DE102016224777B4 - Verfahren zum Verbinden eines Funktionselementes mit einem plattenförmigen Bauteil sowie Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Verbinden eines mit einem Kopfabschnitt (2) und einem Schneidenfuß (3) ausgebildeten Funktionselementes (1) mit einem plattenförmigen Bauteil (10), bei welchem- das Funktionselement (1) mittels eines Oberwerkzeuges gegen ein Unterwerkzeug mit einer axialen Vorschubbewegung durch Einformung des Schneidenfußes (3) in das Bauteil (10) mit demselben verbunden wird, ohne das Bauteil (10) zu durchdringen,- das Unterwerkzeug als Matrize (20) mit einer Vertiefung (21) bereitgestellt wird, in die mit der axialen Vorschubbewegung der Schneidenfuß (3) unter dessen radialer Spreizung nach außen und unter Bildung eines Restbodens (10.1) im Bauteil (10) zusammen mit Material des Bauteils (10) eingedrückt wird, und- die Vertiefung (21) mit einer inneren Umfangswand (22) und einer Bodenfläche (23) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass- im axialen Querschnitt der Vertiefung (21) ausgehend von der Bodenfläche (23) die innere Umfangswand (22) einen konkaven Konturabschnitt (22.1) aufweist, der in einen konvexen Konturabschnitt (22.2) übergeht, und- der konkave Konturabschnitt (22.1) in axialer Richtung der Vertiefung mit einer Länge (L1) mit L1 = k*T ausgebildet wird, wobei 0,5 < k < 1,0 und T die Tiefe der Vertiefung (21) ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines mit einem Kopfabschnitt und einem Schneidenfuß ausgebildeten Funktionselementes mit einem plattenförmigen Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Werkzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Ein gattungsbildendes Verfahren ist aus der DE 10 2012 003 819 A1 bekannt, mit welchem ein Funktionselement mit einem als plattenförmiges Bauteil ausgeführten Blechteil verbunden wird. Dieses Funktionsteil umfasst einen als Flansch ausgeführten Kopfabschnitt mit einem auf einer Seite angeformten Schneidenfuß mit einer Schneide und einem auf der gegenüberliegenden Seite wegragenden Schaftteil mit einem Gewinde. Zum durchbrechungsfreien Einstanzen in das Blechteil ist der Schneidenfuß als hohler Zylinder ausgebildet, der auf seiner äußeren Mantelfläche parallel zur Längsrichtung sich erstreckende Rippen aufweist. Die Innenseite des Schneidenfußes läuft am freien Ende in eine divergierende Kegelstumpfform aus, die beim Einstanzen in das Blechteil der Aufweitung des Schneidenfußes dient.
• Bei diesem bekannten Verfahren gemäß der DE 10 2012 003 819 A1 wird zum Einformen des Funktionselementes in das Blechteil eine Matrize mit einer Vertiefung verwendet, deren Bodenfläche eine zentrisch angeordnete Erhöhung aufweist. Mittels eines Oberwerkzeuges wird das Funktionselement mit dem Schneidenfuß voran gegen das auf einer Matrize aufliegende Blechteil eingedrückt, so dass das freie Ende des Schneidenfußes in Kombination mit der Erhöhung der Bodenfläche der Vertiefung aufgeweitet bzw. gespreizt und gleichzeitig das Blechmaterial in die Vertiefung der Matrize verdrängt wird. In der Draufsicht ist sowohl die Vertiefung der Matrize als auch deren zentrisch angeordnete Erhöhung kreisförmig bezogen auf die Längsachse des Funktionselementes ausgebildet, wobei die Umfangswand der Vertiefung achsparallel, also senkrecht zur Bodenfläche verläuft.
• Mit diesem bekannten Verfahren gemäß der DE 10 2012 003 819 A1 soll eine hohe Festigkeit der Verbindung des Funktionselementes mit dem Blechteil mit einem guten Ausknöpfwiderstand sichergestellt werden.
• Ferner beschreibt auch die DE 199 49 161 A1 ein Funktionselement zum Befestigen an einem plattenförmigen Bauteil. Dieses Funktionsteil umfasst einen als Flansch ausgeführten Kopfabschnitt mit einem auf einer Seite angeformten stummelförmigen Fügeabschnitt mit einer Hinterschneidung und einem auf der gegenüberliegenden Seite wegragenden Schaftteil mit einem Gewinde. Die Hinterschneidung am Fügeabschnitt dient dazu, dass beim Setzvorgang Material des plattenförmigen Bauteiles in diese Hinterschneidung einfließt, so dass eine Verbindung zwischen dem Funktionselement und dem Bauteil entsteht. Beim Setzvorgang des Funktionselementes bleibt dieses unverformt. Der Fügeabschnitt und ein Teil des Flansches dringen zwar in das plattenförmige Bauteil ein, ohne jedoch in das Material einzudringen oder es zu durchstanzen. Es kommt lediglich zu einer Verdrängung und Umformung des Materials, so dass ein Restboden von nahezu gleichförmiger Dicke um den Fügeabschnitt herum verbleibt.
• Bei diesem bekannten Verfahren gemäß der DE 199 49 161 A1 wird zum Einformen des Funktionselementes in das Blechteil eine Matrize mit einer Vertiefung verwendet, deren Bodenfläche eben ist, jedoch die innere Umfangswand radial nach außen gestuft ausgeführt ist.
