EP1549447A1 - Verfahren und vorrichtung zum dauerhaften verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen bauteilen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum dauerhaften verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen bauteilen

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EP1549447A1
EP1549447A1 EP03753483A EP03753483A EP1549447A1 EP 1549447 A1 EP1549447 A1 EP 1549447A1 EP 03753483 A EP03753483 A EP 03753483A EP 03753483 A EP03753483 A EP 03753483A EP 1549447 A1 EP1549447 A1 EP 1549447A1
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EP
European Patent Office
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stamp
tool
components
counter
movement
Prior art date
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EP03753483A
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English (en)
French (fr)
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EP1549447B1 (de
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Stephan Dietrich
Reinhard Mauermann
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication of EP1549447B1 publication Critical patent/EP1549447B1/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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    • Y10T29/49826—Assembling or joining
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    • Y10T29/49924—Joining by deforming of parallel side-by-side elongated members
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/53—Means to assemble or disassemble
    • Y10T29/53039—Means to assemble or disassemble with control means energized in response to activator stimulated by condition sensor
    • Y10T29/53061—Responsive to work or work-related machine element
    • Y10T29/53065—Responsive to work or work-related machine element with means to fasten by deformation

Definitions

  • the present invention relates to a method for permanently connecting overlapping, plate-shaped components, in particular sheet metal, by forming an undercut between the components.
  • the invention relates to a device for the permanent connection of overlapping, plate-shaped components, in particular sheet metal, by forming an undercut between the components, with a stamping tool that can be moved along a main working direction towards and away from a counter tool.
  • an overlap area of the two or more components to be connected to one another is arranged between a stamping tool and a counter-tool (die).
  • This stamping tool is then pressed directly into the joining area of the (two) components with high force, as a result of which both components are first deep-drawn into a recess formed in the die in the area of the stamping attack, and the base area of the deep-drawn surface parts is then squeezed.
  • the die is designed in such a way that undercuts between the components can form when the bottom area of the deep-drawn surface parts is squeezed.
  • the methods used are differentiated according to the different embodiments of the respective matrices.
  • rigid one-part matrices for example from DE 3532 900 A1, DE 36 13324 A1 or DE 19929 375 A1.
  • rigid multi-part matrices for example from DE 3923 18 A1, movable multi-part matrices, for example from DE 31 06 313 A1 or DE 37 13 083 A1 and mixed forms, for example from DE 101 16 736 A1, are known.
  • contoured die as a counter tool.
  • the contouring enables deep drawing or penetration of the components to be connected locally by means of a recess into which the material of the components can be molded.
  • the contouring allows a material flow in the radial direction due to its specific shape or the mobility of individual parts of the die, which leads to the formation of the undercut.
  • the joining devices must be designed to be very rigid so that the high forces during the joining process and the resulting bending on the joining devices do not lead to the occurrence of quality-reducing offsets of the tools relative to one another.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for mechanically connecting plate-shaped components which are at least partially arranged one above the other, with the aid of which secure and high-quality connections of components can be produced more cost-effectively and reliably than previously. Furthermore, the invention is based on the object of improving a device of the type mentioned at the outset in such a way that the requirements for the manufacturing tolerances and for the alignment of the tools of the device can be reduced, so as to increase process reliability.
  • This object is achieved according to the invention in a method for the permanent connection of overlapping, plate-shaped components, in particular sheet metal, by forming an undercut between the components in one working stroke with the individual steps: arranging the components to be connected between a stamp projection of a stamping tool and a support surface a counter tool, pressing the stamp projection into the components to be connected, forming a temporary elevation on the side of the components facing the counter tool and separating regions thereof outside an area of influence of the stamp projection from a contact surface of the counter tool, and forming an undercut of the components by further reducing one Soil thickness in the survey.
  • the object for a device of the type mentioned at the outset is achieved according to the invention in that the counter tool is essentially flat on its side facing the stamp tool.
  • the axial alignment of the anvil and punch with respect to one another is of secondary importance in contrast to the conventional clinching method.
  • the necessary manufacturing accuracy for tools and machines is reduced, as is the time required to set up the joining devices. Offsets that occur during the joining process due to the high forces between the anvil and the punch have little or no influence on the formation of the connection.
  • the process reliability of the method increases because the counter tool is subject to less wear due to its flat shape, and the quality is independent of an exact alignment of the tools to one another.
  • connection created has a geometrical undercut area, so that a pretreatment for activating the surface of the joining partners to be joined together is not necessary.
  • connection similar to a clinch connection can thus be produced in the present invention.
  • the connection is not formed by a deep-drawing process with subsequent squeezing of the bottom area of the deep-drawn surface parts, which require a die with a recess, but by a backward extrusion process, followed by a squeezing of the material remaining under a punch face , the process can be combined with a simultaneous emergence of the neck area.
  • a further stamp movement can preferably be carried out in the direction of flattening the connection area of the two the workpieces. Attention must be paid to the corresponding force limitation for tool safety.
  • a wobbling movement of the die to realize the formation of the undercut is not necessary. However, it can be overlaid to reduce the joining forces. Such a superimposed movement can have a circular or a rosette shape.
  • an additional cyclic force can be superimposed on the active axial feed movement.
  • both overlays are coordinated so that the wobble direction of the stamp and the cyclical additional stamp force are clearly dependent on each other.
  • a specific wobble direction of the punch preferably when the wobble angle increases to the maximum wobble angle ⁇ in the wobble direction outwards, is assigned the maximum superimposition force in order to achieve an optimal material flow.
  • the method according to the invention includes a step of moving a hold-down device towards the counter-tool, and as a result, a defined holding force is exerted on the components during the plastic deformation. Furthermore, an additional step of stabilizing the components by means of a counterholder is conceivable, by means of which the components are urged towards the stamping tool against the direction of movement thereof.
  • the movement of the stamp projection on the counter tool is superimposed with a wobble movement at least during part of the stamp path.
  • the wobble can be circular or rosette-shaped.
  • the punch, the hold-down device and / or the counter-holder be hydraulically, pneumatically, magnetically, mechanically or piezoelectrically acted upon, the application of force preferably taking place by means of one or more pulses.
  • the application of force to the hold-down device is controlled and increases particularly at a defined point in the movement of the punch. This stops the movement of the components directed against the direction of movement of the stamp and vice versa.
  • a tool movement is preferably carried out in the direction of flattening the elevation.
  • a stamping tool that points towards and from a counter tool along a main working direction is movable away, with the counter tool on its side facing the stamp tool, at least in the entire area of the stamp tool, in particular a stamp end face and a stamp shoulder, preferably also a hold-down device, being essentially flat. It is desirable here that a main body of the stamping tool has a stamped shoulder on its side facing the counter-tool, from which a stamped shoulder protrudes.
  • At least one main body of the stamping tool is surrounded by a hold-down which is movable relative to the main body.
  • the main body is preferably relative to the hold-down device by means of a prestressing element, in particular re a hold-down spring, biased against a feed direction of the stamping tool.
  • the main body of the stamping tool can be moved in a wobbling motion at least during part of its movement towards the counter tool.
  • a stamp face arranged on the stamp shoulder is essentially flat, in particular flat, slightly spherical or slightly conical.
  • the stamp projection can be designed to be slightly tapered towards the stamp end face.
  • a stamp end face arranged on the stamp shoulder is essentially at right angles to a main working direction or slightly inclined to it. It is also conceivable that a transition from the stamp face to a lateral surface of the stamp projection is designed in the form of a radius or a trailing curve. It is also possible that a transition from the stamp face to a lateral surface of the stamp projection is in the form of a chamfer or a double chamfer.
  • the shape element forming the transition from the stamp face to the lateral surface is less than 0.2 millimeters.
  • the counter tool is preferably designed as a one-piece anvil, its side facing the stamp tool being designed as an essentially flat, in particular flat, slightly convex or slightly conical contact surface for the components.
  • the contact surface of the counter tool is larger than the elevation formed on the components, preferably larger than the projection surface of the stamp tool facing it, but in particular of the stamp projection and the stamp shoulder, which can also be formed by the hold-down device. It is desirable that the dimensions of the contact surface of the counter tool be larger or substantially equal to the outer dimensions of the hold-down device.
