DE69431490T2

DE69431490T2 - Verfhren und gerät zum verbinden von blechen und darin hergestellte verbindung

Info

Publication number: DE69431490T2
Application number: DE69431490T
Authority: DE
Inventors: Xinrong Wu
Original assignee: BTM Corp
Current assignee: BTM Corp
Priority date: 1994-07-22
Filing date: 1994-07-22
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2014-07-23
Also published as: EP0783384A4; EP0783384A1; EP0783384B1; WO1996003232A1; AU7514794A; JPH10503427A; DE69431490D1

Description

Die Erfindung bezieht sich insgesamt auf eine zwischen wenigstens einer ersten Materiallage und einer zweiten Materiallage gebildete Verbindung sowie auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen der Verbindung.
In der Metallverarbeitungsindustrie ist es üblich. Metallblechstücke durch Stanzen oder anderweitige Verformung zu verbinden, um eine verblockende bzw. verriegelnde Beziehung in einem lokalisierten Bereich zu bewirken. Diese herkömmlichen Verbindungen haben jedoch typischerweise ein Abscheren des Blechmaterials erfordert. Deshalb neigen diese Verbindungen zur Undichtigkeit und werden bei ihnen auch korrosionswiderstandsfähige Beschichtungen zerstört.
In neuerer Zeit wurde eine Vorrichtung zum Verbinden von zwei oder mehr Materiallagen bzw. Blechen verwendet, indem eine dichte und sichere Verbindung geschaffen wurde. Diese verbesserten herkömmlichen Verbindungen werden mittels eines Stempels hergestellt, der gegen einen Amboß wirkt, um eine unter dem Namen TOG-L-LOC® bekannte Verbindung dazwischen herzustellen. Eine solche dichte Verbindung ist in den US Patenten 5,267,383 und 5,177,861 beschrieben, die beide "Apparatus for Joining Sheet Material" (Vorrichtung zum Verbinden von Lagenmaterial") betitelt sind und für Sawdon erteilt sind.
Die herkömmlichen TOG-L-LOC® lecksicheren bzw. dichten Verbindungen bestehen aus zwei oder mehr Materiallagen mit einem zwischen ihnen ausgebildeten Kopf oder Verbindung, in dem ein einheitlich zylindrischer Stempel eine stempelseitige Materiallage in einen verblockenden Eingriff mit einer matrizenseitigen Materiallage drückt. Diese herkömmlichen dichten Verbindungen haben einen sehr großen wirtschaftlichen Erfolg bei der Verwendung in unterschiedlichen Anwendungen, wie Stahlmikrowellenofen und Aluminiumautomobilkarosserien. Während diese lecksicheren Verbindungen sich als verläßlich und preiswert erwiesen haben, ist es wünschenswert, eine noch stärkere lecksichere Verbindung zu haben.
Die WO-A-94/22613 bildet einen Teil des Standes der Technik gemäß Artikel 54(3) EPÜ und beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von zwei Materiallagen. Ein abgestufter Stempel wirkt gegen einen koaxial beweglichen Amboß in einer ortsfesten Matrize. Es wird eine zweistufige Stanzwirkung verwendet. Bei der ersten Stanzung bewegen sich der Stempel und die Matrize in die gleiche Richtung, um eine Ausnehmung einzustanzen. Während der zweiten Stanzung wird der Amboß in einer vorbestimmten Position gesperrt, so daß die Bewegung des Stempels eine seitliche Extrusion des Materials beider Lagenbauteile hervorruft.
Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine zwischen wenigstens einer ersten Materiallage und einer zweiten Materiallage ausgebildete Verbindung geschaffen, die von einem einzigen, sich bewegenden, abgestuften Stempel erzeugt wird, der gegen eine Matrizenbaugruppe mit einem ortsfestem Amboß und einem Satz seitlich bewegbarer Matrizenlamellen wirkt, welche Verbindung enthält: nominelle Segmente der ersten und zweiten Materiallage; ausgenommene Segmente der ersten und zweiten Materiallage, die in den nominellen Segmenten ausgebildet sind; und ein abgestuftes Segment der ersten Materiallage, das längs wenigstens eines Teils des ausgenommenen Segments der ersten Materiallage durch Bewegung des abgestuften Stempels ausgebildet ist, wobei die Ecke des abgestuften Segments koplanar mit den Berührflächen der Segmente der ersten und zweiten Materiallage ist; wodurch der abgestufte Stempel, der feste Amboß und die Matrizenlamellen dazu dienen, das Material in der Verbindung zu mehren, während die erste Materiallage mit der zweiten Materiallage in sich gegenseitig verblockenden Eingriff kommt.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung mit einem Kopfdurchmesser zwischen wenigstens einer ersten Materiallage und einer zweiten Materiallage geschaffen, indem ein längsbeweglicher Stempel und ein fester Amboß verwendet werden, welches Verfahren enthält:
