DE10359940A1

DE10359940A1 - Verfahren zum Anbringen eines Funktionselements, Funktionselement und Zusammenbauteil

Info

Publication number: DE10359940A1
Application number: DE2003159940
Authority: DE
Inventors: Oliver Diehl; Richard Dr. Humpert; Martin Spät
Original assignee: Profil Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Profil Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: DE10359940B4

Abstract

Ein Verfahren zum Anbringen eines Funktionselements an ein verformbares Metallteil unter Anwendung eines Hochdruckumformverfahrens, bei dem das Metallteil auf der dem Funktionselement abgewandten Seite mit einem Fluiddruck belastet und in einem Umformvorgang, ausgehend von einer Stirnseite des Funktionselements um mindestens einen Abschnitt des Funktionselementes herum und im Bereich einer sich radial nach innen erstreckenden eine Hinterschneidung bildenden Fläche des Funktionselementes zu einer ringförmigen radial nach innen gerichteten Ringfalz umgeformt wird, wobei das Funktionselement während dieses Umformvorganges abgestützt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass das Metallteil im Bereich der Anbringung des Funktionselements von einem einen Ausschnitt aufweisenden Werkzeug abgestützt wird, wobei der Ausschnitt Querabmessungen aufweist, die die entsprechenden Querabmessungen des Funktionselements um mindestens 50% übersteigen, dass das Metallteil in einem ersten Arbeitsschritt mittels Fluiddruck zu einer domförmigen Erhebung innerhalb des Ausschnitts umgeformt wird, und dass bei der Anbringung des Funktionselements dieses gegen die domförmige Erhebung gedrückt und zu einer Position gebracht wird, in der die genannte Stirnseite des Funktionselements auf der der domförmigen Erhebung abgewandten Seite der Eintrittsebene des Abschnitts sich befindet. Es wird auch ein Funktionselement und ein Zusammenbauteil beansprucht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen eines Funktionselements an ein verformbares Metallteil unter Anwendung eines Hochdruckumformverfahrens, bei dem das Metallteil auf der dem Funktionselement abgewandten Seite mit einem Fluiddruck belastet und in einen Umformvorgang um mindestens einen Abschnitt des Funktionselementes herum und im Bereich einer sich radial nach innen erstreckenden, eine Hinterschneidung bildenden Fläche des Funktionselementes, die der am Metallteil anliegenden Stirnseite des Funktionselementes abgewandt ist, zu einem ringförmigen radial nach innen gerichteten Ringfalz umgeformt wird, wobei das Funktionselement während dieses Umformvorganges abgestützt wird sowie ein Funktionselement zur Anwendung in diesem Verfahren und ein durch dieses Verfahren hergestelltes Zusammenbauteil.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 19508632 A1 bekannt. Dort wird ein Funktionselement in Form eines Mutterelementes an einem Blechformteil mittels eines (Innen-) Hochdruckumfomvorganges angebracht. Das Mutterelement wird während des Umformvorganges von einem beweglichen Dorn abgestützt und dieser Dorn hat einen am Gewinde vorgesehenen Vorsprung, der vor der Durchführung des Umformvorganges in das Mutterelement eingeschraubt wird. Durch Anbringung eines Umformdruckes auf der dem Dorn abgewandten Seite des Metallteils wird das Metall gegen die Stirnseite des Mutterelementes und um deren gerundete Außenkontur umgeformt und zu einem Ringfalz umgebildet, der in eine ringförmige Hinterschneidung eindringt, die sich zwischen dem Mutterelement und dem Dorn befindet. Durch eine Rückzugsbewegung des Dorns und damit auch der Mutter werden noch nicht vollends vom Blechformteilwerkstoff ausgefüllte Bereiche der Hinterschneidung verpresst. Es wird anschließend der Dorn vom Mutterelement durch eine überlagerte Dreh- und damit Rückzugsbewegung des Stempels erreicht, so dass nach einem Öffnen des Werkzeuges die zu einem Zusammenbauteil formschlüssig verbundenen Bauteile (Blechformteil und Mutterelement) gemeinsam aus dem Werkzeug entnommen werden können.

Ein Formschluss gegen Belastung mit Drehmomenten kann durch eine Mehrkantform an der Mutter erreicht werden.

Bei einer Ausführungsform weist der Gewindezapfen des Dornes eine gegenüber der Mutter geringere Höhe auf und des weiteren weist die Mutter in ihrer dem Blechformteil zugewandten Seite eine Ausnehmung auf, wodurch unter der Einwirkung des Umformdruckes ein Butzen aus dem Blechformteil herausgetrennt wird, so dass eine später in das Mutterelement eingeführte Schraube auch über die Stirnseite des Mutterelementes hinausragen kann.

Ein ähnliches Verfahren ist in der WO 02/060613 beschrieben, bei dem der Ringfalz in einer zweiten Phase des Umformvorgangs zwischen einer Umformfläche einer Matrize und der sich radial nach innen erstreckenden Fläche des Funktionselements flach gepresst wird. Dieses Verfahren lässt sich ohne eine Schraubverbindung zwischen dem Dorn und dem Mutterelement durchführen, was die Durchführbarkeit des Verfahrens erleichtert. Ferner erfolgt durch die Flachpressung des Ringfalzes eine festere Anbringung des Funktionselements am Metallteil. Beim Vorsehen von Verdrehsicherungsmerkmalen, insbesondere Nasen am Funktionselement im Bereich des Ringfalzes, kann auch ein sicheres Eingreifen der Verdrehsicherungsmerkmale in das Blechmaterial bzw. umgekehrt erreicht werden, wodurch die Verdrehsicherheit des Funktionselements mit dem Metallteil verbessert wird. Ferner beschreibt die WO 02/060613 verschiedene Möglichkeiten, einen Butzen aus dem Metallteil im Bereich der stirnseitigen Öffnung des Mutterelements herauszutrennen. Durch die Heraustrennung des Butzens ist es möglich, ein Bolzenelement in das Funktionselement so hineinzuführen, dass sein Schaftteil aus der Stirnseite des Funktionselements heraus- und durch das Metallteil hindurchragt.

Der vorliegenden Erfindung liegen verschiedene Aufgaben zugrunde.

Einerseits soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, das es ermöglicht, Funktionselemente zuverlässig in Metallteile bzw. Blechformteile anzubringen, ohne die Gefahr, dass das Metallteil im Bereich des Funktionselements reißt.

Ferner soll das Verfahren weitergebildet werden, so dass auch ohne Heraustrennen eines Stanzbutzens bei der Umformung des Metallteils eine Schraube durch ein als hohles Element bzw. Mutterelement ausgebildetes Funktionselement und durch das Metallteil hindurch geführt werden kann, und zwar ohne dass lose Materialfragmente entstehen.

Ferner sollen die Vorteile des in der WO 02/060613 beschriebenen Verfahrens beibehalten und insgesamt ein leistungsfähiges und preiswertes Verfahren vorgeschlagen werden, wodurch eine hochwertige Verbindung zwischen Funktionselement und Metallteil erreicht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgaben wird verfahrensmäßig so vorgegangen, dass das Metallteil im Bereich der Anbringung des Funktionselements von einem einen Ausschnitt aufweisenden Werkzeug abgestützt wird, wobei der Ausschnitt mindestens in der Eintrittsebene Querabmessungen aufweist, die die entsprechenden Querabmessungen des Funktionselements um mindestens 50 % übersteigen, dass das Metallteil in einem ersten Arbeitsschritt mittels Fluiddruck zu einer domförmigen Erhebung innerhalb des Ausschnitts umgeformt wird und dass bei der Anbringung des Funktionselements dieses gegen die domförmige Erhebung gedrückt und zu einer Position gebracht wird, in der die genannte Stirnseite des Funktionselements auf der der domförmigen Erhebung abgewandten Seite der Eintrittsebene des Ausschnitts um einen Betrag vor dieser Eintrittsebene von mindestens der doppelten Metalldicke im Bereich des Ausschnitts, vorzugsweise ein mehrfaches dieser Metallteildicke, sich befindet.

Durch die Ausbildung der domförmigen Erhebung wird die Wand des Metallteils, sei es ein Blechformteil oder beispielsweise ein rohrförmiges Gebilde, im Bereich der späteren Anbringung des Funktionselementes gestreckt, so dass ein flächenmäßig größerer Wandbereich im Bereich des Ausschnittes zur Verfügung steht und leichter um das Funktionselement herum geformt werden kann. Nach Ausbildung der domförmigen Erhebung wird das Funktionselement gegen die domförmige Erhebung gedrückt und der entsprechende Wandbereich wird von einer bisher konvexen Form in eine eher konkave Form gebracht, vom auf der dem Befestigungselement entgegengesetzten Seite des Metallteils vorliegenden Umformdruck beaufschlagt und an die Oberfläche des Befestigungselements gedrückt. Dabei kann das Blechmaterial in einen Ringfalz überführt werden, der in die genannte Hinterschneidung des Funktionselementes eingreift und entweder entsprechend der Vorgehensweise in der deutschen Patentschrift 195 08 863 C1 oder entsprechend dem Verfahren, das in der WO02/060613-Schrift beschrieben ist, anschließend flach gepresst wird, wodurch die Anbringung des Befestigungselements an das Metallteil an sich abgeschlossen ist.

Es soll an dieser Stelle kurz auf die DE 197 33 477 C2 hingewiesen werden, die ein Verfahren zum Herstellen eines mit einem Fügeteil verbundenen von einer Ausgangsform mittels Innenhochdruck in eine Endform umgeformten Hohlprofils beschreibt, wobei das Fügeteil in die Wandung des Hohlprofils im Zuge der Innenhochdruck-Umformung eingebracht und mit diesem unter Einwirkung des Innenhochdrucks in einer formschlüssigen Einfassung verbunden wird. Mit dem dort beschriebenen Verfahren wird mittels des Innenhochdrucks ein nach außen ragendes Formelement am Hohlprofil ausgeformt. Ferner wird das Hohlprofil auf einem Abschnitt abseits des Formelements durch Erzeugen eines Innenhochdrucks und unter axialem Nachschieben des Hohlprofilmaterials mit einem wesentlich höheren Umformgrad als dem für die Herstellung des Formelements erforderlichen Umformgrads umgeformt. Anschließend wird das Wandungsmaterial des Formelements mittels eines das Fügeteil haltenden Stempels dem bestehenden Innenhochdruck entgegenwirkend in die formelementfreie Form der Hohlprofilwandung zurückgedrückt und das Fügeteil im Anschluss an das Zurückdrücken in den zurückgedrückten Bereich der Hohlprofilwandung hineingepresst.

Bei der dort beschriebenen Vorgehensweise finden also mindestens zwei Umformvorgänge gleichzeitig statt und es wird auf jeden Fall das axiale Nachschieben des Hohlprofilmaterials in der DE 197 33 477 C2 konkret gefordert.

Die Gestalt des Formelements, das am Hohlprofil ausgeformt wird, entspricht zumindest im Wesentlichen der Außenform des Fügeteils und ist im gezeigten Beispiel als zylindrischer Vorsprung zu verstehen, wobei dieser Vorsprung Querabmessungen aufweist, die dem Durchmesser des Fügeteils entsprechen.

Durch die gewählte Größe und Formgebung des Formelements, das am Hohlprofil ausgeformt wird, wird dem Blechmaterial eine höhere Umformung abverlangt, da der entsprechende Wandbereich sozusagen umgestülpt wird, um das Fügeteil mit der Wandung des Formelements zu umschließen. Hierdurch erfährt der entsprechende Wandbereich des Metallteils einen sehr hohen Umformungsgrad, der eine hohe Umformungsarbeit umfasst und die Gefahr in sich birgt, dass das Metallteil lokal einreißt.

Dadurch, dass der Ausschnitt im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens Querabmessungen aufweist, die mindestens 50 % größer sind als die entsprechenden Querabmessungen des Funktionselementes, kann anstatt eines zylinderförmigen Vorsprungs eine domförmige Erhebung mit einer sanften Krümmung erzeugt werden, die wiederum bei der Umstülpung auch nur in eine sanfte Gegenkrümmung übergeführt werden muss, aber dennoch genügend Wandfläche im Bereich der Anbringung des Funktionselementes schafft, um dieses wie erwünscht mit Metallmaterial zu umschließen. Aufgrund der sanften Krümmung sowie der im Vergleich zum Stand der Technik reduzierten Umformarbeit ist die Gefahr von Rissbildung weitestgehend gebannt. Da der Metallwirkstoff bzw. das Blechmaterial nur in sanften Kurven umgeformt wird, entstehen auch keine Knickstellen und es wird weitestgehend Faltenbildung vermieden, die der Qualität der fertigen Verbindung abträglich wäre.

Besonders günstig ist es, wenn die Querabmessungen des Ausschnitts im Bereich zwischen 1.5 und 4 mal, vorzugsweise von 2 bis 3,5 mal und insbesondere 3 mal größer sind als die entsprechenden Querabmessungen des Funktionselements.

Es ist nicht zwingend erforderlich, dass das Funktionselement in Draufsicht kreisrund ist, es kann beispielsweise in Draufsicht eine ovale Form oder eine polygonale Form aufweisen. Denkbar wäre auch eine Rechteckform mit gerundeten Außenkanten, damit das Blechmaterial nicht dazu neigt, an scharfen Kanten unter den herrschenden Drücken zu reißen.

Das Verfahren lässt sich besonders gut durchführen, wenn ein Funktionselement mit einer zylinderförmigen Mantelfläche verwendet wird und der Ausschnitt in Draufsicht kreisrund ist, wodurch die Querabmessung des Ausschnitts einem konstanten Durchmesser im Bereich der Eintrittsöffnung des Ausschnittes entspricht und die Querabmessungen des Funktionselementes ebenfalls einem konstanten Durchmesser des Funktionselements, dem größten Durchmesser, entsprechen. Bei dieser Ausführungsform kann der Ausschnitt ein zylinderförmiger Ausschnitt sein, der durch einen einfachen Bohrvorgang hergestellt werden kann.

Es ist also gar nicht notwendig, die Formgebung des Ausschnittes innerhalb des Werkzeugs an die gewünschte geometrische Form der domförmigen Erhebung anzupassen, obwohl dies auch möglich wäre und im Rahmen der Erfindung liegt. Eine solche Anordnung hätte den besonderen Vorteil, dass man hierdurch die genaue Form der domförmigen Erhebung durch eine entsprechende Formgebung des Ausschnittes vorgeben und somit die Streckung des Metallwerkstoffes in alle Richtungen kontrollieren und an die Form des Funktionselementes anpassen könnte.

Das Funktionselement kann wie bisher am Stirnende eines Stempels angeordnet werden, der für die Bewegung des Funktionselementes in die genannte Position vor der Eintrittsebene des Ausschnitts sorgt.

Das Funktionselement kann bei der Ausformung der domförmigen Erhebung in einem Abstand von der Eintrittsebene des Ausschnittes innerhalb des Ausschnittes gehalten und dazu genutzt werden, den obersten Punkt der domförmigen Erhebung zu begrenzen. Diese Funktion kann auch vom Stirnende des Stempels erfüllt werden, wenn sich der Stempel durch eine mittlere Bohrung des Funktionselementes hindurch erstreckt und gegebenenfalls aus der Stirnseite des Funktionselementes hinausragt, beispielsweise mit einem gerundeten Stirnende.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Stempel, an dessen Ende das Funktionselement angeordnet ist, in einer Längsbohrung einer Matrize angeordnet ist, die selbst innerhalb des Ausschnitts verschiebbar angeordnet ist, wobei die Stirnseite der Matrize von einer Position entfernt von der Eintrittsebene des Ausschnittes zu einer Position gebracht werden kann, in der mindestens eine ringförmige Abstützfläche der Matrize zumindest in der Nähe der genannten Eintrittsebene und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen in dieser Eintrittsebene liegt.

Der Ausschnitt kann somit nicht nur durch eine einfache Bohrung realisiert werden, sondern kann zugleich als Führungsbohrung für die Matrize dienen und auch Platz schaffen, um die Matrize im Werkzeug aufzunehmen. Dies führt zu einer rationellen Herstellung der verwendeten Bauteils.

