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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Koppeln von zwei Bauteilen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Kopplung von zwei Bauteilen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 16.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, insbesondere zur Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen, verschiedene Werkstoffe miteinander zu kombinieren, um ein optimiertes Bauteil hinsichtlich Steifigkeit auf der einen Seite und geringem Eigengewicht auf der anderen Seite zu erreichen. Diese Bauteile werden oftmals als Hybridbauteile bezeichnet, wobei ein Werkstoff maßgeblich die Festigkeitseigenschaften beisteuert und der mindestens zweite Werkstoff ein entsprechend geringes spezifisches Eigengewicht aufweist.
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Zur Kopplung von Stahlbauteilen mit Bauteilen aus einer Leichtmetalllegierung ist beispielsweise ein Schweißlötverfahren bekannt. Dieses Schweißlötverfahren weist Analogien zu einem reinen Lötverfahren auf, weshalb die dadurch hergestellten stoffschlüssigen Verbindungen nur eine beschränkte Festigkeit besitzen. Darüber hinaus ist es hierbei zwingend notwendig, dass die jeweils eingesetzten, miteinander zu fügenden Werkstoffe schweißbar bzw. lötbar sind, also mit einem Schweißzusatzwerkstoff derart chemisch reagieren, dass eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet wird.
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Eine weitere Möglichkeit zum Koppeln von zweier miteinander im Wesentlichen nicht schweißbaren Bauteilen ist ein sogenanntes Schweißnietverfahren. Hierbei werden in ein zweites Bauteil Schweißnieten eingenietet, wobei die Schweißnieten aus einem dem ersten Bauteil gleichen Werkstoff oder aber mit diesem gut schweißbaren Werkstoff ausgebildet sind. In einem weiteren Arbeitsschritt werden dann die eingebrachten Schweißnieten mit dem ersten Bauteil durch ein Schweißverfahren gekoppelt. Hierdurch werden eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und den Schweißnieten sowie eine formschlüssige Verbindung zwischen den Schweißnieten und dem zweiten Bauteil hergestellt.
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Eine weitere Möglichkeit ist es, die beiden Bauteile formschlüssig miteinander zu vernieten. Dies kann in verschiedenen Ausführungsvarianten geschehen, beispielsweise durch einen Clinchprozess oder aber einen Falzprozess oder aber durch Einbringen eines Niets selber. Hierbei werden beide Bauteile zunächst derart zueinander positioniert, dass sie zumindest bereichsweise aneinander anliegen und anschließend durch ein entsprechendes Fügeverfahren werden beide Bauteile miteinander gekoppelt. Beispielsweise wird ein Loch ausgestanzt und in das Loch ein Niet eingebracht, wobei der Niet dann vernietet wird und eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen herstellt. Der Vorteil bei dem Nietvorgang ist, dass die beiden eingesetzten Werkstoffe von erstem Bauteil und zweitem Bauteil derart voneinander verschieden sein können, dass sie rein über den Formschluss gehalten werden und keinerlei zusätzliche kraftschlüssige oder aber stoffschlüssige Verbindung notwendig ist, um eine an die Verbindung gestellte Anforderung bezüglich ausreichende Festigkeit zu erlangen.
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Eine solche Nietverbindung ist jedoch beispielsweise im Falle eines Clinchens oder aber Falzens in der Möglichkeit der Formgebung bzw. in der Möglichkeit der Anbringung der Nietverbindung an sich geometrisch derart begrenzt, dass im Falle eines Falzes diese grundsätzlich nur in einer Randlage des herzustellenden Hybridbauteils ausführbar ist. Im Falle des Clinchens werden bei der damit hergestellten formschlüssigen Verbindung deutliche Grenzen aufgezeigt. Es ist nur ein geringer Formschluss möglich und das Clinchverfahren ist nicht für HSS-Stähle geeignet.
