DE19840780B4

DE19840780B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen

Info

Publication number: DE19840780B4
Application number: DE1998140780
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr.-Ing. Wößner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2018-09-08
Also published as: DE19840780A1

Abstract

Verfahren zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen, bei dem
– die Bauteile (1, 2) zumindest teilweise überlappend so auf einer Matrize (3) mit einer Ausnehmung (5) positioniert werden, daß ein überlappender Bereich der Bauteile (1, 2) über der Ausnehmung (5) liegt, und
– ein Stempel (4) entlang einer Vorschubachse (6) bewegt wird, um den überlappenden Bereich der Bauteile (1, 2) in die Ausnehmung (5) der Matrize (3) zu drücken,
dadurch gekennzeichnet,
– daß eine Längsachse (7) des Stempels (4) innerhalb eines Kegelmantels um die Vorschubachse (6) geführt wird, während der Stempel (4) den überlappenden Bereich in die Ausnehmung (5) drückt, wobei der Stempel (4) in den plattenförmigen Bauteilen (1, 2) einen Materialfluss quer zur Vorschubachse (6) erzeugt, wodurch eine Hinterschneidung in den zu verbindenen Bauteilen (1, 2) gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei dem Verfahren werden überlappt angeordnete, plattenförmige Bauteile, wie beispielsweise Bleche, miteinander verbunden. Derartige Verfahren zur Verbindung plattenförmiger Bauteile sind in DIN 8593, Teil 5 unter 4.5.2.11 unter dem Begriff "Durchsetzfügen" beschrieben.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Werkzeuge bzw. Vorrichtungen bekannt, die eine Verbindung mittels Durchsetzfügen herstellen.

So ist beispielsweise aus der DE 4317278 A1 ein Verfahren zur Verbindung zweier Blechteile bekannt, bei dem ein Stempel mit einer Kraft gegen die Ausnehmung einer Matrize gepreßt wird, auf der die Blechteile übereinander liegen. Die über der Ausnehmung befindlichen Bereiche der Blechteile werden dadurch gemeinsam in die Ausnehmung tiefgezogen, so daß sie eine Einprägung bilden. Anschließend wird von der Gegenseite eine weitere Verformung der Einprägung vorgenommen.

Aus der DE 3613324 A1 sind ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden dünner Platten bekannt. Die aufeinanderliegenden Platten werden gemeinsam tiefgezogen, wonach der Bodenbereich der tiefgezogenen Flächenteile in der speziell ausgeformten Ausnehmung einer Matrize breitgequetscht wird. Es entsteht ein zylinderförmiger Fügepunkt. Das Tiefziehen und Quetschen des Materials erfolgt durch eine lineare Vorschubbewegung eines Stempels, der die Plattenbereiche in die Ausnehmung der Matrize drückt.

Die DE 3106313 A1 beschreibt eine Einrichtung zum Verbinden von Blechen, bei dem ebenfalls ein Stempel eine lineare Vorschubbewegung in Richtung der Ausnehmung einer Matrize ausführt, um die Blechteile in die Ausnehmung zu drücken.

Ein entsprechend ausgebildetes Werkzeug mit einem gegenüber einer Matrize längsverschiebbaren Stempel ist in der DE 3713083 A1 beschrieben.

Das Ergebnis dieser bekannten Verfahren ist ein durch eine lineare Fügebewegung erzeugtes, druckknopfartiges Verbindungselement.

Allerdings liegt bei diesen Verfahren die zur Blechumformung erforderliche, materialabhängige axiale Fügekraft bei mehreren dkN pro Fügepunkt.

Dies erweist sich als besonders nachteilig bei der konstruktiven Auslegung von Fügeeinrichtungen, wie Bügel, Zangen, Pressen etc., da diese, um die verfahrensbedingte hohe Steifigkeit zu erreichen, sehr massiv und somit schwer gebaut werden müssen. Dadurch ist der mobile Einsatz solcher Vorrichtungen bzw. Verfahren, insbesondere bei hand- oder robotergeführten Werkzeugen, stark eingeschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, die eine Verbindung plattenförmiger Bauteile mit reduziertem Krafteinsatz ermöglichen. Das Verfahren soll insbesondere für den Einsatz an robotergeführten Werkzeugen, an Werkzeugen mit großer Ausladung (> 100 bis 1000 mm) oder für Handwerkzeuge geeignet sein.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und der Vorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die zu verbindenden plattenförmigen Bauteile, beispielsweise Bleche, so übereinandergelegt, daß sie zumindest teilweise überlappen. Die Anzahl der Bauteile ist dabei nicht auf zwei beschränkt. Es können vielmehr auch drei oder mehr Bauteile auf diese Weise in einem Schritt miteinander verbunden werden.

Ein überlappender Bereich der Bauteile wird so auf einer Matrize positioniert, daß er über einer speziell vorgesehenen Ausnehmung der Matrize liegt. Derartige Matrizen mit entsprechenden Ausnehmungen sind aus dem in der Beschreibungseinleitung genannten Stand der Technik bekannt.

Schließlich wird ein Stempel entlang einer Vorschubachse so gegen die Matrize bewegt, daß der überlappende Bereich der Bauteile in die Ausnehmung der Matrize gedrückt wird. Während dieser Vorschubbewegung wird gleichzeitig die Längsachse des Stempels innerhalb eines Kegelmantels um die Vorschubachse geführt, wobei der Stempel in den plattenförmigen Bauteilen einen Materialfluss quer zur Vorschubachse erzeugt, wodurch eine Hinterschneidung in den zu verbindenen Bauteilen gebildet wird.

Unter einem Kegel ist hierbei nicht nur ein Kreiskegel zu verstehen. Vielmehr umfaßt der Begriff auch andere Kegelformen, beispielsweise mit einer ellipsenförmigen Grundfläche. Bevorzugt ist allerdings aufgrund der einfachen Realisierbarkeit eine Kreis kegelform, wobei der halbe Öffnungswinkel dieses Kegelmantels vorzugsweise zwischen 2 und 5° beträgt.

Vorzugsweise wird der Stempel während der Vorschubbewegung direkt auf dem Kegelmantel geführt, d.h. seine Längsachse bzw. ein Punkt auf seiner Längsachse beschreibt eine kreis- oder ellipsenförmige Bahn um die Vorschubachse.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beschreibt die Längsachse bzw. ein Punkt auf der Längsachse während der Vorschubbewegung eine rosettenförmige Bahn um die Vorschubachse. In diesem Fall stellt der Kegelmantel die äußere Begrenzung dieser Figur dar.

Durch die Vorschubbewegung wird das Material in die Ausnehmung tiefgezogen und fließt auseinander, so daß eine feste Verbindung zwischen den Bauteilen hergestellt wird. Die Ausnehmung der Matrize kann dabei Formen aufweisen, die aus den in der Beschreibungseinleitung genannten Dokumenten bekannt sind.

Die gleichzeitige Taumelbewegung der Längsachse des Stempels um die Vorschubachse reduziert die für die Vorschubbewegung erforderliche Kraft, die notwendig ist, um den überlappenden Bereich der Bauteile in die Ausnehmung zu drücken, in erheblichem Maße.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Verbindungselemente hergestellt, die den mit dem Durchsetzfügen des Standes der Technik erzeugten Verbindungselementen ähnlich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht jedoch eine deutliche Reduzierung der für das Fügen benötigten Axialkraft, d.h. des Krafteinsatzes in Vorschubrichtung, und ermöglicht dennoch eine beständige druckknopfartige Verbindung von 2 oder mehreren plattenförmigen Bauteilen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine vorteilhafte Reduzierung der zur Umformung benötigten axialen Fügekraft von ca. 80 % im Vergleich zur linearen Umformbewegung erzielt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird bei dem Verfahren eine Matrize eingesetzt, deren Ausnehmung radial nachgiebige Wandungselemente, beispielsweise in Form eines elastischen Ringes, aufweist. Beispiele für derartige Matrizen sind der DE 4009813 C1 zu entnehmen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, insbesondere in Verbindung mit der kreis- oder ellipsenförmigen Bewegung um die Vorschubachse, wird der Stempel zusätzlich um seine Längsachse rotierend angetrieben. Hierdurch kann die während des Fügevorgangs auftretende Reibung zur Oberfläche des überlappenden Bereiches der Bauteile vermindert werden.

