DE19927101A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Clinchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Fügen von zwei flächigen Fügeteilen (4a, 4b) mittels Clinchen ohne Schneidanteil durch einen aktiven Stempel (1) mit einer geradlinigen, schlagenden oder taumelnden Bewegung, einen Gegenstempel (9), einer festen (3) oder beweglichen Matrize sowie einem Niederhalter zum Vorspannen der Fügeteile (4a, 4b) unter Ausbildung eines Halsbereiches (6) und eines Hinterschnittbereiches (7). Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstempel (9) schon vor, während oder unmittelbar nach Beginn des Clinchvorganges aktiv in Kontakt mit dem matrizenseitigen Fügeteil (4b) kommt und damit zum Stauchen beider Fügeteile (4a, 4b) herangezogen wird, so daß das stempelseitige Fügeteil (4a) durch die verringerte Abstreckung einen dickeren Halsbereich (6) ausbildet und weiteres Material aus beiden Fügeteilen (4a, 4b) aus dem späteren Bodenbereich durch das Stauchen in den Halsbereich (6) und den Hinterschnittbereich (7) verdrängt wird. DOLLAR A Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Clinchen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Beim bekannten Clinchen, auch Durchsetzfügen genannt (vgl. Budde, L.; Pilgrim, R.: Stanznieten und Durchsetzfügen, Die Bibliothek der Technik Bd. 115, verlag moderne industrie, Landsberg/Lech, 1995), dringt ein Stempel beim Arbeitshub in die zu verbindenden Bleche ein, wobei auf der Gegenseite eine feste oder geteilte Matrize die Form der sogenannten Matrizenseite des Clinchpunktes ausbildet. In der festen oder geteilten Gravur übernimmt ein fester Matrizenteil oder ein separater Gegenstempel den stirnseitigen Abschluß am matrizenseitigen Clinchpunkt.

Mit dem Einbringen der Vertiefung durch die Werkzeuge wird neben dem Kraftschluß der bekannte Formschlußeffekt, die sogenannte Hinterschneidung, zwischen den Fügepartnern erzielt, wobei der Vorgang üblicherweise bis zu einer vorgegebenen Bodendicke durchgeführt wird. In dem stempelseitigen Blech wird die ursprüngliche Materialdicke im Bereich des Clinchstempels zur sogenannten Halsdicke stark verjüngt.

Für die Verbindungsfestigkeit sind eine hohe Hinterschneidung und eine hohe Halsdicke wesentlich.

Beim bekannten Clinchen ist nur ein Stempel aktiv und in der Anfangsphase werden die zu fügenden Bleche durch diesen Stempel einem Durchsetz- und Abstreckvorgang unterworfen. Dabei wird in beiden Fügeteilen, insbesondere im stempelseitigen Blech eine Reduzierung der Materialdicke verursacht. Die Halsdicke des stempelseitigen Materials im fertigen Clinchpunkt hängt stark von dieser Anfangsreduktion ab. Durch diese Reduzierung der Blechdicke zum Beginn des Prozesses wird die Realisierung einer gewünschten großen Halsdicke im stempelseitigen Material stark eingeschränkt. Weiter wird erst am Ende des Vorganges, wenn der aktive Stempel das Material gegen den passiven Gegenstempel bzw. die passive Matrizenkontur drückt der Bodenbereich durch Stauchen verjüngt. Dieses Stauchen mit radialem Werkstofffluß nach außen ermöglicht die Ausbildung der Hinterschneidung. Dieser Stauchvorgang des Bodenbereiches wird aber so spät eingeleitet, daß der Abstreckvorgang schon zu großem Teil realisiert wurde. Die Verringerung der Blechdicke kann nicht verhindert werden. Damit sind sehr hohe Kräfte zum Erzielen der gewünschten geringen Bodendicken und damit einer guten Hinterschneidung notwendig.

Die üblichen Radien an Stempel, Matrize und Gegenstempel sind Konturelemente, die gut herstellbar sind aber nicht den besten Werkstofffluß gewährleisten.

Durch die begrenzte Ausbildung von Halsdicke und Hinterschneidung werden entsprechend begrenzte Verbindungsfestigkeiten erreicht.