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Das Einbringen eines externen Nietes bedarf eines erhöhten Produktionsaufwands und auch des Einsatzes eines Niets an sich, was zum einen die Produktionskosten erhöht, zum anderen ästhetische Nachteile mit sich bringt, da grundsätzlich ein Blick auf die Vorder- oder aber Rückseite des Niets verbleibt. Ferner ergibt sich insbesondere bei einer Weiterverarbeitung des Hybridbauteils, beispielsweise durch Aufbringen von Beschichtungen oder aber durch Aufkleben weiterer Bauteile eine nur suboptimale Fügefläche für diese Bauteile, da grundsätzlich ein Kopf oder aber ein Fuß des Niets überstehend ausgebildet ist. Werden diese versenkt, steigen zu dem damit einhergehenden Nutzen überproportional die Mehraufwendungen für die Produktion.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum formschlüssigen Koppeln von zwei Bauteilen bereitzustellen, das gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verbessert ist. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Fügeverfahrens gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 16 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Koppeln von zwei Bauteilen, wobei die Bauteile aus voneinander verschiedenen, im Wesentlichen nicht schweißbaren Werkstoffen ausgebildet sind, ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- – Bereitstellen zweier Bauteile, wobei ein erster Werkstoff des ersten Bauteils von einem zweiten Werkstoff des zweiten Bauteils verschieden ist und beide Werkstoffe im Wesentlichen nicht miteinander schweißbar sind,
- – Ausbilden mindestens eines gegenüber der Oberfläche des zu koppelnden Bereiches des ersten Bauteils überstehenden Fortsatzes an dem ersten Bauteil,
- – Positionieren beider Bauteile zueinander in einer zu fügenden Position, wobei der Fortsatz in das zweite Bauteil eingefahren wird, vorzugsweise eingestanzt wird, so dass eine Spitze des Fortsatzes eine Rückwand des zweiten Bauteils durchbricht,
- – Umformen der Spitze des Fortsatzes, so dass die umgeformte Spitze die Rückwand formschlüssig hintergreift, wodurch ein Formschluss zwischen ersten Bauteil und zweitem Bauteil ausgebildet wird.
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Im Rahmen der Erfindung ist unter zwei im Wesentlichen nicht schweißbaren Werkstoffen zu verstehen, dass die Werkstoffe überhaupt nicht oder aber nur bedingt bzw. schlecht schweißbar, also nicht thermisch zum Ausbilden einer stoffschlüssigen Verbindung miteinander fügbar sind. So müsste für eine bedingte Schweißbarkeit beispielsweise ein derart hoher Produktionsaufwand betrieben werden, dass durch Einsatz von mehreren Zusatzwerkstoffen, insbesondere Schweißzusatzmitteln oder aber chemischen Aktivatoren eine dann nur in ihrer Festigkeit eingeschränkte stoffschlüssige Verbindung ausgebildet wird. Hierbei stellen dann jeweils bereits bekannte formschlüssige Kopplungsverfahren eine kostengünstige Alternative zu dem stoffschlüssigen Kopplungsverfahren dar, mit denen jedoch auch die eingangs erwähnten Nachteile einhergehen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es somit beispielsweise möglich, metallische Werkstoffe mit Kunststoffen oder Faserverbundwerkstoffen zu koppeln. Ebenfalls ist es möglich, metallische Bauteile aus Stahllegierungen mit Leichtbaumetallen zu koppeln. Bevorzugt sollen im Rahmen der Erfindung hochfeste bzw. höchstfeste Bauteile aus Stahllegierungen, insbesondere warmumgeformte und pressgehärtete Bauteile mit einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere Aluminium gekoppelt werden.
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Die zwei Bauteile werden mindestens in Form von zwei Platinen bereitgestellt, wobei die Bauteile für das erfindungsgemäße Koppelungsverfahren auch ihre jeweilige Endkontur bereits aufweisen können. Ein Bauteil ist dann aus einem ersten Werkstoff und das zweite Bauteil aus dem zweiten Werkstoff hergestellt, wobei beide Werkstoffe im Wesentlichen nicht miteinander schweißbar bzw. gar nicht miteinander schweißbar sind.
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Beide Bauteile liegen in ihrer späteren Relativposition derart zueinander, dass sie zumindest bereichsweise miteinander in Kontakt sind, wobei in mindestens einem dieser Bereiche eine entsprechende erfindungsgemäße Verbindung ausgebildet wird. Hierzu wird in dem ersten Bauteil ein gegenüber der Oberfläche des zu koppelnden Bereichs des ersten Bauteils überstehender Fortsatz ausgebildet. Der Fortsatz kann dabei bereits in der Platine des ersten Bauteils ausgebildet sein oder aber erst nach Umformen des ersten Bauteils zu seiner Endkontur in diesem ausgebildet werden. Der Fortsatz steht also gegenüber dem Bereich in dem er liegt über.
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Im Rahmen der Erfindung ist das Ausbilden des Fortsatzes nicht auf das erste Bauteil begrenzt, es kann auch das zweite Bauteil mit einem entsprechenden Fortsatz ausgebildet werden, so dass beide Bauteile jeweils einen Fortsatz aufweisen, wobei die Fortsätze sich nicht spiegelsymmetrisch gegenüberstehen, sondern in der Bereichsebene versetzt zueinander angeordnet sind. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch nur in dem zweiten Bauteil ein erfindungsgemäßer Fortsatz ausgebildet sein, der dann für das weitere Kopplungsverfahren genutzt wird.
