EP1549447B1 - Method and device for permanently joining overlapping, plate-shaped parts - Google Patents

Method and device for permanently joining overlapping, plate-shaped parts Download PDF

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EP1549447B1 EP20030753483 EP03753483A EP1549447B1 EP 1549447 B1 EP1549447 B1 EP 1549447B1 EP 20030753483 EP20030753483 EP 20030753483 EP 03753483 A EP03753483 A EP 03753483A EP 1549447 B1 EP1549447 B1 EP 1549447B1
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    • B21D39/03Application 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
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    • Y10T29/53065Responsive to work or work-related machine element with means to fasten by deformation

Description

  • 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.The present invention relates to a method for permanently connecting overlapping, plate-shaped components, in particular sheets, by forming an undercut between the components.
  • 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. Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 8 sind z.B. aus Dokument DE-A 35 32 900 bekannt.In addition, the invention relates to a device for permanently connecting overlapping, plate-shaped components, in particular sheets, by deforming producing an undercut between the components, with a punch tool which is movable along a main working direction to a counter tool to and from this. A method or apparatus according to the preambles of claims 1 and 8 are known e.g. from document DE-A 35 32 900 known.
  • 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.In the sheet metal processing industry, individual parts are connected by mechanical joining techniques. Especially in the automotive industry, low-cost methods are used in mass production, in which at least two components are connected to one another by plastic deformation thereof without a pre-hole and without the use of additional auxiliary joining parts.
  • 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.For many years, methods and devices for connecting overlapping, in particular plate-shaped, components are known from the prior art, in which an undercut connection is produced by local deformation of the components to be joined together. These methods are referred to in the literature as clinching or clinching.
  • 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.In these methods, an overlapping area of the two or more components to be interconnected is disposed between a punch tool and a counter tool (die). This stamping tool is then pressed directly into the joining region of the (two) components with high force, whereby both components are first deep-drawn into a recess formed in the die in the region of the punch attack, and then the bottom region of the deep-drawn surface parts is squeezed wide.
  • 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 35 32 900 A1, der DE 36 13 324 A1 oder der DE199 29 375 A1. Daneben sind starre mehrteilige Matrizen, z.B. aus der DE 39 23 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.The die is designed so that can form undercuts between the components in the crimping of the bottom portion of the deep-drawn surface parts. In each case, a distinction is made between the methods used and the different embodiments of the respective matrices. Known are the use of rigid one-piece matrices, e.g. from DE 35 32 900 A1, DE 36 13 324 A1 or DE199 29 375 A1. Besides, rigid multipart matrices, e.g. from DE 39 23 18 A1, movable multipart matrices, e.g. from DE 31 06 313 A1 or DE 37 13 083 A1 and mixed forms, e.g. known from DE 101 16 736 A1.
  • Allen diesen unterschiedlichen Verfahren gemeinsam ist die Verwendung einer konturierten 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.Common to all these different methods is the use of a contoured die as a counter tool. The contouring allows locally deep drawing or penetration of the components to be joined by means of a recess into which the material of the components can be formed.
  • Weiterhin gestattet die Konturierung durch ihre spezifische Form oder durch die Beweglichkeit einzelner Teile der Matrize einen Werkstofffluss in radialer Richtung, was zur Ausbildung der Hinterschneidung führt.Furthermore, the contouring by their specific shape or by the mobility of individual parts of the die allows a flow of material in the radial direction, which leads to the formation of the undercut.
  • 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.In all such methods, however, a precise axial alignment of the tools to each other, in particular of the die and stamp, mandatory in order to produce quality connections can. In practice, this leads to a high production accuracy required for the tools and machines and a high amount of time for the setup of these joining devices.
  • 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.In addition, the joining devices must be designed very stiff, so that the high forces during the joining process and thereby caused bends on the joining devices do not lead to the emergence of quality-reducing offsets of the tools to each other.
  • 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.The invention is therefore based on the object to provide a method for mechanically connecting at least partially stacked, plate-shaped components, with the help of which safe and high-quality connections of components can be produced more cost-effectively and reliably than before.
  • 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.Furthermore, the invention is based on the object to improve a device of the type mentioned in such a way that the demands on the manufacturing tolerances and on the alignment of the tools of the device can be reduced, so as to increase the process safety.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen, mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. This object is achieved by a method for permanently connecting overlapping, plate-shaped components, with the features of independent claim 1.
  • Bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.Preferred developments of the subject invention are set forth in the dependent claims.
