DE19723415C1 - Kalt-Fügeverbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kalt-Fügeverbindung bestehend aus mindestens zwei Werkstücken, von denen je ein Werkstück minde­ stens einen pilz- oder sägezahnförmig ausgebildeten Vorsprung und anderes, gegenüberliegendes Werkstück eine zur formschlüssi­ gen Verbindung mit dem Vorsprung geeignete Vertiefung aufweist, wobei die Bodenfläche der Vertiefung als Anschlag für die Front­ fläche des Vorsprunges dient.

Kalt-Fügeverbindungen werden üblicherweise als Kalt-Schweiß­ verbindungen ausgebildet, wobei mindestens eines der zu verbin­ denden Werkstückteile im Abstand voneinander angeordnete Rippen aufweist, die in eine entsprechende Aussparung des zweiten Werk­ stückteils eingepresst und dabei kalt-verschweißt werden. Eine derartige Anordnung ist aus der deutsche Auslegeschrift 23 44 703 bekannt. Da die Herstellung solcher rippenförmigen Werk­ stückteile verhältnismäßig aufwendig ist, wurde nach einfacheren Lösungen gesucht, die aber mindestens die gleiche, möglichst aber eine höhere Verbindungsqualität aufweisen sollen.

Verhältnismäßig einfach aufgebaut sind sogenannte "Schnappver­ bindungen", die aus hakenförmig ausgebildeten Formteilen beste­ hen. Als Beispiel hierfür kann ein System zur Festlegung von Formteilen gemäß deutscher Patentschrift DE 38 15 927 zitiert werden, wobei hier zusätzlich noch Auflaufschrägen zur Führung und seitlichen Anpressung der Haltearme vorgesehen sind. Bei Schnappverbindungen ist nämlich die Zuverlässigkeit der Verbin­ dung davon abhängig, daß die Haltearme tatsächlich verhaken und sich nicht etwa nur anlehnen oder seitlich ausweichen aber nicht einschnappen. Dieses Problem wurde bei der deutschen Patent­ schrift durch entsprechende Zusatzteile gelöst, wobei als Anwen­ dungsfall vorzugsweise Kunststoff-Spritzgußteile erwähnt sind. eine klapperfreie Verbindung ist damit aber nicht herstellbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kalt-Füge­ verbindung, insbesondere für Metallprofile derart auszubilden, daß sie mit hoher Zuverlässigkeit und Maßhaltigkeit aus verhält­ nismäßig einfach ausgebildeten Profilabschnitten hergestellt und zusammengefügt werden kann. Die Verbindung soll sowohl bei sta­ tischer als auch dynamischer Festigkeitsbeanspruchung klapper­ frei sein und zumindest in dieser Hinsicht einer der Qualität einer thermischen Schweißverbindung ebenbürtig sein.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Merk­ male gelöst. Es hat sich gezeigt, daß eine kombinierte form- und kraftschlüssige Verbindung der geschilderten Qualitätsanforde­ rung am ehesten entspricht, wobei sowohl die Werkstoffauswahl als auch die Kombination der Abmessungen dem jeweiligen Anwen­ dungsfall angepaßt werden müssen.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn bei einer Kalt-Fügeverbindung bestehend aus mindestens zwei Werkstücken die Umrißformen durch bekannte Massenherstellungsverfahren erzeugt werden können. Das erfindungsgemäße Kaltfügen kann mit bekannten Fügeeinrichtungen, wie z. B. Rollrichtformern durchgeführt werden, wobei die be­ sondere Werkstückkonstruktion es erlaubt auf Hilfsvorrichtungen zur Justierung zu verzichten.

Die Formgebung der Werkstücke kann erfindungsgemäß in Strang­ preßverfahren, z. B. durch Aluminium-Strangpressen hergestellt werden. Zunächst muß für jedes Werkstück eine Anschlußseite A1, B1 festgelegt werden, wobei die eine Anschlußseite mindestens einen pilz- oder sägezahnförmig ausgebildeten Vorsprung 1 und das andere Werkstück eine zur formschlüssigen Verbindung mit dem Vorsprung geeignete Vertiefung 3 aufweist. Die Bodenfläche der Vertiefung ist als Anschlag für die Frontfläche des Vorsprunges ausgebildet, so daß eine Kraftbegrenzung durch die Konstruktion der Werkstücke gegeben ist.

Durch Strangpressen läßt sich auch an der zur Anschlußseite B1 hin zeigenden Frontfläche des an der Anschlußseite A1 ausge­ bildeten Vorsprunges 1 ein dornenförmigen Fortsatz 2 ausbilden. Dabei muß die Höhe H des Fortsatzes größer als die Tiefe T der Aussparung in dem gegenüberliegenden Werkstück sein.

