EP0546270B1 - Verfahren zum lokalen Umformen von sprödem Material - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for the local forming of brittle material.
- the invention relates in particular, but not exclusively, to the joining of sheets by means of clinching techniques.
- Such processes are widely known.
- This technology has established itself as an economical manufacturing process in many areas, for example in vehicle construction, in air conditioning technology, in mechanical engineering when it comes to mass production.
- Such joining processes can be used with many metals and plastics. So far, however, it has not been possible to join brittle materials, such as certain aluminum alloys, with such techniques because their elasticity is not sufficient; In general, such brittle materials can only be formed without cutting in a narrow framework.
- the object of the invention is to provide a method that allows larger changes in shape of brittle materials than previously possible.
- the penetration of sheets made of brittle aluminum alloys should be made possible.
- Known clinching tools of the types mentioned initially generally comprise a die which delimits a cavity into which the sheet metal material is deformed by means of a stamp; An anvil, which forms the die base, is arranged opposite the stamp work surface.
- the sheet material is placed under pressure in that the anvil is subjected to a corresponding spring preload in the direction opposite to the working stroke of the stamp.
- clinching tools are known in which the anvil is spring-biased in the same direction.
- US-A-3,771,216 discloses such an arrangement, the anvil-spring combination serving as an ejector which is intended to detach the joint from the die.
- US-A-4,584,753 discloses a die in which the anvil protrudes spring biased over the die edge; here the cantilevered anvil stub serves as a centering element which is intended to position a pre-perforated sheet with respect to the die and with respect to the stamp. In both cases, however, the force generated by the spring is orders of magnitude lower than the forces to be applied according to the invention.
- FIG. 1 shows the position of the components (designed for simplicity with a circular cross-section) at the beginning of the joining process.
- FIG. 2 at the end of the joining process in axial section.
- An anvil 12 is slidably seated in a die 10, guided in a die bore 14.
- the upper section of the bore delimits the cavity 16 into which the material is deformed (cf. FIG. 2).
- a shoulder 18 serves as an upper stop for a collar 20 molded onto the anvil.
- Thread 22 is cut into the subsequent lower part of the die hole with a larger diameter and a lower stop 24 is screwed in.
- a strong spring, here a pressure coil spring 26, is clamped between it and the collar 20 of the anvil, which biases the anvil into its upper end position, shown in FIG. 1. It can be seen that the anvil protrudes beyond the front working surface 28 of the die and is chamfered all around before joining.
- the punch 30, driven, for example, by a hydraulic unit, first clamps the sheets 32, 34 to be joined between its working surface and the anvil, as a result of which the sheet material is subjected to a pressure load corresponding to the preload by the spring 26. During the joining, this pressure load initially increases until the anvil is pressed back into the die bore, surprisingly no material breakage occurs. Finally, the anvil sits on the lower stop and the punch pushes material into the space that is left free from the anvil chamfer, causing the stapling. It can be seen that the pressure load is effective not only before but also during enforcement.
- the die can be hinged for easier removal and can be undercut in the area of the cavity, all of which is already known in the case of joining tools, but which could also be used here advantageously.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum lokalen Umformen von sprödem Material.
- Die Erfindung bezieht sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf das Verbinden von Blechen mittels Durchsetzfügetechniken. Solche Verfahren sind vielfältig bekannt. Beispielsweise sei verwiesen auf die Druckschriften GB-A-2069394, EP-A-215 449, US-A-4,757,609 und US-A-5,046,228. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß Bleche flächig aufeinandergelegt werden und lokal Material beider Bleche nach einer Seite durchgesetzt wird, wobei dafür gesorgt wird, daß das Material der Bleche im durchgesetzten Butzen eine kraft- und formschlüssige Verklammerung erfährt.
- Diese Technik hat sich als wirtschaftliches Fertigungsverfahren in vielen Bereichen durchgesetzt, etwa im Fahrzeugbau, in der Klimatechnik, im Maschinenbau dann, wenn es um Massenfertigung geht.
- Solche Fügeverfahren lassen sich bei vielen Metallen und Kunststoffen einsetzen. Bisher war ews aber nicht möglich, spröde Materialien, wie etwa bestimmte Aluminiumlegierungen, mit solchen Techniken zu fügen, da deren Dehnbarkeit nicht ausreichend ist; ganz generell gilt, daß solche spröden Materialien nur in engem Rahmen spanlos umformbar sind.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das größere Formänderungen spröder Materialien als bisher möglich erlaubt. Speziell soll das Durchsetzfügen von Blechen aus spröden Aluminiumlegierungen ermöglicht werden.
- Die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 1; die von ihm abhängenden Ansprüche definieren bevorzugte Anwendungen des Verfahrens.
