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Die Erfindung betrifft Vorrichtung zur Herstellung einer Formschlussverbindung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus der
DE 199 49 161 A1 ist es bekannt, einen Bolzen mittels eines Formschlussverfahrens mit einem plattenförmigen Bauteil zu verbinden. Dafür verfügt der Bolzen über einen Bundabschnitt, dem sich eine Hinterschneidung anschließt. In einem Formschlussverfahren wird der Bolzen stirnseitig in das plattenförmige Bauteil getrieben, wodurch Volumenanteile des plattenförmigen Bauteils in die Hinterschneidung verdrängt werden. Der Bolzen durchdringt nicht das Bauteil.
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Für das Montageverfahren wird eine Vorrichtung eingesetzt, die einen Stempel umfasst, der eine axiale Druckkraft auf den Bolzen ausübt. Auf der Rückseite des plattenförmigen Bauteils wird eine Matrize eingesetzt, die das plattenförmige Bauteil abstützt und eine Formausnehmung aufweist, die das fertige Profil der Formschlussverbindung bestimmt.
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Die Matrize kann nach Fertigstellung der Formschlussverbindung durch eine einfache axiale Arbeitsbewegung von dem plattenförmigen Bauteil entfernt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung für die Herstellung der Formschlussverbindung auch bei einem Zylinder bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das tragende Bauteil von einem endseitig offenen Zylinder gebildet wird, wobei die Formausnehmung der Matrize als eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut mit einem Nutgrund und Nutseitenflächen ausgeführt ist, der sich ein Freistellungsbereich mit einem im Vergleich zu der Formschlussverbindung reduziertem Mittenabstand anschließt.
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Damit kann die Matrize einerseits in den Zylinder eingeschoben, aber vor allem nach der geschlossenen Formschlussverbindung auch wieder aus dem Zylinder bewegt werden. Diese Arbeitsbewegung wird nicht von der Matrize behindert. Allein zwei gegenüberliegende Berührpunkt der Matrize mit dem verdrängten Volumen des tragenden Bauteils genügen, um eine gleichmäßig runde linsenförmige Formschlussverbindung zu erreichen.
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Der Zylinder soll die auch nach der Formschlussverbindung mit dem Bolzen seinen gleichmäßig ringförmigen Querschnitt behalten. Dafür weist die Matrize eine Stützfläche zur Innenwandung des Zylinders auf, wobei der Krümmungsradius mindestens um das Maß der elastischen Verformung des Zylinders kleiner ist als der Nennradius des Zylinders. Bei einem exakt identischen Krümmungsradius steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Matrize im Zylinder verspannt wird und sich nur noch mit einem erhöhten Kraftbedarf aus dem Zylinder bewegen lässt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Freistellungsbereich der Matrize als eine Abflachung ausgeführt. Die Matrize weist eine zylindrische Grundform auf, an der einfach der mindestens eine Freistellungsbereich, beispielsweise mittels einer Fräsung, angeformt ist. Es ist sinnvoll, wenn man zwei Freistellungsbereiche vorsieht, da dann auch nur eine Arbeitsbewegungsrichtung in Umfangsrichtung über einen Winkelbereich von weniger als 360° möglich ist.
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Um die Krafteinleitung in den Gegenstempel zu optimieren, weist der Gegenstempel eine Stützfläche mit einem erhabenen Verdrängerprofil auf. Die ringförmige Stützfläche weist mindestens den Durchmesser des Funktionsabschnitts auf. Das Verdrängerprofil ist auf den Durchmesser der Hohlkammer abgestimmt.
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Die Formschlussverbindung kann noch umfassender ausgeführt werden, wenn die Matrize einen in Richtung des Stempels beweglichen Gegenstempel aufweist. Der Gegenstempel verdrängt einen Volumenanteil des tragenden Bauteils in die stirnseitige Hohlkammer.
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Um die Vorrichtung insgesamt sehr einfach und robust zu halten, wird die Arbeitsbewegung des Gegenstempels über einen Schieber angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt beispielsweise über einen doppelt wirkenden Druckzylinder.
