DE102020104529B4 - Device and method for the mechanical joining of hollow profiles - Google Patents
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- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D39/00—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders
- B21D39/03—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders of sheet metal otherwise than by folding
- B21D39/031—Joining superposed plates by locally deforming without slitting or piercing
Abstract
Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Hohlprofilen, zum formschlüssigen Fügen eines inneren Hohlprofils (H2) und eines koaxial überlappend in einem Fügebereich (B) angeordneten äußeren Hohlprofils (H1), wobei die Vorrichtung einen Fügekopf (1) mit einem ersten Werkzeugelement und einen Gegenhalter (4) mit einem zweiten Werkzeugelement aufweist, wobei das erste und zweite Werkzeugelement eine zueinander korrespondierende Kontur aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Fügekopf (1) ein, an eine Innenkontur des inneren Hohlprofiles (H2) angepasstes Niederhalterpaket (1.3) aufweist und
- der Fügekopf (1) entlang der Längsachse (A) der Hohlprofile (H1, H2) bis in den Fügebereich (B) hineinreicht und
- der Gegenhalter in dem überlappenden Fügebereich (B) an dem äußeren Hohlprofil (H1) zur Abstützung anliegt derart, dass das erste und zweite Werkzeugelement radial zu der Längsachse (A) der Hohlprofile (H1, H2) übereinanderliegend angeordnet sind und
- dass das erste Werkzeugelement in Form eines Stempels (1.1) und das zweite Werkzeugelement in Form einer Matrize (4.1) ausgebildet ist, wobei der Stempel (1.1) radial außen in Richtung der Matrize (4.1) verfahrbar ist oder dass das erste Werkzeugelement in Form einer Matrize (4.1) und das zweite Werkzeugelement in Form eines Stempels (1.1) ausgebildet ist, wobei der Stempel (1.1) radial nach innen in Richtung der Matrize (4.1) verfahrbar ist und
- dass der Fügekopf (1) ein erstes Umlenkgetriebe (1.2) aufweist und dass das erste Werkzeugelement mittels des ersten Umlenkgetriebes (1.2) radial verfahrbar ist und
- das erste Werkzeugelement mittels eines Keilgetriebes, einer Nockenwelle oder eines hydraulischen Kissens betätigbar ist.
Device for the mechanical joining of hollow profiles, for the positive joining of an inner hollow profile (H2) and an outer hollow profile (H1) arranged coaxially overlapping in a joining area (B), the device having a joining head (1) with a first tool element and a counter-holder (4 ) having a second tool element, wherein the first and second tool element have a mutually corresponding contour, characterized in that
- the joining head (1) has a hold-down package (1.3) adapted to an inner contour of the inner hollow profile (H2) and
- the joining head (1) extends along the longitudinal axis (A) of the hollow profiles (H1, H2) into the joining area (B) and
- the counter-holder in the overlapping joint area (B) rests against the outer hollow profile (H1) for support in such a way that the first and second tool elements are arranged one above the other radially to the longitudinal axis (A) of the hollow profiles (H1, H2) and
- that the first tool element is in the form of a punch (1.1) and the second tool element is in the form of a die (4.1), wherein the punch (1.1) can be moved radially outwards in the direction of the die (4.1) or that the first tool element is in the form a die (4.1) and the second tool element is designed in the form of a punch (1.1), the punch (1.1) being movable radially inwards in the direction of the die (4.1) and
- That the joining head (1) has a first deflection gear (1.2) and that the first tool element can be moved radially by means of the first deflection gear (1.2) and
- The first tool element can be actuated by means of a wedge gear, a camshaft or a hydraulic cushion.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanischen Fügen von Hohlprofilen und findet insbesondere für die Verbindung von schlanken, metallischen Hohlprofilen in Mischbauweise Anwendung.The invention relates to a device and a method for the mechanical joining of hollow profiles and is used in particular for the connection of slender, metallic hollow profiles in mixed construction.
