DE10162391B4

DE10162391B4 - Verfahren zum formschlüssigen Verbinden zweier Bauteile

Info

Publication number: DE10162391B4
Application number: DE2001162391
Authority: DE
Inventors: Walter-Josef Schiffler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: DE10162391A1

Abstract

Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen mit folgenden Schritten:
a) Einbringen eines durch Innenhochdruck zu verformenden Bauteilrohlings (5) und eines weiteren Bauteils (7) in ein Innenhochdruckumformwerkzeug (1, 2),
b) Schließen des Innenhochdruckumformwerkzeugs (1, 2),
c) Umformen des Bauteilrohlings (5) mittels eines Druckmediums in ein Innenhochdruckumformbauteil (8), das dann flächig an dem weiteren Bauteil (7) anliegt und
d) Herstellen einer formschlüssigen Verbindung (15) zwischen dem Innenhochdruckumformbauteil (8) und dem weiteren Bauteil (7) durch plastisches Verformen der beiden Bauteile (7, 8) in einem Verbindungsbereich, wobei das Innenhochdruckumformbauteil (8) und das weitere Bauteil (7) in dem Innenhochdruckumformwerkzeug (1, 2) verbleiben,
dadurch gekennzeichnet, dass
e) das Innenhochdruckumformbauteil (8) und das weitere Bauteil (7) derart verformt werden, dass sich ein bei der plastischen Verformung bildendes Verbindungselement (15) zu einer Innenseite (10, 12) des Innenhochdruckumformbauteils hin erstreckt und dass
das Verbindungselement (15) mit einem Matrizenwerkzeug (3) und einem...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum formschlüssigen Verbinden zweier Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 197 50 067 A1 bekannt. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel werden ein Bauteilrohling und ein weiteres Bauteil, z. B. ein Halteblech in ein Innenhochdruckumformwerkzeug eingelegt. Anschließend wird der Bauteilrohling durch Aufbringen eines Innenhochdrucks in bekannter Weise verformt und kommt dabei vollflächig mit dem weiteren Bauteil zur Anlage. Durch weiteres Erhöhen des Innendrucks fließen das Material des Innenhochdruckumformbauteils und des Halteblechs in eine seitliche Ausnehmung des Innenhochdruckumformwerkzeugs, in der ein Haltestempel verschieblich angeordnet ist. Dabei bildet sich eine topfartige Kuppe, die nach außen vom Innenhochdruckumformbauteil bzw. vom Halteblech absteht. Im Bereich der Kuppe fließen die beiden Bauteile ineinander; d. h. sie werden so verformt, dass sich eine tox- bzw. nietartige formschlüssige Bauteilverbindung ergibt. Als nachteilig ist bei diesem Verfahren anzusehen, dass zur Herstellung der Tox-Verbindung extrem hohe Innendrücke über das Innenhochdruckumformwerkzeug aufgebracht werden müssen. Ferner steht die topfartige Verbindung nach außen vom Innenhochdruckumformbauteil bzw. vom Halteblech ab, was bei vielen Anwendungen unerwünscht ist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der DE 197 50 067 A1 weist das Halteblech mehrere Ausnehmungen auf, in die das Material des Innenhochdruckumformbauteils bei hinreichend hohem Innendruck hineinfließt und das Halteblech im Bereich der Ausnehmungen krallenartig umgreift. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel wird das Halteblech nicht umgeformt. Als nachteilig ist auch hier der sehr hohe Innendruck anzusehen, der für die formschlüssige Verbindung der beiden Bauteile erforderlich ist.
Ferner können sich bei beiden Ausführungsbeispielen Probleme beim Herausnehmen der beiden Bauteile aus dem Innenhochdruckumformwerkzeug ergeben, insbesondere wenn mehrere derartige Verbindungsstellen vorgesehen sind. Da das Innhochdruckumformbauteil an den Verbindungsstellen nach außen verformt wird, besteht nämlich die Gefahr, dass sich die Bauteile im Innenhochdruckumformwerkzeug verklemmen. Probleme entstehen insbesondere dann, wenn mehrere Verbindungsstellen vorgesehen sind und diese in unterschiedlichen „Werkzeugebenen” liegen. In derartigen Fällen muss das Innenhochdruckumformwerkzeug mit „Schiebeelementen” o. ä. ausgestattet sein, um überhaupt eine Entnahme des Bauteils zu ermöglichen.
Tox-Bauteilverbindungen sind ferner aus der DE 199 13 695 A1 bekannt.
