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Die
Erfindung betrifft eine formschlüssige
Fügeverbindung
sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Fügeverbindung.
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Zur
Verbindung zweier dünnwandigen
Werkstücke
wird vor allem die Schweißtechnik
eingesetzt. Hierbei kommt es aufgrund von Wärmeeinwirkung zu Verschmelzungsprozessen
der zu verbindenden Materialien untereinander, wodurch eine effektive
Verbindung zwischen metallischen Werkstücken erreicht werden kann.
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Aufgrund
der hohen Temperaturen, die beim Schweißvorgang auftreten, eignet
sich das Schweißen
nicht für
alle Materialien gleichermaßen.
Ferner lassen sich bestimmte Materialien nur eingeschränkt oder
gar nicht miteinander verschmelzen.
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Je
nach Einsatzgebiet und verwendeter Materialien kommen daher alternativ
oft Fügetechniken zur
Verbindung von Werkstücken
zum Einsatz. Eine solche Technik stellt die klassische Niettechnik
dar, mit deren Hilfe sich unterschiedlichste Materialien untereinander
verbinden lassen. Die Vielzahl der verschiedenen Niettechnikvarianten
erlaubt es dabei, die Nietverbindung im Hinblick auf Festigkeit
und Belastung der Werkstücke
beim Nietvorgang den jeweiligen Erfordernissen optimal anzupassen.
Der klassische Nietvorgang erfordert jedoch die Erzeugung von Löchern in
beiden Werkstücken
und das Einführen
einer separaten Niete durch beide Löcher.
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Weiterhin
sind irreversible Verbindungstechniken bekannt, die durch Pressen
und Umformen metallischen Materials eine feste Verbindung zwischen Werkstücken erzeugen
können.
Eine solche Methode bildet das TOX®-Verbindungssystem,
bei dem durch Pressen von Blechen mit Hilfe eines Stempels in eine
Matrix das Ineinanderfließen
beider Materialien erzwungen wird. Zwar weisen diese Verbindungen
eine sehr hohe Festigkeit auf, jedoch werden sehr hohe Fügekräfte benötigt, um
die für
den Fügevorgang
notwendige massive Umformung zu bewerkstelligen.
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Ferner
sind auch Klebeverbindungen bekannt, mit deren Hilfe hochfeste Verbindungen
hergestellt werden können.
Klebeverbindungen können jedoch
keine leitende Verbindung zwischen Materialien herstellen und sind
häufig
gegenüber
chemischen Substanzen sowie thermischer Belastung nicht resistent.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren
zum Herstellen einer formschlüssigen
Fügeverbindung
bereitzustellen, das lediglich geringe Fügekräfte braucht und darüber hinaus
eine leitende Verbindung zwischen zwei Materialien ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine formschlüssige Verbindung
gemäß Anspruch
8 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
erfindungsgemäße formschlüssige Fügeverbindung
zwischen einem ersten und einem zweiten Körper wird hergestellt, indem
ein Verbindungselement des ersten Körpers, das in eine Öffnung des
zweiten Körpers
eingreift, mit Hilfe eines Formwerkzeugs derart eingedrückt wird,
so dass Material aus einem mittleren Bereich des Verbindungselements
verdrängt
wird, wodurch das Verbindungselement den zweiten Körper im
Bereich der Öffnung hintergreift.
Die erfindungsgemäße Methode
kommt dabei gänzlich
ohne thermische Belastung der zu verbindenden Materialien aus. Aufgrund
der lateralen Verdrängung
des Verbindungselements mit Hilfe eines geeigneten Formwerkzeugs
können
die dabei auftretenden Fügekräfte auf
die beiden Körper
im Vergleich zu anderen Fügeverfahren
minimiert werden. Hierdurch können
auch Verbindungen zwischen Körpern
unterschiedlicher mechanischer Festigkeit erzeugt werden, die mit
Hilfe anderer Umform-Fügeverfahren
nicht realisiert werden können.
Da lediglich das Verbindungselement des ersten Körpers verformt wird, muss nur
dieser Körper
ein entsprechendes Fließverhalten
aufweisen. Weiterhin kann die mechanische Belastung des zweiten
Körpers
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
minimiert werden, so dass eine Verbindung von Materialien ausgeführt werden
kann, die für
vergleichbare Verbindungen herkömmlicher
Art nicht geeignet sind (z.B. spröde oder weiche Materialien).