  • Des Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von einander überlappenden, plattenförmigen Bauteilen mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8.Furthermore, the object is achieved by a device for permanently connecting overlapping, plate-shaped components with the features of independent claim 8.
  • Bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.Preferred developments of the subject invention are set forth in the dependent claims.
  • 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.With the invention, it is possible by the interaction of a punch tool and a counter tool permanent connections between at least partially superimposed plate-shaped components, in particular sheets to produce, wherein the compound produced undercut areas which form a geometric entanglement of the components to be joined.
  • Unter flächig soll hier im wesentlichen "eben" oder "plan" verstanden werden.The term "flat" should be understood to mean essentially "flat" or "planar".
  • 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.By the flat counter-tool, which is preferably formed in the form of a flat anvil, the axial alignment of anvil and punch to each other, in contrast to the conventional clinching of minor importance. The necessary manufacturing accuracy for the tools and machines decreases as well as the time required to set up the joining devices.
  • 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.During the joining process due to the high forces between anvil and punch resulting offsets have little or no effect on the formation of the compound. 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 a precise alignment of the tools to each other.
  • Die erzeugte Verbindung weist einen geometrischen Hinterschneidungsbereich auf, wodurch eine Vorbehandlung zur Aktivierung der Oberfläche der miteinander zu verbindenden Fügepartner nicht erforderlich ist.The compound produced has a geometric undercut area, whereby a pretreatment for activating the surface of the joining partners to be joined together is not required.
  • 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 Rückwärtsfließpressvorgang, gefolgt von einem Breitquetschen des unter einer Stempelstimfläche verbliebenen Materials, wobei der Vorgang mit einem gleichzeitigen Aufstauchen des Halsbereiches kombiniert sein kann.Thus, in the present invention, an undercut connection similar to a clinch connection can be produced. However, in contrast to traditional clinch connections, the connection is not formed by a deep drawing operation with subsequent crimping of the bottom portion of the deep-drawn surface parts requiring a die with a recess, but by a backward extrusion followed by squeezing of the material left under a die-face the process can be combined with a simultaneous upsetting of the neck area.
  • Bei dem Eindrücken des Stempels kommt es bei Begrenzung der Niederhalterkraft zu einem der Stempelbewegung entgegengesetzten Werkstofffluss und somit zur Herausbildung einer Erhebung auf der Seite des Gegenwerkzeugs.When the punch is pressed in, when the hold-down force is limited, a material flow which is opposite to the punch movement occurs and thus the formation of a protrusion on the side of the counter-tool.
  • 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.In the further course of the process, only this survey has contact with the counter-tool. When squeezing the pressed out of the plane of the lower plate material in this survey then forms by radial material flow, the undercut out. The recess of the counter-tool which is usually necessary for the method of clinching is not necessary for the realization of this method principle.
  • Anschließend an das Ausbilden der Hinterschneidung kann vorzugsweise eine weitere Stempelbewegung in Richtung eines Flachdrückens des Verbindungsbereiches der beiden Werkstücke erfolgen. Hierbei ist auf entsprechende Kraftbegrenzung zur Werkzeugsicherheit zu achten.Subsequent to the formation of the undercut, preferably a further punch movement in the direction of a flat pressing of the connecting region of the two Workpieces are made. In this case, attention must be paid to appropriate force limitation for tool safety.
  • 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.A wobbling movement of the joining punch to realize the formation of the undercut is not required. However, it can be superimposed to reduce the joining forces. Such a superimposed movement may have a circular or a rosette shape.
  • 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 Stempel kraft 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.Furthermore, the active axial feed movement and an additional cyclic force can be superimposed. When using the Taumelüberlagerung with rosette shape together with the cyclic force superposition both overlays are coordinated so that the wobble direction of the punch and the cyclic additional punch force are in a clear dependence on each other. A certain wobble direction of the punch, preferably as the wobble angle is increased up to the maximum tumble angle α outward in the tumble direction, is assigned the maximum overlap force in order to achieve optimum material flow.
  • 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.According to a preferred embodiment, the method according to the invention includes a step of moving a hold-down on the counter-tool, and thereby exerting a defined holding force on the components during the plastic deformation. Furthermore, an additional step of stabilizing the components by means of a counter-holder is conceivable, through which the components are urged against the direction of movement of the punch tool to this.
  • 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.It is possible that the movement of the punch projection is superimposed on the counter tool at least during a part of the punch path with a wobbling motion. The wobbling motion can be circular or rosette-shaped. It is also desirable that the punch, the hold-down and / or the counter-holder are hydraulically, pneumatically, magnetically, mechanically or piezoelectrically charged, wherein the force is preferably applied by means of one or more pulses.
