DE10245604A1

DE10245604A1 - Verfahren und Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen

Info

Publication number: DE10245604A1
Application number: DE10245604A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dietrich; Reinhard Mauermann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-15
Also published as: AU2003271664A1; WO2004030844A1; DE50306401D1; EP1549447A1; US20050229378A1; EP1549447B1

Abstract

Insbesondere zur Erhöhung der Prozesssicherheit und der Zuverlässigkeit von dauerhaften Verbindungen sich überlappender Materialien wird für ein Verfahren zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen, insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung zwischen den Bauteilen ein Verfahren mit den Schritten vorgeschlagen: Anordnen der zu verbindenden Bauteile zwischen einem Vorsprung eines Stempelwerkzeuges und einer Auflagefläche eines Gegenwerkzeuges, Ausbilden einer temporären Erhebung auf der dem Gegenwerkzeug zugewandten Seite der Bauteile durch Hineindrücken des Stempelvorsprungs in die zu verbindenden Bauteile gegen die Auflagefläche, zumindest bis die Bauteile außerhalb der sich bildenden Erhebung von der Auflagefläche abheben, und Ausbilden einer Hinterschneidung der Bauteile durch Flachdrücken der Erhebung zwischen Stempelwerkzeug und Gegenwerkzeug mittels weiterer Annäherung des Stempelwerkzeuges an das Gegenwerkzeug. Des Weiteren wird eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen, insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung zwischen den Bauteilen.
Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen, insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung zwischen den Bauteilen, mit einem Stempelwerkzeug, das entlang einer Hauptarbeitsrichtung auf ein Gegenwerkzeug zu und von diesem weg bewegbar ist.
In der blechverarbeitenden Industrie werden Einzelteile durch Fertigungsverfahren der mechanischen Fügetechnik verbunden. Vor allem in der Automobilindustrie werden in der Massenfertigung preiswerte Verfahren eingesetzt, bei denen zumindest zwei Bauteile durch plastische Verformung derselben ohne Vorloch und ohne die Verwendung zusätzlicher Hilfsfügeteile miteinander verbunden werden.
Aus dem Stand der Technik sind seit vielen Jahren Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden von sich überlappenden, insbesondere plattenförmigen, Bauteilen bekannt, bei denen durch lokale Umformung der miteinander zu fügenden Bauteile eine hinterschnittige Verbindung hergestellt wird. Diese Verfahren werden in der Fachliteratur als Durchsetzfügen bzw. Clinchen bezeichnet.
Bei diesen Verfahren wird ein Überlappungsbereich der zwei oder mehr miteinander zu verbindenden Bauteile zwischen einem Stempelwerkzeug und einem Gegenwerkzeug (Matrize) angeordnet. Dieses Stempelwerkzeug wird dann direkt in den Fügebereich der (beiden) Bauteile mit hoher Kraft eingedrückt, wodurch beide Bauteile im Bereich des Stempelangriffs zunächst in eine in der Matrize ausgebildeten Ausnehmung tiefgezogen werden, und danach der Bodenbereich der tiefgezogenen Flächenteile breitgequetscht wird.

Die Matrize ist dabei so ausgebildet, dass sich bei der Breitquetschung des Bodenbereiches der tiefgezogenen Flächenteile Hinterschneidungen zwischen den Bauteilen ausbilden können. Man unterscheidet die verwendeten Verfahren hierbei jeweils nach den unterschiedlichen Ausführungsformen der jeweiligen Matrizen. Bekannt sind die Verwendung starrer einteiliger Matrizen, z.B. aus der DE 35 32 900 A1 , der DE 36 13 324 A1 oder der DE 199 29 375 A1 . Daneben sind starre mehrteilige Matrizen, z.B. aus der DE 39 23 18 A1 , bewegliche mehrteilige Matrizen, z.B. aus der DE 31 06 313 A1 oder der DE 37 13 083 A1 und Mischformen, z.B. aus der DE 101 16 736 A1 bekannt.

Allen diesen unterschiedlichen Verfahren gemeinsam ist die Verwendung einer konturierten Matrize als Gegenwerkzeug. Die Konturierung ermöglicht lokal ein Tiefziehen bzw. Durchsetzen der zu verbindenden Bauteile mittels einer Ausnehmung, in die der Werkstoff der Bauteile hineingeformt werden kann.

Weiterhin gestattet die Konturierung durch ihre spezifische Form oder durch die Beweglichkeit einzelner Teile der Matrize einen Werkstofffluss in radialer Richtung, was zur Ausbildung der Hinterschneidung führt.

Bei allen derartigen Verfahren ist jedoch eine genaue axiale Ausrichtung der Werkzeuge zueinander, insbesondere von Matrize und Stempel, zwingend erforderlich, um qualitätsgerechte Verbindungen herstellen zu können. In der Praxis führt das zu einer hohen erforderlichen Fertigungsgenauigkeit für die Werkzeuge und Maschinen sowie zu einem hohen Zeitaufwand für das Einrichten dieser Fügevorrichtungen.

