DE102012003737A1 - "Verfahren und Werkzeug zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteilen und Verbindungssystem" - Google Patents

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Rüdiger Timmermann
Georg Boscher
Klemens Uebele
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Tox Pressotechnik GmbH and Co KG
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Abstract

Es wird ein Werkzeug bzw. Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen (1, 2) mittels eines Durchzuges einer ersten Bauteillage (1), der eine Durchzugöffnung und auf einer Seite der ersten Bauteillage (1) einen die Durchzugöffnung umgebenden erhöhten Kragen aufweist, wobei für ein Verbinden der Bauteillagen (1, 2) die Bauteillagen (1, 2) derart positioniert werden, dass der Kragen durch eine vorhandene Öffnung der wenigstens einen weiteren Bauteillage (2) durchreicht, wobei ein Rand des Kragens über eine Seite der wenigstens einen weiteren Bauteillage (2) übersteht, und der Kragen derart umgeformt wird, dass umgeformtes Kragenmaterial die wenigstens eine weitere Bauteillage (2) überlappt.

Description

  • Stand der Technik
  • Im Bereich der Zusammenhalt schaffenden Fertigungsverfahren sind mechanische Fügetechnologien wie beispielsweise das Fügen durch Zusammensetzen oder Fügen durch Umformen bekannt. Die betreffenden Bauteile bzw. Bauteillagen oder Werkstücke können insbesondere mit definiert ausgebildeten Verbindungs- bzw. Befestigungselementen unter Einsatz darauf abgestimmter Werkzeuge verbunden werden. Häufig kommen Bauteile aus unterschiedlichen Materialien zum Einsatz, was beim Fügen bzw. Verbinden zu berücksichtigen ist.
  • Aufgabe und Vorteile der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen zu verbessern, beispielsweise mit einem Verbindungselement. Die zu verbindenden Bauteillagen können insbesondere unterschiedliche Werkstoffe, wie Metalle, Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe umfassen.
  • Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Varianten der Erfindung.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen mittels eines Durchzuges einer ersten Bauteillage, der eine Durchzugöffnung und auf einer Seite der ersten Bauteillage einen die Durchzugöffnung umgebenden erhöhten Kragen aufweist, wobei für ein Verbinden der Bauteillagen die Bauteillagen derart positioniert werden, dass der Kragen durch eine vorhandene Öffnung der wenigstens einen weiteren Bauteillage durchreicht, wobei ein Rand des Kragens über eine Seite der wenigstens einen weiteren Bauteillage übersteht, und der Kragen derart umgeformt wird, dass umgeformtes Kragenmaterial die wenigstens eine weitere Bauteillage überlappt.
  • Damit wird eine einfache und effektive Verbindung von wenigstens zwei Bauteillagen erreicht. Die wenigstens zwei Bauteillagen werden dabei zueinander positionsfest verbunden bzw. zueinander fixiert. Die Bauteillagen sind insbesondere plattenartig, zumindest im Bereich der zu erstellenden Verbindung. Die erste Bauteillage, welche den Durchzug aufweist, besteht vorteilhafterweise aus einem vergleichsweise gut umformbaren Material beispielsweise aus einem Stahl- oder Kunststoffmaterial. Dadurch lässt sich einerseits der Durchzug in dem ersten Bauteil problemlos herstellen, bevorzugt einstufig, und andererseits die Umformung des Kragens einfach ausführen.
  • Die wenigstens eine weitere Bauteillage besteht insbesondere aus einem vergleichsweise harten bzw. steifen Material, welches vergleichsweise aufwändig bzw. schlecht umformbar ist. Daher ist es vorteilhaft, dass in der wenigstens einen weiteren Bauteillage ein Loch bzw. eine Öffnung vorbereitet vorhanden ist, die für ein Durchgreifen des Kragens der ersten Bauteillage abgestimmt ist. Die wenigstens eine weitere Bauteillage wird beim erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren nicht umgeformt, was aufgrund der entsprechenden Materialeigenschaften vorteilhaft ist. Die Verformung der ersten Bauteillage bzw. des dort vorhandenen Kragens ist beim Verbindungsvorgang demgegenüber problemlos möglich.
  • Bei Vorhandensein mehrerer weiteren Bauteillagen, neben der ersten Bauteillage mit dem Durchzug, ist in allen weiteren Bauteillagen eine Öffnung vorhanden, die für den Verbindevorgang zueinander so ausgerichtet werden, dass der Kragen des Durchzuges für die Verbindung durch sämtliche Öffnungen bzw. damit durch alle weiteren Bauteillagen reicht.
  • Der Kragen ist vorteilhafterweise als ein um die Durchzugöffnung geschlossen ausgebildeter bzw. ringförmiger Steg ausgebildet. Der Kragen weist bevorzugt über seine gesamte Erstreckung eine gleiche Höhe bzw. einen gleichen Überstand zur betreffenden Seite der ersten Bauteillage auf. Der Kragen besitzt vorteilhaft durchgehend eine gleichbleibende Materialstärke, die geringer ist, als die Materialstärke der verbleibenden Bereiche der ersten Bauteillage.
  • Vorteilhafterweise wird der Kragen durch einen Umbördelvorgang umgeformt, so dass umgebördeltes Kragenmaterial die wenigstens eine weitere Bauteillage überlappt. Der freie Rand des Kragens wird hierzu zum Beispiel mit einem Verformungselement wie zum Beispiel einer Matrize so umgebogen bzw. unter bleibender Formveränderung nach unten gepresst, dass Kragenmaterial fest auf eine Oberseite der betreffenden weiteren Bauteillage angedrückt wird und so verbleibt. Die Anpressung erfolgt über einen ringartigen Bereich um die Öffnung in der wenigstens einen weiteren Bauteillage herum. Somit wird vorteilhafterweise ein gebördelter Hinterschnitt durch umgeformtes Kragenmaterial hergestellt. Die wenigstens eine weitere Bauteillage und die erste Bauteillage sind mit dem umbördelten Hinterschnitt miteinander klemmend verbunden. Die Überlappung erfolgt vorteilhafterweise über die gesamte Erstreckung einer Begrenzung der Öffnung in der wenigstens einen weiteren Bauteillage.
