Fortschritte beim Nieten und mechanischen Befestigen

Ein Orbitalnietkopf vollendet seinen Zyklus. Bei einer solchen Anwendung mit Weichstahl und einem 6-Grad-Winkel werden nur etwa 20 % der Kraft aufgebracht, die beim Schlagnieten erforderlich wäre.

Wenn man an Nieten denkt, denkt man vielleicht, dass es sich um eine ausgereifte Technologie handelt, bei der nicht viel Neues passiert. Du hättest Recht, aber nur teilweise. Ja, Nieten ist eine alte Technologie. Setzen Sie eine Niete in ein Loch, üben Sie Druck auf den Zapfen aus und verformen Sie ihn, um den Kopf zu bilden, und schon entsteht eine dauerhafte Verbindung.

Natürlich darf das Loch nur geringfügig größer sein als der Außendurchmesser des Zapfens, also das Ende der Niete (oder des Drahtes oder des Kugelbolzens), an dem das Befestigungswerkzeug anliegt. 6 % bis 7 % sind eine gute Faustregel. Wenn diese grundlegenden Parameter festgelegt sind, sind Sie auf dem besten Weg, eine maximale Lochfüllung zu erreichen, d. h. einen festen, spaltfreien Kontakt zwischen der Niete und dem Grundmaterial.

Auch wenn Sie vielleicht auf dem Weg sind, sind Sie noch nicht am Ziel. Denn das Nieten ist keine unveränderliche Technologie. Wenn Sie den Prozess im Großen und Ganzen nur als eine von vielen dauerhaften mechanischen Befestigungsmethoden betrachten, werden Sie feststellen, dass die Innovation im Überfluss vorhanden ist. Sie alle basieren auf der Idee, Material durch Druck von einer Form in eine andere zu bewegen, ohne dabei die Molekularstruktur des Materials zu verändern (was sie von anderen Verfahren wie dem Schweißen unterscheidet).

Es könnte darum gehen, einen massiven Zapfen in eine Niete umzuformen (Nieten), einen hohlen Zapfen in eine Bördelung zu verwandeln (Bördelung), einen Vorsprung in ein Loch zu formen (Stecken) oder eine andere Situation. Was am besten funktioniert, hängt wie immer von der Anwendung ab, einschließlich der Werkstückdicke, den Anforderungen an die Verbindungsfestigkeit, dem Teilevolumen und der erforderlichen Flexibilität. Sie haben viele Möglichkeiten und jede hat ihre Vor- und Nachteile. Bevor Sie jedoch tiefer in die Materie einsteigen, müssen Sie zunächst die Technologieoptionen auf der Speisekarte sowie die Zutaten kennen, mit denen Sie das Beste aus jedem Prozess herausholen können.

Die Vorschubmechanismen, die das Schlagnieten wirklich ausmachen, transportieren die Verbindungselemente schnell und zuverlässig in den Arbeitsbereich. Innerhalb von Sekundenbruchteilen kann die Verbindung für die nächste Niete bereitgestellt werden. Wenn Sie den Vorschubmechanismus weglassen, haben Sie eine herkömmliche Nietpresse, sei es eine Schwungradpresse, eine pneumatische Keilkopfpresse, eine Luft-über-Öl-Presse oder sogar eine hydraulische Presse. Welche Presse Sie wählen sollten, hängt von der Tonnage ab, die erforderlich ist, um ein bestimmtes Verbindungselement in einem bestimmten Werkstück zu stauchen.

Beim Schlagnieten kommt es auf Geschwindigkeit an. Bei Verwendung einer pneumatischen oder mechanischen Schwungradpresse liegen die Zykluszeiten beim Schlagnieten zwischen 0,3 und 1 Sekunde. Das Nieten mit einer hydraulischen Presse kann etwas länger dauern. Typische Zyklen für hydraulisch oder hydrapneumatisch angetriebene Pressen dauern zwischen 1 und 3 Sekunden, wobei das Werkzeug im Arbeitsraum positioniert ist, um eine maximale „Zusammendrückung“ und Schaftausdehnung zu erzielen und den Zapfen kalt zu formen, um den Lochdurchmesser zu füllen.

