DE19752201A1 - Verfahren zum Fügen durch Umformen - Google Patents

Verfahren zum Fügen durch Umformen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen durch Umformen, bei dem die miteinander zu verbindenden, überlappt angeordneten Fü­ geteile mit Hilfe eines aus Stempel, Niederhalter und Matrize bestehenden Füge­ werkzeuges und mit oder ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils lokal plastisch um­ geformt werden nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Insbesondere betrifft die Erfindung das Stanznieten und Durchsetzfügen, also umformtechnische Fügeverfahren mit Hilfsfügeteil (Stanznieten) und ohne Hilfsfü­ geteil (Durchsetzfügen). Dabei werden die überlappt angeordneten Fügeteile lokal plastisch umgeformt und damit kraft-/formschlüssig miteinander verbunden. Die Hauptvorteile solcher Fügeverfahren liegen vor allem darin, daß das Fügen ohne Wärmeeinwirkung auf die Fügeteile erfolgt, um Energie zu sparen und die Umwelt zu schonen und außerdem darin, daß das Fügen von Werkstoffen und Werkstoff­ kombinationen möglich ist, die aus fügetechnischer Sicht Probleme aufwerfen, wie dies beispielsweise bei Mischverbindungen von Stahl mit Aluminium o. ä. oder oberflächenbeschichteten Blechen der Fall ist. Im gesamten Bereich des Leichtbaues ist der Einsatz solcher Fügeverfahren richtungsweisend.
Zur Systematik und Verfahrensbeschreibung solcher Fügeverfahren wird auch "Die Bibliothek der Technik" Bd. 115, STANZNIETEN UND DURCHSETZFÜGEN, im Verlag Moderne Industrie 1995, hingewiesen.
Allerdings setzen diese bekannten Fügeverfahren voraus, daß die Werkstoff­ eigenschaften der Fügeteile die beim Stanznieten und Durchsetzfügen auftretenden Umformvorgänge zulassen. Deshalb ist es nicht möglich, Werkstoffe, wie Polymere oder andere Materialien, die eine geringe Steifigkeit aufweisen, zu fügen, da sie aufgrund ihres visko-elastischen Verhaltens eine Umformung verhindern oder sich beim umformtechnischen Fügeprozeß stark verformen, wie dies bei vielen Kunst­ stoffen, bei Kautschuk oder dicken Klebstoffschichten der Fall ist. Fügeteile aus solchen Werkstoffen lassen sich daher untereinander sowie auch mit Fügeteilen aus Blechwerkstoffen nicht in der geschilderten Weise durch Umformen fügen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, ein Füge­ verfahren zu schaffen, mit dem Fügeteile aus visko-elastischen Werkstoffen mit Hilfe der bekannten Fügeverfahren, wie Stanznieten oder Durchsetzfügen, mitein­ ander verbunden werden können.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen, die auch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens betreffen.
Das erfindungsgemäße Prinzip beruht auf der partiellen Abkühlung der Füge­ teile an den Fügeflächen bis zu einem Zustand, in dem sich das Fügeteil soweit ver­ festigt, daß es sich beim Umformen nicht mehr elastisch verformen kann. Die Ab­ kühlung erfolgt auf eine Temperatur, bei der das Deformationsvermögen des elasti­ schen Fügeteils soweit eingeschränkt ist, daß sich der Werkstoff "spröde" verhält und so ein Fügeprozeß durchführbar wird, der ein qualitativ hochwertiges Fügeer­ gebnis ermöglicht.
Erfindungsgemäß ist die Abkühltemperatur, z. B. auf Glasübergangstemperatur des Kunststoffes so zu wählen, daß der Fügewerkstoff sich während des Fügepro­ zesses "hart und spröde" verhält und andererseits nach dem Fügeprozeß und dem Erwärmen auf Umgebungstemperatur wieder diejenigen Eigenschaften aufweist, die vor dem Abkühlen vorhanden waren. Das Abkühlen zum Umformen soll also ein reversibler Vorgang sein. Grundsätzlich ist das Verfahren bei Fügeteilen aus einem Werkstoff anwendbar, der eine geringe Steifigkeit aufweist. Vorzugsweise betrifft das erfindungsgemäße Verfahren das Fügen von Polymeren.
Zum Verformen thermoplastischer Polymere sowie zum visko-elastischen Verhalten von Polymeren wird auf KUNSTSTOFFE ALS HOCHPOLYMERE WERKSTOFFE, Kap. 1.3.4 Mechanische und thermische Eigenschaften, S. 13, und POLYMERE, Kap. 15.7 Verformung und Bruch thermoplastischer Polymere, S. 464 in "Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften" von Hans Domininghaus, VDI- Verlag GmbH, Düsseldorf 1992, hingewiesen.
Die Fügeteile können partiell durch Kontakt mit einem Kälte-Thermostat, ins­ besondere einem Tiefkälte-Umwälzthermostat auf Temperaturen bis zu -100°C ab­ gekühlt werden. Die partielle Abkühlung kann auch berührungsfrei, z. B. durch flüssigen Stickstoff erfolgen. Insbesondere bei kleinen Fügeteilen kann die Abküh­ lung auch in einer speziellen Klimakammer vorgenommen werden.
Da Stempel und Matrize des Fügewerkzeuges an die jeweilige Fügepaarung konstruktiv angepaßt sein müssen, werden Stempel und/oder Matrize vorzugsweise von außen her gekühlt. Ein Kühlelement, wie ein thermoelektrischer Kühlthermostat ist Bestandteil des Fügewerkzeuges und ist an dem Fügewerkzeug angebaut. Insbe­ sondere wird bevorzugt, die beim Stanznieten und Durchsetzfügen erforderlichen Niederhaltesysteme zu kühlen, die stempel- und matrizenseitig vorgesehen sind, um die Fügeteile zu positionieren und zu halten. Solche Niederhalter eignen sich in be­ sonderem Maße für den Zusammenbau mit einem Kühlelement.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Kühlplatte zur Abkühlung von Fügewerkzeugteilen, Temperaturfühler und -regler;
Fig. 2 eine Ansicht eines Werkzeuges zum Durchsetzfügen mit gekühlten Nie­ derhaltern;
Fig. 3 ein Werkzeug zum Stanznieten mit gekühlten Niederhaltern;
Fig. 4 mehrere mögliche Anordnungen von Fügeteilen mit unterschiedlichen Werkstoffen;
Fig. 5 eine Stanznietverbindung mit Halbhohlniet;
Fig. 6 eine Stanznietverbindung mit Vollniet;
Fig. 7 eine Durchsetzfügeverbindung mit Schneidanteil 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 mittels eines Hilfsfüge­ teils, nämlich einer Halbhohlniet 3, verbunden. Dabei entsteht das Fügeelement 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 4.
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 Fließpressen eine kraft- und formschlüssige Verbindung entsteht. Das Durchsetzfügen ohne Schneidanteil ist schematisch in Fig. 8 dargestellt, wobei durch Einsenken und einen Kaltstauch­ vorgang durch Fließpressen die Verbindung erzeugt wird. Beim Durchsetzfügen entfällt also ein Hilfsfügeteil in Form eines Nietelements.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Fügen von visko-elastischen Fügeteilen durch Stanznieten oder Durchsetzfügen. Dabei ist eine Kühlplatte 10 vorgesehen, die eine Bohrung 11 aufweist, die zur Aufnahme des Stempels oder der Matrize eines Fügewerkzeuges dient. Die Kühlplatte 10 ist an einen Regler 12 angeschlos­ sen, mit dem die Temperatur des Thermostats in der Kühlplatte 10 einstellbar ist. Die Temperatur der Kühlplatte 10 wird mit einem Temperaturfühler 13 gemessen und am Regler 12 angezeigt.
In Abstimmung mit dem Werkstoff der zu verbindenden Fügeteile ist es mög­ lich, entweder den Stempel und die Matrize des Fügewerkzeuges zu kühlen oder nur den Stempel oder die Matrize.
Das in Fig. 2 dargestellte Werkzeug zum Durchsetzfügen besteht stempelseitig aus einer Stempelaufnahme 15, in der ein Stempel 16 befestigt ist und aus einem federnd angeordneten Niederhalter 17, der auf die nicht dargestellten Fügeteile auf­ gesetzt wird, um diese zu positionieren und zu halten. Ferner dient der Niederhalter 17 als Abstreifer beim Hochgehen des Stempels. Der Stempelantrieb ist nicht dar­ gestellt. 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 Kühlplatte ausgebildet, sind also vor­ zugsweise mit einem thermoelektrischen Kühlelement versehen. Beim Aufsetzen auf die Fügeteile werden diese gekühlt. Außerdem dienen die Niederhalter zum Kühlen 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. Ma­ trizenseitig 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 thermoelektrisch gekühlt (nicht dargestellt).
Ferner kann das Fügewerkzeug mit Kanälen versehen sein, in die flüssiger Stickstoff eingeleitet wird, durch den die Abkühlung erfolgt. Ferner können die Fü­ geteile in eine spezielle Klimakammer verbracht werden, in der die Abkühlung er­ folgt. Dies kann sich für kleine Bauteile eignen.
In Fig. 4 sind mehrere mögliche Anordnungen von Fügeteilen dargestellt. Fig. 4a zeigt ein zwischen zwei Blechen 2 liegendes Fügeteil 1 aus Polymer, Fig. 4b ein Polymer 1 als oberes Fügeteil und ein unteres Fügeteil 2 aus Blechwerkstoff und Fig. 4c zwei miteinander zu verbindende Fügeteile 1 aus jeweils einem Polymer.

