DE102016008580A1

DE102016008580A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Fügen zweier Bauteile mittels Schneidclinchen

Info

Publication number: DE102016008580A1
Application number: DE102016008580.0A
Authority: DE
Inventors: Alessandro Weikelmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2017-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Fügen zweier Bauteile (3, 5) mittels Schneidclinchen, mit einer Stempeleinheit (7), die einen äußeren Stempel (9) sowie einen in dem äußeren Stempel (9) aufgenommenen und relativ zu dem äußeren Stempel (9) verlagerbaren inneren Stempel (11) aufweist, und mit einer Schneidmatrize (15), die einen Schneidkanal (17) aufweist, in dem ein Amboss (19) relativ zu der Schneidmatrize (15) verlagerbar angeordnet ist, wobei die Stempeleinheit (7) und die Schneidmatrize (15) relativ zueinander einer Fügerichtung verlagerbar sind, wobei zwei zu fügende Bauteile (3, 5) derart zwischen der Stempeleinheit (7) und der Schneidmatrize (15) anordenbar sind, dass ein erstes Bauteil (3) der Schneidmatrize (15) und ein zweites Bauteil (5) der Stempeleinheit (7) zugewandt ist, gekennzeichnet durch eine Materialführungseinrichtung (33), die eingerichtet und angeordnet ist, um eine in Fügerichtung auf Material zumindest des ersten Bauteils (3) wirkende Kraft im Bereich der Schneidmatrize (15) umzulenken in eine Kraft, die senkrecht auf der Fügerichtung steht, vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile mittels Schweißclinchen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 028 568 A1 ist eine Vorrichtung zum Fügen zweier Bauteile miteinander mittels Schweißclinchen bekannt, die eine Stempeleinheit mit einem äußeren Stempel sowie einem in dem äußeren Stempel aufgenommenen und relativ zu dem äußeren Stempel verlagerbaren inneren Stempel aufweist, wobei die Vorrichtung außerdem eine Schneidmatrize aufweist, die einen Schneidkanal mit einem in dem Schneidkanal relativ zu der Schneidmatrize verlagerbar angeordneten Amboss aufweist. Die Stempeleinheit und die Schneidmatrize sind relativ zueinander entlang einer Fügerichtung verlagerbar. Dabei sind zwei miteinander zu fügende Bauteile derart zwischen der Stempeleinheit und der Schneidmatrize anordenbar, dass ein erstes Bauteil der Schneidmatrize und ein zweites Bauteil der Stempeleinheit zugewandt ist. Mit einer derartigen, bekannten Vorrichtung zum Schneidclinchen ist es allerdings lediglich möglich, Bauteile miteinander zu fügen, deren Werkstoffe eine Zugfestigkeit R_m aufweisen, die mindestens 500 bis 600 MPa beträgt. Bei geringerer Zugfestigkeit ist insbesondere nicht gewährleistet, dass das erste Bauteil im Bereich eines auszustanzenden Lochbutzens sicher geschnitten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile mittels Schweißclinchen zu schaffen, bei welchen die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Vorrichtung zum Fügen zweier Bauteile miteinander mittels Schweißclinchen geschaffen wird, die sich durch eine Materialführungseinrichtung auszeichnet, die eingerichtet und angeordnet ist, um eine in Fügerichtung auf Material zumindest des ersten Bauteils wirkende Kraft im Bereich der Schneidmatrize umzulenken in eine Kraft, die senkrecht auf der Fügerichtung steht. Beim Schneidclinchen wird dabei insbesondere durch den inneren Stempel einerseits und den insoweit als Widerlager dienenden Amboss andererseits eine Kraft auf die zu fügenden Bauteile ausgeübt, die in Fügerichtung wirkt. Die Kraft ist dabei eine vektorielle Größe, wobei sich der Kraftvektor entlang der Fügerichtung erstreckt. Mittels der Materialführungsrichtung kann im Bereich der Schneidmatrize die in Fügerichtung wirkende Kraft umgelenkt werden, sodass eine Kraftkomponente entsteht, welche senkrecht auf der Fügerichtung steht, wobei diese Kraftkomponente insbesondere radial nach außen weist. Durch diese Kraftkomponente wird Material zumindest des unteren Bauteils radial nach außen gedrängt und dabei zu einer Schneidkante der Schneidmatrize hingeführt. Zugleich wird – insbesondere auch aufgrund der Verformung des ersten Materials – das zweite Material geeignet umgeformt, sodass es besonders effizient radial nach außen fließt und den Schneidvorgang des ersten Bauteils unterstützt. Das erste Bauteil kann somit auch dann sicher geschnitten werden, wenn es ein Material mit einer Zugfestigkeit R_m von weniger als 500 MPa aufweist. Somit kann der Bereich des fügbaren Spektrums mit Bezug auf die verwendbaren Materialien erheblich erweitert werden.
