DE102009025525A1

DE102009025525A1 - Verfahren zum Ausbilden einer Einpressverbindung zwischen einem Fügeelement und einem Werkstück, Einpressverbindung sowie Fügeelement

Info

Publication number: DE102009025525A1
Application number: DE102009025525A
Authority: DE
Inventors: Juliane Niedermüller; Miriam Tofall; Peter Strempel
Original assignee: Richard Bergner Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Richard Bergner Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2010-04-29
Also published as: US20090313803A1

Abstract

Um eine zuverlässige, prozesssichere auspress- und verdrehsichere Einpressverbindung zwischen einem Fügeelement (2A, 2B) und einem Werkstück (10) auszubilden, ist vorgesehen, dass das Fügeelement (2A, 2B) mit einem Schaftbereich (8A) in ein Loch (12) des Werkstücks (10) eingepresst wird, wobei hierzu Schaftmaterial des Schaftbereichs (8A) in einen Aufnahmeraum (18) zwischen dem Schaftbereich (8A) und dem Lochrand (16) zur Ausbildung eines Reibschlusses eingepresst wird, ohne dass sich ein in Axialrichtung wirkender Formschluss ausbildet. Hierdurch ist eine auspresssichere Einpressverbindung ohne Verformen des Lochs (12) bei ebener Blech-Unterseite (14B) und ohne die Ausbildung eines Befestigungskragens ermöglicht. Die Einpressverbindung ist insbesondere bei einer Kombination eines niederfesten Fügeelements (2A, 2B) mit einem höherfesten Blech (10) geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer auspresssicheren Einpressverbindung zwischen einem Fügeelement und einem Werkstück, bei dem das Fügeelement, das einen Kopfbereich und einen sich daran in Axialrichtung anschließenden Schaftbereich aufweist, in ein vorgeformtes Loch des Werkstücks eingepresst wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einpressverbindung zwischen einem Fügeelement und einem Werkstück sowie ein Fügeelement, das zum Einpressen in ein vorgeformtes Loch eines Werkstücks mit einem derartigen Verfahren zur Ausbildung der Einpressverbindung ausgebildet ist.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Einpressverbindung sind aus der DE 10 2006 019 231 A1 zu entnehmen. Danach ist vorgesehen, dass das beispielsweise als Einpressmutter oder Einpressbolzen ausgebildete Fügeelement zunächst ohne Umformen in ein vorgeformtes Loch in einem Werkstück eingesetzt wird. zur Ausbildung einer Auspresssicherung in Axialrichtung wird mit Hilfe eines geeigneten Einpresswerkzeuges in einem Schaftbereich des Fügeelements Schaftmaterial teilweises abgeschert und gegen die Unterseite des Werkstücks verschoben, so dass das abgescherte Material zumindest teilweise in radialer Richtung übersteht und einen in axialer Richtung wirkenden Formschluss ausbildet.
Als Fügeelemente werden hier allgemein derartige Funktionselemente verstanden, die als Verbindungselemente zum Zusammenfügen zweier Werkstücke, insbesondere zweier Bleche, ausgebildet sind. Als Fügeelemente werden hierbei insbesondere so genannte Einpressbolzen und Einpressmuttern angesehen. Die Fügeelemente werden in das vorgelochte Werkstück eingepresst und anschließend können an dem Fügeelement weitere Befestigungselemente, wie Schrauben oder Muttern, zur Befestigung weiterer Werkstücke oder sonstiger Bauelemente befestigt werden.
Mit derartigen Einpress-Fügeelementen vorbereitete Bleche werden in vielen Bereichen eingesetzt, insbesondere auch im Kraftfahrzeugbereich, hauptsächlich im Karosseriebau.
Im Zuge von Material- und Gewichtseinsparungen werden insbesondere in diesem Bereich zunehmend hochfeste Bleche eingesetzt. Derartige hochfeste Bleche sind allerdings nur schwer umformbar, so dass ein prozesssicheres Umformen und Erzeugen einer qualitativ hochwertigen Fügeverbindung zwischen dem Fügeelement und dem hochfesten Werkstück nur bedingt möglich ist.
