EP0948418A1 - Verfahren und vorrichtung zum mechanischen fügen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum mechanischen fügen

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EP0948418A1
EP0948418A1 EP98954413A EP98954413A EP0948418A1 EP 0948418 A1 EP0948418 A1 EP 0948418A1 EP 98954413 A EP98954413 A EP 98954413A EP 98954413 A EP98954413 A EP 98954413A EP 0948418 A1 EP0948418 A1 EP 0948418A1
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EP
European Patent Office
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joining
impact
stamp
die
sheet metal
Prior art date
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EP98954413A
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English (en)
French (fr)
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EP0948418B1 (de
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Markus Engler
Dominik Schneider
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Eckold AG
Original Assignee
Eckold AG
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Publication date
Application filed by Eckold AG filed Critical Eckold AG
Publication of EP0948418A1 publication Critical patent/EP0948418A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0948418B1 publication Critical patent/EP0948418B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49826—Assembling or joining
    • Y10T29/49908—Joining by deforming
    • Y10T29/49936—Surface interlocking
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/53—Means to assemble or disassemble
    • Y10T29/53996—Means to assemble or disassemble by deforming

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the mechanical joining of sheet metal parts according to the preamble of claims 1 and 15, respectively.
  • sheet metal parts to be joined at connection points are formed under the action of tool sets, each consisting of a punch and a die, the small spatial structures, the joining elements.
  • These joining elements are formed in that the sheet metal material of the sheet metal parts lying flat on top of one another is moved out of the sheet metal plane and compressed in a joining area. From a constructive point of view, this creates non-releasable joining elements through mechanical joining.
  • a volume region can either be pressed out or pushed through from the sheet metal parts and then deformed by upsetting, so that its width increases. In this respect, one speaks of clinching.
  • auxiliary joining parts can be in shape of punch rivets can be incorporated into the joining element during joining.
  • the individual sheet thicknesses are usually in the range between 0, 5 and 3 mm.
  • the forming energies to be applied for these mechanical joining processes are each applied by a press stroke, which provides the necessary pressing forces as joining forces.
  • the pressing forces are usually in the range between 20 and 100 kN.
  • a joining tool that can be used for this purpose is known, for example, from EP-B-77932.
  • a joining area is delimited by a punch driven by a press and a stationary die. If the punch is moved in the direction of the die, the material of the sheets is deep-drawn into a cavity of the die. If the sheet on the die side reaches the bottom of the cavity, which is formed by an anvil, and the pressure on the punch is maintained or increased, the bottom of the joint section which has been pushed through can expand laterally, since the material is compressed and the walls delimiting the die cavity on the side evade .
  • An advantage of such joining tools is that both the penetration and the upsetting of the sheet material can be carried out with a single press stroke.
  • the elements defining the side walls of the die cavity have a high strength on the one hand to serve as an abutment when pushing through, but on the other hand must be sufficiently flexible to be able to evade during upsetting. If you distribute both functions on separate elements, the matrix design becomes more complex.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for mechanical joining according to the preamble of claim 1, which enables the use of lower-cost devices which are easier and taking into account the costs of the drive units.
  • the forming energy is generated by an impact stress in the form of serially occurring blows of short duration.
  • an impacted accelerated mass transmits several impulses, which lead to an impact load.
  • the energy supplied in each individual step must be sufficient to shape the material into the plastic area while passing through the elastic range of the deformation characteristic. It is preferred not to go far beyond this minimum energy in order to make full use of the advantages of the method according to the invention.
  • the entirety of the individual blows of a mechanical joining then results in the desired joining element, which thus arises in partial steps.
  • the minimum single-step energy is surprisingly low, making it possible to create small, light and inexpensive joining devices even for joining steel sheets twice 0.5 mm and above. Since the respective reaction forces must also be absorbed in each individual step, relatively light C-arms or analog brackets can also be used.
  • a device according to the invention for an impact joining with single impact is specified in claim 15.
  • FIG. 1 shows a largely schematic side view, partly in section, of a first exemplary embodiment of a joining device with which the method according to the invention can be carried out
  • FIG. 2 shows a largely schematic side view, partly in section, of a second exemplary embodiment of a joining device with which the method according to the invention can be carried out.
  • the joining tool set further comprises a stamp 16.
  • the die 14 and the stamp 16 are of a type such as is disclosed, for example, in the aforementioned EP-B-77932.
  • the punch 16 is fastened to a guide piston 18 which is guided straight in a bore 20 of a shoulder 22 of the C-bracket 12 and is secured against rotation.
  • the Piston 18 has a collar 24 and a spring 26 is clamped between the collar 24 and a shoulder 28 which presses the guide piston 18 in the direction of the die 14. In the starting position shown here, the punch 16 is thus held or pretensioned with its working surface against the workpieces to be joined in order to prevent the punch 16 from lifting off from the sheet metal parts 30 in an initial phase of the joining process.
  • Sheets 30 to be joined rest on a support element 32, shown broken away, and are secured in the joining position by a clamp holder 34, which is preferably deliverable and also broken away.
  • the sheets 30 to be joined are at least two sheets 30 lying one on top of the other, it being quite common for more than two sheets 30 to be connected by punctiform joining elements.
  • the joining is done with a path limitation, e.g. a pneumatic pressure cut-off, designed to interrupt or end a stroke sequence, as will be explained below.
  • the necessary and sufficient joining path “X” is the distance between the collar 24 and a stop flange 36. In other embodiments, the joining path can also be adjustable.
  • the extension 22 has, in the extension of its bore 20, a straight guide bore 38 for an impact mass 40.
  • the striking mass 40 is driven in the direction of the arrow for a reciprocating movement relative to the guide piston 18.
  • the impact mass 40 is formed here by a free-flying piston, the two sides of which can be acted upon alternately and with rapid succession of compressed air. Compressed air inlets and outlets are not shown because they can be attached in a known manner.
  • the impact mass 40 works in a striking manner against the guide piston 18, which transmits the impact to the plunger 16 in each case.
  • the punch 16 thereby becomes an impact tool which introduces an impact stress into the sheets 30.
  • a sequence of individual hits is generated by the alternating application of the impact mass 40 in order to join the joining path “X” by impact stress.
  • the impact energy of the individual hits results in the punch 16 executing a single joining in partial joining sections, with each single hit the punch 16 from one The previously taken partial joining position is moved further towards the die 14 until the joining is completed.
  • the number of beats is preferably 10 to 50 beats, in particular 10 to 25 beats, per second.
  • the number of blows is particularly dependent on the type of material of the sheets, i.e. Aluminum, steel, high-strength steel etc, and the sheet thickness.
  • the path limitation already mentioned can be provided.
  • the impact stress of the sheets 30 caused by the impact mass 40 in the form of series-occurring impacts are impacts with a short impact duration, which are preferably generated in rapid succession.
  • the stroke duration of a stroke is preferably selected in the range between 0.02 and 5 ms, in particular 0.1 to 0.9 ms.
  • the shortness of the stroke is intended to ensure that the inertia of a countermeasure assigned to the moving impact mass 40, here the lower leg 10, is essentially not overcome.
  • a usual joining time can then be less than one second with a sequence of, for example, 4 to 10 individual blows when mechanically joining sheets 30 made of aluminum with sheet thicknesses of 1 mm each.
  • an arrow 42 indicates that the opening width of the bracket is adjustable, for example in order to guide the bracket over a bend behind which the joining is to be carried out.
  • the clamp holder can also serve as a wiper of the joined sheets 30 from the punch 16.
  • the usual spring-loaded wipers on the die side are less suitable here, since they would brake the transmission of impulses from the impact mass 40 to the guide piston.
  • the stamp 16 together with its guide piston 18 must of course be pressed upwards against the force of the spring 26.
  • the striking mass 40 oscillating up and down with the air column or a striking spring of a pneumatic drive can represent a vibrating system which is operated outside its resonance frequency, preferably far below its resonance frequency. Then the assembly, consisting of extension 22 and C-bracket, remains largely at a standstill, so that the device can be easily guided by hand.
  • the joining is produced by means of a single stroke of the stamp 16, which it passes through in several discrete steps.
  • the mounting of the punch and die can be pliers-shaped.
  • a force redirection over an inclined plane can also be provided.
  • systems with several or many sets of joining tools are also conceivable, in which a single large common counter-mass is provided behind the matrices.