Die Aussparung 3 weist in Verlängerung der Randzone 4a, 4b an der Werkstückoberfläche zwei gegenüberliegende, zum Fortsatz 2 hin aufgebogene Randlappen 5a, 5b auf. Die Aufbiegung ermöglicht eine Zentrierung der zu verbindenen Werkstücke vor dem eigentli­ chen Verbindungsvorgang.

Besonders vorteilhaft ist, daß die außenliegenden Lappenseiten der Randlappen als Gleitfläche 6a, 6b ausgebildet sind, damit die Anschlagflächen 1a, 1b des Vorsprunges 1 beim Fügevorgang mit geringem Kraftaufwand ineinander geschoben werden können.

Von Bedeutung ist ferner, daß zwischen dem Fortsatz 2 und den Anschlagflächen 1a, 1b Einschnürungen 7a, 7b eingeformt sind, in die die Randlappen 5a, 5b im gefügten Zustand formschlüssig verankert werden können. Durch diese Formschlüssigkeit wird eine spielfreie und verdrehsichere Verankerung ermöglicht.

Um das Wiederaufbiegen der kaltgefügten Verbindung zu verhin­ dern, werden die Randlappen 5a, 5b während des Einschiebens des Fortsatzes 2 gestaucht und dabei kaltverfestigt. Sie sind daher in ihrer horizontalen Endlage wesentlich steifer ausgebildet als beim vorhergehenden Verbindungsverfahren. Damit wird ein erhöh­ ter Widerstand gegenüber solchen Kräften wirksam, die die Kalt- Fügeverbindung zerstören oder aufbrechen wollen.

Man kann nun für die verschiedenen Lastfälle ein Verhältnis zwischen Dicke der Randlappen und Stauchlänge beim Einschieben des Fortsatzes angeben. Generell gilt, daß je größer die Stauch­ kräfte desto höher der Widerstand gegen eine Zerstörung der kaltgefügten Verbindung.

Weil die erfindungsgemäße Kalt-Fügeverbindung durch den Stauch­ vorgang gewissermaßen unter "Vorspannung" geformt wurde, ist auch bei schwingender Belastung eine erhöhte Widerstandskraft gegen zerstörende Kräfte feststellbar. Einem seitlichen Verbie­ gen bzw. "Aufhebeln" der Randlappen 5a, 5b wirkt die breite Basisfläche F des Vorsprunges 1 entgegen. Sie übergreift die Randlappen und stützt sich in der Randzone 4a, 4b an der Werk­ stückoberfläche ab.

Eine bevorzugte Herstellungsart der erfindungsgemäßen Kalt-Füge­ verbindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Werkstücke mit je einem dornenförmigen Fortsatz und einer Vertiefung, die mit zwei aufgebogenen Randlappen teilweise verschlossen ist, gegen­ einander gefahren werden, und daß der dornenförmige Fortsatz in die Vertiefung eingedrückt und dabei die aufgebogenen Randlappen verformt und gestaucht werden und daß der Stauchvorgang fortge­ setzt wird bis der dornenförmige Fortsatz vollständig in die Vertiefung eingedrungen ist.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die aufgebogenen Randlappen nach Stauchung und Kaltverfestigung der an die Randlappen angrenzen­ den Randzone des zugehörigen Werkstückes formschlüssig in Hin­ terschneidungen des dornenförmigen Fortsatzes eingreifen und die Hinterschneidungen des Fortsatzes als Einschnürung in der Basis­ fläche des Fortsatzes ausgebildet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Querschnitt durch Abschnitte von zwei Werkstüc­ ken vor der Herstellung einer Kalt-Fügeverbin­ dung;

Fig. 2a, b, c Verfahrensablauf während der Herstellung einer erfindungsgemäßen Kalt-Fügeverbindung;

Fig. 3 Ausschnittsvergrößerung nach Fig. 1 im Zustand vor der Herstellung der Kalt-Fügeverbindung.

Gemäß Fig. 1 sind zwei im Querschnitt auszugsweise dargestellte Werkstücke A, B gegenüberliegend angeordnet. Das oben liegende Werkstück A weist einen pilzförmig ausgebildeten Vorsprung 1 und einen dornenförmigen Fortsatz 2 auf. Das unten liegende Werk­ stück B enthält eine Aussparung 3, die in dem hier gewählten Beispiel nutenförmig ausgebildet ist.