Der innere Stempel ist bevorzugt konzentrisch in dem äußeren Stempel aufgenommen und in Fügerichtung relativ zu dem äußeren Stempel verlagerbar.
Der Amboss ist vorzugsweise konzentrisch in der Schneidmatrize angeordnet und in Fügerichtung relativ zu der Schneidmatrize verlagerbar.
Besonders bevorzugt sind die Stempeleinheit einerseits und die Anordnung aus der Schneidmatrize und dem Amboss andererseits konzentrisch zueinander angeordnet, insbesondere – entlang der Fügerichtung gesehen – axial übereinander.
Dabei definiert die Fügerichtung eine Axialrichtung, entlang derer eine Relativverlagerung der verschiedenen Teile der Vorrichtung stattfinden kann. Unter einer radialen Richtung wird eine Richtung verstanden, die senkrecht auf der Fügerichtung steht. Dabei wird unter radial außen ein Bereich verstanden, der von der durch die Fügerichtung definierten Achse weg weist, wobei unter radial innen ein Bereich verstanden wird, welcher dieser Achse zugewandt ist. Bevorzugt bilden die Stempeleinheit und zumindest der Amboss, besonders bevorzugt zusätzlich auch die Schneidmatrize, eine um die Fügerichtung rotationssymmetrische Anordnung, wobei die Symmetrieachse zugleich die Achse der Fügerichtung ist.
Dass die in Fügerichtung wirkende Kraft im Bereich der Schneidmatrize umgelenkt wird, bedeutet insbesondere, dass die Umlenkung durch die Materialführungseinrichtung – in Richtung der Fügerichtung, mithin in axialer Richtung gesehen – auf Höhe der Schneidmatrize, das heißt insbesondere nicht ober- oder außerhalb der Schneidmatrize, umgelenkt wird. Unter „oben” wird dabei eine – aus Sicht der Schneidmatrize gesehen – der Stempeleinheit zugewandte Seite bezeichnet, wobei „unten” eine der Stempeleinheit abgewandte Seite bezeichnet.
Die auf das Material zumindest des ersten Bauteils in Fügerichtung wirkende Kraft wirkt insbesondere bei einer Relativverlagerung der Stempeleinheit relativ zu der Schneidmatrize, mithin beim Schneidclinchen, wobei die Kraft insbesondere durch den inneren Stempel in die Bauteile eingeleitet wird, wobei der Amboss bevorzugt als Widerlager wirkt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Materialführungseinrichtung im Bereich der Schneidmatrize, insbesondere innerhalb der Schneidmatrize angeordnet ist.
Beim Schneidclinchen werden insbesondere zwei Bauteile zwischen der Stempeleinheit und der Schneidmatrize aufeinandergelegt. Die Vorrichtung weist vorzugsweise neben der Stempeleinheit einen Niederhalter auf, der eingerichtet ist, um die Bauteile beim Schneidclinchen zu halten. Der Niederhalter kann dabei konzentrisch zu der Stempeleinheit angeordnet sein, wobei er die Stempeleinheit – in Umfangsrichtung gesehen – umgreift. Eine Umfangsrichtung ist dabei eine Richtung, welche die Fügerichtung konzentrisch umgreift. Insbesondere ist es möglich, dass der Niederhalter eingerichtet und angeordnet ist, um die Bauteile während des Schneidclinchens gegen eine Auflagefläche der Schneidmatrize zu drängen, wobei die Auflagefläche der Schneidmatrize vorzugsweise den Schneidkanal – in Umfangsrichtung gesehen – umgreift.