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Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch weist der Nutgrund der Nut eine radiale Erhebung auf. Über diese Ausgestaltung des Nutgrunds bzw. der Matrize wird eine innigere Verbindung zwischen dem Nietelement und der Zylinderwandung erreicht. Im Querschnitt bildet sich dadurch ein leichtes Y-Profil innerhalb der Formschlussverbindung des Nietelements aus.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die radiale Erhebung über den Umfangsbereich ausgehend vom Freistellungsbereich ansteigend ausgeführt. Dadurch erhöht sich die Eindringtiefe der Erhebung mit zunehmender Bewegung in Umfangsrichtung. Folglich treten während der Bewegung der Matrize in Umfangsrichtung auch keine kritischen Spannungsspitzen in der Formschlussverbindung auf.
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Optional kann der Nutgrund zumindest auf einem Umfangsbereich ein Nockenprofil auf. Dadurch ergibt sich bezogen auf den Nutgrund eine radiale Zustellbewegung der Matrize in Richtung des Nietelements. Das Nockenprofil oder die ansteigende radiale Erhebung im Nutgrund ersetzen funktional den Stempel.
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Zur weiteren Optimierung Ausformung der Formschlussverbindung ist zwischen dem Nutgrund und den Nutseitenflächen ein Übergangsradius ausgeführt ist.
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Ergänzend kann die Größe des Radius ausgehend von einer Freistellungsposition in Umfangsrichtung ansteigen, um ebenfalls kritischen Spitzenbelastungen zu vermeiden.
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Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 Zylinder im Längsschnitt
- 2 Tragendes Bauteil mit Nietelement und der Vorrichtung in Schnittdarstellung
- 3 Matrize der Vorrichtung im Längsschnitt
- 4 - 5 Darstellung des Fertigungsablaufs
- 6 - 7 Umformwerkzeug mit Nockenprofil
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Die
1 zeigt einen Zylinder
1 im Längsschnitt, wie er z. B. als Behälterrohr in einem Federbein gemäß der
DE 198 15 215 A1 eingesetzt wird. Der Zylinder
1 bildet entsprechend der
2 ein tragendes Bauteil für ein Nietelement
3, das eine Formschlussverbindung
5 mit dem tragenden Bauteil, nämlich dem Zylinder
1 bildet.
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Das Nietelement 3 verfügt über einen Funktionsabschnitt 7, der in der einfachsten Bauform als ein einfacher Zylinder mit einer glatten Oberfläche ausgeführt ist, um z. B. als mechanischer Anschlag zu dienen. Der Funktionsabschnitt 7 erstreckt sich von einer äußeren Mantelfläche 9 des Zylinders 1 bis zu einer äußeren Stirnfläche 11.
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In Richtung der Mittelachse des Zylinders 1 verfügt das Nietelement 3 über einen Fügeabschnitt 13, der durch eine stirnseitige Hohlkammer 15 des Nietelements bestimmt wird. Die Tiefe der Hohlkammer 15 ist der Wandstärke des Zylinders 1 angepasst.
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Bei dem Zylinder 1 handelt es sich um ein Halbzeug, an dem keinerlei Veränderungen für den Einsatz des Nietelements 3 durchgeführt werden müssen, d. h. der Zylinder 1 hat eine gekrümmte Oberfläche mit konstantem Krümmungsradius und weist eine konstante Wandstärke auf. Des Weiteren kann der Zylinder 1 hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit schon fertigbearbeitet sein, d. h. lackiert oder auch beschichtet.
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Die Formschlussverbindung 5 zwischen dem Zylinder 1 und dem Nietelement 3 wird mittels einer Vorrichtung 17 hergestellt, die einen Stempel 19 umfasst, der eine axiale Druckkraft auf das Nietelement 3 ausübt. Der Zylinder 1 wird von einer Unterlage 21 gestützt. Innerhalb des Zylinders 1 ist eine Matrize 23 als Teil der Vorrichtung 17 angeordnet. Die Matrize 23 weist zwei gegenüberliegende Stützflächen 25; 27 zu einer Innenwandung 29 des Zylinders 1 auf. Beide Stützflächen 25; 27 verfügen über einen Krümmungsradius, der mindestens um das Maß der elastischen Verformung des Zylinders 1 kleiner ist als der Nenninnenradius des Zylinders 1. Dadurch liegt zwischen Stützflächen 25; 27 und der Innenwandung 29 in der Ausgangslage ein enger Spalt 31 vor. Die elastische Verformung kann sehr leicht über wenige Probeläufe der Vorrichtung 17 ermittelt werden. Wesentlich sind dabei der Nenndurchmesser des Zylinders, die Wandstärke und der Durchmesser des Nietelements.
