DE10161250B4 - Verfahren zum mechanischen Fügen von Blechen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Durchsetzfügen von flächig aufeinanderliegenden Blechteilen, bei dem mittels eines Fügewerkzeugs aus einem Stempel und einer einen Amboß aufweisenden Matrize Blechteile, Profile oder Mehrblechverbindungen unter der Wirkung von Umformenergie, die mittels einer hochfrequenten Schwingung des Stempels oder der Matrize (Sonotrode) im Ultraschallbereich eingebracht wird, aus der Blechebene gemeinsam herausverlagert und gequetscht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die hochfrequente Schwingung im Fügevorgang während einer Einsenk-/Durchsetzphase longitudinal in Blechdickenrichtung aus einer Ultraschallerzeugungseinrichtung im Stempel und anschließend während eines Kaltstauchvorgangs als Torsionsschwingung mit wechselndem Richtungssinn und/oder translatorischer Schwingung in Blechebenenrichtung aus einer Ultraschallerzeugungseinrichtung in der Matrize eingeleitet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchsetzfügen von flächig aufeinanderliegenden Blechteilen gemäß dem Oberbegriff des Paatentanspruchs 1.
• Beim bekannten Durchsetzfügen, auch Clinchen genannt, dringt ein Stempel beim Arbeitshub in die zu verbindenden Bleche ein, wobei auf der Gegenseite eine feste oder geteilte Matrize die Form ausbildet.
• Mit dem Einbringen der Vertiefung durch die Werkzeuge wird neben dem Kraftschluß der bekannte Formschlußeffekt, die sogenannte Hinterschneidung, zwischen den Fügepartnern erzielt, wobei der Vorgang üblicherweise bis zu einer angestrebten Verringerung der Bodendicke durchgeführt wird. Dabei wird im stempelseitigen Blech die ursprüngliche Materialdicke im Bereich des Clinchstempels zur sogenannten Halsdicke stark verjüngt. Prinzipiell sind zur Steigerung der Verbindungsfestigkeit eine hohe Hinterschneidung und eine hohe Halsdicke wesentlich. Eine weitere Steigerung der Verbindungsfestigkeit ergibt sich aus der Kaltpreßschweißung in den Zonen des höchsten Umformgrades zwischen den Fügepartnern.
• Eine gattungsgemäße Fügevorrichtung ist aus der EP 0890 397 A1 bekannt. Durch stoßförmiges oder pulsierende Eintreiben des Stempels in das stempelseitige Fügeteil ist die Beschleunigung des Stempels so groß, dass beim Eindringen des Stempels in das Fügeteil der Stempel weniger Material aus dem Fügeteil in die Matrize mit hineinzieht, als beim Fügen mit bisher üblicher hydraulischer Krafteinleitung. Bei der impulsförmigen Krafteinleitung wird der Bereich des Fügeteils unterhalb der Stirnfläche des Stempels stärker gestreckt. Zur Krafteinleitung können in dem für das Eindringen des Stem- pels vorgesehenen Schlagmechanismus verschiedene Antriebe untergebracht sein. Verwendung finden pneumatische Antriebe, wie beispielsweise in einem Pressluftmeißel oder -hammer, elektrische Antriebe wie beispielsweise mit einem Kurbelumlauf antrieb, Unwuchtmotoren oder elektromagnetischen oder elektropneumatischen oder servohydraulischen Antrieb. Damit kann die Frequenz, die Stoßstärke und -geschwindigkeit innerhalb eines gewissen Bereiches variiert werden.
• Aus der DE 199 05 527 A1 ist eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken aus duktilem Material bekannt. Die Vorrichtung hat einen C-förmigen Rahmen, an dessen unterem Schenkel eine Matrize und an' dessen oberem Schenkel ein Fügewerkzeug und ein Niederhalter vorgesehen sind. Der Antrieb des Fügewerkzeuges umfasst einen Schwingungserzeuger, der den Stempel des Fügewerkzeuges in pulsierende Weise antreibt.
• Aus der EP 0 890 397 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zu mechanischen Fügen von Blechen, Profilen oder Mehrblechverbindungen bekannt. Die Fügewerkzeuge werden mit Kraftmitteln auf die Fügeteile zubewegt und durch die Kraftwirkung der Fügewerkzeuge wird eine Fügeverbindung zwischen den Fügeteilen hergestellt. Es wird vorgeschlagen die Redaktionskräfte des Fügevorgangs zu verringern, in dem ein Fügewerkzeuge die Fügekraft in einer Erregerfrequenz in die Fügeverbindung einbringt, die über der Eigenfrequenz des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs liegt und die Lagerung zumindest eines Fügewerkzeugs schwingungsisoliert ist.