Schlagnieten trägt auch dazu bei, funktionale Anforderungen für bestimmte Anwendungen zu erfüllen, einschließlich Scherlast- oder Drehmomentanforderungen. Eine Niete muss möglicherweise einer bestimmten Torsionskraft standhalten. Um dies zu erreichen, müssen Sie Lücken in der Nietverbindung minimieren oder beseitigen. Die hohe Kraft und der direkte Aufprallwinkel beim Schlagnieten erzeugen die dafür erforderliche Schaftverdickung.

Während das Schlagnieten eine sehr hohe Geschwindigkeit bietet, kann es auch eine hohe Tonnage erfordern, da der Niet einfach direkt durch das Bauteil getrieben wird.

Eine zu hohe Tonnage – sei es aufgrund von Positionierungsfehlern oder anderen Fehlern – kann zu Störungen führen und den Betrieb stoppen. Diese Probleme lassen sich oft einfach lösen, aber wenn das nicht der Fall ist, sollten Sie auf alternative Befestigungsmethoden zurückgreifen.

Im Vergleich zum Schlagnieten entsteht beim Orbitalnieten eine deutlich geringere Kraft. Der Prozess verwendet ein rotierendes Peen-Werkzeug, das in einem bestimmten Winkel versetzt ist. Da das rotierende Prägewerkzeug leicht geneigt ist, bewegt es den Niet in einer scheinbar wackeligen Bewegung – aber lassen Sie sich nicht täuschen. Diese Bewegung ist hochtechnisch und kontrolliert.

Ein Orbitalnietkopf übt eine 360-Grad-Drucklinie um den Zapfen aus. Die Rotation bewirkt, dass der Prozess nur einen Prozentsatz des Materials pro Umdrehung bewegt.

Das Hämmerwerkzeug „massiert“ oder „knetet“ das Material, während das Werkzeug vordringt und den Kopf formt. Die Rotation bewirkt, dass der Prozess nur einen Prozentsatz des Materials pro Umdrehung bewegt. Beim Schlagnieten hingegen berührt der gesamte Stiftdurchmesser das Werkstück und versucht, es auf einmal zu bewegen.

Bei einer Exzenternietanwendung mit unlegiertem Stahl und einem Stift in einem 6-Grad-Winkel werden nur etwa 20 % der Kraft angewendet, die beim Schlagnieten erforderlich wäre. Manchmal ist es sogar noch weniger. Beim Schlagnieten würde ein Vollniet mit einem Durchmesser von 0,25 Zoll normalerweise eine Schlagpresse erfordern, die eine Kraft von 12.000 Pfund erzeugen kann; Die gleiche Anwendung in einer Orbitalnietanordnung erfordert möglicherweise nur 1.800 bis 2.400 Pfund. der Kraft.

Auch das Orbitalnieten ist besser kontrollierbar. Insbesondere können Sie die Vorschubgeschwindigkeit des Prägewerkzeugs steuern, um die Kaltverfestigung zu verringern und den Gesamtprozess zu optimieren. Und da beim Orbitalnieten eine Maschine mit geringerer Kapazität zum Einsatz kommt, ist in der Regel eine geringere Kapitalinvestition erforderlich und es fallen geringere Werkzeug- und Wartungskosten an.

Beim Orbitalnieten entsteht eine Schaftverdickung, die sich in der Nähe der Oberseite des Nietkörpers konzentriert. Würde man einen Querschnitt schneiden, würde der Schaftkörper der eingesetzten Niete wie ein Trichter aussehen. Wenn ein um 6 Grad geneigter Stift zum Werkstück hinabfällt, formt er sich sowohl nach unten als auch nach außen.

Unter der Annahme eines Werkzeugwinkels von 6 Grad erzeugt das Orbitalnieten seitliche Belastungskräfte, die etwa 10 % der nach unten gerichteten Umformkraft betragen. Die Konstruktion der Vorrichtung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass das Teil während des Prozesses sicher ist. Insbesondere muss die Konstruktion der Vorrichtung robust genug sein, um dieser seitlichen Belastungskraft von 10 % zuzüglich eines Sicherheitsfaktors standzuhalten.

Das Orbitalnieten hat seine Nachteile, vor allem die Zykluszeit. Die meisten Zykluszeiten beim Exzenternieten liegen zwischen 2 und 4 Sekunden und sind damit viel länger als bei den schnellsten Schlagnietverfahren. Außerdem kann es beim Orbitalnieten nicht zu der starken Schaftaufweitung kommen, die beim Schlagnieten auftreten kann. Wenn eine starke Schaftverdickung eine technische Anforderung darstellt, die nicht geändert werden kann, ist das Schlagnieten möglicherweise die bessere Wahl.

