WO2008104207A1 - Strukturbauteil aus blechförmigem material sowie vorrichtung und verfahren zum fügen eines strukturbauteils aus blechförmigem material - Google Patents

Strukturbauteil aus blechförmigem material sowie vorrichtung und verfahren zum fügen eines strukturbauteils aus blechförmigem material Download PDF

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WO2008104207A1
WO2008104207A1 PCT/EP2007/010534 EP2007010534W WO2008104207A1 WO 2008104207 A1 WO2008104207 A1 WO 2008104207A1 EP 2007010534 W EP2007010534 W EP 2007010534W WO 2008104207 A1 WO2008104207 A1 WO 2008104207A1
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WO
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structural component
sheet
rollclinchen
section
joint connection
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PCT/EP2007/010534
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Norbert DÖLLE
Wilhelmus Lappe
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B17/00—Connecting constructional elements or machine parts by a part of or on one member entering a hole in the other and involving plastic deformation
    • F16B17/006—Connecting constructional elements or machine parts by a part of or on one member entering a hole in the other and involving plastic deformation of rods or tubes to sheets or plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D39/00—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders
    • B21D39/03—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders of sheet metal otherwise than by folding

Definitions

  • the invention relates to a structural component of sheet-like material according to the preamble of patent claim 1, a device for producing a joint connection by Rollclinchen on a structural component of sheet-like material according to the preamble of claim 6, and a method for producing a joint connection by means of Rollclinchen on a structural component of sheet metal Material according to the preamble of claim 10.
  • DE 199 01 015 A1 discloses a device and a method for the forming-technical joining of parts by means of clinching by roll clinching.
  • a substantially rectilinear, longitudinally extending joining seam by means of made of rotating tools by means of made of rotating tools.
  • the Rollclinchen described and the device described are, however, rather general in nature and give no indication of concrete implementations for industrial practice.
  • the object of the invention is to further improve the method of the rolling clinch, to provide an improved device and to specify an improved structural component.
  • the object is achieved in relation to the specified structural component of sheet-metal material by the features of claim 1.
  • the object is achieved by the features of claim 6 and in terms of the specified method for producing a joint connection by means of Rollclinchen on a structural component of sheet-metal material by the features of claim 10. Further advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims and the description.
  • the object with respect to the structural component to be specified is inventively achieved in that the structural component of sheet-metal material is formed by a roll forming and at least one closed at least in sections of its longitudinal hollow section, wherein the closed hollow cross-section is formed by the formed by roll forming sheet-like Material is attached to itself by Rollclinchen.
  • the advantage of the solution according to the invention is that a structural component is created which is very economical to produce and offers further advantages such as increased deformation capacity and thus increased crash safety in the case of application of a motor vehicle body.
  • By producing the structural component by means of roll forming it is ensured that the structural component can be produced in a very economical manner compared to other forming methods such as deep drawing or stretch drawing.
  • the structural component As a result of the deformation of the structural component by means of a roll profiling method, the structural component is locally reshaped substantially along a bending line. This means that the structural component experiences large changes in the material structure and in the properties even in the region of the local deformation, while the material changes of the structure and the properties take place to a much lesser extent with increasing distance from the local deformation.
  • a structural component which, for example, compared to deep-drawn parts of the same sheet material has much better deformation reserves.
  • the sheet-shaped material formed by means of roll forming is joined to itself by roll clinches.
  • a structural component is formed, which has a high component rigidity and very good crash properties.
  • the joint connection can be configured uninterruptedly along the longitudinal extension of the structural component or in sections, ie locally limited along the longitudinal extent of the structural component.
  • Structural component seen having a quasi-positive connection, but also in the direction of the longitudinal extent of the structural component. This leads to a considerable increase in the strength of the joint connection, in particular with regard to an increased shear strength in the direction of the longitudinal extent of the structural component, and thus to further improved properties of the structural component in terms of component strength and crash behavior.
  • a further advantageous increase in the component properties can be achieved by introducing formable additional material into the joint connection.
  • the additional material in particular an additional metal strip, is present only locally in the region of the joint connection.
