WO2003080270A1 - Verfahren, vorrichtung und hilfsfügeteil zum fügen von mindestens zwei bauteilen - Google Patents

Verfahren, vorrichtung und hilfsfügeteil zum fügen von mindestens zwei bauteilen Download PDF

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WO2003080270A1
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Reinhard Mauermann
Fred Jesche
Stephan Dietrich
Lutz Lachmann
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the present invention relates to a method for connecting at least two, at least partially overlapping components with a mechanical joining process without prepunching, an auxiliary joining part therefor, and a device for connecting at least two, at least partially overlapping components with a mechanical joining process without prepunching according to the Preamble of claim 14.
  • the present invention relates to a method and a device in which at least two components are connected to one another by plastic deformation thereof by means of auxiliary joining parts, in particular clinching rivets.
  • the invention relates to the field of mechanical joining technology in which no pre-hole is required. Especially in the automotive industry, these inexpensive processes are used in mass production.
  • an overlap area of the components is arranged between a stamp and a die.
  • This stamp is then either pressed directly into the joining area of the two components with high force, the two components deforming plastically, or an auxiliary joining part is pressed into the joining partner to be joined with the aid of the stamp.
  • the die is designed in such a way that when the two components are deformed, undercut areas form between the components or between the components and the auxiliary joining part in the joining area.
  • the linear punch movement is superimposed on a wobble movement in order to reduce the joining forces and, if necessary, to improve the material flow.
  • the auxiliary joining part is joined with a straight movement without a pre-hole in the metal sheets to be connected, the opposite side being formed by a hollow die and several perforated slugs being created as waste.
  • the auxiliary joining part is hardened, takes over the function of the cutting punch during cutting and is not deformed in the joining process.
  • the auxiliary joining part is joined with a straight and tumbling movement without a pre-hole in the metal sheets to be connected, the opposite side being formed by a die and no waste occurring.
  • the auxiliary joining part is deformed during the joining and forms the undercut.
  • punch riveting with full rivets is very disadvantageous in that firstly, waste arises in the form of several perforated slugs per connection, which impairs the process reliability of the subsequent production steps, and secondly, the sheet metal on the die side often clamps on the die with the consequence of die wear and breakage ; and third, the auxiliary joining part is complicated and expensive to manufacture.
  • the Tox rivet rabbit also has to use high forces.
  • Another disadvantage is that the rivets of the lowest sheet layer are greatly reduced in the case of rivets that are not significantly deformable and often fall below a critical value of 0.3 mm.
  • This object is achieved according to the invention from a process engineering point of view by a method for connecting at least two, at least partially overlapping components with a mechanical joining process without pre-punching with the aid of a deformable auxiliary joining part, the auxiliary joining part being provided by an upper tool against an essentially flat lower tool, at least with an axial one Feed movement is molded into the components to be connected and these components are connected to one another with plastic deformation of both the components and the auxiliary joining part.
  • the object of the invention is achieved in terms of apparatus technology by a device for connecting at least two, at least partially overlapping components with a mechanical joining process without pre-punching with the aid of a deformable auxiliary joining part with an upper tool and a lower tool, with a combined wobble and axial feed movement and is provided with a plastically deformable auxiliary joining part in operative connection as a component of the upper tool, and wherein a substantially flat lower tool on the opposite side of the components to be connected is arranged.
  • the object according to the invention is achieved by an auxiliary joining part, for connecting at least two, at least partially overlapping components with a mechanical joining process without pre-punching, the auxiliary joining part being designed as a clinch rivet, which is formed in the joining process at least with the formation or reinforcement of a waist plastically deformed.
  • Fig. 1 shows a device and plate-shaped components before the manufacture of the
  • Fig. 2 shows the device and the plate-shaped components in one
  • Fig. 3 shows the device and the plate-shaped components according to the
  • Fig. 4 possible embodiments of the auxiliary joining part.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment is explained with reference to FIG. 1.
  • Fig. 1 a section of the joining device is shown.
  • This joining device has an upper tool consisting of a punch (6) and a hold-down device (5) and a lower tool (4) as a counter tool to the upper tool. Both tools are only in sections, i.e. not fully illustrated.
  • FIG. 1 An auxiliary joining part (1), in particular a clinch rivet, is shown in FIG. 1 for joining (connecting) the two components (2, 3). Possible exemplary embodiments of this clinch rivet are presented in FIG. 4.
  • the clinch rivet shown In addition to a rotational symmetry with respect to the longitudinal axis (14), the clinch rivet shown also has a mirror symmetry on the central orthogonal plane to the longitudinal axis (14), as a result of which a positional orientation of the rivet before the joining process is unnecessary.
  • transitions (13) from the end faces (11) to the surface line of the rivet (12) can be described by a double chamfer, a simple chamfer or a radius.
  • this transition (13) is described by a drag curve, also called a tractrix.
  • This drag curve starts at the surface line of the rivet and then ends asymptotically at the rivet face to the center.
  • the curve parameters depend on the application.
  • All of the exemplary embodiments have in common that the plastic flow of the displaced material of the plate-shaped components by the design of the transition from the surface line to the face is supported.
  • the auxiliary joining part has a head on the upper side thereof.
  • Fig. 1 the starting position (before connecting the components) is shown, in which the auxiliary joining part (1) is positioned in the drawing above two superimposed plate-shaped components, in particular sheets (2, 3), which in turn on a flat counter tool ( 4) concern.
  • This hold-down device (5) has an opening angle (5a) towards the top.
  • a punch (6) is arranged in this opening.
  • This joining punch (6) can be pivoted around the intersection between the rivet longitudinal axis 16 and the longitudinal axis of the punch 6 in the opening 5a without rotation in order to enable the punch (6) to wobble.
