DE19901015A1 - Vorrichtung und Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Teilen - Google Patents

Abstract

Um die Steifigkeit von fügetechnisch verbundenen Teilen zu erhöhen, die Herstellkosten zu senken und die Wasser- bzw. Gasdichtigkeit zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, eine Fügenaht als linienförmige Durchsetzfügeverbindung herzustellen. Das kann erfolgen, indem entweder rotierend bewegliche Werkzeuge eine Durchsetzfügeverbindung herstellen oder diese durch Hubwerkzeuge, deren fügewirksame Werkzeugflächen linienförmig ausgestaltet sind, in die Fügeteile eingebracht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Teilen. Umformtechnische Fügeverfahren und entsprechende Vorrichtungen werden benutzt, um Teile aneinanderzufügen, die beispielsweise in Maschinen oder Fahrzeugen, aber auch in anderen Anwendungen genutzt werden.

Das Verbinden von Teilen aus den unterschiedlichsten Werkstoffen durch Umformen hat eine sehr lange Tradition, die parallel zur Metallgewinnung und -verarbeitung zurückverfolgt werden kann. Verfahren, bei denen die zu verbindenden Fügeteile oder Hilfsfügeteile örtlich oder bisweilen ganz umgeformt werden, sind der Gruppe "Fügen durch Umformen" zugeordnet. Als Untergruppen des Fertigungsverfahrens "Fügen durch Umformen" sind heute die Fertigungs­ verfahren Fügen durch Umformen drahtförmiger Körper, das Fügen durch Nietverfahren sowie das Fügen durch Umformen bei Blech-, Rohr- und Profilteilen bekannt.

Als Unterfall des Fügens durch Umformen bei Blech-, Rohr- und Profilteilen ist in der jüngsten Vergangenheit insbesondere das Durchsetzfügen weiterentwickelt worden. Der Vorteil des Durchsetzfügens ist insbesondere darin zu sehen, daß keine zusätzlichen Hilfsfügeteile oder Hilfsstoffe notwendig sind. Bei den Verfahren des Durchsetzfügens wird durch den Vorgang einer lokalen plastischen Werkstoffumformung ohne thermische Gefügebeeinflussung eine form- und kraftschlüssige Verbindung erzeugt, bei der die formschlüssig verbundenen Fügeteile verspannt werden.

Die Herstellung einer Durchsetzfügeverbindung ist beispielhaft in der DE 36 13 324 erläutert. Im Einzelnen wird beschrieben, wie zunächst Flächenteile beider miteinander zu befestigenden Teile mittels einer Hubbewegung eines Stempels miteinander tiefgezogen werden, dann der Bodenbereich breit gequetscht wird und das Material der tiefgezogenen Flächenteile durch Begrenzungen zu einem zylinderförmigen Fügepunkt plastisch verformt werden.

Eine Durchsetzfügeverbindung besitzt nicht nur die günstigen Eigenschaften des Formschlusses hinsichtlich der Übertragung großer Kräfte, sondern zusätzlich auch eine durch den Kraftschluß bewirkte Spielfreiheit in der Verbindung. Von entscheidender Bedeutung für sichere und reproduzierbare Durchsetzfügeverbindungen ist einerseits die Wahl des geeigneten Werkzeug­ satzes in Abhängigkeit von dem verwendeten Werkstoff und der Fügeteilgeometrie, andererseits das einwandfreie Festhalten und Lösen der positionierten Fügeteile durch geeignete Niederhalter- und Abstreifersysteme. Das Tragverhalten einer Durchsetzfügeverbindung hängt außer von der Oberflächenbeschaffenheit der zu fügenden Teile in erster Linie von der Geome­ trie des Fügeelementes, seiner geometrischen Lage relativ zur Belastungsrichtung sowie von der Art der Belastung ab.

Für einige Anwendungen hat es sich als nachteilig herausgestellt, daß die Steifigkeit von einigen mit punktförmigen Durchsetzfügeverbindungen versehenen Bauteilen nicht zufriedenstellend gewesen ist. Außerdem sind die punktförmigen Durchsetzfügeverbindungen relativ teuer in der Herstellung, weil mit einem einzelnen Werkzeugsatz für einen Fügepunkt Fügeteile immer nur in diesem einzelnen Punkt während eines Arbeitstaktes miteinander befestigt werden können, wobei die Werkzeuge während des Setzens der Durchsetzfügeverbindung einer hohen spezi­ fischen Belastung ausgesetzt sind. Die mit den punktförmigen Durchsetzfügeverbindungen versehenen Bauteile sind zudem nicht gas- bzw. wasserdicht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Verbindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem die bekannte Durchsetzfügetechnik verbessert beziehungsweise das Anwen­ dungsspektrum für Durchsetzfügeverbindungen erweitert wird.

