DE10309381A1

DE10309381A1 - Verfahren zum Verbinden zweier Werksücke in einem Fügebereich

Info

Publication number: DE10309381A1
Application number: DE2003109381
Authority: DE
Original assignee: MDS MASCHINEN und WERKZEUGBAU; MDS MASCHINEN- und WERKZEUGBAU GmbH
Current assignee: SCHMIDT, DIETER, 93055 REGENSBURG, DE
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2004-09-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstücks, welches in einem Fügebereich eine erste Dicke besitzt, mit einem zweiten Werkstück, welches in dem Fügebereich eine zweite Dicke besitzt, die größer ist als die erste Dicke, wobei das zweite Werkstück im Fügebereich mit wenigstens einer Öffnung versehen ist, die dem ersten Werkstück benachbart einen ersten, kleineren Querschnitt und vom ersten Werkstück weiter entfernt einen zweiten größeren Querschnitt aufweist, wobei mittels eines Stempels Material des ersten Werkstücks in die Öffnung des zweiten Werkstücks ohne Durchtrennen des ersten Werkstücks zum Formen eines die Hinterschneidung hintergreifenden Verbindungszapfens gedrückt wird.

Description

Der Erfinder bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Ein solches Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke bekannt ( US 3 828 517 ). Bei dem bekannten Verfahren wird unter Verwendung eines ersten Werkzeugteils mit Stempel und eines zweiten Werkzeugteils und bei zwischen den Werkzeugteilen eingespannten Werkstücken aus dem Material des ersten Werkzeugteils ein Verbindungszapfen geformt, der in die Öffnung im zweiten Werkstück hineinreicht und den dem ersten Werkstück abgewandten Rand dieser Öffnung hintergreift. Der den Verbindungszapfen formende Stempel besitzt hierbei einen Stempeldurchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung im zweiten Werkzeugteil.
Um die erforderliche Festigkeit für die Verbindung zu erreichen, ist ein bestimmtes Mindestvolumen für den Verbindungszapfen erforderlich. Um dieses Volumen zu erreichen, muss das erste Werkstück mit dem Stempel auf einer relativ großen Tiefe verformt werden, was eine relativ große Dicke für das erste Werkstück im Fügebereich voraussetzt. Weiterhin nachteilig ist, daß der Verbindungszapfen im Wesentlichen als Hohlzapfen ausgeführt ist, was die Festigkeit der Verbindung beeinträchtigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches diese Nachteile vermeidet und auch bei einer geringen Dicke des ersten Werkstückes eine zuverlässige Verbindung zwischen den Werkstücken ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Verbindungszapfen als am ersten Werkstück verbliebener bzw. mit diesem verbundener Stanzbutzen ausgebildet ist, d.h. als ein massiver vollvolumiger Stanzbutzen oder Zapfen (nicht als Hohlzapfen) und daß dem entsprechend das diesen Verbindungszapfen formende stempelarige Werkzeugteil an seinem Stempelende einen Durchmesser aufweist, der gleich oder größer ist als der kleinste Durchmesser, den die Öffnung im zweiten Werkstück besitzt, und zwar an der dem ersten Werkstück zugewandten Seite.
Bevorzugt ist der Durchmesser dieses stempelartigen Werkzeugteils größer als der Durchmesser der Öffnung, so daß bei einer Verformung des ersten Werkstückes auf nur geringer Tiefe ein massiver Verbindungszapfen in der Öffnung des zweiten Werkstückes gebildet wird, der (Verbindungszapfen) die Hinterschneidung der Öffnung hintergreift.
Die Hinterschneidung ist bei der Erfindung dadurch gebildet, daß die Öffnung einen sich keilförmig oder kegelartig vergrößernden Querschnitt aufweist. Hierdurch wird einerseits die für das Formen des Verbindungszapfens notwendige Stabilität des zweiten Werkstückes im Bereich der Öffnung gewährleistet, gleichzeitig auch die für die Verbindung notwendige Hinterschneidung erzeugt.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt die Verbindung zwischen zwei Werkstücken;
2 eine Darstellung ähnlich wie 1, jedoch zusammen mit den zur Herstellung dieser Verbindung verwendeten Werkzeugen.
In den Figuren sind zwei Werkstücke 1 und 2, von denen das Werkstück 1 aus einem duktilen Flachmaterial oder Blech, beispielsweise aus einem Metall- oder Stahlblech besteht. Das Werkstück 2 besteht aus einem harten Material, beispielsweise aus Stahl, eventuell aus einem gehärteten Stahl und ist beispielsweise eine in den Figuren jeweils nur Teildarstellung wiedergegebene mit dem Werkstück 1 verbundene Mutter.
Zumindest im Bereich der Verbindung zwischen den beiden Werkstücken 1 und 2 (Fügebereich) weist das Werkstück 1 eine Dicke d auf, die kleiner ist als die Dicke D des Werkstückes 2.
Zum Verbinden der Werkstücke ist im Werkstück 2 zumindest eine durchgehende Öffnung 3 vorgesehen, die von einer bei der dargestellten Ausführungsform planen Oberseite 2.1 an eine ebenfalls plane Unterseite 2.2 des Werkstückes 2 reicht, wobei sich der Querschnitt der bei der dargestellten Ausführungsform kegelstumpfförmig ausgebildeten Öffnung 3 von der Unterseite 2.2 zur Oberseite 2.1 hin vergrößert.