  • Die Geometrie des Durchzuges und/oder des gebördelten Hinterschnitts ist vorteilhafterweise auf erforderliche Verbindungseigenschaften der verbundenen Bauteillagen abgestimmt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren stellt in einer einfachen Variante eine Möglichkeit bereit, eine offene Verbindung bzw. eine Verbindungsstelle im Bereich einer Durchgangsöffnung durch alle miteinander verbundenen Bauteillagen zu erstellen.
  • Wird beim Verbindungsvorgang eine offene Durchgangsöffnung realisiert, kann diese offen bleiben oder nachfolgend verschlossen werden z. B. mittels eines Verschlusselements bzw. eines Verschlussstopfens.
  • Es wird weiter vorgeschlagen, dass gemäß einer vorteilhaften Modifikation der Erfindung die Verbindung auf einer Seite der Bauteillagen, die dem umgeformten Kragenmaterial gegenüberliegt, zumindest im Wesentlichen eben ausgebildet ist. Im Bereich der Verbindung kann eine Seite der Bauteillagen, die der Seite mit dem umgebördelten Kragen gegenüberliegt, eben sein bzw. kein Überstand oder keine Erhebung vorhanden ist. Eine Vertiefung im Bereich des Verbindungspunktes kann dagegen vorhanden sein, was aber in der Regel nicht kritisch ist. Die Seite mit dem umgeformten Kragenmaterial bzw. mit der Umbördelung weist durch diese einen erhöhten Bereich auf, beispielsweise einen ringförmigen Steg, der im Millimeterbereich zu benachbarten Abschnitten der dazugehörigen Seite der weiteren Bauteillage überstehen kann.
  • Die Durchgangsöffnung in den miteinander verbundenen Bauteillagen, welche durch die Durchzugöffnung vorgegeben ist, kann nach der Verbindung bzw. der Umformung des Kragenmaterials vorteilhafterweise als Funktionsstelle der Bauteillagen genutzt werden, beispielsweise als Lagerstelle oder als Bohrung zum Durchführen von Elementen bzw. einem Medium genutzt werden.
  • Weiter ist es vorteilhaft, dass ein Verbindungselement in die Durchzugöffnung eingebracht wird, wobei unter einer Verformung des Verbindungselements und/oder unter einer Umformung der ersten Bauteillage die Verbindung der wenigstens zwei Bauteillagen fertig gestellt wird, wobei das Verbindungselement an den Bauteillagen fixiert wird. Die Umbördelung des Kragens findet aber auch bei dieser Variante statt. Damit wird die Verbindung vorteilhaft erstellt. Damit wird auch eine Variante der Erfindung mit einem eingebrachten Verbindungselement mitumfasst, bei der Material der ersten Bauteillage, was nicht Material des Kragens ist, umgeformt wird, so dass umgeformtes Material an das Verbindungselement angepresst wird und damit das Verbindungselement in der ersten Bauteillage fixiert ist, wobei das Verbindungselement selbst nicht verformt wird.
  • Wenn der Kragen des Durchzugs der ersten Bauteillage durch die Öffnung der wenigstens einen weiteren Bauteillage eingesteckt ist, wird ein Verbindungselement bzw. ein Abschnitt des Verbindungselements in die Durchzugöffnung eingebracht. Anschließend oder mit dem Einstecken findet die Umformung des Kragenmaterials statt. Auch die Verformung des Verbindungselements kann während des Einsteckens und/oder nach dem Einstecken erfolgen. Mit der fertiggestellten Verbindung ist das Verbindungselement unlösbar in den Bauteillagen fixiert.
  • Durch die Verwendung des Verbindungselements, das beispielsweise in der Art eines Nietelements ausgebildet sein kann bzw. verwendet wird, entsteht vorteilhafterweise eine einseitig ebene Verbindung. Die Verbindung ist insbesondere durch das in der Durchzugöffnung eingepresst vorhandene Verbindungselement geschlossen bzw. die Durchzugöffnung ist dicht zu beiden Seiten verschlossen.
  • Die Verformung bzw. Umbördelung des Kragens erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit vom eingesetzten Verbindungselement, insbesondere mit Beteiligung eines Endabschnitts des Verbindungselements bzw. unter Mitwirken entsprechender Matrizenmittel. Der Endabschnitt des Verbindungselements kann zum Beispiel ein Kopfabschnitt oder ein Schaftabschnitt sein, die an einem Verbindungselement in Einsteckrichtung durch die Durchzugöffnung bzw. in Längsrichtung des Verbindungselements gegenüberliegend vorhanden sind. Vorteilhafterweise wird ein Verbindungselement verwendet, das einen Kopfabschnitt und einen daran sich anschließenden schmaleren Schaftabschnitt aufweist.
  • Weiter ist es vorteilhaft, dass die Verformung des Verbindungselements und die Umformung des Kragens in einem Prozessschritt erfolgt, insbesondere in einem einstufigen Prozess. Vorteilhafterweise kann die Verformung des Verbindungselements und die Umformung des Kragens gekoppelt miteinander verlaufen, insbesondere gleichzeitig bzw. simultan oder zumindest nahezu simultan. Damit kann mit hohen Taktraten gearbeitet werden, beispielsweise wenn eine Mehrzahl von Verbindungen nacheinander erstellt werden soll.
  • Auch ist es von Vorteil, dass das Verbindungselement in die Durchzugöffnung eingebracht und ein Schaftabschnitt des Verbindungselements im Bereich des Kragens positioniert wird, wobei der Kragen unter einer Verformung des Schaftabschnitts umgeformt wird, wobei verformtes Material des Schaftabschnitts an umgeformtes Material des Kragens angedrückt wird. Der Schaftabschnitt des Verbindungselements ist insbesondere für ein Einstecken in die Durchzugöffnung auf die Abmessung bzw. Form der Durchzugöffnung abgestimmt. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass ein Ende eines Schaftes des Verbindungselements, der sich an einen durchmessergrößeren Kopfabschnitt des Verbindungselements anschließt, an den Kragen anliegt bzw. innerhalb der Durchzugöffnung zum Kragen benachbart ist. Der Schaftabschnitt steht bevorzugt nicht über den Kragen des Durchzuges über, sondern ist zu diesem bündig oder etwas in die Durchzugöffnung hinein versetzt.
  • Die Durchzugöffnung und der Abschnitt des Verbindungselement, welcher in die Durchzugöffnung eingebracht wird, sind in der Regel zylindrisch, es sind aber auch andere Formgebungen denkbar.
  • In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird das Verbindungselement in die Durchzugöffnung eingebracht, wobei ein Kopfabschnitt des Verbindungselements, auf einer dem Kragen gegenüberliegenden Seite der ersten Bauteillage in Anlage gebracht wird. Der Kopfabschnitt weist eine Außenabmessung auf, die größer als ein Innenmaß der Durchzugöffnung auf einer Einsteckseite ist, von der das Verbindungselement eingesteckt wird. So wird eine Anschlagstellung des Verbindungselements im eingebrachten Zustand vorgegeben, wobei vorteilhafterweise damit die positionsrichtige Lage des Verbindungselements für den Verbindungsvorgang festgelegt ist. Eine zur ersten Bauteillage gerichtete Seite des Kopfabschnitts liegt insbesondere auf einer Seite der ersten Bauteillage an, welche der Seite mit dem Kragen gegenüberliegt.
  • Es ist überdies vorteilhaft, dass das Verbindungselement in die Durchzugöffnung eingebracht wird, wobei ein Kopfabschnitt des Verbindungselements an dem Kragen in Anlage gebracht wird.
  • Es ist auch von Vorteil, dass das Verbindungselement in die Durchzugöffnung eingebracht wird, wobei ein Kopfabschnitt des Verbindungselements eine Außenabmessung aufweist, die größer als ein Innenmaß der Durchzugöffnung ist, wobei der Kopfabschnitt an dem Kragen ansteht und im Zusammenwirken mit dem Kopfabschnitt der Kragen durch eine Relativbewegung, die zwischen dem Verbindungselement und der wenigstens zwei Bauteillagen aufeinander zu stattfindet, umgeformt wird. Das Verbindungselement selbst bzw. der Kopfabschnitt wirkt vorteilhafterweise als das den Kragen unter Berührung verformendes Teil. Dabei ist es vorteilhaft möglich, dass zum erfindungsgemäßen Verbinden der Bauteillagen ggf. ein Nietwerkzeug oder ein für andere bekannte Fügeverfahren ausgebildetes Werkzeug verwendet werden kann.
  • Vorteilhafterweise wird ein in der Durchzugöffnung eingebrachtes Verbindungselement nach dem Verbindungsvorgang so an den Bauteillagen fixiert, dass eine geschlossene Verbindung erstellt wird. Die Verbindung ist also insbesondere dicht, wobei die vor dem Verbinden vorhandene Durchzugöffnung vom Verbindungselement verschlossen ist z. B. im Wesentlichen ausgefüllt ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein in der Durchzugöffnung eingebrachtes Verbindungselement mit dem Verbindungsvorgang so an den Bauteillagen fixiert wird, dass eine Seite der Bauteillagen zumindest im Wesentlichen eben zu benachbarten Abschnitten der betreffenden Seite erstellt wird, wobei die betreffende Seite der Seite mit dem umgeformten Kragenmaterial gegenüberliegt. Somit kann vorteilhaft eine einseitig ebene Verbindungsanordnung realisiert werden.
  • Es ist außerdem von Vorteil, dass das Verbindungselement durch eine Verbreiterung des Schaftabschnitts verformt wird. Durch die Verbreiterung des freien Endes des Schaftabschnitts des Verbindungselements wird Material des Verbindungselements an das Material der ersten Bauteillage angepresst, wobei das Verbindungselement an der ersten Bauteillage verankert wird. Dabei können hinterschnittene Bereiche zwischen dem Material des Verbindungselements und der ersten Bauteillage gebildet werden, was eine besonders feste Verankerung bzw. eine hohe Verbindungsstabilität bewirkt.
  • Weiter zeichnet sich eine vorteilhafte Variante der Erfindung dadurch aus, dass eine Verbreiterung des Schaftabschnitts des Verbindungselements und die Umformung des Kragens in einem Prozessschritt erfolgt. Damit kann die Verbindung schnell und einfach erstellt werden.
  • Bevorzugt steht kein Abschnitt des verankerten Verbindungselements an der betreffenden Seite der ersten Bauteillage über, insbesondere kein Schaftabschnitt des Verbindungselements. An der Seite der verbundenen Bauteillagen, an welcher der umgeformte Kragen vorhanden ist, ist demgegenüber ein zusätzlicher Überstand durch einen Kopfabschnitt des Verbindungselements, wenn das Verbindungselement von der Kragenseite eingebracht wurde, in der Regel nicht kritisch, da diese Seite der Bauteillagen ohnehin immer einen Überstand aufweist.
