DE102014104571A1

DE102014104571A1 - Selbststanzendes Funktionselement und ein Zusammenbauteil bestehend aus dem Funktionselement und einem Blechteil

Info

Publication number: DE102014104571A1
Application number: DE102014104571.8A
Authority: DE
Inventors: Richard Humpert
Original assignee: Profil Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Profil Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Ein selbststanzendes Funktionselement, das zum Einstanzen in ein Blechteil ausgelegt ist, wobei das Funktionselement ein einen Flansch bildendes Kopfteil, eine am Kopfteil ausgebildete ringförmige Blechanlagefläche und einen sich auf der Seite der Blechanlagefläche vom Kopfteil weg erstreckenden und insbesondere koaxial zu einer mittleren Längsachse des Funktionselements angeordneten Fügeabschnitt mit einer umlaufenden ringförmigen Stanzkante aufweist, wobei sich am Fügeabschnitt befindliche, eine gerundete Form aufweisende Verdrehsicherungsnasen vorgesehen sind, die bezogen auf die Längsrichtung des Funktionselements einen Abstand von der Ebene der Blechanlagefläche aufweisen bzw. im Bereich vor der Ebene der Blechanlagefläche eine reduzierte radiale Dicke aufweisen, wobei radial innerhalb der ringförmigen Blechanlagefläche eine Ringvertiefung im Kopfteil vorgesehen ist und überschüssiges Material des Schaftteils, das durch Herstellung der Verdrehsicherungserhöhungen bzw. -nasen entsteht, sich innerhalb der Ringvertiefung befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein selbststanzendes Funktionselement, das zum Einstanzen in ein Blechteil ausgelegt ist, wobei das Funktionselement folgende Merkmale aufweist: ein einen Flansch bildendes Kopfteil, eine am Kopfteil ausgebildete ringförmige Blechanlagefläche und einen sich auf der Seite der Blechanlagefläche vom Kopfteil weg erstreckenden und insbesondere koaxial zu einer mittleren Längsachse des Funktionselements angeordneten Fügeabschnitt mit einer umlaufenden ringförmigen Stanzkante.
Auf dem Gebiet der Verbindungselemente bzw. Funktionselemente, die bei der Anfertigung von Blechteilen an diesen maschinell angebracht werden, unterscheidet man zwischen Einpresselementen einerseits und Nietelementen andererseits. Einpresselemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei Anbringung an ein Blechteil zumindest nicht absichtlich verformt werden, sondern das Blechteil wird verformt und in Eingriff mit Formmerkmalen des Einpresselementes gebracht, wodurch das Einpresselement verdrehsicher und auspresssicher am Blechteil befestigt wird. Bei Nietelementen wird das Element bei der Anbringung am Blechteil absichtlich verformt, meistens um ein Nietbördel auszubilden, wodurch das Blechteil zwischen dem Nietbördel und einem Flanschteil eingefangen wird, um auch hier eine verdrehsichere und auspresssichere Verbindung zu erreichen.
Sowohl Einpresselemente als auch Nietelemente kennt man ferner als selbststanzende Elemente. Die Bezeichnung selbststanzend ist so zu verstehen, dass das entsprechende Element sein eigenes Loch im Blechteil stanzt, natürlich nur dann, wenn eine ausreichende Kraft auf das selbststanzende Element ausgeübt wird, beispielsweise von einer Presse, von einem Roboter oder einer kraftbetätigten Zange, die das selbststanzende Element gegen das Blechteil presst, und das Blechteil auf der dem Element abgewandten Seite auf eine entsprechende Matrize abgestützt wird.
Es war bisher im Fahrzeugbau üblich, selbststanzende Elemente mit Blechteilen zu verwenden, die eine Festigkeit unterhalb etwa 300 MPa aufweisen. Die selbststanzenden Elemente, die dann zur Anwendung gelangen, haben üblicherweise eine Festigkeit im Bereich zwischen 700 und 900 MPa und in Ausnahmefällen bis zu etwa 1250 MPa, was durchaus ausreicht, um bei der Anbringung des Verbindungselements am Blechteil ein Loch im Blechteil auszustanzen, insbesondere dann, wenn das Blechteil eine Dicke von unterhalb etwa 3 mm aufweist. Festigkeiten der Elemente bis zu etwa 850 MPa gelten beispielsweise für Elemente der Klasse 8, während höhere Festigkeiten für Elemente der Klassen 10 und 12 gelten, die normalerweise eine Wärmebehandlung und/oder eine bestimmte Materialauswahl der entsprechenden Elemente erforderlich machen.
Bei den verwendeten Verbindungselementen hat das Material des Verbindungselementes im Rohzustand üblicherweise eine Festigkeit von etwa 380 MPa. Diese Festigkeit erhöht sich aber auf Werte im Bereich zwischen 700 und 900 MPa alleine durch die Kaltverformung, die gebraucht wird, um ausgehend von einem Stabmaterial ein Befestigungselement durch Kaltverformung zu erzeugen.
