DE102020210839A1

DE102020210839A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Einsetzen eines Hilfsfügeteils in ein Werkstück und Anordnung

Info

Publication number: DE102020210839A1
Application number: DE102020210839.0A
Authority: DE
Inventors: Vitalij Janzen; Julian Eder
Original assignee: Arnold Umformtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Arnold Umformtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2040-08-28
Also published as: WO2022043037A1; CN116323092A; KR20230058453A; DE102020210839B4; EP4204180A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einsetzen eines Hilfsfügeteils in ein Werkstück, mit einem Stempel zum Einpressen des Hilfsfügeteils in eine Oberseite des Werkstücks, wobei das Hilfsfügeteil in einem, in das Werkstück einzupressenden Abschnitt einen kreisrunden Umfang mit einem ersten, maximalen Durchmesser hat, mit einer Matrize zum Anlegen an eine Unterseite des Werkstücks während des Einpressens des Hilfsfügeteils, wobei die Matrize einen Anlagebereich und eine von dem Anlagebereich umgebene Ausnehmung aufweist, wobei ein Rand der Ausnehmung von einer Kreisform abweicht, wobei in radialer Richtung am weitesten außen liegende Abschnitte des Rands der Ausnehmung auf einem gedachten Umkreis liegen und wobei in radialer Richtung am weitesten innen liegende Abschnitte des Rands der Ausnehmung auf einem gedachten Inkreis liegen, wobei der Rand der Ausnehmung mindestens drei, in den Umkreis der Ausnehmung hineinragende Vorsprünge aufweist und wobei die Vorsprünge den Inkreis berühren, bei der ein Durchmesser des Inkreises zwischen 4% und 10% kleiner ist als der erste Durchmesser des Hilfsfügeteils und bei der ein Durchmesser des Umkreises zwischen 2% und 5% größer ist als der erste Durchmesser des Hilfsfügeteils.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einsetzen eines Hilfsfügeteils in ein Werkstück, mit einem Stempel zum Einpressen des Hilfsfügeteils in eine Oberseite des Werkstücks, wobei das Hilfsfügeteil einen, in das Werkstück einzupressenden Schaft mit einem kreisrunden Umfang mit einem ersten, maximalen Durchmesser hat, mit einer Matrize zum Anlegen an eine Unterseite des Werkstücks während des Einpressens des Hilfsfügeteils, wobei die Matrize einen Anlagebereich und eine von dem Anlagebereich umgebene Ausnehmung aufweist, wobei ein Rand der Ausnehmung von einer Kreisform abweicht, wobei in radialer Richtung am weitesten außen liegende Abschnitte des Rands der Ausnehmung auf einem gedachten Umkreis liegen und wobei in radialer Richtung am weitesten innen liegende Abschnitte des Rands der Ausnehmung auf einem gedachten Inkreis liegen, wobei der Rand der Ausnehmung mindestens drei, in den Umkreis der Ausnehmung hineinragende Vorsprünge aufweist und wobei die Vorsprünge den Inkreis berühren.
Aus der internationalen Offenlegungsschrift WO 2011/009850 A1 ist eine Vorrichtung zum Einsetzen eines Hilfsfügeteils in ein Werkstück bekannt. Das Hilfsfügeteil weist einen kreisrunden Umfang mit einem Kopf und einem Stanzabschnitt auf. Das Hilfsfügeteil wird mittels eines Stempels in ein ungelochtes Blech gedrückt. Dabei stanzt eine umlaufende Stanzkante des Hilfsfügeteils einen Butzen aus dem Werkstück aus. An eine Unterseite des Werkstücks ist eine Matrize angelegt, die eine Ausnehmung und einen ebenen die Ausnehmung umgebenden Anlagebereich hat. Die Ausnehmung ist als Durchgangsöffnung ausgebildet und nimmt den beim Einpressen des Hilfsfügeteils entstehenden Stanzbutzen auf. Die Ausnehmung weist drei in einen gedachten Umkreis der Ausnehmung hineinragende Vorsprünge auf. Ein Außendurchmesser des Hilfsfügeteils im Stanzabschnitt entspricht dem Durchmesser des Umkreises der Ausnehmung. Die Vorsprünge berühren einen gedachten Inkreis, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Stanzabschnitts des Hilfsfügeteils. Beim Einpressen des Hilfsfügeteils verformen die Vorsprünge abschnittsweise die Stanzkante des Hilfsfügeteils. Dadurch bildet sich zwischen dem Hilfsfügeteil und dem Werkstück ein Hinterschnitt aus. Das Hilfsfügeteil dient zur Befestigung weiterer Werkstücke. Beispielsweise wird ein Hilfsfügeteil aus Stahl in ein Aluminiumblech eingestanzt und dort befestigt. An das Hilfsfügeteil kann dann ein weiteres Werkstück aus Stahl angeschweißt werden. Problematisch beim Einsetzen von Hilfsfügeteilen in Werkstücke mit Stempel und Matrizen ist, dass es in der Regel nicht möglich ist, das Hilfsfügeteil exakt zentrisch zur Matrize auszurichten. Gerade bei der Serienfertigung kommt es zwangsläufig zu einem sogenannten Mittenversatz zwischen Hilfsfügeteil und Matrize. Ein solcher Mittenversatz kann dazu führen, dass das Hilfsfügeteil nicht mehr sicher im Werkstück befestigt ist.