• Bei diesen bekannten Verfahren ist es jedoch nicht sichergestellt, dass bei einer an dem Funktionselement auftretenden mechanischen Überbelastung das Funktionselement aus dem Blechteil ausgeknöpft wird und dabei in dem Blechteil Risse entstehen, die in diesem Bereich des Blechteils zu einer Gas- und/oder Flüssigkeitsundichtigkeit führen können, wenn solche Blechteile bspw. Batteriewannen darstellen und die mit einem solchen Funktionselement an diesen Batteriewannen montierten Anbauteile im Crashfall abgerissen werden.
• Des Weiteren ist zum Setzen von Stanznieten eine Vorrichtung mit einer Matrize und einem Stempel aus der EP 2 631 022 B1 bekannt, bei welcher die Matrize eine in deren Oberfläche ausgebildete Vertiefung aufweist, um einen Abschnitt eines Fügeteils eines Stanzniets aufzunehmen. Diese Vertiefung in der Oberfläche der Matrize besteht aus einer runden und konkaven Bodenfläche mit einer inneren Umfangswand, wobei die innere Umfangswand ausgehend von der Bodenfläche eine konvexe Fläche darstellt, die in eine die konvexe Fläche umgebende konkave Fläche bis zum Rand der Vertiefung übergeht.
• Schließlich sei noch auf die DE 10 2015 109 255 A1 verwiesen, die ein Verfahren zum Befestigen eines Nietelementes an einem Blechteil beschreibt. Zur Aufnahme eines Nietabschnittes des Nietelementes weist das Blechteil ein vorgeformtes Loch auf. Vor dem Befestigungsvorgang wird das Blechteil über Abstandshalter in einem definierten Abstand zur Anlagefläche der Matrize positioniert, so dass zwischen einer Wandung des Lochs und einem zum Umformen des Nietabschnitts vorgesehenen Stempel der Matrize ein Spalt gebildet wird. Im Rahmen des Befestigungsvorganges wird der Nietabschnitt in diesen Spalt eingebracht und durch den Stempel derart umgeformt, dass das Blechteil im Bereich des Loches hintergriffen wird. Die Umformfläche des Stempels ist abschnittsweise konisch und/oder konkav geformt. Die Endabschnitte der Abstandshalter sind konvex bzw. abgerundet ausgebildet.
• Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem sichergestellt ist, dass mit dem Ausknöpfen des Funktionselementes aus dem plattenförmigen Bauteil bei einer an dem Funktionselement angreifenden Überlast eine Rissbildung weitestgehend vermieden wird. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
• Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Dieses Verfahren zum Verbinden eines mit einem Kopfabschnitt und einem Schneidenfuß ausgebildeten Funktionselementes mit einem plattenförmigen Bauteil, bei welchem
• - das Funktionselement mittels eines Oberwerkzeuges gegen ein Unterwerkzeug mit einer axialen Vorschubbewegung durch Einformung des Schneidenfußes in das Bauteil mit demselben verbunden wird, ohne das Bauteil zu durchdringen,
• - das Unterwerkzeug als Matrize mit einer Vertiefung bereitgestellt wird, in die mit der axialen Vorschubbewegung der Schneidenfuß unter dessen radialer Spreizung nach außen und unter Bildung eines Restbodens im Bauteil zusammen mit Material des Bauteils eingedrückt wird, und
• - die Vertiefung mit einer inneren Umfangswand und einer Bodenfläche ausgebildet wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
• - im axialen Querschnitt der Vertiefung ausgehend von der Bodenfläche die innere Umfangswand einen konkaven Konturabschnitt aufweist, der in einen konvexen Konturabschnitt übergeht, und
• - der konkave Konturabschnitt in axialer Richtung der Vertiefung mit einer Länge L1 mit L1 = k*T ausgebildet ist, wobei 0,5 < k < 1,0 und T die Tiefe der Vertiefung ist.
• Dieser S-förmige Verlauf der inneren Umfangswand der Vertiefung der Matrize führt zu einem Restboden im Bereich des Schneidenfußes, welcher eine ausreichende Restdicke zeigt und zu der gewünschten Eigenschaft der Verbindung des Funktionselementes mit dem Bauteil führt, dass bei einem Ausknöpfen des Funktionselementes eine Rissbildung im Bauteil unterbleibt.
• Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn weiterbildungsgemäß der konkave Konturabschnitt und/oder der konvexe Konturabschnitt als kreisbogenförmige Konturen ausgebildet werden. Solche Kreisbögen lassen sich in einfacher Weise herstellen.
• Vorzugsweise wird der konkave Konturabschnitt mit einem Radius R1 ausgebildet, dessen Kreisbogen tangential an der Bodenfläche anliegt und einen Mittelpunktswinkel α1 mit α1 < 90° aufweist. Hierbei kann der Radius R1 des konkaven Konturabschnittes kleiner ist als die Tiefe T der Vertiefung gewählt werden.
• Vorzugsweise wird der konvexe Konturabschnitt mit einem Radius R2 ausgebildet, dessen Kreisbogen tangential in eine die Vertiefung umschließende Randfläche übergeht. Hierbei entspricht der Radius vorzugsweise der Formel: $$\text{R}2\le \text{T/}\mathrm{2,}\text{ wobei T die Tiefe der Vertiefung ist}.$$