Ferner besteht derzeit im Fahrzeugbau Interesse, an gewissen Stellen mit Blechteilen mit einer Dicke größer als 3,5 mm zu arbeiten, wobei dann die Blechteile Festigkeiten aufweisen, die im oben angegebenen Bereich von 300 MPa liegen. Ein Beispiel für solche Anwendungen ist im Fahrgestellbereich von LKWs zu finden. Darüber hinaus besteht heutzutage häufig die Forderung, relativ weiche Bleche und weniger feste Bleche aus Al oder Al-Legierungen mit Funktionselementen zu versehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein selbststanzendes Funktionselement vorzusehen, das selbststanzend in Blechteilen mit niedriger oder mittlere Festigkeit und mit Dicken im Bereich von 0,6 mm bis über 3,5 mm eingebracht werden können. Es handelt sich bei solchen erfindungsgemäßen Funktionselementen um Mutterelemente in der Form von Einpresselementen. Ferner soll das erfindungsgemäße Funktionselement bzw. das erfindungsgemäße Zusammenbauteil relativ preisgünstig herstellbar sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Funktionselement der eingangs genannten Art vorgesehen, wobei sich am Fügeabschnitt befindliche, eine gerundete Form aufweisende Verdrehsicherungsnasen vorgesehen sind, die bezogen auf die Längsrichtung des Funktionselements einen Abstand von der Ebene der Blechanlagefläche aufweisen bzw. im Bereich vor der Ebene der Blechanlagefläche eine reduzierte radiale Dicke aufweisen, wobei radial innerhalb der ringförmigen Blechanlagefläche eine Ringvertiefung im Kopfteil vorgesehen ist und überschüssiges Material des Schaftteils, das durch Herstellung der Verdrehsicherungsnasen entsteht, sich innerhalb der Ringvertiefung befindet und dort Sockel bildet, die sich jeweils an Winkelstellungen befinden, die bezogen auf die Längsachse zwischen zwei benachbarten Verdrehsicherungsnasen angeordnet sind.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Zusammenbauteil bestehend aus einem derartigen Mutterelement, das an einem Blechteil angebracht ist.
Das erfindungsgemäße Funktionselement weist auf dem ersten Blick eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Funktionselement gemäß der DE 102009042336 auf. Dort wird ein selbststanzendes hohles Einpresselement, insbesondere Mutterelement zur Anbringung an ein Blechteil beschrieben, wobei das Einpresselement einen Flanschteil größeren Durchmessers und einen Schaftteil kleineren Durchmessers aufweist, wobei der Schaftteil sich vom Flanschteil weg erstreckt und an seinem dem Flanschteil abgewandten Stirnende eine kreisförmige Stanzkante aufweist. Die dem Schaftteil zugewandte Seite des Flanschteils bildet eine ringförmige Blechanlagefläche und Verdrehsicherungsnasen sind am Schaftteil vorgesehen. Diese Nasen erstrecken sich von etwa der Ebene der Blechanlagefläche über einen Teil der Länge des Schaftteils an diesem entlang. Radial innerhalb der ringförmigen Blechanlagefläche befindet sich eine ringförmige Vertiefung im Flanschteil und das überschüssige Material des Schaftteils, das durch Herstellung der Verdrehsicherungsrippen entsteht, befindet sich innerhalb der ringförmigen Vertiefung und füllt diese mehr oder weniger aus.
Sinn der ringförmigen Vertiefung in der bekannten Konstruktion ist eigentlich nur, das überschüssige Material aufzunehmen, und zwar derart, dass es einen scharfen rechtwinkeligen Übergang von der Blechanlagefläche in den Schaftteil nicht stört. Dies ist im Stand der Technik wichtig, da es bei dicken Blechteilen extrem schwierig ist für eine satte Anlage der Blechanlagefläche des Elements am Blechteil zu sorgen, was aber wiederum wichtig ist, um sicherzugehen, dass eine verschraubte Verbindung nicht durch Setzungserscheinungen locker wird.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom bekannten Element unter anderem dadurch, dass die Verdrehsicherungsnasen einen axialen Abstand von der Ebene der Blechanlagefläche bzw. im Bereich vor der Blechanlagefläche und eine reduzierte radiale Dicke aufweisen. Bei der Anbringung des Funktionselements an ein Blechteil wird Blechmaterial aufgrund der Druckkräfte, die zwischen dem Kopfteil des Funktionselements und einer das Blechteil abstützenden Matrize mittels eines Setzkopfes aufgebracht werden, zwischen den Verdrehsicherungsnasen und dem Kopfteil des Funktionselements gedrückt, wodurch das Funktionselement in axialer Richtung an das Blechteil befestigt wird, d. h. der notwendige Auspresswiderstand erzeugt wird. Nicht nur dient das Eindringen der Verdrehsicherungsnasen in das Blechmaterial der Erzeugung der notwendigen Verdrehsicherung, sondern das Eingreifen des Blechmaterials in die Ringvertiefung in den Bereichen zwischen den Sockeln führt zu einer zusätzlichen Verdrehsicherung.
Somit werden erfindungsgemäß die mit Material des Funktionselements nicht gefüllten Bereiche der Ringvertiefung zwischen den Sockeln zum Zweck der Verdrehsicherung dadurch ausgenutzt, dass sie mit Blechmaterial gefüllt werden.
Ebenfalls zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, die radiale Breite der Ringvertiefung größer zu bemessen als die radiale Breite der Sockel. Hierdurch kann Blechmaterial nicht nur in Bereiche zwischen den Sockeln einfließen, sondern auch um die Sockel herum, was zu einer weiteren Steigerung des Verdrehwiderstandes führt.
Eine noch weitere Steigerung des Verdrehwiderstands kann erreicht werden, wenn das überschüssige Material auch zu sich auf den Sockeln befindlichen in radialer Richtung sich erstreckenden Verdrehsicherungsrippen geformt ist. Diese Verdrehsicherungsrippen greifen ebenfalls in das Blechmaterial hinein und tragen zu der Verdrehsicherung bei.
Dabei wirkt sich die Positionierung der sich in radialer Richtung erstreckenden Verdrehsicherungsrippen, die jeweils zwischen zwei benachbarten sich am Fügeabschnitt befindlichen Verdrehsicherungsnasen angeordnet sind, besonders positiv aus, da sie zu einer wellenartigen Verformung des Blechmaterials im Bereich um den Fügeabschnitt herum führen. Eine etwaige gegenseitige Verdrehung des Funktionselements und des Blechteils wäre somit nur dann möglich, wenn das aufgebrachte Verdrehmoment ausreichen würde, um diesen wellenförmigen Eingriff zu brechen. Mit anderen Worten wird der Verdrehsicherungswiderstand auch hierdurch erhöht.