• Aus der DE 199 29 778 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dynamischen verbinden von plattenförmigen Bauteilen bekannt. Bei dem Verfahren werden überlappend angeordnete, plattenförmige Bauteile über der Ausnehmung einer Matrize positioniert. Ein Stempel wird entlang einer Vorschubachse so gegen die Matrize bewegt, dass ein überlappender Bereich der Bauteile in die Ausnehmung der Matrize gedrückt wird. Während eines Verfahrensabschnittes wird die Längsachse des Stempels schräg zur Vorschubachse gestellt und innerhalb eines Kegelmantels um die Vorschubachse geführt, wobei der Stempel zumindest zeitweise mit einer zusätzlichen zweiten Kraft entlang seiner Längsachse beaufschlagt wird.
• Aus der DE 100 60 035 A1 ist eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen bekannt, bei der der Stempel eines aus Oberteil und Matrize bestehenden Fügewerkzeugs durch mehrere kurzfristig aufeinanderfolgende, auf ihn einwirkende Stöße oder pulsierend in einer Erregerfrequenz in ein zu fügendes Teil eindringt.
• Die Mantelfläche des Stempels ist zumindest im Bereich des vorderen freien Endabschnitts des Stempels rutschhemmend ausgebildet. Dadurch tritt eine Reibwerterhöhung zwischen dem Mantel der Stempelspitze und dem zu fügenden Teil ein.
• Eine weitere Herabsetzung der Streckung des sich unterhalb der Stirnfläche der Stempelspitze befindlichen Materials erfolgt durch eine zusätzliche rutschhemmende Ausbildung der Stirnfläche der Stempelfläche. Diese Rutschhemmung kann durch Aufrauhung der vorstehend genannten Stempelflächen erfolgen. Üblicherweise ist die Mantelfläche des freien Endabschnitts und die Stirnfläche des Stempels mit umlaufenden Riefen oder Rippen versehen. Bei einer anderen Ausgestaltung der Rutschhemmung der Stempelflächen können diese mit einer rutschhemmenden Beschichtung versehen sein.
• Die Reibwerterhöhung der Stempelflächen führt dazu, dass beim Eindringen des Stempels in das Fügeteil mehr Material aus dem der Fügestelle angrenzenden Bereich des Fügeteils eingezogen wird, welches für den hinterschnittbildenden Stauchprozeß zur Verfügung steht und die damit verbundene größere Streckung im Halsbereich der Fügestelle zu einer höheren Verfestigung dieses Halsbereichs und zu verbesserten Festigkeitskennwerten der Fügestelle führt. Über den Umformgrad und Hinterschnitt ist auch hier eine weitere Steigerung der Verbindungsfestigkeit durch Verbesserung der Kaltpreßschweißung erzielbar.
• Aufgabe der Erfindung ist es, den Grad der Verbindung im Durchsetzfügevorgang weiter zu steigern.
• Die Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt ein Durchsetzfügeverfahren, bei dem die Druckkräfte, die beim konventionellen Durchsetzfügen in einem Arbeitsschritt aufzubringen sind, reduziert werden.
• Die Umformenergie wird erfindungsgemäß mittels einer hochfrequenten Schwingung des Stempels als Sonotrode im Ultraschallbereich eingebracht. Optimal aufeinander abgestimmt wird dem schwingenden System eine geringe Masse und vergleichsweise kleine Schlagenergie bei großer Schlagfrequenz zugeordnet.
• Ebenso kann die Umformenergie auch mittels einer hochfrequenten Schwingung der gesamten Matrix oder nur an gewissen Stellen der Matrix und bevorzugt an Stempel und Matrix eingebracht werden.
• Bei einer entsprechenden Vorrichtung ist dann eine Ultraschalleinheit beispielsweise an gegenüberliegenden Stellen oder auch mehrere Ultraschalleinheiten der zu fügenden Materiallagen angeordnet. Die Ultraschalleinheiten wirken so zusammen, dass sie ihren Energieeintrag bevorzugt gleichzeitig von gegenüberliegenden Bereichen aus dem Stempel und der Matrix in den Fügebereich der zu fügenden Materiallagen einleiten. Hierzu werden die jeweiligen Ultraschalleinheiten hinsichtlich ihrer Parameter in Leistung, Frequenz, Amplitude und Phasenlage aufeinander abgestimmt.
• Beim Fügevorgang werden dann Stempel und/oder Matrize durch Stellmittel linear gegeneinander geführt.
• Die Krafteinleitung kann durch Variation der Frequenz, Amplitude und Phasenlage der hochfrequenten Schwingung des Stempels gezielt moduliert werden.
• Die gesamte Umformvorrichtung wird gegenüber Schwingungen isoliert. Bevorzugt wird nur das Fügewerkzeug in einem vom jeweiligen Einzelfall abhängigen Maß in Schwingungen versetzt. Dabei bilden im Wesentlichen Stempel und Matrize zusammen ein gekoppeltes Schwingsystem. Um die Eigenfrequenzen der gesamten Maschine zu unterdrücken, kann der Rahmen in seinem Schwingverhalten beeinflußbar sein. Dies erfolgt durch zusätzliche Einrichtungen mit Hilfe von Zusatzmassen oder variablen Aussteifungen.
