DE10130723C2 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung einer Kaltpressschweißverbindung zwischen sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung einer Kaltpressschweißverbindung zwischen sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen nach den Oberbegriffen des 1. und 3. Patentanspruchs.

Es ist bereits bekannt, (Dr. F. Riedel: Clinchen mit Kaltpressschweißen erweitert Einsatzpotential, Geclirichte Bleche bleiben einseitig eben; Industrieanzeiger 28/2000, S. 38-39) auch ohne Zusatzwerkstoff und zusätzlichen Wärmeeintrag einseitig ebene Blechverbindungen herzustellen, ohne die Bleche vorzulochen. Dabei erfolgt an der Verbindungsstelle zusätzlich zur Umformung mittels Stempel eine Kaltpressverschweißung. Die Matrize, auf welcher die zu fügenden Bleche aufliegen, ist dabei eben, so dass sich auch eine einseitig ebene Kaltpressschweißverbindung ergibt, die jedoch oft erhöhten Anforderungen nicht standhält.

Es ist nach DE 36 13 324 A1 bekannt, ungelochte plattenförmige Bauteile zwischen einem Stempel und einer mit einer Ausnehmung versehenen Matrize anzuordnen und durch eine Vorhubbewegung des Stempels in Richtung zur Matrize den Werkstoff der Bauteile in die Ausnehmung der Matrize zu formen, wobei der Werkstoff des in Stempelrichtung liegenden Bauteiles in der Art eines Hinterschnittes in den Werkstoff des zweiten Bauteiles fließt und der Werkstoff beider Bauteile in die Ausnehmung der Matrize geformt wird. Es ergibt sich an der Fügeposition an der Angriffstelle des Stempels eine Ausnehmung und an der gegenüberliegenden Seite eine Erhabenheit entsprechend der Tiefe und Kontur der Ausnehmung der Matrize. Für viele Einsatzfälle sind jedoch derartige Erhabenheiten hinderlich.

Die DE 37 10 929 C2 zeigt ein Verfahren zum Verbinden zweier dünner Bleche, bei dem während eines Tiefziehprozesses der Werkstoff in eine Ausnehmung der Matrize eingeformt wird. Dabei bildet sich an der dem Stempeleindruck gegenüberliegenden Seite ebenfalls eine Erhabenheit.

In einem sich daran anschließenden zusätzlichen Arbeitsgang wird durch Bewegen des Stempels und der Matrize in die entgegengesetzte Richtung die sich durch den Werkstofffluss gebildete Erhabenheit in die Plattenebene der unteren Platte eingepresst. Als Ergebnis entsteht eine einseitig fast ebene Verbindung ohne Erhabenheiten. Deren Herstellung ist aber sehr aufwändig. Durch die zwei Umformvorgänge können sich die Bleche stark verfestigen und zu Rissbildung in der Umformzone neigen. Eine Kaltpressschweißvorrichtung mit zwei Gesenken bzw. Stempeln, zwischen denen zwei sich überlappende plattenförmige Werkstücke verpressbar sind, wird in DE 32 12 455 C2 beschrieben. Die Werkstücke weisen in ihrer Mitte einen Raum zur Aufnahme eines Halbleiterelementes und an ihren Randbereichen umlaufende Flansche auf, an denen mittels an den Stempeln befindlichen Ringflächen eine Kaltpressverschweißung vorgenommen wird. Über Detektoren und Messzellen erfolgt dabei die Feststellung der Pressschweißbelastung, deren Wert mittels Datenübertragung an eine Rechenoperations-Steuerschaltung weitergegeben wird. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann die jeweils optimale Belastung für jedes der Kaltpressschweißung zu unterwerfende Werkstück ermittelt und damit die Güte der Kaltpressschweißverbindung verbessert werden. Dies wird aber mit einer aufwändigen und komplizierten elektrischen Mess- und Steuerschaltung verwirklicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung einer Kaltpressschweißverbindung zwischen sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen zu schaffen, die bei geringem Zeit- und gerätetechnischen Aufwand während des Fügevorganges an der dem Stempeleindruck gegenüberliegenden Seite die Ausbildung einer sichtbaren bzw. die Funktion beeinträchtigenden Erhabenheit verhindern und den Einsatz der dabei hergestellten Verbindung für hohe Beanspruchungen ermöglichen.

