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Die Erfindung betrifft eine Einpressverbindung zwischen einem hochfesten Bauteil und einem Einpresselement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Einpresselement für eine derartige Einpressverbindung.
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Unter hochfesten Bauteilen werden vorliegend Bauteile, insbesondere Bleche, mit einer Festigkeit von > 600 MPa verstanden. Derartige hoch- sowie höchstfeste Bauteile werden insbesondere auch in der Automobilindustrie zur Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Beibehaltung von geforderten hohen Festigkeiten eingesetzt. Die Blechdicke derartiger Bleche liegt dabei typischerweise zwischen 0,4 und 4 mm und insbesondere zwischen 0,6 mm und 2,6 mm. Unter höchstfesten Blechen werden vorliegend Bleche mit einer Festigkeit von > 1.000 MPa verstanden. Heutzutage werden in bestimmten Bereichen eines Kraftfahrzeugs bereits Stahlbleche mit Festigkeiten von > 1.500 MPa eingesetzt.
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Durch die hohen Festigkeiten ist das Einbringen von Einpresselementen, wie beispielsweise Muttern oder Bolzen, mit erhöhten Anforderungen verbunden. Aufgrund der hohen Festigkeit ist eine Umformung oder Verformung des Bleches üblicherweise nicht oder nur schwer möglich. Gleichzeitig muss jedoch zum einen eine ausreichende axiale Auszugssicherheit gewährleistet sein sowie eine ausreichende Verdrehsicherheit im Falle von mit Gewinden versehenen Einpresselementen.
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Bei herkömmlichen, nicht-hochfesten Bauteilen wird eine gewünschte Auszugssowie Verdrehsicherheit üblicherweise durch eine Verformung des Bleches im Bereich eines vorgeformten Lochs erzielt. Zur Ausbildung der Verdrehsicherheit weisen derartige Einpresselemente dabei üblicherweise sich in Radialrichtung erstreckende Rippen an einer Kopfauflagefläche des Einpresselements auf. Diese Rippen werden in die Oberseite des Bauteils eingepresst. Ein Beispiel hierfür ist aus der
EP 0 667 936 B1 zu entnehmen.
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Ein Verformen des Bleches mithilfe des Einpresselements ist jedoch insbesondere dann nicht oder nur schwer möglich, wenn die Festigkeit des Bauteils höher als die des Einpresselements ist, was bei hoch- und höchstfesten Bauteilen typischerweise der Fall ist. Zur Ausbildung einer Verdrehsicherung besteht hierbei die Möglichkeit, unrunde Querschnittsgeometrien im Verbindungsbereich zwischen Einpresselement und Lochrand zu wählen.
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So ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 220 033 A1 ein Einpresselement zu entnehmen, welches an seiner Kopfunterseite einen Fügeabschnitt mit in etwa rechteckförmiger Querschnittsgeometrie aufweist. Zur axialen Auszugssicherung weist dieser Fügeabschnitt weiterhin an seiner Mantelfläche einen umlaufenden Wulst auf. Bei der Ausbildung der Verbindung mit dem Bauteil soll dieser Wulst einen Lochrand des hochfesten Bauteils elastisch während des Einpressvorgangs verdrängen, sodass der umlaufende Wulst quasi in den Lochrand ein Stück weit eindringt. Probleme können sich hierbei insbesondere bei hohen Festigkeitsunterschieden zwischen Einpresselement und Bauteil ergeben, da dann ein ausreichendes elastisches Aufweiten des Lochrands nicht mehr gewährleistet ist und beim Einpressvorgang unter Umständen auch ein Abscheren des Wulstes zu befürchten ist.
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Zur Ausbildung einer ausreichenden axialen Auszugssicherung ist es weiterhin bekannt, einen Umformkragen des Einpresselementes umzubördeln. Hierbei wird eine Unterseite des Bauteils von diesem Umformkragen quasi nach Art eines Nietkragens umgriffen. Eine derartige Einpressverbindung ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 042 478 A1 zu entnehmen. Beim Umbördeln treten jedoch hohe tangentiale Zugspannungen auf, die unter Umständen zu unerwünschte Rissen und damit zu einem Festigkeitsabfall und möglicherweise zu Korrosion führen können.
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Zur Verdrehsicherung ist gemäß der
DE 10 2004 042 478 A1 weiterhin vorgesehen, dass in das hochfeste Bauteil ein unrundes Loch beispielsweise mit ovaler oder trilobularer Geometrie eingebracht wird und anschließend beim Einpressen des Einpresselements dessen kreisringförmiger Umformkragen unterschiedlich radial aufgeweitet wird, sodass sich der Kragen der nicht runden Umfangskontur des Loches anpasst. Hierbei treten ebenfalls tangentiale Zugspannungen auf, die zu den oben genannten Problemen führen können.
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Neben den tangentialen Zugspannungen ist weiterhin grundsätzlich nachteilig, dass durch das Umgreifen das Einpresselement über die Bauteilunterseite übersteht. Dies führt unter Umständen zu Problemen, wenn an der Bauteilunterseite weitere Bauteile befestigt werden sollen. Gewünscht ist hierbei üblicherweise eine möglichst plane Unterseite.
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Aus der
EP 2 549 128 B1 ist eine weitere Einpressverbindung zu entnehmen, bei der ebenfalls ein Umformkragen eine Unterseite des Bauteils im Bereich des Lochrands zur Ausbildung eines in Axialrichtung wirksamen Formschlusses hintergreift. Ein Überstand dieses umgreifenden Teilbereichs ist dadurch vermieden, dass das Blech im Bereich des Lochrandes vor dem Eindringen des Einpresselements in Richtung zu einem Kopfteil des Einpresselements in etwa domartig hochgezogen ist. Dies erfordert jedoch nachteiligerweise einen vor dem Einpressvorgang erforderlichen Umformvorgang des Bauteils. Zudem ist die Umformung mit zunehmender Festigkeit des Bauteils schwierig.
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Aus der
DE 10 2009 025 525 A1 ist eine Einpressverbindung zu entnehmen, bei der auf eine formschlüssige Verbindung sowohl für die axiale Auszugssicherung als auch für die Verdrehsicherung verzichtet ist. Es wird lediglich eine ausreichende Reibschlussverbindung ausgebildet. Hierzu weist das Einpresselement an der Kopfunterseite einen Schaftbereich mit einer mehreckigen Querschnittskontur auf, wobei mithilfe einer kreisrunden Matrize die Eckbereiche beim Einpressvorgang zumindest partiell abgeschert werden und das derartig abgescherte Material gegen den Lochrand eines kreisrunden Loches gepresst wird. Hierbei ist daher weder eine Umformung des Einpresselements im Sinne einer Verformung, wie beispielsweise Aufweitung etc., noch eine Verformung des Loches vorgesehen. Durch die Scherung wird das Einpresselement insgesamt stark beansprucht. Auch kann die Oberfläche des Einpresselements hierdurch in unerwünschter Weise beschädigt werden, sodass eine Korrosionsgefahr besteht.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einpressverbindung zwischen einem Einpresselement und einem hochfesten Bauteil zu ermöglichen, welche zum einen möglichst kostengünstig und prozesssicher ausgebildet werden kann und die zudem eine gute Auszugssicherung sowie Verdrehsicherung aufweist. Weiterhin sollen Zugspannungen und damit das Risiko von Rissen möglichst vermieden werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren zur Ausbildung einer derartigen Einpressverbindung sowie ein geeignetes Einpresselement für eine derartige Einpressverbindung anzugeben.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Einpressverbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Einpresselement mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Die im Hinblick auf die Einpressverbindung angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren sowie das Einpresselement und umgekehrt zu übertragen.