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Beide Bauteile werden dann so zueinander positioniert, so dass der Fortsatz der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsvariante in das zweite Bauteil eingefahren wird, insbesondere wird der Fortsatz in das zweite Bauteil eingestanzt, so dass eine Spitze des Fortsatzes eine Rückwand des zweiten Bauteils durchbricht. Die Rückwand des zweiten Bauteils ist dabei die Wandseite, die gegenüber der Oberfläche des zu koppelnden Bereichs des ersten Bauteils an dem zweiten Bauteil abgewandt angeordnet ist. Nachdem die Spitze des Fortsatzes die Rückwand des zweiten Bauteils zumindest ansatzweise durchbricht, werden die beiden Bauteile in einer derartigen Position zueinander lagefixiert, die sie dann auch in dem späteren hergestellten Hybridbauteil innehaben.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann die Spitze des Fortsatzes derart umgeformt, dass die umgeformte Spitze die Rückwand des zweiten Bauteils formschlüssig hintergreift, wodurch ein Formschluss zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil ausgebildet wird. Das Umformen der Spitze kann dabei zeitlich versetzt nach dem Durchbruch der Rückwand erfolgen, es kann jedoch auch bereits während des Durchbrechens der Rückwand ausgeführt werden. In einem Querschnitt durch die erfindungsgemäß hergestellte formschlüssige Verbindung ergibt sich ein nietenartiges bzw. pilzartiges Hintergreifen des zweiten Bauteils durch den Fortsatz, wodurch die formschlüssige Verbindung ausgebildet wird.
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Im Rahmen der Erfindung ergibt sich hierbei insbesondere der Vorteil, dass keine zusätzlichen Nieten oder aber Schweißnieten eingesetzt werden müssen, wodurch sich günstige Produktionskosten ergeben. Weiterhin ist die formschlüssige Verbindung einstückig an dem ersten Bauteil ausgeführt, weshalb sich hier keinerlei Festigkeitseinbußen durch beispielsweise einen eingenieteten Schweißniet oder ein ähnliches zu koppelndes drittes Element ergeben. Das Fügeverfahren ist weiterhin besonders kostengünstig durchführbar, da der Fortsatz als Niet fungiert und es keiner Vorbehandlung des zweiten Bauteils bedarf, so dass alle Verfahrensschritte, die des Vorbereitens, des Positionierens und des Vernietens der zweier zu fügender Bauteile auf der gleichen Produktionsanlage durchführbar sind. Die Anschaffungskosten für eine erfindungsgemäße Produktionsanlage zur Durchführung des Verfahrens sind somit gegenüber herkömmlichen Nietverfahren deutlich kostengünstiger.
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Damit der Fortsatz besonders leicht, also ohne Aufbringen von überproportional hohen Positionierungskräften bzw. Nietkräften in das zweite Bauteil eingebracht werden kann und auch damit der Fortsatz beim Einbringen bzw. Eindringen in das zweite Bauteil den dem Durchbruch benachbarten Bereich nicht sonderlich schädigt, beispielsweise durch Mikrorisse oder Ähnliches, ist er besonders bevorzugt als Spitzkegel oder als Pyramide ausgebildet. Sofern ein nicht punktueller oder kreisrunder bzw. runder Fortsatz verwendet wird, ist es möglich, den Fortsatz auch als länglichen Fortsatz, beispielsweise als Fortsatzkante bzw. Fortsatzsicke auszubilden, wobei der Fortsatz dann im Querschnitt eine Pyramidenform aufweist, wobei die Schenkel der Pyramide linear, progressiv und/oder degressiv zu der Spitze verlaufen. Für einen im Wesentlichen runden bzw. kreisrunden Fortsatz ist es ebenfalls möglich, die zwei Schenkel, die zu der Spitze verlaufen, mit einem linearen, progressiven und/oder degressiven Verlauf auszubilden.