Im verbundenen Zustand liegt das Werkstück 2 mit seiner Unterseite 2.2 flächig gegen die zumindest im Fügebereich plane Oberseite 1.1 des Werkstückes an. Die Verbindung zwischen den beiden Werkstücken 1 und 2 ist durch einen aus dem Material des Werkstückes 1 durch fließende Verformung dieses Materials in die Öffnung 3 geformten Verbindungszapfen 1.3 realisiert. Der Verbindungszapfen 1.3 besitzt einen sich entsprechend dem Querschnitt der Öffnung 3 von der Unterseite 2.1 in Richtung zur Oberseite 2.2 hin erweiternden kegelstumpfförmigen Querschnitt, so daß über den Verbindungszapfen 1.3 und die Öffnung 3 eine förmflüssige Verbindung zwischen den Werkstücken 1 und 2 erreicht ist. An der Unterseite 1.2 besitzt das Werkstück 1 dem massiven Verbindungszapfen 1.3 gegenüberliegend eine Ausnehmung oder Vertiefung 5, derer Volumen (bestimmt durch den Durchmesser und die Tiefe der Ausnehmung 5) gleich oder in etwa gleich dem Volumen des Verbindungszapfens 1.3 ist.
Die 2 zeigt unter anderem in schematischer Darstellung das für die Herstellung der Verbindung zwischen den Werkstücken 1 und 2 geeignete, mehrteilige Werkzeug 4. Dieses Werkzeug, welches beispielsweise in einer Presse verwendet wird, umfaßt bei der dargestellten Ausführungsform zwei die Werkstücke 1 und 2 zwischen sich einspannende Werkzeugteile 6 und 7, von denen beispielsweise das Werkzeugteil 6 an einer während des Pressenhubes nicht bewegten, d.h. festen Werkzeughalterung der Presse vorgesehen ist und von denen das Werkzeugteil 7 an einem mit dem Pressenhub auf- und abbewegbaren Werkzeugträger der Presse befestigt ist.
Beim Verbinden der beiden Werkstücke 1 und 2 liegt das Werkstück 1 mit seiner Unterseite 1.2 gegen das Werkzeugteil 6 an und das Werkstück 2 mit seiner Oberseite 2.1 gegen das Werkzeugteil 7 an.
Im Werkzeugteil 6 ist ein Stempel 8 vorgesehen, der axial und damit senkrecht zu den Ebenen der Seiten 1.1, 1.2, 2.1 und 2.2 verschiebbar ist (Doppelpfeil A). Ein entsprechender, achsgleich mit dem Stempel 8 angeordneter Stempel 9 ist axial verschiebbar im Werkstückteil 7 vorgesehen.
Der Stempel 8 besitzt an seinem Stempelende einen Durchmesser, der wenigstens gleich, bei der dargestellten Ausführungsform aber größer ist als der Durchmesser der Öffnung 3 an der Unterseite 2.2. Der Stempel 9 ist an seinem freien Ende so ausgebildet, daß er in die Öffnung 3 passend eingeführt werden kann, und zwar derart, daß das Stempelende 9.1 von der Ebene der Unterseite 2.2 beabstandet ist, d.h. sich zwischen der Oberseite 2.1 und der Unterseite 2.2 befindet. Weiterhin ist das Stempelende 9.1 bzw. die dortige Stirnfläche so geformt, daß sie eine ringförmige Stempelfläche 10 mit einem mittigen Vorsprung 11 bildet.
Beim Verbinden der beiden Werkstücke 1 und 2 werden diese zwischen den Werkstückteilen 6 und 7 eingespannt, und zwar derart, daß die Achsen der beiden Stempel 8 und 9 achsgleich mit der Achse der Öffnung 3 angeordnet sind. Im Anschluß daran wird der Stempel 9 in die Öffnung 13 eingeführt, so daß ein von dem Stempelende 9.1 und der Wandung der Öffnung 3 geschlossener Raum gebildet ist, dessen axiale Höhe kleiner ist als die axiale Länge der Öffnung 3, beispielsweise etwa gleich der halben axiale Länge oder auch kleiner.
Im Anschluß daran wird der Stempel 8 aus einer Ausgangsstellung, in der sich das Stempelende 8.1 unterhalb der Ebene der Unterseite 1.2 befindet, nach oben bewegt, so daß aus dem Material des Werkstückes 1 der Verbindungszapfen oder Stanzbutzen 1.3 gebildet und durch die Formgebung des Stempelendes 9.1 so verformt wird, daß der Verbindungszapfen 1.3 angepreßt gegen die Innenfläche der Bohrung 3 anliegt.
Die Verbindung der beiden Werkstücke 1 und 2 erfolgt also über den als am Werkstück 1 verbliebener Stanzbutzen ausgebildeten Verbindungszapfen 1.3, welcher durch unvollständiges Durchstanzen des Werkstückes 1 mittels des Stempels 8 und der als Matrize wirkenden Öffnung 3 erzeugt wurde.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß der Zapfen 1.3 bereits beim Formen durch das Stempelende 9.1 in die dem kegelförmigen Querschnitt der Öffnung 3 entsprechende Form gebracht wird. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, zunächst mittels des Stempels 8 einen dem Verbindungszapfen 1.3 entsprechenden Zapfen in der Öffnung 3 zu bilden und erst anschließend diesen Zapfen mittels des Stempels 9 in die konische bzw. kegelstumpfförmige Form des Verbindungszapfens zu verformen, also das Verfahren zum Verbinden der beiden Werkstücke 1 und 2 in zwei Schritten oder Stufen durchzuführen.
Bei einem einstufigen Verfahren besteht weiterhin auch die Möglichkeit, daß der Stempel 9 bzw. das in die Öffnung 3 eingreifende Stempelende fest an dem Werkzeugteil 7 vorgesehen ist.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