  • Weiter wird vorgeschlagen, dass die erste Bauteillage aus einem Kunststoffmaterial besteht und mit zumindest einer weiteren Bauteillage verbunden wird, die aus einem Blechmaterial besteht, wobei im Bereich der Verbindung die Bauteillagen derart abgestimmt werden, dass eine Dickenabmessung der ersten Bauteillage etwa dem zweifachen Wert einer Dickenabmessung der zumindest einen weiteren Bauteillage entspricht.
  • Die Erfindung umfasst außerdem ein Werkzeug zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen mittels eines Durchzuges einer ersten Bauteillage, der eine Durchzugöffnung und auf einer Seite der ersten Bauteillage einen die Durchzugöffnung umgebenden erhöhten Kragen aufweist, wobei für ein Verbinden der Bauteillagen die Bauteillagen derart positioniert werden, dass der Kragen durch eine vorhandene Öffnung der wenigstens einen weiteren Bauteillage durchreicht und ein Rand des Kragens über eine Seite der wenigstens einen weiteren Bauteillage übersteht, wobei Verformungsmittel zum Umformen des Kragens vorgesehen sind, so dass umgeformtes Kragenmaterial die wenigstens eine weitere Bauteillage überlappt. Ein Werkzeug kann insbesondere als Nietwerkzeug ausgebildet sein.
  • Zur Umformung des Kragens sind insbesondere Matrizenmittel vorhanden, welche gegenüberliegend von Stempelmitteln vorhanden sind. Die Matrizenmittel und die Stempelmittel sind relativ zueinander bewegbar. Ein Verbindungsvorgang erfolgt unter einem Aufeinanderzubewegen der Stempel- und der Matrizenmittel.
  • Schließlich ist es vorteilhaft, dass die Verformungsmittel abgestimmt sind in einem Verbindungsvorgang den Kragen umzuformen und einen Schaftabschnitt des Verbindungselements zu verformen.
  • Wird ein Verbindungselement von der Seite mit dem Kragen in die Durchzugöffnung eingebracht, sind die Verformungsmittel derart ausgebildet einerseits den Kragen über die Anlage des Verbindungselement-Kopfabschnitts am Kragen umzuformen und andererseits den Schaftabschnitt und die erste Bauteillage zu verformen, was zum Beispiel über eine Dornmatrize erfolgen kann, bevorzugt einstufig.
  • Auch möglich ist es, dass zur Verformung der ersten Bauteillage auf der dem Durchzug gegenüberliegenden Seite Matrizenmittel mit einem Prägering vorhanden sind, der sich in die erste Bauteillage eindrückt und Material der ersten Bauteillage in eine Vertiefung außen an dem Verbindungselement eindrückt und so eine Verankerung zwischen dem Verbindungselement und der ersten Bauteillage entsteht.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verbindungssystem aus wenigstens zwei Bauteillagen, die mittels eines Durchzuges einer ersten Bauteillage verbunden sind, wobei der Durchzug eine Durchzugöffnung und auf einer Seite der ersten Bauteillage einen die Durchzugöffnung umgebenden erhöhten Kragen aufweist, wobei für ein Verbinden der Bauteillagen die Bauteillagen derart positioniert sind, dass, der Kragen durch eine vorhandene Öffnung der wenigstens einen weiteren Bauteillage durchreicht und ein Rand des Kragens über eine Seite der wenigstens einen weiteren Bauteillage übersteht, und der Kragen derart umgeformt ist, dass umgeformtes Kragenmaterial die wenigstens eine weitere Bauteillage überlappt. Das Verbindungssystem ist stabil bzw. ermöglicht es, Bauteillagen aus unterschiedliche Materialien vorteilhaft zu verbinden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verbindungssystems ist ein Verbindungselement in die Durchzugöffnung eingebracht und an den Bauteillagen fixiert. Damit wird ein Verbindungssystem in geschlossener Form bzw. mit geschlossenen Bauteillagen bereitgestellt.
  • Vorteilhafterweise ist das Verbindungselement derart ausgestaltet, dass der Kopfabschnitt des Verbindungselements mit einer Funktionalität bzw. mit einem Funktionsteil versehen ist. Die Funktionalität kann zum Beispiel ein Gewinde und/oder einen Kugelkopf umfassen.
  • Das Verbindungselement kann vorteilhaft aus einem Kunststoffmaterial bestehen und/oder außen mit einer galvanisch trennenden Schicht versehen sein. Damit können effektiv andernfalls ggf. auftretende elektrochemische Korrosionsvorgänge im Bereich des in dem Verbindungssystem vorhandenen Verbindungselements vermieden werden.
  • Figurenbeschreibung
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind anhand unterschiedlicher in den Figuren schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Im Einzelnen zeigt:
  • 1 eine Schnittansicht durch Teile eines erfindungsgemäßen Werkzeugs und durch zwei zu verbindende Bauteillagen vor der Fertigstellung der Verbindung, die mittels eines Durchzugs in einem der Bauteillagen und eines im Durchzug eingebrachten Verbindungselementes hergestellt wird,
  • 2 die ausgehend vom Zustand gemäß 1 in einem Verbindungspunkt fertig verbundenen Bauteillagen im Schnitt,
  • 3 und 4 jeweils einen zu 2 alternativen erfindungsgemäß erstellten Verbindungspunkt mit einem Verbindungselement in Schnittansicht,
  • 5 eine Schnittansicht durch Teile eines erfindungsgemäßen Werkzeugs und durch zwei zu verbindende Bauteillagen vor der Fertigstellung der Verbindung, die mittels eines Durchzugs in einem der Bauteillagen ohne ein Verbindungselement hergestellt wird, und
  • 6 die ausgehend vom Zustand gemäß 5 fertig verbundenen Bauteillagen im Schnitt.
  • In den Figuren sind teils die gleichen Bezugszeichen für sich entsprechende Teile unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendet.