• Durch die hohe Erregerfrequenz der Stöße des Fügewerkzeugs ergeben sich hohe Spitzenkräfte während einer kurzen Einwirkzeit. Dementsprechend kann die durch die Stellmittel erzeugte Anpreßkraft während des Fügevorgangs entsprechend verringert werden. Gegebenenfalls wird die von Stempel und Matrize ausgeführte Bewegung relativ zueinander mit geringfügigen Anpressen oder lediglich durch Nachführen durchgeführt.
• Die Krafteinwirkung durch den Ultraschall erfolgt über den Stempel während einer Einsenkphase zunächst longitudinal, d.h. in Blechdickenrichtung durch schnelle Schläge des Werkzeuges.
• Anschließend wird während eines Kaltstauchvorgangs der Ultraschall über Torsionsschwingung, mit wechselndem Richtungssinn und/oder translatorischer Schwingung in Blechebenenrichtung in das Fügeteil eingeleitet. Dies ermöglicht zusätzlich zur Kaltpreßschweißung eine lokale Verbesserung der Beseitigung von Kontaminationen auf der Oberfläche zur Vergrößerung der kaltverschweißten Bereiche. Dadurch werden die Fügeteile zusätzlich zur kraft- und formschlüssigen Verbindung stoffschlüssig im Bereich der Stegdicke (Restbodenstärke) miteinander verbunden. Dies führt zu einer erhöhten Scher- bzw. Kopfzugfestigkeit.
• Damit wird während der Einsenk-/Durchsetzphase die kraftund/oder formschlüssige Verbindung und bevorzugt während des Kaltstauchvorgangs eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt.
• Die durch den Ultraschall entstehende Reibungswärme wirkt sich unterstützend auf die leichtere Umformung aufgrund der temperaturabhängigen Abnahme der Formänderungsfestigkeit der Fügeteile aus.
• Die Bleche können beschichtet oder oberflächenbehandelt sein, unterschiedliche Dicken haben, aus verschiedenen Materialien sein oder eine Zwischenlage besitzen.
• Beim Durchsetzfügen mit Schneidanteil entsteht das Fügeelement unter der lokalen Wirkung eines kombinierten Scherschneid- und Durchsetzfügevorganges und eines Kaltstauchvorgangs. Der aus der Blechebene heraus verschobene Blechwerkstoff wird gestaucht, so dass durch Breiten eine kraft- und formschlüssige Verbindung entsteht.
• Beim Durchsetzfügen ohne Schneidanteil wird in einem kombinierten Einsenk- und Durchsetzvorgang, bei dem das Einsenken den Fügebereich begrenzt, sowie einem Kaltstauchvorgang, bei dem das durchgesetzte Werkstoffvolumen gestaucht wird, eine kraft-, form- und stoffschlüssige Verbindung durch Fließpressen erzeugt. Dabei ist ein unterschiedliches Fließverhalten von matrizenseitigem und stempelseitigem Fügeteil gegeben.
• Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die stoffschlüssige Verbindung der Fügeteile, die zur kraft- und formschlüssigen Verbindung im Bereich der Stegdicke (Restbodenstärke) hinzutritt. Die daraus resultierende erhöhte Scher- bzw. Kopfzugfestigkeit erweitert die Einsatzmöglichkeiten des umformtechnischen Blechfügens oder erschließt sogar neue Anwendungen für mechanische Fügeverbindungen aufgrund der verbesserten Materialeigenschaften der gefügten Teile.
• Zudem wird es möglich, Kraftformer mit größeren Ausladungen und Freiräumen zu bauen, da damit die Höhe der erforderlichen Umformkraft abgesenkt wird.

Claims (4)

1. Verfahren zum Durchsetzfügen von flächig aufeinanderliegenden Blechteilen, bei dem mittels eines Fügewerkzeugs aus einem Stempel und einer einen Amboß aufweisenden Matrize Blechteile, Profile oder Mehrblechverbindungen unter der Wirkung von Umformenergie, die mittels einer hochfrequenten Schwingung des Stempels oder der Matrize (Sonotrode) im Ultraschallbereich eingebracht wird, aus der Blechebene gemeinsam herausverlagert und gequetscht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die hochfrequente Schwingung im Fügevorgang während einer Einsenk-/Durchsetzphase longitudinal in Blechdickenrichtung aus einer Ultraschallerzeugungseinrichtung im Stempel und anschließend während eines Kaltstauchvorgangs als Torsionsschwingung mit wechselndem Richtungssinn und/oder translatorischer Schwingung in Blechebenenrichtung aus einer Ultraschallerzeugungseinrichtung in der Matrize eingeleitet wird.
2. Verfahren zum Durchsetzfügen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fügevorgangs Stempel und/oder Matrize durch Stellmittel linear gegeneinander geführt werden.
3. Verfahren zum Durchsetzfügen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fügevorgangs Frequenz, Amplitude und Phasenlage der hochfrequenten Schwingung des Stempels zur Optimierung der Krafteinleitung variiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bevorzugt während der Einsenk-/Durchsetzphase eine kraftund/oder formschlüssige Verbindung und während des Kaltstauchvorgangs eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird.