DE19852809A1 - Thermally assisted mechanical joining method for metal sheets - Google Patents
Thermally assisted mechanical joining method for metal sheetsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermisch unterstützen mechanischen Fügen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6.The invention relates to a method for thermally assisted mechanical joining according to the Preamble of claim 1. The invention also relates to a device for Implementation of the method according to the preamble of claim 6.
Zum Verbinden von Blechen ist z. B. das Widerstandspunktschweißen bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Bleche örtlich begrenzt aufgeschmolzen und in der Schmelzzone miteinander verbunden. Wegen der auftretenden Gefügeveränderung in der Schmelzzone sind die Bleche in diesem Bereich geringer mechanisch belastbar.To connect sheets is such. B. resistance welding is known. With this In this process, the sheets are melted locally and together in the melting zone connected. Because of the structural changes occurring in the melting zone, the sheets are in this area is less mechanically resilient.
Zum mechanischen Fügen sind weiterhin Verfahren bekannt wie:
Methods for mechanical joining are also known, such as:
- - das Durchsetzen- enforcement
- - das Stanznieten mittels Halbhohlniet- The punch riveting by means of semi-tubular rivets
- - das Stanznieten mittels Vollniet.- punch riveting by means of full rivets.
Die Herstellung der mechanischen Verbindung wird bei Raumtemperatur durchgeführt. Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß der mechanische Fügeprozeß zu einer teilweise extremen Kaltverfestigung in der Verbindungszone führt. Die entsprechenden Vorrichtungen müssen für hohe Kräfte ausgelegt werden, ebenso die Werkzeuge. Die Hilfsfügeteile wie Halbhohlniet und Vollniet werden unerwünscht deformiert bis zerstört. Deswegen ist die Verwendung hochfester Bleche stark eingeschränkt.The mechanical connection is made at room temperature. Disadvantageous with these methods is that the mechanical joining process to a sometimes extreme Strain hardening in the connection zone leads. The corresponding devices must be used for high forces are designed, as are the tools. The auxiliary joining parts such as semi-tubular rivets and Solid rivets are undesirably deformed or destroyed. That is why the use is higher strength Sheets severely restricted.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, welche beim Stanznieten mittels Halbhohlniet oder Vollniet bzw. beim Durchsetzen den Einsatz von hochfesten Werkstoffen, auch bei einem extremen Verfestigungsgrad, wie bei austenitischen Edelstählen, ermöglicht.The object of the invention is to provide a method and a device which is used for punch riveting using semi-hollow rivets or full rivets or when pushing through of high-strength materials, even with an extreme degree of hardening, such as austenitic Stainless steels.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 6 genannten Merkmalen gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen. According to the invention the object is achieved by a method with those mentioned in claim 1 Features resolved. The object is further achieved by a device with the in claim 6 mentioned features solved. Further developments and refinements are the subject of Subclaims.
Wesentlich an der Erfindung ist, daß in der künftigen Umformzone eine lokal und zeitlich begrenzte Erwärmung der Fügeteile durch elektrische Widerstandserwärmung erfolgt, wobei die Erwärmung durch Niederhalter und Matrize oder diesen bei oder vorgeordneten Elementen erfolgt und die Erwärmung mit Beginn oder unmittelbar davor ausgelöst wird und vor dem Beginn der Umformung in der Umformzone abgeschlossen ist.It is essential to the invention that a local and temporal in the future forming zone limited heating of the parts to be joined by electrical resistance heating, the Heating by holding-down device and die or this with or upstream elements takes place and the heating is triggered at the beginning or immediately before and before the Start of forming in the forming zone is complete.
Vorteilhaft erfolgt in einer ersten Variante des Verfahrens die Erwärmung direkt zwischen einem Niederhalter und einer Matrize, wobei die Erwärmung mit dem Beginn des Arbeitshubes ausgelöst wird. Der Niederhalter ist dazu mit einer schrägen Auflagefläche und die Matrize mit einem Ring versehen.In a first variant of the method, the heating advantageously takes place directly between one Hold-down device and a die, the heating taking place at the start of the working stroke is triggered. The hold-down is with an inclined support surface and the die with provided a ring.
Bei einer vorteilhaften zweiten Verfahrensvariante erfolgt die Erwärmung zwischen einem oberen Ring aus einem oder mehreren Kontaktschuhen und einem unteren Ring aus einem oder mehreren Kontaktschuhen, die jeweils um Niederhalter und Matrize angeordnet sind, wobei die Erwärmung mit dem Beginn des Arbeitshubes ausgelöst wird.In an advantageous second method variant, the heating takes place between an upper one Ring made up of one or more contact shoes and a lower ring made up of one or more Contact shoes, which are each arranged around the hold-down device and the die, with the heating is triggered at the start of the working stroke.