Mit der Erfindung sollen eine Vorrichtung zum Einsetzen eines Hilfsfügeteils in ein Werkstück, ein Verfahren und eine Anordnung dahingehend verbessert werden, dass ein Mittenversatz zwischen Hilfsfügeteil und Matrize nicht zu Nachteilen bei der Verankerung des Hilfsfügeteils im Werkstück führt.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine Vorrichtung zum Einsetzen eines Hilfsfügeteils in ein Werkstück mit einem Stempel zum Einpressen des Hilfsfügeteils in eine Oberseite des Werkstücks, wobei das Hilfsfügeteil einen, in das Werkstück einzupressenden Schaft mit einem kreisrunden Umfang mit einem ersten, maximalen Durchmesser hat, und mit einer Matrize zum Anlegen an eine Unterseite des Werkstücks während des Einpressens des Hilfsfügeteils vorgesehen, wobei die Matrize einen Anlagebereich und eine von dem Anlagebereich umgebene Ausnehmung aufweist, wobei ein Rand der Ausnehmung von einer Kreisform abweicht, wobei in radialer Richtung am weitesten außen liegende Punkte des Rands der Ausnehmung auf einem gedachten Umkreis liegen und wobei in radialer Richtung am weitesten innen liegende Punkte des Rands der Ausnehmung auf einem gedachten Inkreis liegen, wobei der Rand der Ausnehmung mindestens drei, in den Umkreis der Ausnehmung hineinragende Vorsprünge aufweist und wobei die Vorsprünge den Inkreis berühren, bei der ein Durchmesser des Inkreises zwischen 4 % und 10 % kleiner ist als der erste Durchmesser des Hilfsfügeteils und bei der ein Durchmesser des Umkreises zwischen 2 % und 5 % größer ist als der erste Durchmesser des Hilfsfügeteils.
Überraschenderweise wird durch geschickte Bemessung der Ausnehmung der Matrize im Verhältnis zum Durchmesser des Hilfsfügeteils erreicht, dass mit zunehmendem Mittenversatz von Hilfsfügeteil zur Matrize eine größere Überdeckungsfläche von Matrize und Hilfsfügeteil erzielt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass trotz eines Mittenversatzes das Hilfsfügeteil sicher im Werkstück verankert wird. Die Verankerung des Hilfsfügeteils erfolgt dann zwar nicht mehr symmetrisch, da aber die Überdeckungsfläche zwischen Hilfsfügeteil und Matrize mit zunehmendem Mittenversatz ansteigt, wird dennoch eine sichere Verankerung des Hilfsfügeteils erzielt. Dadurch kann die Prozesssicherheit bei der Verwendung der Vorrichtung zum Einsetzen eines Hilfsfügeteils in ein Werkstück wesentlich verbessert werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist jeder Vorsprung zwischen zwei Seitenbegrenzungen gebildet, die Teil des Rands der Ausnehmung sind, wobei die Seitenbegrenzungen jedes Vorsprungs einen Winkel von 40° bis maximal 180° einschließen.
Der Winkel wird dabei an dem Punkt des Vorsprungs gemessen, der am weitesten innen liegt, der also beispielsweise am Inkreis anliegt. Beispielsweise wird der Winkel an der Spitze eines Vorsprungs gemessen und die Seitenbegrenzungen gehen dann von diesem Punkt aus.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Seitenbegrenzungen der Vorsprünge konvex ausgebildet.
Beispielsweise kann der am weitesten innen liegende Punkt des Vorsprungs Teil einer gekrümmten Linie sein, insbesondere eines Abschnitts einer Kreislinie. In diesem speziellen Fall, wenn der am weitesten innen liegende Punkt des Vorsprungs Teil einer Kreislinie ist, beträgt der Winkel zwischen den beiden Seitenbegrenzungen des Vorsprungs 180°.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Seitenbegrenzungen jedes Vorsprungs konkav ausgebildet.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Seitenbegrenzungen Abschnitte eines polylobularen Verlaufs des Rands der Ausnehmung.
Als polylobularer Verlauf wird ein nicht kreisrunder Verlauf bezeichnet, der Abschnitte mit kleinem Radius und großer Krümmung und Abschnitte mit großem Radius und kleiner Krümmung hat, wobei die Anzahl der Abschnitte mit großer Krümmung und kleiner Krümmung gleich groß ist und wobei jeweils ein Abschnitt mit großer Krümmung zwischen zwei Abschnitten mit kleiner Krümmung angeordnet ist. Beispielsweise weist der polylobulare Verlauf drei Bereiche mit großer Krümmung und kleinem Radius und drei Bereiche mit kleiner Krümmung und großem Radius auf. Die drei Bereiche mit großer Krümmung und kleinem Radius sind dann über den Umfang gesehen beispielsweise um 60° voneinander beabstandet, wie auch die drei Bereiche mit kleinem Radius und großer Krümmung. Die drei Bereiche mit großer Krümmung und kleinem Radius berühren dann den Umkreis, wohingegen die drei Bereiche mit kleinem Radius und großer Krümmung den Inkreis der Ausnehmung berühren.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Rand der Ausnehmung mittels mehrerer aneinander angrenzender Abschnitte zweier polylobularer Umfangslinien gebildet.
Vorteilhafterweise werden jeweils die Abschnitte mit kleinerem Radius und größerer Krümmung der beiden polylobularen Umfangslinien aneinandergesetzt. Der Rand der Ausnehmung besteht dann aus mehreren Bogenabschnitten, die aneinandergesetzt sind und die an den Verbindungsstellen jeweils einen nach innen vorragenden Vorsprung bilden.
In Weiterbildung der Erfindung schließt ein Abschnitt der ersten polylobularen Umfangslinie mit kleinerem Radius und größerer Krümmung an einen Abschnitt der zweiten polylobularen Umfangslinie mit kleinerem Radius und größerer Krümmung an.
