DE19634417A1

DE19634417A1 - Verfahren zur Verbindung dünnwandiger Werkstücke

Info

Publication number: DE19634417A1
Application number: DE1996134417
Authority: DE
Inventors: Gunther Heim; Stephan Schuett; Peter Schuesler
Original assignee: YMOS AG 63179 OBERTSHAUSEN DE; Ymos AG
Current assignee: WAGON AUTOMOTIVE GmbH 63857 WALDASCHAFF DE
Priority date: 1996-08-26
Filing date: 1996-08-26
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2016-08-27
Also published as: DE19634417C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend den Merk malen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Zur Verbindung zweier Bleche, welche nur von einer Seite zu gänglich sind, ist es bekannt, zunächst in eines der beiden Bleche eine Bohrung mittels eines Fließformwerkzeuges ein zubringen und in den durch die plastische Verformung des Ma terials entstehenden buchsenförmigen Bereich (Buchse) ein auszugsfestes Gewinde einzuformen. Anschließend wird dann der Schaft einer Kopfschraube durch eine entsprechende Ausnehmung des jeweils anderen (ersten) Bleches gesteckt und in das Ge winde des mit der Fließbohrung versehenen (zweiten) Bleches eingeschraubt. Die Ausnehmung des ersten Bleches besitzt üblicherweise einen Durchmesser, der größer ist als der Ge windedurchmesser der Befestigungsschraube.

Es ist ferner bekannt, die Schraube zur Befestigung der bei den Bleche selbst als Fließformwerkzeug auszubilden. Derar tige Schrauben besitzen als Spitze einen Hartmetalldorn.

Zur Verbindung der Bleche wird die Schraube durch die vor handene Ausnehmung des ersten Bleches geführt und in dem zweiten Blech mittels Fließbohrens eine Buchse erzeugt, in der anschließend durch die Gewindegänge der Schraube ein ent sprechendes Gewinde gefurcht wird. Die Schraube wird dann als Verbindungselement in den Blechen belassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbindung dünnwandiger Werkstücke, welche nur von einer Seite zugänglich sind, unter Einsatz des Fließlochformens anzugeben, bei dem gegenüber bekannten Verfahren auf einfache und kostengünstige Weise eine Festigkeitserhöhung der Verbin dungen erreichbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, beson ders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, daß an den Stellen, an denen die Werkstücke miteinander verbunden werden sollen, je weils eine sich durch beide Werkstücke hindurch erstreckende Bohrung mittels eines Fließformwerkzeuges eingebracht wird. Dadurch wird erreicht, daß im Übergangsbereich zwischen den beiden Werkstücken aufgrund der durch das Fließbohren erzeug ten Hitze (bei Aluminiumlegierungen i.d.R. mindestens 550°C) eine lokale Verschweißung der Werkstücke auftritt.

Außerdem erhält man durch die gegenüber bekannten Verfahren zusätzliche Materialverdrängung des ersten Werkstückes eine sehr stabile und lange Buchse, in die anschließend ein Ge winde zwecks zusätzlicher Befestigung mittels einer Schraube eingebracht werden kann. Dieses ist insbesondere bei Befesti gung sehr dünner Bleche von großem Vorteil.

Sofern die Wandstärke der beiden Werkstücke zusammen relativ dick ist ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, vor Durchführung des Fließbohrens in das erste Werkstück eine Ausnehmung (z. B. mittels Bohren oder Stanzens) einzubringen, die einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als derjenige des Fließlochwerkzeuges. Anderenfalls besteht die Gefahr, daß es durch den relativ hohen Anpreßdruck des Fließlochformwerk zeuges auf dem ersten Werkstück zu einem Verbeulen der Werk stücke kommt.

Anstatt des Einbringens einer Ausnehmung in das erste Werk stück kann das erste Werkstück auch im Bereich der einzu bringenden Bohrung erhitzt werden, so daß das Material in diesem Bereich erweicht bzw. flüssig wird und das Fließform werkzeug mit relativ geringer Vorschubkraft durch dieses Werkstück gestoßen werden kann.

Als vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn die Erhit zung durch einen Lichtbogen erfolgt, wobei die eine Elektrode durch das Fließformwerkzeug und die andere Elektrode durch das erste Werkstück gebildet wird (z. B. Anordnung wie beim WIG-Lichtbogenschweißen). Anstatt einen Lichtbogen zur loka len Erhitzung des ersten Werkstückes zu benutzen, kann auch ein Laserstrahl verwendet werden.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als Fließlochwerkzeug eine an sich bekannte Schraube verwendet, deren vordere Spitze als Hartmetalldorn ausgebildet ist. Nach dem Fließbohrvorgang werden mit der Schraube Gewindegänge in die durch das Fließbohren erzeugten Buchse gefurcht und an schließend die Schraube als Verbindungselement in den Werk stücken belassen.

Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, wenn die mit einander zu verbindenden Werkstücke aus dem gleichen Material bestehen, weil sich in diesen Fällen besonders sichere Schweißverbindungen im Übergangsbereich zwischen den Werk stücken ausbilden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden anhand von Figuren erläuterten Ausführungs beispielen. Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt zweier miteinander zu verbindender Bleche vor dem Einbringen einer durchgehenden Bohrung mittels eines entsprechenden Fließformwerkzeuges;

Fig. 2 den Fig. 1 entsprechenden Querschnitt nach Einbringung einer Fließbohrung;

Fig. 3 den Fig. 2 entsprechenden Querschnitt nach Einschrauben einer Befestigungsschraube in die mit einem Gewinde versehene Fließbohrung;

Fig. 4 und 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem in das erste Blech vor Durchführung des Fließ bohrens eine Ausnehmung eingebracht wird, deren Durch messer kleiner ist als derjenige des Fließformwerk zeuges und

Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das erste Blech vor Durchführung des Fließbohrens mit Hilfe eines Lichtbogens erhitzt wird.

In Fig. 1 sind mit 1 und 2 zwei miteinander zu verbindende Aluminiumbleche mit einer Wandstärke von insgesamt 3 mm bezeichnet. Auf das erste Blech 1 ist ein Fließformwerkzeug 3 aufgesetzt, bei dem es sich um einen rotierenden Hartmetall dorn handelt.

Aufgrund der durch den Hartmetalldorn 3 erzeugten hohen Rei bungswärme werden die Bleche 1, 2 an der Bohrstelle plastisch und verformbar. Dabei entsteht durch die Materialverdrängung ein durch beide Bleche 1, 2 gehender buchsenförmig ausgebil deter Bereich (Buchse) 4, der die Fließbohrung 5 umfaßt und in Fig. 2 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.

Außerdem ergibt sich innerhalb der Buchse 4 an der Berüh rungsfläche 7 der Bleche 1, 2 eine örtliche Verschweißung 6, die für eine Verbindung der beiden Bleche 1, 2 sorgt und einer Punktschweißverbindung ähnelt.

Sofern gewünscht, kann zusätzlich zu der Verschweißung 6 in einem zweiten Arbeitsgang ein auszugsfestes Gewinde 8 (Fig. 3) in die Buchse 4 eingeformt und anschließend zur Erhöhung der Sicherheit der Verbindung der beiden Bleche 1, 2 eine Kopf schraube 9 in das Gewinde eingeschraubt werden.

Die Arbeitsvorgänge Fließlochformen, Verschweißen, Gewinde furchen und Eindrehen der Schraube können auch zusammengefaßt werden, wenn die Spitze 10 der Schraube 9 als Hartmetalldorn ausgebildet ist. Die Spitze 10 der Schraube 9 dient dann zum Fließlochformen, während das Gewinde 11 der Schraube 9 zum Schneiden des entsprechenden Gewindes 8 der Buchse 4 verwen det wird. Nach dem Schneiden des Gewindeganges in die Buchse 4 wird die Schraube 9 dann als Verbindungselement in den Blechen 1, 2 belassen.

Bei etwas dickeren Blechen (z. B. bei zu verbindenden Alumi niumblechen, die zusammen eine Wandstärke größer als 3 mm besitzen), hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das jeweils erste Blech mit einer kleinen Bohrung vor Durchführung des Fließformvorganges zu versehen. Ein entsprechendes Ausfüh rungsbeispiel zeigt Fig. 4.

Dabei sind mit 12 und 13 die zu verbindenden Bleche bezeich net. Das erste Blech 12 besitzt eine Bohrung 14, deren Durch messer 15 kleiner ist als der Durchmesser 16 des entsprechen den Fließformwerkzeuges 17. Der Durchmesser 15 der Bohrung 14 ist derart gewählt, daß sich einerseits der vordere Teil 18 der Spitze 19 des entsprechenden Fließformwerkzeuges 17 vor Beginn des Fließbohrens an dem zweiten Blech 13 abstützt. Andererseits sind die Flanken 20, 21 der Spitze 19 in Ein griff mit den Seitenwänden der Bohrung 14.

Nach dem Fließbohren ergibt sich wiederum eine Verschweißung 22 (Fig. 5) an der Berührungsfläche 23 der Bleche 12, 13 im Bereich der Buchse 24.

Eine weitere Alternative, um zu verhindern, daß bei dickeren Werkstücken der Anpreßdruck des Fließformwerkzeuges auf dem ersten Werkstück zu groß ist und zu einem Verbeulen der Werk stücke führt, besteht darin, das erste Werkstück im Bereich der einzubringenden Bohrung zu erhitzen, so daß das Material in diesem Bereich erweicht bzw. flüssig wird und das Fließ formwerkzeug mit relativ geringer Vorschubkraft durch dieses Werkstück gestoßen werden kann. Ein entsprechendes Ausfüh rungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt.

Dabei sind mit 25, 26 die zu verbindenden Bleche und mit 27 das Fließformwerkzeug bezeichnet. Das Fließformwerkzeug 27 wird zusätzlich als Lichtbogenelektrode verwendet und ist mit dem einen Pol einer Stromquelle 28 verbunden, deren zweiter Pol mit den zu verbindenden Blechen 25, 26 verbunden ist.