  • the auxiliary joining part (1) is in any case against the essentially flat lower tool (4) by the upper tool (5, 6) molded into the components (2, 3) to be connected with an axial feed movement due to an axially acting process force, both the components (2, 3) and the auxiliary joining part (1) being plastically deformed in the connection area of these components (2, 3) positive connection is formed.
  • this wobbling movement of the punch (6) is superimposed on the method of the axial feed movement for joining the clinch rivet.
  • This wobble movement itself can be superimposed on the axial feed movement either during the entire joining process or only during part of the joining process.
  • the material of the plate-shaped components (2, 3) is partially reshaped by the wobble movement, so that the process forces decrease significantly as described. While the punch (6) executes this wobble movement, the process force can have a variable additional force dependent on the wobble movement superimposed on it.
  • this additional force is added to the process force and during the migration of this surface from the outside in, this additional force becomes the process force subtracted.
  • this variable additional force supports the desired material flow radially from the inside to the outside, as a result of which the rivet diameter on the surface is additionally increased and the gap between the rivet and the plate material can be leveled better.
  • variable additional force can be overlaid 180 ° out of phase and the radial outward flow of material in the rivet is largely suppressed.
  • variable force dependent on the wobble movement can be applied via the upper tool (5, 6) or via the lower tool. It is also preferred if the process force is applied in a pulsed manner via the upper tool (5, 6).
  • a device that can be controlled as a function of the wobble position of the punch (6) is preferably provided on the counter tool (4) for applying this variable additional force to the process.
  • the device for applying the process with this variable additional force is attached to the side of the upper tool.
  • the pulse-like joining can be realized by a mechanically, pneumatically, hydraulically, electromagnetically or piezoelectrically driven device.
  • the counter tool (4) is preferably flat on the contact surface of the plate-shaped components.
  • a curvature with the lower bulge dimension (8) is formed in the lower sheet. If the material is to be accumulated on the stamp side of the sheets (2), a space is provided between the hold-down device (5) and the punch (6) and the hold-down device (5) is subjected to a higher force.
  • FIG 2 shows an intermediate state of the joining process, in which the rivet (1) has already penetrated a little into the metal sheets (2, 3).
  • the rivet (1) is pressed into the sheet metal by the described axial advance movement of the punch (6), which is also overlaid by a wobble movement also described with the constant or variable wobble angle (6a).
  • the material is displaced by the rivet (1).
  • an undercut (7) has not yet been developed.
  • the final state of the joining process is shown in FIG.
  • the material in the sheets (2, 3) is displaced by the rivet (1) in such a way that an undercut (7) is formed between the upper and lower sheets (2, 3).
  • This undercut creates a positive connection between the plate-shaped components (2, 3).
  • the formation of the undercut (7) is supported by the plastic deformation of the rivet (1). Cavities between the outer surface of the rivet (1) and the material of the upper plate (2) are pressed by the rivet deformation.
  • the rivet (1) deforms considerably in the joining process.
  • the rivet (1) has a waist in the molded state, which is not present in the original state. This supports the formation of the undercut and prevents the rivet from falling out of the joint later.
  • auxiliary joining part generally does not penetrate the plate (2) arranged at the top in the drawing. A residual layer remains between the auxiliary joining part (1) and the plate (3) arranged below in the drawing.
  • the auxiliary joining part (1) is therefore usually only in contact with one of the two plate-shaped components (2), at least in the connection area, even after the joining process has been completed.
  • the undercut (7) formed by this joining process influences the strength of the joining point.
  • these variables can be influenced in a targeted manner .
  • a method for connecting at least partially overlapping plate-shaped components, in particular metal sheets, is presented in a mechanical joining process without a pre-hole with the aid of an easily produced auxiliary joining part.
  • the auxiliary joining part is molded into the parts to be connected by an upper and lower tool in an axial feed movement, which can be overlaid by a wobbling movement of the upper tool, in such a way that a positive and / or material connection is formed in the connection area of these plate-shaped components with plastic deformation ,
  • the connection area of the positive and / or integral connection has at least one undercut from the material of these plate-shaped components.
  • the auxiliary joining part is usually only in contact with one of the two plate-shaped components, at least in the connection area, even after the joining process has been completed.
  • the auxiliary joining part changes its shape during the joining process and thereby contributes to the formation of the undercut. The remaining voids on the outer surface of the rivet is avoided.
  • the wobbling movement of the described stamp in the upper tool can either during the entire joining process or only during part of the Joining process of the feed movement are superimposed.
  • variable additional force dependent on the wobbling movement of the punch in the upper tool can be superimposed on the process force, this variable additional force taking on a larger value with increasing wobble angle and being able to be reduced to a smaller value with decreasing angle.
  • This additional force can either be applied via the upper tool or through the lower tool.
  • the hold-down force applied by the hold-down device which fixes the components to be connected during the joining process, can be freely selected, which enables the material flow in the direction of the upper or lower tool to be influenced and the formation of the undercut can be influenced.
  • a device which is used in particular to carry out the method presented above according to claim 1 and the corresponding subclaims, consisting of an upper tool, a lower tool and an auxiliary joining part.
  • This device is characterized by a wobble and axial feed movement as part of the upper tool in engagement with a deformable auxiliary joining part and the lower tool arranged on the opposite side of the sheets to be connected.
  • the end face of the stamp has a larger or equal diameter compared to the diameter of the corresponding end face of the auxiliary joining part.
  • the hold-down device as a component of the upper tool, can have a recess on the end face facing the plate-shaped components, which is provided for receiving material that has been displaced due to the process.
