DE102014205065A1

DE102014205065A1 - Einseitiges Vorloch-Durchstoßfügen

Info

Publication number: DE102014205065A1
Application number: DE102014205065.0A
Authority: DE
Inventors: Julia Wagner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug (1) zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen einer gelochten Fügestelle (3) einer Verbindungskomponente und einer ungelochten Fügestelle (2) einer im Ausgangszustand Verbindungskomponente aus einem plastisch verformbaren Material, das geeignet ist, die Fügestellen (2, 3) durch Ausbildung eines Hinterschnitts aus Material der ungelochten Komponente (2) zu verbinden, indem das Material die gelochte Fügestelle (3) durch ihr Loch hindurch umgreift, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) an einem Ende einen Arbeitsabschnitt (8, 108) umfasst, der an einem freien Ende derart spitz zuläuft, dass mit dem Arbeitsabschnitt (8, 108) das plastisch verformbare Material der ungelochten Fügestelle (2) durchstoßbar ist, und an seinem Außenumfang mehrere Stege (10, 110) aufweist, zwischen denen Nuten (11, 111) verlaufen, wobei sich die Stege (10, 110) und Nuten (11, 111) wenigstens näherungsweise in einer Vorschubrichtung (V) von dem freien Ende zu einem dem freien Ende gegenüberliegenden Ende des Arbeitsabschnitts (8, 108) erstrecken, wobei der Querschnitt der Nuten (11, 111) sich von dem freien Ende zu dem ihm gegenüberliegenden Ende des Arbeitsabschnitts (8, 108) verringert. Weiter wird ein Verfahren zum Durchstoßfügen vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug und ein Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen einer Fügestelle einer vorgelochten Verbindungskomponente und einer Fügestelle einer im Ausgangszustand ungelochten Verbindungskomponente aus einem plastisch verformbaren Material.
Nach dem Stand der Technik werden im automobilen Karosseriebau Bauteile häufig mit Klebstoff miteinander verbunden. Da dieser Klebstoff typischerweise erst im Lackofen vollständig aushärtet, sind mechanische Fügepunkte nötig, um eine Karosserie bis zu diesem Zeitpunkt zu stabilisieren. Diese Fügepunkte haben somit eine zeitlich begrenzte Heftwirkung und tragen anschließend nicht zur Festigkeit und Steifigkeit der Bauteile bzw. daraus hergestellter Konstruktionen bei.
Bekannt ist beispielsweise das Durchsetzfügen oder Clinchen von Metall-Metall-Verbindungen. Hierbei werden beide Werkstücke verformt und bilden zusammen einen formschlüssigen Verbund. Weiter ist das Verfahren ”Tox Vario” bekannt, mit dem auch nicht oder sehr schlecht umformbare Werkstücke mit metallischen Werkstücken gefügt werden können. Dazu weist das schlecht oder nicht umformbare Werkstück vor dem Fügen ein Loch auf. Diese bekannten Arten des Durchsetzfügens setzen eine zweiseitige Zugänglichkeit der Verbindungsstelle voraus, da von einer Seite ein Umformwerkzeug und von der anderen Seite eine Matrize an den herzustellenden Verbund angelegt werden muss. Das Material von einem zu fügenden Teil umschließt dabei formschlüssig einen Teil des anderen zu fügenden Elements. Dabei können Festigkeiten bis in die Größenordnung der Festigkeit von Schweißverbindungen erreicht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindungstechnik zu schaffen, die es erlaubt, schlecht verformbare Werkstücke, etwa Faserverbundwerkstoffe, insbesondere Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffe, sowie schlecht plastisch verformbare Metalllegierungen mit plastisch verformbaren metallischen Werkstücken ohne Verwendung eines in der Verbindung verbleibenden Hilfsmittels, wie etwa eines Niets, zu verbinden. Dabei soll eine einseitige Zugänglichkeit der Verbindungsstelle ausreichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Werkzeug, das zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen zwei zu fügenden Fügestellen von zu verbindenden Komponenten geeignet ist, wobei eine Fügestelle vorgelocht ist und eine ungelocht ist. Die Fügestellen sind vorzugsweise eben und insbesondere in einem flachen Abschnitt der Komponenten angeordnet. Das Material der ungelochten Fügestelle ist plastisch verformbar. Mittels des Werkzeugs wird dieses Material durchstoßen, durch das Loch der gelochten Komponente hindurch verformt und hinter dem Loch in der gelochten Fügestelle ein Hinterschnitt hergestellt, der die Fügung der beiden Fügestellen bewirkt. Für diesen Vorgang umfasst das Werkzeug einen Arbeitsabschnitt, der an einem freien Ende eine Spitze aufweist. Diese ist so spitz, dass sie zum Durchstoßen der ungelochten Fügestelle geeignet ist. Weiter weist das Werkzeug an seinem Außenumfang mehrere Stege auf, zwischen denen Nuten verlaufen. Diese Stege und Nuten verlaufen wenigstens in einem Abschnitt und wenigstens näherungsweise in Längsrichtung des Arbeitsabschnitts des Werkzeugs. Erfindungsgemäß verjüngen sich die Nuten zwischen den Stegen mit ihrem Verlauf in Längsrichtung von der Spitze des Arbeitsabschnitts 6 weg. Diese Verjüngung kann in Längsrichtung des Arbeitsabschnitts kontinuierlich verlaufen oder die Nuten können über einen oder mehrere Abschnitte einen konstanten Querschnitt aufweisen. Die Längsrichtung des Arbeitsabschnitts entspricht vorzugsweise einer Vorschubrichtung des Arbeitsabschnitts, in der die ungelochte Fügestelle mit dem Arbeitsabschnitt durchstoßen wird und bei weiterem Vorschub auch der Hinterschnitt hergestellt wird.