Zur Ausbildung einer axialen Sicherung ist daher üblicherweise vorgesehen, dass beim Einpressen des Fügeelements Material des Fügeelements umgeformt wird und beispielsweise einen umlaufenden Sicherungsbund zur Ausbildung eines axialen Formschlusses bildet. Die Ausgestaltung gemäß der DE 10 2006 019 231 A1 geht darüber hinaus von der speziellen Problemstellung der Verwendung von Edelstahl-Fügeelementen aus, die selbst wiederum nur schwer umformbar sind. Anstelle der Umformung des Schaftbereichs ist daher ein partielles Abscheren von Schaftmaterial vorgesehen, welches nur an diskreten Umfangsstellen gegen die Unterseite des Werkstücks geschabt wird, so dass sich einzelne Sicherungsnasen ausbilden.
Die zur Ausbildung des axialen Formschlusses entstehenden Sicherungsnasen bzw. Sicherungsbund sind jedoch oftmals für nachfolgende Bearbeitungsschritte, beispielsweise beim Anbringen weiterer Bauteile, unerwünscht. Es wird vielmehr eine möglichst plane und ebene Unterseite des Werkstücks auch im Bereich des Fügeelements und auch bei hochfesten Blechen angestrebt.
Neben der Auszugssicherheit ist in der Regel ergänzend eine verdrehsichere Anordnung der Fügeelemente im Werkstück erforderlich. Dies wird regelmäßig durch einen in Umfangsrichtung wirksamen Formschluss zwischen dem Fügeelement und einem Lochrand des Lochs des Werkstücks erzielt. Beispielsweise sind so genannte Rändelmuttern bekannt, die mit ihrer Rändelung in den Lochrand ein greifen. Bei der DE 10 2006 019 231 A1 wird eine Verdrehsicherung dadurch erzielt, dass die einzelnen Sicherungsnasen in die Werkstückunterseite eingeformt werden.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einpressverbindung prozesssicher mit der gewünschten Auspress- und vorzugsweise auch Verdrehsicherheit – auch bei der Verwendung von hochfesten Stählen zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Einpressverbindung gemäß Anspruch 11. Danach ist zum Ausbilden einer auspresssicheren Einpressverbindung vorgesehen, dass Schaftmaterial in einen Aufnahmeraum zwischen einem Lochrand des Lochs des Werkstücks und dem Schaftbereich des Fügeelements eingepresst wird, ohne dass ein in Axialrichtung wirkender, über eine Unterseite des Werkstücks überstehender Formschluss ausgebildet wird.
Die Geometrien des Schaftbereichs des Fügeelements und die des Lochs sind zunächst derart aufeinander abgestimmt, dass im unverpressten Ausgangszustand ein Zwischen- oder Freiraum in radialer Richtung gebildet ist. Die radiale Ausdehnung des Schaftbereichs ist daher deutlich kleiner als die des Lochs. Die Differenz der radialen Ausdehnung ist dabei um ein Vielfaches größer als ein herkömmliches „Einführ-Spiel”, welches zum leichten Einführen des Fügeelements bei herkömmlichen Fügeelement-Werkstück-Paarungen vorgesehen ist. Diese Anforderung, dass die radiale Ausdehnung des Fügeelements deutlich kleiner als die des Lochs ist, ist vorzugsweise über den gesamten Umfang erfüllt, zumindest jedoch in den Umfangsbereichen, in denen Schaftmaterial in den Aufnahmeraum eingepresst wird. Der Aufnahmeraum ist daher allgemein derart bemessen, dass das Schaftmaterial vollständig im Aufnahmeraum aufgenommen wird. Insbesondere ist das Volumen des Aufnahmeraums hierbei größer als das Volumen des eingepressten Schaftmaterials. Denn aufgrund des Einpressens von der Unterseite her ist üblicherweise – im Querschnitt gesehen – der Aufnahmeraum nur im unteren Axialbereich vollständig mit dem Schaftmaterial ausgefüllt, wohingegen im oberen Axialbereich zum Kopfbereich des Fügeelements hin, ein Freiraum verbleibt. Dies erlaubt ein prozesssicheres vollständiges Einpressen des Schaftmaterials in den Aufnahmeraum.