  • the auxiliary joining part is preferably designed as a clinch rivet.
  • This clinch rivet is made of hardened steel or high-strength aluminum alloys.
  • the rivet is designed symmetrically with respect to a central orthogonal plane to the longitudinal axis and thus has a further, second symmetry in addition to the rotational symmetry.
  • the counter tool for generating the necessary counter force is either essentially rigidly connected to a tool frame or is movably mounted.
  • the counter tool for generating the necessary counter force is essentially flat.
  • variable additional force depending on the wobble movement as a function of the wobble position can be formed by a mechanically, electromagnetically or piezoelectrically driven device.

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Abstract

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von zumindest zwei, sich zumindest teilweise überlappender Bauteile (2,3) mit einem mechanischen Fügeprozess ohne Vorlochen mit Hilfe eines verformbaren Hilfsfügeteiles(1) sowie das Hilfsfügeteil (1) wobei das Hilfsfügeteil (1) durch ein Oberwerkzeur (6) gegen ein im wesentlichen ebenes Unterwerkzeug (4) zumindest mit einer axialen Vorschubbewegung in die zu verbindenden Bauteile (2,3) eingeformt und diese Bauteile (2,3) unter plastischer Verformung sowohl der Bauteile als auch des Hilfsfügeteiles (1) miteinander verbunden werden.

Description

Verfahren, Vorrichtung und Hilfsfügeteil zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zumindest zwei, sich zumindest teilweise überlappender Bauteile mit einem mechanischen Fügeprozeß ohne Vorlochen, ein Hilfsfügeteil hierfür, sowie eine Vorrichtung zum Verbinden von zumindest zwei, sich zumindest teilweise überlappender Bauteile mit einem mechanischen Fügeprozeß ohne Vorlochen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen zumindest zwei Bauteile durch plastische Verformung derselben mittels Hilfsfüge- teilen, insbesondere Clinchnieten, miteinander verbunden werden.
In der blechverarbeitenden Industrie werden Einzelteile durch die Fertigungsverfahren der mechanischen Fügetechnik verbunden. Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der mechanischen Fügetechnik, bei denen kein Vorloch benötigt wird. Vor allem in der Automobilindustrie werden diese preiswerten Verfahren in der Massenfertigung eingesetzt.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden von sich überlappenden, insbesondere plattenförmigen, Bauteilen ohne Ausbilden eines Vorlochs als Prozeßschritt bekannt, wobei die Fügeverbindung zwischen den Bauteilen entweder mit Hilfe eines Hilfsfügeteiles, insbesondere Stanznieten mit Halbhohlniet oder Vollniet oder durch das sogenannte Clinchen oder Durchsetzfügen ohne ein entsprechendes Hilfsfügeteil erreicht wird.
Bei diesen Verfahren wird ein Überlappungsbereich der Bauteile zwischen einem Stempel und einer Matrize angeordnet. Dieser Stempel wird dann entweder direkt in den Fügebereich der beiden Bauteile mit hoher Kraft eingedrückt, wobei sich beide Bauteile plastisch verformen oder es wird mit Hilfe des Stempels ein Hilfsfügeteil in die zu verbindenden Fügepartner eingedrückt. Die Matrize ist dabei so ausgebildet, daß sich bei der Verformung der beiden Bauteile im Fügebereich Hinterschneidungsbereiche zwischen den Bauteilen bzw. zwischen den Bauteilen und dem Hilfsfügeteil ausbilden.
Bei Verwendung eines Hilfsfügeteiles kann dieses bereits selbst Hinterschneidungsbe- reiche aufweisen, und es wird durch die beiden Bauteile im Fügebereich umschlossen, wenn die Bauteile plastisch verformt werden.
Bei diesen bekannten Verfahren wird durch den Stempel von einer Seite eine Fügekraft auf beide Bauteile aufgebracht und die Matrize auf der gegenüberliegenden Seite dient dazu, diese Fügekraft abzustützen.
In ebenfalls bekannten Varianten dieser Verfahren wird der linearen Stempelbewegung eine Taumelbewegung überlagert, um die Fügekräfte zu senken und gegebenenfalls den Werkstofffluß zu verbessern.
Beim bekannten Stanznieten mit Vollniet wird das Hilfsfügeteil mit einer geradlinigen Bewegung ohne Vorloch in die zu verbindenden Bleche gefügt, wobei die Gegenseite von einer hohlen Matrize geformt wird und mehrere Lochbutzen als Abfall entstehen. Das Hilfsfügeteil ist gehärtet, übernimmt beim Schneiden die Funktion des Schneidstempels und wird im Fügeprozeß nicht verformt.
Beim bekannten taumelnden Stanznieten mit Halbhohlniet (DE 199 27 103) wird das Hilfsfügeteil mit einer geradlinigen und taumelnden Bewegung ohne Vorloch in die zu verbindenden Bleche gefügt, wobei die Gegenseite von einer Matrize geformt wird und kein Abfall entsteht. Das Hilfsfügeteil wird während der Fügung verformt und bildet dabei die Hinterschneidung aus.
Beim bekannten Taumelclinchen (DE 199 45 743) wird durch den Stempel mit einer geradlinigen und taumelnden Bewegung ohne Vorloch eine Hinterschneidung in die zu verbindenden Bleche geformt, wobei die Gegenseite von einer Matrize geformt wird und kein Abfall entsteht.
Beim bekannten Tox-Clinchnieten (DE 199 13 695) wird ein Hilfsfügeteil mit einer geradlinigen Bewegung ohne Vorloch in die zu verbindenden Bleche gefügt, wobei die Gegenseite von einer Matrize geformt wird und kein Abfall entsteht.