Darüber hinaus müssen die Fügevorrichtungen sehr steif ausgelegt werden, damit die hohen Kräfte beim Fügevorgang und dadurch verursachte Aufbiegungen an den Fügevorrichtungen nicht zum Entstehen von qualitätsmindernden Versätzen der Werkzeuge zueinander führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum mechanischen Verbinden von zumindest teilweise übereinander angeordneten, plattenförmigen Bauteilen zu schaffen, mit Hilfe dessen sichere und qualitativ hochwertige Verbindungen von Bauteilen kostengünstiger und zuverlässiger als bisher hergestellt werden können.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen und an das Ausrichten der Werkzeuge der Vorrichtung reduziert werden können, um so die Prozeßsicherheit zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen, insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung zwischen den Bauteilen in einem Arbeitshub gelöst mit den Einzelschritten: Anordnen der zu verbindenden Bauteile zwischen einem Stempelvorsprung eines Stempelwerkzeuges und einer Auflagefläche eines Gegenwerkzeuges, Eindrücken des Stempelvorsprunges in die zu verbindenden Bauteile unter Ausbildung einer temporären Erhebung auf der dem Gegenwerkzeug zugewandten Seite der Bauteile und Trennung von Bereichen derselben außerhalb eines Einflussbereiches des Stempelvorsprungs von einer Auflagefläche des Gegenwerkzeuges, und Ausbilden einer Hinterschneidung der Bauteile durch weitere Reduzierung einer Bodendicke in der Erhebung.

Des Weiteren wird die Aufgabe für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gegenwerkzeug an seiner dem Stempelwerkzeug zugewandten Seite im Wesentlichen flächig ausgebildet ist.

Mit der Erfindung wird es möglich, durch das Zusammenwirken von einem Stempelwerkzeug und einem Gegenwerkzeug dauerhafte Verbindungen zwischen zumindest teilweise übereinander angeordneten plattenförmigen Bauteilen, insbesondere Blechen, herzustellen, wobei die hergestellte Verbindung Hinterschneidungsbereiche aufweist, die eine geometrische Verhakung der zu verbindenden Bauteile bilden.

Unter flächig soll hier im wesentlichen „eben" oder „plan" verstanden werden.

Durch das flächige Gegenwerkzeug, das vorzugsweise in Form eines flachen Ambosses ausgebildet ist, ist die axiale Ausrichtung von Amboss und Stempel zueinander im Gegensatz zu den herkömmlichen Clinchverfahren von untergeordneter Bedeutung. Die notwendige Fertigungsgenauigkeit für die Werkzeuge und Maschinen sinkt ebenso wie der Zeitaufwand für das Einrichten der Fügevorrichtungen.

Während des Fügevorganges aufgrund der hohen Kräfte zwischen Amboss und Stempel entstehende Versätze haben keinen bzw. nur geringen Einfluss auf die Herausbildung der Verbindung. Die Prozeßsicherheit des Verfahrens steigt, da das Gegenwerkzeug aufgrund seiner flachen Form geringerem Verschleiß unterliegt, und die Qualität unabhängig von einer genauen Ausrichtung der Werkzeuge zueinander ist.

Die erzeugte Verbindung weist einen geometrischen Hinterschneidungsbereich auf, wodurch eine Vorbehandlung zur Aktivierung der Oberfläche der miteinander zu verbindenden Fügepartner nicht erforderlich ist.

Bei der vorliegenden Erfindung kann somit eine hinterschnittene Verbindung ähnlich einer Clinchverbindung erzeugt werden. Im Gegensatz zu traditionellen Clinchverbindungen erfolgt die Herausbildung der Verbindung jedoch nicht durch einen Tiefziehvorgang mit einem nachfolgenden Breitquetschen des Bodenbereiches der tiefgezogenen Flächenteile, die eine Matrize mit einer Ausnehmung erfordern, sondern durch einen Rückwärtsfließpressvorgang, gefolgt von einem Breitquetschen des unter einer Stempelstirnfläche verbliebenen Materials, wobei der Vorgang mit einem gleichzeitigen Aufstauchen des Halsbereiches kombiniert sein kann.

Bei dem Eindrücken des Stempels kommt es bei Begrenzung der Niederhalterkraft zu einem der Stempelbewegung entgegengesetzten Werkstofffluss und somit zur Herausbildung einer Erhebung auf der Seite des Gegenwerkzeugs.

Im weiteren Prozessverlauf hat nur diese Erhebung Kontakt mit dem Gegenwerkzeug. Bei dem Breitquetschen des aus der Ebene des unteren Bleches gedrückten Werkstoffes in dieser Erhebung bildet sich dann durch radialen Werkstofffluss die Hinterschneidung heraus. Die üblicherweise für das Verfahren des Clinchens notwendige Ausnehmung des Gegenwerkzeuges ist für die Realisierung dieses Verfahrensprinzips nicht erforderlich.