Besonders günstig ist es, wenn zur Ausbildung der domförmigen Erhebung ein niedrigerer Fluiddruck verwendet wird und im Anschluss an die Bewegung des Funktionselementes zu der genannten Position ein höherer Druck verwendet wird, um das Blechmaterial an die Außenform des Funktionselementes anzuschmiegen.

Durch Steuerung des maximalen Pegels des niedrigeren Fluiddrucks kann die Ausbildung der domförmigen Erhebung unter Berücksichtigung der Wandstärke und Festigkeit des Metallteils im Bereich des Ausschnittes sowie entsprechend dem jeweiligen Funktionselement vorgegeben werden. Der Druck selbst sorgt für die erwünschte gerundete Form der domförmigen Erhebung.

Der höhere Druck oder ein (anderer) höherer Druck wird dann verwendet, um einen Nietabschnitt des Funktionselementes in Zusammenarbeit mit der genannten Matrize zu einem Nietbördel umzuformen, so dass der Ringfalz, der zwischen dem Nietbördel und der genannten sich radial nach innen erstreckenden, die Hinterschneidung bildende Fläche des Funktionselementes gefangen ist, gepresst wird, wodurch etwaige Verdrehsicherungsmerkmale, die im Bereich der Hinterschneidung vorliegen, in den Metallwerkstoff eingepresst werden und für die erwünschte Verdrehsicherung sorgen.

Für das erifndungsgemäße Verfahren wird in besonders günstiger Weise ein Funktionselement verwendet, bei dem das Funktionselement durch einen Hohlkörper gebildet wird, mit einer ersten Stirnseite, die über eine ausgeprägte Wölbung in eine Mantelfläche des Elements übergeht und mit einer zweiten Stirnseite, die durch einen Nietabschnitt gebildet wird, wobei im Bereich der Mantelfläche eine eine Hinterschneidung bildende Ringschulter zwischen der Wölbung und dem Nietabschnitt vorliegt, mit dem besonderen Kennzeichen, dass an der ersten Stirnseite des Funktionselements mindestens eine sich radial erstreckende Nut vorgesehen ist.

Besonders günstig ist es, wenn die sich radial erstreckende Nut eine Bodenfläche aufweist, die derart geneigt ist, dass die Nut an der ersten Stirnseite des Funktionselements benachbart zu einer Längsbohrung des Funktionselements ihre größte Tiefe aufweist und die Tiefe in Richtung radial nach außen abnimmt. Dabei kann die Nut im Bereich des Übergangs der ringförmigen ersten Stirnseite in die genannte Wölbung auslaufen.

Sinn der Nut ist es, einen Scharnierbereich zu bilden. Es ist nämlich erfindungsgemäß anerkannt worden, dass, wenn eine Schraube in ein als Mutterelement ausgebildetes Funktionselement hineingeschraubt wird, das freie Stirnende der Schraube dazu verwendet werden kann, eine zumindest im Wesentlichen kreisförmige Scheibe aus der Wandung des Metallteils herauszupressen, wobei die Scheibe über eine Metallbrücke, die als Scharnier wirkt, mit dem Metallwerkstoff verbunden ist, der das Funktionselement umschließt. Hierdurch wird verhindert, dass die so gebildete Scheibe als loses Teil innerhalb des üblicherweise als Rohrteil ausgebildeten Metallteils vorliegt und im Gebrauch des Gegenstands zu unerwünschten Klappergeräuschen führt. Da erfindungsgemäß diese Scheibe über das Scharnier am Blechteil gehalten wird, sind von der Scheibe ausgehende Klappergeräusche nicht mehr zu erwarten.

Besonders günstig ist es, wenn eine Schraube mit ZA-Spitze verwendet wird, da der entsprechende zapfenförmige Vorsprung am freien Stirnende des Schaftteils der Schraube eine Scheibe aus dem Metallteil mit einem Durchmesser heraustrennt, der zumindest im Wesentlichen dem Kerndurchmesser des Gewindes der Schraube entspricht. Bei fortschreitender Einschraubung der Schraube in das Funktionselement bildet das Gewinde der Schraube Gewindegänge im Rand des Materialwerkstoffs, wo die Scheibe herausgetrennt wurde, und es entsteht somit eine reibungsbehaf tete Verbindung zwischen der Schraube und dem Metallwerkstoff, die eine Art selbsthemmende Schraubensicherung bildet. Auch wird auf diese Weise eine innige Verbindung zwischen der Schraube und dem Metallwerkstoff herbeigeführt, die sich für eine elektrisch leitende Verbindung, beispielsweise für eine Masseverbindung, gut eignet.