Die Aufgabe wird gelöst, indem in einem Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die miteinander zu befestigenden Fügeteile in einer Sollposition übereinandergelegt werden, mindestens ein umfangsseitig geeignet geformtes Stempelrad mit einer rotierenden Bewegung eine Nut in die miteinander zu befestigenden Fügeteile in einer Linie einschneidet und/oder einsenkt, und mindestens ein zweites umfangsseitig geeignet geformtes Matrizenrad mit einer rotierenden Bewegung die Fügeteile zumindest im Fügebereich zu einer durchsetzgefügten Verbindung formt. Die einzelnen Fertigungsteilschritte sind in ihrer zeitlichen Abfolge im realen Prozeß im Regelfall nicht deutlich voneinander zu trennen, sondern gehen ineinander über bzw. laufen gleichzeitig ab. Es ist jedoch auch denkbar, die Bearbeitungsschritte zeitlich versetzt durchzuführen, wozu dann jeweils geeignet geformte Gegenhalter erforderlich sind.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren werden mit einer linienformigen Werk­ zeugstruktur versehene Stempel und Matrize in ihrer Ausgangsposition benachbart zueinander gelagert, sodann durch eine Hubbewegung aufeinander zubewegt, dabei bringen sie mit ihrer linienförmigen Werkzeugstruktur eine linienförmige Fügeverbindung in die miteinander zu befestigenden Teile ein, und Stempel und Matrize werden nach Herstellung einer linienförmigen Fügeverbindung durch eine Rückhubbewegung wieder voneinander weg bewegt.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zum umform­ technischen Fügen von Fügeteilen besteht aus einem Rahmen, mindestens einem im Rahmen drehbar gelagerten, umfangsseitig zum Einschneiden und/oder Einsenken einer Nut geeignet geformten Stempelrad, mindestens einem im Rahmen drehbar gelagerten, umfangsseitig zum Stauchen von Fügeteilen geeignet geformten Matrizenrad, wobei die Stempel- und Matrizenrä­ der so im Rahmen relativ zueinander angeordnet sind, daß aufeinanderliegende Fügeteile unter ihnen bzw. über sie hinweg förderbar und/oder die Stempel- und Matrizenräder über bzw. unter den Fügeteilen hinweg bewegbar sind.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weisen Stempel und Matrize eine Werkzeug­ kontur mit einem linienförmigen Verlauf der fügewirksamen Flächen auf.

Insgesamt ermöglicht die vorgeschlagene Erfindung, linienformige Fügeverbindungen anstelle der bisher bekannten punktförmigen Fügeverbindungen herzustellen. Die Durchsetzfüge­ verbindungen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer entsprechenden Vorrichtung hergestellt werden, weisen eine hohe Steifigkeit auf. Auch ist die Spannungsver­ teilung in der Fügezone gleichmäßiger. Anstelle von mehreren Hubbewegungen zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung von Teilen können Fügeteile nun während einer einzigen Förder- bzw. Hubbewegung mit einem Werkzeugsatz über eine Strecke hinweg mittels einer Durch­ setzfügeverbindung miteinander verbunden werden. Die Werkzeuge sind dabei gleichmäßiger belastet, was sich positiv auf deren Kosten und Lebensdauer auswirkt, und je nach Geometrien der Fügeteile und der linienförmigen Durchsetzfügeverbindung kann die Verbindung gas- bzw. wasserdicht ausgeführt sein. Neben dem Fügen von Komponenten bietet sich das Verfahren auch für die Herstellung von modernen Halbzeugen wie Taylored Blanks an. Das Verfahren verspricht im Vergleich zum Schweißen eine sehr hohe Produktivität und wesentlich geringere Kosten. Auch können unterschiedliche Werkstoffe auf diese Weise zu Taylored Blanks ver­ arbeitet werden. Die Ausgestaltung unter Verwendung einer linienformigen Werkzeugkontur weist zudem den Vorteil auf, daß auch linienförmige Fügeverbindungen mit eng gekrümmten Linienverläufen oder die Verarbeitung von Teilen mit schwer zugänglichen Geometrien möglich sind. Weitere Abwandlungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den kenn­ zeichnenden Merkmalen der Unteransprüche, auf die insoweit verwiesen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des vorgeschlagenen Funktionsschemas,

Fig. 2 eine Abwandlung des Funktionsschemas mit vorteilhafter Werkzeuggeometrie,

Fig. 3 eine weitere Abwandlung der Werkzeuggeometrien,

Fig. 4 Werkzeuggeometrien mit Formkörpern, die seitlich zur Fügeverbindung wirken.

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Abstreifers,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Stempel- oder Matrizenrades mit Elasto­ merscheiben,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Fügegeräts,

Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie A-A aus Fig. 7,

Fig. 9 eine Prinzipskizze für eine hochflexible Fügevorrichtung,

Fig. 10 die Wirkung der Anschlagrollen in drei Teilschritten,

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der Erfindung mit linienför­ mig konturierten Werkzeugen auf dem Stempel und Niederhalter.

