DE19747267A1 - Verfahren zum Durchsetzfügen und Vorrichtung zu seiner Durchführung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchsetzfügen von Blechteilen und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung.

Als Durchsetzfügen bezeichnet man eine seit etwa einhundert Jahren be­ kannte Technik, um flächig aufeinanderliegende Blechteile lokal mit­ einander zu verbinden. Ein von einer Presse angetriebener Stempel und eine stationäre Matrize begrenzen einen Fügebereich. Wird der Stempel in Richtung Matrize bewegt, wird das Material der Bleche in einen Hohlraum der Matrize tiefgezogen. Erreicht das matrizenseitige Blech den Boden des Hohlraums, der von einem Amboß gebildet wird, und wird der Druck auf den Stempel aufrechterhalten oder erhöht, kann sich der Boden des durch­ gezogenen Fügeabschnitts seitlich ausbreiten, da das Material gequetscht wird und die den Matrizenhohlraum seitlich begrenzenden Wandungen aus­ weichen. Beispiele solcher Fügewerkzeuge sind in EP-B-77 932 offenbart. Ein Vorteil solcher Fügewerkzeuge besteht darin, daß mit einem einzigen Pressenhub sowohl das Tiefziehen als auch das Breitquetschen des Blech­ materials erfolgen. Allerdings müssen dabei Kompromisse hinsichtlich der Auslegung der Werkzeuge geschlossen werden. So müssen die die Seitenwän­ de des Matrizenhohlraums definierenden Elemente einerseits eine hohe Fe­ stigkeit aufweisen, um als Widerlager beim Tiefziehen zu dienen, ande­ rerseits hinreichend flexibel sein, um beim Breitquetschen ausweichen zu können. Verteilt man beide Funktionen auf getrennte Elemente, werden zu­ sätzliche Montageschritte bei der Matrize erforderlich.

Eine andere Lösung ist in EP-B-272 372 vorgesehen. Mittels eines Stem­ pels und einer Matrize wird in einer ersten Arbeitsstation der Tiefzieh­ vorgang ausgeführt. Die Bleche werden dann zu einer zweiten Arbeitssta­ tion transportiert, wo derselbe Stempel mit einem Amboß zusammenwirkt, um das Breitquetschen auszuführen. Diese Vorgehensweise ist vor allem für Arbeiten geeignet, bei denen durchlaufende Bleche an mehreren Stel­ len zu fügen sind, die Bleche also ohnehin transportiert werden müssen.

Je nach Materialeigenschaften der Bleche und der Dicke der zu fügenden Teile sind, erhebliche Umformenergien aufzubringen. Werden beispielsweise mehrere Sätze von Fügewerkzeugen in eine größere Vorrichtung eingebaut,­ sind schwere Pressen notwendig. Bei Einzelfügevorrichtungen setzt man gewöhnlich die Matrize stationär in einen Schenkel eines C-förmigen Bü­ gels, einer Zangenanordnung oder eine analoge Vorrichtung ein, dessen anderer Schenkel eine Führung für den Stempel aufweist. Für den Stempel­ antrieb wird dann ein Hydraulik-Arbeitszylinder (oder auch ein Pneuma­ tikzylinder oder eine Exzenterpresse) verwendet, dessen Kolben am Stem­ pel angreift, während die Reaktionskräfte über den Zylinderkorpus in den C-Bügel abgeleitet werden. Für den Hub ist entweder eine Kraft- oder ei­ ne Wegbegrenzung vorgesehen. Die erforderlichen Drücke des Hydraulikme­ diums liegen in der Größenordnung von einigen zehn Bar und bis zu 500 Bar. Die Schlauchzu- und -ableitungen sind entsprechend unflexibel, mas­ siv und schwer.

Aus den vorstehend geschilderten Gründen bleiben dem Durchsetzfügen be­ stimmte Einsatzgebiete verschlossen, für die es sich gleichwohl beson­ ders eignen würde.

So sind die oben beschriebenen Fügegeräte mit ihren Hydraulikschläuchen häufig zu schwer und unbeweglich, um an schnell arbeitenden Robotern et­ wa der Kraftfahrzeugindustrie eingesetzt zu werden.

Ein weiteres Beispiel sind Hausbauten vor allem in den USA, wo die her­ kömmlichen Fachwerke aus Holz durch solche aus Stahlprofilen ersetzt werden, bei denen es wünschenswert wäre, daß sie vom Bauherrn selbst ge­ fügt werden könnten. Das Gewicht der herkömmlichen Fügegeräte und die fehlende Flexibilität der Leitungen machen deren Einsatz für solche Zwecke jedoch äußerst unpraktisch.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fügeverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, das den Einsatz leichter und unter Be­ rücksichtigung der Kosten auch der Antriebsaggregate preisgünstiger Ge­ räte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Umformenergie als ein oder mehrere Impulse einer auftreffenden beschleunigten Masse zugeführt wird.