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
verwendet keine sortenfremde Zusatzwerkstoffe (z.B. Schweißdrähte, Hartlote,
Schrauben, Nieten, Bolzen, Klebstoffe und dgl.), so dass die formschlüssige Fügeverbindung
besonders einfach automatisiert werden. Hierdurch lassen sich Personalkosten
und Zeitaufwand senken, wodurch wiederum die Produktionskosten reduziert
werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren
weist eine hohe Flexibilität
im Hinblick auf die Dickenverhältnisse
der miteinander verbindenden Körper
im Vergleich zu herkömmlichen Fügeverfahren,
bei denen beide Körper
umgeformt werden müssen,
auf. Weil lediglich ein auf der Oberfläche des ersten Körpers ausgebildete
Verbindungselement eingedrückt
werden muss, spielt die Dicke des ersten Körpers keine besondere Rolle.
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Da
das erfindungsgemäße Verfahren
mit Hilfe eines Kalt-Umformprozesses arbeitet, bei dem das Verbindungselement
und der zweite Körper
keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden, ist das Verfahren auch
besonders für
hitzeempfindliche Materialien geeignet.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung erfolgt das Eindrücken
des Verbindungselements mit Hilfe eines Formwerkzeugs, das einen
im Wesentlichen keilförmigen
Querschnitt mit einem ersten vorderen spitzwinkligen Abschnitt und
einem daran anschließenden
zweiten stumpfwinkligen Abschnitt aufweist. Dies hat den Vorteil,
dass zu Beginn des Eindrückens,
dann wenn der erste vordere spitzwinklige Abschnitt in das Verbindungselement
gedrückt
wird, das Material aus einem mittleren Bereich des Verbindungselements
im Wesentlichen quer zur Eindrückrichtung
verdrängt
wird. Wenn dann auch der zweite stumpfwinklige Abschnitt in das
Verbindungselement gedrückt
wird, wird das Material des Verbindungselements auch in Richtung
des Formwerkzeugs verdrängt.
Hierdurch wird insbesondere der über
die Öffnung
hinaus ragende Abschnitt des Verbindungselements flach zum zweiten
Körper
hin verformt. Hiermit lassen sich insbesondere flach mit dem zweiten
Körper
abschließende
Verbindungspunkte realisieren.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
ein Verbindungselement, das eine im Wesentlichen runde Grundfläche aufweist, mit
Hilfe eines Formwerkzeugs eingedrückt, das einen spitzen Dorn
umfasst, wobei der spitze Dorn mit einer vorgegebenen Kraft mittig
in das Verbindungselement gedrückt
wird. Dabei wird das aus der Öffnung
vorstehende Material des Verbindungselements derart belastet, dass
es entlang des gesamten Umfangs der Öffnung lateral über die
Begrenzung der Öffnung
hinausfließt.
