EP0953386A2 - Vorrichtung und Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Teilen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Teilen Download PDF

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EP0953386A2
EP0953386A2 EP99107238A EP99107238A EP0953386A2 EP 0953386 A2 EP0953386 A2 EP 0953386A2 EP 99107238 A EP99107238 A EP 99107238A EP 99107238 A EP99107238 A EP 99107238A EP 0953386 A2 EP0953386 A2 EP 0953386A2
Authority
EP
European Patent Office
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joining
parts
die
punch
stamp
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99107238A
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English (en)
French (fr)
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EP0953386A3 (de
Inventor
Ostwin Prof. Dr.Ing. Hahn
Axel Dipl.Ing. Schulte
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hahn Ortwin Prof Dr-Ing
Original Assignee
Hahn Ortwin Prof Dr-Ing
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19901015A external-priority patent/DE19901015A1/de
Application filed by Hahn Ortwin Prof Dr-Ing filed Critical Hahn Ortwin Prof Dr-Ing
Publication of EP0953386A2 publication Critical patent/EP0953386A2/de
Publication of EP0953386A3 publication Critical patent/EP0953386A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current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

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for metal forming Joining parts. Forming technology joining processes and corresponding devices used to join parts together, for example in machines or vehicles, but can also be used in other applications.
  • the joining of parts made of different materials by forming has one a very long tradition that can be traced back to metal extraction and processing can.
  • Methods in which the joining parts or auxiliary joining parts to be connected locally or sometimes completely reshaped are assigned to the group “joining by reshaping".
  • Sub-groups of the manufacturing process "joining by forming” are the manufacturing processes today Joining by forming wire-shaped bodies, joining by riveting as well the joining known by forming sheet metal, pipe and profile parts.
  • a push-through joint does not only have the favorable properties of positive locking with regard to the transmission of large forces, but also one due to the adhesion caused freedom of play in the connection.
  • Crucial for safe and secure Reproducible push-through joints are, on the one hand, the choice of a suitable tool set depending on the material used and the part geometry, on the other hand the perfect holding and loosening of the positioned parts to be joined by suitable Hold-down and wiper systems.
  • the load-bearing behavior of a clinching connection depends apart from the surface quality of the parts to be joined, primarily the geometry of the joining element, its geometric position relative to the direction of loading and of Type of load.
  • punctiform clinching connections are relatively expensive to buy Manufacture, because with a single tool set for a joining point, only parts to be joined can be attached to each other in this single point during a work cycle, the tools being of high specific during the setting of the clinch joint Exposed to stress.
  • the one with the punctiform clinching connections provided components are also not gas or water tight.
  • the parts to be fastened together are placed on top of one another in a desired position, at least one stamp wheel suitably shaped on the circumference with a rotating movement cuts a groove in the parts to be fastened together in a line and / or countersinks, and at least one second die wheel suitably shaped on the circumference with a rotating movement, the parts to be joined at least in the joining area Connection forms.
  • the chronological order of the individual production sub-steps is in As a rule, real processes are not clearly separated from one another, but go into one another over or expire at the same time. However, it is also conceivable to schedule the processing steps to perform staggered, for which purpose suitably shaped counterholders are required.
  • a linear tool structure is used provided stamp and die in their starting position adjacent to each other stored, then moved towards each other by a lifting movement, thereby bringing with her line-shaped tool structure a line-shaped joining connection into each other fastening parts, and stamp and die are made after making a line Joint connection moved away from each other again by a return stroke movement.
  • a device according to the invention in accordance with an embodiment of the invention for forming Joining parts consists of a frame, at least one in the frame rotatably mounted, on the circumference suitable for cutting and / or countersinking a groove shaped stamp wheel, at least one rotatably mounted in the frame, on the circumferential side Upset of parts suitably shaped die wheel, the punch and die wheels so arranged in the frame relative to each other that superimposed parts under conveyable to them or above them and / or the stamp and die wheels above or below the joining parts can be moved away.
  • the punch and die have a tool contour with a linear course of the effective surfaces.
  • the proposed invention enables linear joint connections instead to produce the previously known point-shaped joint connections.
  • the clinching connections those according to the inventive method or a corresponding one Device are manufactured, have a high rigidity. Also the tension distribution more even in the joining zone.
  • Instead of multiple strokes for manufacturing a permanent connection of parts can now be joined parts during a single conveying or Lifting movement with a tool set over a distance by means of a clinching connection be connected to each other.
  • the tools are more even loads, which has a positive effect on their costs and service life, and depending on the geometries of the parts to be joined and the line-shaped clinching connection, the connection can be gas or be made waterproof.
  • the joining parts 2 and 4 can be seen, which are interconnected by a clinching connection 6 should be connected.
  • the stamp wheel 8 arranged below the die wheel 10.
  • the stamp wheel 8 and the die wheel 10 rotate in the opposite direction, so that either the joining parts 2, 4 between them can promote or guided along the joining parts 2, 4 by a movable frame become.
  • the punch wheel 8 is formed on the circumference so that a bead 12 has a groove 14 in the Join parts 2, 4 can press.
  • the Stamp wheel 8 are arranged so that at least the bead 12 with its outermost Circumferential surface is located below the surface of the overlying joining part 2.
  • the punch wheel 8 is guided so deep that the bead 12 is at its lowest point below the normal plane of both joining parts 2, 4. If the joining parts 2, 4 then under the Stamp wheel 8 along or this over the joining parts 2, 4, so one presses Groove 14 in the joining parts 2, 4 if they are adequately supported.
  • the arrangement of the Bead 12 below the surface of the overlying joining part 2 can either from the start with the position of the support and the material thickness of the joining parts 2, 4 by a fixed appropriate storage of the stamp and die wheels can be coordinated, or the stamp wheel 8, the matrix wheel 10 and / or the supports are adjustable in their spatial arrangement arranged so that the bead 12 is movable into a position in which this with his circumferential outermost surface is below the surface of the upper joining part 2.
  • 10 can line-shaped, interrupted clinching connections 6 or clinching connections 6 are produced with alternating depth of the groove 14.
  • a line-shaped clinching connection 6 does not have to be made along a straight line, but can also be in arcs with constant or changing curvature, made in zigzag lines or diagonals become when the stamp and die wheels 8, 10 rotatable about their vertical axis are arranged.
  • the clinching connection can 6 can be introduced at a variable angle to the surface of the joining parts 2, 4. An effect similar to that described above can also be achieved if alternative or in addition, the joining parts 2, 4 can be changed in their conveying direction or spatial position are led.
  • the compression of the material is in the area of the clinching connection important.
  • a force and force is created by spreading or extrusion positive-locking connection.
  • the compression is caused by the pressure with which the die wheel 10 acts on the joining parts 2, 4, and a counter pressure, which the stamping wheel 8 advantageously generates, causes.
  • the circumferential geometry of the die wheel 10 should be designed so that it expanding or extruding the material of the joining parts 2, 4 advantageously supports.
  • the compression is important regardless of whether the process is continuous or takes place under the effect of several tool parts arranged one after the other. in the latter case is called a multi-stage process. Then for each process step Tool set with the appropriate geometry should be available, simply one after the other to be ordered. If a linear groove 14 has already been produced, not all of them have to subsequent tool parts work linearly-continuously, but it can depend on technical requirements for the strength of the connection also selective or stroke-controlled tools to be involved in establishing a clinching connection. It is also possible that the punch and / or die wheels 8, 10 with or without cutting portion work. In the subsequent process stages, the joining line can be leveled by one to get a survey-free connection.