- Es ist bisher nicht bekannt, welche Phänomene der empirisch festgestellten Tatsache zugrundeliegen, daß bei der Umformung unter zusätzlicher Druckbelastung keine Sprödbrüche auftreten, während eine gleichgroße Umformung ohne solche Druckbelastung zum Sprödbruch führt. Die Druckbelastung hat ja innerhalb des elastischen Bereichs des Spannungs-Dehnungs-Diagramms zu bleiben und wird beim Umformen, bei dem ja notwendigerweise der gesamte elastische Bereich durchlaufen werden muß, bevor eine plastische Verformung eintritt, kompensiert. Hier werden noch nähere Untersuchungen Aufschluß geben müssen.
- Bekannte Durchsetzfügewerkzeuge der eingangs genannten Bauarten umfassen generell eine Matrize, die einen Hohlraum begrenzt, in den hinein das Blechmaterial mittels eines Stempels verformt wird; der Stempelarbeitsfläche gegenüber ist ein Amboß angeordnet, der den Matrizenboden bildet. Bei einer sehr einfachen Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Blechmaterial dadurch unter Druckbelastung gesetzt, daß der Amboß einer entsprechenden Federvorspannung in Richtung entgegen dem Arbeitshub des Stempels ausgesetzt wird. Dabei ist anzumerken, daß Durchsetzfügewerkzeuge bekannt sind, bei denen der Amboß in gleicher Richtung federvorgespannt ist. So offenbart US-A-3,771,216 eine solche Anordnung, wobei die Kombination Amboß-Feder als Auswerfer dient, der die Fügestelle aus der Matrize lösen soll. US-A-4,584,753 offenbart eine Matrize, bei der der Amboß im Ruhezustand federvorgespannt über den Matrizenrand hinausragt; hier dient der auskragende Amboßstummel als Zentrierorgan, der ein vorgelochtes Blech bezüglich der Matrize und bezüglich des Stempels positionieren soll. In beiden Fällen ist jedoch die von der Feder erzeugte Kraft um Größenordnungen geringer als die erfindungsgemäß aufzubringenden Kräfte.
- Ein einfaches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der beigefügten Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 die Position der Komponenten (der Einfachheit halber mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet) zu Beginn des Fügevorgangs` Fig. 2 am Ende des Fügevorgangs jeweils im Axialschnitt.
- In einer Matrize 10 sitzt gleitbeweglich ein Amboß 12, geführt in einer Matrizenbohrung 14. Der obere Abschnitt der Bohrung begrenzt den Hohlraum 16, in den hinein das Material verformt wird (vgl. Fig. 2). Eine Schulter 18 dient als oberer Anschlag für einen an den Amboß angeformten Bund 20. In den anschließenden unteren Teil der Matrizenbohrung mit größerem Durchmesser ist Gewinde 22 geschnitten und ein unterer Anschlag 24 eingeschraubt. Zwischen ihm und dem Bund 20 des Ambosses ist eine kräftige Feder, hier eine Durckschraubenfeder 26, eingespannt, die den Amboß in seine obere, in Fig. 1 dargestellte Endlage vorspannt. Man erkennt, daß der Amboß vor dem Fügen über die stirnseitige Arbeitsfläche 28 der Matrize hinausragt und ringsum abgefast ist.
- Der Stempel 30, angetrieben beispielsweise von einem Hydraulikaggregat, spannt die zu fügenden Bleche 32, 34 zunächst zwischen seiner Arbeitsfläche und dem Amboß ein, wodurch das Blechmaterial einer Druckbelastung unterworfen wird entsprechend der Vorspannung durch die Feder 26. Während des Fügens erhöht sich diese Druckbelastung zunächst, bis der Amboß in die Matrizenbohrung zurückgedrückt wird, wobei überraschenderweise kein Materialbruch erfolgt. Schließlich sitzt der Amboß auf dem unteren Anschlag auf, und der Stempel drückt Material in den Raum, der von der Amboßfase freigelassen ist, wodurch die Verklammerung erfolgt. Man erkennt, daß hier die Druckbelastung nicht nur vor, sondern auch während des Durchsetzens wirksam ist.
- Die Matrize kann zwecks erleichterter Entnahme aufklappbar sein und im Bereich des Hohlraums hinterschnitten sein, was alles bei Fügewerkzeugen bereits bekannt ist, aber auch hier mit Vorteil anwendbar wäre.
Claims (4)
- Verfahren zum lokalen Umformen von Material durch Zugbelastung, bei dem das Material zugleich einer Druckbelastung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umformung von sprödem Material eine hohe, jedoch innerhalb des elastischen Bereichs liegende Druckbelastung bereits vor Beginn der Zugverformung angewandt wird.
- Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf das Umformen von spröden Aluminiumlegierungen.
- Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf das Durchsetzfügen von Blechen.
- Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 3, bei dem die zu fügenden Bleche einer Druckbelastung in Richtung senkrecht zu ihrer Oberfläche unterworfen werden.
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