DE102012008179A1

DE102012008179A1 - Verbindungssystem und Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen

Info

Publication number: DE102012008179A1
Application number: DE201210008179
Authority: DE
Inventors: Georg Boscher; Klemens Uebele; Rüdiger Timmermann
Original assignee: Tox Pressotechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Tox Pressotechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-10-31

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verbindungssystem und einem Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen (7, 8), wobei eine erste Bauteillage (7) mit einer Öffnung (9) versehen wird und eine weitere Bauteillage (8) ohne eine Öffnung an einer Anlageseite der ersten Bauteillage (7) im Bereich der Öffnung (9) aufgelegt wird, wobei Material der weiteren Bauteillage (8) in die Öffnung (9) gedrückt wird. Erfindungsgemäß wird Material der weiteren Bauteillage (8) durch einen zu einem Ende eines Stempelelements hin sich absatzartig verjüngenden Verformungsabschnitt umgeformt, wobei das Stempelelement und die wenigstens zwei Bauteillagen (7, 8) derart relativ zueinander bewegt werden, dass ein Absatz des Verformungsabschnitts bis in den Bereich der Öffnung (9) der ersten Bauteillage (7) eingetaucht wird.

Description

Stand der Technik
Im Bereich der Zusammenhalt schaffenden Fertigungsverfahren sind mechanische Fügetechnologien wie beispielsweise das Fügen durch Umformen bekannt. Zum Verbinden von flachen bzw. plattenartigen Werkstücken bzw. Bauteillagen können Werkzeuge verwendet werden, welche ein Stempelelement und ein Matrizenelement umfassen, zwischen denen die Bauteillagen beim Verbindungsvorgang positioniert und im Zusammenwirken von Stempelelement und Matrizenelement umgeformt werden.
Das Verbinden der Bauteillagen ohne ein in einem Verbindungsbereich an den Bauteillagen verbleibendes Verbindungselement stellt eine vergleichsweise weniger aufwändige Verbindungsvariante dar.
Aufgrund der zunehmenden Verwendung von unterschiedlichen Materialpaarungen bei den miteinander zu verbindenden Bauteillagen müssen eine Vielzahl von zusätzlichen Faktoren berücksichtigt werden, um eine praxistaugliche Verbindungstechnologie bereitstellen zu können.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben skizzierten Verbindungstechnologien vorteilhaft weiterzubilden, insbesondere was das Verbinden von Bauteillagen im Hinblick auf einen breiten Einsatz unterschiedlicher Bauteilmaterialien betrifft.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung aufgezeigt.
Die Erfindung geht zunächst aus von einem Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen in einem Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteillagen, wobei eine Bauteillage mit einem Stempelelement im Zusammenwirken mit einem Matrizenelement umgeformt wird und die Verbindung ohne ein an den Bauteillagen verbleibendes Verbindungselement fertiggestellt wird, wobei eine erste Bauteillage mit einer Öffnung versehen wird und eine weitere Bauteillage ohne eine Öffnung an einer Anlageseite der ersten Bauteillage im Bereich der Öffnung aufgelegt wird, wobei die weitere Bauteillage die Öffnung der ersten Bauteillage überdeckt und nachfolgend Material der weiteren Bauteillage in die Öffnung der ersten Bauteillage gedrückt wird, sodass die Bauteillagen miteinander verbunden sind. Die wenigstens eine Bauteillage mit einem Durchgangsloch bzw. mit der Öffnung kann insbesondere aus einem vergleichsweise schlecht umformbaren Material z. B. aus einem Kunststoffmaterial bestehen.
Die wenigstens eine weitere Bauteillage, welche nicht gelocht bzw. durchgehend vorhanden ist und beim Verbindungsvorgang umgeformt wird, ist vorteilhafterweise aus einem vergleichsweise gut umformbaren z. B. einem metallischen Material bzw. einem Blechmaterial.
Der Kern der Erfindung liegt darin, das Material der weiteren Bauteillage mit Hilfe eines zu einem Ende des Stempelelements hin sich absatzartig verjüngenden Verformungsabschnitts umgeformt wird, wobei das Stempelelement und die wenigstens zwei Bauteillagen derart relativ zueinander bewegt werden, dass ein Absatz des Verformungsabschnitts bis in den Bereich der Öffnung der ersten Bauteillage eingetaucht wird. Vorteilhafterweise tauchen mehrere Absätze in den Bereich der Öffnung der ersten Bauteillage beim Umformvorgang ein.
Der absatzartig sich verjüngende Verformungsabschnitt weist genau einen Absatz oder insbesondere mehrere Absätze auf. Für ein erfindungsgemäßes Vorgehen ist es grundlegend, dass der Verformungsabschnitt sich in Längsrichtung absatzartig zum Beispiel stufig oder treppenartig verjüngt. Betrachtet man einen Absatz, ist ein erster Bereich mit einem definierten ersten Außendurchmesser über den Absatz zu einem benachbarten zweiten Bereich mit einem zweiten Außendurchmesser getrennt, wobei sich der erste und der zweite Außendurchmesser unterscheiden. Ein Übergang von einem Außendurchmesser zu einem anderen Außendurchmesser kann z. B. treppenartig bzw. radial geradlinig, konisch, konvex oder konkav ausgebildet sein. In Längsrichtung des Stempelelements betrachtet ist die Erstreckung eines Übergangs zwischen zwei benachbarten bzw. unterschiedlichen Außendurchmesserbereichen in der Regel geringer als die Erstreckung des Außendurchmesserbereichs selbst.
Häufig ist eine Grundform des Verformungsabschnitts bzw. der dort vorhandenen Bereiche zwischen zwei Absätzen bzw. Übergängen zylindrisch und die Öffnung ist kreisförmig, es sind aber auch andere aufeinander abgestimmte Querschnitts- bzw. Grundformen betreffend den Verformungsabschnitt und die Öffnung möglich.
Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Außenseite eines zwischen zwei Übergängen liegenden Außendurchmesserbereichs von der zylindrischen Form bzw. von einem gleichbleibenden kreisförmigen Querschnitt abweicht, zum Beispiel leicht konisch ist.
Der Verformungsabschnitt weist vorteilhafterweise mehrere Absätze bzw. mehrere zwischen zwei Absätzen bzw. Übergängen liegende Bereiche mit jeweils in sich gleichbleibenden aber untereinander sich unterscheidenden Außendurchmessern auf, vorteilhafterweise zwei bis fünf oder mehr Absätze bzw. mehrere Außendurchmesserbereiche.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die weitere Bauteillage bzw. das Material der weiteren Bauteillage, welches umgeformt wird, im umgeformten bzw. nach unten in die Öffnung gezogenen Bereich zusammenhängend erhalten bleibt, womit eine höhere Stabilität der Verbindung im Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteillagen erzielt wird. Insbesondere bleiben geschlossene Oberflächen der weiteren Bauteillage, bzw. der Oberseite und der Unterseite der weiteren Bauteillage erhalten. Damit wird eine Schwächung der erstellten Verbindung durch das Vermeiden auch kleinster Risse verhindert. Bei nicht erfindungsgemäßen Vorgehensweisen kommt es zu einem ggf. geringen Einreißen im umgeformten Material, was zum Beispiel aufgrund von Kerbwirkungsmechanismen bereits bei geringen Belastungen zu einer maßgeblichen Schwächung bzw. ggf. einem Versagen der Verbindung führen kann.
Die erfindungsgemäß hohe Verbundstabilität ohne Rissbildung wird insbesondere dadurch erreicht, dass während des Umformvorgangs bzw. des Verbindungsvorgangs zumindest ein Absatz wirksam ist bzw. insbesondere mehrere Absätze des Verformungsabschnitts innerhalb der Tiefe der Öffnung in der ersten Bauteillage zur Wirkung kommen bzw. am Ende des Umformvorgangs innerhalb der Öffnung positioniert sind. Bei mehreren vorhandenen Absätzen sind vorteilhaft mehrere ggf. sämtliche Absätze innerhalb der Tiefe der Öffnung wirksam. Das Stempelelement kann insbesondere derart abgestimmt sein, dass der außen stufige Verformungsabschnitt in Längsrichtung sich über eine Länge erstreckt, die zumindest annähernd der Tiefe der Öffnung bzw. der Dicke der wenigstens einen ersten Bauteillage entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar, wenn genau eine erste und genau eine weitere Bauteillage miteinander verbunden werden oder auch, wenn die miteinander zu verbindenden Bauteillagen stempelelementseitig mehrere aufeinanderliegende ungelochte Bauteillagen und/oder matrizenelementseitig mehrere aufeinanderliegende vorgelochte erste Bauteillagen umfassen.
Für einen definierten Umformvorgang sind die zum Beispiel plattenartigen Bauteillagen auf der dem Stempelelement gegenüberliegenden Seite zumindest beim Verbindungsvorgang an dem Matrizenelement abgestützt. Insbesondere liegt die unterste bzw. die erste Bauteillage mit ihrer Unterseite an dem Matrizenelement auf. Der Umformvorgang erfolgt im Zusammenwirken des Stempelelements mit dem auf das Stempelelement abgestimmten Matrizenelement. Das Stempelelement wird beim Umformvorgang in Richtung der Öffnung bzw. quer zu einer Oberseite der weiteren Bauteillage bewegt. Die zentrale Längsachse des Stempelelements deckt sich dabei in der Regel mit der zentralen Achse der Öffnung.
Wird z. B. genau eine weitere Bauteillage mit der ersten Bauteillage verbunden, liegt die weitere Bauteillage mit ihrer Unterseite auf der Ober- bzw. Anlageseite der ersten Bauteillage auf, wobei das Stempelelement beim Verformungsvorgang von oben bzw. auf die Oberseite der ersten Bauteillage einwirkt. Das Stempelelement wirkt auf die weitere Bauteillage dort ein, wo sich darunter die Öffnung der ersten Bauteillage befindet. Die Öffnung stellt somit einen Freiraum bereit, in den das Stempelelement ohne Widerstand durch die erste Bauteillage eintauchen kann und zum anderen umgeformtes Material der weiteren Bauteillage Platz findet bzw. definiert hinein umgeformt werden kann. Das umgeformte Material wird in einen Ringspaltbereich hineinverformt, der sich zwischen der Außenseite des gestuften Verformungsabschnitts und der Öffnung der ersten Bauteillage bei einer entsprechenden Relativbewegung des Stempelelements und der Bauteillagen einstellt. Mit der Größe bzw. Form der Öffnung in der ersten Bauteillage und dem gestuften Verformungsabschnitt wird außerdem die Größe bzw. Form des vertieften Bereichs bzw. des Verbindungsbereichs vorgegeben, wobei die Innenform des umgeformten vertieften Bereichs in der weiteren Bauteillage durch die Außenform des Verformungsabschnitts bestimmt ist. Dabei bildet sich die Innenform des vertieften bzw. umgeformten Bereichs in der weiteren Bauteillage entsprechend dem sich absatzartig verjüngenden Verformungsabschnitts entsprechend absatzartig verjüngend aus.
Mit dem Erreichen einer Endstellung der sich beim Verbindungsvorgang relativ zueinander bewegenden Teile, zum Beispiel bei ruhenden Bauteillagen, ist die Verbindung fertiggestellt, wenn das Stempelelement maximal in Richtung der Bauteillagen bewegt ist, wobei nach dem anschließenden Zurückbewegen des Stempelelements mit dem Herausfahren des Verformungsabschnitts aus der gebildeten Vertiefung in der weiteren Bauteillage die Bauteillagen miteinender fest verbunden sind. Die Verbindung bzw. der Verbindungsbereich ist dicht zum Beispiel gas- und flüssigkeitsdicht geschlossen, falls die weitere Bauteillage entsprechend ausgebildet ist.
