DE102010020666B4

DE102010020666B4 - Matrize und Werkzeug für ein Nietwerkzeug

Info

Publication number: DE102010020666B4
Application number: DE102010020666.0A
Authority: DE
Inventors: Roland Wendt; Michael Badent; Dr. Pfeiffer Wolfgang
Original assignee: Tox Pressotechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Tox Pressotechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2020-04-16
Anticipated expiration: 2030-05-18
Also published as: GB2480535A; GB201107991D0; US8978220B2; DE102010020666A1; US20110277288A1

Abstract

Matrize (1) für ein Nietwerkzeug zur Ausbildung einer Stanznietverbindung zwischen wenigstens zwei Fügeteilabschnitten, wobei die Matrize (1) in einem im Nietwerkzeug vorhandenen Zustand zur Abstützung der Fügeteilabschnitte bei einem Verbindungsvorgang dient und dabei eine Matrizenstirnseite (4) einem bewegbaren Stempel des Nietwerkzeugs zugewandt ist, mit dem ein Nietelement stanzend durch die zu verbindenden Fügeteilabschnitte drückbar ist, wobei ein Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) der Matrize (1) zu benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite (4) übersteht und eine Prägung im matrizenseitigen Fügeteilabschnitt bewirkt, so dass Anteile des Fügeteilwerkstoffs in eine Vertiefung außen am Nietelement fließen, wobei der Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) in Teilabschnitte unterteilt ausgebildet ist und die Matrize (1) geteilt ist und einen Spalt zwischen einer Außenseite des Prägeabschnitts (15, 16, 17, 18, 22) und einem angrenzenden Abschnitt eines Grundkörpers (2) der Matrize (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) an einem in dem Grundkörper (2) der Matrize beweglichen Matrizenelement (3) vorhanden ist, welches mit einem verstellbaren Steuerelement (7) zumindest zeitweise gekoppelt ist, so dass abhängig von einer Stellung des Steuerelements (7) die Höhe des Prägeabschnitts (15, 16, 17, 18, 22) relativ zu den benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite (4) veränderbar ist.

Description

Stand der Technik:
Beim Verbinden von Fügeteilen durch Stanznieten mit einem Nietwerkzeug wird ein Verbindungselement wie beispielsweise ein Vollstanzniet zum punktuellen Verbinden von Fügeteilabschnitten in diese eingebracht. Dabei wird in die zwischen einem Niederhalter und einer Matrize positionierten Fügeteile mit einem Stempel von einer der Matrize gegenüberliegenden Seite ein Vollstanzniet durch die zu verbindenden Bauteile gedrückt und im Zusammenwirken mit der Matrize die Stanznietverbindung erstellt. Das Stanznieten dient insbesondere zum Verbinden von mehreren Blechlagen, wobei am späteren Verbindungspunkt die zu verbindenden Fügeteile zuvor nicht gelocht werden. Der beim Stanznieten vom Vollstanzniet durchgestanzte sogenannte Butzen aus dem Material der Fügeteile wird dabei matrizenseitig abgeführt.
Bei Vollstanznietverbindungen wird beim Stanznieten Material der Fügeteile mittels eines Prägeabschnitts der Matrize in außen am Vollstanzniet vorhandene Rillen bzw. Vertiefungen gepresst.
Die US 2006/0248705 A1 betrifft eine Anordnung zum Stanznieten und die DE 198 47 980 A1 schlägt ein Werkzeug zum Setzen von Stanznieten vor.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung:

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Ausbildung einer Stanznietverbindung technisch und wirtschaftlich zu verbessern. Insbesondere soll erreicht werden, dass höhere Standzeiten der Nietwerkzeuge erreicht werden bzw. Fügeteile, von denen zumindest einzelne aus einem hochfesten Material bestehen können, unter Aufbringen vergleichsweise reduzierter Fügekräfte stanzgenietet verbindbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Varianten der Erfindung.
Die Erfindung geht zunächst aus von einer Matrize für ein Nietwerkzeug zur Ausbildung einer Stanznietverbindung zwischen wenigstens zwei Fügeteilabschnitten, wobei die Matrize in einem im Nietwerkzeug vorhandenen Zustand zur Abstützung der Fügeteilabschnitte bei einem Verbindungsvorgang dient und dabei eine Matrizenstirnseite einem bewegbaren Stempel des Nietwerkzeugs zugewandt ist, mit dem ein Nietelement stanzend durch die zu verbindenden Fügeteilabschnitte drückbar ist, wobei ein Prägeabschnitt der Matrize zu benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite übersteht und eine Prägung im matrizenseitigen Fügeteilabschnitt bewirkt, so dass Anteile des Fügeteilwerkstoffs in eine Vertiefung außen am Nietelement fließen. Als Nietelement kommt insbesondere ein Vollniet mit einer Einkerbung bzw. Rille auf der Außenseite in Frage.
Der Prägeabschnitt ist in Teilabschnitte unterteilt ausgebildet. Bei bekannten Matrizen ist der Prägeabschnitt immer ungeteilt bzw. als ein nicht unterteilter Matrizenabschnitt vorhanden. Der Prägeabschnitt ist dabei mit den benachbarten Bereichen der Matrize fest verbunden bzw. einstückig mit diesen Bereichen ausgestaltet. Einzelne Versuche mit Matrizen zum Stanznieten mit einem Prägeabschnitt, der von benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite getrennt ist, sind fehlgeschlagen, da diese Matrizen insbesondere wegen Stabilitätsproblemen des Prägeabschnitts nicht praxistauglich sind.
Die erfindungsgemäße Matrize weist einen Prägeabschnitt auf, welcher derart unterteilt ist, dass der Prägeabschnitt in axialer Richtung höchste Kräfte aufnehmen kann. In axialer Richtung bedeutet hier in einer Richtung der Bewegung des Stempels zum Stanzen bzw. Prägen bzw. in Richtung einer Fügeachse. Die mechanische Stabilität des Prägeabschnitts in axialer Richtung ist also in der gleichen Größenordnung, wie bei einem Prägeabschnitt, der massiv bzw. nicht in Teilabschnitte unterteilt ist. Die Unterteilung in Teilabschnitte wirkt sich vorteilhafterweise in radialer Richtung stabilitätssteigernd aus und senkrecht dazu bzw. in axialer Richtung nicht stabilitätsmindernd, verglichen mit einem massiven bzw. nicht unterteilten Prägeabschnitt. Denn bisher sind es in aller Regel beim Verbindungsvorgang im Prägeabschnitt zumindest zeitweise wirkende Tangentialspannungen, die zu einem Versagen des Prägeabschnitts führen. Es entstehen dann Risse oder dergleichen.
Die radiale Stabilität der erfindungsgemäßen Matrize erklärt sich folgendermaßen: In zur Fügeachse bzw. Längsachse der erfindungsgemäßen Matrize radialer Richtung wird mit den Teilabschnitten eine richtungsabhängige Elastizität im Bauteil des Prägeabschnitts realisiert, indem ein vergleichsweise geringes rückstellendes Ausweichverhalten zumindest eines Teilabschnittes ermöglicht wird. Bei Belastung in axialer Richtung durch die Stempelwirkung kann ein Ausweichweg eines Teilabschnitts in radialer Richtung im Bereich von z. B. wenigen hundertstel Millimeter zum Beispiel ca. 0,05 Millimeter liegen. Dies reicht aus um bei einer geteilten Matrize einen vorhandenen Spalt zwischen einer Außenseite des Prägeabschnitts und einem angrenzenden Abschnitt des Matrizengrundkörpers zu überwinden. Mit dem Kontakt des Prägeabschnitts zum festen Grundkörper der Matrize werden dort Kräfte aufgenommen und abgeführt. Der Grundkörper mit seiner zum Prägeabschnitt vergleichsweise hohen Stabilität kann dieser Belastung problemlos widerstehen.
Mit dem unterteilten Prägeabschnitt ist eine Umfangsvergrößerung des Prägeabschnitts bei Belastung verbunden, womit vergleichsweise große Spannungen bzw. Kräfte im Prägeabschnitt vermieden werden, die ansonsten, wenn der Prägeabschnitt nicht unterteilt ist, beim Verbindungsvorgang zu einem Versagen insbesondere durch z. B. Bruch oder Rissbildung des Prägeabschnitts führen.
Der Prägeabschnitt ist beweglich an der Matrize vorhanden. Matrizen mit beweglichem Prägeabschnitt widersprechen bisherigen Erkenntnissen, da zu erwarten ist, dass ein gesondert vorhandener Prägeabschnitt mit der Trennung von umgebenden Abschnitten der Matrize auch in maßgeblicher Weise an Stabilität verlieren würde, was unweigerlich zu einem frühzeitigen Versagen des Prägeabschnitts im Praxiseinsatz führen würde.
Mit der Beweglichkeit des Prägeabschnitts gegenüber benachbarten Bereichen der Matrize lassen sich weitere Vorteile an der Matrize realisieren. Mit der erfindungsgemäßen Matrize mit beweglichem Prägeabschnitt, der im Hinblick auf eine Stabilitätssteigerung mit insbesondere temporär wirkenden Stützmitteln für eine Abstützung an festen Abschnitten der Matrize ausgebildet ist, kann das Erstellen einer Vollstanznietverbindung verfahrenstechnisch optimiert werden. Bisher ist es technisch nicht zufriedenstellend gelöst, für beide Prozessphasen des Stanznietens, also der Phase des Durchstanzens des Vollniets, und des Prägens des matrizenseitigen Fügeteilabschnitts, die jeweils darauf abgestimmte optimale Matrizenform bereitzustellen. Durch den beweglichen Prägeabschnitt lässt sich dies nun optimal lösen. Bisher ist der Überstand des Prägeabschnitts dauerhaft vorhanden, was insbesondere für das Stanzen mit Nachteilen verbunden ist, oder die zum Prägeabschnitt benachbarten Bereiche der Matrizenstirnseite mussten gegen eine hohe wirkende Gegenkraft abgesenkt werden, was mit höchsten stempelseitig aufzubringenden Kräften geschehen musste bzw. die Matrize damit unpraktikabel groß gebaut und schwer ist und/oder ein Versagen der Matrize bzw. insbesondere des Prägeabschnitts mit sich brachte.
Mit der erfindungsgemäßen Matrize müssen vergleichsweise geringe Fügekräfte beim Stanznietvorgang aufgebracht werden, selbst in dem Fall, dass hochfeste bzw. ultra-hochfeste Materialien genietet werden. Die erfindungsgemäße Matrize verbindet die Vorteile einer vom Grundaufbau geteilten Vollstanznietmatrize mit der Stabilität der einteiligen Matrize.
Denn das Stanznieten mit seinen zwei grundlegend unterschiedlichen Prozessphasen bedingt insbesondere unterschiedliche Anforderungen an die Matrize. Erfindungsgemäß kann nun die Matrize für das Stanzen und das Prägen aufgrund der Beweglichkeit des Prägeabschnitts jeweils in eine dazu optimierte Form insbesondere der Matrizenstirnseite gebracht werden. Dabei kommt vorteilhafterweise noch der Effekt hinzu, dass nicht wie bisher bei Matrizen mit festem Prägeabschnitt an der Matrize für beide Prozessphasen die Fügekräfte erhöht werden, bis der gesamte Verbindungsvorgang nach den addiert aufgebrachten Kräften zum Stanzen und Prägen abgeschlossen ist. Mit der Erfindung ist es möglich, dass sich die maximal auftretende Fügekraft aus der höchsten Einzelkraft der jeweils getrennt ablaufenden Prozessphasen des Stanzens und des Prägens ergibt. Damit wird insbesondere die Häufigkeit der Prozessstörungen durch Reparaturen bzw. durch ein Versagen der Matrize deutlich verringert. Die Lebensdauer der erfindungsgemäß nicht durch Tangentialspannungen belasteten Matrize ist gegenüber bekannten Matrizen deutlich höher.
Insgesamt kann die Matrize bzw. damit ein entsprechendes Nietwerkzeug leichter, preiswerter und insbesondere mit einer höheren Lebensdauer realisiert werden. Auch hochfeste bzw. unterschiedliche Materialen und/oder verschiedene Dicken der Fügeteilabschnitte können stanzgenietet werden, ohne dass matrizenbedingte Kompromisse im Hinblick auf eine verschlechterte Stanznietverbindung hingenommen werden müssen. Grundsätzlich ist eine Verwendung der Matrize auch dann möglich, wenn beispielsweise Fügeteilabschnitte aus einem ultra-hochfesten Material bzw. jeweils aus einem Aluminiummaterial verbunden werden sollen. Über den gesamten Verbindungsvorgang betrachtet muss wie oben erläutert gegenüber bisherigen Anordnungen bei erfindungsgemäßen Anordnungen eine geringere Maximalkraft aufgebracht werden. Ein erfindungsgemäßes Werkzeug kann daher mit kleineren Antrieben und/oder mit größeren Ausladungen realisiert werden, verglichen mit bekannten Werkzeugen.
Der Prägeabschnitt und ein Grundkörper der Matrize sind relativ zueinander über eine Gleitlagerung bewegbar, mit einem Lagerspalt zwischen dem Prägeabschnitt und dem Grundkörper, wobei sich der Lagerspalt bereichsweise in einen Aufnahmeraum erweitert, so dass in den Lagerspalt eingedrungene Stoffe aus dem Lagerspalt in den Aufnahmeraum abführbar sind.
Eine Gleitlagerung ist vorteilhafterweise einfach, robust und platzsparend. Es lässt sich jedoch nicht vermeiden, dass zum Beispiel beim Stanzen entstehende Verschmutzungen wie Materialpartikel oder andere feste bzw. flüssige Stoffe in den Lagerspalt eindringen können, was nachteilig für die Gleitlagerung ist. Erfindungsgemäß kann sich der Lagerspalt zumindest bereichsweise in einen Aufnahmeraum erweitern, so dass Störstoffe aus dem Lagerspalt in den Aufnahmeraum abführbar sind, insbesondere selbsttätig durch die Relativbewegung von Prägeabschnitt und Grundkörper. Im Aufnahmeraum sind die Stör- bzw. Fremdstoffe wie in einem Zwischenspeicher vom gegenüber Fremdstoffen sensiblen Bereich des Lagerspalts weggenommen. Aus dem Aufnahmeraum können die Störstoffe kontinuierlich oder diskontinuierlich abgeführt werden. Der Aufnahmeraum kann zudem zur Inspektion der Gleitlagerung bzw. zur Kontrolle eines Verschmutzungsgrades ausgebildet sein.
Besonders vorteilhaft ist es, dass zumindest im Bereich des Prägeabschnitts eine Materialunterbrechung derart vorhanden ist, dass beim Verbindungsvorgang zumindest ein Teilabschnitt des Prägeabschnitts in Anlage an Abschnitten des Grundkörpers der Matrize kommt, wobei beim Verbindungsvorgang auftretende Kraftspitzen im Prägeabschnitt reduzierbar sind. Die wenigstens eine Materialunterbrechung führt zu einer in der Regel erhöhten Elastizität im Prägeabschnitt, so dass bei Belastung des Prägeabschnitts eine Umfangsvergrößerung von zumindest einem Teilabschnitt des Prägeabschnitts und damit eine Stützwirkung die Folge ist, mit den oben erklärten vorteilhaften Auswirkungen auf die Stabilität bzw. Lebensdauer des Prägeabschnitts. Dabei ist es aufgrund des nur sehr geringen Ausweichweges eines Teilabschnitts für die Prägefunktion des Prägeabschnitts nicht nachteilig, dass der Prägeabschnitt um z. B. wenige Hundertstel radial ausweicht. Mit der Umfangsvergrößerung zum Beispiel durch einen nach außen sich geringfügig elastisch ausfedernden Teilabschnitt ist eine Abstützungswirkung des Prägeabschnitts am Grundkörper gekoppelt. Mit der Abstützung des Teilabschnitts werden Kräfte durch den Grundkörper aufgenommen bzw. in mechanisch stabile weitere Teile des Werkzeugs abgeleitet. Der Prägeabschnitt, der aufgrund seiner Funktion und Position nur in engen Grenzen in seiner Ausgestaltung angepasst werden kann bzw. vergleichsweise klein bauend ausgebildet ist, also insbesondere selbst nicht durch erhöhte Abmaße stabilisierbar ist, wird dabei entlastet.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der Prägeabschnitt bezogen auf eine zentrale Längsachse der Matrize entlang des Umfangs geteilt ist. Die umfängliche bzw. azimutale Teilung des Prägeabschnitts kann eine Trennstelle oder mehrere Trenn- bzw. Teilungsstellen umfassen. Die Teilung des ringförmigen Prägeabschnitts entlang des Umfangs kann zum Beispiel zu einer Zwei-, Drei- oder Vierteilung oder zu einer noch größeren Teilungszahl des Prägeabschnitts führen. Die Teilung kann insbesondere gleichmäßig bzw. ergibt gleich dimensionierte insbesondere gleichartige Teilabschnitte. Die umfängliche Teilung kann zumindest eine außenumfänglich am Prägeabschnitt ausgebildete Teilung sein, muss aber nicht zwangsläufig an einem Außenumfang des Prägeabschnitts erkennbar sein, sondern kann alternativ weiter innen liegen. Eine Trennstelle kann zum Beispiel innen im Materialbereich des Prägeabschnitts ausgebildet sein, insbesondere durch eine Materialunterbrechung bzw.