  
• Des Weiteren hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Durchmesser D_M der Vertiefung gemäß folgender Formel auszubilden: $${\text{D}}_{\text{M}}=\text{k}3*{\text{D}}_{\text{Fu}ß,}\text{ mit }\mathrm{1,3}\le \text{k}3\le \mathrm{1,4,}$$

  

  wobei D_Fuß der Fußdurchmesser des unverformten Schneidenfußes des Funktionselementes ist. Als besonders vorteilhaft hat sich der Wert 1,323 für den Faktor k3 erwiesen.
• Ferner ist es auch vorteilhaft, die Fußlänge L_Fuß des Schneidenfußes des Funktionselementes gemäß folgender Formel auszubilden: $${\text{L}}_{\text{Fu}ß}\le \mathrm{1,1}*\text{S},$$

  

  wobei S die Dicke des Bauteils ist.
• Die zweitgenannte Aufgabe wird durch ein Werkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruches 9 gelöst.
• Ein solches Werkzeug mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug, dessen Unterwerkzeug eine Matrize mit einer Vertiefung aufweist, wobei die Vertiefung eine innere Umfangswand und eine Bodenfläche umfasst, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
• - im axialen Querschnitt der Vertiefung ausgehend von der Bodenfläche die innere Umfangswand einen konkaven Konturabschnitt und einen sich daran anschließenden konvexen Konturabschnitt aufweist, und
• - der konkave Konturabschnitt in axialer Richtung der Vertiefung mit einer Länge L1 mit L1 = k*T ausgebildet ist, wobei 0,5 < k < 1,0 und T die Tiefe der Vertiefung ist.
• Mit einem solchen Werkzeug lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen und führt ebenso zu den oben genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Werkzeugs sind durch die Patentansprüche 10 bis 14 definiert.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Funktionselementes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Seitenansicht,
• 2 eine schematische Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Setzvorganges, und
• 3 eine Schnittdarstellung einer bei dem Setzvorgang gemäß 2 verwendeten Matrize.
• Die 1 zeigt ein Einspreizelement als Funktionselement 1, welches einen als scheibenförmigen Flansch ausgeführten Kopfabschnitt 2 aufweist, der auf einer Oberseite 2.1 in einen Bolzenabschnitt 4 übergeht und auf der gegenüberliegenden Unterseite 2.2 mit einem Schneidenfuß 3 ausgebildet ist.
• Dieser Schneidenfuß 3 ist als Hohlzylinder mit einer zylinderförmigen Außenkontur und einer Innenwandung 3.2 und einer Bodenfläche 3.3 ausgebildet, die sich in der Art einer Kegelstumpfform trichterförmig bis zum als Schneidkante 3.1 ausgebildeten Rand verbreitert, wobei die Schneidkante 3.1 eine kreisförmige Kontur aufweist. Dabei ist für diese Innenwandung 3.2 keine strenge Kegelstumpfform erforderlich, sondern kann, wie in 1 dargestellt ist, auch leicht gewölbt sein. Die Bodenfläche 3.3 ist nicht eben sondern in der Form eines flachen Kegels ausgebildet. Auch andere Geometrien der Bodenfläche 3.3, wie bspw. Kreisbögen, Radien usw. können verwendet werden.