Die so gebildete Verbindung umfasst einen stempelseitig sacklochartig vertieften bzw. tiefgezogenen Verbindungsbereich.
Beim Verbindungsvorgang dient die Öffnung in der ersten Bauteillage bzw. deren Wandungsabschnitte als Festabschnitt, gegen den das umgeformte Material der weiteren Bauteillage gegengedrückt wird. Die Öffnung bzw. deren Wandung zeichnet sich insbesondere aus geometrischen Gründen durch eine vergleichsweise hohe mechanische Festigkeit gegen eine Verformung quer zur Öffnungsachse aus. Ein Umformen der ersten Bauteillage findet beim erfindungsgemäßen Verbindungsvorgang nicht bzw. nahezu nicht statt.
Die Art, z. B. Form oder Länge, bzw. Anzahl der Absätze bzw. unterschiedlichen Außendurchmesserabschnitte des Verformungsabschnitts sind insbesondere abgestimmt auf Material- und Geometrieeigenschaften der miteinender zu verbindenden Bauteillagen.
Durch die beim Verbinden nicht umgeformte erste Bauteillage eignet sich das erfindungsgemäße Vorgehen für das Verbinden von Bauteillagen, von denen die erste bzw. gelochte Bauteillage aus einem vergleichsweise schlecht umformbaren Material wie z. B. Kunststoff bzw. einem kunststoffbasierenden Verbundmaterial besteht. Diese Bauteillage muss vor dem Verbinden lediglich die Öffnung aufweisen, was mit bekannten Verfahren und Werkzeugen problemlos einrichtbar ist.
Die weitere Bauteillage besteht aus einem vergleichsweise gut umformbaren Material wie z. B. einem Metall- bzw. Blechmaterial.
Bislang ist es problematisch und/oder aufwändig ein schlecht umformbares Bauteil mit einem gut umformbaren Material zu verbinden, wobei z. B. ein im Verbindungsbereich an den Bauteilen verbleibendes Verbindungselement vorgesehen werden muss.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen in einem Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteillagen, wobei eine Bauteillage mit einem Stempelelement im Zusammenwirken mit einem Matrizenelement umgeformt wird, wobei eine erste Bauteillage mit einer Öffnung versehen wird und eine weitere Bauteillage ohne eine Öffnung an einer Anlageseite der ersten Bauteillage im Bereich der Öffnung aufgelegt wird, wobei die weitere Bauteillage die Öffnung der ersten Bauteillage überdeckt und nachfolgend Material der weiteren Bauteillage in die Öffnung der ersten Bauteillage gedrückt wird, so dass die Bauteillagen miteinander verbunden sind. Dabei liegt der wesentliche Aspekt darin, dass die Verbindung mit einem an den Bauteillagen verbleibenden Verbindungselement fertiggestellt wird, wobei Material der weiteren Bauteillage durch einen einem Ende des Verbindungselements hin sich absatzartig verjüngenden Verformungsabschnitt umgeformt wird, wobei das Verbindungselement und die wenigstens zwei Bauteillagen derart relativ zueinander bewegt werden, dass ein Absatz des Verformungsabschnitts bis in den Bereich der Öffnung der ersten Bauteillage eingetaucht wird. Damit wird vorteilhafterweise ein im Wesentlichen ebener Verbindungsbereich bzw. ohne Vertiefung geschaffen. Mit dem verbleibenden Verbindungselement ist die Verbindung zudem äußerst stabil. Das Verbindungselement kann insbesondere ein Nietelement sein.
Mit dem gestuft sich verjüngenden Verbindungselement werden außerdem die oben zur Verbindung ohne Verbindungselement erläuterten Vorteile erzielt.
Dabei ist es auch vorteilhaft, dass die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstellte Verbindung durch die gestufte Form des Verformungsabschnitts des Stempel- bzw. Verbindungselements eine beim Verbinden relevante Lochlaibungsbeanspruchung in der Öffnung bzw. Bohrung in der ersten Bauteillage auf die Beanspruchbarkeit des matrizenseitigen Werkstoffes bzw. Materials der ersten Bauteillage anpassbar ist. Dadurch wird erreicht, dass die Belastung der matrizenseitigen Bauteillage z. B. eines Bleches oder einer Kunststofflage reduziert wird. Insbesondere wenn die Lochlaibung bzw. Öffnungslaibung relativ groß ist, ist die Gefahr des Einreißens der ersten Bauteillage kritisch. Mit der Abstufung des Verformungsabschnitts des Stempel- bzw. Verbindungselements wird vorteilhafterweise die Belastung auf die ganze Länge bzw. Tiefe der Öffnung bzw. Bohrung verteilt.
Des Weiteren ist die Stufengeometrie bzw. die stufenartig verjüngenden Form des Verformungsabschnitts von Stempel- bzw. Verbindungselements vorteilhaft dahingehend, dass eine harmonische Umformung in einem Halsbereich bzw. einem insbesondere stempelelementseitigen Randbereich der Öffnung möglich ist, so dass lokale Maxima im Umformgrad vermieden bzw. ausreichend gering gehalten werden können. Ohne Stufengeometrie des Verformungsabschnitts würde ansonsten ein lokales Maximum an Zugspannungen dazu führen, dass stempelelementseitiges Material einreißt. Durch die Abstufung des Stempel- bzw. Nietelements wird die Zugspannung besser bzw. auf die gesamte Länge bzw. Tiefe der Öffnung verteilt Weiter ist es vorteilhaft, dass umgeformtes Material der weiteren Bauteillage an der ersten Bauteillage an einer Seite überstehend ausgebildet wird, die der Anlageseite der ersten Bauteillage gegenüberliegt. Die der Anlageseite gegenüberliegende Seite ist insbesondere eine Unterseite der ersten Bauteillage, welche sich matrizenseitig bzw. über das Matrizenelement abstützt. Damit wird sichergestellt, dass die Öffnung in der ersten Bauteillage vorteilhaft von umgeformten Material der weiteren Bauteillage beaufschlagt ist. Mit dem Überstand des umgeformten Materials ist die Verbindung ausreichend bzw. vollständig fertiggestellt, was vorteilhafterweise auch visuell gut erkennbar ist.