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Die Matrize 23 verfügt über eine Formausnehmung 33 für die Formschlussverbindung 5 in der Gestalt einer in Umfangsrichtung der Matrize 23 verlaufenden Nut 33, wie die Zusammenschau der 2 und 3 zeigt. Innerhalb der Nut 33 ist ein in der Achse des Stempels 19 beweglicher Gegenstempel 35 gelagert. Die Hauptachsen des Stempels 19 und des Gegenstempels 35 sind deckungsgleich. An beiden Enden der Nut 33 schließen sich Zuführbereiche 36 an. Diese Zuführbereiche sind z.B. als Abflachungen der zylindrischen Matrize ausgestaltet und weisen einen im Vergleich zur Formschlussverbindung reduzierten Mittenabstand A auf.
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Der Gegenstempel 35 verfügt über eine endseitige Stützfläche 37 mit einem erhabenen Verdrängerprofil 39. Das Verdrängerprofil 39 entspricht einem Kugelabschnitt. Über die axiale Höhe wird das Verdrängervolumen 39 der Zylinderwandung in die Hohlkammer 15 des Nietelements 3 bestimmt. Die Stützfläche 37 wiederum verfügt über einen Durchmesser, der in etwa dem Durchmesser des Funktionsabschnitts 7 entspricht.
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Der Gegenstempel 35 stützt sich auf einem Gleitstück 41 ab, dass sich axial auf der Hauptachse des Gegenstempels 35 verschieben kann und in Richtung eines Schiebers 43 eine Schrägfläche 45 aufweist, wie die 2 verdeutlicht. Eine Verschiebebewegung des Schiebers 43 wird über die Schrägfläche 45 des Gegenstempels 41 und einer schrägen Hubfläche 45 des Schiebers 43 in die Arbeitsbewegung des Gegenstempels umgesetzt.
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Der Schieber 43 wird durch Fremdenergie, z. B. Öl- oder Luftdruck verschoben und z. B. durch eine einfache Rückstellfeder 49 wieder in seine Ausgangsposition bewegt, bei der der Gegenstempel 35 die tiefste Lage in der Matrize 23 einnimmt. Der Gegenstempel 35 kann allein durch seine Gewichtskraft dem absinkenden Gleitstück 41 auf der Hubfläche 45 folgen.
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In einem ersten Schritt wird das Nietelement 3 unter den Stempel 19 gesetzt. Der Stempel 19 kann dazu einen Zentrierrand aufweisen oder magnetisiert sein, so dass das Nietelement definiert gehalten wird. Danach legt man den Zylinder 1 in die Vorrichtung 17 ein und bringt dabei den Zylinder 1 axial in die Vorbestimmte Position zum Nietelement 3 (4). In einem nächsten Arbeitsschritt wird die Matrize 23 zusammen mit dem Gegenstempel 35 axial in den Zylinder 1 eingeführt, bis die Hauptachsen des Stempels 19 und des Gegenstempels 35 in Überdeckung stehen. Dabei besteht der geringfügige Spalt 31 zwischen den Stützflächen 25; 27 der Matrize 23 und der Innenwandung 29 des Zylinders 1. Die Ausgangshöhe des Gegenstempels 35 ist so bemessen, dass noch kein Kontakt zur Innenwandung 29 des Zylinders 1 besteht.
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Dann werden der Stempel 19 und der Gegenstempel 35 in Richtung der Zylinderwandung bewegt. Dabei dringt der Funktionsabschnitt 7 in die Oberfläche der Zylinderwandung ein und verdrängt Volumenanteile der Zylinderwandung in die Nut 33 der Matrize 23. Gleichzeitig verdrängt auch der Gegenstempel Volumenanteile der Zylinderwandung in die Hohlkammer 15 des Fügeabschnitts 7. Dadurch weitet sich der Fügeabschnitt 13 ausgehend von seiner endseitigen Stirnfläche auf, wodurch die Formschlussverbindung 5 geschlossen wird, bei der die Zylinderwandung in einen Ringspalt 51 zwischen dem aufgeweiteten Ende des Fügeabschnitts 13 und dem Funktionsabschnitt 7 eingreift.