Hohe Kräfte verursachen hohe Werkzeug- und Werkzeuggestellbelastungen und schränken damit die Anwendung bei hochfesten Blechen ein.

Für die überwiegend als Werkzeuggestell eingesetzten C-Bügel wird mit hohen Kräften die Ausladung und damit die Anwendbarkeit des Verfahrens eingegrenzt.

Aktive Gegenstempel sind im Bereich des Fließpressens und des Stanznietens (DE 198 47 980.8 A1) bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch ein Verfahren und eine Vorrichtung die Schwachstellen geringe Halsdicke und geringer Hinterschnitt zu beseitigen und damit bei der gleichen Fügeaufgabe eine höhere Verbindungsfestigkeit zu erzielen. Außerdem sollen die auftretenden Kräfte gesenkt werden. Damit sind die Anwendungsgebiete bezüglich hochfester Werkstoffe und die Zugänglichkeit bei großen Bauteilen mit C-Bügeln wesentlich erweiterbar.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß der Gegenstempel schon vor, während oder unmittelbar nach Beginn des Clinchvorganges aktiv in Kontakt mit dem matrizenseitigen Fügeteil kommt und damit zum Stauchen beider Fügeteile herangezogen wird, so daß das stempelseitige Fügeteil durch die verringerte Abstreckung einen dickeren Halsbereich ausbildet und weiteres Material aus beiden Fügeteile aus dem späteren Bodenbereich durch das Stauchen in den Halsbereich und den Hinterschnittbereich verdrängt wird.

Mittels sofortigem Stauchen wird vor der starken Verjüngung der Blechdicke Material aus dem späteren Bodenbereich in den Halsbereich und den Hinterschnittbereich radial verdrängt. Der trotzdem parallel erfolgende Abstreckvorgang verursacht radiale Zugspannungen. Diese können somit den Stauchvorgang überlagern und die Verringerung der Bodendicke kann mit geringerer Kraft erfolgen.

Vorteilhaft wird der geradlinigen, schlagenden oder taumelnden Bewegung des aktiven Stempels mit einer ebenfalls aktiven geradlinigen, schlagenden oder taumelnden Bewegung des Gegenstempels mit geringerer Geschwindigkeit so entgegenwirkt, daß der untere Anschlag des Gegenstempels direkt zum Prozeßende oder kurz davor erreicht wird.

Weiterhin wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 3 genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gegenstempel auf die Fügeteile zustellbar so gelagert ist, daß der Gegenstempel schon vor, während oder unmittelbar nach Beginn des Clinchvorganges an dem matrizenseitigen Fügeteil anliegt und ein Anschlag so angeordnet ist, daß dieser zum Ende oder kurz vor dem Ende des Clinchvorgangs vom Gegenstempel erreicht wird.

Der Gegenstempel ist somit schon am Beginn des Vorganges aktiv am Fügevorgang beteiligt. Nach dem Aufsetzen des Niederhalters und dem damit realisierten Vorspannen der Materialien wird der Stauchclinchpunkt erzeugt, indem die Materialien zwischen aktivem Stempel und aktivem Gegenstempel umgeformt werden. Dabei führt der aktive Stempel die übliche vorwärtsgerichtete Bewegung aus. Der aktive Gegenstempel führt die Bewegung mit geringerer Geschwindigkeit in die gleiche Richtung so aus, daß eine geringere Wegstrecke zurückgelegt und somit die ursprüngliche Gesamtblechdicke auf die Restbodendicke reduziert wird. Beim Ablauf dieser zwei Bewegungen werden die Vorgänge Durchsetzen, Abstrecken und Stauchen gleichzeitig realisiert. Durch das Stauchen beginnt der radiale Werkstofffluß nach außen aus dem Bereich des späteren Bodens heraus schon zu Beginn des Prozesses. Das Material aus dem Bodenbereich wird sofort im späteren Halsbereich zur Verfügung gestellt und die Halsdicke kann größer gestaltet werden.

Auch für das Pressen des Werkstoffes in eine zu erzielende Hinterschneidung steht genügend Werkstoff zur Verfügung, da durch die Kombination der Vorgänge Stauchen und Abstrecken genügend Material aus dem Bodenbereich bei gleichen oder geringeren Kräften herausgedrückt werden kann.

