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Die
Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum
Verbinden von zumindest zwei überlappend
angeordneten Fügeteilen
mit einem beweglichen Amboss, mit einer konzentrisch zum Amboss
angeordneten Schneidmatrize zum Stanzen eines ersten Fügeteils,
mit einem beweglichen Niedehalter und mit einer beweglichen Stempeleinheit
zur Aufbringung einer Stanzkraft und zum anschließenden Durchsetzfügen eines
zweiten Fügeteils
mit dem vorgestanzten ersten Fügeteil,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Fügevorrichtungen
der eingangs genannten Art sind bekannt. Beispielsweise offenbart
die
DE 102 50 342
A1 ein Fügeverfahren
und eine Fügevorrichtung
zum Verbinden von überlappend
angeordneten Fügeteilen.
Mittels der bekannten Fügevorrichtung
wird ein stempelseitiges Fügeteil,
insbesondere aus einem duktilen Werkstoff, in einem Verbindungsbereich
eingeschnitten und/oder durchsetzt und ein dem Stempel abgewandtes
zweites Fügeteil,
insbesondere aus einem eingeschränkt
umformbaren Werkstoff, gestanzt. Ein hierbei entstehender Stanzbutzen
des zweiten Fügeteils
wird mit einem Gegendruck beaufschlagt, wodurch das erste Fügeteil in dem
Verbindungsbereich derart umgeformt wird, dass sich ein Hinterschnitt
in einem ausgestanzten Bereich des zweiten Fügeteils ausbildet. Hierdurch wird
eine Möglichkeit geschaffen,
Verbindungen von Fügeteilen
aus einem duktilen und einem eingeschränkt umformbaren Werkstoff,
beispielsweise einem spröden
Werkstoff, zu realisieren. Zur Durchführung des Fügeverfahrens enthält die Fügevorrichtung eine
als Schneid- oder
Stanzbuchse ausgebildete Matrize.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine alternative Fügevorrichtung der eingangs
genannten Art bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Fügevorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung
zeichnet sich dadurch aus, dass die Stempeleinheit zwei bewegbare, zueinander
konzentrisch angeordnete Stempel aufweist, wobei der erste, äußere Stempel
mit einem ersten Kraftübertragungssystem
zur Übertragung
einer ersten Umformkraft bis zu einer ersten Maximalkraft im Bereich
der Schneidmatrize und der zweite, innere Stempel mit einem zweiten
Kraftübertragungssystem
zur Übertragung
einer zweiten Umformkraft bis zu einer zweiten Maximalkraft im Bereich
des Ambosses in Verbindung steht. Hierbei wirkt die jeweilige Umformkraft
auf die zugehörigen Bereiche
der überlappt
angeordneten Fügeteile
zur Herstellung einer Fügeverbindung
zwischen selbigen. Die Unterteilung der Stempeleinheit in einen
inneren Stempel und äußeren Stempel
mit jeweiliger maximaler Umformkraft begünstigt eine in unterschiedlichen
Umformungsbereichen differenzierte und korrekte Materialumformung
der Fügeteile
und somit die Herstellung einer fehlerfreien Fügeverbindung zwischen selbigen.
Dabei kann mittels der zugehörigen
Kraftübertragungssysteme
eine geeignete Umformkraft in den entsprechenden Bereich der Fügeteile
zu einem erwünschten
Zeitpunkt und für
eine bevorzugte Zeitdauer eingeleitet werden. Mittels der Fügevorrichtung
kann somit flexibel an die jeweilige Fügeaufgabe angepasst eine Fügeverbindung zwischen
zwei überlappt
angeordneten Fügeteilen
hergestellt werden. Die jeweilige Umformkraft kann hinsichtlich
ihrer Größe während des
Umformprozesses in Abhängigkeit
des Umformverhaltens der Fügeteile stetig
steigen oder ggf. auch zeitweise fallen. Die zugehörige Maximalkraft
wird während
des Umformprozesses und insbesondere in dessen Endphase erzeugt.