Die Verwendung eines spitzen Dorns eignet sich insbesondere für runde
Punktverbindungen, wobei das durch den Dorn verdrängte und
gleichmäßig über die
Begrenzung der Öffnung hinausfließende Material
eine gleichmäßige formschlüssige Verbindung
zwischen dem ersten und dem zweiten Körpers bildet. Die Verwendung
eines spitzen Dorns erfordert sich besonders geringe Fügekräfte, da
nur ein relativ kleiner Bereich des Verbindungselements verdrängt wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht die Verwendung eines einen Schneidkeil aufweisenden
Formwerkzeugs zum Eindrücken
eines Verbindungselements vor, das eine im Wesentlichen längliche
Grundfläche
aufweist. Dabei wird der Schneidkeil mit einer vorgegebenen Kraft
parallel zur Längsachse
des Verbindungselements angeordnet und mittig in das Verbindungselement
gedrückt,
wodurch das aus der Öffnung
vorstehende Material des Verbindungselements derart belastet wird,
dass es lateral über
die Begrenzung der Öffnung
hinausfließt. Die
Verwendung von Verbindungselementen, die eine längliche Grundfläche aufweisen,
hat den Vorteil, dass hierdurch die Festigkeit der erfindungsgemäßen Fügeverbindung
erhöht
werden kann. Zum Eindrücken
eines länglichen
Verbindungselements eignet sich insbesondere ein Schneidkeil, da
hierdurch das Verbindungselement gleichmäßig belastet und ein gleichmäßiger Querfluss
des Materials des Verbindungselements erreicht werden kann. Ferner lassen
sich mit Hilfe dieser Abwandlung größere Bereiche der beiden Körper relativ
schnell miteinander verbinden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass das Verbindungselement als Zapfen ausgebildet
ist, der durch Pressen des ersten Körpers mit Hilfe eines Umformstempels
in ein Loch einer Umformmatrize in einem dem Fügeprozess vorangehenden Prozess
erzeugt wird. Mit Hilfe dieses Kalt-Umformprozesses lassen sich
besonders einfach und schnell auf dem ersten Körper angeordnete Verbindungselemente
erzeugen. Je nach verwendeter Umformmatrize lassen sich hierbei
beliebige Grundflächen
der Verbindungselemente besonders einfach realisieren. Die Kalt-Umformtechnik zeigt
insbesondere bei metallischen Blechen deutliche Vorteile gegenüber anderen
zur Herstellung analoger Verbindungselemente des ersten Körpers geeigneten Verfahren
(z.B. Guss- oder Frästechnik).
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, das Verbindungselement derart einzudrücken, dass
Material aus dem innerhalb der Öffnung befindlichen
Bereich des Verbindungselements gegen die Flanken der Öffnung gepresst
wird. Dies hat den Vorteil, dass die Öffnung des ersten Körpers damit
abgedichtet werden kann. Ferner entsteht hierdurch ein Kraftschluss,
der der Fügeverbindung
eine hohe Stabilität
gibt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden Körper zwischen dem Formwerkzeug
und einem axial zum Formwerkzeug angeordneten Gegenhalter positioniert
werden. Mit Hilfe des Gegenhalters können Kräfte, die beim Eindrücken des
Verbindungselements im ersten Körper
auftreten, kompensiert werden. Damit können Verbiegungen der beiden
Körper vermieden
werden. Ferner kann die Anpresskraft des Eindrückvorgangs besser kontrolliert
werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1A und 1B eine perspektivische Darstellung der
erfindungsgemäßen Fügeverbindung
mit einer runden Grundfläche,
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2A und 2B eine perspektivische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Fügeverbindung
mit einer länglichen
Grundfläche,
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3A bis 3F schematisch das erfindungsgemäße Verfahren,
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4A und 4B eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
und
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5A bis 5E schematisch fünf Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fügeverbindung.
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1A zeigt einen ersten und
einen zweiten Körper 10,20,
sowie ein Formwerkzeug 30 und einen Gegenhalter 40 in
einer perspektivischen Darstellung. Die in der 1A gezeigte Situation entspricht einem
Verfahrensstand vor der Ausbildung der Fügeverbindung. Der erste Körper 10 besteht
vorzugsweise aus einem formbaren Material und weist wenigstens im
Bereich der Fügeverbindung
einen flachen Verlauf mit einer ersten Kontaktfläche 11 auf. Von der ersten
Kontaktfläche 11 steht
ein Verbindungselement 12 hervor, das Teil des ersten Körpers 10 ist. Das Verbindungselement 12 ist
in 1A beispielhaft ein
zylinderförmiger
Zapfen mit steilen Seitenflanken und einem vorzugsweise flachen
Plateau. Oberhalb des ersten Körpers 10 ist
der zweite Körper 20 dargestellt,
der ebenfalls wenigstens im Bereich der Fügeverbindung einen flachen
Verlauf aufweist. Der zweite Körper 20 weist
eine durchgehende Öffnung 22 mit
einer vorzugsweise runden Grundfläche auf. Die Öffnung 22 ist
dem Verbindungselement 12 geometrisch angepasst, und weist
eine vorzugsweise lediglich geringfügig größere Grundfläche auf
als das Verbindungselement 12. Auf seiner dem ersten Körper 10 zugewandten
Seite weist der zweite Körper 20 eine
zweite Kontaktfläche 21 auf,
die zur ersten Kontaktfläche 11 des
ersten Körpers
reziprok ausgebildet ist. Die Höhe
des Verbindungselements 12 ist vorzugsweise größer als
die Wandstärke
d des zweiten Körpers 20 im
Bereich der Öffnung 22.