Die in jedem Einzelschritt zugeführte Energie muß ausreichen, das Mate­ rial unter Durchlaufen des elastischen Bereichs der Verformungskennlinie bis in den plastischen Bereich hinein umzuformen. Es ist dabei bevor­ zugt, über diese Mindestenergie nicht weit hinauszugehen, um die Vor­ teile des erfindungsgemäßen Verfahrens voll nutzen zu können.

Diese Einzelschritt-Mindestenergie ist überraschend gering und ermög­ licht so, kleine, leichte und preisgünstige Fügegeräte auch für das Fü­ gen von Stahlblechen von zweimal 1 mm oder darüber zu schaffen. Da die jeweiligen Reaktionskräfte ebenfalls in jedem Einzelschritt aufzunehmen sind, können auch relativ leichte C-Bügel (oder analoge Halterungen) verwendet werden.

Es hat sich bewährt, die Einzelschritt-Energiezufuhr dadurch vorzuneh­ men, daß eine im Abstand von dem Stempel beweglich angeordnete Masse be­ schleunigt wird und auf den Stempel auftrifft, wobei die in ihr gespei­ cherte kinetische Energie auf den Stempel übertragen wird. Die Anzahl der erforderlichen Einzelschritte hängt dann von der Größe der Masse und ihrer Auftreffgeschwindigkeit, also dem auf den Stempel übertragenen Im­ puls ab. Da die Auftreffmasse um Größenordnungen höher liegen wird als die Masse des Stempels und der mit ihm verbindenden Teile, wird praktisch der gesamte Impuls auf den Stempel übertragen. Dabei empfiehlt es sich, auf der Gegenseite - also hinter der Matrize - eine relativ große Mas­ se anzuordnen, die Reaktionskräfte aufnimmt; der C-Bügel oder andere Halterungen dienen dann vor allem der Führung des Stempels relativ zu der Matrize und können entsprechend leicht aufgebaut werden.

Für die Beschleunigung der Auftreffmasse bieten sich zahlreiche Möglich­ keiten. Im einfachsten Falle arbeitet man mit einem Fallgewicht. Man kann aber auch ein Gerät nach Art eines Pneumatikhammers ausbilden, der über flexible Schläuche an ein vorhandenes Druckluftnetz oder einen Kom­ pressor angeschlossen wird. Man kann auch einen Unwucht-Schwingantrieb nach Art von Verdichtungsmaschinen vorsehen. Weiter kann man mittels ei­ nes Hubmagneten eine Schlagfeder vorspannen, oder auch die Masse mittels einer Explosivladung gegen den Stempel "schießen". Diese Aufzählung er­ hebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Die beigefügte Zeichnung stellt weitgehend schematisiert in Seitenan­ sicht, teilweise geschnitten, eine Ausführungsform eines Fügegeräts dar, mit dem das Verfahren gemäß der Erfindung realisiert wird.

In dem unteren Schenkel 10 eines C-Bügels 12 ist die Matrize 14 eines Fügewerkzeugsatzes eingespannt, zu dem auch der Stempel 16 gehört. Die Matrize und der Stempel haben eine Bauart, wie sie beispielsweise in der oben erwähnten EP-B-77 932 offenbart ist. Der Stempel ist an einem Füh­ rungskolben 18 befestigt, der in einer Bohrung 20 eines Ansatzes 22 des C-Bügels geradegeführt und gegen Verdrehung gesichert ist. Der Kolben 18 weist einen Bund 24 auf, und eine Feder 26 ist zwischen dem Bund und ei­ ner Schulter 28 eingespannt, die den Führungskolben 18 in Richtung Ma­ trize drückt. In der hier dargestellten Ausgangsposition wird somit der Stempel mit seiner Arbeitsfläche gegen die zu fügenden Werkstücke in An­ lage gehalten.

Die zu fügenden Bleche 30 liegen auf einem weggebrochen dargestellten Stützelement 32 auf und werden von einem vorzugsweise zustellbaren, ebenfalls weggebrochen dargestellten Klemmhalter 34 in der Fügeposition gesichert. Die Fügung wird mit Wegbegrenzung ausgeführt; der notwendige und hinreichende Fügeweg "X" ist der Abstand zwischen dem Bund 24 und Anschlagflansch 36. Bei anderen Ausführungsformen kann der Fügeweg auch einstellbar sein.

Der Ansatz 22 weist in Verlängerung seiner Bohrung 20 eine Geradfüh­ rungsbohrung 38 für eine Schlagmasse 40 auf. Die Schlagmasse ist in Pfeilrichtung zu einer hinundhergehenden Bewegung relativ zum Führungs­ kolben 18 angetrieben. Die Antriebsorgane sind, wegen der vielen denk­ baren Möglichkeiten, absichtlich nicht dargestellt; es sei der Einfach­ heit halber angenommen, daß ein Hubmagnet die Schlagmasse 40 gegen die Vorspannung einer Schlagfeder nach oben auslenkt, die nach Abschalten 'des Hubmagneten die Schlagmasse 40 beschleunigt, bis sie auf den Füh­ rungskolben 18 auftrifft.

In der Basis des C-Bügels ist durch Pfeil 42 angedeutet, daß die öff­ nungsweite des Bügels einstellbar ist, etwa um den Bügel über eine Ab­ kantung zu führen, hinter der die Fügung vorzunehmen ist.