  • In sämtlichen Ausführungsbeispielen sind die zu verbindenden bzw. verbundenen Bauteillagen mit den Bezugszeichen 1 und 2 bezeichnet, wobei eine erste Bauteillage 1 mit einem Durchzug 3 vorbereitet und eine weitere Bauteillage 2 mit einer Öffnung 4 versehen ist.
  • In den Figuren sind ausschnittsweise und vergrößerte bzw. schematisierte und vereinfachte Schnittansichten im Bereich der zwei Bauteillagen 1 und 2 dargestellt, wobei unterschiedliche Verfahrensschritte zur Herstellung der Verbindung mit und ohne Verbindungselement gezeigt sind. Die 1 bis 4 betreffen Anordnungen, bei denen die Verbindung neben den Bauteillagen 1, 2 ein Verbindungselement umfasst. Die 5 und 6 betreffen eine erfindungsgemäß erstellte Verbindung ohne ein Verbindungselement.
  • Die Bauteillagen sind im Wesentlichen plattenartig bzw. flächig eben ausgestaltet. Dicken der Bauteillagen liegen zum Beispiel im Millimeterbereich für jede einzelne Bauteillage.
  • Das Verbindungselement ist vorteilhaft auf die Dicke der beiden Bauteillagen und die Abmessung bzw. Form des Durchzuges in der ersten Bauteillage entsprechend abgestimmt.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt von zwei zu verbindenden aufeinanderliegenden Bauteillagen 1 und 2, wobei oberhalb der in der gezeigten Ansicht unteren Bauteillage 1 mit einem Durchzug 3 eine mit einer Öffnung 4 versehene bzw. vorgelochte Bauteillage 2 vorhanden ist. Eine Unterseite 2b der zweiten Bauteillage 2 liegt dabei flächig auf einer Oberseite 1a der ersten Bauteillage 1.
  • Der Durchzug 3 umfasst eine die Bauteillage 1 lochende Durchzugöffnung 5 und einen die Durchzugöffnung 5 oberseitig umschließenden Kragen 6, der zur Oberseite 1a einen Überstand der Höhe ü aufweist. Der Kragen 6 besitzt über seine wesentliche Höhe eine gleichbleibende Dicke b, die geringer als die Bauteildicke a der Bauteillage 1 ist.
  • Ein Übergang der Oberseite 1a der Bauteillage 1 in den Kragen 6 ist über einen Radius bzw. konkav gebogen ausgebildet bzw. ein Übergang von einer Unterseite 1b der ersten Bauteillage 1 in den Kragen 6 erfolgt ebenfalls mit einem Radius bzw. konvex gebogen.
  • Der Kragen 6 reicht durch die zylindrische Öffnung 4 in der Bauteillage 2, wobei die Öffnung 4 einen etwas größeren Innendurchmesser aufweist als ein Außenmaß bzw. Außendurchmesser eines zylindrischen Abschnitts des Kragens 6. Ein freier Rand 6a mit einer ringförmigen ebenen Stirnseite 6b des Kragens 6 steht über eine Oberseite 2a der Bauteillage 2 über. Das Überstandsmaß des Kragens 6 zur Oberseite 2a beeinflusst eine Überlappung bei den fertig verbundenen Bauteillagen 1, 2 gemäß 2.
  • In den aufeinander liegenden Bauteillagen 1, 2 bzw. in die Durchzugöffnung 5 ist ein als Nietelement 7 ausgebildetes Verbindungselement eingebracht. Das Nietelement 7 befindet sich in Richtung normal zur Unterseite 1b der Bauteillage 1 in einer Anschlagposition zur ersten Bauteillage 1. Demgemäß wird zum Verbinden der Bauteillagen 1 und 2 mittels des Durchzugs 6 und dem Nietelement 7 das Nietelement 7 von der Unterseite 1b her in die Durchzugöffnung 5 eingesteckt. Die Anschlagposition des Nietelements 7 ergibt sich durch Anlage von Abschnitten des Nietelements 7 an der Unterseite 1b und den konvex geformten Wandungsabschnitten der Durchzugöffnung 5.
  • Das Nietelement 7 umfasst einen Kopfabschnitt 8 und einen Schaftabschnitt 9, wobei der Kopfabschnitt 8 in seiner Außenabmessung bzw. seinem Durchmesser größer als eine Außenabmessung bzw. ein Durchmesser des Schaftabschnitts 9 und insbesondere größer als der Durchmesser der Durchzugöffnung 5 ist. Der Kopfabschnitt 8 steht im für eine Verbindung der Bauteillagen 1, 2 richtigen Position, die eine Anschlagposition darstellt, zumindest mit seiner Unterseite 8a an der Unterseite 1b der ersten Bauteillage 1 an. Ein hohlkehlenförmiger Übergang von der Unterseite 8a des Kopfabschnitts 8 in den Schaftabschnitt 9 ist angepasst an den konvexen Übergang von der Unterseite 1b der Bauteillage 1 in den hohlzylindrischen Teile der Durchzugöffnung 5. Die Bauteillage 1 und das Nietelement 7 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel so aufeinander abgestimmt, dass bei für einen Verbindungsvorgang positionsrichtig eingebrachtem Nietelement 7 im hohlzylindrischen Teil der Durchzugöffnung 5 ein geringer Spalt zwischen dem Nietelement 7 und der Bauteillage 1 ausgebildet ist.
  • Um beim Verbindungsvorgang die Bauteillagen 1, 2 mit dem eingebrachten Nietelement 7 abzustützen bzw. positionsrichtig zueinander festzuhalten und auch beim anschließenden Fertigstellen der Verbindung diese Teile abzustützen, sind Haltemittel eines entsprechenden erfindungsgemäßen Verbindungswerkzeuges vorhanden, welche in 1 stark vereinfacht bzw. schematisch als ein Halteelement 10 ausgestaltet sind. Der Kopfabschnitt 8 ist in einer auf den Kopfabschnitt 8 entsprechend abgestimmten vertieften Aufnahme 11 des Halteelements 10 fest aufgenommen gehalten und in seiner Relativposition zu den Bauteillagen 1 und 2 fixiert.