Die Verdrehsicherungsnasen weisen vorzugsweise eine gerundete Form mit einer dem Kopfteil abgewandten abfallenden Oberfläche und einer dem Kopfteil zugewandten abfallenden Oberfläche auf. Hierdurch wird nicht nur der axiale Auspresswiderstand erreicht, sondern auch sichergestellt, dass der Eingriff der Verdrehsicherungsnasen im Blechteil nicht zu einer ausgeprägten und unerwünschten Kerbwirkung und einer entsprechenden Herabsetzung des Ermüdungswiderstands führt.
Um den erwünschten axialen Auspresswiderstand zu erzeugen, ist es nicht zwingend erforderlich, den Fügeabschnitt des Funktionselements mit einer umlaufenden Hinterschneidung zu versehen, da die Beabstandung der Verdrehsicherungsnasen von dem Kopfteil bzw. von der Ebene der Blechanlagefläche einen ausreichenden axialen Auspresswiderstand sicherstellt. Nichtsdestotrotz kann der Fügeabschnitt im Bereich zwischen der Stanzkante und der Blechanlagefläche eine Hinterschneidung aufweisen. Eine solche, wenn auch nicht ausgeprägte Hinterscheidung kann ohnehin durch die Erzeugung der Stanzkante mit erzeugt werden, denn das Element wird häufig zur Sicherstellung einer möglichst scharfen Stanzkante axial im Kaltschlagwerkzeug gestaucht, wodurch eine in Richtung auf das Kopfteil zu konvergierende Konusform des Fügeabschnitts entsteht, die einer Hinterschneidung entspricht. Durch den Eingriff des Blechmaterials in eine solche Hinterschneidung wird ein zusätzlicher Auspresswiderstand erzeugt.
Die Verdrehsicherungsnasen weisen vorzugsweise die Form von länglichen gerundeten Rippen auf, die sich in Längsrichtung des Fügeabschnitts erstrecken. Der Verdrehwiderstand steigt in etwa proportional zu der Länge der Rippen.
Sowohl das Kopfteil als auch der Fügeabschnitt weisen, wenn sie in einer Richtung senkrecht zu der Längsachse geschnitten werden, eine Außenkontur auf, die bis auf die Verdrehsicherungsnasen im Wesentlichen kreisförmig ist. Eine solche Formgebung lässt sich günstig unter Anwendung eines Kaltschlagwerkzeugs herstellen und die sich ergebende rotationssymmetrische Form ist bei der Anbringung an eine Blechteil unproblematisch, da es nicht erforderlich ist, eine gezielte Drehposition des Elements einzuhalten.
Das Funktionselement ist vorzugsweise ein Mutterelement, das eine Bohrung zur Aufnahme eines Bolzenelements aufweist.
Durch die Anbringung eines erfindungsgemäßen Funktionselements an ein Blechteil entsteht ein Zusammenbauteil, das sich dadurch auszeichnet, dass das Blechteil am Fügeabschnitt derart angeordnet ist, dass sowohl die Verdrehsicherungsnasen als auch das bei der Herstellung der Verdrehsicherungsnasen verdrängte Material, das in der Ringvertiefung vorhanden ist, sich formschlüssig im Eingriff mit dem Blechteil befinden, und dass sich das Blechteil formschlüssig in die Ringvertiefung hinein und um die Sockel herum sowie gegebenenfalls in die Hinterschneidung hinein erstreckt.
Darüber hinaus presst das den Fügeabschnitt umgreifende und/oder in die Hinterschneidung eingreifende Blechmaterial, d. h. das Material im Bereich der Wandung der Lochung im Blechteil, im Wesentlichen elastisch gegen den Fügeabschnitt, wobei eine kompressive Ringspannung im Blechmaterial um den Fügeabschnitt herum herrscht. Der entsprechende Würgegriff zwischen dem Blechmaterial und dem Fügeabschnitt führt zu einem qualitativ hochwertigen Ermüdungswiderstand der Fügeverbindung.
Das Zusammenbauteil wird vorzugsweise mittels einer Matrize mit einer Ringnase derart gebildet, dass die der Blechanlagefläche abgewandte Seite des Blechteils mit einer sich um die Stanzkante herum erstreckenden Ringvertiefung versehen ist. Diese Ringvertiefung, die durch die Ringnase der Matrize erzeugt wird, ist nur wesentlich, um sicherzustellen, dass das Blechteil durch den Fügeabschnitt vollständig durchstanzt wird, obwohl der Fügeabschnitt eine axiale Länge aufweist, die kleiner ist als die Dicke des Blechteils, sondern die Verquetschung des Blechmaterials um den Fügeabschnitt herum führt zu der erwünschten kompressiven Spannung im Blechteil.