Auch ist es vorteilhaft, dass die weitere Bauteillage derart umgeformt wird, dass umgeformtes Material der weiteren Bauteillage einen Rand der Öffnung, der auf einer der Anlageseite gegenüberliegenden Seite der ersten Bauteillage vorhanden ist, hintergreift. Das umgeformte Material wird durch den Umformvorgang erfindungsgemäß bis an den matrizenseitigen Rand der Öffnung verformt und etwas seitlich parallel zur Unterseite der ersten Bauteillage verdrängt, wobei das umgeformte Material zusätzlich an die Unterseite der ersten Bauteillage angedrückt wird. Diese Formgebung wird im Zusammenspiel von Stempelelement und Matrizenelement erreicht. Damit ist ein hoher Verankerungsgrad bzw. eine hohe Verbundstabilität im erstellten Verbindungsbereich der Bauteillagen sichergestellt.
Die starke Verankerungswirkung der miteinander verbundenen Bauteillagen ist durch die Hintergreifung bzw. Überlappung von Material der weiteren Bauteillage am Rand auf der Unterseite der ersten Bauteillage erreicht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der komplette Rand geschlossen von umgeformten Material hintergriffen wird. Der so erstellte Verbindungsbereich weist eine vergleichsweise hohe mechanische Stabilität auf.
Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der auf der Unterseite der ersten Bauteillage ohnehin vorhandene Rand der Öffnung als Haltebereich für Material der weiteren Bauteillage dient, sind keine. gesonderten bzw. weiteren Maßnahmen insbesondere an der ersten Bauteillage nötig, welche andernfalls für eine gewünschte Verankerungswirkung der betreffenden Bauteillagen nötig wäre, womit das vorgeschlagene Verfahren einfach und wenig aufwändig ist.
Über die Hintergreifung können auf die Verbindung in der Praxis wirkende Kräfte vorteilhaft aufgenommen bzw. in die Bauteillagen abgeleitet werden.
Es ist außerdem vorteilhaft, dass bei einem Verbindungsvorgang ein stirnseitiges Ende des Verformungsabschnitts zumindest über nahezu die gesamte Tiefe der Öffnung eintaucht. So kann ein zum Beispiel bevorzugt flaches stirnseitiges Ende des Verformungsabschnitts bzw. des Stempel- oder des Verbindungselements über eine gesamte oder zumindest annähernd gesamte Materialstärke der ersten Bauteillage in die Öffnung eintauchen. Bevorzugt taucht das vordere Ende des Stempelelements bzw. des Verbindungselements noch etwas weiter ein, bis das vordere stirnseitige Ende etwas, z. B. im Bereich eines Millimeters, über eine Ebene hinausreicht, welche mit einer durch die Unterseite der ersten Bauteillage festgelegte Ebene fluchtet. Damit wird die Hintergreifung des unterseitigen Randes der Öffnung in der ersten Bauteillage durch umgeformtes Material sicher möglich. Hierfür ist in dem Matrizenelement entsprechend auszubilden zum Beispiel eine definierte Matrizenvertiefung vorzusehen. Mit der Matrizenvertiefung wird ein Raum für das eintauchende Stempelelement bzw. des Verbindungselements und von diesem vortreibend umgeformte Material bereitgestellt.
Mit der Bewegung des Stempelelements bzw. des vom Stempelelement beaufschlagten Verbindungselements wird ein Boden der gebildeter topfartigen Vertiefung im weiteren Bauteil im Bereich der Unterseite der ersten Bauteillage ausgebildet. Vorteilhafterweise ist das Verfahren so abgestimmt, dass eine Innenseite des Bodens von der Seite des Stempelelements aus gesehen geringfügig tiefer liegt als die Unterseite der ersten bzw. gelochten Bauteillage. Damit liegt auch die Außenseite des Bodens der Vertiefung mit einem Maß der Materialstärke des Bodens entsprechend tiefer, womit die Außenseite des Bodens an der Unterseite der ersten Bauteillage übersteht.
Außerdem ist es weiter vorteilhaft, dass der Verbindungsvorgang in einem Arbeitsschritt durchgeführt wird. Dies ist im Hinblick auf eine hohe Taktzahl bei einer Vielzahl von erfindungsgemäß nacheinander bzw. automatisiert hergestellten Verbindungen vorteilhaft. Dies ist beispielsweise im Fahrzeugbau der Fall.
Gemäß einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Variante, wird die erste Bauteillage mit einer der Anlageseite gegenüberliegenden Seite auf einem Matrizenelement derart aufgelegt, dass die Öffnung im Bereich einer auf den Umformvorgang abgestimmt ausgebildete Matrizenvertiefung in dem Matrizenelement positioniert ist. Die Öffnung ist oberhalb bzw. an einer offene Seite der Matrizenvertiefung vorhanden. Damit kann das Material der weiteren Bauteillage durch die Öffnung bis in den Bereich der Matrizenvertiefung hinein umgeformt werden. Der mit der Matrizenvertiefung bereitgestellte Freiraum ist insbesondere für die Ausbildung des Überstandes von umgeformtem Material an der Unterseite der ersten Bauteillage bzw. für die Hintergreifung des unterseitigen Randes der Öffnung in der ersten Bauteil notwendig. Die seitlichen die Matrizenvertiefung begrenzende Wandungen können feste und/oder bewegliche Abschnitte umfassen, womit umgeformtes Material definiert ausgebildet werden kann. Ein Boden der Matrizenvertiefung ist in der Regel feststehend und bildet einen unnachgiebigen Anschlag für umgeformtes Material, welches den Boden der topfartigen Vertiefung im weiteren Bauteil bildet.