Insbesondere kann die gelochte Fügestelle ein sprödes oder plastisch wenig verformbares Material um das Loch herum umfassen. Diese Fügestelle wird nicht umgeformt, sondern ihr Loch durch umgeformtes Material von innen durchgriffen und hinterschnitten, um die Fügeverbindung herzustellen. Die Verbindungskomponenten sind typischerweise Bauteile eines Fahrzeugs, etwa ein Bauteil aus Faserverbundwerkstoff und ein metallisches Bauteil, etwa aus Karosserieblech.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
In einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Werkzeug einen Spannabschnitt aufweist, an dem das Werkzeug gespannt werden kann. Dadurch können eine Translation und eine Rotation in das Werkzeug übertragen werden. Der Spannabschnitt ist mit dem Arbeitsabschnitt verbunden, so dass die Translation bzw. Rotation von dem Spannabschnitt in den Arbeitsabschnitt übertragen werden können. Bevorzugt haben der Arbeitsabschnitt und der Spannabschnitt eine gemeinsame Mittelachse. Besonders bevorzugt sind sowohl der Spannabschnitt als auch der Arbeitsabschnitt im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführt. In dieser Patentanmeldung ist mit einem freien Ende des Arbeitsabschnitts das Ende bezeichnet, das einem Ende des Arbeitsabschnitts gegenüberliegt, an dem der Arbeitsabschnitt dem Spannabschnitt verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Werkzeugs hat dieses ein Verhältnis des Durchmessers des Arbeitsabschnitts zu einer Länge des Arbeitsabschnitts zwischen 2 und 5, wobei sich die Länge des Arbeitsabschnitts in die Vorschubrichtung erstreckt. Besonders bevorzugt beträgt das genannte Verhältnis etwa 3. Bei diesem Verhältnis sind keine zu hohen Kräfte für das Einschieben der Stege und Nuten in die Fügestelle bis zum Erreichen eines Endes des Vorschubwegs erforderlich. Zugleich ist die Länge des Arbeitsabschnitts jedoch nicht so groß, dass der Arbeitsabschnitt weit hinter den Verbund aus den beiden Fügestellen vordringen muss, um diese zu fügen. Dies kann ein Vorteil sein, wenn eine Fügestelle beispielsweise an einem Hohlprofil ausgeführt wird, wobei der Arbeitsabschnitt in das Innere des Hohlprofils vordringt, so dass der mögliche Vorschubweg durch das Erreichen eines Endes eines Inneren eines Hohlraums begrenzt ist. Definitionsgemäß beginnt die Länge des Arbeitsabschnitts mit der Spitze des Arbeitsabschnitts und endet mit dem Ende der Nuten des Arbeitsabschnitts an deren Ende, das von der Spitze die größte Entfernung hat.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Spitze als eine Stelle ausgebildet, an der die Kammlinien von mehreren vorstehenden Rücken an der Außenoberfläche des Arbeitsabschnitts zusammenlaufen, zwischen denen Vertiefungen liegen. Als Kammlinie wird eine Linie auf den Rücken bezeichnet, die in Längsrichtung des Arbeitsabschnitts über die höchsten Erhebungen des Rückens über daneben angeordnete Vertiefungen verläuft. Ähnlich ist beispielsweise die Spitze eines Kreuzschlitzschraubendrehers ausgebildet. Diese Form hat den Vorteil, dass beim Durchdringen mittels der Rücken das durchdrungene Material eingeschnitten wird oder an den Rücken aufreißt. Dadurch wird die Ausbildung von einzelnen Lappen bewirkt, die an einer Seite an dem Material der ungelochten Fügestelle hängen, während zwei weitere Seiten zu anderen Lappen benachbart, aber von diesen getrennt sind. Die Rippen gehen vorzugsweise in die Stege über. Die Vertiefungen zwischen den Rücken gehen vorzugsweise in die Nuten zwischen den Stegen über. Die Rücken können einen dreieckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Vorzugsweise liegen die Kammlinien der Rücken in einem Kegelmantel. Auf diese Weise wird ein gleichmäßiges Aufschneiden des Materials der ungelochten Fügestelle bewirkt. Die Stege sind an ihrer Außenoberfläche vorzugsweise flach oder als Teil eines Zylindermantels ausgebildet. Sie sind daher weniger dazu geeignet, weiter in das Material der ungelochten Fügestelle einzuschneiden. Der Zylindermantel hat insbesondere einen kleineren Durchmesser als das Loch in der vorgelochten Fügestelle.