-ausnehmung. Eine Materialausnehmung verläuft insbesondere von einer Stelle radial innen zu einer Stelle radial weiter außen im Prägeabschnitt.
Bevorzugt sind zwei benachbarte Teilabschnitte des Prägeabschnitts durch eine Materialunterbrechung teilweise getrennt und über Verbindungsbereiche miteinander verbunden. So kann eine teilweise zusammenhängende Struktur des Prägeabschnitts erreicht werden, wobei die Teilung in Teilabschnitte durch die Materialunterbrechungen realisiert ist. Gegebenenfalls kann ein Prägeabschnitt in mehrere Teilabschnitte unterteilt sein, jedoch zusammenhängend an einem Stück und die Teilabschnitte über die Verbindungsbereiche miteinander verbunden verbleiben.
Eine Materialunterbrechung im Prägeabschnitt kann zum Beispiel schlitzartig ganz durchgehend oder nicht durchgehend von einem axialen Ende bis zum anderen axialen Ende des Prägeabschnitts verlaufen und/oder ganz durchgehend oder nicht durchgehend von einer radial innen liegenden Seite zu einer radial außen liegenden Seite des Prägeabschnitts verlaufen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass zwei benachbarte Teilabschnitte des Prägeabschnitts durch eine durchgehende Materialunterbrechung vollständig voneinander getrennt sind. So kann ein Teilabschnitt separat radial ausweichen, ohne Einfluss von einem benachbarten Teilabschnitt. Damit werden Spannungen im Prägeabschnitt vermieden, welche ggf. ansonsten über verbleibende Materialbrücken auftreten würden bzw. ggf. ansonsten zu einem Versagen des Prägeabschnitts führen könnten. Gegebenenfalls können zwei benachbarte Teilabschnitte durchgehend durch die Materialunterbrechung vollständig getrennt sein, ggf. sämtliche vorhandene Teilabschnitte sozusagen als Einzelsegmente vorliegen.
Weiter ist es vorteilhaft, dass der Prägeabschnitt zumindest teilweise in Längs- und/oder Querrichtung geschlitzt ist.
Schlitze sind in unterschiedlicher Abmessung z. B. hinsichtlich einer Schlitzbreite bzw. -tiefe einfach bzw. auf engstem Raum einrichtbar. Über einen Schlitz können sich gegenüberliegende Flächen zumindest zeitweise abstützen, was stabilisierend und zur genauen Positionierung der Teilabschnitte beiträgt. Ein Schlitz im Prägeabschnitt ermöglicht aber gleichzeitig eine Relativbewegung von Teilabschnitten untereinander. Schlitze stellen bei einer passgenauen Ausbildung zudem ein gegen Null gehendes freies Volumen auf, so dass keine Hohlräume innerhalb des Prägeabschnitts gebildet werden, was im Hinblick auf eine mögliche Verklemmungsproblematik von z. B. Stanzbutzen oder Verschmutzungsgefahr vorteilhaft ist.
Erfindungsgemäß ist der Prägeabschnitt an einem in dem Grundkörper der Matrize beweglichen Matrizenelement vorhanden, welches mit einem verstellbaren Steuerelement zumindest zeitweise gekoppelt ist, so dass abhängig von einer Stellung des Steuerelements die Höhe des Prägeabschnitts relativ zu den benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite veränderbar ist. Damit ist der Überstand des Prägeabschnitts relativ zu den benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite abhängig von der Steuerelementstellung. Die Kopplung des Steuerelements mit dem Matrizenelement bzw. die Veränderung der Überstandhöhe des Prägeabschnitts erfolgt zu vorgebbaren Phasen während des Stanznietvorgangs, wofür zum Beispiel eine übergeordnete Steuerung zur Steuerung des Nietvorgangs vorgesehen sein kann. Mit der erfindungsgemäßen Matrize kann das Erstellen einer Vollstanznietverbindung verfahrenstechnisch optimiert werden.
Mit dem verstellbaren Steuerelement und damit der veränderbaren Kontur der Matrizenstirnseite kann die Matrizenstirnseite für das Stanzen vorteilhafterweise in einer ebenen bzw. flächigen Auflage bereitgestellt werden. Für den nachfolgenden Prägeprozess kann der Prägeabschnitt, der bis dahin in seinem eingefahrenen Zustand als Teil der flächigen Auflage beim Stanzen dient, in eine überstehende Position gebracht werden, so dass die zuvor ebene Matrizenstirnseite für den Prägevorgang in eine konturierte Form gebracht wird.
Durch die strukturelle Trennung der Matrize in unterschiedliche Abschnitte können diese auch unabhängig voneinander optimiert bzw. gesteuert werden. Insbesondere muss für die Gestaltung des Prägeabschnitts kein Kompromiss eingegangen werden, wonach die beim Stanzen auftretenden hohen Fügekräfte einer optimierten Form zum Prägen entgegensteht. Denn ansonsten muss der Prägeabschnitt beispielsweise so stabil gestaltet sein, dass er beim Stanzen nicht versagt, was aber einer idealen Form für das Prägen entgegensteht.
Erfindungsgemäß lässt sich ein weiterer Nachteil bekannter einteiliger Matrizen vermeiden, wonach bislang aufgrund des immer überstehenden Prägeabschnitts es zu einem Vorverprägen also dem Eindrücken des Prägeabschnitts in das matrizenseitige Material bereits beim Stanzen kommt.
Vorteilhafterweise muss erfindungsgemäß keine Korrelation zum Beispiel zur Stanzkraft beachtet werden, denn beim Stanzen tritt der Prägeabschnitt erfindungsgemäß nicht überstehend in Erscheinung. Beim Stanzen kann der Prozess weggeregelt stattfinden, wohingegen beim Prägen kraftgeregelt gefahren werden kann. Somit kann jede Prozessphase ideal gesteuert ablaufen und damit ein optimales Ergebnis erzielt werden.
Es wird zudem vorgeschlagen, dass das Steuerelement derart abgestimmt ist, dass unterschiedliche vorgebbare Höhen des Prägeabschnitts relativ zu den benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite stufenlos einstellbar sind. So kann die Matrize flexibel eingesetzt bzw. angepasst werden, insbesondere für unterschiedliche Fügeaufgaben gezielt optimiert werden.
Eine modifizierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Matrize zeichnet sich dadurch aus, dass der Prägeabschnitt derart ausgebildet ist, dass der Prägeabschnitt in einer Einrückposition des Matrizenelements im Grundskörper zumindest nahezu bündig ist zur Matrizenstirnseite. So kann in der Prozessphase des Stanzens eine durchgängige bzw. zumindest nahezu bündige Matrizenstirnseite bereitgestellt werden, da der bewegbare Anteil der Matrizenstirnseite, welcher durch eine entsprechende Stirnseite des Prägeabschnitts gebildet ist, mit benachbarten Matrizenstirnseiten-Bereichen bündig ist. Insbesondere kann in diesem Zustand die Matrizenstirnseite eine einheitliche ebene bzw. plane Fläche ohne Erhebungen bzw. Vertiefungen sein. Dies ist für eine durchgehende Abstützung der Fügeteile beim Stanzen vorteilhaft. Der Prägeabschnitt ist zudem über seine genannte axiale Länge im Grundkörper der Matrize radial abgestützt und somit gegen Versagen stabilisiert.
Grundsätzlich ist für das Vollstanznieten in der Matrizenstirnseite bzw. Prägeabschnitt immer eine Öffnung ausgespart, welche zum Durchstanzen der Fügeteilabschnitte bzw. zum Abführen des Stanzbutzens notwendig ist. An die Öffnung in der Matrizenstirnseite schließt sich z. B. ein Abführkanal in der Matrize bzw. dem Prägeabschnitt und dem Matrizenelement an, über welchen die Stanzbutzen abführbar sind.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der Prägeabschnitt von dem Matrizenelement getrennt ist. Der Prägeabschnitt sitzt insbesondere oben auf dem Matrizenelement auf. Mit der Trennung kann der Prägeabschnitt, der beim Verbindevorgang einem Verschleiß ausgesetzt ist bzw. je nach Fügeaufgabe unterschiedlich gestaltet sein kann, vorteilhafterweise separat ausgetauscht bzw. ersetzt werden.
Es ist auch denkbar, dass der Prägeabschnitt und das Matrizenelement fest verbunden ggf. einstückig ausgestaltet sind.
Der Prägeabschnitt weist bevorzugt einen ebenen bzw. flachen stirnseitigen Bereich auf, der parallel zur restlichen Matrizenstirnseite ausgerichtet ist, so dass er einen bündigen Teil der Matrizenstirnseite im Zustand des eingefahrenen Matrizenelements bildet.