Anschließend an das Ausbilden der Hinterschneidung kann vorzugsweise eine weitere Stempelbewegung in Richtung eines Flachdrückens des Verbindungsbereiches der bei den Werkstücke erfolgen. Hierbei ist auf entsprechende Kraftbegrenzung zur Werkzeugsicherheit zu achten.

Eine Taumelbewegung des Fügestempels zur Realisierung der Herausbildung der Hinterschneidung ist nicht erforderlich. Sie kann jedoch zur Senkung der Fügekräfte überlagert werden. Eine solche überlagerte Bewegung kann eine Kreis- oder eine Rosettenform haben.

Weiterhin kann der aktiven axialen Vorschubbewegung auch eine zusätzliche zyklische Kraft überlagert werden. Bei Anwendung der Taumelüberlagerung mit Rosettenform gemeinsam mit der zyklischen Kraftüberlagerung werden beide Überlagerungen so aufeinander abgestimmt, dass die Taumelrichtung des Stempels und die zyklische zusätzliche Stempelkraft in einer eindeutigen Abhängigkeit zueinander stehen. Einer bestimmten Taumelrichtung des Stempels, vorzugsweise bei Zunahme des Taumelwinkels bis zum maximalen Taumelwinkel α in Taumelrichtung nach außen, wird die maximale Überlagerungskraft zugeordnet, um einen optimalen Werkstofffluss zu erzielen.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Dabei zeigen:
1a) – c) eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, hierbei:
1a) einen Ausgangszustand,
1b) einen Zwischenzustand, und
1c) einen Endzustand nach dem Verbinden;
2a) – c) eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem auf Block fahrenden Niederhalter bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, hierbei:
2a) einen Ausgangszustand,
2b) einen Zwischenzustand, und
2c) einen Endzustand nach dem Verbinden;
3a) – d) eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Amboss mit gefedertem Aussenring und mit einem auf Block fahrenden Niederhalter bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, hierbei:
3a) einen Ausgangszustand,
3b) einen ersten Zwischenzustand vor dem Eindringen des Stempelwerkzuges in die Bauteile,
3c) einen weiteren Zwischenzustand nach Ausbilden einer temporären Erhebung, und
3d) einen Endzustand nach dem Verbinden der Bauteile; und
4 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Stempelwerkzeug mit taumelndem Stempel bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Zwischenzustand.
Anhand der 1a) bis 1c) wird nunmehr ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Bei der Beschreibung der Ausführungsformen werden der Anschaulichkeit halber die Bewegungsrichtungen und die relativen Anordnungen der Komponenten mit den Begriffen „oben" und „unten", wie in den Figuren dargestellt, bezeichnet; es versteht sich, dass jede andere räumliche Anordnung entsprechend möglich ist.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein oberes Bauteil 1 mit einem unteren Bauteil 2 verbunden. Im Ausgangszustand, wie in 1a dargestellt, werden die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile 1, 2 auf einer im Wesentlichen flachen Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3, vorzugsweise einem einteiligen Amboss 3b, angeordnet.
Zur Herstellung der Verbindung wird dann ein Stempelwerkzeug 4 mit einem Hauptkörper 4e und einem Niederhalter 5 in Richtung der Bauteile 1, 2 entlang einer Hauptarbeitsrichtung A auf das Gegenwerkzeug 3 zu bewegt. Mit dem Niederhalter 5 wird hyd raulisch, pneumatisch, piezoelektrisch, magnetisch oder durch Federn eine definierte Haltekraft auf die Bauteile 1, 2 ausgeübt.
An der dem Gegenwerkzeug 3 zugewandten (unteren) Seite des Hauptkörpers 4e ist ein Stempelvorsprung 4b ausgebildet, dessen Querschnitt vorzugsweise geringer ist, als der Querschnitt des übrigen (oberen) Teils des Hauptkörpers 4e. Am Übergang ist ein Stempelabsatz 4a ausgebildet, der vorzugsweise in einer Ebene flach und orthogonal oder flach und geringfügig (z.B. bis zu ca. 6°) geneigt zu einer Hauptarbeitsrichtung A liegt.
Zu Beginn des eigentlichen Clinchvorganges wird sodann der Stempelvorsprung 4b hydraulisch, pneumatisch, magnetisch, piezoelektrisch oder mechanisch mit hoher Kraft in die Bauteile 1, 2 hineingedrückt. Der vorderste (unterste) Abschnitt des Stempelvorsprungs 4b, der als Stempelstirnfläche 4c bezeichnet wird, dringt hierbei durch den Querschnitt des oberen Bauteils 1 bis in das Bauteil 2 vor, jedoch ohne eines der Bauteile zu durchstoßen, so dass während des gesamten Vorganges vor der Stempelstirnfläche noch Werkstoff aller zu verbindender Bauteile verbleibt.
Dabei wird der jeweilige Werkstoff der zu verbindenden Bauteile 1, 2 lokal verdrängt und bewegt sich erst radial nach außen und dann kontrolliert vom Niederhalter 5 und/oder vom Stempelabsatz 4a entgegen der Bewegungsrichtung des Stempelhauptkörpers 4e nach oben.