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Die Einpressverbindung ist zwischen einem hochfesten Bauteil, insbesondere einem Stahlblech und einem Einpresselement ausgebildet. Das Einpresselement ist in ein vorgefertigtes Loch eingepresst, wobei dieses Loch zur Ausbildung einer Verdrehsicherung einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweist. Das Einpresselement weist ein Kopfteil sowie einen sich in Längsrichtung daran anschließenden Kragen auf. Mit einer Kopfauflage des Kopfteils, also mit dessen Unterseite, liegt das Einpresselement auf einer Oberseite des Bauteils auf. Der Kragen ist zur Ausbildung einer in Längsrichtung wirksamen Auszugssicherung durch einen Stauchprozess gegen einen Lochrand des vorgefertigten Lochs gepresst, ohne dass der Kragen eine Unterseite des Bauteils umgreift. Es ist also eine Presspassung zwischen dem Kragen und dem Loch ausgebildet.
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Bei dem Einpresselement handelt es sich vorzugsweise um einen Einpressbolzen, insbesondere eine Einpressschraube. Alternativ ist das Einpresselement als eine Einpressmutter ausgebildet.
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Der Kragen weist weiterhin an seiner Mantelseite eine Rändelung mit einer Vielzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden Erhebungen auf, wobei die Erhebungen bei der fertigen Einpressverbindung zumindest teilweise verformt sind. Zumindest die radial äußeren Bereiche der Erhebungen sind dabei quasi platt gedrückt. Die platt gedrückten Randflächen der Erhebungen schmiegen sich dabei an den Lochrand an.
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Zur Ausbildung der Einpressverbindung erfolgt daher durch den Stauchprozess eine Massivumformung in drei Raumrichtungen, und zwar eine dreiachsige Druckumformung. Dadurch werden unerwünschte tangentiale Zugspannungen und damit das Risiko von Rissen vermieden. Es wird lediglich eine Presspassung ausgebildet. Der Kragen bildet daher einen Stauchabschnitt aus, über den im Ausgangszustand quasi ein Materialvolumen zum partiellen Stauchen bereitgestellt ist, welches zur Ausbildung der Presspassung durch Massivumformen gegen den Lochrand gepresst wird. Es erfolgt daher kein herkömmliches Umformen im Sinne eines Umbördelns oder radialen Aufweitens, bei dem tangentiale Zugspannungen eingebracht werden würden. Auch erfolgt kein Abscheren oder Abtrennen von Material, was zu einer Beschädigung der Oberfläche führen würde. Entsprechend ist der eingepresste Kragen auch dadurch gekennzeichnet, dass er keine Zugverformungen und keine Zugspannungen aufweist. Derartige Zugverformungen führen zu charakteristischen Gefügeveränderungen, die sich von Druckverformungen unterscheiden und z.B. anhand von Schliffbildern erkennbar sind.
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Neben der Vermeidung von Rissen wird durch die Kombination dieser Merkmale zudem sowohl eine zuverlässige Auszugssicherung als auch eine zuverlässige Verdrehsicherung ausgebildet. Der Kragen steht zum einen nicht über die Unterseite des Bauteils hervor, sodass insgesamt eine ebene Bauteilunterseite gewährleistet ist. Der Kragen schließt dabei insbesondere bündig mit der Unterseite des Bauteils ab oder steht allenfalls geringfügig zurück, beispielsweise um maximal 20% der Dicke des Bauteils. Die Bauteildicke liegt dabei üblicherweise zwischen 0,4 und 4 mm und vorzugsweise zwischen 0,6 und 2,6 mm.
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Diese Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass für die axiale Auszugssicherung die Presspassung zwischen Kragen und Loch ausreichend ist. Ein Umformen des Bauteils nach dem Lochvorgang, welcher insbesondere durch einen Stanzprozess erfolgt, ist nicht erforderlich und erfolgt vorzugsweise auch nicht. Das Bauteil weist daher im Bereich des Loches vorzugsweise keine Verformung auf. Hierunter wird verstanden, dass keine Umformung erforderlich und vorgesehen ist, weder durch das Einpressen des Einpresselementes noch durch einen separaten Blechumformungsvorgang im Bereich des Loches beispielsweise durch ein domartiges Hochziehen des Lochrandes.
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Vorzugsweise sind neben der unrunden Lochgeometrie keine weiteren formschlüssigen Verdrehsicherungselemente ausgebildet, insbesondere sind an der Kopfauflage keine Rippen ausgebildet, die in die Oberseite des Bauteils eindringen. Es erfolgt allgemein kein Umformen des (Blech-)Bauteils zur Ausbildung einer Verdrehsicherung. Es erfolgt ausschließlich eine Massivumformung des Kragens des Einpresselements. Durch die Presspassung wird ergänzend zu der unrunden Lochgeometrie durch den dadurch hervorgerufenen Kraftschluss eine zusätzliche Verdrehsicherung erreicht.
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Die Maßnahme zur axialen Auszugssicherung erschöpft sich vorzugsweise allein in dem Verpressen des Kragens durch den Stauchprozess gegen den Lochrand zur Ausbildung der Presspassung. Dies beruht auf der Überlegung, dass insbesondere bei einer geeigneten Stanzlochoperation der Lochrand des vorgefertigten Lochs bereits ausreichend derart ausgebildet ist, dass lediglich ein Verpressen des Kragens gegen den Lochrand für die erforderlichen Auszugsfestigkeiten ausreicht. Hierbei wird ausgenutzt, dass beim Stanzvorgang dieser derart eingestellt werden kann, dass sich ein sich in Längsrichtung verbreiterndes Loch ausbildet. Dies wird speziell durch ein Ausbrechen des Lochs beim Stanzprozess erreicht. Der Lochrand erweitert sich daher in Längsrichtung. Durch das Stauchen und Verpressen des Kragens gegen den Lochrand wird dadurch in vorteilhafter Weise Material des Kragens quasi durch einen Material-Fließprozess in einen Hinterschnitt eingepresst, so dass ein in axialer Richtung wirkender Formschluss ausgebildet wird.
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Durch den Stauchprozess und die Ausbildung der Presspassung ist daher sowohl die axiale Auszugssicherung als auch die Verdrehsicherung zuverlässig ausgebildet.
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Die axiale Auszugssicherung als auch die Verdrehsicherung wird durch die im eingepressten Zustand zumindest teilweise platt gedrückte Rändelung positiv beeinflusst.
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Aufgrund der Rändelung werden durch die Erhebungen lokal begrenzte Flächenbereiche geschaffen, die gegen den Lochrand gepresst sind. In diesen begrenzten Flächenbereichen liegt daher eine hohe Anpresskraft vor. Dadurch ist sowohl die axiale Auszugssicherung als auch die Verdrehsicherung verbessert.
