EP1117497A1 - Fügevorrichtung, durchsetzfügeverfahren und durchsetzfügeverbindung - Google Patents

Fügevorrichtung, durchsetzfügeverfahren und durchsetzfügeverbindung

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EP1117497A1
EP1117497A1 EP99946154A EP99946154A EP1117497A1 EP 1117497 A1 EP1117497 A1 EP 1117497A1 EP 99946154 A EP99946154 A EP 99946154A EP 99946154 A EP99946154 A EP 99946154A EP 1117497 A1 EP1117497 A1 EP 1117497A1
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EP
European Patent Office
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workpiece
lever
die
undercut
levers
Prior art date
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EP99946154A
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EP1117497B1 (de
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Rudolf Müller
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Dalex Werke Niepenberg GmbH and Co KG
Original Assignee
Dalex Werke Niepenberg GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP1117497B1 publication Critical patent/EP1117497B1/de
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D39/00—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders
    • B21D39/03—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders of sheet metal otherwise than by folding
    • B21D39/031—Joining superposed plates by locally deforming without slitting or piercing
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    • Y10T29/49908—Joining by deforming
    • Y10T29/49938—Radially expanding part in cavity, aperture, or hollow body
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/53—Means to assemble or disassemble
    • Y10T29/53678—Compressing parts together face to face
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/53—Means to assemble or disassemble
    • Y10T29/53709—Overedge assembling means

Definitions

  • the invention relates to a joining device for producing a clinching connection between a first workpiece and a second workpiece with a punch which can be moved into a recess of a die from above. Furthermore, the invention relates to a clinching method in which a first workpiece and a second workpiece with flat sections are placed one above the other in at least partial overlap and the first workpiece is pressed in from above such that it receives a cup-shaped shape which is pressed into the second workpiece and deforms it downwards without cutting, the shape of the first workpiece forming an undercut with the second workpiece.
  • the invention relates to a clinching connection in which a first workpiece has a shape which engages in a shape of a second workpiece and forms an undercut with the second workpiece.
  • clinching two workpieces are joined together by partial forming. This is done without the addition of heat, as is required, for example, when welding or soldering, and without aids, such as adhesives or auxiliary parts (screws or bolts).
  • the two workpieces must have flat sections which at least partially overlap one another and lie parallel to one another. You can also connect more than two workpieces together. For the following explanation it is assumed that the first and the second workpiece are the outer workpieces. Alternatively, each workpiece can form an undercut with the next workpiece.
  • the joint is created in one operation.
  • a stamp is lowered into a die. This creates pot-shaped formations in the two workpieces that sit inside one another with a high level of friction.
  • Such a connection has a high shear strength, but only a low head tensile strength.
  • dies are used, for example, in which the peripheral wall of the recess is formed by lamellae which are held in shape by an annular spring, for example an elastomer ring. If the punch now produces the formations and is pressed further into the die with a sufficiently large force, the two workpieces deform radially outwards and press accordingly, the fins outwards, so that an undercut of the first workpiece is formed in the second workpiece. With this configuration, the head tensile strength is significantly higher.
  • the die is a relatively complex component. The slats have to be manufactured with high precision.
  • connection cannot usually be used for dynamically stressed parts because the cuts result in notch effects.
  • two-stage clinching processes that provide improved head pulling properties even without a cutting component.
  • it is necessary to transport the workpieces from one tool to the next or vice versa to position a second tool at the required position on the workpiece. Both processes require a relatively high accuracy when positioning, which makes handling difficult.
  • the invention has for its object to provide durable joint connections in a simple manner.
  • the peripheral wall of the recess has wall sections which are arranged on levers, the levers being movable by pressure from above into a working position and being fixable there and forming undercut areas and by means of egg - ne movement of the joined workpieces can be moved upwards into a release position in which the undercut areas are completely released.
  • the undercuts now provide a space into which the material of the two workpieces can flow. Since the material on the side facing the die is pressurized by the material of the other workpiece, not only does the material of the lower workpiece flow into the undercut area, but it also allows the material of the other workpiece to follow, so that the first Workpiece forms an undercut with the second workpiece in the sense of a positive interlocking. With such an undercut, which can also be seen on the die side, the removal of the workpiece from the die would normally mean a certain problem.
  • the levers preferably have an essentially flat upper side which, in the working position, is perpendicular to the printing direction and lies in the same plane as the upper side of the die. Outside the actual shape, with the help of which the clinching connection is created, the workpiece is thus faced with a quasi-continuous and flat surface. Outside the actual clinching connection, there are no markings in the surfaces of the workpieces. Since the levers form a plane with their upper side that is perpendicular to the direction of pressure, pressure peaks on the levers are avoided. The load is rather relatively even in the working position, so that the levers are spared and accordingly have a relatively long life. As long as the levers are not yet in the working position, the different pressure loads are acceptable because here only relatively small counter forces act on the levers.
  • Each lever is preferably designed as an angle lever.
  • the pressure force used to move and hold the levers in the working position can then act on a larger area.
  • the lever transmission ratios are more favorable here, so that the required forces can also be absorbed with a relatively weakly dimensioned lever.
  • the angle lever preferably has a short arm on which the wall section is arranged and a long arm on which there is a pivot axis.
  • the lever is thus designed like an L.
  • the forces acting here are transmitted to the swivel axis via a relatively long lever arm. If you now let the closing forces act on a similarly long lever arm, ie on the outside of the short leg of the "L", then the desired balance of forces is obtained with relatively little effort.
  • the invention works satisfactorily when two opposing levers are provided. Several joint connections can then be arranged relatively close together here. However, at least three levers are preferably arranged distributed in the circumferential direction of the recess. With three levers, you can ensure a uniform distribution of force in all directions.
  • levers are preferably provided. This configuration has advantages for manufacturing reasons. In particular, you can maintain a certain symmetry here.
  • Stationary wall sections which run essentially parallel to the printing direction, are advantageously provided between the movable wall sections.
  • This configuration has the advantage that the forming of the two workpieces leading to undercutting does not spread uniformly over the entire circumference of the recess. tion of the die extends. Rather, there are only individual sections along the wall of the recess in the die, in which there is an undercut. On the one hand, this has the advantage that the clinching connection has a certain security against rotation. On the other hand, this has the advantage that the removal from the mold, ie the removal of the workpieces from the die, becomes easier. In the wall sections that run parallel to the printing direction, the workpieces can simply be pulled out of the die in the opposite direction to the printing direction. Only in the area of the movable wall sections is it necessary to fold the levers outwards. Another advantage is that more material is now available for the formation of the undercuts. This makes it possible to
  • Undercut coverage to the outside i.e. perpendicular to the printing direction to make it bigger. This results from the fact that material can be displaced into the undercut from the areas with stationary wall sections. For head tensile strength, it is generally of greater importance how far the undercuts extend radially or perpendicular to the direction of pressure than the question of how large the undercut areas are in the circumferential direction.
  • the stationary wall sections preferably form at least 50% of the circumferential length of the recess.
  • the undercut areas are therefore relatively short in the circumferential direction. There are therefore only undercut or radiation-like undercut areas, which can accordingly have a relatively large depth perpendicular to the printing direction.
  • the die advantageously has an anti-drop device for each lever.
  • This fallout protection two advantages. On the one hand, when removing the workpieces from the die, it is no longer necessary to ensure that the levers remain in the die. Rather, these are captured by the fallout protection. On the other hand, you can now also use the die "overhead", ie to move the punch against the die against the direction of gravity. This provides greater flexibility with regard to the mounting position when the device is in operation.
  • the fall protection is designed as a nose, which points radially in the direction of the lever, the lever having a notch which interacts with the nose. This takes into account the fact that a fall-out protection only has to take effect when the lever is in its release position. In this position, the nose then engages in the notch and prevents further movement of the lever, i.e. out of the mattress. If, however, the levers are in their working position, then they are fixed there by the workpieces. Replacing the levers that form the wear parts of the die becomes relatively easy. You have to swivel the levers in their working position (without supporting workpieces) and you can pull them out of the die from there.
  • the nose preferably has a guide surface on its top surface, on which the lever slides during a movement.
  • the nose is advantageously formed in an insert part.
  • the nose can then be used to hold the levers captively in the die. To replace the lever, it is only necessary to remove the insert, but this is possible with relatively little effort.
  • the fall-out protection is designed as a pin which is guided through the die and the lever and forms a pivot axis.
  • the levers are held captively in the die. To mount the levers, all you need to do is insert the levers into the die and then insert the pin.
  • the recess preferably has a bottom which is arranged on the top of a bottom part inserted into the die.
  • the bottom of the die which usually has a certain shape in order to ensure that the materials of the workpieces flow into the corresponding edge regions of the recess, is a wearing part. The flow of the materials goes hand in hand with a not inconsiderable friction.
  • the possibility of arranging the base on a base part that is exchangeable keeps the maintenance and repair work for the die relatively small.
  • the levers and the bottom which, as I said, form the main wear parts, can be replaced with simple measures.
  • the bottom part can be held stationary in the die.
  • a plurality of matrices are arranged next to one another on a first carrier and a plurality of punches are arranged next to one another on a second carrier with the same division, at least one of the two carriers being movable relative to the other carrier such that the stamps and matrices engage one after the other.
  • the same division can either be achieved mechanically by punch and dies having the same center distance from one another. However, it can also be achieved by a suitable movement control.
  • a series of clinching connections lying next to one another can be produced virtually continuously. The workpieces are passed between the two carriers, the two carriers having an engagement point at which a punch engages in a die. The clinching connection is then created at this point. By moving the workpiece and the carrier further, the punch comes out of the die and the next punch enters the next die.
  • At least one carrier is designed as a wheel and the other carrier with a flat surface.
  • the wheel can then roll on the surface, so to speak, it can also be provided that the wheel has a stationary axis of rotation and the carrier is moved past it.
  • both carriers can be designed as a wheel. Stamps or dies are then provided on the surfaces of both wheels, which come into engagement one after the other.
  • adjacent matrices have mutually different ones Lever arrangements on. Accordingly, the push-through joints produced next to one another have different orientations and / or shapes. This increases the strength of the connection. In particular, one can achieve that the connection between the workpieces has an increased load capacity in several directions. Truss-like structures can be created, which result in a high torsional rigidity of the joined parts.
