EP1117497B1

EP1117497B1 - Fügevorrichtung, durchsetzfügeverfahren und durchsetzfügeverbindung

Info

Publication number: EP1117497B1
Application number: EP99946154A
Authority: EP
Inventors: Rudolf Müller
Original assignee: Dalex Werke Niepenberg GmbH and Co KG
Current assignee: Dalex Werke Niepenberg GmbH and Co KG
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2002-07-31
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: DE19843834C2; US6651300B1; DE19843834A1; ES2180327T3; EP1117497A1; MXPA01002941A; DE59902217D1; CA2345004A1; BR9913916A; ATE221424T1; WO2000016928A1

Description

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 einfahrbar ist, deren Umfangswand stationäre Wandabschnitte aufweist, die im wesentlichen parallel zur Druckrichtung verlaufen. 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 auf vorbestimmte Umfangsbereiche der Ausformung begrenzte Hinterschneidung mit dem zweiten Werkstück bildet. Ferner betrifft die Erfindung eine 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, die auf vorbestimmte Umfangsbereiche begrenzt ist. Schließlich betrifft die Erfindung eine Matrize gemäß Anspruch 25.

Eine derartige Fügevorrichtung, ein derartiges Fügeverfahren, eine derartige Durchsetzfügevebindung und eine derartige Matrize sind aus US-A-5 230 136 bekannt. Hier weist die Matrize eine zylinderförmige Ausnehmung auf, von der radiale Kanäle ausgehen. Ein Stempel, der einen etwas kleineren Durchmesser als die Ausnehmung aufweist, erzeugt beim Absenken in zwei aufeinanderliegende Werkstücke zunächst eine topfförmige Ausformung der beiden Werkstücke, wobei im Bereich der Kanäle das Material der Werkstücke geringfügig nach auβen verdrängt werden kann. Hierbei kann sich zwischen dem Material des oberen Werkstücks und dem Material des unteren Werkstücks eine leichte Hinterschneidung ausbilden, während die Ausformung des unteren Werkstücks außen im wesentlichen senkrecht verlaufende Wandschnitte aufweist.

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 Hilfsmittel, 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 zumindest 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.

DE-A-39 23 182 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen mit einer Matrize, die aus zwei Teilen gebildet ist, die an ihrem unteren Ende mit einer Zugfeder zusammengehalten werden. Die Matrize weist an ihrem oberen Ende eine Ausnehmung auf, die sich nach unten konisch erweitert. Wenn ein Stempel unter Zwischenlage von zwei Werkstücken in die Matrize eingefahren wird, dann wird eine Durchsetzfügeverbindung erzeugt, die über ihren gesamten Umfang eine Hinterschneidung aufweist, und zwar eine Hinterschneidung zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück und eine Hinterschneidung auf der Außenseite. Zum Entnehmen der verbundenen Werkstücke ist es daher erforderlich, daß die beiden Matrizenteile auseinandergezogen werden können. Da dieses Auseinanderziehen gegen die Kraft der Feder erfolgt, besteht die Gefahr, daß das untere Werkstück dabei verkratzt oder beschädigt wird.

GB-A-2 069 394 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden von plattenförmigen Werkstücken und eine Vorrichtung dazu. Die Vorrichtung weist eine Matrize auf, die durch vier federnde Abschnitte gebildet ist, die in Umfangsrichtung einander benachbart sind und eine Ausnehmung umgeben. Die Ausnehmung erweitert sich nach unten konisch. In der Ausnehmung ist ein Gegenstück zu einem Stempel angeordnet, der, wenn ein Stempel unter Zwischenlage zweier Werkstücke in die Matrize eingefahren wird, nach unten verdrängt wird, und zwar gegen die Kraft einer Feder. Die Bewegung des Gegenstücks hört auf, kurz bevor der Stempel seinen größten Hub erreicht hat. Dadurch werden die beiden Werkstücke am Ende des Clinch-Vorgangs zusammengedrückt, so daß Material radial nach außen verdrängt wird, um Hinterscheidungen zu bilden. Zum Entnehmen der verbundenen Werkstücke müssen die die Matrize bildenden Abschnitte wieder auseinandergebogen werden. Auch hierbei besteht die Gefahr, daß die Verbundenen Werkstücke verkratzt oder auf andere Weise beschädigt werden.