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Vorzugsweise dringen die Erhebungen nicht in den Lochrand des Bauteils ein, verformen diesen also nicht. Vielmehr erfolgt – anders als bei üblichen Rändelungen, die in den Lochrand einschneiden – gerade keine Verformung des Lochrands. Insofern handelt es sich auch nicht um eine klassische Rändelung, die zur Verdrehsicherung durch einen Formschluss durch Einschneiden in den Lochrand ausgebildet ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung definiert die Rändelung einen Außendurchmesser, welcher im Ausgangszustand vor dem Einpressen kleiner oder gleich einem Lochdurchmesser des Lochs ist. Das Einpresselement kann daher zunächst problemlos in das Loch eingesetzt werden. Die Erhebungen, also zumindest deren Spitzen, werden daher erst beim Pressvorgang, wenn der Kragen gestaucht wird, gegen den Lochrand gepresst und dabei platt gedrückt.
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Vorzugsweise schmiegen sich lediglich die Erhebungen an den Lochrand an, wohingegen die Vertiefungen, also ein radial innenliegender Grund zwischen zwei benachbarten Erhebungen, nicht gegen den Lochrand gepresst werden. Im Bereich der Vertiefungen verbleibt daher ein (geringfügiger) Freiraum oder radialer Abstand zwischen dem Kragen und dem Lochrand.
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Alternativ wird der Kragen soweit gestaucht, dass auch die Vertiefungen am Lochrand anliegen, bzw. die Vertiefungen mit dem verdrängten Material der Erhebungen aufgefüllt werden. Bei dieser Variante sind daher die Erhebungen quasi vollständig platt gedrückt.
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Vorzugsweise ist jedoch in allen Fällen eine um den Umfang variierende Anpresskraft ausgebildet, die im Bereich der (ursprünglichen) Erhebungen höher als im Bereich der (ursprünglichen) Vertiefungen ist.
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Die einzelnen Erhebungen verjüngen sich dabei typischerweise in radialer Richtung nach außen. Sie laufen im Ausgangszustand beispielsweise spitz zu, weisen also im Querschnitt betrachtet eine Dreiecksform auf. Alternativ sind sie bereits im Ausgangszustand abgeflacht und weisen im Querschnitt betrachtet beispielsweise eine Trapezform auf. Die Erhebungen sind dabei bevorzugt nach Art von Zähnen ausgebildet beispielsweise mit einer dreieckförmigen Querschnittsfläche oder ggf. mit einer abgeflachten Spitze, so dass eine trapezförmige Querschnittsfläche erreicht ist.
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Zweckdienlicherweise schließen benachbarte Flanken einander benachbarter Zähne einen Winkel von etwa 90° zwischen sich ein. Dieser hat sich als vorteilhaft für die gewünschte Auszugs- und Verdrehfestigkeit erwiesen. Allgemein liegt der Winkel bevorzugt im Bereich zwischen 70° bs 110° oder im Bereich zwischen 80° und 100°.
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Alternativ sind die Erhebungen verrundet und beispielsweise durch ein Wellenprofil gebildet.
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Vorzugsweise erstrecken sich die Erhebungen und damit die Rändelung vorzugsweise in Längsrichtung des Einpresselements. Die Erhebungen sind nach Art von Rippen ausgebildet.
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Die Rändelung erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte oder nahezu gesamte Höhe des Kragens (in Längsrichtung betrachtet). Die Höhe der Rändelung oder des Kragens ist dabei allgemein kleiner oder maximal gleich der Dicke des Bauteils.
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Die einzelnen Erhebungen sind um den Umfang insbesondere gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Bevorzugt sind zumindest 6, 8 oder 10 Erhebungen über den Umfang verteilt angeordnet. Üblicherweise wird jedoch eine deutlich kleinteiligere Rändelung ausgebildet mit zumindest 20, zumindest 30 oder zumindest 60 Erhebungen (Zähne), die gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnet sind.
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In bevorzugter Ausgestaltung weisen die Erhebungen im Ausgangszustand eine radiale Tiefe auf, wobei diese radiale Tiefe im eingepressten Zustand durch das Plattdrücken um zumindest ein Viertel, vorzugsweise um zumindest zumindest ein Drittel, vorzugsweise um zumindest die Hälfte reduziert ist. Vorzugsweise sind durch das Verpressen die Vertiefungen durch verdrängtes oder umgeformtes Material der Erhebungen vollständig oder nahezu vollständig aufgefüllt. Gemäß einer Ausführungsvariante sind die Erhebungen also im eingepressten Zustand vollständig platt gedrückt.
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Die radiale Tiefe der Erhebungen – bezogen auf einen Grund einer Vertiefung zwischen zwei benachbarten Erhebungen – liegt allgemein vorzugsweise im Bereich von 0,2 mm bis 0,6 mm und insbesondere bei etwa 0,4 mm.
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In zweckdienlicher Ausgestaltung weist das Einpresselement, zumindest der Kragen, im Ausgangszustand eine kreisrunde Querschnittsgeometrie auf. Die einzelnen Erhebungen der Rändelung liegen daher auf einer Kreislinie. Unter Ausgangszustand wird hierbei der Zustand vor der Einpressoperation verstanden. Speziell weist das gesamte Einpresselement eine Rotationssymmetrie auf, ist daher kreisrund im Querschnitt ausgebildet. Durch diese Maßnahme ist das Einpresselement insbesondere fertigungstechnisch einfach und damit kostengünstig herstellbar. Es sind keine komplexen Geometrien des Einpresselements erforderlich. Die gewünschte Verdrehsicherung wird durch ein quasi unsymmetrisches radiales Verpressen des Kragens gegen den nicht runden Lochrand erreicht.
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In zweckdienlicher Ausgestaltung verläuft das vorgefertigte Loch weiterhin entlang einer Kreisbogenlinie, wobei dabei in einem Teilbereich der Lochrand ausgerissen ist, wodurch die von der Kreisform abweichende Querschnittsform ausgebildet ist. Vorzugsweise sind genau zwei und insbesondere gegenüberliegende derartige ausgerissene Teilbereiche ausgebildet. Ein jeder Teilbereich erstreckt sich dabei beispielsweise lediglich über einige 10°, beispielsweise über 30° bis 60°. Insgesamt überdecken die ausgerissenen Teilbereiche maximal einen Winkelabschnitt von weniger als 180° und vorzugsweise von maximal 120°. Im verbleibenden Bereich verläuft der Lochrand entlang einer Kreisbogenlinie.
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Dies resultiert aus dem bevorzugten besonders vorteilhaften eingesetzten Lochstanzvorgang mit einem speziellen Stanzstempel, wie er nachfolgend noch beschrieben wird. Dieser Stanzstempel zeichnet sich zum einen dadurch aus, dass er eine kreisrunde Querschnittsgeometrie hat. Im Hinblick auf die Ausbildung der ausgerissenen Teilbereiche weist dieser eine umlaufende Schneide auf, welche in axialer Richtung zurückversetzte Schneidbereiche aufweist. Hierdurch erfolgt in den später ausgerissenen Teilbereichen kein sauberes Schneiden. Es wird durch eine spezielle Geometrie des Stanzstempels daher bewusst eine unsaubere Stanzlochoperation durchgeführt, sodass sich trotz der Verwendung eines kreisrunden Stanzstempels eine unrunde Lochgeometrie ergibt.
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Alternativ oder ergänzend zu der speziellen Schneidengeometrie des Stanzstempels wird die unsaubere Lochgeometrie durch eine spezielle Kombination zwischen Stanzstempel und Stanzmatrize erreicht, beispielsweise indem dieses Stanzpaar bestehend aus Stanzstempel und Stanzmatrize ungleiche Querschnittsgeometrien und damit in Umfangsrichtung einen veränderlichen Schnittspalt definieren. Der Schnittspalt ist dabei allgemein der Abstand in radialer Richtung zwischen der Schneidkante des Stanzstempels und dem Lochrand der Stanzmatrize. Beispielsweise wird ein runder Stanzstempel mit einer unrunden Stanzmatrize oder umgekehrt kombiniert.
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Insbesondere vor dem Hintergrund dieses speziellen Stanzlochvorgangs weist das Loch im ausgerissenen Teilbereich einen lediglich um wenige Zehntelmillimeter vergrößerten Durchmesser auf. Der Durchmesserunterschied liegt dabei etwa im Bereich zwischen 0,05 und 0,3 mm, vorzugsweise lediglich im Bereich zwischen 0,05 und 0,15 mm. Der Durchmesser bezieht sich dabei zum einen auf den Durchmesser für die Kreisbogenlinie und zum anderen ist der Durchmesser der maximale Abstand zwischen gegenüberliegenden ausgerissenen Teilbereichen bzw. der doppelte maximale Abstand vom Rand des ausgerissenen Teilbereichs zur Mittenachse.
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Durch den speziellen Stanzprozess zeichnet sich der ausgerissene Bereich durch einen unregelmäßigen Verlauf aus. Unterschiedliche Löcher weisen dabei typischerweise unterschiedlich ausgerissene Lochränder auf.
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Die Ausbildung eines im Grunde kreisförmigen Loches mit ausgerissenen Teilbereichen hat weiterhin den besonderen Vorteil, dass beim Einpressvorgang ebenfalls eine rotationssymmetrische Stanzmatrize eingesetzt werden kann, die in ihrer Drehorientierung nicht ausgerichtet werden muss. Dadurch gestaltet sich insgesamt sowohl der Stanzvorgang als auch der nachfolgende Einpressvorgang als einfach und damit prozesssicher einfach zu handhaben.
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Ein weiterer besonderer Vorteil der ausgerissenen Teilbereiche ist darin zu sehen, dass nur eine vergleichsweise geringe radiale Verpressung des Kragens erforderlich ist. Speziell werden bei dem Stauchprozess lediglich Druckspannungen in den Kragen eingebracht. Das Entstehen von unerwünschten Rissen sowie ein Festigkeitsabfall und Korrosion am Einpresselement sind hierbei nicht zu befürchten.
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Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, alternativ zu dem kreisrunden Loch mit den ausgerissenen Teilbereichen mithilfe eines unrunden Stanzstempels eine unrunde Lochgeometrie zu erzeugen. Dies kann beispielsweise eine ovale oder auch eine trilobulare Geometrie sein.
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Ein derartiger unrunder Stanzstempel weist beispielsweise eine polygonartige Querschnittsfläche auf. Eine entsprechende Umfangslinie ist daher beispielsweise durch einen Polygonzug, z.B. ein Vieleck mit zumindest 6, 8, 10, 12, 16 oder auch mehr Ecken gebildet, insbesondere ein regelmäßiges ebenes Vieleck, z.B. ein Hexadecagon (16-Eck). Vorzugsweise ist der unrunde Stanzstempel durch Umformen oder Anschleifen eines zylindrischen Stanzstempels ausgebildet, wobei sich – im Querschnitt betrachtet – vorzugsweise linienförmige Abschnitte und bogenförmige Abschnitte abwechseln. Die linienförmigen Abschnitte sind durch eingeschliffene bzw. umgeformte Flächenabschnitte ausgebildet. Diese sind insbesondere um den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet. Beispielsweise sind 6, 8, oder 10 Flächenabschnitte ausgebildet, zwischen denen vorzugsweise zylindrische Teilflächen bestehen. Mit diesem unrunden Stanzstempel wird ein unrundes Loch korrespondierend zur Geometrie des Stanzstempels erzeugt.
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Sofern vorliegend von einem hochfesten Bauteil gesprochen wird, so wird hierunter ein Bauteil mit einer Festigkeit von > 600 MPa, vorzugsweise > 800 MPa, weiter vorzugsweise > 1.000 MPa, > 1.400 MPa, insbesondere bis hin zu 2.000 MPa verstanden.
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Zur Ausbildung der Einpressverbindung wird erfindungsgemäß dabei vorzugsweise derart vorgegangen, dass zunächst in einer Lochoperation mithilfe eines Stanzstempels das Loch mit der von der Kreisform abweichenden Umfangskontur erzeugt wird. Anschließend wird in einer zweiten Prozessstufe, dem Einpressvorgang, das Einpresselement in das vorgefertigte Loch eingeführt und der Kragen wird mithilfe einer von der Unterseite des Bauteils herangeführten Matrize gestaucht und gegen den Lochrand gepresst. Das Einpresselement wird hierbei mit einem geeigneten Presswerkzeug gegen die Matrize verpresst.
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Die Matrize weist hierbei einen insbesondere ring- oder kreisförmigen Matrizenbund auf, welcher derart ausgebildet ist, dass der Kragen gestaucht wird. Dabei erfolgt lediglich ein radiales Verpressen des Kragens gegen den unrunden Lochrand. Aufgrund der insbesondere konisch zunehmenden Ausgestaltung des Lochrands wird hierbei dann insbesondere auch ein in axialer Richtung wirksamer Formschluss ausgebildet.
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Speziell für das Einpressen einer Einpressmutter wird vorzugsweise eine zweigeteilte Matrize mit einem äußeren ringförmigen Matrizenbund und einem inneren Stützelement, beispielsweise ein Stützstempel oder ein Stützring verwendet. Das Stützelement ist dabei relativverschieblich zum Matrizenbund und insbesondere federbelastet gehalten. Das Stützelement steht weiterhin vorzugsweise nach vorne über den Matrizenbund über. Der Matrizenbund wird beim Einpressvorgang gegen den Kragen des Einpresselements gepresst, um diesen gegen den Lochrand zu pressen. Gleichzeitig stützt sich das insbesondere federgeführte Stützelement an einer inneren Ringfläche der Einpressmutter ab. Der Matrizenbund ist dabei insbesondere konzentrisch zum Stützelement angeordnet und umgibt dieses vorzugsweise unmittelbar. Durch diese Maßnahme ist ein definierter Stauchprozess lediglich radial nach außen gewährleistet, ohne dass der Kragen nach innen in Richtung zu einem Gewinde verformt wird. Hierdurch bleibt die Lehrenhaltigkeit des Gewindes bestehen.
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Wie bereits zuvor erwähnt wird dabei das Loch vorzugsweise mithilfe eines speziellen Stanzstempels mit zurückversetzten Schneidbereichen eingesetzt, sodass die ausgerissenen Teilbereiche erzeugt werden.
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In zweckdienlicher Ausbildung ist der Stanzstempel dabei an seiner vorderen Stirnseite dachförmig ausgebildet und weist vorzugsweise einen Dachwinkel im Bereich von beispielsweise 100° bis 140° und insbesondere von etwa 120° auf. Aufgrund der dachförmigen Ausgestaltung weist der Stanzstempel in seiner Mitte einen vorlaufenden Schneidbereich seiner umlaufenden Schneide auf. Der Stempel wird daher vorzugsweises in etwa keilförmig gegen die Oberfläche des Bauteils gepresst und schneidet mit den vorauseilenden Bereichen ein, wodurch die Kreisbogenlinie erzeugt wird. Aufgrund der Dachform erfolgt mit den zurückliegenden Schneidenbereiche kein optimales Schneiden sondern vielmehr ein Drücken oder Pressen, was zu den ausgerissenen Teilbereichen führt.
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Alternativ zu der Ausgestaltung mit den mittig ausgebildeten vorlaufenden Schneidbereichen sind die vorlaufenden Schneidbereiche vorzugsweise außen angeordnet, d.h. vorzugsweise ist auch hier der Stempel quasi dachförmig ausgebildet, wobei er jedoch eine Hohlkehle aufweist, die insbesondere dachförmig nach innen ausgebildet ist,.
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Im Hinblick auf die gewünschte sich konisch erweiternde Ausbildung des Loches wird eine spezielle Stempel-Matrizen-Kombination herangezogen. Und zwar weist die Stanzmatrize üblicherweise eine zentrale Ausnehmung auf, deren Radius dem Radius des Stanzstempels entspricht, zuzüglich von zumindest 15% und bevorzugt von zumindest 18% der Dicke des Bauteils speziell zuzüglich 20% bis 25% der Dicke des Bauteils. Insgesamt ist daher zwischen Stanzstempel und zugeordneter Stanzmatrize ein bewusst außergewöhnlich großer Schneidspalt ausgebildet. Dieser ist allgemein definiert durch den Durchmesserunterschied zwischen Stanzstempel und Ausnehmung. Hierdurch wird nämlich erreicht, dass der Stanzstempel – insbesondere auch bei den vergleichsweise dünnen Blechen – das Blech lediglich in einem Einzugsbereich an der Oberseite des Bleches vergleichsweise sauber schneidet und es zur Unterseite des Bauteils hin zu einem sogenannten Ausbruch der Schnittkante mit der gewünschten konischen Erweiterung kommt. Insgesamt wird hierdurch eine zuverlässige Auszugssicherung ohne die Notwendigkeit eines Umgreifens der Unterseite des Bauteils erzielt.
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Wie zuvor erwähnt kann das gewünschte unsaubere Ausbrechen des Lochrands auch durch einen in Umfangsrichtung variierenden Schneidspalt erreicht werden.
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Das vorliegende Verfahren und die damit hergestellte Einpressverbindung zeichnen sich daher durch eine besondere Kombination eines speziellen Stanzstempels in Verbindung mit einer speziellen Stanzmatrize aus, die derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass zum einen die unrunde Lochgeometrie durch Ausreißen der Teilbereiche und gleichzeitig der auch in Längsrichtung ausbrechende Lochrand zur Erzeugung des sich verbreiternden Lochs ausgebildet wird. Insgesamt lassen sich mit dem derart vorbereiteten Loch sowohl eine formschlüssige Verdrehsicherung als auch eine formschlüssige axiale Auszugssicherung verwirklichen.
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Mit der hier beschriebenen Einpressverbindung sowie dem beschriebenen Verfahren können insbesondere folgende Vorteile erreicht werden:
- – Vorzugsweise sämtliche Elemente können rotationssymmetrisch und damit kostengünstig ausgebildet werden. Insbesondere sind keine zusätzlichen Verdrehsicherungselemente, wie beispielsweise radiale Rippen, erforderlich und auch nicht vorgesehen.
- – Eine Umformung des Stahlbleches sowohl vor als auch beim Einpressvorgang ist nicht erforderlich und nicht vorgesehen. Insbesondere entfällt ein Vorformprozess beispielsweise zum Hochziehen des Lochrandes.
- – Die Einbringung der unrunden Lochgeometrie ist mit den gewählten Stempeln mit kreisrunder Querschnittsgeometrie mit vorzugsweise Dach- bzw. Satteldachform besonders einfach und auch kostengünstig.
- – Gleiches gilt auch für die Matrize, die vorzugsweise ebenfalls einfach und rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Insbesondere ist in diesem Fall kein Ausrichten der Drehstellung der Matrize in Relation zum unrunden Loch erforderlich.
- – Grundsätzlich kann das Einpresselement für unterschiedliche Blechdicken verwendet werden, es ist also blechdickenunabhängig. Es ist zum Erreichen der Verdrehsicherung lediglich erforderlich, dass das Lochvolumen des ausgerissenen Teilbereichs mit Material des Kragens gefüllt wird.
- – Es steht kein Teil des Kragens über die Unterseite des Bauteils über.
- – Es werden nur Druckspannungen im Kragen erzeugt und es besteht keine Gefahr des Entstehens von Rissen oder eines Festigkeitsabfalls.
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Das Einpresselement weist erfindungsgemäß allgemein eine Kopfauflage auf, die frei von Verdrehsicherungselementen ist. Weiterhin weist der Kragen vorzugsweise eine glatte Außenmantelfläche ohne Wulste, Rippen oder dergleichen auf. Speziell ist dieser Kragen mit einer Zylinder- oder Kegelmantelfläche versehen. Weiterhin weist der Kragen lediglich eine maximale Höhe auf, die maximal um 30% und vorzugsweise maximal um 20% größer als die Bauteildicke ist, für die das Einpresselement vorgesehen ist. Die axiale Höhe ist dabei insbesondere derart bemessen, dass nach dem Einpressvorgang der Kragen nicht über die Unterseite des Bauteils übersteht. Aufgrund der beim Einpressvorgang auftretenden (Stauch-)Kräfte ist im Ausgangszustand eine etwas größere Höhe im Vergleich zur Dicke des Bauteils zulässig.
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Die axiale Höhe liegt dabei beispielsweise bei 0,6mm bis 0,7mm (für die Verwendung bei dünnen Blechen mit einer Dicke bis 1mm), bei 0,9mm bis 1,1mm (für die Verwendung bei Blechen mit einer Dicke von 0,8mm bis 1,5 mm), bei 1,4 bis 1,6mm (für die Verwendung bei Blechen mit einer Dicke von 1,3 mm bis 1,8 mm), bei 1,8 mm bis 2,0mm (für die Verwendung bei Blechen mit einer Dicke von 1,6 mm bis 2,2 mm) oder bei 2,2 bis 2,4 mm (für die Verwendung bei Blechen mit einer Dicke von 2,4 mm bis 3mm).
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Bei dem Einpresselement handelt es sich insbesondere um eine Einpressmutter oder um einen Einpressbolzen.
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Unter Einpressmutter wird hierbei allgemein ein Element mit einem Innenhohlraum verstanden, welcher üblicherweise konzentrisch zu einer Mittenachse des Einpresselements orientiert ist. Dieser Innenhohlraum weist wahlweise ein Innengewinde auf oder kann auch frei von einem Innengewinde sein. Im letzteren Fall ist das Einpresselement daher quasi als eine Hülse ausgebildet. Diese wird beispielsweise im Fahrzeugbereich zur Durchführung von Leitungen etc. herangezogen. In besonders bevorzugter Weise wird eine derartige Hülse auch zum Eindrehen von insbesondere selbstfurchenden Schrauben herangezogen. Dies ist ein besonderer Vorteil, da in das hochfeste Blech keine selbstfurchenden Schrauben eingefügt werden können.