  • this is achieved in that the lever arrangements are arranged asymmetrically, the lever arrangements of adjacent recesses being rotated relative to one another.
  • adjacent push-through joints also have an asymmetrical appearance, i.e. they are no longer point-symmetrical to an axis that is perpendicular to the workpieces. If you also twist through-joint connections next to each other, the strength is improved in different directions.
  • the object is achieved in a method of the type mentioned at the outset in that the undercut is limited to predetermined circumferential regions of the formation, material from regions without an undercut being allowed to flow into the circumferential regions with an undercut.
  • connection qualities are achieved that can otherwise only be achieved by two-step processes or by clinching with a cutting component.
  • the connections produced according to the invention can also be subjected to dynamic loads.
  • Wall sections that run parallel to the printing direction are preferably produced on the outside of at least one workpiece between the peripheral regions.
  • This configuration involves a compromise. Firstly, there is the demolding, ie the removal of the Workpieces from the die are still possible. In the areas where the outside is parallel to the printing direction, you no longer have to do any forming work to remove the workpiece. Only the static friction forces have to be overcome.
  • the material constellation is such that the flow paths for the two materials of the workpieces into the undercut areas are optimal, particularly in the case of at least approximately vertical peripheral walls.
  • a closing force is generated on at least one tool part when it is pressed in and an opening force is generated when the shaped workpieces are pulled off the tool part.
  • connection supported on all sides can thus be achieved perpendicular to the tensile force.
  • the object is also achieved by a clinching connection of the type mentioned in the introduction, in which the undercut is limited to predetermined circumferential areas.
  • the undercut depth ie the depth of the interlocking interlocking
  • the material required for this can come from the areas in which there is no undercut. Due to the shape of the active surfaces of the undercut
  • the flow properties can be optimized for the workpieces to be joined using fertilizing levers.
  • the size and location of the interlocking interlocks can be optimized and defined by the choice of the predetermined circumferential areas and the undercut depth.
  • FIG. 1 is a schematic view of a device for producing a clinching connection, partly in section,
  • FIG. 1 is an enlarged view of a section of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a plan view of the die of FIG. 1,
  • FIG. 1 shows an alternative embodiment to FIG. 1
  • FIG. 5 shows a section V-V through a clinching connection corresponding to the view according to FIG. 6,
  • FIG. 6 is a plan view of the connection of FIG. 5,
  • FIG. 7 shows a third alternative corresponding to the view according to FIG. 1,
  • FIG. 8 shows the device of FIG. 7 in an exploded state
  • 9 shows an alternative embodiment of a boundary surface
  • FIG. 10 shows a further alternative corresponding to FIG. 8,
  • FIG. 13 shows a device modified compared to FIG. 12
  • FIG. 1 shows a device 1 for producing a clinching connection between a first workpiece 2 and a second workpiece 3.
  • the device 1 has a stamp 4 and a die 5.
  • the stamp 4 is attached to a stamp carrier 6.
  • the stamp carrier 6 can be moved onto the die 5 with the aid of drive units, not shown, in such a way that the stamp 4 can move into a recess 7 (FIG. 3) of the die 5 along a direction of movement 9.
  • the recess 7 here is essentially hollow cylindrical, ie it has an approximately circular base. However, this is not mandatory. Elliptical, oval or square shapes are also possible.
  • the device it is assumed that the one that points to the stamp carrier 6 is referred to as the upper side.
  • the directions “above” and “below” thus correspond to those that result from the illustration in FIG. 1. But there is no restriction.
  • the device 1 according to FIG. 1 can also be operated in such a way that the die 5 is arranged above the stamp carrier 6 in the direction of gravity.
  • the die 5 has a recess 7 which is essentially hollow-cylindrical (FIG. 3).
  • the recess 7 is accordingly delimited in the circumferential direction by stationary wall sections 8 which run parallel to the direction of movement 9, i.e. are oriented vertically according to the representation of FIG. 1.
  • the recess is delimited by movable wall sections 10, which are arranged on the inside of L-shaped levers 11.
  • the wall sections 10 are inclined with respect to the direction of movement 9.
  • the angle of inclination to direction 9 is at least 15 °. They open downwards and accordingly form an undercut 12 when the levers are in the working position shown in FIG. 1.
  • the levers 11 are fastened in the die 5 with the aid of pins 13.
  • the pins 13 simultaneously form pivot axes for the levers 11.
  • Each lever 11 has a pressure surface 14 on its upper side, which in the working position shown in FIG. 1 is flush with the upper side of the die 5. closes.
  • the underside 15 of the leg that supports the wall section 10 bears against a projection 16 of the die 5. The lever 11 can therefore not be pivoted further into the interior of the die 5 than is permitted by the projection 16.
  • the recess 7 is delimited at the bottom by a base 17 (FIG. 3) which is arranged on the end face of a base support 18.
  • the base support 18 is mounted in a stationary manner in the die 5, specifically in a central bore 19. It is held in the die 5 with the aid of a clamping ring 20. After loosening the clamping ring 20, the base support 18 can be removed from the die 5 in order to exchange it for another.
  • the base 17 has a plurality of steps 21, 22 and a rounded tip 23.
  • the two workpieces 2, 3, which are flat in this area and overlap one another, are placed on the top of the die 5 and held in place by holding-down devices (not shown).
  • the levers 11 With the support of the workpieces 2, 3, if this is not yet the case, the levers 11 are pivoted into their working position shown in FIG. 1. It also holds the dead weight of the workpieces 2, 3 there. If the punch carrier is now moved downward and the punch 4 sinks into the workpieces 2, 3, then the pressure on the levers 11 increases. These are then pressed against the projection 16 with a force which is sufficient to engage Opening, ie preventing the levers 11 from pivoting out when the material of the two workpieces 2, 3 expands radially outward. From Fig.
  • this undercut is limited to a few undercut areas 24 distributed in the circumferential direction.
  • the cross section through such an undercut area 24 is shown on the left in FIG. 4.
  • the connection shown there corresponds to the illustration in FIG. 2, but without a tool.
  • the levers 11 can pivot about the pins 13 when their wall sections 10 are loaded from below, namely by the tensile force on the workpieces 2, 3.
  • the pivoting movement "opens" the levers 11 and gives the recess 7 so completely free that not only the cylinder areas 25, but also the undercut areas 24 are no longer covered in the pulling direction 9 by projecting parts.
  • the levers 11 are closed by the workpieces 2, 3 when pressure is applied, and they are also opened again by the workpieces 2, 3 when a train is applied with the aid of the workpieces 2, 3.
  • the undercuts 24 are also free and the workpieces 2, 3 can be removed.
  • the pins 13 form a fall protection. Excessive opening of the lever 11 is caused by a Prevents the outer wall 26 of the die 5, on which the levers 11 come to rest when they reach their most open position.
  • the levers 11 remain in the release position until the next workpieces 2, 3 are brought into contact. As soon as the required pressure is applied, the levers 11 fold back into their working position. This "closing” takes place due to the force relationships in any case before the forming of the workpieces 2, 3 with the help of the punch 4 begins.
  • auxiliary joining parts can now additionally be used, for example a rivet.
  • the use of such a rivet considerably improves the shear tensile strength, while the head tensile strength is in any case not impaired.
  • a rivet that is used as an auxiliary joining part can be designed as a solid cylinder body that has circumferential beads or projections in the region of its two axial ends. The resulting increase in diameter is in the range of a few tenths of a millimeter to about one millimeter.
  • the rivet can have a certain conicity at the front ends. It is preferably of identical design at both ends, so that one does not have to pay attention to a predetermined orientation when setting the rivet.
  • Length of 3 to 5 mm may be useful.
  • the rivet is preferably used in the non-moving part of the device, ie generally on the side of the die. This facilitates feeding because the rivet can then be fed in a stationary guideway.
  • the second punch can be lowered, for example, so far that it opens an opening to a feed path.
  • this procedure is not mandatory for the formation of the clinching connection.
  • the rivet or a corresponding auxiliary joining part can also be fed in from the side of the punch, that is to say inserted from above into the clinching connection.
  • Fig. 4 shows a modified embodiment in which the same parts have been given the same reference numerals.
  • the outer wall 26 of the die has a nose 27 which engages in a notch 28 of the lever 11 when the lever 11 is in its release position. In reality, the engagement takes place somewhat earlier after a small outward movement of the lever 11, so that the lever 11 is also not pulled out of the die 5 when the workpieces 2, 3 are pulled out. Rather, it sticks to the nose 27.
  • Fig. 7 shows a third embodiment in which the same parts are provided with the same reference numerals.
  • the device is shown in FIG. 8 when the punch, the connected or joined workpieces 2, 3 and the die are separated from one another.
  • the lever 11 shows the lever 11 with solid lines in the working position and with dash-dotted lines in the release position. From this it can be seen that the movement of the lever 11 is no longer a pure pivoting movement. Rather, the lever 11 is also raised a bit when the position changes.
  • the top of the nose 27 serves as a sliding surface on which a corresponding counter surface of the notch 28 slides. However, the lower end of the notch 28 remains in the release position on the lower end of the nose 27 and prevents further movement.
  • the wall portions 10 of the levers 11 are in the extended state, i.e. vertical in the release position. In doing so, they release a diameter D that is larger than the largest diameter d of the undercut areas 24 on the workpiece 3. It is therefore easily possible to lift the workpieces 2, 3 out of the die 5.
  • the wall 26 is formed here as a separate part that can be removed and installed from the die 5. To replace the lever 11, the wall 26 must be removed briefly.
  • FIGS. 1, 4 and 7 show that the movable wall section 10 'is not necessarily defined by a flat surface. must be educated.
  • the lever 11 is provided with a wall section 10 'which is formed at its upper end by an inclined plane, as in FIGS. 1, 4 and 7 also. Below this section there is a cavity 29 which provides an even greater space for the material of the lower workpiece 3 to advance. The state of the forming is shown.
  • a thin line 30 is intended to illustrate how far the material of the workpiece 3 can still penetrate into the cavity 29.
