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Die
Erfindung betrifft eine Durchsetzfügevorrichtung zum kraft- und/oder
formschlüssigen
Durchsetzfügen
von mindestens zwei Blechlagen, die sich zumindest teilweise überlappen,
mit einem Fügestempel
und einer zugehörigen
Matrize.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum kraft- und/oder formschlüssigen Durchsetzfügen, wobei
zwei Lagen sich teilweise überlappender
Bleche durch einen Bearbeitungsspalt in einem Wirkbereich einer
Durchsetzfügevorrichtung
zwischen einem Fügestempel
und einer dazugehörigen
Matrize mit einer Transportgeschwindigkeit in Transportrichtung
hindurchgeführt
werden, der Fügestempel
in die Matrize eindringt und die Blechlagen dabei verformt.
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Aus
dem Stand der Technik sind Durchsetzfügevorrichtungen bekannt. Diese
Durchsetzfügevorrichtungen
umfassen einen Fügestempel,
der in eine zugehörige
Matrize passt. Dabei ist immer sichergestellt, dass der Fügestempel
nicht auf die Oberfläche der
Matrize trifft. Der Fügestempel
führt eine
Hub- und Senkbewegung in den Durchsetzfügevorrichtungen aus dem Stand
der Technik aus. Diese Hub- und Senkbewegung erfolgt linear. Im
Stand der Technik wird entweder die Durchsetzfügevorrichtung entlang der zumindest
zwei Blechlagen bewegt, oder die zwei Blechlagen werden entlang
der Durchsetzfügevorrichtung
bewegt. Trotzdem ist bisher immer nur eine diskontinuierliche Bearbeitung
der zwei Blechlagen möglich.
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Durch
die diskontinuierliche Bewegung des Fügestempels und Eingreifens
des Fügestempels
in die Matrize, werden die zwei zueinander passenden Werkzeuge,
nämlich
Fügestempel
und Matrize, stark abgenutzt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, das einen höheren
Durchsatz an zu fügenden
Blechlagen ermöglicht,
und die Abnutzung der Durchsetzfügevorrichtung
minimiert. Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 21 gelöst.
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Eine
gattungsgemäße Lösung der
Aufgabe ist bei einer Vorrichtung gekennzeichnet durch eine Transporteinrichtung
zum Durchführen
der Blechlagen durch einen Wirkbereich der Durchsetzfügevorrichtung
zwischen Fügestempel
und Matrize und dadurch, dass der Fügestempel drehbar um eine erste Rotationsachse,
und die Matrize drehbar um zumindest eine zweite Rotationsachse
angeordnet ist, wobei die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse
im Wirkbereich voneinander und quer zur Transportrichtung angeordnet
sind.
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Eine
gattungsgemäße Lösung für ein erfindungsgemäßes Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Fügestempel um eine erste Rotationsachse
dreht, und sich die Matrize um zumindest eine zweite Rotationsachse
dreht, wobei die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse
im Wirkbereich voneinander beabstandet und quer zur Transportrichtung
angeordnet sind.
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Durch
die erfindungsgemäße Durchsetzfügevorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren zum
kraft- und/oder formschlüssigen
Durchsetzfügen,
wie in den Ansprüchen
1 und 21 definiert, wird die Abnutzung des Fügestempels und der Matrize
minimiert, sowie der Durchsatz sich überlappender Blechlagen, die
im Durchsetzfügeverfahren
verbunden werden, deutlich erhöht.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beansprucht.
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Um
herkömmliche
Bearbeitungsverfahren, zum Herstellen der erfindungsgemäßen Fügestempel
und Matrizen zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt,
wenn der Fügestempel
am Außenumfang
eines Fügerades,
und die Matrize durch zumindest eine Umfangsoberfläche zumindest
eines Matrizenrades gebildet ist.
