DE60112120T2

DE60112120T2 - Vorrichtung zum verbinden von duktilem material

Info

Publication number: DE60112120T2
Application number: DE60112120T
Authority: DE
Inventors: Colin Maxwell Wade
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2021-11-23
Also published as: EP1349683B1; GB0029046D0; ATE299761T1; WO2002043893A1; GB2369317A; US6760963B2; GB2369317B; ES2246353T3; DE60112120D1; AU2002223862A1; EP1349683A1; US20030188564A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum Durchstechfügen von duktilen Werkstoffen, wie beispielsweise Blechen, und insbesondere eine Verbindungsvorrichtung mit einer Matrizenbaugruppe und einer Stempelbaugruppe.
Es ist bekannt, mehrere Bleche aus duktilem Werkstoff miteinander zu verbinden, indem man sie an einer örtlich begrenzten Stelle zu einer ineinandergreifenden Konfiguration verformt. Solche Verbindungen werden mit Hilfe von Werkzeugen zum Verbinden von duktilen Werkstoffen hergestellt, wobei diese Werkzeuge eine Matrize mit einer Öffnung aufweisen, die gegenüber einer Stempelbaugruppe angeordnet ist, die einen Stempel aufweist, der von einem Abstreifmechanismus umgeben ist. Schichten aus duktilem Werkstoff werden zwischen der Stempelbaugruppe angeordnet, und wenn der Stempel zu der Öffnung hin gedrückt wird, so wird Werkstoff in die Öffnung hineingezogen. Der Werkstoff wird in der Öffnung plastisch verformt und fließt dabei in eine Form, bei der zwei oder mehr Schichten ineinandergreifen, indem beispielsweise eine Schicht um eine andere Schicht herum geformt wird.
Die Öffnung hat eine Basis mit einem Amboss, der eine Ambossfläche aufweist, und wenigstens zwei Seitenwände, die durch bewegliche Schneiden gebildet werden. Die Schneiden verlaufen allgemein quer zu der Ambossfläche und erstrecken sich in die Richtung, in der die Matrize und der Stempel zusammengedrückt werden. Die Schneiden helfen beim Definieren der örtlich begrenzten Stelle, beispielsweise eines kreisförmigen, quadratischen oder rechteckigen Bereichs, in der sich die Verformung der Schichten des bogenförmigen Werkstoffs vollzieht. Sobald der Werkstoff in die Öffnung gezogen wurde und in die Öffnung hineinfließt, bewegen sich die Schneiden in einer radialen Richtung voneinander fort, während der bogenförmige Werkstoff seitwärts fließt. Einige Matrizenschneidenarten schwenken um einen unterhalb der Höhe der Ambossfläche angeordneten Schwenkmechanismus herum nach außen. Der Schwenkmechanismus hat eine Schwenkachse oder einen Schwenkpunkt unterhalb und seitlich außerhalb eines Randes der Ambossfläche.
Die Auswärtsbewegung der Schneiden wird durch eine Matrizenabschirmung begrenzt, die sich um die Matrize herum erstreckt und dabei in einer festen Beziehung zu der Matrize gehalten wird. Bei vielen Konstruktionen vergrößert der Platz, der von dem Schwenkmechanismus und der Matrizenabschirmung eingenommen wird, allgemein die Matrize, was unzweckmäßig ist, wenn eine Matrize klein sein muss, beispielsweise wenn sie unter eingeengten Bedingungen verwendet wird, wie beispielsweise zur Herstellung von Verbindungen in der Nähe von Blechecken.
Es kann eine kreisrunde Matrize und ein kreisrunder Stempel verwendet werden, um eine Clinchverbindung herzustellen, wobei bogenförmiger Werkstoff symmetrisch sowohl axial als auch radial zu einem leckdichten Halbrund verformt wird, wie es beispielsweise in der Patentschrift US-Patent Nr. 5,150,513 offenbart ist. Es kann eine quadratische oder rechteckige Matrize und ein quadratischer oder rechteckiger Stempel verwendet werden, um eine trapezförmige Clinchverbindung (auch als „Durchstechverbindung" bezeichnet) herzustellen, wobei der bogenförmige Werkstoff mittels des Stempels entlang eines Paares einander gegenüberliegender paralleler Linien durchgeschnitten wird, wobei die Schichten aus bogenförmigem Werkstoff unterhalb eines jeden Schnittes seitlich nach außen verformt werden, wie es in der Patentschrift GB 2,334,474 offenbart ist. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Matrize und einen Stempel zur Herstellung einer Durchstechverbindung, und es werden die Begriffe „Durchstechfügevorrichtung" und „Durchstechverbindung" für derartige Clinchvorrichtungen bzw. Clinchverbindungen verwendet.
Im Stand der Technik ist es bekannt, ein Vorbelastungsmittel in die Matrize einzubauen, um die Matrizenschneide zurück zur Ambossfläche hin vorzubelasten, nachdem der Ziehvorgang durch den Stempel beendet ist. Dafür kann eine Schraubenfeder, eine Blattfeder oder ein elastomerer O-Ring verwendet werden, die bzw. der sich vollständig um die Außenseite der Matrizenschneiden herum erstrecken kann. Wenn sich die Matrizenschneiden nach außen bewegen, um die Öffnung zu erweitern, wird die Feder oder der O-Ring gedehnt oder zusammengedrückt. Wenn der zusammengefügte bogenförmige Werkstoff aus der Öffnung herausgezogen wird, so kehren die Matrizenschneiden infolge der Spannung oder Kompression in der Feder oder dem O-Ring in ihre Ausgangsposition zurück.
Weil sich die Feder oder der O-Ring um die Außenseite der Matrizenschneiden herum erstreckt – in der Regel zwischen den Matrizenschneiden und der umgebenden Matrizenabschirmung –, muss ein seitlicher Platz für die Feder oder den O-Ring vorhanden sein. Ein seitlicher Spielraum kann dazu führen, dass eine Matrizenschneide aus ihrer Position zwischen dem Amboss und der Matrizenabschirmung verschoben wird und von der Matrize herabfällt, besonders dann, wenn eine Feder oder ein O-Ring bricht. In einem Produktionsumfeld ist dies sehr unzweckmäßig, weil eine Maschine, die mit der Blechfügevorrichtung arbeitet, dann angehalten werden müsste, um die defekte Matrize zu reparieren oder auszutauschen. Wenn die defekte Matrize nicht sofort entdeckt wird, kann es passieren, dass sehr viel Nacharbeit an den zusammengefügten Produkten notwendig ist.