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Danach wird der Schieber 43 wieder zurückbewegt, wodurch der Gegenstempel 35 bis zu einem Nutgrund der Nut 33 absinkt. Anschließend verdreht man die Matrize 23, bis die Formschlussverbindung 5 den Zuführbereich 36 erreicht hat (5). Die Matrize 23 gibt die Formschlussverbindung 5 dann in Ausfahrrichtung aus dem Zylinder 1 wieder frei.
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Alternativ zu der Variante nach den 2 und 3 mit dem internen Gegenstempel 35 besteht auch die Möglichkeit, dass ein Nutgrund der Nut 33 zumindest auf einem Umfangsbereich ein Nockenprofil 55 aufweist, wie die 6 und 7 zeigen. Zusätzlich kann der Nutgrund 53 auch über eine radiale Erhebung 57 verfügen, die ausgehend von dem Umfangsbereich des Freistellungsbereichs 36 ansteigend ausgeführt ist.
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Das Nockenprofil 55 sorgt für eine die Ausbildung eines Teilbereichs der Formschlussverbindung 5 vergleichbar mit einem ebenen Schließkopf einer Nietverbindung. Hingegen ist die radiale Erhebung 57 dafür vorgesehen, dass die Hohlkammer 15 des Nietelements 3 mit Werkstoff des Zylinders 1 gefüllt wird.
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Optional kann zwischen dem Nutgrund 53 und Nutseitenflächen 59 der Nut 33 ein Übergangsradius 61 ausgeführt sein. Dieser Übergangsradius 61 glättet die Formschlussverbindung 5 und wirkt der Rissbildung vor. Die Größe des Übergangsradius 61 steigt ausgehend von einer Freistellungsposition in Umfangsrichtung an.
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Der Verfahrensablauf ähnelt der Beschreibung zu den 1 bis 5. Die Matrize 23 der Vorrichtung 17 wird in den Zylinder 1 eingeführt, dessen Innendurchmesser noch dem Nennmaß (4) entspricht. Die Position der Nut 33 mit der maximalen Nockenstellung und radialen Erhebung 57 ist deckungsgleich mit der angestrebten Formschlussverbindung 5 bzw. der Längsachse des Nietelements.
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Danach wird das Nietelement 3 unter den Stempel 19 gesetzt und eine Axialkraft auf den Stempel 19 ausgeübt. Es bildet sich die Formschlussverbindung 5 gemäß der Darstellung nach 1 aus.
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Zum Entfernen der Matrize 23 wird diese in Umfangsrichtung bewegt, bis die Formschlussverbindung 5 den Freistellungsbereich 36 und damit eine Freistellungsposition erreicht hat. Bei dieser Drehbewegung stellt sich über den Drehwinkel zwischen dem Nutgrund 53 sowie den Nutseitenflächen 59 der Formschlussverbindung 5 ein Abstand ein. Sobald die Formschlussverbindung 5 den Freistellungsbereich 36 erreicht, ist die Formschlussverbindung 5 auch in Axialrichtung der Matrize 23 freigestellt, so dass die Matrize 23 aus dem Zylinder bewegt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 3
- Nietelement
- 5
- Formschlussverbindung
- 7
- Funktionsabschnitt
- 9
- Mantelfläche
- 11
- Stirnfläche
- 13
- Fügeabschnitt
- 15
- Hohlkammer
- 17
- Vorrichtung
- 19
- Stempel
- 21
- Unterlage
- 23
- Matrize
- 25
- Stützfläche
- 27
- Stützfläche
- 29
- Innenwandung
- 31
- Spalt
- 33
- Formausnehmung Nut
- 35
- Gegenstempel
- 36
- Freistellungsbereich
- 37
- Stützfläche
- 39
- Verdrängerprofil
- 41
- Gleitstück
- 43
- Schieber
- 45
- Schrägfläche
- 47
- Hubfläche
- 49
- Rückstellfeder
- 51
- Ringspalt
- 53
- Nutgrund
- 55
- Nockenprofil
- 57
- radiale Erhebung
- 59
- Nutseitenfläche
- 61
- Übergangsradius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19949161 A1 [0002]
- DE 19815215 A1 [0020]