1, 2: Werkstück
1.1, 2.1: Werkstückoberseite
1.2, 2.2: Werkstückunterseite
1.3: Verbindungszapfen (Stanzbutzen)
3: Öffnung
4: Werkzeug
5: Vertiefung in der Unterseite 1.2 des Werkstückes 1
6, 7: Werkzeugteil
8, 9: Stempel
8.1, 9.1: Stempelende
10: ringförmige Stempelfläche
11: mittiger Vorsprung
A, B: Hub
d, D: Dicke

Claims

Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstücks (1), welches in einem Fügebereich eine erste Dicke (d) besitzt, mit einem zweiten Werkstück (2), welches in dem Fügebereich eine zweite Dicke (D) besitzt, die größer ist als die erste Dicke (d), wobei das zweite Werkstück (2) im Fügebereich mit wenigstens einer Öffnung (3) versehen ist, die dem ersten Werkstück (1) benachbart einen ersten, kleineren Querschnitt und vom ersten Werkstück (1) weiter entfernt einen zweiten größeren Querschnitt aufweist, wobei mittels eines Stempels (8) Material des ersten Werkstücks (1) in die Öffnung (3) des zweiten Werkstücks (2) ohne Durchtrennen des ersten Werkstücks zum Formen eines die Hinterschneidung hintergreifenden Verbindungszapfens (1.3) gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungszapfens (1.3) als ein am ersten Werkstück (1) verbliebener und mit diesem verbundener Stanzbutzen ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungszapfen (1.3) bereits beim Formen in eine die Hinterschneidung hintergreifende Querschnittsform verformt wird, und zwar z.B. durch ein in die Öffnung (3) eingreifendes zweite Werkstückteil (9) mit einer Querschnittsform komplementär zum Querschnitt der Öffnung (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungszapfen (1.3) erst nach dem Formen in einem anschließenden Verfahrensschritt in die die Hinterschneidung hintergreifende Formgebung verformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (3) einen Querschnitt aufweist, der sich mit zunehmenden Abstand von dem ersten Werkstück (1) vergrößert.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (3) kegel- oder kegelstumpfartigen ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (3) keilartig ausgebildet ist.
Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste stempelartige Werkzeugteil (8) an seinem Stempelende einen Querschnitt aufweist, der gleich oder in etwa gleich demjenigen Querschnitt ist, die die Öffnung (3) in der Nähe des ersten Werkstückes (1) besitzt.