Die Grenznutzungsdauer einer Matrize wird im Wesentlichen durch die Matrizenschneiden bestimmt. Die obere nach innen weisende Ecke der Matrizenschneide muss eine scharfe Kante von etwa 90° bilden, die aber bei intensiver Nutzung stumpf wird. Beim Clinchverbinden von Hartmetallen, wie beispielsweise Edelstahl, kann die Grenznutzungsdauer einer Matrizenschneide gerade einmal 10.000 bis 20.000 Zyklen betragen. Um die Qualität der Verbindung beizubehalten, müssen die Matrizenschneiden regelmäßig frühzeitig ausgetauscht werden, was die Fertigungskosten erhöht.
Eine rechteckige oder quadratische Matrize für Durchstechverbindungen hat unvermeidlich vier Ecken, um die herum eine Feder oder ein O-Ring verlaufen muss. Diese Ecken sind – selbst wenn sie etwas gerundet sind – eine Ursache für Verschleiß des Vorbelastungsmittels. Es kann sehr schwierig vorherzusagen sein, wann eine Feder oder ein O-Ring bricht oder ausgetauscht werden muss. Eine Feder oder ein O-Ring kann auch durch die Ecken beschädigt werden, wenn Matrizenschneiden ausgetauscht werden, wodurch ein Ausfall des Vorbelastungsmittels noch schwieriger vorherzusagen ist.
Es kann sein, dass der Defekt einer Feder oder einer Matrizenschneide in einem Produktionsumfeld nicht sofort bemerkt wird, was zu fehlerhaften Verbindungen und/oder zu Schäden an den zusammenzufügenden Werkstücken führt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Matrize für eine Durchstechfügevorrichtung für duktile Werkstoffe sowie eine Durchstechfügevorrichtung für duktile Werkstoffe zum Durchstechverbinden von zwei oder mehr Schichten aus duktilem Werkstoff bereitzu stellen, mit denen die oben angesprochenen Probleme gelöst werden.
Dementsprechend stellt die Erfindung eine Matrize für eine Durchstechfügevorrichtung für duktile Werkstoffe bereit, die Folgendes aufweist:

a) einen Matrizenamboss, der eine Ambossfläche aufweist;
b) mindestens zwei Matrizenschneiden um den Amboss herum, die sich in einer Längsrichtung allgemein über und unter den gegenüberliegenden Seiten der Ambossfläche erstrecken und mit dieser eine Matrizenöffnung für einen Matrizenstempel bilden, wobei jede Matrizenschneide so angeordnet ist, dass sie sich vom Amboss weg bewegt, um die Matrizenöffnung zu öffnen, wenn der duktile Werkstoff durch einen Matrizenstempel in der Längsrichtung in die Matrizenöffnung und gegen den Amboss gezwängt wird, und wobei jede Matrizenschneide über der Ambossfläche eine zur Matrizenöffnung weisende Schneidkante zum Durchschneiden des duktilen Werkstoffs zwecks Herstellung einer Durchstechverbindung, wenn der duktile Werkstoff in die Matrizenöffnung gezwängt wird, aufweist; und
d) mindestens ein Vorbelastungsmittel, durch das die Matrizenschneiden zur Verengung der Matrizenöffnung zum Amboss hin vorbelastet werden;

Jede Schneide kann also mit zwei Schneidkanten über dem Amboss versehen sein, von denen eine erste immer zur Matrizenöffnung hin weist und von denen eine zweite von der Matrizenöffnung nach außen weist. Die erste Schneidkante kann dann benutzt werden, bis sie stumpf ist, und die Matrize kann vom Amboss abgenommen werden und kann relativ zu der Ambossfläche um die Längsrichtung gedreht werden und kann dann zum Amboss zurückgeführt werden, wobei die zweite Schneidkante so angeordnet ist, dass sie als die Schneidkante benutzt werden kann. Dadurch kann die Grenznutzungsdauer jeder Matrizenschneide praktisch verdoppelt werden.
Die Matrizenschneiden können sich durch Gleiten oder Schwenken, beispielsweise auf einer Schulter, bewegen, die sich seitlich von der und unter der Ambossfläche weg erstreckt, um die Matrizenöffnung zu öffnen. Wenn die Matrizenschneide schwenkt, so befindet sich der Schwenkpunkt vorzugsweise unterhalb und seitlich außerhalb der Ambossfläche.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gibt es für jede Matrizenschneide eine Schwenkaussparung in dem Amboss. Jede Matrizenschneide hat dann einen Sitz, der so geformt ist, dass er mit der Schwenkaussparung zusammenpasst, so das sich nach Anordnung der Matrizenschneide in der Schwenkaussparung jede Matrizenschneide vom Amboss nach außen drehen kann, um die Matrizenöffnung zu öffnen, wenn duktiler Werkstoff durch einen Matrizenstempel in der Längsrichtung in die Matrizenöffnung und gegen den Amboss gezwängt wird. Eine solche Schwenkaussparung hilft, die durch den Matrizenstempel auf die Matrizenschneide ausgeübte Belastung zu verteilen. Ein Schwenkpunkt stellt überdies einen reibungsarmen Sitz bereit, auch ohne Schmiermittel, der sich über die gesamte Lebensdauer der Matrizenschneide im Wesentlichen nicht abnutzt.
Der Amboss kann rechteckig oder quadratisch sein, mit einem Paar Matrizenschneiden auf einander gegenüberliegenden Seiten des Ambosses und einem Paar einander gegenüberliegender paralleler Seiten, die sich zwischen den Matrizenschneiden erstrecken. Das Vorbelastungsmittel kann sich dann um die Matrizenschneiden und dieses Paar einander gegenüberliegender paralleler Seiten herum erstrecken. Ein Vorteil dieser Anordnung, bei der die Matrizenschneiden vom Amboss entlang einer Querrichtung zur Längsrichtung abgenommen werden können, besteht darin, dass das Vorbelastungsmittel hilft, die Matrizenschneiden am Amboss festzuhalten.
Des Weiteren wird gemäß der Erfindung ein Matrizenwerkzeug zum Durchstechfügen von zwei oder mehr Lagen aus duktilem Werkstoff bereitgestellt, das eine Basisplatte, eine Aussparung in der Basisplatte und eine Matrize aufweist, wobei diese in der Aussparung angeordnet ist, wobei es sich bei der Matrize um eine Matrize gemäß der Erfindung handelt, und wobei die Aussparung als eine Matrizenschneidenabschirmung zur Begrenzung der Bewegung der Matrizenschneiden vom Amboss weg dient.
Die Erfindung stellt des Weiteren eine Durchstechfügevorrichtung für duktile Werkstoffe zum Durchstechverbinden von zwei oder mehr Lagen aus duktilem Werkstoff bereit, die einen Stempel und eine Matrize mit einer Matrizenöffnung aufweist, welche mit dem Stempel zusammenpasst, wobei es sich bei der Matrize um eine Matrize gemäß der Erfindung handelt.
Die Erfindung stellt des Weiteren ein Verfahren zur Wartung einer Matrize für eine Durchstechfügevorrichtung für duktile Werkstoffe bereit, wobei es sich bei der Matrize um eine Matrize gemäß der Erfindung handelt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

i) Entfernen einer oder mehrerer der Matrizenschneiden vom Amboss;
ii) Zurückführen der Matrizenschneide zum Amboss, dergestalt, dass jede entfernte Matrizenschneide im Wesentlichen relativ zur Ambossfläche um die Längsrichtung gedreht wird, um über der Ambossfläche eine andere Schneidkante zu präsentieren, die zur Matrizenöffnung weist.

Eine Möglichkeit zum Bewerkstelligen der relativen Drehung der Matrizenschneide bezüglich zur Ambossfläche ist, die Matrizenschneide vom Amboss abzunehmen, die Matrize um 180° um eine Achse zu drehen, die durch die Matrizenschneide hindurch in einer Richtung parallel zu der Längsrichtung verläuft, und dann die Matrizenschneide zum Amboss zurückzuführen.
Eine andere Möglichkeit zum Bewerkstelligen der relativen Drehung der Matrizenschneide bezüglich zur Ambossfläche ist, ein Paar einander gegenüberliegender Matrizenschneiden vom Amboss abzunehmen und dann, ohne Änderung der Ausrichtung der Matrizenschneide relativ zu einer Achse, die durch die Matrizenschneide hindurch in einer Richtung parallel zu der Längsrichtung verläuft, jede Matrizenschneide zu dem Amboss an die Position zurückzuführen, die ursprünglich von der anderen Matrizenschneide eingenommen wurde.
Die Erfindung wird nun näher beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine teilweise Querschnittsansicht einer Matrize gemäß der Erfindung, die in einer Basisplatte sitzt, und mit einem Stempel, der einen Matrizenkörper mit einem mittigen Amboss aufweist, und mit einem Paar paralleler Matrizenschneiden auf beiden Seiten des Ambosses, die sich auseinander bewegen, während sie dafür verwendet werden, eine Durchstechverbindung in zwei Lagen aus duktilem Werkstoff herzustellen.
2 ist eine vergrößerte teilweise Querschnittsansicht eines Teils von 1, welche die Matrize und das Federvorbelastungsmittel zeigt, das dafür verwendet wird, die Matrizenschneiden zum Amboss hin vorzubelasten.
3 ist eine Draufsicht auf die Matrize und das Federvorbelastungsmittel von 1, wobei das Paar Matrizenschneiden gegen den Amboss geschlossen ist, und wobei jede Matrizenschneide ein Paar paralleler Schneidkanten aufweist, wobei diejenige neben dem Amboss im Gebrauch verschlissen wurde.
4 ist eine perspektivische Ansicht der Matrize von 1, wobei das Federvorbelastungsmittel entfernt ist.
5 ist eine perspektivische Ansicht ähnlich der von 4, die eine Möglichkeit zeigt, wie das Paar Matrizenschneiden abgenommen wird und diese dann um eine Längsrichtung bezüglich zu dem Amboss gedreht werden, bevor die Matrizenschneiden zum Matrizenkörper zurückgeführt werden, um eine andere, scharfe Schneidkante neben dem Amboss zu präsentieren.
6 ist eine perspektivische Ansicht ähnlich der von 4, die eine andere Möglichkeit zeigt, wie das Paar Matrizenschneiden abgenommen wird und diese dann um eine Längsrichtung relativ zu der Ambossfläche gedreht werden, bevor die Matrizenschneiden zum Matrizenkörper zurückgeführt werden, um eine andere, scharfe Schneidkante neben dem Amboss zu präsentieren.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Blechclinchverbindungsvorrichtung 1 zum Herstellen einer Durchstechverbindung, die eine Stempelbaugruppe 2 und eine Matrizenbaugruppe 4 aufweist. Die Stempelbaugruppe 2 und die Matrizenbaugruppe 4 sind entlang gemeinsamer Achsen 5, 6 aufeinander ausgerichtet. Zwischen der Stempelbaugruppe 2 und der Matrizenbaugruppe 4 befindet sich ein Paar dünner Bleche 7, 8, die quer zu der Stempelbaugruppe und den Matrizenachsen 5, 6 ausgerichtet sind. Die Bleche 7, 8 befinden sich entlang einer gemeinsamen Grenzfläche 9 in Berührung miteinander.
Während eines Blechverbindungsvorgangs wird die Stempelbaugruppe 2 entlang einer Längsrichtung in Richtung des Paares von Blechen 7, 8 geführt, wie durch den Bewegungspfeil 10 angedeutet, bis eine nach vorn gerichtete hohle Abstreifspitze 12 der Stempelbaugruppe 2 eines der Bleche 7 berührt, wodurch das andere Blech 8 gegen eine Basisplatte 14 gedrückt wird, welche die Matrizenbaugruppe 4 umgibt. Die Basis 14 hat eine Aussparung 15, in der die Matrizenbaugruppe 4 herausnehmbar angeordnet wird.