Nach Ausbildung eines Lichtbogens 29 zwischen dem Fließform werkzeug und dem ersten Blech 25 erhitzt sich dieses Blech in dem Bereich 30 der einzubringenden Bohrung sehr schnell und wird punktuell in einen glühenden teigigen Zustand versetzt, so daß das Fließformwerkzeug 27 mit einer relativ geringen Vorschubkraft durch das Werkstück 25 gestoßen werden kann. Die sich an den Berührungsflächen der Werkstücke 25, 26 aus bildende Verschweißung hat sich bei Verwendung dieses Ver fahrens als außerordentlich sicher erwiesen.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So können mit dem erfindungsgemaßen Verfahren nicht nur Bleche miteinander verschweißt werden. Vielmehr kann das Verfahren überall dort besonders vorteilhaft eingesetzt werden, wo herkömmliche Punktschweißverbindungen nicht oder nur schwer zu realisieren sind. Dieses ist beispielsweise der Fall, wenn ein flächiges Werkstück an einem Hohlprofil befestigt werden soll, da die entsprechende Elektrode nicht in das Profil eingeführt werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man hingegen auf einfache Weise durch Fließlochformen von der Seite des flächigen Werkstückes aus eine der Punktschweißverbindung vergleichbare Schweißverbindung, die gegebenenfalls zusätz lich durch eine Schraube sicherbar ist.

Anstatt zwei Werkstücke können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch drei oder mehrere Werkstücke miteinander verschweißt werden.

Bezugszeichenliste

1, 2 Bleche, Werkstücke
3 Fließformwerkzeug, Hartmetalldorn
4 Bereich, Buchse
5 Fließbohrung, Bohrung
6 Verschweißung
7 Berührungsfläche
8 Gewinde (Buchse)
9 Kopfschraube
10 Spitze
11 Gewinde (Schraube)
12, 13 Bleche, Werkstücke
14 Bohrung, Ausnehmung
15 Durchmesser (Ausnehmung)
16 Durchmesser (Fließformwerkzeug)
17 Fließformwerkzeug
18 vordere Teil
19 Spitze
20, 21 Flanken
22 Verschweißung
23 Berührungsfläche
24 Buchse
25, 26 Bleche, Werkstücke
27 Fließformwerkzeug
28 Stromquelle
29 Lichtbogen
30 Bereich

Claims

1. Verfahren zur Verbindung mindestens zweier dünnwandiger Werkstücke (1, 2; 12, 13; 25, 26), dadurch gekennzeichnet, daß an den Stellen, an denen die Werkstücke (1, 2; 12, 13; 25, 26) miteinander verbunden werden sollen, jeweils eine sich durch beide Werkstücke (1, 2; 12, 13; 25, 26) hindurch erstreckende Bohrung (5) mittels eines Fließformwerkzeu ges (3; 17; 27) eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einbringen der Fließbohrung in das dem Fließ formwerkzeug (17) zugewandte erste Werkstück (12) eine Ausnehmung (14) eingebracht wird, die einen Durchmesser (15) aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser (16) des Fließformwerkzeuges (17).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (15) der Ausnehmung (14) des ersten Werkstückes (12) derart gewählt wird, daß sich bei in die Ausnehmung (14) eingeführter Spitze (19) des Fließ formwerkzeuges (17) vor Beginn des Fließbohrens der vordere Teil (18) der Spitze (19) an dem zweiten Werk stück (13) abstützt und die Flanken (20, 21) der Spitze (19) an den Seitenwänden der Ausnehmung (14) anliegen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des ersten Werkstückes (25) vor Einbringen der Bohrung erwärmt wird, derart, daß es in dem Bereich (30) der einzubringenden Bohrung mindestens einen teigi gen Zustand aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des ersten Werkstückes (25) mit Hilfe eines Lichtbogens (29) erfolgt, wobei der eine Pol einer Stromquelle (28) mit dem Fließformwerkzeug (27) und der andere Pol der Stromquelle (28) mit dem ersten Werkstück (25) verbunden ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des ersten Werkstückes (25) mit Hilfe eines Lasers erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß als Fließformwerkzeug (3; 17; 27) eine Schraube verwendet wird, deren Spitze (10) als Hartme talldorn ausgebildet ist, und daß nach dem Fließbohrvor gang mit der Schraube (9) in die durch das Fließbohren erzeugte Buchse (4; 24) ein Gewinde (8) gefurcht und anschließend die Schraube (9) als Verbindungselement in den Werkstücken (1, 2; 12, 13; 25, 26) belassen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß es sich mindestens bei einem der mit einander zu verbindenden Werkstücke (1, 2; 12, 13; 25, 26) um ein Hohlprofil handelt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Werkstücke (1, 2; 12, 13; 25, 26) aus dem gleichen Material bestehen.