Dementsprechend kann in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel der im Querschnitt dornenförmige Fortsatz 2 als senkrecht zur Bild­ ebene verlaufende Profilleiste aufgefaßt werden. Diese kann dann über eine beliebige Länge formschlüssig in die Aussparung 3 der nutenförmigen Vertiefung am Werkstück B eingebracht und ver­ ankert werden.

Weiterhin sind in Fig. 1 zwei aufgebogene Randlappen 5a, 5b zu erkennen, die in Verlängerung der Randzonen 4a, 4b aus der Werk­ stückoberfläche des Werkstücks B herausragen. Die Dicke D der Randlappen 5a, 5b ist so bemessen, daß sie spielfrei in Ein­ schnürungen 7a, 7b am dornenförmigen Fortsatz 2 des Werkstücks A eindrückbar sind.

Die in Verlängerung der Randzonen 4a, 4b an der Oberfläche des Werkstücks B sich erstreckende Lappenseite dient als Gleitfläche 6a, 6b für die Anschlagflächen 1a, 1b des Vorsprungs 1. Damit kann die erfindungsgemäße Kalt-Fügeverbindung nach dem Zusammen­ drücken der Werkstücke A, B entlang einer Füge- und Verbindungs­ achse C formschlüssig verankert werden.

Einzelheiten der Herstellung der erfindungsgemäßen Kalt-Füge­ verbindung sind den Fig. 2a, 2b, 2c zu entnehmen. Die Fü­ gekräfte werden in Pfeilrichtung entlang der Füge- und Verbin­ dungsachse C auf die Werkstücke A, B ausgeübt. Die Fügekräfte können beispielsweise durch eine Rollrichtvorrichtung aufge­ bracht werden, so daß auch großflächige Kalt-Fügeverbindungen kostengünstig herstellbar sind.

Wichtig für ein verzugsfreies und maßhaltiges Fügeverfahren ist, daß die Anschlußebenen senkrecht aufeinander stehen. Dieses wird gemäß Fig. 2b dadurch sichergestellt, daß der Fortsatz 2 mittig in der Vertiefung 3 eingeführt ist. Über den Vorsprung 1 werden symmetrisch zur Füge- und Verbindungsachse C Biegekräfte auf die Randlappen 5a, 5b aufgebracht. Gegebenenfalls kann ein seitli­ cher Versatz durch Führungsrollen kompensiert werden, die auf dem pilzförmig ausgebildeten Vorsprung angreifen.

In Fig. 2c ist die erfindungsgemäße Kalt-Fügeverbindung im formschlüssig verankerten Zustand dargestellt. Beim Einpressen des Fortsatzes 2 in die Aussparung 3 werden die Randlappen 5a, 5b gestaucht. Dieses ist darauf zurückzuführen, daß die Aus­ gangslänge der Randlappen 5a, 5b in der gemäß Fig. 2a darge­ stellten Position größer ist als der Abstand der Randzone 4a, 4b von der Einschnürung 7a, 7b im Zustand gemäß Fig. 2c nach der Verankerung der Kalt-Fügeverbindung. Durch diese Stauchung der Randlappen tritt eine zusätzliche Kaltverfestigung in den Rand­ zonen 4a, 4b ein, so daß bei einer Zugbelastung gemäß Pfeil­ richtung in Fig. 2c die Kalt-Fügeverbindung nicht gelöst werden kann.

In Fig. 3 sind die vorbeschriebenen Einzelheiten anhand einer vergrößerten Darstellung näher beschrieben. Die zuletzt erläu­ terten verfestigten Zonen sind als Schraffur Z1, Z2 angedeutet. Auch die Längenverhältnisse zwischen den Längen der Randlappen R1, R2 und den Abständen L1, L2 des Zwischenraums im gefügten Zustand sind der Fig. 3 zu entnehmen. Die Abstände des Zwi­ schenraums L1, L2 sind definiert durch den Abstand zwischen den Einschnürungen 7a, 7b und dem Ansatz der Randlappen 5a, 5b an den Randzonen 4a, 4b.

Ferner ist in Fig. 3 die Höhe H des Fortsatzes 2 und die Tiefe T der Aussparung 3 angegeben. Es ist dem Fachmann überlassen, die für die spielfreie Verankerung erforderlichen Toleranzfelder für die Einzelmerkmale der erfindungsgemäßen Kalt-Fügeverbindung vorzugeben. Diese sind auch von der Werkstoffwahl abhängig.