  • FIG. 10 shows an embodiment of a wall section 10 ′′ in which a groove 31 is made within the inclined surface, which likewise provides a space into which the material of the workpiece 3 and of course the workpiece 2 subsequently can flow.
  • Fig. 11 shows the process in four representations
  • Demolding i.e. the working section in which the punch is moved away from the die and the levers release the workpiece or the workpiece pair.
  • 11a shows the starting point. It can be seen that the clinching connection has been established. With its inclined wall section 10, the lever 11 forms an undercut into which the material of the lower workpiece 3 has flowed. 11b shows that the stamp carrier 6 is removed from the die 5 has lifted off. Due to a relatively large friction between the punch 4 and the workpiece 2, the punch 4 takes the workpiece pair 2, 3 with it. However, the undercut area of the clinching connection does not yet come free from the inclined wall 10, but rather raises the lever 11, which is thereby pivoted or folded somewhat outwards. The movement of the stamp carrier 6 is continued until, as shown in FIG. 11c, the clinching connection reaches the upper boundary edge of the wall section 10. Here, the lever 11 is pivoted outward the most.
  • the pair of workpieces can then be removed laterally, as shown in dash-dot lines.
  • FIGS. 12 to 14 show devices with which sequential, i.e. sequentially, a series of clinching connections can be made.
  • FIG. 12 shows a device in which a plurality of stamps 4 on stamp carriers
  • the stamp carriers 6 are arranged, the stamp carriers 6 being arranged on a first wheel 50 which can be rotated in the direction of an arrow 51 about an axis of rotation 52.
  • the stamp carrier 6 and the stamp 4 are in this case below the pairing of the workpieces 2, 3 arranged so that the bulge formed during clinching is created on the top of the workpiece 3.
  • 12c shows the wheel 15 in plan view, partly in section. The stamp 4 on the surface can be seen.
  • the wheel 50 can be held between two clamping flanges 53, 54, which in turn are mounted on a shaft 55, the shaft 55 being relatively solid in order to be able to absorb the necessary compressive forces.
  • the dies 5 are arranged on the circumferential surface of a second wheel 56 which can be rotated in the direction of an arrow 57 about an axis of rotation 58.
  • the axis of rotation 58 is also formed by a relatively solid shaft 59, as can be seen from FIG. 12b.
  • the peripheral speeds of the two wheels 50, 56 are the same, so that adjacent punches 4 can enter adjacent dies 5 one after the other. This creates a sequence of clinching connections between the two workpieces 2, 3.
  • the matrices 5 are arranged in modules which are fastened on the circumferential surface of the wheel 56. This simplifies production.
  • the peripheral surface of the wheel 56 has a number of flats corresponding to the number of dies 5.
  • 13 shows a somewhat modified embodiment.
  • the punches 4 are still arranged in a wheel 50 which rotates about the axis 52 in the direction of the arrow 51.
  • the matrices 5 are arranged in a carrier 60, which has an essentially flat surface. before 61.
  • the carrier 60 is moved synchronously in the direction of an arrow 62, ie the peripheral speed of the wheel 50 corresponds to the feed speed of the carrier 60. It can also be achieved with this that the individual punches 4 are inserted one after the other into the corresponding dies 5.
  • 13a shows a side view, partly in elevation.
  • 13b shows a plan view, the workpieces 2, 3 being partially omitted in the left part in order to enable a plan view of the dies 5, while the push-through joints 63 can be seen in the plan view in the right part.
  • a dashed line shows that the clinching connections 63 have a square shape due to the undercut areas on the underside of the workpiece 3.
  • FIG. 14 shows a further modified embodiment of FIG. 13.
  • FIG. 14a shows the device in side view
  • FIG. 14b shows the device in plan view, partly in section, partly with and partly without workpieces.
  • the matrices which can be seen in the left half of FIG. 14b, have only one lever 11.
  • the corresponding recess 7 ' is therefore slit-shaped.
  • the recess 7 ' is also no longer point-symmetrical, as in the previously considered recesses 7, but asymmetrical.
  • Adjacent recesses are in each case rotated by 90 ° with respect to one another, so that, as can be seen from the right half of FIG. 14b, mutually offset push-through joints 63a, 63b, 63c, 63d result.
  • the stamp 4 ' are adapted to the recesses 7'. They are no longer symmetrical, but long and narrow. Adjacent stamps 4 ', 4 "are each rotated through 90 ° to one another.

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Description

Fügevorrichtun , Durchsetzfü everfahren und Durchsetzfüge erbindung
Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum Erzeugen einer Durchsetzfügeverbindung zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück mit einem Stempel, der von oben in eine Ausnehmung einer Matrize ein- fahrbar ist . Ferner betrifft die Erfindung ein Durchsetzfügeverfahren, bei dem ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück mit flächigen Abschnitten in zumindest teilweiser Überlappung übereinander gelegt werden und das erste Werkstück so von oben eingedrückt wird, daß es eine topfförmige Ausformung erhält, die sich in das zweite Werkstück eindrückt und dieses ohne Schneiden nach unten verformt, wobei die Ausformung des ersten Werkstücks eine Hinterschneidung mit dem zweiten Werkstück bildet . Schließlich betrifft die Erfindung eine Durchsetzfügeverbindung, bei dem ein erstes Werkstück eine Ausformung aufweist, die in eine Ausformung eines zweiten Werkstücks eingreift und mit dem zweiten Werkstück eine Hinterschneidung bildet. Beim Durchsetzfügen werden zwei Werkstücke durch teilweises Umformen miteinander verbunden. Man kommt hierbei ohne Wärmezufuhr, wie es beispielsweise beim Schweißen oder Löten erforderlich ist, und ohne Hilfs- mittel, wie Klebstoffe oder Hilfsfügeteile (Schrauben oder Bolzen) aus.
Die beiden Werkstücke müssen hierzu flächige Abschnitte aufweisen, die einander zumindest teilweise überlappen und parallel zueinander aufeinander liegen. Man kann auch mehr als zwei Werkstücke miteinander verbinden. Für die nachfolgende Erläuterung wird davon ausgegangen, daß das erste und das zweite Werkstück die äußeren Werkstücke sind. Alternativ kann auch jedes Werkstück mit dem nächsten Werkstück eine Hinterschneidung bilden.
Beim Durchsetzfügen unterscheidet man einstufige und zweistufige Verfahren. Beim einstufigen Verfahren wird die Fügeverbindung in einem Arbeitsgang erzeugt. Im einfachsten Fall wird ein Stempel in eine Matrize abgesenkt . Dabei entstehen in den beiden Werkstücken topfförmige Ausformungen, die mit einem hohen Reibschluß ineinander sitzen. Eine derartige Verbindung hat eine hohe Scherfestigkeit, jedoch nur eine geringe KopfZugfestigkeit .
Um die KopfZugfestigkeit zu erhöhen, verwendet man beispielsweise Matrizen, bei denen die Umfangswand der Ausnehmung durch Lamellen gebildet ist, die durch eine Ringfeder, beispielsweise einen Elastomer-Ring, in Form gehalten werden. Wenn nun der Stempel die Ausformungen erzeugt und weiter mit einer ausreichend großen Kraft in die Matrize hineingedrückt wird, dann verformen sich die beiden Werkstücke radial nach außen und pressen dementsprechend die Lamellen nach außen, so daß eine Hinterschneidung des ersten Werkstücks im zweiten Werkstück gebildet wird. Bei dieser Ausgestaltung ist die KopfZugfestigkeit wesentlich höher. Allerdings ist die Matrize ein relativ aufwendiges Bauteil. Die Lamellen müssen hochgenau gefertigt werden.
Eine noch bessere KopfZugfestigkeit ergibt sich beim Durchsetzfügen mit Schneidanteil. Hierbei werden zumin- dest in dem der Matrize zugewandten Werkstück zwei
Schnitte eingebracht. Das andere, oben liegende Werkstück wird dann soweit eingeformt, daß es zumindest teilweise die Schnitte durchragt . Bei Aufbringen eines noch höheren Druckes wird das Material dann durch die Schnitte nach außen verdrängt und bildet wiederum eine Hinterschneidung. Auch hier ist es erforderlich, daß die Matrize mit Lamellen versehen ist, die mit Hilfe einer Federkraft einwärts gezogen oder gedrückt werden müssen. Die Durchsetzfügeverbindung mit Schneidanteil hat zwar den Vorteil einer hohen KopfZugfestigkeit . Sie hat jedoch den Nachteil, daß die Werkstücke durchtrennt werden müssen, so daß eine Gas- und Flüssigkeitsdichtigkeit nicht mehr gegeben ist. Diesen Nachteil kann man zwar dadurch vermeiden, daß man ein Durchsetzfügen mit vermindertem Schneidanteil anwendet, bei dem nur das der Matrize zugewandte Werkstück mit Schnitten versehen wird. In beiden Fällen ist die Verbindung aber in der Regel nicht für dynamisch beanspruchte Teile verwendbar, weil sich aufgrund der Schnitte Kerbwirkungen ergeben. Neben den einstufigen Verfahren gibt es zweistufige Durchsetzfügeverfahren, die auch ohne Schneidanteil verbesserte Kopfzugeigenschaften liefern. Allerdings ist es hierbei nötig, die Werkstücke von einem Werkzeug zum nächsten zu transportieren oder umgekehrt ein zweites Werkzeug an der erforderlichen Position am Werkstück zu positionieren. Beide Vorgänge erfordern eine relativ hohe Genauigkeit beim Positionieren, die die Handhabung erschwert .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise haltbare Fügeverbindungen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einer Fügevorrichtung der ein- gangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Umfangswand der Ausnehmung Wandabschnitte aufweist, die an Hebeln angeordnet sind, wobei die Hebel durch Druck von oben in eine Arbeitsposition bewegbar und dort festlegbar sind und Hinterschneidungsbereiche bilden und durch ei- ne Bewegung der gefügten Werkstücke nach oben in eine Freigabeposition bewegbar sind, in der die Hinterschneidungsbereiche vollständig frei gegeben sind.
Mit einer derartigen Fügevorrichtung erhält man zu- nächst einen relativ einfachen Aufbau der Matrize. Die Bezeichnung "oben" und "unten" soll hierbei nicht auf die Schwerkraftrichtung im Raum begrenzt sein. Sie dient lediglich dazu, bestimmte Richtungen relativ zur Matrize und zum Stempel anzugeben. Für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, daß "oben" die Richtung ist, aus der sich der Stempel der Matrize nähert. "Unten" ist dementsprechend die entgegengesetzte Richtung. Durch die Verwendung von Hebeln oder Fingern, die durch den Preßvorgang selbst in ihre Arbeitsposition gebracht und dort gehalten werden, spart man sich zunächst die Federn oder sonstigen Hilfsmittel, die erforderlich sind, um die Matrize in den geschlossenen Zustand zu versetzen, der nötig ist, damit man überhaupt eine Ausformung initiieren kann. In dem Augenblick, wo die beiden Werkstücke auf die Matrize gelegt und mit Druck beaufschlagt werden, bewegen sich die Hebel in ihre Arbeitsposition. Hier können sie sich auch nicht weg bewegen, weil sie durch die Werkstücke selbst dort festgehalten werden. Die Hinter- schneidungen stellen nun ein Raum zur Verfügung, in den das Material der beiden Werkstücke hineinfließen kann. Da das Material des der Matrize zugewandten Seite durch das Material des anderen Werkstücks druckmäßig belastet wird, fließt nicht nur das Material des unteren Werk- stücks in den Hinterschneidungsbereich hinein, sondern es erlaubt auch dem Material des anderen Werkstücks, zu folgen, so daß das erste Werkstück mit dem zweiten Werkstück eine Hinterschneidung im Sinne einer formschlüssigen Verhakung bildet. Normalerweise würde nun bei einer derartigen Hinterschneidung, die auch auf der Matrizenseite erkennbar ist, das Herausnehmen des Werkstücks aus der Matrize ein gewisses Problem bedeuten. Dies wird erfindungsgemäß aber dadurch vermieden, daß beim Abheben des Werkstücks, genauer gesagt der mitein- ander verbundenen Werkstücke, der Hebel nach außen geschwenkt wird, also in die Freigabeposition bewegt wird. Hierbei muß der Hebel keine Federkräfte überwinden, die normalerweise zu seiner Rückstellung erforderlich wären. Dementsprechend kann das Entnehmen der Werkstücke mit relativ geringem Aufwand erfolgen, beispielsweise durch Abhebefedern oder Auswerfer. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß beim Entnehmen der Werkstücke aus der Matrize die Hebel nicht unter Druck an der Unterseite der Werkstücke kratzen, so daß entspre- chende Spuren weitgehend vermieden werden. Dies schont nicht nur das Werkstück, sondern auch die entsprechenden Anlageflächen der Hebel. Die Durchsetzfügeverbindung läßt sich nicht nur auf einfache Weise herstellen. Sie ist auch sehr haltbar und weist eine Kopfzug-, Scherzug-, Torsions- und Biegewechselfestigkeit auf, die sie insbesondere für den Fahrzeugbau geeignet macht .
Vorzugsweise weisen die Hebel eine im wesentlichen ebe- ne Oberseite auf, die in der Arbeitsposition senkrecht zur Druckrichtung steht und in der gleichen Ebene wie die Oberseite der Matrize liegt. Außerhalb der eigentlichen Ausformung, mit deren Hilfe die Durchsetzfügeverbindung geschaffen wird, sieht sich das Werkstück also einer quasi durchgehenden und ebenen Fläche gegenüber. Außerhalb der eigentlichen Durchsetzfügeverbindung entstehen damit keine Markierungen in den Oberflächen der Werkstücke. Da die Hebel mit ihrer Oberseite eine Ebene bilden, die senkrecht zur Druckrichtung steht, werden Druckspitzen auf die Hebel vermieden. Die Belastung erfolgt vielmehr in der Arbeitsposition relativ gleichmäßig, so daß die Hebel geschont werden und dementsprechend eine relativ hohe Lebensdauer aufweisen. Solange die Hebel noch nicht in der Arbeitspositi- on liegen, sind die unterschiedlichen Druckbelastungen akzeptabel, weil hier nur relativ kleine Gegenkräfte auf die Hebel wirken.
Vorzugsweise ist jeder Hebel als Winkelhebel ausgebil- det. Die Druckkraft, die zum Bewegen und zum Halten der Hebel in die Arbeitsstellung verwendet wird, kann dann auf eine größere Fläche wirken. Die Hebelübersetzungsverhältnisse sind hier günstiger, so daß man auch mit einem relativ schwach dimensionierten Hebel die erfor- derlichen Kräfte aufnehmen kann. Vorzugsweise weist der Winkelhebel einen kurzen Arm, an dem der Wandabschnitt angeordnet ist, und einen langen Arm auf, an der sich eine Schwenkachse befindet. Der Hebel ist also nach Art eines L ausgebildet . An der Stirnseite des kurzen Schenkels befindet sich der Wandabschnitt, der einen Teil der Seitenwand der Ausnehmung der Matrize bildet . Die hier wirkenden Kräfte werden über einen relativ langen Hebelarm an die Schwenkachse weitergeleitet. Wenn man nun die Schließkräfte über einen ähnlich langen Hebelarm wirken läßt, also auf die Außenseite des kurzen Schenkels des "L", dann ergibt sich mit relativ kleinem Aufwand das gewünschte Kräftegleichgewicht .
Die Erfindung arbeitet zufriedenstellend, wenn zwei einander gegenüberliegende Hebel vorgesehen sind. Hier lassen sich dann mehrere Fügeverbindungen relativ dicht benachbart anordnen. Vorzugsweise sind jedoch minde- stens drei Hebel in Umfangsrichtung der Ausnehmung verteilt angeordnet. Bei drei Hebeln kann man in Umfangsrichtung eine gleichmäßige und in allen Richtungen bestimmte Kraftverteilung sicherstellen.
Vorzugsweise sind jedoch vier Hebel vorgesehen. Diese Ausgestaltung hat aus fertigungstechnischen Gründen Vorteile. Insbesondere kann man hier eine gewisse Symmetrie wahren.
Mit Vorteil sind zwischen den beweglichen Wandabschnitten stationäre Wandabschnitte vorgesehen, die im wesentlichen parallel zur Druckrichtung verlaufen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die zu Hinterschnei- düngen führende Umformung der beiden Werkstücke sich nicht gleichmäßig über den gesamten Umfang der Ausneh- mung der Matrize erstreckt. Es ergeben sich entlang der Wand der Ausnehmung der Matrize vielmehr nur einzelne Abschnitte, in denen eine Hinterschneidung vorliegt. Dies hat zum einen den Vorteil, daß die Durchsetzfüge- Verbindung eine gewisse Verdrehsicherung aufweist. Dies hat zum anderen den Vorteil, daß die Entformung, d.h. das Herausnehmen der Werkstücke aus der Matrize, einfacher wird. In den Wandabschnitten, die parallel zur Druckrichtung verlaufen, kann man nämlich die Werkstük- ke einfach umgekehrt zur Druckrichtung aus der Matrize herausziehen. Lediglich im Bereich der beweglichen Wandabschnitte ist es erforderlich, die Hebel nach außen zu klappen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß nun für die Ausbildung der Hinterschneidungen mehr Ma- terial zur Verfügung steht. Damit ist es möglich, die
Hinterschneidungsüberdeckung nach außen, d.h. senkrecht zur Druckrichtung, größer werden zu lassen. Dies ergibt sich daraus, daß man aus den Bereichen mit stationären Wandabschnitten Material in die Hinterschneidung hinein verdrängen kann. Für die KopfZugfestigkeit ist es im allgemeinen von größerer Bedeutung, wie weit die Hinterschneidungen radial oder senkrecht zur Druckrichtung reichen als die Frage, wie groß die Hinterschneidungsbereiche in Umfangsrichtung sind.
Vorzugsweise bilden die stationären Wandabschnitte mindestens 50 % der Umfangslänge der Ausnehmung. Die Hinterschneidungsbereiche sind also in Umfangsrichtung gesehen relativ kurz. Es entstehen daher nur finger- oder strahlenartige Hinterschneidungsbereiche, die senkrecht zur Druckrichtung dementsprechend eine relativ große Tiefe aufweisen können.
Mit Vorteil weist die Matrize für jeden Hebel einen Herausfallsicherung auf. Diese Herausfallsicherung hat zwei Vorteile. Zum einen muß man beim Herausnehmen der Werkstücke aus der Matrize nicht mehr darauf achten, daß die Hebel in der Matrize zurückbleiben. Diese werden vielmehr durch die Herausfallsicherung festgehalten. Zum anderen kann man nun die Matrize auch "über Kopf" verwenden, d.h. den Stempel entgegen der Schwer- kraftrichtung auf die Matrize zu bewegen. Damit erreicht man eine höhere Flexibilität in Bezug auf die Montagelage beim Betrieb der Vorrichtung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Herausfallsicherung als Nase ausgebildet, die radial in Richtung auf den Hebel weist, wobei der Hebel eine mit der Nase zusammenwirkende Kerbe aufweist. Hierbei trägt man der Tatsache Rechnung, daß eine Herausfallsicherung nur dann wirksam werden muß, wenn sich der Hebel in seiner Freigabeposition befindet. In dieser Position greift dann die Nase in die Kerbe ein und verhindert eine weitere Bewegung des Hebels nach oben, d.h. aus der Matri- ze heraus. Wenn sich hingegen die Hebel in ihrer Arbeitsposition befinden, dann sind sie durch die Werkstücke dort festgelegt. Das Austauschen der Hebel, die Verschleißteile der Matrize bilden, wird relativ einfach. Man muß (ohne Auflage von Werkstücken) die Hebel in ihrer Arbeitsposition verschwenken und kann sie von dort aus der Matrize herausziehen.
Vorzugsweise weist die Nase auf ihrer Oberseite eine Führungsfläche auf, auf der der Hebel bei einer Bewe- gung gleitet. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, daß der Hebel bei seiner Bewegung von der Arbeitsposition in die Freigabeposition nicht nur schwenkt, sondern sich gleichzeitig auch noch parallel zur Druckrichtung verlagert. Damit ist eine größere Öffnungswei- te realisierbar, so daß umgekehrt die Hinterschneidun- gen eine größere Tiefe aufweisen können. Dies wiederum führt zu einer höheren KopfZugfestigkeit der Verbindung.