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Mit
Vorteil ist das erste Kraftübertragungssystem
ein Federsystem, das mit einer Antriebseinheit verbunden ist. Dabei
kann das erste Kraftübertragungssystem
insbesondere ein Gummifedersystem oder ein anderes geeignetes Federsystem
sein. Alternativ hierzu kann das erste Kraftübertragungssystem auch als
ein in Bezug auf den Hydraulikdruck steuerbares Hydrauliksystem
ausgebildet sein. Das zweite Kraftübertragungssystem ist vorzugsweise
als starres System ausgebildet, das mit einer geeigneten Antriebseinheit
verbunden ist. Somit wird die erste Umformkraft und damit auch die
erste Maximalkraft des ersten Kraftübertragungssystems durch eine
Federkraft eines geeigneten Federsystems bestimmt, welche reproduzierbar
genau durch eine Bewegung des ersten, äußeren Stempels relativ zum
Federsystem während
des Umformprozesses erzeugt werden kann. Beim zweiten Kraftübertragungssystem
wird die zweite Umformkraft und damit auch die zweite Maximalkraft
direkt mittels der Antriebseinheit auf das starre Kraftübertragungssystem übertragen.
Das Federsystem des ersten Kraftübertragungssystems dient
insbesondere zur Begrenzung der ersten Maximalkraft während des
Umformprozesses auf ein niedrigeres Niveau als dasjenige der zweiten
Maximalkraft des zweiten Kraftübertragungssystems.
Ferner eignet sich ein Federsystem besonders zur verhältnismäßig kompakten
Ausgestaltung der Fügevorrichtung
mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten Stempeln.
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Der
erste, äußere Stempel
kann stirnseitig eine ringförmige,
zu den Fügeteilen
hin sich von außen
nach innen verjüngende
Umformfläche
aufweisen. Dabei kann die ringförmige
Umformfläche
kreisringförmig
ausgebildet sein. Ferner kann die Umformfläche als Kugelteilfläche ausgebildet
sein. Die Kugelteilfläche
ist vorzugsweise nach außen
gewölbt,
dass heißt
konvex ausgebildet. Eine derartig ausgebildete Umformfläche begünstigt eine
korrekte Verformung der Fügeteile
im entsprechenden Umformbereich, das heißt im Bereich des ersten, äußeren Stempels,
zur Gewährleistung
eines korrekten Stanzprozesses und anschließenden Durchsetzfügeprozesses.
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Der
Wirkungsbereich des ersten, äußeren Stempels
deckt vorzugsweise jeweils einen Randbereich der Schneidmatrize
und des Ambosses ab. In diesem Wirkungsbereich ist die Übertragung
einer hinreichend großen
Stanzkraft und einer anschließend
begrenzten Durchsetzfügekraft
von großer
Bedeutung zur Herstellung einer korrekten Fügeverbindung der zwei überlappt
angeordneten Fügeteile
mittels der Fügevorrichtung.
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Der
zweite, innere Stempel kann eine stirnseitig kreisförmige, plane
oder eine konvexe oder ein kegelförmige Umformfläche aufweisen.
Der erste, äußere Stempel
und der zweite, innere Stempel können
zusammen in ausgerichteter Betriebsstellung eine konvexe Umformkontur
ausbilden, wobei der zweite, innere Stempel relativ zum ersten, äußeren Stempel
während
des Umformprozesses mittels des zweiten Kraftübertragungssystems bei größerer zweiter
Maximalkraft relativ zum ersten, äußeren Stempel weiter in Richtung
Fügeteile
bewegt werden kann, so dass eine in Bezug auf die Umformfläche der
Fügeteile
in Bezug auf den Umformbereich und auf die Größe der Umformkraft differenzierte
Umformung mittels der zwei konzentrisch zueinander angeordneten
Stempel möglich
ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsvariante
ist der Amboss gegen einen Anschlag federgelagert. Hierdurch ist
es möglich,
die maximale Durchsetzfügetiefe
durch eine Wegbegrenzung (Anschlag) des Ambosses auf einen zulässigen maximalen
Wert einzuschränken.
Der Anschlag kann ggf. zur Einstellung der maximal zulässigen Durchsetzfügetiefe
entsprechend angepasst werden.
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Bei
Einsatz der Fügevorrichtung
kann das zweite Fügeteil
aus einem duktileren Werkstoff hergestellt sein als das erste Fügeteil.