Das Orbitalnieten ähnelt einem Verfahren namens Radialnieten, es gibt jedoch einige wesentliche Unterschiede, die größtenteils mit dem Werkzeugweg zusammenhängen.

Beim Exzenternieten kommt der Stift in einem bestimmten Winkel von beispielsweise 6 Grad in Kontakt. Während sich der Kopf dreht, behält das Fräswerkzeug den Kontakt, aber aufgrund der orbitalen Kopflagerkonstruktion massiert oder knetet das Fräswerkzeug das Werkstückmaterial, wie zuvor beschrieben. (Ohne die Kopflagerkonstruktion würde das Orbitalnieten durch den Kontaktpunkt des Kugelnietens eher einem Reibschweißverfahren ähneln.) Eine Umdrehung des Motors beim Orbitalnieten erzeugt eine Drehung des Kugelnietens um 360 Grad.

Die Bewegung beim Radialnieten hingegen ähnelt in etwa der Bewegung, die Sie mit einem Spirograph-Spielzeug erzeugen, indem Sie mehrere Blättchen zeichnen, während Sie sich um einen Kreis bewegen. Beim Radialnieten sind mehrere Umdrehungen des Motors erforderlich, normalerweise zwischen 11 und 13, um das Prägewerkzeug um 360 Grad zu drehen. Dadurch wird das Material in einem Rosetten- oder Blümchenmuster von der Mitte nach außen verdrängt. Die Drehzahl der Spindel beim Radialnieten liegt zwischen 1.140 und 1.780 U/min, während die meisten Orbitalspindeln mit 1.140 U/min rotieren.

Ein großer Vorteil des Radialnietens liegt in den dabei ausgeübten Kräften – genauer gesagt im Fehlen bestimmter Kräfte. Beim Radialnieten entsteht keine seitliche Belastung, daher ist es eine gute Option für Nieten oder Werkstücke mit kleinem Durchmesser und langem Schaft.

Der Zyklus des Radialnietens beginnt bei einem winzigen Werkstück. Der Prozess übt keine seitliche Belastung aus, was die Befestigung vereinfachen kann.

Das Orbitalnieten gehört zu einer größeren Familie von Verfahren, die als Orbitalformung bezeichnet werden und bei denen das Prägewerkzeug in einem festen Winkel gehalten wird, um eine geschwungene Drucklinie zu erzeugen.

Dazu gehört auch das Abstecken im Orbit. Bei einer Blechanwendung dehnt das Hämmerwerkzeug (das eine andere Geometrie als das beim Orbitalnieten verwendete Werkzeug hat) einen Vorsprung in einem Werkstück radial in ein Loch eines anderen Werkstücks aus und erzeugt so eine Presspassung. Es ähnelt einem herkömmlichen Absteckvorgang, aber beim orbitalen Abstecken dreht sich das Prägewerkzeug und übt wiederum eine 360-Grad-Drucklinie um den Arbeitsbereich aus.

Eine weitere Variante ist das Orbitalflaring. Anstelle eines Vollniets wird bei dem Verfahren eine Bördelwerkzeuggeometrie verwendet, die halb- oder rohrförmige Nietzapfen aufweitet, die auch beim konventionellen Nieten verwendet werden. Aber auch hier gilt: Anstelle einer Presse, die sich nach unten bewegt und eine nach unten gerichtete Kraft ausübt, wird beim orbitalen Bördeln eine Kugel verwendet, die sich in einem festen Winkel dreht. Der rotierende Stift senkt sich ab und übt eine präzise Kraft aus, um den Zapfen über dem Ausgangsmaterial aufzuweiten.

Angenommen, Sie verbinden einen harten Kugelbolzen mit einer Halterungsplatte, einen Schlagdraht mit einer Halterungsplatte oder arbeiten mit einem anderen Material, das härter als Weichstahl ist. Wenn Sie versuchen, es kalt zu formen, beginnt es zu brechen und zu reißen, bevor es die gewünschte Endform erreicht.

