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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Clinchen von Bauteilen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 8 und 10.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren zum Clinchen von insbesondere Blechen bekannt. Anstelle der Bezeichnung ‚Clinchen‘ wird auch der Ausdruck „Durchsetzfügen“ benutzt.
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Bei einer Vielzahl von Ausführungsformen ist eine Matrize mit einer Kavität vorgesehen, die mit einer Stempelvorrichtung zusammenwirkt, durch welche beispielsweise Material von zwei zu verbindenden Blechteilen an der Clinchstelle in die Kavität verdrängt wird.
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Vielfach gibt es an einer zu bearbeitenden Baueinheit die Anforderung, dass die Clinchstelle einen möglichst kleinen Bereich einnimmt. Diese Forderung muss allerdings hinsichtlich der durch die Clinchverbindung aufnehmbaren Kräfte und Momente in Einklang gebracht werden.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Clinchverbindung mit kleinem Flächenbedarf und vergleichsweise hoher Belastungsfähigkeit in einfacher Weise zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 8 und 10 gelöst.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung geht zunächst von einer Vorrichtung zum Clinchen von Bauteilen mit einer Matrizeneinheit und einer Stempelvorrichtung aus. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, dass die Matrizeneinheit mehrere sich überschneidende Kavitäten umfasst, und dass jeder Kavität ein Stempelelement zugeordnet ist. Vorzugsweise sind in der Matrizeneinheit zwei Kavitäten vorgesehen, die mit jeweils einem Stempelelement zusammenwirken. Durch diese Vorgehensweise kann eine Clinchstruktur bereitgestellt werden, die aufgrund ihrer Abweichung von einer runden, insbesondere kreisrunden Form, insbesondere im Hinblick auf eine Verdrehung der Clinchverbindung eine hohe Widerstandsfähigkeit besitzt. Darüber hinaus kann beispielsweise durch zwei überschneidende kreisförmige Clinchbereiche eine Struktur erzeugt werden, die im Vergleich zu einem „Balken-Schneidpunkt“ eine höhere statische und dynamische Festigkeit zeigt.
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Bei einer solchen Ausführungsform kann eine Matrizeneinheit mit festen Matrizenwänden an den Kavitäten, aber auch eine Matrizeneinheit mit beweglichen Kavitätanteilen zum Einsatz kommen. Gegebenenfalls ist auch eine Mischform denkbar.
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Grundsätzlich kann aber auch eine Matrizeneinheit in Form einer Festmatrize mit mehreren nebeneinanderliegenden Kavitäten vorgesehen werden, wobei jede Kavität mit einem Stempelelement zusammenwirkt. Die Vorteile der Erfindung können auch damit erzielt werden, dass sich die Kavitäten in einer Festmatrize nicht überschneiden, sondern nebeneinander, insbesondere im dichten Abstand nebeneinander ausgebildet sind. Beispielsweise liegt der Abstand in einem Bereich von 10 - 20 % einer durchschnittlichen Kavitätserstreckung. Jedoch sollte wiederum jeder Kavität ein Stempelelement zugeordnet sein, so dass z.B. zwei dicht nebeneinanderliegende Clinchstellen bzw. Clinchpunkte erzeugt werden können, die wiederum z.B. im Vergleich zu einem einzigen Balkenpunkt eine verbesserte statische und dynamische Festigkeit aufweisen.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Kavitäten im Bezug auf die Stempelelemente derart ausgebildet, dass bei vorgegebener Materialdicke und Materialart von Bauteilen, die durch Clinchen miteinander verbunden werden sollen, kein oder im Wesentlichen kein Schneidanteil bei der Verbindung auftritt. Bei runden, insbesondere kreisrunden Kavitäten kann dies durch eine einfache Abstimmung im Hinblick auf einen zylindrischen Stempel realisiert werden. Durch Vermeiden eines Schneidanteiles bei der Clinchverbindung lässt sich eine vergleichsweise hohe statische und dynamische Festigkeit erzielen.