Aufgrund insbesondere der flexiblen Kraftübertragung kann das zweite
Fügeteil
ggf. auch aus einem spröderen
Werkstoff hergestellt sein als das erste Fügeteil. Ferner kann das Dickenverhältnis zwischen
dem zweiten und dem ersten Fügeteil
bis maximal 8 zu 1 und insbesondere bis maximal 4 zu 1 betragen.
Ferner ist ein entsprechendes Dickenverhältnis von 1 zu 2 möglich. Die
Fügevorrichtung
eignet sich zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen derartig
unterschiedlichen Fügeteilen,
welche mit traditionellen Fügevorrichtungen
nicht reproduzierbar genau und korrekt erzielbar wären.
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Die
Schneidmatrize ist insbesondere mittels wirkender Umformkräfte elastisch
nach außen
aufweitbar.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 Eine
schematische Längsschnittdarstellung
einer Stempeleinheit einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung;
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1 bis 4 jeweils
eine schematisch Längsschnittdarstellung
einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung
in unterschiedlichen Fügeprozessmomenten;
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5 eine
schematische Längsschnittdarstellung
der Fügevorrichtung
der 4 in vergrößertem Maßstab.
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Die 1 bis 5 zeigen
in schematischer Schnittdarstellung eine Fügevorrichtung 10,
wobei in 1 lediglich ihre Stempeleinrichtung 60 dargestellt ist.
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Die 1 bis 5 zeigen
in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Stempeleinrichtung 60 (siehe 1)
beziehungsweise einer Fügevorrichtung 10 (siehe 2 bis 4)
entsprechend einer möglichen
Ausführungsvariante
der vorliegenden Erfindung. Die Fügevorrichtung 10 dient zum
Verbinden von zumindest zwei überlappend
angeordneten Fügeteilen 12, 14.
Hierzu enthält
die Fügevorrichtung 10 gemäß den 2 bis 4 unterhalb
der Fügeteile 12, 14 einen
beweglichen Amboss 16, welcher konzentrisch innerhalb einer
mit einer geeignet scharfen Schneidkante versehenen Schneidmatrize 18 zum
Stanzen eines ersten Fügeteils 12 aufgenommen
ist. Die Bewegung des Ambosses 16 relativ zur ortsfesten
Schneidmatrize 18 erfolgt gegen eine federelastische Rückstellkraft
eines Federelements 58 aus einer durch einen Anschlag 37 definierten
Ausgangsstellung (siehe 2) in eine durch einen Anschlag 36 definierte
Fügestellung
(siehe 4, 5). Die Bewegung des Ambosses 16 erfolgt
längs einer
Symmetrieachse 56 der Fügevorrichtung 10.
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Die
Stempeleinrichtung 60 oberhalb der Fügeteile 12, 14 enthält einen
Niederhalter 20 und eine konzentrisch zu selbigem angeordnete
Stempeleinheit 22. Die Stempeleinheit 22 enthält einen
ersten, äußeren Stempel 24 mit
einem ersten Kraftübertragungssystem 28 und
einen zweiten, inneren Stempel 26 mit einem zweiten Kraftübertragungssystem 30. Das
erste Kraftübertragungssystem 28 ist
als Federsystem ausgebildet, welches eine Gummifeder 44, ein
Gummifederauflageelement 46 und Platten 48 zum
Distanzausgleich enthält.
Das erste Kraftübertragungssystem 28 ist
zwischen zwei Abstützplatten 50 angeordnet,
welche mittels einer Mehrzahl an Distanzelementen 52 miteinander
starr verbunden sind. Die in 1 dargestellte
obere Abstützplatte 50 ist mit
einem Verbindungselement 54 verbunden, welches mit einer
nicht dargestellten und an sich bekannten Antriebseinheit verbindbar
ist. Der Niederhalter 20 ist längs der Symmetrieachse 56 gegen eine
federelastische Rückstellkraft
einer Niederhalterfeder 40, welche sich gegen die untere
Abstützplatte 50 (siehe 1)
abstützt,
relativ zur Stempeleinheit 22 bewegbar. Die Niederhalterfeder 40 ist
innerhalb eines Federgehäuses 42 aufgenommen. Zwischen
dem Niederhalter 20 und dem ersten, äußeren Stempel 24 ist
ein Distanzring 38 vorgesehen, welcher bei einer Bewegung
des Niederhalters 20 gegen die federelastische Rückstellkraft
der Niederhalterfeder 40 in Anlagekontakt mit dem ersten, äußeren Stempel 24 kommen
kann, so dass dann der erste, äußere Stempel 24 entsprechend
in der Zeichnungsebene mit dem Niederhalter 20 nach oben
bewegt werden kann. Diese, durch den Niederhalter 20 erzwungene
Bewegung des ersten, äußeren Stempels 24 bei
sich in Richtung Fügeteile 12, 14 bewegender
Stempeleinrichtung 60 ist in den 3, 4 dargestellt.
