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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbindung von zwei Bauteillagen.
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Vorrichtung zur Herstellung einer Verbindung von zwei Bauteillagen, wobei eine Basislage und wenigstens eine Decklage unter Heraustrennen eines Verbindungselements aus der Decklage mit der Basislage verbunden wird, wobei zum wenigstens teilweisen Heraustrennen des Verbindungselements ein Stanzwerkzeug mit einer elliptischen Schneide vorgesehen ist, und ein Reibwerkzeug, zur Erzeugung einer Reibung unter Anpresskraft, entlang einer Anpressachse geführt wird, wobei das herausgetrennte Verbindungselement mit der Basislage verreibbar ist, so dass eine Reibschweißverbindung zwischen dem Verbindungselement und der Basislage erzeugt wird, wobei ferner ein Reibwerkzeug vorgesehen ist, wobei die Stanzachse des Stanzwerkzeugs in einem Stanzwinkel zur Anpressachse geneigt ist. Die Anpressachse und die Stanzachse schneiden sich etwa im Mittelpunkt des herauszutrennenden Verbindungselements. Die Anpressachse liegt regelmäßig orthogonal zu den verbindenden Bauteillagen.
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Mit dem vorgenannten Stanzwerkzeug wird dem ausgestanzten Verbindungselement in etwa die Form eines schiefen Kreiszylinders gegeben.
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Mit dem schiefen Kreiszylinder kann so ein Formschluss mit der Decklage und eine stoffschlüssige Verbindung mit der Basislage hergestellt werden, da sowohl eine Drehung des herausgetrennten Verbindungselements möglich ist, wobei zudem auch ein Hinterschnitt geschaffen ist.
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Auf diese Weise ist es möglich, eine stoffschlüssige Verbindung des Verbindungselements mit der Basislage herzustellen und die Decklage über das angeschweißte Verbindungselement formschlüssig und/oder stoffschlüssiges mit der Basislage zu verbinden. Die Basislage kann ihrerseits aus mehreren Bauteillagen bestehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Stanzwinkel zwischen 10° und 45°, insbesondere etwa 30°. Bei einem Winkel von 30° ergibt sich für das Reibwerkzeug und das Stanzwerkzeug ein ausreichend großer Freiraum in der Anordnung der Werkzeuge in der Vorrichtung. So kann eine kompakte Bauform erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung liegt die große Halbachse der Ellipse normal zu einer Ebene, die durch die Reibachse und die Stanzachse gebildet wird.
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Bevorzugt entspricht die Exzentrizität e der Ellipse etwa dem Sinus des Stanzwinkels α, wobei die Exzentrizität
entspricht, wobei a die große und b die kleine Halbachse bezeichnet. Somit gilt wenigstens annähernd:
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Das Ergebnis des Stanzvorgangs mit entsprechendem Stanzwerkzeug unter dem Stanzwinkel ist ein Verbindungselement, das in Draufsicht entlang der Anpressachse einen Kreis bildet. Dies führt dazu, dass eine Rotation des Verbindungselements um eine Achse parallel zur Anpressachse ideal erfolgen kann. Auf diese Weise kann der Reibschweißvorgang zwischen Verbindungselement und der Basislage zuverlässig stattfinden, da der Schneidspalt zwischen Verbindungselement und der übrigen Decklage eine nahezu freie Rotation zulässt. Zudem wird auch ein Hinterschnitt bereitgestellt der die formschlüssige Verbindung der Decklage mit der Basislage gewährleistet.
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Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Niederhalter, der die Decklage auf die Basislage drückt und damit ein Verrutschen der Decklage gegenüber der Basislage verhindert. Der Niederhalter kann üblicher Weise hohlzylindrisch ausgebildet sein. Insbesondere ist das der Decklage zugewandte stirnseitige Ende des Niederhalters mit erhabenen Strukturen versehen, die sich gegebenenfalls in die Decklage eindrücken können. Dadurch wird ein Verrutschen der Decklage gegenüber der Basislage, insbesondere aufgrund der durch den schrägen Stanzvorgang entstehenden Querkräfte, verhindert.