Von besonderer Bedeutung ist, dass das Schaftmaterial keinen in Axialrichtung wirkenden Formschluss mit dem Lochrand bildet, dass also das Schaftmaterial in radialer Richtung nicht über den Lochrand übersteht und keinen umlaufenden Sicherungsbund bildet, der über die Werkstückunterseite hervorsteht. Dadurch ist gewährleistet, dass im Bereich des eingepressten Materials die Unterseite eben ist. Das eingepresste Material schließt dabei vorzugsweise plan mit der Unterseite ab. Der Lochrand an der Unterseite bleibt dabei unverformt. Die Unterseite und die Oberseite des Werkstücks verlaufen im Bereich des Lochrands – wie im Ausgangszustand – üblicherweise parallel zueinander. Die Unterseite des Werkstücks weist zudem insbesondere keine Einformung oder Abstufung auf. Das Loch weist vielmehr über seine gesamte Länge eine zumindest im Wesentlichen zylindrische Innenwandung auf. Das Loch wird üblicherweise durch einen Stanzvorgang erzeugt, bei dem herstellungsbedingt eine leicht konisch verbreiternde Ausgestaltung des Loches zur Unterseite hin erfolgen kann. Die Innenwandung verläuft sowohl bei einer streng zylindrischen als auch bei einer leicht konischen Ausgestaltung zumindest geradlinig. Die Konizität entspricht in etwa dem sogenannten Schneidspalt, also der Differenz der Radien eines Schneidstempels und einer zugehörigen Matrize, mit denen das Loch eingestanzt wird. Der Schneidspalt liegt üblicherweise im Bereich von 8% bis 15% der Dicke des Werkstücks.
Die Auspresssicherheit in Axialrichtung wird vorzugsweises allein durch einen Reib-/Kraftschluss zwischen dem eingepressten Schaftmaterial und dem Lochrand sichergestellt. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei einer derartigen Einpressverbindung, bei dem ein Aufnahmeraum bereitgestellt wird, in den Schaftmaterial eingepresst wird, in überraschender Weise eine ausreichende Auspress- oder Auszugsfestigkeit auch ohne axial wirkenden Formschluss sichergestellt ist. Unter Formschluss wird hierbei insbesondere ein stufenartiger Überlapp in Axialrichtung verstanden. Dadurch ist auch bei hoch- und höchstfesten Stahlblechen eine Einpressverbindung ermöglicht, bei der auch im Bereich des Fügeelements an der Blech-Unterseite kein Schließwulst/Sicherungskragen oder dergleichen erforderlich ist, so dass insgesamt eine ebene, plane Blechunterseite vorliegt. Ein zu befestigendes weiteres Bauteil kann daher ohne weiteres plan auf die Unterseite des Blechs aufgelegt werden und anschließend mit Hilfe des Fügeelements, wie beispielsweise Einpressbolzen oder Einpressmutter, und mit einer entsprechenden Mutter bzw. Schraube befestigt werden.
Das Pressverfahren gestaltet sich dabei vergleichsweise einfach und ist vorzugsweise insgesamt lediglich zweistufig. In der ersten Stufe wird das Fügeelement mit seinem Schaftbereich in das Loch eingesetzt, bis der Kopfbereich gegen eine Oberseite des Werkstücks zum Anliegen kommt. In dieser ersten Stufe erfolgt vorzugsweise weder eine Ver- oder Umformung des Werkstücks noch des Fügeelements. Der gesamte Einpressvorgang wird mit Hilfe eines geeigneten Einpresswerkzeugs durchgeführt, welches den Kopf gegen die Oberseite des Werkstücks hält. In der zweiten Stufe wird schließlich mit Hilfe einer Matrize das Schaftmaterial von der Unterseite her in den Aufnahmeraum eingepresst. Vorzugsweise erfolgt dies durch einen Schabevorgang, bei dem also Schaftmaterial zumindest teilweise abgeschert und in Axialrichtung in den Aufnahmeraum hinein verschoben wird.
Gemäß einer zweckdienlichen Ausbildung ist neben der Auspresssicherung auch eine Verdrehsicherung in Umfangsrichtung allein durch den Reibschluss zwischen dem eingepressten Schaftmaterial und dem Lochrand gewährleistet. Es ist also auch in Umfangsrichtung kein Formschluss zwischen Schaftmaterial und Lochrand ausgebildet.
Soweit in diesem Zusammenhang von Verzicht auf einen Formschluss – sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung – gesprochen wird, so ist darunter ein bewusst eingestellter makroskopischer Formschluss zu verstehen, bei dem die Überdeckung zwischen den beiden den Formschluss bildenden Teilen typischerweise im Bereich von Bruchteilen eines Millimeters (einige zehntel-Millimeter) bis hin zu einigen Millimetern liegt.
Vorzugsweise wird nur an diskreten Umfangsstellen Schaftmaterial in den Aufnahmeraum eingepresst. Es sind also über den Umfang verteilt an einzelnen, vorzugsweise wenigen, beispielsweise an vier bis acht Stellen, Reibschluss-Stellen ausgebildet. Die Ausbildung von über den Umfang verteilt angeordneten diskreten Reibschluss-Stellen ist verfahrenstechnisch prozesssicher umzusetzen, da evtl. überschüssiges Schaftmaterial auch in Umfangsrichtung ausweichen kann. Zudem hat sich dies im Hinblick auf eine zuverlässige Verdrehsicherung als besonders effizient herausgestellt.