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Im Falle der Ausbildung als Einpressbolzen schließt sich an das Kopfteil allgemein ein Schaftbereich an, welcher wahlweise mit einem Außengewinde versehen ist oder auch nicht. Im ersten Fall mit Außengewinde handelt es sich um einen Schraubbolzen, im zweiten Fall insbesondere um einen einfachen stiftförmigen Bolzen.
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Bei der Verwendung eines Einpressbolzens ist dabei zwischen dem Schaft und dem Kragen bevorzugt eine Hohlkehle ausgebildet. Die Hohlkehle weist weiterhin vorzugsweise eine radiale Breite auf, die vorzugsweise im Bereich zwischen dem 0,5-Fachen bis zum 1,2-Fachen einer radialen Breite des Kragens liegt. Durch diese Maßnahme ist ein prozesssicheres Aufweiten des Kragens gewährleistet, ohne dass die Gefahr von Rissbildung etc. besteht. Insbesondere weist der Boden der Hohlkehle einen vergleichsweise großen Radius auf.
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Im Falle der Ausbildung des Einpresselements als eine Einpressmutter mit einem zentralen Innenloch ist in bevorzugter Ausgestaltung zwischen dem Innenloch und dem Kragen eine Ringfläche ausgebildet. An den Kragen schließt sich schließlich in radialer Richtung die Kopfauflage an. Bei dieser Einpressmutter ist weiterhin vorgesehen, dass eine radiale Breite dieser Ringfläche größer gleich einer radialen Breite der Kopfauflage ist. Hierdurch wird erreicht, dass der Kragen beabstandet von dem Innenloch und damit von einem eventuellen Innengewinde ist. Hierdurch wird quasi ein Pufferabstand zwischen Kragen und Innengewinde erzeugt, sodass die beim Einpressvorgang wirkenden Kräfte möglichst das Innengewinde nicht beeinflussen, sodass eine erforderliche Lehrenhaltigkeit des Gewindes gewährleistet ist.
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Alternativ oder ergänzend hierzu ist die Kopfauflage in Längsrichtung gegenüber der Ringfläche zurückversetzt. Durch diese Maßnahme wird insgesamt eine möglichst große Länge des Innengewindes erreicht bei gleichzeitig möglichst geringer Kopfhöhe des Kopfteils.
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Weiterhin weist das Einpresselement vorzugsweise eine Festigkeit auf, die geringer als die Festigkeit des Bauteils ist. Vorzugsweise weisen die Einpresselemente eine der üblichen Festigkeitsklassen 8.8, 9.8, 10.9, 12.9 (für Schrauben) bzw. 8, 10, 12 (für Muttern) gemäß DIN EN ISO 898-1 (Schrauben) bzw. DIN EN ISO 898-2 (Muttern) auf.
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Derartige Einpressverbindungen werden vorzugsweise im Kraftfahrzeug bei Kraftfahrzeug-Bauteilen eingesetzt. Je nach Anforderung können die Einpresselemente unterschiedlich (mit Gewinde, ohne Gewinde, unterschiedliche Gewindetypen) ausgeführt sein und auch mit Oberflächen-Beschichtungen versehen sein, beispielsweise eine zinkbasierte Oberfläche aufweisen. Die Einpresselemente werden dabei üblicherweise innerhalb einer Produktionsstraße in einem Online-Fertigungsprozess eingebracht. Dabei besteht auch die Möglichkeit, dass die Einpresselemente in ein noch warmes Bauteil, welches beispielsweise aus einer Presse kommt, eingebracht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen:
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1 eine Querschnittsdarstellung durch eine Einpressverbindung zwischen einem Einpressbolzen und einem hochfesten Bauteil,
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2 eine Einpressverbindung am Ende des Einpressvorgangs zwischen einer Einpressmutter und dem Bauteil mit einer Matrize,
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3A eine Querschnittsdarstellung eines Einpressbolzens,
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3B eine ausschnittsweise vergrößerte Querschnittsdarstellung des Einpressbolzens gemäß 3A im Bereich eines Kragens,
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4 eine Querschnittsdarstellung einer Einpressmutter,
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5A, 5B Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung des Einpressvorgangs beim Einpressen eines Einpressbolzens,
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6A, 6B Darstellungen zur Erläuterung der Stanzlochoperation mit einem Stanzstempel gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
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7A, 7B zwei Seitendarstellungen, jeweils um 90° zueinander gedreht eines Stanzstempels gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
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8 eine ausschnittsweise teilweise geschnittene Seitendarstellung eines Einpressbolzens mit einer Rändelung am Kragen im Ausganszustand vor dem Einpressen,
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9 eine Seitenansicht eines alternativen Schneidstempels mit unrunder Querschnittskontur, sowie
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10 eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie H-H in 9.
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In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Einpressverbindung 2 zeigen jeweils eine Verbindung zwischen einem Einpresselement, welches in der 1 als ein Einpressbolzen 4 und in der 2 als Einpressmutter 6 ausgebildet ist, und einem hochfesten Blech-Bauteil 8. Das jeweilige Einpresselement 4, 6 weist dabei jeweils ein Kopfteil 10 auf, an dessen Unterseite eine Kopfauflage 12 ausgebildet ist, mit der das jeweilige Einpresselement 4, 6 auf einer Oberseite 14 des Bauteils 8 aufliegt. Das jeweilige Einpresselement erstreckt sich in Längsrichtung 16, wobei sich in Längsrichtung 16 an das Kopfteil 10 jeweils ein Kragen 18 anschließt. Im Falle des Einpressbolzens 4 schließt sich an das Kopfteil 10 ein Schaft 20 an. Dieser ist im Bereich des Kragens 18 von einer Hohlkehle 22 umgeben. Die Einpressmutter 6 weist ein zentrales Innenloch 24 auf, welches insbesondere mit einem Innengewinde versehen ist. Der Schaft 20 ist vorzugsweise mit einem Außengewinde versehen.
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Das jeweilige Einpresselement 4, 6 ist in ein vorgelochtes Loch 26 (vgl. hierzu insbesondere 6A, 6B) des Bauteils 8 eingepresst.
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Das Loch 26 ist durch einen Lochrand 28 begrenzt. Dieser Lochrand 28 weist zu einer Unterseite 30 des Bauteils 8 einen Ausbruch 32 auf, sodass sich also der Lochrand 28 und damit das Loch 26 zur Unterseite 30 hin verbreitert. Ergänzend kann zur Oberseite 14 hin ein Einzug ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich im Querschnitt betrachtet insgesamt eine etwa konvex ausgebildete Lochrand-Ausgestaltung. Entscheidend ist jedoch der Ausbruch 32 mit dem zunehmenden Lochdurchmesser zur Unterseite 30 hin.
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Wie weiterhin anhand der 1 und 2 zu erkennen ist, ist der Kragen 18 radial gegen den Lochrand gepresst, sodass er sich insbesondere dem sich aufweitenden Lochrand 28 anpasst. Hierdurch wird eine in Längsrichtung 16 wirkende axiale Auszugssicherung durch die Ausbildung eines entgegen der Längsrichtung 16 wirksamen Formschlusses ausgebildet. Von besonderer Bedeutung hierbei ist, dass der Kragen 18 nicht über die Unterseite 30 übersteht und diese auch nicht umgreift. Der Kragen 18 bildet lediglich mit dem aufgeweiteten Lochrand 28 einen Hintergriff aus.