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Wenn
zwei Matrizenräder
spiegelsymmetrisch zu einer gedachten Ebene angeordnet sind, die in
Transportrichtung der Blechlagen und senkrecht zu der ersten Rotationsachse
liegt, so lässt
sich dieselbe Form für
jedes Matrizenrad verwenden und/oder dieselben Bearbeitungsschritte
für jedes Matrizenrad
anwenden. Die Kosten bei der Herstellung der Matrize werden dadurch
minimiert. Es wird nur noch eine Urform für das Matrizenrad benötigt und/oder
eine Programmierung zum Bearbeiten der Matrize benötigt.
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Damit
die Umfangsoberflächen
der Matrizenräder
flächig
mit zumindest einer der Umfangsoberflächen der Matrizenräder benachbarten
Oberfläche einer
Lage der Bleche in Kontakt stehen kann, ist es von Vorteil, wenn
die Matrizenräder
konisch ausgebildet sind. Die Führung
der Bleche durch den Wirkbereich wird dabei auch verbessert.
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Wenn
jedes Matrizenrad eine eigene Rotationsachse aufweist, und die beiden
Rotationsachsen zueinander geneigt in derselben Ebene liegen, so lassen
sich Verklemmungen der Bleche zwischen dem Fügestempel und der Matrize,
insbesondere den beiden Matrizenhälften während der Bearbeitung wirkungsvoll
verhindern. Durch das dann besser resultierende Ausformen von Hinterschnitten,
werden auch festere Fügeverbindungen
erreicht.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die zweite und
dritte Rotationsachse einen Winkel von etwa 150° bis 170°, vorzugsweise 160° einschließen. Durch
diese winklige Anordnung zueinander ist ein besonders sanftes Eingreifen
des Fügestempels
in die Matrize gewährbar
und ein Verklemmen der Bleche zwischen Matrize und Fügestempel
verhinderbar.
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Besonders
einfach lässt
sich die Matrize formen, wenn auf der Umfangsoberfläche der
Matrizenräder
umlaufende Schultern umfasst sind, die Flanken der Matrize bilden.
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Um
einen ausgeprägten
Formschluss zwischen den zweilagigen Blechen realisieren zu können, hat
es sich in einem weiteren Ausführungsbeispiel
als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Flanken der Matrize einen
Hinterschnitt bilden. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel
stehen sich diese beiden seitlichen Flanken der Matrize auf jeweils
einem Matrizenrad befindlich gegenüber. Diese sind spiegelsymmetrisch
zu einer in Transportrichtung der Bleche stehenden orthogonal zur
ersten Rotationsachse ausgerichteten Ebene ausgeformt.
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Besonders
hohe Kräfte
lassen sich in die Blechlagen einbringen, wenn der Winkel der seitlichen
Flanken zur Ebene der durchgeführten
Blechlagen im Bereich von 75° bis
89°, vorzugsweise
bei 84° liegt.
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Ein
gutes Fließen
der metallischen Bleche, zum Erreichen eines Formschlusses zwischen
den Blechlagen, wird in einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel
erreicht, wenn die Matrize eine Hohlform ist, die auf der Fügestempel
abgewandten Seite im Bereich der seitlichen Flanken weiter von den
Oberflächen
des Matrizenrades entfernt ist, als in der Mitte der Hohlform der
Matrize.
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Wenn
die Matrizenräder
mittels jeweils eines Kettenrollenlagers auf einer gemeinsamen Welle
gelagert sind, so lassen sich handelsübliche Lagervorrichtungen verwenden,
um verschleißarmes
Lager der Matrizenräder
und Bewegen um die zweite und dritte Rotationsachse zu ermöglichen.
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Besonders
einfach lässt
sich die Welle anordnen, wenn die Welle parallel zur ersten Rotationsachse
ausgerichtet ist. Kosten bei der Konstruktion und im Zusammenbau
der Durchsetzfügevorrichtung lassen
sich dadurch noch weiter minimieren.
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Wenn
der Formstempel auf der Umfangsfläche einer Walze ausgeformt
ist, so lässt
sich der Formstempel besonders einfach rotierbar ausgestalten. Unter
Walze wird ein zylindrischer Körper
verstanden. Auch unter Rad wird ein zylindrischer Körper verstanden.