Ein Verfahren, bei dem mittels Innenhochdruckumformung ein Innenhochdruckumformbauteil und ein weiteres Bauteil miteinander verbunden werden, ist ferner aus der DE 197 33 477 C2 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur formschlüssigen Verbindung von Bauteilen anzugeben, bei dem die erläuterten Probleme vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, ein Innenhochdruckumformbauteil und ein weiteres Bauteil durch ein „Verbindungselement” miteinander zu verbinden, das sich zur Innenseite des Innenhochdruckumformbauteils hin erstreckt. Unter „Verbindungselement” ist ein niet- bzw. topfförmiges Element zu verstehen, das sich durch plastische Verformung der beiden Bauteile in einem Verbindungsbereich bildet und das eine unlösbare Verbindung zwischen den beiden Bauteilen sicherstellt.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass am fertigen Bauteil nach außen keine störenden „Verbindungselemente” abstehen. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist darin zu sehen, dass das fertige Bauteil problemlos aus dem Innenhochdruckumformwerkzeug entnehmbar ist, selbst wenn mehrere Verbindungsstellen vorgesehen sind und zwar auch dann, wenn diese in unterschiedlichen „Werkzeugebenen” liegen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung hat das Verbindungselement eine topfartige Form und wird mit einem Stempelwerkzeug und einem zugeordneten Matrizenwerkzeug hergestellt, die beide in das Innenhochdruckumformwerkzeug integriert sind. Die plastische Verformung des Innenhochdruckumformbauteils und des weiteren Bauteils erfolgen also gerade nicht wie bei der DE 197 50 067 A1 durch ein Druckmedium, das zur Umformung eines Bauteilrohlings in ein Innenhochdruckumformbauteil verwendet wird, sondern durch eine Stempel-/Matrizenwerkzeuganordnung. Dies hat den Vorteil, dass das Innenhochdruckumformwerkzeug bei weitem nicht so massiv ausgelegt werden muss, wie beim Stand der Technik, da für die eigentliche Herstellung des Innhochdruckumformbauteils wesentlich geringere Drücke erforderlich sind als zur Herstellung formschlüssiger Bauteilverbindungen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Matrizenwerkzeug von der Innenseite des Innenhochdruckumformbauteils an die Wandung des Innenhochdruckumformbauteils herangeführt. Ein komplementär gestaltetes Stempelwerkzeug wird dementsprechend gegen eine Außenseite des weiteren Bauteils gepresst. Das Stempelwerkzeug drückt das Material des weiteren Bauteils und des Innenhochdruckumformbauteils in eine Ausnehmung des Matrizenwerkzeugs, wodurch sich eine unlösbare „Tox- bzw. Nietverbindung” ergibt. Nach der Herstellung der „Tox-Verbindung” fahren das Stempelwerkzeug und das Matrizenwerkzeug wieder zurück in ihre Ausgangsstellung im Innenhochdruckumformwerkzeug.
Das Matrizenwerkzeug ist vorzugsweise so gestaltet, dass es auch als Stanzwerkzeug verwendet werden kann. Vor der Herstellung der Tox- Verbindung wird mit dem Matrizenwerkzeug ein Loch in das Innenhochdruckumformwerkzeug gestanzt und zwar in einem Bereich, der dem „Verbindungsbereich”, d. h. dem Bereich, in dem die Tox-Verbindung hergestellt werden soll, exakt gegenüberliegt. Über dieses Stanzloch wird das Matrizenwerkzeug in den Innenraum des Innenhochdruckumformbauteils eingeführt und anschließend gegen die Innenseite des Innenhochdruckumformbauteils gepresst. Das Stempelwerkzeug wird wie oben erläutert von der Außenseite angesetzt. Dann werden die beiden Werkzeuge zusammengefahren. Dabei werden das Innenhochdruckumformbauteil und das weitere Bauteil plastisch verformt und zwar so, daß zwischen ihnen eine unlösbare nach innen abstehende topfartige Verbindung entsteht.
Vorzugsweise ist das Matrizenwerkzeug so gestaltet, dass ein beim Stanzen des Lochs entstehender Stanzbutzen nicht ausgestanzt wird, sondern in den Innenraum umgebogen wird. Der Stanzbutzen verbleibt also im Innenhochdruckumformbauteil. Insbesondere bei komplexer gestalteten Bauteilen entfällt somit das Problem der Entfernung von Stanzbutzen, die in den Innenraum des Bauteils eingefallen sind.
Für eine weitere Erhöhung der Festigkeit der Bauteilverbindung können das Innenhochdruckumformbauteil und das weitere Bauteil zusätzlich miteinander verklebt werden.