Wie oben angedeutet entspricht die Dicke des Blechteils zumindest im Wesentlichen der axialen Länge des Fügeabschnitts, ist aber um einen Betrag von bis zu 0,04 mm, vorzugsweise bis zu 0,02 mm kürzer als die Blechteildicke. Dies ist erwünscht, um sicherzugehen, dass eine planare Anschraubfläche des Blechteils auf der dem Kopfteil des Funktionselements abgewandten Seite des Blechteils vorliegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die erwünschte direkte Klemmung der Schraubverbindung erreicht wird.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Funktionselements bzw. des entsprechenden Zusammenbauteils gehen aus den Unteransprüchen sowie aus der noch folgenden Beschreibung von Beispielen anhand der beifügten Zeichnungen hervor, in welchen jeweils maßstabsgetreu folgendes gezeigt ist:
1A, 1B eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Funktionselements (1A) und eine vergrößerte Darstellung eines Bereiches der 1A (1B),
2A–2E weitere Darstellungen des Funktionselements der 1A und 1B, und zwar in einer Seitenansicht (2A), mit einer vergrößerten Darstellung des Bereichs Y der 2A (2B). in einer Stirnansicht auf den Fügeabschnitt (2C), in einer teilweise geschnittenen Ansicht (2D) und mit einer vergrößerten Darstellung des Bereiches Y der 2D (2E),
3A–3C drei Zeichnungen zur Darstellung der Anbringung des Funktionselements gemäß den 1A bis 2E an ein Blechteil, wobei die 3A die Ausgangssituation mit dem Blechteil zwischen dem Funktionselement und einer Matrize zeigt, die 3B die Situation nach der Anbringung des Funktionselements an das Blechteil wiedergibt, und die 3C eine vergrößerte Darstellung des Eingriffs des Blechteils mit dem Funktionselement zeigt,
4A, 4B entsprechen den 1A, 1B, zeigen jedoch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Funktionselements und
5A–5E den 2A–2E entsprechen, jedoch das weitere erfindungsgemäße Funktionselement nach den 4A, 4B zeigen.
Bezugnehmend auf die 1A, 1B und 2A bis 2E zeigen diese ein selbststanzendes Funktionselement 10, das zum Einstanzen in ein Blechteil 40 (3A) ausgelegt ist, wobei das Funktionselement folgende Merkmale aufweist: ein einen Flansch 12 bildendes Kopfteil 14, eine am Kopfteil 14 ausgebildete ringförmige Blechanlagefläche 16 und einen sich auf der Seite der Blechanlagefläche 16 vom Kopfteil 14 weg erstreckenden und insbesondere koaxial zu einer mittleren Längsachse 18 des Funktionselements angeordneten Fügeabschnitt 20 mit einer umlaufenden ringförmigen Stanzkante 22.
Am Fügeabschnitt 20 sind eine gerundete Form aufweisende Verdrehsicherungsnasen 24 vorgesehen, die bezogen auf die Längsrichtung 18 des Funktionselements 10 einen Abstand von der Ebene 26 der Blechanlagefläche 16 aufweisen bzw. im Bereich vor der Ebene der Blechanlagefläche eine reduzierte radiale Dicke 28 aufweisen. Die Bereiche der Verdrehsicherungsnasen mit reduzierter radialer Dicke 28 könnten insgesamt fehlen, d. h. sie sind nicht zwingend erforderlich. Der Abstand zwischen den Verdrehsicherungsnasen 24 und der Ebene der Blechanlagefläche 16 wo die Verdrehsicherungsnasen fehlen oder eine reduzierte radiale Dicke aufweisen kann in etwa 40% der axialen Länge des Fügeabschnitts 20 betragen und beispielsweise mit Vorteil zwischen 30 und 50% dieser Länge gewählt werden, wobei auch größere oder kleiner Prozentwerte möglich wären. Radial innerhalb der ringförmigen Blechanlagefläche 16 ist eine Ringvertiefung 30 im Kopfteil 14 vorgesehen. Überschüssiges Material des Fügeabschnitts 20 bzw. des Schaftteils, das durch Herstellung der Verdrehsicherungsnasen 24 entsteht, befindet sich innerhalb der Ringvertiefung 30 und bildet dort Sockel 32, die sich jeweils an Winkelstellungen befinden, die bezogen auf die Längsachse 18 zwischen zwei benachbarten Verdrehsicherungsnasen 24 angeordnet sind. Die Sockel 32 haben in Draufsicht einen kreisrunden Umfang bis auf die Stellen wo sie an den Fügeabschnitt 20 anschließen.
Die Verdrehsicherungsnasen 24 weisen vorzugsweise eine gerundete Form mit einer dem Kopfteil abgewandten abfallenden Oberfläche 34 und einer dem Kopfteil zugewandten abfallenden Oberfläche 36 auf. Hierdurch wird nicht nur der axiale Auspresswiderstand erreicht, sondern auch sichergestellt, dass der Eingriff der Verdrehsicherungsnasen 24 im Blechteil nicht zu einer ausgeprägten und unerwünschten Kerbwirkung und einer entsprechenden Herabsetzung des Ermüdungswiderstands führt.
Um den erwünschten axialen Auspresswiderstand zu erzeugen, ist es nicht zwingend erforderlich, den Fügeabschnitt 20 des Funktionselements 10 mit einer umlaufenden Hinterschneidung 38 zu versehen, da die Beabstandung der Verdrehsicherungsnasen 24 von dem Kopfteil 14 bzw. von der Ebene 26 der Blechanlagefläche 16 einen ausreichenden axialen Auspresswiderstand sicherstellt. Nichtsdestotrotz kann der Fügeabschnitt 20 im Bereich zwischen der Stanzkante 22 und der Blechanlagefläche 16 eine Hinterschneidung 38 aufweisen. Eine solche, wenn auch nicht ausgeprägte Hinterscheidung 38 kann ohnehin durch die Erzeugung der Stanzkante 22 mit erzeugt werden, denn das Element wird häufig zur Sicherstellung einer möglichst scharfen Stanzkante 22 axial im Kaltschlagwerkzeug gestaucht, wodurch eine in Richtung auf das Kopfteil zu konvergierende Konusform des Fügeabschnitts 20 entsteht, die der Hinterschneidung 38 entspricht. Durch den Eingriff des Blechmaterials in eine solche Hinterschneidung 38 wird ein zusätzlicher Auspresswiderstand erzeugt.