  • Ebenso ist es denkbar, daß die Kraftbeaufschlagung während zumindest eines Teils des Stempelweges durch Überlagerung einer zusätzlichen zyklischen Kraft erfolgt, wobei bei Anwendung der Taumelübedagerung mit Rosettenform oder Taumelwinkel des Stempels und die zusätzliche zyklische Stempelkraft in eindeutiger Abhängigkeit zueinander aufeinander abgestimmt sind.It is also conceivable that the application of force takes place during at least part of the stamp path by superposition of an additional cyclic force, wherein at Application of the tumbling with rosette shape or wobble angle of the punch and the additional cyclic punch force in clear dependence on each other are matched.
  • 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.According to a preferred embodiment, the application of force to the blank holder is controlled and increases sharply, in particular at a defined point of movement of the stamp. As a result, the direction of movement of the punch directed movement of the components are stopped and vice versa.
  • 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.In such a method, it is possible that at a defined point of movement of the punch directed against the direction of movement of the punch movement of the components is stopped by a stamp paragraph and vice versa. It is also possible that at a defined point of the movement of the punch directed against the direction of movement of the punch movement of the components is stopped by an indirect or immediate mechanical stop of the blank holder on the punch and vice versa. Preferably, following the formation of the undercut, a tool movement in the direction of a flat pressing of the survey takes place.
  • 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 Stempelstimfläche 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.In a device for permanently connecting overlapping, plate-shaped components, in particular of sheets, by forming an undercut between the components, in particular for carrying out the aforementioned method, this has a punch tool along a main working direction to a counter tool to and from this is movable away, wherein the counter tool on its side facing the punch tool side, at least in the entire region of the punch tool, in particular a Stempelstimfläche and a Stempelabsatzes, preferably also a hold-down, is formed substantially flat. In this case, it is desirable for a main body of the stamping tool to have on its side facing the counter-tool a stamp shoulder, from which a stamp shoulder protrudes.
  • Vorzugsweise ist zumindest ein Hauptkörper des Stempelwerkzeuges von einem Niederhalte umgeben, der relativ zu dem Hauptkörper bewegbar ist. Der Hauptkörper ist vorzugsweise relativ zu dem Niederhalter mittels eines Vorspannelementes, insbesondere einer Niederhalterfeder, entgegen einer Vorschubrichtung des Stempelwerkzeuges vorgespannt.Preferably, at least one main body of the punch 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 means by means of a biasing element, in particular a hold-down spring, biased against a feed direction of the punch tool.
  • 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.According to a further preferred embodiment, the main body of the punch tool is at least during a part of its movement to the counter tool to be movable in a tumbling motion. In this case, a stamp end face arranged on the stamp shoulder is essentially flat, in particular flat, slightly convex or slightly conical. Here, the punch projection may be slightly tapered towards the punch face.
  • 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 Stempelstimfläche zu einer Mantelfläche des Stempelvorsprungs in Form einer Fase oder eine Doppelfase ausgebildet.It is possible that a punch end face arranged on the punch shoulder is substantially inclined at right angles to or slightly toward a main working direction. It is also conceivable that a transition from the punch end face to a lateral surface of the punch projection in the form of a radius or a drag curve is formed. It is also possible that a transition from the stamping face to a lateral surface of the stamp projection in the form of a chamfer or a double chase formed.
  • 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.Here, the transition from the die face to the lateral surface forming molding element is less than 0.2 millimeters. In all embodiments, the counter tool is preferably designed as a one-piece anvil, wherein its side facing the punch tool is formed as a substantially flat, in particular flat, slightly convex or slightly tapered bearing surface for the components.
  • 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.According to a particularly preferred embodiment, the bearing surface of the counter-tool is greater than the projection formed on the components, preferably larger than the projection surface facing the punch tool, but in particular the punch projection and the stamp paragraph, which may also be formed by the hold-down. It is desirable that the dimensions of the bearing surface of the counter tool are greater than or substantially equal to the outer dimensions of the blank holder.
  • Sowohl ein der Stempelstimfläche 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 Stempelstimfläche und des Stempelabsatzes, vorzugsweise auch des Niederhalters, frei von Absätzen oder Ausnehmungen ausgebildet.Both an area of the bearing surface of the counter-tool opposite the stamping face and a region of the bearing surface of the counter-tool lying opposite the stamping shoulder preferably lie substantially atop one another Main working direction vertical plane. The bearing surface is at least in the region of the projection of the stamping face and the stamp paragraph, preferably also of the blank holder, free of shoulders or recesses formed.