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Der Verlauf der Schenkel zueinander wird maßgeblich durch zwei Faktoren beeinflusst. Zum einen besteht dies in der Möglichkeit des Eindringens des Fortsatzes in das zweite Bauteil. Sind die Schenkel zueinander linear oder aber degressiv verlaufend, so ist es möglich, besonders leicht in das zweite Bauteil einzudringen und dieses zu durchbrechen, da der Fortsatz insgesamt einen eher spitzen Verlauf aufweist. Sind die Schenkel hingegen eher progressiv zueinander verlaufend, so weist der Fortsatz einen im Wesentlichen stumpfen Querschnitt auf und es bedarf einer erhöhten Kraftaufwendung, so dass der Fortsatz in das zweite Bauteil eindringt. Der zweite Faktor zur Auswahl des Schenkelverlaufs des Fortsatzes ist das Volumen bzw. die Masse an Nietmaterial, die zum formschlüssigen Hintergreifen des zweiten Bauteils durch den Fortsatz ausgebildet ist. Wird somit eine extrem breite Nietfläche benötigt, ist ein Fortsatz zu wählen, der möglichst viel Material des ersten Bauteils im Bereich der Rückwand des zweiten Bauteils zur Ausbildung des formschlüssigen Hintergreifens bereitstellt.
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Im Rahmen der Erfindung wird weiterhin bevorzugt ein erstes Bauteil aus Stahlwerkstoff verwendet, insbesondere aus hochfestem, warmumgeformten und pressgehärtetem Stahl und ein zweites Bauteil aus Leichtmetall. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist jedoch nicht auf die vorbenannten Werkstoffvarianten beschränkt. Ebenfalls ist es nicht darauf beschränkt, dass das erste Bauteil aus Stahl und das zweite Bauteil aus Leichtmetall ausgebildet sind, es kann auch das erste Bauteil aus Leichtmetall und das zweite Bauteil aus Stahl ausgebildet sein. Grundsätzlich sollte jedoch berücksichtigt werden, dass der Fortsatz an dem Bauteil aus dem härteren Werkstoff ausgebildet ist, wobei der Fortsatz dann erst in das Bauteil mit dem in Relation hierzu weicheren Werkstoff eingefahren wird. Weiterhin bevorzugt ist das erste Bauteil ein Bauteil, dass eine Härte Vickers HV größer gleich 400 besitzt und das zweite Bauteil ein Bauteil, dass eine Härte Vickers HV kleiner gleich 400 besitzt.
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Weiterhin wird der Fortsatz in das erste Bauteil bereits vor dem Bereitstellen des ersten Bauteils in dieses eingebracht. In einer alternativen Ausführungsvariante wird der Fortsatz vor dem Positionieren der zwei Bauteile zueinander in das erste Bauteil eingebracht. Insbesondere wird jedoch der Fortsatz einstückig in das erste Bauteil eingeformt. Im Rahmen der Erfindung ist es auch vorstellbar, beide Bauteile direkt in Kontakt zueinander lagezufixieren, wobei dann der Fortsatz in das erste Bauteil eingeformt wird und gleichzeitig bei dem Einformen das zweite Bauteil durchbricht.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, die formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil durch eine stoffschlüssige Klebeverbindung in ihrer Festigkeit deutlich zu erhöhen. Hierzu wird dann zumindest zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil in einem zu koppelnden Bereich bereichsweise ein Klebstoff aufgetragen. Der Klebstoff kann insbesondere durch das erfindungsgemäße Nietverfahren zwischen den beiden Bauteilen aushärten und dann im Zusammenspiel mit der formschlüssigen Verbindung hohe Festigkeitseigenschaften im Bereich der Kopplung sicherstellen.
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Zur weiteren Erhöhung der Festigkeitseigenschaften der hergestellten Verbindung der zwei Bauteile zueinander wird der Fortsatz derart dimensioniert und geometrisch ausgebildet, dass er beim Einfahren in das zweite Bauteil an dem zweiten Bauteil den ihn umgreifenden Randbereich in Richtung zu der Spitze des Fortsatzes orientiert aufstellt. Der den Durchbruch in dem zweiten Bauteil berandende Bereich wird somit kragenartig aufgestellt. Hierdurch ergibt sich ein größerer formschlüssiger Anlagebereich, der insbesondere durch den in Richtung zu der Spitze des Fortsatzes überstehenden Randbereich die formschlüssige Verbindung hinterfüttert.