Diese Verfahren können verwendet werden, wenn beide Seiten der zu verbindenden Bauteile zugänglich sind, um sowohl Stempel als auch Matrize entsprechend anzuord- nen. Da der Stempel auf die Matrize ausgerichtet sein muss, werden sogenannte C- Bügel als Werkzeuggestelle verwendet, um Stempel und Matrize gegenseitig zu positionieren.
Nachteilig bei allen bisher erwähnten Verfahren ist die geringe Koaxialitätstoleranz. Matrize und Stempel bzw. Matrize und Hilfsfügeteil müssen mit hoher Genauigkeit zueinander positioniert werden, um eine qualitätsgerechte Verbindung zu erzeugen.
Beim beschriebenen Verfahren des Stanznietens mit Vollniet werden hohe Kräfte benötigt. Diese hohen Fügekräfte stellen große Anforderungen an die Führung der Werkzeuge. Aufgrund dieser hohen Werkzeug- und Werkzeuggestellbelastungen wird die Anwendung bei hochfesten Blechen eingeschränkt. Zudem wird für die überwiegend als Werkzeuggestell eingesetzten C-Bügel die Ausladung und damit die Anwendbarkeit des Verfahrens eingegrenzt.
Weiterhin ist beim Stanznieten mit Vollniet sehr nachteilig, daß erstens, Abfall in Form von mehreren Lochbutzen pro Verbindung entsteht, der die Prozesssicherheit der nachfolgenden Fertigungsschritte beeinträchtigt, sowie zweitens, die matrizenseitigen Bleche oft an der Matrize klemmen mit der Folge von Matrizen verschleiß und -bruch; und drittens, das Hilfsfügeteil kompliziert und teuer in der Herstellung ist.
Beim Tox-Nietclinchen müssen ebenfalls hohe Kräfte aufgewendet werden.
Es bestehen sowohl beim Stanznieten mit Vollniet oder Halbhohlniet als auch beim Tox- Nietclinchen weiterhin die Nachteile, daß sowohl weitreichende Koaxialitätsforderungen zwischen Stempel und Matrize erfüllt werden müssen, als auch die Notwendigkeit zum Sortieren der Hilfsfügeteile bezüglich Ober- und Unterseite besteht, und somit eine aufwendige Hilfsfügeteilzuführung realisiert werden muss.
Ein weiteres Verfahren wurde in DE 101 02 712 vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren werden die Fügepartner mit Nieten einer hohen Härte verbunden, die sich im Prozess nicht wesentlich verformen. Bei diesem Verfahren ist eine konturierte Matrize nicht erforderlich. Ein flacher Amboss als Gegenwerkzeug ist ausreichend, um Verbindungen hoher Qualität herstellen zu können. Probleme bei diesem Verfahren können auftreten durch die Rissanfälligkeit der Niete aufgrund der hohen Härte und Hohlräume an der Mantelfläche des Nietes, die sich für die Festigkeit der Verbindung bei dem Kontakt mit korrosiven Medien negativ auswirken.
Weiterhin ist nachteilig, daß bei nicht wesentlich verformbaren Nieten die Restdicke der untersten Blechlage stark reduziert wird und einen kritischen Wert von 0.3 mm oft unterschreitet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und ein Hilfsfügeteil hierfür anzugeben, bei denen die beim Fügen aufzubringenden Kräfte gesenkt werden können und die notwendige Genauigkeit der Positionierung von Hilfsfügeteil zum Gegenwerkzeug gesenkt werden kann.
Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Sicht erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verbinden von zumindest zwei, sich zumindest teilweise überlappender Bauteile mit einem mechanischen Fügeprozess ohne Vorlochen mit Hilfe eines verformbaren Hilfsfügeteiles gelöst, wobei das Hilfsfügeteil durch ein Oberwerkzeug gegen ein im wesentlichen ebenes Unterwerkzeug zumindest mit einer axialen Vorschubbewegung in die zu verbindenden Bauteile eingeformt und diese Bauteile unter plastischer Verformung sowohl der Bauteile als auch des Hilfsfügeteiles miteinander verbunden werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in apparatetechnischer Sicht durch eine Vorrichtung zum Verbinden von zumindest zwei, sich zumindest teilweise überlappender Bauteile mit einem mechanischen Fügeprozess ohne Vorlochen mit Hilfe eines verformbaren Hilfsfügeteiles mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug gelöst, wobei ein eine kombinierte Taumel- und Axialvorschubbewegung ausführender und mit einem plastisch verformbaren Hilfsfügeteil in Wirkverbindung stehender Stempel als Bestandteil des Oberwerkzeuges vorgesehen ist, und wobei ein im wesentlichen ebenes Unterwerkzeug auf der gegenüberliegenden Seite der zu verbindenden Bauteile angeordnet ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 15 bis 20 angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in vorteilhafter Weise Abfall aus dem Stanzvorgang vermieden. Ferner werden komplizierte Gegenwerkzeuge vermieden, bei denen es zu Blechverklemmungen und damit verbundenem Matrizenverschleiß und -bruch kommen kann, wodurch Anschaffungskosten und Betriebskosten wesentlich reduziert werden. Weiterhin wird die Notwendigkeit der Ausrichtung der Hilfsfügeteile vor der Zuführung zur Bearbeitungsmaschine aufgrund der eriϊndungsgemäß vorgestellten Ausführungsform der Hilfsfügeteile, insbesondere Clinchniete, vermieden. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz sich verformender Niete eine qualitativ hochwertige Verbindung ohne Hohlräume an der Mantelfläche des Nietes und ohne Risse im Niet. Ferner lassen sich einfach herstellbare Nietgeometrien ohne Hinterschneidungen in der Anfangsform realisieren.