Die Anschlussstellen zwischen jeweils einem Abschnitt der ersten polylobularen Umfangslinie und einem Abschnitt der zweiten polylobularen Umfangslinie berühren den Inkreis der Ausnehmung und bilden dadurch den am weitesten innen liegenden der Vorsprünge. Es entstehen von dem Umkreis der Ausnehmung nach innen hineinragende Vorsprünge mit konkaven Seitenbegrenzungen.
In Weiterbildung der Erfindung sind die erste polylobulare Umfangslinie und die zweite polylobulare Umfangslinie um die Mittellängsachse der Ausnehmung um einen vordefinierten Winkel, insbesondere 60°, zueinander versetzt.
In Weiterbildung der Erfindung weisen die beiden polylobularen Umfangslinien jeweils drei Bereiche mit großer Krümmung und kleinem Radius und drei Bereiche mit kleiner Krümmung und großem Radius auf.
In Weiterbildung der Erfindung weisen die beiden polylobularen Umfangslinien jeweils einen gedachten Umkreis auf, wobei die Durchmesser der Umkreise ungleich sind.
In Weiterbildung der Erfindung unterscheiden sich die Durchmesser der Umkreise um 3 % bis 10 %.
Beispielsweise betragen die Durchmesser der Umkreise 10,5 mm und 10,8 mm. Vorteilhaft ist in diesem Fall, wenn der maximale Durchmesser des Hilfsfügeteils am Schaft 10,5 mm beträgt.
In Weiterbildung der Erfindung schließen die Seitenbegrenzungen jedes Vorsprungs einen Winkel von mehr als 150° ein.
In Weiterbildung der Erfindung liegt ein Durchmesser eines gedachten Umkreises der Ausnehmung zwischen 10 mm und 11,6 mm und beträgt insbesondere 10,8 mm.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Ausnehmung als Durchgangsöffnung durch die Matrize ausgebildet und ist zum Abführen eines beim Einpressen des Hilfsfügeteils entstehenden Stanzbutzens vorgesehen.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Matrize einen der Unterseite des Werkstücks zugewandten Prägering auf, dessen innerer Rand den Rand der Ausnehmung bildet und der gegenüber der übrigen, der Unterseite des Werkstücks zugewandten Oberseite der Matrize vorragt.
Mittels eines solchen Prägerings kann eine sichere Verankerung des Hilfsfügeteils in dem Werkstück erzielt werden. Die Höhe des Prägerings gegenüber der übrigen, der Unterseite des Werkstücks zugewandten Oberseite der Matrize beträgt beispielsweise 0,3 mm und liegt vorteilhafterweise in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 1 mm.
In Weiterbildung der Erfindung ist eine Höhe des Prägerings über seinen Umfang gesehen konstant und eine Breite des Prägerings, gemessen in radialer Richtung parallel zur Oberseite der Matrize, ändert sich über den Umfang.
Eine Breite des Prägerings ändert sich beispielsweise zwischen 0,4 mm und 1 mm.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein äußerer Rand des Prägerings kreisrund.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Einsetzen eines Hilfsfügeteils in ein Werkstück mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Anlegen einer Matrize an eine Unterseite des Werkstücks, das Aufsetzen des Hilfsfügeteils auf eine Oberseite des Werkstücks, das Einpressen des Hilfsfügeteils mittels eines Stempels in die Oberseite des Werkstücks, das Ausstanzen eines Stanzbutzens aus dem Werkstück während des Einpressens des Hilfsfügeteils mittels des Hilfsfügeteils und das Verformen des Hilfsfügeteils mittels eines Anlagebereichs der Matrize vorgesehen ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung mit einem Hilfsfügeteil und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der unterschiedlichen, dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen lassen sich dabei in beliebiger Weise kombinieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Dies gilt auch für die Kombination von Einzelmerkmalen ohne weitere Einzelmerkmale, mit denen sie im Zusammenhang gezeigt oder beschrieben sind. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine abschnittsweise Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine vergrößerte Einzelheit der 1,
3 eine weiter vergrößerte Einzelheit der Matrize 14 der 2,
4 eine Seitenansicht eines Hilfsfügeteils zur Verwendung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5 eine Draufsicht auf das Hilfsfügeteil der 4,
6 eine Ansicht eines Hilfsfügeteils und der Matrize der Vorrichtung der 1 von schräg oben,
7 eine schematische Schnittansicht des Hilfsfügeteils und der Matrize der 6,
8 eine weitere Schnittansicht des Hilfsfügeteils und der Matrize der 6,
9 eine abschnittsweise Draufsicht auf die Matrize der 3,
10 eine Draufsicht auf eine Matrize gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
11 eine abschnittsweise Draufsicht einer Matrize gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
12 eine abschnittsweise Ansicht der Matrize der 11 von schräg oben,
13 eine Draufsicht auf die Matrize der 3,
14 eine Ansicht auf die Schnittebene A-A in 13,
15 die Einzelheit X aus 14 in vergrößerter Darstellung und
16 die Einzelheit F aus 13 in vergrößerter Darstellung.

1 zeigt abschnittsweise eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Einsetzen eines in 1 nicht dargestellten Hilfsfügeteils in ein in 1 schematisch dargestelltes, blechartiges Werkstück 8. Als Werkstück ist in der Regel Blechmaterial vorgesehen. Beispielsweise wird ein Hilfsfügeteil aus Stahl in ein Aluminiumblech eingesetzt, um dann ein weiteres Werkstück aus Stahl durch Schweißpunkte an den Hilfsfügeteilen befestigen zu können, um dadurch das Aluminiumblech mit dem weiteren Werkstück aus Stahl verbinden zu können. Das Werkstück 8 ist in der Regel nicht vorgelocht.