Im Hinblick auf die Veränderbarkeit der matrizenseitigen Überstandhöhe des Prägeabschnitts ist das Steuerelement vorteilhafterweise derart gelagert, dass eine Richtung einer Verstellbewegung des Steuerelements zur Veränderung der Höhe des Prägeabschnitts quer zu einer Richtung der Bewegung des Matrizenelements steht. So kann der Bauraum für die Matrize vergleichsweise klein gehalten werden. Das Steuerelement kann sich in einem seitlich zur Längserstreckung der Matrize versetzt liegenden Bereich erstrecken, was zum Beispiel bei Nietwerkzeugen in der Art eines so genannten Bügels zum Nieten vorteilhaft ist. Das Steuerelement ist vorteilhafterweise als hin- und herbewegbarer Steuerschieber ausgestaltet.
Es ist weiter von Vorteil, dass sich eine Fußfläche des Matrizenelements in der Einrückposition des Prägeabschnitts im Grundkörper der Matrize auf einer Bodenfläche abstützt, wobei das Steuerelement zur Veränderung der Höhe des Prägeabschnitts zwischen die Bodenfläche und die Fußfläche schiebbar ist. Insbesondere kann ein Steuerschieber über ein Schrägflächengetriebe mit der Fußfläche des Matrizenelements zusammenwirken. So wird besonders kompakt bzw. mit wenig Bauraum eine Bewegungskopplung von Steuerschieber und Matrizenelement über insbesondere eine Schrägfläche möglich gemacht.
Der Abschnitt des Steuerschiebers, welcher zwischen die Fußfläche des Matrizenelements und die Bodenfläche schiebbar ist, kann ggf. in seiner Dicke verändert bzw. eingestellt werden. Dies ist vorteilhaft für den Einsatz der Matrize für unterschiedliche Fügeaufgaben. Je größer die Dicke des betreffenden Abschnitts des Steuerschiebers desto höher ist die einstellbare Überstandhöhe der Stirnseite des Prägeabschnitt gegenüber benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite. Denkbar ist auch, dass der einschiebbare Abschnitt des Steuerschiebers verschiedene Bereiche mit jeweils einer unterschiedlichen Dicke aufweist, so dass je nach Schiebestellung des Steuerschiebers bzw. des untergeschobenen Teils des Abschnitts eine Überstandhöhe der Stirnseite des Prägeabschnitt gegenüber benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite jeweils von der Dicke des zwischen die Fußfläche und die Bodenfläche untergeschobenen Abschnitts abhängt bzw. dessen Dicke entspricht.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Variante ist in einem Trennbereich einer Stanzbutzenleitung ein mit dem Prägeabschnitt mitbewegter Leitungsabschnitt und ein dazu feststehender Leitungsabschnitt vorhanden, wobei an einem Leitungsabschnitt ein konischer Kragenabschnitt vorhanden ist, welcher zu einem zum Kragenabschnitt passenden konischen Trichterabschnitt des anderen Leitungsabschnitts benachbart ist, wobei der Kragenabschnitt und der Trichterabschnitt unabhängig von der Position des mitbewegten Leitungsabschnitts in Längserstreckung der Stanzbutzenleitung immer zumindest teilweise überlappend vorhanden sind. So kann ein einfacher und effektiver Verklemmschutz im Trennbereich der Stanzbutzenleitung bereitgestellt werden. Denn je nach Überstandhöhe des Prägeabschnitts zu benachbarten Matrizenstirnseitenbereichen ist eine unterschiedlich große Spaltbreite in Längsrichtung der Stanzbutzenleitung vorhanden, wobei sich die Spaltbreite bei Verbindungsvorgängen abwechselnd vergrößert und verkleinert. Dies wird durch eine Hubbewegung des Prägeabschnitts bzw. des Matrizenelements hervorgerufen, womit eine geometrische Länge der Stanzbutzenleitung z. B. eines Butzenkanals sich verändert. Mit dem Kragenabschnitt und dem Trichterabschnitt wird beim Stanznieten ein Verklemmrisiko von Butzen bzw. Butzenteilen im sich verändernden schrägen Trennspalt minimiert. Bevorzugt ist der Kragenabschnitt an der Fußfläche des Matrizenelements im Übergangsbereich zur Bodenfläche, an der der Trichterabschnitt vorhanden ist, ausgebildet. Der Kragenabschnitt und der Trichterabschnitt sind insbesondere jeweils geschlossen konzentrisch um eine zur Stanzbutzenleitung gehörenden Bohrung im Matrizenelement und in der Bodenfläche vorhanden.
Besonders vorteilhaft ist es außerdem, dass eine auf den Prägeabschnitt wirkende Federanordnung vorhanden ist, durch welche bei Unterschreiten einer vorgebbaren Kraftbelastung auf eine Stirnseite des Prägeabschnitts, der Prägeabschnitt in eine zu benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite überstehende Position bringbar ist. Mit der Federanordnung wird insbesondere dauerhaft eine vorgebbare Kraft auf das Matrizenelement bzw. auf den Prägeabschnitt aufgebracht, welche eine wesentliche Kraftkomponente in Bewegungsrichtung der Bewegung des Matrizenelements bzw. des Prägeabschnitts im Matrizengrundkörper zum Erreichen der überstehende Position aufweist. Bei unbelastetem Prägeabschnitt steht daher unter der Wirkung der Federkraft der Prägeabschnitt zu benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite insbesondere maximal über. Der Prägeabschnitt kann dabei an einem mechanischen Anschlag anstehen.
Wird nun beispielsweise vor Beginn einer Stanznietverbindung ein Fügeteilabschnitt bzw. ein matrizenseitiges Fügeteil auf den Prägeabschnitt aufgelegt, wird bei entsprechend ausgelegter Federkraft der Prägeabschnitt mit den aufgelegten Fügeteilabschnitten soweit nach unten gegen die Federkraft der Federanordnung versetzt, dass die benachbarten stirnseitigen Bereiche zum Prägeabschnitt bündig mit der Stirnseite des Prägeabschnitts sind, so dass eine für das Stanzen optimale Geometrie der Matrizenstirnseite unter flächiger Abstützung der Fügeteilabschnitte vor Beginn des Stanzens bereitstellbar ist.
Wird nach dem Stanzvorgang die auf die zu verbindenden Fügeteilabschnitte bzw. die Matrize über den Stempel einwirkende Stanzkraft in einer anschließenden Entlastungsphase weggenommen, wird aufgrund der vorgespannten Federanordnung der Prägeabschnitt samt der Fügeteilabschnitte nach oben in die überstehende Position zu den benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite gebracht. Der dazu stempelseitig bzw. oberhalb der Fügeteilabschnitte nötige Freiraum wird dadurch bereitgestellt, dass zuvor mit der Entlastung der Stempel etwas vom eingestanzten Nietelement bzw. von dem stempelseitigen Fügeteilabschnitt abgehoben wurde. Damit im anschließenden Prägevorgang bei erneut aufgebrachter stempelseitiger Kraft über den Stempel, der Prägeabschnitt nicht nach unten in die im Matrizengrundkörpers eingerückte Position gedrückt wird, wird vor dem Prägen der Steuerschieber unter das Matrizenelement bzw. zwischen dessen Fußfläche und die Bodenfläche geschoben. Der Steuerschieber muss dabei vorteilhafterweise nicht mit hoher Kraft bewegt werden, da durch die Federanordnung die Kraft zum Anheben bereitgestellt wird und das Matrizenelement bereits angehoben ist. Der Steuerschieber muss nur noch in den gebildeten Spalt zwischen Fußfläche und die Bodenfläche geschoben werden. So kann der Antrieb des Steuerelements relativ klein ausgelegt werden, was wirtschaftlich und vom Platzbedarf für den Antrieb des Steuerelements vorteilhaft ist.
Aufgrund des eingeschobenen Steuerschiebers kann nun im anschließenden Prägevorgang der an der Matrizenstirnseite überstehende Prägeabschnitt nicht mehr zurückweichen.
Bevorzugt umfasst die Federanordnung eine Blattfeder, die von der Seite an dem Matrizenelement angreift. Dies ist eine besonders einfache und platzsparende Anordnung. Die Federkraft der Blattfeder kann einen Bruchteil der vom Stempel beim Stanzen oder Prägen aufzubringenden Kraft sein, so dass die Blattfeder vergleichsweise klein und leicht dimensioniert sein kann.
Bezüglich der Lagerung des Prägeabschnitts ist es von Vorteil, dass die Gleitlagerung durch den Lagerspalt getrennte gegenüberliegende Gleitlagerflächen am Prägeabschnitt und am Grundkörper der Matrize umfasst, wobei der Aufnahmeraum durch eine Materialentfernung an der Gleitlagerfläche des Prägeabschnitts gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Materialentfernung an der Gleitlagerfläche des Grundkörpers vorgesehen werden. So kann die Form bzw. Größe des Aufnahmeraums an einer bereits funktionsfähigen Matrize mit beweglichem Matrizenelement samt Prägeabschnitt ggf. nachträglich vorgenommen werden.