Insbesondere im Hinblick auf eine einfache prozesssichere Ausbildung der diskreten Reibschluss-Stellen weist der Schaftbereich vorzugsweise eine mehreckige Querschnittskontur auf und es wird das Schaftmaterial in den durch die mehreckige Außenkontur gebildeten Eckbereichen in den Aufnahmeraum eingepresst. Der Schaftbereich weist beispielsweise eine hexagonale Querschnittsgeometrie auf. Die Eckbereiche, also die in Axialrichtung verlaufenden Kanten der mehreckigen Struktur des Schaftbereichs, können in einfacher Weise durch eine kreisringförmige Matrize in den Aufnahmeraum eingepresst werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist allgemein vorgesehen, dass der Lochrand beim Einpressvorgang unverformt bleibt. Sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung bleibt daher die ursprüngliche Querschnittsgeometrie, insbesondere kreisrunde Geometrie, des Lochs erhalten. Allenfalls geringfügige Verformungen im mikroskaligen Bereich (bis maximal etwa 20 μm) können auftreten.
Der Schaftbereich wird zweckdienlicherweise über eine vorgegebene Scherlänge partiell abgeschert, wobei die Scherlänge bevorzugt etwa im Bereich des 0,25- bis 4-Fachen der Dicke des Blechs liegt. Die Scherlänge ist ein Parameter, über den das Volumen des abgescherten und eingepressten Materials bestimmt wird. Die Wahl der Scherlänge hängt dabei insbesondere auch von der Wahl der jeweiligen Dicke ab. Allgemein gilt, dass bei dünnen Blechen mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,5–1 mm die Scherlänge im oberen Bereich liegt und bei dicken Blechen mit einer Dicke im Bereich von beispielsweise 5–10 mm eher im unteren Bereich liegt.
Um eine ausreichende Auspress- sowie Verdrehsicherheit zu erzielen, liegt die radiale Ausdehnung des Schaftbereichs vorzugsweise etwa im Bereich zwischen dem 0,7- bis 0,9-Fachen der radialen Ausdehnung des Loches. Unter radialer Ausdehnung des Schaftbereichs wird hierbei der Abstand zweier gegenüberliegender Teilstücke des Schaftbereichs verstanden. Unter radialer Ausdehnung wird daher bei einer runden Geometrie der Durchmesser und bei einer mehreckigen Geometrie insbesondere die so genannte Schlüsselweite verstanden. Unter Schlüsselweite wird allgemein der Abstand zwischen zwei parallelen Flächen der Mehrkant-Geometrie verstanden und ist für Schraubenschlüssel ein genormtes Maß.
Ein weiterer Parameter, über den die Menge des eingepressten Materials bestimmt wird ist der Durchmesser der Matrize, die beim Einpressvorgang verwendet wird. Die einzelnen Parameter sind derart aufeinander abgestimmt, dass eine für eine Auspresssicherheit ausreichende Materialmenge in den Aufnahmeraum eingepresst wird und zugleich sichergestellt ist, dass das eingepresste Material mit der Blechunterseite zumindest plan abschließt und nicht in Axialrichtung übersteht. Das gesamte abgescherte Material ist vollständig in den Aufnahmeraum eingepresst.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Einbringen von Fügeelementen, die eine geringere Festigkeit als das Werkstück aufweisen. Insbesondere eignet sich das Verfahren für das Einbringen von Fügeelementen in hoch- und höchstfesten Blechen. Die Festigkeit (mittlere Zugfestigkeit R_m, bestimmt nach Zugversuch gemäß DIN EN 10002-1) derartiger hoch- und höchstfester Bleche liegt beispielsweise im Bereich von größer 1200 N/mm². Geeignete Fügeelemente hierfür weisen vorzugsweise eine Festigkeit im Bereich von 800 N/mm² bis 1200 N/mm² auf.
Ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass dieses Verfahren und die verwendeten Fügeelemente für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungsfällen und auch für eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialpaarungen im Hinblick auf die Festigkeitswerte einsetzbar ist. Die Fügeelemente lassen sich gleichermaßen auch in Werkstücke mit gleicher oder auch geringerer Festigkeit einsetzen. Dabei kann das gleiche Einpresswerkzeug herangezogen werden. Weist das Werkstück eine geringere Festigkeit als das Fügeelement auf, so kann dieses auch durch Verformung des Lochbereichs eingepresst werden. In diesem Fall würde dann der Schaftbereich eine größere radiale Ausdehnung aufweisen als das Loch. Auch kann bei geeigneten Festigkeits-Verhältnissen Material an der Unterseite des Lochrands verdrängt und Schaftmaterial eingepresst werden, so dass in diesem Fall ein axialer Formschluss ausgebildet wird.