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In vorteilhafter Weise, kann der Niederhalter in seiner Mantelfläche eine Öffnung aufweisen, durch die das Stanzwerkzeug führbar ist. Dadurch kann nach einmaliger Vorspannung mit dem Niederhalter sowohl der Stanzvorgang als auch der dem Stanzvorgang nachfolgende Reibschweißvorgang stattfinden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Stanzwerkzeug einen Ausdrückstift umfassen, mit welchem das ausgestanzte Verbindungselement wieder aus dem Stanzwerkzeug ausgeworfen werden kann. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn das Verbindungselement vollständig aus der Decklage ausgestanzt werden soll.
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Die Stanzeinstellung kann jedoch auch so gewählt sein, dass das Verbindungselement nur teilweise aus der Decklage ausgestanzt wird und erst durch die von dem Reibwerkzeug aufgebrachte Rotation endgültig aus der Decklage gelöst wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Roboterarm umfassen. Auf diese Weise können sowohl das Stanzwerkzeug als auch das Reibwerkzeug von einem Roboterarm getragen werden, bzw. an einem solchen montiert sein. Eine derartige Konstruktion hat den Vorteil, dass eine vielseitige Anwendung des Verbindungsverfahrens in verschiedensten Positionen möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einen Amboss als Gegenlager für den Stanz- und Reibschweißvorgang umfassen. Dieser ist insbesondere über einen sogenannten C-Bügel mit dem Stanz-, dem Reibschweißwerkezug und insbesondere dem Niederhalter verbunden.
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Mit der vorbeschriebenen Vorrichtung können vor allem Aluminiumbleche miteinander verbunden werden oder ein Aluminiumblech als Decklage mit einem Stahlblech als Basislage.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
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1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verbindung zweier Bauteillagen;
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2 eine Schnittansicht an der Verbindungsstelle während des Stanzvorgangs;
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3 eine Schnittansicht an der Verbindungsstelle während des Aufsetzens des Reibschweißwerkzeugs, und
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4 eine Explosionsansicht der Werkzeugbaugruppe.
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1 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Verbindung zweier Bauteillagen 24, wobei an einem Roboterarm ein C-Bügel anbringbar ist. Am C-Bügel 12 ist eine Werkzeuggruppe 14 zur Verbindungsherstellung montiert. Die Werkzeuggruppe 14 umfasst ein Stanzwerkzeug 16 einen Niederhalter 18 und ein darin geführtes, nicht gezeigtes Reibschweißwerkzeug. Gegenüberliegend dem Niederhalter ist ein Amboss 22 am C-Bügel 12 angeordnet und bildet für den Reibschweißvorgang und den Stanzvorgang ein Gegenlager. Um zwei Bauteillagen 24 miteinander zu verbinden, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 so positioniert, dass die Bauteillagen 24 zwischen der Werkzeuggruppe 14 und dem Amboss 22 zu liegen kommt.
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Das Stanzwerkzeug 16 wird in der vorliegenden Ausführung mittels Pneumatik angetrieben und kann auf diese Weise hohe Stanzkräfte bereitstellen. Zur Beschränkung der Eindringtiefe des Stanzwerkzeugs 16 kann ein Anschlag vorgesehen sein. Dadurch kann das Verbindungselement nur teilweise herausgetrennt werden, so dass noch eine Restverbindung zwischen der Decklage und dem Verbindungselement bestehen bleibt. Diese wird dann beim später erfolgenden Reibvorgang durch die Rotation abgebrochen.
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Für den für die Reibschweißverbindung notwendigen Vortrieb ist ein Vortriebsmotor 26 vorgesehen, der über eine Spindeleinheit den Vortrieb der gesamten Werkzeuggruppe 14 gewährleistet. Zusätzlich zum Vortriebsmotor 26 ist ein Reibmotor 28 vorgesehen, der für die Rotation des Reibschweißwerkzeugs, welches innerhalb des Niederhalters 18 geführt ist sorgt. Sobald das Reibschweißwerkzeug in drehfestem Eingriff mit dem zuvor wenigstens teilweise herausgetrennten Verbindungselement steht, kann durch die erzeugte Rotation in Kombination mit dem Vortrieb die Reibschweißverbindung hergestellt werden. Der Stanzvorgang und der Reibschweißvorgang sind in den Figuren 2 und 3 näher beschrieben.