Bei einer dritten vorteilhaften Verfahrensvariante erfolgt die Erwärmung zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die einer ersten Station zugeordnet sind und die Umformung wird zeitlich anschließend in einer zweiten Station durchgeführt, wobei die Erwärmung unmittelbar vor dem Beginn der Umformung ausgelöst wird.In a third advantageous method variant, the heating takes place between a first one Electrode and a second electrode which are assigned to a first station and which Forming is then carried out in a second station, the Warming is triggered immediately before the start of the forming.
Von der Erwärmung sind nicht primär die Werkzeuge oder die Hilfsfügeteile betroffen, sondern die Erwärmung erstreckt sich in den zu fügenden Teilen auf den Bereich, in dem der Umformgrad am größten ist. Die Erwärmung ist dabei vor dem Beginn der Umformung abgeschlossen und setzt entweder nach dem Start des Arbeitshubes ein oder unmittelbar vor dem Arbeitshub einer der Umformung vorgelagerten Station. Damit läßt sich die Erwärmung gut steuern und der Energieeintrag auf ein Minimum beschränken.Heating does not primarily affect the tools or the auxiliary joining parts, but rather the heating extends in the parts to be joined to the area in which the degree of deformation is greatest. The heating is completed and before the forming begins uses one either after the start of the work stroke or immediately before the work stroke the station upstream of the forming. So that the heating can be controlled well and the Limit energy input to a minimum.
Nach der Umformung setzt ein sofortiges Erkalten der Fügestelle ein. Dies wird erreicht, indem eine minimale Wärmemenge eingetragen wird, und eine genaue zeitliche Abstimmung von Niederhalterhub/Erwärmung/Umformung erfolgt. After forming, the joint begins to cool down immediately. This is accomplished by a minimal amount of heat is entered and an exact timing of Hold-down stroke / heating / forming takes place.
Zur Durchführung des Verfahrens sind der Niederhalter und die Matrize oder diesen bei oder vorgeordneten Elementen als Pole zur elektrischen Widerstandserwärmung ausgebildet, wobei Niederhalter, Matrize, Kontaktschuh mit entsprechenden Auflageflächen versehen sind, so daß sich durch die Fügepartner Stromlinien in örtlich begrenzter Ausbildung erstrecken, die den Erwärmungsbereich begrenzen.In order to carry out the method, the hold-down device and the die or these are with or upstream elements designed as poles for electrical resistance heating, wherein Hold-down device, die, contact shoe are provided with appropriate contact surfaces so that streamlines extending through the joining partners in locally limited training that the Limit the heating area.
Bei einer ersten Vorrichtung ist der Niederhalter mit einer Schräge versehen und die Matrize weist eine ringförmige Erhebung auf.In a first device, the hold-down device is provided with a bevel and the die has an annular elevation.
Bei einer zweiten Vorrichtung sind bin oberer Ring aus einem oder mehreren Kontaktschuhen, der um einen Niederhalter angeordnet ist, und ein unterer Ring aus einem oder mehreren Kontaktschuhen, der um eine Matrize (4) angeordnet ist, vorgesehen, wobei die Auflageflächen der Kontaktschuhe sehr nah an Niederhalter und Matrize angeordnet sind und der Erwärmungsbereich dadurch eingegrenzt ist.In a second device, an upper ring comprising one or more contact shoes, which is arranged around a hold-down device, and a lower ring comprising one or more contact shoes, which is arranged around a die ( 4 ), are provided, the contact surfaces of the contact shoes being very close are arranged on the hold-down device and die and the heating area is thereby limited.
Bei einer dritten Vorrichtung sind Elektroden zur Erwärmung der Fügepartner einer Station vorgesehen, die der Station zur Umformung vorgelagert ist.In a third device, electrodes are used to heat the joining partners of a station provided, which is upstream of the station for forming.