  • Weitere ggf. vorhandene Elemente zum Abstützen bzw. zur Auflage der Bauteillagen 1, 2 sind nicht dargestellt.
  • Dem Halteelement 10 gegenüberliegend, den Bereich des Kragens 6 und lateral benachbarte Bereiche überdeckend, sind als ein Matrizenelement 12 ausgebildete Matrizenmittel vorhanden, die eine Matrizenvertiefung 13 umfassen, deren Innenkontur zum Fertigstellen der Verbindung der Bauteillagen 1 und 2 mittels des Durchzugs 3 und dem Nietelement 7 bzw. zum Umformen des Kragens 6 und zum Verformen eines Endbereichs des Schaftabschnitts 9 abgestimmt ausgestaltet ist. Hierfür weist die Innenkontur der Matrizenvertiefung 13 einen leicht nach außen gewölbten bzw. linsenkopfartig erhöhten Dornabschnitt 14 auf, welcher dem Endbereich des Schaftabschnitts 9 gegenüberliegt. Der Endbereich des Schaftabschnitts 9 bzw. eine Stirnseite des Schaftabschnitts 9 weist eine muldenartige Vertiefung 15 auf. Der Dornabschnitt 14 und die Vertiefung 15 bewirken im Zusammenspiel beim Verpressen durch eine Relativbewegung des Matrizenelements 12 und der Bauteillagen 1, 2 mit dem eingebrachten Nietelement 7 aufeinander zu bzw. bei einer Bewegung des Matrizenelements 12 gemäß des Pfeils P1 eine Verformung bzw. Verbreiterung des Endbereichs des Schaftabschnitts 9 und eine Umbördelung des Randes 6a des Kragens 6, so dass die fertiggestellte Verbindung bzw. ein Verbindungspunkt gemäß 2 entsteht. Aus dem Rand 6a des Kragens 6 entsteht dabei ein umgebogener bzw. umgebördelter Rand 17, der durch eine Überlappung mit einer Überlappungstiefe c von einem Rand der Öffnung 4 aus betrachtet die Oberseite 2a der Bauteillage 2 etwas überdeckt und so einen Hinterschnitt 16 ausbildet. Durch das aufgrund der Kraftbeaufschlagung mit dem Matrizenelement 12 nach außen umgebogene bzw. verformte Material am freien Ende des Schaftabschnitts 9 entsteht außerdem aus Material des Schaftabschnitts 9 eine Überdeckung 18, welche den Rand 17 oben überlappt.
  • Am in 2 dargestellten Verbindungspunkt sind mit dem Hinterschnitt 16 die Bauteile 1 und 2 miteinander fest verbunden bzw. mit der Überdeckung 18 das Nietelement 7 mit den Bauteillagen 1, 2 fixiert.
  • Der Verbindungspunkt ist geschlossen und zu beiden Seiten der Bauteillegen 1, 2 mit erhöhter Kontur ausgestaltet. Gegebenenfalls kann über einen entsprechend vorbereiteten Kopfabschnitt 8 und/oder einen vorbereiteten Schaftabschnitt 9 eine Funktionalität am Verbindungspunkt beispielsweise ein Außen- oder Innengewinde realisiert werden.
  • Bei dem zu 2 alternativen Verbindungspunkt gemäß 3 sind die gleichen Bauteillagen 1 und 2 vor dem Verbindevorgang gemäß 1 zueinander in Anlage gebracht und ein Nietelement 19, mit einem Kopfabschnitt 20 und einem Schaftabschnitt 21 verwendet, das dem Nietelement 7 gemäß 1 nahezu entspricht. Lediglich im Bereich einer Unterseite des Kopfabschnitts 20 bzw. einer Hohlkehle im Übergang vom Kopfabschnitt 20 zum Schaftabschnitt 21 ist gegenüber dem Nietelement 7 insbes. ein etwas geringerer Radius ausgestaltet.
  • Im Unterschied zur Vorgehensweise gemäß 1 und 2 ist das Nietelement 19 mit dem Schaftabschnitt 21 voraus von der Seite eines überstehenden Randes 6a des Kragens 6 in eine Durchzugöffnung in der Bauteillage 1 eingebracht worden. Das im Durchzug eingebrachte Nietelement 20 gelangt daher mit einer Unterseite 20a des Kopfabschnitts 20 in Anlage am Kragen 6 und der Schaftabschnitt 21 endet im Bereich einer Unterseite 1b der ersten Bauteillage 1. Beim Verbindungsvorgang mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug findet unter Aufbringung einer Verbindungs- bzw. Verpresskraft mit entsprechend ausgestalteten Matrizenmitteln, die auf den Endbereich des Schaftabschnitts 21 wirken, und mit Haltemitteln, die auf den Kopfabschnitt 20 einwirken, die Fertigstellung der Verbindung mit umgebördeltem Kragen gemäß 3 statt, sodass eine Überlappung zur Bauteillage 2 entsprechend dem Verbindungspunkt aus 2 entsteht.
