DE10318131B3

DE10318131B3 - Herstellung von Drei-Blech-Verbindungen

Info

Publication number: DE10318131B3
Application number: DE2003118131
Authority: DE
Inventors: Reinhard Schröter; Uwe Thamm
Original assignee: Edscha AG
Current assignee: Edscha Engineering GmbH
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2023-04-23

Abstract

3-Blechverbindungen bestehen aus zwei Außenblechen und einem Zwischenblech und sind durch Clinchen verbunden. In einer besonderen Ausführungsform kann das Zwischenblech auch aus mehreren Einzelblechen bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft Bauteilverbindungen, die aus zwei Außenblechen und einem Zwischenblech bestehen, die durch Clinchen verbunden sind und ein Verfahren zur Herstellung dieser Bauteilverbindungen.

Die Technik des "Clinchens" ist an sich bekannt (DIN 8593).

Bei vielen Anwendungen von Bauteilen der Technik ist es zweckmäßig, in weiten Bereichen Bleche aus Weichmetallen zu verwenden; lediglich an wenigen Stellen dieser Bauteile, an denen die Beanspruchung größer ist, ist es wünschenswert, Bleche aus Hartmetall zu verwenden. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass die Bleche aus Weichmetall an diesen Stellen durch Hartmetallblech unterfüttert werden. In anderen Fällen kann die Unterfütterung auch durch noch weichere Werkstoffe z. B. Kunststoff erfolgen (www.stainlessthyssenkrupp.com, Thyssen Krupp Stainless, Glossar 2002).

Die Verbindung von Weichmetall- und Hartmetallblechen zur Unterfütterung erfolgt bislang durch Schweißen, Nieten, Kleben und Clinchen (www.toxpressotechnik.de, 3Blech-Verbindungen am Seitenteil LKW-Sitz, 2003). Schweißverfahren haben den Nachteil, dass Probleme bei Blechdickenschwankungen auftreten können. Die thermische Beeinflussung führt zu Spannungen in der Verbindung und es kommt zu Verzug. Speziell beim Widerstandsschweißen bildet sich zusätzlich Kupfer, das speziell beim Flugzeugbau Probleme an der Außenhaut bereitet. Bei Niet- und Klebeverfahren müssen Hilfsfügeteile bzw. Zusatzwerkstoffe eingesetzt werden. Beim Kleben wird zusätzlich eine Oberflächenvorbehandlung benötigt.

Hinzu kommt, dass diese Arbeitsvorgänge zusätzliche Arbeitsschritte und Material (z.B. Nieten) erfordern. Hiermit sind zusätzliche Kosten verbunden. Beim Nieten und konventionellen Clinchen treten "runde Erhebungen" an den Außenblechen auf. Auch wenn man diese runden Erhebungen nachdruckt, können an diesen Verbindungspunkten keine ebenen Auflagen bzw. Befestigungsflächen angesetzt werden. Verbindungen von drei Blechen sind aus einer Entwicklung der Firma TOX^® PRESSOTECHNIK GmbH & Co. KG bekannt und werden beispielsweise bei Sitzbauteilen verwendet. Mit bis zu drei Verbindungspunkten, die einen Durchmesser von 12 mm aufweisen, werden Verbindungen von drei Blechen (z.B. ein 5 mm dickes Blech mit 2 Blechen von je 1,25 mm) druckgefügt. Bei dieser Verbindungsart ist ein Nachdrücken des Verbindungspunktes erforderlich, damit eine flache Verbindung entsteht. Die resultierende Materialverdrängung bewirkt sehr hohe Eigenspannungen im Material und verursacht eine extrem hohe Werkzeugbelastung.

Aus der DE 199 29 377 A1 sind Drei-Blech-Verbindungen bestehend aus zwei Außenblechen und einem Zwischenblech, die durch Clinchen verbunden sind, bekannt.

Aus der DE 18 07 770 A1 und der GB 10 35 459 sind Verbindungen zweier Bleche mittels Umformung eines ersten Bleches in ein vorbereitetes Loch eines weiteren Bleches unter Bildung einer Hinterschneidung bekannt.

Der voriegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, SandwichBauteile aus Weichmetallblech zur Verfügung zu stellen, die mit Hartmetallblech unterfüttert sind, wobei die Verbindung der Bleche in einfachen Arbeitsgängen und kostengünstig erfolgt. Zudem soll ein Verfahren zur Herstellung der Bauteile angegeben werden.