  • the advantage is that by the additional material in the joint connection, the plastic deformation of the connected Sheet metal materials is increased, whereby the quasi-positive and / or positive connection is further increased advantageously and thus the already described properties of the structural component can be further increased.
  • the hollow cross-section is flexibly roll-profiled seen over the longitudinal extent of the structural component.
  • the structural component is adapted to specific functions in the application, for example, the hollow cross-section may have a continuous expansion or local machining changes, such as stiffening ribs, Austanzungen or varying wall thicknesses, so as to special component requirements such as weight saving or stiffness optimization for defined load cases to be adapted.
  • the functional properties of the structural component according to the invention are obtained by using so-called "tailored rolled blanks", ie a sheet-like material for the production of the structural component with a variable thickness
  • the advantage is that stiffness-optimized cross-sectional shapes in the structural component are possible in a simple way
  • the stiffness-optimized design of the structural component can take place over the entire longitudinal extension of the structural component or else be limited locally
  • Tensile strength of greater than 1000 N / mm 2 the component properties are advantageously increased just for use in motor vehicle structures.
  • the device for producing a joint connection is integrated by Rollclinchen on a structural component of sheet-like material in a rolling line of a roll forming, wherein the structural component is formed by a roll forming and the device for Rollclinchen a Stempelrad and a die wheel, which are arranged in such a way to each other, so that a gap between the punch wheel and die wheel is formed through which the structural member to be joined is passed, so that the sheet-like material of the structural component is to add to itself to an at least partially closed cross-section.
  • the advantage of the embodiment according to the invention is that such a device is provided which is suitable for the increased economic production of a structural component of sheet-metal material, in particular for applications in motor vehicle structures.
  • the device according to the invention for roll clinching requires no significant reduction of component feed in the joining unit, but the joining by means of Rollclinchen preferably takes place at the same feed rate as the roll profiling, ie advantageously with a feed rate of 0.5m / min to 50m / min, preferably in / min to 30m / min, instead. Therefore, with the device according to the invention, the production time of a structural component described above can be significantly reduced Compared to the prior art, whereby the efficiency with which the device is operable, is substantially increased.
  • the device for roll clinching essentially has two rotatably mounted roller tools as stamp wheel and die wheel, through which the structural component to be joined is guided.
  • the gap width through which the structural component to be joined is guided is variably adjustable by relative adjustability of the bearing axes of the roller tools.
  • the roller tools can be configured in one or more parts and / or with or without drive.
  • the storage of Stempelrad and die wheel can be configured on one or two sides, with a two-sided storage is preferable due to the improved power flow.
  • the stamp wheel has two preferably identically configured hold-down rings and a larger diameter punch ring arranged between them.
  • the die wheel cooperating with the punch wheel has two preferably identically configured hold-down rings and an anvil ring of smaller diameter arranged between them.
  • three hold-down rings and two interposed punch or anvil rings for the simultaneous production of two seams.
  • Structural component such that the gap geometry between them by plastic deformation on the seam on Structural component is transmitted. This creates a permanent non-positive and / or positive connection joint that allows a high power transmission.
  • Such a device for roll clinching can be advantageously integrated into a rolling line of a roll forming installation.
  • the rolling line designates the part of the roll forming in which the bending deformation of the sheet-like starting material takes place to any profile cross-section.
  • the device for Rollclinchen is integrated without major problems in a rolling line, as it preferably connects to the last forming unit of the rolling line.
  • the device for roll clinching may require modifications of the device, e.g. with respect to the distance of the forming units of the rolling line or the concrete structural design of the device for Rollclinchen.
  • the roller tools ie punch wheel and die wheel
  • the roller tools are designed as a flying roller unit.
  • the storage of the die wheel is designed such that the die wheel attached to a kind of rocker and stored is. The rotation of the die wheel is not restricted thereby.
  • the rigidity of the rocker is interpreted and the bearing of the die wheel at the end of the rocker one or two-sided execute.