Claims (10)

1. Verfahren zum Fügen durch Umformen, mit dem die miteinander zu verbindenden, überlappt angeordneten Fügeteile mit Hilfe eines aus Stempel, Nie­ derhalter und Matrize bestehenden Fügewerkzeuges und mit oder ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils lokal plastisch umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeteile an den Fügeflächen im Fügewerkzeug durch Kontakt mit abgekühlten Werkzeugteilen oder durch berührungsfreie Kältezufuhr abgekühlt werden, bis das Deformationsvermögen der Fügeteile soweit verringert ist, daß anschließend der Fügeprozeß ausgelöst werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stempel­ seitige und/oder matrizenseitige Fügefläche der Fügeteile abgekühlt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel und/oder die Matrize des Fügewerkzeuges abgekühlt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der stempelseitige und/oder matrizenseitige Niederhalter abgekühlt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die berüh­ rungsfreie Erwärmung durch ein Kältemittel 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. Vorrichtung zum Fügen durch Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügewerkzeuge in einem Kältethermostat (10) eingebaut sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel und/oder der matrizenseitige Niederhalter (17, 20; 24, 27) mit einem Kältethermostat versehen ist.
9. Vorrichtung zum Fügen durch Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügewerkzeug in einer gekühlten Klima­ kammer eingebaut ist.
10. Vorrichtung zum Fügen durch Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügewerkzeug mit einem Kältemittel, insbe­ sondere flüssigen Stickstoff gekühlt ist.
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