In Fig. 1 sind die Fügeteile 2 und 4 erkennbar, die miteinander durch eine Durchsetzfüge­ verbindung 6 verbunden werden sollen. Oberhalb der Fügeteile 2, 4 ist das Stempelrad 8, unterhalb das Matrizenrad 10 angeordnet. Das Stempelrad 8 und das Matrizenrad 10 drehen sich in entgegengesetzter Richtung, so daß sie entweder die Fügeteile 2, 4 zwischen sich hindurch fördern können oder durch einen beweglichen Rahmen an den Fügeteilen 2, 4 entlanggeführt werden. Das Stempelrad 8 ist umfangsseitig so ausgeformt, daß ein Wulst 12 eine Nut 14 in die Fügeteile 2, 4 eindrücken kann. Zum Eindrücken der Nut 14 in die Fügeteile 2, 4 muß das Stempelrad 8 so angeordnet werden, daß sich zumindest der Wulst 12 mit seiner äußersten Umfangsfläche unterhalb der Oberfläche des obenliegenden Fügeteils 2 befindet. Vorzugsweise wird das Stempelrad 8 so tief geführt, daß sich der Wulst 12 an seinem tiefsten Punkt unterhalb der Normalebene beider Fügeteile 2, 4 befindet. Werden die Fügeteile 2, 4 dann unter dem Stempelrad 8 entlang- bzw. dieses über die Fügeteile 2, 4 hinweggeführt, so drückt sich eine Nut 14 in die Fügeteile 2, 4, wenn diese ausreichend abgestützt werden. Die Anordnung des Wulstes 12 unterhalb der Oberfläche des obenliegenden Fügeteils 2 kann entweder von vornher­ ein mit der Lage der Abstützung und der Materialstärke der Fügeteile 2, 4 durch eine feste entsprechende Lagerung der Stempel- und Matrizenräder abgestimmt sein, oder das Stempelrad 8, das Matrizenrad 10 und/oder die Abstützungen sind in ihrer räumlichen Anordnung verstell­ bar angeordnet, so daß der Wulst 12 in eine Lage bewegbar ist, in der sich dieser mit seiner umfangsseitig äußersten Fläche unterhalb der Oberfläche des oberen Fügeteils 2 befindet. Bei einer getakteten Auf- und Abbewegung des Stempel- und/oder Matrizenrades 8, 10 können so linienförmige, unterbrochene Durchsetzfügeverbindungen 6 oder Durchsetzfügeverbindungen 6 mit alternierender Tiefe der Nut 14 hergestellt werden. Eine linienförmige Durchsetzfüge­ verbindung 6 muß nicht entlang einer Geraden hergestellt werden, sondern kann auch in Bögen mit gleichbleibender oder wechselnder Krümmung, in Zickzacklinien oder Diagonalen her­ gestellt werden, wenn die Stempel- und Matrizenräder 8, 10 um ihre Hochachse drehbar angeordnet sind. Bei einer Veränderbarkeit um die Längsachse kann die Durchsetzfügeverbin­ dung 6 in einem veränderbaren Winkel zur Oberfläche der Fügeteile 2, 4 eingebracht werden. Ein Effekt, der dem vorstehend beschriebenen ähnelt, kann auch erzielt werden, wenn alternativ oder ergänzend die Fügeteile 2, 4 in ihrer Förderrichtung oder räumlichen Lage veränderlich geführt sind.

Für die Verbindungsqualität ist die Stauchung des Materials im Bereich der Durchsetzfüge­ verbindung wichtig. Beim Stauchen entsteht durch Breiten oder Fließpressen eine kraft- und formschlüssige Verbindung. Die Stauchung wird durch den Druck, mit dem das Matrizenrad 10 auf die Fügeteile 2, 4 einwirkt, und einen Gegendruck, den vorteilhaft das Stempelrad 8 erzeugt, bewirkt. Die umfangsseitige Geometrie des Matrizenrades 10 sollte so ausgebildet sein, daß sie ein Breiten oder Fließpressen des Materials der Fügeteile 2, 4 vorteilhaft unterstützt.

Die Stauchung ist wichtig unabhängig davon, ob der Verfahrensablauf kontinuierlich ist oder sich unter der Wirkung mehrerer, nacheinander angeordneter Werkzeugteile vollzieht. Im letzteren Fall spricht man von mehrstufigen Verfahren. Für jede Prozeßstufe muß dann ein Werkzeugsatz mit entsprechender Geometrie vorhanden sein, die einfach hintereinander angeordnet werden. Wenn schon eine linienförmige Nut 14 hergestellt ist, müssen nicht alle nachfolgenden Werkzeugteile linienförmig-kontinuierlich arbeiten, sondern es können je nach technischen Anforderungen an die Festigkeit der Verbindung auch punktuell wirkende oder hubgesteuerte Werkzeuge an der Herstellung einer Durchsetzfügeverbindung beteiligt sein. Auch ist es möglich, daß die Stempel- und/oder Matrizenräder 8, 10 mit oder ohne Schneid­ anteil arbeiten. In nachgeschalteten Prozeßstufen kann die Fügelinie planiert werden, um eine erhebungsfreie Verbindung zu erhalten.