  • Der Kragen wird dabei mit Hilfe des Kopfabschnitts 20 umgeformt. Zur Verankerung des Nietelements 19 an der Bauteillage 1 wird mit den Matrizenmitteln der Endbereich des Schaftabschnitts 21 unter einer Verbreiterung verformt und auch die Bauteillage 1 im Bereich des konvexen Übergangs von der Unterseite 1b in die Durchzugöffnung. Dabei wird im Schaftabschnitt 21 ein endseitig umlaufender Absatz 22 realisiert, der sich in die Bauteillage 1 einpresst und eine Außenabmessung aufweist, die größer ist als eine Außenabmessung des verbleibenden Schaftabschnitts 21 bzw. als ein Querschnitt der Durchzugöffnung. Es findet also gegenüber dem ursprünglichen Nietelement 20 eine Verbreiterung des Endes des Schaftabschnitts 21 statt. Die Verformung ist so abgestimmt, dass im verbundenen Zustand am Verbindungspunkt kein Überstand zur Unterseite 1b vorhanden ist. 3 zeigt demgemäß einen einseitig ebenen und geschlossenen Verbindungspunkt.
  • 4 zeigt einen zu 3 ähnlichen Verbindungspunkt an zwei Bauteillegen 1 und 2, die wie in 1 ausgebildet und vor dem Verbinden zueinander positioniert sind.
  • Dabei kommt ein Nietelement 23 mit einem Kopfabschnitt 24 und einem Schaftabschnitt 25 zum Einsatz, wobei die Funktion des Nietkopfes 24 der Funktion des Nietkopfes 20 des Nietelements 19 gemäß 3 entspricht. Das Nietelement 23 wird wie beim Verbindungspunkt aus 3 von der Seite eines Kragens eines Durchzuges in der Bauteillage 1 eingebracht. Ein Außenmaß bzw. ein Außendurchmesser des Schaftabschnitts 25 ist daher etwas geringer als ein Öffnungsdurchmesser einer Durchzugöffnung des Durchzuges. Anschließend findet unter einem Verpressvorgang mit einem Halteelement und einem Matrizenelement einerseits eine Umformung des Kragens mit Hilfe des Nietkopfes 24 statt und andererseits eine Umformung der Bauteillage 1 im Bereich eines Übergangs von einer Unterseite 1b der Bauteillage 1 in eine Durchzugöffnung. Im Unterschied zum Verbindungspunkt gemäß 3 wird das Nietelement 23 selbst nicht verformt. Mit der unterseitigen Umformung der Bauteillage 1 wird über z. B. einen in die Bauteillage eindrückenden Prägering des Matrizenelements eine Einprägung 27 in der Unterseite 1b vorgenommen und Material der Bauteillage 1 in eine außen im Schaftabschnitt 25 vorhandene umfängliche Rille 26 eingepresst und so das Nietelement 23 an der Bauteillage 1 verankert bzw. fest und dauerhaft fixiert.
  • Die 5 und 6 zeigen eine Alternative eines erfindungsgemäß hergestellten Verbindungspunktes zur Verbindung von zwei Bauteillagen 1 und 2. Dabei wird im Bereich eines Durchzuges 3 der ersten Bauteillage 1, wobei ein Kragen 6 des Durchzuges 3 durch eine Öffnung 4 der zweiten Bauteillage 2 greift, ein Rand 6a des Kragens 6 durch ein Matrizenelement 28 im Zusammenwirken mit einem Halteelement 29 jedoch ohne ein Verbindungselement umgeformt bzw. umgebördelt. Den Zustand unmittelbar vor der Umformung zeigt 5. Durch z. B. eine Bewegung des Matrizenelements 28 mit einem erhöht ausgebildeten Dorn gemäß Pfeil P2 entsteht ein Hinterschnitt 30 bzw. eine Überlappung von umgeformtem Kragenmaterial auf einer Oberseite 2a der Bauteillage 2. Der fertiggestellte Verbindungspunkt gemäß 6 ist einseitig eben und über eine Durchzugöffnung 5 des Durchzuges 3 offen.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Werkzeug ist optional ein Niederhalter verwendbar, der die positionsrichtig zueinander vorhandenen Bauteillagen beim Verbinden fixiert.
  • Entsprechend sind optional Abstreifmittel verwendbar und/oder ist eine Aushebevorrichtung vorgesehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bauteillage
    1a
    Oberseite
    1b
    Unterseite
    2
    Bauteillage
    2a
    Oberseite
    2b
    Unterseite
    3
    Durchzug
    4
    Öffnung
    5
    Durchzugöffnung
    6
    Kragen
    6a
    Rand
    6b
    Stirnseite
    7
    Nietelement
    8
    Kopfabschnitt
    8a
    Unterseite
    9
    Schaftabschnitt
    10
    Halteelement
    11
    Aufnahme
    12
    Matrizenelement
    13
    Matrizenvertiefung
    14
    Dornabschnitt
    15
    Vertiefung
    16
    Hinterschnitt
    17
    Rand
    18
    Überdeckung
    19
    Nietelement
    20
    Kopfabschnitt
    20a
    Unterseite
    21
    Schaftabschnitt
    22
    Absatz
    23
    Nietelement
    24
    Kopfabschnitt
    25
    Schaftabschnitt
    26
    Rille
    27
    Einprägung
    28
    Matrizenelement
    29
    Halteelement
    30
    Hinterschnitt

Claims (20)

  1. Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen (1, 2) mittels eines Durchzuges (3) einer ersten Bauteillage (1), der eine Durchzugöffnung (5) und auf einer Seite der ersten Bauteillage (1) einen die Durchzugöffnung (5) umgebenden erhöhten Kragen (6) aufweist, wobei für ein Verbinden der Bauteillagen (1, 2) die Bauteillagen (1, 2) derart positioniert werden, dass der Kragen (6) durch eine vorhandene Öffnung (4) der wenigstens einen weiteren Bauteillage (2) durchreicht, wobei ein Rand (6a) des Kragens (6) über eine Seite der wenigstens einen weiteren Bauteillage (2) übersteht, und der Kragen (6) derart umgeformt wird, dass umgeformtes Kragenmaterial die wenigstens eine weitere Bauteillage (2) überlappt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung auf einer Seite der Bauteillagen (1,2), die dem umgeformten Kragenmaterial gegenüberliegt, zumindest im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungselement (7, 19, 23) in die Durchzugöffnung (5) eingebracht wird, wobei unter einer Verformung des Verbindungselements (7, 19) und/oder unter einer Umformung der ersten Bauteillage (1) die Verbindung der wenigstens zwei Bauteillagen (1, 2) fertig gestellt wird, wobei das Verbindungselement (7, 19, 23) an den Bauteillagen (1, 2) fixiert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des Verbindungselements (7, 19) und die Umformung des Kragens (6) in einem Prozessschritt erfolgt, insbesondere in einem einstufigen Prozess.