In einer weiteren Ausführungsform des Werkzeugs verlaufen die Nuten in Richtung der Längsachse des Arbeitsabschnitts derart, dass sie in einem Hinterschnitterzeugungsbereich gebogen und/oder schräg zu der Vorschubrichtung verlaufen. Erreicht einer der Lappen in den Nuten den Hinterschnitterzeugungsbereich, so wird er durch die schräg oder gebogen verlaufende Nutform zur Seite und aus der Nut verdrängt, wodurch ein Hinterschnitt hinter dem Loch in der gelochten Fügestelle entsteht. Somit kann es ausreichen, den Arbeitsabschnitt des Werkzeugs gerade und ohne Verdrehung durch das Material der ungelochten Fügestelle zu stoßen, wodurch in dem Material eine Öffnung und hinter dem Loch der gelochten Fügestelle ein Hinterschnitt entsteht. Beim Ausziehen des Arbeitsabschnitts aus der Fügestelle kann es vorteilhaft sein, eine Rotationsfixierung aufzuheben, um den Hinterschnitt durch die umgekehrte Bewegung des Lappens in der Nut nicht wieder aufzuheben. Bei gelöster Rotationsfixierung fädeln sich die Lappen beim Ausziehen des Werkzeugs ohne starke Rückverformung aus den Nuten aus.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Arbeitsabschnitt abschnittsweise rotationssymmetrisch. Das bedeutet, dass sich Abschnitte des Umfangs des Arbeitsabschnitts in tangentialer des Arbeitsabschnitts wiederholen. Ein solcher Abschnitt umfasst insbesondere einen Steg und eine Nut.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem eine mechanische Verbindung zwischen der vorgelochten Fügestelle einer Verbindungskomponente und einer ungelochten, plastisch verformbaren Fügestelle einer weiteren Verbindungskomponente hergestellt werden kann. Dazu wird ein Werkzeug gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt. Erfindungsgemäß werden die nachfolgend beschriebenen Schritte ausgeführt. Zunächst werden die Verbindungskomponenten derart aneinander gebracht, dass die zu verbindenden Fügestellen aneinander liegen, wobei diese vorzugsweise flach sind und flach aneinander liegen. Ein Loch in der gelochten Fügestelle kommt neben Material der ungelochten Fügestelle zu liegen. In einem weiteren Schritt wird das Werkzeug auf der Seite der ungelochten Fügestelle so positioniert, dass bei einem Vorschub in Vorschubrichtung des Werkzeugs die ungelochte Fügestelle durchdrungen wird, wobei das Werkzeug beim und nach dem Durchdringen der ungelochten Fügestelle durch das Loch in der gelochten Fügestelle tritt, besonders bevorzugt in dessen Mitte. Um die richtige Ausrichtung des Werkzeugs vor dem Durchführen des Vorschubs zu gewährleisten, kann eine geeignete Position mit einem Messverfahren, wie etwa Ultraschall oder induktiver Materialdickenmessung, gefunden werden. Alternativ kann die richtige Position bekannt sein und angefahren werden oder beispielsweise mit einer Schablone oder Markierung vorgegeben werden. In einem nächsten Schritt wird das ungelochte Flachelement mittels einer Bewegung des Werkzeugs in dessen Vorschubrichtung durchstoßen. Durch den im Verlauf des Vorschiebens des Arbeitsabschnitts zunehmenden Durchmesser der Spitze reißt das Material neben der Durchstoßstelle in mehrere Lappen auf. Dies kann insbesondere durch Rücken gefördert werden, die an einer Stelle gemeinsam die Spitze des Arbeitsabschnitts bilden. Diese Lappen fädeln sich im Verlauf des weiteren Vorschubs in die Nuten des Arbeitsabschnitts ein. In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird das Werkzeug weiter bis in eine vorgeschobene Position vorgeschoben, in der die Stanzlappen in einem Abschnitt der Nuten zu liegen kommen, in dem starke Hinterschnittbildung stattfindet. Dabei Fallen befinden sich ein Abschnitt der Lappen auf der von der ungelochten Fügestelle abgewandten Seite der vorgelochten Fügestelle, um die vorgelochte Fügestelle hintergreifen zu können. Vorzugsweise sind die Nuten so gestaltet, dass ihr Querschnitt, in dem sich die Lappen befinden, mit dem Fortschritt des Vorschubs verringert, so dass die Lappen immer weiter aus den Nuten quellen. In einer Variante des Verfahrens kann der so entstehende Hinterschnitt hinter dem Loch der gelochten Fügestelle schon ausreichen, um eine Verbindung mit geringer Festigkeit herzustellen. Erfindungsgemäß wird jedoch in einem weiteren Schritt an oder ab der vorgeschobenen Position der Arbeitsabschnitt in der Fügestelle gedreht, so dass die Lappen noch weiter aus den Nuten hervortreten und den Hinterschnitt verstärken. In einer Variante, in der ein Abschnitt der Nuten schräg zu der Vorschubrichtung und/oder gebogen verläuft, kann auf das Drehen verzichtet werden, da der Verlauf der Nuten selbst schon dieselbe Wirkung haben kann, wobei die Winkelausrichtung des Arbeitsabschnitts in der Fügestelle unverdreht bleibt.