Bezüglich des Hilfsfügeteiles wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Hilfsfügeteil, zum Verbinden von zumindest zwei, sich zumindest teilweise überlappender Bauteile mit einem mechanischen Fügeprozess ohne Vorlochen, wobei das Hilfsfügeteil als ein Clinchniet ausgebildet ist, der sich im Fügeprozess zumindest unter Ausbildung oder Verstärkung einer Taillierung plastisch verformt.
Bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hilfsfügeteiles sind in den abhängigen Patentansprüchen 21 bis 30 angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung und plattenförmige Bauteile vor der Herstellung der
Verbindung,
Fig. 2 die Vorrichtung sowie die plattenförmigen Bauteile in einem
Zwischenstadium während der Herstellung der Verbindung, Stadium während der Herstellung der Verbindung,
Fig. 3 die Vorrichtung sowie die plattenförmigen Bauteile nach der
Herstellung der Verbindung,
Fig. 4 mögliche Ausführungsbeispiele des Hilfsfügeteiles.
Mit Bezug auf Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel erläutert. In Fig. 1 ist ein Ausschnitt der Fügevorrichtung gezeigt.
Diese Fügevorrichtung weist ein Oberwerkzeug bestehend aus einem Stempel (6) und einem Niederhalter (5) sowie ein Unterwerkzeug (4) als Gegenwerkzeug zum Oberwerkzeug auf. Beide Werkzeuge sind nur abschnittsweise, d.h. nicht vollständig dargestellt.
Zum Fügen (Verbinden) der beiden Bauteile (2,3) ist in Fig. 1 ein Hilfsfügeteil (1), insbesondere ein Clinchniet, gezeigt. Mögliche Ausführungsbeispiele dieses Clinchnietes sind in Fig. 4 vorgestellt.
Der gezeigte Clinchniet weist zusätzlich zu einer Rotationssymmetrie bezüglich der Längsachse (14) auch eine Spiegelsymmetrie an der mittleren Orthogonalebene zur Längsachse (14) auf, wodurch eine Lageorientierung der Niete vor dem Fügevorgang erübrigt ist.
Die Übergänge (13) der Stirnseiten (11) zur Mantellinie des Nietes (12) können durch eine Doppelfase, eine einfache Fase oder einen Radius beschrieben werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Nietes wird dieser Übergang (13) durch eine Schleppkurve, auch Traktrix genannt, beschrieben. Diese Schleppkurve startet an der Mantellinie des Nietes und läuft dann asymptotisch an der Nietstirnseite bis zum Mittelpunkt aus. Die Kurvenparameter sind von der Anwendung abhängig.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß das plastische Fließen des verdrängten Werkstoffes der plattenförmigen Bauteile durch die Gestaltung des Überganges von der Mantellinie zur Stirnfläche unterstützt wird.
Es ist besonders zu bevorzugen, wenn das Hilfsfügeteil an der Oberseite derselben einen Kopf aufweist.
In Fig. 1 ist die Ausgangsstellung (vor dem Verbinden der Bauteile) dargestellt, bei der das Hilfsfügeteil (1) in der Zeichnung oberhalb von zwei übereinanderliegenden plattenförmigen Bauteilen, insbesondere Blechen (2, 3) positioniert ist, welche wiederum an einem flachen Gegenwerkzeug (4) anliegen.
Diese plattenförmigen Bauteile (2,3) werden durch einen Niederhalter (5) geklemmt. Dieser Niederhalter (5) weist nach oben hin einen Öffnungswinkel (5a) auf. In dieser Öffnung ist ein Fügestempel (6) angeordnet.
Dieser Fügestempel (6) ist um den Schnittpunkt zwischen Nietlängsachse 16 und Längsachse des Stempels 6 rotationsfrei in der Öffnung 5a schwenkbar, um eine Taumelbewegung des Stempels (6) zu ermöglichen.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Verbinden der sich überlappender plattenförmigen Bauteile (2,3) mit Hilfe des verformbaren Hilfsfügeteiles (1) wird das Hilfsfügeteil (1) durch das Oberwerkzeug (5,6) gegen das im wesentlichen ebene Unterwerkzeug (4) jedenfalls mit einer axialen Vorschubbewegung aufgrund einer axial wirkenden Prozeßkraft in die zu verbindenden Bauteile (2,3) eingeformt, wobei im Verbindungsbereich dieser Bauteile (2,3) unter plastischer Verformung sowohl der Bauteile (2,3) als auch des Hilfsfügeteiles (1) eine formschlüssige Verbindung ausgebildet wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird bei dem Verfahren der axialen Vorschubbewegung zum Fügen des Clinchnietes diese taumelnde Bewegung des Stempels (6) überlagert werden. Diese Taumelbewegung selbst kann entweder während des ganzen Fügeprozeßes oder ausschließlich während eines Teiles des Fügeprozeßes der axialen Vorschubbewegung überlagert sein. Durch die Taumelbewegung wird der Werkstoff der plattenförmigen Bauteile (2,3) partiell umgeformt, so daß wie beschrieben die Prozeßkräfte deutlich sinken. Während der Stempel (6) diese Taumelbewegung ausführt, kann der Prozeßkraft eine variable, von der Taumelbewegung abhängige Zusatzkraft überlagert sein. Während der Wanderung der zwischen der Stirnseite des Stempels (6b) und Stirnseite des Hilfsfügeteiles (11) gebildeten Kontaktfläche vom Mittelpunkt des Nietes nach außen, wird diese Zusatzkraft zur Prozeßkraft addiert und während der Wanderung dieser Fläche von außen nach innen wird diese Zusatzkraft von der Prozeßkraft subtrahiert. Zusätzlich wird durch diese variable Zusatzkraft der gewünschte Werkstofffluß radial von innen nach außen unterstützt, wodurch der Nietdurchmesser an der Oberfläche zusätzlich vergrößert wird und der Spalt zwischen Niet und Plattenwerkstoff besser eingeebnet werden kann.