Bevorzugt ist die Walze mit einer größeren Breitenerstreckung versehen
als ein Rad. Sowohl Walze als auch Rad können angetrieben oder unangetrieben
ausgestaltet sein. Unter Walze und Rad werden auch nichtrotationssymmetrische
Gebilde umfasst.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Matrizenräder
nicht angetrieben und drücken
die Bleche an den Formstempel. Die Walze ist in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
angetrieben.
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Ein
weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl an Formstempeln auf
der Walze angeordnet sind. Dadurch bilden sich zueinander beabstandete Durchsetzfügeverbindungen
zwischen den zwei Blechlagen. Alternativ ist ein durchgängig auf
der Umfangsoberfläche
der Walze umlaufender Formstempel möglich, da dann eine durchgehende
Durchsetzfügeverbindung
zwischen den Blechlagen erreicht wird.
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Um
mit einer Matrize auszukommen, ist es von Vorteil, wenn die Formstempel
in einer Rotationsebene der Walze liegen.
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Wenn
die Formstempel in Umfangsrichtung zueinander denselben Abstand
aufweisen, können höhere Kräfte zwischen
den zwei Blechlagen wirken und deutlich besser von den Blechlagen übertragen werden,
ohne dass sich die Durchsetzfügeverbindung
löst.
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Wenn
der Formstempel an seinem freien Ende eine konvexe Oberseite aufweist,
so löst
sich in diesem Ausführungsbeispiel
der Formstempel besonders einfach aus den in die Matrize hineingedrückten Blechlagen.
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Ein
Beschädigen
der Blechlagen während der
Bearbeitung wird verhindert.
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Um
ein gleichmäßiges Umformen
der Blechlagen in einem weiteren Ausführungsbeispiel zu realisieren,
ist es von Vorteil, wenn der Formstempel Flanken aufweist, die auf
das freie Ende des Formstempels konvergieren.
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Besonders
gleichmäßige Druckverläufe während des
Durchsetzfügens
in den Blechen treten dann auf, wenn die seitlichen, parallel zur
Transportrichtung ausgerichteten Flanken einen Winkel von 92° bis 96°, vorzugsweise
94° zur
Oberfläche
der Walze einnehmen.
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Besonders
sanft dringen die Flanken des Formstempels in die Bleche umformend
ein, wenn die quer zur Transportrichtung angeordneten Flanken des
Formstempels einen Winkel von ca. 45° zur Oberfläche der Walze einschließen. Etwaige
Risse im Material werden dann verhindert.
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Wenn
die Walze seitliche Begrenzungsflansche zum seitlichen Führen der
Matrizenräder
aufweist, so ist in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel sichergestellt,
dass die Matrizenräder
ihre schräge
Stellung zueinander beibehalten. Es können dann größere Kräfte in die
Blechlagen eingebracht werden. Die Matrizenräder weichen dann nicht zur Seite
aus.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des
Durchsetzfügeverfahrens,
rotieren die Matrize und der Fügestempel
kontinuierlich.
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Wenn
die Blechlagen kontinuierlich durch die Matrize und den Fügestempel
hindurchgeführt
werden, so lassen sich Durchsetzfügeverbindungen in einem großen Bereich
realisieren. Ein hoher Durchsatz an Blechlagen, die dann miteinander
verbunden werden, ist dann möglich.
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Die
Erfindung wird zusammen mit den nachfolgenden Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Durchsetzfügevorrichtung,
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2 eine
perspektivische Detaildarstellung der Durchsetzfügevorrichtung aus 1 im
Bereich II,
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3 eine
Schnittdarstellung im Bereich II durch die Durchsetzfügevorrichtung
und die in den 1 und 2 durch
gestrichelte Linien angedeuteten zwei Blechlagen,
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4 eine
perspektivische Detailansicht des Wirkbereiches im Bearbeitungsspalt
der Durchsetzfügevorrichtung
aus den 1 bis 3,
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5 die
Durchsetzfügevorrichtung
aus den 1 bis 4 mit nur
einem montierten Matrizenrad und einem vormontierten Pendelrollenlager
auf einer Welle für
ein zweites Matrizenrad, und
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6 eine
weitere perspektivische Ansicht der Durchsetzfügevorrichtung aus 5 mit
noch nicht montiertem zweitem Matrizenrad.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Durchsetzfügevorrichtung 1 dargestellt.