Der erste, äußere Stempel 24 steht
ferner mit dem Gummifederauflageelement 46 in Verbindung,
so dass der erste, äußere Stempel 24 gegen die
federelastische Rückstellkraft der
Gummifeder 44 entlang der Symmetrieachse 56 in
der Zeichnungsebene nach oben bewegt werden kann. Dagegen ist der
zweite, innere Stempel 26 starr mit der nicht in den Figuren
dargestellten Antriebseinheit unter Zwischenschaltung des Verbindungselements 54 verbunden.
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Der
erste, äußere Stempel 24 weist
stirnseitig eine ringförmige,
zu den Fügeteilen 12, 14 hin
sich von außen
nach innen verjüngende
Umformfläche auf.
Dabei ist die ringförmige
Umformfläche 32 kreisringförmig ausgebildet.
Der zweite, innere Stempel 26 enthält eine stirnseitig kreisförmige, plane
Umformfläche 34.
Während
der Wirkungsbereich des ersten, äußeren Stempels 24 jeweils
einen Randbereich der Schneidmatrize 18 und des Ambosses 16 abdeckt,
erstreckt sich der Wirkungsbereich des zweiten, inneren Stempels 26 ausschließlich auf
die Anlagefläche
des Ambosses 16 relativ zu den Fügeteilen 12, 14.
Die Fügevorrichtung 10 ist
insgesamt im Wesentlichen symmetrisch zur Symmetrieachse 56 ausgebildet.
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In
der Ausgangsposition des Fügeprozesses gemäß der 2 sind
die überlappt
angeordneten und zu fügenden
Fügeteile 12, 14 derart
positioniert, dass das untere Fügeteil 12 in
Anlagekontakt zur Schneidmatrize 18 angeordnet ist. Der
Amboss 16 ist in dieser Ausgangsposition durch das Federelement 58 gegen
den Anschlag 37 der Schneidmatrize 18 gedrückt und
befindet sich somit ebenfalls in Anlagekontakt mit dem unteren Fügeteil 12.
Die Stempeleinrichtung 60 ist dagegen derart positioniert,
dass der Niederhalter 20 in Anlagekontakt mit dem oberen
Fügeteil 14 steht,
während
die Stempeleinheit 22 vom Fügeteil 14 beabstandet
ist. Beim anschließenden Fügeschritt
wird der zweite, innere Stempel 26 mittels der nicht in
den Figuren dargestellten und starr mit dem zweiten, inneren Stempel 26 verbundenen
Antriebseinheit in Richtung Fügeteile 12, 14 entlang
der Symmetrieachse 56 bewegt, so dass der Niederhalter 20 entsprechend
gegen die federelastische Rückstellkraft
der Niederhalterfeder 40 bis zur Herstellung eines Anlagekontakts
zwischen dem Distanzring 28 und dem ersten, äußeren Stempel 24 in
der Zeichnungsebene nach oben bewegt wird. Bei dieser Fügeposition
gemäß 3 drücken somit
der zweite, innere Stempel 26 und der erste, äußere Stempel 24 auf
das obere Fügeteil 14 und
formen demgemäß beide
Fügeteile 12, 14 derart
um, dass der Amboss 16 gegen die federelastische Rückstellkraft
des Federelements 58 entlang der Symmetrieachse 56 bewegt
wird, bis zur Herstellung eines Anlagekontakts mit dem Anschlag 36 der
Fügevorrichtung 10.