Das Verfahren kann als Durchstoßfügen bezeichnet werden. Vorteilhaft reicht die Zugänglichkeit der Fügestelle von einer Seite aus, da für das Werkzeug kein Gegenwerkzeug erforderlich ist. Vorteilhaft wird außerdem kein Fügeelement, wie etwa ein Niet, benötigt. Der Schritt des Durchstoßens des Materials der ungelochten Fügestelle kann übergangslos in das Verschieben des Werkzeugs übergehen, während dem das Material in den Nuten nach außen gedrängt wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Drehen fortgesetzt, während zugleich der Vorschub fortgesetzt wird. Es ergibt sich ein verstärktes Herausquellen des Materials der Lappen aus den Nuten.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Lage der vorgeschobenen Position, ab der die Drehbewegung beginnt, an die Dicke der vorgelochten Fügestelle angepasst. Wenn das verstärkte Herausquellen von Material aus den Nuten beginnt, wenn dieses noch nicht hinter Lochenden der vorgelochten Fügestelle angekommen ist, wird das Material gegen die Innenwandung des Lochs gedrängt, statt einen Hinterschnitt zu bilden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Lage der vorgeschobenen Position außerdem an die Dicke des Materials an der ungelochten Fügestelle angepasst werden. Wenn diese beispielsweise größer ist, befinden sich dickere Lappen aus mehr Material in den Nuten, so dass dieses in den Nuten stärker gestreckt wird und die vorgeschobene Position früher erreicht wird. Alternativ kann ein Werkzeug mit tieferen Nuten eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Ende des Vorschubwegs des Arbeitsabschnitts an die Dicke der gelochten Fügestelle angepasst. Am Ende des Vorschubswegs ist der Hinterschnitt vollständig ausgebildet. An welcher Stelle dies der Fall sein sollte, hängt davon ab, wie dick die ungelochte Fügestelle ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Werkzeug, insbesondere dessen Nutquerschnitt, an die Materialdicke an der ungelochten Fügestelle angepasst sein.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Arbeitsabschnitt, ohne diesen zu verdrehen, nach dem Herstellen des Hinterschnitts wieder aus der Fügestelle gezogen. Durch das Beibehalten der Winkelposition wird der erzeugte Hinterschnitt bei Werkzeugen, die gerade in Vorschubrichtung verlaufende Nuten und Stege ohne Abweichung der Verlaufsrichtung aufweisen, nicht wieder verringert.
In einer weiteren Ausführungsform wird vor dem Herstellen der Fügeverbindung die gelochte Fügestelle vorgelocht. Dazu wird sie insbesondere durchgestanzt oder gebohrt.
In einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, mittels des Verfahrens nicht nur Fügestellen von zwei Komponenten, sondern von noch mehr Komponenten miteinander zu verbinden. Die Fügestellen werden dazu aneinandergelegt. Bis auf eine Fügestelle an einem Ende des Stapels von Fügestellen sind die anderen Fügestellen vorgelocht. Deren Löcher fluchten miteinander. Die ungelochte Fügestelle ist wieder aus plastisch verformbarem Material hergestellt, um einen Hinterschnitt durch jeweils ein Loch von jeder der anderen Fügestellen zu bilden und den Verbund aus Fügestellen zu fixieren. Denkbar ist, die Löcher umso größer vorzusehen, je mehr Fügestellen gefügt werden. Es entstehen so längere Lappen für den längeren Durchgriff durch die mehreren vorgelochten Fügestellen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung der Herstellung der Fügeverbindung in einem Stadium kurz vor Erreichen einer geeigneten vorgeschobenen Lage des Werkzeugs in einer Ausführungsform,
2 eine schematische perspektivische Darstellung der Herstellung der Fügeverbindung am Ende der Ausformung eines Hinterschnitts,
3 eine schematische Ansicht eines Werkzeugs nach der Erfindung in einer weiteren Ausführungsform,
3A einen ersten Querschnitt durch das Werkzeug in 3,
3B einen zweiten Querschnitt durch das Werkzeug in 3,
3C einen dritten Querschnitt durch das Werkzeug in 3,
3D einen vierten Querschnitt durch das Werkzeug in 3,
3E einen fünften Querschnitt durch das Werkzeug in 3, und
3F einen sechsten Querschnitt durch das Werkzeug in 3.
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Werkzeug 1 bei der Herstellung einer Verbindung zwischen einer ungelochten Fügestelle 2 einer zu verbindenden Komponente und einer vorgelochten Fügestelle 3 einer weiteren zu verbindenden Komponente. Zu Beginn der Herstellung der Verbindung wird das Werkzeug 1 in Bezug auf eine Position eines Lochs 4 in der vorgelochten Komponente derart angeordnet, dass ein Vorschieben des Werkzeugs 1 in die Vorschubrichtung V das Werkzeug 1 durch das Loch 4 treten lässt. Das Werkzeug 1 weist eine Spitze 5 auf, die dazu geeignet ist, die ungelochte Fügestelle 2 zu durchstoßen. Von der Spitze 5 aus erstrecken sich mehrere Rücken 6 entlang eines Kegelmantels, der in der Spitze 5 endet. Die Rücken 6 sind durch eine Vertiefung 7 voneinander getrennt. In dem gezeigten Beispiel sind über den Umfang des Werkzeugs 1 vier solcher Rücken 6 und Vertiefungen 7 angeordnet, wovon jedoch nur zwei Rücken 6 oder eine Vertiefung 7 sichtbar sind. Der Arbeitsabschnitt 8 umfasst die Spitze 5, die an einem freien Ende des Werkzeugs 1 angeordnet ist. Die Rücken 6 gehen an einem Übergang des kegelförmigen spitzen Abschnitts des Arbeitsabschnitts 8 in einen zylindrischen Abschnitt des Arbeitsabschnitts 8 in Stege 10 über, während die Vertiefungen 7 in Nuten 11 übergehen. Das Werkzeug 1 weist einen Arbeitsabschnitt 8 und einen Schaftabschnitt 9 auf. Der Schaftabschnitt 9 dient dazu, das Werkzeug 1 in eine Spannvorrichtung aufzunehmen, mit der eine Rotation und eine Translation in das Werkzeug 1 übertragbar ist.
Beim Durchstoßen der ungelochten Fügestelle 2 mit dem Werkzeug reißt das Material der Fügestelle 2 um die Spitze 5 herum auf, wobei die Rücken 6 bewirken, dass an diesen Stellen von der Durchdringungsstelle aus weitere Risse entstehen, wobei das sich Material, das zwischen diesen Rissen befindet, in den Vertiefungen 7 zu liegen kommt und mit weiterem Vorschieben des Werkzeugs 1 in den Nuten 11 zu liegen kommt. Es entstehen vier Materiallappen, die über die ungelochte Verbindungsstelle miteinander verbunden, wobei jedoch deren Abschnitte, die sich in den Nuten 11 befinden, voneinander durch die Rücken 6 bzw. die Stege 10 getrennt sind. Die Nuten 11 haben in einer Richtung von der Spitze 5 weg einen sich verringernden Querschnitt. Dies wird bewirkt, indem der Boden der Nuten 11 sich im Verlauf der Nuten 11 von der Spitze 5 weg stetig mehr dem Außenumfang des Werkzeugs 1 annähert, das heißt, dass die Nuten 11 von der Spitze 5 weg immer weniger tief werden. Durch diese Geometrie der Nuten 11 wird beim Vorschieben des Werkzeugs 1 in Vorschubrichtung V das Material der Lappen 12 weiter nach außen