Hinsichtlich der Sandwich-Bauteile wird die Aufgabe durch Drei-Blech-Verbindungen bestehend aus zwei Außenblechen und einem Zwischenblech, die durch Clinchen verbunden sind gelöst, die dadurch gekennzeichnet sind, dass an den Verbindungsstellen in dem Zwischenblech aus Hartmetall ein Loch vorbereitet wird und durch das Clinchen die Außenbleche aus Weichmetall von beiden Seiten in das Zwischenblech umgeformt werden.

Bei den erfindungsgemäßen Sandwich-Bauteilen werden die beiden Außenbleche durch einen Stauch-Preß-Vorgang mit dem Innenblech durch Verdrängen und Verformen verbunden.

Die erfindungsgemäßen Sandwich-Bauteile weisen eine hohe Stabilität auf und lassen sich in einfacher Weise kostengünstig herstellen.

Unter "Clinchen" im Rahmen der vorliegenden Erfindung versteht man eine Verbindungstechnik die ohne Zusatz- oder Hilfsfügeteile eine unlösbare Verbindung durch lokale Kaltumformung herstellt. Bei der Umformung wird eine formschlüssige Verbindung erzeugt, die in der Vielfalt der möglichen Verbindungsarten groß ist. So wird die jeweilige Verbindungsaufgabe durch eine ausgewählte Clinch-Variante ideal gelöst.

Besondere Vorteile des Clinchens:

– Keine Zusatzwerkstoffe oder Hilfsfügeteile
– Keine thermische Beeinflussung
– Keine konservierende Nachbearbeitung
– Keine Oberflächenvorbehandlung
– Keine Probleme bei Blechdickenschwankungen
– Verbindungen von verschiedenen Blechen
– Verbindungen von Blechen aus unterschiedlichen Werkstoffen und Dicken

Die Dicke der Außenbleche und des Innenblechs hängt im allgemeinen von den technischen Gegebenheiten ab. Bevorzugt haben die Außenbleche eine Blechdicke von 2 bis 3 mm und das Innenblech Blechdicke von 3 bis 6 mm. Je nach Werkstoffauswahl und -kombination kann es hier zu Abweichungen kommen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt das Clinchen der beiden Außenbleche mit dem Zwischenblech an Verbindungsstellen an denen in dem Zwischenblech ein Loch, z.B. durch Bohren oder Lochen, vorbereitet wird und dass durch das Clinchen die Außenbleche von beiden Seiten in das Zwischenblech in einem Arbeitsschritt umgeformt werden.

Die Anzahl der Verbindungsstellen wird durch die gewünschte Festigkeit der Verbindung bestimmt. Im allgemeinen ist es ausreichend, pro Quadratmeter 50 bis 100 Verbindungspunkte, bevorzugt etwa 80 Verbindungspunkte, anzubringen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Ränder in den vorbereiteten Löchern im Zwischenblech als Hinterschnitte ausgebildet. Beim Clinchen werden dann die Außenbleche in die Hinterschnitte umgeformt; hierbei entsteht eine form- und stoffschlüssige Verbindung mit hoher Stabilität.

Im Rahmen der Erfindung kann der Hinterschnitt bevorzugt einen dreieckigen, einen runden oder einen rechteckigen Querschnitt, bevorzugt einen konkaven Querschnitt, aufweisen.

Die Hinterschnitte werden im allgemeinen durch Prägestempel oder durch Schleifen angebracht.

Die Höhe der Hinterschnitte entspricht im allgemeinen 35% des Lochdurchmessers.

Die Breite der Hinterschnitte in dem Loch liegen im allgemeinen im Radius zwischen 0,1 bis 1 mm.

In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Zwischenblech aus drei einzelnen Blechen bestehen (unteres, mittleres und oberes Zwischenblech). Die Hinterschnitte werden durch unterschiedliche Lochdurchmesser in den Einzelblechen erzeugt. Das mittlere Zwischenblech muss mit einem größeren Lochdurchmesser als das untere bzw. obere Zwischenblech versehen werden. Die Lochdurchmesser vom unteren und oberen Zwischenblech müssen gleich sein.

Als Außenbleche verwendet man in vorteilhafter Weise Weichmetalle und als Zwischenblech ein Hartmetall.