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Die
perspektivische Darstellung der 1A verdeutlicht
das Zusammenwirken des Verbindungselements 12 des ersten
Körpers 10 mit
der Öffnung 22 des
zweiten Körpers 20 sowie
mit zwei Werkzeugen 30,40 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Dabei deutet die axiale Übereinanderanordnung
von Öffnung 22 und
Verbindungselement 12 an, dass im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens der
erste und der zweite Körper 10, 20 derart
zusammengefügt
werden, dass das Verbindungselement 12 in die Öffnung 22 eingreift.
Wie in 1A zu sehen ist,
ist ein Formwerkzeug 30 und ein Gegenhalter 40 ebenfalls
axial zur Öffnung
und zum Verbindungselement 12 und zur Öffnung 22 angeordnet.
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Bei
dem ersten und dem zweiten Körper 10, 20 handelt
es sich vorzugsweise um metallische Bleche, wie sie in einer Vielzahl
von Produkten zum Einsatz kommen. Die Wandstärke der Bleche kann dabei in
weiten Maßen
variieren. Während
die Wandstärke
des zweiten Körpers 20 in
der Regel geringer als die des ersten Körpers 10 ist, können als
ersten Körper 10 in
der Regel Bleche bis 30 mm verarbeitet werden. Die Wandstärke des
ersten Körpers 10 spielt insofern
keine Rolle, als dass beim Fügeprozess
lediglich das Verbindungselement verformt wird. Bei dickerer Wandstärke der
ersten Körpers 10 kann
der Fügeprozess
auch ohne den in 1A gezeigten Gegenhalter 40 erfolgen,
da der erste Körper 10 dann
stabil genug ist, um dem Pressdruck des Formwerkzeugs 30 standzuhalten.
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1B zeigt den ersten und
den zweiten Körper 10, 20 nach
der Herstellung der erfindungsgemäßen Fügeverbindung. Dabei liegt der
erste Körper 10 mit
seiner ersten Kontaktfläche 11 an
der zu dieser reziproken zweiten Kontaktfläche 21 des zweiten Körpers 20 an.
Das Verbindungselement 12 des ersten Körpers 10 greift dabei
in die Öffnung 22 des zweiten
Körpers 20 ein
und hintergreif den zweiten Körper 20 im
Bereich der Öffnung 22.
In einem mittleren Bereich des Verbindungselements 12 ist
ein kegelförmiger
Abdruck 14 zu sehen, der durch das Eindrücken des
Dornes 31 in das zylinderförmige Verbindungselement 12 entstanden
ist. Wie der 1B zu entnehmen
ist, führte
das Eindrücken
des Dorns 31 zur Verdrängung
von Material aus dem mittleren Bereich des Verbindungselements 12 und
zu einem Querfluss dieses Materials über die Begrenzung der Öffnung 22 hinaus.
Dabei hat sich ein Bereich 12' des Verbindungselements 12 ausgebildet,
der den zweiten Körper 20 hintergreift
und diesen mit dem ersten Körper 10 formschlüssig verbindet.
Da hierbei im Vergleich zu anderen Umform-Verbindungsverfahren (z.B.
Nieten) lediglich ein kleiner Bereich des Verbindungselements 12 verdrängt wurde,
sind die beim Eindrückvorgang
beteiligten mechanisch Belastungen der beiden Körper 10, 20 relativ
gering.
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2A zeigt eine weitere Variante
des Erfindung mit einem eine längliche
Grundfläche 13 aufweisenden
Verbindungselement 12. Analog zur 1A zeigt diese Figur das Zusammenwirken
der beiden Körper 10, 20 und
der am Fügeprozess
beteiligten Werkzeuge 30, 40 in einer perspektivischen Darstellung.
Im Unterschied zur 1A ist
das Verbindungselement 12 des ersten Körpers 10 als länglicher
Zapfen ausgebildet, der in eine diesem angepasste längliche Öffnung 22 des
zweiten Körpers 20 eingreift.