  • the great advantage of this embodiment is that it allows the die wheel of the device for roll clinching to be retracted into a hollow cross-section of a structural component, and thus a connecting seam can be produced by rolling clinches without an outer connecting flange protruding from the hollow cross section being formed on the structural component.
  • structural components can be produced, which require much less space, whereby the range of use of such structural components is advantageously increased.
  • the circumferential wave form and the number of wave crests are to be specially designed.
  • Expenses is preferably only the extent of the punch ring in waveform form and design the anvil ring according to a minimum required floor thickness of Rollclinchnaht with a constant diameter.
  • the device has a supply of additional material to increase the strength properties of the joint connection.
  • a supplementary material is preferably deformable material, in particular sheet-like material fed in strip form.
  • the advantage is that so the plastic deformation of the materials to be joined is increased and at the same time an improved positive and / or positive connection is achieved.
  • the supply of additional material can be configured such that material is supplied separately from the outside of a material storage, for example, a narrow Blechcoil.
  • the supply of additional material has a cutting unit which separates strip-shaped material from the sheet-like material of the structural component within the rolling section and thus provides the additional material.
  • the object with regard to the method to be specified is achieved according to the invention in that, in the case of roll clinching, to produce a joining connection on a structural component of sheet-like material, the sheet-like material being shaped by a roll profiling method into the structural component with at least one closed hollow cross-section, a joint connection with one over the longitudinal extension of the structural component defined variable joining cross-section is formed.
  • the object with regard to the method to be specified is also achieved according to the invention in that an additional material for producing a joining connection by means of rolling clinches on a structural component of sheet-like material, wherein the sheet-like material is formed by a roll forming in the structural component with at least one closed hollow cross-section Reinforcement is brought into the joint connection.
  • the solutions according to the invention each provide a method which enables in a simple manner a particularly economical production of a permanent joint connection by roll clinching on a structural component, resulting in further advantages already described in detail above, in particular for the structural component with regard to the component properties.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an inventive device for Rollclinchen (1) and an inventive structural component (2) with a over the longitudinal extent of the structural component (2) substantially constant component cross-section in a not to scale, perspective view.
  • FIG. 2 shows a plan view of a detailed view of the joining cross section (3) of the structural component (2) according to FIG. 1 that is variable over the longitudinal extent of the structural component (2) and two sectional views through the variable joining cross section (3).
  • the structural component (2) of a high-strength multiphase steel according to the invention with a component cross-section of substantially constant over its longitudinal extension according to FIG. 1 is used as a stiffening structure in the region of a motor vehicle body.
  • the structural component (2) is formed from a single sheet-like material which is formed by roll forming in a rolling section by bending deformation in the component cross section of the structural component (2) with two hollow cross sections (21, 22).
  • the device for roll clinching (1) is integrated in the roll forming process subsequent to the last forming roll unit.
  • the device for roll clinching (1) has, inter alia, a punch wheel (11) and a die wheel (12).
  • two rolled-block seams (23, 24) having a variable joining cross-section (3) are produced on the structural component (2) on the structural component (2).
  • the roller blind seams (23, 24) extend over the entire length of the structural component (2).
  • the device for Rollclinchen (1) and the rolling train are part of a roll forming, which in turn is part of a whole process chain for the production of the structural component (2), the other process steps such as Abhaspei for processing sheet material in coil form or even the Separation of the structural components includes.
  • This process chain is assumed to be given and is no longer part of this design.
  • the device for Rollclinchen (1) has the Stempelrad (11) on two punch rings (111, 112), each having at its periphery a sinusoidal waveform with a magnitude difference of 1mm between wave trough and wave crest.
  • There- by two variable Rollclinau seams (23, 24) with variable joint cross-section (3) are generated on the structural component (2), whereby the strength properties of the structural component (2) are substantially increased.
  • the die wheel (12) however, has two anvil rings with a constant diameter.