Weichmetalle im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind:

a) "Allgemeine Baustähle" z.B.: S355 JO (EN 10025) S235 JO (EN 10025)
b) "Feinkornbaustähle" z. B.: QstE380 TM (Zugfestigkeit 526 Mpa) oder S420 MC
c) Nicht-Eisen-Leichtmetalle (z. B. Al-Legierungen)
d) Nicht-Eisen-Schwermetalle (z.B. Kupferlegierungen)

Hartmetalle im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind im allgemeinen: Grundsätzlich alle Stähle und Nicht-Eisen-Metalle mit einer Zugfestigkeit, die größer als 526 Mpa ist.

a) 25MnV5
b) ZE 8001

Es wurde auch ein Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 10 gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Zwischenblech an den Verbindungsstellen ein Loch vorbereitet wird, und mit Stempel von beiden Seiten die beiden Außenbleche in das Loch gedrückt und umgeformt werden.

Stempel für das Drücken der Außenbleche in die Bohrungen sind an sich be kannt (www.balzen-technik.ch/produkte/2003). Werkstoff HWS und CPM 10 V oder Werkstoff HSS und Vanadis 23. DIN 9861.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist da durch gekennzeichnet, dass in" ein Zwischenblech ein Loch gestanzt (Prozeß "Scherschneiden") wird, durch eine spezielle Anprägung Hinterschnitte geformt werden und mit Stempel von beiden Seiten die beiden Außenbleche in das Loch gedrückt und in die Hinterschnitte umgeformt werden.

Da beim konventionellen Lochen keine zylindrischen Schnittflächen entstehen, können an Ober- und Unterseite des Zwischenblechs verschieden große Lochdurchmesser entstehen. Die geometrischen und stofflichen Asymmetrien beim Lochen haben eine unsymmetrische Ausbildung des Hinterschnitts beim anschließenden Stauchen des Mittelblechs zur Folge. Als Alternative zum konventionellen Lochen könnten das Bohren und das Feinschneiden oder Nachschneiden in Betracht gezogen werden. Diese Verfahren führen allerdings zu höheren Prozeßkosten.

Die Positionierung der Bohrung im Zwischenblech zu dem oberen und unteren Formstempel ist erforderlich. Das ist grundsätzlich keine wesentliche Schwierigkeit. Auf modernen Stanz-Biegeautomaten ist die takt- und positionsgenaue Zuführung Standard.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in drei Schritten wie folgt durchgeführt werden:

Erster Schritt "Lochfertigung":

Bei einem 3 mm starken Zwischenblech wird mit einem 6 mm Stempeldurchmesser ein Loch gestanzt. Die Maximalkraft liegt etwa bei 32 kN. Die Axialspannung im Schneidstempel beträgt etwa 1.100 N/mm².

Zweiter Schritt "Fasen anformen":

Am Zwischenblech werden durch beidseitige Stauchoperationen Fasen angeformt, die zu einer Hinterschnittbildung im Lochbereich führen. Bei der Gestaltung der Fasenstempel und der Zuführeinrichtung muss darauf geachtet werden, dass das Loch des Mittelbleches koaxial zu den Fasenstempeln plaziert wird.

Dritter Schritt "Clinchen":

In diesem Verfahrensschritt werden die beiden Deckbleche form- und kraftschlüssig mit dem Mittelblech verbunden. Auch bei diesem Verfahrensschritt ist auf eine koaxiale Anordnung des Loches im Mittelblech zu den Clinchstempeln zu achten. Das Füllen des Hinterschnitts durch die radiale Werkstoffverdrängung erscheint hinsichtlich des Werkstoffflusses unkritisch. Bei Clinchdurchmessern von 4,5 mm kommt es zu Stempelspannungen von ca. 2.500 N/mm².