  • Both an area of the support surface of the counter tool lying opposite the stamp end face and an area of the support surface of the counter tool opposite the stamp shoulder are preferably essentially on one Main working direction vertical plane.
  • the contact surface is formed free of shoulders or recesses at least in the region of the projection of the stamp face and the stamp shoulder, preferably also of the hold-down device.
  • the anvil of the counter tool is at least partially surrounded by a counter holder which is movable relative to the anvil in the main working direction.
  • This counterholder can be acted upon pneumatically, hydraulically, magnetically, mechanically and / or piezoelectrically with a force which is directed counter to a punch and / or hold-down force.
  • the main body of the stamping tool, the hold-down device, the anvil and / or the counter-holder have circular or annular cross sections.
  • the main body of the stamping tool, the hold-down device, the anvil and / or the counter-holder have a cross-section deviating from a circular shape, in particular an angular cross-section.
  • FIG. 1a an initial state
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of the device according to the invention with a stamping tool with a tumbling stamp when the method according to the invention is carried out in an intermediate state.
  • FIGS. 1a) to 1c A first exemplary embodiment of the invention will now be explained in more detail with reference to FIGS. 1a) to 1c).
  • the directions of movement and the relative arrangements of the components are denoted by the terms “above” and “below”, as shown in the figures; it goes without saying that any other spatial arrangement is possible accordingly.
  • an upper component 1 is connected to a lower component 2.
  • the two components 1, 2 to be connected to one another are arranged on a substantially flat contact surface 3 c of the counter tool 3, preferably a one-piece anvil 3 b.
  • a stamping tool 4 with a main body 4e and a hold-down 5 is then moved in the direction of the components 1, 2 along a main working direction A towards the counter tool 3.
  • a defined holding force is exerted on the components 1, 2 by means of raul, pneumatically, piezoelectrically, magnetically or by springs.
  • a stamp projection 4b is formed on the (lower) side of the main body 4e facing the counter tool 3, the cross section of which is preferably smaller than the cross section of the remaining (upper) part of the main body 4e.
  • a stamp shoulder 4a is formed at the transition, which is preferably flat and orthogonal or flat and slightly (e.g. up to approximately 6 °) inclined to a main working direction A in one plane.
  • the punch projection 4b is then pressed into the components 1, 2 hydraulically, pneumatically, magnetically, piezoelectrically or mechanically with high force.
  • the foremost (lowermost) section of the stamp projection 4b which is referred to as the stamp end face 4c, penetrates through the cross section of the upper component 1 into the component 2, but without penetrating one of the components, so that in front of the stamp end face during the entire process material of all components to be connected remains.
  • the respective material of the components 1, 2 to be connected is displaced locally and first moves radially outwards and then in a controlled manner upward from the holding-down device 5 and / or from the stamp shoulder 4a against the direction of movement of the stamp main body 4e.
  • the components 1, 2 are lifted off the support surface 3c of the counter tool 3 (anvil 3b). By moving the sections of the components 1, 2, which are not clamped between the stamp end face 4c and the bearing surface 3c of the counter tool 3, upward (towards the stamp tool 4) from the pushed-away material of the components, one is formed in the region of the stamp projection 4b Elevation 2a out.
  • the ratio of the cross sections or diameters of stamp projection 4b and stamp shoulder 4a can be selected depending on the strength of the materials to be connected and the joining force such that no lasting impression of the stamp shoulder 4a is caused in the upper component 1.
  • the stamp projection 4b can be slightly conical in order to ensure that the stamp projection can be simply pulled out of the components 1, 2 which are connected to one another.
  • the stamp end face 4c arranged on the stamp projection 4b is preferably flat, in particular flat, or else slightly spherical or slightly conical.
  • a transition from the stamp face 4c to a lateral surface 4d of the stamp projection 4b is formed in the form of a radius or a trailing curve; however, the transition from the stamp face 4c to the lateral surface 4d of the stamp projection 4b can also be designed in the form of a chamfer or a double chamfer, in any case preferably the shaped element forming the transition from the stamp face 4c to the lateral surface 4d is less than 0.2 millimeters.
  • the counter tool 3 is designed as a one-piece anvil 3b, the side facing the stamping tool 4 as a substantially flat, in particular flat, but also as a slightly spherical or slightly conical contact surface 3c for the components 1, 2 is trained.
  • the contact surface 3c of the counter tool 3 is larger than the diameter of an elevation 2a, so that the material of the components 1, 2 cannot be pushed past to the side next to the contact surface.
  • the dimensions of the contact surface 3c of the counter tool 3 are larger or substantially equal to the outer dimensions of the hold-down device 5.
  • a region of the bearing surface 3c of the counter-tool 3 opposite the stamp end face 4c and also a region of the bearing surface 3c of the counter-tool 3 opposite the stamp shoulder 4a lie essentially on a plane perpendicular to the main working direction A, although a slight curvature of the entire surface up or down is conceivable is.
  • the contact surface 3c is free of shoulders, recesses, depressions, depressions or the like.
  • the main body 4e of the stamping tool 4, the hold-down 5, and / or the anvil 3b have circular or annular cross-sections, as well as that the main body 4e of the stamping tool 4, the hold-down 5, and / or the Anvil 3b has a cross-section deviating from a circular shape, in particular an angular cross-section.
  • the individual components are preferably matched to one another, but are also designed to be movable independently of one another.
  • FIGS. 2a) to 2c A second exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIGS. 2a) to 2c). Parts and components that correspond to those described above have the same reference numerals and will only be described again to the extent necessary.
  • FIG. 2a A device for the permanent connection of two or more flat components can be seen in another embodiment in FIG. 2.
  • the (two) components 1, 2 to be connected to one another rest on the flat counter tool 3, here the anvil 3b.
  • a stamping tool 4 is moved hydraulically, pneumatically, magnetically, piezoelectrically or mechanically with high force in the direction of the components 1, 2.
  • the stamp tool 4 has a stamp main body 4e, a hold-down 5, a stamp carrier 6, a hold-down sleeve 7 and a hold-down spring 8.
  • the hold-down 5 is placed on the components 1, 2 to be connected.
  • the hold-down spring 8 is compressed here. Then, the end face 4c of the stamp protrusion 4b of the stamp main body 4e comes into contact with the upper member 1.
  • the stamp projection 4b is now fully or partially pressed into the components 1, 2.
  • the material of the components 1, 2 to be connected is displaced locally and first moves radially outwards and then in a controlled manner from the holding-down device 5 upward against the direction of movement of the stamping tool 4.
  • Components 1, 2 are lifted off the anvil 3b. Only in the area of the emerging elevation 2a on the underside of the lower component 2 is there still contact between the lower component 2 and the anvil 3b. 2b shows an intermediate state in which this can be clearly seen.
  • an undercut 1a is formed.
  • the ratio of the dimensions (or diameter) of the punch face 4c and the underside of the hold-down 5 can be selected depending on the strength of the materials to be connected and the joining force so that no lasting impression of the hold-down 5 is caused in the upper component 1.
  • FIGS. 3a) to 3d A third exemplary embodiment can be seen in FIGS. 3a) to 3d). Parts and components that correspond to those described above have the same reference numerals and will only be described again to the extent necessary.
  • the (two) components 1, 2 to be connected to one another rest on a preferably spring-loaded or otherwise pressurized counter-holder 3a (outer ring) of an anvil 3b of the counter-tool 3.
  • the hold-down 5 and the main body 4e of the stamping tool 4 are moved in the direction of the components 1, 2.
  • the hold-down 5 is used hydraulically, pneumatically, piezoelectrically, magnetically, mechanically or in another way, in particular e.g. by springs, a defined force on the components 1, 2 and on the counter-holder 3a.
  • the force with which the hold-down device 5 is acted upon is preferably selected to be greater than the counteracting force of the counter-holder 3a.
  • the counter-holder 3a is pushed back until the components 1, 2 to be connected are placed on the anvil 3b.
  • the stamp projection 4b is then, as described above, pressed into the components 1, 2 with high force.
  • the material of the components 1, 2 to be connected is displaced locally and moves first radially outwards and then controlled by the hold-down device 5 as well as by the counter-holder 3a upward against the direction of movement of the stamping tool 4. This results in the components 1, 2 being lifted off the anvil 3b.
  • the material moving in opposition to the punch movement is no longer prevented from moving by the entire holding-down force, but only by the difference in the forces acting on the holding-down device 5 and the counter-holding device 3a.
  • the counter-holder 3a has a circular or circular cross-section, as well as that the counter-holder 3a has a cross-section that deviates from a circular shape, in particular an angular cross-section.
  • the individual components main body 4e of the stamping tool 4, hold-down 5, anvil 3b and counter-holder 3a
  • FIG. 3c A further intermediate state is shown in FIG. 3c.
  • the material of the upper component 1 has contact with the shoulder 4a of the stamp main body 4e, the further movement of the material of the components to be connected is prevented in the opposite direction to the stamp movement.
  • the elevation 2a formed is therefore reduced in size when the stamping tool 4 is further advanced, and the material still located under the end face 4c of the stamping projection 4b must flow radially outward.
  • an undercut 1a is formed.
  • the joined components 1, 2 are easily stripped from the punch projection 4b after the joining process when the tools 3, 4 are moved apart.
  • the ratio of the cross-sections (diameter) of the stamp face 4c and the stamp set 4 can, depending on the strength of the materials to be connected and the joining force, again be chosen such that no permanent impression of the stamp shoulder 4a in the upper component 1 is caused.
  • stamp main body 4e of the stamping tool 4 can also have a wobble movement with a maximum wobble angle ⁇ between the main working direction A and an axis B of the stamp main body 4e superimposed on it to reduce the force.
  • the force of the holding-down device 5 is dimensioned such that a deflection of the components 1, 2 to be connected or a gap formation between the two components 1, 2 is largely avoided, but at the same time a formation of the elevation 2a and thus a movement of the components 1, 2 opposite to the axial movement of the main stamp body 4e is made possible.
  • a counter-holder 3a as shown in the third exemplary embodiment, can be provided for this.
  • the ratio of the diameter of the stamp end face 4c and stamp shoulder 4a can in turn be selected depending on the strength of the materials to be connected and the joining force such that no permanent impression of the stamp shoulder 4a is caused in the upper component 1.
  • the counter tool can also or exclusively be designed as a moving component.
  • the arrangement of the tools in the room is also arbitrary. It is also conceivable to effect a plurality of connections at the same time.
  • the geometric contour of the tools and the joints can essentially be selected as desired.
  • All elastically deformable materials in particular sheets and plastics, are conceivable as the material for the components to be joined.
  • the individual components can also consist of different materials.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Abstract

Insbesondere zur Erhöhung der Prozesssicherheit und der Zuverlässigkeit von dauerhaften Verbindungen sich überlappender Materialien wird für ein Verfahren zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen, insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung zwischen den Bauteilen ein Verfahren mit den Schritten vorgeschlagen: Anordnen der zu verbindenden Bauteile zwischen einem Vorsprung eines Stempelwerkzeuges und einer Auflagefläche eines Gegenwerkzeuges, Ausbilden einer temporären Erhebung auf der dem Gegenwerkzeug zugewandten Seite der Bauteile durch Hineindrücken des Stempelvorsprungs in die zu verbindenden Bauteile gegen die Auflagefläche, zumindest, bis die Bauteile ausserhalb der sich bildenden Erhebung von der Auflagefläche abheben, und Ausbilden einer Hinterschneidung der Bauteile durch Flachdrücken der Erhebung zwischen Stempelwerkzeug und Gegenwerkzeug mittels weiterer Annäherung des Stempelwerkzeuges an das Gegenwerkzeug. Des Weiteren wird eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen, insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung zwischen den Bauteilen.
Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen, insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung zwischen den Bauteilen, mit einem Stempelwerkzeug, das entlang einer Hauptarbeitsrichtung auf ein Gegenwerkzeug zu und von diesem weg bewegbar ist.
In der blechverarbeitenden Industrie werden Einzelteile durch Fertigungsverfahren der mechanischen Fügetechnik verbunden. Vor allem in der Automobilindustrie werden in der Massenfertigung preiswerte Verfahren eingesetzt, bei denen zumindest zwei Bauteile durch plastische Verformung derselben ohne Vorloch und ohne die Verwendung zusätzlicher Hilfsfügeteile miteinander verbunden werden.
Aus dem Stand der Technik sind seit vielen Jahren Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden von sich überlappenden, insbesondere plattenförmigen, Bauteilen bekannt, bei denen durch lokale Umformung der miteinander zu fügenden Bauteile eine hinterschnittige Verbindung hergestellt wird. Diese Verfahren werden in der Fachliteratur als Durchsetzfügen bzw. Clinchen bezeichnet.
Bei diesen Verfahren wird ein Überlappungsbereich der zwei oder mehr miteinander zu verbindenden Bauteile zwischen einem Stempelwerkzeug und einem Gegenwerkzeug (Matrize) angeordnet. Dieses Stempelwerkzeug wird dann direkt in den Fügebereich der (beiden) Bauteile mit hoher Kraft eingedrückt, wodurch beide Bauteile im Bereich des Stempelangriffs zunächst in eine in der Matrize ausgebildeten Ausnehmung tiefgezogen werden, und danach der Bodenbereich der tiefgezogenen Flächenteile breitgequetscht wird. Die Matrize ist dabei so ausgebildet, dass sich bei der Breitquetschung des Bodenbereiches der tiefgezogenen Flächenteile Hinterschneidungen zwischen den Bauteilen ausbilden können. Man unterscheidet die verwendeten Verfahren hierbei jeweils nach den unterschiedlichen Ausführungsformen der jeweiligen Matrizen. Bekannt sind die Verwendung starrer einteiliger Matrizen, z.B. aus der DE 3532 900 A1 , der DE 36 13324 A1 oder der DE 19929 375 A1. Daneben sind starre mehrteilige Matrizen, z.B. aus der DE 3923 18 A1, bewegliche mehrteilige Matrizen, z.B. aus der DE 31 06 313 A1 oder der DE 37 13 083 A1 und Mischformen, z.B. aus der DE 101 16 736 A1 bekannt.
Allen diesen unterschiedlichen Verfahren gemeinsam ist die Verwendung einer konturier- ten Matrize als Gegenwerkzeug. Die Konturierung ermöglicht lokal ein Tiefziehen bzw. Durchsetzen der zu verbindenden Bauteile mittels einer Ausnehmung, in die der Werkstoff der Bauteile hineingeformt werden kann.
Weiterhin gestattet die Konturierung durch ihre spezifische Form oder durch die Beweglichkeit einzelner Teile der Matrize einen Wer kstofffluss in radialer Richtung, was zur Ausbildung der Hinterschneidung führt.
Bei allen derartigen Verfahren ist jedoch eine genaue axiale Ausrichtung der Werkzeuge zueinander, insbesondere von Matrize und Stempel, zwingend erforderlich, um qualitätsgerechte Verbindungen herstellen zu können. In der Praxis führt das zu einer hohen erforderlichen Fertigungsgenauigkeit für die Werkzeuge und Maschinen sowie zu einem hohen Zeitaufwand für das Einrichten dieser Fügevorrichtungen.
Darüber hinaus müssen die Fügevorrichtungen sehr steif ausgelegt werden, damit die hohen Kräfte beim Fügevorgang und dadurch verursachte Aufbiegungen an den Fügevorrichtungen nicht zum Entstehen von qualitätsmindernden Versätzen der Werkzeuge zueinander führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum mechanischen Verbinden von zumindest teilweise übereinander angeordneten, plattenförmigen Bauteilen zu schaffen, mit Hilfe dessen sichere und qualitativ hochwertige Verbindungen von Bauteilen kostengünstiger und zuverlässiger als bisher hergestellt werden können. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen und an das Ausrichten der Werkzeuge der Vorrichtung reduziert werden können, um so die Prozeßsicherheit zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen, insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung zwischen den Bauteilen in einem Arbeitshub gelöst mit den Einzelschritten: Anordnen der zu verbindenden Bauteile zwischen einem Stempelvorsprung eines Stempelwerkzeuges und einer Auflagefläche eines Gegenwerkzeuges, Eindrücken des Stempelvorsprunges in die zu verbindenden Bauteile unter Ausbildung einer temporären Erhebung auf der dem Gegenwerkzeug zugewandten Seite der Bauteile und Trennung von Bereichen derselben außerhalb eines Einflussbereiches des Stempelvorsprungs von einer Auflagefläche des Gegenwerkzeuges, und Ausbilden einer Hinterschneidung der Bauteile durch weitere Reduzierung einer Bodendicke in der Erhebung.