  • 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.In these embodiments, it is conceivable that 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 counter-holder 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.
  • 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.According to one embodiment, the main body of the punch tool, the hold-down, the anvil and / or the counter-holder circular or annular cross-sections. Alternatively, the main body of the punch tool, the hold-down, the anvil and / or the counter-holder have a deviating from a circular cross-section, in particular a polygonal cross-section.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Further preferred embodiments of the method and the device are the subject of the respective subclaims.
  • 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. 1 c)
    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.
    In the following the invention will be explained in more detail with reference to a schematic drawing, for example and with further details. Showing:
    Fig. 1 a) - c)
    a first embodiment of the device according to the invention when carrying out the method according to the invention, in this case:
    Fig. 1a)
    an initial state,
    Fig. 1 b)
    an intermediate state, and
    Fig. 1 c)
    a final state after connection;
    Fig. 2 a) - c)
    a second embodiment of the device according to the invention with a moving to block hold-down in carrying out the method according to the invention, in this case:
    Fig. 2a)
    an initial state,
    Fig. 2b)
    an intermediate state, and
    Fig. 2c)
    a final state after connection;
    Fig. 3 a) - d)
    A third embodiment of the device according to the invention with an anvil with sprung outer ring and with a moving block to hold down when performing the method according to the invention, in this case:
    Fig. 3a)
    an initial state,
    Fig. 3b)
    a first intermediate state before the penetration of the stamping tool train into the components,
    Fig. 3c)
    another intermediate state after forming a temporary bump, and
    Fig. 3d)
    a final state after joining the components; and
    Figure 4
    an alternative embodiment of the device according to the invention with a punch tool with tumbling stamp when performing the method according to the invention in an intermediate state.
  • Anhand der Figuren 1 a) bis 1 c) 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.Reference to the figures 1 a) to 1 c), a first embodiment of the invention will now be explained in more detail. In the description of the embodiments, for the sake of clarity, the directions of movement and the relative arrangements of the components are denoted by the terms "up" and "down" as shown in the figures; It is understood that any other spatial arrangement is possible accordingly.
  • 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.In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, an upper component 1 is connected to a lower component 2. In the initial state, as shown in Fig. 1a, the two components to be joined together 1, 2 on a substantially flat bearing surface 3c of the counter tool 3, preferably a one-piece anvil 3b, respectively.
  • 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 hydraulisch, pneumatisch, piezoelektrisch, magnetisch oder durch Federn eine definierte Haltekraft auf die Bauteile 1, 2 ausgeübt.To produce the connection, a stamping tool 4 with a main body 4e and a hold-down device 5 is then moved in the direction of the components 1, 2 along a main working direction A towards the counter-tool 3. With the hold-5 is hydraulically, pneumatically, piezoelectrically, magnetically or by springs a defined holding force on the components 1, 2 exerted.
  • 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.On the (lower) side of the main body 4e facing the counter tool 3, a punch protrusion 4b is formed whose cross section is preferably smaller than the cross section of the remaining (upper) part of the main body 4e. At the transition, there is formed a punch land 4a which is preferably flat in one plane and orthogonal or flat and slightly (e.g., up to about 6 °) inclined to a main working direction A.
  • 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 Stempelstimfläche noch Werkstoff aller zu verbindender Bauteile verbleibt.At the beginning of the actual clinching process, the punch projection 4b is then pressed hydraulically, pneumatically, magnetically, piezoelectrically or mechanically with high force into the components 1, 2. The foremost (lowermost) portion of the punch projection 4b, which is referred to as a punch face 4c, penetrates through the cross section of the upper component 1 into the component 2, but without puncturing any of the components, so that during the entire process before the Stempelstimfläche still material of all components to be connected remains.
  • 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.In this case, the respective material of the components to be connected 1, 2 is locally displaced and moves only radially outward and then controlled by the hold-down 5 and / or the stamp paragraph 4a against the direction of movement of the punch main body 4e upwards.
  • 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.It comes to lifting the components 1, 2 of the support surface 3c of the counter tool 3 (anvil 3b). By the portions of the components 1,2, which are not clamped between the punch end surface 4c and the bearing surface 3c of the counter-tool 3, are moved upward (towards the punch tool 4) by the pushed-away material of the components, a region forms in the region of the punch projection 4b Survey 2a out.