Für den
Fügevorgang
kommt dabei vorzugsweise ein Formwerkzeug 30 zum Einsatz,
das einen Schneidkeil 32 aufweist. Der Schneidkeil 32 wird
dabei, wie in 2A verdeutlicht,
mittig über dem
länglichen
Verbindungselement 12 und parallel zur seiner Längsachse
angeordnet.
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Wie 2A zeigt, weist der erste
Körper 10 auf
der dem Verbindungselement 10 abgewandten Seite eine Vertiefung 16 auf,
die vorzugsweise entlang des gesamten Verbindungselements 12 ausgebildet
ist. Diese Vertiefung 16 kann Vorteilhafterweise je nach
Ausführungsform
zum Ansetzen Gegenhalters am ersten Körper 10 oder zum Platzieren
des ersten Körpers 10 im
Gegenhalter 40 genutzt werden. Wie aus 2A weiterhin ersichtlich, weist der Gegenhalter 40 eine
vorzugsweise zu dieser Vertiefung reziproke Struktur auf, so dass
der erste Körper 10 beim
Eingreifen des Gegenhalters 40 in die Vertiefung 16 lateral
fixiert wird. Die Vertiefung 16 resultiert vorzugsweise
aus einem dem Fügeprozess
vorangehenden Bearbeitungsschritt, wobei das Verbindungselement 12 in
einen Kalt-Umformprozess durch Pressen des ersten Körpers 10 mit
Hilfe eines Umformstempels 50 in ein Loch 52 einer
Umformmatrize 51 erzeugt wurde (hier nicht gezeigt).
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Die
Verwendung eines der Grundfläche 13 des
Verbindungselements 12 angepassten Schneidkeils 32 hat
den Vorteil, dass mit einem Bearbeitungsschritt eine relativ großflächige Fügeverbindung erzeugt
werden kann.
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2B zeigt die fertige Fügeverbindung nach
dem Zusammenfügen
der beiden Körper 10, 20.
Dabei wurde der Schneidkeil 32 in einen mittleren Bereich
des Verbindungselements 12 eingedrückt, wodurch ein über der Öffnung 22 des
zweiten Körpers 20 hervorstehender
Abschnitt des Verbindungselements 12 quer zur Eindrückrichtung
verdrängt wurde.
Wie 2B zeigt, ist dabei
deutlich ein Abdruck des Schneidkeils 32 in einem mittleren
Bereich des umgeformten Verbindungselements 12 zu sehen.
Der durch diesen Eindrückvorgang
verursachte Querfluss des Verbindungselementmaterials führte dazu,
dass das Verbindungselementmaterial über die Begrenzung der Öffnung 22 hinausgeflossen
ist, wodurch der zweite Körper 20 formschlüssig mit
dem ersten Körper
verbunden wurde. Aufgrund des relativ langen Umfangs der Öffnung 22 im
Vergleich zur ersten Ausführungsform
weist die dabei erzeugte Fügeverbindung
eine höhere
Stabilität
auf.
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3A bis 3G verdeutlichen schematisch einen vorteilhaften
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dabei zeigt 3A und 3B einen Vorprozess, bei
dem zunächst
das Verbindungselement 12 des ersten Körpers 10 erzeugt wird.
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3A zeigt den ersten Körper 10,
der vorzugsweise flächig
ausgebildet ist, in einem rohen Zustand. Wie hier gezeigt ist, wird
der unbearbeitete Körper 10 zwischen
einer ein Loch 52 aufweisenden Umformmatrize 51 und
einem Umformstempel 50 angeordnet. Der Umformstempel 50,
der axial mittig zum Loch angeordnet ist, weist vorzugsweise eine
im Vergleich zum Umfang des Lochs 52 größere Grundfläche auf.
Im folgenden Kalt-Umformprozess
wird der erste Körper 10 zwischen
dem Umformstempel 50 und der Umformmatrize 51 gepresst,
wobei aufgrund der Fließfähigkeit
des Materials des ersten Körpers 10 ein
Teil des ersten Körpers 10 in
das Loch 52 der Umformmatrize 51 fließt. Bei
diesem bekannten Prozess, der zum Umformen fließfähiger Materialien verwendet
wird, müssen
Drücke
erzeugt werden, die einen für
das verwendete Material charakteristischen kritischen Wert überschreiten,
um eine bleibende Formänderung
des Materials zu erreichen. Je nach Material kann der notwendige
Pressdruck dabei sehr hoch ausfallen. Da diese Methode eine hohe
mechanische Belastbarkeit sowie eine gute Fließeigenschaft erfordert, kommt
sie vorwiegend bei der Verarbeitung von Metall oder Metalllegierung zum
Einsatz.