Die Durchsetzfügevorrichtung 1 weist
eine Vielzahl von Fügestempeln 2 auf
einer Walze 3 auf. Die Fügestempel 2 sind mittig
auf der Walze äquidistant
beabstandet voneinander in Umfangsrichtung auf der Walze 3 angeordnet.
Die Fügestempel 2 sind
integral mit der Walze 3 gefertigt. Es ist auch möglich, dass
die Fügestempel 2 aus
einem separaten Bauteil bestehen und dann in die Walze 3 eingesetzt
und mit dieser verbunden werden. Oberhalb der Walze 3 ist
eine Matrize 4 in ein aus zwei Hälften bestehendes Matrizenrad 5 eingearbeitet.
Das Matrizenrad 5 ist in zwei Matrizenrädern 6 und 7 aufgeteilt.
Die Matrize 4 ist im Bereich der aufeinander zu gerichteten
Kanten 8 der Matrizenräder 6 und 7 ausgebildet.
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Das
Matrizenrad 5 weist eine Umfangsoberfläche 9 auf. Auch die
Walze 3 mit den Fügestempeln 2 weist
eine Umfangsoberfläche 10 auf.
Zwischen den Umfangsoberflächen 9 und 10 ist
ein Bearbeitungsspalt 11 befindlich. Selbst wenn der Fügestempel 2 in
die Matrize 4 eingreift, ist zwischen dem Fügestempel 2 und
der Matrize 4 noch ein Bearbeitungsspalt 11 befindlich.
Es ist dadurch sichergestellt, dass der Fügestempel 2 nie auf
die Matrize 4 trifft. Falls dies doch geschehen würde, so
würde die Durchsetzfügevorrichtung 1 zerstört.
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Der
Bereich des Bearbeitungsspaltes 11, in dem im Betrieb der
Durchsetzfügevorrichtung
ein Verformen von zumindest zwei Lagen 12 zumindest eines
Bleches 13 auftritt, wird als Wirkbereich 14 bezeichnet.
Im Bearbeitungszustand der Durchsetzfügevorrichtung werden die zwei
Lagen 12 des einen Bleches 13 oder vorzugsweise
zweier Bleche 13 umgeformt.
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Es
ist dabei möglich,
entweder die zwei Matrizenräder 6 und 7 anzutreiben,
und/oder die Walze 3 mit den Fügestempeln 2 anzutreiben,
und/oder die Bleche 13 anzutreiben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind die Matrizenräder 6 und 7 unangetrieben.
Die Walze 3 mit dem Fügestempel 2 rotiert angetrieben
um eine erste Rotationsachse 15. Diese erste Rotationsachse 15 steht
senkrecht auf der Transportrichtung T der Bleche 13.
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Das
eine Matrizenrad 6 rotiert um eine zweite Rotationsachse 16.
Diese zweite Rotationsachse ist im Wirkbereich 14 von der
ersten Rotationsachse 15 beabstandet und quer zur Transportrichtung
T angeordnet.
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Das
andere Matrizenrad 7 rotiert um eine dritte Rotationsachse 17,
die zur ersten Rotationsachse 15 im Wirkbereich 14 beabstandet
ist und quer zur Transportrichtung T angeordnet ist. Die zweite Rotationsachse 16 und
die dritte Rotationsachse 17 liegen in einer gemeinsamen
Ebene, die senkrecht auf der Transportrichtung T steht. In dieser
gemeinsamen Ebene liegt auch die erste Rotationsachse 15. Während die
Matrizenräder 6 und 7 auf
der der ersten Rotationsachse 15 zugewandten Seite und
zwar dort im Wirkbereich 14 voneinander minimal beabstandet
sind, also vorzugsweise sich gerade nicht berühren, sind sie auf der der
ersten Rotationsachse 15 abgewandten Seite der zweiten
und dritten Rotationsachsen 16 und 17 maximal
voneinander beabstandet. Die Rotationsachse 16 liegt quer
zur Rotationsachse 17. In der vorher definierten gemeinsamen Ebene
liegt ein Winkel von 160° zwischen
der zweiten und dritten Rotationsachse 16 und 17 an.
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Die
Matrizenräder 6 und 7 sind
konisch ausgeformt. Im Bereich des größeren Durchmessers der jeweiligen
Matrizenräder 6 oder 7 ist
eine Hälfte
der Matrize 4 angeordnet. Die Umfangsoberflächen 9 der Matrizenräder 6 und 7 sind
parallel zur Umfangsoberfläche 10 der
Fügestempelwalze 3 angeordnet.
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Die
Matrizenräder 6 und 7 werden
drehbar über
Pendelrollenlager 18 auf einer Welle 10 gelagert.
Das Pendelrollenlager 18 des in Transportrichtung T gesehen
rechten Matrizenrades 7 ist besonders gut in den 5 und 6 erkennbar.
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Das
Matrizenrad 6 dreht sich in Richtung des Pfeiles A. Das
Matrizenrad 7 dreht sich in Richtung des Pfeiles B.
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Die
Fügestempelwalze 3 dreht
sich in Richtung des Pfeiles C. Die Rotationsrichtung A und B ist entgegengesetzt
der Rotationsrichtung C. Die Matrizenräder 6 und 7 bewegen
sich mit derselben Geschwindigkeit. Die Durchmesser der Matrizenräder 6 und 7 sind
im engsten Bereich größer als
der Durchmesser der Fügestempelwalze 3 im
Wirkbereich 14.
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Eine
Führung
der Matrizenräder
wird durch seitliche Flansche 20 der Fügestempelwalze 3 realisiert.
Die Flansche 20 nehmen die Matrizenräder 6 und 7 zwischen
sich auf. Die Matrizenräder 6 und 7 können somit
nicht nach außen
wandern.
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In 2 ist
das Ineinandergreifen von Fügestempel 2 und
Matrize 4 mit dazwischen liegenden Blechlagen 12 dargestellt.
Die Bleche 13 sind strichliert, durchscheinend dargestellt.
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In 3 sind
die verformten Bleche 13 dargestellt. Zwei Lagen 12 werden
von zwei Blechen 13 geformt, die dabei übereinander angeordnet sind.
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Jedes
Matrizenrad 6 und 7 formt eine Hälfte der
Matrize 4 aus. Die Matrize 4 weist seitliche Flanken 21 auf.
Die seitlichen Flanken 21 bilden einen Hinterschnitt 22 in
den Matrizenrädern 6 und 7.
Die seitlichen Flanken 21, jeweils auf einem Matrizenrad 6 und 7 angeordnet,
stehen sich gegenüber.
Sie laufen vom Inneren der Matrizenräder zum Äußeren der Matrizenräder aufeinander
zu. Im Bereich der seitlichen Flanken 21 greift die Matrize 4 tiefer
in die Matrizenräder 6 und 7 ein,
als in der Mitte der Matrize 4, also in einem minimalen
Abstandsbereich der Matrizen 6 und 7. In diesem
minimalen Abstandsbereich berühren
sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
die Matrizenräder 6 und 7.
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In
die Matrize 4 greift der Fügestempel 2 ein. Im
Durchsetzfügevorgang
fließt
Material der dem Fügestempel 2 nächstgelegenen
Blechlage 12 relativ zu der anderen Lage weiter in die
U-förmig
ausgebildete Matrize 4, insbesondere in Richtung der Ecken hinein.
Dadurch bildet sich ein Hinterschnitt zwischen den zwei Lagen 12 der
Bleche 13. Auch bildet sich ein Formschluss zwischen den
zwei Blechlagen. Es ist auch möglich,
dass sich nur entweder ein Kraftschluss oder ein Formschluss einstellt.