Des Weiteren wird die Aufgabe für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gegenwerkzeug an seiner dem Stempelwerkzeug zugewandten Seite im Wesentlichen flächig ausgebildet ist.
Mit der Erfindung wird es möglich, durch das Zusammenwirken von einem Stempelwerkzeug und einem Gegenwerkzeug dauerhafte Verbindungen zwischen zumindest teilweise übereinander angeordneten plattenförmigen Bauteilen, insbesondere Blechen, herzustellen, wobei die hergestellte Verbindung Hinterschneidungsbereiche aufweist, die eine geometrische Verhakung der zu verbindenden Bauteile bilden.
Unter flächig soll hier im wesentlichen „eben" oder „plan" verstanden werden.
Durch das flächige Gegenwerkzeug, das vorzugsweise in Form eines flachen Ambosses ausgebildet ist, ist die axiale Ausrichtung von Amboss und Stempel zueinander im Gegensatz zu den herkömmlichen Clinchverfahren von untergeordneter Bedeutung. Die notwendige Fertigungsgenauigkeit für die Werkzeuge und Maschinen sinkt ebenso wie der Zeitaufwand für das Einrichten der Fügevorrichtungen. Während des Fügevorganges aufgrund der hohen Kräfte zwischen Amboss und Stempel entstehende Versätze haben keinen bzw. nur geringen Einfluss auf die Herausbildung der Verbindung. Die Prozeßsicherheit des Verfahrens steigt, da das Gegenwerkzeug aufgrund seiner flachen Form geringerem Verschleiß unterliegt, und die Qualität unabhängig von einer genauen Ausrichtung der Werkzeuge zueinander ist.
Die erzeugte Verbindung weist einen geometrischen Hinterschneidungsbereich auf, wodurch eine Vorbehandlung zur Aktivierung der Oberfläche der miteinander zu verbindenden Fügepartner nicht erforderlich ist.
Bei der vorliegenden Erfindung kann somit eine hinterschnittene Verbindung ähnlich einer Clinchverbindung erzeugt werden. Im Gegensatz zu traditionellen Clinchverbindungen erfolgt die Herausbildung der Verbindung jedoch nicht durch einen Tiefziehvorgang mit einem nachfolgenden Breitquetschen des Bodenbereiches der tiefgezogenen Flächenteile, die eine Matrize mit einer Ausnehmung erfordern, sondern durch einen Rück- wärtsfließpressvorgang, gefolgt von einem Breitquetschen des unter einer Stempelstirnfläche verbliebenen Materials, wobei der Vorgang mit einem gleichzeitigen Aufstauchen des Halsbereiches kombiniert sein kann.
Bei dem Eindrücken des Stempels kommt es bei Begrenzung der Niederhalterkraft zu einem der Stempelbewegung entgegengesetzten Werks tofffluss und somit zur Herausbildung einer Erhebung auf der Seite des Gegenwerkzeugs.
Im weiteren Prozessverlauf hat nur diese Erhebung Kontakt mit dem Gegenwerkzeug. Bei dem Breitquetschen des aus der Ebene des unteren Bleches gedrückten Werkstoffes in dieser Erhebung bildet sich dann durch radialen Werkstofffluss die Hinterschneidung heraus. Die üblicherweise für das Verfahren des Clinchens notwendige Ausnehmung des Gegenwerkzeuges ist für die Realisierung dieses Verfahrensprinzips nicht erforderlich.
Anschließend an das Ausbilden der Hinterschneidung kann vorzugsweise eine weitere Stempelbewegung in Richtung eines Flachdrückens des Verbindungsbereiches der bei- den Werkstücke erfolgen. Hierbei ist auf entsprechende Kraftbegrenzung zur Werkzeugsicherheit zu achten.
Eine Taumelbewegung des Fügestempels zur Realisierung der Herausbildung der Hinterschneidung ist nicht erforderlich. Sie kann jedoch zur Senkung der Fügekräfte überlagert werden. Eine solche überlagerte Bewegung kann eine Kreis- oder eine Rosettenform haben.
Weiterhin kann der aktiven axialen Vorschubbewegung auch eine zusätzliche zyklische Kraft überlagert werden. Bei Anwendung der Taumelüberlagerung mit Rosettenform gemeinsam mit der zyklischen Kraftüberlagerung werden beide Überlagerungen so aufeinander abgestimmt, dass die Taumelrichtung des Stempels und die zyklische zusätzliche Stempelkraft in einer eindeutigen Abhängigkeit zueinander stehen. Einer bestimmten Taumelrichtung des Stempels, vorzugsweise bei Zunahme des Taumelwinkels bis zum maximalen Taumelwinkel α in Taumelrichtung nach außen, wird die maximale Überlagerungskraft zugeordnet, um einen optimalen Werkstofffluss zu erzielen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt des Bewegens eines Niederhalters auf das Gegenwerkzeug zu, und dadurch erfolgt ein Ausüben einer definierten Haltekraft auf die Bauteile während der plastischen Verformung. Weiterhin ist ein zusätzlicher Schritt des Stabilisierens der Bauteile mittels eines Gegenhalters denkbar, durch den die Bauteile entgegen der Bewegungsrichtung des Stempelwerkzeuges zu diesem hingedrängt werden.
Hierbei ist es möglich, daß die Bewegung des Stempelvorsprungs auf das Gegenwerkzeug zumindest während eines Teils des Stempelweges mit einer Taumelbewegung überlagert wird. Die Taumelbewegung kann kreis- oder rosettenförmig erfolgen. Auch ist es wünschenswert, daß der Stempel, der Niederhalter und/oder der Gegenhalter hydraulisch, pneumatisch, magnetisch, mechanisch oder piezoelektrisch krafbeaufschlagt werden, wobei vorzugsweise die Kraftbeaufschlagung mittels eines oder mehrerer Impulse erfolgt.
Ebenso ist es denkbar, daß die Kraftbeaufschlagung während zumindest eines Teils des Stempelweges durch Überlagerung einer zusätzlichen zyklischen Kraft erfolgt, wobei bei Anwendung der Taumelüberlagerung mit Rosettenform oder Taumelwinkel des Stempels und die zusätzliche zyklische Stempelkraft in eindeutiger Abhängigkeit zueinander aufeinander abgestimmt sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Kraftbeaufschlagung des Niederhalters gesteuert und nimmt insbesondere an einem definierten Punkt der Bewegung des Stempels stark zu. Dadurch werden die entgegen der Bewegungsrichtung des Stempels gerichtete Bewegung der Bauteile gestoppt und umgekehrt.
Bei einem solchen Verfahren ist es möglich, daß die an einem definierten Punkt der Bewegung des Stempels die entgegen der Bewegungsrichtung des Stempels gerichtete Bewegung der Bauteile durch einen Stempelabsatz gestoppt wird und umgekehrt. Auch ist es möglich, daß an einem definierten Punkt der Bewegung des Stempels die entgegen der Bewegungsrichtung des Stempels gerichtete Bewegung der Bauteile durch einen mittelbaren oder unmittelbaren mechanischen Anschlag des Niederhalters am Stempel gestoppt wird und umgekehrt. Vorzugsweise erfolgt im Anschluß an die Ausbildung der Hinterschneidung eine Werkzeugbewegung in Richtung eines Flachdrückens der Erhebung.
Bei einer Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen, insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung zwischen den Bauteilen, insbesondere zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, weist diese ein Stempelwerkzeug, das entlang einer Hauptarbeitsrichtung auf ein Gegenwerkzeug zu und von diesem weg bewegbar ist, auf, wobei das Gegenwerkzeug an seiner dem Stempelwerkzeug zugewandten Seite, zumindest im gesamten Bereich des Stempelwerkzeuges, insbesondere einer Stempelstirnfläche und eines Stempelabsatzes, vorzugsweise auch eines Niederhalters, im Wesentlichen flächig ausgebildet ist. Hierbei ist es wünschenswert, daß ein Hauptkörper des Stempelwerkzeuges an seiner dem Gegenwerkzeug zugewandten Seite einen Stempelabsatz aufweist, aus dem ein Stempelabsatz hervorragt.