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Ergänzend zu dieser axialen Auszugssicherung ist weiterhin eine Verdrehsicherung ausgebildet. Hierzu ist das vorgestanzte Loch 26 unrund ausgebildet, weist also eine von der Kreisform abweichende Umfangskontur auf, wie insbesondere aus den 6A und 6B (unterer Bildbereich) hervorgeht. Beim Einpressvorgang wird der Kragen 18 in radialer Richtung an diese nicht kreisrunde Umfangskontur zur Ausbildung der Verdrehsicherung durch eine Massivumformung bei einem Stauchprozess angepasst und gegen den Lochrand 28 unter Ausbildung einer Presspassung gepresst.
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Die 3A zeigt nochmals eine Querschnittsdarstellung des Einpressbolzens 4 und die 3B eine vergrößerte ausschnittsweise Darstellung im Bereich des Kragens 18. Anhand dieser ausschnittsweise vergrößerten Darstellung ist sehr gut die Hohlkehle 22 zu erkennen. Diese weist eine radiale Breite b1 auf, die in etwa im Bereich der radialen Breite b2 des Kragens 18 liegt. Die radiale Breite b1 der Hohlkehle 22 entspricht der radialen Ausdehnung der Hohlkehle 22 beginnend vom Schaft 20 bis zum Übergang in die im Wesentlichen horizontal verlaufende Stirnfläche des Kragens 18. Die radiale Breite b2 des Kragens 18, welcher nach Art eines Ringbundes ausgebildet ist, entspricht dabei der radialen Erstreckung der Stirnseite dieses Kragens 18.
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Der Kragen 18 weist weiterhin eine axiale Höhe a auf, die an eine Dicke D (vgl. 1) des Bauteils 8 derart angepasst ist, dass im eingepressten Zustand der Kragen 18 nicht über die Unterseite 30 übersteht. Vorzugsweise schließt der Kragen 18 im gesetzten Zustand bündig mit der Unterseite 30 ab oder steht allenfalls geringfügig zurück. Die axiale Höhe a ist dabei der Abstand in Längsrichtung 16 von der Kopfauflage 12 bis zur Stirnendseite des Kragens 18.
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Anhand der Querschnittsdarstellung der 4 ist zu erkennen, dass im Falle der Einpressmutter 4 der Kragen 18 radial beabstandet von dem Innenloch 24 und damit von dem Innengewinde ist. Anschließend an das Innenloch 24 ist zunächst eine Ringfläche 34 ausgebildet, welche eine radiale Breite b3 aufweist. Diese ist definiert durch den Abstand in radialer Richtung vom Innenloch 24 bzw. einem Gewindegrund bis zum Beginn des Kragens 18. Allgemein ist bei dem jeweiligen Einpresselement 4, 6 die Innenmantelfläche des Kragens 18 schräg zur Längsrichtung 16 geneigt angeordnet und daher insgesamt nach Art einer Kegelmantelfläche ausgebildet.
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In radialer Richtung schließt sich an den Kragen 18 schließlich noch die Kopfauflage 12 an. Diese weist eine radiale Breite b4 auf, die im Ausführungsbeispiel etwa dem 1,5-Fachen der radialen Breite b3 der Ringfläche 34 entspricht.
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Alternativ zu der in 2 dargestellten einteiligen Matrize 36 wird eine hier nicht näher dargestellte, vorzugsweise zweiteilige Matrize 36 verwendet, bei einen äußeren, starren ringförmigen Matrizenbund 38 aufweist, über den der Kragen 18 gestaucht wird. Ergänzend weist di Matrize 36 einen konzentrisch zum Matrizenbund 38 angeordneten Stützstempel auf, welcher insbesondere federgeführt ist, also mittels einer Feder nach vorne gepresst wird. Der Stützstempel – oder auch ein Stützring – stützt sich federbelastet an der Ringfläche 34 ab. Dies vermeidet eine Beschädigung des Innengewindes der Einpressmutter 6 und gewährleistet die Lehrenhaltigkeit des Gewindes.
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Zum Ausbilden der Einpressverbindung 2 wird – wie aus den 5A, 5B hervorgeht – der Einpressbolzen 4 in das Loch 26 eingesetzt und gegen eine Matrize 36 verpresst. Die Matrize 36 weist eine ebene Matrizenoberfläche auf mit einem umlaufenden Matrizenbund 38, welcher insbesondere zu einer Mittenachse hin konisch ansteigend verläuft. Der Matrizenbund 38 wird beim Einpressvorgang gegen den Kragen 18 gepresst, so dass dieser gestaucht wird und Material des Kragens zumindest partiell durch eine Massivumformung radial nach außen und gegen den Lochrand 28 gepresst wird.
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Hierbei greift der Matrizenbund 38 mit seiner konisch zulaufenden Stirnfläche in die Hohlkehle 22 ein und führt zu dem gewünschten Stauchprozess mit der Massivumformung.
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Zur Ausbildung des Loches 26 mit der unrunden Geometrie wird ein spezieller Stanzstempel 40 in Kombination insbesondere auch mit einer speziellen Stanzmatrize 42 in einer Lochstanzoperation herangezogen. Dies wird nachfolgend anhand der 6A, 6B sowie ergänzend in Verbindung mit den 7A, 7B erläutert:
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Die 6A, 6B zeigen dabei eine erste Ausführungsweise des Stanzstempels 40 und die 7A, 7B eine zweite Ausführungsvariante. Der jeweilige Stanzstempel 40 ist rotationssymmetrisch und weist eine kreisrunde Querschnittsfläche auf. An seiner Stirnseite weist er eine randseitig umlaufende Schneide 44 auf. Von wesentlicher Bedeutung ist nunmehr, dass diese Schneidbereiche aufweist, die in Längsrichtung 16 auf unterschiedlichen axialen Höhen angeordnet sind, d.h. die Schneide 44 weist vorlaufende Schneidbereiche 46A sowie in Längsrichtung zurückversetzte Schneidbereiche 46B auf. Bei dem Stanzstempel 40 gemäß den 6A, 6B ist die Stirnseite insgesamt dachförmig mit einem Dachwinkel α von etwa 120° ausgebildet. Der vorlaufende Schneidbereich 46A ist dabei zentral angeordnet, die äußeren Bereiche sind daher zurückversetzt. Die 6B zeigt dabei eine um 90° gedrehte Ansicht im Vergleich zu der 6A.
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Im Unterschied hierzu ist bei dem Stanzstempel 40 gemäß den 7A, 7B der zurückversetzte Schneidbereich 46B mittig angeordnet. Es ist daher insbesondere in etwa eine invertierte Ausgestaltung im Vergleich zu der Variante gemäß den 6A, 6B ausgebildet mit einer zentralen Hohlkehle des Stanzstempels 40. Dieser weist vorzugsweise ebenfalls eine dachförmige Geometrie auf.
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Grundsätzlich sind auch andere Geometrien alternativ zu der Dachgeometrie möglich. Entscheidend ist, dass die Schneide 44 die unterschiedlichen Schneidbereiche 46A, 46B aufweist. Die einzelnen Schneidbereiche gehen dabei kontinuierlich ineinander über. Wie insbesondere anhand eines Vergleichs der um 90° gedrehten Ansichten der 6A, 6B bzw. 7A, 7B zu erkennen ist, weisen die vorlaufenden Schneidbereiche 46A eine sehr spitz zulaufenden Schneidkante auf, wohingegen im Bereich der zurückversetzten Schneidkanten 46B diese deutlich stumpfer ausgebildet sind.