  • FIG. 2 shows an example of how the stamping wheel 8 can also be shaped on the circumference, if the joint connection is subjected to increased loads in the direction of the seam.
  • the stamping wheel 8 can have 14 geometric elements in the groove generated that can transmit high thrust forces in the seam direction.
  • openings in the web of the stamp wheel 8 are conceivable.
  • the shear forces can transmit.
  • This tool variant creates a discontinuous seam, the one may have complete tightness.
  • stamp wheel 8 If the breakthroughs only in the stamp wheel 8 can be brought in, for a synchronization of stamp wheel 8 and die wheel 10 can be dispensed with, which reduces the costs for the installation of the system. That no longer applies if also the die wheel 10 is contoured on the circumference with cams, webs or teeth, as in Figure 3 shown.
  • the synchronization of the punch and die wheels 8, 10 required there can either be via the system technology or via an appropriate design and arrangement of the functional elements take place, which would correspond to a gear effect. That something More expensive plant construction and the elaborate tool production is a precise shaping the cam opposite, which the load capacity of the joint connection in the seam direction improved.
  • Crosspieces, cams, teeth or other shaped bodies can also be circumferentially inserted into the stamp and / or Matrix wheel must be molded in that they act laterally to the actual joint connection.
  • An embodiment is shown in Figure 4. With a suitable execution is also here a tight joint can be made.
  • the movements of Stamp and / or die wheel 8, 10 are synchronized with each other. Under certain circumstances an increase in the flange width of the joining parts 2, 4 required to have enough space for the to create elements to be imprinted.
  • FIG. 5 shows the principle of how wipers 16 can be used in order to Introduction of the groove 14 or the production of the clinching connection 6 stamp and / or To release die wheel 8, 10 from the joining parts 2, 4.
  • a die wheel 10 with a stripper 16 formed tangentially to the die wheel 10 spatially to one another can be arranged to achieve an advantageous stripping effect.
  • an elastic material such as that indicated in FIG. 6, can also be used Elastomeric disks 18, on which stamp and / or die wheels 8, 10 can be applied in order to To achieve scraping effect.
  • Tailored blanks or profiles also for joining components whose joining zones are one of the Show straight deviating contours in the joining area. Opposite punctiform Above all, greater component rigidity can be expected for components.
  • the principle of the line-type clinching is the construction of a simple joining device possible, the fully automatic components with varying joining zone contours with each other can connect and is shown schematically in Figure 7.
  • the device proposed here consists of the punch and die wheels 8, 10, two straightening rollers 20, 22, which by the Leveling process created equalize deformation of the joining zone, as well as a fixed and a movable stop roller 24, 26, the axes of which are approximately perpendicular to the stamp or Matrix wheels 8, 10 and the straightening rollers 20, 22 are aligned.
  • Figure 8 shows a cross-sectional view along line A-A from Figure 7, the guiding principle for the punch and die wheels 8, 10 along the Joining parts 2, 4 by a stop roller 24 shows. By rolling on the webs of the Joining parts 2, 4 for the stop roller via a common support frame, not shown the stamp and die wheels 8, 10 in their lateral alignment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for a highly flexible joining device for the linear, Technological joining shown.
  • the movable stop roller 28 is via a spring or a pressure cylinder 30 pressed against the flange of one or both joining parts 2, 4.
  • force F1 in Figure 10 a the sheet metal part about the pivot point, which is by the punch and Die wheel 8, 10 is formed and indicated by the tip of the vector F3, as long as rotated until the flange also against the fixed stop roller 32 with that indicated by the arrow Force F2 presses. There is therefore a balance between the forces across Joining flange.
  • the joining parts 2, 4 and the pivotable stop roller 28 are around the pivot point formed by the stamp and die wheel 8, 10 rotated until the forces F1 and F2 are in balance again.
  • the joining parts 2, 4 automatically drawn into the device or the stamp and die wheels 8, 10 controlled so that they follow the contour of the joining zones.
  • the device can be installed stationary.
  • the joining parts 2, 4, advantageous, for example, on ball rollers are freely movable, according to their Geometry drawn into the device.
  • the device can also be used for larger components the joining flange are clamped and then independently moves the contour of the flange geometry the sheet metal parts.
  • Joining elements can be arranged parallel to each other.
  • the infeed die In the inlet area of the sheets to be joined the infeed die therefore lies against the die wheel and thus supports the neck of the joint from the side while they are in a subordinate zone where a width of the material is desired is removed from the rotating die element and so there is room for a lateral one Flow of the material.
  • Such an effect can be achieved by appropriate diameter of the rotating Matrix element and the additional rotating inlet matrices and an advantageous Determine the relative position of the axes of rotation to each other.
  • the rotating die element can be omitted.
  • the enema matrix can, however, also be arranged rigidly, the lateral distance between the lateral ones Support surface of the inlet die to the longitudinal central axis of the joint connection in the conveying direction extended to allow the joining material to be broadened.
  • the mechanical one is Extremely high load on the flanks of the die engraving.
  • the burden arises at the Flank a combination of dynamic tensile and shear loads, that of hardened Materials as they are required for sufficient pressure and wear resistance, only difficult to absorb.
  • the introduction of residual compressive stress can help create that are opposite to the flank load.
  • lateral, preferably curved reinforcements which are stretched against the die walls by expansion screws be pressed.
  • the matrix flank loads are rearranged in this way on the expansion screws designed for dynamic tensile loads.
  • the expansion bolts results in more favorable tension ratios and the The ripple tension and the notch effect decrease.
  • Standard screws or screws with a resilient head shape can be used.
  • the undercut is formed by spreading or compressing. In particular, these manufacturing stages are for the Maximum joining forces responsible.
  • the invention offers the possibility of joining the joint with a shaped undercut such as a type of dovetail. Thereby is the measure of the undercut determining the strength even with large neck thicknesses and low joining forces greatly increased because there is no spreading or compression for undercut formation is required. The maximum comparison degree of deformation caused in the joining zone is much lower. This variant of the method is therefore particularly suitable for those that are difficult to form Suitable materials.
  • the strength of the connection is still higher because of the shaped undercut can be much larger than an undercut formed by widths.
  • the sinking or Enforcement of the groove take place while in the second process stage using appropriately contoured Form rolls the joint connection seen in cross section on one or both sides to one dovetail-like undercut is formed.
  • the parts to be joined are held against each other as far as possible in order to bend the flanges of the part to one side to avoid.
  • the joining seam can then be planned in order to achieve a lower elevation To get the seam.
  • a contoured roller can also be used Drawing die for the formation of the undercut.
  • a shaped element can be introduced into the preformed groove become.
  • the shaped element itself can already have an undercut-forming contour or in the simplest case also be an inserted wire that remains in the joint seam
  • FIG. 11 schematically shows the principle of the second embodiment of the invention.
  • point-acting Tools or a movement of the parts to be fastened together at the point Working tools along the contour of the effective tool surfaces is proposed to be linear in order to create a linear joint connection with one stroke to create between the parts to be fastened together.
  • the stamp 50 and the die 52 are moved towards each other by a force F. Between punch 50 and die 52 there are the joining parts 2, 4 to be fastened to one another, which are approximately in the spatial Position are shown in which they are to be fastened together.