Vorzugsweise ist zumindest ein Hauptkörper des Stempelwerkzeuges von einem Niederhalte umgeben, der relativ zu dem Haup tkörper bewegbar ist. Der Hauptkörper ist vorzugsweise relativ zu dem Niederhalter mittels eines Vorspannelementes, insbesonde- re einer Niederhalterfeder, entgegen einer Vorschubrichtung des Stempelwerkzeuges vorgespannt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hauptkörper des Stempelwerkzeuges zumindest während eines Teiles seiner Bewegung auf das Gegenwerkzeug zu in einer Taumelbewegung bewegbar. Dabei ist eine an dem Stempelabsatz angeordnete Stempelstirnfläche im Wesentlichen flach, insbesondere eben, leicht ballig oder leicht kegelig ausgebildet. Hierbei kann der Stempelvorsprung zur Stempelstirnfläche hin leicht verjüngt ausgebildet sein.
Es ist möglich, daß eine an den Stempelabsatz angeordnete Stempelstirnfläche im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Hauptarbeitsrichtung oder zu dieser geringfügig geneigt ist. Auch ist denkbar, daß ein Übergang von der Stempelstirnfläche zu einer Mantelfläche des Stempelvorsprungs in Form eines Radius oder eine Schleppkurve ausgebildet ist. Ebenso ist es möglich, daß ein Übergang von der Stempelstirnfläche zu einer Mantelfläche des Stempelvorsprungs in Form einer Fase oder eine Doppelfase ausgebildet.
Hierbei ist das den Übergang vom der Stempelstirnfläche zur Mantelfläche bildendes Formelement kleiner als 0,2 Millimeter. Bei allen Ausführungsformen ist das Gegenwerkzeug vorzugsweise als einteiliger Amboss ausgebildet , wobei dessen dem Stempelwerkzeug zugewandte Seite als eine im Wesentlichen flache, insbesondere ebene, leicht ballige oder leicht kegelige Auflagefläche für die Bauteile ausgebildet ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Auflagefläche des Gegenwerkzeuges größer als die an den Bauteilen ausgebildete Erhebung, vorzugsweise größer als die ihm zugewandte Projektionsfläche des Stempelwerkzeuges, insbesondere aber des Stempelvorsprungs und des Stempelabsatzes, der auch von dem Niederhalter gebildet sein kann. Wünschenswert ist, daß die Abmessungen der Auflagefläche des Gegenwerkzeuges größer oder im Wesentlichen gleich den äußeren Abmessungen des Niederhalters sind.
Sowohl ein der Stempelstirnfläche gegenliegende Bereich der Auflagefläche des Gegenwerkzeuges als auch ein dem Stempelabsatz gegenüberliegender Bereich der Auflagefläche des Gegenwerkzeuges liegen vorzugsweise im Wesentlichen auf einer zur Hauptarbeitsrichtung senkrechten Ebene. Die Auflagefläche ist zumindest im Bereich der Projektion der Stempelstirnfläche und des Stempelabsatzes, vorzugsweise auch des Niederhalters, frei von Absätzen oder Ausnehmungen ausgebildet.
Bei diesen Ausführungsformen ist es denkbar, daß der Amboss des Gegenwerkzeuges zumindest teilweise von einem Gegenhalter umgeben ist, der relativ zu dem Amboss in Hauptarbeitsrichtung bewegbar ist. Dieser Gegenhalter kann pneumatisch, hydraulisch, magnetisch, mechanisch und/oder piezoelektrisch mit einer Kraft beaufschlagbar sein, die einer Stempel- und/oder Niederhalterkraft entgegengerichtet ist.
Gemäß einer Ausführungsform weisen der Hauptkörper des Stempelwerkzeuges, der Niederhalter, der Amboss und/oder der Gegenhalter kreis- oder kreisringförmige Querschnitte auf. Alternativ weisen der Hauptkörper des Stempelwerkzeuges, der Niederhalter, der Amboss und/oder der Gegenhalter einen von einer Kreisform abweichenden Querschnitt, insbesondere einen eckigen Querschnitt auf.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 a) - c) eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, hierbei: Fig. 1a) einen Ausgangszustand,
Fig. 1 b) einen Zwischenzustand, und
Fig. 1c) einen Endzustand nach dem Verbinden;
Fig. 2 a) - c) eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem auf Block fahrenden Niederhalter bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, hierbei:
Fig. 2a) einen Ausgangszustand,
Fig. 2b) einen Zwischenzustand, und Fig. 2c) einen Endzustand nach dem Verbinden;
Fig. 3 a) - d) eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Amboss mit gefedertem Aussenring und mit einem auf Block fahrenden Niederhalter bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, hierbei:
Fig. 3a) einen Ausgangszustand,
Fig. 3b) einen ersten Zwischenzustand vor dem Eindringen des Stempelwerkzuges in die Bauteile,
Fig. 3c) einen weiteren Zwischenzustand nach Ausbilden einer temporären Erhebung, und
Fig. 3d) einen Endzustand nach dem Verbinden der Bauteile; und
Fig.4 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Stempelwerkzeug mit taumelndem Stempel bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Zwischenzustand.
Anhand der Figuren 1a) bis 1c) wird nunmehr ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Bei der Beschreibung der Ausführungsformen werden der Anschaulichkeit halber die Bewegungsrichtungen und die relativen Anordnungen der Komponenten mit den Begriffen „oben" und „unten", wie in den Figuren dargestellt, bezeichnet; es versteht sich, dass jede andere räumliche Anordnung entsprechend möglich ist.
Bei dem in Fig.1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein oberes Bauteil 1 mit einem unteren Bauteil 2 verbunden. Im Ausgangszustand, wie in Fig. 1a dargestellt, werden die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile 1 , 2 auf einer im Wesentlichen flachen Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3, vorzugsweise einem einteiligen Amboss 3b, angeordnet.
Zur Herstellung der Verbindung wird dann ein Stempelwerkzeug 4 mit einem Hauptkörper 4e und einem Niederhalter 5 in Richtung der Bauteile 1 , 2 entlang einer Hauptarbeitsrichtung A auf das Gegenwerkzeug 3 zu bewegt. Mit dem Niederhalter 5 wird hyd- raulisch, pneumatisch, piezoelektrisch, magnetisch oder durch Federn eine definierte Haltekraft auf die Bauteile 1 , 2 ausgeübt.
An der dem Gegenwerkzeug 3 zugewandten (unteren) Seite des Hauptkörpers 4e ist ein Stempelvorsprung 4b ausgebildet, dessen Querschnitt vorzugsweise geringer ist, als der Querschnitt des übrigen (oberen) Teils des Hauptkörpers 4e. Am Übergang ist ein Stempelabsatz 4a ausgebildet, der vorzugsweise in einer Ebene flach und orthogonal oder flach und geringfügig (z.B. bis zu ca. 6°) geneigt zu einer Hauptarbeitsrichtung A liegt.
Zu Beginn des eigentlichen Clinchvorganges wird sodann der Stempelvorsprung 4b hydraulisch, pneumatisch, magnetisch, piezoelektrisch oder mechanisch mit hoher Kraft in die Bauteile 1 , 2 hineingedrückt. Der vorderste (unterste) Abschnitt des Stempelvorsprungs 4b, der als Stempelstirnfläche 4c bezeichnet wird, dringt hierbei durch den Querschnitt des oberen Bauteils 1 bis in das Bauteil 2 vor, jedoch ohne eines der Bauteile zu durchstoßen, so dass während des gesamten Vorganges vor der Stempelstirnfläche noch Werkstoff aller zu verbindender Bauteile verbleibt.
Dabei wird der jeweilige Werkstoff der zu verbindenden Bauteile 1 , 2 lokal verdrängt und bewegt sich erst radial nach außen und dann kontrolliert vom Niederhalter 5 und/oder vom Stempelabsatz 4a entgegen der Bewegungsrichtung des Stempelhauptkörpers 4e nach oben.