Es kommt zum Abheben der Bauteile 1, 2 von der Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 (Amboss 3b). Indem die Abschnitte der Bauteile 1,2, die nicht zwischen der Stempelstirnfläche 4c und der Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 eingespannt sind, von dem weggedrückten Werkstoff der Bauteile nach oben (zum Stempelwerkzeug 4 hin) bewegt werden, bildet sich im Bereich des Stempelvorsprungs 4b eine Erhebung 2a heraus.
Nur in diesem Bereich besteht hierbei auf der Unterseite des unteren Bauteils 2 noch Kontakt des unteren Bauteiles 2 mit dem Amboss 3b. In 1 b ist ein Zwischenzustand dargestellt, bei dem man dies gut erkennen kann.
Sobald der Werkstoff des oberen Bauteiles 1 Kontakt zum Absatz 4a des Stempelhauptkörpers 4e hat, wird die weitere Bewegung des Werkstoffes der zu verbindenden Bauteile 1, 2 entgegen der Richtung der Stempelbewegung behindert. Die herausgebildete Erhebung 2a wird deshalb bei weiterer Zustellung des Stempelwerkzeuges 4 in ihrer Größe reduziert, und der noch unter der Stirnfläche 4c des Stempels 4 befindliche Werkstoff muss radial nach außen fließen. Dabei bildet sich, wie in 1 c gezeigt, eine Hinterschneidung 1a heraus.
Das Verhältnis der Querschnitte bzw. Durchmesser von Stempelvorsprung 4b und Stempelabsatz 4a kann in Abhängigkeit von der Festigkeit der zu verbindenden Materialien und der Fügekraft so gewählt werden, dass kein bleibender Eindruck des Stempelabsatzes 4a im oberen Bauteil 1 verursacht wird.
Der Stempelvorsprung 4b kann leicht konisch gestaltet sein, um ein einfaches Herausziehen des Stempelvorsprungs aus den miteinander verbundenen Bauteilen 1,2 zu gewährleisten. Die am Stempelvorsprung 4b angeordnete Stempelstirnfläche 4c ist vorzugsweise flach, insbesondere eben, oder aber leicht ballig oder leicht kegelig ausgebildet.
Hierbei ist ein Übergang von der Stempelstirnfläche 4c zu einer Mantelfläche 4d des Stempelvorsprungs 4b in Form eines Radius oder einer Schleppkurve ausgebildet; der Übergang von der Stempelstirnfläche 4c zur Mantelfläche 4d des Stempelvorsprungs 4b kann jedoch auch in Form einer Fase oder einer Doppelfase ausgebildet sein, wobei in jedem Falle vorzugsweise das den Übergang vom der Stempelstirnfläche 4c zur Mantelfläche 4d bildende Formelement kleiner als 0,2 Millimeter ist.
Wie in den Figuren der ersten Ausführungsform gezeigt, ist das Gegenwerkzeug 3 als einteiliger Amboss 3b ausgebildet, dessen dem Stempelwerkzeug 4 zugewandte Seite als eine im Wesentlichen flache, insbesondere ebene, aber auch als leicht ballige oder leicht kegelige Auflagefläche 3c für die Bauteile 1,2 ausgebildet ist.
Hierbei ist bei jeder Ausführungsform die Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 größer als der Durchmesser einer Erhebung 2a, so dass der Werkstoff der Bauteile 1, 2 nicht neben der Auflagefläche seitlich vorbeigedrückt werden kann. Vorzugsweise sind die Abmessungen der Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 größer oder im Wesentlichen gleich den äußeren Abmessungen des Niederhalters 5.
Ein der Stempelstirnfläche 4c gegenüberliegender Bereich der Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 als auch ein dem Stempelabsatz 4a gegenüberliegender Bereich der Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 liegen im Wesentlichen auf einer zur Hauptarbeitsrichtung A senkrechten Ebene, wobei eine leichte Wölbung der gesamten Oberfläche nach oben oder unten jedoch denkbar ist.
In jeder der Ausführungsformen ist die Auflagefläche 3c frei von Absätzen, Ausnehmungen, Senkungen, Vertiefungen oder dergleichen ausgebildet.
Hierbei ist es sowohl denkbar, dass der Hauptkörper 4e des Stempelwerkzeuges 4, der Niederhalter 5, und/oder der Amboss 3b kreis- oder kreisringförmige Querschnitte aufweisen, wie auch, dass der Hauptkörper 4e des Stempelwerkzeuges 4, der Niederhalter 5, und/oder der Amboss 3b einen von einer Kreisform abweichenden Querschnitt, insbesondere einen eckigen Querschnitt aufweisen. Die einzelnen Komponenten sind vorzugsweise aufeinander abgestimmt, jedoch auch unabhängig von einander bewegbar ausgebildet.
Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der 2a) bis 2c) beschrieben. Bauteile und Komponenten, die den zuvor beschriebenen entsprechen, tragen dieselben Bezugszeichen und werden nur soweit als erforderlich erneut beschrieben.
Eine Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von zwei oder mehreren flachen Bauteilen ist in einem weitern Ausführungsbeispiel in 2 zu sehen. Im Ausgangszustand, wie in 2a gezeigt, liegen die (beiden) miteinander zu verbindenden Bauteile 1,2 wieder auf dem flachen Gegenwerkzeug 3, hier dem Amboss 3b, auf.