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Dies führt beim Stanzvorgang dazu, dass im Bereich der zurückversetzten Schneidbereiche 46B kein sauberes Schneiden sondern vielmehr ein Ausreißen erfolgt. Dadurch weist das Loch 26 zunächst grundsätzlich eine an die Kreisform des Stanzstempels 40 angepasste kreisförmige Grundkontur auf, welche entlang einer Kreisbogenlinie 48 verläuft. Im Bereich der zurückversetzten Schneidbereiche 46B weist das Loch 26 jedoch in radialer Richtung nach außen ausgerissene Teilbereich 50 auf, in denen die Umfangskontur von der Kreiskontur abweicht und somit insgesamt eine unrunde Kontur ausgebildet ist. Im Bereich der Kreisbogenlinie 48 weist das Loch 26 einen Durchmesser d1 auf, welcher etwas kleiner ist als der Lochdurchmesser d2 im Bereich der ausgerissenen Teilbereiche. Speziell ist der Lochdurchmesser d2 allenfalls um wenige Zehntelmillimeter größer als der Lochdurchmesser d1 im Bereich der Kreisbogenlinie.
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Der Lochdurchmesser d1 entspricht dabei zumindest weitgehend einem Stempeldurchmesser d3 des Stanzstempels 40.
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Bei der Lochoperation wird der Stanzstempel 40 durch das (ungelochte) Bauteil 8 hindurch gestanzt. Hierbei wird das Loch 26 mit der speziellen Lochgeometrie ausgebildet, wie sie durch die Querschnittsdarstellung (oberer Bildbereich) bzw. Draufsicht (unterer Bildbereich) auf das Bauteil 8 gemäß 6A oder auch 6B zu entnehmen ist. Ergänzend ist in diesen beiden Figuren auch noch die Stanzmatrize 42 dargestellt, gegen die beim Stanzvorgang das Bauteil 8 abgestützt ist. Die Stanzmatrize 42 weist dabei eine zentrale Ausnehmung 54 auf, die einen Durchmesser d4 aufweist, welcher um ein Spaltmaß größer als der Stempeldurchmesser d3 ist. Dieses Spaltmaß (auch als Schneidspalt bezeichnet) hängt dabei von der Dicke D des Bauteils 8 ab. Und zwar ist der Durchmesser d4 größer gleich dem Stempeldurchmesser d3 zuzüglich von zumindest 15% der Dicke D, vorzugsweise zuzüglich von etwa 20% der Dicke D.
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Durch diese Maßnahme wird bewusst ein unsauberes Loch 26 mit dem zuvor beschriebenen Ausbruch 32 erzeugt. Aufgrund des vergleichsweise großen Spaltmaßes zwischen Stanzstempel 40 und Stanzmatrize 42 erfolgt ein Ausbrechen des Lochs 26 zur Unterseite 30 hin.
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In der 8 ist eine erfindungsgemäße Ausbildung eines Einpresselements, hier in Form eines Einpressbolzens 4 gezeigt. Dieser weist an seinem Kragen 18 eine Rändelung 60 auf. Diese ist gebildet durch abwechselnd angeordnete, durch Zähne gebildete Erhebungen 62 und Vertiefungen, die gleichverteilt um den Umfang angeordnet sind. Die radial äußeren Bereiche der Zähne 62 sowie die radial inneren Bereiche der Vertiefungen liegen dabei vorzugsweise jeweils auf einer Kreislinie. Der Abstand der Radien der beiden Kreislinien definiert dabei jeweils eine Tiefe der Erhebungen 62. Diese Tiefe liegt insbesondere in einem Bereich von 0,2mm bis 0,6mm und bevorzugt bei etwa 0,4mm.
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Im Ausganszustand ist der Außendurchmesser der Erhebungen 62 insbesondere kleiner oder gleich dem Lochdurchmesser d1. Es erfolgt eine Verformung der Erhebungen 62 als erst nach dem Einfügen des Einpresselements 4, 6 in das Loch 26 beim Pressvorgang, wenn also der Kragen 18 gestaucht und gegen den Lochrand 28 gepresst wird.
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Im eingepressten Endzustand sind die radial äußeren Bereiche der Erhebungen 62 durch das Pressen gegen den Lochrand 28 abgeflacht und quasi platt gedrückt. Bevorzugt bleibt im Bereich der ursprünglichen Vertiefungen ein Freiraum zum Lochrand 28 hin bestehen.
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Alternativ zu den in den 6 und 7 dargestellten Stanzstempeln 40 wird zur Erzeugung des unrunden Lochs 26 ein Stanzstempel 40 mit unrunder Querschnittsgeometrie verwendet, wie er beispielsweise aus den 9 und 10 zu entnehmen ist.
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Der Stanzstempel 40 weist eine polygonartige Querschnittsfläche auf, die insbesondere durch Anschleifen oder Umformen eines zunächst zylindrischen Stanzstempels 40 ausgebildet ist. Mittels des Stanzstempels 40 wird ein polygonartiges Loch 26 erzeugt.
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Der in 9, 10 dargestellte Stanzstempel 40 hat sich als besonders geeignet herausgestellt. Dieser weist eine Querschnittskontur nach Art eines Hexadekagon (Sechzehneck) auf. Diese Kontur ist insbesondere durch Einschleifen von acht voneinander (gleichmäßig) beabstandeten (flachen) Flächenabschnitten ausgebildet. Insgesamt ist die Umfangslinie daher durch einander abwechselnde linienförmige und bogenförmige Abschnitte gebildet. Der Stanzstempel 40 wird für Einpressverbindungen mit einem Einpresselement wahlweise mit oder ohne Rändelung 60 verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Einpressverbindung
- 4
- Einpressbolzen
- 6
- Einpressmutter
- 8
- Bauteil
- 10
- Kopfteil
- 12
- Kopfauflage
- 14
- Oberseite
- 16
- Längsrichtung
- 18
- Kragen
- 20
- Schaft
- 22
- Hohlkehle
- 24
- Innenloch
- 26
- Loch
- 28
- Lochrand
- 30
- Unterseite
- 32
- Ausbruch
- 34
- Ringfläche
- 36
- Matrize
- 38
- Matrizenbund
- 40
- Stanzstempel
- 42
- Stanzmatrize
- 44
- Schneide
- 46A
- vorlaufender Schneidenbereich
- 46B
- zurückversetzter Schneidenbereich
- 48
- Kreisbogenlinie
- 50
- ausgerissener Teilbereich
- 54
- Ausnehmung
- 60
- Rändelung
- 62
- Erhebungen
- α
- Dachwinkel
- a
- axiale Höhe Kragen
- b1
- radiale Breite Hohlkehl
- b2
- radiale Breite Kragen
- b3
- radiale Breite Ringfläche
- b4
- radiale Breite Kopfauflage
- d1
- Lochdurchmesser Kreisbogenlinie
- d2
- Lochdurchmesser ausgerissener Teilbereich
- d3
- Stempeldurchmesser
- d4
- Durchmesser Ausnehmung Stanzmatrize
- D
- Dicke Bauteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004042478 A1 [0002, 0008, 0009]
- EP 0667936 B1 [0005]
- DE 102012220033 A1 [0007]
- EP 2549128 B1 [0011]
- DE 102009025525 A1 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 898-1 [0069]
- DIN EN ISO 898-2 [0069]