  • the stamp 50 points to it a line-shaped elevation 54 on the side facing the joining part 2.
  • This line-shaped Elevation is with the underside with a continued approach movement of stamp 50 and / or first place the die 52 on the upward-facing surface of the joining part 2 and in the case of a further continuous approach movement, this area together with the one below Surface of the joining part 4 deep-draw in the direction of the recess 56, which is on the Joining part 4 facing side of the die 52 is located.
  • Shape and course of the recess 56 correspond approximately to the shape and the course of the linear elevation 54
  • the deep-drawn material from the joining parts 2, 4 becomes a further approach movement completely pressed into the recess 56, the material being plastically deformed and the assumes characteristic properties for a clinching connection.
  • the specialist can familiarize himself with his specialist motor skills Use knowledge to design stamps and matrices.
  • the embodiment shown becomes an approximately S-shaped joining line with narrow bending radii using only one joining stroke achieved.
  • the punches and matrices can be supplemented by tool elements, which during the Joining strokes can simultaneously perform a punching operation, for example. So it is possible with to produce both a linear joint connection and a formed joint in just one working stroke Detach components from a residual board. "Joining” and “punching” is so on one combined in a particularly economical manner in one working stroke.
  • the simplest is the tool design and manufacture based on clinching methods with rigid matrix. However, it also involves the production of die geometries movable side walls possible. Furthermore, the joining tools can be designed in such a way that that, as required, a closed and therefore tight or an intermittent seam can be generated. Combinations with the configurations described above are also possible possible.
  • Appropriate stripping devices must be integrated on the tools. These can be as Elastomer or spring wipers can be designed. Alternatively, that is of equal value Eject the joined components using pneumatic or hydraulic cylinders in connection possible with ejector pins. Demolding is also carried out by means of the mold cavity Compressed air possible.
  • the contoured Tools are designed for joining the tight radii, while the roller tools for straight or only slightly curved joining lines. It is advantageous a process sequence in which the tight radii of the joining zone geometry are initially in one stroke be added and the connection thus created thus fixing the components for the can guarantee subsequent joining process by means of rolling tools.
  • Process-related parameters or data from sensors are determined. For example, stamp and / or die wheels 8, 10, or bearing elements with sensors for recording joining forces, executives, directors, torques, delivery routes and / or wheel revolutions which record measurement signals which are used for process control, control, monitoring and evaluation can be used. To do this, they must be at a suitable control device is transmitted, which evaluates the data and parameters, derives a manipulated value from this and transmits it to a corresponding actuator system for execution. It is also possible to use drives, joining forces, managers, directors and / or delivery routes to control and / or regulate depending on the process.
  • the method according to the invention and the device for producing a joint connection can be supported by additional preheating of the joining areas or a Combination of roller seam welding and forming joining.
  • the invention not limited to the content of the exemplary description, but also includes all those modifications and adjustments that a professional with the help of his him notoriously known technical knowledge without inventive considerations to adapt the disclosed Can find a solution to his special requirements.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Teilen.
Um die Steifigkeit von fügetechnisch verbundenen Teilen zu erhöhen, die Herstellkosten zu senken und eine Wasser- bzw. Gasdichtigkeit zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, eine Fügenaht als linienförmige Durchsetzfügeverbindung herzustellen. Das kann erfolgen, indem entweder rotierend bewegliche Werkzeuge eine Durchsetzfügeverbindung herstellen oder diese durch Hubwerkzeuge, deren fügewirksame Werkzeugflächen linienförmig ausgestaltet sind, in die Fügeteile eingebracht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Teilen. Umformtechnische Fügeverfahren und entsprechende Vorrichtungen werden benutzt, um Teile aneinanderzufügen, die beispielsweise in Maschinen oder Fahrzeugen, aber auch in anderen Anwendungen genutzt werden.
Das Verbinden von Teilen aus den unterschiedlichsten Werkstoffen durch Umformen hat eine sehr lange Tradition, die parallel zur Metallgewinnung und-verarbeitung zurückverfolgt werden kann. Verfahren, bei denen die zu verbindenden Fügeteile oder Hilfsfügeteile örtlich oder bisweilen ganz umgeformt werden, sind der Gruppe "Fügen durch Umformen" zugeordnet. Als Untergruppen des Fertigungsverfahrens "Fügen durch Umformen" sind heute die Fertigungsverfahren Fügen durch Umformen drahtförmiger Körper, das Fügen durch Nietverfahren sowie das Fügen durch Umformen bei Blech-, Rohr- und Profilteilen bekannt.
Als Unterfall des Fügens durch Umformen bei Blech-, Rohr- und Profilteilen ist in der jüngsten Vergangenheit insbesondere das Durchsetzfügen weiterentwickelt worden. Der Vorteil des Durchsetzfügens ist insbesondere darin zu sehen, daß keine zusätzlichen Hilfsfügeteile oder Hilfsstoffe notwendig sind. Bei den Verfahren des Durchsetzfügens wird durch den Vorgang einer lokalen plastischen Werkstoffumformung ohne thermische Gefügebeeinflussung eine form- und kraftschlüssige Verbindung erzeugt, bei der die formschlüssig verbundenen Fügeteile verspannt werden.
Die Herstellung einer Durchsetzfügeverbindung ist beispielhaft in der DE 36 13 324 erläutert. Im Einzelnen wird beschrieben, wie zunächst Flächenteile beider miteinander zu befestigenden Teile mittels einer Hubbewegung eines Stempels miteinander tiefgezogen werden, dann der Bodenbereich breit gequetscht wird und das Material der tiefgezogenen Flächenteile durch Begrenzungen zu einem zylinderförmigen Fügepunkt plastisch verformt werden.
Eine Durchsetzfügeverbindung besitzt nicht nur die günstigen Eigenschaften des Formschlusses hinsichtlich der Übertragung großer Kräfte, sondern zusätzlich auch eine durch den Kraftschluß bewirkte Spielfreiheit in der Verbindung. Von entscheidender Bedeutung für sichere und reproduzierbare Durchsetzfügeverbindungen ist einerseits die Wahl des geeigneten Werkzeugsatzes in Abhängigkeit von dem verwendeten Werkstoff und der Fügeteilgeometrie, andererseits das einwandfreie Festhalten und Lösen der positionierten Fügeteile durch geeignete Niederhalter- und Abstreifersysteme. Das Tragverhalten einer Durchsetzfügeverbindung hängt außer von der Oberflächenbeschaffenheit der zu fügenden Teile in erster Linie von der Geometrie des Fügeelementes, seiner geometrischen Lage relativ zur Belastungsrichtung sowie von der Art der Belastung ab.
Für einige Anwendungen hat es sich als nachteilig herausgestellt, daß die Steifigkeit von einigen mit punktförmigen Durchsetzfügeverbindungen versehenen Bauteilen nicht zufriedenstellend gewesen ist. Außerdem sind die punktförmigen Durchsetzfügeverbindungen relativ teuer in der Herstellung, weil mit einem einzelnen Werkzeugsatz für einen Fügepunkt Fügeteile immer nur in diesem einzelnen Punkt während eines Arbeitstaktes miteinander befestigt werden können, wobei die Werkzeuge während des Setzens der Durchsetzfügeverbindung einer hohen spezifischen Belastung ausgesetzt sind. Die mit den punktförmigen Durchsetzfügeverbindungen versehenen Bauteile sind zudem nicht gas- bzw. wasserdicht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Verbindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem die bekannte Durchsetzfügetechnik verbessert beziehungsweise das Anwendungsspektrum für Durchsetzfügeverbindungen erweitert wird.