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Durch
den Umformprozess wird der Umformstempel 50 in den ersten
Körper 10 hineingepresst, wodurch
eine Vertiefung 16 im ersten Körper
ausbildet wird. Das Volumen dieser Vertiefung 16 entspricht
in etwa dem Volumen des in das Loch 52 ausgewichenen Materials
des ersten Körpers 10.
Das so erzeugte Verbindungselement 10 steht mit einer vorgegebenen
Höhe h
vom ersten Körper
hervor und weist eine dem Loch 52 entsprechende Grundfläche 13 auf.
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3C zeigt einen ersten Schritt
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dabei werden der erste und der zweite Körper derart zusammengefügt, dass das
im Vorprozess erzeugte Verbindungselement in eine, ebenfalls in
einem Vorprozess erzeugte Öffnung
des zweiten Körpers 20 eingreift.
Dabei wurde die Höhe
h des Verbindungselementes 12 vorzugsweise so gewählt, dass
ein Teilbereich des Verbindungselementes 12 aus der Öffnung 22 hinausragt. Die
Größe der Öffnung 22 entspricht
in etwa der Grundfläche
des Verbindungselementes 12, wobei je nach Bedarf gewisse
Toleranzen zulässig
sind, um z. B. das Zusammenfügen
der beiden Teile zu erleichtern. Grundsätzlich gilt jedoch eine Passgenaue
Ausbildung der Öffnung
und des Verbindungselementes als ideal zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Fügeverbindung.
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Wie
in 3C dargestellt liegt
der zweite Körper
mit seiner zweiten Kontaktfläche
auf der ersten Kontaktfläche
des ersten Körpers 10 auf.
Dieser Zustand kann zusätzlich
durch Halteelemente (hier nicht gezeigt) für den nächsten Verarbeitungsschritt fixiert
werden.
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3D zeigt die beiden zusammengefügten Körper 10, 20 zwischen
einem Formwerkzeug 30 und einem Gegenhalter 40 einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Diese
Vorrichtung umfasst im einfachsten Fall das Formwerkzeug 30 und
den Gegenhalter 40, die axial zueinander beweglich ausgebildet
sind. Dabei kann das Formwerkzeug 30 und/oder der Gegenhalter 40 mit
Hilfe einer speziellen Mechanik gegeneinander gepresst werden (hier
nicht gezeigt). Als Presse kommen dabei hydraulische, pneumatische, elektrische,
mechanische oder manuelle Systeme zum Einsatz, die einen gewünschten
Anpressdruck erlauben. Das Formwerkzeug 30 weist dabei
vorzugsweise einen eine Spitze aufweisenden Querschnitt auf. Hierfür kommt,
je nach Anwendung, ein in der Mitte des Formwerkzeuges 30 angeordneter
spitzer Dorn 31 oder Schneidkeil 32 in Frage.
Wie 3D zeigt, weist
das Formwerkzeug 30 einen konkaven Verlauf mit einem in
Richtung des zweiten Körpers 10 verlaufenden
Randbereich 33 auf. Wie in 3E ersichtlich
dient dieser spezielle Profilverlauf des Formwerkzeugs 30 als
Führung
für das
fließende Material
des Verbindungselementes 12.
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Wie
aus 3D ersichtlich,
ist der Gegenhalter 40 vorzugsweise dem ersten Körper 10 angepasst.
Insbesondere kann der Gegenhalter 40 ausgebildet sein,
passgenau in die Vertiefung 16 des ersten Körpers 10 einzugreifen.
Besonders vorteilhaft ist es, den Umformstempel 50 aus
dem Vorprozess als Gegenhalter 40 zu nutzen. Ebenfalls
denkbar ist es, die Erzeugung des Verbindungselementes 12 im
Vorprozess und den eigentlichen Fügeprozess in einem Arbeitsgang
durchzuführen,
so dass der erste Körper 10 nach
dem Vorprozess innerhalb des Umformstempels 50 verbleibt
und lediglich die Umformmatrize 51 gegen das Formwerkzeug 30 ausgetauscht wird.
