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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, die durch eine Umfangsoberfläche eines Matrizenrades gebildet ist, wobei 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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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 20 gelöst.
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Eine Lösung der Aufgabe ist bei einer Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Matrizenrad in zwei Matrizenräder aufgeteilt ist, die spiegelsymmetrisch zu einer gedachten Ebene angeordnet sind, die in Transportrichtung der Blechlagen und senkrecht zu der ersten Rotationsachse liegt.
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Eine Lösung für ein erfindungsgemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Fügestempel um eine erste Rotationsachse dreht, und sich die Matrize, die auf einer Umfangsoberfläche eines in zueinander spiegelsymmetrisch in zwei Matrizenräder aufgeteilten Matrizenrades befindlich ist, 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 20 definiert, wird die Abnutzung des Fügestempels und der Matrize minimiert, sowie der Durchsatz sich überlappender Blechlagen, die im Durchsetzfügeverfahren verbunden werden, deutlich erhöht. Dabei lässt sich dieselbe Form für jedes Matrizenrad verwenden und/oder dieselben Bearbeitungsschritte für jedes Matrizenrad anwenden.
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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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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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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 last 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.