Zur Herstellung der Verbindung wird ein Stempelwerkzeug 4 hydraulisch, pneumatisch, magnetisch, piezoelektrisch oder mechanisch mit hoher Kraft in Richtung der Bauteile 1,2 bewegt. In dieser Ausführungsform weist das Stempelwerkzeug 4 einen Stempel hauptkörper 4e, einen Niederhalter 5, einen Stempelträger 6, eine Niederhalterhülse 7 und eine Niederhalterfeder 8 auf.
Zuerst setzt der Niederhalter 5 auf den zu verbindenden Bauteilen 1, 2 auf. Die Niederhalterfeder 8 wird hierbei zusammengedrückt. Sodann kommt die Stirnfläche 4c des Stempelhauptkörpers 4e in Kontakt mit dem oberen Bauteil 1.
Der Stempelvorsprung 4b wird nun ganz oder teilweise in die Bauteile 1,2 hineingedrückt. Dabei wird der Werkstoff der zu verbindenden Bauteile 1,2 lokal verdrängt und bewegt sich erst radial nach außen und dann kontrolliert vom Niederhalter 5 entgegen der Bewegungsrichtung des Stempelwerkzeuges 4 nach oben. Es kommt zum Abheben der Bauteile 1,2 vom Amboss 3b. Nur im Bereich der sich herausbildenden Erhebung 2a auf der Unterseite des unteren Bauteils 2 besteht noch Kontakt des unteren Bauteiles 2 mit dem Amboss 3b. In 2b ist ein Zwischenzustand dargestellt, bei dem man dies gut erkennen kann.
Sobald ein oberer Anschlag 5a des Niederhalters 5 in Kontakt mit einem unteren Anschlag 6a des Stempelträgers 6 gelangt, wird die weitere Bewegung des Werkstoffes der zu verbindenden Bauteile 1, 2 entgegen der Richtung der Stempelbewegung behindert. Die herausgebildete Erhebung 2a wird deshalb bei weiterer Zustellung des Stempelwerkzeuges 4 in ihrer Größe reduziert und der noch unter der Stirnfläche 4c des Stempelhauptkörpers 4e befindliche Werkstoff muss radial nach außen fließen.
Dabei bildet sich, wie in 2c gezeigt, eine Hinterschneidung 1a heraus. Das Verhältnis der Abmessungen (bzw. Durchmesser) von Stempelstirnfläche 4c und Unterseite des Niederhalters 5 kann in Abhängigkeit von der Festigkeit der zu verbindenden Materialien und der Fügekraft so gewählt werden, dass kein bleibender Eindruck des Niederhalters 5 im oberen Bauteil 1 verursacht wird.
Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in den 3a) bis 3d) zu sehen. Bauteile und Komponenten, die den zuvor beschriebenen entsprechen, tragen dieselben Bezugszeichen und werden nur soweit als erforderlich erneut beschrieben.
In einem Ausgangszustand, wie in 3a gezeigt, liegen die (beiden) miteinander zu verbindenden Bauteile 1,2 auf einem vorzugsweise gefederten oder anderweitig mit Druck beaufschlagten Gegenhalter 3a (Außenring) eines Ambosses 3b des Gegenwerkzeuges 3 auf.
Zur Herstellung der Verbindung werden der Niederhalter 5 und der Hauptkörper 4e des Stempelwerkzeuges 4 in Richtung der Bauteile 1,2 bewegt. Mit dem Niederhalter 5 wird hydraulisch, pneumatisch, piezoelektrisch, magnetisch, mechanisch oder auf andere Weise, insbesondere z.B. durch Federn, eine definierte Kraft auf die Bauteile 1,2 und auf den Gegenhalter 3a ausgeübt. Die Kraft, mit der der Niederhalter 5 beaufschlagt wird, ist vorzugsweise größer gewählt als die entgegengesetzt wirkende Kraft des Gegenhalters 3a.
Dadurch wird, wie in 3b dargestellt, der Gegenhalter 3a so weit zurückgedrückt, bis die zu verbindenden Bauteile 1,2 auf dem Amboss 3b aufsetzen. Der Stempelvorsprung 4b wird dann, wie zuvor beschrieben, mit hoher Kraft in die Bauteile 1,2 hineingedrückt. Dabei wird der Werkstoff der zu verbindenden Bauteile 1,2 lokal verdrängt und bewegt sich erst radial nach außen und dann kontrolliert von Niederhalter 5 wie vom Gegenhalter 3a entgegen der Bewegungsrichtung des Stempelwerkzeuges 4 nach oben. Es kommt dadurch zu einem Abheben der Bauteile 1,2 vom Amboss 3b.
Nur im Bereich der sich herausbildenden Erhebung 2a auf der Unterseite des unteren Bauteils 2 besteht sodann noch Kontakt des unteren Bauteiles 2 mit der Auflagefläche des Gegenwerkzeuges 3, dem Amboss 3b.
Im Gegensatz zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der sich der Stempelbewegung entgegen bewegende Werkstoff nicht mehr durch die gesamte Niederhalterkraft in seiner Bewegung gehindert, sondern nur durch die Differenz der Kräfte, die auf den Niederhalter 5 und den Gegenhalter 3a wirken. Dadurch können bei minimaler Behinderung des Abhebens der Bauteile 1,2 vom Amboss 3b hohe Haltekräfte aufgebracht werden, die eine Durchbiegung der Bauteile 1, 2 oder eine Spaltbildung zwischen den Bauteilen vermeiden.
