DE19752201B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Fügen durch Umformen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Fügen durch Umformen, mit dem die miteinander zu verbindenden, überlappt angeordneten Fügeteile (1,2) mit Hilfe eines aus Stempel (16; 23). Niederhalter (17, 20; 24, 27) und Matrize (19; 26) bestehenden Fügewerkzeuges und mit oder ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils lokal plastisch umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeteile (1, 2) an den Fügeflächen im Fügewerkzeug durch Kontakt mit abgekühlten Werkzeugteilen oder durch berührungsfreie Kältezufuhr abgekühlt werden, bis das Deformationsvermögen der Fügeteile (1, 2) soweit verringert ist, dass anschließend der Fügeprozeß ausgelöst werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen durch Umformen, bei dem die miteinander zu verbindenden, überlappt angeordneten Fügeteile mit Hilfe eines aus Stempel, Niederhalter und Matrize bestehenden Fügewerkzeuges und mit oder ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils lokal plastisch umgeformt werden nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 beziehungsweise 7,9 und 10.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung das Stanznieten und Durchsetzfügen, also umformtechnische Fügeverfahren mit Hilfsfügeteil (Stanznieten) und ohne Hilfsfügeteil (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 Werkstoffkombinationen 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 auf BUDDE, L.; PILGRIM, R.: Stanznieten und Durchsetzfügen, Band 115, Landsberg/Lech: Verlag Moderne Industrie 1995 hingewiesen.
  • Allerdings setzen diese bekannten Fügeverfahren voraus, dass die Werkstoffeigenschaften 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 Kunststoffen, bei Kautschuk oder dicken Klebstoffschichten der Fall ist. Fügeteile aus sol chen 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 Fügeverfahren zu schaffen, mit dem Fügeteile aus visko-elastischen Werkstoffen mit Hilfe der bekannten Fügeverfahren, wie Stanznieten oder Durchsetzfügen, miteinander verbunden werden können.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 beziehungsweise der Ansprüche 9 und 10 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Prinzip beruht auf der partiellen Abkühlung der Fügeteile an den Fügeflächen bis zu einem Zustand, in dem sich das Fügeteil so weit verfestigt, dass es sich beim Umformen nicht mehr elastisch verformen kann. Die Abkühlung erfolgt auf eine Temperatur, bei der das Deformationsvermögen des elastischen Fügeteils soweit eingeschränkt ist, dass sich der Werkstoff „spröde" verhält und so ein Fügeprozeß durchführbar wird, der ein qualitativ hochwertiges Fügeergebnis ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß ist die Abkühltemperatur, z.B. auf Glasübergangstemperatur des Kunststoffes so zu wählen, dass der Fügewerkstoff sich während des Fügeprozesses „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, insbesondere einem Tiefkälte-Umwälzthermostat auf Temperaturen bis zu –100°C abgekühlt werden. Die partielle Abkühlung kann auch berührungsfrei, z.B. durch flüssigen Stickstoff erfolgen. Insbesondere bei kleinen Fügeteilen kann die Abkühlung 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. Insbesondere 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 besonderem Maße für den Zusammenbau mit einem Kühlelement.
    •
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Kühlplatte zur Abkühlung von Fügewerkzeugteilen. Temperaturfühler und -regler;
  • 2 eine Ansicht eines Werkzeuges zum Durchsetzfügen mit gekühlten Niederhaltern;
  • 3 ein Werkzeug zum Stanznieten mit gekühlten Niederhaltern;
  • 4 mehrere mögliche Anordnungen von Fügeteilen mit unterschiedlichen Werkstoffen;
  • 5 eine Stanznietverbindung mit Halbhohlniet;
  • 6 eine Stanznietverbindung mit Vollniet;
  • 7 eine Durchsetzfügeverbindung mit Schneidanteil und
  • 8 eine Durchsetzfügeverbindung ohne Schneidanteil.
  • Die 5 bis 8 zeigen bekannte Fügeverbindungen. Beim Stanznieten gemäß 5 werden die überlappt angeordneten Fügeteile 1 und 2 mittels eines Hilfs fügeteils, nämlich einem Halbhohlniet 3, verbunden. Dabei entsteht das Fügeelement in einem durchgehenden Stanz- und Umformvorgang ohne Vorlochoperation, indem der Halbhohlniet als Schneidstempel verwendet wird. 6 zeigt das Stanznieten der Fügeteile 1 und 2 mit einem Vollniet 4.
  • 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 8 dargestellt, wobei durch Einsenken und einen Kaltstauchvorgang durch Fließpressen die Verbindung erzeugt wird. Beim Durchsetzfügen entfällt also ein Hilfsfügeteil in Form eines Nietelements.
  • 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 angeschlossen, 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 möglich, entweder den Stempel und die Matrize des Fügewerkzeuges zu kühlen oder nur den Stempel oder die Matrize.
  • Das in 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 aufgesetzt wird, um diese zu positionieren und zu halten. Ferner dient der Niederhalter 17 als Abstreifer beim Hochgehen des Stempels. 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 jeweils als Kühlplatte ausgebildet, sind also vorzugsweise 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 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 Niederhalter 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 Fügeteile in eine spezielle Klimakammer verbracht werden, in der die Abkühlung erfolgt. Dies kann sich für kleine Bauteile eignen.
  • In 4 sind mehrere mögliche Anordnungen von Fügeteilen dargestellt. 4a zeigt ein zwischen zwei Blechen 2 liegendes Fügeteil 1 aus Polymer, 4b ein Polymer 1 als oberes Fügeteil und ein unteres Fügeteil 2 aus Blechwerkstoff und 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 (1,2) mit Hilfe eines aus Stempel (16; 23). Niederhalter (17, 20; 24, 27) und Matrize (19; 26) bestehenden Fügewerkzeuges und mit oder ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils lokal plastisch umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeteile (1, 2) an den Fügeflächen im Fügewerkzeug durch Kontakt mit abgekühlten Werkzeugteilen oder durch berührungsfreie Kältezufuhr abgekühlt werden, bis das Deformationsvermögen der Fügeteile (1, 2) soweit verringert ist, dass anschließend der Fügeprozeß ausgelöst werden kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stempelseitige und/oder matrizenseitige Fügefläche der Fügeteile (1, 2) abgekühlt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (16; 23) und/oder die Matrize (19; 26) des Fügewerkzeuges abgekühlt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der stempelseitige und/oder matrizenseitige Niederhalter (17, 20; 24, 27) abgekühlt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungsfreie Abkühlung 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 mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügewerkzeuge in einer Kühlplatte (10) eingebaut sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (16; 23) und/oder der matrizenseitige Niederhalter (17,20: 24;7) mit einem Kältethermostat versehen ist.
  9. Vorrichtung zum Fügen durch Umformen mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug in einer gekühlten Klimakammer eingebaut ist.
  10. Vorrichtung zum Fügen durch Umformen nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet; dass das Fügewerkzeug mit einem Kältemittel, insbesondere flüssigen Stickstoff gekühlt ist.
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