Als besonders zweckdienlich hat sich die Verwendung einer mehreckigen Außenkontur des Schaftbereichs, beispielsweise eine hexagonale Außenkontur in Kombination mit einer kreisrunden Querschnittskontur des Lochs herausgestellt, wobei gleichzeitig die radiale Ausdehnung des Schaftbereichs im Bereich des 0,7- bis 0,9-Fachen und insbesondere im Bereich des 0,75 bis 0,85-Fachen des Durchmessers des Lochs liegt. Weiterhin wird das Schaftmaterial der Eckbereiche abgeschert und in den Aufnahmeraum an den durch die Eckbereiche definierten diskreten Umfangspositionen eingepresst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen, vereinfachten Darstellungen:
1A ein als Einpressbolzen ausgebildetes Fügeelement in einer Aufsicht von unten,
1B den Einpressbolzen gemäß 1A in Seitenansicht,
2A ein als Einpressmutter ausgebildetes Fügeelement in einer Aufsicht von unten,
2B die Einpressmutter gemäß 2A in einer Seitenansicht,
3A einen in einem Loch eines als Blech ausgebildeten Werkstücks in einer Seitenansicht lose einliegenden Einpressbolzen in einer teilweise geschnittenen Seitendarstellung,
3B eine Aufsicht auf das Blech mit dem Einpressbolzen von oben,
4A eine Einpressverbindung zusammen mit einer Einpressmatrize in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie IV-IV in 3B,
4B den in 4A mit einem Kreis gekennzeichneten Bereich in vergrößerter Darstellung,
5A eine Schnittansicht ähnlich wie 4A entlang der Schnittlinie V-V in 3B und
5B eine vergrößerte Detaildarstelllung des mit einem Kreis markierten Bereichs in 5A.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt.
Als Einpress- oder Fügeelemente sind in den 1, 2 ein Einpressbolzen 2A sowie eine Einpressmutter 2B jeweils in einer Seitendarstellung und einer Ansicht von unten dargestellt. Die Fügeelemente 2A, 2B weisen jeweils einen Kopfbereich 4 auf, der im Ausführungsbeispiel nach Art einer kreisrunden Scheibe ausgebildet ist. In Axialrichtung 6 schließt sich an der Unterseite des Kopfbereichs 4 ein Schaftbereich mit im Vergleich zum Kopfbereich 4 geringerer radialer Ausdehnung an. Der Schaftbereich umfasst einen kopfnahen oberen Schaftbereich 8A, der im Ausführungsbeispiel eine mehreckige, insbesondere hexagonale, Querschnittskontur aufweist. Im Falle des Einpressbolzens 2A schließt sich an den oberen Schaftbereich 8A noch ein unterer Schaftbereich 8B an. Dieser weist einen kreisrunden Querschnitt auf und ist üblicherweise mit einem Gewinde versehen, so dass auf den Einpressbolzen 2A eine Schraube aufgeschraubt werden kann. Im Falle der Einpressmutter 2B ist der Schaftbereich ausschließlich durch den oberen Schaftbereich 8A gebildet, der in diesem Fall üblicherweise als Hohlschaft mit einem Innengewinde ausgebildet ist.
Aufgrund der mehreckigen Ausgestaltung weist der obere Schaftbereich 8A Eckbereiche 9 auf. Die Eckbereiche 9 sind im Querschnitt betrachtet um den Abstand a zueinander beabstandet. Der Abstand zweier parallel zueinander orien tierter Seitenflächen definiert die Schlüsselweite s als radiale Ausdehnung des oberen Schaftbereichs 8A.
Das Verfahren zur Ausbildung einer Einpressverbindung zwischen dem Fügeelement 2A, 2B und einem im Ausführungsbeispiel als Blech 10 ausgebildeten Werkstück mit einer Dicke D wird nachfolgend anhand der 3 bis 5 näher erläutert.