Hierbei ist es sowohl denkbar, dass der Gegenhalter 3a einen kreis- oder kreisringförmigen Querschnitt aufweist, wie auch, dass der Gegenhalter 3a einen von einer Kreisform abweichenden Querschnitt, insbesondere einen eckigen Querschnitt aufweist. Die einzelnen Komponenten (Hauptkörper 4e des Stempelwerkzeuges 4, Niederhalter 5, Amboss 3b und Gegenhalter 3a) sind vorzugsweise aufeinander abgestimmt, jedoch auch unabhängig von einander bewegbar ausgebildet.
In 3c ist ein weiterer Zwischenzustand dargestellt. Sobald der Werkstoff des oberen Bauteiles 1 Kontakt zum Absatz 4a des Stempelhauptkörpers 4e hat, wird die weitere Bewegung des Werkstoffes der zu verbindenden Bauteile entgegen der Richtung der Stempelbewegung behindert. Die herausgebildete Erhebung 2a wird deshalb bei weiterer Zustellung des Stempelwerkzeuges 4 in ihrer Größe reduziert, und der noch unter der Stirnfläche 4c des Stempelvorsprungs 4b befindliche Werkstoff muss radial nach außen fließen. Dabei bildet sich, wie in 3d gezeigt, eine Hinterschneidung 1a heraus.
Durch die hohe Kraft, mit der der Niederhalter 5 in diesem Ausführungsbeispiel beaufschlagt werden kann, ohne dass der Verbindungsprozess beeinträchtigt wird, erfolgt ein problemloses Abstreifen der gefügten Bauteile 1,2 vom Stempelvorsprung 4b nach dem Fügevorgang beim Auseinanderfahren der Werkzeuge 3, 4.
Das Verhältnis der Querschnitte (Durchmesser) von Stempelstirnfläche 4c und Stempelsatz 4 kann in Abhängigkeit von der Festigkeit der zu verbindenden Materialien und der Fügekraft wiederum so gewählt werden, dass kein bleibender Eindruck des Stempelabsatzes 4a im oberen Bauteil 1 verursacht wird.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind keine hohen Genauigkeiten bezüglich der Koaxialität vom Stempelwerkzeug 4 zum Gegenwerkzeug 3 erforderlich, da der Gegenhalter 3a keinen Anteil an der Ausformung der Verbindung hat und nur eine Halteaufgabe übernimmt. Zur Erzielung hoher Kräfte bei geringen Wegen können sowohl der Niederhalter 5 als auch der Gegenhalter 3a bereits im Ausgangszustand vorgespannt sein.
Ein alternatives (viertes) Ausführungsbeispiel, dessen Lehre mit jedem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele kombinierbar ist (wie auch die ersten drei Ausführungsbeispiele untereinander), ist in 4 dargestellt.
Hierbei wird gezeigt, dass dem Stempelhauptkörper 4e des Stempelwerkzeuges 4 zur Kraftreduzierung auch eine Taumelbewegung mit einem maximalen Taumelwinkel α zwischen der Hauptarbeitsrichtung A und einer Achse B des Stempelhauptkörpers 4e überlagert werden kann.
Wichtig ist hierbei, dass, wie in den bereits erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben, die Kraft des Niederhalters 5 so bemessen ist, dass eine Durchbiegung der zu verbindenden Bauteile 1, 2 oder eine Spaltbildung zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 weitestgehend vermieden wird, aber gleichzeitig eine Herausbildung der Erhebung 2a und damit eine der axialen Bewegung des Stempelhauptkörpers 4e entgegengenchtete Bewegung der Bauteile 1,2 ermöglicht wird. Ein Gegenhalter 3a, wie im 3. Ausführungsbeispiel gezeigt, kann hierzu vorgesehen werden.
Sobald der Werkstoff des oberen Bauteiles 1 in Kontakt mit dem Absatz 4a des Stempelhauptkörpers 4e gelangt, wird die weitere Bewegung des Werkstoffes der zu verbindenden Bauteile 1, 2 entgegen der Richtung der Stempelbewegung behindert. Die herausgebildete Erhebung 2a wird deshalb bei weiterer Zustellung des Stempelwerkzeuges 4 in ihrer Größe reduziert und der noch unter der, vorzugsweise kegelig ausgebildeten, Stirnfläche 4c des Stempelhauptkörpers 4 befindliche Werkstoff muss radial nach außen fließen. Dabei bildet sich, wie in den anderen Ausführungsbeispielen beschrieben, eine Hinterschneidung heraus.
Das Verhältnis der Durchmesser von Stempelstirnfläche 4c und Stempelabsatz 4a kann in Abhängigkeit von der Festigkeit der zu verbindenden Materialien und der Fügekraft wiederum so gewählt werden, dass kein bleibender Eindruck des Stempelabsatzes 4a im oberen Bauteil 1 verursacht wird.
Es versteht sich, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch mehr als zwei Bauteile miteinander verbindbar sind. Ebenso ist klar, dass auch oder ausschließlich das Gegenwerkzeug als bewegte Komponente ausgebildet sein kann. Die Anordnung der Werkzeuge im Raum ist ebenfalls beliebig.
Auch ist denkbar eine Mehrzahl von Verbindungen gleichzeitig zu erwirken. Die geometrische Kontur der Werkzeuge sowie der Fügestellen ist im wesentlichen beliebig wählbar.
Als Werkstoff für die zu fügenden Bauteile sind alle elastisch verformbaren Materialien, insbesondere Bleche und Kunststoffe, denkbar. Die einzelnen Bauteile können auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