  • a flexible Walzprofilier Kunststoffe for producing a structural component with variable over its longitudinal profile cross-section can be used. It follows for the device in turn that the rolling train has forming units with adjustable forming rollers, so that the forming rollers perform during the forming a movement corresponding to the change in the profile cross section to be produced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil (2) aus blechförmigem Material, welches mittels eines Walzprofilierverfahrens umgeformt ist und mindestens einen zumindest in Teilabschnitten seiner Längserstreckung geschlossenen Hohlquerschnitt (21,22) aufweist, wobei der geschlossene Hohlquerschnitt (21,22) dadurch gebildet ist, dass das mittels Walzprofilieren umgeformte blechförmige Material des Strukturbauteils (2) mit sich selbst durch Rollclinchen gefügt ist. Ferner werden eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung (23,24) mittels Rollclinchen eines Strukturbauteils (2) aus blechförmigem Material angegeben.

Description

Strukturbauteil aus blechförmigem Material sowie Vorrichtung und Verfahren zum Fügen eines Strukturbauteils aus blechförmigem Material
Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil aus blechförmigem Material nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Vorrichtung zur Herstellung einer Fügeverbindung mittels Rollclinchen an einem Strukturbauteil aus blechförmigem Material nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung mittels Rollclinchen an einem Strukturbauteil aus blechförmigem Material gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
Aus der Praxis ist bekannt, dass eine Schweißbearbeitung bei einem walzprofilierten Bauteil oder Rohr, das eine Fügebearbeitung erfordert, der Bearbeitungsschritt ist, der die Herstellungszeit des Bauteils oder Rohres wesentlich beeinflusst. Zudem erfordert eine Schweißbearbeitung eine aufwendige Schweißvorrichtung, eine entsprechend aufwendige Spanntechnik zur Fixierung des zu schweißenden Bauteils und eine umfangreiche Peripherie hinsichtlich StoffZuführung, Stromversorgung, Regelungstechnik, etc. Dies ist ferner mit hohen Investitions- und Bearbeitungskosten verbunden.
Als Alternative zum Fügeverfahren des Schweißens offenbart die DE 199 01 015 Al eine Vorrichtung und ein Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Teilen mittels Durchsetzfügen durch Rollclinchen. Dabei wird eine im Wesentlichen geradlinige, sich längserstreckende Fügenaht mittels rotierender Werkzeuge hergestellt. Das dabei beschriebene Rollclinchen und die beschriebene Vorrichtung sind allerdings eher allgemeiner Natur und geben keinen Hinweis auf konkrete Umsetzungen für eine industrielle Praxis.
Somit liegt ausgehend vom genannten Stand der Technik der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren des Rollclinchens weiter zu verbessern, eine verbesserte Vorrichtung anzugeben und ein verbessertes Strukturbauteil anzugeben.
Die Aufgabe wird in Bezug auf das anzugebende Strukturbauteil aus blechförmigem Material durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der anzugebenden Vorrichtung zur Herstellung einer Fügeverbindung mittels Rollclinchen an einem Strukturbauteil aus blechförmigem Material wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 gelöst und hinsichtlich des anzugebenden Verfahrens zur Herstellung einer Fügeverbindung mittels Rollclinchen an einem Strukturbauteil aus blechförmigem Material durch die Merkmale des Patentanspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Aufgabe in Bezug auf das anzugebende Strukturbauteil wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Strukturbauteil aus blechförmigem Material mittels eines Walzprofilierverfahrens umgeformt ist und mindestens einen zumindest in Teilabschnitten seiner Längserstreckung geschlossenen Hohlquerschnitt aufweist, wobei der geschlossene Hohlquerschnitt dadurch gebildet ist, dass das mittels Walzprofilieren umgeformte blechförmige Material mit sich selbst durch Rollclinchen gefügt ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass ein Strukturbauteil geschaffen ist, welches sehr wirtschaftlich herstellbar ist und weitere Vorteile wie zum Beispiel erhöhtes Deformationsvermögen und somit erhöhte Crashsicherheit im Anwendungsfall einer Kraftfahrzeugkarosserie bietet. Durch die Herstellung des Strukturbauteils mittels Walzprofilieren ist sicher gestellt, dass das Strukturbauteil in einer sehr wirtschaftlichen Art und Weise herstellbar ist, verglichen mit anderen Umformverfahren wie z.B. Tiefziehen oder Streckziehen. Durch die Umformung des Strukturbauteils mittels eines Walzprofilierverfahrens wird das Strukturbauteil im Wesentlichen entlang einer Biegelinien lokal umgeformt. Dies bedeutet, dass das Strukturbauteil auch nur in dem Bereich der lokalen Umformung große Änderungen im Materialgefüge und in den Eigenschaften erfährt, während mit zunehmendem Abstand von der lokalen Umformung die Materialänderungen des Gefüges und der Eigenschaften in sehr viel geringerem Maße stattfinden. Somit liegt ein Strukturbauteil vor, welches beispielsweise verglichen mit Tiefziehteilen aus dem gleichen Blechwerkstoff weitaus bessere Deformationsreserven aufweist.