Die Anbringung des Funktionselements 10 an ein Blechteil 40 wird nunmehr anhand der 3A bis 3C näher erläutert. 3A zeigt schematisch die Werkzeuge, die verwendet werden, um das Mutterelement 10 gemäß 1A bis 2E oder vergleichbare Elemente wie etwa das Element 10 der 4A bis 5E in das Blechteil 40 einzustanzen. Das Werkzeug besteht aus einem Setzkopf 42, der mit einer Aufnahme 44 versehen ist, die der Kopfform des Mutterelements 10 angepasst ist, so dass der Fügeabschnitt 20 vor der unteren Stirnseite 46 des Setzkopfes 42 vorsteht. Die Blechanlagefläche 16 des Mutterelements 10 liegt in der gleichen Ebene wie die Stirnseite 46.
Setzköpfe dieser Art sind bestens bekannt und werden üblicherweise für die automatische Zufuhr von Mutterelementen aus einem Vorrat in die Aufnahme 44 ausgelegt. Beispiele für solche Setzköpfe sind unter anderem in der europäischen Patentschrift EP-755749 B2 der vorliegenden Anmelderin enthalten. Ferner könnte beispielsweise ein Setzkopf zur Anwendung gelangen, wie er in der GB-A-934101 beschrieben ist.
Unterhalb des Blechteils 40 befindet sich eine Matrize 50 mit einer mittleren Öffnung 52, deren Querschnittsform der des Stanzabschnitts 22 entspricht, wobei die Matrizenöffnung 50 geringfügig größer ausgeführt ist als der Füge- bzw. Stanzabschnitt 22, damit dieser mit geringem Spiel in die Öffnung 52 hineinpasst. Beispielsweise könnte die Öffnung 50 im Vergleich zum Stanzabschnitt 20 etwa 0,01 mm größer sein. Die Öffnung 50 hat eine mittlere Längsachse 52, die mit der mittleren Längsachse 18 des Mutterelements 10 fluchtet.
Da die Öffnung 50 der Matrize den Stanzabschnitt 20 mindestens im Bereich dessen Stirnkante bzw. Stanzkante 22 aufnehmen soll, muss die Matrize 48 im entsprechenden Werkzeug der Presse entsprechend der Ausrichtung des Mutterelements 10 im Setzkopf ausgerichtet sein.
Ferner soll erwähnt werden, dass die Passage 54 unterhalb der Öffnung 50 von dieser weg divergiert, damit der Stanzbutzen (nicht gezeigt), der entsteht, wenn das Mutterelement 10 durch eine in Pfeilrichtung 56 wirkende Kraft gegen das Blechteil und gegen die Matrize gedrückt und mittels der Zusammenarbeit zwischen dem Stanzabschnitt 20 und der Matrize 48 aus dem Blechteil 40 herausgestanzt wird, mittels Schwerkraft über die divergierende Passage 54 entsorgt werden kann. In dieser Figur kann ein so genannter Niederhalter (nicht gezeigt) im Setzkopf 42 integriert werden. Dieser Niederhalter hat die Aufgabe, vor dem Durchstanzen des Blechteils 40 dieses fest gegen die Stirnseite 58 der Matrize bzw. gegen das die Matrize 48 aufnehmende Werkzeug zu drücken. Wie insbesondere aus der 3C ersichtlich, weist die Matrize 48 einen Ringvorsprung 60 auf, der zu einer Ringvertiefung 62 im Blechteil 40 führt, die den Fügeabschnitt umgibt.
Üblicherweise wird die Matrize 48 im unteren Werkzeug einer Presse aufgenommen, und zwar so, dass die obere Stirnseite in 2A bündig mit der Oberfläche des unteren Werkzeugs liegt. Der Setzkopf 42 wird dann entweder an einer Zwischenplatte der Presse oder am oberen Werkzeug der Presse montiert. Es ist genauso möglich, die Matrize 48 in der Zwischenplatte einer Presse unterzubringen und den Setzkopf 42 dann im oberen Werkzeug der Presse anzuordnen. Ferner sind auch umgekehrte Anordnungen möglich, bei denen die Matrize 48 oberhalb des Setzkopfs 42 angeordnet ist, beispielsweise so, dass der Setzkopf 42 nach oben weisend im unteren Werkzeug der Presse oder in der Zwischenplatte der Presse angeordnet ist, während die Matrize dann folgerichtig auch in umgekehrter Position gegenüber 3A in der Zwischenplatte der Presse bzw. im oberen Werkzeug der Presse anzuordnen wäre.
Schließlich ist es nicht erforderlich, eine Presse zum Einstanzen des Mutterelements 10 zu verwenden, sondern diese Funktion könnte von einem mit entsprechenden Werkzeugen ausgestatteten Roboter oder von einer kraftbetätigten Zange übernommen werden.
Beim Schließen der Presse bzw. des Werkzeugs gemäß 3A stanzt der Stanzabschnitt 20 einen Stanzbutzen aus dem Blechteil 40, der dann durch die Passage 54 der Matrize 48 hindurchfällt und aus der Presse entsorgt werden kann. Das Durchstanzen des Blechteils erfolgt aufgrund von Scherkräften, die zwischen der Stanzkante 22 des Stanzabschnitts 20 und der Begrenzung der Öffnung 50 an der Oberseite der Matrize 48 entstehen.