In einem ersten in den 3A, B dargestellten Schritt wird das Fügeelement, im Ausführungsbeispiel der Einpressbolzen 2A, in ein vorgeformtes Loch 12 des Blechs 10 eingesetzt, so dass der Einpressbolzen 2A mit seinem Kopfbereich 4 auf der Oberseite 14A des Bleches aufliegt. Das Loch 12 weist im Ausführungsbeispiel einen kreisrunden Querschnitt auf und ist von einem Lochrand 16 begrenzt. Das Loch 12 weist einen Lochdurchmesser d_L auf. In 3A ist in der gewählten Seitenansicht der Einpressbolzen 2A derart positioniert, dass die seitlichen Begrenzungslinien des oberen Schaftbereichs 8A durch zwei gegenüberliegende parallele Flächen des hexagonalen Schaftbereichs 8A gebildet sind. Der hexagonale Schaftbereich 8A weist als radiale Ausdehnung eine Schlüsselweite s auf. Die Schlüsselweite s beträgt etwa das 0,7- bis 0,9-Fache des Lochdurchmessers d_L. Da die radiale Ausdehnung des oberen Schaftbereichs 8A deutlich kleiner als die des Lochs 12 ist, liegt der Einpressbolzen 2A quasi lose in dem Loch 12 ein. Zwischen dem oberen Schaftbereich 8A und dem Lochrand 16 ist ein Aufnahmebereich 18 ausgebildet.
Ausgehend von der 3 erfolgt das eigentliche Einpressen des Fügeelements 2A in einem zweiten Verfahrensschritt. Hierzu wird – wie aus den 4, 5 zu entnehmen ist – von unten eine Matrize 20 eines hier nicht näher dargestellten Einpresswerkzeugs entgegen der Axialrichtung 6 gegen das Blech 10 verfahren, im Ausführungsbeispiel bis zum Anliegen an dessen Unterseite 14B. Gleichzeitig wird der Kopfbereich 4 durch einen hier nicht näher dargestellten Stempel oder Niederhalter in entgegengesetzter Richtung gegen die Oberseite 14A gepresst. Die Matrize 20, die nur stark vereinfacht dargestellt ist, weist einen zentralen Innenhohlraum 22 auf. An der zum Blech 10 hin orientierten Oberseite ist der In nenhohlraum 22 durch eine umlaufende Kante begrenzt, die als Schab- oder Scherkante 24 ausgebildet ist.
Die Scherkante 24 ist – wie im Ausführungsbeispiel dargestellt – vorzugsweise kreisrund mit einem Innendurchmesser d_i ausgebildet. Der Innendurchmesser d_i ist allgemein kleiner als die maximale radiale Ausdehnung des oberen Schaftbereichs 8A, im Ausführungsbeispiel also zumindest kleiner als der Abstand a einander diagonal gegenüberliegender Eckbereiche 9. Vorzugsweise ist der Innendurchmesser d_i ergänzend auch zumindest geringfügig kleiner als die Schlüsselweite s. Durch diese Maßnahme wird beim Einpressvorgang Schaftmaterial des oberen Schaftbereichs 8A durch die Scherkante 24 entgegen der Axialrichtung 6 abgeschert und nach oben in den Aufnahmeraum 18 eingepresst. Aufgrund der gewählten Größe des Innendurchmessers d_i wird der obere Schaftbereich 8A ringförmig abgeschabt. Wegen der mehreckigen Querschnittskontur wird in den Eckbereichen 9 deutlich mehr Material abgeschabt und in den Aufnahmeraum 18 eingebracht. Beim Abscheren wird hierbei lediglich über eine Scherlänge l Material abgeschert. Im Ausführungsbeispiel bestimmt sich die Scherlänge l aus der Differenz der axialen Gesamtlänge des oberen Schaftbereichs 8A und der Dicke D des Blechs 10.
Aufgrund der mehreckigen Außenkontur des oberen Schaftbereichs 8A wird nur im Bereich der Eckbereiche 9 eine Mehrzahl von jeweils kraftschlüssigen oder reibschlüssigen Verbindungen zwischen dem abgescherten Schaftmaterial und dem Lochrand 16 ausgebildet, wie aus den 4A, 4B erkennbar ist. In diesen Bereichen wird daher das abgescherte Schaftmaterial in den Aufnahmeraum 18 zur Ausbildung des Reib-/Kraftschlusses eingepresst. In den übrigen Umfangsbereichen bildet das Schaftmaterial keine Reibschlussverbindung mit dem Lochrand 16 aus, wie aus 5B zu entnehmen ist.