Mit Vorteil ist die Nase in einem Einsatzteil ausgebildet. Man kann die Nase dann dazu verwenden, die Hebel unverlierbar in der Matrize zu halten. Zum Auswechseln der Hebel ist es lediglich erforderlich, das Einsatzteil auszubauen, was aber mit einem relativ geringen Aufwand möglich ist.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Herausfallsicherung als Stift ausgebildet, der durch die Matrize und den Hebel geführt ist und eine Schwenkachse bildet. Auch in diesem Fall sind die Hebel unverlierbar in der Matrize gehalten. Zur Montage der Hebel ist es lediglich erforderlich, die Hebel in die Matrize einzusetzen und dann den Stift einzufügen.
Bevorzugterweise weist die Ausnehmung einen Boden auf, der an der Oberseite eines in die Matrize eingesetzten Bodenteiles angeordnet ist. Der Boden der Matrize, der üblicherweise eine gewisse Formgebung aufweist, um ein Fließen der Materialien der Werkstücke in die entspre- chenden Randbereiche der Ausnehmung gewährleisten zu können, ist ein Verschleißteil. Das Fließen der Werkstoffe geht mit einer nicht unerheblichen Reibung einher. Durch die Möglichkeit, den Boden an einem Bodenteil anzuordnen, das austauschbar ist, wird der War- tungs- und Instandhaltungsaufwand für die Matrize relativ klein gehalten. Die Hebel und der Boden, die, wie gesagt, die Hauptverschleißteile bilden, können mit einfachen Maßnahmen ausgewechselt werden. Das Bodenteil kann ortsfest in der Matrize gehalten werden. Vorteilhafterweise sind mehrere Matrizen auf einem ersten Träger nebeneinander und mehrere Stempel auf einem zweiten Träger mit gleicher Teilung nebeneinander angeordnet, wobei mindestens einer der beiden Träger gegen- über dem anderen Träger so bewegbar ist, daß die Stempel und Matrizen nacheinander in Eingriff kommen. Die gleiche Teilung kann entweder mechanisch erreicht werden, indem Stempel und Matrizen gleichen Mittenabstand zueinander aufweisen. Sie kann aber auch durch eine ge- eignete Bewegungssteuerung erreicht werden. Mit einer derartigen Vorrichtung lassen sich eine Reihe von nebeneinanderliegenden Durchsetzfügeverbindungen quasi kontinuierlich erzeugen. Die Werkstücke werden zwischen den beiden Trägern hindurchgeführt, wobei die beiden Träger eine Eingriffsstelle haben, an der ein Stempel in eine Matrize eingreift. An dieser Stelle wird dann die Durchsetzfügeverbindung erzeugt. Durch das Weiterbewegen des Werkstücks und der Träger kommt dann der Stempel aus der Matrize heraus, und der nächste Stempel tritt in die nächste Matrize ein.
Hierbei ist bevorzugt, daß mindestens ein Träger als Rad und der andere Träger mit einer ebenen Oberfläche ausgebildet ist . Das Rad kann dann sozusagen auf der Oberfläche abrollen, wobei auch vorgesehen sein kann, daß das Rad eine stationäre Rotationsachse hat und der Träger daran vorbeibewegt wird.
In einer alternativen Ausgestaltung können beide Träger als Rad ausgebildet sein. An den Oberflächen beider Räder sind dann Stempel beziehungsweise Matrizen vorgesehen, die nacheinander in Eingriff kommen.
In einer besonders bevorzugt Ausgestaltung weisen ne- beneinanderliegende Matrizen voneinander abweichende Hebelanordnungen auf. Dementsprechend haben die nebeneinander erzeugten Durchsetzfügeverbindungen voneinander abweichende Ausrichtungen und/oder Formen. Dies erhöht die Festigkeit der Verbindung. Insbesondere kann man dadurch erreichen, daß die Verbindung zwischen den Werkstücken in mehrere Richtungen eine erhöhte Belastbarkeit aufweist. Es lassen sich fachwerkähnliche Strukturen erzeugen, die eine hohe Verwindungssteifig- keit der gefügten Teile zur Folge haben.
Dies wird in einer bevorzugten Ausgestaltung dadurch erreicht, daß die Hebelanordnungen unsymmetrisch angeordnet sind, wobei die Hebelanordnungen benachbarter Ausnehmungen gegeneinander verdreht sind. Damit erhal- ten nebeneinanderliegende Durchsetzfügeverbindungen ebenfalls ein unsymmetrisches Aussehen, d.h. sie sind nicht mehr punktsymmetrisch zu einer Achse, die senkrecht auf den Werkstücken steht . Wenn man nun nebeneinanderliegende Durchsetzfügeverbindungen auch noch ge- geneinander verdreht, dann wird die Festigkeit in unterschiedliche Richtungen verbessert.
Besonders bevorzugt ist hierbei, daß pro Ausnehmung nur ein Hebel vorgesehen ist . Dies vereinfacht den Aufbau der Matrize ganz erheblich.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Hinterschneidung auf vorbestimmte Umfangsbereiche der Ausformung be- grenzt wird, wobei man Material aus Bereichen ohne Hinterschneidung in die Umfangsbereiche mit Hinterschneidung fließen läßt.
Bei dieser Vorgehensweise erhält man, wie oben bereits im Zusammenhang mit der Vorrichtung diskutiert worden ist, mehrere Vorteile. Zum einen entsteht bei der Herstellung der Durchsetzfügeverbindung automatisch eine Verdrehsicherung und zwar auch dann, wenn die Ausformung ansonsten rotationssymmetrisch ist. Durch die dann nach außen vorstehenden Hinterschneidungsbereiche, die sich nicht über den gesamten Umfang erstrecken, wird eine Drehbewegung der beiden Teile relativ zueinander blockiert. Besonders vorteilhaft ist es aber, daß nun für die Herstellung der Hinterschneidungsbereiche mehr Material zur Verfügung steht. Man kann mit anderen Worten das Material, das üblicherweise am gesamten Umfang der Ausformung verfügbar ist, nun auf einige wenige Hinterschneidungsbereiche konzentrieren. Damit ist es möglich, mit der gleichen Materialmenge die Hinter- schneidungen senkrecht zur Druckrichtung weiter oder tiefer werden zu lassen. Man hat herausgefunden, daß die Festigkeit der Verbindung in einem stärkeren Maße von der Tiefe der Hinterschneidungen als von der Länge in Umfangsrichtung abhängig ist. Wenn man also die Hin- terschneidungen auf Bereiche in Umfangsrichtung beschränkt, diese Bereiche dann aber mit einer größeren Überdeckung im Hinterschneidungsbereich ausgestaltet, dann wird die Verbindung insgesamt fester. Man erreicht damit trotz eines einstufigen Verfahrens und ohne Schneidanteil Verbindungsqualitäten, wie sie ansonsten nur durch zweistufige Verfahren oder durch Durchsetzfügen mit Schneidanteil erzielt werden können. Allerdings sind die erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen auch dynamisch belastbar.
Vorzugsweise erzeugt man zwischen den Umfangsbereichen auf einer Außenseite mindestens eines Werkstücks Wandabschnitte, die parallel zur Druckrichtung verlaufen. Diese Ausgestaltung beinhaltet einen Kompromiß. Zum einen ist das Entformen, d.h. das Herausnehmen der Werkstücke aus der Matrize noch gut möglich. In den Bereichen, wo die Außenseite parallel zur Druckrichtung verläuft, muß man keine Umformarbeit mehr leisten, um das Werkstück zu entnehmen. Es sind lediglich die Haftreibungskräfte zu überwinden. Zum anderen ist aber gerade bei zumindest annähernd senkrechten Umfangswänden die Materialkonstellation so, daß optimale Fließwege für die beiden Werkstoffe der Werkstücke in die Hinterschneidungsbereiche gegeben sind.
Vorzugsweise erzeugt man beim Eindrücken eine Schließkraft auf mindestens ein Werkzeugteil und beim Abziehen der umgeformten Werkstücke von dem Werkzeugteil eine Öffnungskraft. Damit wird das Verfahren quasi selbst- steuernd. Es sind keine externen Mittel mehr nötig, um das Werkzeugteil in seine Arbeitsposition zu bewegen oder - beim Herausnehmen der Werkstücke - eine Öffnung dieses Werkzeugteiles zu bewirken.
Vorteilhafterweise erzeugt man drei oder mehr hinter- schnittene Umfangsbereiche . Damit läßt sich senkrecht zur Zugkraft eine allseitig abgestützte Verbindung erreichen.
Die Aufgabe wird auch durch eine Durchsetzfügeverbindung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Hinterschneidung auf vorbestimmte Umf ngsbereiche begrenzt ist .
Wie oben diskutiert, kann man auf diese Weise bewirken, daß die Hinterschneidungstiefe, d.h. die Tiefe der formschlüssigen Verhakung, größer als bisher wird. Das hierfür benötigte Material kann aus den Bereichen stammen, in denen keine Hinterschneidung vorliegt. Durch die Formgebung an den Wirkflächen der die Hinterschnei- düng bildenden Hebel können die Fließeigenschaften auf die zu fügenden Werkstücke optimiert werden. Die Größe und der Ort der formschlüssigen Verhakungen können durch die Wahl der vorbestimmten Umfangsbereiche und der Hinterschneidungstiefe optimiert und definiert werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Durchsetzfügeverbindung, teilweise im Schnitt,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts von Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Matrize nach Fig. 1,
Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung zu Fig. 1,
Fig. 5 einen Schnitt V-V durch eine Durchsetzfügeverbindung entsprechend der Ansicht nach Fig. 6,
Fig. 6 eine Draufsicht auf die Verbindung nach Fig. 5,
Fig. 7 eine dritte Alternative entsprechend der Ansicht nach Fig. 1,
Fig. 8 die Vorrichtung von Fig. 7 in auseinandergezogenem Zustand, Fig. 9 eine alternative Ausgestaltung einer Begrenzungsfläche,
Fig. 10 eine weitere Alternative entsprechend Fig. 8,
Fig. 11 eine Darstellung des Bewegungsablaufs beim Herausnehmen der verbundenen Werkstücke aus der Vorrichtung,
Fig. 12 eine Vorrichtung zum sequentiellen Erzeugen mehrerer Durchsetzfügeverbindungen,
Fig. 13 eine gegenüber Fig. 12 abgewandelte Vorrichtung und
Fig. 14 eine weitere Ausgestaltung einer derartigen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen einer Durchsetzfügeverbindung zwischen einem ersten Werkstück 2 und einem zweiten Werkstück 3.