Während des Durchstanzens des Blechteils drückt auch die Ringnase 60 gegen die Unterseite des Blechteils und bildet dort eine Vertiefung 62, die sich um den Stanzabschnitt 22 im Bereich dessen Stirnkante herum erstreckt. Das Material, das durch die Ausbildung der Vertiefung 62 entsteht, wird aufgrund der erheblichen Kompression innerhalb der Presse gezwungen, hinter die Verdrehsicherungsnasen 24, d. h. zischen den Verdrehsicherungsnasen und dem Kopfteil 14 sowie in die Ringvertiefung 30 und um die Sockel 32 herum zu fließen, wodurch das Blechteil 40 formschlüssig mit dem Mutterelement 10 verbunden ist. Das Mutterelement 10 ist dann auspresssicher und verdrehsicher an das Blechteil 40 gehalten.
Die Situation nach dem vollständigen Schließen der Presse, d. h. nach der Herstellung des fertigen Zusammenbauteils 64, ist in der 3B gezeigt.
Wird die Presse jetzt geöffnet, kann das fertiggestellte Zusammenbauteil 64 aus der Presse entnommen werden.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Funktionselements erfolgt im Prinzip ähnlich wie die Herstellung des Funktionselements der deutschen Patentanmeldung DE 102009042336 . Das dortige Verfahren lässt sich bei Verwendung der Wortwahl der folgenden Erfindung wie folgt beschreiben: Zur Herstellung eines selbststanzenden Funktionselements 10 mit einem Kopfteil 14 größeren Durchmessers und einem sich vom Kopfteil 14 weg erstreckenden Fügeabschnitt 20 kleineren Durchmessers, wobei der Fügeabschnitt 20 an seinem dem Kopfteil 14 abgewandten Stirnende eine kreisförmige Stanzkante 22 aufweist, erfolgt derart, dass man einen Rohling mit einer Querschnittsform entsprechend der des Kopfteils und des Fügeteils nimmt, wobei beim Rohling der Fügeabschnitt einen kleineren Durchmesser aufweist als im Bereich benachbart zum Kopfteil 14, dass eine axiale Ringvertiefung 30 im Kopfteil 14 benachbart zum Fügeabschnitt 20 gebildet wird und dass mittels eines hülsenartigen Schiebers Material vom Bereich des Fügeabschnitts 20 an mehreren umfangsmäßig einen Abstand aufweisenden Stellen axial weggeschabt wird, wobei das weggeschabte Material in die axiale Ringvertiefung 30 des Kopfteils hineingebracht wird und in Bereichen zwischen den weggeschabten Bereichen Nasen 24 bzw. Rippen verbleiben, die Verdrehsicherungsmerkmale des Elements 10 bilden. Auf diese Weise wird der Radius des Fügeabschnitts etwas verkleinert, und zwar um die maximale radiale Dicke der Verdrehsicherungsnasen.
Um das an sich bekannte Verfahren zur Herstellung des vorliegenden Elements umzuwandeln, ist es zunächst notwendig, die radiale Breite der Ringvertiefung 30 etwas zu vergrößern. Ferner wird die Stirnseite des hohlen Schiebers mit einer Formgebung komplementär zu der Ringvertiefung 30 mit den sich darin befindlichen Sockeln gestaltet, damit das mittels des Schiebers sich zwischen den Rippen befindliche Material zu den erwünschten Sockeln (gegebenenfalls mit aufgesetzten, sich radial erstreckenden Rippen gemäß 5A bis 5E) gebildet wird. Anschließend müssen die Rippen im Bereich benachbart zum Kopfteil vollständig oder teilweise plattgedrückt werden oder spannabhebend entfernt werden.
Hierdurch werden die Verdrehsicherungsnasen 24 mit einem axialen Abstand von der Ebene der Blechanlagefläche bzw. im Bereich vor der Blechanlagefläche und einer reduzierten radialen Dicke 28 versehen.
Die Herstellung der Stanzkante durch axiales Quetschen des Funktionselements kann als letzter Arbeitsschritt in einem Kaltschlagwerkzeug oder gleichzeitig mit einem früheren Arbeitsschritt erfolgen, wie zum Beispiel mit der Herstellung der Ringvertiefung 30.
Zum Zweck einer weiteren Steigerung des Verdrehwiderstandes kann die radiale Breite der Ringvertiefung größer bemessen werden als in 1B gezeigt, d. h. größer gemacht werden als die radiale Breite der Sockel 32. Hierdurch kann Blechmaterial nicht nur in Bereiche zwischen den Sockeln einfließen, sondern auch um die Sockel herum, was zu einer weiteren Steigerung des Verdrehwiderstandes führt.
Eine noch weitere Steigerung des Verdrehwiderstandes kann erreicht werden, wenn entsprechend den 4A bis 5E das überschüssige Material auch zu sich auf den Sockeln befindlichen in radialer Richtung sich erstreckenden Verdrehsicherungsrippen 66 geformt ist. Diese Verdrehsicherungsrippen 66 greifen ebenfalls in das Blechmaterial hinein und tragen zu einer erhöhten Verdrehsicherung bei. In den 4A bis 5E werden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen oder entsprechenden Merkmale wie in den 1A bis 3C verwendet und haben die gleiche Bedeutung, es sei denn, dass etwas Gegenteiliges zum Ausdruck gebracht wird. Das heißt, die bisherige Beschreibung gilt auch für diese Bezugszeichen in den 4A bis 5E.
Dabei wirkt sich die Positionierung der sich in radialer Richtung erstreckenden Verdrehsicherungsrippen 68, die jeweils zwischen zwei benachbarten sich am Fügeabschnitt befindlichen Verdrehsicherungsnasen 24 angeordnet sind, besonders positiv aus, da sie zu einer wellenartigen Verformung des Blechmaterials im Bereich um den Fügeabschnitt 20 herum führen. Eine etwaige gegenseitige Verdrehung des Funktionselements und des Blechteils wäre somit nur dann möglich, wenn das aufgebrachte Verdrehmoment ausreichen würde, um diesen wellenförmigen Eingriff zu brechen.