Die Stempelbaugruppe 2 hat ein zylindrisches Hauptgehäuse 16, das im vorliegenden Text als Abstreifzylinder bezeichnet wird. Der Teil des Abstreifzylinders 16, der von den Blechen 7, 8 entfernt liegt, hat ein offenes Ende 17, das mit einem Stempelhalter 18 verschlossen ist. Das andere Ende 19 des Abstreifzylinders 16 hat eine radial nach innen gerichtete Lippe 20, die in einer mittigen kreisförmigen Öffnung 21 endet, von der aus sich die Abstreifspitze 12 erstreckt. Die Abstreifspitze 12 hat einen nach außen gerichteten Flansch 22 innerhalb des Abstreifzylinders 16. Eine zylindrische Außenfläche 24 der Abstreifspitze 12 befindet sich in einer saugenden Gleitpassung mit der passenden zylindrischen Öffnung 21 der Abstreifzylinderlippe 20. Außerdem hat der Abstreifspitzenflansch 22 eine zylindrische Außenfläche 26, die sich in einer saugenden Gleitpassung mit der zylindrischen Innenfläche 27 des Abstreifzylinders 16 befindet. Die Abstreifspitze 12 kann daher frei axial relativ zu dem Abstreifzylinder 16 entlang der Längsrichtung 10 gleiten.
Die Gleitpassung der Abstreifspitze 12 innerhalb des Abstreifzylinders 16 ist in einer Auswärtsrichtung durch den Kontakt zwischen der Abstreifzylinderlippe 20 und dem Abstreifspitzenflansch 22 begrenzt. Eine Schraubenfeder 28, die in 1 schematisch dargestellt ist, wird innerhalb des Abstreifzylinders 16 zwischen dem Stempelhalter 18 und dem Abstreifspitzenflansch 22 gehalten. Die Schraubenfeder 28 spannt die Abstreifspitze 12 nach außen dergestalt vor, dass – in einem Ruhezustand – der Abstreifspitzenflansch 22 in Kontakt mit der Abstreifzylinderlippe 20 bleibt. Die axiale Gleitbewegung der Abstreifspitze relativ zu dem Abstreifzylinder ist axial einwärts durch das Zusammendrücken der Feder 28 gegen den Stempelhalter 18 begrenzt.
Ein Stempel 30 ist axial auf der Stempelachse 5 zentriert und ist in eine zylindrische Aussparung 32 in dem Stempelhalter 18 eingesetzt. Der Stempel 30 hat einen oberen zylindersymmetrischen Abschnitt 31, der sich axial entlang der Mitte des Abstreifzylinders 16 in die Abstreifspitze 12 hinein erstreckt, wo sich der Stempel 30 zu einer Stempelspitze 34 mit einem rechteckigen Querschnitt verjüngt. Die Abstreifspitze 12 endet in einem Hals 36 mit einer rechteckigen Innenfläche 37, die eine Spielpassung mit der rechteckigen Abstreifspitze 34 hat.
Wenn die Stempelbaugruppe 2 aufwärts gegen das Blech 7 bewegt 10 wird, so kommt die Abstreifspitze 12 zuerst mit dem Blech 7 in Kontakt. Eine weitere Bewegung 10 bewirkt dann, dass die Abstreifspitze 12 axial relativ zu dem Abstreifzylinder 16 gleitet, mit dem Ergebnis, dass die Feder 28 anfängt, zusammengedrückt zu werden, während die Stempelspitze 34 sich weiter in Richtung des Bleches 7 bewegt 10.
Während dies geschieht, erzeugen die Basisplatte 14 und die Matrizenbaugruppe 4 eine Wiederherstellungskraft gegen das andere Blech 8. Der größte Teil der Wiederherstellungskraft wird durch die Basisplatte 14 erzeugt.
Wie am deutlichsten in den 2 und 3 gezeigt, hat die Matrizenbaugruppe 4 einen einstückig ausgebildeten Matrizenkörper 40, der um die Matrizenachse 6 herum rechtecksymmetrisch ist. Der Matrizenkörper 40 hat an einem Ende einen unteren Schaft 42, der im Gebrauch in einem (nicht gezeigten) Werkzeughalter sitzt, an dem die Basisplatte 14 ebenfalls fest angebracht ist. Am entgegengesetzten Ende des Matrizenkörpers 40 befindet sich ein Matrizenamboss 44 mit einer flachen Ambossfläche 48. Ein Matrizenbasisabschnitt 48 zwischen dem Matrizenschaft 42 und dem Matrizenamboss 44 hat einen weiteren Querschnitt als der Matrizenschaft 42 und der Matrizenamboss 44.
Die Basisplattenaussparung 15 erstreckt sich um den Matrizenamboss 44 und den Matrizenbasisabschnitt 48 herum und ist von diesen durch einen Spalt 50 beabstandet.
Der Spalt 50 zwischen der Basisplatte 14 und dem Matrizenamboss 44 ist im Wesentlichen durch ein Paar ähnlicher Matrizenschneiden 56, 57 ausgefüllt.
Wie am besten in 4 zu sehen, ist jede Matrizenschneide 56, 57 um eine Achse 58, 59 herum, die sich in der Längsrichtung 10 erstreckt, rechtecksymmetrisch. Jede Matrizenschneide 56, 57 hat eine rechteckige Oberseite 60, 61 mit einem Paar gerader und paralleler Schneidkanten 62, 63; 64, 65 entlang der langen Seiten der Oberseite 60, 61 der Matrizenschneiden. Die Matrizenschneiden 56, 57 sind auf beiden Seiten des Matrizenambosses 44 angeordnet, der eine ähnlich rechteckige Querschnittsform aufweist. Jede Matrizenschneide 56, 57 präsentiert jeweils immer nur eine einzige der Schneidkanten 62, 63; 64, 65 in Richtung der Ambossfläche 46.
Jede Matrizenschneide 56, 57 erstreckt sich längs über und unter der Ambossfläche 46 und bildet mit dieser eine rechteckige Matrizenöffnung 66 für die Stempelspitze 34. Der Trennungsabstand zwischen den Schneiden 56, 57 definiert eine Öffnungsbreite 68, und die Länge der Matrizenschneiden 56, 57 über der Ambossfläche 46 definiert eine Öffnungstiefe (C).
Wie weiter unten noch eingehender erklärt wird, dienen die nach innen weisenden Schneidkanten dazu, den duktilen Werkstoff 6, 7 durchzuschneiden, um eine Durchstechverbindung herzustellen, wenn der duktile Werkstoff durch die Stempelspitze 34 entlang der Längsrichtung 10 in die Matrizenöffnung 66 gedrängt wird.
Jede Matrizenschneide 56, 57 hat einen Matrizenschneidensitz 72, 73 an dem Ende, das der Oberseite 60, 61 der Matrizenschneiden gegenüberliegt. Der Matrizenschneidensitz 72, 73 sitzt in einer Schwenkaussparung 74, 75 in einer Schulter 76, 77 zwischen dem Matrizenbasisabschnitt 48 und dem Matrizenamboss 44. Die Schulter 76, 77 erstreckt sich in einer Ebene quer zur Matrizenebene 6 auf einer Höhe unterhalb derjenigen der Matrizenambossfläche 46. Jeder Matrizenschneidensitz 72, 73 ist ein Hauptsegment eines Zylinders mit einer Achse 78, 79 quer zur Längsrichtung 10 und parallel zu den Schneidkanten 62, 63; 64, 65. Jede Schwenkaussparung 74, 75 ist im Querschnitt ein Hauptsegment eines Hohlzylinders und hat eine Hinterschneidung 80, 81, so dass die Matrizenschneidensitzachsen 78, 79 unter der Höhe der Schulter 76, 77 verlaufen. Die teilzylindrische Form des Matrizenschneidensitzes 72, 73 bildet einen passenden Vorsprung für die Schwenkaussparung 74, 75. Zwischen dem Matrizenschneidensitz 72, 73 und der Schwenkaussparung 74, 75 sind normale Fertigungstoleranzen vorgesehen, um eine reibungslose Schwenkbewegung zu gestatten, ohne dass Schmiermittel erforderlich sind, wenn die Matrize 4 aus M2-Hochgeschwindigkeitsstahl hergestellt ist. Jede Matrizenschneide 56, 57 wird darum an dem Amboss 44 und dem Matrizenkörper 40 in der Längsrichtung 10 gehalten.
Jeder Matrizenschneidensitz 72, 73 und jede entsprechende Schwenkaussparung 74, 75 bildet eine Schwenkverbindung, durch die jede Matrizenschneide 56, 57 seitlich zu der Matrizenambossfläche 46 hin und von der Matrizenambossfläche 46 weg schwenken kann, um die Matrizenöffnung 66 zu verengen bzw. aufzuweiten.
Die Matrizenschneiden 56, 57 sind auf 0,05 mm unter der umgebenden Basisplatte 14 bündig, so dass die Matrizenschneiden nach außen schwenken können, wenn die Metallschichten 7, 8 durch die Stempelspitze 34 gegen die Ambossfläche gestaucht werden. Die Schwenkaussparungen 74, 75 erstrecken sich teilweise unter der Ambossfläche 46 entlang, um die Schwenkbewegung der Matrizenschneiden 56, 57 zu unterstützen.
Die Matrizenschneiden 56, 57 werden mit Hilfe eines Vorbelastungsmittels 70 gegen den Matrizenamboss 44 vorbelastet, um die Matrizenöffnung 66 zu verengen, wie am deutlichsten in 3 zu sehen. Das Vorbelastungsmittel 70 enthält einen elastischen Abschnitt, der aus zwei metallischen Schraubenfedern 82, 83 besteht, die sich quer zu der Längsrichtung zwischen den Matrizenschneiden 56, 57 erstrecken, und zwei länglichen starren Abschnitten, von denen jeder die Form eines allgemein zylindrischen Stabes 84, 85 aufweist und von denen jeder mit einer der Matrizenschneiden 56, 57 in Kontakt steht.
Die Stäbe 84, 85 haben jeweils an ihren Enden 86, 87; 88, 89 eine Ringnut 90, 91; 93, 93, in welche die Enden 94, 95; 96, 97 der Schraubenfedern eingreifen. Jeder der elastischen Abschnitte 82, 83 erstreckt sich daher zwischen den Enden 86, 87; 88, 89 eines Abschnitts des Paares starrer Abschnitte 84, 85.
Jede Matrizenschneide 56, 57 hat eine Aussparung 98, 99 in einer Fläche 102, 103 der Matrizenschneide, die vom Amboss 44 fort weist. Die starren Stäbe 84, 85 sitzen in den Aussparungen 98, 99, um das Vorbelastungsmittel um die Matrizenschneiden 56, 57 herum festzuhalten. Die Aussparungen 98, 99 haben jeweils die Form eines Nebensegments eines Zylinders, passend zu der Form der starren Abschnitte 76, 77. Dadurch wird der Verschleiß minimiert.
Die Schraubenfedern 82, 83 stehen auch dann unter Spannung, wenn die Matrizenschneiden 56, 57 an den sich in Längsrichtung erstreckenden gegenüberliegenden Seiten oder Flanken 29 des Ambosses 44 anliegen. Darum dient das Federvorbelastungsmittel 70 dazu, jede Matrizenschneide 56, 57 nach innen zu den Flanken 29 des Ambosses 44 hin vorzubelasten.
Zwischen den Schraubenfedern 82, 83 und den gegenüberliegenden parallelen Seiten 104, 105 der Matrizenbaugruppe 4, die durch den Matrizenamboss 44 und die Matrizenschneiden 56, 57 gebildet werden, gibt es ein geringes Spiel, um den Verschleiß an dieser Stelle zu verringern oder auszuschalten.
Weil die Matrizenschneiden 56, 57 von dem Amboss 44 und dem Matrizenkörper 40 entlang einer Richtung 110, 111 quer zu der Längsrichtung 10 abgenommen werden können, hält das Vorbelastungsmittel 70 die Matrizenschneiden 56, 57 an dem Amboss 44 und dem Matrizenkörper 40 entlang dieser Querrichtung 110, 111, wie aus den 3 und 4 zu sehen ist.
Die Art der Verbindung, die durch das Matrizenwerkzeug 1 hergestellt wird, ist eine Verbindung vom Durchstechfügetyp, wobei bogenförmiger Werkstoff entlang zweier paralleler Linien geschnitten wird, die durch den scherenartigen Kontakt zwischen der Matrizenschneidkante 63, 64 und der Stempelspitze 34 gebildet werden. Das Spiel zwischen jeder Schneidkante 63, 64 und der Stempelspitze 34 beträgt etwa 10% der Dicke der bogenförmigen Werkstoffe 6 und 7 zusammengenommen. Das Drücken der duktilen bogenförmigen Werkstoffe 6, 7 in der Längsrichtung in die Matrizenöffnung 66 hinein und gegen die Ambossfläche 46 mittels der Matrizenstempelspitze 34 bewirkt, dass die bogenförmigen Werkstoffe 6, 7 entlang der Schneidkanten 63, 64 der Matrizenschneiden geschert werden und dann hauptsächlich in zwei entgegengesetzte seitliche Richtungen zu jeder Matrizenschneide 56, 57 hin fließen. Dieses Fließen bewirkt, dass die Matrizenschneiden 56, 57 nach außen geschoben werden und dass die bogenförmigen Werkstoffe 6, 7 unter die Schnitte fließen, die ursprünglich in den Werkstoffen gebildet wurden.
Wenn der in Längsrichtung wirkende Druck abgebaut wird, so wird die Matrizenstempelspitze 34 unter der Wirkung der Schraubenfeder 28, die während des Ziehvorgangs zusammengedrückt wurde, zurückgezogen. Die Stempelspitze 34 wird dann von dem oberen Blech 7 heruntergenommen, und gleichzeitig wird die Matrize 4 von dem unteren Blech 8 weggezogen, woraufhin jede Matrizenschneide 56, 57 unter der Vorbelastungswirkung des Federvorbelastungsmittels 70 gegen den Matrizenamboss 44 zurückspringt.
Es ist zu beachten, dass – weil sich die Schwenkverbindung, die durch den Matrizenschneidensitz 72, 73 und die entsprechende Schwenkaussparung 74, 75 gebildet wird, um eine Achse 78, 79 seitlich außerhalb der inneren Schneidkante 63, 64 der Matrizenschneiden dreht, wenn jede Matrizenschneide 56, 57 seitlich nach außen schwenkt – während sich die Matrizenöffnung 66 öffnet, sich jede Oberseite 60, 61 der Matrizenschneiden, die der Schneidkante 63, 64 am nächsten liegt, zunächst ein wenig anhebt, bevor sie herabfällt, während sich die Matrizenöffnung 66 öffnet. Die Kräfte, die während des Scherens des duktilen bogenförmigen Werkstoffs 6, 7 erzeugt werden, bewirken zunächst allgemein, dass die Matrizenschneiden an ihrem Platz gegen die Flanken 29 des Ambosses 44 gehalten werden. Die Matrizenschneiden 56, 57 drehen sich darum nur unter dem Einfluss der sich aufweitenden Verbindung, nachdem der Schervorgang vollzogen wurde, nach außen.
Der Schneidvorgang verschleißt im Lauf der Zeit die Schneidkanten 62, 63; 64, 65, was in den Zeichnungen durch eine Schattierung entlang der Schneidkanten 63 und 64 angedeutet ist.
Wie aus den Zeichnungen zu ersehen ist, ist jede Matrizenschneide 56, 57 um eine Ebene herum spiegelsymmetrisch, die in der Längsrichtung 10 durch die Matrizenschneide hindurch verläuft. Diese Ebene umfasst ebenfalls die Schwenkverbindungsachsen 78, 79.
Darum hat jede Matrizenschneide 56, 57 auch eine Aussparung 100, 101 auf einer Seite gegenüber der Aussparung 98, 99, die das Vorbelastungsmittel 70 hält. Der Zweck dieses Merkmals und der zwei zusätzlichen Schneidkanten 62, 65, die von der Matrizenambossfläche 46 fort weisen, ist, dass jede Matrizenschneide 56, 57 vom Amboss 44 und dem Matrizenkörper 40 abgenommen werden kann, bezüglich zu der Ambossfläche 46 um die Längsrichtung 10 gedreht werden kann und zu dem Amboss 44 und dem Matrizenkörper 40 zurückgeführt werden kann, um eine andere Schneidkante 62, 65 zu präsentieren, die zu der Matrizenöffnung 66 über der Ambossfläche 46 weist.
Alle vier Aussparungen 98, 99; 100, 101 dienen darum ihrerseits als querliegende Federhaltenuten entlang beider Seiten jeder Matrizenschneide 56, 57.
Zwei Möglichkeiten der Bewerkstelligung dieses Wechsels der Schneidkante 62, 63; 64, 65 sind in den 4, 5 und 6 gezeigt.
Wenn das Vorbelastungsmittel 70 von der Matrizenbaugruppe 4 abgenommen ist, werden die Matrizenschneiden 56, 57 an den Amboss 44 und den Matrizenkörper 40 angebaut (oder vom Amboss 44 und dem Matrizenkörper 40 abgenommen), indem jede Matrizenschneide 56, 57 in die entsprechende Schwenkaussparung 74, 75 entlang der Querrichtung 110, 111 eingesetzt (oder von dort herausgenommen) wird. Eine Möglichkeit des Umdrehens der Schneidkanten relativ zum Amboss 44, die in 5 gezeigt ist, besteht darin, die Matrizenschneiden 56, 57 um 180°, wie durch die Pfeile 112, 113 gezeigt, um die Längssymmetrieachse 58, 59 jeder Matrizenschneide zu drehen. Die Matrizenschneiden werden dann an den Matrizenkörper 40 zurückgeführt 114, 115, wobei ihr Weg entlang derselben Querrichtung zurückverfolgt wird, worauf hin das Vorbelastungsmittel 70 wieder angebaut wird, um die Matrizenbaugruppe 4 zu komplettieren.
Eine andere Möglichkeit des Umdrehens der Schneidkanten relativ zum Amboss 44, die in 6 gezeigt ist, besteht darin, die Matrizenschneiden 56, 57 entlang der Querrichtung abzunehmen 116, 117, aber dann die Reihenfolge der Matrizenschneiden untereinander auszutauschen 118, 119, ohne die Matrizenschneiden um die Achsen 58, 59 zu drehen. Die Matrizenschneiden 56, 57 können dann zum Matrizenkörper 40 zurückgeführt 120, 121 werden, wobei ihre Positionen untereinander ausgetauscht 118, 119 sind, sie aber nicht physisch gedreht wurden. Aufgrund der Symmetrie des Ambosses 44, des Matrizenkörpers 40 und der Matrizenschneiden 56, 57 bewirkt dieser Austausch praktisch ein Drehen 118, 119 jeder Matrizenschneide relativ zu der Ambossfläche um die Längsrichtung 10. Das Vorbelastungsmittel 70 wird dann wieder angebaut, um die Matrizenbaugruppe 4 zu komplettieren.
Die Bereitstellung zweier umlegbarer Schneidkanten an der Matrizenschneide verdoppelt praktisch die Grenznutzungsdauer der Matrizenschneiden. Weil sich beide Schneidkanten an Kanten derselben Oberseite der Matrizenschneiden befinden, können beide Schneidkanten gleichzeitig ausgebildet werden, wenn die Matrizenschneide hergestellt wird. Die Schneidkante, die zunächst nicht benutzt wird, unterliegt keinem Verschleiß, während die erste Schneidkante benutzt wird, was der Fall sein könnte, wenn die zweite Schneidkante als Schwenkpunkt oder -fläche an der Basis der Matrizenschneide dienen würde.
Das Vorbelastungsmittel ist so gestaltet, dass ein Kontakt zwischen dem relativ empfindlichen elastischen Mittel und den Ecken der Matrize vermieden wird, was den Verschleiß im Wesentlichen ausschaltet. Der starre Abschnitt hat ebenfalls einen reibungsarmen Kontakt mit den Matrizenschneiden, was einen störungsfreien Betrieb gewährleistet.
Die Erfindung benötigt keine extra angebrachte Matrizenabschirmung, da die Matrizenabschirmung durch die Aussparung in der Basisplatte bewerkstelligt wird und die Matrizenschneiden in der Längsrichtung durch die Schwenkanordnung und in der Querrichtung durch die Umschließung durch das Federvorbelastungsmittel um die Matrizenschneiden und die Endflanken des Matrizenambosses herum gehalten werden. Dies vereinfacht die Herstellung und den Zusammenbau der Matrize und hilft dabei, die seitlichen Dimensionen der Matrizenbaugruppe zu minimieren, wodurch die Matrizenbaugruppe kompakt und wirtschaftlich wird.
Das oben beschriebene Clinchverbindungswerkzeug 1 hat eine kompakte seitliche Abmessung im Vergleich zur Größe der Verbindung, die in bogenförmigen Werkstoffen hergestellt wird. Beispielsweise kann die verengte rechteckige Matrizenöffnung 66 entlang einer Längsachse zwischen 4 mm und 12 mm lang sein (B), wobei in diesem Fall die Abmessung der Aussparung 15 in der Basisplatte 14 zwischen 8 mm und 18 mm liegt. Die Breite (A) der Öffnung 66 zwischen den Matrizenschneiden kann dann zwischen 2 mm und 8 mm liegen. Die Tiefe (C) der Öffnung hängt von dem Trennungsabstand zwischen den Matrizenschneiden und der Dicke der zu verbindenden Bleche ab, liegt aber in der Regel zwischen 0,5 mm und 2 mm.

Claims

Matrize (4) für eine Durchstechfügevorrichtung (1) für duktile bogenförmige Werkstoffe, die Folgendes umfasst a) einen Matrizenamboss (44), der eine Ambossfläche (46) aufweist; b) mindestens zwei Matrizenschneiden (56, 57) um den Amboss (44) herum, die sich in einer Längsrichtung (10) allgemein über und unter den gegenüberliegenden Seiten (29) der Ambossfläche (46) erstrecken und mit dieser eine Matrizenöffnung (66) für einen Matrizenstempel (30) bilden, wobei jede Matrizenschneide (56, 57) so angeordnet ist, dass sie sich vom Amboss (44) weg bewegt, um die Matrizenöffnung (66) zu öffnen, wenn der duktile Werkstoff (7, 8) durch einen Matrizenstempel (30) in die Längsrichtung (10) und gegen den Amboss (44) in die Matrizenöffnung (66) gezwängt wird, und wobei jede Matrizenschneide (56, 57) über der Ambossfläche (46) eine zur Matrizenöffnung (66) weisende Schneidkante (63, 64) zum Durchschneiden des duktilen Werkstoffs (7, 8) zwecks Herstellung einer Durchstechverbindung, wenn der duktile Werkstoff in die Matrizenöffnung (66) gezwängt wird, aufweist; und d) mindestens ein Vorbelastungsmittel (70), durch das die Matrizenschneiden (56, 57) zur Verengung der Matrizenöffnung (66) zum Amboss (44) hin vorbelastet werden; dadurch gekennzeichnet, dass jede Matrizenschneide (56, 57) vom Amboss (44) entfernt (110, 111; 116, 117) werden und dann wieder zum Amboss (44) zurückgeführt (114, 115; 120, 121) werden kann, so dass jede Matrizenschneide bezüglich der Ambossfläche (46) um die Längsrichtung (10) im Wesentlichen gedreht (58, 59; 118, 119) wird, um über der Ambossfläche (46) eine andere Schneidkante (62, 65) zu präsentieren, die zur Matrizenöffnung (66) weist.
Matrize (4) nach Anspruch 1, bei der sich die Matrizenschneiden (56, 57) vom Amboss (44) weg bewegen, um die Matrizenöffnung (66) durch Schwenken um einen Punkt unterhalb und seitlich außerhalb der Ambossfläche (46) zu öffnen.