Bei Einsatz der Verfahrensvariante mit der rosettenförmigen Bewegung wird das Verfahren hingegen mit einem fest eingespannten Stempel durchgeführt.

Vorteilhaft ausgestaltete Stempel weisen kegelförmige, ebene oder kugelkalottenförmige Abschlußflächen auf. Unter der Abschlußfläche ist hierbei die Endfläche des Stempels zu verstehen, die mit den Bauteilen in Berührung kommt (vgl. Bezugszeichen (8) in 1).

Besonders vorteilhaft ist ein Stempel, dessen Schaftquerschnitt sich zur Abschlußfläche hin verbreitert. Die Verbreiterung wird so gewählt, daß der gegenüber der Längsachse vorliegende Winkel der Verbreiterung dem halben Öffnungswinkel des Kegelmantels entspricht, auf dem die Längsachse des Stempels geführt wird. Durch den Einsatz eines derartig geformten Stempels kann eine besonders gute Verbindung zwischen den plattenförmigen Bauteilen erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer Matrize mit zumindest einer Ausnehmung, einem entlang einer Vorschubachse gegen die Matrize bewegbaren Stempel und einer Antriebseinheit. Die Antriebseinheit ist derart ausgestaltet, daß sie den Stempel einerseits entlang der Vorschubachse gegen die Ausnehmung der Matrize drücken kann und anderseits gleichzeitig zu einer Bewegung seiner Längsachse innerhalb eines Kegelmantels um die Vorschubachse zwingt.

Vorzugsweise besteht die Antriebseinheit aus einem Linearantrieb mit einer Halterung. Der Linearantrieb erzeugt eine Linearbewegung der Halterung entlang der Vorschubachse bei gleichzeitiger Rotationsbewegung um die Vorschubachse. Die Halterung nimmt den Stempel so auf, daß seine Längsachse unter einem Winkel, dem halben Öffnungswinkel des Kegelmantels, zur Vorschubachse steht. Hierdurch wird die Längsachse des Stempels während der Vorschubbewegung zu einer kreisförmigen Bewegung um die Vorschubachse veranlaßt.

Der Stempel ist vorzugsweise um seine Längsachse drehbar in der Halterung gelagert, wobei gegebenenfalls ein separater Antrieb zur Erzeugung einer Rotationsbewegung um seine Längsachse vorgesehen sein kann.

Die bevorzugten Geometrien der Stempel wurden bereits in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Antriebseinheit so ausgestaltet, daß sie die Längsachse des Stempels während der Vorschubbewegung zu einer rosettenförmigen Bewegung um die Vorschubachse veranlaßt. Der Stempel ist hierbei fest eingespannt.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung liegen vor allem in der deutlich reduzierten axialen Fügekraft und den somit in leichterer Bauweise herstellbaren Fügevorrichtungen. Weiterhin ist aufgrund der geringeren Belastung der am Fügevorgang beteiligten Elemente eine höhere Standzeit vor allem der Matrizenwerkzeuge zu erwarten. Die erreichbare Verbindungsfestigkeit ist mit der Festigkeit der Durchsetzfügeverbindungen des Standes der Technik vergleichbar.