Der Amboss bringt beim Schneidclinchen eine Gegenkraft gegen die Stempelbewegung der Stempeleinheit auf und wirkt insoweit als Widerlager.
In einem ersten Schritt werden der innere Stempel und der äußere Stempel bevorzugt gemeinsam auf das zweite, obere Bauteil verfahren, wobei sie bündig miteinander abschließen. Vorzugsweise ist der äußere Stempel stirnseitig ballig ausgebildet. Beim Anpressen der Stempeleinheit an das zweite Bauteil wird dieses verformt und gibt die Anpresskraft an das erste, untere Bauteil weiter, aus welchem dann bei ausreichend hoher Zugfestigkeit des Materials des ersten Bauteils aufgrund der an der Schneidkante der Schneidmatrize wirkenden Scherkraft ein Lochbutzen herausgeschnitten wird, der in den Schneidkanal unter Anlage am vorzugsweise federelastisch geführten Amboss eintaucht. In einem zweiten Schritt fährt der innere Stempel über den äußeren Stempel hinaus axial in Richtung auf den Amboss vor und schiebt das Material des oberen Bauteils durch die entstandene Öffnung hindurch. Hierbei wird die Schneidmatrize vorzugsweise elastisch aufgeweitet, sodass der Öffnungsrand des unteren Bauteils über die Schneidkante der Schneidmatrize übersteht. Dadurch kann das Material des oberen Bauteils den Öffnungsrand hintergreifen, wodurch sich eine feste, unlösbare Fügeverbindung ergibt. Beim Zurückfahren der Stempeleinheit federt die Schneidmatrize elastisch zurück, wie auch der Amboss, welcher den Lochbutzen ausstößt.
Das Schneiden des Lochbutzens aus dem ersten Bauteil bereits beim Anpressen der Stempeleinheit an das zweite Bauteil erfolgt prozesssicher allerdings lediglich dann, wenn zumindest das Material des ersten Bauteils eine Zugfestigkeit R_m von mehr als 500 MPa besitzt. Andernfalls wird das erste Bauteil bei diesem Verfahrensschritt noch nicht prozesssicher geschnitten. Durch die Materialführungseinrichtung wird aber bei der weiteren Verlagerung des inneren Stempels aus dem äußeren Stempel heraus in Richtung des Ambosses Material radial nach außen verdrängt, was den Schneidprozess unterstützt und letztlich zu einem sicheren Schneiden des Lochbutzens aus dem ersten Bauteil führt. Daher können mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung auch Bauteile prozesssicher gefügt werden, bei denen zumindest der Werkstoff des ersten Bauteils eine Zugfestigkeit aufweist, die geringer ist als 500 MPa.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Materialführungseinrichtung wenigstens eine gekrümmte Kontaktfläche aufweist, die beim Schneidclinchen in Kontakt mit wenigstens einem der Bauteile kommt. Vorzugsweise ist die Kontaktfläche konvex ausgebildet. Die Kontaktfläche kommt beim Schneidclinchen insbesondere mit dem ersten Bauteil in Kontakt. Durch eine gekrümmte Kontaktfläche ist in einfacher Weise eine in Axialrichtung wirkende Kraft radial nach außen umlenkbar, sodass sich der bereits beschriebene Materialfluss ergeben und das Schneiden des Lochbutzens aus dem ersten Bauteil effizient unterstützt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Amboss die Materialführungseinrichtung aufweist. Dies stellt eine besonders einfache und effiziente Ausgestaltung der Vorrichtung dar, insbesondere weil der Amboss unmittelbar mit dem Material des ersten Bauteils beim Schneidclinchen in Kontakt kommt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Amboss an einer Stirnseite einen Radius