Matrize (4) nach Anspruch 1 oder 2, die für jede Matrizenschneide (56, 57) eine Schwenkaussparung (74, 75) im Amboss (44) umfasst, wobei jede Matrizenschneide (56, 57) einen Sitz (72, 73) aufweist, der so geformt ist, dass er mit der Schwenkaussparung (74, 75) zusammenpasst, so dass sich nach Anordnung der Matrizenschneide (56, 57) in der Schwenkaussparung (74, 75) jede Matrizenschneide (56, 57) vom Amboss (44) nach außen drehen kann, um die Matrizenöffnung (66) zu öffnen, wenn duktiler Werkstoff (7, 8) durch einen Matrizenstempel (30) in die Längsrichtung (10) und gegen den Amboss (44) in die Matrizenöffnung (66) gezwängt wird.
Matrize (4) nach Anspruch 3, bei der die Schwenkaussparung (74, 75) eine Hinterschneidung (80, 81) aufweist und der Matrizenschneidensitz (72, 73) einen passenden Vorsprung aufweist, so dass die Matrizenschneide (56, 57) in der Schwenkaussparung (74, 75) angeordnet und die Matrizenschneide (56, 57) in einer Längsrichtung (10) am Amboss (44) festgehalten wird.
Matrize (4) nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Schwenkaussparung (74, 75) einen teilzylindrischen Querschnitt aufweist.
Matrize (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Paar gerader und paralleler Schneidkanten (63, 64; 62, 65) vorgesehen ist.
Matrize (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jede Matrizenschneide (56, 57) um eine sich in die Längsrichtung (10) durch die Matrizenschneide (56, 57) erstreckende Ebene spiegelsymmetrisch ist.
Matrize (4) nach Anspruch 7, bei der der Amboss (44) rechteckig oder quadratisch ist, wobei sich ein Paar der Matrizenschneiden (56, 57) auf gegenüberliegenden Seiten (29) des Ambosses (44) befindet, und ein Paar gegenüberliegender paralleler Seiten (104, 105) aufweist, die sich zwischen den Matrizenschneiden (56, 57) erstrecken, und sich das Vorbelastungsmittel (70) um die Matrizenschneiden (56, 57) und das Paar gegenüberliegender paralleler Seiten (104, 105) erstreckt.
Matrize (4) nach Anspruch 8, bei der die Schneiden (56, 57) entlang einer quer zu der Längsrichtung (10) verlaufenden Richtung von dem Amboss (44) entfernbar (110, 111; 116, 117) sind und das Vorbelastungsmittel (70) die Matrizenschneiden (56, 57) entlang der Querrichtung am Amboss (44) festhält.
Matrize (4) nach Anspruch 9, bei der die Matrizenschneide (56, 57) eine Fläche (102, 103) aufweist, die von dem Amboss (44) weg weist, wobei die Fläche (102, 103) eine Aussparung (98, 99) aufweist, in der ein starrer Teil (84, 85) des Vorbelastungsmittels (70) angeordnet ist.
Matrize (4) nach Anspruch 10, bei der das Vorbelastungsmittel (70) einen starren Teil (84, 85) in der Aussparung (98, 99) und einen elastischen Teil (82, 83), der sich zwischen den Matrizenschneiden (56, 57) erstreckt, aufweist.
Matrizenwerkzeug zum Durchstechfügen von zwei oder mehreren Lagen aus duktilem Werkstoff (7, 8) mit einer Basisplatte (14), einer Aussparung (15) in der Basisplatte (14) und einer Matrize (4), wobei diese in der Aussparung (15) angeordnet ist, wobei die Matrize (4) einem der vorhergehenden Ansprüche entspricht und die Aussparung (15) als eine Matrizenschneidenabschirmung zur Begrenzung der Bewegung der Matrizenschneiden (56, 57) vom Amboss (44) weg dient.
Fügevorrichtung (1) für duktile Werkstoffe zum Durchstechfügen von zwei oder mehr Lagen aus duktilem Werkstoff (7, 8) mit einem Stempel (30) und einer Matrize (4), die eine Matrizenöffnung (66) aufweist, welche mit dem Stempel (30) zusammenpasst, wobei die Matrize (4) einem der vorhergehenden Ansprüche entspricht.
Verfahren zur Wartung einer Matrize (4) für eine Durchstechfügevorrichtung (1) für duktile Werkstoffe, wobei die Matrize (4) einem der Ansprüche 1 bis 12 entspricht und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: i) Entfernen (110, 111; 116, 117) einer oder mehrerer der Matrizenschneiden (56, 57) vom Amboss (44); ii) Zurückführen (114, 115; 120, 121) der Matrizenschneide (56, 57) zum Amboss (44) derart, dass jede entfernte Matrizenschneide (56, 57) bezüglich der Ambossfläche (46) um die Längsrichtung (10) im Wesentlichen gedreht (58, 59; 118, 119) wird, um eine andere Schneidkante (62, 65) über der Ambossfläche (46) zu präsentieren, die zur Matrizenöffnung (66) weist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die relative Drehung der Matrizenschneide (56, 57) bezüglich der Ambossfläche (46) durch Entfernen (110, 111) der Matrizenschneide (56, 57) vom Amboss (44), Drehen (112, 113) der Matrizenschneide (56, 57) um 180° um eine die Matrizenschneide (56, 57) in einer parallel zur Längsrichtung (10) verlaufenden Richtung durchquerende Achse (58, 59) und dann Zurückführen (114, 115) der Matrizenschneide (56, 57) zum Amboss (44) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die relative Drehung (118, 119) der Matrizenschneide (56, 57) bezüglich der Ambossfläche (46) durch Entfernen (116, 117) eines Paars gegenüberliegender Matrizenschneiden (56, 57) vom Amboss (44) und dann ohne Änderung der Ausrichtung der Matrizenschneide (56, 57) bezüglich einer die Matrizenschneide (56, 57) in einer parallel zur Längsrichtung (10) verlaufenden Richtung durchquerenden Achse (58, 59) Zurückführen (120, 121) jeder Matrizenschneide (56, 57) zum Amboss (44) zu der Stelle, die ursprünglich von der anderen Matrizenschneide (56, 57) eingenommen wurde, erfolgt.