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3E zeigt die Situation aus 3D nach dem Eindrücken des
Verbindungselementes 12. Hierzu wurde das Formwerkzeug 30 mit
einer definierten Kraft in Richtung des Gegenhalters 40 gepresst.
Alternativ hierzu kann auch der Gegenhalter 40 in Richtung
des Formwerkzeuges 30 bzw. das Formwerkzeug 30 und
der Gegenhalter 40 gegeneinander gepresst werden. Durch
den Einrückvorgang, bei
dem der spitze Dorn 31 in einen mittleren Bereich des Verbindungselementes 12 eingedrückt wird, kommt
es in Abhängigkeit
vom jeweiligen Profil des eindringenden Dorns 31 zu unterschiedlichen
Verdrängungsprozessen
im oberen Bereich des Verbindungselementes 12. Die Richtung
eines Verdrehungsprozesses hängt
in erster Linie von der Art der Belastung und insbesondere vom Winkel
unter welchem der Dorn 31 in das Material des Verbindungselementes 12 eindringt.
Je spitzer der Dorn, umso ist größer die
Kraftkomponente senkrecht zur Eindrückrichtung. Ein stumpfwinkliger
Dorn hingegen weist eine hohe Kraftkomponente in Eindrückrichtung
auf. Je nach Anwendung lässt
sich mit Hilfe eines gezielt ausgewählten Profilverlaufs die Umformung
des Verbindungselementes individuell gestalten. Im vorliegenden
Fall zeigt der Dorn 31 in einem vorderen ersten Abschnitt
einen spitzwinkligen Verlauf, der kontinuierlich in Richtung Dornbasis
abflacht. So weist der Dorn 31 in einem zweiten Abschnitt
einen stumpfwinkligen Verlauf auf. Mit Hilfe dieser speziellen Ausführungsform
lässt sich
das Verhältnis
der beiden Kraftkomponenten zueinander gezielt steuern. So führt der
Dorn 31 mit seinem ersten Abschnitt einen Verdrängungsprozess
durch, der im Wesentlichen ein Ausweichen des Materials quer zur
Eindrückrichtung
bedingt. Mit dem zweiten Abschnitt des Dorns 31 hingegen
wird das Material des Verbindungselementes im Wesentlichen mit einer
in Einschubrichtung orientierten Kraftkomponente verdrängt, wodurch
ein Fließen
des Materials in sämtliche
Querrichtungen erzeugt wird. Das Zusammenwirken beider Kraftkomponenten
bedingt in erster Linie eine Verbreiterung des Verbindungselementes 12,
wobei im oberen Abschnitt des Verbindungselementes 12 Material über die
Begrenzung der Öffnung 22 hinaustritt
und dabei eine formschlüssige
Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Körper 10, 20 erzeugt
wird. Querflussprozesse des innerhalb der Öffnung befindlichen Abschnitts
des Verbindungselementes 12 können auch dazu führen, dass
Material an die Flanken der Öffnung 22 gepresst
wird. Hierbei kann durch den zusätzlichen
Kraftschluss die Festigkeit der Verbindung erhöht werden. Ferner kann die Fügeverbindung
hierdurch Vorteilhafterweise sogar gasdicht gestaltet werden.
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Die
unterschiedlichen Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Fügeverbindung
lassen sich insbesondere durch die Wahl eines geeigneten Formwerkzeuges 30 erzeugen.
Wie in 3F verdeutlicht,
dient der konkave Verlauf des Querschnittprofils des Formwerkzeuges 30 als
eine Art Führung für das Material
des Verbindungselementes 12. Aufgrund der in Richtung des
zweiten Körpers 20 verlaufenden
Randbereiche 33 des Formwerkzeuges 30 wird der
Querfluss des Materials des Verbindungselementes 12 über die Öffnung 22 hinaus
begrenzt.
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3F zeigt eine fertige Fügeverbindung zwischen
dem ersten und dem zweiten Körper 10, 20.
Die besondere Form des verwendeten Formwerkzeugs 30 bedingt
einen recht flachen Verlauf des Verbindungselements 12 oberhalb
des zweiten Körpers 20,
sowie einen relativ großen
Abschnitt 12' des Verbindungselements 12,
der den zweiten Körper 20 hintergreift.