Verfahrensgemäß erfolgt das Herstellen der Kaltpressschweißverbindung zwischen den sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen unter Verwendung wenigstens eines Stempels und eines Gegenwerkzeuges, wobei ein erstes Bauteil in Richtung zum Stempel angeordnet ist und ein zweites Bauteil an dem Gegenwerkzeug anliegt, und Werkstoff des ersten Bauteiles durch einen Stempel mit einer Stempelkraft in Richtung zum Gegenwerkzeug in das zweite Bauteil eingeformt wird. Mit einer Hubbewegung des Stempels in Richtung zum Gegenwerkzeug wird eine form- und kraftschlüssige Vebindung erzeugt. Dabei dringt der Stempel mit seinem gesamten Querschnitt in das erste Bauteil ein und das Gegenwerkzeug behält während der gesamten Hubbewegung des Stempels seine am zweiten Bauteil anliegende Position bei. Gleichzeitig oder anschließend wird durch wenigstens ein innerhalb und/oder außerhalb der form- und kraftschlüssigen Verbindung partiell angreifendes Formelement eine Kaltpressschweißverbindung hergestellt. Der Stempel weist dabei ein erstes Formelement an seiner Pressfläche und/oder der Gegenhalter ein drittes Formelement an seiner Anlagefläche auf, wobei die Formelemente in Richtung zu den Bauteilen weisen. Im Bereich der Formelemente wird eine Kaltpressschweißverbindung zwischen den beiden Bauteilen erzeugt. Dabei kann zusätzlich der Werkstoff des ersten Bauteiles derartig in den Werkstoff des zweiten Bauteiles eingeformt werden, dass sich ein Hinterschnitt des eingeformten Werkstoffes des ersten Bauteiles zum zweiten Bauteil einstellt, wobei gleichzeitig die Ausbildung einer sichtbaren und/oder die Funktion beeinträchtigende Erhabenheit an der Außenseite des zweiten Bauteils an der Fügeposition durch Verwendung einer im wesentlichen ebenen Anlagefläche des Gegenwerkzeuges bzw. durch Formelemente im Gegenwerkzeug, die lediglich in Richtung zum Werkstück zeigen, vermieden wird.

Während des Einformens des Werkstoffes des ersten Bauteiles in das zweite Bauteil mittels des Stempels und der Herstellung der Kaltpressschweißverbindung durch die am Stempel und/oder am Gegenwerkzeug angeordneten ersten und dritten Formelemente kann auch wenigstens ein Niederhalter mit seiner Druckfläche gegen die Bauteile pressen, dem fluchtend ein weiterer Niederhalter gegenüberliegt, oder der gegen das Gegenwerkzeug wirkt. Auch an diesem Niederhalter können, eine formschlüssige Verbindung bewirkende, zweite Formelemente angeordnet sein. Der radiale Werkstofffluss des Werkstoffes der Bauteile kann durch die Gestaltung des Gegenwerkzeuges und/oder des Niederhalters und/oder des Stempels beeinflußt werden, z. B. durch die Ausbildung des ersten und/oder zweiten und/oder dritten Formelementes.

Die Einrichtung zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung weist bekannter Weise mindestens einen Stempel mit einer Pressfläche und ein Gegenwerkzeug mit einer Anlagefläche auf. Um den Stempel und/oder um das Gegenwerkzeug herum kann ein Niederhalter in der Art eines Hohlstempels angeordnet sein. Am Stempel und/oder am Gegenwerkzeug und/oder am Niederhalter sind in Richtung zu den Bauteilen Formelemente angeordnet, die eine zuverlässige Kaltpressschweißverbindung zwischen den sich überlappenden Bauteilen erzeugen. Die Formelemente weisen einen dreieckigen Querschnitt auf.

Der Stempel kann dabei zusätzlich z. B. zwischen seinem Außenumfang und seiner Druckfläche einen Radius oder in Richtung zu seiner Druckfläche eine Durchmessererweiterung oder eine Durchmesserverringerung aufweisen.