Das Clinchen ist ein mechanischer Fügeprozess, welcher durch die Umformung von planen Blechen eine primär formschlüssige Verbindung herstellt. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung des Clinchprozesses entstanden zahlreiche modifizierte und Hybridvarianten dieses Verfahrens. Beispiele sind das Flachclinchen, Clinchnieten, Clinchkleben, UFBC-Verfahren oder das Doppelpunktclinchen. Diese Verfahrenserweiterungen des Clinchens haben das Ziel, bestimmte Eigenschaften der Clinchverbindung zu verbessern oder deren Herstellung zu beeinflussen.Clinching is a mechanical joining process that creates a primarily form-fitting connection by forming flat sheet metal. With the continuous further development of the clinching process, numerous modified and hybrid variants of this process have emerged. Examples are flat clinching, clinch riveting, clinch gluing, UFBC processes or double-point clinching. These process extensions of clinching aim to improve certain properties of the clinch connection or to influence its production.
Aktuelle Clinchmaschinen werden als stationäre oder mobile Fügeeinheit hergestellt. Neben der Portalbauweise sind C-Bügel-Clinchpressen in der Praxis weit verbreitet. Zur Aufnahme der prozessbedingt hohen Fügekräfte muss das Maschinengestell eine hohe Steifigkeit besitzen, um den Winkelverzug der Werkzeuge auf ein Minimum zu reduzieren. Eine zu große elastische Verformung der Gestelle vergrößert den Winkelverzug der Clinchwerkzeuge. Folglich sinkt die Qualität der Clinchpunkte sowie die Standzeit der Clinchwerkzeuge. Eine hohe Steifigkeit der Gestelle gewährleistet die Koaxialität der Clinchwerkzeuge, begrenzt jedoch die Einsatzmöglichkeiten der Maschinen. Beim Clinchen von Hohlprofilen korreliert die Auskraglänge und die übertragbare Prozesskraft einer C-Bügel-Clinchpresse, mit dem realisierbaren Durchmesser und der Länge des zu verbindenden Hohlprofils. Diesem Grund geschuldet, müssen im Falle einer C-Bügel-Clinchpresse die Steifigkeit der Bügel vergrößert oder Prozesskräfte minimiert werden, um den Schlankheitsgrad (S = L/D) der Hohlprofilverbindung erhöhen zu können.Current clinching machines are manufactured as stationary or mobile joining units. In addition to the portal design, C-frame clinching presses are widespread in practice. In order to absorb the high joining forces caused by the process, the machine frame must have a high degree of rigidity in order to reduce the angular distortion of the tools to a minimum. Excessive elastic deformation of the frames increases the angular distortion of the clinching tools. As a result, the quality of the clinching points and the service life of the clinching tools decrease. A high rigidity of the frames ensures the concentricity of the clinching tools, but limits the possible uses of the machines. When clinching hollow profiles, the projection length and the transferable process force of a C-frame clinching press correlate with the achievable diameter and the length of the hollow profile to be connected. Due to this reason, in the case of a C-frame clinching press, the rigidity of the frame must be increased or process forces minimized in order to be able to increase the slenderness (S = L/D) of the hollow profile connection.
Aus den Druckschriften
Mit Hilfe der pulsierenden Bewegung wird die notwendige Fügekraft verringert, wodurch die Steifigkeit des C-Bügels geringer gewählt werden und im Falle des Clinchens von Hohlprofilen ein größerer aber weiterhin begrenzter Schlankheitsgrad der Hohlprofilverbindung realisiert werden kann.With the help of the pulsating movement, the required joining force is reduced, which means that the rigidity of the C-frame can be selected to be lower and, in the case of clinching hollow profiles, a greater but still limited degree of slenderness of the hollow profile connection can be achieved.