Das Verfahren ist aufgrund dieser Vorteile in allen Maschinen, Werkzeugen und Vorrichtungen mit rotatorischem Antrieb einsetzbar, insbesondere aufgrund des geringen Kraftbedarfs auch an Roboterarmen und bei Handwerkzeugen. Beispiele für derartige Vorrichtungen sind Fräsmaschinen, Ständerbohrmaschinen, Drehbänke oder C-Bügeleinrichtungen jeglicher Art.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren nochmals erläutert. Hierbei zeigen
1 ein Beispiel für einen Teil einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 Beispiele a) bis d) für verschiedene Stempelgeometrien der beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Stempel; und
3 ein Beispiel für eine rosettenförmige Bewegung um die Vorschubachse.
Der Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbindung von plattenförmigen Bauteilen ist anhand von 1 zu erkennen. Im vorliegenden Beispiel werden zwei plattenförmige Bauteile (1, 2) verbunden. In der Figur sind die Matrize (3) mit der Ausnehmung (5) sowie der Stempel (4) dargestellt. Der Stempel befindet sich in einer Halterung (9) einer (nicht dargestellten) Antriebseinheit. In der Figur ist deutlich der Winkel zu erkennnen, unter dem die Längsachse (7) des Stempels zur Vorschubachse (6) der Antriebseinheit gehaltert bzw. eingespannt ist. Der Stempel ist in diesem Beispiel zusätzlich um seine Längsachse drehbar gelagert. Ein Ausschnitt zeigt die hier eingesetzte kegelförmige Form der Abschlußfläche (8) des Stempels.
Zu Beginn des Fügevorgangs werden die zu verbindenden plattenförmigen Bauelemente (1, 2) auf der Matrize (3) so positioniert, daß ein überlappender Bereich der Bauelemente über der Ausnehmung der Matrize liegt. Nun bewegt sich um die Vorschubachse (6) der taumelnde Stempel (4) auf die Matrize (3) zu und verformt die Teile (1) und (2) lokal in die in der Matrize vorgesehene Ausnehmung (5). Die Form des Stempels wird hierbei ohne scharfe Kanten gewählt, beispielsweise durch Einhaltung von Mindestradien an den Kanten, so daß das Material durch den Stempel nicht eingeschnitten wird. Beispiele für vorteilhafte Stempelgeometrien werden in Verbindung mit 2 beschrieben.
Sitzt der Boden des matrizenseitig angeordneten Plattenelements (2) auf dem Boden der Ausnehmung (5) auf, so beginnt das Material radial nach außen zu fließen. Dadurch wird die festigkeitsbestimmende Hinterschneidung des stempelseitigen Materials im matrizenseitigen Blech erzeugt.
Die Bewegung der Längsachse des Stempels auf dem (oder innerhalb des) Kegelmantel(s) erfolgt in der Regel so, daß während des Umformvorgangs 5 bis 10 Umdrehungen (oder mehr) um die Vorschubachse erfolgen.
Nach Beendigung des Umformvorgangs wird der Stempel (4) zurückgenommen. Die Ausformung der verbundenen Platten (1 + 2) aus der Matrize erfolgt in axialer Richtung.
Die Matrize (3) kann Ausnehmungen sowohl mit starren als auch mit radial nachgiebigen Wandungselementen aufweisen.
Zur Verringerung der Reibung zwischen Stempel und Blech ist der Stempel bei dieser Ausführungsform in seiner Achse (7) drehbar gelagert und kann, falls erforderlich, auch separat rotierend angetrieben werden. Die Stempelspitze (8) ist daher rotationssymmetrisch so ausgebildet, daß das umzuformende Material nicht eingeschnitten werden kann.
2 zeigt vier Beispiele a) bis d) für verschiedene Stempelgeometrien der beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Stempel.
Auf der rechten Seite ist in Beispiel a) die Abschlußfläche (8) des Stempels als Kegelform ausgebildet, wobei an der Spitze und am Rand des Kegels Rundungen mit bestimmten Mindestradien R1 und R2 gebildet sind. Dies verhindert das Einschneiden des Materials bei Einsatz des Stempels. Ein Beispiel für solche Mindestradien sind R1 = 2 mm und R2 = 10 mm.
Das nächste Beispiel b) zeigt einen Stempel mit einer ebenen Abschlußfläche (8), wobei auch in diesem Fall der Rand der Abschlußfläche einen Mindestradius R1 aufweist.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch ein Stempel mit einer halbkugelförmigen Abschlußfläche (8) einsetzbar, wie in Beispiel c) dargestellt.
Beispiel d) zeigt schließlich einen Stempel mit einer verbreiterten Abschlußfläche (8). Die Form der Fläche (hier: kegelförmig) kann selbstverständlich auch kugelkalottenförmig oder eben sein. Die Verbreiterung der Abschlußfläche ist hierbei so gewählt, daß der Verbreiterungswinkel α dem Winkel entspricht, den die Längsachse des Stempels mit der Vorschubachse bildet.
3 zeigt schließlich zur Veranschaulichung ein Beispiel für eine rosettenförmige Bewegung (10) der Längsachse (7) des Stempels um die Vorschubachse (6).