Der Vorteil der Erfindung besteht dann, daß das bekannte Stanznieten mittels Halbhohlniet oder mit Vollniet bzw. Durchsetzen, auch beim Einsatz von hochfesten Werkstoffen, auch mit extremen Verfestigungsgrad eingesetzt werden kann, wobei es zu keiner Beeinträchtigung der Qualität der Fügestelle durch Überbeanspruchung der Hilfsfügeteile bzw. des Grundwerkstoffes während des Fügens kommt und durch die Abkühlung an der Fügestelle eine radiale Vorspannung im Fügepunkt die Festigkeit der Verbindung erhöht.The advantage of the invention is that the known punch riveting by means of semi-tubular rivets or with full rivet or through, even when using high-strength materials, also with extreme degree of solidification can be used, with no impairment of the Quality of the joint due to excessive stress on the auxiliary joining parts or the base material during the joining process and due to the cooling at the joint there is a radial preload the strength of the connection increases at the joining point.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel für das Verfahren und die Vorrichtung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The invention is based on an embodiment of the method and the Device explained in more detail. The drawings show:
Fig. 1a-1e einzelne Phasen einer mechanischen Fügung am Beispiel des Vollstanznietens dargestellt,Shown Fig. 1a-1e individual phases of a mechanical joining the example of the solid punch riveting,
Fig. 2 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Darstellung der Fügeteile ohne Hilfsfügeteil, Fig. 2 shows schematically a device according to the invention showing the joining parts without auxiliary joining part,
Fig. 3 ein zur Fig. 2 gehöriger Kühlkörper, Fig. 3 is a Related to Fig. 2 heatsink
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit je einem Kontaktschuh um Niederhalter und Matrize, Fig. 4 shows a device according to the invention, each with a contact shoe for blank holder and die,
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Elektroden zur Erwärmung in einer ersten Station und der Fügevorrichtung in einer zweiten Station. Fig. 5 shows a device according to the invention with electrodes for heating in a first station and the joining device in a second station.
In den Fig. 1a bis 1e sind die einzelnen Phasen einer mechanischen Fügung am Beispiel des Stanznietens mittels Vollniet dargestellt. Bei der Darstellung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einbezogen. Auf der Matrize 4 liegen die Fügeteile 1a und 1b. In der Fig. 1a ist der Niederhalter 5 aufgesetzt. Der Niederhalter 5 ist elektrisch von der Matrize 4 entkoppelt. Beide Teile bilden die Pole für eine elektrische Widerstandserwärmung. Mit dem Aufsetzen des Niederhalters 5 auf das stempelseitige Blech 1a und ggf. dem Eindrücken des Bleches 1a mit der schrägen Stirnseite des Niederhalters 5, beginnt die Erwärmung durch elektrische Impulse. Die Schräge am Niederhalter 5 ermöglicht die Verringerung des Übergangswiderstandes zwischen dem Niederhalter 5 und dem stempelseitigen Blech 1a auf solche Weise, daß der Stromfluß und damit die gewünschte Erwärmung in der späteren Umformzone - also im Bereich des Außendurchmessers des Vollnietes 2 - liegt.In Figs. 1a to 1e, the individual phases of a mechanical joining the example of punch riveting are shown by means of solid rivet. The device according to the invention is included in the illustration. On the die 4 , the parts to be joined 1 a and 1 b. In Fig. 1a, the hold-down 5 is placed. The hold-down device 5 is electrically decoupled from the die 4 . Both parts form the poles for electrical resistance heating. When the holding-down device 5 is placed on the stamp-side sheet 1 a and, if necessary, the sheet 1 a is pressed in with the oblique end face of the holding-down device 5 , heating by electrical impulses begins. The bevel on the holding-down device 5 enables the contact resistance between the holding-down device 5 and the stamp-side sheet 1 a to be reduced in such a way that the current flow and thus the desired heating in the later forming zone - that is to say in the area of the outer diameter of the full rivet 2 -.
In der Fig. 1b ist die Erwärmungsphase dargestellt. Während der Vorschubbewegung von Stempel 3 und Vollniet 2 wird die lokale Erwärmung realisiert.The heating phase is shown in FIG. 1b. Local heating is achieved during the feed movement of punch 3 and full rivet 2 .
Mit dem Aufsetzen des Vollnietes 2 entsprechend der Fig. 1c auf dem Blech 1a ist die Erwärmung beendet und der Umformvorgang beginnt. Die Steuerung der elektrischen Widerstandserwärmung wird über Zeitglieder oder Sensoren realisiert. Entsprechend der Fig. 1d ist der Umformvorgang beendet und die lokal eingebrachte Wärmemenge kann sich rasch in den Blechen 1a und 1b verteilen.With the placement of the full rivet 2 according to the Fig. 1c on the sheet 1 a, the heating is terminated and the forming operation begins. The control of the electrical resistance heating is realized via timers or sensors. According to FIG. 1d, the shaping process has ended and the locally introduced amount of heat can quickly be distributed in the sheets 1 a and 1 b.