Die Vorrichtung 10 weist einen C-Bügel 12 auf, der mit einer nicht dargestellten Maschinenbasis verbunden ist und der an seinem, in 1 dargestellten unteren Schenkel eine Matrize 14 trägt und der an seinem, in 1 oberen Schenkel mit einem Stempel 16 verbunden ist. Der Stempel 16 wird mittels eines in 1 lediglich abschnittsweise dargestellten Zylinders 18, beispielsweise eines Pneumatikzylinders, betätigt. Ein Hilfsfügeteil wird mittels einer Zuführvorrichtung 20 zugeführt und dann mit dem Stempel 16 in das Werkstück 8 eingepresst. Das Werkstück 8 wird vor dem Einpressen des Hilfsfügeteils zwischen der Matrize 14 und dem Stempel 16 angeordnet.
2 zeigt eine vergrößerte Einzelheit der 1. Zu erkennen ist die Matrize 14, auf die dann das Werkstück 8 aufgelegt wird, sowie ein Niederhalter 6, der nach dem Einschieben des Werkstücks 8 auf das Werkstück 8 abgesenkt wird und das Werkstück 8 dann auf der Matrize 14 hält. In dem Niederhalter 6 ist eine Durchgangsbohrung vorgesehen, in der dann das Hilfsfügeteil von dem Stempel 16 in Richtung auf das Werkstück 8 geschoben wird.
3 zeigt abschnittsweise die Matrize 14 aus 2. Die Matrize 14 weist eine Ausnehmung 26 mit einem Rand 28 auf, wobei der Rand 28 nicht kreisrund sondern polylobular ausgebildet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Rand 28 trilobular ausgeführt. Dies bedeutet, dass er drei Bereiche mit großer Krümmung hat, die jeweils um 120° voneinander beabstandet sind und drei Bereiche mit kleiner Krümmung hat, die ebenfalls um 120° voneinander beabstandet sind. Die Bereich mit großer Krümmung schließen aneinander an. An den Übergängen sind jeweils nach innen vorragende Vorsprünge oder Kanten gebildet, die in 3 zu erkennen sind. Die Matrize 14 weist auch einen Anlagebereich 24 mit einem erhabenen Prägering 40 auf. Der Prägering 40 überragt die übrige Anlagefläche 24 und umgibt die Ausnehmung 26. Ein Außenumfang des Prägerings 40 ist kreisrund, ein Innenumfang des Prägerings 40 wird durch den Rand 28 gebildet.
4 zeigt ein Hilfsfügeteil 22, das mit der Vorrichtung der 1 in ein Werkstück 8 eingepresst werden kann. Das Hilfsfügeteil 22 ist kreisrund und weist einen Schaft 23 und einen Kopf 25 auf. Der Kopf 25 hat gegenüber dem Schaft 23 einen größeren Durchmesser. An dem vom Kopf 25 entfernten Ende des Schafts 23 ist ein Stanzabschnitt 27 des Hilfsfügeteils 22 vorgesehen, der zylindrisch ist und der den maximalen Durchmesser des Schafts 23 bildet. Der Durchmesser des zylindrischen, kreisrunden Stanzabschnitts 27 ist entscheidend für eine Verformung des Hilfsfügeteils 22 an dem vom Kopf entfernten Ende mittels der Matrize 14.
5 zeigt das Hilfsfügeteil 23 in einer Draufsicht.
6 zeigt die Matrize 14 mit einem auf die Matrize 14 aufgesetzten Hilfsfügeteil 22. Es ist zu erkennen, dass das Hilfsfügeteil 22 den Kopf 25 und den Schaft 23 aufweist, wobei der Kopf 25 gegenüber dem Schaft 23 einen größeren Außendurchmesser aufweist und wobei sowohl der Kopf 25 als auch der Schaft 23 einen kreisrunden Außenumfang haben.
Das Hilfsfügeteil 22 wird mittels des Stempels 16 in das ungelochte Werkstück 8, speziell ein ungelochtes Blech, eingepresst. Dabei stanzt das Hilfsfügeteil 22 mit seinem Schaft eine Durchgangsöffnung in das Werkstück und ein entstehender Stanzbutzen wird von einer Ausnehmung der Matrize 14 aufgenommen. Nachdem in das Werkstück eine Durchgangsöffnung eingestanzt wurde, kommt ein unteres Ende des Schafts des Hilfsfügeteils 22 in Anlage mit dem Prägering 40 der Matrize 14 und wird durch weiteres Einpressen des Stempels dabei plastisch verformt. Zwischen dem Hilfsfügeteil 22 und dem Werkstück wird dadurch ein Hinterschnitt ausgebildet, so dass das Hilfsfügeteil dann sicher mit dem Werkstück verbunden ist.
Eine genauere Erläuterung des Einsetzens eines Hilfsfügeteils in ein blechartiges Werkstück ist der internationalen Offenlegungsschrift WO 2011/009850 zu entnehmen.
7 zeigt eine schematische Schnittansicht der Matrize 14 und des Hilfsfügeteils 22 der 6. Die Schnittebene liegt unmittelbar oberhalb des Prägerings 40. Das Hilfsfügeteil 22 und die Schnittebene sind dabei durchscheinend gezeigt, so dass der Außenumfang des Hilfsfügeteils 22 im Stanzabschnitt 27 und der Rand 28 der Ausnehmung 26 überlagert dargestellt sind. Es ist zu erkennen, dass sich zwischen der Unterseite des Stanzabschnitts 27 und dem Prägering 40 insgesamt drei sichelförmige Überdeckungsflächen 41 ergeben. Diese Überdeckungsflächen liegen radial außerhalb der Abschnitte des Rands 28 mit kleiner Krümmung. In den Bereichen des Rands 28 mit großer Krümmung liegt der Außenumfang des Stanzabschnitts 27 des Hilfsfügeteils 22 hingegen innerhalb des Rands 28 der Ausnehmung. In diesen Bereichen wird das Hilfsfügeteil 22 infolgedessen durch den Prägering 40 nicht verformt.