Besonders günstige Formgebungen des erifndungsgemäßen Funktionselementes sowie des durch Anbringung des erfindungsgemäßen Funktionselementes an ein Metallteil erzeugten Zusammenbauteils ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in welcher zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch ein Werkzeug zur Anbringung eines Funktionselements an einem Metallteil, das mittels eines Hochdruckumformverfahrens bearbeitet wird, wobei hier verschiedene Verfahrensvarianten gezeigt sind,
2 eine Darstellung des unteren Werkzeugs der 1 in einem zweiten Schritt des Verfahrens zur Anbringung eines Funktionselements an das Metallteil,
3 eine Darstellung ähnlich der 2, jedoch von einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine Darstellung ähnlich der 3, jedoch von einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 das fertig gestellte Bauteil nach Entnahme aus dem Werkzeug der 4,
6 eine Darstellung der Anschraubsituation, bei der ein weiteres Bauteil an das aus dem Metallteil und dem als Befestigungselement realisierten Funktionselement bestehenden Zusammenbauteil mittels einer Schraube befestigt wird,
7 einen Blick in Pfeilrichtung VII der 6,
8A–8F verschiedene Darstellungen eines erfindungsgemäßen Funktionselements, wobei die 8A eine Stirnansicht von unten, 8B eine Seitenansicht, 8C eine Draufsicht von oben, 8D einen axialen Schnitt und die 8E und 8F perspektivische Darstellungen des erfindungsgemäßen Funktionselements zeigen, wobei bei den 8E und 8F der Maßstab kleiner gewählt ist als bei den 8A bis 8D.
9 eine schematische Darstellung der bevorzugten geometrischen Verhältnisse zwischen einem Funktionselement mit einer kreisrunden Form in Draufsicht und der entsprechende kreisförmige Ausschnitt im Werkzeug zur Anbringung des Funktionselementes an das Blechteil mittels Hochdruckumformung,
10 eine Darstellung ähnlich der 9, jedoch in diesem Fall mit einem Funktionselement mit einer ellipsenartigen Form in Draufsicht,
11 eine Darstellung ähnlich der 9 und 10 jedoch in diesem Fall mit einem in Draufsicht rechteckigen Funktionselement,
12 eine Darstellung wiederum ähnlich der 9 jedoch in diesem Falle in Draufsicht auf ein Element mit achteckiger Form,
13 eine Darstellung ähnlich der 12, bei der jedoch gerundete Rippen an den Ecken des achteckigen Elements gemäß 12 vorhanden sind und
14 eine Darstellung ähnlich der 13, bei der gerundete Längsnuten an den Ecken des achteckigen Elements anstelle von Rippen vorgesehen sind.
Bezug nehmend auf die 1 wird zunächst ein Werkzeug 10 gezeigt, das zur Anbringung eines Funktionselements 12 an einem Metallteil 14 mittels eines Hochdruckumformverfahrens ausgelegt ist.
Es sind in 1 verschiedene Varianten gezeigt, die kurz erläutert werden, um einige grundlegende Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens darzustellen.
Das Bezugszeichen 16 betrifft ein oberes Werkzeug mit einer kreisrunden Ausnehmung 18 und mit einer unteren Stirnseite 20, die auf das Metallteil 14 gedrückt wird, wobei eine Dichtung schematisch als Ringdichtung 22 gezeigt in einer umlaufenden Nut 24 des oberen Werkzeugs 16 vorgesehen ist.
Eine nicht dargestellte Einrichtung, z.B. eine Presse oder ein anderes Werkzeug, drückt das obere Werkzeug 16 fest gegen das an der oberen Ringfläche 26 des unteren Werkzeugs 10 abgestützte Metallteil 14, wobei die Ringdichtung 22 den Raum 18 abdichtet, der zwischen der Kammer 18 des oberen Werkzeugs und dem Blechteil 14 ausgebildet ist.
Bei dieser Variante hat das als Blechteil realisierte Metallteil 14 ursprüngliche eine plane Gestalt, die durch die gestrichelte Linie 28 angedeutet ist. Das untere Werkzeug 10 weist einen zylinderförmigen Ausschnitt 30 auf, in dem eine Matrize 32 mit einem mittleren Dorn 34 (auch Stempel oder Stößel genannt) verschiebbar gelagert ist. Die Ausbildung der Matrize 32 und des Stempels 34 entspricht der Auslegung, die in der WO 02/060613 im Detail beschrieben ist. Das Funktionselement 12 ist allerdings etwas anders ausgebildet als dort beschrieben, was aber für das hier beschriebene Verfahren zunächst nicht von größerer Bedeutung ist und erst später im Bezug auf 8 im Detail beschrieben wird. Das in 1 (und 8A bis 8F) gezeigte Funktionselement 12 weist einen Kopfteil 13 mit einer Stirnseite 15 auf, die über die Wölbung 17 in eine Ringschulter 36 übergeht. Unterhalb der Ringschulter 36 in 1 befindet sich ein Zylinderbereich 40 und ein Nietabschnitt 38. Der Nietabschnitt 38 weist auf der Innenseite sich axial erstreckende Nuten auf, die die Umformbarkeit des Nietabschnittes zur Ausbildung eines Nietbördels verbessern, wie später näher erläutert wird.
Man sieht aus den 1 bis 4, dass die Matrize 32 einen ringförmigen Vorsprung 44 aufweist, der in den zylinderförmigen Nietabschnitt 38 hineinragt und über einen Radius 46 in eine ebene Ringfläche 48 an der Stirnseite der Matrize übergeht. Diese Ringfläche 48 geht über eine Ringschulter 50 in die Stirnfläche 52 der Matrize 32 über, die in einer Ebene liegt, die senkrecht zur mittleren Längsachse 54 des Ausschnitts steht, die zugleich die mittlere Längsachse des Funktionselements 12, der Matrize 32 und des mittig angeordneten Stempels 34 ist.
Man merkt, dass der Stempel 34 einen zylindrischen Zapfen 56 an seinem in 1 oberen Stirnende aufweist, wobei die Stirnseite 58 des Zapfens 56 in der gleichen Ebene liegt wie die obere Stirnseite 15 des Funktionselementes 12. Der Zapfen 56 geht über eine Ringschulter 62, die in einer Ebene ebenfalls senkrecht zu der mittleren Längsachse 54 liegt, in die zylindrische Außenfläche 64 des Stempels 34 über. Diese Ringfläche 62 stützt das Funktionselement 12 in 1 von unten ab, und zwar durch Berührung mit der Ringschulter 66 des Funktionselements 12.
Der Zapfen 56, der sich innerhalb der mittleren Längsbohrung 68 des Funktionselementes 12 befindet, die als Gewindebohrung ausgeführt werden kann, hier aber als zylindrische Bohrung ausgeführt ist, zentriert das Funktionselement 12 in Bezug auf die Matrize 32.
Man sieht aus 1, dass der Ausschnitt 30 des unteren Werkzeugs 10, hier als Zylinderbohrung ausgeführt, Querabmessungen, d.h. Durchmesser aufweist, die die entsprechenden Querabmessungen des Funktionselements, d.h. den maximalen Durchmesser des in Draufsicht kreisrunden Funktionselementes 12 um etwa 200 % übersteigen, d.h. der Durchmesser des Ausschnittes 30 entspricht dem Dreifachen des Außendurchmessers des Funktionselementes 12.
In einem ersten Arbeitsschritt wird ein Druckfluid über die Bohrung 70 in die Kammer 18 hineingeführt und führt dazu, dass das Blechteil aus der Ursprungslage 28, in der die Unterseite des Blechteils mit der Eintrittsebene 74 des Ausschnitts 30 fluchtet, in die Position verformt wird, die durch durchgehende Linien gezeigt ist, d.h. es wird eine domförmige Erhebung im Blechteil 14 erzeugt, wobei diese domförmige Erhebung 76 in diesem Beispiel unterhalb der Stirnseite 26 des unteren Werkzeugs 10 ausgebildet ist. Es versteht sich aber, dass die Orientierung für das Werkzeug und das System, das in 1 gezeigt ist, lediglich beispielhaft angegeben ist, das Verfahren bzw. das Werkzeug kann in einer beliebigen Orientierung betrieben werden.
Der Vorteil der in 1 gezeigten Orientierung liegt darin, dass das Funktionselement 12 auf den Zapfen des Stempels 34 platziert werden kann und durch Schwerkraft in seiner Position gehalten wird. Diese Platzierung kann beispielsweise durch einen Roboter erfolgen. Es ist außerdem möglich, den Stempel 34 alleine oder mit der Matrize 32 nach oben zu verschieben, beispielsweise in die Stellung gemäß 2, um bei geöffnetem Werkzeug, d.h. mit dem oberen Werkzeug 16 entfernt vom unteren Werkzeug 10 und vor Einführung des Blechteils 14, das Funktionselement auf das freie Stirnende des Stempels 34 zu platzieren.