Hier kann das Warmstauchen Abhilfe schaffen. Es ist einer Buckelmutterschweißung oder einem ähnlichen Widerstandsschweißverfahren sehr ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass nicht zwei Teile zusammengeschweißt werden. Während eine Bindung besteht, findet keine Fusion statt.

Beim Warmstauchformen senkt sich ein Werkzeug ab und berührt das Ende eines gehärteten Niets oder Zapfens. Bei Kontakt leitet das Werkzeug Strom durch die Niete und isoliert den Widerstand in einem bestimmten Bereich, normalerweise bis zu einem Punkt, an dem die Niete kirschrot wird und sich einem geschmolzenen Zustand nähert. Sobald der Kopf Druck ausübt, lässt die entstehende Wärme das Material durch die Verbindung nach unten fließen, wodurch die Lochfüllung maximiert wird und eine fertige Kopfform entsteht.

Hier kommt es auf die Wärmeisolierung an. Der Prozessregler muss sicherstellen, dass er erhebliche Wärme auf den Zapfen, nicht aber auf das umgebende Grundmaterial, ausübt. Das Grundmaterial erwärmt sich in der Nähe der Verbindungsstelle bis zu einem gewissen Grad, aber nicht wesentlich – sonst besteht die Gefahr, dass sich die Werkstücke verziehen oder sogar verschweißen. Wenn die Hitze nicht kontrolliert wird, ist auch der Prozess nicht kontrolliert.

Warmstauchformen kann auch ideal für Anwendungen sein, bei denen das Endprodukt über längere Zeiträume starken Vibrationen ausgesetzt ist. Wenn Sie eine Verbindungsbaugruppe mit auch nur einem kleinen Spalt starken, längeren Vibrationen aussetzen, wird der Spalt mit der Zeit größer und die Verbindung wird schließlich geschwächt. Auch hier ist die Maximierung der Lochfüllung bei minimalem bis keinem Materialbruch das wichtigste gewünschte Ergebnis.

Mehr als andere mechanische Befestigungsverfahren bietet Ihnen das Warmstauchformen die größte Möglichkeit, die Lochfüllung in der Verbindung zu maximieren. Sie müssen dennoch grundlegende Designrichtlinien befolgen, z. B. einen Lochdurchmesser, der nur etwa 6 bis 7 % größer ist als der des Zapfens. Wenn Sie jedoch mit einem härteren Zapfen arbeiten, z. B. einem Zapfen mit einer Temperatur zwischen 28 und 32 Rockwell C, bietet Ihnen das Heißstauchverfahren möglicherweise die beste Chance, eventuelle Lücken zwischen ihm und dem Grundmaterial zu schließen und Materialbrüche zu minimieren.

Sie müssen sicherstellen, dass die Vorform ausreichend über die Oberseite des Blechs (oder eines anderen Grundmaterials) hinausragt, da dies die Einhaltung einer Mindesthaltekraft in axialer Richtung der Verbindung unterstützt. Sobald der Stift jedoch Elektrizität an den Zapfen anlegt, fließt das Material auf den Weg des geringsten Widerstands – auch in diese Lücken. Anders ausgedrückt: Der elektrische Widerstand, der die Wärme erzeugt, unterstützt die Formbarkeit, während der ausgeübte Druck dafür sorgt, dass das Material an die richtigen Stellen fließt.

Orbitalstrahlwerkzeuge können für eine Vielzahl von Kopfformen entwickelt werden.

Bei den hier besprochenen Prozessen handelt es sich um die Befestigung flacher Oberflächen wie Bleche, bei anderen handelt es sich jedoch um Rohre und eine Vielzahl anderer zylindrischer Formen. Dennoch ist dies alles nur die Spitze des Eisbergs der dauerhaften mechanischen Befestigung. Es gibt mehr Optionen und das Potenzial für Value Engineering ist groß.

Doch unabhängig von der genauen Methode muss jede dauerhafte Befestigungsstrategie den Anforderungen an den Fertigungsdurchsatz sowie die funktionalen und optischen Anforderungen eines Teils gerecht werden. Es geht darum, Material an die richtigen Orte und auf die richtige Art und Weise zu transportieren, um dies zu erreichen.

Bryan Wright ist Vizepräsident für Vertrieb bei Orbitform, 1600 Executive Drive, Jackson, MI 49203, 517-787-9447