Das erfindungsgemäße Verfahren kann anhand der 1 bis 10 erläutert werden:
Die 1 bis 8 zeigen die einzelnen Schritte des konventionellen Clinch-Vorgangs.
Die 9 bis 10 zeigen die einzelnen Schritte des alternativen Clinch-Vorgangs (mit dreilagigem-Zwischenblech).
In einem ersten Schritt (1, 2, 3) wird in dem Zwischenblech (4) ein Loch geschnitten bzw. gelocht.
In einem zweiten Schritt (4, 5, 6) wird das Zwischenblech (4) von einem oberen (2) und unteren (3) Blechhalter gehalten und mit einem oberen Fasenstempel (5) und unteren Fasenstempel (6) die Zwischenschnitte (13) angebracht.
7 zeigt das für das Clinchen vorbereitete Zwischenblech mit beidseitigen Hinterschnitten (13) an dem vorbereiteten Loch.
In dem folgenden Schritt (7, 8) wird das Zwischenblech (4) und die beiden Außenbleche (9, 10) von einem oberen (7) und unteren (8) Blechhalter gehalten und mit einem oberen (11) und einem unteren (12) Clinchstempel wird das Zwischenblech in die Hinterschnitte (13) umgeformt.
8 zeigt das fertig geclinchte Bauteil mit dem Zwischenblech (4) und den beiden Außenblechen (9, 10), wobei an dem Hinterschnitt (13) eine form- und stoffschlüssige Verbindung zwischen den Außenblechen und dem Zwischenblech entsteht.
In dem folgenden Schritt (9, 10) werden die Zwischenbleche (4a, 4b, 4c) und die beiden Außenbleche (9, 10) von einem oberen (7) und unteren (8) Blechhalter gehalten und mit einem oberen (11) und einem unteren (12) Clinchstempel wird das Zwischenblech in die Hinterschnitte (13) umgeformt.
8 zeigt das fertig geclinchte Bauteil mit dem Zwischenblech (4) und den beiden Außenblechen (9, 10), wobei an dem Hinterschnitt (13) eine form- und stoffschlüssige Verbindung zwischen den Außenblechen und dem Zwischenblech entsteht.
Die erfindungsgemäßen Sandwich-Bauteile lassen sich beispielsweise anwenden in:

– Türscharniere,
– Handläufe,
– Fensterrahmen
– Space Frame Konstruktionen
– Leichtbaukonstruktionen und grundsätzlich dort, wo aufgrund von Festigkeitseigenschaften eine Gesamtmindestblechdicke erforderlich ist, die aus mehreren verschiedenen Einzelblechdicken (aus Einzelblechen) durch Übereinanderlegen erzeugt wird.

1.: Schneidstempel
2.: oberer Blechhalter "Prozess Lochen"
3.: unterer Blechhalter "Prozess Lochen"
4.: Zwischenblech
4a: oberes Zwischenblech für Variante "Alternatives Zwischenblech"
4b: mittleres Zwischenblech für Variante "Alternatives Zwischenblech"
4c: unteres Zwischenblech für Variante "Alternatives Zwischenblech"
5.: oberer Fasenstempel
6.: unterer Fasenstempel
7.: oberer Blechhalter "Clinchprozess"
B.: unterer Blechhalter "Clinchprozess"
9.: oberes Deckblech
10.: unteres Deckblech
11.: oberer Clinchstempel
12.: unterer Clinchstempel
13.: Hinterschnitt

Claims

Drei-Blech-Verbindungen bestehend aus zwei Außenblechen und einem Zwischenblech, die durch Clinchen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verbindungsstellen in dem Zwischenblech aus Hartmetall ein Loch vorbereitet wird und durch das Clinchen die Außenbleche aus Weichmetall von beiden Seiten in das Zwischenblech umgeformt werden.
Drei-Blech-Verbindungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder der vorbereiteten Löcher im Zwischenblech zu Hinterschnitten senkrecht zur Ebene der Bleche ausgebildet sind.
Drei-Blech-Verbindungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschnitte mit einem dreieckigen Querschnitt ausgebildet sind.
Drei-Blech-Verbindungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschnitte zu einem runden Querschnitt ausgebildet sind.
Drei-Blech-Verbindungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschnitte zu einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet sind.
Drei-Blech-Verbindungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschnitte zu einem konkaven Querschnitt ausgebildet sind.
Drei-Blech-Verbindungen nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenbleche von beiden Seiten in die Hinterschnitte umgeformt werden.
Drei-Blech-Verbindungen nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe eines Hinterschnitts dem halben Durchmesser des vorbereiteten Lochs entspricht.
Drei-Blech-Verbindungen nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenblech aus drei Einzelblechen besteht, wobei die Hinterschnitte durch kleinere Durchmesser in den Löchern bei den beiden äußeren der Einzelbleche und durch ein Loch mit größerem Durchmesser bei dem mittleren Zwischenblech entstehen.
Verfahren zur Herstellung von Drei-Blech-Verbindungen bestehend aus zwei Außenblechen und einem Zwischenblech, die durch Clinchen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zwischenblech aus Hartmetall an den Verbindungsstellen ein Loch vorbereitet wird, und mit Stempels von beiden Seiten die beiden Außenbleche aus Weichmetall in das Loch gedrückt und umgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Rändern des Lochs Hinterschnitte angebracht werden und mit Stempel von beiden Seiten die beiden Außenbleche in das Loch gedrückt und in die Hinterschnitte umgeformt werden.