Mit anderen Worten wird der Verdrehsicherungswiderstand auch hierdurch erhöht.
Sowohl das Kopfteil 14 als auch der Fügeabschnitt 20 weisen, wenn sie in einer Richtung senkrecht zu der Längsachse geschnitten werden, eine Außenkontur auf, die bis auf die Verdrehsicherungsnasen im Wesentlichen kreisförmig ist. Eine solche Formgebung lässt sich günstig unter Anwendung eines Kaltschlagwerkzeugs herstellen, und die sich ergebende rotationssymmetrische Form ist bei der Anbringung an ein Blechteil 40 unproblematisch, da es nicht erforderlich ist, eine gezielte Drehposition des Elements 10 einzuhalten.
Eine andere Querschnittsform des Elements ist allerdings nicht ausgeschlossen.
Das Funktionselement ist vorzugsweise als Mutterelement realisiert, das mit einer Gewindebohrung 68 zur Aufnahme eines Bolzenelements versehen ist. Wie aus den 2A, 2D, 3A, 3B, 5A und 5D ersichtlich ist, erstreckt sich die Gewindebohrung durch den Kopfteil des Funktionselements in einen zylindrischen Vorsprung 56 auf der dem Fügeabschnitt 20 abgewandten Seite des Kopfteils 14. Der Vorsprung 56 hat einen Durchmesser kleiner als der des Kopfteils. Hierdurch kann einerseits Gewicht gespart werden, da für eine erforderliche Gewindelänge der Kopfteil weniger dick ausgeführt werden muss, andererseits kann das Element 10 dadurch in das Blechteil eingestanzt werden, so dass die Stanzkräfte über die Ringfläche 70 eingeführt werden, die am Kopfteil um den Vorsprung 56 herum ausgebildet ist, ohne das Funktionselement in unerwünschterweise zu verformen. Ferner hat das Element in Seitenansicht in etwa die Form eines an sich bekannten RND-Elements der Firma Profil und kann somit mit den gleichen oder wenigstens gleichartig ausgebildeten Setzköpfen und Führungselementen transportiert werden, beispielsweise unter Anwendung eines RND-Setzkopfes gemäß der EP 755749 .
Durch die Anbringung eines erfindungsgemäßen Funktionselements 10 an ein Blechteil 40 entsteht ein Zusammenbauteil, das sich dadurch auszeichnet, dass das Blechteil 40 am Fügeabschnitt derart angeordnet ist, dass die Verdrehsicherungsnasen 24 sich formschlüssig im Eingriff mit dem Blechteil 40 befinden, und dass sich das Blechteil 40 formschlüssig in die Ringvertiefung 30 hinein und um die Sockel 32 herum sowie gegebenenfalls in die Hinterschneidung 38 hinein erstreckt.
Darüber hinaus presst das den Fügeabschnitt 20 umgreifende und/oder in die Hinterschneidung 38 eingreifende Blechmaterial, d. h. das Material im Bereich der Wandung der Lochung im Blechteil, im Wesentlichen elastisch gegen den Fügeabschnitt, wobei eine kompressive Ringspannung im Blechmaterial um den Fügeabschnitt 20 herum herrscht. Der entsprechende Würgegriff zwischen dem Blechmaterial und dem Fügeabschnitt 20 führt zu einem qualitativ hochwertigen Ermüdungswiderstand der Fügeverbindung.
Das Zusammenbauteil 64 wird vorzugsweise mittels der Matrize 48 mit einer Ringnase derart gebildet, dass die der Blechanlagefläche 16 abgewandte Seite des Blechteils 40 mit einer sich um die Stanzkante herum erstreckenden Ringvertiefung 62 versehen ist. Diese Ringvertiefung, die durch die Ringnase 60 der Matrize 48 erzeugt wird, ist nicht nur wesentlich, um sicherzustellen, dass das Blechteil durch den Fügeabschnitt vollständig durchstanzt wird, obwohl der Fügeabschnitt eine axiale Länge aufweist, die kleiner ist als die Dicke des Blechteils, sondern die Verquetschung des Blechmaterials um den Fügeabschnitt herum führt zu der erwünschten kompressiven Spannung im Blechteil.
Wie oben angedeutet entspricht die Dicke des Blechteils 40 zumindest im Wesentlichen der axialen Länge des Fügeabschnitts, ist aber um einen Betrag von bis zu 0,04 mm, vorzugsweise bis zu 0,02 mm kürzer als die Blechteildicke. Dies ist erwünscht, um sicherzugehen, dass eine planare Anschraubfläche des Blechteils auf der dem Kopfteil des Funktionselements abgewandten Seite des Blechteils vorliegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die erwünschte direkte Klemmung der Schraubverbindung erreicht wird.
Bei alten Ausführungsformen können als Beispiel für den Werkstoff der Befestigungselemente alle Materialien genannt werden, die im Rahmen der Kaltverformung die Festigungswerte der Klasse 8 gemäß ISO-Standard oder höher erreichen, beispielsweise eine 35B2-Legierung gemäß DIN 1654.
Das Blechmaterial kann ein normales Stahlblech in Tiefziehqualität sein oder ein Alublech oder ein Organoblech sein, insbesondere ein Organoblech mit einem thermoplastischen Matrixmaterial oder wenigstens ein Matrixmaterial, das bei erhöhter Temperatur fließfähig ist.