  • 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. 1 b ist ein Zwischenzustand dargestellt, bei dem man dies gut erkennen kann.Only in this area is there on the underside of the lower component 2 still contact the lower component 2 with the anvil 3b. In Fig. 1 b, an intermediate state is shown, in which one can recognize this well.
  • 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.As soon as the material of the upper component 1 has contact with the shoulder 4a of the punch main body 4e, the further movement of the material of the components 1, 2 to be joined is hindered against the direction of the punch movement. The formed elevation 2a is therefore reduced in size on further delivery of the punch tool 4, and the material still located under the end face 4c of the punch 4 must flow radially outward. In this case, as shown in Fig. 1c, an undercut 1a is formed.
  • 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.The ratio of the cross sections or diameters of punch projection 4b and punch shoulder 4a can be selected depending on the strength of the materials to be joined and the joining force so that no lasting impression of the punch paragraph 4a in the upper component 1 is caused.
  • 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 Stempelstimfläche 4c ist vorzugsweise flach, insbesondere eben, oder aber leicht ballig oder leicht kegelig ausgebildet.The punch projection 4b may be slightly tapered to ensure easy extraction of the punch projection from the interconnected components 1,2. The stamping face 4c arranged on the stamp projection 4b is preferably flat, in particular flat, or slightly convex or slightly conical.
  • 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 Stempelstimfläche 4c zur Mantelfläche 4d bildende Formelement kleiner als 0,2 Millimeter ist.In this case, a transition from the punch end surface 4c to a lateral surface 4d of the punch projection 4b in the form of a radius or a drag curve is formed; However, the transition from the punch face 4c to the lateral surface 4d of the punch protrusion 4b may also be in the form of a chamfer or a double chamfer, wherein in each case preferably the form of the transition from the Stempelstimfläche 4c to the lateral surface 4d forming element is less than 0.2 millimeters.
  • 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.As shown in the figures of the first embodiment, the counter-tool 3 is formed as a one-piece anvil 3b, the stamping tool 4 side facing as a substantially flat, in particular flat, but also slightly crowned or slightly tapered bearing surface 3c for the components 1.2 is trained.
  • 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.Here, in each embodiment, the support surface 3c of the counter tool 3 is greater than the diameter of a survey 2a, so that the material of the components 1, 2 can not be pushed aside laterally next to the support surface. Preferably the dimensions of the bearing surface 3c of the counter tool 3 are greater or substantially equal to the outer dimensions of the blank holder. 5
  • Ein der Stempelstimfläche 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.A region of the bearing surface 3c of the counter-tool 3 lying opposite the stamping surface 4c as well as an area of the bearing surface 3c of the counter-tool 3 lying opposite the stamp shoulder 4a lie essentially on a plane perpendicular to the main working direction A, whereby a slight curvature of the entire surface upwards or downwards is conceivable is.
  • In jeder der Ausführungsformen ist die Auflagefläche 3c frei von Absätzen, Ausnehmungen, Senkungen, Vertiefungen oder dergleichen ausgebildet.In each of the embodiments, the support surface 3c is formed free of shoulders, recesses, countersinks, depressions, or the like.
  • 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 Hauptkörper 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.It is also conceivable that the main body 4e of the punch 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 punch tool 4, the hold-down 5, and / or the Anvil 3b have a deviating from a circular cross-section, in particular having a polygonal cross-section. The individual components are preferably matched to one another, but also designed to be movable independently of one another.
  • 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.In the following, a second embodiment of the invention will be described with reference to FIGS. 2a) to 2c). Components and components that correspond to those described above bear the same reference numerals and will only be rewritten as necessary.
  • 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.An apparatus for permanently connecting two or more flat components can be seen in a further embodiment in FIG. In the initial state, as shown in Fig. 2a, are the (two) to be joined together components 1,2 again on the flat counter-tool 3, here the anvil 3b, on.
  • 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 Stempelhauptkörper 4e, einen Niederhalter 5, einen Stempelträger 6, eine Niederhalterhülse 7 und eine Niederhalterfeder 8 auf.To produce the connection, a stamping tool 4 is moved hydraulically, pneumatically, magnetically, piezoelectrically or mechanically with high force in the direction of the components 1, 2. In this embodiment, the punch tool 4 has a punch main body 4e, a hold-down 5, a punch carrier 6, a hold-down sleeve 7 and a hold-down spring 8.