In Fig. 2 ist beispielhaft gezeigt, wie das Stempelrad 8 umfangsseitig auch geformt sein kann, wenn die Fügeverbindung in Nahtrichtung erhöhten Belastungen unterworfen ist. Durch die besondere umfangsseitige Geometrie des Stempelrades 8 können in der Nut 14 Geometrie­ elemente erzeugt werden, die hohe Schubkräfte in Nahtrichtung übertragen können. In der einfachsten Form sind beispielsweise Durchbrüche im Steg des Stempelrades 8 denkbar. An den Durchbruchstellen wird die Fügenaht nicht vollständig ausgeformt, wodurch während des Fügeprozesses kleine Absätze senkrecht zur Nahtrichtung erzeugt werden, die die Schubkräfte übertragen können. Diese Werkzeugvariante erzeugt eine diskontinuierliche Naht, die eine vollständige Dichtigkeit aufweisen kann. Falls die Durchbrüche ausschließlich im Stempelrad 8 eingebracht werden, kann auf eine Synchronisation von Stempelrad 8 und Matrizenrad 10 verzichtet werden, was die Kosten für den Anlagenaufbau verringert. Das gilt nicht mehr, wenn auch das Matrizenrad 10 mit Nocken, Stegen oder Zähnen umfangsseitig konturiert wird, wie in Fig. 3 gezeigt. Die dort erforderliche Synchronisation der Stempel- und Matrizenräder 8, 10 kann entweder über die Anlagentechnik oder über eine entsprechende Gestaltung und An­ ordnung der Funktionselemente erfolgen, was einem Verzahnungseffekt entspräche. Dem etwas teureren Anlagenaufbau und der aufwendigen Werkzeugfertigung steht eine genaue Aus­ formung der Nocken gegenüber, die die Belastungsfähigkeit der Fügeverbindung in Naht­ richtung verbessert.

Auch können Stege, Nocken, Zähne oder sonstige Formkörper so umfangsseitig in das Stempel- und/­ oder Matrizenrad eingeformt sein, daß sie seitlich zur eigentlichen Fügeverbindung wirken. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 gezeigt. Bei einer geeigneten Ausführung ist auch hier eine dichte Fügeverbindung herstellbar. Je nach Ausgestaltung müssen die Bewegungen von Stempel- und/oder Matrizenrad 8, 10 miteinander synchronisiert werden. Unter Umständen ist eine Erhöhung der Flanschbreite der Fügeteile 2, 4 erforderlich, um genügend Platz für die einzuprägenden Elemente zu schaffen.

In Fig. 5 ist das Prinzip dargestellt, wie Abstreifer 16 eingesetzt werden können, um nach der Einbringung der Nut 14 bzw. der Herstellung der Durchsetzfügeverbindung 6 Stempel- und/oder Matrizenrad 8, 10 von den Fügeteilen 2, 4 zu lösen. In Fig. 5 ist gezeigt, wie ein Matrizenrad 10 mit einem tangential zum Matrizenrad 10 angeformten Abstreifer 16 räumlich zueinander angeordnet sein können, um eine vorteilhafte Abstreifwirkung zu erzielen. Ergänzend oder ersatzweise kann auch ein elastisches Material, wie beispielsweise die in Fig. 6 angedeuteten Elastomerscheiben 18, auf die Stempel- und/oder Matrizenräder 8, 10 aufgebracht sein, um eine Abstreifwirkung zu erzielen.

Das linienförmige Durchsetzfügen eignet sich neben der kontinuierlichen Herstellung von Tailored Blanks oder Profilen auch für das Fügen von Bauteilen, deren Fügezonen eine von der Geraden abweichende Kontur im Fügebereich aufweisen. Gegenüber punktformig gefügten Bauteilen ist vor allem eine größere Bauteilsteifigkeit zu erwarten. Unter Anwendung des Verfahrensprinzips des linienförmigen Durchsetzfügens ist der Aufbau eines einfachen Fügege­ räts möglich, das vollautomatisch Bauteile mit variierenden Fügezonenkonturen miteinander verbinden kann und schematisch in Fig. 7 dargestellt ist. Das hier vorgeschlagene Gerät besteht aus den Stempel- und Matrizenrädern 8, 10, zwei Richtrollen 20, 22, die die durch den Durchsetzfügevorgang erzeugte Verformung der Fügezone egalisieren, sowie einer festen und einer beweglichen Anschlagrolle 24, 26, deren Achsen annähernd senkrecht zu den Stempel- bzw. Matrizenrädern 8, 10 bzw. den Richtrollen 20, 22 ausgerichtet sind. Gegebenenfalls sind je nach verwendetem Fügesystem noch Abstreifer 16 für das Lösen der Fügeteile vom Stempel- bzw. Matrizenrad 8, 10 zu adaptieren. Fig. 8 zeigt eine Querschnittssicht entlang der Linie A-A aus Fig. 7, die das Führungsprinzip für die Stempel- und Matrizenräder 8,10 entlang den Fügeteilen 2, 4 durch eine Anschlagrolle 24 zeigt. Durch ihr Abrollen auf den Stegen der Fügeteile 2, 4 für die Anschlagrolle über einen gemeinsamen, nicht näher dargestellten Trag­ rahmen die Stempel- und Matrizenräder 8, 10 in ihrer seitlichen Ausrichtung.