Sollte eine andere Orientierung gewählt werden, kann beispielsweise der Stempel 34 magnetisch ausgeführt oder mit einem Magneten versehen werden, der sicherstellt, dass das Funktionselement am Stempel haftet. Auch könnte entsprechend der DE 195 08 632 A1 der Zapfen 56 des Stempels 34 mit einem Gewinde und das Funktionselement 12 mit einem inneren Gewinde in der mittleren Bohrung 68 versehen werden, so dass das Funktionselement auf den Zapfen des Stempels 34 aufgeschraubt werden kann. Dies ist allerdings nicht bevorzugt, da es sowohl die Anbringung des Funktionselementes an den Stempel und die Entfernung des Stempels aus dem Funktionselement 12 verkompliziert und beispielsweise eine Drehbewegung des Stempels erforderlich macht.
Besonders vorteilhaft beim erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die domförmige Erhebung bei einem niedrigeren Druck 18 in der Kammer von beispielsweise unter 130 Bar ausgebildet werden kann und aufgrund der Druckverteilung automatisch die sanft gerundete Form annimmt, die in 1 dargestellt ist. Die Angabe 130 Bar für den niedrigeren Druck ist natürlich abhängig von der Dicke und Festigkeit des Blechteils und vom Durchmesser des Ausschnittes 30 und soll nur als Beispiel betrachtet werden. Ein Druck von ca. 130 Bar kann beispielsweise mit einem Stahlblech in einer üblichen Tiefziehqualität mit einer Stärke von 1 mm und mit einem Ausschnitt von 40 mm Durchmesser verwendet werden.
Die Erfindung kann nicht nur mit einem Metallteil 14 in Form eines Blechteils, sondern kann auch mit einem Metallteil 14 in Form eines Rohres 14' verwendet werden, wobei dann das mit 14 bezeichnete Metallteil die Unterseite des Rohres darstellt. Bei Verwendung eines Rohrteils muss das obere Werkzeug 16' je nach Querschnittsform des Rohres eventuell so ausgelegt werden, dass es mit dem unteren Werkzeug 10 an einer Trennebene außerhalb des Bereiches des Ausschnittes 30 zusammenkommt, damit das Rohr 14' an allen relevanten Oberflächen abgestützt ist, so dass es nicht zu unerwünschten Verformungen kommt.
Beispielsweise kann, wenn es sich um ein im Querschnitt quadratisches Rohr 14' handelt, die Trennebene E bündig mit der oberen Stirnseite 26 des unteren Werkzeuges 10 liegen. Handelt es sich bei dem Rohrteil 14' um ein Rohr mit kreisförmigem Querschnitt, so wäre die Trennebene zwischen dem oberen Werkzeug 16' und dem unteren Werkzeug 10 bei E' zu platzieren, damit die obere und untere Hälfte des Rohrquerschnittes in jeweilige halbkreisförmige Aufnahmen gelegt sind. In diesem Falle ist die Eintrittsebene 74 des Ausschnittes 30 nicht unbedingt plan, sondern könnte entsprechend dem gekrümmten Querschnitt des Rohres eine gekrümmte Form aufweisen.
Auch ist es keinesfalls zwingend erforderlich, dass das Rohr einen kreisförmigen Querschnitt oder einen rechteckigen Querschnitt aufweist, es kommen beliebige Querschnittsformen in Frage. Es muss nur sichergestellt werden, dass der Querschnitt überall dort abgestützt ist, wo eine unerwünschte Verformung durch den Innenhochdruck verhindert werden soll.
Bei Verwendung eines Rohres wird der Druck üblicherweise von einem oder von beiden Rohrenden erzeugt, d.h. das Rohr wird dort abgedichtet und das Druckfluid dort eingeführt.
Anstatt ein Rohr zu verwenden, kann das Innenhochdruckumformverfahren auch mit Blechformteilen verwendet werden, die aneinander geschweißt sind, um einen Hohlraum zu bilden. Beispielsweise zeigt die 1 als weitere Alternative zwei Blechformteile 14'' und 14''', die in einer Ebene E'' mit einer umlaufenden Schweißnaht 80 aneinander geschweißt sind. Auch die Blechformteile 14'' und 14''' müssen vom oberen bzw. unteren Werkzeug 16', 10 abgestützt werden (hier nicht gezeigt), wobei in beiden Werkzeughälften ein formgebender Ausschnitt vorgesehen ist, der die Blechteile 14'', 14''' an Stellen abstützt, wo keine Verformung gewünscht ist und an anderen Stellen gegebenenfalls Freischnitte aufweist, die für eine besondere weitergehende Formgebung der Metallteile 14'', 14''' mittels des im Innenhochdruckumformverfahrens sorgen sollen.
Bei diesem Beispiel ist die Trennebene zwischen dem oberen Werkzeug 16 und dem unteren Werkzeug 10 üblicherweise bei E'' gewählt.
Es muss natürlich eine Druckzuführpassage 70 in mindestens einem der Metallteile 14'', 14''' vorgesehen werden.
Bei all diesen Ausführungsformen wird bei Erzeugung des erforderlichen Druckes eine domförmige Erhebung entsprechend der domförmigen Erhebung 76 in 1 im entsprechenden Metallteil 14, 14', 14'' bzw. 14''' erzeugt.
Nach Ausbildung der domförmigen Erhebung wird die Matrize 32 mit dem Stempel 34 angehoben, und zwar vorzugsweise so, dass das Funktionselement 12 aus der in 1 gezeigten Position in die Position gemäß 2 bewegt wird. In dieser Position gemäß 2 liegt die Stirnseite 52 der Matrize in der gleichen Ebene E wie die Stirnseite 26 des unteren Werkzeugs 10C und die obere Stirnseite 15 des Funktionselements ist nunmehr in eine Position gebracht worden, in der sie auf der der domförmigen Erhebung abgewandten Seite der Eintrittsebene 72 des Ausschnitts um einen Betrag B vor dieser Eintrittsebene liegt, wobei der Betrag B ein Mehrfaches der Metallteildicke (d) im Bereich des Ausschnittes 30 beträgt, hier beispielsweise das 5-fache der Blechteildicke.
In 2, wie bei den weiteren 3 und 4, wurde das obere Werkzeug 16 der Einfachheit halber weggelassen, es versteht sich aber, dass während dieser Bewegung der Matrize 32 mit Stempel 34 und Funktionselement 12 ein Druck P2 oberhalb des Blechformteils herrscht, der das Blechformteil wenigstens im Bereich außerhalb des Ausschnittes in Berührung mit der Stirnseite 26 des unteren Werkzeuges 10 hält. Dieser Druck P2 kann beispielsweise gleich P1 sein oder höher oder gar niedriger liegen.
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, führt die Ausbildung der domförmigen Erhebung zu einer Streckung des Blechteils 14, so dass die Oberflä che der domförmigen Erhebung 76 deutlich größer ist als die ursprüngliche Oberfläche in der Position, in der das Blechteil bei 28 liegt, d.h. die Oberfläche der domförmigen Erhebung übersteigt deutlich die Querschnittsfläche des Ausschnitts 30 an der Eintrittsebene. Das Blechmaterial ist durch die erfolgte Streckung im Bereich des Ausschnitts 30 auch dünner geworden. Durch das Zurückdrängen des Blechmaterials bei der Bewegung des Funktionselements in die Position gemäß 2 legt sich das Blechmaterial um das Funktionselement herum, bildet aber auch mindestens eine ringförmige Welle 80, wo ein Vorrat an Blechmaterial zur Verfügung steht.
Ausgehend von der Position gemäß 2 wird der Druck P2 auf P3 erhöht, beispielsweise auf 1500 Bar und dies führt dazu, dass das Blechmaterial nunmehr das Funktionselement eng umschließt, wie in 3 gezeigt. Durch diese Formgebung des Metallteils und die damit einhergehende anfängliche Ausbildung des Ringfalzes 82 ist die ringförmige Welle 80 nunmehr verschwunden und das Blechmaterial folgt relativ genau den Außenkonturen des Funktionselements.
Bei der Erhöhung des Druckes auf P3 muss sichergestellt werden, dass die Abstützung der Matrize 32 bzw. des Stempels 34 den entsprechenden Kräften widerstehen kann, ohne sich von der erwünschten Stelle zu bewegen.