DE-A-44 31 849 beschreibt ein Durchsetzfügeverfahren und ein Durchsetzfügewerkzeug, bei dem Stempel- und Matrizenelemente an einander gegenüberliegenden und synchron drehbaren Rädern angeordnet sind. Man kann damit fortlaufend Durchsetzfügeverbindungen erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise haltbare Fügeverbindungen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Fügevorrichtung, durch ein Durchsetzfügeverfahren, durch eine Durchsetzfügeverbindung und durch eine Matrize gemäß den Ansprüchen 1, 20, 24 und 25 gelöst.

Mit einer derartigen Fügevorrichtung erhält man zunächst 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 Hinterschneidungen 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 Werkstücks 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 miteinander 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 entsprechende 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. Die Ausgestaltung mit den beweglichen Wandabschnitten und den stationäre Wandabschnitten, die im wesentlichen parallel zur Druckrichtung verlaufen, hat den Vorteil, daß die zu Hinterschneidungen führende Umformung der beiden Werkstücke sich nicht gleichmäßig über den gesamten Umfang der Ausnehmung 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 Durchsetzfügeverbindung 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 Werkstücke 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 Material 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 weisen die Hebel eine im wesentlichen ebene 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 Arbeitsposition liegen, sind die unterschiedlichen Druckbelastungen akzeptabel, weil hier nur relativ kleine Gegenkräfte auf die Hebel wirken.

Vorzugsweise ist jeder Hebel als Winkelhebel ausgebildet. 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 erforderlichen 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 mindestens 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.

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 Schwerkraftrichtung 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 Matrize 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 Bewegung 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 Öffnungsweite realisierbar, so daß umgekehrt die Hinterschneidungen 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 entsprechenden 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 Wartungs- 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 gegenüber 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 geeignete 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 nebeneinanderliegende 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 Verwindungssteifigkeit 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 erhalten 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 gegeneinander 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.

Bei dem Durchsetzfügeverfahren gemäß der Erfindung 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 Hinterschneidungen 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 Hinterschneidungen 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 selbststeuernd. 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 hinterschnittene Umfangsbereiche. Damit läßt sich senkrecht zur Zugkraft eine allseitig abgestützte Verbindung erreichen.

Wie oben diskutiert, kann man durch die Durchsetzfügeverbindung 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 Hinterschneidung 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 Stempelträger 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 Wandabschnitte 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 Ausnehmung 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 Matrize 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 Arbeitsposition bündig mit der Oberseite der Matrize 5 abschließt. 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 ortsfest 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 Werkstücke 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 radial 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 radialen 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 unterstützt. 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 Hinterschneidung jedoch auf einige wenige, in Umfangsrichtung verteilte Hinterschneidungsbereiche 24 begrenzt. Der Querschnitt durch einen derartigen Hinterschneidungsbereich 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, klappen die Hebel 11 wieder zurück in ihre Arbeitsposition. Dieses "Schließen" erfolgt aufgrund der Kraftverhältnisse auf jeden Fall, bevor die Umformung der Werkstükke 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 beeinträchtigt 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 Regel 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 gefügten 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 gezeichneten 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 Wandabschnitt 10' nicht unbedingt durch eine ebene Fläche gebildet 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 Material 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 dargestellt, 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 hinterschnittene 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. 11d 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 Niederhalter 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 Vorrichtung, 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 Umfangsfläche 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 Modulen angeordnet sind, die auf der Umfangsfläche des Rades 56 befestigt sind. Dies erleichtert die Fertigung. Die Umfangsfläche 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 Oberfläche 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 Vorschubgeschwindigkeit 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 Durchsetzfügeverbindungen 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 Ausnehmungen 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