Die Vorrichtung 1 weist einen Stempel 4 und eine Matrize 5 auf. Der Stempel 4 ist hierbei an einem Stempel- träger 6 befestigt. Der Stempelträger 6 ist mit Hilfe von nicht näher dargestellten Antriebsaggregaten auf die Matrize 5 so zu bewegbar, daß der Stempel 4 entlang einer Bewegungsrichtung 9 in eine Ausnehmung 7 (Fig. 3) der Matrize 5 einfahren kann. Die Ausnehmung 7 ist hier im wesentlichen hohlzylinderförmig, d.h. sie hat eine annähernd kreisförmige Grundfläche. Dies ist jedoch nicht zwingend. Auch elliptische, ovale oder eckige Formen sind möglich. Für die nachfolgende Erläuterung der Vorrichtung wird davon ausgegangen, daß die auf den Stempelträger 6 zuweist, als Oberseite bezeichnet wird. Die Richtungsangaben "oben" und "unten" stimmen also mit denjenigen überein, die sich aus der Darstellung der Fig. 1 ergeben. Damit ist aber keine Einschränkung verbunden. Man kann die Vorrichtung 1 nach Fig. 1 durchaus auch so betreiben, daß die Matrize 5 in Schwerkraftrichtung oberhalb des Stempelträgers 6 angeordnet ist.
Die Matrize 5 weist - wie gesagt - eine Ausnehmung 7 auf, die im wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist (Fig. 3) . Die Ausnehmung 7 wird dementsprechend in Umfangsrichtung begrenzt durch stationäre Wandabschnit- te 8 , die parallel zur Bewegungsrichtung 9 verlaufen, d.h. entsprechend der Darstellung der Fig. 1 senkrecht gerichtet sind.
Zwischen den stationären Wandabschnitten 8 ist die Aus- nehmung begrenzt durch bewegliche Wandabschnitte 10, die an der Innenseite von L-förmigen Hebeln 11 angeordnet sind. Die Wandabschnitte 10 sind in Bezug auf die Bewegungsrichtung 9 geneigt . Der Neigungswinkel zur Richtung 9 beträgt mindestens 15°. Sie öffnen sich nach unten hin und bilden dementsprechend eine Hinterschneidung 12, wenn sich die Hebel in der in Fig. 1 dargestellten Arbeitsposition befinden.
Die Hebel 11 sind mit Hilfe von Stiften 13 in der Ma- trize 5 befestigt. Die Stifte 13 bilden gleichzeitig Schwenkachsen für die Hebel 11.
Jeder Hebel 11 weist an seiner Oberseite eine Druckfläche 14 auf, die in der in Fig. 1 dargestellten Arbeits- position bündig mit der Oberseite der Matrize 5 ab- schließt. Der Schenkel, der den Wandabschnitt 10 trägt, liegt mit seiner Unterseite 15 an einem Vorsprung 16 der Matrize 5 an. Der Hebel 11 läßt sich also nicht weiter in das Innere der Matrize 5 einschwenken, als es durch den Vorsprung 16 gestattet ist.
Die Ausnehmung 7 wird nach unten durch einen Boden 17 (Fig. 3) begrenzt, der an der Stirnseite eines Bodenträgers 18 angeordnet ist. Der Bodenträger 18 ist orts- fest in der Matrize 5 montiert und zwar in einer zentrischen Bohrung 19. Er wird der Matrize 5 mit Hilfe eines Klemmringes 20 gehalten. Nach Lösen des Klemmrings 20 kann der Bodenträger 18 aus der Matrize 5 entfernt werden, um ihn gegen einen anderen auszutauschen.
Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, weist der Boden 17 mehrere Stufen 21, 22 und eine abgerundete Spitze 23 auf.
Zum Herstellen einer Durchsetzfügeverbindung werden die beiden Werkstücke 2, 3, die in diesem Bereich eben sind und einander überlappen, auf die Oberseite der Matrize 5 aufgelegt und durch nicht näher dargestellte Niederhalter festgehalten. Mit der Auflage der Werkstücke 2, 3 werden, falls dies noch nicht der Fall ist, die Hebel 11 in ihre in Fig. 1 dargestellte Arbeitsposition verschwenkt . Auch das Eigengewicht der Werkstücke 2 , 3 hält sie dort fest . Wenn nun der Stempelträger nach unten gefahren wird und sich der Stempel 4 in die Werk- stücke 2, 3 einsenkt, dann verstärkt sich der Druck auf die Hebel 11. Diese werden dann mit einer Kraft gegen den Vorsprung 16 gedrückt, die ausreicht, um ein Öffnen, d.h. ein Ausschwenken der Hebel 11 zu verhindern, wenn sich das Material der beiden Werkstücke 2, 3 radi- al nach außen ausdehnt. Aus Fig. 2 ist erkennbar, wie das Material der beiden Werkstücke 2, 3 fließt. Aufgrund der Spitze 23 und der Stufen 21, 22 wird zunächst einmal Material aus der ra- dialen Mitte der Ausnehmung 7 nach außen verdrängt . Es würde sich aber bereits aufgrund des Drucks des Stempels 4 gegenüber der Matrize 5 eine gewisse Verdrängung ergeben. Durch die spezielle Ausformung des Bodens 17 wird das Fließen des Materials radial nach außen unter- stützt. Das Material des Werkstücks 3, das über das Material des Werkstücks 2 belastet wird, das wiederum direkt vom Stempel 4 beaufschlagt wird, kann dort, wo Hebel 11 sind, in die Hinterschneidung 12 ausweichen, die durch den Wandabschnitt 10 des Hebels gebildet wird. Das Material des Werkstücks 2 folgt und bildet dann mit dem zweiten Werkstück 3 die gewünschte Hinterschneidung 24 (Fig. 5) .
Wie aus den Fig. 5 und 6 erkennbar ist, ist dies Hin- terschneidung jedoch auf einige wenige, in Umfangsrichtung verteilte Hinterschneidungsbereiche 24 begrenzt. Der Querschnitt durch einen derartigen Hinterschnei- dungsbereich 24 ist in Fig. 4 links dargestellt. Die dort dargestellte Verbindung entspricht der Darstellung der Fig. 2, allerdings ohne Werkzeug.
In den Bereichen, wo die Matrize unbewegliche Wandabschnitte 8 aufweist, bleibt hingegen die Außenform des unteren Werkstücks 3 zylinderförmig. Allerdings kann man beobachten, daß Material aus diesen Zylinderbereichen 25 verdrängt worden ist in die jeweils benachbart angeordneten Hinterschneidungsbereiche .
Wenn die Durchsetzfügeverbindung, die in Fig. 5 und 6 dargestellt ist, fertiggestellt worden ist, dann kann der Stempelträger 6 wieder von der Matrize 5 abgehoben werden. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die Form, die der Stempel 4 im Werkstück 2 hinterlassen hat, keine Hinterschneidungen aufweist . Es ist deswegen problemlos möglich, den Stempel 4 aus dem Werkstück 2 herauszuziehen.
Wenn nun die verbundenen Werkstücke 2, 3 von der Matrize 5 abgehoben werden sollen, was entweder manuell oder mit nicht näher dargestellten Auswerfern bewerkstelligt werden kann, dann würden an und für sich die Hinterschneidungsbereiche 24 hinter den Wandabschnitten 10 hängen bleiben und somit eine Entnahme der Werkstücke 2, 3 aus der Matrize 5 verhindern.
Im vorliegenden Fall können jedoch die Hebel 11 um die Stifte 13 schwenken, wenn ihre Wandabschnitte 10 von unten her belastet werden, nämlich durch die Zugkraft auf die Werkstücke 2 , 3. Durch die Schwenkbewegung "öffnen" sich die Hebel 11 und geben die Ausnehmung 7 so vollständig frei, daß nicht nur die Zylinderbereiche 25, sondern auch die Hinterschneidungsbereiche 24 nicht mehr in Zugrichtung 9 von vorspringenden Teilen abgedeckt werden.
Mit anderen Worten werden die Hebel 11 durch die Werkstücke 2, 3 geschlossen, wenn ein Druck aufgebracht wird, und sie werden durch die Werkstücke 2, 3 auch wieder geöffnet, wenn mit Hilfe der Werkstücke 2, 3 ein Zug aufgebracht wird. Wenn die Hebel 11 aufgeklappt sind, dann sind auch die Hinterschneidungen 24 frei und die Werkstücke 2, 3 können entnommen werden.
Die Stifte 13 bilden hierbei eine Herausfallsicherung. Ein zu weites Aufklappen der Hebel 11 wird durch eine Außenwand 26 der Matrize 5 verhindert, an der die Hebel 11 zur Anlage kommen, wenn sie ihre am weitesten aufgeklappte Freigabeposition erreichen.
Wenn die Werkstücke 2, 3 aus der Matrize 5 entfernt worden sind, dann fallen die Hebel 11 aufgrund des durch die kurzen Schenkel bewirkten Übergewichtes wieder in ihre Arbeitsposition (Fig. 1) zurück.
Wenn die Vorrichtung 1 in umgekehrter Richtung betrieben wird, d.h. die Matrize über den Stempel 4, dann bleiben die Hebel 11 in der Freigabeposition, bis die nächsten Werkstücke 2, 3 zur Anlage gebracht werden. Sobald der erforderliche Druck aufgebracht wird, klap- pen die Hebel 11 wieder zurück in ihre Arbeitsposition. Dieses "Schließen" erfolgt aufgrund der Kraftverhält- nisse auf jeden Fall, bevor die Umformung der Werkstük- ke 2 , 3 mit Hilfe des Stempels 4 beginnt.