Die Menge des in den Aufnahmeraum 18 eingebrachten Schaftmaterials bestimmt sich zum einen durch die gewählten Geometrien der Scherkante 24 und des oberen Schaftbereichs 8A sowie durch die gewählte Scherlänge l. Diese Geometrie-Relationen sind derart gewählt, dass sich lediglich an diskreten Stellen in den Eck bereichen 9 Reibschluss-Verbindungen ausbilden. Prinzipiell besteht alternativ die Möglichkeit, das Volumen des über den gesamten Umfang abgescherten Schaftmaterials derart zu bemessen, dass über den gesamten Umfang eine Reibschluss-Verbindung ausgebildet ist. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass das in den Aufnahmeraum 18 eingepresste Schaftmaterial in Axialrichtung 6 betrachtet zur Oberseite 14A hin konisch zuläuft, so dass auch bei einer umlaufenden, ringförmigen Reibschluss-Verbindung ein Rest Freivolumen im oberen Bereich des Aufnahmeraums 18 verbleibt. Durch dieses Rest-Aufnahmevolumen ist ein prozesssicheres Einpressen beispielsweise auch bei Toleranzungenauigkeiten gewährleistet.
Die 4 und 5 zeigen die Situation unmittelbar nach Beendigung des Einpressvorgangs, wenn also die Einpressverbindung fertiggestellt ist. Es wird lediglich noch die Matrize 20 wieder zurückgefahren. Wie zu erkennen ist, schließt das Fügeelement 2A trotz der Einpressverbindung an der Unterseite 14B vollständig plan und eben ohne Ausbildung eines Wulstes oder Kragens mit der Blech-Unterseite 14B ab, ohne dass das Blech 20 im Bereich des Lochrands 16 verformt ist. Insbesondere fluchtet die Unterseite 148 mit dem in den Aufnahmeraum 18 eingepressten Material. Alternativ ist dieses – durch eine entsprechende Ausbildung der Matrize – auch etwas von der Unterseite 14B zum Kopfbereich 4 hin zurückversetzt. Durch die einzelnen diskreten, um den Umfang verteilten Reibschluss-Verbindungen gemäß der 4 ist sowohl eine ausreichende Auszugssicherheit in Axialrichtung 6 sowie eine ausreichende Verdrehsicherheit in Umfangsrichtung gegeben.
Das hier beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für eine Kombination von Fügeelementen 2A, 2B geringerer Festigkeit mit höherfesten Werkstücken 10. Ein besonderer Vorteil ist weiterhin darin zu sehen, dass mit dem gleichen Einpresswerkzeug auch andere Einpressverbindungen ausgebildet werden können, wie sie beispielsweise in der DE 10 2006 019 231 A1 beschrieben sind. Werden Bleche 10 mit geringerer Festigkeit als das Fügeelement 2A, 2B verwendet, so kann der Schaftbereich 8A auch eine größere radiale Ausdehnung aufweisen, so dass das Blech bereits beim Einsetzen des Fügeelements 2A umgeformt wird.
Alternativ zu der hier beschriebenen Variante besteht auch die Möglichkeit, die Verdrehsicherung durch einen Formschluss durch eine geeignete Querschnittsform des Lochs und/oder des oberen Schaftbereichs zu wählen.

2A: Einpressbolzen
2B: Einpressmutter
4: Kopfbereich
6: Axialrichtung
8: Schaftbereich
8A: oberer Schaftbereich
8B: unterer Schaftbereich
9: Eckbereich
10: Blech
12: Loch
14A: Oberseite
14B: Unterseite
16: Lochrand
18: Aufnahmeraum
20: Matrize
22: Innenhohlraum
24: Scherkante
a: Abstand
D: Dicke
d_i: Innendurchmesser
d_L: Lochdurchmesser
l: Scherlänge
s: Schlüsselweite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006019231 A1 [0002, 0006, 0008, 0047]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN 10002-1 [0023]

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer auspresssicheren Einpressverbindung zwischen einem Fügeelement (2A, 2B) und einem Werkstück (10), bei dem das Fügeelement (2A, 2B), das einen Kopfbereich (4) und einen sich daran in Axialrichtung anschließenden Schaftbereich (8A, 8B) aufweist, in ein vorgeformtes Loch (12) des Werkstücks (10) eingepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass im unverpressten Ausgangszustand zwischen dem Schaftbereich (8A, 8B) und einem Lochrand (16) des Lochs (12) ein Aufnahmeraum (18) für Schaftmaterial des Schaftbereichs (8A, 8B) ausgebildet ist und dass zur Ausbildung der Auspresssicherung Schaftmaterial (8A, 8B) in den Aufnahmeraum (18) einpresst wird ohne dass ein in Axialrichtung (6) wirkender und über eine Unterseite (14B) des Werkstücks (10) überstehender Formschluss ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdrehsicherung in Umfangsrichtung allein durch Reibschluss zwischen dem eingepressten Schaftmaterial und dem Lochrand (16) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur an diskreten Umfangsstellen Schaftmaterial in den Aufnahmeraum (18) eingepresst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schaftbereich (8A, 8B) eine mehreckige Querschnittskontur aufweist und Schaftmaterial der durch die mehreckige Außenkontur gebildeten Eckbereiche (9) in den Aufnahmeraum (18) eingepresst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochrand (16) unverformt bleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaftbereich (8A, 8B) über eine vorgegebene Scherlänge (l) Schaftmaterial partiell abgeschert und in den Aufnahmeraum (18) eingepresst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Dicke (D) aufweist und die Scherlänge (l) im Bereich des 0,25- bis 4-Fachen der Dicke (D) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftbereich (8A, 8B) eine radiale Ausdehnung (s) aufweist, die etwa dem 0,7 bis 0,9-Fachen der radialen Ausdehnung (d_L) des Loches (12) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Werkstücks (10) eine höhere Festigkeit als die des Fügeelements (2A, 2B) hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftbereich (8A, 8B) eine mehreckige Außenkontur und das Loch (12) eine kreisrunde Querschnittskontur aufweist, dass die radiale Ausdehnung (s) des Schaftbereichs (8A, 8B) im Bereich des 0,7 bis 0,9-Fachen des Durchmessers (d_L) des Lochs liegt, und dass die durch die mehreckige Außenkontur gebildeten Eckbereiche (9) teilweise abgeschert und das abgescherte Schaftmaterial in den Aufnahmeraum (18) vollständig eingepresst wird.
Einpressverbindung zwischen einem Fügeelement (2A, 2B) und einem Werkstück (10), wobei das Fügeelement (2A, 2B) einen Kopfbereich (4) und einen sich daran anschließenden Schaftbereich (8A, 8B) aufweist und mit dem Schaftbereich (8A, 8B) in einem Loch (12) des Werkstücks (10) eingepresst ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schaftbereich (8A, 8B) und einem Lochrand (16) des Lochs (12) ein Aufnahmeraum (18) ausgebildet ist, in den zur Ausbildung einer Auspresssicherung Schaftmaterial eingepresst ist, ohne dass ein in Axialrichtung (6) wirkender und über eine Unterseite (14B) des Werkstücks (10) überstehender Formschluss zwischen dem Schaftmaterial und dem Werkstück (10) gebildet ist.
Einpressverbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdrehsicherung in Umfangsrichtung zwischen dem Fügeelement (2A, 2B) und dem Werkstück (10) allein durch Reibschluss zwischen dem eingepressten Schaftmaterial und dem Lochrand (16) gewährleistet ist.
Einpressverbindung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass nur an diskreten Umfangsstellen Schaftmaterial in den Aufnahmeraum (18) eingepresst ist.
Einpressverbindung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochrand (16) unverformt ist.
Einpressverbindung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftbereich (8A, 8B) eine mehreckige Außenkontur und das Loch (12) eine kreisrunde Querschnittskontur aufweist, dass die radiale Ausdehnung (s) des Schaftbereichs (8A, 8B) im unverformten Ausgangszustand im Bereich des 0,7 bis 0,9-Fachen des Durchmessers (d_L) des Lochs (12) liegt, und dass die durch die mehreckige Außenkontur gebildeten Eckbereiche (9) teilweise abgeschert und das abgescherte Schaftmaterial in den Aufnahmeraum (18) eingepresst ist.
Fügeelement, das zum Einpressen in ein vorgeformtes Loch (12) eines Werkstücks (10) mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, und einen Kopfbereich (4) sowie einen sich daran in Axialrichtung (6) anschließenden Schaftbereich (8A, 8B) aufweist, wobei die Geometrie des Schaftbereichs (8A, 8B) derart ausgebildet ist, dass beim Einpressen in ein Werkstück (10) mit vorgegebener Lochgeometrie eine Einpressverbindung gemäß den Ansprüchen 11 bis 15 ausgebildet wird.
Fügeelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Einsetzen in ein Loch (12) mit einer vorgegebenen radialen Ausdehnung vorgesehen ist und die radiale Ausdehnung (s) des Schaftbereichs (18) im Bereich des 0,7- bis 0,9-Fachen der radialen Ausdehnung (d_L) des Lochs (12) liegt.