Der weitaus größte Vorteil des Strukturbauteils entsteht aber dadurch, dass das mittels Walzprofilieren umgeformte blechförmige Material mit sich selbst durch Rollclinchen gefügt ist. Das bedeutet, dass das blechförmige Material entlang einer sich längserstreckenden Liniengeometrie mittels rotierenden Rollenwerkzeugen durchsetzgefügt ist. Durch diese dauerhafte Fügeverbindung ist ein Strukturbauteil gebildet, welches eine hohe Bauteilsteifigkeit und sehr gute Crasheigenschaften aufweist. Beim Rollclinchen werden dabei mehrere übereinander liegende blechförmige Materialschichten, vorzugsweise zwei Schichten, durch die Rollenwerkzeuge derart plastisch umgeformt, dass die mehreren Materialschichten durch eine rotierende Stempelrolle in eine mit dieser zusammenwirkende Matrizenrolle gepresst werden, wobei durch die plastische Deformation der blechförmigen Materialien eine quasi kraft- und/oder formschlüssige Fügeverbindung zwischen den blechförmigen Materialen entsteht. Die Fügeverbindung kann dabei ununterbrochen entlang der Längserstreckung des Strukturbauteils ausgestaltet sein oder aber abschnittsweise, d.h. lokal begrenzt entlang der Längserstreckung des Strukturbauteils .
Eine vorteilhafte Steigerung der Bauteileigenschaften ist durch einen variablen, d.h. einen definiert veränderten Fügequerschnitt entlang der Längserstreckung des Strukturbauteils erreichbar. Diese definierte Veränderung des Fügequerschnitts wird durch die spezielle Ausgestaltung der Rollenwerkzeuge ermöglicht. Der Vorteil dabei ist, dass so eine Fügeverbindung entlang der Längserstreckung des Strukturbauteils vorhanden ist, welche nicht nur in Querrichtung relativ zur Längserstreckung des
Strukturbauteils gesehen eine quasi formschlüssige Verbindung aufweist, sondern auch in Richtung der Längserstreckung des Strukturbauteils. Dies führt zu einer erheblichen Steigerung der Festigkeit der Fügeverbindung, insbesondere hinsichtlich einer erhöhten Schubfestigkeit in Richtung der Längserstreckung des Strukturbauteils, und somit zu weiter verbesserten Eigenschaften des Strukturbauteils hinsichtlich der Bauteilfestigkeit und der Crashverhaltens.
Eine weitere vorteilhafte Steigerung der Bauteileigenschaften ist durch das Einbringen von umformbaren Zusatzmaterial in die Fügeverbindung zu erreichen. Das Zusatzmaterial, insbesondere ein zusätzlicher Blechstreifen, ist dabei lediglich lokal im Bereich der Fügeverbindung vorhanden. Der Vorteil ist, dass durch das Zusatzmaterial in der Fügeverbindung die plastische Deformation der zu verbindenden Blechmaterialien erhöht wird, wodurch die quasi kraft- und/oder formschlüssige Verbindung weiter vorteilhaft gesteigert wird und somit die bereits beschriebenen Eigenschaften des Strukturbauteils nochmals gesteigert werden.