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Insbesondere wird dann durch die Umformung der Spitze zum formschlüssigen Hintergreifen der Rückwand des zweiten Bauteils der Randbereich zumindest teilweise gestaucht, wobei die umgeformte Spitze und der Randbereich dabei formschlüssig in Eingriff gebracht werden. Im Rahmen der Erfindung ist es je nach herzustellender Festigkeitseigenschaft und bezüglich ästhetischer oder technischer Anforderungen an die Oberfächenbeschaffenheit der Rückwand möglich, die Spitze derart weit umzuformen, dass sich eine im Wesentlichen ebene Rückwand ergibt. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, die Spitze nur so weit umzuformen, dass eine stoffschlüssige Koppelungsverbindung mit hinreichend hoher Festigkeit hergestellt wird. In diesem Fall steht die Spitze sowie gegebenenfalls ein Teil des in Richtung zu der Rückwand umgestellten Randbereichs gegenüber der Rückwand über.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, dass der Fortsatz in die Rückwand des zweiten Bauteils durchbrechend eingebracht wird und anschließend die Spitze des Fortsatzes abgetrennt wird und der sich dadurch ergebende Rand des Fortsatzes dann formschlüssig das zweite Bauteil hintergreifend umgelegt wird. Hierdurch wird eine Nietverbindung hergestellt, die im Wesentlichen einen hohen Durchgang aufweist.
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Weiterhin bevorzugt werden die zwei Bauteile nach der Positionierung in dem zu koppelnden Bereich in einem Klemmwerkzeug relaltiv zueinander gehalten, insbesondere werden sie geklemmt. Hierzu ist besonders bevorzugt das Klemmwerkzeug als Niederhalterwerkzeug ausgebildet. Das Klemmwerkzeug bzw. Niederhalterwerkzeug ist im Rahmen der Erfindung jedoch insbesondere auch gleichzeitig das Positionierungswerkzeug, so dass über die Klemmhalter des Klemmwerkzeugs auch gleichzeitig das zueinander Positionieren, also das Einbringen des Fortsatzes des ersten Bauteils in das zweite Bauteil übernommen werden. Beispielsweise kann es sich im Rahmen der Erfindung dabei um eine Presse mit Stempel und Matrize handeln, wobei die beiden zuvor beschriebenen Werkzeugteile aufeinander zu bewegt werden, so dass die dazwischen liegenden Bauteile zueinander positioniert, ineinander verbracht werden und anschließend in der jeweiligen Position lagefixiert gehalten werden. Im Rahmen der Erfindung kann dieser Vorgang auch durch Industrieroboter ausgeführt werden.
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Weiterhin besonders bevorzugt wird an der Unterseite des Fortsatzes ein Dorn angesetzt, vorzugsweise wird der Dorn während des Einfahrvorgangs des Fortsatzes in das zweite Bauteil bereits formschlüssig in dem Fortsatz positioniert, wobei insbesondere die Kraft zum Einfahren des Fortsatzes, also die Stanz- bzw. Nietkraft, die benötigt wird, um den Fortsatz in das zweite Bauteil einzufahren, durch den Dorn auf den Fortsatz selbst aufgebracht wird.
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Weiterhin bevorzugt wird auf der Rückwand des zweiten Bauteils ein Gegenhalter positioniert, wobei der Gegenhalter eine mittige Ausnehmung aufweist und die mittige Ausnehmung derart positioniert ist, dass der Fortsatz die Rückwand durchbricht und dann mit zumindest seiner Spitze innerhalb der mittigen Ausnehmung positioniert ist. Weiterhin bevorzugt weist die mittige Ausnehmung auch im Falle des Umstellens eines Randbereichs an dem zweiten Bauteil eine hinreichende Größe auf, so dass der Randbereich in das zweite Bauteil umgestellt wird. Im Rahmen der Erfindung kann gleichzeitig das Umstellen des Randbereichs durch den Durchmesser der Ausnehmung selbst begrenzt werden.
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Bei aufgesetztem Gegenhalter wird dann der Randbereich, sofern er in dem Bereich der Ausnehmung liegt umgestellt, wobei der restliche Bereich durch den Gegenhalter in seiner ursprünglichen Position gehalten wird. Weiterhin bevorzugt wird auf der Unterseite des ersten Bauteils ein Klemmhalter angeordnet, wobei beide Bauteile zwischen dem Klemmhalter und dem Gegenhalter formschlüssig lagefixiert werden. Zwischen dem Klemmhalter und dem Gegenhalter werden somit beide Bauteile zumindest in dem zu koppelnden Bereich formschlüssig durch Aufbringen einer Klemmkraft zueinander lagefixiert. Im Rahmen der Erfindung kann dabei sowohl der Klemmhalter, als auch der Gegenhalter jeweils verfahren werden, um die beiden Bauteile miteinander in Position zu bringen. Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung möglich, sowohl den Klemmhalter, als auch den Gegenhalter statisch lagefixiert auszubilden und den jeweils anderen Halter dann relativ dazu zu bewegen und gleichzeitig dabei die Kraft zum Einfahren des Fortsatzes in das zweite Bauteil aufzubringen. Auch können beide Halter relativ zueinander beweglich ausgebildet sein.