7 zeigt die Situation, wenn das Hilfsfügeteil 22 exakt zentrisch zur Mittellängsachse der Ausnehmung 26 der Matrize 14 angeordnet ist. Tritt während einer Serienproduktion ein Mittenversatz zwischen dem Hilfsfügeteil 22 und dem Prägering 40 der Matrize 14 auf, was sich grundsätzlich nicht in allen Fällen vermeiden lässt, wird die Überdeckungsfläche zwischen dem Hilfsfügeteil 22 und dem Prägering 40 betragsmäßig größer. Die sichelförmigen Überdeckungsabschnitte 41 sind dann nicht mehr gleich groß sondern unterschiedlich groß. In der Summe vergrößert sich aber die Überdeckungsfläche, so dass immer noch eine sichere Umformung des Hilfsfügeteils erfolgt und das Hilfsfügeteil 22 demzufolge auch sicher im Werkstück 8 verankert wird.
8 zeigt eine weitere Schnittansicht der Matrize 14 und des Hilfsfügeteil 22 im Zustand der 6. Die Schnittebene verläuft dabei in 6 durch die Mittellängsachse der Ausnehmung 26 der Matrize 14, in 6 von links unten nach rechts oben. In 8 sind die Matrize 14 und das Hilfsfügeteil 22 gedreht worden, um eine bessere Sicht auf die Schnittebene darzustellen. Es ist zu erkennen, dass an dem in 8 linken Rand des Hilfsfügeteil 22 der Stanzabschnitt 27 den Rand 28 der Ausnehmung 26 nicht berührt und infolgedessen innerhalb des Rands 28 liegt. An dem in 8 rechten Ende des Hilfsfügeteils 22 ist hingegen zu erkennen, dass das Hilfsfügeteil 22 mit der Unterseite des Stanzabschnitts 27 auf dem Prägering 40 aufliegt. In 8 ist eine leichte Durchdringung von Hilfsfügeteil 22 und Prägering 40 dargestellt, die lediglich der Verdeutlichung dient und in der Realität nicht auftreten würde.
Der maximale Durchmesser des Schafts 23 des Hilfsfügeteil 22, der bei der dargestellten Ausführungsform im Stanzabschnitt 27 auftritt, vergleiche 4, liegt somit zwischen einer maximalen Querabmessung und einer minimalen Querabmessung des Rands 28 der Ausnehmung 26.
9 zeigt eine abschnittsweise Draufsicht auf die Matrize 14. Die Matrize 14 weist den Anlagebereich 24 auf, der die Ausnehmung 26 umgibt. Die Ausnehmung 26 ist als Durchgangsöffnung ausgebildet, vgl. auch die 13 bis 16, und weist den polylobularen Rand 28 auf. Der polylobulare Rand 28 weist drei, um jeweils 120° beabstandete Abschnitte 30 mit großem Krümmungsradius und kleiner Krümmung und drei ebenfalls um jeweils 120° voneinander beabstandete Abschnitte 32 mit kleinem Krümmungsradius und demzufolge großer Krümmung auf. Die Abschnitte 30 mit kleiner Krümmung und die Abschnitte 32 mit großer Krümmung sind jeweils um 60° voneinander beabstandet.
Der Rand 28 der Ausnehmung berührt einen gedachten Umkreis 34 der Ausnehmung, wobei jeweils die am weitesten außen liegenden Punkte der Abschnitte 32 mit kleiner Krümmung den Umkreis 34 berühren. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der gedachte Umkreis 34 einen Durchmesser von 10,8 mm auf.
Die am weitesten innen liegenden Punkte der Abschnitte 30 mit kleiner Krümmung berühren jeweils einen gedachten Inkreis 36. Die Abschnitte 30 mit kleiner Krümmung bilden dadurch nach innen, in den durch die Ausnehmung 26 gebildeten Freiraum hineinragende Vorsprünge. Der Inkreis 36 weist bei der dargestellten Ausführungsform einen Durchmesser von 10,1 mm auf.
Jeder der durch die Abschnitte 30 gebildeten Vorsprünge weist einen am weitesten in den Innenraum der Ausnehmung 26 hineinragenden Punkt 38 auf. Zu beiden Seiten dieses Punkts 38 sind Seitenbegrenzungen angeordnet, die bei der dargestellten polylobularen Form des Rands der Ausnehmung 26 konkav ausgebildet sind. Die beiden Seitenbegrenzungen, die auf den Punkt 38 zulaufen, weisen im Punkt 38 einen Winkel von 180° zueinander auf.
Die Matrize 14 ist zum Einsetzen eines Hilfsfügeteils mit kreisrundem Umfang vorgesehen, siehe das Hilfsfügeteil 22 der 2. Ein Außendurchmesser am Schaft des Hilfsfügeteils 22 liegt dann zwischen dem Durchmesser des Inkreises 36 und des Umkreises 34. Bei der dargestellten Ausführungsform liegt der Durchmesser des Schafts des Hilfsfügeteils 22 bei 10,5 mm.
Es ist zu erkennen, dass das Hilfsfügeteil 22 dann, wenn es exakt mittig zentriert ist, lediglich von den Abschnitten 30 mit kleiner Krümmung verformt wird. Die Abschnitte 32 mit großer Krümmung hingegen liegen größtenteils außerhalb des Umfangs des Hilfsfügeteils.