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Im
Durchsetzfügevorgang
werden die Blechlagen so druckbeaufschlagt, dass die der Matrize nächstgelegene
Lage 12 der Bleche 13 immer in Kontakt, insbesondere
im Wirkbereich 14, mit den beiden Matrizenrädern 6 und 7 steht,
und die dem Fügestempel
nächstgelegene
Blechlage auf der Umfangsoberfläche 10 der
Fügestempelwalze 3 anliegt.
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Es
ist möglich,
dass sich in den Ecken zwischen den U-förmig umgeformten Blechlagen 12 Hohlräume einstellen.
Wenn Zinkbleche verwendet werden, so sind die Hohlräume zwischen
den benachbarten Zinkoberflächen
der zwei Lagen 12 der Bleche 13 befindlich. Die
minimale Materialdicke im mittleren Bereich der U-förmig umgeformten
Blechlagen, also während
des Durchsetzfügevorgangs
in der Mitte der Matrize 4, beträgt ca. 34 μm.
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4 zeigt
das Zusammenspiel des Fügestempels 2 auf
der Walze 3 mit dem linken Matrizenrad 6, das
die linke Hälfte
der Matrize 4 formt. Die zwei Blechlagen 12 sind
dabei wiederum strichliert gezeichnet.
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In
den 5 und 6 ist eine Durchsetzfügevorrichtung 1 mit
demontiertem rechtem Matrizenrad 7 dargestellt. Dabei ist
das Pendelrollenlager 18 gut erkennbar. In den 4 und 6 sind
die geneigten seitlichen Flanken 23 und 24 des
Fügestempels 2 gut
erkennbar. Dabei weisen die in Transportrichtung T angeordneten
seitlichen Flanken 23 eine größere Neigung auf als die seitlichen
Flanken 24, die parallel zur Transportrichtung ausgerichtet
sind. Die parallel zur Transportrichtung ausgerichteten Flanken 24 weisen
einen Winkel von 92° bis
96°, vorzugsweise
94° zur
Oberfläche
der Walze 3 auf. Die senkrecht zur Transportrichtung T
ausgerichteten seitlichen Flanken 23 des Fügestempels 2 schließen einen
Winkel von 45° ein.
Die Kanten des Fügestempels 2 sind
abgerundet ausgestaltet. Die Fläche
des Fügestempels 2,
die dem Matrizenrad 5 nächstgelegen
ist, wird als Oberfläche 25 bezeichnet.
Diese Oberfläche
ist konvex ausgestaltet, und bildet eine Oberfläche des freien Endes des Führungsstempels 2.
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In
den Figuren werden für
dieselben Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Im
Weiteren wird die Wirkungsweise der Vorrichtung und des Verfahrens
näher erläutert:
In
den Bearbeitungsspalt 11 der Durchsetzfügevorrichtung 1, also
zwischen dem Matrizenrad 5 und der Walze 3, werden
mehrere Lagen 12 an Blechen 13 übereinander
liegend, unbeabstandet voneinander hindurch befördert. Die beiden Matrizenräder 6 und 7 rotieren
dabei kontinuierlich entgegen der Rotationsrichtung der Walze 3.
Die Matrizenradhälften 6 und 7 sowie
die Walze 3 führen
zusammen mit den Lagen 12 der Bleche 13 eine kontinuierliche
Bewegung durch. Dabei greifen in regelmäßigen Zeitintervallen die Fügestempel 2 in
die Matrize 4 ein und verformen die Blechlagen 12.
Oberhalb der Streckgrenze der Bleche 13 werden die Bleche 13 dermaßen verformt, dass
das Material der Bleche 13 in den Bereich des Hinterschnitts 22 fließt. Dabei
bildet sich zwischen den zwei Lagen 12 der Bleche 13 ebenfalls
ein Hinterschnitt. Es ist auch möglich,
dass die Matrize 4 hinterschnittslos ausgeformt ist.
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Durch
die kontinuierliche Bewegung aller Elemente der Durchsetzfügevorrichtung
wird der Verschleiß von
Fügestempel 2 und
Matrize 4 verringert und der Durchsatz an Blechlagen 12 erhöht.