DE19630488C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Fügen durch Umformen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen durch Umformen, bei dem die miteinander zu ver­ bindenden, überlappt angeordneten Fügeteile mit Hilfe eines aus Stempel, Niederhalter und Matrize bestehenden Fügewerk­ zeuges und mit oder ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils lokal plastisch umgeformt werden, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Insbesondere betrifft die Erfindung das Stanznieten und Durchsetzfügen, also umformtechnische Fügeverfahren mit Hilfsfügeteil (Stanznieten) und ohne Hilfsfügeteil (Durch­ setzfügen). Dabei werden die überlappt angeordneten Füge­ teile lokal plastisch umgeformt und damit kraft-/formschlüs­ sig miteinander verbunden. Die Hauptvorteile solcher Füge­ verfahren liegen vor allem darin, daß das Fügen ohne Wärme­ einwirkung auf die Fügeteile erfolgt, um Energie zu sparen und die Umwelt zu schonen und außerdem darin, daß das Fügen von Werkstoffen und Werkstoffkombinationen möglich ist, die aus fügetechnischer Sicht Probleme aufwerfen, wie dies bei­ spielsweise bei Mischverbindungen von Stahl mit Aluminium o. ä. oder oberflächenbeschichteten Blechen der Fall ist. So spielt insbesondere im Fahrzeugbau die genannte Verbindungs­ technik eine wesentliche Rolle und ermöglicht moderne, zu­ kunftsweisende Konstruktionskonzepte. Im gesamten Bereich des Leichtbaus ist der Einsatz solcher Fügeverfahren rich­ tungsweisend.

Zur Systematik und Verfahrensbeschreibung solcher Fügever­ fahren wird auf "Die Bibliothek der Technik", Bd. 115, STANZNIETEN UND DURCHSETZFÜGEN im Verlag Moderne Industrie, 1995, hingewiesen.

Allerdings setzen diese bekannten Fügeverfahren voraus, daß das Fügematerial plastisch umformbar ist, der Fügewerkstoff also ein entsprechendes Fließvermögen besitzt. Das Fügema­ terial muß also ein für den lokalen Umformprozeß ausrei­ chendes Formänderungsvermögen aufweisen.

Deshalb war bisher ein umformtechnisches Fügen von schwer umformbaren Werkstoffen, wie Magnesium, halbharte Alumi­ niumwerkstoffe, Kunststoffe usw. im Kaltfügeverfahren nicht möglich.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, ein Fügeverfahren sowie eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit dem schwer umform­ bare Fügeteile mit Hilfe der bekannten Fügeverfahren, wie Stanznieten oder Durchsetzfügen, miteinander verbunden wer­ den können.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. Die zugehörige Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist im Patentanspruch 8 angegeben.

Das erfindungsgemäße Prinzip beruht auf der partiellen Er­ wärmung der Fügeteile an den Fügeflächen bis zu einem für den Fügeprozeß notwendigen umformbaren Zustand. Damit lassen sich schwer umformbare Werkstoffe fügen. Aber auch bei Werk­ stoffen, die für das Kaltfügen geeignet sind, lassen sich durch das partielle Erwärmen die für den Fügeprozeß notwen­ digen Fügekräfte senken. Die partielle Erwärmung der Füge­ teile erfolgt durch beheizte Fügewerkzeuge, wie Stempel und/­ oder Matrize und/oder den Niederhalter an den Fügeflächen, also durch Kontaktberührung von Werkzeugteilen, oder auch berührungslos, z. B. durch induktive Beheizung.

Das Warmumformen von Metallen, z. B. Schmieden, Lochen, Wal­ zen oder Strangpressen ist bekannt, wie auch das Warmformen von thermoplastischen Kunststoffen, was keines Nachweises bedarf. So liegen die optimalen Warmformtemperaturen für thermoplastische Kunststoffe zwischen etwa 100 und 170°C, und bei diesen Temperaturen lassen sich Kunststoffe mecha­ nisch zu Hohlkörpern formstanzen, tiefziehen oder blasen. Dabei ist es bekannt, Kunststoff-Halbzeug mit Infrarot­ strahlern zu erwärmen und gegebenenfalls in vorgewärmten Werkzeugen oder Gesenken umzuformen und dann zur Verfesti­ gung abzukühlen. Zum Umformen und Fügen von Kunststoff- Halbzeug wird beispielsweise auf James L. Throne: THERMO- FORMING; Carl Hauser-Verlag München - Wien, 1987, ISBN 3- 446-14699-7 hingewiesen.