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Nach dem Durchbrechen des Fortsatzes oder aber wie bereits beschrieben während des Durchbrechens des Fortsatzes der Rückwand des zweiten Bauteils wird ein Stempel zur Umformung der Spitze des Fortsatzes eingesetzt, wobei der Stempel vorzugsweise die Spitze haubenartig bzw. pilzartig derart umformt, so dass sie den Rand des zweiten Bauteils hintergreift. Der Stempel kann weiterhin derart ausgebildet sein, dass im Falle eines umgestellten Randbereichs an dem zweiten Bauteil auch gleichzeitig der umgestellte Randbereich zumindest teilweise derart mitverformt wird, dass eine ausreichende Hinterfütterung der umgeformten Spitze und somit eine ausreichende Festigkeit der hergestellten formschlüssigen Verbindung hergestellt wird. Bei Umformen der Spitze des Fortsatzes sind die beiden Bauteile vorzugsweise zwischen dem Klemmhalter und dem Gegenhalter relativ zueinander lagefixiert.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin besonders bevorzugt möglich, dass der Stempel und/oder der Dorn thermisch auf den Fortsatz einwirken, insbesondere wird der Stempel oder aber der Dorn vor dem Umformen erwärmt. Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, zwischen Stempel und Dorn eine konduktive Wärmeeinwirkung nach dem Prinzip eines Widerstandspunktschweißens auszuführen. Hierbei ist es möglich, den Stempel und/oder den Dorn bereits vorzuheizen, so dass er während der gesamten Umformung eine erhöhte Temperatur in die Bauteile einbringt. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass der Stempel und/oder der Dorn erst nach der Umformung der Spitze des Fortsatzes erhitzt werden und dann das jeweilige Gefüge in der umgeformten Spitze und/oder in dem Randbereich derart umstellen, beispielsweise homogenisieren, das während des erfindungsgemäßen Nietverfahrens entstandene Mikrorisse entschärft werden oder aber sich ein entsprechendes Gefüge mit gewünschten Festigkeitseigenschaften einstellt.
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Weiterhin besonders bevorzugt wird der Stempel während der Umformung gedreht. Hierdurch wird zum einen die Möglichkeit der Formgebung während des Umformverfahrens der Spitze erweitert, zum anderen kann das Drehen auch nach dem Prinzip des Reibrührschweißens erfolgen. Gleichzeitig wird dann durch das Drehen eine thermische Einwirkung auf die Spitze des Fortsatzes ausgeübt.
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Weiterhin besonders bevorzugt sind Teile des Klemmwerkzeugs, also der Gegenhalter und/oder der Klemmhalter thermisch isoliert und/oder isolierend ausgebildet, so dass durch die Isolierung oder die isolierenden Eigenschaften eine durch den Dorn und/oder den Stempel aufgebrachte Temperatureinwirkung auf die Spitze und/oder den Randbereich nicht in den die formschlüssige Kopplung benachbarnden Bereich einwirkt. Insbesondere im Falle eines warmumgeformten und pressgehärteten Bauteils wird es somit vermieden, dass die durch das Warmumformen und Presshärten eingestellten Festigkeitseigenschaften durch die thermische Einwirkung negativ beeinflusst werden. Beispielsweise sind die Werkzeuge keramisch beschichtet oder aus einer Keramik ausgebildet. Bevorzugt nehmen die Werkzeuge die Wärmeenergie auf, so dass diese nicht in den die Kopplung benachbarnden Bereich eindringen kann.
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Weiterhin Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Koppelung von zwei Bauteilen, wobei die Bauteile aus voneinander verschiedenen, im Wesentlichen nicht schweißbaren Werkstoffen ausgebildet sind, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass auf ihr das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den vorhergehenden Merkmalen durchführbar ist.