Die Aufgabe wird gelöst, indem in einem Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die miteinander zu befestigenden Fügeteile in einer Sollposition übereinandergelegt werden, mindestens ein umfangsseitig geeignet geformtes Stempelrad mit einer rotierenden Bewegung eine Nut in die miteinander zu befestigenden Fügeteile in einer Linie einschneidet und/oder einsenkt, und mindestens ein zweites umfangsseitig geeignet geformtes Matrizenrad mit einer rotierenden Bewegung die Fügeteile zumindest im Fügebereich zu einer durchsetzgefügten Verbindung formt. Die einzelnen Fertigungsteilschritte sind in ihrer zeitlichen Abfolge im realen Prozeß im Regelfall nicht deutlich voneinander zu trennen, sondern gehen ineinander über bzw. laufen gleichzeitig ab. Es ist jedoch auch denkbar, die Bearbeitungsschritte zeitlich versetzt durchzuführen, wozu dann jeweils geeignet geformte Gegenhalter erforderlich sind.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren werden mit einer linienförmigen Werkzeugstruktur versehene Stempel und Matrize in ihrer Ausgangsposition benachbart zueinander gelagert, sodann durch eine Hubbewegung aufeinander zubewegt, dabei bringen sie mit ihrer linienförmigen Werkzeugstruktur eine linienförmige Fügeverbindung in die miteinander zu befestigenden Teile ein, und Stempel und Matrize werden nach Herstellung einer linierförmigen Fügeverbindung durch eine Rückhubbewegung wieder voneinander weg bewegt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zum umformtechnischen Fügen von Fügeteilen besteht aus einem Rahmen, mindestens einem im Rahmen drehbar gelagerten, umfangsseitig zum Einschneiden und/oder Einsenken einer Nut geeignet geformten Stempelrad, mindestens einem im Rahmen drehbar gelagerten, umfangsseitig zum Stauchen von Fügeteilen geeignet geformten Matrizenrad, wobei die Stempel- und Matrizenräder so im Rahmen relativ zueinander angeordnet sind, daß aufeinanderliegende Fügeteile unter ihnen bzw. über sie hinweg förderbar und/oder die Stempel- und Matrizenräder über bzw. unter den Fügeteilen hinweg bewegbar sind.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weisen Stempel und Matrize eine Werkzeugkontur mit einem linienförmigen Verlauf der fügewirksamen Flächen auf.
Insgesamt ermöglicht die vorgeschlagene Erfindung, linienförmige Fügeverbindungen anstelle der bisher bekannten punktförmigen Fügeverbindungen herzustellen. Die Durchsetzfügeverbindungen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer entsprechenden Vorrichtung hergestellt werden, weisen eine hohe Steifigkeit auf. Auch ist die Spannungsverteilung in der Fügezone gleichmäßiger. Anstelle von mehreren Hubbewegungen zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung von Teilen können Fügeteile nun während einer einzigen Förder- bzw. Hubbewegung mit einem Werkzeugsatz über eine Strecke hinweg mittels einer Durchsetzfügeverbindung miteinander verbunden werden. Die Werkzeuge sind dabei gleichmäßiger belastet, was sich positiv auf deren Kosten und Lebensdauer auswirkt, und je nach Geometrien der Fügeteile und der linienförmigen Durchsetzfügeverbindung kann die Verbindung gas- bzw. wasserdicht ausgeführt sein. Neben dem Fügen von Komponenten bietet sich das Verfahren auch für die Herstellung von modernen Halbzeugen wie Taylored Blanks an. Das Verfahren verspricht im Vergleich zum Schweißen eine sehr hohe Produktivität und wesentlich geringere Kosten. Auch können unterschiedliche Werkstoffe auf diese Weise zu Taylored Blanks verarbeitet werden. Die Ausgestaltung unter Verwendung einer linienförmigen Werkzeugkontur weist zudem den Vorteil auf, daß auch linienförmige Fügeverbindungen mit eng gekrümmten Linienverläufen oder die Verarbeitung von Teilen mit schwer zugänglichen Geometrien möglich sind. Weitere Abwandlungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche, auf die insoweit verwiesen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
Figur 1
eine Darstellung des vorgeschlagenen Funktionsschemas,
Figur 2
eine Abwandlung des Funktionsschemas mit vorteilhafter Werkzeuggeometrie,
Figur 3
eine weitere Abwandlung der Werkzeuggeometrien,
Figur 4
Werkzeuggeometrien mit Formkörpern, die seitlich zur Fügeverbindung wirken.
Figur 5
eine schematische Darstellung eines Abstreifers,
Figur 6
eine schematische Darstellung eines Stempel- oder Matrizenrades mit Elastomerscheiben,
Figur 7
eine schematische Darstellung eines Fügegeräts,
Figur 8
einen Querschnitt entlang der Linie A-A aus Figur 7,
Figur 9
eine Prinzipskizze für eine hochflexible Fügevorrichtung,
Figur 10
die Wirkung der Anschlagrollen in drei Teilschritten,
Figur 11
eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der Erfindung mit linienförmig konturierten Werkzeugen auf dem Stempel und Niederhalter,
In Figur 1 sind die Fügeteile 2 und 4 erkennbar, die miteinander durch eine Durchsetzfügeverbindung 6 verbunden werden sollen. Oberhalb der Fügeteile 2, 4 ist das Stempelrad 8, unterhalb das Matrizenrad 10 angeordnet. Das Stempelrad 8 und das Matrizenrad 10 drehen sich in entgegengesetzter Richtung, so daß sie entweder die Fügeteile 2, 4 zwischen sich hindurch fördern können oder durch einen beweglichen Rahmen an den Fügeteilen 2, 4 entlanggeführt werden. Das Stempelrad 8 ist umfangsseitig so ausgeformt, daß ein Wulst 12 eine Nut 14 in die Fügeteile 2, 4 eindrücken kann. Zum Eindrücken der Nut 14 in die Fügeteile 2, 4 muß das Stempelrad 8 so angeordnet werden, daß sich zumindest der Wulst 12 mit seiner äußersten Umfangsfläche unterhalb der Oberfläche des obenliegenden Fügeteils 2 befindet. Vorzugsweise wird das Stempelrad 8 so tief geführt, daß sich der Wulst 12 an seinem tiefsten Punkt unterhalb der Normalebene beider Fügeteile 2, 4 befindet. Werden die Fügeteile 2, 4 dann unter dem Stempelrad 8 entlang- bzw. dieses über die Fügeteile 2, 4 hinweggeführt, so drückt sich eine Nut 14 in die Fügeteile 2, 4, wenn diese ausreichend abgestützt werden. Die Anordnung des Wulstes 12 unterhalb der Oberfläche des obenliegenden Fügeteils 2 kann entweder von vornherein mit der Lage der Abstützung und der Materialstärke der Fügeteile 2, 4 durch eine feste entsprechende Lagerung der Stempel- und Matrizenräder abgestimmt sein, oder das Stempelrad 8, das Matrizenrad 10 und/oder die Abstützungen sind in ihrer räumlichen Anordnung verstellbar angeordnet, so daß der Wulst 12 in eine Lage bewegbar ist, in der sich dieser mit seiner umfangsseitig äußersten Fläche unterhalb der Oberfläche des oberen Fügeteils 2 befindet. Bei einer getakteten Auf- und Abbewegung des Stempel- und/oder Matrizenrades 8, 10 können so linienförmige, unterbrochene Durchsetzfügeverbindungen 6 oder Durchsetzfügeverbindungen 6 mit alternierender Tiefe der Nut 14 hergestellt werden. Eine linienförmige Durchsetzfügeverbindung 6 muß nicht entlang einer Geraden hergestellt werden, sondern kann auch in Bögen mit gleichbleibender oder wechselnder Krümmung, in Zickzacklinien oder Diagonalen hergestellt werden, wenn die Stempel- und Matrizenräder 8, 10 um ihre Hochachse drehbar angeordnet sind. Bei einer Veränderbarkeit um die Längsachse kann die Durchsetzfügeverbindung 6 in einem veränderbaren Winkel zur Oberfläche der Fügeteile 2, 4 eingebracht werden. Ein Effekt, der dem vorstehend beschriebenen ähnelt, kann auch erzielt werden, wenn alternativ oder ergänzend die Fügeteile 2, 4 in ihrer Förderrichtung oder räumlichen Lage veränderlich geführt sind.