Erfindungsgemäß werden mittels beheizter Fügewerkzeugteile lediglich die Fügeteile an den Fügeflächen erwärmt. Die vorgewärmten Werkzeugteile werden auf die zu verbindenden Fügeteile aufgesetzt. Je nach Verfahrensvariante werden entweder das stempelseitige und/oder das matrizenseitige Fügeteil erwärmt. Die Temperatur der Fügeteile wird gemessen und sobald die Fügeteile ein für den lokalen Umformprozeß ausreichendes Formänderungsvermögen aufweisen, also nicht mehr "spröde" sind, wird manuell oder automatisch der um­ formtechnische Fügeprozeß ausgelöst. In einer anderen Ver­ fahrensvariante erfolgt die Erwärmung der Fügeteile nicht durch den Kontakt mit beheizten Werkzeugteilen, sondern vielmehr unmittelbar berührungsfrei, insbesondere mit in­ duktiver Beheizung der Fügeflächen.

Da Stempel und Matrize des Werkzeugs an die jeweilige Füge­ paarung konstruktiv angepaßt sein müssen, werden Stempel und/oder Matrize vorzugsweise von außen her beheizt. Ein Heizelement ist Bestandteil des Fügewerkzeuges und ist so ausgebildet, daß das Fügewerkzeug in das Heizelement einge­ baut ist. Insbesondere wird bevorzugt, die beim Stanznieten und Durchsetzfügen erforderlichen Niederhaltesysteme zu be­ heizen, die stempel- und matrizenseitig vorgesehen sind, um die Fügeteile zu positionieren und zu halten. Solche Nieder­ halter eignen sich in besonderem Maße für den Zusammenbau mit einem Heizelement, wie einer Heizplatte oder Heizspira­ le. So ist es nicht notwendig, den Stempel und/oder die Ma­ trize vorzuwärmen.

Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal kann an den Fügestellen zunächst Klebstoff aufgebracht werden, der dann durch die Wärmezufuhr teilweise oder ganz aushärtet, worauf der Fügeprozeß erfolgt. Auf diese Weise läßt sich der Füge­ prozeß mit einer Klebeverbindung kombinieren und erfolgt das Aushärten des Klebstoffs durch die Wärmezufuhr zum Erzielen des gewünschten Formänderungsvermögens für das Stanznieten oder Durchsetzfügen, so daß ein aufwendiges und gesondertes Aushärten des Klebstoffs entfällt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Heizplatte zur Erwärmung von Fügewerkzeugteilen, Temperatur­ fühler und Regler, schematisch;

Fig. 2 eine Ansicht eines Werkzeuges zum Durchsetzfügen mit beheizten Niederhaltern;

Fig. 3 ein Werkzeug zum Stanznieten mit beheizten Nieder­ haltern;

Fig. 4 ein Werkzeug mit Stempel und Matrize und Induk­ tionsschleifen zur Beheizung;

Fig. 5 eine Stanznietverbindung mit Halbhohlniet;

Fig. 6 eine Stanznietverbindung mit Vollniet;

Fig. 7 eine Durchsetzfügeverbindung mit Schneidanteilen und

Fig. 8 eine Durchsetzfügeverbindung ohne Schneidanteil.

Die Fig. 5 bis 8 zeigen bekannte Fügeverbindungen. Beim Stanznieten gemäß Fig. 5 werden die überlappt angeordneten Fügeteile 1 und 2 mit Hilfe eines Hilfsfügeteils, nämlich einer Halbhohlniet 3, verbunden. Dabei entsteht das Füge­ element in einem durchgehenden Stanz- und Umformvorgang ohne Vorlochoperation, indem der Halbhohlniet als Schneidstempel verwendet wird. Fig. 6 zeigt das Stanznieten der Fügeteile 1 und 2 mit einem Vollniet 3.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es nicht erforder­ lich, das Nietelement zu erwärmen. Damit ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinfacht, weil eine Be­ heizung der Nietelemente, deren Form und Größe der jewei­ ligen Fügepaarung angepaßt ist, entfällt.

Fig. 7 zeigt das bekannte Durchsetzfügen mit Schneidanteil, bei dem die aus den Fügeteilen 1 und 2 ausgestanzten und durch die Stanzöffnung verschobenen Werkstoffabschnitte 5 und 6 gestaucht werden, so daß durch Breiten eine kraft- und formschlüssige Verbindung entsteht. Das Durchsetzfügen ohne Schneidanteil ist schematisch in Fig. 8 dargestellt, wobei durch Einsenken und einen Kaltstauchvorgang durch Fließ­ pressen die Verbindung erzeugt wird. Beim Durchsetzfügen entfällt also ein Hilfsfügeteil in Form eines Nietelements.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Fügen von schwer umform­ baren Fügeteilen durch Stanznieten oder Durchsetzfügen. Da­ bei ist eine Heizplatte 10 vorgesehen, die eine Bohrung 11 aufweist, die zur Aufnahme des Stempels oder der Matrize eines Fügewerkzeuges dient. Die Heizplatte 10 ist an einen Regler 12 angeschlossen, mit dem die Temperatur der Heiz­ platte 10 einstellbar ist. Die Temperatur der Heizplatte 10 wird mit einem Temperaturfühler 13 gemessen und am Regler 12 angezeigt.

In Abstimmung mit den Werkstoffen der zu verhindenden Füge­ teile ist es möglich, entweder den Stempel und die Matrize des Fügewerkzeuges zu beheizen, oder nur den Stempel oder die Matrize.

