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Prozesssicher mechanisch Fügen

So kommt man zur perfekt ausgeführten Stanznietverbindung

| Autor/ Redakteur: Darius Schürstedt / Peter Königsreuther

Erfahren Sie von einem Atlas-Copco-Experten, wie man ein geplantes Stanznietkonzept von vorne herein richtig angeht, damit am Ende alles langfristig funktioniert und hält.

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Bild 1: Ein erstes Untersuchungsmittel für die Qualitätsbeurteilung einer Stanznietverbidung ist die Schnittbildanalyse. Der Blick aufs Innere der Fügestelle offenbart eventuelle Probleme recht schnell, um daraufhin zielsicher kontern zu können.
Bild 1: Ein erstes Untersuchungsmittel für die Qualitätsbeurteilung einer Stanznietverbidung ist die Schnittbildanalyse. Der Blick aufs Innere der Fügestelle offenbart eventuelle Probleme recht schnell, um daraufhin zielsicher kontern zu können.
(Bild: Atlas Copco)

Um die Qualität einer Stanznietverbindung zu beurteilen, gibt es sowohl in der frühen Designphase als auch im laufenden Prozess ein Reihe von Möglichkeiten. Zunächst etwas Grundsätzliches: Das Stanznieten ist ein zweiseitiger Fügeprozess durch mehrere Materialschichten hindurch, bei dem ein Halbhohl- oder Hohlstanzniet von einer Seite eingestanzt und mithilfe einer Matrize auf der anderen Seite aufgespreizt wird. Die Designs des Niets und der Matrize sind dabei speziell auf die zu fügende Materialkombination abgestimmt.

Zwei wichtige Grundregeln sind zu beachten: Der Nietprozess sollte vom härteren ins weichere Material stattfinden und von der dünneren in die dickere Materialschicht. Die unterste Lage sollte dabei mindestens ein Drittel der Gesamtdicke der Verbindung ausmachen. Ob eine Nietverbindung prozesssicher, haltbar und nicht zuletzt korrosionssicher (es besteht bei unsachgemäß ausgeführten Verbindungen die Gefahr einer Kontaktkorrosion aufgrund der Paarung unterschiedlicher Metalle) ist, lässt sich mit unterschiedlichen Verfahren feststellen.

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Hilfsmittel Schnittbildanalyse

Per makroskopischer Untersuchung von Schnitten durch die Stanznietstelle kann man das Innere einer Nietverbindung beurteilen und von außen nicht sichtbare Fehler identifizieren (Bild 1). Diese Methode wird sowohl in der Designphase als auch stichprobenartig während der Produktion angewendet, um sicherzustellen, dass das Material und der Prozess den definierten sowie relevanten Kriterien entsprechen, die bei der Schnittbildanalyse folgende sind (siehe auch Bild 2):

  • Die Nietkopf-Endlage (relative Höhe des Nietkopfs zur Materialoberfläche);
  • Der Hinterschnitt beziehungsweise die Aufspreizung des Niets;
  • Die Minimale Materialdicke in der untersten Schicht.

In der Designphase werden dazu die Mindestanforderungen für diese Parameter definiert, bei denen die Verbindung ausreichend stabil ist. Häufig gelten auch bestimmte Standards uns Spezifikationen – etwa von den Automobilherstellern. Bei der Schnittbildanalyse ist es wichtig, dass man exakt durch die Mitte des Niets schneidet, um auch korrekt messen zu können.

Bündigkeit als Qualitätsindikator

Auch äußere Merkmale der Fügestelle geben Aufschluss über die Qualität der Verbindung. Ein wichtiger Indikator aus diesem Bereich ist die Bündigkeit des Nietkopfes mit der Oberfläche. Denn dringt der Niet zu tief oder zu wenig in das Material ein, geht beides auf Kosten der Qualität. Zwar lässt sich die Bündigkeit auch manuell messen, doch moderne Stanznietsysteme können Abweichungen bereits während des Prozesses automatisch feststellen. Variiert die Nietkopf-Endlage bei gleichen Prozessparametern, ist das ein Indiz dafür, dass sich relevante Einflussfaktoren im Prozess verändert haben und die Verbindung möglicherweise schwächer und anfälliger für Korrosionseffekte wird.

Während der Designphase wird zunächst ein Toleranzbereich für die Nietkopf-Endlage festgelegt, der normalerweise bei ± 0,2 mm liegt. Der Nietkopf darf also leicht erhaben oder versenkt sein. Wichtig ist dabei, dass der Unterkopf einen vollen Kontakt zur Materialoberfläche hat. Die Bündigkeitsmessung an sich ist eine Vergleichsmessung, die Abweichungen vom entwickelten Design aufspürt.

Abklären, was das praktisch aushalten kann

Um die wirkliche Belastungsfähigkeit zu erfahren, ermittelt man die Zugfestigkeit der Verbindung. Bei der Zugfestigkeitsprüfung (Bild 3) wird eine einzelne Nietverbindung mit Mustermaterialien hergestellt. Diese wird dann Scher- oder Zugkräften ausgesetzt, bis sie versagt. Hält die Verbindung der erforderlichen Kraft nicht stand, gibt das Versagensbild Hinweise auf mögliche Ursachen:

1. Ausknüpfen des Nietfußes (Bild 4): Der Nietfuß wird aus der untersten Lage gerissen. Das kommt häufig bei mehrlagigen Verbindungen vor, insbesondere wenn die untere Lage genauso dick oder dünner ist als die oberen Lagen oder wenn der Niet zu kurz ist.

2. Ausknüpfen des Nietkopfs (Bild 5): Die obere Blechlage löst sich aus der Verankerung des Nietkopfes und reißt aus. Das bedeutet, dass die Nietverbindung bei gegebenem Nietkopfdurchmesser maximal stark ist und nur ein größerer Nietkopfdurchmesser dem Ausknüpfen der oberen Lage entgegenwirken kann. Das kommt vor allem bei zweilagigen Verbindungen vor, bei denen die obere Lage deutlich dünner ist als die untere.

Sinnvolle Prozessüberwachung

Beim Nietprozess gibt es zwei Haupteinflussgrößen, nämlich Kraft (F) und Weg (s). Durch die Messung dieser Basisparameter in der Evaluationsphase lassen sich Referenzdaten für ein einwandfreies Fügeergebnis ermitteln. Dazu wird die sogenannte Kraftrückmeldung in einer Hüllkurve dargestellt, die erlaubte Abweichungen berücksichtigt. Die Überwachung der Prozessparameter während des Betriebs zeigt in Echtzeit, ob es Abweichungen vom definierten Prozessverlauf gibt.

Jeder Fügeprozess erzeugt dabei eine individuelle Kurve. Weicht deren Verlauf zu stark von der Referenzkurve ab und befindet sich außerhalb der Hüllkurve, gibt es eine Fehlermeldung. Sich entwickelnde Trends und Veränderungen während der Produktion lassen sich so frühzeitig erkennen und dokumentieren. Zum Abschluss sei darauf hingewiesen, dass die Henrob-Stanznietsysteme von Atlas Copco diese umfassende Prozessüberwachung bieten (Bild 6).

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