Die Druckschrift
In einer weiteren Verfahrensvariante, welche in der Druckschrift
In den Offenlegungen
In der Druckschrift
Die vorbeschriebenen Verfahren bieten grundsätzlich die Möglichkeit, die erforderliche Prozesskraft zu verringern und den C-Bügel der Clinchmaschine weniger biegesteif, das heißt schlanker zu gestalten. Dadurch kann die Auskraglänge der C-Bügel und der Schlankheitsgrad der Hohlprofile erhöht werden. Dennoch sind die Möglichkeiten, den Schlankheitsgrad durch Herabsetzen der Biegesteifigkeit zu erhöhen, begrenzt. Die Übertragung der Prozesskraft über einen C-Bügel ab einem Schlankheitsgrad über 1 ist nicht sinnvoll und sollte vermieden werden.In principle, the methods described above offer the possibility of reducing the required process force and of designing the C-frame of the clinching machine to be less rigid, ie slimmer. As a result, the projection length of the C-frame and the slenderness of the hollow profiles can be increased. Nevertheless, the possibilities of increasing the slenderness by reducing the flexural rigidity are limited. The transmission of the process force via a C-frame from a slenderness degree above 1 does not make sense and should be avoided.
Die Druckschrift
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanischen Fügen von Hohlprofilen zu entwickeln, welche einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und eine deutliche Erhöhung des realisierbaren Schlankheitsgrads von Hohlprofilen erreicht, welche mittels Clinchen gefügt werden. Typische Anwendungsbeispiele sind Schalldämpfer, Lüftungskanäle oder Abgasanlagen.The object of the invention is to develop a device and a method for the mechanical joining of hollow profiles, which has a simple structural design and achieves a significant increase in the achievable degree of slenderness of hollow profiles, which are joined by clinching. Typical application examples are silencers, ventilation ducts or exhaust systems.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten und neunten Patentanspruchs gelöst.This object is achieved with the characterizing features of the first and ninth patent claims.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous configurations result from the dependent claims.
Eine neue Möglichkeit den Schlankheitsgrad zu erhöhen, stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem zugehörigen Verfahren dar.The device according to the invention with the associated method represents a new possibility for increasing the degree of slimness.
Die Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Hohlprofilen, insbesondere zum formschlüssigen Fügen eines inneren Hohlprofils und eines koaxial überlappend in einem Fügebereich angeordneten äußeren Hohlprofils, weist einen Fügekopf mit einem ersten Werkzeugelement und einen Gegenhalter mit einem zweiten Werkzeugelement auf, wobei das erste und zweite Werkzeugelement eine zueinander korrespondierende Kontur aufweisen, wobei
- - der Fügekopf ein, an eine Innenkontur des inneren Hohlprofiles angepasstes Niederhalterpaket aufweist und
- - der Fügekopf entlang der Längsachse der Hohlprofile bis in den Fügebereich hineinreicht und
- - der Gegenhalter in dem überlappenden Fügebereich an dem äußeren Hohlprofil zur Abstützung anliegt derart, dass das erste und zweite Werkzeugelement radial zu der Längsachse der Hohlprofile übereinanderliegend angeordnet sind und
- - dass das erste Werkzeugelement in Form eines Stempels und das zweite Werkzeugelement in Form einer Matrize ausgebildet ist, wobei der Stempel radial außen in Richtung der Matrize verfahrbar ist oder dass das erste Werkzeugelement in Form einer Matrize und das zweite Werkzeugelement in Form eines Stempels ausgebildet ist, wobei der Stempel radial nach innen in Richtung der Matrize verfahrbar ist und
- - dass der Fügekopf ein erstes Umlenkgetriebe aufweist und dass das erste Werkzeugelement mittels des ersten Umlenkgetriebes radial verfahrbar ist und
- - das erste Werkzeugelement mittels eines Keilgetriebes, einer Nockenwelle oder eines hydraulischen Kissens betätigbar ist.