Der Klemmhalter kann zugleich als Abstreifer der gefügten Werkstücke vom Stempel dienen. Die üblichen federvorgespannten matrizenseitigen Ab­ streifer sind hier weniger geeignet, da sie die Impulsübertragung von der Schlagmasse 40 auf den Führungskolben 18 bremsen würden; man könnte hebelartige, gegebenenfalls manuell betätigbare Abstreifer verwenden, die aber zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet sind.

Für das Einlegen der Werkstücke muß natürlich der Stempel 16 samt seinem Führungskolben 18 gegen die Kraft der Feder 26 nach oben gedrückt wer­ den. Wenn hierfür eine Kraftunterstützung vorgesehen wird, kann die Fe­ der 26 mit erheblicher Vorspannung auf den Stempel wirken, wodurch die Größe der benötigten Schlagimpulse entsprechend kleiner gewählt werden kann.

Die auf und ab pendelnde Masse mit der Schlagfeder oder der Luftsäule eines pneumatischen Antriebs stellt ein schwingendes System dar, das vorzugsweise weit unterhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben wird. Dann bleibt nämlich die Baugruppe, bestehend aus Ansatz 22 und C-Bügel, weit­ gehend im Stillstand, so daß das Gerät bequem von Hand geführt werden kann.

Man erkennt, daß auch- bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Fügung mittels eines einzigen Hubes des Stempels 16 hergestellt wird, den er in einem oder aber in mehreren diskreten Schritten durchläuft.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das eine beschriebene Aus­ führungsbeispiel beschränkt ist. Die Halterung von Stempel und Matrize können zangenförmig sein; es kann eine Kraftumlenkung über eine schiefe Ebene vorgesehen werden. Es sind auch Anlagen mit mehreren oder vielen Sätzen von Fügewerkzeugen vorstellbar, bei denen hinter den Matrizen eine einzige große gemeinsame Masse vorgesehen ist.

Claims (20)

1. Verfahren zum Durchsetzfügen von Blechteilen, bei dem mittels eines Werkzeugsatzes aus einem Stempel und einer einen Amboß aufweisen­ den Matrize Blechmaterial aus der Blechebene herausverlagert und ge­ quetscht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformenergie als ein oder mehrere Impulse einer beschleunigten auftreffenden Masse zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Reak­ tionskräfte von einer auf der der auftreffenden Masse abgekehrten Seite, des Werkzeugsatzes angeordneten Gegenmasse aufgenommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Impulse derart bemessen wird, daß die pro Impuls zugeführ­ te Umformenergie eine relativ geringe plastische Deformation der zu fü­ genden Materialien bewirkt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schlagmasse parallel zur Stempelführung geführt auf eine gegebene Geschwindigkeit beschleunigt wird, bevor sie auf den Stempel auftrifft.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagmasse elektromechanisch beschleunigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagmasse pneumatisch beschleunigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagmasse durch eine Unwuchtrüttelanordnung beschleunigt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schlagmasse Teil eines schwingungsfähigen Systems ist, das unterhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagmasse durch Zünden eines Explosivstoffes beschleunigt wird.

10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 4 oder einem auf ihn rückbezogenen Anspruch, gekennzeichnet durch:

• - eine Matrizenhalterung (10),
• - eine stationär in der Matrizenhalterung eingespannte Füge­ matrize (14),
• - einen relativ zu der Matrize in Fügerichtung verlagerbaren Stempel (16), der in einer Stempelhalterung (18) eingespannt ist,
• - eine Schlagmasse (40), die in Richtung der Stempelhalterung beschleunigbar ist, bis sie auf die Stempelhalterung auftrifft, und
• - Antriebsmittel für die Schlagmasse.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempelhalterung geradegeführt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempelhalterung verdrehgesichert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß ein C-Bügel (12) vorgesehen ist, in dessen einem Schenkel die Matrize gehalten ist und in dessen anderem Schenkel die Stempelhalte­ rung geführt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch eine Geradführung (38) für die Schlagmasse (40) in Ausfluchtung mit der Führung (20) der Stempelhalterung.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch eine Federanordnung (26), die den Stempel zu Beginn des Fügens ge­ gen die Blechteile vorspannt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder einem auf ihn rückbezogenen Anspruch, gekennzeichnet durch eine Wegbegrenzung (24 + 36) für die Stem­ pelhalterung.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, gekennzeichnet durch einen Klemmhalter (34) für das Festklemmen von Werkstücken auf der Matrize.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, gekennzeichnet durch eine matrizenseitige Werkstückabstützung (32).

19. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder einem auf ihn rückbezogenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungsweite des C-Bügels va­ riabel ist.

20. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Mittel in Leichtbauweise für das Führen von Stempel und Matrize relativ zueinander und durch eine Reaktionskräfte aufnehmen­ de Gegenmasse auf der der auftreffenden Masse abgekehrten Seite des Werkzeugsatzes, welche Gegenmasse vorzugsweise deutlich größer ist als die auftreffende Masse.