• Sowohl dieser Schneidenfuß 3 mit einem Fußdurchmesser D_Fuß als auch der Bolzenabschnitt 4 mit einem Bolzendurchmesser D_B weisen jeweils einen gegenüber dem Kopfabschnitt 2 geringeren Durchmesser auf, so dass ein den Schneidenfuß 3 und den Bolzenabschnitt 4 umlaufender Bund entsteht. Der Durchmesser des Kopfabschnittes 2 ist als Kopfdurchmesser D_K bezeichnet.
• Der Bolzenabschnitt 4 des Funktionselementes 1 dient als Funktionsansatz und ist bspw. mit einem Außengewinde 4.1 versehen. Auch könnte dieser Bolzenabschnitt 4 kugelförmig ausgeführt sein, um ein Kugelgelenk mit einem weiteren Bauteil zu bilden.
• Auf der Unterseite 2.2 des Kopfabschnittes 2 des Funktionselementes 1 befindet sich wenigstens eine Verdrehschutznoppe 2.3, die zu einer Verdrehsicherung des in ein plattenförmiges Bauteil 10 (vgl. 2) eingeformten Funktionselementes 1 führt.
• Die Verbindung eines solchen Funktionselementes 1 mit einem dünnen und plattenförmigen Bauteil 10 mit einer Dicke S, bspw. einem Dünnblech, vorzugsweise aus Aluminium zeigt die 2 nach Abschluss eines mittels einer Setzvorrichtung durchgeführten Setzvorganges.
• Das Verfahren zur Herstellung der in 2 dargestellten Verbindung zwischen dem Funktionselement 1 und dem plattenförmigen Bauteil 10 wird mit einer Matrize 20 eines Werkzeugs durchgeführt, die eine erfindungsgemäß konturierte Vertiefung 21 aufweist. Diese spezielle Konturierung bezieht sich insbesondere auf die Kontur der Umfangswand 22 dieser Vertiefung 21, wie weiter unten im Detail im Zusammenhang mit den 2 und 3 erläutert wird.
• Mit dieser speziellen Konturierung der Vertiefung 21 wird verhindert, dass bei einem Ausknöpfen des Funktionselementes 1 aus dem plattenförmigen Bauteil 10 bei einer an dem Funktionselement 1 angreifenden mechanischen Überbelastung in dem Bauteil 10 Risse entstehen. Dies wird dadurch sichergestellt, dass die in 2 dargestellte Verbindungsanordnung aus dem Funktionselement 1 und dem plattenförmigen Bauteil 10 eine ausreichende Restbodenstärke B des Restbodens 10.1 aufweist. Diese Restbodenstärke B ist gemäß 2 der kürzeste Abstand zwischen der Schneidkante 3.1 des Schneidenfußes 3 und der Umfangswand 22 der Vertiefung 21. Ferner soll auch der axiale Abstand B1 zwischen der Schneidkante 3.1 des Schneidenfu-ßes 3 und der Bodenfläche 23 der Vertiefung 21 mindestens der Restbodenstärke B betragen, also B1 ≥ B. Diese Restbodenstärke B des Restbodens 10.1 ist eine Funktion der Dicke S des plattenförmigen Bauteils, also bspw. eines Aluminiumblechs und bestimmt sich gemäß folgender Formel: $$\text{B}\ge \text{k}1\times \text{S},\text{ mit }\mathrm{0,4}\le \text{k}1\le \mathrm{0,5.}$$

