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Die Erfindung betrifft eine Bauteilanordnung umfassend zwei Bauteile, die über eine Nietverbindung miteinander verbunden sind, wobei das erste Bauteil eine Durchbrechung mit einem Durchbrechungsrand und das zweite Bauteil einen die Durchbrechung durchsetzenden Abschnitt mit einem Kopf aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilanordnung.
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In vielen Bereichen der Technik werden zwei aneinander festzulegende Bauteile über eine Nietverbindung fest miteinander verbunden. In der Regel wird hierfür ein Niet verwendet, der die beiden Bauteile in zwei kongruent zueinander angeordneten Bohrungen durchsetzt und nach seiner plastischen Verformung beide Bauteile fest miteinander verbindet. Vorwiegend werden solche Nietverbindungen zum Fügen von Blechteilen genutzt. Sind stärkere Bauelemente miteinander zu verbinden, stößt der Niet unter Verwendung eines separaten Niets an seine Grenzen. Dies gilt auch für die Belastbarkeit der Nietverbindung.
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Die
WO 2008074964 A1 beschreibt eine Bauteilanordnung der eingangs genannten Art umfassend ein erstes Bauteil, das eine Durchbrechung aufweist, und ein zweites Bauteil, das eine die Durchbrechung durchsetzenden Abschnitt mit einem Kopf aufweist. Der Abschnitt ist in die Durchbrechung eingeschoben und ein Rand der Durchbrechung mittels eines Taumelwerkzeuges verformt, so dass die Bauteile miteinander verbunden sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Bauteilanordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Bauteilanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das erste Bauteil eine Durchbrechung mit einem Durchbrechungsrand und das zweite Bauteil einen die Durchbrechung durchsetzenden Abschnitt mit einem Kopf aufweist, wobei zur Bildung der Nietverbindung sowohl der Durchbrechungsrand als auch der Kopf des Abschnitts mittels zweier separater Taumelwerkzeuge zur Bildung einer formschlüssigen Taumelverbindung zumindest teilweise verformt sind.
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Die erfindungsgemäße Bauteilanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bauteile über eine Taumelnietverbindung formschlüssig miteinander verbunden sind. Es kommt kein separater Niet zum Einsatz, vielmehr wird die Taumelnietverbindung, mitunter auch als Radialnietverbindung bezeichnet, durch Kaltumformen hergestellt.
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Bevorzugt ist der Kopf des Abschnitts zumindest teilweise zur Seite verformt und der Durchbrechungsrand zumindest teilweise zum Abschnitt hin verformt, wobei der verformte Kopf den verformten Durchbrechungsrand übergreift. Insbesondere ist der Durchbrechungsrand der Durchbrechung umlaufend nach Innen und der Kopf des Abschnitts umlaufend nach Außen verformt. Dies ermöglicht eine besonders feste und haltbare Verbindung zwischen den beiden Bauteilen.
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Vorzugsweise weisen die Durchbrechung und der Abschnitt einen runden Querschnitt auf. Die erleichtert die das Einbringen des Abschnitts in die Durchbrechung. Aber auch andere Querschnittsformen für Durchbrechung und Abschnitt sind verwendbar, wobei die Querschnitte auch unterschiedlich ausgebildet sein können. Das erste Bauteil ist mit einer Durchbrechung versehen, während das zweite Bauteil einen diese Durchbrechung durchsetzenden Abschnitt, der als hinreichend breit respektive im Durchmesser und Länge dimensionierter Vorsprung oder Zapfen ausgeführt ist, aufweist. Zum Fügen werden die Bauteile so angeordnet, dass der Abschnitt die Durchbrechung durchgreift. Er steht mit seinem Kopf etwas aus der Durchbrechung hervor. Diese Bauteilkombination wird nun mittels zweier Taumelwerkzeuge bearbeitet, wobei die beiden Werkzeuge eine taumelnde Bewegung vollziehen und dabei das jeweilige Bauteil kalt umformen. Die Taumelwerkzeuge stehen unter einem bestimmten Winkel relativ zur Bauteilebene, sodass sich eine Art Walzbewegung ergibt, die es ermöglicht, dass das Material fließen kann und eine definierte Form einnehmen kann.