Bezugszeichenliste

10: Funktionselement
12: Flansch
14: Kopfteil
16: Blechanlagefläche
18: Längsachse
20: Fügeabschnitt
22: Stanzkante
24: Verdrehsicherungsnasen
26: Ebene
28: Dicke
30: Ringvertiefung
32: Sockel
34: dem Kopfteil abgewandte abfallende Oberfläche
36: dem Kopfteil zugewandte abfallende Oberfläche
38: Hinterschneidung
40: Blechteil
42: Setzkopf
44: Aufnahme
46: untere Stirnseite des Setzkopfes
48: Matrize
50: Matrizenöffnung
52: Passage
54: Pfeilrichtung
56: Vorsprung
58: Stirnseite der Matrize
60: Ringvorsprung der Matrize
62: Ringvertiefung des Blechteils
64: Zusammenbauteil
66: sich radial erstreckende Rippen
68: Gewindebohrung
70: Ringfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009042336 [0010, 0047]
EP 755749 B2 [0037]
GB 934101 A [0037]
EP 755749 [0057]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 1654 [0062]

Claims

Selbststanzendes Funktionselement, das zum Einstanzen in ein Blechteil (40) ausgelegt ist, wobei das Funktionselement ein einen Flansch (12) bildendes Kopfteil (14), eine am Kopfteil (14) ausgebildete ringförmige Blechanlagefläche (16) und einen sich auf der Seite der Blechanlagefläche (16) vom Kopfteil (14) weg erstreckenden und insbesondere koaxial zu einer mittleren Längsachse (18) des Funktionselements angeordneten Fügeabschnitt (20) mit einer umlaufenden ringförmigen Stanzkante (22) aufweist, wobei am Fügeabschnitt (20) befindliche, eine gerundete Form aufweisende Verdrehsicherungsnasen (24) vorgesehen sind, die bezogen auf die Längsrichtung (18) des Funktionselements (10) einen Abstand von der Ebene (26) der Blechanlagefläche (16) aufweisen bzw. im Bereich vor der Ebene (26) der Blechanlagefläche eine reduzierte radiale Dicke (28) aufweisen, wobei radial innerhalb der ringförmigen Blechanlagefläche (16) eine Ringvertiefung (30) im Kopfteil (14) vorgesehen ist und überschüssiges Material des Fügeabschnitts (20), das durch Herstellung der Verdrehsicherungsnasen (24) entsteht, sich innerhalb der Ringvertiefung (30) befindet und dort Sockel (32) bildet, die sich jeweils an Winkelstellungen befinden, die bezogen auf die Längsachse (18) zwischen zwei benachbarten Verdrehsicherungsnasen (24) angeordnet sind.
Funktionselement nach Anspruch 1, wobei mit Material nicht gefüllte Bereiche der Ringvertiefung (30) sich zwischen den Sockeln (32) befinden.
Funktionselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die radiale Breite der Ringvertiefung (30) größer ist als die radiale Breite der Sockel (32).
Funktionselement nach einem der vorhergehemden Ansprüche, wobei das überschüssige Material auch zu sich auf den Sockeln (32) befindlichen in radialer Richtung sich erstreckenden Verdrehsicherungsrippen (66) geformt ist.
Funktionselement nach Anspruch 4, wobei die sich in radialer Richtung erstreckenden Verdrehsicherungsrippen (66) sich jeweils zwischen zwei benachbarten sich am Fügeabschnitt (20) befindlichen Verdrehsicherungsnasen (24) angeordnet sind.
Funktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdrehsicherungsnasen (24) eine gerundete Form mit einer dem Kopfteil abgewandten abfallenden Oberfläche (34) und einer dem Kopfteil zugewandten abfallenden Oberfläche (36) aufweisen
Funktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fügeabschnitt (20) im Bereich zwischen der Stanzkante (22) und der Blechanlagefläche (16) eine Hinterschneidung (38) aufweist.
Funktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdrehsicherungsnasen (24) die Form von gerundeten Rippen aufweisen, die sich in Längsrichtung (18) des Fügeabschnitts (20) erstrecken.
Funktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kopfteil (14) und der Fügeabschnitt (20) in einer Richtung senkrecht zu der Längsachse (18) geschnitten eine Außenkontur aufweisen, die bis auf die Verdrehsicherungsnasen (24) im Wesentlichen kreisförmig ist.
Funktionselement nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Funktionselement ein Mutterelement (10) ist, das eine Gewindebohrung (68) zur Aufnahme eines Bolzenelements aufweist.
Zusammenbauteil umfassend ein Funktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein Blechteil (40), dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (40) am Fügeabschnitt (20) derart angeordnet ist, dass sowohl die Verdrehsicherungsnasen (24) als auch das bei der Herstellung der Verdrehsicherungsnasen (24) verdrängte Material, das in der Ringvertiefung (30) vorhanden ist, sich formschlüssig im Eingriff mit dem Blechteil (40) befinden und dass sich das Blechteil (40) formschlüssig in die Ringvertiefung (30) hinein und um die Sockel (32) herum sowie gegebenenfalls in die Hinterschneidung (38) hinein erstreckt.
Zusammenbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das den Fügeabschnitt (20) umgreifende und/oder in die Hinterschneidung (38) eingreifende Blechmaterial, d. h. das Material im Bereich der Wandung der Lochung im Blechteil, im Wesentlichen elastisch gegen den Fügeabschnitt (20) presst.
Zusammenbauteil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die der Blechanlagefläche (16) abgewandte Seite des Blechteils (40) mit einer sich um die Stanzkante (22) herum erstreckenden Ringvertiefung (62) versehen ist.
Zusammenbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Blechteils (40) zumindest im Wesentlichen der axialen Länge des Fügeabschnitts (20) entspricht.
Zusammenbauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Fügeabschnitts (20) um einen Betrag von bis zu 0,04 mm, vorzugsweise bis zu 0,02 mm kurzer ist als die Blechteildicke.