  
• So sollte die Restbodenstärke B bspw. bei einer Dicke S von 2 mm mindestens 0,8 mm betragen.
• Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindungsanordnung gemäß 2 erfolgt mittels einer Setzvorrichtung, die aus einem als Oberwerkzeug ausgebildeten Werkzeug mit einem mit Presskraft beaufschlagbaren Stößel und einer als Unterwerkzeug ausgebildeten Matrize 20 aufgebaut ist. In 2 ist ein solches Oberwerkzeug nicht dargestellt, ebenso ein Niederhalter des Oberwerkzeuges zum Halten des plattenförmigen Bauteils 10 auf der Matrize 20 fehlt in dieser 2.
• Diese Matrize 20 weist gemäß den 2 und 3 eine Vertiefung 21 mit einer inneren Umfangswand 22 und einer Bodenfläche 23 auf, wobei zentrisch auf dieser Bodenfläche 23 eine domförmige Erhebung (bspw. mit kreisbogenförmiger Kontur) 23.1 angeordnet ist. Diese Matrize 20 ist in den 2 und 3 mit einer axialen Matrizentiefe T und einem Matrizendurchmesser D_M der Vertiefung 21 dargestellt.
• Die spezielle Konturierung der inneren Umfangswand 22 der Vertiefung 21 besteht darin, dass im axialen Querschnitt ausgehend von der Bodenfläche 23 die innere Umfangswand 22 einen konkaven Konturabschnitt 22.1 auf-weist, der in einen konvexen Konturabschnitt 22.2 übergeht. Beide Konturabschnitte 22.1 und 22.2 sind jeweils als Kreisbogen mit einem Radius R1 bzw. R2 ausgeführt.
• Der Mittelpunkt M1 des konkaven Konturabschnittes 22.1 mit dem Radius R1 liegt außerhalb der Vertiefung 21, so dass der Kreisbogen tangential an der Bodenfläche 23 anliegt, d. h. der Radius R1 steht als Strecke senkrecht auf der Bodenfläche 23 und ist größer als die Tiefe T der Vertiefung 21 (R1 > T) . Der Mittelpunktswinkel α1 des Kreisbogens des Konturabschnittes 22.1 ist kleiner als 90° und endet daher in einem Punkt P der Umfangswand 22, der sich in einem axialen Abstand L1 von der Bodenfläche 23 befindet, der kleiner als der Radius R1 ist. Für L1 gilt somit: $$\text{L}1=\text{k}2*\text{T},$$

  

  wobei 0,5 < k2 < 1,0 und T die Tiefe der Vertiefung 21 ist.
• Der Punkt P markiert den Übergang zum konvexen Konturabschnitt 22.2 mit kreisbogenförmiger Kontur, dessen Mittelpunkt M2 mit dem Radius R2 unter einer die Vertiefung 21 umgebenden Randfläche 20.1 liegt, so dass der Kreisbogen tangential in die Randfläche 20.1 übergeht, d. h. der Radius R2 steht als Strecke senkrecht auf der Randfläche 20.1. Der zugehörige Mittelpunktswinkel α2 des Kreisbogens des Konturabschnittes 22.2 ist ebenso kleiner als 90°, weshalb der axiale Abstand L2 des Mittelpunktes M2 zur Bodenfläche 23 kleiner ist als der Abstand L1 des Punktes P von der Bodenfläche 23. Der Radius R2 bestimmt sich gemäß $$\text{R}2\le \text{T/}\mathrm{2,}$$

  

  wobei T die Tiefe der Vertiefung 21 ist. In 3 entspricht der Radius R2 dem Wert T/2.
• Die Lage des Punktes P in radialer Richtung definiert auch den Durchmesser D_M der Vertiefung 21.
• Neben dieser speziellen Konturierung der Umfangswand 22 der Vertiefung 21 ist zur Sicherstellung der Restbodenstärke B auch die Fußlänge L_Fuß des Schneidenfußes 3 des Funktionselementes 1 gemäß folgender Formel auszubilden: $${\text{L}}_{\text{Fu}ß}\le \mathrm{1,1}*\text{S},$$

  

  wobei S die Dicke des plattenförmigen Bauteils 10 ist. Bei einer Dicke S von bspw. 2 mm beträgt die Fußlänge L_Fuß 2,2 mm.
• Wird ferner eine Relation zwischen dem Durchmesser D_M der Vertiefung 21 der Matrize 20 und dem Fußdurchmesser D_Fuß des Schneidenfußes 3 des Funktionselementes 1 im Wesentlichen eingehalten, die der Formel $${\text{D}}_{\text{M}}=\text{k}3*{\text{D}}_{\text{Fuß}},\text{ mit }\mathrm{1,3}\le \text{k}3\le \mathrm{1,4.}$$

  

  entspricht, wird nicht nur die gewünschte Restbodenstärke B erzielt, sondern auch eine ausreichend hohe Ausknöpfkraft des Funktionselementes 1 aus dem plattenförmigen Bauteil 10 sichergestellt. Als besonders vorteilhaft hat sich für k3 ein Wert von 1,323 herausgestellt, dass sich bei einem Fußdurchmesser D_Fuß von bspw. 6,2 mm ein Durchmesser D_M von 8,2 mm ergibt.
• Das oben beschriebene Verfahren zum Verbinden eines Funktionselementes 1 gemäß 1 mit einem plattenförmigen Bauteil 10 eignet sich für dünne und duktile Aluminiumbleche als Bauteil 10 mit einer Dicke S von bspw. 0,8 mm bis 2 mm. Ein solches Aluminiumblech als Bauteil 10 ist bspw. Teil einer Batteriewanne, an welcher mittels eines Funktionselementes 1 Anbauteile befestigt werden. Bei einem Ausknöpfen des Funktionselementes 1 aufgrund einer im Crashfall an dem Funktionselement 1 auftretenden Überbelastung entstehen in dem Aluminiumblech keine Risse, so dass die Batteriewanne gas- und flüssigkeitsdicht bleibt und die Batterie ihre Funktion behält.
• Dieses Ausknöpfen des Funktionselementes 1 aus dem Bauteil 10 ohne das Entstehen von Rissen wird auch dadurch unterstützt, dass ein ausreichend großer Abstand zwischen den Verdrehschutznoppen 2.3 und dem Schneidenfußes 3 des Funktionselementes 1 eingehalten wird.
• Bezugszeichen

1

Funktionselement

2

Kopfabschnitt des Funktionselementes 1

2.1

Oberseite des Kopfabschnittes 2

2.2

Unterseite des Kopfabschnittes 2

2.3

Verdrehschutznoppe des Kopfabschnittes 2

3

Schneidenfuß des Funktionselementes 1

3.1

Schneidkante

3.2

Innenwandung des Schneidenfußes 3

3.3

Bodenfläche des Schneidenfußes 3

4

Bolzenabschnitt des Funktionselementes 1

4.1

Gewinde des Bolzenabschnittes 4

10

plattenförmiges Bauteil

10.1

Restboden des Bauteils 10

20

Matrize

21

Vertiefung der Matrize 20

22

Umfangswand der Vertiefung 21

22.1

konkaver Konturabschnitt der Umfangswand 22

22.2

konvexer Konturabschnitt der Umfangswand 22

23

Bodenfläche der Vertiefung 21

23.1

Erhebung der Bodenfläche 23

B

Restbodenstärke

B1

Abstand zwischen Schneidkante 3.1 und Bodenfläche 23

DK

Durchmesser des Kopfabschnittes 2

DFuß

Durchmesser des Schneidenfußes 3

DM

Durchmesser der Vertiefung 21

L1

axiale Länge des konkaven Konturabschnittes 22.1

L2

axialer Abstand des Mittelpunktes M2

LFuß

Fußlänge des Schneidenfußes 3

M1

Mittelpunkt des konkaven Konturabschnittes 22.1

M2

Mittelpunkt des konvexen Konturabschnittes 22.2

R1

Radius des konkaven Konturabschnittes 22.1

R2

Radius des konvexen Konturabschnittes 22.1

S

Dicke des Bauteils 10

T

Tiefe der Vertiefung 21

α1

Mittelpunktswinkel des konkaven Konturabschnittes 22.1

α2

Mittelpunktswinkel des konvexen Konturabschnittes 22.2

Claims (14)