- - the joining head has a hold-down package adapted to an inner contour of the inner hollow profile and
- - The joining head extends along the longitudinal axis of the hollow profiles into the joining area and
- - The counter-holder in the overlapping joint area rests on the outer hollow profile for support in such a way that the first and second tool elements are arranged one above the other radially to the longitudinal axis of the hollow profiles and
- - that the first tool element is designed in the form of a stamp and the second tool element is designed in the form of a die, wherein the stamp can be moved radially outwards in the direction of the die, or that the first tool element is designed in the form of a die and the second tool element is designed in the form of a stamp , wherein the punch can be moved radially inwards in the direction of the die and
- - That the joining head has a first deflection gear and that the first tool element can be moved radially by means of the first deflection gear and
- - The first tool element can be actuated by means of a wedge gear, a camshaft or a hydraulic cushion.
Der Fügekopf ist bevorzugt an einer Zugstange montiert, wobei die Zugstange mit dem Fügekopf drehbar ist. So kann der Fügekopf umfangsseitig an dem Hohlprofil mittels drehen eine Clinchverbindung erzeugen.The joining head is preferably mounted on a tie rod, with the tie rod being rotatable with the joining head. The joining head can thus produce a clinch connection on the circumference of the hollow profile by turning.
Mittels des ersten Umlenkgetriebes ist das erste Werkzeugelement radial nach außen in Richtung der Innenwand des inneren Hohlprofils verfahrbar.The first tool element can be moved radially outwards in the direction of the inner wall of the inner hollow profile by means of the first deflection gear.
Der Fügekopf weist ein zweites Umlenkgetriebe auf, wobei das Niederhalterpaket mittels des zweiten Umlenkgetriebes radial nach außen bewegbar und an die Innenwandung des inneren Hohlprofils anlegbar ist. Es werden das innere und äußere Hohlprofil zwischen dem Gegenhalter und dem Niederhalter geklemmt und fixiert.The joining head has a second deflection gear, with the hold-down assembly being able to be moved radially outwards by means of the second deflection gear and to be placed against the inner wall of the inner hollow profile. The inner and outer hollow profile are clamped and fixed between the counter holder and the hold-down device.
Das Niederhalterpaket wird mittels wenigstens einem, das Niederhalterpaket zumindest bereichsweise umschließenden Sprengring gehalten, wobei der Sprengring bevorzugt in einer umlaufenden Nut angeordnet ist.The hold-down assembly is held by means of at least one snap ring that at least partially encloses the hold-down assembly th, wherein the snap ring is preferably arranged in a circumferential groove.
Die Matrize ist derart ausgestaltet, dass sie radial verstellbar ist. Je nach Ausgestaltung ist die Matrize bei Montage als zweites Werkzeugelement radial nach außen verstellbar und bei Montage als erstes Werkzeugelement, das heißt im Fügekopf radial nach innen.The die is designed in such a way that it can be adjusted radially. Depending on the configuration, the die can be adjusted radially outwards when assembled as a second tool element and radially inwards when assembled as a first tool element, ie in the joining head.
Besonders bevorzugt ist die Matrize in Form einer umlaufenden Nut ausgebildet, so dass lediglich eine Positionierung des Stempels entlang der Längsachse der Vorrichtung erfolgen muss. Eine exakte Winkelpositionierung des Stempels in Bezug in Bezug auf ein einzelnes Matrizenelement entfällt in dieser Ausgestaltung.The die is particularly preferably designed in the form of a circumferential groove, so that the punch only has to be positioned along the longitudinal axis of the device. Exact angular positioning of the punch in relation to an individual die element is not required in this embodiment.