Für die Verbindungsqualität ist die Stauchung des Materials im Bereich der Durchsetzfügeverbindung wichtig. Beim Stauchen entsteht durch Breiten oder Fließpressen eine kraft- und formschlüssige Verbindung. Die Stauchung wird durch den Druck, mit dem das Matrizenrad 10 auf die Fügeteile 2, 4 einwirkt, und einen Gegendruck, den vorteilhaft das Stempelrad 8 erzeugt, bewirkt. Die umfangsseitige Geometrie des Matrizenrades 10 sollte so ausgebildet sein, daß sie ein Breiten oder Fließpressen des Materials der Fügeteile 2, 4 vorteilhaft unterstützt.
Die Stauchung ist wichtig unabhängig davon, ob der Verfahrensablauf kontinuierlich ist oder sich unter der Wirkung mehrerer, nacheinander angeordneter Werkzeugteile vollzieht. Im letzteren Fall spricht man von mehrstufigen Verfahren. Für jede Prozeßstufe muß dann ein Werkzeugsatz mit entsprechender Geometrie vorhanden sein, die einfach hintereinander angeordnet werden. Wenn schon eine linienförmige Nut 14 hergestellt ist, müssen nicht alle nachfolgenden Werkzeugteile linienförmig-kontinuierlich arbeiten, sondern es können je nach technischen Anforderungen an die Festigkeit der Verbindung auch punktuell wirkende oder hubgesteuerte Werkzeuge an der Herstellung einer Durchsetzfügeverbindung beteiligt sein. Auch ist es möglich, daß die Stempel- und/oder Matrizenräder 8, 10 mit oder ohne Schneidanteil arbeiten. In nachgeschalteten Prozeßstufen kann die Fügelinie planiert werden, um eine erhebungsfreie Verbindung zu erhalten.
In Figur 2 ist beispielhaft gezeigt, wie das Stempelrad 8 umfangsseitig auch geformt sein kann, wenn die Fügeverbindung in Nahtrichtung erhöhten Belastungen unterworfen ist. Durch die besondere umfangsseitige Geometrie des Stempelrades 8 können in der Nut 14 Geometrieelemente erzeugt werden, die hohe Schubkräfte in Nahtrichtung übertragen können. In der einfachsten Form sind beispielsweise Durchbrüche im Steg des Stempelrades 8 denkbar. An den Durchbruchstellen wird die Fügenaht nicht vollständig ausgeformt, wodurch während des Fügeprozesses kleine Absätze senkrecht zur Nahtrichtung erzeugt werden, die die Schubkräfte übertragen können. Diese Werkzeugvariante erzeugt eine diskontinuierliche Naht, die eine vollständige Dichtigkeit aufweisen kann. Falls die Durchbrüche ausschließlich im Stempelrad 8 eingebracht werden, kann auf eine Synchronisation von Stempelrad 8 und Matrizenrad 10 verzichtet werden, was die Kosten für den Anlagenaufbau verringert. Das gilt nicht mehr, wenn auch das Matrizenrad 10 mit Nocken, Stegen oder Zähnen umfangsseitig konturiert wird, wie in Figur 3 gezeigt. Die dort erforderliche Synchronisation der Stempel- und Matrizenräder 8, 10 kann entweder über die Anlagentechnik oder über eine entsprechende Gestaltung und Anordnung der Funktionselemente erfolgen, was einem Verzahnungseffekt entspräche. Dem etwas teureren Anlagenaufbau und der aufwendigen Werkzeugfertigung steht eine genaue Ausformung der Nocken gegenüber, die die Belastungsfähigkeit der Fügeverbindung in Nahtrichtung verbessert.
Auch können Stege, Nocken, Zähne oder sonstige Formkörper so umfangsseitig in das Stempel- und/oder Matrizenrad eingeformt sein, daß sie seitlich zur eigentlichen Fügeverbindung wirken. Ein Ausführungsbeispiel ist in Figur 4 gezeigt. Bei einer geeigneten Ausführung ist auch hier eine dichte Fügeverbindung herstellbar. Je nach Ausgestaltung müssen die Bewegungen von Stempel- und/oder Matrizenrad 8, 10 miteinander synchronisiert werden. Unter Umständen ist eine Erhöhung der Flanschbreite der Fügeteile 2, 4 erforderlich, um genügend Platz für die einzuprägenden Elemente zu schaffen.
In Figur 5 ist das Prinzip dargestellt, wie Abstreifer 16 eingesetzt werden können, um nach der Einbringung der Nut 14 bzw. der Herstellung der Durchsetzfügeverbindung 6 Stempel- und/oder Matrizenrad 8, 10 von den Fügeteilen 2, 4 zu lösen. In Figur 5 ist gezeigt, wie ein Matrizenrad 10 mit einem tangential zum Matrizenrad 10 angeformten Abstreifer 16 räumlich zueinander angeordnet sein können, um eine vorteilhafte Abstreifwirkung zu erzielen. Ergänzend oder ersatzweise kann auch ein elastisches Material, wie beispielsweise die in Figur 6 angedeuteten Elastomerscheiben 18, auf die Stempel- und/oder Matrizenräder 8, 10 aufgebracht sein, um eine Abstreifwirkung zu erzielen.
Das linienförmige Durchsetzfügen eignet sich neben der kontinuierlichen Herstellung von Tailored Blanks oder Profilen auch für das Fügen von Bauteilen, deren Fügezonen eine von der Geraden abweichende Kontur im Fügebereich aufweisen. Gegenüber punktförmig gefügten Bauteilen ist vor allem eine größere Bauteilsteifigkeit zu erwarten. Unter Anwendung des Verfahrensprinzips des linienförmigen Durchsetzfügens ist der Aufbau eines einfachen Fügegeräts möglich, das vollautomatisch Bauteile mit variierenden Fügezonenkonturen miteinander verbinden kann und schematisch in Figur 7 dargestellt ist. Das hier vorgeschlagene Gerät besteht aus den Stempel- und Matrizenrädern 8, 10, zwei Richtrollen 20, 22, die die durch den Durchsetzfügevorgang erzeugte Verformung der Fügezone egalisieren, sowie einer festen und einer beweglichen Anschlagrolle 24, 26, deren Achsen annähernd senkrecht zu den Stempel- bzw, Matrizenrädern 8, 10 bzw. den Richtrollen 20, 22 ausgerichtet sind. Gegebenenfalls sind je nach verwendetem Fügesystem noch Abstreifer 16 für das Lösen der Fügeteile vom Stempel- bzw. Matrizenrad 8, 10 zu adaptieren. Figur 8 zeigt eine Querschnittssicht entlang der Linie A-A aus Figur 7, die das Führungsprinzip für die Stempel- und Matrizenräder 8, 10 entlang den Fügeteilen 2, 4 durch eine Anschlagrolle 24 zeigt. Durch ihr Abrollen auf den Stegen der Fügeteile 2, 4 für die Anschlagrolle über einen gemeinsamen, nicht näher dargestellten Tragrahmen die Stempel- und Matrizenräder 8, 10 in ihrer seitlichen Ausrichtung.
In Figur 9 ist eine Prinzipskizze für eine hochflexible Fügevorrichtung für das linienförmige, umformtechnische Fügen dargestellt. Die bewegliche Anschlagrolle 28 wird über eine Feder bzw. einen Anpreßzylinder 30 gegen den Flansch eines oder beider Fügeteile 2, 4 gedrückt. Durch die Kraft F1 in Figur 10 a) wird das Blechteil um den Drehpunkt, der durch das Stempel- und Matrizenrad 8, 10 gebildet und durch die Spitze des Vektors F3 angedeutet ist, solange gedreht, bis der Flansch auch gegen die feste Anschlagrolle 32 mit der durch den Pfeil angedeuteten Kraft F2 preßt. Es besteht somit ein Gleichgewicht zwischen den Kräften quer zum Fügeflansch. Weisen nun die Fügeteile einen Radius in ihrer Fügezonenkontur auf, der in Fügerichtung nach links verläuft, liegt die feste Anschlagrolle bei Einlauf in den Radius zunächst nicht mehr am Flansch der Fügeteile 2, 4 an, wie es in Figur 10 b) dargestellt ist. Die Kraft F2 ist somit nicht mehr vorhanden und das System befindet sich somit nicht mehr im statischen Gleichgewicht. Nun drückt die durch den Anpreßzylinder 30 erzeugte Kraft F1 die schwenkbare Anschlagrolle 28 mit den Fügeteilen 2, 4 solange um den durch das Stempel- und Matrizenrad 8, 10 gebildeten Drehpunkt, bis die Fügeteile 2, 4 mit ihrem Flansch an der festen Anschlagrolle 32 anliegen, wie in Bild 10 c) gezeigt. F2 nimmt dann wieder den Wert von F1 an, und es liegt erneut ein statisches Gleichgewicht vor.
Verläuft der Radius in Fügerichtung nach rechts, wächst die Kraft F2 an der festen Anschlagrolle 32 an. Dadurch werden die Fügeteile 2, 4 und die schwenkbare Anschlagrolle 28 solange um den durch das Stempel- und Matrizenrad 8, 10 gebildeten Drehpunkt gedreht, bis die Kräfte F1 und F2 wieder im Gleichgewicht sind. Auf die beschriebene Weise werden die Fügeteile 2, 4 automatisch immer so in die Vorrichtung eingezogen bzw. die Stempel- und Matrizenräder 8, 10 so gesteuert, daß diese der Kontur der Fügezonen folgen. Für das Fügen kleinerer Bauteile kann die Vorrichtung ortsfest installiert werden. In diesem Fall werden die Fügeteile 2, 4, die vorteilhaft beispielsweise auf Kugelrollen frei beweglich gelagert sind, entsprechend ihrer Geometrie in die Vorrichtung eingezogen. Bei größeren Bauteilen kann die Vorrichtung auch an den Fügeflansch geklemmt werden und fährt dann selbstständig die Kontur der Flanschgeometrie der Blechteile ab.
Für das Fügen flächiger Bauteile wie Kühlkörper, Wärmetauscher etc. oder dem gleichzeitigen-Fügen mehrerer Fügeteile können in einer entsprechenden Vorrichtung auch mehrere rotierende Fügeelemente parallel zueinander angeordnet werden.
Abhängig von der Belastung des herzustellenden Bauteils kann es sinnvoll sein, die Fügerichtung senkrecht zur Blechebene ständig zu wechseln. Das kann einfach erreicht werden, indem das untere und das obere rotierende Fügeelement wechselseitig Matrizen- und Stempelgeometrieelemente aufweist. Eine Synchronisation der Räder ist dann erforderlich. Resultat einer solchen Gestaltung der Fügeräder ist eine Fügenaht, bei der die matrizenseitige Blecherhebung abwechselnd oberhalb und unterhalb der Fügenaht zu finden ist.
Beim aus dem Stand der Technik bekannten punktförmigen Durchsetzfügen mit geteilter Matrize bewegen sich die federnd angepressten Lamellen erst während des Breitens des Fügeteilwerkstoffs gegen Ende des Stempelweges nach außen, um Raum für den radial abfließenden Fügeteilwerkstoff zu schaffen. Um ein solches Durchsetzfügeverfahren linienförmig durchführen zu können, ist der Aufbau einer speziell gestalteten zusätzlichen Einlaufmatrize am rotierenden Matrizenelement notwendig. Diese Einlaufmatrize muß das Material während des Einsenk- bzw. Durchsetzvorgangs abstützen und während des Breitens Raum für das quer zur Nahtrichtung abfließende Fügeteilmaterial bieten. Im Einlaufbereich der zu fügenden Bleche liegt die Einlaufmatrize daher am Matrizenrad an und stützt so seitlich den Hals der Fügestelle ab, während sie sich in einer nachgeordneten Zone dort, wo ein Breiten des Werkstoffes erwünscht ist, vom rotierenden Matrizenelement entfernt und so Raum gibt für ein seitliches Fließen des Werkstoffs. Ein solcher Effekt kann durch entsprechende Durchmesser des rotierenden Matrizenelementes und der zusätzlichen rotierenden Einlaufmatrizen und eine vorteilhafte Festlegung der relativen Lage der Rotationsachsen zueinander erfolgen. Eine seitliche Flanke am rotierenden Matrizenelement kann bei einer solchen Anordnung entfallen. Die Einlaufmatrize kann jedoch auch starr angeordnet sein, wobei sich der seitliche Abstand der seitlichen Stützfläche der Einlaufmatrize zur Längsmittelachse der Fügeverbindung in Förderrichtung erweitert, um ein Breiten des Fügematerials zu ermöglichen.
Wenn das Matrizenrad starre seitliche Matrizenwandungen aufweist, ist die mechanische Belastung auf die Flanken der Matrizengravur extrem hoch. Als Belastung stellt sich an der Flanke eine Kombination aus dynamischer Zug- und Schubbelastung ein, die von gehärteten Materialien, wie sie für eine ausreichende Druck- und Verschleißfestigkeit erforderlich sind, nur schwer aufgenommen werden kann. Abhilfe kann das Einbringen von Druckeigenspannungen schaffen, die der Flankenbelastung entgegengerichtet sind. Denkbar wären beispielsweise seitliche, vorzugsweise gewölbte Armierungen, die durch Dehnschrauben gegen die Matrizenwände gepresst werden. Auf eine solche Weise erfolgt eine Umlagerung der Matrizenflankenbelastungen auf die für dynamische Zugbelastungen ausgelegten Dehnschrauben. Durch die Vorspannung der Dehnschrauben ergeben sich günstigere Verspannungsverhältnisse und die Ausschlagsspannung sowie die Kerbwirkung verringern sich. Alternativ sind aber auch Normschrauben oder Schrauben mit elastisch nachgiebiger Kopfform einsetzbar.