aufweist. Dabei wird unter einer Stirnseite des Ambosses eine Seite verstanden, insbesondere eine Stirnfläche, welche der Stempeleinheit zugewandt ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Amboss eine gekrümmte Stirnseite oder Stirnfläche aufweist. Besonders bevorzugt ist die Stirnseite oder Stirnfläche des Amboss konvex ausgebildet. Mittels einer einen Radius aufweisenden, gekrümmten und insbesondere konvexen Stirnseite ist es ohne weiteres möglich, eine in Axialrichtung wirkende Kraft an der Stirnseite des Ambosses umzuleiten in eine radial nach außen gerichtete Kraftkomponente. Dadurch kann der gewünschte Materialfluss realisiert werden, wodurch der Schneidprozess des Lochbutzens aus dem ersten Bauteil effizient unterstützt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schneidmatrize in radialer Richtung elastisch aufweitbar ausgebildet ist. Hierdurch wird der Schneidclinchprozess effizient unterstützt, wobei insbesondere Material des zweiten Bauteils in einen radial äußeren Bereich hinter den Öffnungsrand des ersten Bauteils fließen kann, sodass das erste Bauteil durch das Material des zweiten Bauteils hintergriffen wird.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile miteinander mittels Schweißclinchen geschaffen wird. Dabei weist das Verfahren folgende Schritte auf: Ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil werden zwischen einer Stempeleinheit und einer Schneidmatrize einer Vorrichtung zum Fügen zweier Bauteile mittels Schneidclinchen angeordnet, wobei das erste Bauteil der Schneidmatrize zugewandt angeordnet wird, und wobei das zweite Bauteil der Stempeleinheit zugewandt angeordnet wird. Die Stempeleinheit und die Schneidmatrize werden relativ zueinander entlang einer Fügerichtung verlagert. Bei der Relativverlagerung der Stempeleinheit relativ zu der Schneidmatrize wird Material zumindest des ersten Bauteils im Bereich der Schneidmatrize mittels einer Materialführungseinrichtung radial zu der Fügerichtung nach außen gedrängt, wobei die Materialführungseinrichtung eingerichtet und angeordnet ist, um eine in Fügerichtung auf das Material zumindest des ersten Bauteils wirkende Kraft im Bereich der Schneidmatrize umzulenken in eine Kraft, die senkrecht auf der Fügerichtung steht. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Vorrichtung erläutert wurden.
Die Stempeleinheit und die Schneidmatrize werden bevorzugt relativ zueinander aufeinander zu verlagert, um das Schneidclinchen durchzuführen. Besonders bevorzugt wird dabei die Stempeleinheit verlagert, während die Schneidmatrize raumfest gehalten ist. Es ist aber auch möglich, dass die Stempeleinheit raumfest gehalten ist, wobei die Schneidmatrize verlagert wird. Weiterhin ist es auch möglich, dass sowohl die Stempeleinheit als auch die Schneidmatrize verlagert werden.
In einem ersten Schritt des Verfahrens wird die Stempeleinheit ohne Relativverlagerung des inneren und des äußeren Stempels zueinander auf das zweite, obere Bauteil verfahren und insbesondere auf dieses aufgesetzt, wobei die Stempel insbesondere gemeinsam verlagert werden. Die Stempel schließen dann bündig miteinander und mit dem zweiten Bauteil ab. Der äußere Stempel und der innere Stempel werden als Stempeleinheit gemeinsam an das zweite Bauteil angepresst, sodass dieses verformt wird, wobei es die Anpresskraft an das erste, untere Bauteil weitergibt.