Diese Situation ändert sich, wenn das Hilfsfügeteil nicht mehr exakt mittig zur Ausnehmung 26 zentriert ist. Wie noch erläutert werden wird, vergrößert sich mit zunehmendem Mittenversatz eines kreisrunden Hilfsfügeteils zur Matrize 14 die Überdeckungsfläche zwischen dem Hilfsfügeteil und der Matrize 14. Auch bei einem Mittenversatz wird dadurch eine zuverlässige Verankerung des Hilfsfügeteils 22 in dem Werkstück erzielt.
Die Matrize 14 weist den Prägering 40 auf, dessen innere Begrenzung durch den Rand 28 der Ausnehmung 26 gebildet ist und dessen äußerer Umfang kreisrund ist. Der Prägering 40 ist, siehe auch 14 und 15, gegenüber der übrigen Anlagefläche 24 der Matrize 14 erhaben. Die Höhe des Prägerings 40 gegenüber dem übrigen Anlagebereich 24 der Matrize 14 beträgt etwa 0,3 mm.
10 zeigt eine abschnittsweise Draufsicht einer Matrize 44 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Matrize 44 weist eine Ausnehmung 26 auf, die einen Rand 28 hat, der durch drei Kreislinienabschnitte gebildet ist, zwischen denen jeweils ein radial nach innen vorragender Vorsprung 46 angeordnet ist. Die drei Vorsprünge 46 sind jeweils um 120° voneinander beabstandet. Die Vorsprünge 46 berühren mit ihrem am weitesten nach innen vorragenden Punkt einen gedachten Inkreis 36. Ein Umkreis 34 der Ausnehmung 26 wird durch eine gedachte Kreislinie gebildet, die die Kreislinienabschnitte 28 miteinander verbindet und auf der die Kreislinienabschnitte 28 liegen. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Umkreis 34 einen Durchmesser von 10,8 mm auf. Der Inkreis 36 weist einen Durchmesser von 9,7 mm auf. Der Durchmesser des Hilfsfügeteils 22, das mittels der Matrize 44 in ein blechartiges Werkstück eingesetzt und eingepresst wird, beträgt wie bei der bereits erläuterten Ausführungsform 10,5 mm und liegt damit zwischen dem Durchmesser des Inkreises 36 und dem Durchmesser des Umkreises 34 der Ausnehmung 26.
Die Vorsprünge 46 sind an ihrem am weitesten nach innen vorragenden Punkt abgerundet.
Auch bei der in 10 dargestellten Ausführungsform vergrößert sich eine Überdeckungsfläche zwischen dem Hilfsfügeteil 22 und der Matrize 44 bei zunehmendem Mittenversatz des Hilfsfügeteils zur Ausnehmung 26.
11 zeigt eine abschnittsweise Draufsicht einer Matrize 54 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Ausnehmung 26 der Matrize 54 weist einen Rand 28 auf, der durch die Überlagerung zweier polylobularer Umfangslinien gebildet ist. Der Rand 28 ist durch drei konkav gekrümmte Abschnitte 56 mit großer Krümmung und drei konkav gekrümmte Abschnitte 58 mit kleineren Krümmung gebildet, wobei jeweils ein Abschnitt 58 zwischen zwei Abschnitten 56 angeordnet ist.
Die Abschnitte 56 bilden Teil einer ersten polylobularen Umfangslinie mit drei Bereichen mit großer Krümmung und drei Bereichen mit kleiner Krümmung. Die Abschnitte 56 bilden die Bereiche mit großer Krümmung der ersten polylobularen Umfangslinie.
Die Bereiche 58 bilden Teil einer zweiten polylobularen Umfangslinie mit drei Bereichen mit großer Krümmung und drei Bereichen mit kleiner Krümmung. Die Bereiche 58 bilden die Bereiche mit großer Krümmung der zweiten polylobularen Umfangslinie.
Es ist 11 zu entnehmen, dass ein gedachter Umkreis 34 der Ausnehmung 26 die ersten Abschnitte 56 berührt, nicht aber die zweiten Abschnitte 58. Am Scheitelpunkt der ersten Abschnitte 56 weisen diese von einer Mittellängsachse 60 der Ausnehmung 60 einen Radius von 10,8 mm auf. Am Scheitelpunkt der zweiten Abschnitte 58 weisen diese einen Abstand von der Mittellängsachse 60 von 10,5 mm auf. Die Matrize 54 ist für das Einsetzen eines Hilfsfügeteils 22mit einem Schaftdurchmesser von 10,5 mm vorgesehen.
Am Übergang zwischen den ersten Abschnitten 56 und den zweiten Abschnitten 58 ist jeweils ein nach innen vorragender Vorsprung gebildet, wobei der Punkt 62, an dem die beiden Abschnitte 56, 58 aneinander angrenzen, am weitesten innen liegt. An den Punkten 62 berührt der Rand 28 der Ausnehmung einen gedachten Inkreis 36. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der gedachte Inkreis 36 einen Durchmesser von 10,1 mm auf.
Zu beiden Seiten der Punkte 62 sind jeweils konkave Seitenbegrenzungen angeordnet.