Die Umformkraft des zweiten, inneren Stempels 26 wird dabei
durch die nicht in der Figur dargestellten Antriebseinheit generiert,
während
die Umformkraft des ersten, äußeren Stempels 24 durch
die Federkraft der Gummifeder 44 erzeugt wird. Bei einer
weiteren Verschiebung des zweiten, inneren Stempels 26 in Richtung
Fügeteile 12, 14 erfolgt
eine Relativbewegung des zweiten, inneren Stempels 26 gegenüber dem
ersten, äußeren Stempel 24,
da die Gummifeder 44 eine entsprechende Zunahme der Umformkraft durch
elastische Verformung verhindert (Erreichen der ersten Maximalkraft)
und somit eine im Vergleich zum zweiten, inneren Stempel 26 kleinere
Längsbewegung
des ersten, äußeren Stempels 24 entlang der
Symmetrieachse 56 in Richtung Fügeteile 12, 14 zulässt. Eine
derartige Fügeanordnung
der Stempeleinheit 22 ist in den 4, 5 dargestellt.
Anschließend
kann die Stempeleinheit 22 vom Fügeteil 14 wegbewegt
und die miteinander verbundenen Fügeteile 12, 14 von
der Fügevorrichtung 10 entfernt werden.
Wenn der Amboss 16 seine Ausgangsposition gemäß 2 einnimmt,
wird automatisch auch der Stanzbutzen 62 (siehe auch 5)
mittels des Ambosses 16 aus der Schneidmatrize 18 gedrückt. Wie
ferner in 5 zu erkennen ist, wird die
Schneidmatrize 18 bei Herstellung einer Verklammerung zwischen
den Fügeteilen 12, 14 aufgrund
des Materialflusses des zweiten Fügeteils 14 gemäß den Pfeilen 64 nach
außen elastisch
auf geweitet. Die Schneidmatrize 18 ist hierzu geeignet
ausgebildet.
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Die
Vorrichtung 10 erlaubt die Durchführung eines kombinierten Stanzprozesses
und Durchsetzfügeprozesses
(Clinchprozesses) mittels eines einzigen Antriebs, wobei hierzu
drei Umformprozesselemente (zwei Stempel 24, 26 und
ein Niederhalter 20) definiert bewegt werden. Da kein mehrfacher
Antrieb erwünscht
ist, sind in der Vorrichtung 10 Einstellmöglichkeiten
vorgesehen, die ein Variieren der Stanzkraft und der Durchsetzfügetiefe
erlauben. Zum Stanzen des matrizenseitigen Werkstoffs aus dem Fügeteil 12 werden
vom ersten, äußeren Stempel 24 bis zum
Abtrennen des Stanzbutzens 62 verhältnismäßig hohe Umformkräfte, beispielsweise
bis ca. 50KN–90KN,
auf die Fügeteile 14, 12 übertragen. Nach
Abschluss des Stanzprozesses sollte der erste, äußere Stempel 24 möglichst
keine zu große
Kraft auf die Fügeteile 14, 12 übertragen,
da das obere Fügeteil 14 (weicherer
Werkstoff) ansonsten geschwächt
bzw. beschädigt
werden könnte.
Dies gewährleistet
die Gummifeder 44 mit flacher Federkennlinie. Die Gummifeder 44 kann
durch geeignete Unterlagenelemente vorgespannt werden, so dass zum
richtigen Zeitpunkt und für
eine erwünschte
Dauer die erforderliche Stanzkraft mittels des ersten, äußeren Stempels 24 auf
die Fügeteile 14, 12 übertragen
werden kann. Nach Abschluss des Stanzprozesses wird die Gummifeder 44 bei
weiterer Bewegung der Stempeleinrichtung 60 in Richtung
Fügeteile 14, 12 zusammengedrückt. Durch
die flache Kennlinie der Gummifeder 44 vergrößert sich
die nun wirkende Umformkraft des ersten, äußeren Stempels 24 nur unwesentlich.
Die über
die Fügeteile 12, 14 auf
den ersten, äußeren Stempel 24 wirkende
Kraft wirkt gleichzeitig auch auf den Niederhalter 20,
der mittels des Distanzrings 38 mit dem ersten, äußeren Stempel 24 in
Anlagekontakt steht. Für
den Niederhalter 20 können
ggf. je nach Bedarf Federn 40 mit unterschiedlichen Federkonstanten
vorgesehen werden.