In Fig. 9 ist eine Prinzipskizze für eine hochflexible Fügevorrichtung für das linienförmige, umformtechnische Fügen dargestellt. Die bewegliche Anschlagrolle 28 wird über eine Feder bzw. einen Anpreßzylinder 30 gegen den Flansch eines oder beider Fügeteile 2, 4 gedrückt. Durch die Kraft F1 in Fig. 10a) wird das Blechteil um den Drehpunkt, der durch das Stempel- und Matrizenrad 8, 10 gebildet und durch die Spitze des Vektors F3 angedeutet ist, solange gedreht, bis der Flansch auch gegen die feste Anschlagrolle 32 mit der durch den Pfeil angedeu­ teten Kraft F2 preßt. Es besteht somit ein Gleichgewicht zwischen den Kräften quer zum Fügeflansch. Weisen nun die Fügeteile einen Radius in ihrer Fügezonenkontur auf, der in Fügerichtung nach links verläuft, liegt die feste Anschlagrolle bei Einlauf in den Radius zu­ nächst nicht mehr am Flansch der Fügeteile 2, 4 an, wie es in Fig. 10b) dargestellt ist. Die Kraft F2 ist somit nicht mehr vorhanden und das System befindet sich somit nicht mehr im statischen Gleichgewicht. Nun drückt die durch den Anpreßzylinder 30 erzeugte Kraft F1 die schwenkbare Anschlagrolle 28 mit den Fügeteilen 2, 4 solange um den durch das Stempel- und Matrizenrad 8, 10 gebildeten Drehpunkt, bis die Fügeteile 2, 4 mit ihrem Flansch an der festen Anschlagrolle 32 anliegen, wie in Bild 10c) gezeigt. F2 nimmt dann wieder den Wert von F1 an, und es liegt erneut ein statisches Gleichgewicht vor.

Verläuft der Radius in Fügerichtung nach rechts, wächst die Kraft F2 an der festen Anschlagrol­ le 32 an. Dadurch werden die Fügeteile 2, 4 und die schwenkbare Anschlagrolle 28 solange um den durch das Stempel- und Matrizenrad 8, 10 gebildeten Drehpunkt gedreht, bis die Kräfte F1 und F2 wieder im Gleichgewicht sind. Auf die beschriebene Weise werden die Fügeteile 2, 4 automatisch immer so in die Vorrichtung eingezogen bzw. die Stempel- und Matrizenräder 8, 10 so gesteuert, daß diese der Kontur der Fügezonen folgen. Für das Fügen kleinerer Bauteile kann die Vorrichtung ortsfest installiert werden. In diesem Fall werden die Fügeteile 2, 4, die vorteilhaft beispielsweise auf Kugelrollen frei beweglich gelagert sind, entsprechend ihrer Geometrie in die Vorrichtung eingezogen. Bei größeren Bauteilen kann die Vorrichtung auch an den Fügeflansch geklemmt werden und fährt dann selbstständig die Kontur der Flanschgeome­ trie der Blechteile ab.

Für das Fügen flächiger Bauteile wie Kühlkörper, Wärmetauscher etc. oder dem gleich­ zeitigen-Fügen mehrerer Fügeteile können in einer entsprechenden Vorrichtung auch mehrere rotierende Fügeelemente parallel zueinander angeordnet werden.

Abhängig von der Belastung des herzustellenden Bauteils kann es sinnvoll sein, die Füge­ richtung senkrecht zur Blechebene ständig zu wechseln. Das kann einfach erreicht werden, indem das untere und das obere rotierende Fügeelement wechselseitig Matrizen- und Stempel­ geometrieelemente aufweist. Eine Synchronisation der Räder ist dann erforderlich. Resultat einer solchen Gestaltung der Fügeräder ist eine Fügenaht, bei der die matrizenseitige Blecherhe­ bung abwechselnd oberhalb und unterhalb der Fügenaht zu finden ist.

Beim aus dem Stand der Technik bekannten punktförmigen Durchsetzfügen mit geteilter Matrize bewegen sich die federnd angepreßten Lamellen erst während des Breitens des Füge­ teilwerkstoffs gegen Ende des Stempelweges nach außen, um Raum für den radial abfließenden Fügeteilwerkstoff zu schaffen. Um ein solches Durchsetzfügeverfahren linienförmig durch­ führen zu können, ist der Aufbau einer speziell gestalteten zusätzlichen Einlaufmatrize am rotierenden Matrizenelement notwendig. Diese Einlaufmatrize muß das Material während des Einsenk- bzw. Durchsetzvorgangs abstützen und während des Breitens Raum für das quer zur Nahtrichtung abfließende Fügeteilmaterial bieten. Im Einlaufbereich der zu fügenden Bleche liegt die Einlaufmatrize daher am Matrizenrad an und stützt so seitlich den Hals der Fügestelle ab, während sie sich in einer nachgeordneten Zone dort, wo ein Breiten des Werkstoffes er­ wünscht ist, vom rotierenden Matrizenelement entfernt und so Raum gibt für ein seitliches Fließen des Werkstoffs. Ein solcher Effekt kann durch entsprechende Durchmesser des rotie­ renden Matrizenelementes und der zusätzlichen rotierenden Einlaufmatrizen und eine vorteilhaf­ te Festlegung der relativen Lage der Rotationsachsen zueinander erfolgen. Eine seitliche Flanke am rotierenden Matrizenelement kann bei einer solchen Anordnung entfallen. Die Einlaufmatri­ ze kann jedoch auch starr angeordnet sein, wobei sich der seitliche Abstand der seitlichen Stützfläche der Einlaufmatrize zur Längsmittelachse der Fügeverbindung in Förderrichtung erweitert, um ein Breiten des Fügematerials zu ermöglichen.

Wenn das Matrizenrad starre seitliche Matrizenwandungen aufweist, ist die mechanische Belastung auf die Flanken der Matrizengravur extrem hoch. Als Belastung stellt sich an der Flanke eine Kombination aus dynamischer Zug- und Schubbelastung ein, die von gehärteten Materialien, wie sie für eine ausreichende Druck- und Verschleißfestigkeit erforderlich sind, nur schwer aufgenommen werden kann. Abhilfe kann das Einbringen von Druckeigenspannungen schaffen, die der Flankenbelastung entgegengerichtet sind. Denkbar wären beispielsweise seitliche, vorzugsweise gewölbte Armierungen, die durch Dehnschrauben gegen die Matrizen­ wände gepreßt werden. Auf eine solche Weise erfolgt eine Umlagerung der Matrizenflankenbe­ lastungen auf die für dynamische Zugbelastungen ausgelegten Dehnschrauben. Durch die Vorspannung der Dehnschrauben ergeben sich günstigere Verspannungsverhältnisse und die Ausschlagsspannung sowie die Kerbwirkung verringern sich. Alternativ sind aber auch Normschrauben oder Schrauben mit elastisch nachgiebiger Kopfform einsetzbar.

Beim aus dem Stand der Technik bekannten punktförmigen Durchsetzfügen erfolgt die Hin­ terschnittbildung durch Breiten oder Stauchen. Insbesondere diese Fertigungsstufen sind für die Höhe der maximalen Fügekräfte verantwortlich. Da beim linienformigen Durchsetzfügen gemäß der vorliegenden Erfindung die Fügeteile nicht nach oben aus dem formgebenden Werkzeug gehoben werden müssen, bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Fügeverbindung mit einem geformten Hinterschnitt wie beispielsweise einer Art Schwalbenschwanz zu versehen. Dadurch wird das Maß der festigkeitsbestimmenden Hinterschneidung auch bei großen Halsdicken und geringen Fügekräften stark vergrößert, weil kein Breiten oder Stauchen zur Hinterschnittbildung erforderlich ist. Der in der Fügezone hervorgerufene maximale Vergleichsumformgrad ist deutlich geringer. Diese Verfahrensvariante ist deshalb insbesondere für schlechter umformbare Werkstoffe geeignet. Die Festigkeit der Verbindung ist dennoch höher, da die geformte Hin­ terschneidung wesentlich größer ausfallen kann als eine durch Breiten geformte Hinterschnei­ dung. In einem zweistufigen Verfahren kann in der ersten Prozeßstufe das Einsenken bzw. Durchsetzen der Nut erfolgen, während in der zweiten Prozeßstufe mittels entsprechend kontu­ rierter Formrollen die Fügeverbindung im Querschnitt gesehen ein- oder beidseitig zu einem schwalbenschwanzartigen Hinterschnitt geformt wird. Während der zweiten Prozeßstufe müssen die Fügeteile möglichst allseitig gegengehalten werden, um ein seitliches Aufbiegen der Füge­ teilflansche zu vermeiden. Anschließend kann die Fügenaht planiert werden, um eine erhebung­ särmere Naht zu erhalten. Alternativ zu konturierenden Rollen kann auch ein konturierter Ziehstein für die Formung der Hinterschneidung Verwendung finden. Auch hier ist ein An­ pressen bzw. Gegenhalten der Fügeteile sinnvoll. Für eine größere Formstabilität der Fügenaht sowie des erzielten Hinterschnitts kann ein Formelement in die vorgeformte Nut eingebracht werden. Das Formelement kann selbst schon eine hinterschnittbildende Kontur aufweisen oder im einfachsten Fall auch ein eingelegter Draht sein, welcher in der Fügenaht verbleibt

Fig. 11 zeigt schematisch die prinzipiell zweite Ausgestaltungsform der Erfindung. Anstelle der Herstellung einer linienförmigen Fügeverbindung durch bewegte, punktförmig wirkende Werkzeuge oder einer Bewegung der miteinander zu befestigenden Teile an den punktförmig wirkenden Werkzeugen entlang wird vorgeschlagen, die Kontur der fügewirksamen Werkzeug­ flächen linienförmig auszugestalten, um mit einem Hub eine linienförmige Fügeverbindung zwischen den miteinander zu befestigenden Teile zu schaffen. Der Stempel 50 und die Matrize 52 werden durch eine Kraft F aufeinander zu bewegt. Zwischen Stempel 50 und Matrize 52 befinden sich die miteinander zu befestigenden Fügeteile 2, 4, die annähernd in der räumlichen Lage gezeigt sind, in der sie miteinander befestigt werden sollen. Der Stempel 50 weist an seiner dem Fügeteil 2 zugewandten Seite eine linienförmige Erhebung 54 auf. Diese linienförmige Erhebung wird mit der Unterseite bei einer fortgesetzten Zufahrbewegung von Stempel 50 und/oder Matrize 52 zunächst auf die nach oben weisende Fläche des Fügeteils 2 aufsetzen und bei einer weiteren fortgesetzten Zufahrbewegung diese Fläche zusammen mit der darunterlie­ genden Fläche des Fügeteils 4 tiefziehen in Richtung der Ausnehmung 56, die sich auf der dem Fügeteil 4 zugewandten Seite der Matrize 52 befindet. Form und Verlauf der Ausnehmung 56 entsprechen annähernd der Form und dem Verlauf der linienförmigen Erhebung 54. Bei einer weiter fortgesetzten Zufahrbewegung wird das tiefgezogene Material aus den Fügeteilen 2, 4 vollständig in die Ausnehmung 56 gedrückt, wobei das Material plastisch verformt wird und die für eine Durchsetzfügeverbindung charakteristischen Eigenschaften annimmt. Bei der Auswahl und Abstimmung der Querschnittsgeometrien der Erhebung 54 und der Ausnehmung 56, die als Stempel und Matrize wirken, kann der Fachmann sich seines ihm fachnotorisch bekannten Wissens zur Gestaltung von Stempeln und Matrizen bedienen. Im gezeigten Ausführungsbei­ spiel wird eine annähernd S-förmige Fügelinie mit engen Biegeradien mittels nur eines Fügehu­ bes erzielt.