Es ist außerdem vorteilhaft, dass der Prägeabschnitt einen vorderen Endabschnitt aufweist, an welchem sich ein Hauptabschnitt des Prägeabschnitts anschließt, wobei eine Außenabmessung des Hauptabschnitts größer als eine Außenabmessung des vorderen Endabschnitts ist. So kann der Prägeabschnitt einerseits in dem vorderen Teil, welcher sich in den matrizenseitige Fügeteilabschnitt eindrückt, klein dimensioniert werden, und andererseits durch den Hauptabschnitt stabil verstärkt werden. Der Hauptabschnitt stützt sich insbesondere an dem vorderen Ende des Matrizenelements ab. Ist der Prägeabschnitt geteilt, sind die Materialunterbrechungen bzw. -ausnehmungen in der Regel sowohl im vorderen Endabschnitt als auch im Hauptabschnitt vorhanden. Ist der Prägeabschnitt in seiner vollständig überstehenden Position zu benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite, verbleibt der Hauptabschnitt in der Regel vollständig im Matrizengrundkörper versenkt, es steht also nur ein prägewirksamer Teil des Prägeabschnitts über.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Werkzeug zur Ausbildung einer Stanznietverbindung zwischen wenigstens zwei Fügeteilabschnitten mit einer Kontrolleinheit zur Kontrolle des Werkzeugbetriebs, mit einem bewegbaren Stempel und einer gegenüberliegenden Matrize zwischen denen die zu verbindenden Fügeteilabschnitte beim Verbindungsvorgang positionierbar sind, wobei mit dem Stempel ein Nietelement stanzend durch die zu verbindenden Fügeteilabschnitte drückbar ist und wobei die Matrize zur Abstützung der Fügeteilabschnitte bei einem Verbindungsvorgang eine Matrizenstirnseite aufweist, welche einen zu benachbarten Bereich der Matrizenstirnseite überstehenden Prägeabschnitt zum Prägen von matrizenseitigem Fügeteilwerkstoff beim Verbindungsvorgang umfasst, so dass abhängig von einer Überstandhöhe des Prägeabschnitts eine Prägung im matrizenseitigen Fügeteilabschnitt entsteht, durch welche Anteile des Fügeteilwerkstoffs in eine Vertiefung außen am Nietelement fließen. Die Kontrolleinheit kann z. B. eine Steuer- und/oder Regeleinheit sein. Erfindungsgemäß ist eine der oben genannten Matrizen an dem Werkzeug vorhanden. So lassen sich die oben aufgezeigten Vorteile an dem Werkzeug ausbilden.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, den Verbindungsvorgang sequenziell in mehreren Phasen durchzuführen, wobei zwei Fügephasen durch eine Entlastungsphase getrennt sind und in der Entlastungsphase eine in der vorangegangenen Fügephase vom Werkzeug auf die Fügeteilabschnitte aufgebrachte Belastung zumindest teilweise zurückgenommen ist. Mit der Entlastungsphase wird also auch eine Entlastung der Fügeteilabschnitte und damit des Prägeabschnitts bzw. der Matrize erreicht. Damit wird sozusagen der durch vergleichsweise hohe Fügekräfte sich auszeichnende Stanzvorgang von dem Prägevorgang, der ebenfalls relativ hohe Stempelkräfte nötig macht, durch die Entlastungsphase mit einer zu den Fügephasen zumindest nahezu vollständig verschwindenden Stempelkraft getrennt. Die beiden Fügephasen des Stanzens und Prägens müssen Kräfte bereitstellen die in erster Linie zum Fügen der Fügeteilabschnitte nötig sind, wohingegen die Entlastungsphase im Wesentlichen zur Umstellung der Form der Matrizenstirnseite dient, wobei dabei zumindest keine wesentlichen Stempelkräfte wirken dürfen. Die Trennung der Phasen wird insbesondere über den Bewegungsweg bzw. Bewegungsrichtung des Stempels realisiert.
Die Kontrolleinheit ist demnach ausgebildet nach einer ersten Phase des Stanzvorgangs eine auf die zu verbindenden Fügeteilabschnitte wirkende Presskraft zu reduzieren, so dass durch eine auf den Prägeabschnitt wirkende Rückstellkraft ein Anheben des Prägeabschnitts mit den darauf sich abstützenden Fügeteilabschnitten erfolgt. So kann der Prägeabschnitt samt den aufliegenden Fügeteilabschnitten in eine zum anschließenden Prägen optimale überstehende Position gegenüber benachbarten Matrizenstirnseitenbereichen gebracht werden. Die dazu nötige Entlastung in der Entlastungsphase ist insbesondere durch eine zweifache Umkehr der Bewegungsrichtung des Stempels innerhalb eines kompletten Verbindungsvorgangs charakterisiert. Die in der Kontrolleinheit hinterlegte Programmierung ist speziell auf die dazugehörige Abfolge von Steuerbefehlen abgestimmt.
Schließlich ist es weiter vorteilhaft, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, den Prägevorgang durch Einleiten einer in Fügerichtung auf die Fügeteilabschnitte wirkenden Presskraft durchzuführen. Das Fügen kann mit einer allein zum Prägen notwendigen Prägekraft erfolgen und muss vorteilhafterweise durch den sequenziellen Ablauf nicht durch eine Addition einer Zusatzkraft bzw. Erhöhung der bereits aufgebrachten und anhaltend wirkenden Kraft des vorangegangenen Stanzvorgangs eingeleitet werden, wie es mit bekannten Vollstanznietwerkzeugen der Fall ist. Erfindungsgemäß ist damit die beim Stanzen aufgebrachte Belastung vorteilhafterweise beim Prägen nicht mehr vorhanden, da bereits in der Entlastungsphase die entsprechende verbleiebnde Kraft vom Prägeabschnitt weggenommen wurde. Die verringerte Belastung des Prägeabschnitts führt zu einer längeren Lebensdauer des Prägeabschnitts bzw. des Werkzeugs.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Figuren dargestellten schematisierten Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Gegenständen näher erläutert.
Im Einzelnen zeigt:

1 einen Teil eines erfindungsgemäßen Nietwerkzeugs mit einer Matrize im Ausschnitt, wobei einzelne Abschnitte nur durch deren Randverlauf angedeutet sind;
2 eine Schnittansicht durch den Teil des Nietwerkzeugs mit Matrize gemäß 1;
3 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 2;
4 die Anordnung gemäß der 1 bis 3 im an einer Aufnahme eines Nietwerkzeuges aufgenommenen Zustand, wobei stempelseitige Teile des Nietwerkzeuges weggelassen sind;
5 ein Detail gemäß des Bereichs A aus 4;
6 ein perspektivisches Ausführungsbeispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Nietwerkzeuges;
7 und 8 zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Matrize in perspektivischer Teilansicht, wobei Teile der Matrize nur durch deren Randverlauf angedeutet sind;
9 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Nietwerkzeuges in Teilansicht, wobei Bereiche nur durch deren Randverlauf angedeutet sind;
10 ein weiteres Detail einer erfindungsgemäßen Matrize in Teilansicht im Schnitt und
11 eine weitere erfindungsgemäße Matrize in perspektivischer Teilansicht, wobei Teile der Matrize nur durch deren Randverlauf angedeutet sind.

Für sich entsprechende Bauteile unterschiedlicher Ausführungsbeispiele werden in den Figuren teilweise die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt perspektivisch schräg von der Seite einen Teil eines erfindungsgemäßen Nietwerkzeuges zum Vollstanznieten mit einer gesteuerten Vollstanznietmatrize 1, wobei weitere Teile des Nietwerkzeuges wie z. B. ein Niederhalter und ein Stempel nicht gezeigt sind, ebenso wie mit dem Nietwerkzeug zu verbindende Fügeteilabschnitte.