Deutlich zu sehen ist der Abdruck 14 des Dorns 31 in
der Mitte des Verbindungselements 12.
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4A und 4B zeigen eine weitere Variante der Erfindung.
Dabei zeigt 4A den aus 3E bekannten Verfahrensstand,
wobei das Formwerkzeug 30 bereits in das Verbindungselement 12 eingedrückt ist.
Im Unterschied zu 3E kam
es aufgrund eines Querflusses des Materials des Verbindungselements 12 im
Bereich der Öffnung 22 des Verbindungselements 12 dazu,
dass das Material an die Flanken der Öffnung 22 gepresst
wird. Hierdurch wird die Stabilität der Fügeverbindung erhöht. Gleichzeitig
wird die Öffnung 22 gasdicht
abgeschlossen. Wie durch Vergleich mit dem Dorn 31 der 3E ersichtlich, weist der
in 4A gezeigte Dorn 31 des Formwerkzeugs 30 einen
flacheren Verlauf auf. Hierdurch wird mehr Material des Verbindungselements 12 in
Eindrückrichtung
gestaucht, wodurch wiederum der Querfluss des Materials im Bereich
der Öffnung 22 begünstigt wird.
Auch die Menge des verdrängten Materials
des Verbindungselementes 12 spielt für die Form des Endprodukts
eine wichtige Rolle. So kann über
das Verhältnis
von Höhe
h des Verbindungselements 12 und Wandstärke d des zweiten Körpers 20 die
Form des Endprodukts ebenfalls beeinflusst werden. Ferner bilden
weitere Faktoren, wie z.B. die Fließfähigkeit des Materials des ersten
Körpers 10, die
Eindrückgeschwindigkeit
des Formwerkzeugs 30 und die Temperatur, wichtige Prozessvariablen,
mit deren Hilfe die Fügeverbindung
den jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann.
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Die
folgenden Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung. 5A zeigt den Eindrückvorgang
des Verbindungselements 12 mithilfe eines kegelförmigen Dorns 31.
Der Winkel des Dorns 31 kann dabei in einem weiten Bereich
variieren. Je flacher der Dorn 31, desto höher ist
die in Eindrückrichtung
orientierte Komponente der auf das Verbindungselement 12 wirkenden
Eindrückkraft.
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5B zeigt einen zweistufigen
Dorn 31, der in einem vorderen ersten Abschnitt einen spitzwinkligen
und in einem zweiten hinteren Abschnitt einen stumpfwinkligeren
Verlauf zeigt. Mithilfe eines solchen Dorns 31 kann der
Eindrückprozess
gezielt gesteuert werden.
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5C zeigt eine weitere Variante
des Eindrückvorgangs,
wobei der verwendete Dorn 31 des Formwerkzeugs 30 analog
zur 5C einen ersten vorderen
Abschnitt mit einem spitzwinkligen Verlauf und einen zweiten hinteren
Abschnitt mit einem stumpfwinkligen Verlauf aufweist. Im Unterschied
zur 5B zeigt der Querschnitt
des Dorns 31 in 5C einen
kontinuierlichen Verlauf. Hierdurch kann der Eindrückvorgang
gleichmäßiger erfolgen.
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5D zeigt das bereits in 3E und 3F gezeigtes Ausführungsbeispiel, wobei das Formwerkzeug 30 in
seinem mittleren Bereich einen zur 5C analogen
Dorn 31 aufweist. Ferner weist das Formwerkzeug 30 einen
konkaven Verlauf, der als Führung
für das
verformte Material des Verbindungselements 12 dient.
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5E zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Hierbei weist der zweite Körper 20 eine Öffnung 22 auf,
deren Kanten kegelförmig verlaufen.
Das Verbindungselement 12, das im vorliegenden Fall mithilfe
eines kegelförmigen
Dorns 31 eingedrückt
wird, wird dabei derart verformt, dass es an die schrägen Seitenflanken
der Öffnung 22 gedrückt wird
und dadurch eine formschlüssige
Verbindung bildet.
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Die
in der vorangehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale
der Erfindung können
sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der
Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen wesentlich sein.