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Im Weiteren ist es bevorzugt, wenn die Kavitäten einen Einsatz aufweisen. Der Einsatz kann aus einem besonders widerstandsfähigen Material bestehen, um so insgesamt die Standzeit einer Matrize zu verbessern. Bei sich überschneidenden Kavitäten kann auch ein gemeinsamer Einsatz für die Kavitäten vorgesehen sein. Der Einsatz kann nur den Boden einer Kavität und/oder Wandungsabschnitte definieren.
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Grundsätzlich können sich die Kavitäten in Draufsicht betrachtet in stärkerem oder geringerem Aufmaß überschneiden. Im Extremfall berühren sich beispielsweise zwei kreisrunde Kavitäten gerade, so dass in einem vergleichsweise kurzen Berührungsstück zwischen den Kavitäten nach wie vor keine Wandung verbleibt.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass bei sich überschneidenden Kavitäten im Überschneidungsbereich die Wandung zu einem Kavitätsboden nicht vollkommen fehlt, sondern über eine Teilhöhe ausgehend von Kavitätsboden ausgebildet ist.
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Bei mehr als zwei Kavitäten können Überschneidungsbereiche unterschiedlich ausgeformt sein. Beispielsweise weist eine Überschneidungsstelle keinen Wandabschnitt bis zum Kavitätsboden auf, wogegen z.B. eine weitere Überschneidungsstelle einen Teilwandungsabschnitt besitzt.
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Bei einer Vorrichtung zum Clinchen von Bauteilen mit einer Matrizeneinheit und einer Stempelvorrichtung liegt ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung darin, dass die Matrizeneinheit eine in Draufsicht längliche Kavität umfasst, bei welcher mindestens eine Wandungsschmalseite beweglich ist. Durch diese Maßnahme lässt sich ebenfalls eine Clinchstelle erzielen, die gegenüber Verdrehbewegungen in der Ebene der zu verbindenden Bauteile vergleichsweise widerstandsfähig ist. Vorzugsweise sind beide Schmalseitenwandungen beweglich. Durch die Bewegbarkeit werden Übergänge an der Clinchverbindung weicher, so dass weniger „Sollbruchstellen“ vorgegeben werden. Damit entsteht eine Struktur, die im Vergleich zu einem „Balken-Schneidpunkt“ verbesserte Festigkeitseigenschaften zeigt. Beispielsweise beträgt das Verhältnis von Langseite zur Schmalseite mindestens 4:3, vorzugsweise 4:2.
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Die Festigkeitseigenschaften der Clinchverbindung lassen sich weiter optimieren, wenn die Kavität und die Stempelvorrichtung derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei vorgegebener Materialdicke und Materialart von Bauteilen, die durch Clinchen miteinander verbunden werden sollen, im Wesentlichen kein Schneidanteil bei der Verbindung auftritt.
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Allen vorgeschlagenen Matrizenausführungen ist es gemeinsam, sowohl geometrischen Begrenzungen zum Beispiel kleine Flanschbreiten an Bauteilen bzw. Zugänglichkeitsprobleme im Bereich der zu erstellenden Clinchstruktur Rechnung zu tragen als auch eine hohe Belastbarkeit insbesondere eine Verdrehsicherung der Clinchverbindung zu gewährleisten.
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Dies wird durch die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum Clinchen von Bauteilen dadurch erreicht, dass sämtliche Ausführungsformen deutlich weniger Symmetrie in der Form bzw. in Belastungsrichtung aufweisen als andere bekannte Anordnungen zum Clinchen. Außerdem bleiben bei den vorgeschlagenen Vorrichtungen zum Clinchen die Vorteile der bekannten Clinch-Anordnungen, beispielsweise mit einer Festmatrize bzw. einer beweglichen Matrize oder auch mit einer Matrize mit einem Einsatz, voll erhalten.