Der Fügekopf kann auch mehrere Werkzeugelemente aufweist, die umfangsseitig an dem Fügekopf angeordnet sind. So können mehrere Clinchverbindungen in einem Fügevorgang erzeugt werden.The joining head can also have a number of tool elements which are arranged on the circumference of the joining head. In this way, several clinch connections can be created in one joining process.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum mechanischen Fügen von Hohlprofilen, insbesondere zum formschlüssigen Fügen eines inneren Hohlprofils und eines koaxial überlappend in einem Fügebereich angeordneten äußeren Hohlprofils, weist einen Gegenhalter und einen Fügekopf auf, wobei in einem ersten Verfahrensschritt die zu fügenden Hohlprofile überlappend in den Gegenhalter mit einem zweiten Werkzeugelement eingespannt werden und der Fügekopf mit einem ersten Werkzeugelement in eine Endlage verfahren wird, so dass das erste und zweite Werkzeugelement koaxial zueinander in dem Fügebereich platziert sind. In einem zweiten Schritt wird mittels eines Umlenkgetriebes ein Niederhalterpaket gegen die Innenwandung des inneren Hohlprofils gedrückt und folgend in einem dritten Verfahrensschritt über eine Schubstange und ein weiteres Umlenkgetriebe das erste Werkzeugelement weggesteuert in seine Endlage verfahren und die Clinchverbindung hergestellt.The method according to the invention for the mechanical joining of hollow profiles, in particular for the form-fitting joining of an inner hollow profile and an outer hollow profile arranged coaxially overlapping in a joining area, has a counterholder and a joining head, in a first method step the hollow profiles to be joined being overlapped in the counterholder with a second tool element are clamped and the joining head is moved with a first tool element into an end position, so that the first and second tool element are placed coaxially to one another in the joining area. In a second step, a holding-down device is pressed against the inner wall of the inner hollow profile by means of a deflection gear and then, in a third process step, the first tool element is moved to its end position via a push rod and another deflection gear in a path-controlled manner and the clinch connection is established.
Nachfolgend wird die Schubstange eingefahren, der Gegenhalter geöffnet und die Hohlprofilverbindung kann aus der Maschine entnommen werden.The push rod is then retracted, the counterholder is opened and the hollow profile connection can be removed from the machine.
Des Weiteren können durch den variablen Niederhalter Rohrtoleranzen ausgeglichen und verschiedene Rohrquerschnitte mit einem Werkzeug gespannt werden. Verformungen des Hohlprofiles werden durch den Niederhalter gestützt und ein Verklemmen bei Entnahme der Rohrverbindung verhindert. Eine Hochdruckanwendung ist nicht nötig, da über die Übersetzung des Winkelgetriebes die notwendigen Clinchkräfte bereitgestellt werden.In addition, the variable hold-down device can be used to compensate for pipe tolerances and clamp different pipe cross-sections with one tool. Deformations of the hollow profile are supported by the hold-down device and jamming when the pipe connection is removed is prevented. A high-pressure application is not necessary, since the necessary clinching forces are provided by the translation of the bevel gear.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert ohne auf diese beschränkt zu sein.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment and associated drawings without being restricted to these.
Es zeigen:
-
1 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Fügen zweier Hohlprofile, -
2 eine Schnittdarstellung des Fügebereichs der Vorrichtung in einer Ausgangsposition, -
3 Detailansicht des Fügekopfes, -
4 eine Schnittdarstellung des Fügebereichs der Vorrichtung in einer eingefahrenen Position, -
5 eine Schnittdarstellung des Fügebereichs der Vorrichtung in der Fügeposition, -
6 eine Schnittdarstellung des Fügebereichs der Vorrichtung in einer eingefahrenen Position mit einer Matrize im Fügekopf, -
7 einen Clinchpunkt am Rundrohr im Schnitt, -
8 eine Verbindung von zwei Hohlprofilen mittels eines Clinchpunktes, -
9 eine Verbindung von zwei Hohlprofilen mittels mehrerer umfangsseitig angeordneter Clinchpunkte.
-
1 a representation of a device for joining two hollow profiles, -
2 a sectional view of the joining area of the device in a starting position, -
3 Detail view of the joining head, -
4 a sectional view of the joining area of the device in a retracted position, -
5 a sectional view of the joining area of the device in the joining position, -
6 a sectional view of the joining area of the device in a retracted position with a die in the joining head, -
7 a clinch point on the round tube in the cut, -
8th a connection of two hollow profiles by means of a clinch point, -
9 a connection of two hollow profiles by means of several circumferentially arranged clinch points.