Es ist auch möglich, in Richtung zur Pressfläche des Stempels erst eine Durchmesserverringerung und eine sich anschließende Durchmessererweiterung vorzusehen oder umgekehrt.

Zwischen der Durchmesserverringerung und der Durchmesser­ erweiterung kann dabei ein zylindrischer Bereich ausgebildet sein. Es ist auch möglich, den Übergang zur Durchmessererweiterung oder zur Durchmesserverringerung des Stempels rechtwinklig, abgeschrägt oder radienförmig auszubilden. Die Pressfläche des Stempels kann konvex gestaltet sein oder auch Aussparungen aufweisen oder segmentiert sein.

Die Anordnung der Formelemente der sich gegenüberliegenden Werkzeugelemente erfolgt bevorzugt zueinander fluchtend, um eine größtmögliche partielle Presskraft zur Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung zu erzeugen.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die Vorrichtung einen axial beweglichen Niederhalter aufweist, der den Stempel oder das Gegenwerkzeug umgibt. Es können auch zwei sich gegenüberliegende Niederhalter vorgesehen sein, wobei dann ein Niederhalter den Stempel und der andere Niederhalter das Gegenwerkzeug umgibt. In diesem Fall wird an jedem Niederhalter wenigstens ein zweites Formelement angeordnet, bevorzugt liegen sich die zweiten Formelemente der beiden Niederhalter gegenüber. Im wesentlichen sind die Niederhalter als Hohlstempel ausgebildet und wirken umformend in dem Bereich ihrer zweiten Formelemente.

Zwischen dem Außendurchmesser des Stempels und/oder dem Außendurchmesser des Gegenwerkzeuges und dem Innendurchmesser des Niederhalters kann auch ein Abstand vorhanden sein.

Die Formelemente sind bevorzugt ringförmig umlaufend ausgebildet. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, diese segmentiert auszubilden. Die Formelemente werden im wesentlichen dreieckig im Querschnitt gestaltet, mit einer zu den Bauteilen gerichteten Spitze.

Mit der Erfindung ist es erstmalig möglich, eine Kaltpressschweißverbindung, die bevorzugt innerhalb der Gesamtblechdicke der Bauteile liegt, oder kaum sichtbare bzw. keine die Funktion beeinträchtigende Erhabenheit auf der Stempelseite oder auf der Seite des Gegenwerkzeuges aufweist, kombiniert mit einer formschlüssigen Verbindung zu erzeugen, die auf einfache Weise mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand herstellbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Vorrichtung nach dem Fügen zweier Bleche, wobei der Stempel in Richtung zum Blech ein erstes Formelement und das Gegenwerkzeug dazu fluchtend ein drittes Formelement aufweisen,

Fig. 2 Vorrichtung nach dem Fügen zweier Bleche, wobei in Richtung zum Blech der Stempel ein erstes und der Niederhalter ein zweites Formelement und das Gegenwerkzeug zwei dazu fluchtende dritte Formelemente aufweisen,

Fig. 3 Vorrichtung nach dem Fügen zweier Bleche, wobei zwei sich gegenüberliegende Niederhalter mit zueinander fluchtenden zweiten Formelementen jeweils den Stempel und das Gegenwerkzeug umhüllen,

Fig. 4 Einzeldarstellung des Niederhalters mit einem segmentartierten zweiten Formelement mit dreieckigem Querschnitt,

Fig. 5 Stempel mit konvexer Druckfläche,

Fig. 6 Stempel mit kegelförmiger Durchmesserverringerung,

Fig. 7 Stempel mit zylinderförmiger Durchmesser­ verringerung,

Fig. 8 Stempel mit zylinderförmiger Durchmesser­ erweiterung,

Fig. 9 Niederhalter mit einem in Richtung zum Bauteil weisenden zweiten umlaufendem Formelement mit dreieckigem Querschnitt am Außenumfang seiner Druckfläche,

Fig. 10 Niederhalter mit einem in Richtung zum Bauteil weisenden zweiten umlaufenden Formelement mit dreieckigem Querschnitt am Innenumfang seiner Druckfläche,