Es soll zum Ausdruck gebracht werden, dass der Anfangsdruck auch während der Bewegung der Matrize 32, des Stempels 34 und des Elements 12 in die Position der 2 gleich auf den Druck P2 oder gar P3 erhöht werden kann, so lange gewährleistet ist, dass keine unerwünschten Verformungen des Blechteils zu befürchten sind. Dies wäre beispielsweise dann der Fall, wenn der Ausschnitt 30 eine Formgebung entspre chend der erwünschten form der domförmigen Erhebung 76 aufweist. In diesem Falle würde sich die Matrize als verhältnismäßig dünner Zylinder darstellen. Bei einer solchen Konstruktion könnte auch gleich der höhere Druck P2 oder P3 zur Ausbildung der domförmigen Erhebung verwendet werden, d.h. P1 gleich P2 gleich P3 gesetzt werden.
Im Anschluss an den Verfahrensschritt gemäß 3 wird das Element 12 zurückgezogen bzw. der Gegendruck, der auf den Stößel 34 einwirkt, wird zurückgenommen, wodurch der Druck P4, der beispielsweise gleich P3 sein kann, zu einer ausgeprägten Formgebung des Ringfalzes 82 führt, wie in 4 gezeigt. Gleichzeitig wird der Nietabschnitt 38 durch den ringförmigen Vorsprung 44 der Matrize umgebördelt, wodurch der Nietbördel bzw. Ringzeh gemäß 4 bzw. 5 ausgebildet wird. Ferner wird durch diese Quetschbewegung des Ringfalzes Blechmaterial des Ringfalzes in den Bereich der Verdrehsicherungsnasen gebracht, die sich am Funktionselement im Bereich der Ringschulter 36 befinden. Auf diese Weise drängen die Verdrehsicherungsnasen in das Blechmaterial hinein und sorgen für eine erhöhte Verdrehsicherheit des Funktionselements innerhalb des Blechteils.
Man sieht auch aus 5, dass der Ringzeh, der durch den umgebördelten Nietabschnitt gebildet ist, nicht über die untere Seite des Blechteils 14' hinausragt. In der Praxis ist dieser Ringzeh sogar um ein paar Zehntel Millimeter oberhalb der Unterseite des Blechformteils zu Ende, da der Ringabsatz 48 der Matrize hierfür sorgt.
Anstatt den Stempel 34 zurückzuziehen oder den Gegendruck, der auf den Stempel einwirkt, herabzusetzen, kann auch der Druck P4 gegenüber P3 erhöht werden, vorausgesetzt der Stempel 34 ist durch eine Einrich tung abgestützt, die unter dem höheren Druck um den gewünschten Betrag zur Ausbildung des Nietbördels zurückweicht.
Die 6 zeigt die Anschraubsituation. Hier wird ein weiteres Bauteil 86 mittels einer Schraube 88 mit einer so genannten ZA-Spitze 90 an das Blechformteil 14 befestigt. Man merkt, dass das Befestigungselement 12 in diesem Beispiel mit einem Gewinde 92 versehen ist, das vor Anbringung des Befestigungselements an das Blechformteil 14 im Funktionselement ausgebildet wurde. Dies ist allerdings nicht zwingend erforderlich, es könnte auch eine gewindeformende oder gewindeschneidende Schraube 88 zum Einsatz gelangen, die selbst ein Gewinde im Funktionselement 12 formt bzw. schneidet. Durch Einführung der Schraube in das Befestigungselement führt die ZA-Spitze dazu, dass eine Scheibe 94 (siehe auch 7) aus dem Blechmaterial herausgeschnitten und nach oben geklappt wird. Es verbleibt nämlich aufgrund einer besonderen Ausbildung einer Nut 98 in der oberen Stirnseite des Funktionselements, die nachher in Bezug auf die 8A bis 8F näher beschrieben wird, ein Scharnierbereich 96, wodurch die Scheibe vom Befestigungselement weggeklappt wird. Dieser Scharnierbereich 96 hält aber die Scheibe 94 am Blechteil fest, so dass sie nicht verloren geht und auch in einem hohlen Teil zu keinen Klappergeräuschen führen kann.
Es ist nicht zwingend erforderlich, eine Schraube 92 mit einer ZA-Spitze zu benutzen, um die angestrebte Wirkung zu erreichen. Auch andere Spitzenformen können zur Anwendung gelangen und ähnlich wie bei der 6 bzw. 7 zu dem Heraustrennen eines Butzens aus dem Blechteil führen.
Ferner ist von Bedeutung, dass die Scheibe 94 bzw. der Butzen, die bzw. der aus dem Blechteil herausgetrennt wird, ein Loch im Blechteil hinter lässt, mit einem Durchmesser, der zumindest im Wesentlichen dem Kerndurchmesser des Gewindes entspricht. Dies ist insbesondere der Fall, wenn eine ZA-Spitze 90 zur Anwendung gelangt, da diese Spitze 90 einen entsprechenden Außendurchmesser aufweist. Die Situation führt aber auch dazu, dass die Schraube 88 auf jeden Fall zu einer Verformung des Blechmaterials im Bereich des herausgetrennten Butzens 94 führt, so dass Gewindegänge im Randbereich des entsprechenden Loches ausgebildet werden. In diesem Bereich liegt eine sehr innige Verbindung zwischen der Schraube und dem Blechteil vor, die einerseits eine Art Selbsthemmung sicherstellt, andererseits aber auch für einen qualitativ hochwertigen elektrischen Übergang sorgt. Ein solcher Übergang eignet sich für eine Masseverbindung. Um diesen Effekt zu erzielen, muss natürlich sichergestellt werden, dass das Schaftteil der Schraube eine ausreichende Länge hat, d.h. dass das freie Stirnende der Schraube mit Gewinde 97 aus dem Blechteil herausragt.
Bezug nehmend auf die 8A bis 8F wird das Funktionselement 12 vorzugsweise zur Anwendung im erfindungsgemäßen Verfahren näher beschrieben. Das Funktionselement 12 ist durch einen Hohlkörper gebildet, mit einer ersten Stirnseite 15, die über eine ausgeprägte Wölbung 17 in eine Mantelfläche 19 des Elements übergeht. Das Funktionselement 12 weist auch eine zweite Stirnseite 21 auf, die durch einen Nietabschnitt 38 gebildet wird, wobei im Bereich der Mantelfläche 19 eine, eine Hinterschneidung bildende Ringschulter 36 zwischen der Wölbung 17 und dem Nietabschnitt 38 vorliegt. Die Mantelfläche 19 des Funktionselements 12 weist in axiale Richtung gesehen zwischen der Ringschulter 36 und dem Nietabschnitt 38 einen zylindrischen Abschnitt 40 auf.
An der ersten Stirnseite des Funktionselements ist eine sich radial erstreckende Nut 98 vorgesehen.
Die sich radial erstreckende Nut 98, die beispielsweise eine Breite b von 1,5 mm aufweisen kann, weist eine Bodenfläche 23 auf, die derart geneigt ist, dass die Nut an der ersten Stirnseite 15 des Funktionselements 12 benachbart zu der Längsbohrung 25 des Funktionselements ihre größte Tiefe aufweist und dass die Tiefe in Richtung radial nach außen zunehmend abnimmt. Die Nut 98 läuft im Bereich des Übergangs der ringförmigen ersten Stirnseite 15 in die Wölbung 17 aus und kann beispielsweise einen Winkel von etwa 60° mit der Längsachse 54 bilden, wobei dieser Winkel unkritisch ist.
Verdrehsicherungsnasen 99 sind im Bereich der Ringschulter 36 vorgesehen. Ferner sind auf der radial inneren Seite des zylinderförmigen Nietabschnitts mehrere in axiale Richtung verlaufende Nuten 42 vorgesehen, gleichmäßig um die mittlere Längsachse 54 des Funktionselements verteilt sind. Während in diesem Beispiel sechs Verdrehsicherungsnasen in Winkelabständen von 60° bezogen auf die mittlere Längsachse vorgesehen sind, sind acht axiale Nuten vorgesehen, die in Winkelabständen, in diesem Beispiel von 45° angeordnet sind.
Ferner können Verdrehsicherungsrippen und/oder -nuten (nicht gezeigt) im Bereich des zylindrischen Abschnitts 40 vorgesehen werden.
Außerdem kann die Mantelfläche 19 des Funktionselements 12 im Bereich zwischen der Wölbung 17 und der Ringschulter 36 und/oder im Bereich des zylindrischen Abschnitts 40 polygonal ausgebildet werden, gegebenenfalls mit gerundeten, sich in axialer Richtung erstreckenden Nuten oder Rippen (nicht gezeigt in 8A–8F, siehe aber 13 und 14).
Nach Anbringen des Funktionselements an ein Metallteil bzw. an ein Blechteil ergibt sich, wie in den 6 und 7 gezeigt, ein Zusammenbauteil, bestehend aus einem, an ein verformbares Metallteil 14 angebrachtes Funktionselement 12, beispielsweise in Form eines Mutterelements, bei dem das Metallteil 14 an der ersten Stirnseite 15 des Funktionselementes 12 anliegt, um die Wölbung 17 des Funktionselementes entlang geführt wird und an der sich radial nach innen erstreckenden Ringschulter 36 des Funktionselementes, die der am Metallteil 14 anliegenden Stirnseite 15 des Funktionselementes abgewandt ist, in einen ringförmigen, radial nach innen gerichteten Ringfalz übergeht. Im Bereich der ersten Stirnseite 15 des Funktionselements ist eine Scheibe 94 aus dem Metallteil an einen Scharnierbereich 94 des Metallteils befestigt, wobei die Scheibe von der ersten Stirnseite 15 des Funktionselements 12 weggeklappt ist.