  • a device for mechanically joining sheet metal parts accordingly comprises a tool set comprising at least one punch 16 and a die 14 having an anvil as tool set elements, between which the sheets 30 to be connected lie flat one above the other, at least one tool set element 16 or 14 for loading the sheet metal parts 30 with of a forming energy is movable, and the movable tool element is designed as a striking tool with a moving mass 40, with which a striking stress in the form of serial strikes of short duration can be introduced into the sheet metal parts 30.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a joining device, which differs from that described to Fig. 1 only in that the positions of y
  • the impact mass 40 is accelerated either electromechanically or pneumatically or by means of an arrangement which performs a periodic up and down movement in an axial direction.
  • the ignition of an explosive can also be used.
  • the different drive means all enable percussion joining according to the invention.
  • the tool element which is not designed as a striking tool, can additionally be designed to be movable with respect to the striking tool. 1, the die 14 can then additionally be moved towards the punch 16.
  • the joining device according to the invention can be designed with a long projection.
  • the lower leg 10 according to FIG. 1 can be designed as a long-armed, one-armed lever which extends from the C-bracket 12. The same naturally applies to the leg which bears the associated stamp 16.
  • a method according to the invention for the mechanical joining of sheet metal parts in which sheet metal material is displaced and compressed together from a sheet metal plane under the action of a forming energy by means of a tool set comprising at least one punch and a die having an anvil, it is accordingly provided that the forming energy or forming work is carried out an impact stress is generated in the form of serial strikes of short duration.
  • the reaction forces can be absorbed by a counterweight arranged on the side of the tool set facing away from the impacting mass.
  • the size of the pulses can be dimensioned such that the forming energy supplied per pulse causes a relatively small plastic deformation of the materials to be joined.
  • the impact sequence of the individual impacts, the number of impacts as well as their duration can be selected, as described above for the joining devices in connection with FIGS. 1 and 2. Furthermore, an impact work taken up by the sheets 30 due to the impact stress per impact can preferably be in the range of 7 to 20 joules.
  • auxiliary joining part can be incorporated into the joining.
  • Auxiliary joining parts are punch rivets, in particular those with semi-hollow rivets, which remain in the joining zone.

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Description

Verfahren und Vorrichtung zum mechanischen Fügen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Blechteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 15.
Beim mechanischen Fügen mittels Umformen werden an Verbindungsstellen zu verbindende Blechteile unter der Wirkung von Werkzeugsätzen, die jeweils aus Stempel und Matrize bestehen, kleine räumliche Gebilde geformt, die Fügeelemente. Diese Fügeelemente werden gebildet, indem in einem Fügebereich der Blechwerkstoff der flächig aufeinanderliegenden Blechteile aus der Blechebene gemeinsam heraus verschoben und gestaucht wird. Damit entstehen in konstruktiver Sicht nicht lösbare Fügeelemente durch mechanisches Fügen. Aus den Blechteilen kann hierzu entweder ein Volumenbereich herausgedrückt oder durchgesetzt und dann durch Stauchen umgeformt werden, so daß seine Breite zunimmt. Man spricht insoweit auch vom Clinchen. Zur Erhöhung der Tragkraft eines solchen Fügeelements können Hilfsfügeteile in Form von Stanznieten in das Fügeelement beim Fügen eingearbeitet werden. Die Einzelblechdicken liegen üblicherweise im Bereich zwischen 0, 5 und 3 mm.
Die für diese mechanischen Fügevorgänge aufzubringenden Umformenergien werden durch jeweils einen Pressenhub aufgebracht, der die notwendigen Preßkräfte als Fügekräfte zur Verfügung stellt. Je nach Werkstoffart und Dicke der zu verbindenden Blechteile liegen die Preßkräfte üblicherweise im Bereich zwischen 20 und 100 kN.
Ein hierzu einsetzbares Fügewerkzeug ist beispielsweise aus EP-B-77932 bekannt. Dort wird ein Fügebereich begrenzt von einem von einer Presse angetriebenen Stempel und einer stationären Matrize Wird der Stempel in Richtung Matrize bewegt, wird das Material der Bleche in einen Hohlraum der Matrize tiefgezogen. Erreicht das matrizenseitige Blech den Boden des Hohlraums, der von einem Amboß gebildet wird, und wird der Druck auf den Stempel aufrechterhalten oder erhöht, kann sich der Boden des durchgesetzten Fügeabschnitts seitlich ausbreiten, da das Material gestaucht wird und die den Matrizenhohlraum seitlich begrenzenden Wandungen ausweichen. Ein Vorteil solcher Fügewerkzeuge besteht darin, daß mit einem einzigen Pressenhub sowohl das Durchsetzen als auch das Stauchen des Blechmaterials erfolgen kann. Dafür muß aber sichergestellt sein, daß die die Seitenwände des Matrizenhohlraumes definierenden Elemente einerseits eine hohe Festigkeit aufweisen, um als Widerlager beim Durchsetzen zu dienen, andererseits aber hinreichend flexibel sein, um beim Stauchen ausweichen zu können. Verteilt man beide Funktionen auf getrennte Elemente, wird die Matrizengestaltung aufwendiger.
Wie bereits ausgeführt, müssen je nach Materialeigenschaften und Dicke der Blechteile große Umformenergien aufgebracht werden. Die Pressen müssen folglich hohe Kräfte aufnehmen und sind daher massiv auszuführen. Ebenfalls schwere Pressen sind notwendig, wenn beispielsweise mehrere Stempel- und Matrizensätze eingebaut werden, um in einem Pressenhub mehrere Fügeverbindungen zu erzeugen. Bei Einzelfügevorrichtungen setzt man gewöhnlich die Matrize stationär in einen Schenkel eines C-förmigen Bügels einer Zangenanordnung oder einer analogen Vorrichtung ein, dessen anderer Schenkel eine Führung für einen Stempel aufweist. Für einen Stempelantrieb wird dann ein Hydraulik-Arbeitszylinder oder auch ein Pneumatikzylinder oder eine Exzenterpresse verwendet, dessen Stößel am Stempel angreift, während die Reaktionskräfte über einen Zylinderkorpus in den C-Bügel abgeleitet werden. Für den Hub ist entweder eine Kraft- oder eine Wegbegrenzung vorgesehen. Die erforderlichen Drücke des Hydraulikmediums liegen in der Größenordnung von einigen zehn bar und bis zu 500 bar. Zugehörige Schlauchzu- und -ableitungen sind entsprechend unflexibel, massiv und schwer.
Aus den vorstehend geschilderten Gründen bleiben dem mechanischen Fügen bestimmte Einsatzgebiete verschlossen, für die es sich gleichwohl besonders eignen würde. So sind die oben beschriebenen Fügegeräte mit ihren Hydraulikschläuchen häufig zu schwer und unbeweglich, um an schnell arbeitenden Robotern etwa der Kraftfahrzeugindustrie eingesetzt zu werden. Ein weiteres Beispiel sind Hausbauten vor allem in den USA, wo die herkömmlichen Fachwerke aus Holz durch solche aus Stahlprofilen ersetzt werden, bei denen es wünschenswert wäre, daß sie vom Bauherrn selbst gefügt werden könnten. Das Gewicht der herkömmlichen Fügegeräte, die fehlende Flexibilität der Leitungen als auch die geringe Werkzeugausladung machen deren Einsatz für solche Zwecke äußert unpraktisch.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum mechanischen Fügen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das den Einsatz leichter und unter Berücksichtigung der Kosten auch der Antriebsaggregate preisgünstiger Geräte ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Umformenergie durch eine Schlagbeanspruchung in Form seriell auftretender Schläge kurzer Schlagdauer erzeugt wird. Hierzu überträgt eine auftreffende beschleunigte Masse mehrere Impulse, die als Schläge zu einer Schlagbeanspruchung führen. Die in jedem Einzelschritt zugeführte Energie muß ausreichen, das Material unter Durchlaufen des elastischen Bereiches der Verformungskennlinie bis in den plastischen Bereich hinein umzuformen. Es ist dabei bevorzugt, über diese Mindestenergie nicht weit hinauszugehen, um die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens voll nutzen zu können. Die Gesamtheit der Einzelschläge einer mechanischen Fügung ergibt dann das erwünschte Fügeelement, das somit in Teilschritten entsteht.
Die Einzelschritt-Mindestenergie ist überraschend gering und ermöglicht so, kleine, leichte und preisgünstige Fügegeräte auch für das Fügen von Stahlblechen von zweimal 0,5 mm und darüber zu schaffen. Da die jeweiligen Reaktionskräfte ebenfalls in jedem Einzelschritt aufzunehmen sind, können auch relativ leichte C- Bügel oder analoge Halterungen verwendet werden.
Es hat sich bewährt, die Einzelschritt-Energiezufuhr dadurch vorzunehmen, daß eine im Abstand von dem Stempel beweglich angeordnete Masse beschleunigt wird und auf den Stempel auftrifft, wobei die in ihr gespeicherte kinetische Energie auf den Stempel übertragen wird. Die Anzahl der erforderlichen Einzelschritte hängt dann von der Größe der Masse und ihrer Auftreffgeschwindigkeit, also dem auf den Stempel übertragenen Impuls, ab. Da die Auftreffmasse um Größenordnungen höher liegen kann als die Masse des Stempels und der mit ihm verbundenen Teile, wird praktisch der gesamte Impuls auf den Stempel übertragen. Dabei empfiehlt es sich, auf der Gegenseite, also hinter der Matrize, eine relativ große Masse anzuordnen, welche die Reaktionskräfte aufnimmt. Ein C-Bügel oder andere Halterungen dienen dann vor allem der Führung des Stempels relativ zu der Matrize und können entsprechend leicht aufgebaut werden. Alternativ kann natürlich auch die Matrize gegenüber dem Stempel verfahrbar ausgebildet sein, so daß die Schlagmasse auf die Matrize wirkt, die dann eine Schlagbeanspruchung überträgt.
Vorteilhafte Angaben über die Schlagzahl, die Schlagdauer und die Schlagfolge sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Für eine Beschleunigung einer Auftreffmasse bieten sich zahlreiche Möglichkeiten. Beispielhaft genannt sei ein freifliegender Kolben, dessen beiden Seiten abwechselnd und in schneller Folge mit Druckluft beaufschlagt werden. Man kann auch einen Unwucht-Schwingantrieb nach Art von Verdichtungsmaschinen vorsehen. Weiter kann man mittels eines Hubmagneten eine Schlagfeder vorspannen oder auch eine Masse mittels einer Explosivladung gegen den Stempel schießen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung für ein schlagendes Fügen mit Einzel- schlägen ist in Anspruch 15 angegeben.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt weitgehend schematisiert in Seitenansicht, teilweise geschnitten, ein erstes Ausführungsbeispiel eines Fügegeräts, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist,
Fig. 2 zeigt weitgehend schematisiert in Seitenansicht, teilweise geschnitten, ein zweites Ausführungsbeispiel eines Fügegeräts, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Fig. 1 zeigt ein Fügegerät zum mechanischen Fügen mittels Umformen mit einem unteren Schenkel 10 eines C-Bügels 12, in den eine Matrize 14 eines Fügewerkzeugsatzes eingespannt ist. Der Fügewerkzeugsatz umfaßt ferner einen Stempel 16. Die Matrize 14 und der Stempel 16 haben eine Bauart, wie sie beispielsweise in der genannten EP-B-77932 offenbart ist. Der Stempel 16 ist an einem Führungskolben 18 befestigt, der in einer Bohrung 20 eines Ansatzes 22 des C-Bügels 12 geradegeführt und gegen eine Verdrehung gesichert ist. Der Kolben 18 weist einen Bund 24 auf, und eine Feder 26 ist zwischen dem Bund 24 und einer Schulter 28 eingespannt, die den Führungskolben 18 in Richtung Matrize 14 drückt. In der hier dargestellten Ausgangsposition wird somit der Stempel 16 mit seiner Arbeitsfläche gegen die zu fügenden Werkstücke in Anlage gehalten bzw. vorgespannt, um ein Abheben des Stempel 16 von den Blechteilen 30 in einer Anfangsphase des Fügevorgangs zu verhindern.
Zu fügende Bleche 30 liegen auf einem weggebrochen dargestellten Stützelement 32 auf und werden von einem vorzugsweise zustellbaren, ebenfalls weggebrochen dargestellten Klemmhalter 34 in der Fügeposition gesichert. Bei den zu fügenden Blechen 30 handelt es sich um mindestens zwei aufeinanderliegenden Blechen 30, wobei es durchaus üblich sind, daß mehr als zwei Bleche 30 durch punktförmige Fügeelemente verbunden werden. Die Fügung wird mit einer Wegbegrenzung, z.B. einer pneumatischen Druckabschaltung, ausgeführt, um eine Schlagfolge zu unterbrechen oder zu beenden, wie nachstehend noch erläutert wird. Der notwendige und hinreichende Fügeweg „X" ist der Abstand zwischen dem Bund 24 und einem Anschlagflansch 36. Bei anderen Ausführungsformen kann der Fügeweg auch einstellbar sein.
Der Ansatz 22 weist in Verlängerung seiner Bohrung 20 eine Gerad- führungsbohrung 38 für eine Schlagmasse 40 auf. Die Schlagmasse 40 ist in Pfeilrichtung zu einer hinundhergehenden Bewegung relativ zum Führungskolben 18 angetrieben. Die Schlagmasse 40 wird hier von einem freifliegenden Kolben gebildet, dessen beiden Seiten abwechselnd und mit schneller Folge mit Druckluft beaufschlagbar sind. Druckluftzu- und -ableitungen sind nicht dargestellt, da sie in bekannter Weise anbringbar sind. Die Schlagmasse 40 arbeitet schlagend gegen den Führungskolben 18, der den Schlag jeweils auf den Stempel 16 überträgt. Der Stempel 16 wird dadurch zu einem Schlagwerkzeug, das eine Schlagbeanspruchung in die Bleche 30 einleitet. Eine Folge von Einzelschlägen wird durch die abwechselnde Beaufschlagung der Schlagmasse 40 erzeugt, um den Fügeweg „X" durch Schlagbeanspruchung zu fügen. Die Schlagenergie der Einzelschläge führt dazu, daß der Stempel 16 eine einzelne Fügung jeweils in Teilfügeabschnitten ausführt, wobei jeder Einzelschlag den Stempel 16 aus einer zuvor eingenommen Teilfügeposition weiter auf die Matrize 14 zubewegt bis die Fügung fertiggestellt ist.
Die Schlagzahl beträgt vorzugsweise 10 bis 50 Schläge, insbesondere 10 bis 25 Schläge, pro Sekunde. Die Schlagzahl ist insbesondere abhängig von der Materialart der Bleche, d.h. Aluminium, Stahl, hochfester Stahl etc, und der Blechdicke. Um eine Schlagfolge zu unterbrechen oder zu beenden, wenn der Fügeweg „X" einschließlich Stauchen durchlaufen ist, kann die bereits genannte Wegbegrenzung vorgesehen sein.
Die durch die Schlagmasse 40 verursachte Schlagbeanspruchung der Bleche 30 in Form seriell auftretender Schläge sind Schläge mit kurzer Schlagdauer, die vorzugsweise in schneller Folge erzeugt werden. Die Schlagdauer eines Schlages wird vorzugsweise im Bereich zwischen 0,02 und 5 ms gewählt, insbesondere 0,1 bis 0,9 ms. Über die Kürze des Schlages soll erreicht werden, daß die Trägheit einer der bewegten Schlagmasse 40 zugeordneten Gegenmassse, hier der untere Schenkel 10, im wesentlichen nicht überwunden wird. Eine übliche Fügedauer kann dann unter einer Sekunde liegen mit einer Schlagfolge von beispielsweise 4 bis 10 Einzelschlägen beim mechanischen Fügen von Blechen 30 aus Aluminium mit Blechdicken von jeweils 1 mm.
In der Basis des C-Bügels 12 ist durch einen Pfeil 42 angedeutet, daß die Öffnungsweite des Bügels einstellbar ist, etwa um den Bügel über eine Abkantung zu führen, hinter der die Fügung vorzunehmen ist.
Der Klemmhalter kann zugleich als Abstreifer der gefügten Bleche 30 vom Stempel 16 dienen. Die üblichen federvorgespannten matrizenseitigen Abstreifer sind hier weniger geeignet, da sie die Impulsübertragung von der Schlagmasse 40 auf den Führungskolben bremsen würden. Man könnte hebelartige, gegebenenfalls manuell betätigbare Abstreifer verwenden, die aber zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet sind. Für das Einlegen der Werkstücke muß natürlich der Stempel 16 samt seinem Führungskolben 18 gegen die Kraft der Feder 26 nach oben gedrückt werden.