Das in Fig. 2 dargestellte Werkzeug besteht stempelseitig aus einer Stempelaufnahme 15, in der ein Stempel 16 befe­ stigt ist und aus einem federnd angeordneten Niederhalter 17, der auf die nicht dargestellten Fügeteile aufgesetzt wird, um diese zu positionieren und zu halten. Ferner dient der Niederhalter 17 als Abstreifer beim Hochgehen des Stempels 16. Der Stempelantrieb ist nicht dargestellt. Matrizenseitig ist in einer Matrizenaufnahme 18 eine Matrize 19 befestigt. Auch matrizenseitig ist ein Niederhalter 20 vorgesehen, der auch als Abstreifer dient. Die Niederhalter 17 bzw. 20 sind als Heizplatte ausgebildet und übertragen die Wärme beim Aufset­ zen auf die Fügeteile, und dienen außerdem zur Beheizung des Stempels 16 bzw. der Matrize 19.

In Fig. 3 ist ein Werkzeug zum Stanznieten dargestellt, das stempelseitig aus einer Stempelaufnahme 22 mit Stempel 23 und einem Niederhalter 24 besteht. Matrizenseitig ist eine Matrizenaufnahme 25 mit eingesetzter Matrize 26 und ein Nie­ derhalter 27 mit Federsystem 28 vorgesehen. Auch hier sind der Niederhalter 24 und/oder 27 elektrisch beheizt, sei es in Form einer Heizplatte oder einer Heizspirale (nicht dar­ gestellt).

In einer Verfahrensvariante können die Fügeteile aber auch ohne Kontakt mit beheizten Fügewerkzeugen erwärmt werden. Für eine berührungslose Erwärmung der Fügeteile sind bei­ spielsweise Induktionsschleifen 30 neben dem stempelseitigen und/oder matrizenseitigen Werkzeug vorgesehen, wie dies schematisch in Fig. 4 dargestellt ist.

Wie bereits erwähnt, kann das Durchsetzfügen und Stanznieten zusätzlich zu einem Verkleben der Bauteile Verwendung fin­ den, womit sich ein weiterer Vorteil ergibt, da aufgrund des wärmearmen Fügeprozesses der im Fügebereich befindliche Klebstoff nicht zerstört wird. Die erfindungsgemäße lokale Erwärmung eignet sich insbesondere für die Herstellung einer solchen kombiniert gefügten Verbindung. Dabei wird zunächst der Klebstoff im Fügebereich aufgetragen. Die Erwärmung der Fügeteile wird dann zusätzlich dazu genutzt, den Klebstoff ganz oder teilweise auszuhärten. Anschließend erfolgt dann die Durchsetzfügung oder die Stanznietung durch den schon teilweise oder auch ganz ausgehärteten Klebstoff. Vorzugs­ weise wird ein Klebstoff verwendet, der sehr schnell unter Wärme aushärtet. Solche Klebstoffe sind von den Klebstoff­ herstellern vorgesehen. Ein Vorteil dieser Fügemethode liegt darin, daß ein gesondertes Aushärten der kombiniert gefügten Verbindung entfällt.

Claims (12)

1. Verfahren zum Fügen durch Umformen, bei dem die miteinander zu verbindenden, überlappt angeordneten Fügetei­ le mit Hilfe eines aus Stempel, Niederhalter und Matrize be­ stehenden Fügewerkzeuges und mit oder ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils lokal plastisch umgeformt werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fügeteile an den Fügeflächen im Füge­ werkzeug durch Kontakt mit vorgewärmten Werkzeugteilen oder durch berührungslose Wärmezufuhr erwärmt werden, bis die Fügeteile ein für das Umformen ausreichendes Formänderungs­ vermögen erhalten, und dann der Fügeprozeß ausgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die stempelseitige und/oder matrizenseitige Fügefläche der Fügeteile erwärmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel und/oder die Matrize des Fügewerkzeuges beheizt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der stempelseitige und/oder matrizenseitige Niederhalter beheizt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die berührungslose Erwärmung induktiv erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fügeprozeß abhängig von der an der Fügestelle gemessenen Temperatur ausgelöst wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Fügestellen Klebstoff aufgebracht wird, der durch die Wärmezufuhr teilweise oder ganz ausgehärtet wird und darauf der Fügeprozeß erfolgt.

8. Vorrichtung zum Fügen durch Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens einem aus Stempel, Matrize und Niederhalter bestehendem Fügewerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügewerkzeug in ein Heizelement (10) eingebaut ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (16; 23) und/oder matrizenseitige Niederhalter (17, 20; 24, 27) mit einem Heizelement versehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (10) eine Heizplatte ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (10) eine Heizspirale ist.

12. Vorrichtung zum Fügen nach Anspruch 1 und 5 mit mindestens einem aus Stempel, Matrize und Niederhalter bestehenden Fügewerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktionsspule (30) stempelseitig und/oder matrizenseitig vorgesehen ist.