Das Scharnier 96 befindet sich an der ersten Stirnseite des Funktionselements an der Stelle der sich radial erstreckenden Nut 98.
Wie oben zum Ausdruck gebracht, befinden sich Formmerkmale 99, die eine Verdrehsicherung zwischen dem Funktionselement 12 und dem Metallteil 14 bilden, sich im Bereich der sich radial nach innen erstreckenden Ringschulter 36 des Funktionselements 12 und/oder im Bereich des Zylinderabschnitts 40 befinden, wobei die Formmerkmale und das Metallteil 14 im Bereich des flach gepressten Ringfalzes 82 ineinander greifen.
Man sieht auch, dass der umgeformte Bereich des Nietabschnitts 38 auf der dem Metallteil 14 abgewandten Seite sich zumindest im wesentlichen radial zur Längsachse des Funktionselements 12 erstreckt, in einen entsprechenden sich radial erstreckenden Bereich des Metallteils 14 übergeht und mit diesem in einer radialen Ebene liegt.
9 ist eine schematische Darstellung, die im Prinzip die Situation zeigt, die bei der Ausführung gemäß 1 bis 4 herrscht. Das heißt, das Befestigungselement 12 hat hier in Draufsicht eine Kreisform und ist konzentrisch innerhalb des zylinderförmigen Ausschnitts 30 angeordnet, wobei der zylinderförmige Ausschnitt 30 einen Durchmesser D1 aufweist, der in diesem Beispiel etwa drei mal so groß ist wie der maximale Außendurchmesser D2 des Befestigungselements 12.
In dieser Darstellung gemäß 9 wird die Darstellung so gewählt, dass man entsprechend der Axialrichtung 54 in 1 auf das Funktionselement 12 schaut, das innerhalb des Ausschnittes 30 angeordnet ist, und zwar bevor das Blechteil 14 über das untere Werkzeug 10 gelegt wird.
10 zeigt, dass die Erifndung nicht auf Befestigungselemente mit einer in Draufsicht kreisrunden Form beschränkt ist. Beispielsweise kann das Funktionselement 12' in Draufsicht eine Ellipsenform aufweisen und der Ausschnitt 30' kann dann eine entsprechende Form aufweisen, wobei auch hier gilt, dass die Querabmessungen D1, D1' des Ausschnitts 30' in der Eintrittsebene gemessen jeweils in etwa dem Dreifachen der entsprechenden Querabmessungen D2, D2' des Funktionselements entsprechen.
Eine solche Ausbildung führt dazu, dass eine ausgezeichnete Verdrehsicherheit erreicht wird, und zwar auch ohne dass besondere Verdrehsicherungsnasen oder -nuten vorgesehen sind.
11 zeigt, dass das erfindungsgemäße Konzept auch auf ein in Draufsicht rechteckiges Element ausgedehnt werden kann, wobei das Element dann vorzugsweise gerundete Ecken aufweisen soll, um das Einreißen des Blechteils an scharfen Kanten bei der Blechumformung zu vermeiden. Der Ausschnitt 30 hat auch hier eine entsprechende Form, wobei auch hier gilt, dass die Querabmessungen D1, D1' des Ausschnittes 30'' jeweils etwa dreimal so groß sind wie die entsprechenden Querabmessungen D2, D2' des Funktionselements. Bei den Elementen der 10 und 11 könnte aber auch ein Ausschnitt entsprechend dem Ausschnitt 30 der 9 angewandt werden.
12 zeigt, dass man auch ein in Draufsicht polygonales Befestigungselement 12''' verwenden kann, wobei es hier durchaus genügt, den Ausschnitt 30 in Form eines Kreiszylinders auszubilden. Hier weist das Funktionselement 12''' eine achteckige Form auf, wobei die Kanten der Ecken der achteckigen Form zwar leicht gerundet sein können, nicht aber unbedingt gerundet sein müssen, da der eingeschlossene Winkel an jeder Ecke ausreichend groß ist, so dass eine unerwünschte Verletzung des Blechformteils nicht zu erwarten ist. Auch diese achteckförmige Form führt zu einer guten Verdrehsicherung auch ohne zusätzliche Verdrehsicherungsmerkmale.
Es sollte erwähnt werden, dass nicht nur der Kopfteil des Elementes die achteckige Form aufweisen kann, sondern auch der "Zylinder"-Bereich 40 des Elementes.
13 zeigt dann eine weitere Ausbildung der Ausführungsform gemäß 12, bei der gerundete Rippen 100 an den Eckpunkten des Funktionselements 12'''' vorgesehen sind. Diese Rippen 100, die sich in axialer Richtung entlang der Mantelfläche des Kopfteils des Funktionselements erstrecken (und auch am "Zylinderteil" 40), entsprechend vorgesehen werden könnten, führen ebenfalls zu einer erhöhten Verdrehsicherheit und stellen im übrigen auch sicher, dass das Blechmaterial nicht verletzt wird.
Schließlich zeigt 14 eine weitere alternative Form für die Gestaltung des Funktionselementes mit gerundeten Nuten 102 an den Eckpunkten des mehreckigen "polygonalen" Kopfteils 13 des Funktionselements 12. Auch diese Form könnte gegebenenfalls im "Zylinder"-Abschnitt 40 vorgesehen werden. Auch sind Ausführungsformen denkbar, bei denen Rippen 100 und/oder Nuten 102 am Kopfteil 13 oder am Zylinderteil 40 eines im Allgemeinen runden oder ovalen Funktionselements vorgesehen sind. Auch bei einem polygonalen Funktionselement können die Rippen 100 und/oder Nuten 102 vorgesehen werden, die beispielsweise wie in allen Beispielen abwechselnd angeordneten werden können.
Auch bei den Ausführungsformen gemäß 13 und 14 genügt es durchaus, dem Ausschnitt 30 eine zylindrische Form zu geben, wodurch die Herstellung dieses Teils erleichtert wird. Auch bei diesen Ausführungsformen gilt, dass die Querabmessungen jeweils in etwa das Dreifache der entsprechenden Querabmessung des Funktionselementes betragen. Natürlich können auch andere Querschnittsformen zur Anwendung gelangen, sofern sichergestellt ist, dass ein Reißen des Blechmaterials nicht zu befürchten ist. Es wird bei allen Ausführungsbeispielen empfehlenswert sein, eine Wölbung 17 vorzusehen, wie bei der 8B gezeigt ist. Auch hier kann bei allen Ausführungsformen eine Nut 98, wie bei der 8C gezeigt, vorgesehen werden, um einen Scharnierbereich 96 zu bilden.
Schließlich soll darauf hingewiesen werden, dass für das Blechteil alle Stahl- oder Aluminium- oder Magnesiumblechteile in Frage kommen, die Tiefziehqualitäten aufweisen.
Es soll auch erwähnt werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Funktionselemente in Form von Mutterelementen beschränkt ist, sondern auch für Hohlelemente, wie beispielsweise Lagerbuchsen für drehbare Wellen und auch für die Anbringung von Bolzenelementen verwendet werden kann.
Ein Bolzenelement könnte beispielsweise entsprechend der EP-Anmeldung 02 735 158.4 zur Anwendung gelangen. Der Stempel 34 und die Matrize 32 müssten dann der konkreten Gestaltung des Bolzenelements angepasst werden. Es könnte auch mit Vorteil der Nietabschnitt mit einem vergrößerten radialen Abstand vom Schaftteil ausgeführt werden.
Die axialen Nuten 42 können unabhängig von der radialen Nut 98 vorgesehen werden, d.h. könnten mit Vorteil auch ohne Anwendung der Nut 98 angewendet werden.
Bei allen Ausführungsformen können auch als Beispiel für den Werkstoff der Funktionselemente alle Materialien genannt werden, die im Rahmen der Kaltverformung die Festigungswerte der Klasse 8 gemäß ISO-Standard erreichen, beispielsweise eine 35B2-Legierung gemäß DIN 1654. Die so gebildeten Befestigungselemente eigenen sich u.a. für alle handelsüblichen Stahlwerkstoffe für ziehfähige Blechteile wie auch für Aluminium oder deren Legierungen. Auch können Aluminiumlegierungen, insbesondere solche mit hoher Festigkeit, für die Funktionselemente benutzt werden, z.B. A1Mg5. Auch kommen Funktionselemente aus höherfesten Magnesiumlegierungen wie bspw. AM50 in Frage.