Insgesamt weist der Rand 28 der Ausnehmung 26 damit sechs nach innen vorragende Vorsprünge auf, deren am weitesten innen liegende Punkte jeweils durch die Punkte 62 gebildet sind. Diese Vorsprünge sind zu beiden Seiten von konkaven Seitenbegrenzungen begrenzt. Wird das Hilfsfügeteil exakt zentrisch zur Ausnehmung 26 aufgesetzt, so wird das Hilfsfügeteil lediglich in der Umgebung der Punkte 62 durch die Matrize 54 verformt. Mit größer werdendem Mittenversatz des Hilfsfügeteils 22 steigt die Überdeckungsfläche zwischen dem Hilfsfügeteil 22 und der Matrize 54 an. Dadurch kann auch bei einem - in einer Serienfertigung nicht zu vermeidenden - Mittenversatz des Hilfsfügeteils 22 zur Matrize 54 eine sichere Verankerung des Hilfsfügeteils 22 im Werkstück erzielt werden.
Wie die Matrize 14 der 3 weist auch die Matrize 54 einen Prägering 64 auf, dessen innerer Rand durch den Rand 28 der Ausnehmung 26 definiert ist und der einen kreisförmigen, äußeren Rand hat.
Wie 11 zu entnehmen ist, ändert sich die Breite des Prägerings 64 über den Umfang des Prägerings 64. Dies ist auch bei dem Prägering 40 der 3 der Fall.
12 zeigt die Matrize 54 der 11 abschnittsweise in einer Ansicht von schräg oben. Gut zu erkennen sind die insgesamt sechs nach innen vorragenden Vorsprünge des Rands 28 der Ausnehmung 26 und die parallel zur Mittellängsachse 60 der Ausnehmung 26 verlaufenden Scheitellinien 66 des Rands 28, die durch die Lage der anhand der 11 erläuterten Punkte 62 definiert werden.
Zu erkennen ist in 12 auch, dass die Ausnehmung 26 ausreichend tief ist, um einen Stanzbutzen, der beim Einsetzen des Hilfsfügeteils 22 entsteht, aufnehmen zu können. In der Regel ist die Ausnehmung 26 als Durchgangsöffnung ausgebildet.
Die 13 bis 16 zeigen weitere Ansichten der Matrize 14, die bereits anhand der 3 erläutert wurde.
In den Darstellungen der 14 und der 15 ist der Prägering 40 zu erkennen, der gegenüber der übrigen Oberseite der Matrize 14 erhaben ist, bei der dargestellten Ausführungsform um 0,3 mm. Der kreisrunde Außenrand des Prägerings 40 ist abgeschrägt, wobei die Schräge einen Winkel von etwa 45° hat.
In der Draufsicht der 16 ist gut zu erkennen, dass sich die Breite des Prägerings 40 über dessen Umfang gesehen ändert.
Wie ausgeführt wurde, steigt bei den Matrizen 14, 44, 54 eine Überdeckungsfläche zwischen einem kreisrunden Schaft eines Hilfsfügeteils und der Anlagefläche der Matrize mit wachsendem Mittenversatz des Hilfsfügeteils. Voraussetzung hierfür ist, dass erfindungsgemäß der maximale erste Durchmesser des Hilfsfügeteils, also der maximale Durchmesser des Schafts des Hilfsfügeteils 22 und in der Regel der Durchmesser des Stanzabschnitts am unteren Ende des Hilfsfügeteils, zwischen dem Durchmesser eines gedachten Inkreises des Rands 28 der Ausnehmung und dem gedachten Umkreis der Ausnehmung liegt. Erfindungsgemäß ist ein Durchmesser des Inkreises zwischen 4 % und 10 % kleiner als der maximale erste Durchmesser des Hilfsfügeteils und ein Durchmesser des Umkreises ist zwischen 2 % und 5 % größer als der erste Durchmesser des Hilfsfügeteils 22. Bei den dargestellten Ausführungsformen beträgt der erste Durchmesser des Hilfsfügeteils jeweils 10,5 mm. Der Durchmesser des gedachten Inkreises 36 beträgt bei der Matrize 44 gemäß 10 9,7 mm, bei den Matrizen 14 und 54 der 9 und 11 jeweils 10,1 mm. Der Durchmesser des gedachten Umkreises 34 beträgt bei den Matrizen 14, 44 und 54 jeweils 10,8 mm.

Die folgende Tabelle gibt Werte für die Überdeckungsfläche zwischen dem Hilfsfügeteil 22 und den Matrizen 14, 44, 54 für unterschiedliche Richtungen des Mittenversatzes oder Offsets und unterschiedliche Geometrien des Rands 28 der jeweiligen Ausnehmung an.