Als bevorzugte Anwendungsbeispiele seien hier folgende Werk­ stoffkombinationen genannt:

• 1. Reinaluminium L1, L2 : R1, R2 = 1,3-1,6
• 2. AlMn L1, L2 : R1, R2 = 1,2-1,5
• 3. AlMg L1, L2 : R1, R2 = 1,2-1,4
• 4. AlMgSi L1, L2 : R1, R2 = 1,1-1,3

Unter den vorgenannten Bedingungen sind hochfeste, klapperfreie Kalt-Fügeverbindungen zu erzielen, wobei während des Fügens ein variabler Kraftverlauf einzuhalten ist. Zunächst werden die zu verbindenden Werkstücke auf Anschlag zusammengefahren. Dann wird mit hoher Anpreßkraft der Stauchvorgang eingeleitet, wobei die maximale Kraftaufnahme in axialer Richtung erfolgt. Quer zur axialen Vorschubrichtung werden mit einer zweiten Kraftkomponen­ te die erforderlichen Stauchkräfte aufgebracht, so daß eine Kaltverfestigung nach einer Haltezeit von wenigen Sekunden ein­ tritt.

Claims (7)

1. Kalt-Fügeverbindung bestehend aus mindestens zwei Werk­ stücken, von denen je ein Werkstück an einer Anschlußseite (A1, B1) mindestens einen pilz- oder sägezahnförmig ausge­ bildeten Vorsprung (1) und ein weiteres, gegenüberliegendes Werkstück eine zur formschlüssigen Verbindung mit dem Vor­ sprung geeignete Vertiefung (3) aufweist, wobei die Boden­ fläche der Vertiefung als Anschlag für die Frontfläche des Vorsprunges dient, dadurch gekennzeichnet,
daß an der zur Anschlußseite (B1) hin zeigenden Frontfläche des an der Anschlußseite (A1) ausgebildeten Vorsprunges (1) ein dornenförmiger Fortsatz (2) angeformt ist, wobei die Höhe (H) des Fortsatzes (2) größer ist als die Tiefe (T) der Aussparung (3),
daß die Aussparung (3) in Verlängerung der Randzone (4a, 4b) an der Werkstückoberfläche zwei gegenüberliegende, zum Fortsatz (2) hin aufgebogene Randlappen (5a, 5b) aufweist, wobei die außenliegende Lappenseite der Randlappen als Gleitfläche (6a, 6b) für die Anschlagflächen (1a, 1b) des Vorsprungs (1) ausgebildet sind
und daß zwischen dem Fortsatz (2) und den Anschlagflächen (1a, 1b) Einschnürungen (7a, 7b) eingeformt sind, in die die Randlappen (5a, 5b) im gefügten Zustand formschlüssig verankert sind.

2. Kalt-Fügeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze der Randlappen (5a, 5b) eine Dicke (D) auf­ weisen, die der Weite (W) der Einschnürungen (7a, 7b) entspricht.

3. Kalt-Fügeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den aufgebogenen Randlappen (5a, 5b) ver­ bleibende Spalt (S) kleiner oder gleich der maximalen Brei­ te des dornenförmigen Fortsatzes (2) ist.

4. Kalt-Fügeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalt-Fügeverbindung aus einer Aluminiumlegierung mit 0,9 bis 1,4% Mangan, 0,6 bis 1,2% Magnesium und/oder 0,75 bis 1,3% Silizium besteht.

5. Verfahren zur Herstellung einer Kalt-Fügeverbindung beste­ hend aus mindestens zwei Werkstücken, von denen je ein Werkstück an einer Anschlußseite (A1, B1) mindestens einen pilz- oder sägezahnförmig ausgebildeten Vorsprung (1) und ein weiteres, gegenüberliegendes Werkstück eine zur formschlüssigen Verbindung mit dem Vorsprung geeignete Vertiefung (3) aufweist, wobei die Bodenfläche der Vertie­ fung als Anschlag für die Frontfläche des Vorsprunges dient, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Werkstücke mit je einem dornenförmigen Fortsatz und einer Vertiefung, die mit zwei aufgebogenen Randlappen teilweise verschlossen ist, gegeneinander gefahren werden,
daß der dornenförmige Fortsatz in die Vertiefung einge­ drückt und dabei die aufgebogenen Randlappen verformt und gestaucht werden
und daß der Stauchvorgang fortgesetzt wird bis der dornen­ förmige Fortsatz vollständig in die Vertiefung eingedrungen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebogenen Randlappen nach Stauchung und Kaltver­ festigung der an die Randlappen angrenzenden Randzone des zugehörigen Werkstückes formschlüssig in Hinterschneidungen des dornenförmigen Fortsatzes eingreifen.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterschneidungen des Fortsatzes als Einschnürung in der Basisfläche des Fortsatzes ausgebildet sind.