Es kommt zum Abheben der Bauteile 1 , 2 von der Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 (Amboss 3b). Indem die Abschnitte der Bauteile 1 ,2, die nicht zwischen der Stempelstirnfläche 4c und der Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 eingespannt sind, von dem weggedrückten Werkstoff der Bauteile nach oben (zum Stempelwerkzeug 4 hin) bewegt werden, bildet sich im Bereich des Stempelvorsprungs 4b eine Erhebung 2a heraus.
Nur in diesem Bereich besteht hierbei auf der Unterseite des unteren Bauteils 2 noch Kontakt des unteren Bauteiles 2 mit dem Amboss 3b. In Fig. 1b ist ein Zwischenzustand dargestellt, bei dem man dies gut erkennen kann. Sobald der Werkstoff des oberen Bauteiles 1 Kontakt zum Absatz 4a des Stempelhauptkörpers 4e hat, wird die weitere Bewegung des Werkstoffes der zu verbindenden Bauteile 1 , 2 entgegen der Richtung der Stempelbewegung behindert. Die herausgebildete Erhebung 2a wird deshalb bei weiterer Zustellung des Stempelwerkzeuges 4 in ihrer Größe reduziert, und der noch unter der Stirnfläche 4c des Stempels 4 befindliche Werkstoff muss radial nach außen fließen. Dabei bildet sich, wie in Fig. 1c gezeigt, eine Hinterschneidung 1a heraus.
Das Verhältnis der Querschnitte bzw. Durchmesser von Stempelvorsprung 4b und Stempelabsatz 4a kann in Abhängigkeit von der Festigkeit der zu verbindenden Materialien und der Fügekraft so gewählt werden, dass kein bleibender Eindruck des Stempelabsatzes 4a im oberen Bauteil 1 verursacht wird.
Der Stempelvorsprung 4b kann leicht konisch gestaltet sein, um ein einfaches Herausziehen des Stempelvorsprungs aus den miteinander verbundenen Bauteilen 1 ,2 zu gewährleisten. Die am Stempelvorsprung 4b angeordnete Stempelstirnfläche 4c ist vorzugsweise flach, insbesondere eben, oder aber leicht ballig oder leicht kegelig ausgebildet.
Hierbei ist ein Übergang von der Stempelstirnfläche 4c zu einer Mantelfläche 4d des Stempelvorsprungs 4b in Form eines Radius oder einer Schleppkurve ausgebildet; der Übergang von der Stempelstirnfläche 4c zur Mantelfläche 4d des Stempelvorsprungs 4b kann jedoch auch in Form einer Fase oder einer Doppelfase ausgebildet sein, wobei in jedem Falle vorzugsweise das den Übergang vom der Stempelstirnfläche 4c zur Mantelfläche 4d bildende Formelement kleiner als 0,2 Millimeter ist.
Wie in den Figuren der ersten Ausführungsform gezeigt, ist das Gegenwerkzeug 3 als einteiliger Amboss 3b ausgebildet, dessen dem Stempelwerkzeug 4 zugewandte Seite als eine im Wesentlichen flache, insbesondere ebene, aber auch als leicht ballige oder leicht kegelige Auflagefläche 3c für die Bauteile 1 ,2 ausgebildet ist.
Hierbei ist bei jeder Ausführungsform die Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 größer als der Durchmesser einer Erhebung 2a, so dass der Werkstoff der Bauteile 1 , 2 nicht neben der Auflagefläche seitlich vorbeigedrückt werden kann. Vorzugsweise sind die Abmessungen der Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 größer oder im Wesentlichen gleich den äußeren Abmessungen des Niederhalters 5.
Ein der Stempelstirnfläche 4c gegenüberliegender Bereich der Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 als auch ein dem Stempelabsatz 4a gegenüberliegender Bereich der Auflagefläche 3c des Gegenwerkzeuges 3 liegen im Wesentlichen auf einer zur Hauptarbeitsrichtung A senkrechten Ebene, wobei eine leichte Wölbung der gesamten Oberfläche nach oben oder unten jedoch denkbar ist.
In jeder der Ausführungsformen ist die Auflagefläche 3c frei von Absätzen, Ausnehmungen, Senkungen, Vertiefungen oder dergleichen ausgebildet.
Hierbei ist es sowohl denkbar, dass der Hauptkörper 4e des Stempelwerkzeuges 4, der Niederhalter 5, und/oder der Amboss 3b kreis- oder kreisringförmige Querschnitte aufweisen, wie auch, dass der Hauptköφer 4e des Stempelwerkzeuges 4, der Niederhalter 5, und/oder der Amboss 3b einen von einer Kreisform abweichenden Querschnitt, insbesondere einen eckigen Querschnitt aufweisen. Die einzelnen Komponenten sind vorzugsweise aufeinander abgestimmt, jedoch auch unabhängig von einander bewegbar ausgebildet.
Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren 2a) bis 2c) beschrieben. Bauteile und Komponenten, die den zuvor beschriebenen entsprechen, tragen dieselben Bezugszeichen und werden nur soweit als erforderlich erneut beschrieben.
Eine Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von zwei oder mehreren flachen Bauteilen ist in einem weitem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 zu sehen. Im Ausgangszustand, wie in Fig. 2a gezeigt, liegen die (beiden) miteinander zu verbindenden Bauteile 1,2 wieder auf dem flachen Gegenwerkzeug 3, hier dem Amboss 3b, auf.
Zur Herstellung der Verbindung wird ein Stempelwerkzeug 4 hydraulisch, pneumatisch, magnetisch, piezoelektrisch oder mechanisch mit hoher Kraft in Richtung der Bauteile 1 ,2 bewegt. In dieser Ausführungsform weist das Stempelwerkzeug 4 einen Stempel- hauptkörper 4e, einen Niederhalter 5, einen Stempelträger 6, eine Niederhalterhülse 7 und eine Niederhalterfeder 8 auf.
Zuerst setzt der Niederhalter 5 auf den zu verbindenden Bauteilen 1, 2 auf. Die Niederhalterfeder 8 wird hierbei zusammengedrückt. Sodann kommt die Stirnfläche 4c des Stempelvorsprungs 4b des Stempelhauptkörpers 4e in Kontakt mit dem oberen Bauteil 1.
Der Stempelvorsprung 4b wird nun ganz oder teilweise in die Bauteile 1 ,2 hineingedrückt. Dabei wird der Werkstoff der zu verbindenden Bauteile 1 ,2 lokal verdrängt und bewegt sich erst radial nach außen und dann kontrolliert vom Niederhalter 5 entgegen der Bewegungsrichtung des Stempelwerkzeuges 4 nach oben. Es kommt zum Abheben der Bauteile 1 ,2 vom Amboss 3b. Nur im Bereich der sich herausbildenden Erhebung 2a auf der Unterseite des unteren Bauteils 2 besteht noch Kontakt des unteren Bauteiles 2 mit dem Amboss 3b. In Fig. 2b ist ein Zwischenzustand dargestellt, bei dem man dies gut erkennen kann.
Sobald ein oberer Anschlag 5a des Niederhalters 5 in Kontakt mit einem unteren Anschlag 6a des Stempelträgers 6 gelangt, wird die weitere Bewegung des Werkstoffes der zu verbindenden Bauteile 1, 2 entgegen der Richtung der Stempelbewegung behindert. Die herausgebildete Erhebung 2a wird deshalb bei weiterer Zustellung des Stempelwerkzeuges 4 in ihrer Größe reduziert und der noch unter der Stirnfläche 4c des Stempelvorsprungs 4b des Stempelhauptkörpers 4e befindliche Werkstoff muss radial nach außen fließen.
Dabei bildet sich, wie in Fig. 2c gezeigt, eine Hinterschneidung 1a heraus. Das Verhältnis der Abmessungen (bzw. Durchmesser) von Stempelstirnfläche 4c und Unterseite des Niederhalters 5 kann in Abhängigkeit von der Festigkeit der zu verbindenden Materialien und der Fügekraft so gewählt werden, dass kein bleibender Eindruck des Niederhalters 5 im oberen Bauteil 1 verursacht wird.
Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 3a) bis 3d) zu sehen. Bauteile und Komponenten, die den zuvor beschriebenen entsprechen, tragen dieselben Bezugszeichen und werden nur soweit als erforderlich erneut beschrieben. In einem Ausgangszustand, wie in Fig. 3a gezeigt, liegen die (beiden) miteinander zu verbindenden Bauteile 1 ,2 auf einem vorzugsweise gefederten oder anderweitig mit Druck beaufschlagten Gegenhalter 3a (Außenring) eines Ambosses 3b des Gegenwerkzeuges 3 auf.
Zur Herstellung der Verbindung werden der Niederhalter 5 und der Hauptkörper 4e des Stempelwerkzeuges 4 in Richtung der Bauteile 1 ,2 bewegt. Mit dem Niederhalter 5 wird hydraulisch, pneumatisch, piezoelektrisch, magnetisch, mechanisch oder auf andere Weise, insbesondere z.B. durch Federn, eine definierte Kraft auf die Bauteile 1 ,2 und auf den Gegenhalter 3a ausgeübt. Die Kraft, mit der der Niederhalter 5 beaufschlagt wird, ist vorzugsweise größer gewählt als die entgegengesetzt wirkende Kraft des Gegenhalters 3a.
Dadurch wird, wie in Fig. 3b dargestellt, der Gegenhalter 3a so weit zurückgedrückt, bis die zu verbindenden Bauteile 1 ,2 auf dem Amboss 3b aufsetzen. Der Stempelvorsprung 4b wird dann, wie zuvor beschrieben, mit hoher Kraft in die Bauteile 1 ,2 hineingedrückt. Dabei wird der Werkstoff der zu verbindenden Bauteile 1 ,2 lokal verdrängt und bewegt sich erst radial nach außen und dann kontrolliert von Niederhalter 5 wie vom Gegenhalter 3a entgegen der Bewegungsrichtung des Stempelwerkzeuges 4 nach oben. Es kommt dadurch zu einem Abheben der Bauteile 1 ,2 vom Amboss 3b.
Nur im Bereich der sich herausbildenden Erhebung 2a auf der Unterseite des unteren Bauteils 2 besteht sodann noch Kontakt des unteren Bauteiles 2 mit der Auflagefläche des Gegenwerkzeuges 3, dem Amboss 3b.
Im Gegensatz zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der sich der Stempelbewegung entgegen bewegende Werkstoff nicht mehr durch die gesamte Niederhalterkraft in seiner Bewegung gehindert, sondern nur durch die Differenz der Kräfte, die auf den Niederhalter 5 und den Gegenhalter 3a wirken. Dadurch können bei minimaler Behinderung des Abhebens der Bauteile 1 ,2 vom Amboss 3b hohe Haltekräfte aufgebracht werden, die eine Durchbiegung der Bauteile 1 , 2 oder eine Spaltbildung zwischen den Bauteilen vermeiden. Hierbei ist es sowohl denkbar, dass der Gegenhalter 3a einen kreis- oder kreisringförmigen Querschnitt aufweist, wie auch, dass der Gegenhalter 3a einen von einer Kreisform abweichenden Querschnitt, insbesondere einen eckigen Querschnitt aufweist. Die einzelnen Komponenten (Hauptkörper 4e des Stempelwerkzeuges 4, Niederhalter 5, Amboss 3b und Gegenhalter 3a) sind vorzugsweise aufeinander abgestimmt, jedoch auch unabhängig von einander bewegbar ausgebildet.
In Fig. 3c ist ein weiterer Zwischenzustand dargestellt. Sobald der Werkstoff des oberen Bauteiles 1 Kontakt zum Absatz 4a des Stempelhauptkörpers 4e hat, wird die weitere Bewegung des Werkstoffes der zu verbindenden Bauteile entgegen der Richtung der Stempelbewegung behindert. Die herausgebildete Erhebung 2a wird deshalb bei weiterer Zustellung des Stempelwerkzeuges 4 in ihrer Größe reduziert, und der noch unter der Stirnfläche 4c des Stempelvorsprungs 4b befindliche Werkstoff muss radial nach außen fließen. Dabei bildet sich, wie in Fig. 3d gezeigt, eine Hinterschneidung 1a heraus.
Durch die hohe Kraft, mit der der Niederhalter 5 in diesem Ausführungsbeispiel beaufschlagt werden kann, ohne dass der Verbindungsprozess beeinträchtigt wird, erfolgt ein problemloses Abstreifen der gefügten Bauteile 1 ,2 vom Stempelvorsprung 4b nach dem Fügevorgang beim Auseinanderfahren der Werkzeuge 3, 4.
Das Verhältnis der Querschnitte (Durchmesser) von Stempelstirnfläche 4c und Stempelsatz 4 kann in Abhängigkeit von der Festigkeit der zu verbindenden Materialien und der Fügekraft wiederum so gewählt werden, dass kein bleibender Eindruck des Stempelabsatzes 4a im oberen Bauteil 1 verursacht wird.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind keine hohen Genauigkeiten bezüglich der Koaxialität vom Stempelwerkzeug 4 zum Gegenwerkzeug 3 erforderlich, da der Gegenhalter 3a keinen Anteil an der Ausformung der Verbindung hat und nur eine Halteaufgabe übernimmt. Zur Erzielung hoher Kräfte bei geringen Wegen können sowohl der Niederhalter 5 als auch der Gegenhalter 3a bereits im Ausgangszustand vorgespannt sein.
Ein alternatives (viertes) Ausführungsbeispiel, dessen Lehre mit jedem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele kombinierbar ist (wie auch die ersten drei Ausführungsbeispiele untereinander), ist in Figur 4 dargestellt. Hierbei wird gezeigt, dass dem Stempelhauptkörper 4e des Stempelwerkzeuges 4 zur Kraftreduzierung auch eine Taumelbewegung mit einem maximalen Taumelwinkel α zwischen der Hauptarbeitsrichtung A und einer Achse B des Stempelhauptköφers 4e überlagert werden kann.
Wichtig ist hierbei, dass, wie in den bereits erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben, die Kraft des Niederhalters 5 so bemessen ist, dass eine Durchbiegung der zu verbindenden Bauteile 1 , 2 oder eine Spaltbildung zwischen den beiden Bauteilen 1 , 2 wei- testgehend vermieden wird, aber gleichzeitig eine Herausbildung der Erhebung 2a und damit eine der axialen Bewegung des Stempelhauptköφers 4e entgegengerichtete Bewegung der Bauteile 1 ,2 ermöglicht wird. Ein Gegenhalter 3a, wie im 3. Ausführungsbeispiel gezeigt, kann hierzu vorgesehen werden.
Sobald der Werkstoff des oberen Bauteiles 1 in Kontakt mit dem Absatz 4a des Stempelhauptkörpers 4e gelangt, wird die weitere Bewegung des Werkstoffes der zu verbindenden Bauteile 1 , 2 entgegen der Richtung der Stempelbewegung behindert. Die herausgebildete Erhebung 2a wird deshalb bei weiterer Zustellung des Stempelwerkzeuges 4 in ihrer Größe reduziert und der noch unter der, vorzugsweise kegelig ausgebildeten, Stirnfläche 4c des Stempelhauptkörpers 4 befindliche Werkstoff muss radial nach außen fließen. Dabei bildet sich, wie in den anderen Ausführungsbeispielen beschrieben, eine Hinterschneidung heraus.
Das Verhältnis der Durchmesser von Stempelstirnfläche 4c und Stempelabsatz 4a kann in Abhängigkeit von der Festigkeit der zu verbindenden Materialien und der Fügekraft wiederum so gewählt werden, dass kein bleibender Eindruck des Stempelabsatzes 4a im oberen Bauteil 1 verursacht wird.
Es versteht sich, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch mehr als zwei Bauteile miteinander verbindbar sind. Ebenso ist klar, dass auch oder ausschließlich das Gegenwerkzeug als bewegte Komponente ausgebildet sein kann. Die Anordnung der Werkzeuge im Raum ist ebenfalls beliebig. Auch ist denkbar eine Mehrzahl von Verbindungen gleichzeitig zu erwirken. Die geometrische Kontur der Werkzeuge sowie der Fügestellen ist im wesentlichen beliebig wählbar.