(a) Zusammendrücken von Segmenten der ersten und der zweiten Materiallage zwischen dem beweglichen Stempel und dem festen Amboß;
(b) Erzeugen eines abrupt abgestuften Segments in der ersten Materiallage dem Stempel nächstliegend;
(c) zwangsläufiges Verschieben von Material aus dem abgestuften Segment der ersten Materiallage hin zu einem weiteren ausgenommenen Segment in der gleichen Stanzwirkung, wie sie im Schritt (b) verwendet wird, wobei alle abgestuften Segmente seitlich innerhalb des Kopfdurchmessers der Verbindung ausgebildet werden, die Ecke des abgestuften Segments koplanar mit den Berührflächen der ersten und zweiten Materiallagen ist;
(d) Auswärtsexpandieren eines Segments der ersten Materiallage;
(e) In verbleibenden Eingriff Bringen eines expandierten Segments der ersten Materiallage mit einem benachbarten Segment der zweiten Materiallage und
(f) Abziehen der Materiallagen aus dem Raum zwischen dem Stempel und dem festen Amboß
Entsprechend einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Verbinden von Materiallagen geschaffen, die enthält: einen längs einer Längsachse beweglichen Stempel mit einem ersten zylindrischen ersten Bereich an einem distalen Ende und einem in Längsrichtung benachbarten zylindrischen zweiten Bereich, wobei der erste Bereich eine kleinere seitliche Abmessung relativ zu dem zweiten Bereich hat; eine die zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich des Stempels angeordnete seitliche Stufe, wobei wenigstens eine Sektion der Stufe gekrümmt ist; einen Satz seitlich bewegbarer Matrizenlamellen, die neben einer vom Stempel abgewandten Oberfläche der Materiallagen angeordnet ist, wobei der Stempel betriebsmäßig gegen die Materiallagen bewegbar ist, um die Materiallagen zwangsläufig zu verformen und in lecksicheren, verblockenden gegenseitigen Eingriff zu bringen, wobei eine Verbindung mit einem Kopfdurchmesser ausgebildet wird, wobei die Stufe des Stempels bewegbar ist, um zwangsläufig eine Stufe in wenigstens einer der Materiallagen auszubilden, welche von der Stufe des Stempels geschaffene Stufe einen Durchmesser hat, der kleiner als der Kopfdurchmesser der Verbindung ist; und einen neben dem Stempel angeordneten Abstreifer, der die Materiallagen während der Vorwärtsbewegung des Stempels nicht wesentlich verformt.
Entsprechend der Erfindung stellt eine verbesserte Vorrichtung zum Verbinden von Blech- bzw. Lagenmaterial einen abgestuften Stempel bereit. Der abgestufte Stempel dient dazu, eine Verbindung zwischen zwei oder mehreren Materiallagen zu verstärken, indem ein abgestuftes Segment in wenigstens einer dieser Materiallagen erzeugt wird. Während der Ausbildung dieses abgestuften Segments wird Material gewaltsam bzw.. zwangsläufig gegen ein anderes Material segment verschoben, das auswärts expandiert wird, um mit der benachbarten Materiallage in verblockenden Eingriff zu kommen.
Der Stempel und die Verbindung gemäß der Erfindung sind gegenüber herkömmlichen Stempeln und Verbindungen vorteilhaft, indem eine überraschenderweise stärkere lecksichere Verbindung geschaffen wird. Weiter hat die erfindungsgemäße Verbindung eine vergrößerte Wanddicke, die im Vergleich zur herkömmlichen dichten Verbindungen bruchsicherer ist. Der Stempel, die Verbindung und das Verfahren gemäß der Erfindung vermindern auf diese Weise Abfall während des Verbindungsherstellverfahrens. Zusätzliche Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich, die anhand eines nicht beschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt.
In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Verbinden von Lagenmaterial gemäß der Erfindung, dargestellt in ihrer zurückgezogenen Stellung;
Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 1, in der vorgeschobenen Stellung;
Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht, teilweise im Schnitt, und innerhalb des Kreises 3-3 der Fig. 2 der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Scherfestigkeit einer Verbindung aus Aluminium zeigt, wie sie mit der bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 3 hergestellt wird, im Vergleich mit einer herkömmlichen lecksicheren Verbindung ohne Stufe darin;
Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Abziehfestigkeit der Verbindung aus Aluminium, wie sie mit der bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 3 hergestellt wird, im Vergleich mit einer herkömmlichen lecksicheren Verbindung ohne Stufe darin vergleicht;
Fig. 6 eine graphische Darstellung, die die Scherfestigkeit einer mit der bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 3 hergestellten Stahlverbindung mit der einer herkömmlichen lecksicheren Verbindung ohne Stufe darin vergleicht,
Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die Abziehfestigkeit einer mit der bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 3 hergestellte Stahlverbindung im Vergleich mit einer herkömmlichen lecksicheren Verbindung ohne Stufe darin vergleicht;
Fig. 8 eine graphische Darstellung, die die Amboßtiefe einer mit der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 3 hergestellten Verbindung erläutert und
Fig. 9 eine graphische Darstellung, die die Optimierung des Kopfdurchmessers einer mit der bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 3 hergestellten Verbindung erläutert.
Es wurde gefunden, daß eine herkömmliche verriegelnde lecksichere bzw. dichte Verbindung stark und preiswert herstellbar ist. Eine solche herkömmliche dichte Verbindung wird hergestellt, indem ein Stempel mit im wesentlichen konstanten Durchmesser verwendet wird, um eine stempelseitige Materiallage abwärts in verriegelnden bzw. verblockenden Eingriff mit einer matrizenseitigen Materiallage zu ziehen. Die stempelseitige Materiallage hat einen innen in ihr ausgebildeten zylindrischen ausgenommenen Becher, während die untere externe Umfangssektion der stempelseitigen Materiallage auswärts expandiert ist. Dieser expandierte bzw. gedehnte Bereich der stempelseitigen Materiallage ist mit dem benachbarten Bereich des matrizenseitigen Materials in gegenseitig verblockender Bezie hung und dient dazu, den benachbarten Bereich davon nach außen zu expandieren, wodurch ein externer Kopf oder eine Verbindung unmittelbar neben dem Amboß definiert wird. Eine Vergrößerung der Bruchfestigkeit in dem Halsbereich der Seitenwand führt zu einer Verminderung der Abziehfestigkeit in der Verriegelung des Kopfes und umgekehrt. Obwohl eine optimale Verbindungsfestigkeit durch sorgfältige Auswahl geeigneter Werkzeugparameter erreicht werden kann, ist die Tragkraft dieser herkömmlichen Verbindung wegen der Transformation der Fehler- bzw. Ausfallmechanismen (d. h. die maximalen Verbindungsfestigkeiten können den Schnittpunkt einer Bruchfestigkeitskurve und einer Ausziehfestigkeitskurve nicht übersteigen, wie später beschrieben werden wird) begrenzt.
Basierend auf der vorstehenden Diskussion wurde eine Anstrengung gemacht, um sowohl die Bruchfestigkeit als auch die Abziehfestigkeit einer Verbindung gleichzeitig anzuheben. Als Ergebnis wurde ein abgestufter Stempel entsprechend der vorliegenden Erfindung entwickelt. Die Idee, den abgestuften erfindungsgemäßen Stempel zu verwenden, liegt dann, mehr Material von einer Stelle des Metallblechs auf der Stempelseite zu dem Verbindungselement zu bringen und gleichzeitig sowohl die Dicke der verdünnten Seitenwand und das Verblockungsvolumen in dem verblockenden expandierten Segment der Dichtung zu vergrößern. Höhere Festigkeiten sowohl bei Scher- als auch Abziehversuchen werden erwartet, wenn ein abgestufter Stempel geeignet konstruiert ist.
Auf diese Weise wurde die herkömmliche Verbindung überraschend in einem wesentlichen Maß verstärkt, indem eine Stufe innerhalb der stempelseitigen Materiallage zwangsläufig verformt wird. Diese zugefügte Stufe hat eine Verbindung mit erheblich verbesserter Festigkeit geschaffen, die weiterhin relativ einfach herzustellen ist. Die verbesserte Vorrichtung und Verbindung werden nachfolgend beschrieben.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 enthält eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Stempelbaugruppe 10 und eine Matrize 12. Die Stempelbaugruppe 10 und die Matrize 12 dienen dazu, eine Verbindung oder einen Kopf 14 zwischen einer ersten Materiallage 16 und einer benachbarten zweiten Materiallage 18 zu bilden.