  • 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.First, the hold-down 5 sets on the components 1, 2 to be connected. The hold-down spring 8 is compressed in this case. Then, the end face 4c of the punch protrusion 4b of the punch main body 4e comes into contact with the upper member 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.The punch projection 4b is now completely or partially pressed into the components 1,2. In this case, the material of the components to be connected 1.2 is locally displaced and moves only radially outward and then controlled by the hold-down 5 against the direction of movement of the punch tool 4 upwards. It comes to lifting the components 1,2 from the anvil 3b. Only in the area of the rising elevation 2a on the lower side of the lower component 2 is there still contact between the lower component 2 and the anvil 3b. In Fig. 2b, an intermediate state is shown, in which one can recognize this well.
  • 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.As soon as an upper stop 5a of the hold-down 5 comes into contact with a lower stop 6a of the punch carrier 6, the further movement of the material of the components 1, 2 to be joined against the direction of the punch movement is hindered. Therefore, the protrusion 2a is reduced in size upon further infeed of the punch tool 4, and the material still under the end face 4c of the punch protrusion 4b of the punch main body 4e must flow radially outward.
  • 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.In this case, as shown in Fig. 2c, an undercut 1a is formed. The ratio of the dimensions (or diameter) of the punch face 4c and the underside of the blank holder 5 can be selected depending on the strength of the materials to be joined and the joining force so that no lasting impression of the blank holder 5 in the upper component 1 is caused.
  • 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.A third embodiment can be seen in FIGS. 3a) to 3d). Components and components that correspond to those described above bear the same reference numerals and will only be rewritten as necessary.
  • 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.In an initial state, as shown in Fig. 3a, are the (two) to be interconnected components 1,2 on a preferably spring-loaded or otherwise pressurized counter-holder 3a (outer ring) of an anvil 3b of the counter tool 3.
  • 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.To make the connection, the hold-down device 5 and the main body 4e of the punch tool 4 are moved in the direction of the components 1, 2. The hold-down 5 is used hydraulically, pneumatically, piezoelectrically, magnetically, mechanically or otherwise, in particular e.g. by springs, a defined force on the components 1,2 and on the backstop 3a exerted. The force with which the hold-5 is applied, is preferably chosen to be greater than the opposing force of the counter-holder 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.As a result, as shown in FIG. 3b, the counter-holder 3a is pushed back until the components 1, 2 to be connected are placed on the anvil 3b. The punch projection 4b is then pressed into the components 1,2 with high force, as described above. In this case, the material of the components to be connected 1.2 is displaced locally and moves only radially outward and then controlled by downholder 5 as from the anvil 3a against the direction of movement of the punch tool 4 upwards. This results in a lifting of the components 1,2 from the anvil 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.Only in the area of the forming elevation 2a on the underside of the lower component 2 is there then still contact of the lower component 2 with the bearing surface of the counter-tool 3, the anvil 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.In contrast to the embodiments already described, the material moving counter 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 hold-down device 5 and the counter-holder 3a. As a result, high holding forces can be applied with minimal obstruction of the lifting off of the components 1, 2 from the anvil 3 b, which avoid a bending of the components 1, 2 or a gap formation between the components.
  • 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.It is also conceivable that the counter-holder 3a has a circular or annular cross-section, as well as that the counter-holder 3a has a deviating from a circular cross section, in particular a polygonal cross section. The individual components (main body 4e of the punch tool 4, holding-down device 5, anvil 3b and counter-holder 3a) are preferably matched to one another, but also designed to be movable independently of one another.
  • 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.In Fig. 3c, another intermediate state is shown. As soon as the material of the upper component 1 has contact with the shoulder 4a of the punch main body 4e, the further movement of the material of the components to be joined against the direction of the punch movement is hindered. The formed elevation 2a is therefore reduced in size upon further infeed of the punch tool 4, and the material still under the end face 4c of the punch protrusion 4b must flow radially outward. In this case, as shown in Fig. 3d, an undercut 1a is formed.
  • 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.Due to the high force with which the hold-5 can be applied in this embodiment, without the connection process is impaired, there is a trouble stripping the joined components 1,2 from the punch projection 4b after the joining process when moving apart of the tools 3, 4th
  • 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.The ratio of the cross sections (diameter) of punch face 4c and set of punches 4 can in turn be selected depending on the strength of the materials to be joined and the joining force such that no permanent impression of the punch shoulder 4a in the upper component 1 is caused.
  • 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.Also in this embodiment, no high accuracies with respect to the coaxiality of the punch tool 4 to the counter tool 3 are required because the counter-holder 3a has no part in the formation of the compound and only assumes a holding task. To achieve high forces with small paths, both the hold-down 5 and the anvil 3a can already be biased in the initial state.