Die beim kompletten Nietwerkzeug dem Stempel samt Niederhalter gegenüberliegende Vollstanznietmatrize 1 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 2, in dem ein Matrizenelement 3 mit einem Prägeabschnitt 15 in Längsrichtung des Grundkörpers 2 verschieblich aber verliersicher gelagert ist. Eine ebene Stirnseite 15a des Prägeabschnitts 15 und eine ebene Stirnseite 2a des Grundkörpers 2 bilden zusammen eine Matrizenstirnseite 4, auf welcher die zu verbindenden Fügeteilabschnitte aufliegen bzw. sich eine Unterseite eines matrizenseitigen Fügeteilabschnitts beim Verbindungsvorgang abstützt. Die Matrizenstirnseite 4 weist eine zentrische Bohrung 5 auf, die sich in zylindrischer Form zentrisch durch den Prägeabschnitt 15 und das Matrizenelement 3 erstreckt. Die Bohrung 5 entspricht in ihrem Durchmesser in etwa einem Außendurchmesser des nicht dargestellten Nietstempels, so dass ein beim Stanzvorgang ausgestanzte Material- bzw. Stanzbutzen 20 (siehe 10) der Fügeteilabschnitte über die unten offene Bohrung 5 nach unten abgeführt werden können, wenn ein ebenfalls nicht dargestelltes Nietelement durch die zu verbindenden Fügeteilabschnitte durchgedrückt wird. Über einen außen vorhandenen Absatz 6 in einem Basisbereich des Matrizenelements 3 und einem entsprechenden Gegenabsatz im Grundkörper 2 ist das Matrizenelement 3 in seiner Bewegung nach oben in Richtung zu einem Stempel bewegungsbegrenzt. Nach unten ist die Bewegung des Matrizenelements 3 durch eine Oberseite 10 eines Gehäusebauteils 11 der Vollstanznietmatrize 1 begrenzt.
Der Prägeabschnitt 15, der in den 1 bis 5 vereinfachend nicht geteilt dargestellt ist, ist aber aus Stabilitätsgründen in Teilabschnitte unterteilt, was insbesondere anhand der 6 bis 8 und 11 gezeigt und erläutert ist.
Die Vollstanznietmatrize 1 umfasst ein als Steuerschieber 7 ausgebildetes verstellbares Steuerelement, der über eine Pneumatikanordnung 8 gemäß des Bewegungspfeils P1 (2 und 3) in Richtung zu einer Basis des Matrizenelements 3 hinbewegbar und gemäß Bewegungspfeil P2 in entgegengesetzter Richtung herbewegbar ist. Der Steuerschieber 7 ist vorne mit einer Anschrägung 7a versehen, welche bei einer Hinbewegung mit einer unterseitigen Basisfläche 9 am Matrizenelement 3 in Kontakt kommt. Dabei wird das Matrizenelement 3 aus der gezeigten eingerückten Position im Grundkörper 2, was die 1 bis 3 zeigen, vertikal bzw. quer zur Bewegungsrichtung gemäß Bewegungspfeil P1, nach oben gemäß Bewegungspfeil P3 bewegt, so dass auch der Prägeabschnitt 15 bzw. dessen Stirnseite 15a nach oben versetzt zur positionsfesten Stirnseite 2a des Grundkörpers 2 kommt, wobei diese Position in den Figuren nicht dargestellt ist. Die dabei erreichbare maximale Überstandshöhe eines so überstehenden Prägeabschnitts 15 entspricht der Höhe des vorderen Teils des Steuerschiebers 7, der z. B. eine Höhe zwischen ca. 0,5 bis 0,8 Millimeter aufweisen kann. Die Basisfläche 9 am unteren Ende des Matrizenelements 3 ist in der in den Figuren dargestellten Position des Matrizenelements 3 aufliegend bzw. abstützend auf der Oberseite 10. Das vordere Ende des Steuerschiebers 7 mit der Anschrägung 7a ist außerdem mit einer U-förmigen Ausnehmung versehen, so dass die Bohrung 5 im eingeschobenen Zustand des Steuerschiebers 7 unter dem Matrizenelement 3 durchgängig zur Abfuhr von ausgestanzten Materialbutzen frei bleibt.
Im gemäß 1 und 2 zurückgesetzten Zustand des Matrizenelements 3 ist die Stirnseite 15 des Prägeabschnitts 15 a bündig mit der Stirnseite 2a des Grundkörpers 2. Damit wird eine vollflächige Ebene bzw. bündige Matrizenstirnseite 4 zur Auflage der Unterseite der miteinander zu verbindenden Fügeteilabschnitte in der Stanzphase des Verbindungsvorgangs bereitgestellt.
Über Pneumatikanschlüsse 12 und 13 mit Pneumatikleitungen wird die Pneumatikanordnung 8 versorgt.
Die Anordnung gemäß 1 bis 3 kann an einem Ende einer in 4 teilweise dargestellten bügelförmigen Aufnahme 14 eines Nietwerkzeugs angebracht werden.
5 zeigt vergrößert den umrandeten Bereich A aus 4 mit der Vollstanznietmatrize 1 an der Aufnahme 14, wobei die Aufnahme 14 ohne einen Stempel mit Niederhalter dargestellt ist.
Beim erfindungsgemäß sequenziellen Stanznietvorgang werden die zu verbindenden Fügeteilabschnitte im geschlossenen Zustand des Nietwerkzeugs durch einen Niederhalter zunächst festgeklemmt und positionsfixiert, wobei eine Unterseite eines matrizenseitigen Fügeteilabschnitts auf der ebenen Matrizenstirnseite 4 gemäß der Ausbildung aus den 1 bis 5 aufliegt. In der geschlossenen Stanzstellung des Nietwerkzeugs 14 wird dann mittels des Stempels ein Vollstanzniet durch die zu verbindende Fügeteilabschnitte bzw. z. B. Blechlagen durchgestanzt, wobei eine Kraft F_max eine Stanzkraft darstellt und die Bewegung des Stempels kraftüberwacht erfolgen kann.
Anschließend wird das Nietwerkzeug in einer Entlastungsphase entlastet, insbesondere um einen vorgegebenen Weg bzw. Betrag einer maximalen Überstandhöhe des Prägeabschnitts 15 gegenüber der Stirnseite 2a aufgefahren. Der Prägeabschnitt 15 ist als ringförmige Bauteil mit zentraler Lochung ausgebildet, was insbesondere aus den 7 bis 9 und 11 deutlich wird. Bei aufgefahrenem Nietwerkzeug wird nun ausgehend von dem in den 1 bis 5 gezeigten Zustand der Steuerschieber 7 in Richtung des Bewegungspfeils P1 in eine Endstellung verschoben, wobei das Matrizenelement 3 gemäß Bewegungspfeil P3 nach oben gefahren und eine vorgebbare Überstandhöhe des Prägeabschnitts 15 erreicht wird. Nun wird das Nietwerkzeug erneut geschlossen und mit einer maximalen Prägekraft z. B. wegüberwacht stempelseitig auf die Fügeteilabschnitte eingewirkt bzw. diese nach unten gedrückt, so dass der nun feststehende Prägeabschnitt 15 mit seinem zur Stirnseite 2a überstehenden Teil sich in den matrizenseitigen Fügeteilabschnitt eindrückt und eine ringförmige Einprägung unterseitig um das eingebrachte Nietelement bildet. Dabei fließt Material des matrizenseitigen Fügeteilabschnitts in zumindest eine am Vollstanzniet außenseitig vorhandene Vertiefung bzw. Rille.
Eine Variante einer Vollstanznietmatrize 1 zeigt 6. Die Vollstanznietmatrize 1 weist einen geteilten Prägeabschnitt 16 auf, welcher über einen Lagerspalt 16a ringförmig und in vier gleichartige Teilabschnitte bzw. Segmente unterteilt ist, die elastisch radial nach außen zum Grundkörper zum Beispiel um wenige Hundertstel Millimeter ausfedern können, wenn aufgrund einer Stempelkraft eine axiale Belastung auf den Prägeabschnitt 16 wirkt. Mit der Ausfederung ist eine geringe kurzzeitige Umfangsvergrößerung des Prägeabschnitts 16 verbunden, die dazu führt dass die ausfedernden Teilabschnitte des Prägeabschnitts 16 in Anlage innen an einer Bohrungswandung im Grundkörper 2 kommen. Damit stützen sich die Teilabschnitte am Grundkörper ab, wobei Kräfte vom mechanisch sehr stabilen Grundkörper 2 aufgenommen werden und der Prägeabschnitt 16 selbst keine wesentlichen Kräfte aufnimmt. Der Prägeabschnitt 16 wird somit gegen Versagen geschützt bzw. mechanisch unter einer kritischen Belastung gehalten, so dass insbesondere keine Rissbildung im Prägeabschnitt 16 auftritt.
7 zeigt einen sechsteiligen Prägeabschnitt 17 im Federlamellenprinzip mit schlitzartigen Materialausnehmungen 17a und 8 ein weiteren sechsteiligen Prägeabschnitt 18 mit alternativ ausgebildeten schlitzartigen Materialausnehmungen 18a in Membranfunktion.
Der Prägeabschnitt 17 weist in axialer Richtung nicht vollständig durchgehende Materialausnehmungen 17a auf, die jedoch radial vollständig über die Wanddicke des Prägeabschnitts 17 durchgehend verlaufen.
Umgekehrt ist der Prägeabschnitt 18 in axialer Richtung mit vollständig durchgehenden Materialausnehmungen 18a versehen, die jedoch radial nicht vollständig über die Wanddicke des Prägeabschnitts 18 vorhanden sind.