Wenn für die Anwendung ein kleinerer sichtbarer Nietdurchmesser gewünscht ist, dann kann die variable Zusatzkraft 180° phasenverschoben überlagert werden und der radial nach außen gerichtete Werkstofffluß im Niet wird zum großen Teil unterdrückt.
Dabei kann die variable von der Taumelbewegung abhängige Kraft über das Oberwerkzeug (5,6) oder über das Unterwerkzeug aufgebracht werden. Außerdem ist es bevorzugt, wenn die Prozeßkraft über das Oberwerkzeug (5,6) impulsartig aufgebracht wird.
Am Gegenwerkzeug (4) ist vorzugsweise eine in Abhängigkeit von der Taumellage des Stempels (6) steuerbare Vorrichtung zur Beaufschlagung des Prozesses mit dieser variablen Zusatzkraft vorgesehen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung zur Beaufschlagung des Prozesses mit dieser variablen Zusatzkraft auf der Seite des Oberwerkzeuges angebracht.
Bei allen genannten Ausführungsbeispielen eignen sich mechanische, elektromagnetische oder piezo-elektrische Vorrichtungen, die bezüglich der Erzeugung der zyklischen Zusatzkraft exakt steuerbar sind. Insbesondere das impulsartige Fügen kann durch eine mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch angetriebene Vorrichtung verwirklicht werden. Das Gegenwerkzeug (4) ist an der Anlagefläche der plattenförmigen Bauteile vorzugsweise eben ausgebildet. Bei Verwendung eines flachen Gegenwerkzeuges (4) kommt es in Abhängigkeit von der Größe der auf den Niederhalter (5) ausgeübten Kraft zur Herausbildung einer Wölbung mit dem unteren Wölbmaß (8) im unteren Blech. Soll die Werkstoffanhäufung auf der Stempelseite der Bleche (2) erfolgen, wird zwischen Niederhalter (5) und Stempel (6) ein Zwischenraum vorgesehen und der Niederhalter (5) mit einer höheren Kraft beaufschlagt.
Figur 2 zeigt einen Zwischenzustand des Fügeprozeßes, bei dem der Niet (1) bereits ein Stück weit in die Bleche (2, 3) eingedrungen ist. Der Niet (1) wird durch die beschriebene axiale Vorschubbewegung des Stempels (6), dem eine ebenfalls beschriebene Taumelbewegung mit dem konstanten oder variablen Taumelwinkel (6a) überlagert ist, in die Bleche eingedrückt. Dabei findet ein Verdrängen des Werkstoffes durch den Niet (1) statt. Eine Hinterschneidung (7) ist aber noch nicht herausgebildet worden.
In Figur 3 ist der Endzustand des Fügevorganges abgebildet. Das Material in den Blechen (2, 3) wird durch den Niet (1) derart verdrängt, daß sich eine Hinterschneidung (7) zwischen dem oberen und unteren Blech (2,3) herausbildet. Durch diese Hinterschneidung entsteht eine formschlüssige Verbindung zwischen den plattenförmigen Bauteilen (2,3). Die Herausbildung der Hinterschneidung (7) wird durch die plastische Verformung des Nietes (1) unterstützt. Hohlräume zwischen der Mantelfläche des Nietes (1) und dem Werkstoff des oberen Bleches (2) werden durch die Nietverformung zugedrückt.
Der Niet (1) verformt sich im Fügeprozess erheblich. Der Niet (1) weist im eingeformten Zustand eine Taillierung auf, die im ursprünglichen Zustand nicht vorhanden ist. Diese unterstützt die Herausbildung des Hinterschnittes und verhindert ein späteres Herausfallen des Nietes aus der Fügestelle.
Aufgrund des beschriebenen Prozesses kann es in Abhängigkeit von den eingesetzten Materialien und der aufgewendeten Prozesskräfte und -temperaturen zusätzlich zur Ausbildung der beschriebenen formschlüssigen auch zu einer stoffschlüssigen Verbindung kommen. Das Hilfsfügeteil durchdringt die in der Zeichnung oben angeordnete Platte (2) in der Regel nicht. Es verbleibt eine Restschicht zwischen dem Hilfsfügeteil (1) und der in der Zeichnung unten angeordnete Platte (3). Das Hilfsfügeteil (1) steht daher meist zumindest im Verbindungsbereich auch nach Abschluss des Fügevorganges ausschließlich mit einer der beiden plattenförmigen Bauteile (2) in Kontakt.
Die durch diesen Fügeprozess eingeformte Hinterschneidung (7) beeinflusst gemeinsam mit der Restbodendicke (9) und der Halsdicke (10) die Festigkeit des Fügepunktes. Durch das Zusammenspiel der beschriebenen Prozeßparameter, insbesondere Fügekraft, Niederhalterkraft, Art und Dauer der Taumelbewegung und den Geometrien von plattenförmigen Bauteilen (2,3), Clinchniet (1), Niederhalter (5) und Stempel (6), können diese Größen gezielt beeinflusst werden.