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Bei einem Verfahren zum Clinchen von Blechteilen mit einer Matrizeneinheit und einer Stempelvorrichtung liegt der wesentliche Aspekt darin, dass mehrere Clinchpunkte derart nebeneinander platziert werden, dass sich die Clinchpunkte überschneiden.
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Zeichnungen
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 in einer perspektivischen Ansicht eine Matrizeneinheit mit dazu passender Stempelvorrichtung,
- 2 die Matrizeneinheit mit Stempelvorrichtung aus 1 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,
- 3 eine weitere Ausführungsform einer Clinchvorrichtung aus Matrizeneinheit und Stempelvorrichtung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,
- 4 eine Draufsicht auf eine Matrizeneinheit,
- 5 und 6 jeweils eine Draufsicht auf zwei weitere Ausführungsformen einer Matrizeneinheit und
- 7 eine Seitenansicht der Matrizeneinheiten nach den 5 und 6.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Clinchvorrichtung 1, die aus einer Matrizeneinheit 2 und einer Stempelvorrichtung 3 besteht.
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Die Matrizeneinheit 2 umfasst einen Matrizenkörper 4, in dessen obere Stirnfläche 4a zwei Kavitäten 5, 6 eingebracht sind.
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Die Kavitäten 5, 6 sind im Ausführungsbeispiel in Draufsicht betrachtet kreisförmig und weisen einen Überschneidungsbereich 7 auf.
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Im Überschneidungsbereich 7 stehen die Kavitäten 5, 6 in Verbindung, da ein Wandungsabschnitt nicht vorhanden ist. Die Kavitäten 5, 6 arbeiten bei einem Clinchvorgang mit zwei leicht konusförmigen, im Querschnitt kreisrunden Stempelelementen 8, 9 zusammen, die an einer gegenüberliegenden Stirnseite 10 eines Stempelkörpers 11 der Stempelvorrichtung 3 angeordnet sind.
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Für einen Clinchvorgang wird beispielsweise auf die Stirnseite 4a des Matrizenkörpers 4 ein zu verbindendes Blechpaar aufgelegt. Anschließend wird die Stempelvorrichtung 3 abgesenkt, wobei Blechanteile durch die Stempelelemente 8, 9 in die Kavitäten 5, 6 verdrängt werden und sich dabei verbinden.
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Einrichtungen zur Halterung der Matrizeneinheit 2 bzw. Bewegung der Stempelvorrichtung 3 sind nicht dargestellt. Aufgrund der sich überschneidenden im Ausführungsbeispiel beispielhaft in Draufsicht kreisrunden Kavitäten 5, 6, entsteht ein vergleichsweise kleiner „Clinchbereich“, der jedoch insbesondere eine hohe Verdrehsicherheit der Bleche in einer Ebene der Bleche bereitstellt. Die miteinander verbundenen „Clinchpunkte“ sind überdies auch gegenüber sonstigen statischen oder dynamischen Belastungen vergleichsweise stabil.
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Die Kavitäten 5, 6 sind im massiven Matrizenkörper 4 über eine Tiefe t ausgebildet (s. 2). Denkbar ist auch, dass die Kavitäten eine unterschiedliche Tiefe aufweisen. Die Stempelelemente 8, 9 sind im Vergleich hierzu deutlich länger. Die Abstimmung der Form der Kavitäten 5, 6 in Bezug zu den Stempelelementen 8, 9 ist von den zu bearbeitenden Blechelementen abhängig. Dabei kommt es entscheidend auf die Blechdicke und das Material der Bleche an.
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In 3 ist eine Clinchvorrichtung 12 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Clinchvorrichtung 1 dadurch, dass in den sich überschneidenden Kavitäten 13, 14 Einsätze 15, 16 angeordnet sind, die den Boden der Kavitäten 13, 14 definieren. Die Einsätze können aus vergleichsweise widerstandsfähigem Material bestehen, so dass mit den Einsätzen eine höhere Standzeit der Matrizeneinheit 17 der Clinchvorrichtung 12 erreicht werden kann. Die Stempelvorrichtung der Clinchvorrichtung 12 unterscheidet sich nicht von der des Ausführungsbeispiels gemäß 1 und 2.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine Matrizeneinheit 17 mit Kavitäten 13, 14, die Einsätze 15, 16 mit einem Ringkanal 18 aufweisen.
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In den 5 und 7 ist eine Matrizeneinheit 19 abgebildet, die in Draufsicht eine rechteckförmige Kavität 20 besitzt. Längliche Wandungsbereiche 21, 22 der Kavität 20 sind fest, wogegen Schmalseitenelemente 23, 24 beweglich sind. D.h. bei einem Clinchvorgang können die Schmalseitenelemente 23, 24 in eine Richtung entgegen der Kavität 20 nach außen eine Bewegung durchführen. Dabei werden Führungsanteile 25 der Schmalseiten in einer Ausnehmung 26 geführt. Außerdem liegen auf beiden Seiten hinausstehende Anteile der Schmalseitenelemente 23, 24 auf Absätzen 27, 28 auf. Die Führungsanteile 25 sind in einem Bereich 29 der Ausnehmung 26 federnd gelagert, so das die Schmalseitenelemente 23, 24 nach Entnahme eines Bauteils in eine Ausgangslage gemäß 5 zurückkehren.
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Dazu kann das jeweilige Schmalseitenelement 23, 24 z.B. bei einer Bewegung durch einen Materialverdrängungsprozess bei einem Clinchvorgang an den oberen Berandungsflächen 23a, 24a eine Art Schwenkbewegung um den Bereich 29 ausführen.
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Bei einem Clinchvorgang liegt ein unteres Bauteil auf Stirnseiten 23b, 24b des jeweiligen Schmalseitenelements 23, 24 sowie auf streifenförmigen Flächen 30, 31 eines Grundkörpers 32 der Matrizeneinheit 19, die durch jeweils eine Ausklinkung 33, 33a im Grundkörper 32 entstanden sind.
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Die Ausführungsform nach 6 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 5 lediglich dadurch, dass die Kavität 20 anstatt wie in 5 dargestellt exakt rechteckförmig ausgewölbte Wandungsbereiche durch in die streifenförmigen Flächenelemente 30, 31 hineinreichende Ausbuchtungen 34, 35 aufweist. Dadurch können Übergänge beim Clinchvorgang weicher ausgeführt werden, was einer Festigkeit der Verbindung zugute kommt. Eine Vielzahl weiterer länglicher Kavitätsformen sind möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Clinchvorrichtung
- 2
- Matrizeneinheit
- 3
- Stempelvorrichtung
- 4
- Matrizenkörper
- 4a
- Stirnseite
- 5
- Kavität
- 6
- Kavität
- 7
- Überschneidungsbereich
- 8
- Stempelelement
- 9
- Stempelelement
- 10
- Stirnseite
- 11
- Stempelkörper
- 12
- Clinchvorrichtung
- 13
- Kavität
- 14
- Kavität
- 15
- Einsatz
- 16
- Einsatz
- 17
- Matrizeneinheit
- 18
- Ringkanal
- 19
- Matrizeneinheit
- 20
- Kavität
- 21
- länglicher Wandungsbereich
- 22
- länglicher Wandungsbereich
- 23
- Schmalseitenelement
- 23a
- Berandungsfläche
- 23b
- Stirnseite
- 24
- Schmalseitenelement
- 24a
- Berandungsfläche
- 24b
- Stirnseite
- 25
- Führungsanteil
- 26
- Ausnehmung
- 27
- Absatz
- 28
- Absatz
- 29
- Bereich
- 30
- streifenförmige Fläche
- 31
- streifenförmige Fläche
- 32
- Grundkörper
- 33, 33a
- Ausklinkung
- 34
- Ausbuchtung
- 35
- Ausbuchtung