Gemäß 9 ist eine Vollstanznietmatrize 1 gezeigt, bei der eine nicht dargestellte Vorzugsposition des Prägeabschnitts in der Stellung „ausgefahren“ bzw. „überstehend“ bezüglich benachbarten Bereichen einer Matrizenstirnseite durch Einsatz eines massiven Federelements wie z. B. einer kompakten Blattfeder 19 einrichtbar ist. Die Blattfeder 19 ist fixiert an Bauteilen eines Gehäuses der Vollstanznietmatrize 1 aufgenommen. Ein gabelförmiges Ende der vorgespannten Blattfeder 19 unter- bzw. umgreift dabei einen Teil eines Außenrings 3a am Matrizenelement 3, so dass bei Nichtbelastung des Prägeabschnitts 15 dieser gemeinsam mit dem Matrizenelement 3 angehoben ist. Hierdurch muss der Pneumatikzylinder zur Bewegung des ebenfalls vorhandenen Steuerschiebers 7 nicht hohe Widerstände überwinden bzw. das Matrizenelement 3 samt aufgesetztem Prägeabschnitt 15 nicht anheben, sondern lediglich den vorderen Teil des Steuerschiebers 7 als Distanz unter den mit der Blattfeder angehobenen Prägeabschnitt 15 fahren. Auf diese Weise kann eine erhebliche Steigerung der Prozessstabilität erreicht werden. Durch den bei Entlastung immer ausgefahrenen Prägeabschnitt wird bei einer Roboter-Programmierung beim Einlernen bzw. „Teachen“ der Fügeposition auch automatisch die richtige bzw. maximale Überstandstellung des Prägeabschnitts 15 reproduzierbar eingestellt.
10 zeigt vergrößert im Schnitt das Gehäusebauteil 11 und das untere Ende des Matrizenelements 3 und verdeutlicht ein vorteilhaftes Detail einer Butzenabfuhr einer erfindungsgemäßen Vollstanznietmatrize 1. Dabei sind mehrerer Butzen 20, welche beim Vollstanznieten mit dem Durchstanzen des Nietelements durch die Fügeteilabschnitte entstanden sind, in der als Butzenkanal dienenden Bohrung 5 übereinander positioniert dargestellt. Durch die Hubbewegung des Matrizenelements 3 verändert sich die geometrische Länge des Butzenkanals bzw. der Bohrung 5. In 10 ist der Zustand mit eingeschobenem Steuerschieber 7 dargestellt. Am unteren Ende des Matrizenelements 3 zwischen der Basisfläche 9 und dem feststehenden Gehäusebauteil 11 bzw. im Bereich der Bohrung 5 an der genannten Trennstelle ist ein beim Nieten sich öffnender und wieder schließender bzw. ein breiter und schmaler werdender Spalt zu beobachten, mit dem Risiko des Einklemmens von Butzen bzw. Butzenteilen.
Durch eine als Trichterabschnitt 11a ausgebildete rundumlaufende konische Anschrägung der Bohrung 5 im Gehäusebauteil 11 und durch einen darauf abgestimmten als in axialer Richtung vorstehenden Kragenabschnitt 3b ausgebildeten konischen Ringabschnitt an der Basisfläche 9 kann ein konischer Schlitz 21 gebildet werden. Der Schlitz 21 vermeidet im Betrieb des Werkzeugs ein Einklemmen von Fremdkörpern bzw. Butzen und Butzenabschnitten in Transportrichtung P der Butzen 20. Dabei wird durch die Eigenbewegung des Butzens dieser automatisch wieder aus dem konischen Schlitz 21 herausgeschoben. Der konische Schlitz 21 ist in 10 durch Umrandung hervorgehoben.
11 zeigt eine erfindungsgemäße Variante eines zweigeteilten Prägeabschnitts 22 mit einem vorderen Endabschnitt 22a und einem Hauptabschnitt 22b im Grundkörper 2. Zwischen dem Prägeabschnitt 22 und dem Grundkörper 2 ist eine Gleitlagerung mit einem Lagerspalt 25 realisiert. Am Hauptabschnitt 22b sind schräg nach außen verlaufende flache Anschlagflächen 23 ausgebildet, so dass Schmutztaschen 24 zwischen der zylindrischen Innenwand des Grundkörpers 2 und den Anschlagflächen 23 bereitgestellt werden. So kann vermieden werden, dass durch Verschmutzung bzw. einen Verschmutzungsaufbau sich die Endlagen der Bewegung des Matrizenelements 3 im Grundkörper 2 verändern. Andernfalls kann sich die erforderliche Kraft zum Bewegen des Matrizenelements 3 erhöhen. Mit den Schmutztaschen 24 kann eine Verkleinerung der real anliegenden Fläche eines oberen Totpunkt-Anschlages erreicht werden, um die Pressung zwischen den aneinander anliegenden Teilen deutlich zu erhöhen. Dadurch kann eine Schmutzverdrängung in die daneben liegenden Freiräume der Schmutztaschen 24 erreicht werden, welche als Puffer zur Schmutzaufnahme wirken. So können gegebenenfalls anfallende Intervalle zwischen Reinigungsmaßnahmen verlängert werden.
Auch die Schaffung anderer Räume zur Aufnahme von Schmutz ist denkbar, um anfallende Reinigungsintervalle zu verlängern. Beispielsweise kann dies durch eine Spiralwendel, Einstiche oder Taschen zwischen dem Matrizenelement 3 und dem Grundkörper 2 realisiert werden.
Die Verbindung dieser Taschen mit der äußeren Umgebung sowohl als Ausgang für den Schmutz als auch zur visuellen Anzeige für eine notwendige Reinigung oder lediglich Ausgangsöffnungen für Schmutz ohne Taschen und optionale Reinigungen mit einem Spülmedium zum Beispiel beim Docken sind denkbar.
Erfindungsgemäß kann mit den oben genannten Detaillösungen insgesamt vorteilhafterweise eine hohe Lebensdauer des Prägeabschnitts einer Vollstanznietmatrize trotz hoher Belastung bei hoher Prozessstabilität erreicht werden. Außerdem benötigt die erfindungsgemäße Vollstanznietmatrize einen geringen Bauraum bei hoher äußerer Robustheit und vermindertem Schmutzempfindlichkeitsverhalten.
Bezugszeichenliste

1: Vollstanznietmatrize
2: Grundkörper
2a: Stirnseite
3: Matrizenelement
3a: Außenring
3b: Kragenabschnitt
4: Matrizenstirnseite
5: Bohrung
6: Absatz
7: Steuerschieber
7a: Anschrägung
8: Pneumatikanordnung
9: Basisfläche
10: Oberseite
11: Gehäusebauteil
11a: Trichterabschnitt
12, 13: Pneumatikanschluss
14: Aufnahme
15: Prägeabschnitt
15a: Stirnseite
16: Prägeabschnitt
16a: Lagerspalt
17: Prägeabschnitt
17a: Materialausnehmung
18: Prägeabschnitt
18a: Materialausnehmung
19: Blattfeder
20: Butzen
21: Schlitz
22: Prägeabschnitt
22a: Endabschnitt
22b: Hauptabschnitt
23: Anschrägfläche
24: Schmutztasche
25: Lagerspalt

Claims

Matrize (1) für ein Nietwerkzeug zur Ausbildung einer Stanznietverbindung zwischen wenigstens zwei Fügeteilabschnitten, wobei die Matrize (1) in einem im Nietwerkzeug vorhandenen Zustand zur Abstützung der Fügeteilabschnitte bei einem Verbindungsvorgang dient und dabei eine Matrizenstirnseite (4) einem bewegbaren Stempel des Nietwerkzeugs zugewandt ist, mit dem ein Nietelement stanzend durch die zu verbindenden Fügeteilabschnitte drückbar ist, wobei ein Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) der Matrize (1) zu benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite (4) übersteht und eine Prägung im matrizenseitigen Fügeteilabschnitt bewirkt, so dass Anteile des Fügeteilwerkstoffs in eine Vertiefung außen am Nietelement fließen, wobei der Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) in Teilabschnitte unterteilt ausgebildet ist und die Matrize (1) geteilt ist und einen Spalt zwischen einer Außenseite des Prägeabschnitts (15, 16, 17, 18, 22) und einem angrenzenden Abschnitt eines Grundkörpers (2) der Matrize (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) an einem in dem Grundkörper (2) der Matrize beweglichen Matrizenelement (3) vorhanden ist, welches mit einem verstellbaren Steuerelement (7) zumindest zeitweise gekoppelt ist, so dass abhängig von einer Stellung des Steuerelements (7) die Höhe des Prägeabschnitts (15, 16, 17, 18, 22) relativ zu den benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite (4) veränderbar ist.