In den vorangestellten Ausführungen ist ein Verfahren zum Verbinden von sich zumindest teilweise überlappenden plattenförmigen Bauteilen, insbesondere Blechen, in einem mechanischen Fügeprozess ohne Vorloch mit Hilfe eines einfach herstellbaren Hilfsfügeteiles, vorgestellt. Das Hilfsfügeteil wird durch ein Ober- und Unterwerkzeug in einer axialen Vorschubbewegung, welcher eine Taumelbewegung des Oberwerkzeuges überlagert sein kann, so in die zu verbindenden Teile eingeformt, daß im Verbindungsbereich dieser plattenförmigen Bauteile unter plastischer Verformung eine form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung ausgebildet wird. Der Verbindungsbereich der form- und/oder stoffschlüssige Verbindung weist zumindest eine Hinterschneidung aus dem Werkstoff dieser plattenförmigen Bauteilen auf.
Das Hilfsfügeteil steht meist zumindest im Verbindungsbereich auch nach Abschluss des Fügevorganges ausschließlich mit einer der beiden plattenförmigen Bauteile in Kontakt.
Das Hilfsfügeteil verändert während des Fügeprozeßes seine Form und trägt dadurch zur Herausbildung des Hinterschnittes bei. Das Verbleiben von Hohlräumen an der Mantelfläche des Nietes wird vermieden.
Die Taumelbewegung des beschriebenen Stempels im Oberwerkzeug kann entweder während des ganzen Fügeprozeßes oder ausschließlich während eines Teiles des Fügeprozeßes der Vorschubbewegung überlagert werden.
Eine variable, von der Taumelbewegung des Stempels im Oberwerkzeug abhängige Zusatzkraft kann der Prozesskraft überlagert sein, wobei diese variable Zusatzkraft bei steigendem Taumelwinkel einen größeren Wert annehmen kann und bei abnehmendem Winkel auf einen kleineren Wert reduziert werden kann.
Diese Zusatzkraft kann entweder über das Oberwerkzeug oder durch das Unterwerkzeug aufgebracht werden.
Die vom Niederhalter, der die zu verbindenden Bauteile während des Fügevorganges fixiert, aufgebrachte Niederhaltekraft ist frei wählbar, wodurch eine Beeinflussung des Werkstoffflusses in Richtung des Ober- oder Unterwerkzeuges ermöglicht wird und die Herausbildung des Hinterschnittes beeinflusst werden kann.
In den vorangestellten Ausführungen ist eine Vorrichtung vorgestellt, die insbesondere zur Durchführung der oben vorgestellten Verfahren gemäß Anspruch 1 und den entsprechenden Unteransprüchen dient, bestehend aus einem Oberwerkzeug, einem Unterwerkzeug und einem Hilfsfügeteil. Gekennzeichnet ist diese Vorrichtung durch einen eine Taumel- sowie axiale Vorschubbewegung ausführenden Stempel als Bestandteil des Oberwerkzeuges im Eingriff mit einem verformbaren Hilfsfügeteil und dem auf der gegenüberliegenden Seite der zu verbindenden Bleche angeordneten Unterwerkzeug.
Die Stirnfläche des Stempels weist einen größeren oder gleich großen Durchmesser gegenüber dem Durchmesser der entsprechenden stirnseitigen Fläche des Hilfsfügeteiles auf.
Der Niederhalter, als Bestandteil des Oberwerkzeuges, kann eine Aussparung auf der den plattenförmigen Bauteilen zugewandten Stirnfläche aufweisen, die zur Aufnahme von prozessbedingt verdrängtem Werkstoff vorgesehen ist.
Das Hilfsfügeteil ist vorzugsweise als ein Clinchniet ausgeführt. Dieser Clinchniet ist aus gehärtetem Stahl oder hochfesten Aluminiumlegierungen gebildet. Der Niet ist bezüglich einer mittigen Orthogonalebene zur Längsachse symmetrisch gestaltet und weist somit eine weitere, zweite Symmetrie neben der Rotationssymmetrie auf.
Das Gegenwerkzeug zur Erzeugung der notwendigen Gegenkraft ist entweder im Wesentlichen starr mit einem Werkzeuggestell verbunden oder beweglich gelagert.
Das Gegenwerkzeug zur Erzeugung der notwendigen Gegenkraft ist im Wesentlichen eben.
Die variable, von der Taumelbewegung abhängige Zusatzkraft in Abhängigkeit von der Taumellage kann durch eine mechanisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch angetriebene Vorrichtung gebildet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden von zumindest zwei, sich zumindest teilweise überlappender Bauteile (2,3) mit einem mechanischen Fügeprozess ohne Vorlochen mit Hilfe eines verformbaren Hilfsfügeteiles (1), wobei das Hilfsfügeteil (1) durch ein Oberwerkzeug (5,6) gegen ein im wesentlichen ebenes Unterwerkzeug (4) zumindest mit einer axialen Vorschubbewegung in die zu verbindenden Bauteile (2,3) eingeformt und diese Bauteile (2,3) unter plastischer Verformung sowohl der Bauteile (2,3) als auch des Hilfsfügeteiles (1) miteinander verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (2,3)form- oder form- und stoffschlüssig miteinander zumindest unter Ausbildung einer Hinterschneidung (7) der Bauteile (2,3) verbunden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Hilfsfügeteil (1) während des Fügeprozeßes aufgrund der plastischen Verformung eine Taillierung ausbildet oder verstärkt wird, wobei die plastische Verformung des Hilfsfügeteiles (1) die Herausbildung der Hinterschneidung (7) unterstützt und Hohlräume zwischen der Mantelfläche des Hilfsfügeteiles (1) und dem Werkstoff geschlossen werden.