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Die zuvor genannten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig untereinander kombinierbar, wobei sich damit jeweils einhergehenden Vorteile ergeben, ohne dabei deren Rahmen zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 bis 4 das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zur Kopplung zwei von im Wesentlichen nicht schweißbarer Werkstoffe;
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5a und b bevorzugte geometrische Ausgestaltungen der Kopplung und
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6a und b eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit stumpfem Fortsatz.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 2, wobei das erste Bauteil 1 aus einem ersten Werkstoff und das zweite Bauteil 2 aus einem zweiten Werkstoff ausgebildet sind. Insbesondere ist das erste Bauteil 1 aus einer Stahllegierung, die durch Warmumformen und Presshärten entsprechend hochfeste Eigenschaften aufweist ausgebildet. Die beiden Bauteile 1, 2 selbst sind hier schematisch dargestellt in Platinenform ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, jeweils dreidimensional zu koppelnde Bauteile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verbinden. Zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 wird zur Erhöhung der herzustellenden Kopplung ein Klebstoff 3 angeordnet.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das erste Bauteil 1 einen Fortsatz 4 auf, wobei der Fortsatz 4 gegenüber einer Oberfläche 5 des ersten Bauteils 1 überstehend ausgebildet ist. Insbesondere ist der Fortsatz 4 einstückig in dem ersten Bauteil 1 ausgebildet. Der Fortsatz 4 ist hier pyramidenförmig oder aber in Form eines Spitzkegels ausgebildet, wobei es sich bei der Darstellung jeweils um einen Querschnitt des ersten 1 und des zweiten Bauteils 2 handelt. Der Fortsatz 4 kann somit in einer Draufsicht rund, kreisrund oder aber auch länglich ausgebildet sein. Insbesondere weist der Fortsatz 4 eine Spitze 6 auf, wobei die Spitze 6 übergehend von 1 in 2 zunächst in eine Oberfläche 7 des zweiten Bauteils 2 eindringt und das zweite Bauteil 2 durchdringt, so dass zumindest die Spitze 6 die Rückwand 8 des zweiten Bauteils 2 durchbricht. Dargestellt ist dies in 2.
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Die beiden Bauteile 1, 2 kommen somit zumindest bereichsweise in einem zu koppelnden Bereich 9 formschlüssig zur Anlage, so dass der zwischen den Bauteilen 1, 2 befindliche Klebstoff 3 sich um die formschlüssige Fügestelle herum flächig verteilt. Die Spitze 6 des Fortsatzes 4 durchbricht die Rückwand 8, so dass teilweise auch hier dargestellt, die Schenkel 10 des Fortsatzes 4 gegenüber der Rückwand 8 des zweiten Bauteils 2 überstehen. Ebenfalls wird ein Randbereich 11 des zweiten Bauteils 2 derart umgeformt, dass er auf den Schenkeln 10 aufliegt und zumindest teilweise gegenüber der Rückwand 8 des zweiten Bauteils 2 übersteht.
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Der Fortsatz 4 selber wird an seiner Unterseite 12 von einem Dorn 13 hintergriffen, so dass dieser das zweite Bauteil 2 durchbrechend in dieses zum formschlüssigen Eingriff gebracht wird. Ferner sind zur lagefixierten Positionierung beider Bauteile 1, 2 ein Klemmwerkzeug 14 mit Niederhalter 15 und Gegenhalter 16 ausgebildet. Die zwei Bauteile 1, 2 sind zwischen Niederhalter 15 und Gegenhalter 16 formschlüssig lagefixiert.
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In einem weiteren Schritt wird dann von der Rückwand 8 her kommend ein Stempel 17 auf die Spitze 6 des Fortsatzes 4 hinzubewegt, wodurch die Spitze 6 des Fortsatzes 4 gemäß 3 umgeformt wird und in Form eines Nietkopfes 18 den Randbereich hintergreift.
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Der Nietkopf 18 der umgeformten Spitze 6 hintergreift somit die Rückwand 8 des zweiten Bauteils 2 und bildet einen Formschluss 19 zwischen erstem Bauteil 1 und zweitem Bauteil 2 aus. Der Randbereich 11 wird gegebenenfalls durch die Umformung der Spitze 6 zu dem Nietkopf 18 mit umgeformt, so dass eine möglichst breite Auflagefläche A zwischen Teilen des Nietkopfs 18 und des Randbereichs 11 hergestellt wird. Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, dass der Stempel 17 während oder nach dem Absenkvorgang eine Drehbewegung D ausführt. Ebenfalls ist es möglich, über den Stempel 17 und/oder den Dorn 13 der Koppelstelle Wärmeenergie W zuzuführen. Weiterhin kann beispielsweise durch Ausbildung von Stempel und Dorn als Elektroden durch Einleitung eines Stroms in dem zu koppelnden Bereich die Wärmeenergie erzeugt werden. Alternativ kann die Wärmeenergie auch induktiv, beispielsweise durch Ansetzen eines Wechselstroms erzeugt werden.