Die Stempel und Matrizen können durch Werkzeugelemente ergänzt werden, die während des Fügehubes gleichzeitig beispielsweise eine Stanzoperation durchführen. So ist es möglich, mit nur einem Arbeitshub sowohl eine linienförmige Fügeverbindung herzustellen als auch umge­ formte Bauteile von einer Restplatine abzulösen. "Fügen" und "Stanzen" wird so auf eine besonders wirtschaftliche Weise in einem Arbeitshub vereinigt.

Am einfachsten ist die Werkzeuggestaltung und -fertigung in Anlehnung an Durchsetzfüge­ verfahren mit starrer Matrize. Es ist jedoch auch die Herstellung von Matrizengeometrien mit beweglichen Seitenwänden möglich. Weiterhin können die Fügewerkzeuge derart gestaltet sein, daß je nach Bedarf eine geschlossene und damit dichte oder auch eine intermittierende Naht erzeugt werden kann. Auch sind Kombinationen mit den vorstehend beschriebenen Ausgestal­ tungen möglich.

An den Werkzeugen sind entsprechende Abstreifvorrichtungen zu integrieren. Diese können als Elastomer- oder Federabstreifer gestaltet werden. In gleicher Wertigkeit ist alternativ auch das Auswerfen der gefügten Bauteile mittels Pneumatik- oder Hydraulikzylindern in Verbindung mit Auswerferstiften denkbar. Auch ist ein Entformen mittels in das Formnest eingeleiteter Preßluft möglich.

Da die erforderlichen Fügekräfte je nach Nahtlänge große Werte annehmen werden, ist auch eine Kombination aus linienförmigen Durchsetzfügen mittels rollenden Werkzeugen mit dem linienförmigen Durchsetzfügen mittels konturierter Werkzeuge möglich. Die konturierten Werkzeuge werden dabei für das Fügen der engen Radien konzipiert, während die Rollenwerk­ zeuge für die geraden bzw. nur leicht gekrümmten Fügelinien eingesetzt werden. Vorteilhaft ist ein Prozeßablauf, bei dem die engen Radien der Fügezonengeometrie zunächst in einem Hub gefügt werden und die damit erstellte Verbindung somit eine Fixierung der Bauteile für den nachfolgenden Fügeprozeß mittels rollender Werkzeuge gewährleisten kann.

In einer weiteren Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungs­ gemäßen Verfahren werden prozeßrelevante Parameter oder Daten von Sensoren ermittelt. Beispielsweise können Stempel- und/oder Matrizenräder 8, 10, oder Lagerelemente mit Senso­ ren zur Erfassung von Fügekräften, Führungskräften, Richtkräften, Drehmomenten, Zustell­ wegen und/oder Radumdrehungen ausgestattet sein, die Meßsignale erfassen, die zur Prozeß­ steuerung, -regelung, Überwachung und Auswertung verwendbar sind. Dazu müssen sie an eine geeignete Kontrolleinrichtung übermittelt werden, die die Daten und Parameter auswertet, daraus einen Stellwert ableitet und an eine entsprechende Aktorik zur Ausführung übermittelt. Auch ist es möglich, Antriebe, Fügekräfte, Führungskräfte, Richtkräfte und/oder Zustellwege prozeßabhängig zu steuern und/oder zu regeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung zur Herstellung einer Fügeverbindung kann unterstützt werden durch eine zusätzliche Vorwärmung der Fügebereiche oder eine Kombination aus Rollnahtschweißen und umformtechnischen Fügen. Überhaupt ist die Erfin­ dung nicht beschränkt auf den Inhalt der beispielhaften Beschreibung, sondern umfaßt auch alle diejenigen Abwandlungen und Anpassungen, die ein Fachmann unter Zuhilfenahme seines ihm notorisch bekannten Fachwissens ohne erfinderisch Überlegungen zur Anpassung der offenbar­ ten Lösung an seine speziellen Anforderungen auffinden kann.