Beim aus dem Stand der Technik bekannten punktförmigen Durchsetzfügen erfolgt die Hinterschnittbildung durch Breiten oder Stauchen. Insbesondere diese Fertigungsstufen sind für die Höhe der maximalen Fügekräfte verantwortlich. Da beim linienförmigen Durchsetzfügen gemäß der vorliegenden Erfindung die Fügeteile nicht nach oben aus dem formgebenden Werkzeug gehoben werden müssen, bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Fügeverbindnung mit einem geformten Hinterschnitt wie beispielsweise einer Art Schwalbenschwanz zu versehen. Dadurch wird das Maß der festigkeitsbestimmenden Hinterschneidung auch bei großen Halsdicken und geringen Fügekräften stark vergrößert, weil kein Breiten oder Stauchen zur Hinterschnittbildung erforderlich ist. Der in der Fügezone hervorgerufene maximale Vergleichsumformgrad ist deutlich geringer. Diese Verfahrensvariante ist deshalb insbesondere für schlechter umformbare Werkstoffe geeignet. Die Festigkeit der Verbindung ist dennoch höher, da die geformte Hinterschneidung wesentlich größer ausfallen kann als eine durch Breiten geformte Hinterschneidung. In einem zweistufigen Verfahren kann in der ersten Prozeßstufe das Einsenken bzw. Durchsetzen der Nut erfolgen, während in der zweiten Prozeßstufe mittels entsprechend konturierter Formrollen die Fügeverbindung im Querschnitt gesehen ein- oder beidseitig zu einem schwalbenschwanzartigen Hinterschnitt geformt wird. Während der zweiten Prozeßstufe müssen die Fügeteile möglichst allseitig gegengehalten werden, um ein seitliches Aufbiegen der Fügeteilflansche zu vermeiden. Anschließend kann die Fügenaht plniert werden, um eine erhebungsärmere Naht zu erhalten. Alternativ zu konturierenden Rollen kann auch ein konturierter Ziehstein für die Formung der Hinterschneidung Verwendung finden. Auch hier ist ein Anpressen bzw. Gegenhalten der Fügeteile sinnvoll. Für eine größere Formstabilität der Fügenaht sowie des erzielten Hinterschnitts kann ein Formelement in die vorgeformte Nut eingebracht werden. Das Formelement kann selbst schon eine hinterschnittbildende Kontur aufweisen oder im einfachsten Fall auch ein eingelegter Draht sein, welcher in der Fügenaht verbleibt
Figur 11 zeigt schematisch die prinzipiell zweite Ausgestaltungsform der Erfindung. Anstelle der Herstellung einer linienförmigen Fügeverbindung durch bewegte, punktförmig wirkende Werkzeuge oder einer Bewegung der miteinander zu befestigenden Teile an den punktförmig wirkenden Werkzeugen entlang wird vorgeschlagen, die Kontur der fügewirksamen Werkzeugflächen linienförmig auszugestalten, um mit einem Hub eine linienförmige Fügeverbindung zwischen den miteinander zu befestigenden Teile zu schaffen. Der Stempel 50 und die Matrize 52 werden durch eine Kraft F aufeinander zu bewegt. Zwischen Stempel 50 und Matrize 52 befinden sich die miteinander zu befestigenden Fügeteile 2, 4, die annähernd in der räumlichen Lage gezeigt sind, in der sie miteinander befestigt werden sollen. Der Stempel 50 weist an seiner dem Fügeteil 2 zugewandten Seite eine linienförmige Erhebung 54 auf. Diese linienförmige Erhebung wird mit der Unterseite bei einer fortgesetzten Zufahrbewegung von Stempel 50 und/oder Matrize 52 zunächst auf die nach oben weisende Fläche des Fügeteils 2 aufsetzen und bei einer weiteren fortgesetzten Zufahrbewegung diese Fläche zusammen mit der darunterliegenden Fläche des Fügeteils 4 tiefziehen in Richtung der Ausnehmung 56, die sich auf der dem Fügeteil 4 zugewandten Seite der Matrize 52 befindet. Form und Verlauf der Ausnehmung 56 entsprechen annähernd der Form und dem Verlauf der linienförmigen Erhebung 54. Bei einer weiter fortgesetzten Zufahrbewegung wird das tiefgezogene Material aus den Fügeteilen 2, 4 vollständig in die Ausnehmung 56 gedrückt, wobei das Material plastisch verformt wird und die für eine Durchsetzfügeverbindung charakteristischen Eigenschaften annimmt. Bei der Auswahl und Abstimmung der Querschnittsgeometrien der Erhebung 54 und der Ausnehmung 56, die als Stempel und Matrize wirken, kann der Fachmann sich seines ihm fachnotorisch bekannten Wissens zur Gestaltung von Stempeln und Matrizen bedienen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine annähernd S-förmige Fügelinie mit engen Biegeradien mittels nur eines Fügehubes erzielt.
Die Stempel und Matrizen können durch Werkzeugelemente ergänzt werden, die während des Fügehubes gleichzeitig beispielsweise eine Stanzoperation durchführen. So ist es möglich, mit nur einem Arbeitshub sowohl eine linienförmige Fügeverbindung herzustellen als auch umgeformte Bauteile von einer Restplatine abzulösen. "Fügen" und "Stanzen" wird so auf eine besonders wirtschaftliche Weise in einem Arbeitshub vereinigt.
Am einfachsten ist die Werkzeuggestaltung und -fertigung in Anlehnung an Durchsetzfügeverfahren mit starrer Matrize. Es ist jedoch auch die Herstellung von Matrizengeometrien mit beweglichen Seitenwänden möglich. Weiterhin können die Fügewerkzeuge derart gestaltet sein, daß je nach Bedarf eine geschlossene und damit dichte oder auch eine intermittierende Naht erzeugt werden kann. Auch sind Kombinationen mit den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen möglich.
An den Werkzeugen sind entsprechende Abstreifvorrichtungen zu integrieren. Diese können als Elastomer- oder Federabstreifer gestaltet werden. In gleicher Wertigkeit ist alternativ auch das Auswerfen der gefügten Bauteile mittels Pneumatik- oder Hydraulikzylindern in Verbidnung mit Auswerferstiften denkbar. Auch ist ein Entformen mittels in das Formnest eingeleiteter Preßluft möglich.
Da die erforderlichen Fügekräfte je nach Nahtlänge große Werte annehmen werden, ist auch eine Kombination aus linienförmigen Durchsetzfügen mittels rollenden Werkzeugen mit dem linienförmigen Durchsetzfügen mittels konturierter Werkzeuge möglich. Die konturierten Werkzeuge werden dabei für das Fügen der engen Radien konzipiert, während die Rollenwerkzeuge für die geraden bzw. nur leicht gekrümmten Fügelinien eingesetzt werden. Vorteilhaft ist ein Prozeßablauf, bei dem die engen Radien der Fügezonengeometrie zunächst in einem Hub gefügt werden und die damit erstellte Verbindung somit eine Fixierung der Bauteile für den nachfolgenden Fügeprozeß mittels rollender Werkzeuge gewährleisten kann.