Fig. 11 Niederhalter mit einem in Richtung zum Bauteil weisenden zweiten umlaufenden Formelement mit dreieckigem Querschnitt an der Mitte seiner Druckfläche,

Fig. 12 Niederhalter mit einem in Richtung zum Bauteil weisenden zweiten umlaufenden Formelement mit balligem (radienförmigen) Querschnitt an der Mitte seiner Druckfläche.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung nach dem Fügen zweier blechförmiger Bauteile W1, W2 dargestellt, wobei der Stempel 1 in Richtung zum ersten Bauteil W1 ein Formelement F1 und das Gegenwerkzeug 3 dazu fluchtend ein Formelement F3 aufweisen. Im Bereich der sich gegenüberliegenden Formelemente F1 und F3 wird dabei partiell - durch den in diesem Bereich entstehenden hohen Umformgrad beim Umformvorgang mit dem Stempel 1 - eine stoffschlüssige Verbindung in der Art einer Kaltpressschweißverbindung erzeugt. Die Verbindung liegt dabei im wesentlichen innerhalb der Gesamtblechdicke der beiden Bauteile. Der Werkstoff des Bauteiles W1, der unwesentlich am Stempel 1 hochgeflossen ist, wirkt dabei nicht beeinträchtigend auf die Funktion des Bauteiles.

In Fig. 2 ist um den Stempel 1 ein Niederhalter 2 angeordnet. An der Pressfläche 1a des Stempels 1 befindet sich ein Formelement F1 und an der Druckfläche 2a des Niederhalters 2 ein Formelement F2 und an der Anlagefläche 3a des Gegenwerkzeuges 3 zu den Formelementen F1 und F2 fluchtend zwei Formelemente F3. Der Werkstoff der beiden Bauteile W1, W2 ist im Umformbereich radial nach außen geflossen, wodurch sich zwischen den beiden Bauteilen W1 und W2 ein Hinterschnitt H eingestellt hat. Innerhalb und außerhalb des Stempeleindrucks wurde zusätzlich zu der durch Umformen mittels des Stempels 1 erzeugten Verbindung durch die Formelemente F1, F2, F3 eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen W1, W2 hergestellt.

In der Darstellung gem. Fig. 3 wird gezeigt, dass sowohl der Stempel 1 als auch das Gegenwerkzeug 3 von einem Niederhalter 2 umgeben sein können. Beide Niederhalter 2 weisen jeweils ein zweites Formelement F2 auf, diese liegen sich fluchtend gegenüber. Hierdurch wird außerhalb des Stempeleindrucks die Kaltpressschweißverbindung erzeugt.

In den Beispielen nach Fig. 2 und 3 liegt die Verbindung ebenfalls innerhalb der Gesamtblechdicke.

Eine Möglichkeit eines Niederhalters 2 mit segmentiertem zweiten Formelement F2 an der Druckfläche 2a ist in Fig. 4 dargestellt.

Der Werkstofffluss und die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung kann durch die Gestaltung der Stempel- und Niederhalterform beeinflusst werden. Dabei zeigt Fig. 5 einen Stempel 1 mit balliger Druckfläche 1a, Fig. 6 einen Stempel 1 mit kegelförmiger Durchmesserverringerung 1c, Fig. 7 einen Stempel 1 mit zylinderförmiger Durchmesserverringerung 1d und Fig. 8 einen Stempel 1 mit zylinderförmiger Durchmesser­ erweiterung 1e.

Die zweiten Formelemente F2 können einen dreieckigen Querschnitt aufweisen, der besonders günstig für das Press- Schweißen ist, und am Niederhalter 2 entweder am Außenumfang (Fig. 9), am Innenumfang (Fig. 10) oder in der Mitte der Druckfläche 2a (Fig. 11) angeordnet sein.

Alternativ ist es auch möglich, die Formelemente F1, F2, F3 mit einem balligen Querschnitt zu versehen. Dies wird in Fig. 12 am Beispiel eines Niederhalters 2 mit einem balligen zweiten Formelement F2 gezeigt.