Wie bereits erwähnt verbleiben zur Herstellung der Bauteilverbindung das Innenhochdruckumformbauteil und das weitere Bauteil im Innenhochdruckumformwerkzeug. Die beiden Bauteile müssen also nicht mehr in einem separaten Arbeitsschritt zueinander positioniert werden. Somit wird eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit ermöglicht, was eine Großserienfertigung ermöglicht. Im Unterschied zu anderen Verbindungstechniken, wie z. B. Schraubtechniken, sind keine separaten Verbindungselemente wie z. B. Schrauben bzw. Muttern erforderlich. Das bei Schweißverbindungen auftretende Problem des Wärmeverzugs tritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren überhaupt nicht auf. Das Verfahren ist sehr vielfältig einsetzbar. Beispielsweise können verschiedenste Blechteile mit Innenhochdruckumformbauteilen bzw. Rohren auf diese Weise miteinander verbunden werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Innenhochdruckumformbauteil und das weitere Bauteil auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen können. Prinzipiell können an einer Verbindungsstelle auch mehrere „Anbauteile” wie z. B. Haltebleche mit dem Innenhochdruckumformbauteil verbunden werden. Die Betätigung des Matrizenwerkzeugs und des Stempelwerkzeugs kann beispielsweise hydraulisch erfolgen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die 1 bis 5 zeigen die einzelnen Schritte bei der Herstellung der formschlüssigen Bauteilverbindung gemäß der Erfindung.
1 zeigt ein Innenhochdruckumformwerkzeug, das hier aus zwei L-förmigen Werkzeughälften besteht, nämlich einer ersten Werkzeughälfte 1 und einer zweiten Werkzeughälfte 2, die eine vorgegebene Innenkontur entsprechend der Form eines herzustellenden Innenhochdruckumformbauteils aufweisen. In die obere Werkzeughälfte 1 ist ein Matrizenwerkzeug 3 integriert. Auf einer dem Matrizenwerkzeug 3 gegenüberliegenden Seite ist in die zweite Werkzeughälfte 2 ein zugeordnetes komplementär gestaltetes Stempelwerkzeug 4 integriert. Das Matrizenwerkzeug und das Stempelwerkzeug sind jeweils durch eine zugeordnete Betätigungseinrichtung (nicht dargestellt), z. B. eine Hydraulik in Axialrichtung verschiebbar.
In die durch die beiden Werkzeughälften 1, 2 gebildete Ausnehmung wird ein Bauteilrohling eingebracht. Der Bauteilrohling ist hier ein Rohr 5. In der unteren Werkzeughälfte ist ferner eine Ausnehmung 6 vorgesehen, in die ein Halteblech 7 eingelegt ist, das formschlüssig mit dem herzustellenden Innenhochdruckumformbauteil verbunden werden soll. Nach Einlegen des Bauteilrohlings 5 und des Halteblechs 7 in das Innenhochdruckumformwerkzeug 1, 2 wird das Innenhochdruckumformwerkzeug 1, 2 geschlossen. Anschließend wird ein Innenhochdruck aufgebracht, wodurch sich der Bauteilrohling 5 entsprechend der Innenkontur des Innenhochdruckumformwerkzeugs 1, 2 verformt, was in 2 dargestellt ist. Bei der Verformung des Bauteilrohlings 5 kommt das dabei entstehende Innenhochdruckumformbauteil 8 vollflächig mit dem Halteblech 7 zur Anlage. Das fertige Innenhochdruckumformbauteil 8 hat den Querschnitt eines Rechteckrohrs, was aus 3 ersichtlich ist.
Nach der Herstellung des Innenhochdruckumformbauteils 8 wird mit dem Matrizenwerkzeug 3 ein Loch in die Wandung des Innenhochdruckumformbauteils 8 gestanzt. Das Matrizenwerkzeug fungiert also als Stanzwerkzeug. Es ist so gestaltet, dass ein beim Stanzen entstehender Stanzbutzen 9 in den Innenraum 10 des Innenhochdruckumformbauteils 8 umgebogen wird. Der Stanzbutzen 9 verbleibt also am Innenhochdruckumformbauteil 8. Über das gestanzte Loch wird das Matrizenwerkzeug 3 in den Innenraum 10 eingeführt. Das Matrizenwerkzeug 3 wird soweit eingeführt, bis seine Stirnseite 11 zur Anlage an eine Innenseite 12 des Innenhochdruckumformbauteils 8 kommt, was in 4 dargestellt ist. Anschließend wird, wie aus 4 ersichtlich ist, das Stempelwerkzeug 4 von „außen” gegen das Halteblech 7 gepresst. Ein Zapfen 13 des Stempelwerkzeugs 4 presst das Material des Halteblechs 7 und des Innenhochdruckumformbauteils 8 in eine Ausnehmung 14 (1) des Matrizenwerkzeugs 3. Dadurch entsteht eine unlösbare nietartige bzw. tox-artige Bauteilverbindung.
Das fertige Bauteil ist in 5 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass der bei der formschlüssigen Verbindung entstehende Verbindungstopf 15 sich in den Innenraum 10 des Innenhochdruckumformbauteils 8 erstreckt. Nach außen stehen keinerlei störende Verbindungselemente ab. In 5 ist ferner sehr deutlich das zur Herstellung der Bauteilverbindung erforderliche Gegenloch 16 erkennbar, das exakt gegenüber der topfartigen Bauteilverbindung 15 liegt.