Fügevorrichtung zum Erzeugen einer Durchsetzfügeverbindung zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück mit einem Stempel, der von oben in eine Ausnehmung (7) einer Matrize einfahrbar ist, deren Umfangswand stationäre Wandabschnitte (8) aufweist, die im wesentlichen parallel zur Druckrichtung verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswand der Ausnehmung (7) zwischen den stationären Wandabschnitten (8) bewegliche 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.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hebel (11) als Winkelhebel ausgebildet ist.
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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Hebel (11) in Umfangsrichtung der Ausnehmung (7) verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vier Hebel (11) vorgesehen sind.
Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die stationären Wandabschnitte (8) mindestens 50 % der Umfangslänge der Ausnehmung (7) bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (5) für jeden Hebel einen Herausfallsicherung (13, 27) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, 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.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nase (27) auf ihrer Oberseite eine Führungsfläche aufweist, auf der der Hebel (11) bei einer Bewegung gleitet.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nase (27) in einem Einsatzteil (26) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Herausfallsicherung als Stift (13) ausgebildet ist, der durch die Matrize (5) und den Hebel (11) geführt ist und eine Schwenkachse bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (7) einen Boden (17) aufweist, der an der Oberseite eines in die Matrize (5) eingesetzten Bodenteiles (18) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, 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.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Träger (50) als Rad und der andere Träger (60) mit einer ebenen Oberfläche (61) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß beide Träger (50, 56) als Rad ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinanderliegende Matrizen (5) voneinander abweichende Hebelanordnungen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelanordnungen unsymmetrisch angeordnet sind, wobei die Hebelanordnungen benachbarter Ausnehmungen (7') gegeneinander verdreht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß pro Ausnehmung (7') nur ein Hebel vorgesehen ist.
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 auf vorbestimmte Umfangsbereiche der Ausformung begrenzte Hinterschneidung mit dem zweiten Werkstück bildet, und man Material aus Bereichen ohne Hinterschneidung in die Umfangsbereiche mit Hinterschneidung fließen läßt, dadurch gekennzeichnet, daß man das zweite Werkstück in den Umfangsbereichen mit Hinterschneidung zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück mit einer Außenform ausbildet, die eine Hinterschneidung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen den Umfangsbereichen auf einer Auβenseite mindestens eines Werkstücks Wandabschnitte erzeugt, die parallel zur Druckrichtung verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß man beim Eindrücken eine Schließkraft auf mindestens ein Werkzeugteil erzeugt und beim Abziehen der umgeformten Werkstücke von dem Werkzeugteil eine Öffnungskraft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß man drei oder mehr hinterschnittene Umfangsbereiche erzeugt.
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, die auf vorbestimmte Umfangsbereiche (24) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Werkstück im Bereich der Hinterscheidung mit dem ersten Werkstück eine Außenform mit einer Hinterschneidung aufweist.
Matrize mit einem einer Längsachse aufweisenden Körper, mit einer Ausnehmung (7) in einer Stirnseite des Körpers, deren Umfangswand stationäre Wandabschnitte (8) aufweist, und mit mindestens einem Hebel, der einen beweglichen Wandabschnitt bildet, in einer Arbeitsstellung einen hinterschnittenen Wandabschnitt der Ausnehmung bildet und in einer Aufnahme im Körper der Matrize schwenkbar untergebracht ist, wobei der Hebel in der Arbeitsstellung durch Druck auf seiner an der Stirnseite der Matrize angeordneten Druckfläche haltbar, jedoch durch eine Ausschwenkbewegung in eine Freigabeposition bewegbar ist.
Matrize nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschwenkbewegung eine Bewegung nach oben in die Freigabeposition einschließt.
Matrize nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize einen absenkbaren zweiten Stempel umfaßt, der soweit abgesenkt werden kann, daß er eine Öffnung zu einer Zuführbahn für ein Hilfsfügeteil freigibt.
Verwendung einer Matrize nach einem der Ansprüche 25 bis 27, um ein Hilfsfügeteil an einem Werkstück anzubringen.