Eine vorteilhafte Steigerung der Möglichkeit der Funktionsintegration in das Strukturbauteil ergibt sich, wenn der Hohlquerschnitt über die Längserstreckung des Strukturbauteils gesehen flexibel walzprofiliert ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass so das Strukturbauteil auf spezifische Funktionen im Anwendungsfall angepasst ist, so kann beispielsweise der Hohlquerschnitt eine kontinuierlich Aufweitung oder lokal Bearbeitungsveränderungen, wie Versteifungsrippen, Austanzungen oder variierende Wanddicken aufweisen, um so auf spezielle Bauteilanforderungen wie beispielsweise Gewichtseinsparung oder Steifigkeitsoptimierung für definierte Lastfälle, angepasst zu sein.
Eine weitere vorteilhafte Steigerung der
Funktionseigenschaften des erfindungsgemäßen Strukturbauteils ergibt sich durch Verwendung sogenannter „Tailored Rolled Blanks", d.h. einem blechförmigen Material für die Herstellung des Strukturbauteils mit einer variablen Dicke. Der Vorteil ist, dass so auf eine einfache Art und Weise steifigkeitsoptimierte Querschnittsformen im Strukturbauteil möglich sind, die durch Walzprofilierung eines blechförmigen Materials mit konstanter Dicke nicht herstellbar wären. Die steifigkeitsoptimierte Ausgestaltung des Strukturbauteils kann dabei über die gesamte Längserstreckung des Strukturbauteils erfolgen oder aber lokal beschränkt sein. Durch die Verwendung von kalt- oder warmumformbaren hoch- und höchstfesten Materialien, vorzugsweise mit einer Zugfestigkeit von größer 1000 N/mm2, werden gerade für die Anwendung in Kraftfahrzeugstrukturen die Bauteileigenschaften vorteilhaft erhöht.
Die Aufgabe hinsichtlich der anzugebenden Vorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung zur Herstellung einer Fügeverbindung mittels Rollclinchen an einem Strukturbauteil aus blechförmigen Material in eine Walzstrecke einer Walzprofilieranlage integriert ist, wobei das Strukturbauteil mittels eines Walzprofilierverfahrens umgeformt ist und die Vorrichtung zum Rollclinchen ein Stempelrad und ein Matrizenrad aufweist, welche dergestalt zueinander angeordnet sind, so dass ein Spalt zwischen Stempelrad und Matrizenrad gebildet ist, durch den das zu fügende Strukturbauteil hindurchführbar ist, so dass das blechförmige Material des Strukturbauteils mit sich selbst zu einem zumindest teilweise geschlossenen Querschnitt zu fügen ist .
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist, dass so eine Vorrichtung geschaffen ist, die zur gesteigerten wirtschaftlichen Herstellung eines Strukturbauteils aus blechförmigem Material, insbesondere für Anwendungen in Kraftfahrzeugstrukturen, geeignet ist. Im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik durch Schweißen bedarf die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Rollclinchen keiner signifikanten Reduktion des Bauteilvorschubs in der Fügeeinheit, sondern das Fügen mittels Rollclinchen findet vorzugsweise bei der gleichen Vorschubgeschwindigkeit wie das Walzprofilieren, d.h. vorteilhafter Weise mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,5m/min bis 50m/min, vorzugsweise Im/min bis 30m/min, statt. Daher kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Herstellzeit eines zuvor beschriebenen Strukturbauteils erheblich reduziert werden im Vergleich zum Stand der Technik, wodurch die Wirtschaftlichkeit, mit der die Vorrichtung betreibbar ist, wesentlich gesteigert ist.
Die Vorrichtung zum Rollclinchen weist im Wesentlichen zwei drehbar gelagerte Rollenwerkzeuge als Stempelrad und Matrizenrad auf, durch die das zu fügende Strukturbauteil geführt wird. Die Spaltbreite, durch die das zu fügende Strukturbauteil geführt wird, ist durch relative Verstellbarkeit der Lagerachsen der Rollenwerkzeuge variabel einstellbar. Die Rollenwerkzeuge können ein- oder mehrteilig und/oder mit oder ohne Antrieb ausgestaltet sein. Die Lagerung von Stempelrad und Matrizenrad kann dabei ein- oder zweiseitig ausgestaltet sein, wobei eine zweiseitige Lagerung auf Grund des verbesserten Kraftflusses zu bevorzugen ist.