Matrizengeometrie	Ø Innenkreis [mm]	Ø Umkreis [mm]	Ø Hilfsfügeteil am Schaft [mm]	Mittenversatz [mm]	Überdeckungsfläche Hilfsfügeteil und Matrize [mm²]
9	10,1	10,8	10,5	0	2,574
9	10,1	10,8	10,5	0,1 in Richtung Pfeil 100	2,719
9	10,1	10,8	10,5	0,2 in Richtung Pfeil 100	2,949
93	10,1	10,8	10,5	0,1 in Richtung Pfeil 200	2,695
9	10,1	10,8	10,5	0,2 in Richtung Pfeil 200	3,048
10	9,7	10,8	10,5	0	0,486
10	9,7	10,8	10,5	0,1 in Richtung Pfeil 300	0,49
10	9,7	10,8	10,5	0,2 in Richtung Pfeil 300	0,495
10	9,7	10,8	10,5	0,1 in Richtung Pfeil 400	0,498
10	9,7	10,8	10,5	0,1 in Richtung Pfeil 400	0,503
11	10,1	10,8	10,5	0	1,911
11	10,1	10,8	10,5	0,1 in Richtung Pfeil 500	2,135
11	10,1	10,8	10,5	0,2 in Richtung Pfeil 500	2,805
11	10,1	10,8	10,5	0,1 in Richtung Pfeil 600	2,1
11	10,1	10,8	10,5	0,2 in Richtung Pfeil 600	2,988

Wie anhand der Tabelle zu erkennen ist, steigt die Überdeckungsfläche zwischen dem Schaft des Hilfsfügeteils und der Matrize mit zunehmendem Mittenversatz des Hilfsfügeteils zur Mittellängsachse der Ausnehmung in der Matrize an, unabhängig von der Richtung des Mittenversatzes. Das Hilfsfügeteil wird infolgedessen bei einem Mittenversatz zwar nicht mehr symmetrisch zur Mittellängsachse der Matrize verformt. Da die Überdeckungsfläche ansteigt, erfolgt aber zumindest abschnittsweise im Randbereich eine stärkere Verformung als bei Mittenversatz null. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch bei einem nicht zu vermeidenden Mittenversatz immer eine sichere Verankerung des Hilfsfügeteils im Werkstück erfolgt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können dadurch ein prozesssicheres Einsetzen von Hilfsfügeteilen in Werkstücke sicherstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/009850 A1 [0002]
WO 2011/009850 [0041]

Claims

Vorrichtung zum Einsetzen eines Hilfsfügeteils in ein Werkstück, mit einem Stempel zum Einpressen des Hilfsfügeteils in eine Oberseite des Werkstücks, wobei das Hilfsfügeteil einen, in das Werkstück einzupressenden Schaft mit einem kreisrunden Umfang mit einem ersten, maximalen Durchmesser hat, mit einer Matrize zum Anlegen an eine Unterseite des Werkstücks während des Einpressens des Hilfsfügeteils, wobei die Matrize einen Anlagebereich und eine von dem Anlagebereich umgebene Ausnehmung aufweist, wobei ein Rand der Ausnehmung von einer Kreisform abweicht, wobei in radialer Richtung am weitesten außen liegende Punkte des Rands der Ausnehmung auf einem gedachten Umkreis liegen und wobei in radialer Richtung am weitesten innen liegende Punkte des Rands der Ausnehmung auf einem gedachten Inkreis liegen, wobei der Rand der Ausnehmung mindestens drei, in den Umkreis der Ausnehmung hineinragende Vorsprünge aufweist und wobei die Vorsprünge den Inkreis berühren, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser des Inkreises zwischen 4% und 10% kleiner ist als der erste Durchmesser des Hilfsfügeteils und dass ein Durchmesser des Umkreises zwischen 2% und 5% größer ist als der erste Durchmesser des Hilfsfügeteils.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Vorsprung zwischen zwei Seitenbegrenzungen gebildet ist, die Teil des Rands der Ausnehmung sind, wobei die Seitenbegrenzungen jedes Vorsprungs einen Winkel von 40 Grad bis maximal 180 Grad einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenbegrenzungen der Vorsprünge konvex ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenbegrenzungen jedes Vorsprungs konkav ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenbegrenzungen jedes Vorsprungs einen Winkel von mehr als 150 Grad einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenbegrenzungen Abschnitte eines polylobularen Verlaufs des Rands der Ausnehmung sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der polylobulare Verlauf drei Bereiche mit großer Krümmung und kleinem Radius und drei Bereiche mit kleinem Radius und großer Krümmung aufweist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Ausnehmung mittels mehrerer aneinander angrenzender Abschnitte zweier poylobularer Umfangslinien gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt der ersten polylobularen Umfangslinie mit kleinerem Radius und größerer Krümmung an einen Abschnitt der zweiten polylobularen Umfangslinie mit kleinerem Radius und größerer Krümmung anschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste polylobulare Umfangslinie und die zweite poylobulare Umfangslinie um die Mittellängsachse der Ausnehmung um einen vordefinierten Winkel versetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden poylobularen Linien um einen Winkel von 60 Grad zur Mittellängsachse versetzt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden polylobularen Umfangslinien jeweils drei Bereiche mit großer Krümmung und kleinem Radius und drei Bereiche mit kleinem Radius und großer Krümmung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden poylobularen Umfangslinien jeweils einen gedachten Umkreis aufweisen, wobei die Durchmesser der Umkreise ungleich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchmesser der Umkreise um drei Prozent bis zehn Prozent unterscheiden.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser eines gedachten Umkreises der Ausnehmung zwischen 10 mm und 11, 6mm liegt, insbesondere 10,8 mm beträgt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung als Durchgangsöffnung durch die Matrize ausgebildet ist und zum Abführen eines beim Einpressen des Hilfsfügeteils entstehenden Stanzbutzens vorgesehen ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize einen der Unterseite des Werkstücks zugewandten Prägering aufweist, dessen innerer Rand den Rand der Ausnehmung bildet und der gegenüber der übrigen, der Unterseite des Werkstücks zugewandten Oberseite der Matrize vorragt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe des Prägerings über seinen Umfang gesehen konstant ist und sich eine Breite des Prägerings, gemessen in radialer Richtung parallel zur Oberseite der Matrize, über den Umfang ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer Rand des Prägerings kreisrund ist.
Verfahren zum Einsetzen eines Hilfsfügeteils in ein Werkstück mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit den Schritten: Anlegen einer Matrize an eine Unterseite des Werkstücks, Aufsetzen des Hilfsfügeteils auf eine Oberseite des Werkstücks, Einpressen des Hilfsfügeteils mittels eines Stempels in die Oberseite des Werkstücks, Ausstanzen eines Stanzbutzens aus dem Werkstück während des Einpressens des Hilfsfügteils mittels des Hilfsfügeteils und Verformen des Hilfsfügeteils mittels eines Anlagebereichs der Matrize.
Anordnung mit einem Hilfsfügeteil, einem Werkstück und einer Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche