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Stand der Technik
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Werkzeuge zum Fügen müssen regelmäßig komplexen bzw. unterschiedlichen Anforderungen genügen. Für exakt definiert zu durchlaufende Arbeitsprozesse beim Fügen, sind moderne Werkzeuge entsprechend auszulegen, wobei kurze Taktzeiten mit hoher Prozesssicherheit erwünscht sind.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche prozesssicher einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Fügen eines Werkstücks, umfassend eine Stempeleinheit und eine Matrizeneinheit, wobei die Stempeleinheit und die Matrizeneinheit sich gegenüberliegen und relativ zueinander bewegbar sind, wobei das Werkstück zwischen der Matrizeneinheit und der Stempeleinheit positionierbar ist, wobei die Stempeleinheit einen Stempelzapfen aufweist, wobei der Stempelzapfen im Fügevorgang zum Eingriff an einer Fügestelle des Werkstücks vorgesehen ist.
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Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zum Fügen einer Schüssel eines Fahrzeugrads an eine Felge des Fahrzeugrads vorgesehen, z.B. zum Fügen einer Schüssel an eine Felge eines Stahlrads, z.B. in der Form einer Fahrzeugradfügevorrichtung oder als Stahlfelgenfügevorrichtung. Die Vorrichtung ist beispielsweise als eine Werkzeugzange, insbesondere als eine Füge- und/oder Prägezange ausgebildet. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Metallbearbeitung ausgestaltet.
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Die Matrizeneinheit ist vorzugsweise positionsfest an der Vorrichtung vorhanden, zum Beispiel an einem Bügel der Vorrichtung. Zum Bearbeiten des Werkstücks wird in der Regel das Werkstück auf eine der Stempeleinheit zugewandten Oberseite der Matrizeneinheit aufgelegt. Dabei befindet sich die Vorrichtung in einer Grundstellung bzw. in einer geöffneten Stellung, so dass die Matrizeneinheit gut zugänglich ist bzw. räumlich nicht eingeengt ist. Die Stempeleinheit ist in der Grundstellung vorteilhafterweise von der Matrizeneinheit wegbewegt, womit ein Zwischenraum zwischen der Stempeleinheit und der Matrizeneinheit vergrößert bereitgestellt ist, was das Positionieren des Werkstücks auf bzw. an der Matrizeneinheit erleichtert. Dies ist vorteilhaft unabhängig davon, ob die Vorrichtung fest aufgestellt ist und das Werkstück vor der Bearbeitung an die Matrizeneinheit herangeführt wird oder die Vorrichtung zum Beispiel an einem im Raum vorgebbar angetriebenen beweglichen Roboterarm aufgenommen ist, also die Vorrichtung z.B. robotergestützt zum Werkstück so hin bewegt wird, dass das Werkstück sich z.B. an der Oberseite der Matrizeneinheit abstützt.
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Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass eine maximale Eindringtiefe einer Stempeleinheit in das Werkstück zur Fertigstellung einer Fügeverbindung an der Fügestelle des Werkstücks kleiner ist, als eine Materialdicke des Werkstücks an der Fügestelle vor dem Fügevorgang und wobei im angeordneten Zustand des Werkstücks an der Vorrichtung die Materialdicke des Werkstücks an der Fügestelle in Fügerichtung zu sehen ist. Hierdurch ist ein Gewicht und/oder eine Werkstückdicke des zu bearbeitenden Werkstücks minimierbar. Im Folgenden wird die Materialdicke des Werkstücks auch als Werkstückdicke bezeichnet.
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Vorteilhafterweise umfasst das Werkstück mehrere Werkstückteile, insbesondere genau zwei Werkstückteile, welche mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung zum Fügen miteinander insbesondere unlösbar verbindbar sind.
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Bevorzugterweise ist das Werkstück zweiteilig vorhanden, bestehend aus einem ersten Werkstückteil, z.B. bestehend aus einem ersten Material und einem zweiten Werkstückteil bestehend aus dem gleichen ersten Material oder einem weiteren, zweiten Material. Eine Werkstückdicke des Werkstücks ist vorteilhafterweise größer oder gleich 4mm. Beispielsweise ist eine Dicke, insbesondere ein Gesamtdicke der beiden insbesondere übereinanderliegend angeordneten ersten und zweiten Werkstückteile größer oder gleich 4,5mm. Die Werkstückdicke ist insbesondere in Fügerichtung betrachtet zu sehen. Eine Werkstückdicke des ersten Werkstückteils ist vorteilhafterweise verschieden zu einer Werkstückdicke des zweiten Werkstückteils. Insbesondere sind die Werkstückdicken des ersten Werkstückteils und des zweiten Werkstückteils gleich.
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Vorteilhafterweise ist das Verhältnis einer maximaler Eindringtiefe zur Werkstückdicke des Werkstücks, insbesondere zur Gesamt-Materialdicke des Werkstücks kleiner oder gleich 0,9, insbesondere ist das Verhältnis 0,6. Bevorzugterweise ist eine maximale Eindringtiefe der Stempeleinheit zur Herstellung der Fügeverbindung in einem Bereich zwischen 40% und 80% der Werkstückdicke an der Fügestelle. Wobei die Eindringtiefe in Fügerichtung zu sehen ist. Beispielsweise ist die Eindringtiefe der Stempeleinheit zur Herstellung der Fügeverbindung 50% oder 70% der Gesamt-Werkstückdicke an der Fügestelle vor dem Fügevorgang, insbesondere 60% der Werkstückdicke an der Fügestelle vor dem Fügevorgang. Die Eindringtiefe ist vorteilhafterweise ausgehend von einer Oberseite des Werkstücks an der Fügestelle vor dem Fügevorgang in Fügerichtung zu sehen.
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Vorteilhafterweise ist die Fügeverbindung nach der Fertigstellung in einer Weise vorhanden, dass keine zusätzliche andersgeartete Fügeverbindung am Werkstück notwendig ist, um durch die Fügeverbindung verbundene Werkstückteile des Werkstücks in einer funktionstüchtigen Verbindung zu halten. Gegebenenfalls umfasst ein fertig gestelltes Werkstück mehrere insbesondere gleiche erfindungsgemäße Fügeverbindungen.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass der Stempelzapfen eine Fügefläche aufweist, wobei die Fügefläche zur Matrizeneinheit weisend am Stempelzapfen vorhanden ist, und der Stempelzapfen eine Außenkontur aufweist, welche ausgehend von der Fügefläche in einer Richtung weg von der Matrizeneinheit sich verjüngend vorhanden ist. Hierdurch ist eine Abstreifkraft verringert, wodurch eine vergleichsweise höhere Vorrichtungs- bzw. Stempelstandzeit realisiert ist. Beispielsweise ist durch die vorgeschlagene Vorrichtung eine vergleichsweise erhöhte Standzeit der Vorrichtung realisiert.
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Vorteilhafterweise ist der Stempelzapfen zylindersymmetrisch vorhanden. Beispielsweise ist die Außenkontur des Stempelzapfens konisch bzw. kegelartig ausgebildet. Insbesondere ist die Außenkontur des Stempelzapfens konisch verjüngend in einer Richtung weg von der Matrizeneinheit, entgegengesetzt zur Fügerichtung, vorhanden. Ausgehend von der Fügefläche des Stempelzapfens in der Richtung entgegengesetzt zur Fügebewegung verringert sich beispielsweise ein Außendurchmesser des Stempelzapfens. Der Außendurchmesser des Stempelzapfens, insbesondere ein maximaler Außendurchmesser des Stempelzapfens, beispielsweise im Fügebereich des Stempelzapfens, liegt in einem Bereich zwischen 5mm und 8mm, z.B. zwischen 6mm und 7mm. Der Außendurchmesser des Stempelzapfens, insbesondere ein maximaler Außendurchmesser des Stempelzapfens, beispielsweise im Fügebereich des Stempelzapfens, ist 6,5mm, 6,6mm, 6,7mm, 6,9mm, 7mm, 7,1mm, 7,2mm, insbesondere genau 6,8mm.
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Überdies ist es vorteilhaft, dass die Fügefläche des Stempelzapfens konvex ausgebildet ist. Bevorzugterweise besitzt die Fügefläche einen kreisförmigen oder ovalen Umriss. Insbesondere ist die kreisförmige oder ovale Fügefläche in Richtung eines Zentrums der Fügefläche zulaufend erhaben bspw. in Richtung der Matrizeneinheit vorhanden. Vorstellbar ist auch, dass die Fügefläche eben bzw. plan oder konkav vorhanden ist.
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Von Vorteil erweist sich auch, dass ein Übergang zwischen dem Umriss der Fügefläche zur Außenkontur des Stempelzapfens abgerundet ausgebildet ist. Beispielsweise ist der Übergang ringförmig bzw. kreisförmig ausgebildet. Der Übergang bildet vorteilhafterweise eine Außenkante, insbesondere eine abgerundete Außenkante des Stempelzapfens.
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Auch ist es vorteilhaft, dass der Stempelzapfen, insbesondere die Fügefläche des Stempelzapfens, in der Fügebewegung eine Oberseite der Matrizeneinheit nicht erreicht, wobei die Oberseite der Matrizeneinheit eine Auflagefläche für das Werkstück bildet. Bevorzugterweise ist eine Auflageebene der Matrizeneinheit für das Werkstück in der Fügebewegung durch die Stempeleinheit nicht erreicht oder durchdrungen. Beispielsweise bildet die Auflageebene die Auflagefläche des Werkstücks. Beispielsweise bildet die Oberseite der Matrizeneinheit die Auflagefläche des Werkstücks, insbesondere vor dem Fügevorgang. Insbesondere ist die Auflagefläche der Matrizeneinheit für das Werkstück unveränderlich oder positionsfest vorhanden. Vorteilhafterweise ist die Auflagefläche in einem Bereich um die Fügestelle an der Matrizeneinheit vorhanden.
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Beispielsweise ist die Matrizeneinheit an der Fügestelle vertieft zur Auflagefläche ausgebildet. Vorteilhafterweise besitzt die Matrizeneinheit in einem Bereich der Fügestelle eine Vertiefung. Die Vertiefung umfasst einen Durchmesser, welcher beispielsweise größer ist, als der Umriss der Fügefläche des Stempelzapfens. Insbesondere ist der Durchmesser der Vertiefung größer als ein Außendurchmesser des Stempelzapfens im Fügebereich des Stempelzapfens. Der Durchmesser der Vertiefung, insbesondere ein maximaler Durchmesser der Vertiefung, liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 5mm und 15mm, z.B. zwischen 7mm und 12mm, z.B. zwischen 8mm und 10mm. Der Durchmesser der Vertiefung ist beispielsweise 8mm, 8,5mm, 9mm, 10mm, 10,5mm, 11m, insbesondere genau 9,5mm.
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Vorteilhafterweise ist die Oberfläche der Matrizeneinheit, insbesondere die Auflagefläche des Werkstücks an der Matrizeneinheit, gewölbt vorhanden, insbesondere konvex gewölbt. Beispielsweise beschreibt die Oberfläche der Matrizeneinheit einen Teilradius von z.B. 300mm, insbesondere eine Teilkugelfläche oder eine Teil-Ellipsoidfläche mit einem Radius von z.B. 300mm. Der Teilradius liegt vorteilhafterweise in einem Bereich zwischen 200mm und 500mm, z.B. zwischen 250mm und 400mm, z.B. zwischen 270mm und 350mm. Denkbar ist auch, dass die Oberfläche der Matrizeneinheit plan bzw. eben oder konkav ausgebildet ist.
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Eine vorteilhafte Variante der Erfindung ist ein Verfahren mit einer Vorrichtung, wie vorangegangen beschrieben, wobei die Stempeleinheit durch eine Antriebseinheit der Vorrichtung angetrieben wird, und die Stempeleinheit mit der Fügefläche des Stempelzapfens zur Fertigstellung der Fügeverbindung weniger als die Materialdicke des Werkstücks an der Fügestelle in das Werkstück bewegt wird und wobei die Materialdicke des Werkstücks an der Fügestelle im angeordneten Zustand des Werkstücks an der Vorrichtung vor dem Fügevorgang in Fügerichtung zu sehen ist.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass das Verfahren derart ausgebildet ist, dass die Fügefläche des Stempelzapfens in einer Fügebewegung in eine maximal ausgelenkte Position in Richtung Matrizeneinheit bewegt wird, wobei die Fügefläche zur Auflagefläche der Matrizeneinheit in der maximal ausgelenkten Position in Bewegungsrichtung gesehen einen Abstand zur Auflagefläche aufweist.
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Außerdem wird ein Werkstück mit einer Fügeverbindung vorgeschlagen, wobei die Fügeverbindung z.B. mit einer wie vorangegangen beschriebenen Vorrichtung hergestellt ist, wobei die Fügestelle der Fügeverbindung des Werkstücks eine maximale Eindringtiefe einer fertig gestellten Fügeverbindung des Werkstücks aufweist, welche kleiner ist, als eine Wandstärke des Werkstücks im Bereich um die Fügestelle vor dem Fügevorgang und/oder einer Wandstärke an der Fügestelle.
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Die Materialdicke des Werkstücks, z.B. eine Wandstärke des Werkstücks und/oder eine Werkstückdicke, insbesondere eine Gesamtwandstärke des Werkstücks an der Fügestelle und/oder in einem Bereich um die Fügestelle vor dem Fügevorgang ist in einem Bereich zwischen 4,5mm und 10mm, z.B. in einem Bereich zwischen 5,5mm und 8mm, beispielsweise in einem Bereich zwischen 5,6mm und 6,5mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 5,6mm und 6,0mm. Umfasst das Werkstück zwei oder mehr Werkstückteile, so sind die Werkstückteile vor dem Fügevorgang im Bereich der Fügestelle insbesondere dicht bzw. direkt, z.B. formschlüssig, aneinander anliegend vorhanden.
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Vorteilhafterweise besitzt das Werkstück, insbesondere das erste und/oder das zweite Werkstückteil des Werkstücks, an der Fügestelle, insbesondere in einem Bereich um die Fügestelle eine Zugfestigkeit von mindestens 450N/mm^2, z.B. von mindestens 500N/mm^2, insbesondere von mindestens 520N/mm^2.
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Beispielsweise ist das erste und/oder das zweite Werkstückteil aus Metall, insbesondere aus Stahl ausgebildet.
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Überdies ist es von Vorteil, dass die fertige gestellte Fügeverbindung des Werkstücks nach dem Fügen einen zylinderförmigen Fügenapf aufweist. Bevorzugterweise ist eine Tiefe des Fügenapfs bzw. des Clinchpunkts kleiner als eine Gesamtstärke bzw. eine Materialdicke des Werkstücks an der Fügestelle vor dem Fügevorgang.
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Eine vorteilhafte Modifikation der Erfindung ist ein Bauteil mit einem Werkstück, welches mit einer vorangegangen beschriebenen Vorrichtung und/oder einem vorangegangen beschriebenen Verfahren hergestellt ist und/oder welches ein vorangegangen beschriebenes Werkstück umfasst. Das Bauteil ist z.B. als ein Fahrzeugrad, z.B. als ein Autorad oder ein Lastkraftwagenrad ausgebildet, beispielsweise als eine Felge eines Fahrzeugrads, z.B. als eine Fahrzeugfelge, z.B. eine Autofelge oder eine Lastkraftwagenfelge, insbesondere als eine Stahlfelge eines Fahrzeugrads.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand schematischer Zeichnungen unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine seitliche Schnittansicht auf einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Stempeleinheit mit Stempelzapfen und
- 2 eine seitliche Schnittansicht auf einen Ausschnitt einer Matrizeneinheit und eines erfindungsgemäßen Werkstücks mit einer Fügeverbindung, welche mittels einer Stempeleinheit gemäß 1 gefügt wurde.
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1 zeigt eine Stempeleinheit 1 mit einem Stempelzapfen 2. Der Stempelzapfen 2 umfasst eine Fügefläche 3, eine Außenkontur 4 und einen von der Fügefläche 3 zur Außenkontur 4 abgerundeten Übergang 5. Der Stempelzapfen 2 ist beispielsweise um eine Rotationsachse A zylindersymmetrisch vorhanden. Die Außenkontur 4 ist vorteilhafterweise kegelartig bzw. konisch verlaufend weg von der Fügefläche 3 sich verjüngend vorhanden. Die Fügefläche 3 ist beispielsweise konvex ausgebildet. In einer Fügebewegung wird die Stempeleinheit 1 zusammen mit dem Stempelzapfen 2 in eine Fügenrichtung F bewegt. Die Fügerichtung F ist vorteilhafterweise parallel zur Rotationsachse A des Stempelzapfens 2 vorhanden.
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2 zeigt eine Schnittansicht durch ein fertig gefügtes Werkstück 6 und eine Matrizeneinheit 7. Das Werkstück 6 ist in 2 aufliegend auf der Matrizeneinheit 7 gezeigt.
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Das Werkstück 6 umfasst ein erstes Werkstückteil 8 und ein zweites Werkstückteil 9. Das erste Werkstückteil 8 kommt vorteilhafterweise an der Matrizeneinheit 7 für einen Fügevorgang zur Auflage an einer Oberseite 10. Das zweite Werkstückteil 9 kommt vorteilhafterweise im Fügevorgang in direkten Kontakt, z.B. in Berührung, mit dem Stempelzapfen 2. Das erste Werkstückteil 8 umfasst beispielsweise eine geringere Materialdicke D1 als eine Materialdicke D2 des zweiten Werkstückteils 9. Das Werkstück 6 besitzt eine Gesamtmaterialdicke D, welche sich beispielsweise aus der Materialien D1 des ersten Werkstückteils 8 und der Materialdicke D2 des zweiten Werkstückteils 9 zusammensetzt.
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Im Fügevorgang in Fügerichtung F kommt die Stempeleinheit 1 zunächst mit der Fügefläche 3 des Stempelzapfens 2 mit einer Außenseite 11 des Werkstücks 6 in Berührung und drückt an einer Fügestelle 12 des Werkstücks 6 die Außenseite 11 des Werkstücks 6 in Fügerichtung F in Richtung Matrizenoberseite 10. Im Fügevorgang dringt der Stempelzapfen 2 über eine Fügestrecke in Fügerichtung F in das Werkstück 6 ein und verdrängt bzw. verdichtet dabei das Material des Werkstücks 6, sodass die beiden Werkstückteile 8, 9 aneinander gefügt sind. Die Fügestrecke des Stempelzapfens 2 im Werkstück 6, bzw. eine maximale Eindringtiefe des Stempelzapfens 2 in das Werkstück 6 an der Fügestelle, entspricht beispielsweise einer Tiefe einer fertig gestellten Fügeverbindung 13, bzw. eines fertig gestellten Fügenapfs. Die Tiefe der fertig gestellten Fügeverbindung 13 ist in Fügerichtung F ausgehend von der Außenseite 11 des Werkstücks 6 an der Fügestelle 12 insbesondere ausgehend von einer Position der Außenseite 11 vor dem Fügevorgang, bis zu einem Boden 15 der Fügeverbindung 13 zu messen. Vorteilhafterweise entspricht die Tiefe einer fertig gestellten Fügeverbindung 13 mindestens der Dicke D2 des zweiten Werkstückteils 9. Insbesondere ist die Tiefe einer fertig gestellten Fügeverbindung 13 größer als die Dicke D2 des zweiten Werkstückteils 9.
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Die Matrizeneinheit 7 besitzt an der Fügestelle 12 eine Vertiefung 14, in welche das Material des Werkstücks 6 im Fügevorgang gedrängt wird. Die Vertiefung 14 besitzt vorteilhafterweise einen Außendurchmesser A1, welcher größer ist, als ein Außendurchmesser A2 der Außenkontur 4 des Stempelzapfen 2. Vorteilhafterweise ist der Außendurchmesser A1 der Vertiefung 14 größer, als ein Innendurchmesser I der fertig gestellten Fügeverbindung 13. Bevorzugterweise ist der Innendurchmesser I der fertig gestellten Fügeverbindung 13 größer oder gleich dem Außendurchmesser A2 der Außenkontur 4 des Stempelzapfens 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stempeleinheit
- 2
- Stempelzapfen
- 3
- Fügefläche
- 4
- Außenkontur
- 5
- Übergang
- 6
- Werkstück
- 7
- Matrizeneinheit
- 8
- Werkstückteil
- 9
- Werkstückteil
- 10
- Oberseite
- 11
- Außenseite
- 12
- Fügestelle
- 13
- Fügeverbindung
- 14
- Vertiefung
- 15
- Boden
