EP0330061B1 - Vorrichtung zum Durchsetzfügen von Blechwerkstücken - Google Patents

Vorrichtung zum Durchsetzfügen von Blechwerkstücken Download PDF

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EP0330061B1
EP0330061B1 EP89102558A EP89102558A EP0330061B1 EP 0330061 B1 EP0330061 B1 EP 0330061B1 EP 89102558 A EP89102558 A EP 89102558A EP 89102558 A EP89102558 A EP 89102558A EP 0330061 B1 EP0330061 B1 EP 0330061B1
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EP
European Patent Office
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die
anvil
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outline
plate
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EP0330061A2 (de
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Gerd-Jürgen Eckold
Hans Maass
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ECKOLD, GERD-JUERGEN
Maass Hans
Eckold GmbH and Co KG
Original Assignee
Walter Eckold & Co KG Vorrichtungs- und Geraetebau GmbH
Eckold Gerd-Juergen
Maass Hans
Eckold GmbH and Co KG
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Publication date
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D39/00—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders
    • B21D39/03—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders of sheet metal otherwise than by folding
    • B21D39/031—Joining superposed plates by locally deforming without slitting or piercing
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    • Y10T29/53—Means to assemble or disassemble
    • Y10T29/53996—Means to assemble or disassemble by deforming

Definitions

  • the joining tools are "open" in the direction parallel to the cuts.
  • clinching tools have also become known in which the die has a closed contour and the punch has a contour which is smaller than this, in such a way that none of the metal sheets to be joined is cut and a fluid-tight joining point is thus created.
  • Such a device is disclosed for example in DE-OS 31 06 313, Fig. 7/8.
  • the die contour is limited by its cutting parts, which are articulated on a base.
  • these tools require a relatively large amount of space, which is often not available in practice. Similar devices are disclosed in GB-A-2 189 175.
  • the object of the invention is to provide a joining device of the type specified in the preamble of claim 1, in which an easily producible, less protruding die is made possible and the non-rotatable joining points in the direction parallel to the surfaces of the workpieces have essentially the same tensile strength in all directions despite oval shape.
  • the latter existence is important for the sheet metal designer, because he then does not have to adjust the clamping direction of the joining tools to the load of the later workpiece.
  • the stamp contour in the direction of the deflection of the cutting parts has a smaller dimensional difference with respect to the die contour than in the direction perpendicular to it.
  • the deformation of the material when passing through is accordingly anisotropic, but also in the subsequent spreading step, so that the two anisotropies essentially balance out and the joining point has an essentially constant tensile strength in all directions parallel to the sheet metal surfaces.
  • the cutting parts can be produced as simple stamped parts.
  • the cutting contour is then delimited by its end faces on the one hand, by the edge of a recess made in the anvil on the other hand, which can also be produced with little effort.
  • the limitation in the anvil causes the material to spread in a targeted manner in the direction of the resilient cutting parts. This reduces the depth of penetration of the punch and the pressure required to create a joining point.
  • the contour of the stamp and the die can be designed in such a way that the joining point on the die side results in a clearly offset oval, but on the die side at least approximately as a circular projection.
  • the cutting parts can be provided with suitable coatings to increase the service life and to prevent welding.
  • the tool set shown broken away in FIGS. 1 and 2, consisting of punch 10 and die 12, is clamped in any pressing device (not shown) and moved in the direction of arrows 14 in order to join two or more sheets 16 placed between punch and die.
  • the die consists of a central anvil 18 with a recess 20, for another reason the working surface 22 is located, and two cutting parts 24, which here have the form of strong leaf springs.
  • the sheet is pushed through by the punch into the die recess, delimited by the cutting parts 24 and the anvil sections 26 on both sides of the recess 20, and when the throughput is stopped by the working surface 22 of the anvil, the material passed through flows laterally , because the cutting parts can be deflected elastically.
  • the stamp contour is oval, as can be seen in FIG. 3, and the die recess is also approximately oval (cf. FIG. 8).