In
An dem Fügekopf 1 ist umfangsseitig ein Niederhalterpaket 1.3 angeordnet, welches mittels eines zweiten Umlenkgetriebes 1.4 in Form eines zweiten Keilgetriebes radial nach außen bewegbar ist. Das Niederhalterpaket 1.3 wird mittels Sprengringen 1.5 in je einer Nut fixiert.
Das erste Umlenkgetriebe 1.2 weist eine, in der Zugstange 2 angeordnete innere Schubstange 1.2.1 mit einem keilförmigen Bereich 1.2.2 mit einem darauf gleitenden Schlitten 1.2.3 auf, wobei der Stempel 1.1 an dem Schlitten 1.2.3 ausgebildet oder montiert ist. Um die Schubstange 1.2.1 ist ein stangenförmiges Element 1.4.1 mit einem Keilelement 1.4.2 angeordnet, auf dem ein verschiebbares Element 1.4.3 angeordnet ist, mittels dessen das Niederhalterpaket 1.3 radial nach außen in Richtung der Innenwandung des inneren Hohlprofils H2 bewegbar ist.
A holding-down device 1.3 is arranged on the circumference of the joining
The first reversing gear 1.2 has an inner push rod 1.2.1 arranged in the
Ein, in der Endlage angeordneter Fügekopf 1 ist in
Die
Gemäß
According to
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung besteht erstmals die Möglichkeit, Hohlprofilverbindungen zu clinchen, welche einen Schlankheitsgrad von S > 2 deutlich übertreffen. Demnach sind 8 mm Clinch-Rundpunkte bei der Mischverbindung AIMg3 und DC04 in dem Rundrohrdurchmesser von 60x1 sowie 58x1 mit einer Schlankheit S=5 realisierbar. Ein derartiges Verfahren ist des Weiteren auf weitere mechanische Fügeverfahren wie beispielsweise das Stanznieten übertragbar.With the method and the device according to the invention, there is for the first time the possibility of clinching hollow profile connections which clearly exceed a slenderness ratio of S>2. Accordingly, 8 mm clinch round points can be realized with the mixed connection AIMg3 and DC04 in the round tube diameter of 60x1 and 58x1 with a slenderness S=5. Such a method can also be transferred to other mechanical joining methods such as punch riveting.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Fügekopfjoining head
- 1.11.1
- StempelRubber stamp
- 1.21.2
- erstes Umlenkgetriebefirst deflection gear
- 1.2.11.2.1
- Schubstangepush rod
- 1.2.21.2.2
- keilförmiger Bereichwedge-shaped area
- 1.2.31.2.3
- SchlittenSleds
- 1.31.3
- Niederhalterpakethold-down package
- 1.41.4
- zweites Umlenkgetriebesecond deflection gear
- 1.4.11.4.1
- stangenförmiges Elementrod-shaped element
- 1.4.21.4.2
- Keilelementwedge element
- 1.4.31.4.3
- verschiebbares Elementmovable element
- 1.51.5
- Sprengring in NutSnap ring in groove
- 22
- Zugstangepull bar
- 33
- Kraftkomponentepower component
- 3.13.1
- Hydraulikhauptzylinderhydraulic master cylinder
- 3.23.2
- Hydraulikzylinderhydraulic cylinder
- 44
- Gegenhaltercounter holder
- 4.14.1
- Matrizedie
- 55
- Lineareinheitlinear unit
- 66
- Hinterschnitt undercut
- AA
- Längsachse der Hohlprofile/VorrichtungLongitudinal axis of the hollow profiles/device
- BB
- Fügebereichjoining area
- H1H1
- Äußeres HohlprofilOuter hollow profile
- H2H2
- Inneres HohlprofilInner hollow profile
- ZZ
- Detailansichtdetail view
Claims (10)
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