Matrize (1) für ein Nietwerkzeug zur Ausbildung einer Stanznietverbindung zwischen wenigstens zwei Fügeteilabschnitten, wobei die Matrize (1) in einem im Nietwerkzeug vorhandenen Zustand zur Abstützung der Fügeteilabschnitte bei einem Verbindungsvorgang dient und dabei eine Matrizenstirnseite (4) einem bewegbaren Stempel des Nietwerkzeugs zugewandt ist, mit dem ein Nietelement stanzend durch die zu verbindenden Fügeteilabschnitte drückbar ist, wobei ein Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) der Matrize (1) zu benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite (4) übersteht und eine Prägung im matrizenseitigen Fügeteilabschnitt bewirkt, so dass Anteile des Fügeteilwerkstoffs in eine Vertiefung außen am Nietelement fließen, , wobei der Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) beweglich an der Matrize (1) vorhanden ist, und die Matrize (1) geteilt ist und einen Spalt zwischen einer Außenseite des Prägeabschnitts (15, 16, 17, 18, 22) und einem angrenzenden Abschnitt eines Grundkörpers (2) der Matrize (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) an einem in dem Grundkörper (2) der Matrize beweglichen Matrizenelement (3) vorhanden ist, welches mit einem verstellbaren Steuerelement (7) zumindest zeitweise gekoppelt ist, so dass abhängig von einer Stellung des Steuerelements (7) die Höhe des Prägeabschnitts (15, 16, 17, 18, 22) relativ zu den benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite (4) veränderbar ist.
Matrize (1) für ein Nietwerkzeug zur Ausbildung einer Stanznietverbindung zwischen wenigstens zwei Fügeteilabschnitten, wobei die Matrize (1) in einem im Nietwerkzeug vorhandenen Zustand zur Abstützung der Fügeteilabschnitte bei einem Verbindungsvorgang dient und dabei eine Matrizenstirnseite (4) einem bewegbaren Stempel des Nietwerkzeugs zugewandt ist, mit dem ein Nietelement stanzend durch die zu verbindenden Fügeteilabschnitte drückbar ist, wobei ein Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) der Matrize (1) zu benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite (4) übersteht und eine Prägung im matrizenseitigen Fügeteilabschnitt bewirkt, so dass Anteile des Fügeteilwerkstoffs in eine Vertiefung außen am Nietelement fließen, wobei der Prägeabschnitt (22) und ein Grundkörper (2) der Matrize (1) relativ zueinander über eine Gleitlagerung bewegbar sind, mit einem Lagerspalt (25) zwischen dem Prägeabschnitt (22) und dem Grundkörper (2), wobei sich der Lagerspalt (25) bereichsweise in einen Aufnahmeraum (24) erweitert, so dass in den Lagerspalt (25) eingedrungene Stoffe aus dem Lagerspalt (25) in den Aufnahmeraum (24) abführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) an einem in dem Grundkörper (2) der Matrize beweglichen Matrizenelement (3) vorhanden ist, welches mit einem verstellbaren Steuerelement (7) zumindest zeitweise gekoppelt ist, so dass abhängig von einer Stellung des Steuerelements (7) die Höhe des Prägeabschnitts (15, 16, 17, 18, 22) relativ zu den benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite (4) veränderbar ist.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich des Prägeabschnitts (17, 18) eine Materialunterbrechung (17a, 18a) derart vorhanden ist, dass beim Verbindungsvorgang zumindest ein Teilabschnitt des Prägeabschnitts (17, 18) in Anlage an Abschnitten des Grundkörpers (2) der Matrize kommt, wobei beim Verbindungsvorgang auftretende Kraftspitzen im Prägeabschnitt (17, 18) reduzierbar sind.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) bezogen auf eine zentrale Längsachse der Matrize (1) entlang des Umfangs geteilt ist.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Teilabschnitte des Prägeabschnitts (17, 18) durch eine Materialunterbrechung (17a, 18a) teilweise getrennt und über Verbindungsbereiche miteinander verbunden sind.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Teilabschnitte des Prägeabschnitts (16, 22) durch eine durchgehende Materialunterbrechung vollständig voneinander getrennt sind.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) zumindest teilweise in Längs- und/oder Querrichtung geschlitzt ist.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement derart abgestimmt ist, dass unterschiedliche vorgebbare Höhen des Prägeabschnitts (15, 16, 17, 18, 22) relativ zu den benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite (4) stufenlos einstellbar sind.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) derart ausgebildet ist, dass der Prägeabschnitt (15, 16, 17, 18, 22) in einer Einrückposition des Matrizenelements im Grundskörper (2) zumindest nahezu bündig ist zur Matrizenstirnseite (4).
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägeabschnitt (16, 17, 18, 22) von dem Matrizenelement (3) getrennt ist.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (7) derart gelagert ist, dass eine Richtung der Verstellbewegung des Steuerelements (7) zur Veränderung der Höhe des Prägeabschnitts (15, 16, 17, 18, 22) quer zu einer Richtung der Bewegung des Matrizenelements (3) steht.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Fußfläche (9) des Matrizenelements (3) in der Einrückposition des Prägeabschnitts (15, 16, 17, 18, 22) im Grundkörper (2) auf einer Bodenfläche (10) abstützt, wobei das Steuerelement (7) zur Veränderung der Höhe des Prägeabschnitts (15, 16, 17, 18, 22) zwischen die Bodenfläche (10) und die Fußfläche (9) schiebbar ist.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Trennbereich (21) einer Stanzbutzenleitung ein mit dem Prägeabschnitt mitbewegter Leitungsabschnitt und ein dazu feststehender Leitungsabschnitt vorhanden ist, wobei an einem Leitungsabschnitt ein konischer Kragenabschnitt (3b) vorhanden ist, welcher in einen zum Kragenabschnitt (3b) passenden konischen Trichterabschnitt (11a) des anderen Leitungsabschnitt eingreift, wobei der Kragenabschnitt (3b) und der Trichterabschnitt (11a) unabhängig von der Position des mitbewegten Leitungsabschnitts in Längserstreckung der Stanzbutzenleitung immer zumindest teilweise überlappend vorhanden sind.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federanordnung vorhanden ist, durch welche bei Unterschreiten einer vorgebbaren Kraftbelastung auf eine Stirnseite des Prägeabschnitts (15), der Prägeabschnitt (15) in eine zu benachbarten Bereichen der Matrizenstirnseite überstehende Position bringbar ist.
Matrize nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung eine Blattfeder (19) umfasst, die von der Seite an dem Matrizenelement (3) angreift.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlagerung durch den Lagerspalt (15) getrennte gegenüberliegende Gleitlagerflächen am Prägeabschnitt (22) und am Grundkörper (2) der Matrize umfasst, wobei der Aufnahmeraum (24) durch eine Materialentfernung an der Gleitlagerfläche des Prägeabschnitts (22) gebildet ist.
Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägeabschnitt (22) einen vorderen Endabschnitt (22a) aufweist, an welchen sich ein Hauptabschnitt (22b) des Prägeabschnitts (22) anschließt, wobei eine Außenabmessung des Hauptabschnitts (22b) größer als eine Außenabmessung des vorderen Endabschnitts (22a) ist.
Werkzeug zur Ausbildung einer Stanznietverbindung zwischen wenigstens zwei Fügeteilabschnitten mit einer Kontrolleinheit zur Kontrolle des Werkzeugbetriebs, mit einem bewegbaren Stempel und einer gegenüberliegenden Matrize (1) zwischen denen die zu verbindenden Fügeteilabschnitte beim Verbindungsvorgang positionierbar sind, wobei mit dem Stempel ein Nietelement stanzend durch die zu verbindenden Fügteilabschnitte drückbar ist und wobei die Matrize (1) zur Abstützung der Fügeteilabschnitte bei einem Verbindungsvorgang eine Matrizenstirnseite (4) aufweist, welche einen zu benachbarten Bereich der Matrizenstirnseite überstehenden Prägeabschnitt (15) zum Prägen von matrizenseitigem Fügeteilwerkstoff beim Verbindungsvorgang umfasst, so dass abhängig von einer Überstandhöhe des Prägeabschnitts (15) eine Prägung im matrizenseitigen Fügeteilabschnitt entsteht, durch welche Anteile des Fügeteilwerkstoffs in eine Vertiefung außen am Nietelement fließen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrize (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorhanden ist.
Werkzeug nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, den Verbindungsvorgang sequenziell in mehreren Phasen durchzuführen, wobei zwei Fügephasen durch eine Entlastungsphase getrennt sind und in der Entlastungsphase eine in der vorangegangenen Fügephase vom Werkzeug auf die Fügeteilabschnitte aufgebrachte Belastung zumindest teilweise zurückgenommen ist.