  • 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.An alternative (fourth) embodiment, the teaching of which can be combined with each of the previously described embodiments (as well as the first three embodiments with one another), is shown in FIG.
  • 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 Stempelhauptkörpers 4e überlagert werden kann.Here, it is shown that the stamper main body 4e of the punch tool 4 for force reduction can also be superposed with a tumbling motion having a maximum wobble angle α between the main working direction A and an axis B of the punch main body 4e.
  • 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 weitestgehend vermieden wird, aber gleichzeitig eine Herausbildung der Erhebung 2a und damit eine der axialen Bewegung des Stempelhauptkörpers 4e entgegengerichtete Bewegung der Bauteile 1,2 ermöglicht wird. Ein Gegenhalter 3a, wie im 3. Ausführungsbeispiel gezeigt, kann hierzu vorgesehen werden.It is important here that, as described in the embodiments already described, the force of the hold-5 is dimensioned so that a deflection of the components to be connected 1, 2 or a gap formation between the two components 1, 2 is largely avoided, but at the same time Formation of the survey 2a and thus an axial movement of the punch main body 4e opposite movement of the components 1,2 is made possible. A counter-holder 3a, as shown in the third embodiment, can be provided for this purpose.
  • 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.As soon as the material of the upper component 1 comes into contact with the shoulder 4a of the punch main body 4e, the further movement of the material of the components 1, 2 to be joined is hindered against the direction of the punch movement. The resulting elevation 2a is therefore reduced in size upon further delivery of the stamping tool 4, and the material still under the, preferably conically shaped, end face 4c of the stamp main body 4 must flow radially outward. In this case, as described in the other embodiments, an undercut is formed.
  • 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.The ratio of the diameters of the die face 4c and the die 4a can, depending on the strength of the materials to be joined and the joining force, again be selected such that no permanent impression of the die 4a in the upper component 1 is caused.
  • 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.It is understood that with the method according to the invention and the device according to the invention more than two components can be connected to one another. It is also clear that or only the counter tool can be designed as a moving component. The arrangement of the tools in the room is also arbitrary.
  • Auch ist denkbar eine Mehrzahl von Verbindungen gleichzeitig zu erwirken. Die geometrische Kontur der Werkzeuge sowie der Fügestellen ist im wesentlichen beliebig wählbar.It is also conceivable to effect a plurality of connections at the same time. The geometric contour of the tools and the joints is essentially arbitrary selectable.
  • 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.As a material for the components to be joined, all elastically deformable materials, in particular sheets and plastics, are conceivable. The individual components can also consist of different materials.

Claims (18)

  1. A method for permanently joining overlapping plate-shaped parts (1, 2), particularly metal sheets, by producing an undercut (1a) between the parts (1, 2) in a deforming manner in a working stroke, the method comprising the individual steps:
    • disposing the parts to be joined (1, 2) between a protrusion (4b) of a punch tool (4) and a support area (3c) of a counter-tool (3), characterized by
    • pressing the punch protrusion (4b) into the parts (1, 2) to be joined with formation of a temporary elevation (2a) on the side of the parts (1, 2) that faces the counter-tool (3), and separating areas thereof outside a sphere of influence of the punch protrusion (4b) from a support area (3c) of the counter-tool (3), and
    • forming an undercut (1a) in the parts (1, 2) by further reducing a bottom thickness in the elevation (2a),
    wherein a hold-down means (5) is moved towards the counter-tool (3), and a defined holding force is thereby exerted on the parts (1, 2) during plastic deformation.
  2. The method according to claim 1, characterized by an additional step of stabilizing the parts (1, 2) by means of a counter-holder (3a) by which the parts (1, 2) are pressed in a direction opposite to the direction of movement of the punch tool (4) towards said tool.
  3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the movement of the punch protrusion (4b) towards the counter-tool (3) is superposed with a tumble movement at least over part of the punch path, the tumble movement being preferably carried out in the form of a circle or rosette.
  4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the punch (4), the hold-down means (5) and/or the counter-holder (3a) are force-actuated hydraulically, magnetically, mechanically or piezoelectrically, the force actuation being preferably carried out by means of one or several pulses.
  5. The method according claim 4, characterized in that the force actuation for at least part of the punch path is carried out by superimposing an additional cyclic force, the tumble angle of the punch and the additional cyclic punch force being matched to one another clearly in dependence upon one another upon application of a tumble superposition in the form of a rosette.