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2 zeigt in einer vergrößerten Darstellung das Stanzwerkzeug 16, umfassend einen Stanzstempel 30 mit einer elliptischen Grundform in einer Schnittebene, die im Stanzwinkel (a) liegt. Der Stanzwinkel (a) ist der Winkel zwischen der Anpressachse AA und der Stanzachse AS der im vorliegenden Fall 30° beträgt. Die Anpressachse AA fällt mit der Drehachse des Reibwerkzeugs zusammen und schneidet die Stanzachse AS bevorzugt im Deckblech 24a. Das Stanzwerkzeug 16 weist ferner einen federvorgespannten Ausdrückstempel 32 auf, der dafür sorgt, dass das ausgestanzte Verbindungselement 34 sich nicht im Stanzstempel 30 festsetzt und damit nicht mehr für den Verbindungsvorgang zur Verfügung steht.
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Der Niederhalter 18 weist in seiner Mantelfläche eine Ausnehmung 36 auf, durch welche das Stanzwerkzeug 16 geführt werden kann. So kann auch während des Stanzvorgangs ein Verrutschen der beiden Bauteillagen 24 verhindert werden. In der in 2 dargestellten Schnittansicht wird deutlich, dass das Verbindungselement 34 einem schiefen Zylinder entspricht, wodurch sich ein axialer Formschluss zwischen Decklage 24a und Verbindungselement 34 ergibt, sobald dieses mit der Basislage 24b verbunden ist.
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3 zeigt den Verbindungsvorgang während des Aufsetzens des Reibschweißwerkzeugs 20 auf das herausgetrennte Verbindungselement 34. Das Reibschweißwerkzeug 20 weist stirnseitig erhabene Einpressstrukturen 38 auf, die sich in die Oberfläche des Verbindungselements 34 eingraben können und dadurch eine drehfeste Verbindung zwischen Reibschweißwerkzeug 20 und Verbindungselement 34 herstellen können, wodurch die für den Reibschweißvorgang notwendige Drehbewegung auf das Verbindungselement übertragen werden kann.
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Das Stanzwerkzeug 16 wird vor dem Reibschweißvorgang wieder aus dem Niederhalter 18 zurückgezogen, so dass sich das Stanzwerkzeug 16 und das Reibschweißwerkzeug 20 nicht behindern können.
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Durch Rotationsantrieb des Reibschweißwerkzeugs 20 unter Anpressdruck geht das Verbindungselement schließlich eine Reibschweißverbindung mit der Basislage 24b ein, wobei es die Decklage 24a formschlüssig und/oder stoffschlüssig festhält.
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4 zeigt in einer Explosionsansicht die Elemente der Werkzeuggruppe 14 für den Verbindungsvorgang. In der Darstellung wird die elliptische Schneidkante 40 des Stanzwerkzeugs 16 deutlich, wobei der Niederhalter 18 ebenfalls eine Ausnehmung 42 elliptischer Grundform zur Durchführung des Stanzwerkzeugs 16 aufweist.
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Ferner sind drei erhabene Einpressstrukturen 38 an der Stirnseite des Reibschweißwerkzeugs 20 dargestellt, die für eine sichere Mitnahme des Verbindungselements sorgen.
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Der Niederhalter 18 weist ebenfalls erhabene Strukturen 44 auf, die eine verbesserte Sicherung des Deckblechs gegenüber der Basislage gegen Verrutschen bereitstellen.
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Durch das Zusammenwirken des Niederhalters 18, des Stanzwerkzeugs 16 und des Reibschweißwerkzeugs 20 kann ohne zusätzliches Verbindungselement eine punktförmige Verbindung zwischen zwei Bauteillagen auf schnelle Weise hergestellt werden.