In einer weiteren Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren werden prozeßrelevante Parameter oder Daten von Sensoren ermittelt. Beispielsweise können Stempel- und/oder Matrizenräder 8, 10, oder Lagerelemente mit Sensoren zur Erfassung von Fügekräften, Führungskräften, Richtkräften, Drehmomenten, Zustellwegen und/oder Radumdrehungen ausgestattet sein, die Meßsignale erfassen, die zur Prozeßsteuerung, -regelung, Überwachung und Auswertung verwendbar sind. Dazu müssen sie an eine geeignete Kontrolleinrichtung übermittelt werden, die die Daten und Parameter auswertet, daraus einen Stellwert ableitet und an eine entsprechende Aktorik zur Ausführung übermittelt. Auch ist es möglich, Antriebe, Fügekräfte, Führungskräfte, Richtkräfte und/oder Zustellwege prozeßabhängig zu steuern und/oder zu regeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung zur Herstellung einer Fügeverbindung kann unterstützt werden durch eine zusätzliche Vorwärmung der Fügebereiche oder eine Kombination aus Rollnahtschweißen und umformtechnischen Fügen. Überhaupt ist die Erfindung nicht beschränkt auf den Inhalt der beispielhaften Beschreibung, sondern umfaßt auch alle diejenigen Abwandlungen und Anpassungen, die ein Fachmann unter Zuhilfenahme seines ihm notorisch bekannten Fachwissens ohne erfinderisch Überlegungen zur Anpassung der offenbarten Lösung an seine speziellen Anforderungen auffinden kann.

Claims (25)

  1. Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Fügeteilen (2, 4), wobei die miteinander zu befestigenden Fügeteile (2, 4) in einer Sollposition übereinandergelegt werden, mindestens ein umfangsseitig geeignet geformtes Stempelrad (8) mit einer rotierenden Bewegung eine Nut (14) in die miteinander zu befestigenden Fügeteile (2, 4) in einer Linie einschneidet und/oder einsenkt, und mindestens ein zweites umfangsseitig geeignet geformtes Matrizenrad (10) mit einer rotierenden Bewegung die Fügeteile (2, 4) zumindest in einem Bereich zu einer Durchsetzfügeverbindung (6) ausformt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein oder mehrere Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) um ihre Hoch- und/oder Längsachse drehbar sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Fügeteile (2, 4) während des Fügeprozesses in ihrer Bewegungsrichtung und/oder räumlichen Lage veränderbar sind.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß mehrere Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) und/oder andere, auch arbeitshubabhängige Werkzeuge in einer Arbeitsabfolge die Durchsetzfügeverbindung (6) bearbeiten.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Festigkeit der Durchsetzfügeverbindung (6) erhöhende Formelemente in die Fügeteile (2, 4) eingebracht werden.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Fügeteile (2, 4) durch Abstreifer vom Stempelrad (8) und/oder Matrizenrad (10) abgelöst werden.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Bewegungsrichtung der Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) von mindestens zwei Anschlagrollen bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Fügezone der Durchsetzfügeverbindung von einem Richtelement egalisierbar ist.
  9. Verfahren zum umformtechnischen Fügen von miteinander zu befestigenden Teilen, indem durch eine Hubbewegung des Stempels und/oder der Matrize eine Fügeverbindung in die miteinander zu befestigenden Teile eingebracht wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die mit einer linienförmigen Werkzeugstruktur versehenen Stempel und Matrize in ihrer Ausgangsposition benachbart zueinander gelagert sind, sodann durch eine Hubbewegung aufeinander zubewegt werden, dabei mit ihrer linienförmigen Werkzeugstruktur eine linienförmige Fügeverbindung in die miteinander zu befestigenden Teile einbringen, und Stempel und Matrize nach Herstellung einer linienförmigen Fügeverbindung durch eine Rückhubbewegung wieder voneinander weg bewegt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß gleichzeitig mit der Herstellung einer Fügeverbindung eine Stanzoperation ausgefährt wird.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Sensoren prozeßrelevante Parameter erfassen und diese zur Steuerung, Regelung, Überwachung und/oder Auswertung verwendbar sind.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Antriebe, Fügekräfte, Führungskräfte, Richtkräfte und/oder Zustellwege prozeßabhängig steuerbar sind.
  13. Vorrichtung zum umformtechnischen Fügen von Fügeteilen (2, 4), bestehend aus einem Rahmen, mindestens einem im Rahmen drehbar gelagerten, umfangsseitig zum Einschneiden und/oder Einsenken einer Nut (14) geeignet geformten Stempelrad (8), mindestens einem im Rahmen drehbar gelagerten, umfangsseitig zum Stauchen von Fügeteilen geeignet geformten Matrizenrad (10), wobei die Stempel- und Matrizenräder (8, 10) so im Rahmen relativ zueinander angeordnet sind, daß aufeinanderliegende Fügeteile (2, 4) unter ihnen bzw. über sie hinweg förderbar und/oder die Stempel- und Matrizenräder (8, 10) über bzw. unter den Fügeteilen (2, 4) hinweg bewegbar sind.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eines oder mehrere Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) um ihre Hoch- und/oder Längsachse drehbar angeordnet sind.
  15. Vorrichtung nach Ansprüchen 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Fügeteile (2, 4) durch Mittel in ihrer Förderbewegung und/oder räumlichen Lage veränderbar sind.
  16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in der Vorrichtung oder in mehreren Vorrichtungen mehrere Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) angeordnet sind.
  17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zumindest eines der Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) umfangsseitig Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist.
  18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 17,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß an der Vorrichtung Abstreifer angebracht sind.
  19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Halterung der Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) mit Anschlagrollen verbunden ist.
  20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 19,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Vorrichtung zumindest ein Richtelement aufweist.
  21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 20,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Vorrichtung mit vor- oder nachgelagerten zusätzlichen Vorrichtungen, die mittels eines Arbeitshubs Fügeverbindungen herstellen, wirkungsmäßig verbunden ist.
  22. Vorrichtung zum umformtechnischen Fügen von miteinander zu befestigenden Teilen, bestehend aus einem Rahmen, einem darin angeordneten Stempel und einer Matrize sowie einer Verstellvorrichtung für den Stempel und/oder die Matrize, um diese zu bewegen, sowie einer Hasltevorrichtung zur Lagefixierung der zu befestigenden Teile,
    dadurch gekennzeuichnet,
    daß Stempel und Matrize eine Werkzeugkontur mit einem linienförmigen Verlauf der fügewirksamen Flächen aufweisen
  23. Vorrichtung nach Anspruch 22,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Vorrichtung zusätzlich Stanzelemente aufweist.
  24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 23,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Sensoren in der Vorrichtung angeordnet sind und von den Sensoren ermittelte prozeßrelevante Daten an eine Steuer-, Regelungs- Überwachungs- und/oder Auswertevorrichtung übermittelbar sind.
  25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 23,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß durch eine in der Vorrichtung angeordnete Aktorik Antriebe, Fügekräfte, Führungskräfte, Richtkräfte und/oder Zustellwege von einer Kontrolleinrichtung steuer- und/oder regelbar sind.
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