Die beweglichen Wandungsabschnitte können ggf. mit einem Fortschreiten des Umformvorgangs seitlich ausweichen, sodass umgeformtes Material an der Unterseite überstehend bzw. den unterseitigen Rand der Öffnung hintergreifend ausbildbar ist.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verbindungssystem aus wenigstens zwei Bauteillagen mit einem Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteillagen, der ohne ein an dem Verbindungsbereich verbleibendes Verbindungselement gebildet ist, wobei im Verbindungsbereich eine erste Bauteillage eine Öffnung aufweist, in welche Material einer weiteren Bauteillage durch Umformung eingedrückt ist, womit die wenigstens zwei Bauteillagen miteinander verbunden sind.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Verbindungssystems liegt darin, dass die weitere Bauteillage eine in die Öffnung reichende topfartige Vertiefung aufweist, welche in Richtung zu einem Boden der Vertiefung sich stufenartig verjüngt, wobei Material der Vertiefung die erste Bauteillage hintergreift. Insbesondere wir ein Rand der Öffnung auf einer Unterseite der ersten Bauteillage hintergriffen.
Die weitere Bauteillage weist keine Öffnung oder ein Durchgangsloch auf und ist durch Umformung insbesondere gemäß dem oben genannten Verfahren in die Öffnung der ersten Bauteillage eingedrückt.
So kann ein Verbindungssystem bereitgestellt werden, welches die im Zusammenhang mit dem oben erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren aufgezeigten Vorteile aufweist.
Außerdem wird ein Verbindungssystem aus wenigstens zwei Bauteillagen mit einem Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteillagen vorgeschlagen, wobei im Verbindungsbereich eine erste Bauteillage eine Öffnung aufweist, in welche Material einer weiteren Bauteillage durch Umformung eingedrückt ist, womit die wenigstens zwei Bauteillagen miteinander verbunden sind. Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Verbindungsbereich mit einem an dem Verbindungsbereich verbleibenden Verbindungselement gebildet ist und die weitere Bauteillage eine in die Öffnung reichende topfartige Vertiefung aufweist, in welcher das Verbindungselement sitzt, wobei das Verbindungselement und damit die Vertiefung in Richtung zu einem Boden der Vertiefung sich stufenartig verjüngt, wobei Material der Vertiefung die erste Bauteillage hintergreift.
Auch mit diesem Verbindungssystem mit der durch das Verbindungselement ausgefüllten Vertiefung lassen sich die vorgenannten Vorteile erreichen.
Weiter ist es vorteilhaft, dass die Vertiefung sich über mehrere Absätze verjüngt. Dies bezieht sich auf eine Betrachtung in Richtung zu einem Boden der Vertiefung hin. Insbesondere können stufenartige Absätze ausgebildet sein. Die konkrete Form der Verjüngung der Vertiefung entspricht insbesondere einer Außenform eines für die Formgebung der Vertiefung in der weiteren Bauteillage verwendeten Stempelelements mit einem sich verjüngende Verformungsabschnitt, wie dies auch weiter oben beschrieben ist.
Wird ein im Verbindungsbereich verbleibendes Verbindungselement verwendet, ist es entsprechend den vorgenannten Punkten von Vorteil, wenn das Verbindungselement sich über mehrere Absätze verjüngt.
Weiter ist es vorteilhaft, dass der Boden der Vertiefung der weiteren Bauteillage in Bezug zur ersten Bauteillage in etwa auf Höhe einer Unterseite der ersten Bauteillage ausgebildet ist. Eine Innenseite des Bodens kann vorteilhafterweise von der Seite des Stempelelements aus gesehen etwas unterhalb der Unterseite der ersten Bauteillage liegen. Dies ist im Hinblick auf eine Verankerungsstabilität des Verbindungssystems vorteilhaft, wobei umgeformtes Material an der Unterseite übersteht bzw. einen unterseitig am ersten Bauteil vorhandenen Rand der Öffnung hintergreift.
Es ist außerdem vorteilhaft, dass Material der Vertiefung an der Unterseite der ersten Bauteillage mit einem Maß übersteht, das zumindest angenähert einem Maß einer Wandstärke der Vertiefung im Bereich der Öffnung der ersten Bauteillage entspricht. Damit wird ein besonders stabiles Verbindungssystem bereitgestellt. Insbesondere ist für die Verankerung ausreichend Material vorhanden.
Schließlich ist entsprechend einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Variante eine Außenseite des Bodens der Vertiefung eben ausgebildet. Dies ist im Hinblick auf eine an dem betreffenden Bauteil gewünschte störkonturarme Geometrie im Verbindungsbereich der verbundenen Bauteillagen vorteilhaft.
Schließlich ist es vorteilhaft, dass die erste Bauteillage aus einem Kunststoffmaterial besteht. Damit kann ein Bauteil aus einem relativ schlecht umformbaren Material mit einem Bauteil aus einem vergleichsweise gut umformbaren Material eine erfindungsgemäße Verbindung bilden.