4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (2,3) materialdurchtrennungsfrei miteinander verbunden werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfügeteil (1) zumindest im Verbindungsbereich (7) auch nach Abschluss des Fügevorganges ausschließlich mit einem der beiden Bauteile (2,3) in Kontakt steht.
6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (2,3) zumindest abschnittsweise plattenförmig ausgebildet werden.
7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der axialen Vorschubbewegung des Oberwerkzeuges (6) eine Taumelbewegung eines Stempels des Oberwerkzeuges (6) überlagert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelbewegung des Stempels des Oberwerkzeuges (6) ausschließlich während eines Teiles des Fügeprozeßes oder während des gesamten Fügeprozeßes der Vorschubbewegung überlagert wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfügeteil (1) ohne überlagerte Taumelbewegung eines Stempel im Oberwerkzeug (6) in die Bauteile (2,3) eingeformt wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß einer Prozesskraft eine variable von der Taumelbewegung des Stempels im Oberwerkzeug (6) abhängige Zusatzkraft überlagert wird, wobei die variable Zusatzkraft bei steigendem Taumelwinkel (6a) einen größeren Wert annehmen kann und bei abnehmenden Winkel (6a) auf einen kleineren Wert reduziert werden kann.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die variable von der Taumelbewegung abhängige Kraft über das Oberwerkzeug (5,6) oder über das Unterwerkzeug (4) aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft über das Oberwerkzeug (5,6) impulsartig aufgebracht wird.
13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine frei wählbare Niederhaltekraft eines Niederhalters (5), der die zu verbindenden Bauteile während des Fügevorganges fixiert, wobei mittels der Niederhaltekraft eine Steuerung des Werkstoffflusses in Richtung des Oberwerkzeuges (5) oder des Unterwerkzeuges (4) ermöglicht wird.
14. Vorrichtung zum Verbinden von zumindest zwei, sich zumindest teilweise überlappender Bauteile (2,3) mit einem mechanischen Fügeprozess ohne Vorlochen mit Hilfe eines verformbaren Hilfsfügeteiles (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem Oberwerkzeug (5,6) und einem Unterwerkzeug (4), gekennzeichnet durch einen eine kombinierte Taumel- und Axialvorschubbewegung ausführenden und mit einem plastisch verformbaren Hilfsfügeteil (1) in Wirkverbindung stehenden Stempel (6) als Bestandteil des Oberwerkzeuges (5,6), wobei ein im wesentlichen ebenes Unterwerkzeug auf der gegenüberliegenden Seite der zu verbindenden Bauteile (2,3) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach dem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quer- schnittsfläche einer Stirnseite (6b) des Stempels (6) einen zumindest gleich großen oder größeren Durchmesser als ein Durchmesser einer Querschnittsfläche einer gegenüberliegenden stirnseitigen Fläche (13) des Hilfsfügeteiles aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Niederhalter (5) des Oberwerkzeuges (5,6) und dem Stempel (6) des Oberwerkzeuges auf der den Bauteilen (2,3) zugewandten Stirnfläche ein freier Zwischenraum angeordnet ist, der zur Aufnahme von prozessbedingt verdrängtem Werkstoff vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenwerkzeug (4) zur Erzeugung der notwendigen Gegenkraft im wesentlichen starr mit einem Werkzeuggestell verbunden oder zur Erzeugung der notwendigen Gegenkraft beweglich gelagert ist.
18. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenwerkzeug (4) zur Erzeugung der notwendigen Gegenkraft im wesentlichen eben ist.
19. Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die variable von der Taumelbewegung abhängige Zusatzkraft in Abhängigkeit von der Taumellage durch eine mechanisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch angetriebene Vorrichtung gebildet ist.
20. Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsartige Fügung durch eine mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch angetriebene Vorrichtung realisiert wird.
21. Hilfsfügeteil (1), zum Verbinden von zumindest zwei, sich zumindest teilweise überlappender Bauteile (2,3) mit einem mechanischen Fügeprozess ohne Vorlochen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Hilfsfügeteil als ein Clinchniet ausgebildet ist, der sich im Fügeprozess zumindest unter Ausbildung oder Verstärkung einer Taillierung plastisch verformt.
22. Hilfsfügeteil (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß es aus gehärtetem Stahl oder aus einer hochfesten Aluminiumlegierung gebildet ist.
23. Hilfsfügeteil (1) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß es an der Oberseite einen Kopf aufweist.
24. Hilfsfügeteil (1) nach Anspruch 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß es an zumindest einer der Stirnflächen (11) eine ballige Vertiefung aufweist.
25. Hilfsfügeteil (1) nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß es an zumindest einer der Stirnflächen (11) eine kegelförmige Vertiefung aufweist.
26. Hilfsfügeteil (1) nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß es an zumindest einer der Stirnseiten (11) einen durch eine Schleppkurve beschreibbaren Übergang zum Mantel (12) aufweist.
27. Hilfsfügeteil (1) gemäß zumindest einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß es an zumindest einer der Stirnseiten (11) einen durch mindestens zwei Fasen beschreibbaren Übergang zum Mantel (12) aufweist.
28. Hilfsfügeteil (1) nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß es an zumindest einer der Stirnseiten (11) einen durch eine einfache Fase beschreibbaren Übergang zum Mantel (12) aufweist.
29. Hilfsfügeteil (1) nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß es an zumindest einer der Stirnseiten (11) einen durch einen Radius beschreibbaren Übergang zum Mantel (12) aufweist.
30. Hilfsfügeteil (1) nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß es bezüglich einer mittigen Orthogonalebene zur Längsachse (14) symmetrisch ausgebildet ist, wodurch es neben der Rotationssymmetrie eine weitere Symmetrie aufweist.
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