Die Stempelbaugruppe 10 enthält einen Stempelhalter 30, eine Abstreiferbüchse 32, eine Abstreiferspitze 34, eine Abstreiferfeder 36 und einen Stempel 38. Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, ist der Stempel 38 durch ein distales Ziehende 50, einen zylindrischen ersten Ziehbereich 52, eine etwas kegelstumpfförmige Stufe 54, einen zylindrischen zweiten Ziehbereich 56, einen kegelstumpfförmigen Tragbereich 58 und einen Stempelhalteschaft 60 gebildet. Eine Längsachse verläuft längs der Länge des Stempels 38. Ein erster Radius 70 ist an dem Umfangsrand des ersten Ziehbereiches 52 angeordnet. Der erste Radius 70 beträgt vorzugsweise 0,5 mm (0,02 Inch). Ein 0,25 mm (0,01 Inch) Radius definiert eine Hohlkehle 72, die an dem theoretischen Schnitt zwischen dem ersten Ziehbereich 52 und der Stufe 54 angeordnet ist. Der erste Ziehbereich 52 hat einen kleinen Verjüngungswinkel zwischen Radius 70 und der Hohlkehle 72, um den Stempel 38 von der Verbindung 14 zu entfernen. Eine Ecke 74 ist an dem Umfangsrand des zweiten Ziehbereiches 56 angeordnet. Alternativ kann die Ecke 74 einen Radius aufweisen.
Idealerweise sind die Stempellänge und die Durchmesser abhängig von der Dicke des für die Verbindung 14 verwendeten Blech- bzw. Lagenmaterials einstellbar. Beispielsweise ist, wenn das erste und zweite Blechmaterial 16 und 18 jeweils 2 mm dickes Aluminium sind, die Längslänge des ersten Ziehbereiches 52 2,5 mm (0,095 Inch). Der erste Ziehbereich 52 hat nahe seinem theoretischen Schnitt mit dem distalen Ziehende 50 einen Durchmesser von 5 mm (0,19 Inch). Im Gegensatz dazu beträgt der Durchmesser des mit konstanten Durchmesser ausgebildeten Ziehbereiches eines Stempels für eine herkömmliche dichte Verbindung ohne eine Stufe 4,5 mm (0,18 Inch). Der zweite Ziehbereich 56 hat nahe seinem theoretischen Schnitt mit der Stufe 54 einen Durchmesser von 0,53 mm (0,21 Inch). Es wurde herausgefunden, daß es vorteilhaft ist, den Stempel 38 in die Materiallagen 16 und 18 in ausreichender Tiefe einzudrücken, so daß die Ecke zwischen der Stufe 54 und dem zweiten Ziehbereich 56 koplanar mit den Berührflächen zwischen der ersten und zweiten Materiallage 16 bzw. 18 ist. Die Ziehtiefe kann grob wie folgt berechnet werden:
dt = T&sub1; + T&sub2;,
wobei dt als die Gesamttiefe des Stempels zwischen einer Oberfläche der ersten Materiallage 16 unmittelbar neben der Abstreiferspitze 34 zum distalen Ziehende 50 ist;
T&sub1; die Dicke der ersten Materiallage 16 ist;
und T&sub2; die Dicke der zweiten Materiallage 18 ist.
Es kann auch vorteilhaft sein, zur rechten Seite der vorstehenden Gleichung 0,38 mm (0,015 Inch) zuzuaddieren, um einen Fehlerbereich zu ermöglichen.
Bezugnehmend auf Fig. 2 und 3 hat die Matrize 12 einen im wesentlichen zylindrischen Amboß 60, der von einem Satz von Schneiden- bzw. Matrizenlamellen 92 umgeben ist, die während der Ausbildung der Verbindung 14 lateral vom Amboß 90 wegbewegbar sind. Der Amboß 90 hat vorzugsweise eine flache Fläche, die der flachen Fläche des distalen Stempelendes 50 des Stempels 38 spiegelbildlich ist. Die Matrizenlamellen 92 werden an der Matrize 12 mittels eines elastomeren Bandes 98 gehalten. Das elastomere Band 98 ist expandierbar, um zu ermöglichen, daß die Matrizenlamellen 92 von dem Amboß 90 während der Ausbildung der Verbindung 14 wegschwenken. Das elastomere Band 98 dient dann dazu, die Matrizenlamellen 92 nach Entfernen der Verbindung 14 aus der Matrize 12 zurück zum Amboß 90 zu bewegen. Das elastomere Bauteil 98 kann alternativ durch eine abgekantete Feder, eine Kompressionsfeder, eine Blattfeder oder ähnliches ersetzt sein.
Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Verbindung 14 zwischen der ersten Materiallage 16 und der zweiten Materiallage 18 durch nominelle Segmente 100, ausgenommene oder Seitenwandsegmente 102, auswärts expandierte Segmente 104 und Brückensegmente 106 gebildet. Zusätzlich hat das ausgenommene Segment 102 der ersten Materialschicht 16 eine Innenfläche 120. Ein abgestuftes Segment 122 der ersten Materiallage 16 ist längs der Innenfläche 120 so benachbart mit einer Biegung 124 angeordnet.
Die erfindungsgemäße dichte Verbindung und die zur Herstellung der Verbindung verwendete erfindungsgemäße Vorrichtung führen gegenüber herkömmlichen Verbindungen zu überraschend deutlichen Vorteilen. Der abgestufte Bereich des erfindungsgemäßen Stem pels wird derart, daß er ein abgestuftes Segment innerhalb der Verbindung erzeugt, wodurch sonst nutzloses Material zu dem expandierten Segment der Verbindung bewegt wird.