Man kann nun bei einer derartigen Durchsetzfügeverbindung zusätzlich noch Hilfsfügeteile verwenden, beispielsweise einen Niet. Die Verwendung eines derartigen Nietes verbessert die Scherzugfestigkeit erheblich, während die KopfZugfestigkeit jedenfalls nicht beein- trächtigt wird. Ein Niet, der als Hilfsfügeteil verwendet wird, kann als massiver Zylinderkörper ausgebildet sein, der im Bereich seiner beiden axialen Enden umlaufende Wülste oder Vorsprünge aufweist. Die hierdurch bedingte Durchmesservergrößerung liegt aber im Bereich weniger Zehntel Millimeter bis etwa ein Millimeter. An den stirnseitigen Enden kann der Niet eine gewisse Konizität aufweisen. Vorzugsweise ist er an beiden Enden gleich ausgebildet, so daß man beim Setzen des Nietes nicht auf eine vorbestimmte Ausrichtung achten muß. Beim Umformen der Werkstücke zum Herstellen der Durchsetzfügeverbindung ist es zweckmäßig, den Niet zunächst nur geringfügig aus dem Boden der Matrize vorstehen zu lassen. Erst, wenn der Werkstoff der beiden Werkstücke 2 , 3 in die jeweiligen Hinterschneidungsbereiche geflossen ist, wird der Niet beispielsweise durch einen zweiten Antriebsvorgang mit Hilfe eines beweglichen zweiten Stempels in der Matrize in den Boden der umgeformten Bereiche eingepreßt . Hierbei ergibt sich eine Stauchung des Nietes und damit verbunden eine Durchmesservergrößerung. In vielen Fällen wird der Werkstoff des an der Matrize anliegenden Werkstücks 3, das durch die vorangegangene Umformung schon sehr stark beansprucht ist, reißen, so daß der Niet dieses Werkstück durchstößt . Da das andere Werkstück aber geschlossen bleibt, ist die Verbindung immer noch dicht.
Die Abmessungen eines derartigen Nietes hängen von den Eigenschaften der verwendeten Werkstücke ab. In vielen Fällen wird ein Durchmesser von 2 bis 3 mm und eine
Länge von 3 bis 5 mm sinnvoll sein.
Der Niet wird vorzugsweise in dem nicht beweglichen Teil der Vorrichtung eingesetzt werden, d.h. in der Re- gel auf der Seite der Matrize. Dies erleichtert die Zufuhr, weil der Niet dann in einer stationären Führungsbahn zugeführt werden kann. Hierzu kann der zweite Stempel beispielsweise so weit abgesenkt werden, daß er eine Öffnung zu einer Zuführbahn frei gibt . Für die Ausbildung der Durchsetzfügeverbindung ist diese Vorgehensweise aber nicht zwingend. Man kann den Niet oder ein entsprechendes Hilfsfügeteil auch von der Seite des Stempels zuführen, also von oben in die Durchsetzfügeverbindung einsetzen. Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen worden sind.
Geändert hat sich gegenüber der Ausgestaltung nach Fig. 1 lediglich die Form und die Befestigung des Hebels 11. Geblieben ist lediglich eine Schwenkachse 27, die durch ein gestricheltes Kreuz angeordnet ist. Der Hebel 11 ist allerdings nicht mehr mit Hilfe eines Stiftes 13 in der Matrize 5 befestigt. Er ist lediglich eingelegt, kann also in der in Fig. 4 dargestellten Lage aufgrund der Schwerkraft nicht aus der Matrize 5 herausfallen.
Die Außenwand 26 der Matrize weist eine Nase 27 auf, die in eine Kerbe 28 des Hebels 11 eingreift, wenn der Hebel 11 seine Freigabeposition einnimmt. In Wirklichkeit erfolgt der Eingriff schon etwas früher nach einer kleinen Auswärtsbewegung des Hebels 11, so daß der Hebel 11 auch nicht beim Herausziehen der Werkstücke 2, 3 aus der Matrize 5 mit herausgezogen wird. Er bleibt vielmehr an der Nase 27 hängen.
Auch beim Betrieb "über Kopf" bleibt der Hebel 11 sicher in der Matrize 5. Solange keine Werkstücke 2, 3 an der Matrize anliegen, wird der Hebel 11 durch die Nase 27, die in diesem Fall die Herausfallsicherung bildet, gehalten. Wenn die Werkstücke 2 , 3 an der Matrize 5 zur Anlage kommen, dann sichern diese gegen ein Herausfallen der Hebel 11.
Ansonsten ist die Funktion der Hebel 11 als Mittel zur Verfügungsstellung eines beweglichen Wandabschnitts 10 die gleiche wie bei der Ausgestaltung nach Fig. 1. Fig. 7 zeigt eine dritte Ausgestaltung, bei der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Zum besseren Verständnis ist in Fig. 8 die Vorrichtung dargestellt, wenn der Stempel, die verbundenen oder gefüg- ten Werkstücke 2, 3 und die Matrize voneinander getrennt sind.
In Fig. 8 ist der Hebel 11 mit durchgezogenen Linien in der Arbeitsposition und mit strichpunktiert gezeichne- ten Linien in der Freigabeposition dargestellt. Daraus ist erkennbar, daß die Bewegung des Hebels 11 keine reine Schwenkbewegung mehr ist. Der Hebel 11 wird vielmehr bei der Positionsänderung auch ein Stück weit angehoben. Hierbei dient die Oberseite der Nase 27 als Gleitfläche, auf der eine entsprechende Gegenfläche der Kerbe 28 entlang gleitet. Das untere Ende der Kerbe 28 bleibt jedoch in der Freigabeposition am unteren Ende der Nase 27 hängen und verhindert eine weitere Bewegung.
Wie aus Fig. 8 erkennbar ist, stehen die Wandabschnitte 10 der Hebel 11 im ausgefahrenen Zustand, d.h. in der Freigabeposition senkrecht. Sie geben hierbei einen Durchmesser D frei, der größer ist als der größte Durchmesser d der Hinterschneidungsbereiche 24 am Werkstück 3. Es ist deswegen problemlos möglich, die Werkstücke 2, 3 aus der Matrize 5 auszuheben.
Die Wand 26 ist hier als eigenes Teil ausgebildet, das aus der Matrize 5 aus- und eingebaut werden kann. Zum Auswechseln der Hebel 11 muß die Wand 26 kurz entfernt werden.
Die Fig. 9 und 10 zeigen, daß der bewegliche Wandab- schnitt 10' nicht unbedingt durch eine ebene Fläche ge- bildet sein muß. Bei der Ausgestaltung nach Fig. 9 ist der Hebel 11 mit einem Wandabschnitt 10' versehen, der an seinem oberen Ende durch eine geneigte Ebene gebildet ist, wie bei den Fig. 1, 4 und 7 auch. Unterhalb dieses Abschnitts findet sich eine Höhlung 29, die einen noch größeren Raum für das Vordringen des Materials des unteren Werkstücks 3 zur Verfügung stellt. Dargestellt ist der Zustand der Umformung. Durch eine dünne Linie 30 soll verdeutlicht werden, wie weit das Materi- al des Werkstücks 3 noch in die Höhlung 29 vordringen kann.
Fig. 10 zeigt eine Ausgestaltung eines Wandabschnitts 10" bei dem innerhalb der schrägen Fläche eine Nut 31 eingebracht ist, die ebenfalls einen Raum zur Verfügung stellt, in den das Material des Werkstücks 3 und natürlich entsprechend nachfolgend des Werkstücks 2 einfließen kann .
In beiden Fällen ist die einzige Voraussetzung, daß in der Freigabestellung die Hebel weit genug aufklappen können, um auch die Hinterschneidungsbereiche 24 der Verbindung aus der Matrize entnehmen zu können.
Fig. 11 zeigt in vier Darstellungen den Vorgang beim
Entformen, d.h. dem Arbeitsabschnitt, bei dem der Stempel von der Matrize weg bewegt wird und die Hebel das Werkstück bzw. das Werkstückpaar freigeben.
Fig. 11a zeigt den Ausgangspunkt. Es ist erkennbar, daß die Durchsetzfügeverbindung hergestellt worden ist. Der Hebel 11 bildet mit seinem geneigten Wandabschnitt 10 eine Hinterschneidung, in die das Material des unteren Werkstücks 3 hineingeflossen ist. In Fig. 11b ist dar- gestellt, daß sich der Stempelträger 6 von der Matrize 5 abgehoben hat. Aufgrund einer relativ großen Reibung zwischen dem Stempel 4 und dem Werkstück 2 nimmt der Stempel 4 hierbei das Werkstückpaar 2, 3 mit. Der hin- terschnittene Bereich der Durchsetzfügeverbindung kommt aber noch nicht von der geneigten Wand 10 frei, sondern hebt den Hebel 11 mit an, der dabei etwas nach außen geschwenkt oder geklappt wird. Die Bewegung des Stempelträgers 6 wird so lange fortgesetzt, bis, wie in Fig. 11c dargestellt ist, die Durchsetzfügeverbindung an die obere Begrenzungskante des Wandabschnitts 10 gelangt. Hierbei ist der Hebel 11 am weitesten nach außen geschwenkt. Wenn sich das Werkstückpaar 2, 3 noch weiter nach oben bewegt, kommt die Durchsetzfügeverbindung, genauer gesagt, ihre Ausformungen, von der Wand 10 frei, und der Hebel 11 kann wieder nach unten in die Matrize 5 fallen, wie in Fig. lld dargestellt ist. Dort ist auch dargestellt, daß das Werkstückpaar 2, 3 zwischenzeitlich von der Matrize 4 freigekommen ist, wofür an und für sich bekannte Maschinenelemente, wie Nieder- halter oder ähnliches, verwendet werden können. Das
Werkstückpaar kann dann seitlich abgefördert werden, wie dies strichpunktiert dargestellt ist.