  • the stamp contour is set back in relation to the die contour in such a way that neither of the two sheets is cut through when joining, and unequal in the two planes defined by the sectional planes of FIGS. 1 and 2:
  • the dimension "A” is significantly larger than the dimension "B”, and this also affects the cross-sectional shape of the finished joint connection, as shown in FIGS. 5 and 6.
  • significantly thicker material thicknesses of the penetration remain than in the extruded area of the level 6-6, the dimensions A and B and the working angle "C" of the stamp being matched to one another in such a way that the tensile strength of the joint connection is parallel in the direction to the sheets is at least approximately the same.
  • the joining point is aesthetically satisfactory when viewed from both sheet metal sides.
  • FIGS. 1 and 2 The representation according to FIGS. 1 and 2 is largely schematic in order to explain the essentials for the invention.
  • a die designed in this way would have two major disadvantages: on the one hand, a compromise in terms of strength and elasticity must be found for the cutting parts; on the other hand, it cannot be ruled out that scraped-off chips from the workpieces will get into the gap between the anvil and cutting parts and spread the latter continuously , which of course affects the joining work.
  • the cutting parts are each deflectably supported on a cutting edge 30 of a base 32 and are held in contact with the anvil 18 by leaf springs 34.
  • the cutting parts can therefore be made of very hard material, while the leaf springs ensure almost unimpeded springing open during the material spreading phase.
  • the bearings of the cutting parts are designed with an arc-shaped support facing the punch, so that any dirt falls down from the storage area.
  • the anvil is drawn in below its working area, so that there are collecting spaces 36 for chips or other dirt; these collecting spaces are located below the bearing 30.
  • Anvil, base and leaf springs can be connected to one another by means of a hollow rivet or the like, only the axis 38 of such a connecting element being indicated in FIG. 7.
  • the chip formation can be significantly reduced or even completely prevented if the edges 46 of the anvil 'and the edges 48 of the cutting parts are not sharp-edged, but are rounded off.
  • FIG. 9 shows a form of the stamp in which the depth of penetration of the stamp is limited by a collar 50 which sits on the top of the stamp-side sheet.
  • This design is recommended for thin, soft sheets to prevent the displaced material from rising.
  • the press used then does not need to have a stroke limitation, but only a force limitation, which is the case with e.g. hydraulic drive is easier.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Punching Or Piercing (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Supply And Installment Of Electrical Components (AREA)
  • Connection Of Plates (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
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  • Gasket Seals (AREA)
  • Replacement Of Web Rolls (AREA)

Description

  • Das Verbinden von Blechteilen mittels Durchsetzfügen ist in DIN 85934.-5.2.11. definiert. Die zu fügenden Bleche werden längs zweier paralleler begrenzter Linien durch einen mit einer Matrize zusammenwirkenden Stempel eingeschnitten, auf die Matrizenseite durchgedrückt und auf dieser durch Kaltfluß gebreitet, so daß eine Art Nietkopf entsteht. Beim Breiten des Materials weichen die Matrizenschneiden elastisch aus. Die Festigkeit der Verbindung ist in Richtung quer zu den Schneidlinien größer als in Richtung senkrecht dazu. Vorrichtungen zur Durchführung solcher Fügeverfahren sind in der EP-A-77 932 offenbart.
  • Bei diesen bekannten Vorrichtungen sind die Fügewerkzeuge in Richtung parallel zu den Schnitten "offen". Es sind jedoch auch schon Durchsetzfügewerkzeuge bekanntgeworden, bei denen die Matrize eine geschlossene Kontur aufweist und der Stempel eine dieser gegenüber verkleinerte Kontur besitzt, derart, daß keines der zu fügenden Bleche eingeschnitten wird und so ein fluiddichter Fügepunkt entsteht. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der DE-OS 31 06 313, Fig. 7/8, offenbart. Die Matrizenkontur wird dabei von deren Schneidenteilen begrenzt, die gelenkig an einem Sockel abgestützt sind. Diese Werkzeuge benötigen jedoch relativ viel Platz, der in der Praxis oft nicht zur Verfügung steht. Ähuliche Vorrichtungen sind in der GB-A-2 189 175 offenbert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fügevorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, bei der eine einfach herstellbare, wenig ausladende Matrize ermöglicht wird und die herstellbaren verdrehsicheren Fügepunkte in Richtung parallel zu den Flächen der Werkstücke im wesentlichen gleiche Zugfestigkeit in allen Richtungen trotz ovaler Form aufweisen. Der letztere bestand ist wichtig für den Blechkonstrukteur, weil dieser dann die Einspannrichtung der Fügewerkzeuge nicht auf die Belastung des späteren Werkstücks abzustimmen braucht.
  • Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die Stempelkontur in Richtung der Auslenkung der Schneidenteile eine geringere Abmessungsdifferenz bezüglich der Matrizenkontur aufweist als in Richtung senkrecht dazu. Die Verformung des Materials beim Durchsetzen ist demgemäß anisotrop, beim nachfolgenden Breitungsschritt aber ebenfalls, so daß die beiden Anisotropien sich im wesentlichen ausgleichen und der Fügepunkt eine im wesentlichen konstante Zugfestigkeit in allen Richtungen parallel zu den Blechflächen besitzt.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird mit Vorteil von der Lehre der eingangs genannten EP-A Gebrauch gemacht, indem die Schneidenteile als einfache Stanzteile hergestellt werden können. Die Schneidenkontur wird dann von deren Endflächen einerseits, von dem Rand einer in den Amboß eingebrachten Ausnehmung andererseits begrenzt, die sich ebenfalls mit geringem Aufwand herstellen läßt. Die Begrenzung im Amboß bewirkt, daß sich der Werkstoff gezielt in Richtung der federnden Schneidenteile ausbreitet. Hierdurch wird die erforderliche Eindringtiefe des Stempels und die benötigte Druckkraft zur Erzeugung eines Fügepunktes verringert.
  • In vielen Anwendungsfällen, etwa bei Haushaltsgeräten, Fahrzeugen usw. sind solche Fügepunkte für den Benutzer sichtbar, und es ist erwünscht, daß dieser ein ansprechendes Aussehen hat, insbesondere kreisrund nach Art eines Nietkopfes ist. In Weiterbildung der Erfindung kann man die Kontur des Stempels und der Matrize derart auslegen, daß der Fügepunkt sich auf der Stempelseite als klar abgesetztes Oval, auf der Matrizenseite jedoch mindestens annähernd als kreisrunder Vorsprung ergibt. Die Schneidenteile können zur Erhöhung der Standzeit, und um Aufschweißungen zu verhindern, mit geeigneten Beschichtungen versehen werden.
  • Es ist besonders vorteilhaft, wenn man die Funktionen "Schneiden" und "elastisch auslenken" der Schneidenteile derart voneinander trennt, daß die Schneidenteile selbst nicht verformbar sind, sondern von Blattfedern gegen den Amboß vorgespannt werden. Man kann dann für die Schneidenteile ein hochfestes Material verwenden, das das Fügen auch harter Bleche, etwa aus Edelstahl, ermöglicht. Andererseits kann man die Blattfedern aber so weich wählen, daß die Schneidenteile auch schon bei geringer Belastung ausweichen; dies ermöglicht das Fügen dünner Bleche aus weichem Material, etwa Aluminium. So kann man mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung Bleche aus Aluminium mit einer Dicke von je 0,2 mm einwandfrei fügen, was mit den vorbekannten Vorrichtungen nicht möglich ist.
  • Es ist auch vorteilhaft, die Schneidenteile auf offenen Schneidenlagern eines Sockels abzustützen und unterhalb dieser Lager Auffangräume für bei der Fügearbeit entstehenden Abrieb, Fett und dergleichen vorzusehen.