1. Verfahren zum Verbinden eines mit einem Kopfabschnitt (2) und einem Schneidenfuß (3) ausgebildeten Funktionselementes (1) mit einem plattenförmigen Bauteil (10), bei welchem - das Funktionselement (1) mittels eines Oberwerkzeuges gegen ein Unterwerkzeug mit einer axialen Vorschubbewegung durch Einformung des Schneidenfußes (3) in das Bauteil (10) mit demselben verbunden wird, ohne das Bauteil (10) zu durchdringen, - das Unterwerkzeug als Matrize (20) mit einer Vertiefung (21) bereitgestellt wird, in die mit der axialen Vorschubbewegung der Schneidenfuß (3) unter dessen radialer Spreizung nach außen und unter Bildung eines Restbodens (10.1) im Bauteil (10) zusammen mit Material des Bauteils (10) eingedrückt wird, und - die Vertiefung (21) mit einer inneren Umfangswand (22) und einer Bodenfläche (23) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - im axialen Querschnitt der Vertiefung (21) ausgehend von der Bodenfläche (23) die innere Umfangswand (22) einen konkaven Konturabschnitt (22.1) aufweist, der in einen konvexen Konturabschnitt (22.2) übergeht, und - der konkave Konturabschnitt (22.1) in axialer Richtung der Vertiefung mit einer Länge (L1) mit L1 = k*T ausgebildet wird, wobei 0,5 < k < 1,0 und T die Tiefe der Vertiefung (21) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Konturabschnitt (22.1) und/oder der konvexe Konturabschnitt (22.2) als kreisbogenförmige Konturen ausgebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Konturabschnitt (22.1) mit einem Radius R1 ausgebildet wird, dessen Kreisbogen tangential an der Bodenfläche (23) anliegt und einen Mittelpunktswinkel α1 mit α1 < 90° aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Konturabschnitt (22.2) mit einem Radius R2 ausgebildet wird, dessen Kreisbogen tangential in eine die Vertiefung (21) umschließende Randfläche (20.1) übergeht.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius R1 des konkaven Konturabschnittes (22.1) größer ist als die Tiefe T der Vertiefung (21).
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius R2 des konvexen Konturabschnittes (22.2) gemäß folgender Formel ausgebildet wird: $$\text{R}2\le \text{T/}\mathrm{2,}$$

   

   wobei T die Tiefe der Vertiefung (21) ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser D_M der Vertiefung (21) gemäß folgender Formel ausgebildet wird: $${\text{D}}_{\text{M}}=\text{k}3*{\text{D}}_{\text{Fuß}},\text{ mit }\mathrm{1,3}\le \text{k}3\le \mathrm{1,4,}$$

   

   wobei D_Fuß der Fußdurchmesser des Schneidenfußes (3) des Funktionselementes (1) ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fußlänge L_Fuß des Schneidenfußes (3) des Funktionselementes (1) gemäß folgender Formel ausgebildet wird: $${\text{L}}_{\text{Fuß}}\le \mathrm{1,1}*\text{S},$$

   

   wobei S die Dicke des Bauteils (10) ist.
9. Werkzeug mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Unterwerkzeug eine Matrize (20) mit einer Vertiefung (21) aufweist, wobei die Vertiefung (21) eine innere Umfangswand (22) und eine Bodenfläche (23) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass - im axialen Querschnitt der Vertiefung (21) ausgehend von der Bodenfläche (23) die innere Umfangswand (23) einen konkaven Konturabschnitt (22.1) und einen sich daran anschließenden konvexen Konturabschnitt (22.2) aufweist, und - der konkave Konturabschnitt (22.1) in axialer Richtung der Vertiefung (21) mit einer Länge (L1) mit L1 = k*T ausgebildet ist, wobei 0,5 < k < 1,0 und T die Tiefe der Vertiefung (21) ist.
10. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Konturabschnitt (22.1) und/oder der konvexe Konturabschnitt (22.2) als kreisbogenförmige Konturen ausgebildet sind.
11. Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Konturabschnitt (22.1) mit einem Radius R1 ausgebildet ist, dessen Kreisbogen tangential an der Bodenfläche (23) anliegt und einen Mittelpunktswinkel α1 mit α1 < 90° aufweist.
12. Werkzeug nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Konturabschnitt (22.2) mit einem Radius R2 ausgebildet ist, dessen Kreisbogen tangential in eine die Vertiefung (21) umschließende Randfläche (20.1) übergeht.
13. Werkzeug nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius R1 des konkaven Konturabschnittes (22.1) größer ist als die Tiefe T der Vertiefung (21).
14. Werkzeug nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius R2 des konvexen Konturabschnittes (22.2) gemäß folgender Formel ausgebildet ist: $$\text{R}2\le \text{T/}\mathrm{2,}$$

    

    wobei T die Tiefe der Vertiefung (21) ist.

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