Die Erfindung schließt außerdem ein Verbindungselement ein, zum Beispiel ein Nietelement, insbesondere für ein wie oben erläutertes Verbindungssystem bzw. allgemein für ein Verbindungssystem aus wenigstens zwei Bauteillagen mit einem Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteillagen, wobei im Verbindungsbereich eine erste Bauteillage eine Öffnung aufweist, in welche Material einer weiteren Bauteillage durch Umformung eingedrückt ist, womit die wenigstens zwei Bauteillagen miteinander verbunden sind. Das Umformen erfolgt durch Eindrücken des Verbindungselements in die Bauteillagen. Der wesentliche Aspekt der Erfindung liegt darin, dass das Verbindungselement einen zu einem Ende des Verbindungselements hin sich absatzartig verjüngenden Verformungsabschnitt aufweist. Der Verformungsabschnitt des Verbindungselements ist insbesondere wie der Verformungsabschnitt des Stempelelements ausgebildet, wobei das dazu Gesagte entsprechend gilt. Der mit einem Absatz oder insbesondere mit mehreren Absätzen ausgebildete Verformungsabschnitt des Verbindungselements bewirkt bei einem von einem Stempelelement bewirkten Eindrücken des Verbindungselements in die weitere Bauteillage im Bereich der darunterliegenden Öffnung in der ersten Bauteillage das Umformen des Materials der weiteren Bauteillage und drückt dieses Material in die Öffnung der ersten Bauteillage. Dabei ist der Verbindungsbereich mit dem an dem Verbindungsbereich verbleibenden gestuften Verbindungselement in der Art eines verlorenen Stempels gebildet. Die weitere Bauteillage bildet durch die Umformung eine in die Öffnung reichende topfartige Vertiefung aus. Die Vertiefung verjüngt sich in Richtung zu einem Boden der Vertiefung entsprechend der Außenform des Verformungsabschnitts des Verbindungselements stufenartig. Dabei wird erreicht, dass Material der Vertiefung die erste Bauteillage hintergreift und die Bauteillagen verbunden sind. Das Verbindungselement füllt in der fertigen Verbindung die Vertiefung ganz oder zumindest im Wesentlichen aus. Dabei ist das Verbindungselement form- und/oder kraftschlüssig in der Vertiefung fest fixiert.
Eine solche Verbindung ist besonders stabil und weist stempelelementseitig ggf. keine Vertiefung auf bzw. ist stempelelementseitig bündig zu benachbarten Abschnitten auf der Oberseite der weiteren Bauteillage, was ebenfalls vorteilhaft ist.
Figurenbeschreibung
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind anhand von stark schematisierten Ausführungsbeispielen gemäß der 1 und 2 näher erläutert.
Im Einzelnen zeigt:
1 einen Endbereich eines Stempelelements für ein erfindungsgemäßes Verbindungsverfahren in Seitenansicht und
2 einen stark schematisierten Ausschnitt eines Verbindungsbereichs eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems umfassend zwei miteinander erfindungsgemäß verbundene Bauteillagen in Schnittansicht.
1 zeigt einen vorderen Endbereich eines als Stufenstempel 1 ausgebildeten Stempelelements, das als Teil z. B. eines Hubwerkzeuges angetrieben auf- und abwärts bewegbar ist. Der Stufenstempel 1 umfasst einen oberen Schaftabschnitt 2 und einen daran anschließenden unteren Schaftabschnitt 3, wobei der Übergang vom Schaftabschnitt 2 in den Schaftabschnitt 3 durch eine Hohlkehle 4 erfolgt. Der zylindrische Schaftabschnitt 2 weist einen etwas größeren Außendurchmesser auf als der ebenfalls zylindrische Schaftabschnitt 3.
An den unteren Schaftabschnitt 3 schließt sich ein als Verformungsabschnitt 5 ausgebildeter Endabschnitt des Stufenstempels 1 an. Der Verformungsabschnitt 5 verjüngt sich von einem Außendurchmesser d1 des zylindrischen Schaftabschnitts 3 absatzartig bis zu einem geringsten Außendurchmesser d5 am vorderen Ende des Verformungsabschnitts 5, wobei der Außendurchmesser d5 sich konvex bzw. abgerundet mittels eines Übergangs 6 noch etwas bis zu einer flachen Stirnseite 5a des Verformungsabschnitt 5 verringert.
Zwischen dem Schaftabschnitt 3 mit dem Außendurchmesser d1 und dem Bereich mit dem Außendurchmesser d5 verjüngent sich der Verformungsabschnitt 5 zur Stirnseite 5a hin absatzartig.
Dabei sind zylindrische Bereiche mit einem Außendurchmesser d2, d3 und d4 ausgebildet. Die betreffenden Außendurchmesser verringern sich jeweils beginnend mit dem größten Außendurchmesser d1 über den nächsten bzw. kleineren Außendurchmesser d2 und so weiter bis zum Außendurchmesser d5, der geringer ist als der Außendurchmesser d4.
Zwischen den Abschnitten gemäß den Außendurchmessern d1 bis d5 sind konische bzw. gegebenenfalls etwas gebogen geformte Übergänge Ü ausgebildet, wobei diese Übergangsbereiche in Längsrichtung des Stufenstempels 1 regelmäßig etwas kürzer sind als die zylindrischen Bereiche mit den Durchmessern d2, d3, d4 bzw. d5. Diesbezüglich sind aber auch andere Geometrie- bzw. Längenverhältnisse möglich.
Abhängig von der zu lösenden Verbindungsaufgabe bzw. dem gewünschten Umformprozess bzw. den miteinander durch Umformung zu verbindenden Bauteillagen kann der sich verjüngende Verformungsabschnitt 5 auch andersartig gestaltet sein bzw. können die Absätze bzw. Übergänge bzw. die Außendurchmesserbereiche mit den Außendurchmessern d2 bis d5 auch abweichend zur gezeigten Ausführungsform gemäß 1 gestaltet sein.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verbindungssystem mit zwei miteinander verbundenen Bauteillagen 7 und 8, wobei die obere bzw. die bei einem Verbindungs- bzw. Umformvorgang stempelelementseitige Bauteillage 8 mit einer darunter liegenden vorgelochten bzw. matrizenelementseitigen Bauteillage 7 verbunden ist.
Der entsprechende Umformvorgang, wobei anfangs beide Bauteillagen 7 und 8 plattenförmig sind, mit dem Stufenstempel 1 gemäß 1 kann z. B. einstufig in Zusammenwirken mit einem nicht dargestellten Matrizenelement erfolgen. Das Matrizenelement ist vorteilhaft auf einen Umformvorgang von Bauteillagen mit einer matrizenelementseitigen Lochung mit dem Stufenstempel 1 exakt abgestimmt. Das Matrizenelement verfügt hierfür insbesondere über eine Matrizenvertiefung, mit welcher das in 2 dargestellte Verbindungssystem und insbesondere eine Formgebung eines unterseitig an der Bauteillage 7 überstehendes Material im Zusammenwirken mit dem Stufenstempel 1 herstellbar ist.
Die Bauteillage 7 kann insbesondere aus einem schlecht umformbaren Material bestehen, insbesondere einem Kunststoffmaterial und wird mit einer Öffnung bzw. einem Durchgangsloch 9 versehen bzw. vorgelocht, wobei mit dem Durchgangsloch 9 eine Öffnung bereitgestellt wird, in welche Material der Bauteillage 8 in einem Umform- bzw. Verbindungsvorgang hineinverformt werden kann. Das Durchgangsloch 9 bzw. dessen Durchmesser und der Verformungsabschnitt 5 bzw. dessen gestuft verjüngende Außenform sind aufeinander abgestimmt gewählt.
Entsprechend dem absatzartig sich verjüngenden Bereich des Verformungsabschnitts 5 ist eine topfartige Vertiefung 10 in der Bauteillage 8 im Bereich des Durchgangsloches 9 ausgebildet.
Ein Innenseite 11a eines Bodens 11 der Vertiefung 10 ist im Bereich bzw. der Höhe einer Unterseite 7a der Bauteillage 7 insbesondere parallel zu dieser vorhanden. Eine Außenseite 11b des Bodens 11 der Vertiefung 10 ist flach bzw. eben ausgebildet und weist einen Überstand a zur Unterseite 7a auf.
Des Weiteren ist durch die Umformung der Bauteillage 8 im Bereich des Durchgangsloches 9 bzw. durch die darin ausgebildete Vertiefung 10 Material der Bauteillage 8 hinterschneidend ausgebildet zu einem Rand 13 des Durchgangsloches 9 auf der Unterseite 7a der unteren Bauteillage 7. Dabei wird am im gezeigten Schnitt rechtwinkligen Rand 13 eine überlappende und hintergreifende Ringwulst 12 mit einer Hinterschneidung 14 aus umgeformtem Material der Bauteillage 8 gebildet. Damit wird ein besonders stabiler Verbindungspunkt bzw. ein hoch stabiles Verbindungssystem der beiden Bauteillagen 7 und 8 erreicht bzw. eine Verankerung der beiden Bauteillagen 7, 8 im Bereich des Durchgangsloches 9 durch die Umformung der Bauteillage 8 mittels des Stufenstempels 1 gemäß 1 erzielt.
Die Hinterschneidung 14 ist vom Rand 13 in Richtung von flächigen an den Rand 13 heranreichenden Bereichen der Unterseite 7a der Bauteillage 7 mit einem hier beispielhaft dargestellten Überstand b ausgestaltet. Die Hinterschneidung 14 bzw. die Ringwulst 12 ist durchgängig geschlossen bzw. ununterbrochen ausgebildet am gesamten unterseitigen Rand 13 des Durchgangsloches 9. Das Durchgangsloch 9 ist ausgehend vom in der Grundform zylindrischen Stufenstempel 1 hier ein Rundloch bzw. eine kreisförmige Öffnung, wobei die Hinterschneidung 14 bzw. die Ringwulst 12 entsprechend kreisförmig geschlossen am Rand 13 ausgebildet ist.
Eine Materialdicke c des Bodens 11 entspricht in etwa einer mittleren Wanddicke d der Vertiefung 10 im Bereich des Durchgangsloches 9, sodass allseitig ausreichend Material im Bereich des gebildeten Verbindungspunktes der miteinander verbundenen Bauteillagen 7 und 8 vorhanden ist, was die Verbindungsstabilität vorteilhaft beeinflusst.
Für die Ausbildung des Verbindungssystems der Bauteillagen 7 und 8 gemäß 2 kann der Verformungsabschnitt 5 bzw. der Stufenstempel 1 gemäß 1 in Richtung des Pfeils P1 in 2 relativ zu den Bauteillagen 7 und 8 bewegt werden, wobei sich die Bauteillagen 7, 8 mit der Unterseite 7a an dem Matrizenelement abstützen.
Zur Auslegung der Abmaße des Verformungsabschnitts 5 bzw. des Durchgangsloches 9 kann zum Beispiel eine gewünschte Mindestwandstärke der Vertiefung 10 im Bereich eines Randes 15 des Durchgangsloches 9 an einer Oberseite 7b der Bauteillage 7 dienen, da sich in diesem Bereich eine minimale Wandstärke der Vertiefung 10 ergibt, verglichen mit der Wandstärke an anderen tieferliegenden Stellen innerhalb der Vertiefung 10.
In der Praxis ist es nicht ausgeschlossen, dass Material der Bauteillage 7 insbesondere an dem oberen Rand 15 des Durchgangsloches 9 bzw. ggf. auch an dem unteren Rand 13 beim Umformvorgang der Bauteillage 7 ebenfalls etwas verformt zum Beispiel geringfügig verrundet wird.