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (7) in die Durchzugöffnung (5) eingebracht und ein Schaftabschnitt (9) des Verbindungselements (7) im Bereich des Kragens (6) positioniert wird, wobei der Kragen (6) unter einer Verformung des Schaftabschnitts (9) umgeformt wird, wobei verformtes Material des Schaftabschnitts (9) an umgeformtes Material des Kragens (6) angedrückt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (7) in die Durchzugöffnung (5) eingebracht wird, wobei ein Kopfabschnitt (8) des Verbindungselements (7), auf einer dem Kragen (6) gegenüberliegenden Seite der ersten Bauteillage (1) in Anlage gebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (19, 23) in die Durchzugöffnung (5) eingebracht wird, wobei ein Kopfabschnitt (20, 24) des Verbindungselements (19, 23) an dem Kragen (6) in Anlage gebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (19, 23) in die Durchzugöffnung (5) eingebracht wird, wobei ein Kopfabschnitt (20, 24) des Verbindungselements (19, 23) eine Außenabmessung aufweist, die größer als ein Innenmaß der Durchzugöffnung (5) ist, wobei der Kopfabschnitt (20, 24) an dem Kragen (6) ansteht und im Zusammenwirken mit dem Kopfabschnitt (20, 24) der Kragen (6) durch eine Relativbewegung, die zwischen dem Verbindungselement (19, 23) und der wenigstens zwei Bauteillagen (1, 2) aufeinander zu stattfindet, umgeformt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Durchzugöffnung (5) eingebrachtes Verbindungselement (7, 19, 23) nach dem Verbindungsvorgang so an den Bauteillagen (1, 2) fixiert wird, dass eine geschlossene Verbindung erstellt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Durchzugöffnung (5) eingebrachtes Verbindungselement (19, 23) mit dem Verbindungsvorgang so an den Bauteillagen (1, 2) fixiert wird, dass eine Seite der Bauteillagen (1, 2) zumindest im Wesentlichen eben zu benachbarten Abschnitten der betreffenden Seite erstellt wird, wobei die betreffende Seite der Seite mit dem umgeformten Kragenmaterial gegenüberliegt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (7, 19) durch eine Verbreiterung des Schaftabschnitts (9, 21) verformt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbreiterung des Schaftabschnitts (9, 21) des Verbindungselements (7, 19) und die Umformung des Kragens (6) in einem Prozessschritt erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optional eine Abstreifanordnung und/oder eine Aushebevorrichtung und/oder ein Niederhalter verwendet wird.
  14. Werkzeug zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen (1, 2) mittels eines Durchzuges (3) einer ersten Bauteillage (1), der eine Durchzugöffnung (5) und auf einer Seite der ersten Bauteillage (1) einen die Durchzugöffnung (5) umgebenden erhöhten Kragen (6) aufweist, wobei für ein Verbinden der Bauteillagen (1, 2) die Bauteillagen (1, 2) derart positioniert werden, dass der Kragen (6) durch eine vorhandene Öffnung (4) der wenigstens einen weiteren Bauteillage (2) durchreicht und ein Rand (6a) des Kragens (6) über eine Seite der wenigstens einen weiteren Bauteillage (2) übersteht, wobei Verformungsmittel (12, 28) zum Umformen des Kragens (6) vorgesehen sind, so dass umgeformtes Kragenmaterial die wenigstens eine weitere Bauteillage (2) überlappt.
  15. Werkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Verformungsmittel (12) abgestimmt sind in einem Verbindungsvorgang den Kragen (6) umzuformen und einen Schaftabschnitt (9) des Verbindungselements (7) zu verformen.
  16. Werkzeug nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass optional eine Abstreifanordnung und/oder eine Aushebevorrichtung und/oder ein Niederhalter vorhanden ist.
  17. Verbindungssystem aus wenigstens zwei Bauteillagen (1, 2), die mittels eines Durchzuges (3) einer ersten Bauteillage (1) verbunden sind, wobei der Durchzug (3) eine Durchzugöffnung (5) und auf einer Seite der ersten Bauteillage (1) einen die Durchzugöffnung (5) umgebenden erhöhten Kragen (6) aufweist, wobei für ein Verbinden der Bauteillagen (1, 2) die Bauteillagen (1, 2) derart positioniert sind, dass der Kragen (6) durch eine vorhandene Öffnung (4) der wenigstens einen weiteren Bauteillage (2) durchreicht und ein Rand (6a) des Kragens (6) über eine Seite der wenigstens einen weiteren Bauteillage (2) übersteht, und der Kragen (6) derart umgeformt ist, dass umgeformtes Kragenmaterial die wenigstens eine weitere Bauteillage (2) überlappt.
  18. Verbindungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungselement (7, 19, 23) in die Durchzugöffnung (5) eingebracht und an den Bauteillagen (1, 2) fixiert ist.
  19. Verbindungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement derart ausgestaltet ist, dass der Kopfabschnitt des Verbindungselements mit einer Funktionalität bzw. mit einem Funktionsteil versehen ist.
  20. Verbindungssystem nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement aus einem Kunststoffmaterial besteht und/oder außen mit einer galvanisch trennenden Schicht versehen ist.
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