Claims

Verfahren zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen (1, 2), insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung (1a) zwischen den Bauteilen (1, 2) in einem Arbeitshub mit den Einzelschritten: – Anordnen der zu verbindenden Bauteile (1, 2) zwischen einem Stempelvorsprung (4b) eines Stempelwerkzeuges (4) und einer Auflagefläche (3c) eines Gegenwerkzeuges (3), – Eindrücken des Stempelvorsprunges (4b) in die zu verbindenden Bauteile (1, 2) unter Ausbildung einer temporären Erhebung (2a) auf der dem Gegenwerkzeug (3) zugewandten Seite der Bauteile (1, 2) und Trennung von Bereichen derselben außerhalb eines Einflussbereiches des Stempelvorsprungs (4b) von einer Auflagefläche (3c) des Gegenwerkzeuges (3), und – Ausbilden einer Hinterschneidung (1a) der Bauteile (1, 2) durch weitere Reduzierung einer Bodendicke in der Erhebung (2a).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schritt des Bewegens eines Niederhalters (5) auf das Gegenwerkzeug (3) zu, und dadurch Ausüben einer definierten Haltekraft auf die Bauteile (1, 2) während der plastischen Verformung.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Schritt des Stabilisierens der Bauteile (1, 2) mittels eines Gegenhalters (3a), durch den die Bauteile (1, 2) entgegen der Bewegungsrichtung des Stempelwerkzeuges (4) zu diesem hin gedrängt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Stempelvorsprunges (4b) auf das Gegenwerkzeug (3) zu zumindest während eines Teils des Stempelweges mit einer Taumelbewegung überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelbewegung kreis- oder rosettenförmig erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (4), der Niederhalter (5) und/oder der Gegenhalter (3a) hydraulisch, pneumatisch, magnetisch, mechanisch oder piezoelektrisch kraftbeaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftbeaufschlagung mittels eines oder mehrerer Impulse erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftbeaufschlagung während zumindest eines Teils des Stempelweges durch Überlagerung einer zusätzlichen zyklischen Kraft erfolgt, wobei bei Anwendung der Taumelüberlagerung mit Rosettenform der Taumelwinkel des Stempels und die zusätzliche zyklische Stempelkraft in eindeutiger Abhängigkeit zueinander aufeinander abgestimmt sind.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftbeaufschlagung des Niederhalters (5) gesteuert erfolgt und insbesondere an einem definierten Punkt der Bewegung des Stempels (4) stark zunimmt und dadurch die entgegen der Bewegungsrichtung des Stempels (4) gerichtete Bewegung der Bauteile (1, 2) stoppt und umkehrt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die an einem definierten Punkt der Bewegung des Stempels (4) die entgegen der Bewegungsrichtung des Stempels (4) gerichtete Bewegung der Bauteile (1, 2) durch einen Stempelabsatz (4a) gestoppt wird und umgekehrt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einem definierten Punkt der Bewegung des Stempels (4) die entgegen der Bewegungsrichtung des Stempels (4) gerichtete Bewegung der Bauteile (1, 2) durch einen mittelbaren oder unmittelbaren mechanischen Anschlag (6a) des Niederhalters (5) am Stempel gestoppt wird und umgekehrt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Ausbildung der Hinterschneidung (1a) eine Werkzeugbe wegung in Richtung eines Flachdrückens der Erhebung (2a) erfolgt.
Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen (1, 2), insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung (1a) zwischen den Bauteilen (1, 2), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, mit: einem Stempelwerkzeug (4), das entlang einer Hauptarbeitsrichtung (A) auf ein Gegenwerkzeug (3) zu und von diesem weg bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenwerkzeug (3) an seiner dem Stempelwerkzeug (4) zugewandten Seite im Wesentlichen flächig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptkörper (4e) des Stempelwerkzeuges (4) an seiner dem Gegenwerkzeug (3) zugewandten Seite einen Sempelabsatz (4a) aufweist, aus dem ein Stempelabsatz (4b) hervorragt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Hauptkörper (4e) des Stempelwerkzeuges (4) von einem Niederhalter (5) umgeben ist, der relativ zu dem Hauptkörper (4e) bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper (4e) relativ zu dem Niederhalter (5) mittels eines Vorspannelementes, insbesondere einer Niederhalterfeder (8), entgegen einer Vorschubrichtung des Stempelwerkzeuges (4) vorgespannt ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper (4e) des Stempelwerkzeuges (4) zumindest während eines Teiles seiner Bewegung auf das Gegenwerkzeug (3) zu in einer Taumelbewegung bewegbar ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine an dem Stempelabsatz (4b) angeordnete Stempelstirnfläche (4c) im Wesentlichen flach, insbesondere eben, leicht ballig oder leicht kegelig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempelvorsprung (4b) zur Stempelstirnfläche (4c) hin leicht verjüngt ausgebildet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine an den Stempelabsatz (4b) angeordnete Stempelstirnfläche (4c) im wesentlichen rechtwinklig zu einer Hauptarbeitsrichtung (A) oder zu dieser geringfügig geneigt ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang von der Stempelstirnfläche (4c) zu einer Mantelfläche (4d) des Stempelvorsprungs (4b) in Form eines Radius oder einer Schleppkurve ausgebildet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang von der Stempelstirnfläche (4c) zu einer Mantelfläche (4d) des Stempelvorsprunges (4b) in Form einer Fase oder einer Doppelfase ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das den Übergang vom der Stempelstirnfläche (4c) zur Mantelfläche (4d) bildendes Formelement kleiner als 0,2 Millimeter ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenwerkzeug (3) als einteiliger Amboss (3b) ausgebildet ist, dessen dem Stempelwerkzeug (4) zugewandte Seite als eine im Wesentlichen flache, insbesondere ebene, leicht ballige oder leicht kegelige Auflagefläche (3c) für die Bauteile (1,2) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche (3c) des Gegenwerkzeuges (3) größer als die an den Bauteilen (1,2) ausgebildete Erhebung (2a) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Auflagefläche (3c) des Gegenwerkzeuges (3) größer oder im Wesentlichen gleich den äußeren Abmessungen des Niederhalters (5) sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl ein der Stempelstirnfläche (4c) gegenüberliegender Bereich der Auflagefläche (3c) des Gegenwerkzeuges (3) als auch ein dem Stempelabsatz (4a) gegenüberliegender Bereich der Auflagefläche (3c) des Gegenwerkzeuges (3) im Wesentlichen auf einer zur Hauptarbeitsrichtung (A) senkrechten Ebene liegen.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche (3c) frei von Absätzen oder Ausnehmungen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (3b) des Gegenwerkzeuges (3) zumindest teilweise von einem Gegenhalter (3a) umgeben ist, der relativ zu dem Amboss (3b) in Hauptarbeitsrichtung (A) bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhalter (3a) pneumatisch, hydraulisch, magnetisch, mechanisch und/oder piezoelektrisch mit einer Kraft beaufschlagbar ist, die einer Stempel- und/oder Niederhalterkraft entgegengerichtet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper (4e) des Stempelwerkzeuges (4), der Niederhalter (5), der Amboss (3b) und/oder der Gegenhalter (3a) kreis- oder kreisringförmige Querschnitte aufweisen.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper (4e) des Stempelwerkzeuges (4), der Niederhalter (5), der Amboss (3b) und/oder der Gegenhalter (3a) einen von einer Kreisform abweichenden Querschnitt, insbesondere einen eckigen Querschnitt aufweisen.