In einem zweiten Schritt wird der innere Stempel relativ zu dem äußeren Stempel in Richtung auf den Amboss verlagert, wobei er Material des zweiten, oberen Bauteils nach unten in Richtung auf den Amboss zu drängt. Durch Materialverdrängung wird die Schneidmatrize elastisch aufgeweitet, und durch die Materialführungseinrichtung wird zumindest Material des ersten Bauteils, vorzugsweise auch Material des zweiten Bauteils, radial nach außen gedrängt, wobei dieser Materialfluss die Schneidwirkung auf das erste Bauteil im Bereich einer Schneidkante der Schneidmatrize unterstützt, sodass hier sicher ein Lochbutzen herausgeschnitten wird, selbst wenn das erste Bauteil ein Material aufweist, das eine geringere Zugfestigkeit R_m als 500 MPa aufweist. Ist der Lochbutzen ausgeschnitten und wird das Material des zweiten Bauteils in die derart entstandene Öffnung hineingedrängt, steht der Öffnungsrand des ersten Bauteils über die Schneidkante der Schneidmatrize, die elastisch aufgeweitet ist, über. Dadurch kann das Material des zweiten Bauteils den Öffnungsrand hintergreifen, wodurch sich eine feste und unlösbare Fügeverbindung ergibt. Schließlich wird die Stempeleinheit nach oben entgegen der Richtung des Ambosses zurückgefahren, die Schneidmatrize federt elastisch zurück, und auch der Amboss, der durch die Bewegung insbesondere des inneren Stempels und die Materialverdrängung der Bauteile nach unten gedrängt wurde, wird – insbesondere unter Federvorspannung – wieder zurück nach oben verlagert, wobei er den abgeschnittene Lochputzen ausstößt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Rahmen des Verfahrens zum Schneidclinchen eine Vorrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet wird.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein seitlicher Hohlraum, insbesondere ein sich in Umfangsrichtung um die Fügerichtung erstreckender Ringraum, zwischen dem in dem Schneidkanal der Schneidmatrize relativ zu der Schneidmatrize verlagerbar angeordneten Amboss und einer Innenwandung der Schneidmatrize bereitgestellt wird, wobei zumindest Material des ersten Bauteils in diesen seitlichen Hohlraum fließen kann. Der Hohlraum wird insbesondere einerseits durch das elastische Aufweiten der Schneidmatrize und andererseits vorzugsweise durch eine gekrümmte, insbesondere konvexe Geometrie einer Stirnseite oder Stirnfläche des Amboss bereitgestellt. Durch die Ausbildung des seitlichen Hohlraums wird die Richtung des Materialflusses insbesondere für das erste Bauteil vorgegeben.
Die Beschreibung der Vorrichtung einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Vorrichtung, die ausdrücklich oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung. Verfahrensschritte, die ausdrücklich oder implizit in Zusammenhang mit der Vorrichtung erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, welcher durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung bedingt ist. Die Vorrichtung zeichnet sich vorzugsweise durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Detaildarstellung eines Beispiels einer Vorrichtung zum Fügen zweier Bauteile mittels Schneidclinchen;
2 eine schematische Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Amboss einer Vorrichtung zum Fügen zweier Bauteile mittels Schneidclinchen, und
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Fügen zweier Bauteile mittels Schneidclinchen.
1 zeigt eine schematische Detaildarstellung eines Beispiels einer Vorrichtung 1 zum Fügen zweier Bauteile, nämlich eines ersten Bauteils 3 und eines zweiten Bauteils 5 miteinander durch Schneidclinchen. Die Vorrichtung 1 weist eine Stempeleinheit 7 auf, die einen äußeren Stempel 9 sowie einen in dem äußeren Stempel 9 – insbesondere konzentrisch – aufgenommenen und relativ zu dem äußeren Stempel 9 verlagerbaren inneren Stempel 11 aufweist. Der äußere Stempel 9 ist stirnseitig ballig ausgeführt. Radial außerhalb des äußeren Stempels 9 ist ein Niederhalter 13 vorgesehen, der vorzugsweise den äußeren Stempel 9 konzentrisch umgreift. Der äußere Stempel 9 und der innere Stempel 11 sind vorzugsweise relativ zu dem Niederhalter 13 in Fügerichtung verlagerbar.
Die Vorrichtung 1 weist außerdem eine Schneidmatrize 15 auf, die ihrerseits einen Schneidkanal 17 aufweist, wobei in dem Schneidkanal 17 ein Amboss 19 – in Fügerichtung gesehen – relativ zu der Schneidmatrize 17 verlagerbar angeordnet ist. Dabei sind die Stempeleinheit 7 und die Schneidmatrize 15 relativ zueinander entlang der Fügerichtung gesehen verlagerbar.
Die Fügerichtung verläuft hier entlang einer Achse A, die bevorzugt eine Symmetrieachse der Vorrichtung 1 darstellt. Die Stempeleinheit 7 mit dem Niederhalter 13 sowie die Schneidmatrize 15 mit dem Amboss 19 sind vorzugsweise konzentrisch zu der Achse A angeordnet und so auch mit Bezug auf die Achse A relativ zueinander ausgerichtet.
Zum Schneidclinchen sind die Stempeleinheit 7 und die Schneidmatrize 15 insbesondere derart relativ zueinander entlang der Fügerichtung verlagerbar, dass ein Abstand zwischen diesen Elementen – entlang der Fügerichtung gesehen – verringert wird, wobei der Abstand vergrößert werden kann, um die Bauteile 3, 5 zwischen der Stempeleinheit 7 und der Schneidmatrize 15 anzuordnen, sowie sie nach dem Schneidclinchen wieder aus der Vorrichtung 1 zu entfernen.
Der Amboss 19 ist hier zwischen einem der Stempeleinheit 7 zugewandten ersten Anschlag 21 und einem zweiten, der Stempeleinheit 7 abgewandten Anschlag 23 verlagerbar, wobei er unter Vorspannung, vorzugsweise durch ein Federelement 25, gegen den ersten, oberen Anschlag 21 gedrängt wird.
Zum Schneidclinchen werden die Bauteile 3, 5 im Bereich zwischen der Schneidmatrize 15 und der Stempeleinheit 7 aufeinandergelegt, wobei das erste Bauteil 3 der Schneidmatrize 15 zugewandt ist, und wobei das erste Bauteil 5 der Stempeleinheit 7 zugewandt ist.
Es wird zunächst der Niederhalter 13 auf das zweite Bauteil 5 gefahren, wodurch die Bauteile 3, 5 gegen eine Auflagefläche 27 der Schneidmatrize 15 gedrängt werden. Anschließend werden der äußere Stempel 19 und der innere Stempel 7 gemeinsam – ohne Relativverlagerung relativ zueinander – auf das obere, zweite Bauteil 5 verfahren, wobei sie bündig miteinander abschließen. Beim Anpressen der Stempel 9, 11 an das zweite Bauteil 5 wird dieses verformt und gibt die Anpresskraft an das erste, untere Bauteil 3 weiter. Insbesondere dann, wenn dessen Material eine Zugfestigkeit von mehr als 500 MPa oder mehr als 600 MPa aufweist, wird bereits jetzt an einer Schneidkante 29 der Schneidmatrize 15 aufgrund der dort wirkenden Scherkraft ein Lochbutzen aus dem ersten Bauteil 3 herausgeschnitten, welcher in den Schneidkanal 17 unter Anlage an dem federelastisch geführten Amboss 19 eintaucht.
In einem zweiten Schritt fährt dann der innere Stempel 11 nach unten in Richtung auf den Amboss 19 über die Position des äußeren Stempels 9 hinaus vor und drängt dabei das Material des zweiten Bauteils 5 durch die so entstandene Öffnung hindurch. Die Schneidmatrize 15 wird dabei elastisch – in radialer Richtung gesehen – aufgeweitet, sodass der Öffnungsrand des zweiten Bauteils 3 über die Schneidkante 29 – radial nach innen – übersteht. Dabei kann das Material des zweiten Bauteils 5 den Öffnungsrand hintergreifen, wodurch sich eine feste unlösbare Fügeverbindung ergibt.
Beim Zurückfahren der Stempeleinheit 7 federt die Schneidmatrize 15 elastisch zurück. Auch der Amboss 19 wird durch das Federelement 25 wieder nach oben gedrängt, wobei er schließlich den entstandenen Lochbutzen ausstößt.
Diese Funktionsweise funktioniert – wie bereits beschrieben – prozesssicher für Werkstoffe, welche eine Zugfestigkeit R_m von mehr als 500 MPa oder mehr als 600 MPa aufweisen. Bei Werkstoffen mit geringerer Zugfestigkeit funktioniert das Schneiden des ersten Bauteils nicht mehr prozesssicher.
Dabei ist zu beachten, dass bei dem in 1 dargestellten Beispiel der Vorrichtung 1 insbesondere eine Stirnseite 31 des Amboss 19 flach und eben ausgebildet ist, wobei insbesondere die Achse A überall senkrecht auf der Stirnseite 31 steht. Das Material des ersten Bauteils wird so beim Schneidclinchen nicht geführt, insbesondere nicht radial nach außen gedrängt.
Der Anwendungsbereich der Vorrichtung 1 wird auf Werkstoffe mit einer geringeren Zugfestigkeit R_m als 500 MPa erweitert, indem ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 eine Materialführungseinrichtung aufweist, die eingerichtet und angeordnet ist, um eine in Fügerichtung auf Material zumindest des ersten Bauteils 3 wirkende Kraft im Bereich der Schneidmatrize 15 umzulenken in eine Kraft, die senkrecht auf der Fügerichtung steht.
2 zeigt insoweit eine Detaildarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Fügen zweier Bauteile 3, 5 mittels Schneidclinchen. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist hier der Amboss 19 dargestellt, der bei diesem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 die Materialführungseinrichtung 33 aufweist. Diese weist insbesondere wenigstens eine gekrümmte, insbesondere konvexe Kontaktfläche 35 auf, die beim Schneidclinchen in Kontakt mit wenigstens einem der Bauteile 3, 5, hier insbesondere mit dem ersten Bauteil 3, kommt. Die Kontaktfläche 35 wird hier insbesondere durch die Stirnseite 31 des Amboss 19 gebildet. Insbesondere weist also hier der Amboss 19 die Materialführungseinrichtung 33 auf. Dabei weist die Stirnseite 31 einen Radius R auf. Insbesondere ist die Stirnseite 31 gekrümmt, und ganz besonders konvex ausgebildet.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Fügen zweier Bauteile miteinander mittels Schneidclinchen. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei werden das erste Bauteil 3 und das zweite Bauteil 5 zwischen der hier nur schematisch durch ihre Kontur angedeuteten Stempeleinheit 7 und der Schneidmatrize 15 angeordnet, wobei das erste Bauteil 3 der Schneidmatrize 15 und das zweite Bauteil 5 der Stempeleinheit 7 zugewandt ist. Die Stempeleinheit 7 und die Schneidmatrize 15 werden – wie bereits erläutert – relativ zueinander entlang der Fügerichtung verlagert, wobei die Fügerichtung sich hier in 3 in vertikaler Richtung erstreckt. Bei der Relativverlagerung der Stempeleinheit 7 relativ zu der Schneidmatrize 15 wird Material zumindest des ersten Bauteils 3 durch die Materialführungseinrichtung 33, insbesondere durch die gekrümmte Kontaktfläche 35, nämlich die Stirnseite 31 des Amboss 19, im Bereich der Schneidmatrize 15 radial zu der Fügerichtung nach außen gedrängt, wobei dies insbesondere bei der Verlagerung des inneren Stempels 11 über die Position des äußeren Stempels 9 hinaus in Richtung des Ambosses 19 erfolgt. Auf diese Weise ergibt sich ein radialer Materialfluss nicht nur für das Material des ersten Bauteils 3, sondern auch – wie hier durch eine Vielzahl kleiner Pfeile dargestellt – für das Material des zweiten Bauteils 5, wobei insbesondere im Bereich der Schneidkante 29 Kräfte auf das Material des ersten Bauteils 3 wirken, aufgrund derer dieses sicher abgeschnitten wird, auch wenn die Zugfestigkeit dieses Materials geringer ist als 500 MPa.
In der Folge wird die Schneidmatrize 15 in radialer Richtung elastisch aufgeweitet, und das Material des zweiten Bauteils 5 fließt weiter in radialer Richtung auswärts und hintergreift damit einen Öffnungsrand des ersten Bauteils 3, welcher radial nach innen über die Schneidkante 29 übersteht.
Insbesondere wird ein seitlicher Hohlraum 37, insbesondere ein – in Umfangsrichtung gesehen – umlaufender Ringraum – zwischen dem Amboss 19 einerseits und einer Innenwandung 39 der Schneidmatrize 15 bereitgestellt, in den zumindest Material des ersten Bauteils 3 fließen kann.
In 3 sind außerdem die beim Schneidclinchen auftretenden Kräfte durch Pfeile dargestellt. Dabei ist hier eine erste Kraft F₁ dargestellt, welche der innere Stempel 11 ausübt, wobei der Amboss 19 eine Gegenkraft F₂ auf das Material der Bauteile 3, 5 ausübt. Der äußere Stempel 9 übt dabei eine dritte Kraft F₃ auf die Bauteile 3, 5 radial außerhalb des inneren Stempels 11 aus. Die derart durch die Stempel 9, 11 und den Amboss 19 ausgeübten Kräfte weisen alle entlang der Fügerichtung.
Insgesamt zeigt sich, dass mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung und dem Verfahren zum Fügen zweier Bauteile miteinander mittels Schneidclinchen auch Bauteile prozesssicher miteinander gefügt werden können, deren Werkstoff eine geringere Zugfestigkeit R_m als 500 bis 600 MPa aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006028568 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (1) zum Fügen zweier Bauteile (3, 5) mittels Schneidclinchen, mit – einer Stempeleinheit (7), die einen äußeren Stempel (9) sowie einen in dem äußeren Stempel (9) aufgenommenen und relativ zu dem äußeren Stempel (9) verlagerbaren inneren Stempel (11) aufweist, und mit – einer Schneidmatrize (15), die einen Schneidkanal (17) aufweist, in dem ein Amboss (19) relativ zu der Schneidmatrize (15) verlagerbar angeordnet ist, wobei – die Stempeleinheit (7) und die Schneidmatrize (15) relativ zueinander entlang einer Fügerichtung verlagerbar sind, wobei – zwei miteinander zu fügende Bauteile (3, 5) derart zwischen der Stempeleinheit (7) und der Schneidmatrize (15) anordenbar sind, dass ein erstes Bauteil (3) der Schneidmatrize (15) und ein zweites Bauteil (5) der Stempeleinheit (7) zugewandt ist, gekennzeichnet durch – eine Materialführungseinrichtung (33), die eingerichtet und angeordnet ist, um eine in Fügerichtung auf Material zumindest des ersten Bauteils (3) wirkende Kraft im Bereich der Schneidmatrize (15) umzulenken in eine Kraft, die senkrecht auf der Fügerichtung steht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialführungseinrichtung (33) wenigstens eine gekrümmte, insbesondere konvexe Kontaktfläche (35) aufweist, die beim Schneidclinchen in Kontakt mit wenigstens einem der Bauteile (3, 5) kommt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (19) die Materialführungseinrichtung (33) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (19) an einer Stirnseite (31) einen Radius aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (19) eine gekrümmte Stirnseite (31) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (31) des Ambosses (19) konvex ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidmatrize (15) in radialer Richtung elastisch aufweitbar ist.
Verfahren zum Fügen zweier Bauteile (3, 5) mittels Schneidclinchen, wobei – ein erstes Bauteil (3) und ein zweites Bauteil (5) zwischen einer Stempeleinheit (7) und einer Schneidmatrize (15) einer Vorrichtung (1) zum Fügen zweier Bauteile mittels Schneidclinchen angeordnet werden, wobei – das erste Bauteil (3) der Schneidmatrize (15) zugewandt angeordnet wird, wobei das zweite Bauteil (5) der Stempeleinheit (7) zugewandt angeordnet wird, wobei – die Stempeleinheit (7) und die Schneidmatrize (15) relativ zueinander entlang einer Fügerichtung verlagert werden, und wobei – bei der Relativverlagerung der Stempeleinheit (7) relativ zu der Schneidmatrize (15) Material zumindest des ersten Bauteils (3) im Bereich der Schneidmatrize (15) mittels einer Materialführungseinrichtung (33), die eingerichtet und angeordnet ist, um eine in Fügerichtung auf Material zumindest des ersten Bauteils (3) wirkende Kraft im Bereich der Schneidmatrize (15) umzulenken in eine Kraft, die senkrecht auf der Fügerichtung steht, radial zu der Fügerichtung nach außen gedrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Schneidclinchen der Bauteile (3, 5) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein seitlicher Hohlraum (37) zwischen einem in einem Schneidkanal (17) der Schneidmatrize (15) relativ zu der Schneidmatrize (15) verlagerbar angeordneten Amboss (19) und einer Innenwandung (39) der Schneidmatrize (15) bereitgestellt wird, in den zumindest Material des ersten Bauteils (3) fließen kann.