Claims

Verfahren zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen, bei dem – die Bauteile (1, 2) zumindest teilweise überlappend so auf einer Matrize (3) mit einer Ausnehmung (5) positioniert werden, daß ein überlappender Bereich der Bauteile (1, 2) über der Ausnehmung (5) liegt, und – ein Stempel (4) entlang einer Vorschubachse (6) bewegt wird, um den überlappenden Bereich der Bauteile (1, 2) in die Ausnehmung (5) der Matrize (3) zu drücken, dadurch gekennzeichnet, – daß eine Längsachse (7) des Stempels (4) innerhalb eines Kegelmantels um die Vorschubachse (6) geführt wird, während der Stempel (4) den überlappenden Bereich in die Ausnehmung (5) drückt, wobei der Stempel (4) in den plattenförmigen Bauteilen (1, 2) einen Materialfluss quer zur Vorschubachse (6) erzeugt, wodurch eine Hinterschneidung in den zu verbindenen Bauteilen (1, 2) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (7) des Stempels (4) eine kreis- oder ellipsenförmige Figur beschreibt, während der Stempel (4) den überlappenden Bereich in die Ausnehmung (5) drückt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (7) des Stempels (4) eine rosettenförmige Figur beschreibt, während der Stempel (4) den überlappenden Bereich in die Ausnehmung (5) drückt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (4) zusätzlich um seine Längsachse (7) rotierend angetrieben wird, während er den überlappenden Bereich in die Ausnehmung (5) drückt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Matrize (3) eingesetzt wird, deren Ausnehmung (5) radial nachgiebige Wandungselemente aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Matrize (3) eingesetzt wird, deren Ausnehmung (5) starre Wandungselemente aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stempel (4) mit einer kegelförmigen Abschlußfläche (8) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stempel (4) mit einer ebenen Abschlußfläche (8) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stempel (4) mit einer kugelkalottenförmigen Abschlußfläche (8) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stempel (4) eingesetzt wird, dessen Abschlußfläche (8) gegenüber dem Schaftquerschnitt des Stempels (4) verbreitert ist.
Vorrichtung zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, mit – einer Matrize (3), die eine Ausnehmung (5) aufweist, – einem entlang einer Vorschubachse (6) gegen die Matrize bewegbaren Stempel (4) mit einer Längsachse (7) und einer Abschlußfläche (8), und – einer Antriebseinheit, die den Stempel (4) entlang der Vorschubachse (6) unter gleichzeitiger Ausführung einer Bewegung seiner Längsachse innerhalb eines Kegelmantels um die Vorschubachse (6) gegen die Ausnehmung der Matrize drücken kann.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit derart ausgestaltet ist, daß sie die Längsachse (7) des Stempels (4) auf einer kreis- oder ellipsenförmigen Figur um die Vorschubachse (6) bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit einen Linearantrieb mit einer Halterung (9) umfaßt, wobei der Linearantrieb eine Linearbewegung entlang der Vorschubachse (6) bei gleichzeitiger Rotationsbewegung um die Vorschubachse (6) erzeugt, und die Halterung (9) den Stempel (4) so aufnimmt, daß seine Längsachse (7) unter einem Winkel zur Vorschubachse (6) steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (4) um seine Längsachse (7) drehbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen separaten Antrieb für eine Rotationsbewegung des Stempels (4) um seine Längsachse (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit derart ausgestaltet ist, daß sie die Längsachse (7) des Stempels (4) auf einer rosettenförmigen Figur um die Vorschubachse (6) bewegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (5) der Matrize (3) radial nachgiebige Wandungselemente aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (5) der Matrize (3) starre Wandungselemente aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (4) eine kegelförmige Abschlußfläche (8) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (4) eine ebene Abschlußfläche (8) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (4) eine kugelkalottenförmige Abschlußfläche (8) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (4) zur Abschlußfläche (8) hin verbreitert ist, wobei der Verbreiterungswinkel zur Längsachse (7) dem halben Öffnungswinkel des Kegelmantels entspricht.