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5a und b zeigen weiterhin eine bevorzugte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Verbindung, wobei hier das erste Bauteil 1 mit einer Dicke d1 und das zweite Bauteil 2 mit einer Dicke d2 dargestellt sind. Die Dicke d1 liegt bevorzugt zwischen 0,5 mm und 2,5 mm, insbesondere im Bereich von 1 mm und 1,8 mm. Die Dicke d2 ist bevorzugt zwischen 0,8 mm und 3 mm, insbesondere im Bereich von 1 mm und 2,5 mm ausgebildet. Der Durchmesser des Nietkopfs 18 ist bevorzugt zwischen 4 mm und 6 mm, insbesondere zwischen 4,5 mm und 5,5 mm ausgebildet.
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Ferner ist ein Durchmesser D der Unterseite 12 des Fortsatzes 4 in dem ersten Bauteil 1 dargestellt, wobei der Durchmesser D bevorzugt zwischen 2 mm und 7 mm, insbesondere zwischen 4 mm und 6 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen 4,5 mm und 5,5 mm aufweist.
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Ferner ist in 5b dargestellt ein Winkel α, in dem ein Winkel α des ersten Bauteils 1 vor dem Koppeln mit dem zweiten Bauteil 2, wobei der Winkel α zwischen den zwei Schenkeln 10 des Fortsatzes 4 ausgebildet ist und der Winkel α bevorzugt zwischen 0° und 40°, besonders bevorzugt zwischen 20° und 40°, insbesondere zwischen 28° und 32° ausgebildet ist. Hier dargestellt ist ein linearer Verlauf der zwei Schenkel 10 zueinander, wobei auch ein progressiver oder aber degressiver Verlauf der Schenkel 10 vorstellbar ist.
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Weiterhin bevorzugt weist der Fortsatz 4 eine Höhe h1 auf, wobei die Höhe von der Spitze 6 des Fortsatzes 4 bis zu der Oberfläche 5 des ersten Bauteils 1 bemessen ist. Die Höhe h4 des Fortsatzes 4 ist besonders bevorzugt im Rahmen der Erfindung derart ausgebildet, dass sie im Wesentlichen dem Zweifachen der Dicke d2 des zweiten Bauteils 2 entspricht.
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6a und b zeigen eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei hier zwischen dem ersten 1 und dem zweiten Bauteil 2 wiederum ein Klebstoff 3 angeordnet ist. Der Fortsatz 4 selber ist hier dargestellt stumpf ausgeführt, so dass er gegenüber einer Oberfläche 5 des ersten Bauteils 1 überstehend ausgebildet ist. Der Fortsatz 4 durchbricht dabei nicht, wie hier dargestellt, die Rückwand 8 des zweiten Bauteils 2, sondern stellt diese lediglich auf. Der Klebstoff 3 ist wiederum gemäß 6b zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 verteilt. Ferner sind die beiden Bauteile 1, 2 auch gemäß der Ausführungsvariante aus 6b in einem Klemmwerkzeug 14 angeordnet, wobei das Klemmwerkzeug 14 einen Niederhalter 15 und einen Gegenhalter 16 aufweist. Von der Rückseite 8 des zweiten Bauteils 2 her wird ein Stempel 17 zu den beiden formschlüssig zueinander fixierten Bauteilen 1, 2 in Richtung der hochgestellten Kante 21 bewegt. In dem Dorn 13, der von einer Rückseite des ersten Bauteils 1 her kommend ist, befindet sich ein Dornfortsatz 22, der den hier dargestellt stumpf ausgebildeten Fortsatz 4 von hinten formschlüssig hinterfüttert. Ebenfalls können der Dorn 13 und der Stempel 17 als Elektroden ausgebildet sein, so dass die beiden zu koppelnden Bauteile 1, 2 in dem zu fügenden Bereich durch ein zusätzliches Aufschmelzen miteinander gekoppelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Bauteil
- 2
- zweites Bauteil
- 3
- Klebstoff
- 4
- Fortsatz
- 5
- Oberfläche zu 1
- 6
- Spitze zu 4
- 7
- Oberfläche zu 2
- 8
- Rückwand zu 2
- 9
- zu koppelnder Bereich
- 10
- Schenkel zu 4
- 11
- Randbereich
- 12
- Unterseite
- 13
- Dorn
- 14
- Klemmwerkzeug
- 15
- Niederhalter
- 16
- Gegenhalter
- 17
- Stempel
- 18
- Nietkopf
- 19
- Formschluss
- 20
- Unterseite zu 1
- 21
- hochgestellte Kante
- 22
- Dornfortsatz
- d1
- Dicke zu 1
- d2
- Dicke zu 2
- h4
- Höhe zu 4
- D18
- Durchmesser zu 18
- D
- Drehbewegung
- A
- Auflagefläche
- W
- Wärmeenergie