Der abgestufte Stempel 38 verwendet zwei unterschiedliche Durchmesser, die auf einen jeweiligen Bereich der Verbindung wirken. Dieser Stempel 38 bringt zwei Stempeleindringungen in die Materiallagen 16 und 18 in einem einzigen Pressenhub. Er löst das Problem, daß die Seitenwand nur auf Kosten einer Verminderung der gegenseitigen Verblockung verdickt werden kann. Während des Verfahrens der Ausbildung einer abgestuften Verbindung wirkt der erste Ziehbereich 52 mit kleinem Durchmesser wie der normale Stempel, der Material zu der Matrizenöffnung zur Ausbildung einer Verbindung zieht. Der zweite Ziehbereich 56 mit größerem Durchmesser wirkt wie ein zweiter Stempel, der etwas Material in der Seitenwand der Stempelseite extrudiert und abwärts drückt, so daß eine becherförmige innere Ausnehmung darin geschaffen wird. Tatsächlich quetscht der erste Ziehbereich das Blech am Boden des Bechers (Brückensegmente 106) zwischen dem Stempel und der Matrize und der zweite Bereich des Stempels 38 quetscht das Material in der Seitenwand des Bechers. Die fertige Verbindung 14 wird dann aus der Matrize und dem Stempel entnommen.
Die Wirkung des größeren zweiten Ziehbereiches hat erwartungsgemäß die folgenden Effekte: Vergrößerung des Materialvolumens in dem Verbindungselement; Verdickung der becherförmigen Wand in der Verbindung; Ausquetschen des Materials unmittelbar unterhalb der becherförmigen Wand nach außen, um die gegenseitige Verblockung zu vergrößern; Vergrößern der Härtung des Materials in der verdünnten Wand und Verriegeln durch Einbringen von mehr Verformung in das Material. Die zweite Wirkung vergrößert die Bruchfestigkeit, während die dritte Wirkung in einer besseren Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Abziehausfall führt. Die letzte Wirkung verbessert sowohl die Bruchfestigkeit als auch die Abziehfestigkeit.
Es besteht ein Unterschied in der Dicke des verdünnten Bereiches und der Gestalt der Verriegelung zwischen den gestuften und den herkömmlichen lecksicheren Verbindungen. Bei der mit Hilfe des abgestuften Stempels hergestellten Verbindung ist die becherförmige, mit einer Ausnehmung ausgebildete Wand dicker und das Material in dem verblockenden, expandierten Segment, insbesondere in dem Spalt zwischen den Matrizenlamellen, bewegt sich mehr nach außen als bei herkömmlichen Verbindungen. Dies trägt zu einer Erhöhung sowohl der Bruchfestigkeit als auch der Abziehfestigkeit bei. Darin liegt der Grund, daß die erfindungsgemäße Verbindung, die mittels des abgestuften Stempels hergestellt wird, ein höheres Lasttragvermögen hat.
Wie aus Fig. 8 ersichtlich, kann der Einfluß der Stempeltiefe (AD) auf die Abziehfestigkeit und den Ausfall-Mode optimiert werden. Fig. 8 zeigt Abziehversuchskräfte, abhängig von der Stempeltiefe für zwei Materiallagen aus Stahl der Güte A 366. Jedes Stahlblech hat eine Dicke von 1,5 mm (0,060 Inch), während der Stempeldurchmesser 5 mm (0,190 Inch) betrug und der Kopfdurchmesser (BD) mit 7,2 mm (0,285 Inch) gemessen wurde. Die Kurve 200 zeigt schematisch den Ausfall in Form von Bruchversuchergebnissen. Der Schnittpunkt 204 der beiden Kurven gibt die optimale Stempeltiefe für die erfindungsgemäße Verbindung an.
Bezugnehmend auf Fig. 9 ist der Einfluß des Kopfdurchmessers BD, basierend auf der Abziehfestigkeit und dem Ausfall-Mode dargestellt. Der Versuch verwendet zwei Stahlbleche, Güte A 366, jedes mit einer Dicke von 1,5 mm (0,060 Inch). Der für diesen Versuch verwendete Stempel hat einen ersten Ziehbereichsdurchmesser von 0,190 Inch, während die Stempeltiefe (AD) mit 1 mm (0,040 Inch) gemessen wurde. Die Kurve 250 gibt die Abziehausfallversuchsergebnisse an, während die Kurve 252 die Seitenwandbruchausfallergebnisse angibt. Der Schnittpunkt 254 zwischen den Kurven 250 und 252 zeigt den optimalen Kopfdurchmesser. Es versteht sich, daß zusätzliche "trial and error" Versuche erforderlich sein können, um die verschiedenen Stempel und Amboßabmessungen, basierend auf jeweiligen Blechmaterialchargendicken und unterschiedlichen Materialtypen einzustellen.
Versuchsergebnisse, die die erheblichen Verbesserungen der erfindungsgemäßen Verbindung darstellen, sind aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich. Fig. 4 zeigt graphisch einen Scherfestigkeitsversuch, der herkömmliche lecksichere Verbindungen 140 ohne Stufe mit den erfindungsgemäßen lecksicheren Verbindungen 142 mit einem abgestuften Segment darin vergleicht. Beide Verbindungen wurden unter Verwendung von ersten Ziehbereichen mit 5 mm (0,190 Inch) hergestellt. Eine Instro-Maschine der 8000er Serie wurde verwendet, um die Versuche durchzuführen. Es ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Verbindung gemäß Fig. 4 eine deutlich verbesserte Scherfestigkeit gegenüber der herkömmlichen Verbindung ohne Stufe aufweist.
Fig. 5 stellt graphisch einen Abziehfestigkeitsversuch dar, der die erfindungsgemäße lecksichere Verbindung 144 mit einer herkömmlichen lecksicheren Verbindung 146 ohne Stufe vergleicht. Wiederum wurden zwei Versuche für jede Art von Verbindung durchgeführt. Es ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Verbindung 144 mit der Stufe eine deutlich verbesserte Abziehfestigkeit gegenüber der herkömmlichen Verbindung 146 hat. Aluminium der Güte 5754 mit einer Dicke von 2 mm wurde für jedes Materialblech für die genannten Scher- und Abziehversuche verwendet. Bei der herkömmlichen Verbindung hatte der Kopf einen Durchmesser von 7,5 mm (0,298 Inch) (BD), während die erfindungsgemäße Verbindung einen Kopfdurchmesser von 8,2 mm (0,323 Inch) hatte. Die Amboßtiefe (AD) der Verbindung betrug 1 mm (0,040 Inch) bei der herkömmlichen Verbindung und 1,1 mm (0,045 Inch) bei der erfindungsgemäßen Verbindung.
Abziehfestigkeitsversuchsergebnisse für zwei Stahlbleche sind in Fig. 6 dargestellt. Es wurde Stahl der Güte A 366, 14Gauge, verwendet. Der abgestufte Stempel hatte eine Amboßtiefe (AD) von 1,3 mm (0,050 Inch) und erzeugte einen Kopfdurchmesser (BD) von 8,1 mm (0,320 Inch), während der herkömmliche Stempel eine Amboßtiefe (AD) von 1,1 mm (0,045 Inch) hatte und einen Kopfdurchmesser (BD) von 7,7 mm (0,305 Inch) erzeugte. Die Ergebnisse für den abgestuften Stempel sind mit durchgezogenen Linien 300 dargestellt und die Ergebnisse für die herkömmliche Verbindung, ohne Stufe darin, sind in den gestrichelten Linien 302 dargestellt. Der Versuch mit der abgestuften erfindungsgemäßen Verbindung 300 wurde zweimal wiederholt, während der Versuch mit der herkömmlichen Verbindung 302 dreimal wiederholt wurde. Fig. 7 stellt graphisch die Abziehfestigkeitsversuchsergebnisse für den Stahl mit gleichen Abmessungen, Stempelvorrichtung und Verbindung wie in Fig. 6, dar. Die abgestufte erfindungsgemäße Verbindung ist mit durchgezogenen Linien 350 dargestellt. Der Versuch wurde für die erfindungsgemäße Verbindung 350 fünfmal wiederholt und für die herkömmliche Verbindung 352 zweimal wiederholt.
Im Vorstehenden wurde die bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung und Verbindung beschrieben; es ist jedoch ersichtlich, daß verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können, ohne die Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann der Stempel der Erfindung mehrere abgestufte Bereiche mit zwischen drei und mehr Ziehbereichen mit unterschiedlichem Durchmesser aufweisen. Weiter können, obwohl der erfindungsgemäße Stempel als mit zylindrischen Bereichen ausgebildet beschrieben wurde, diese Ziehbereiche alternativ ovale, sternförmige, polygonale oder andere Formen haben. Das distale Ziehende des Stempels oder der Amboßfläche bzw. -seite der Matrize können ebenfalls eine Vielzahl von gekurvten, geschlitzten oder winkeligen Gestalten haben. Weiter können andere Matrizenkonstruktionen in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Stempel bzw. der erfindungsgemäßen Verbindung verwendet werden. Jeder der Materiallagen kann aus Metall, Vinyl, Polymer, Verbund oder anderen verformbarem Material bestehen. Es versteht sich, daß auch drei oder mehr Materiallagen in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden können. Die abgestufte Konfiguration der Erfindung kann auch in der TOX® Verbindung verwendet werden, wobei eine Matrizen- bzw. Werkzeuglamelle um einen Amboß herum befestigt ist und sich teilweise über ihn erstreckt, wobei dazwischen ein Trog ausgebildet ist. Die TOX®-Verbindung wird durch eine matrizenseitige zweite Materiallage gebildet, die gezwungen ist, sich abwärts in dem Trog zu expandieren, wenn eine erste stempelseitige Materiallage auswärts expandiert wird, um mit der zweiten Materiallage in gegenseitig verblockende Beziehung zu kommen. Unterschiedliche Materialien und Abmessungen wurden beispielsweise beschrieben; selbstverständlich kann eine Vielzahl anderer Materialien und Abmessungen verwendet werden. Mit den nachfolgenden Ansprüchen sollen diese und andere Abweichungen von den beschriebenen Ausführungsformen abgedeckt werden, die in deren Schutzumfang fallen.

Claims

1. Eine zwischen wenigstens einer ersten Materiallage (16) und einer zweiten Materiallage (18) ausgebildete Verbindung, die von einem einzigen, sich bewegenden abgestuften Stempel (38) erzeugt wird, der gegen eine Matrizenbaugruppe (12) mit einem festen Amboß (90) und einem Satz seitlich bewegbarer Matrizenlamellen (92) wirkt, welche Verbindung enthält:

nominelle Segmente (100) der ersten und zweiten Materiallage (16, 18);

ausgenommene Segmente (102) der ersten und zweiten Materiallage (16, 18), die in den nominellen Segmenten (100) ausgebildet sind; und

ein abgestuftes Segment (122) der ersten Materiallage (16), das längs wenigstens eines Bereiches des ausgenommenen Segments der ersten Materiallage (16) durch Bewegung des abgestuften Stempels ausgebildet ist, wobei die Ecke des abgestuften Segments (122) koplanar mit den Berührflächen der Segmente der ersten und zweiten Materiallagen (16, 18) ist;

wodurch der abgestufte Stempel, der feste Amboß und die Matrizenlamellen dazu dienen, das Material in der Verbindung zu vermehren, während die erste Materiallage (16) mit der zweiten Materiallage in sich gegenseitig verblockenden Eingriff kommt.

2. Verbindung nach Anspruch 1, wobei eine Innenfläche (120) des ausgenommenen Segments (102) der ersten Materiallage (16) im wesentlichen zylindrische Gestalt hat.

3. Verbindung nach Anspruch 2, wobei das abgestufte Segment (122) längs wenigstens eines Teils der Innenfläche der ersten Materiallage (16) benachbart zu einer Biegung zwischen den ausgenommenen und nominellen Segmenten (100, 102) der ersten Materiallage (16) angeordnet ist.

4. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter enthaltend ein auswärts expandiertes Segment (104) der ersten Materiallage (16), das von dem ausgenommenen Segment (102) davon ausgeht und in verblockendem Eingriff mit der zweiten Materiallage (18) ist; und

Brückensegmente (106), die zwischen dem auswärts expandierten Segment (104) der ersten Materiallage (16) und einem auswärts expandierten Segment (104) der zweiten Materiallage (18) verlaufen.

5. Verbindung nach Anspruch 4, wobei die Brückensegmente (106) der ersten und der zweiten Materiallage (16, 18) im wesentlichen flach und parallel zu den nominellen Segmenten (100) sind.

6. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bildung des abgestuften Segments (122) verursacht, daß Material zu dem auswärts, expandierten Segment (104) der ersten Materiallage verschoben wird.

7. Verfahren zum Herstellen einer Verbindung mit einem Kopfdurchmesser zwischen wenigstens einer ersten Materiallage (16) und einer zweiten Materiallage (18) unter Verwendung eines längs beweglichen Stempels (38) und eines festen Ambosses (90), welches Verfahren enthält:

(a) Zusammendrücken von Segmenten (106) der ersten und zweiten Materiallage (16, 18) zwischen dem beweglichen Stempel (38) und dem festen Amboß (90);

(b) Erzeugen eines abrupt abgestuften Segmentes (122) in der ersten Materiallage (16) dem Stempel nächstliegend;

(c) zwangsläufiges Verschieben von Material aus dem abgestuften Segment (122) der ersten Materiallage (16) zu einem weiteren ausgenommenen Segment (102) in dem gleichen Stempelvorgang wie er im Schritt (b) verwendet wird, wobei alle abgestuften Segmente (122) seitlich innerhalb des Kopfdurchmessers der Verbindung ausgebildet werden, die Ecke des abgestuften Segments (122) koplanar mit den Berührflächen der ersten und zweiten Materiallagen (16, 18) ist;

(d) Auswärtsexpandieren eines Segments der ersten Materiallage (16);

(e) in verblockenden Eingriff Bringen eines expandierten Segmentes der ersten Materiallage (16) mit einem benachbarten Segment der zweiten Materiallage (18); und

(f) Abziehen der Materialbahnen aus ihrer Lage zwischen dem Stempel (38) und dem festen Amboß (90).