Claims

Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen mit folgenden Schritten: a) Einbringen eines durch Innenhochdruck zu verformenden Bauteilrohlings (5) und eines weiteren Bauteils (7) in ein Innenhochdruckumformwerkzeug (1, 2), b) Schließen des Innenhochdruckumformwerkzeugs (1, 2), c) Umformen des Bauteilrohlings (5) mittels eines Druckmediums in ein Innenhochdruckumformbauteil (8), das dann flächig an dem weiteren Bauteil (7) anliegt und d) Herstellen einer formschlüssigen Verbindung (15) zwischen dem Innenhochdruckumformbauteil (8) und dem weiteren Bauteil (7) durch plastisches Verformen der beiden Bauteile (7, 8) in einem Verbindungsbereich, wobei das Innenhochdruckumformbauteil (8) und das weitere Bauteil (7) in dem Innenhochdruckumformwerkzeug (1, 2) verbleiben, dadurch gekennzeichnet, dass e) das Innenhochdruckumformbauteil (8) und das weitere Bauteil (7) derart verformt werden, dass sich ein bei der plastischen Verformung bildendes Verbindungselement (15) zu einer Innenseite (10, 12) des Innenhochdruckumformbauteils hin erstreckt und dass das Verbindungselement (15) mit einem Matrizenwerkzeug (3) und einem zugeordneten Stempelwerkzeug (4) hergestellt wird, die beide in dem Innenhochdruckumformwerkzeug (1, 2) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (15) eine topfartige Form hat.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Verbindungselements (15) das Matrizenwerkzeug (3) gegen die Innenseite (12) des Innenhochdruckumformbauteils (8) und gegenläufig dazu das Stempelwerkzeug (4) gegen eine Außenseite des weiteren Bauteils (7) gepresst werden, wobei sich die beiden Bauteile (7, 8) entsprechend der Kontur einer Ausnehmung (14) des Matrizenwerkzeugs (3) verformen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrizenwerkzeug (3) gleichzeitig als Stanzwerkzeug verwendet wird, derart, dass vor der Herstellung des Verbindungselements (15) in einem dem Verbindungsbereich gegenüberliegenden Bereich des Innenhochdruckumformbauteils ein Loch (16) gestanzt wird, durch welches das Matrizenwerkzeug (3) in den Innenraum (10) des Innenhochdruckumformbauteils (8) eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (16) derart gestanzt wird, dass ein beim Stanzen entstehender Stanzbutzen (9) in den Innenraum (10) umgebogen wird und am Innenhochdruckumformbauteil (8) verbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung eine Tox-Verbindung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenhochdruckumformbauteil (8) und das weitere Bauteil (7) zusätzlich miteinander verklebt werden.