Claims (25)

1. Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Fügeteilen (2, 4), wobei die miteinander zu befestigenden Fügeteile (2, 4) in einer Sollposition übereinandergelegt werden, mindestens ein umfangsseitig geeignet geformtes Stempelrad (8) mit einer rotierenden Bewegung eine Nut (14) in die miteinander zu befestigenden Fügeteile (2, 4) in einer Linie einschneidet und/oder einsenkt, und mindestens ein zweites umfangsseitig ge­ eignet geformtes Matrizenrad (10) mit einer rotierenden Bewegung die Fügeteile (2, 4) zumindest in einem Bereich zu einer Durchsetzfügeverbindung (6) ausformt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) um ihre Hoch- und/oder Längsachse drehbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeteile (2, 4) während des Fügeprozesses in ihrer Bewegungsrichtung und/od­ er räumlichen Lage veränderbar sind.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) und/oder andere, auch arbeitshub­ abhängige Werkzeuge in einer Arbeitsabfolge die Durchsetzfügeverbindung (6) be­ arbeiten.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Festigkeit der Durchsetzfügeverbindung (6) erhöhende Formelemente in die Fügeteile (2, 4) eingebracht werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeteile (2, 4) durch Abstreifer vom Stempelrad (8) und/oder Matrizenrad (10) abgelöst werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung der Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) von minde­ stens zwei Anschlagrollen bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügezone der Durchsetzfügeverbindung von einem Richtelement egalisierbar ist.

9. Verfahren zum umformtechnischen Fügen von miteinander zu befestigenden Teilen, indem durch eine Hubbewegung des Stempels und/oder der Matrize eine Fügeverbin­ dung in die miteinander zu befestigenden Teile eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer linienförmigen Werkzeugstruktur versehenen Stempel und Matrize in ihrer Ausgangsposition benachbart zueinander gelagert sind, sodann durch eine Hubbe­ wegung aufeinander zubewegt werden, dabei mit ihrer linienförmigen Werkzeugstruktur eine linienförmige Fügeverbindung in die miteinander zu befestigenden Teile ein­ bringen, und Stempel und Matrize nach Herstellung einer linienförmigen Fügeverbin­ dung durch eine Rückhubbewegung wieder voneinander weg bewegt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Herstellung einer Fügeverbindung eine Stanzoperation ausge­ führt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren prozeßrelevante Parameter erfassen und diese zur Steuerung, Regelung, Überwachung und/oder Auswertung verwendbar sind.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebe, Fügekräfte, Führungskräfte, Richtkräfte und/oder Zustellwege prozeß­ abhängig steuerbar sind.

13. Vorrichtung zum umformtechnischen Fügen von Fügeteilen (2, 4), bestehend aus einem Rahmen, mindestens einem im Rahmen drehbar gelagerten, umfangsseitig zum Ein­ schneiden und/oder Einsenken einer Nut (14) geeignet geformten Stempelrad (8), mindestens einem im Rahmen drehbar gelagerten, umfangsseitig zum Stauchen von Fügeteilen geeignet geformten Matrizenrad (10), wobei die Stempel- und Matrizenräder (8, 10) so im Rahmen relativ zueinander angeordnet sind, daß aufeinanderliegende Fügeteile (2, 4) unter ihnen bzw. über sie hinweg förderbar und/oder die Stempel- und Matrizenräder (8, 10) über bzw. unter den Fügeteilen (2, 4) hinweg bewegbar sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eines oder mehrere Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) um ihre Hoch- und/od­ er Längsachse drehbar angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeteile (2, 4) durch Mittel in ihrer Förderbewegung und/oder räumlichen Lage veränderbar sind.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorrichtung oder in mehreren Vorrichtungen mehrere Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) umfangsseitig Vertie­ fungen und/oder Erhebungen aufweist.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an der Vorrichtung Abstreifer angebracht sind.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung der Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) mit Anschlagrollen verbunden ist.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest ein Richtelement aufweist.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit vor- oder nachgelagerten zusätzlichen Vorrichtungen, die mittels eines Arbeitshubs Fügeverbindungen herstellen, wirkungsmäßig verbunden ist.

22. Vorrichtung zum umformtechnischen Fügen von miteinander zu befestigenden Teilen, bestehend aus einem Rahmen, einem darin angeordneten Stempel und einer Matrize sowie einer Verstellvorrichtung für den Stempel und/oder die Matrize, um diese zu bewegen, sowie einer Haltevorrichtung zur Lagefixierung der zu befestigenden Teile, dadurch gekennzeichnet, daß Stempel und Matrize eine Werkzeugkontur mit einem linienformigen Verlauf der fügewirksamen Flächen aufweisen

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich Stanzelemente aufweist.

24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren in der Vorrichtung angeordnet sind und von den Sensoren ermittelte prozeßrelevante Daten an eine Steuer-, Regelungs- Überwachungs- und/oder Auswerte­ vorrichtung übermittelbar sind.

25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine in der Vorrichtung angeordnete Aktorik Antriebe, Fügekräfte, Führungs­ kräfte, Richtkräfte und/oder Zustellwege von einer Kontrolleinrichtung steuer- und/oder regelbar sind.