8. Verfahren nach Anspruch 7, weiter enthaltend Expandieren des benachbarten Segments der zweiten Materiallage (18) neben dem expandierten Segment der ersten Materiallage (16).

9. Vorrichtung zum Verbinden von Materiallagen, welche Vorrichtung enthält:

einen längs einer Längsachse beweglichen Stempel (38) mit einem zylindrischen ersten Bereich (52) an dem distalen Ende und einem längs benachbarten zylindrischen zweiten Bereich (56), wobei der erste Bereich (52) eine kleinere seitliche Abmessung relativ zu dem zweiten Bereich (56) hat;

eine zwischen dem ersten und zweiten Bereich (52, 56) des Stempels angeordnete seitliche Stufe (54), wobei wenigstens eine Sektion der Stufe gekrümmt ist;

einen Satz seitlich bewegbarer Matrizenlamellen (92), die neben einer Oberfläche von vom Stempel (38) abgewandten Materiallagen angeordnet sind;

wobei der Stempel (38) betriebsmäßig gegen die Materiallagen (16, 18) bewegbar ist, um die Materiallagen (16, 18) in lecksicherer Weise zwangsläufig zu verformen und in verblockenden gegenseitigen Eingriff zu bringen, wobei eine Verbindung mit einem Kopfdurchmesser ausgebildet wird, wobei die Stufe (54) des Stempels (38) bewegbar ist, um zwangsläufig eine Stufe in wenigstens einer der Materiallagen (16, 18) zu schaffen, welche von der Stufe (54) des Stempels (38) erzeugte Stufe einen kleineren Durchmesser als der Kopf der Verbindung hat; und

einen neben dem Stempel angeordneten Abstreifer (34), der die Materiallagen (16, 18) während der Vorwärtsbewegung des Stempels (38) nicht wesentlich verformt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, weiter enthaltend eine an dem Stempel (38) am Übergang zwischen dem ersten Bereich (52) und der Stufe (54) des Stempels angeordnete Hohlkehle (72).

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, weiter enthaltend einen Radius (74), der an dem Stempel (38) am Übergang zwischen der Stufe (54) und dem zweiten Bereich (56) des Stempels angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, weiter enthaltend einen Radius (70), der an dem Stempel am Übergang zwischen dem distalen Ende und dem ersten Bereich (52) des Stempels angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiter enthaltend:

einen Amboß (90), der koaxial mit dem ersten und zweiten Bereich des Stempels (38) ausgerichtet ist und eine Fläche aufweist, die mit im wesentlichen spiegelbildlicher Gestalt übereinstimmend mit dem distalen Ende des Stempels (38) ausgebildet ist, wobei der Satz der Matrizenlamellen (92) den Amboß (90) im wesentlichen umgibt und seitlich von dem Amboß (90) während der zwangsläufigen Verformung der Materiallagen (16, 18) wegbewegbar ist; und

Mittel (98) zum Halten des Satzes der Matrizenlamellen (92) an dem Amboß (90) und zum Rückbewegen des Satzes der Matrizenlamellen (92) gegen den Amboß (90) bei Entfernen der Materiallagen (16, 18).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei bei der zwangsläufigen Verformung der Materiallagen (16, 18) zwischen dem Stempel (38) und dem Amboß (90) erste Segmente der Materiallagen (16, 18), die dem Übergang zwischen dem distalen Ende und dem ersten Bereich (52) des Stempels (38) benachbart sind, seitlich expandiert werden, so daß sie in verblockenden Eingriff kommen, und die Stufe (54) und der zweite Bereich (56) des Stempels (38) ein zweites Segment von wenigstens einer der Materiallagen (16, 18) weiter verformen und gegen das erste Segment der Materiallagen (16, 18) drücken.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiter enthaltend einen Amboß (90), wobei der Satz von Matrizenlamellen (92) stationär um den Amboß (90) herum angeordnet ist und ihn zumindest teilweise überragt, wobei zwischen dem Amboß (90) und den Matrizenlamellen (92) ein Trog ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Stufe (54) mit 1 2/3 nominaler Dicke einer der Materiallagen (16, 18) von dem distalen Ende des Stempels (38) entfernt angeordnet ist.