Die auf und ab pendelnde Schlagmasse 40 mit der Luftsäule oder einer Schlagfeder eines pneumatischen Antriebs kann ein schwingendes System darstellen, das außerhalb seiner Resonanzfrequenz, vorzugsweise weit unterhalb seiner Resonanzfrequenz, betrieben wird. Dann bleibt nämlich die Baugruppe, bestehend aus Ansatz 22 und C-Bügel, weitgehend im Stillstand, so daß das Gerät bequem von Hand geführt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Fügung mittels eines einzigen Hubes des Stempels 16 hergestellt, den er in mehreren diskreten Schritten durchläuft.
Gemäß einer nicht dargestellten Weiterbildung des Fügegeräts gemäß Fig. 1 kann die Halterung von Stempel und Matrize zangenförmig sein. Es kann auch eine Kraftumlenkung über eine schiefe Ebene vorgesehen werden. Ferner sind auch Anlagen mit mehreren oder vielen Sätzen von Fügewerkzeugen vorstellbar, bei denen hinter den Matrizen eine einzige große gemeinsame Gegenmasse vorgesehen ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Blechteilen umfaßt demnach einen Werkzeugsatz aus mindestens einem Stempel 16 und einer einen Amboß aufweisenden Matrize 14 als Werkzeugsatzelemente, zwischen denen die zu verbindenden Bleche 30 flächig übereinanderliegen, wobei mindestens ein Werkzeugsatzelement 16 oder 14 zur Beaufschlagung der Blechteile 30 mit einer Umformenergie verfahrbar ist, und das verfahrbare Werkzeugelement als Schlagwerkzeug mit einer bewegten Masse 40 ausgebildet ist, mit dem eine Schlagbeanspruchung in Form serieller Schläge kurzer Schlagdauer in die Blechteile 30 einleitbar ist.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Fügegerätes, das sich von dem zu Fig. 1 beschriebenen lediglich dadurch unterscheidet, daß die Positionen von y
Matrize 14 und Stempel 16 ausgetauscht wurden. Die Schlagmasse 40 wirkt hier also auf die Matrize 14, während der Stempel 16 stationär eingespannt ist. Im übrigen gelten die vorstehenden Ausführungen zu Fig. 1 entsprechend.
Konstruktiv kann ferner vorgesehen sein, daß die Schlagmasse 40 entweder elektromechanisch oder pneumatisch oder über eine in einer Achsenrichtung eine periodische Auf- und Abbewegung ausführende Anordnung beschleunigt wird. Auch die Zündung eines Explosivstoffes ist einsetzbar. Die unterschiedlichen Antriebsmittel ermöglichen alle ein Schlagfügen gemäß der Erfindung. Bei beiden dargestellen Ausführungsbeispielen kann zudem das nicht als Schlagwerkzeug ausgebildete Werkzeugeiement zusätzlich bewegbar ausgebildet sein in bezug auf das Schlagwerkzeug. Bei der Ausbildung gemäß Fig. 1 ist dann die Matrize 14 zusätzlich auf den Stempel 16 zubewegbar.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Fügegerät mit einer langen Ausladung ausgebildet werden. Dies bedeutet, daß beispielsweise der untere Schenkel 10 gemäß Fig. 1 als langarmiger, einarmiger Hebel ausgebildet sein kann, der sich von dem C-Bügel 12 erstreckt. Gleiches gilt natürlich für den Schenkel, der den zugeordneten Stempel 16 trägt.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum mechanischen Fügen von Blechteilen, bei dem mittels eines Werkzeugsatzes aus mindestens einem Stempel und einer einen Amboß aufweisenden Matrize Blechmaterial unter Wirkung einer Umformenergie aus einer Blechebene gemeinsam herausverlagert und gestaucht wird, ist demnach vorgesehen, daß die Umformenergie bzw. Umformarbeit durch eine Schlagbeanspruchung in Form seriell auftretender Schläge kurzer Schlagdauer erzeugt wird. Die Reaktionskräfte können von einer auf der der auftreffenden Masse abgekehrten Seite des Werkzeugsatzes angeordneten Gegenmasse aufgenommen werden. Die Größe der Impulse kann derart bemessen werden, daß die pro Impuls zugeführte Umformenergie eine relativ geringe plastische Deformation der zu fügenden Materialien bewirkt. Die Schlagfolge der Einzelschläge, die Schlagzahl als auch deren Schlagdauer können gewählt werden, wie vorstehend für die Fügegeräte in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. Weiterhin kann eine durch die Schlagbeanspruchung pro Schlag von den Blechen 30 aufgenommene Schlagarbeit vorzugsweise im Bereich von 7 bis 20 Joule liegen.
Darüberhinaus kann beim Fügen in die Fügung ein Hilfsfügeteil eingearbeitet werden. Hilfsfügeteile sind hierbei Stanznieten, insbesondere solche mit Halbhohlniet, die in der Fügezone verbleiben.
Im übrigen wird verwiesen auf die Beschreibung der Fügegeräte gemäß Fig. 1 und 2.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum mechanischen Fügen von Blechteilen, bei dem mittels eines Werkzeugsatzes aus mindestens einem Stempel und einer einen Amboß aufweisenden Matrize Blechmaterial unter Wirkung einer Umformenergie aus einer Blechebene gemeinsam herausverlagert und gestaucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformenergie durch eine Schlagbeanspruchung in Form seriell auftretender Schläge kurzer Schlagdauer erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagdauer derart kurz ist, daß die Trägheit einer einer bewegten Masse zugeordneten Gegenmasse im wesentlichen nicht überwunden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegte Masse in schneller Folge Schläge erzeugt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbeanspruchung durch eine Schlagzahl von 10 bis 50 Schlägen pro Sekunde erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagdauer eines Schlages im Bereich zwischen 0,02 und 5 ms gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch die Schlagbeanspruchung pro Schlag von den Blechteilen aufgenommene Schlagarbeit im Bereich von 7 - 20 Joule liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbeanspruchung über ein in eine Fügung sich einarbeitendes Hilfsfügeteil übertragen wird, das in einer Fügezone verbleibt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbeanspruchung durch eine elektromechanisch beschleunigte Masse erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbeanspruchung durch eine pneumatisch beschleunigte Masse erzeugt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbeanspruchung über eine bewegte Masse erzeugt wird, die über eine in einer Achsenrichtung eine periodische Auf- und Abbewegung ausführende Anordnung beschleunigt wird.
11.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbeanspruchung über den Stempel eingeleitet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbeanspruchung über die Matrize eingeleitet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbeanspruchung durch eine bewegte Masse erzeugt wird, die durch Zünden eines Explosivstoffes beschleunigt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbeanspruchung durch eine bewegte Masse als Teil eines schwingungsfähigen Systems, das außerhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, erzeugt wird.
15. Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Blechteilen mit einem Werkzeugsatz aus mindestens einem Stempel und einer einen Amboß aufweisenden Matrize als Werkzeugsatzelemente, zwischen denen die zu verbindenden Bleche flächig übereinanderliegen, wobei mindestens ein Werkzeugsatzelement zur Beaufschlagung der Blechteile mit einer Umform- energie verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das verfahrbare Werkzeugelement als Schlagwerkzeug mit einer bewegten Masse (40) ausgebildet ist, mit der eine Schlagbeanspruchung in Form serieller Schläge kurzer Schlagdauer in die Blechteile (30) einleitbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegte Schlagmasse (40) von einem freifliegenden Kolben gebildet wird, der in einer dem verfahrbaren Werkzeugsatzelement zugeordneten zylinderartigen Geradführung (38) geführt ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seiten des Kolbens abwechselnd und in schneller Folge mit Druckluft beaufschlagbar sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlagwerkzeug von dem Stempel (16) gebildet wird, demgegenüber die Matrize (14) in einer Matrizenhalterung stationär eingespannt ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (14) zusätzlich auf den Stempel (16) zubewegbar ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (16) in einer Stempelhalterung geradegeführt ist, die mit einer Geradführung (38) für die Schlagmasse (40) fluchtet.
2 I .Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempelhalterung verdrehsicher ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Federanordnung (26) dem Stempel (16) zugeordnet ist, die den Stempel (16) zu Beginn des Fügens gegen die Blechteile (30) vorspannt.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stempel (16) eine Wegbegrenzungseinrichtung zugeordnet ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlagwerkzeug von der Matrize (14) gebildet wird, dergegenüber der Stempel (16) stationär eingespannt ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein C-Büge! (12) vorgesehen ist, in dessen einem Schenkel (10) die Matrize (14) gehalten ist und in dessen anderem Schenkel die Stempel- halterung geführt ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (10) jeweils als iangschenkelige, einarmige Hebel ausbildbar sind, deren freie Enden jeweils Stempel (16) oder Matrize (14 ) tragen.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugsatz an einer Zangenkonstruktion ausbildbar ist.
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