  • Schließlich ist es vorteilhaft, die matrizenseitigen Schneiden abzurunden, wodurch die mögliche Spanbildung minimal gemacht wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
    • Fig. 1 stellt im Längsschnitt die Funktionsbereiche von Stempel und Matrize einer ersten Ausführungsform dar,
    • Fig. 2 ist ein Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1, und in dieser Figur ist auch die Schnittebene der Fig. 1 eingezeichnet,
    • Fig. 3 zeigt in Draufsicht die Stempelseite einer fertigen Fügung,
    • Fig. 4 zeigt entsprechend die Matrizenseite,
    • Fig. 5 bzw. 6 sind Schnitte nach Linie 5-5 bzw. 6-6 der Fig. 3, jedoch dieser gegenüber erheblich vergrößert,
    • Fig. 7 zeigt analog Fig. 2 eine Matrize in einer zweiten Ausführungsform, und
    • Fig. 8 stellt perspektivisch und weggebrochen in Explosionsform den Amboß, ein Schneidenteil und eine Blattfeder der Matrize nach Fig. 7 dar, während
    • Fig. 9 eine alternative Form des Stempels in zu Fig. 1 analoger Seitenansicht zeigt.
  • Der in Fig. 1 und 2 weggebrochen dargestellte Werkzeugsatz, bestehend aus Stempel 10 und Matrize 12, wird in irgendeine Preßvorrichtung (nicht dargestellt) eingespannt und in Richtung der Pfeile 14 bewegt, um zwei oder mehr zwischen Stempel und Matrize gelegte Bleche 16 zu fügen. Die Matrize besteht aus einem zentralen Amboß 18 mit einer Ausnehmung 20, anderen Grund sich die Arbeitsfläche 22 befindet, und zwei Schneidenteilen 24, die hier die Form von kräftigen Blattfedern haben. Wie an sich bekannt, wird beim Pressenhub das Blech vom Stempel in die Matrzenausnehmung, begrenzt von den Schneidenteilen 24 und den Amboßabschnitten 26 beidseits der Ausnehmung 20, durchgesetzt, und wenn der Durchsatz durch die Arbeitsfläche 22 des Amboß gestoppt wird, fließt das durchgesetzte Material seitlich, weil die Schneidenteile elastisch auslenkbar sind.
  • Die Stempelkontur ist oval, wie in Fig. 3 erkennbar, und ebenso ist auch die Matrizenausnehmung annähernd oval (vgl. Fig. 8). Die Stempelkontur ist gegenüber der Matrizenkontur zurückgesetzt derart, daß beim Fügen keines der beiden Bleche durchschnitten wird, und ungleich in den beiden durch die Schnittebenen der Fig. 1 bzw. 2 definierten Ebenen:
  • Das Maß "A" ist deutlich größer als das Maß "B", und dies wirkt sich auch auf die Querschnittsform der fertigen Fügeverbindung aus, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt. In der Ebene 5-5 bleiben deutlich kräftigere Materialdicken der Durchsetzung stehen als im fließverpreßten Bereich der Ebene 6-6, wobei die Maße A und B sowie der Arbeitswinkel "C" des Stempels derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Zugfestigkeit der Fügeverbindung in Richtung parallel zu den Blechen mindestens annähernd gleich ist. Wie Fig. 3 und 4 erkennen lassen, ist der Fügepunkt von beiden Blechseiten gesehen ästhetisch befriedigend.
  • Die Darstellung nach Fig. 1 und 2 ist weitgehend schematisch, um das für die Erfindung Wesentliche zu erläutern. Eine so ausgeführte Matrize hätte zwei wesentliche Nachteile: Einmal muß für die Schneidenteile ein Kompromiß bezüglich der Festigkeit und der Elastizität gefunden werden, zum andern istnicht auszuschließen, daß beim Fügen abgeschabte Späne der Werkstücke in den Spalt zwischen Amboß und Schneidenteile gelangen und die letzteren dauernd abspreizen, was natürlich die Fügearbeit beeinträchtigt.
  • Aus diesen Gründen ist eine Konstruktion gemäß Fig. 7 und 8 für die Matrize bevorzugt. Die Schneidenteile sind auf je einer Schneide 30 eines Sockels 32 auslenkbar abgestützt und werden von Blattfedern 34 in Anlage am Amboß 18 gehalten. Die Schneidenteile können daher aus sehr hartem Material gefertigt werden, während die Blattfedern ein nahezu unbehindertes Auffedern bei der Phase der Materialbreitung gewährleisten. Die Lager der Schneidenteile sind hier mit einer dem Stempel zugekehrten kreisbogenförmigen Auflage ausgeführt, so daß etwaige Verschmutzungen aus dem Lagerbereich nach unten fallen. Der Amboß ist unterhalb seines Arbeitsbereichs nach innen eingezogen, so daß sich Sammelräume 36 für Späne oder anderen Schmutz ergeben; diese Sammelräume liegen unterhalb der Lager 30. Amboß, Sockel und Blattfedern können durch einen Hohlniet oder dergleichen miteinander verbunden werden, wobei in Fig. 7 nur die Achse 38 eines solchen Verbindungselements angedeutet ist.
  • Damit die Schneidenteile auf ihren Lagern 30 gehalten werden, weisen die Schneidenteile seitliche Ausschnitte 40 auf, in die abgewinkelte Lappen 42 der zugehörigen Blattfeder 34 greifen; die freien Enden dieser Lappen sind mit Abwinkelungen 44 versehen, die das zugehörige Schneidenteil formschlüssig umklammern. Der Platz dafür wird durch das Einziehen des Amboß′ geschaffen.
  • Die Spanbildung kann erheblich vermindert oder sogar ganz unterbunden werden, wenn die Kanten 46 des Amboß′ und die Kanten 48 der Schneidenteile nicht scharfkantig sind, sondern abgerundet werden.
  • Die Fig. 9 stellt eine Form des Stempels dar, bei der die Eindringtiefe des Stempels durch einen Bund 50 begrenzt wird, der sich auf die Oberseite des stempelseitigen Blechs setzt. Diese Bauart empfiehlt sich bei dünnen, weichen Blechen, um ein Hochsteigen des verdrängten Materials zu unterbinden. Außerdem braucht die verwendete Presse dann keine Hubbegrenzung, sondern nur eine Kraftbegrenzung aufzuweisen, was bei z.B. hydraulischem Antrieb einfacher ist.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Durchsetzfügen von Blechwerkstücken mit einem Stempel (10) und einer Matrize (12), die einen stationären Amboß (18) und zwei in vorgegebener Richtung elastisch auslenkbare Schneidenteile (24) umfaßt, wobei die dem Stempel (10) zugekehrte Seite der Matrize (12) eine geschlossene Matrizenkontur des Durchsetzbereichs begrenzt, während die Stempelkontur gegenüber der Matrizenkontur soweit verkleinert ist, daß beim Fügen keines der Werkstücke durchtrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempelkontur in Richtung der Auslenkung der Schneidenteile eine geringere Abmessungsdifferenz bezüglich der Matrizenkontur aufweist als in Richtung senkrecht dazu, derart, daß die Zugfestigkeit der Fügung parallel zu den Werkstückflächen im wesentlichen isotrop ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß (18) und die beiden Schneidenteile (24) einander zugekehrte ebene Flächen aufweisen und die Matrizenkontur von den beiden Schneiden der Schneidenteile sowie einer in den Amboß eingebrachten Ausnehmung (20) begrenzt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine ovale Stempelkontur und Matrizenkontur, die derart auf die Blechdicken abgestimmt sind, daß der matrizenseitige Fügepunkt im wesentlichen kreisrund ist.
4. Vorrichtung nach eine der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidenteile (24) gelenkig an einem Sockel (32) abgestützt sind und von Blattfedern (34) gegen den Amboß vorgespannt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine formschlüssige Verbindung (40,42) zwischen den Blattfedern (34) und den Schneidenteilen (24).
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidenteile (24) auf dem Sockel (32) mittels offener Schneidenlager (30) mit sokkelseitiger Schneide abgestützt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Amboß (18) und dem Sockel (32) ein Spanraum (36) ausgenommen ist, der sich in den Spalt zwischen Amboß und Schneidenteilen fortsetzt.
8. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneiden der Schneidenteile (24) abgerundet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Stempel zugekehrte Kante (46) der Amboßausnehmung abgerundet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidenteile eine verschleißmindernde Beschichtung aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel einen seine Eindringtiefe begrenzenden Bund (50) aufweist.
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