Vorteilhaft ist zur Begrenzung der Bewegung des Gegenstempels ein oberen Anschlag und ein unterer Anschlag vorgesehen.

Weiterhin vorteilhaft sind zur Steuerung des Bewegungsablaufs des Gegenstempels mechanische Federn vorgesehen oder es ist ein Kurzhubzylinder angeordnet, der servohydraulisch gesteuert werden kann.

Von besonderem Vorteil ist die Ausbildung der Kantenkontur von Stempel, Matrize und Gegenstempel entsprechend einer werkstoffflußgerechten Tractrix-Kontur mit fügepunktfernen Startpunkten. Eine solche Kurve, auch Schleppkurve genannt, begünstigt das plastische Fließen der zu tilgenden Bleche durch Abbau hoher lokaler Spannungs- und Deformationsspitzen.

Durch die erfindungsgemäße Lösung lassen sich höhere Verbindungsfestigkeiten, eine Erweiterung des möglichen Anwendungsspektrums des Clinchens und eine Verringerung der Fügekräfte erreichen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung mit Stempel, Gegenstempel und Matrize zur Veranschaulichung der Vorgänge beim Clinchen nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Darstellung mit Stempel, Gegenstempel und Matrize zur Veranschaulichung der Vorgänge beim Clinchen gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine Ausführung einer Tractrix-Kontur mit fügepunktfernen Startpunkten an den Kanten von Stempel, Gegenstempel und Matrize.

In der in Fig. 1 dargestellten Matrize 2 ist ein Stempel 9 eingelassen, der nach dem Stand der Technik passiv ist. An die Matrize 2 sind zwei Fügeteile 4a, 4b durch einen hier nicht dargestellten Niederhalter vorgespannt. Der aktive Stempel 1 ist zusammen mit den Fügeteilen 4a, 4b in der Anfangs- und Endphase beim Clinchen nach dem Stand der Technik dargestellt.

Wie in Fig. 1 dargestellt werden mit einem aktivem Stempel 1, einem passivem Gegenstempel 9 und einer festen Matrize 2 die Fügeteile 4a, 4b durch Clinchen verbunden.

Die auf der linken Zeichnungsseite dargestellte Anfangsphase zeigt die Vorgänge des Durchsetzens und Abstreckens. Das stempelseitige Fügeteil 4a wird am Ort der entstehenden Halsdicke 5 durch die auftretende Abstreckung stark in der Dicke reduziert, was eine geringe Halsdicke zur Folge hat.

Der Hinterschnitt 7 wird wesentlich durch die erreichbare minimale Bodendicke 8 bestimmt, wobei die Bodendickenreduzierung vor allem bei hochfesten Blechen durch die Werkzeugbelastung begrenzt ist.

Die Kanten 14, 15 und 16 von Stempel, Matrize und Gegenstempel sind üblicherweise als einfache Radien realisiert.

In der Fig. 2 ist eine Ausführung gemäß der Erfindung dargestellt. Zur Vermeidung der vorstehend geschilderten Nachteile ist der Gegenstempel 9 als Aktivwerkzeug ausgelegt. In der Matrize 3 ist der Gegenstempel 9 auf die Fügeteile 4a, 4b zustellbar gelagert, und wird schon zu Prozeßbeginn gegen einen oberen Anschlag 10 positioniert und damit an das matrizenseitige Fügeteile 4b herangeführt. Mit dem sofort parallel zum Durchsetzen/Abstrecken zwischen den aktiven Stempeln 1 und 9 einsetzenden Stauchen wird die starke Verjüngung an der Stelle 5 vermieden und die Halsdicke 6 kann stark ausgeführt werden.

Durch die zeitige Verdrängung des Materials aus dem späteren Bodenbereich mit der Kombination Abstrecken-Stauchen kann mit gleichen oder geringeren Kräften bezogen auf das bekannte Clinchen eine sehr geringe Bodendicke erreicht und damit ein großer Hinterschnitt 7 erzielt werden.