Claims

Verfahren zum Anbringen eines Funktionselements (12) an ein verformbares Metallteil (14) unter Anwendung eines Hochdruckumformverfahrens, bei dem das Metallteil (14) auf der dem Funktionselement (12) abgewandten Seite mit einem Fluiddruck belastet und in einem Umformvorgang ausgehend von einer Stirnseite (15) des Funktionselements (12) um mindestens einen Abschnitt (13) des Funktionselementes herum und im Bereich einer sich radial nach innen erstreckenden eine Hinterschneidung bildenden Fläche (36) des Funktionselementes zu einer ringförmigen radial nach innen gerichteten Ringfalz (82) umgeformt wird, wobei das Funktionselement (12) während dieses Umformvorganges abgestützt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil (14) im Bereich der Anbringung des Funktionselements (12) von einem einen Ausschnitt (30) aufweisenden Werkzeug (10) abgestützt wird, wobei der Ausschnitt (30) Querabmessungen (D1, D1') aufweist, die die entsprechenden Querabmessungen (D2, D2') des Funktionselements um mindestens 50 % übersteigen, dass das Metallteil (14) in einem ersten Arbeitsschritt mittels Fluiddruck zu einer domförmigen Erhebung (76) innerhalb des Ausschnitts (30) umgeformt wird und dass bei der Anbringung des Funktionselements (12) dieses gegen die domförmige Erhebung (76) gedrückt und zu einer Position gebracht wird, in der die genannte Stirnseite (15) des Funktionselements (12) auf der der domförmigen Erhebung (76) abgewandten Seite der Eintrittsebene (74) des Ausschnitts (30) um einen Betrag vor dieser Eintrittsebene (74) von mindestens der doppelten Metallteildicke im Bereich des Ausschnitts, vorzugsweise ein mehrfaches dieser Metallteildicke, sich befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querabmessungen (D1, D1') des Ausschnitts (30) im Bereich zwischen 1,5 und 4 mal größer sind als die entsprechenden Querabmessungen (D2, D2') des Funktionselements (12).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querabmessungen (D1, D1') des Ausschnitts im Bereich zwischen 2 bis 3,5 mal größer sind als die entsprechenden Querabmessungen (D2, D2') des Funktionselements.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querabmessungen (D1, D1') des Ausschnitts etwa 3 mal größer sind als die entsprechenden Querabmessungen (D2, D2') des Funktionselements.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Funktionselement (12) eine zylinderförmige Mantelfläche (19) aufweist und der Ausschnitt (30) in Draufsicht kreisrund ist, wodurch die Querabmessungen des Ausschnitts einem konstanten Durchmesser (D1) im Bereich der Eintrittsebene (74) des Ausschnitts entsprechen und die Querabmessungen des Funktionselements ebenfalls einem konstanten Durchmesser (D2) des Funktionselements entsprechen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschnitt ein zylinderförmiger Ausschnitt (30) ist, der durch eine Bohrung des Werkzeugs realisiert werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Form des Ausschnitts an die gewünschte geometrische Form der domförmigen Erhebung (76) angepasst ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (12) in einem Abstand von der den Ausschnitt (30) umschließenden Fläche (26) des Werkzeugs (10) gehalten wird und den obersten Punkt der domförmigen Erhebung (76) begrenzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (12) am Stirnende (56) eines Stempels (34) angeordnet ist, der für die Bewegung des Funktionselements in die genannte Position verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (34), an dessen Stirnende (56) das Funktionselement (12) angeordnet ist, in einer Längsbohrung einer Matrize (32) angeordnet ist, die selbst innerhalb des Ausschnitts (30) verschiebbar angeordnet ist, wobei die Stirnseite (52) der Matrize von einer Position entfernt von der genannten, den Ausschnitt (30)umgebenden Fläche (26) zu einer Position gebracht wird in der mindestens eine ringförmige Abstützfläche (52) der Matrize (32) zumindest im wesentlichen bündig mit der genannten den Ausschnitt (30) umgebenden Fläche (26) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausbildung der domförmigen Erhebung (76) ein niedrigerer Fluiddruck verwendet wird und dass im Anschluss an die Bewegung des Funktionselements (12) zu der genannten Position ein höherer Druck verwendet wird, um das Blechmaterial (14) an die Außenform des Funktionselements (12) anzuschmiegen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der höhere Druck oder ein höherer Druck verwendet wird, um einen Nietabschnitt (38) des Funktionselements (12) im Zusammenarbeit mit der genannten Matrize zu einem Nietbördel (84) umzuformen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der niedrigere Druck in der Größenordnung von 130 Bar liegt, während der höhere Druck in der Größenordnung von 1500 Bar liegt.
Funktionselement, insbesondere zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Funktionselement (12) durch einen Hohlkörper gebildet wird, mit einer ersten Stirnseite (15), die über eine ausgeprägte Wölbung (17) in eine Mantelfläche (19) des Elements übergeht und mit einer zweiten Stirnseite (21), die durch einen Nietabschnitt (38) gebildet wird, wobei im Bereich der Mantelfläche (19) eine eine Hinterschneidung bildende Ringschulter (36) zwischen der Wölbung (17) und dem Nietabschnitt (38) vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Stirnseite (15) des Funktionselements mindestens eine sich radial erstreckende Nut (98) vorgesehen ist.
Funktionselement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die sich radial erstreckende Nut (98) eine Bodenfläche (23) aufweist, die derart geneigt ist, dass die Nut (98) an der ersten Stirnseite (15) des Funktionselements benachbart zu einer Längsbohrung (25) des Funktionselements ihre größte Tiefe aufweist und dass die Tiefe in Richtung radial nach außen zunehmend abnimmt.
Funktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (98) im Bereich des Übergangs der ringförmigen ersten Stirnseite (14) in die Wölbung (17) ausläuft.
Funktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Verdrehsicherungsnasen (99) im Bereich der Ringschulter (36) vorgesehen sind.
Funktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf der radial inneren Seite des zylinderförmigen Nietabschnitts (38) mehrere in axiale Richtung verlaufende Nuten (42) vorgesehen sind.
Funktionselement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die sich in axialer Richtung erstreckenden Nuten (42) innerhalb des Nietabschnitts (38) gleichmäßig um die mittlere Längsachse (54) des Funktionselements (12) verteilt sind.
Funktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (19) des Funktionselements (12) in axialer Richtung gesehen zwischen der Ringschulter (36) und dem Nietabschnitt (38) einen zylindrischen Abschnitt (40) aufweist.
Funktionselement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass Verdrehsicherungsrippen und/oder -nuten im bereich des zylindrischen Abschnitts vorgesehen sind.
Funktionselement nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche des Funktionselements (12'''; 12''''; 12) im Bereich zwischen der Wölbung (17) und der Ringschulter (36) und/oder im Bereich des zylindrischen Abschnitts (40) polygonal ausgebildet ist, gegebenenfalls mit gerundeten, sich in axialer Richtung erstreckenden Nuten (102) oder Rippen (100).
Zusammenbauteil, bestehend aus einem, an ein verformbares Metallteil (14) angebrachtes Funktionselement (12) beispielsweise in Form eines Mutterelements, bei dem das Metallteil (14) an der ersten Stirnseite (15) des Funktionselements (12) anliegt, um die Wölbung (17) des Funktionselements (12) entlang geführt und an der sich radial nach innen erstreckenden Ringschulter (36) des Funktionselements, die der am Metallteil (14) anliegenden Stirnseite (15) des Funktionselements abgewandt ist, in einen ringförmigen, radial nach innen gerichteten Ringfalz (82) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der ersten Stirnseite des Funktionselementes eine Scheibe (94) aus dem Metallteil (14) an einen Scharnierbereich (96) des Metallteils befestigt von der ersten Stirnseite (15) des Funktionselements (12) weggeklappt ist.
Zusammenbauteil nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Stirnseite (15) des Funktionselements (12) an der Stelle des Scharniers (96) mindestens eine sich radial erstreckende Nut (98) vorgesehen ist.
Zusammenbauteil nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die sich radial erstreckende Nut (98) eine Bodenfläche (23) aufweist, die derart geneigt ist, dass die Nut (98) an der ersten Stirnseite (15) des Funktionselements benachbart zu einer Längsbohrung (25) des Funktionselements (12) ihre größte Tiefe aufweist und dass die Tiefe in Richtung radial nach außen zunehmend abnimmt.
Zusammenbauteil nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schraube (88) sich im Funktionselement (12) befindet, deren Spitze (90) und vorzugsweise einige Gewindegänge aus der ersten Stirnseite (15) des Funktionselements (12) heraussteht.
Zusammenbauteil nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringfalz (82) zwischen der sich radial nach innen erstreckenden Ringschulter (36) des Funktionselements (12) und einer sich radial nach außen erstreckenden Fläche des umgeformten Nietabschnitts (84) angeordnet ist.
Zusammenbauteil nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringfalz (82) flach gepresst ist.
Zusammenbauteil nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass Formmerkmale (99), die eine Verdrehsicherung zwischen dem Funktionselement (12) und dem Metallteil (14) bilden, sich im Bereich der sich radial nach innen erstreckenden Ringschulter (36) des Funktionselements und/oder im Bereich des Zylinderabschnitts (40) befinden, wobei die Formmerkmale (99) und das Metallteil (14) im Bereich des Ringfalzes (82) ineinander greifen.
Zusammenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der umgeformte Bereich (89) des Nietabschnittes (38) auf der dem Metallteil (14) abgewandten Seite sich zumindest im wesentlichen radial zur Längsachse (54) des Funktionselements (12) erstreckt, in einen entsprechenden sich radial erstreckenden Bereich des Metallteils (14) übergeht und mit diesem in einer radialen Ebene liegt.