gedrängt, wodurch sich zunächst ein beginnender Hinterschnitt hinter dem Loch 4 auf der Seite in Vorschubrichtung der vorgelochten Fügestelle 3 bildet. In 1 ist schematisch dargestellt, wie sich ein solcher Lappen 12 aus dem Loch 4 erstreckt, wobei sich der Lappen 12 noch in der Nut 11 befindet. Die dargestellte Situation kann eine Lage des Werkzeugs 1 in Bezug auf den herzustellenden Verbund aus den Fügestellen 2 und 3 sein, in der zusätzlich zu dem Vorschub in Vorschubrichtung V eine Drehung des Werkzeugs 1 ausgeführt werden kann. Diese Position wird in dieser Patentanmeldung als vorgeschobene Position bezeichnet. Obwohl auch hier schon das Material der Lappen etwas nach außen gedrängt wird und möglicherweise schon einen Hinterschnitt bildet, ist die Festigkeit der so erreichten Verbindung noch sehr gering.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Endes der Herstellung einer Verbindung von zwei Fügestellen 2 und 3. Viele Details in der 2 stimmen mit Details in der 1 überein und sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Sie werden nicht noch einmal gesondert beschrieben; es sei diesbezüglich auf die Ausführungen zu 1 verwiesen. Im Unterschied zu der 1 ist das Werkzeug 1 weiter vorgeschoben und hat während des Vorschubs aus der in 1 gezeigten Position zusätzlich eine Drehbewegung ausgeführt. Dadurch sind die Lappen 12 deutlich aus den Nuten 11 des Werkzeugs 1 ausgetreten, so dass sie einen zuverlässigen Hinterschnitt bilden. Die Lappen 12 befinden sich in einem Teil der Nuten, der eine deutlich geringere Tiefer hat als der Teil der Nuten 11, in dem sich die Lappen 12 in der 1 befinden. Auch dadurch sind die Lappen 12 weiter nach außen gedrängt, was zu der Erzeugung eines Hinterschnitts durch die Lappen 12 beiträgt. Nach der gezeigten Endstellung des Werkzeugs 1 kann das Werkzeug wieder aus dem Verbund aus den Fügestellen 2 und 3 ausgezogen werden. Die Stege 10 und die Nuten 11 verlaufen im gezeigten Ausführungsbeispiel gerade, so dass während des Ausziehens keine weitere Verdrehung erforderlich ist. Nach dem Ausziehen des Werkzeugs 1 ist die Herstellung des Verbundes abgeschlossen.
3 zeigt schematisch eine Ansicht einer anderen Ausführungsform des Werkzeugs 101. Wie das in den 1 und 2 gezeigte Werkzeug 1 weist das Werkzeug 101 an einem Arbeitsabschnitt 108 vier Rücken 106 auf, die in vier Stege 110 übergehen. Dementsprechend weist das Werkzeug vier Vertiefungen 107 auf, die jeweils in Nuten 111 übergehen. Bei der Verwendung des Werkzeugs bilden sich vier Lappen, die jeweils einen Hinterschnitt herstellen. Ein Unterschied zu dem in den 1 und 2 gezeigten Werkzeug liegt darin, dass die Nuten 111 sich nicht in ihrem Querschnitt dadurch verringern, dass diese eine geringere Tiefe aufweisen, sondern dadurch, dass die Nuten 111 an ihrem der Spitze abgewandten Ende sich verkleinern, indem die Stege 110 breiter werden und die Nuten 111 entsprechend schmäler. Dementsprechend haben die Stege am Übergang zu den Nuten eine Seitenfläche 114, die gebogen und schräg zu einer Längsachse 113 des Arbeitsabschnitts 108 verläuft. Wenn das Werkzeug 101 so weit vorgeschoben wird, dass die Seitenfläche 114 die Lappen verformt, werden diese ohne eine Drehung D zur Seite aus den Nuten 111 gedrängt. Dadurch wird ein Hinterschnitt erzeugt. Um dem seitlich verschobenen Lappen Raum zu geben, ist auch die der Seite 114 gegenüberliegende Seite 115 jedes Stegs 110 gekrümmt und schräg zu der Längsachse 113 verlaufend ausgebildet. Wenn das Werkzeug 101 nach der Herstellung des Hinterschnitts aus der Verbindungsstelle entfernt wird, wird eine Drehung des Werkzeugs 101 freigegeben, so dass sich dieses beim Zurückziehen selbsttätig etwas drehen kann, so dass der Hinterschnitt durch die Wirkung der Seitenfläche 115 beim Ausziehen nicht rückgängig gemacht wird. Zur Verdeutlichung des Verlaufs der Stege 110 und der Nuten 111 bzw. der Rücken 106 und der Vertiefungen 107 sind entlang des Werkzeugs 101 sechs Stellen AA, BB, CC, DD, EE und FF eingezeichnet, an denen jeweilige Querschnitte vorliegen, die in den 3A bis 3F dargestellt sind. An den Arbeitsabschnitt 108 schließt sich ein Spannabschnitt 109 mit im Wesentlichen zylindrischer Form an.
3A zeigt einen Querschnitt durch das Werkzeug 101 an der Stelle AA. Die Querschnittsstelle befindet sich kurz unterhalb der Spitze, die im Wesentlichen als Spitze eines Kegelmantels mit Rücken 106 und Vertiefungen 107 ausgebildet ist. Die Rücken verbreitern sich von der Spitze in Richtung des zylindrischen Abschnitts des Arbeitsabschnitts 108 des Werkzeugs 101. Während dies in der 3A zu sehen ist, ist dieses Detail in der 3 aufgrund der Einfachheit der schematischen Darstellung weggelassen. Zwischen den Rücken 106 befinden sich die Aussparungen 107, in die die beim Durchdringen einer ungelochten Fügestelle entstehenden Lappen gedrängt werden.
3B zeigt einen Querschnitt des Werkzeugs 101 an einer Stelle des zylindrischen Abschnitts des Arbeitsabschnitts 108, der nahe an der kegelförmigen Spitze des Werkzeugs 101 angeordnet ist. Hier ist zu sehen, dass die Stege 110 relativ schmal ausgebildet sind, während die dazwischenliegenden Nuten einen großen Querschnitt aufweisen. Diese Querschnittsform erstreckt sich über einen Teil des zylindrischen Abschnitts des Arbeitsabschnitts 108, der bis zum Beginn der Seitenflächen 114 und 115 reicht.
3C zeigt einen Querschnitt durch das Werkzeug 101 an der Stelle CC. Im Vergleich zu dem Querschnitt in der 3B sind die Stege gegenüber einem gedachten Mittelkreuz, auf dem sich die Stege 110 in der 3B befinden, seitlich verschoben. Dies geht mit dem Verlauf der Seitenflächen 114 und 115 einher, die bewirken, dass das Material der Lappen nach außen aus den Nuten gedrängt wird.
3D zeigt einen Querschnitt des Werkzeugs 101 an einer Stelle DD. Diese befindet sich ebenfalls im Verlauf der Seitenflächen 114 und 115 und im Vergleich zu der Stelle CC weiter von der Spitze entfernt. Im Unterschied zu dem Querschnitt in 3C sind hier die Stege aus dem Mittenkreuz nicht nur verschoben, sondern auch verdreht und verbreitert. Dadurch ergeben sich deutlich kleinere Nuten 111. Wenn die Lappen aus dem Material der ungelochten Fügestelle diesen Querschnitt erreichen, werden sie massiv aus dem Werkzeug 101 gedrängt. Dies fördert die Bildung des Hinterschnitts, ohne dass dazu das Werkzeug 101 gedreht werden muss.
3E zeigt einen weiteren Querschnitt durch das Werkzeug 101 an einer Stelle EE, die noch weiter als die Querschnitte DD und CC von der Spitze 105 entfernt ist. Im Vergleich zu dem Querschnitt DD sind die Nuten 111 noch deutlich stärker verkleinert. Erreichen die Lappen den Querschnitt EE, so ist der weitaus größte Teil derselben aus den Nuten 111 verdrängt.
3F zeigt einen Querschnitt durch den Spannabschnitt 109 des Werkzeugs 101. Dieser weist einen zylindrischen Vollquerschnitt auf, da die Nuten nicht bis in den Spannabschnitt 109 reichen.
Bezugszeichenliste

1: Werkzeug
2: Ungelochte Fügestelle einer Verbindungskomponente
3: Vorgelochte Fügestelle einer Verbindungskomponente
4: Loch in der vorgelochten Fügestelle
5: Spitze
6: Rücken
7: Vertiefung
8: Arbeitsabschnitt
9: Spannabschnitt
10: Steg
11: Nut
12: Lappen
101: Werkzeug
105: Spitze
106: Rücken
107: Vertiefung
108: Arbeitsabschnitt
109: Spannabschnitt
110: Steg
111: Nut
113: Längsachse
114: Seitenwand
115: Seitenwand
D: Drehrichtung
V: Vorschubrichtung

Claims

Werkzeug (1) zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen einer vorgelochten Fügestelle (3) einer Verbindungskomponente und einer im Ausgangszustand ungelochten Fügestelle (2) einer Verbindungskomponente, wobei die ungelochte Fügestelle (2) plastisch verformbares Material umfasst, das geeignet ist, die Fügestellen (2, 3) durch Ausbildung eines Hinterschnitts aus Material der ungelochten Fügestelle (2) zu verbinden, indem das Material die gelochte Fügestelle (3) durch ihr Loch (4) hindurch umgreift, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) an einem Ende einen Arbeitsabschnitt (8, 108) umfasst, der an einem freien Ende derart spitz zuläuft, dass mit dem Arbeitsabschnitt (9, 109) das plastisch verformbare Material der ungelochten Fügestelle (2) durchstoßbar ist, und an seinem Außenumfang mehrere Stege (10, 110) aufweist, zwischen denen Nuten (11, 111) verlaufen, wobei sich die Stege (10, 110) und Nuten (11, 111) wenigstens näherungsweise in einer Vorschubrichtung (V) von dem freien Ende zu einem dem freien Ende gegenüberliegenden Ende des Arbeitsabschnitts (9, 109) erstrecken, wobei der Querschnitt der Nuten (11, 111) sich von dem freien Ende zu dem ihm gegenüberliegenden Ende des Arbeitsabschnitts (8, 108) verringert.
Werkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) einen Spannabschnitt (9, 109) aufweist, der mit dem Arbeitsabschnitt (8, 108) verbunden ist, wobei eine Translation und eine Rotation in den Spannabschnitt (9, 109) übertragbar und an den Arbeitsabschnitt weiterleitbar sind, wobei vorzugsweise eine Mittelachse (113) des Arbeitsabschnitts (8, 108) und des Spannabschnitts (9, 109) miteinander fluchten.
Werkzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis des Durchmessers des Arbeitsabschnitts (8, 108) zu einer Länge des Arbeitsabschnitts (8, 108) zwischen 2 und 5 liegt und besonders bevorzugt etwa 3 beträgt.
Werkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, der Arbeitsabschnitt (8, 108) des Werkzeugs (1) im Wesentlichen die Form eines angespitzten Zylinders mit Nuten (11, 111) aufweist.
Werkzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (5, 105) als Stelle des Zusammentreffen mehrerer hervorstehender Rücken (6, 106) mit dazwischenliegenden Vertiefungen (7, 107) ausgebildet ist, wobei Kammlinien der Rücken (6, 106) insbesondere in einem gedachten Kegelmantel liegen.
Werkzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (114, 115) einer Seitenwand der Nuten (111) in einem Hinterschnitterzeugungsbereich gebogen und/oder in Bezug auf die Vorschubrichtung (V) schräg verläuft.
Werkzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsabschnitt (8, 108) des Werkzeugs (1) abschnittsweise rotationssymmetrisch ist.
Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen einer gelochten Fügestelle (3) einer Verbindungskomponente und einer ungelochten, plastisch verformbaren Fügestelle (2) einer weiteren Verbindungskomponente, wobei die Fügestellen der Verbindungskomponenten (2, 3) mittels eines Werkzeugs (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche verbunden werden, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Anordnen der Verbindungskomponenten, derart, dass die Fügestellen (2, 3) aneinander liegen, wobei ein Loch (4) in der gelochten Fügestelle (3) neben Material der ungelochten Fügestelle (2) angeordnet ist, Positionieren des Werkzeugs (1) auf der Seite der ungelochten Fügestelle (2) derart, dass der Arbeitsabschnitt (8, 108) des Werkzeugs (1) bei Vorschub in eine Vorschubrichtung (V) durch das Loch (4) in der gelochten Fügestelle (3) tritt, Durchstoßen des ungelochten Flachelements (2) mittels einer Längsbewegung des Werkzeugs (1) in dessen Vorschubrichtung (V), sodass in dem Loch (4) mehrere Lappen (12) aus dem Material der ungelochten Fügestelle (2) entstehen, welche an einer Seite mit der ungelochten Fügestelle (2) verbunden sind und die jeweils in eine Nut (11, 111) des Werkzeugs (1) gedrängt werden, Vorschieben des Werkzeugs (1), bis die Lappen (12) in einer vorgeschobenen Position in einem Abschnitt der Nuten (11, 111) liegen kommen, der einen geringeren Querschnitt als ein Querschnitt an dem Ende der Nuten (11, 111) in Richtung des freien Endes des Arbeitsabschnitts (8, 108) aufweist, wobei die Lappen (12) aus den Nuten (11, 111) nach außen gedrängt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Werkzeug (1) an oder ab der vorgeschobenen Position gedreht wird, wobei die Lappen (12) aus den Nuten (11) gedrängt werden und einen Hinterschnitt hinter dem Loch der gelochten Fügestelle (3) bilden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des Drehens des Werkzeugs (1) gleichzeitig der Vorschub fortgesetzt wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der vorgeschobenen Position an die Dicke der gelochten Fügestelle (3) angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Nuten (11, 111) oder/und das Ende des Vorschubwegs an die Dicke der gelochten Fügestelle (3) angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung des Vorschiebens und des Drehens des Werkzeugs (1) das Werkzeug (1) aus den Fügestellen (2, 3) gezogen wird, wobei die Winkelstellung des Werkzeugs (1) nach dem Drehen beibehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einsatz des Werkzeugs (1) zur Verbindung der ungelochten Fügestelle (2) mit der gelochten Fügestelle (3) die gelochte Fügestelle (3) vorgelocht wird, insbesondere durch Stanzen oder Bohren.