Während bei der bisher dargestellten Vorrichtung immer nur eine Durchsetzfügeverbindung zwischen den beiden
Werkstücken 2, 3 vorgesehen war, zeigen die Fig. 12 bis 14 Vorrichtungen, mit denen man sequentiell, d.h. nacheinander, eine Reihe von Durchsetzfügeverbindungen herstellen kann. So zeigt Fig. 12 beispielsweise eine Vor- richtung, bei der mehrere Stempel 4 auf Stempelträgern
6 angeordnet sind, wobei die Stempelträger 6 auf einem ersten Rad 50 angeordnet sind, das in Richtung eines Pfeiles 51 um eine Rotationsachse 52 gedreht werden kann. Der Stempelträger 6 und der Stempel 4 sind in diesem Fall unterhalb der Paarung der Werkstücke 2, 3 angeordnet, so daß die beim Durchsetzfügeverbinden entstehende Ausbuchtung auf der Oberseite des Werkstücks 3 entsteht. Fig. 12c zeigt das Rad 15 in Draufsicht, teilweise im Schnitt. Die Stempel 4 an der Oberfläche sind erkennbar. Das Rad 50 kann hierbei zwischen zwei Klemmflanschen 53, 54 gehalten werden, die wiederum auf einer Welle 55 gelagert sind, wobei die Welle 55 relativ massiv ausgebildet ist, um die notwendigen Druckkräfte aufnehmen zu können.
In ähnlicher Weise sind die Matrizen 5 auf der Umfangs- flache eines zweiten Rades 56 angeordnet, das in Richtung eines Pfeiles 57 um eine Rotationsachse 58 verdrehbar ist. Die Rotationsachse 58 wird ebenfalls durch eine relativ massive Welle 59 gebildet, wie aus Fig. 12b zu erkennen ist .
Die Umfangsgeschwindigkeiten der beiden Räder 50, 56 sind gleich, so daß benachbarte Stempel 4 nacheinander in benachbarte Matrizen 5 eintreten können. Dadurch wird eine Abfolge von Durchsetzfügeverbindungen zwischen den beiden Werkstücken 2, 3 erzeugt.
Aus Fig. 12a ist zu erkennen, daß die Matrizen 5 in Mo- dulen angeordnet sind, die auf der Umfangsflache des Rades 56 befestigt sind. Dies erleichtert die Fertigung. Die Umfangsflache des Rades 56 weist eine der Anzahl der Matrizen 5 entsprechende Anzahl von Abflachungen auf .
Fig. 13 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform. Die Stempel 4 sind nach wie vor in einem Rad 50 angeordnet, das sich in Richtung des Pfeiles 51 um die Achse 52 dreht. Die Matrizen 5 sind jedoch in einem Träger 60 angeordnet, der eine im wesentlichen ebene Oberflä- ehe 61 aufweist. Wenn sich das Rad 50 in Richtung des Pfeiles 51 dreht, dann wird der Träger 60 in Richtung eines Pfeiles 62 synchron bewegt, d.h. die Umfangsgeschwindigkeit des Rades 50 stimmt mit der Vorschubge- schwindigkeit des Trägers 60 überein. Auch hiermit kann erreicht werden, daß die einzelnen Stempel 4 nacheinander in die entsprechenden Matrizen 5 eingefahren werden. Fig. 13a zeigt eine Seitenansicht, teilweise im Aufriß. Fig. 13b zeigt eine Draufsicht, wobei im linken Teil die Werkstücke 2, 3 teilweise weggelassen sind, um eine Draufsicht auf die Matrizen 5 zu ermöglichen, während im rechten Teil die Durchsetzfügeverbindungen 63 in Draufsicht zu erkennen sind. Mit einer gestrichelten Linie ist hierbei dargestellt, daß die Durchsetzfüge- Verbindungen 63 durch die hinterschnittenen Bereiche auf der Unterseite des Werkstücks 3 eine Vierkantform aufweisen.
Fig. 14 zeigt eine weiter abgewandelte Ausgestaltung zu Fig. 13. Hierbei zeigt Fig. 14a die Vorrichtung in Seitenansicht und Fig. 14b die Vorrichtung in Draufsicht, teilweise im Schnitt, teilweise mit und teilweise ohne Werkstücke .
Zu beachten ist zunächst einmal, daß die Matrizen, die in der linken Hälfte der Fig. 14b zu erkennen sind, nur einen Hebel 11 aufweisen. Die entsprechende Ausnehmung 7' ist also schlitzförmig. Die Ausnehmung 7' ist auch nicht mehr, wie bei den bisher betrachteten Ausnehmun- gen 7, punktsymmetrisch, sondern unsymmetrisch. Benachbarte Ausnehmungen sind jeweils um 90° gegeneinander verdreht, so daß sich, wie aus der rechten Hälfte der Fig. 14b zu erkennen ist, gegeneinander versetzte Durchsetzfügeverbindungen 63a, 63b, 63c, 63d ergeben. Auch die Stempel 4' sind den Ausnehmungen 7' angepaßt. Sie sind nicht mehr symmetrisch, sondern lang und schmal. Benachbarte Stempel 4', 4" sind jeweils um 90° zueinander verdreht.
Die Stirnflächen und Außenbegrenzungen der Stempelanordnungen 4" sind in Abrollrichtung nach den Gesetzmäßigkeiten einer Evolventerverzahnung in ihrer Form korrigiert, um ein optimales Eintonnen zu gewährleisten. Damit ergibt sich ein AbrollVorgang, der der Bewegung eines Zahnrades auf einer Zahnstange oder einem anderen Zahnrad vergleichbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Fügevorrichtung zum Erzeugen einer Durchsetzfügeverbindung zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück mit einem Stempel, der von oben in eine Ausnehmung einer Matrize einfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswand
(8, 10) der Ausnehmung (7) Wandabschnitte (10, 10', 10") aufweist, die an Hebeln (11) angeordnet sind, wobei die Hebel (11) durch Druck von oben in eine Arbeitsposition bewegbar und dort festlegbar sind und Hinterschneidungsbereiche (12) bilden und durch eine Bewegung der gefügten Werkstücke (2, 3) nach oben in eine Freigabeposition bewegbar sind, in der die Hinterschneidungsbereiche (12) vollständig frei gegeben sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebel (11) eine im wesentlichen ebene Oberseite (14) aufweisen, die in der Arbeitsposition senkrecht zur Druckrichtung (9) steht und in der gleichen Ebene wie die Oberseite der Matrize (5) liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hebel (11) als Winkelhebel ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelhebel einen kurzen Arm, an dem der Wandabschnitt (10) angeordnet ist, und einen langen Arm aufweist, an der sich eine Schwenkachse (13, 27) befindet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Hebel
(11) in Umfangsrichtung der Ausnehmung (7) verteilt angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vier Hebel (11) vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da- durch gekennzeichnet, daß zwischen den beweglichen Wandabschnitten (10) stationäre Wandabschnitte (8) vorgesehen sind, die im wesentlichen parallel zur Druckrichtung (9) verlaufen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stationären Wandabschnitte (8) mindestens 50 % der Umfangslänge der Ausnehmung (7) bilden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (5) für jeden Hebel einen Herausfallsicherung (13, 27) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Herausfallsicherung als Nase (27) ausgebildet ist, die radial in Richtung auf den Hebel
(11) weist, wobei der Hebel eine mit der Nase (27) zusammenwirkende Kerbe (28) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nase (27) auf ihrer Oberseite eine Führungsfläche aufweist, auf der der Hebel (11) bei einer Bewegung gleitet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nase (27) in einem Einsatzteil (26) ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Herausfallsicherung als Stift (13) ausgebildet ist, der durch die Matrize (5) und den Hebel (11) geführt ist und eine Schwenkachse bil- det.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (7) einen Boden (17) aufweist, der an der Oberseite eines in die Matrize (5) eingesetzten Bodenteiles (18) angeordnet ist .
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Matrizen (5) auf einem ersten Träger (56, 60) nebeneinander und mehrere Stempel (4, 4', 4") auf einem zweiten Träger (50) mit gleicher Teilung nebeneinander angeordnet sind, wobei mindestens einer der beiden Träger (56, 60) gegenüber dem anderen Träger (50) so bewegbar ist, daß die Stempel (4, 4', 4") und Matrizen (5) nacheinander in Eingriff kommen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich- net, daß mindestens ein Träger (50) als Rad und der andere Träger (60) mit einer ebenen Oberfläche (61) ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich- net, daß beide Träger (50, 56) als Rad ausgebildet sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinanderliegende Ma- trizen (5) voneinander abweichende Hebelanordnungen aufweisen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelanordnungen unsymmetrisch ange- ordnet sind, wobei die Hebelanordnungen benachbarter Ausnehmungen (7') gegeneinander verdreht sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß pro Ausnehmung (7') nur ein Hebel vorgese- hen ist.
21. Durchsetzfügeverfahren, bei dem ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück mit flächigen Abschnitten in zumindest teilweiser Überlappung über- einander gelegt werden und das erste Werkstück so von oben eingedrückt wird, daß es eine topfförmige Ausformung erhält, die sich in das zweite Werkstück eindrückt und dieses ohne Schneiden nach unten verformt, wobei die Ausformung des ersten Werkstücks eine Hinterschneidung mit dem zweiten Werkstück bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterschneidung auf vorbestimmte Umfangsbereiche der Ausformung begrenzt wird, wobei man Material aus Bereichen ohne Hinterschneidung in die Umfangsbe- reiche mit Hinterschneidung fließen läßt.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen den Umfangsbereichen auf einer Außenseite mindestens eines Werkstücks Wandabschnitte erzeugt, die parallel zur Druckrichtung verlaufen.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß man beim Eindrücken eine Schließkraft auf mindestens ein Werkzeugteil erzeugt und beim Abziehen der umgeformten Werkstücke von dem Werkzeugteil eine Öffnungskraft.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß man drei oder mehr hin- terschnittene Umfangsbereiche erzeugt.
25. Durchsetzfügeverbindung, bei der ein erstes Werkstück eine Ausformung aufweist, die in eine Ausformung eines zweiten Werkstücks eingreift und mit dem zweiten Werkstück eine Hinterschneidung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterschneidung (12) auf vorbestimmte Umfangsbereiche (24) begrenzt ist.
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