Mit der Erfindung ist es erstmalig möglich eine innerhalb der Blechdicke zweier Bauteile liegende Fügeverbindung durch Pressschweißen und Formschluss zu erzeugen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung einer Kaltpressschweißverbindung zwischen sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen mit einer Gesamtblechdicke (d), unter Verwendung eines Stempels (1) und eines Gegenwerkzeuges (3), wobei ein erstes Bauteil (W1) in Richtung zum Stempel (1) angeordnet ist und ein zweites Bauteil (W2) an dem Gegenwerkzeug (3) anliegt, und Werkstoff des ersten Bauteiles (W1) durch den Stempel (1) mit einer Stempelkraft (F_S) in Richtung zum Gegenwerkzeug (3) in das zweite Bauteil (W2) eingeformt wird, wodurch eine innerhalb der Gesamtblechdicke (d) der Bauteile (W1, W2) liegende form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen (W1, W2) mit einer Hubbewegung des Stempels (1) in Richtung zum Gegenwerkzeug (3) erzeugt wird, wobei der Stempel (1) mit seinem gesamten Querschnitt in das erste Bauteil (W1) eindringt, und das Gegenwerkzeug (3) während der gesamten Hubbewegung des Stempels (1) seine am zweiten Bauteil (W2) anliegende Position beibehält und die Kaltpressschweißverbindung gleichzeitig oder anschließend durch wenigstens ein innerhalb und/oder außerhalb der form- und kraftschlüssigen Verbindung partiell angreifendes, am Stempel (1) und/oder am Gegenwerkzeug (3) und/oder an einem Niederhalter (2) angeordnetes, in Richtung zu den Bauteilen weisendes, Formelement (F1, F2, F3) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einformens des Werkstoffes des ersten Bauteiles (W1) in das zweite Bauteil (W2) mittels des Stempels (1) wenigstens ein Niederhalter (2) mit seiner Druckfläche (2a) und einer Niederhalterkraft (F_N) gegen die Bauteile (W1, W2) presst.

3. Einrichtung zur Herstellung einer Kaltpressschweißverbindung zwischen sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen mit einer Gesamtblechdicke (d), mit mindestens einem Stempel (1) und einem Gegenwerkzeug (3), wobei der Stempel (1) mit seinem gesamten Querschnitt in das erste Bauteil (W1) eindringt, wobei der Werkstoff des ersten Bauteils (W1) in das zweite Bauteil (W2) eingeformt wird, und wobei der Stempel (1) und/oder das Gegenwerkzeug (3) und/oder ein Niederhalter (2) wenigstens ein, in Richtung zu den Bauteilen (W1, W2) weisendes, beim Fügen in den Werkstoff der Bauteile (W1, W2) eindringendes und partiell die Kaltpressschweißverbindung erzeugendes Formelement (F1, F2, F3) besitzen, welches in seinem Querschnitt dreieckig ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenwerkzeug (3) in seiner Anlagefläche (3a) wenigstens ein drittes Formelement (F3) aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Formelement (F3) innerhalb und/oder außerhalb der Flucht der Pressfläche (1a) des Stempels (1) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der den Stempel (1) und/oder das Gegenwerkzeug (3) umgebende Niederhalter (2) an seiner, auf das erste Bauteil (W1) oder auf das zweite Bauteil (W2) wirkenden Druckfläche (2a) wenigstens ein zweites Formelement (F2) aufweist.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (1) an seiner auf das erste Bauteil (W1) wirkenden Pressfläche (1a) wenigstens ein erstes Formelement (F1) aufweist.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Formelemente (F1, F2, F3) ringförmig umlaufend oder segmentiert sind.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich das zweite Formelement (F2) an den Innendurchmesser des Niederhalters (2) anschließt oder davon beabstandet ist.

10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Formelemente (F1, F2, F3) sich gegenüberliegend und zueinander fluchtend angeordnet sind.

11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (1) in Richtung zu seiner Pressfläche (1a) eine Durchmesser­ verringerung und eine sich anschließende Durchmesser­ erweiterung aufweist oder umgekehrt.

12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zur Durchmessererweiterung oder zur Durchmesserverringerung des Stempels (1) rechtwinklig, abgeschrägt oder radienförmig verläuft.

13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressfläche (1a) des Stempels (1) Aussparungen aufweist oder segmentiert ist.