Gemäß der Fig. 1e befinden sich der Niederhalter 5, Stempel 3 und Kühlkörper 6 im oberen Totpunkt. Die Kühlung der Werkzeuge wird durch die Kühlkörperanordnung 6, 7 realisiert, welche vorzugsweise aus Kupfer gefertigt sind.According to Fig. 1e, the hold-down 5 , punch 3 and heat sink 6 are in the top dead center. The tools are cooled by the heat sink arrangement 6 , 7 , which are preferably made of copper.
In der Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, bei der der Verlauf der Stromlinien 9 gezeigt ist. Durch die Vorrichtung wird die Erwärmung zwischen den als Pole geschalteten Werkzeugen, Niederhalter 5 und Matrize 4 über die Auflageflächen 16, 17 auf engsten Raum lokalisiert, wie durch den Verlauf der Stromlinien 9 verdeutlicht. In FIG. 2, a device according to the invention is shown, in which the course of the flow lines 9 is shown. By means of the device, the heating between the tools, hold-down devices 5 and die 4 connected as poles, is localized via the contact surfaces 16 , 17 in a very small space, as illustrated by the course of the streamlines 9 .
Fig. 3 zeigt einen zugehörigen Kühlkörper 6, der um den Niederhalter 5 angeordnet ist. Der Kühlkörper 6 ist am Außenrand mit Luftkühlrippen 8 versehen, und kann bei hohen Hubzahlen auch wassergekühlt werden. Fig. 3 shows an associated heat sink 6 , which is arranged around the hold-down 5 . The heat sink 6 is provided on the outer edge with air cooling fins 8 and can also be water-cooled at high stroke rates.
Fig. 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung bei der ein Ring aus Kontaktschuhen 10, 11 um den Niederhalter 5 und ein Ring aus Kontaktschuhen 12, 13 um die Matrize 4 angeordnet ist. Die Auflageflächen 18, 19 der Kontaktschuhe 10, 12 sind sehr nah an Niederhalter 5 und Matrize 4 angeordnet und der Erwärmungsbereich in den Blechen 1a, 1b wird dadurch eingegrenzt. Fig. 4 shows a further device according to the invention in which a ring of contact shoes 10, 11 and a ring of contact shoes 12, disposed about the die 4 to 13 is the low-holder 5. The contact surfaces 18 , 19 of the contact shoes 10 , 12 are arranged very close to the holding-down device 5 and die 4 and the heating area in the sheets 1 a, 1 b is thereby limited.
Fig. 5 zeigt schließlich eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Elektroden 14, 15 zur Erwärmung der Fügepartner 1a, 1b in einer der Umformstation vorgelagerten Station vorgesehen sind. Die schmalen Auflageflächen 20, 21 gewährleisten den eingegrenzten Erwärmungsbereich. Fig. 5 shows, finally, a device of the invention in which electrodes 14, 15 for heating the joining parts 1 a, 1 b in a forming station upstream of the station are provided. The narrow contact surfaces 20 , 21 ensure the limited heating area.
11
a stempelseitiges Blech
a stamp-side sheet
11
b matrizenseitiges Blech
b Sheet metal on the die side
22nd
Vollniet
Full rivet
33rd
Stempel
stamp
44th
Matrize
die
55
Niederhalter
Hold-down
66
Kühlkörper/Niederhalter
Heatsink / hold-down
77
Kühlkörper/Matrize
Heatsink / die
88th
Luftkühlrippen
Air cooling fins
99
Stromlinien
Streamlines
1010th
oberer Kontaktschuh
upper contact shoe
1111
oberer Kontaktschuh
upper contact shoe
1212th
unterer Kontaktschuh
lower contact shoe
1313
unterer Kontaktschuh
lower contact shoe
1414
oberere Elektrode
upper electrode
1515
untere Elektrode
lower electrode
1616
Auflagefläche am Niederhalter
Contact surface on the hold-down device
1717th
Auflagefläche an der Matrize
Contact surface on the die
1818th
Auflagefläche am Kontaktschuh
Contact surface on the contact shoe
1919th
Auflagefläche am Kontaktschuh
Contact surface on the contact shoe
2020th
Auflagefläche an einer Elektrode
Contact surface on an electrode
2121
Auflagefläche an einer Elektrode
α Winkel der Auflagefläche des Niederhalters
Contact surface on an electrode
α Angle of the contact surface of the hold-down device
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