.3 des Bundes 2.2 des Funktionselementes 1 befindet sich wenigstens eine Verdrehschutznoppe 2.4, die zu einer Verdrehsicherung des in das Bauteil 10 eingeformten Funktionselementes 1 führt.

Zur Bildung des Schneidenfußes 4 ist die dem Bolzenabschnitt 6 gegenüberliegende Stirnseite 2.1 des Kopfabschnittes 2 mit einer balligen Vertiefung

4.1 ausgebildet, so dass am Übergang dieser Vertiefung 4.1 zur Mantelfläche

4.2 des Schneidenfußes eine Schneide 3 gebildet wird. Diese Schneide 3 wird von einer äußeren Fase 3.1 und einer inneren Fase 3.2 gebildet. Hierdurch entsteht eine besonders scharfe Schneide 3.

Die Herstellung einer Verbindung eines solchen Einspreiznietbolzens 1 mit einem dünnen und plattenförmigen Bauteil 10 mit einer Dicke S, bspw. einem Dünnblech zeigt Figur 3 nach Abschluss eines mittels einer Setzvorrichtung durchgeführten Setzvorganges.

Nach Figur 3 besteht die Setzvorrichtung aus einem als Oberwerkzeug ausgebildeten Werkzeug 20 mit einem mit Presskraft beaufschlagbaren Stößel 21 und einer als Unterwerkzeug ausgebildeten Matrize 30. Ein Niederhalter des Oberwerkzeuges 20 zum Halten des Dünnbleches 10 auf der Matrize 30 ist in Figur 3 nicht dargestellt. Diese Matrize 30 weist gemäß Figur 2 eine Vertiefung 31 mit einer inneren Umfangswand 31.1 und einer Bodenfläche 31.2 auf, wobei zentrisch auf dieser Bodenfläche 31.2 eine domförmige Erhebung 32 angeordnet ist, so dass die Bodenfläche 31.2 eine Ringnut bildet. Diese Matrize 30 ist in den Figuren 2 und 3 mit einer Matrizentiefe C und einem Matrizendurchmesser D der Vertiefung 31 dargestellt. Während des Setzvorganges wird mittels des Schneidenfußes 4 mit einer von dem Oberwerkzeug 20 gemäß Figur 3 erzeugten axialen Vorschubbewegung das Material des Dünnbleches 10 in diese Vertiefung 31 der Matrize 30 hinein verformt, so dass unter radialer Spreizung G des Schneidenfußes 4 nach außen eine Hinterschneidung 5 unter Bildung eines Restbodens 10.1 im Dünnblech 10 entsteht. Hierbei wird der Schneidenfuß 4 lediglich in das Material des Dünnbleches 10 eingeformt, ohne dieses Dünnblech 10 zu durchstanzen oder zu perforieren.

Bei diesem Setzvorgang entsteht im Übergangsbereich des Schneidenfußes 4 zur benachbarten Unterseite 2.3 des Bundes 2.2 des Kopfabschnittes 2 ein den Schneidenfuß 4 umlaufender Umfangsspalt 7 in der Art einer Lufttasche, wodurch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen ausgeglichen werden, wenn das Funktionselement 1 aus einem Stahlwerkstoff besteht und für das Dünnblech 10 ein Aluminiumwerkstoff verwendet wird. Dieser Umfangsspalt 7 wird in axialer Richtung des Funktionselementes 1 durch die beim Setzen des Funktionselementes 1 entstehende Hinterschneidung 5 definiert. Der Abstand dieser Hinterschneidung 5 in axialer Richtung des Funktionselementes 1 zur Unterseite 10.2 des Dünnbleches 10 wird als Höhe B bezeichnet, während der Abstand ausgehend von der Hinterschneidung 5 zur Oberseite 10.3 als Höhe A bezeichnet wird. In Summe ergeben die beiden Werte für die Höhe A und B die Dicke S des Dünnbleches 10.

Um diesen Umfangsspalt 7 gezielt und definiert zur realisieren, werden die Werte für die Fußlänge F des Schneidenfußes 4 sowie die Werte für die Matrizentiefe C und den Matrizendurchmesser D der Vertiefung 31 der Matrize 30 in Abhängigkeit der Dicke S des Dünnbleches 10 nach folgender Maßgabe bestimmt:

- F <2,2xS,

- D <2xS+E, und

- C S, Wobei der Wert für den Fußdurchmesser E des Schneidenfußes 4 vorgegeben ist.

Wird das Funktionselement 1 sowie die zugehörige Matrize 30 entsprechend diesen Werten für die Größen F, D und C realisiert und entsprechend dem beschriebenen Verfahren das Funktionselement 1 in das den Blech 10 eingeformt entsteht eine entsprechende Figur 3 dargestellte Verbindungsstruktur, bei welcher der oben beschriebene Umfangsspalt 7 in definierter Weise entsteht. Dabei entsteht für die Werte der Höhe A von Hinterschneidung 5 zur Oberseite 10.3 des Dünnbleches 10 und der Höhe B von Hinterschneidung 5 zur Unterseite 10.2 des Dünnbleches 10 folgende Relation in Abhängigkeit der Dicke S des Dünnbleches 10:

- A >0,7xS, und

- B <0,3xS.

Beispielhaft ergeben sich für eine Dicke S des Dünnbleches 10 von 1 mm folgende Werte:

- F = 2,2 mm oder kleiner

- D = 6,6 mm oder kleiner, falls E = 4,4 mm ist,

- C = 1 mm oder kleiner.

Hieraus folgt für die Höhe A und die Höhe B:

- A = 0,7 mm oder größer

- B = 0,3 mm oder kleiner.

Im in Figur 3 dargestellten in das Dünnblech 10 eingeformten Zustand des Funktionselementes 1 verkrallen sich die Verdrehschutznoppen 2.4 in die Oberseite 10.3 des Dünnbleches 10 und führen daher zu einem optimalen Verdrehschutz. Mehrere solcher Verdrehschutznoppen 2.4 sind kreisförmig um den Schneidenfuß 4 auf der Unterseite 2.3 des Bundes 2.2 des Kopfabschnittes 2 angeordnet.

Der für das beschriebene Verfahren verwendete Einspreiznietbolzen 1 könnte auch als Einspreiznietbolzen, als Einspreizkugelbolzen, als Einspreizgewindebolzen oder als Einspreizgrobgewindebolzen ausgeführt werden.

Bezugszeichen

1 Funktionselement

2 Kopfabschnitt

2.1 Stirnseite des Kopfabschnittes 2

2.2 Bund des Kopfabschnittes 2

2.3 Unterseite des Bundes 2.2

2.4 Verdrehschutznoppe

3 Schneide

3.1 äußere Fase

3.2 innere Fase

4 Schneidenfuß

4.1 ballige Vertiefung

4.2 Mantelfläche des Schneidenfußes 4

5 Hinterschneidung.

6 Bolzenabschnitt des Funktionselementes 1

7 Umfangsspalt

10 plattenförmiges Bauteil

10.1 Restboden des Bauteils 10

20 Oberwerkzeug, Werkzeug

21 Stößel des Oberwerkzeuges 20

30 Unterwerkzeug, Matrize

31 Vertiefung der Matrize 30

31.1 innere Umfangswand der Vertiefung 31

31.2 Bodenfläche der Vertiefung 31

32 domförmige Erhebung