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Erfindungsgemäß wird nun eine Kaltumformung sowohl des ersten Bauteils als auch des zweiten Bauteils vollzogen. Das erste Bauteil wird mit einem ersten Taumelwerkzeug derart kalt umgeformt, dass der Durchbrechungsrand quasi radial nach innen in Richtung des Abschnitts verformt wird, sich also ein Durchmesser oder Querschnitt der Durchbrechung durch die Kaltumformung verringert.
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Das zweite Bauteil wird im Bereich des Kopfes mittels des zweiten Taumelwerkzeugs verformt. Die Breite des Kopfes respektive der Durchmesser wird durch die Kaltumformung vergrößert, also radial erweitert. Der kalt umgeformte Kopf und der kalt umgeformte Durchbrechungsrand überdecken einander nach der Umformung und liegen formschlüssig aneinander an. Durch diese doppelte Umformung ist folglich eine extrem feste, formschlüssige Taumelnietverbindung realisiert.
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Diese doppelte Umformung ist des Weiteren insbesondere bei Bauteilen vorteilhaft anwendbar, die aus einem Werkstoff mit einer sehr geringen Bruchdehnung bestehen, beispielsweise bei Bauteilen aus Druckguss wie Aluminiumdruckguss (AlSi9Cu3). Dadurch, dass beide Bauteile umgeformt werden, ist der jeweilige Umformungsgrad relativ gering, sodass mit besonderem Vorteil auch derartige Werkstoffe in der erfindungsgemäßen Weise miteinander verbunden werden können. Ein Beispiel für eine solche Bauteilanordnung, die aus Bauteilen aus einem Druckguss wie Aluminiumdruckguss bestehen, ist ein Riemenspanner, der in einem Zugmitteltrieb beispielsweise eines Kraftfahrzeugs integriert wird. Dieses Beispiel ist natürlich nicht beschränkend und abschließend, selbstverständlich sind beliebige andere Bauteilanordnungen zur Bildung unterschiedlicher Gegenstände denkbar.
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Die erfindungsgemäße Verbindungsweise lässt somit eine Verbindung zweier Bauteile in einer exakten, vorgegebenen Stellung zu, ohne dass hierfür ein separates Verbindungselement wie ein Niet oder eine Schraube etc. verwendet werden muss. Durch die definierte Umformung beider Bauteile kann eine Bauteilverbindung mit geringsten Toleranzen erreicht werden, wie auch Bauteile aus schwierig umzuformenden Materialien ohne Weiteres in der erfindungsgemäßen Weise verbunden werden können.
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Der zur Seite verformte Kopf des Abschnitts übergreift den Durchbrechungsrand hinreichend, sodass eine entsprechende formschlüssige Verbindung erreicht wird, mithin also eine ausreichende Überdeckung gegeben ist.
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Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn zum Beispiel nur an zwei einander gegenüberliegenden Positionen der Durchbrechungsrand und der Kopf in entsprechender Weise verformt sind und sie verformungsbedingt einander überdecken. Bereits diese Verbindung kann sich nicht mehr lösen. Bevorzugt jedoch ist der Durchbrechungsrand der, insbesondere runden, Durchbrechung umlaufend radial nach innen und der Kopf des im Querschnitt insbesondere runden Abschnitts umlaufend radial nach außen verformt, das heißt, dass eine vollständige umlaufende Überdeckung gegeben ist.
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Die beiden Bauteile der erfindungsgemäßen Bauteilanmeldung sind bevorzugt Druckgussbauteile, die wie ausgeführt schwierig umzuformen sind, beispielsweise bestehend aus einer Aluminiumlegierung.
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Neben der Bauteilanordnung selbst setzt die Erfindung selbst ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilanordnung, mit folgenden Schritten ein:
- – Einbringen beider Bauteile in eine Taumelpresse derart, dass der Abschnitt des zweiten Bauteils durch die Durchbrechung des ersten Bauteils greift,
- – Verformung des Durchbrechungsrandes mittels eines ersten Taumelwerkzeugs derart, dass der Durchbrechungsrand zumindest teilweise zum Abschnitt hin verformt wird,
- – Verformung des Kopfes des Abschnitts mittels eines zweiten Taumelwerkzeugs derart, dass der Kopf zumindest teilweise verformt wird und den verformten Durchbrechungsrand formschlüssig übergreift.
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In Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Durchbrechungsrand der Durchbrechung umlaufend, also radial nach innen verformt wird, während der Kopf des Abschnitts umlaufend, also radial nach außen verformt wird, sodass sich eine vollständige, wie bei einer Nietverbindung übliche Überdeckung ergibt. Gleichermaßen kann auch nur eine lokale Umformung an wenigstens zwei Positionen am Durchbrechungsrand und am Kopf erfolgen.
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Die Verformung des Durchbrechungsrandes kann in einer ersten Erfindungsalternative in einem ersten Umformschritt erfolgen, an den sich in einem separaten, zweiten Umformschritt die Verformung des Kopfes anschließt. Beide Umformschritte laufen also zeitlich nacheinander ab. Als Alternative dazu ist es denkbar, die Verformung des Durchbrechungsrandes und des Kopfes in einem gemeinsamen Umformvorgang vorzunehmen, also die beiden Umformwerkzeuge gleichzeitig zu verwenden und den Umformvorgang beider Bauteile zeitgleich vorzunehmen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnung sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung zweier Bauteile zur Bildung einer erfindungsgemäßen Bauteilanordnung,
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2 die beiden aneinander angesetzten Bauteile aus 1 vor dem ersten Umformungsvorgang,
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3 die beiden Bauteile aus 2 nach dem ersten Umformungsvorgang und vor dem zweiten Umformungsvorgang,
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4 die erfindungsgemäße Bauteilanordnung nach Durchführung beider Umformungsvorgänge und ausgebildeter Taumelnietverbindung,
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5 eine schematische Darstellung des als Außenstempel dienenden ersten Taumelwerkezeugs, und
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6 eine schematische Darstellung des als Innenstempels verwendeten zweiten Taumelwerkzeugs.
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1 zeigt in einer reinen Prinzipdarstellung ein erstes Bauteil 1 mit einer ausgebildeten Durchbrechung 2 im Schnittbild, beispielsweise in Form von einer runden Bohrung. Gezeigt ist ferner ein zweites Bauteil 3 mit einem, der Form der Durchbrechung 2 entsprechenden vorspringenden Abschnitt 4 im Schnittbild. Die Breite respektive der Durchmesser des Abschnitts 4 ist etwas geringer als die dimensionsmäßige Auslegung der Durchbrechung 2, sodass es möglich ist, den Abschnitt 4 durch die Durchbrechung 2 zu schieben.
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Das erste und das zweite Bauteil 1, 3 sind beispielsweise Druckgussbauteile, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung. Beide Bauteile sollen nun miteinander verbunden werden.
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Hierzu werden, siehe 2, beide Bauteile 1, 3 zunächst aneinander gelegt, sodass der Abschnitt 4 die Durchbrechung 2 durchgreift. Zwischen beiden bildet sich ein geringer, umlaufender Spalt 5 aus, der nachfolgend durch zwei separate Kaltverformungsvorgänge unter Bildung einer Taumelnietverbindung geschlossen wird.
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Hierzu wird nun, siehe 2, in einem ersten Umformvorgang mittels eines ersten Taumelwerkzeugs 6 der Durchbrechungsrand 7 der Durchbrechung 2 durch Taumeln verformt. Das Taumelwerkzeug 6 wird auf das erste Bauteil 1 aufgesetzt. Durch die Taumelbewegung des beweglichen Taumelwerkzeugs 6 wird nun der Durchbrechungsrand 7 umlaufend radial nach innen verformt, sodass er sich an den Abschnitt 4 annähert, oder wie exemplarisch in 3 gezeigt ist, an diesem anliegt. 3 zeigt deutlich die druckbedingte Verformung, wobei das Material des ersten Bauteils 1, also die Gusslegierung, in die entsprechende Form geflossen ist.
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Sodann wird in einem zweiten Umformvorgang, siehe 3, unter Verwendung eines zweiten Taumelwerkzeugs 8 der Kopf 9 des Abschnitts 4 verformt. Hierzu wird das zweite Taumelwerkzeug 8 gegen den Kopf 9 bewegt. Durch die Taumelbewegung während der Druckumformung fließt hier das Material des Kopfes 9 des Abschnitts 4 umlaufend radial nach außen, wie in 4 gezeigt ist. Der Rand 10 des verformten Kopfes 9 übergreift respektive überdeckt den verformten Durchbrechungsrand 7 der Durchbrechung 2, sodass sich eine feste, formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem zweiten Bauteil 3 ergibt. Der zwischen beiden Bauteilen 1, 3 ursprünglich gegebene Spalt 5 ist damit geschlossen.
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In Folge der Umformung beider Bauteile 1, 3 sind die entsprechenden Umformwege deutlich geringer als bei Umformung nur des Abschnitts 4 respektive dessen Kopfes 9, um den Spalt 5 zu überbrücken. Aus diesem Grund kann die erfindungsgemäße doppelte Taumelumformung mit besonderem Vorteil zur Verbindung von Bauteilen aus Materialien, die nur eine sehr geringe Bruchdehnung aufweisen, wie eben den beschriebenen Druckgussmaterialien, verwendet werden.
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5 zeigt in einer detaillierteren Prinzipdarstellung das erste Taumelwerkzeug 6, das als Außenstempel verwendet wird. Das Taumelwerkzeug 6 weist einen ringförmigen Umformabschnitt 11 auf, der an seinen Druckflächen eine geringe, radial nach innen laufende Fase 12 aufweist. Diese Geometrie begünstigt das Fließen des Materials des Bauteils 1 radial nach innen in Richtung des Abschnitts 4.
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6 zeigt eine Prinzipdarstellung des zweiten Taumelwerkzeugs 8. Dieses weist an seiner Druckfläche, an der es auf den Kopf 9 des Abschnitts 4 trifft, eine leichte Kalottenform 13 auf, die das radiale Fließen des Abschnittsmaterials nach außen ermöglicht.
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Wenngleich die 1 bis 4 die zeitlich nacheinander erfolgende Umformung des Durchbrechungsrandes 7 und des Kopfes 9 zeigen, ist es natürlich auch denkbar, beide Umformschritte zeitgleich, also in einem Umformvorgang vorzunehmen. Hierzu sind die Taumelwerkzeuge 6 und 8 entsprechend auszulegen, das heißt, dass das zweite Taumelwerkzeug 8 in geeigneter Weise durch das erste Taumelwerkzeug 6 durchgreifen kann.
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Auf die erfindungsgemäße Weise kann folglich eine extrem feste Verbindung zweier Bauteile ohne Verwendung zusätzlicher Verbindungselemente wie Schrauben oder Nieten erreicht werden. Auch sind keinerlei mechanische Nacharbeiten erforderlich, vielmehr wird die formschlüssige Bauteilverwendung durch zwei einfache Kaltumformschritte erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Bauteil
- 2
- Durchbrechung
- 3
- zweites Bauteil
- 4
- Abschnitt
- 5
- Spalt
- 6
- erstes Taumelwerkzeug
- 7
- Durchbrechungsrand
- 8
- zweites Taumelwerkzeug
- 9
- Kopf
- 10
- Rand
- 11
- Umformabschnitt
- 12
- Fase
- 13
- Kalottenform