Als Werkstoff für die zu fügenden Bauteile sind alle elastisch verformbaren Materialien, insbesondere Bleche und Kunststoffe, denkbar. Die einzelnen Bauteile können auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen (1 , 2), insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung (1a) zwischen den Bauteilen (1 , 2) in einem Arbeitshub mit den Einzelschritten:
• Anordnen der zu verbindenden Bauteile (1 , 2) zwischen einem Stempelvorsprung (4b) eines Stempelwerkzeuges (4) und einer Auflagefläche (3c) eines Gegenwerkzeuges (3),
• Eindrücken des Stempelvorsprunges (4b) in die zu verbindenden Bauteile (1 , 2) unter Ausbildung einer temporären Erhebung (2a) auf der dem Gegenwerkzeug (3) zugewandten Seite der Bauteile (1 , 2) und Trennung von Bereichen derselben außerhalb eines Einflussbereiches des Stempelvorsprungs (4b) von einer Auflagefläche (3c) des Gegenwerkzeuges (3), und
• Ausbilden einer Hinterschneidung (1 a) der Bauteile (1 , 2) durch weitere Reduzierung einer Bodendicke in der Erhebung (2a).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch einen Schritt des Bewegens eines Niederhalters (5) auf das Gegenwerkzeug (3) zu, und dadurch Ausüben einer definierten Haltekraft auf die Bauteile (1 , 2) während der plastischen Verformung.
3. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Schritt des Stabilisierens der Bauteile (1 , 2) mittels eines Gegenhalters (3a), durch den die Bauteile (1 , 2) entgegen der Bewegungsrichtung des Stempelwerkzeuges (4) zu diesem hin gedrängt werden.
4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Stempelvorsprunges (4b) auf das Gegenwerkzeug (3) zu zumindest während eines Teils des Stempelweges mit einer Taumelbewegung überlagert wird, wobei die Taumelbewegung vorzugsweise kreis- oder rosettenförmig erfolgt.
5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (4), der Niederhalter (5) und/ oder der Gegenhalter (3a) hydrau- lisch, pneumatisch, magnetisch, mechanisch oder piezoelektrisch kraftbeaufschlagt werden, wobei vorzugsweise die Kraftbeaufschlagung mittels eines oder mehrerer Impulse erfolgt.
6. Verfahren nach Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftbeaufschlagung während zumindest eines Teils des Stempelweges durch Überlagerung einer zusätzlichen zyklischen Kraft erfolgt, wobei bei Anwendung der Taumelüberlagerung mit Rosettenform der Taumelwinkel des Stempels und die zusätzliche zyklische Stempelkraft in eindeutiger Abhängigkeit zueinander aufeinander abgestimmt sind.
7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftbeaufschlagung des Niederhalters (5) gesteuert erfolgt und insbesondere an einem definierten Punkt der Bewegung des Stempels (4) stark zunimmt und dadurch die entgegen der Bewegungsrichtung des Stempels (4) gerichtete Bewegung der Bauteile (1 , 2) stoppt und umkehrt, oder daß die an einem definierten Punkt der Bewegung des Stempels (4) die entgegen der Bewegungsrichtung des Stempels (4) gerichtete Bewegung der Bauteile (1 , 2) durch einen Stempelabsatz (4a) gestoppt wird und umgekehrt, oder daß an einem definierten Punkt der Bewegung des Stempels (4) die entgegen der Bewegungsrichtung des Stempels (4) gerichtete Bewegung der Bauteile (1 , 2) durch einen mittelbaren oder unmittelbaren mechanischen Anschlag (6a) des Niederhalters (5) am Stempel gestoppt wird und umgekehrt.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Ausbildung der Hinterschneidung (1a) eine Werkzeugbewegung in Richtung eines Flachdrückens der Erhebung (2a) erfolgt.
9. Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen (1 , 2), insbesondere von Blechen, durch umformendes Herstellen einer Hinterschneidung (1a) zwischen den Bauteilen (1 , 2), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, mit: einem Stempelwerkzeug (4), das entlang einer Hauptarbeitsrichtung (A) auf ein Gegenwerkzeug (3) zu und von diesem weg bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenwerkzeug (3) an seiner dem Stempel- Werkzeug (4) zugewandten Seite im Wesentlichen flächig ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptkörper (4e) des Stempelwerkzeuges (4) an seiner dem Gegenwerkzeug (3) zugewandten Seite einen Sempelabsatz (4a) aufweist, aus dem ein Stempelabsatz (4b) hervorragt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Hauptkörper (4e) des Stempelwerkzeuges (4) von einem Niederhalter (5) umgeben ist, der relativ zu dem Hauptköφer (4e) bewegbar ist, wobei vorzugsweise der Hauptköφer (4e) relativ zu dem Niederhalter (5) mittels eines Vorspannelementes, insbesondere einer Niederhalterfeder (8), entgegen einer Vorschubrichtung des Stempelwerkzeuges (4) vorgespannt ist.
12. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper (4e) des Stempelwerkzeuges (4) zumindest während eines Teiles seiner Bewegung auf das Gegenwerkzeug (3) zu in einer Taumelbewegung bewegbar ist.
13. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine an dem Stempelabsatz (4b) angeordnete Stempelstirnfläche (4c) im Wesentlichen flach, insbesondere eben, leicht ballig oder leicht kegelig ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der Stempelvorsprung (4b) zur Stempelstirnfläche (4c) hin leicht verjüngt ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine an den Stempelabsatz (4b) angeordnete Stempelstirnfläche (4c) im wesentlichen rechtwinklig zu einer Hauptarbeitsrichtung (A) oder zu dieser geringfügig geneigt ist.
15. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang von der Stempelstirnfläche (4c) zu einer Mantelfläche (4d) des Stempelvorsprungs (4b) in Form eines Radius oder einer Schleppkurve ausgebildet ist, oder ein Übergang von der Stempelstirnfläche (4c) zu einer Mantelfläche (4d) des Stempelvorsprunges (4b) in Form einer Fase oder einer Doppelfase ausge- bildet ist wobei in jedem Falle vorzugsweise das den Übergang vom der Stempelstirnfläche (4c) zur Mantelfläche (4d) bildendes Formelement kleiner als 0,2 Millimeter ist.
16. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenwerkzeug (3) als einteiliger Amboss (3b) ausgebildet ist, dessen dem Stempelwerkzeug (4) zugewandte Seite als eine im Wesentlichen flache, insbesondere ebene, leicht ballige oder leicht kegelige Auflagefläche (3c) für die Bauteile (1 ,2) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die Auflagefläche (3c) des Gegenwerkzeuges (3) größer als die an den Bauteilen (1,2) ausgebildete Erhebung (2a) ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Auflagefläche (3c) des Gegenwerkzeuges (3) größer oder im Wesentlichen gleich den äußeren Abmessungen des Niederhalters (5) sind und/oder daß die Auflagefläche (3c) frei von Absätzen oder Ausnehmungen ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl ein der Stempelstirnfläche (4c) gegenüberliegender Bereich der Auflagefläche (3c) des Gegenwerkzeuges (3) als auch ein dem Stempelabsatz (4a) gegenüberliegender Bereich der Auflagefläche (3c) des Gegenwerkzeuges (3) im Wesentlichen auf einer zur Hauptarbeitsrichtung (A) senkrechten Ebene liegen.
19. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (3b) des Gegenwerkzeuges (3) zumindest teilweise von einem Gegenhalter (3a) umgeben ist, der relativ zu dem Amboss (3b) in Hauptarbeitsrichtung (A) bewegbar ist, wobei vorzugsweise der Gegenhalter (3a) pneumatisch, hydraulisch, magnetisch, mechanisch und/ oder piezoelektrisch mit einer Kraft beaufschlagbar ist, die einer Stempel- und/ oder Niederhalterkraft entgegengerichtet ist.
20. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper (4e) des Stempelwerkzeuges (4), der Niederhalter (5), der Amboss (3b) und/ oder der Gegenhalter (3a) kreis- oder kreisringförmige Querschnitte aufweisen, oder daß der Hauptköφer (4e) des Stempelwerkzeuges (4), der Nie- derhalter (5), der Amboss (3b) und/ oder der Gegenhalter (3a) einen von einer Kreisform abweichenden Querschnitt, insbesondere einen eckigen Querschnitt aufweisen.
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