Die Bewegung des Gegenstempels 9 kann im unteren Totpunkt durch einen Anschlag 11 begrenzt werden.

Bei einer einfachen Version der Bewegungssteuerung sind mechanischen Federn 12 am unteren Ende des Gegenstempels 9 vorgesehen, die z. B. als Tellerfedern 12 (linksseitig in der Fig. 2 dargestellt) ausgebildet sind.

Die aktive Steuerung des Gegenstempels 9 kann allerdings auch hydraulisch mit einem Kurzhubzylinder 13 (rechtsseitig in der Fig. 2 dargestellt) realisiert werden, der durch ein Servoventil angesteuert wird.

In Fig. 3 sind die Kantenkonturen 17, 18 und 19 von Stempel, Matrize und Gegenstempel mit den jeweiligen fügepunktfernen Startpunkten 20 dargestellt. Durch diese Tractrixkontur wird der lokale Werkstofffluß erleichtert.

Bezugszeichenliste

1

Stempel

2

feste Standardmatrize

3

feste Matrize

4

a;

4

b flächige Fügeteile

5

Halsdickenbildepunkt

6

Halsbereich

7

Hinterschnittbereich

8

Bodenbereich

9

Gegenstempel

10

oberer Anschlag

11

unterer Anschlag

12

mechanische Feder

13

hydraulischer Kurzhubzylinder

14

Stempelkante

15

Matrizenkante

16

Gegenstempelkante

17

Stempelkante mit Tractrixkontur

18

Matrizenkante mit Tractrixkontur

19

Gegenstempelkante mit Tractrixkontur

20

jeweilige Startpunkte der Tractrixkontur

Claims (6)

1. Verfahren zum mechanischen Fügen von zwei flächigen Fügeteilen (4a, 4b) mittels Clinchen ohne Schneidanteil durch einen aktiven Stempel (1) mit einer geradlinigen, schlagenden oder taumelnden Bewegung, einen Gegenstempel (9), einer festen (3) oder beweglichen Matrize sowie einem Niederhalter zum Vorspannen der Fügeteile (4a, 4b), unter Ausbildung eines Halsbereiches (6) und eines Hinterschnittbereiches (7), dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstempel (9) schon vor, während oder unmittelbar nach Beginn des Clinchvorganges aktiv in Kontakt mit dem matrizenseitigen Fügeteil (4b) kommt und damit zum Stauchen beider Fügeteile (4a, 4b) herangezogen wird, so daß das stempelseitige Fügeteil (4a) durch die verringerte Abstreckung einen dickeren Halsbereich (6) ausbildet und weiteres Material aus beiden Fügeteile (4a, 4b) aus dem späteren Bodenbereich durch das Stauchen in den Halsbereich (6) und den Hinterschnittbereich (7) verdrängt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempelbewegung zusätzlich eine geradlinige, schlagende oder taumelnden Bewegung des Gegenstempels (9) mit geringerer Geschwindigkeit so überlagert wird, daß der untere Anschlag (11) vom Gegenstempel (9) direkt zum Prozeßende oder kurz davor erreicht wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus einem aktiven Stempel (1), einer Matrize (3), einem Gegenstempel (9), sowie einem Niederhalter zum Vorspannen der Fügeteile (4a, 4b), dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstempel (9) auf die Fügeteile (4a, 4b) zustellbar so gelagert ist, daß der Gegenstempel (9) schon vor, während oder unmittelbar nach Beginn des Clinchvorganges an dem matrizenseitigen Fügeteil (4b) anliegt und ein Anschlag (11) so angeordnet ist, daß dieser zum Ende oder kurz vor dem Ende des Clinchvorgangs vom Gegenstempel (9) erreicht wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Bewegung des Gegenstempels (9) zu einem oberen Anschlag (10) der unterer Anschlag (11) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Bewegungsablaufs des Gegenstempels (9) mechanische Federn (12) oder ein servohydraulisch gesteuerter Kurzhubzylinder vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenkontur von Stempel (1), Matrize (3) und Gegenstempel (9) entsprechend einer Tractrix-Kontur (17), (18) und (19) ausgeformt sind, wobei die Startpunkten der Schleppkurven (20) clinchpunktfern angeordnet sind.