Bezugszeichenliste

1: Stufenstempel
2: Schaftabschnitt
3: Schaftabschnitt
4: Hohlkehle
5: Verformungsabschnitt
5a: Stirnseite
6: Übergang
7: Bauteillage
7a: Unterseite
7b: Oberseite
8: Bauteillage
9: Durchgangsloch
10: Vertiefung
11: Boden
11a: Innenseite
11b: Außenseite
12: Ringwulst
13: Rand
14: Hinterschneidung
15: Rand

Claims

Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen (7, 8) in einem Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteillagen (7, 8), wobei eine Bauteillage mit einem Stempelelement (1) im Zusammenwirken mit einem Matrizenelement umgeformt wird und die Verbindung ohne ein an den Bauteillagen (7, 8) verbleibendes Verbindungselement fertiggestellt wird, wobei eine erste Bauteillage (7) mit einer Öffnung (9) versehen wird und eine weitere Bauteillage (8) ohne eine Öffnung an einer Anlageseite der ersten Bauteillage (7) im Bereich der Öffnung (9) aufgelegt wird, wobei die weitere Bauteillage (8) die Öffnung (9) der ersten Bauteillage (7) überdeckt und nachfolgend Material der weiteren Bauteillage (8) in die Öffnung (9) der ersten Bauteillage (7) gedrückt wird, so dass die Bauteillagen (7, 8) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass Material der weiteren Bauteillage (8) durch einen zu einem Ende (5a) des Stempelelements (1) hin sich absatzartig verjüngenden Verformungsabschnitt (5) umgeformt wird, wobei das Stempelelement (1) und die wenigstens zwei Bauteillagen derart relativ zueinander bewegt werden, dass ein Absatz des Verformungsabschnitts (5) bis in den Bereich der Öffnung (9) der ersten Bauteillage (7) eingetaucht wird.
Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteillagen in einem Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteillagen, wobei eine Bauteillage mit einem Stempelelement im Zusammenwirken mit einem Matrizenelement umgeformt wird, wobei eine erste Bauteillage mit einer Öffnung versehen wird und eine weitere Bauteillage ohne eine Öffnung an einer Anlageseite der ersten Bauteillage im Bereich der Öffnung aufgelegt wird, wobei die weitere Bauteillage die Öffnung der ersten Bauteillage überdeckt und nachfolgend Material der weiteren Bauteillage in die Öffnung der ersten Bauteillage gedrückt wird, so dass die Bauteillagen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung mit einem an den Bauteillagen verbleibenden Verbindungselement fertiggestellt wird, wobei Material der weiteren Bauteillage durch einen zu einem Ende des Verbindungselements hin sich absatzartig verjüngenden Verformungsabschnitt umgeformt wird, wobei das Verbindungselement und die wenigstens zwei Bauteillagen derart relativ zueinander bewegt werden, dass ein Absatz des Verformungsabschnitts bis in den Bereich der Öffnung der ersten Bauteillage eingetaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass umgeformtes Material der weiteren Bauteillage (8) an der ersten Bauteillage (7) an einer Seite (7a) überstehend ausgebildet wird, die der Anlageseite der ersten Bauteillage (7) gegenüberliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Bauteillage (8) derart umgeformt wird, dass umgeformtes Material der weiteren Bauteillage (8) einen Rand (13) der Öffnung (9), der auf einer der Anlageseite gegenüberliegende Seite (7a) der ersten Bauteillage (7) vorhanden ist, hintergreift.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Verbindungsvorgang ein stirnseitiges Ende (5a) des Verformungsabschnitts (1) zumindest über nahezu die gesamte Tiefe der Öffnung (9) eintaucht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsvorgang in einem Arbeitsschritt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteillage (7) mit einer der Anlageseite gegenüberliegenden Seite (7a) auf einem Matrizenelement derart aufgelegt wird, dass die Öffnung (9) im Bereich einer auf den Umformvorgang abgestimmt ausgebildete Matrizenvertiefung in dem Matrizenelement positioniert ist.
Verbindungssystem aus wenigstens zwei Bauteillagen (7, 8) mit einem Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteillagen (7, 8), der ohne ein an dem Verbindungsbereich verbleibendes Verbindungselement gebildet ist, wobei im Verbindungsbereich eine erste Bauteillage (7) eine Öffnung (9) aufweist, in welche Material einer weiteren Bauteillage (8) durch Umformung eingedrückt ist, womit die wenigstens zwei Bauteillagen (7, 8) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Bauteillage (8) eine in die Öffnung reichende topfartige Vertiefung (10) aufweist, welche in Richtung zu einem Boden (11) der Vertiefung (10) sich stufenartig verjüngt, wobei Material der Vertiefung (10) die erste Bauteillage (7) hintergreift.
Verbindungssystem aus wenigstens zwei Bauteillagen mit einem Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteillagen, wobei im Verbindungsbereich eine erste Bauteillage eine Öffnung aufweist, in welche Material einer weiteren Bauteillage durch Umformung eingedrückt ist, womit die wenigstens zwei Bauteillagen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich mit einem an dem Verbindungsbereich verbleibenden Verbindungselement gebildet ist und die weitere Bauteillage eine in die Öffnung reichende topfartige Vertiefung aufweist, in welcher das Verbindungselement sitzt, wobei das Verbindungselement und damit die Vertiefung in Richtung zu einem Boden der Vertiefung sich stufenartig verjüngt, wobei Material der Vertiefung die erste Bauteillage hintergreift.
Verbindungssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (10) sich über mehrere Absätze verjüngt.
Verbindungssystem nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement sich über mehrere Absätze verjüngt.
Verbindungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (11) der Vertiefung (10) der weiteren Bauteillage (8) in Bezug zur ersten Bauteillage (7) in etwa auf Höhe einer Unterseite (7a) der ersten Bauteillage ausgebildet ist.
Verbindungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Material der Vertiefung (10) an der Unterseite (7a) der ersten Bauteillage (7a) mit einem Maß übersteht, das zumindest angenähert einem Maß einer Wandstärke der Vertiefung (10) im Bereich der Öffnung (9) der ersten Bauteillage (7) entspricht.
Verbindungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenseite (11b) des Bodens (11) der Vertiefung (10) eben ausgebildet ist.
Verbindungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteillage aus einem Kunststoffmaterial besteht.
Verbindungselement, insbesondere Nietelement, für ein Verbindungssystem aus wenigstens zwei Bauteillagen mit einem Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteillagen, wobei im Verbindungsbereich eine erste Bauteillage eine Öffnung aufweist, in welche Material einer weiteren Bauteillage durch Umformung eingedrückt ist, womit die wenigstens zwei Bauteillagen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement einen zu einem Ende des Verbindungselements hin sich absatzartig verjüngenden Verformungsabschnitt aufweist.