  6. The method according to any one of claims 4 or 5, characterized in that the force actuation of the hold-down means (5) is carried out in a controlled way and strongly increases particularly at a defined point of the movement of the punch (4), and the movement of the parts (1, 2) that is directed opposite to the direction of movement of the punch (4) is thereby stopped and reversed, or that at a defined point of the movement of the punch (4) the movement of the parts (1,2) that is directed opposite to the direction of movement of the punch (4) is stopped and reversed by a punch shoulder (4a), or that at a defined point of the movement of the punch (4) the movement of the parts (1, 2) that is directed opposite to the direction of movement of the punch (4) is stopped and reversed by an indirect or direct mechanical stop (6a) of the hold-down means (5) on the punch.
  7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that following the formation of the undercut (1a) a tool movement is carried out for flattening the elevation (2a).
  8. A device for permanently joining overlapping plate-shaped parts (1, 2) particularly metal sheets, by producing an undercut (1a) between the parts (1, 2) in a deforming manner, comprising:
    a punch tool (4) which is movable along a main working direction (A) towards and away from a counter-tool (3), a main body (4e) of the punch tool (4) being provided at its side facing the counter-tool (3) with a punch shoulder (4a) from which a punch protrusion (4b) projects,
    characterized in that
    the counter-tool (3) is configured to be planar on its side facing the punch tool (4), and the main body (4e) of the punch tool (4) is surrounded by a hold-down means (5) which is movable relative to the main body (4e) towards the parts (1, 2).
  9. The device according to claim 8, characterized in that the main body (4e) is biased relative to the hold-down means (5) by means of a biasing element, particularly a hold-down spring (8), in a direction opposite to an advance direction of the punch tool (4).
  10. The device according to any one of claims 8 or 9, characterized in that the main body (4e) of the punch tool (4) is movable at least for part of its movement towards the counter-tool (3) in a tumbling movement.
  11. The device according to any one of claims 8 to 10, characterized in that a punch face (4c) which is arranged on the punch shoulder (4b) is configured to be substantially flat, particularly planar, slightly spherical or slightly conical, the punch protrusion (4b) being preferably configured to be slightly tapering towards the punch face (4c).
  12. The device according to any one of claims 8 to 11, characterized in that a punch face (4c) which is arranged on the punch shoulder (4b) is substantially at a right angle relative to a main working direction (A) or is slightly inclined relative to said direction.
  13. The device according to any one of claims 8 to 12, characterized in that a transition is formed from the punch face (4c) to a lateral surface (4d) of the punch protrusion (4b) in the form of a radius or a drag curve, or a transition is formed from the punch face (4c) to a lateral surface (4d) of the punch protrusion (4b) in the form of a bevel or a double bevel, the shaped element which forms the transition from the punch face (4c) to the lateral surface (4d) being preferably smaller than 0.2 millimeter at any rate.
  14. The device according to at any one of claims 8 to 13, characterized in that the counter-tool (3) is designed as a one-part anvil (3b) whose side facing the punch tool (4) is configured as a substantially flat, particularly planar, slightly spherical or slightly conical support area (3c) for the parts (1, 2), the support area (3c) of the counter-tool (3) being preferably greater than the elevation (2a) formed on the parts (1, 2).
  15. The device according to claim 14, characterized in that the dimensions of the support area (3c) of the counter-tool (3) are larger than or substantially equal to the external dimensions of the hold-down means (5) and/or that the support area (3c) is configured without shoulders or recesses.
  16. The device according to any one of claims 14 or 15, characterized in that both a portion of the support area (3c) of the counter-tool (3) that is opposite to the punch face (4c) and a portion of the support area (3c) of the counter-tool (3) that is opposite to the punch shoulder (4a) are substantially in a plane perpendicular to the main working direction (A).
  17. The device according to any one of claims 14 to 16, characterized in that the anvil (3b) of the counter-tool (3) is surrounded at least in part by a counter-holder (3a) which is movable relative to the anvil (3b) in the main working direction (A), the counter-holder (3a) being preferably actuable pneumatically, hydraulically, magnetically, mechanically and/or piezoelectrically by a force that is opposite to a force of the punch and/or hold-down means.
  18. The device according to any one of claims 8 to 17, characterized in that the main body (4e) of the punch tool (4), the hold-down means (5), the anvil (3b) and/or the counter-holder (3a) have circular or annular cross-sections, or that the main body (4e) of the punch tool (4), the hold-down means (5), the anvil (3b) and/or the counter-holder (3a) have a cross-section differing from a circular shape, particularly a polygonal cross-section.
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