Das Stempelrad weist für den Fall, dass eine Verbindungsnaht durch Rollclinchen hergestellt wird, zwei vorzugsweise identisch ausgestaltete Niederhalterringe und einen zwischen diesen angeordneten Stempelring größeren Durchmessers auf. Analog weist das mit dem Stempelrad zusammenwirkende Matrizenrad zwei vorzugsweise identisch ausgestaltete Niederhalterringe und einen zwischen diesen angeordneten Ambossring kleineren Durchmessers auf. Für den Fall, dass mehrere Verbindungsnähte am Strukturbauteil parallel hergestellt werden ist aber auch jede andere Ausgestaltung von Stempel- und/oder Matrizenrad möglich, beispielsweise drei Niederhalterringe und zwei dazwischen angeordnete Stempel- bzw. Ambossringe für die gleichzeitige Herstellung von zwei Verbindungsnähten. Während des Rollclinchens deformieren die zusammen wirkenden Rollenwerkzeuge Stempel- und Matrizenrad das blechförmige Material des
Strukturbauteils dergestalt, dass die Spaltgeometrie zwischen ihnen durch plastische Umformung auf die Verbindungsnaht am Strukturbauteil übertragen wird. Dabei entsteht eine dauerhafte kraft- und/oder formschlüssige Fügeverbindung, die eine hohe Kraftübertragung ermöglicht.
Durch eine kompakte Ausgestaltung mit nur relativ geringem Platzbedarf ist eine derartige Vorrichtung zum Rollclinchen vorteilhaft in eine Walzstrecke einer Walzprofilieranlage integrierbar. Die Walzstrecke bezeichnet dabei den Teil der Walzprofilieranlage in dem die Biegeumformung des flächigen Ausgangsmaterials zu einem beliebigen Profilquerschnitt stattfindet .
Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zum Rollclinchen dabei ohne größere Probleme in eine Walzstrecke integrierbar, da sie sich vorzugsweise an die letzte Umformeinheit der Walzstrecke anschließt. In Abhängigkeit der herzustellenden Geometrie des Strukturbauteils ist jedoch auch eine Integration der Vorrichtung zum Rollclinchen zwischen Umformeinheiten der Walzstrecke möglich. Dies erfordert unter Umständen aber Modifikationen der Vorrichtung z.B. hinsichtlich des Abstands der Umformeinheiten der Walzstrecke oder der konkreten konstruktiven Ausgestaltung der Vorrichtung zum Rollclinchen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Rollenwerkzeuge, d.h. Stempelrad und Matrizenrad, als eine fliegende Rolleneinheit ausgestaltet. Dies bedeutet, dass die Lagerung des Stempelrades im Wesentlichen wie bereits beschrieben erfolgt und die beim Rollclinchen eingeleiteten Kräfte direkt beispielsweise in ein Gestell abgeleitet werden, vorzugsweise durch eine Lagerung der Achse beidseitig des Stempelrades. Die Lagerung des Matrizenrades hingegen ist dergestalt ausgeführt, dass das Matrizenrad an einer Art Schwinge befestigt und gelagert ist. Die Rotation des Matrizenrades wird dadurch nicht eingeschränkt. In Abhängigkeit der aufzunehmenden Kräfte und des vorhandenen Bauraums ist die Steifigkeit der Schwinge auszulegen und die Lagerung des Matrizenrades am Ende der Schwinge ein- oder zweiseitig auszuführen. Der große Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass damit das Matrizenrad der Vorrichtung zum Rollclinchen in einen Hohlquerschnitt eines Strukturbauteils einfahrbar ist und so eine Verbindungsnaht durch Rollclinchen herstellbar ist ohne dass ein äußerer und vom Hohlquerschnitt abstehender Verbindungsflansch am Strukturbauteil entsteht. Somit sind durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Strukturbauteile herstellbar, die wesentlich weniger Bauraum erfordern, wodurch das Einsatzspektrum derartiger Strukturbauteile vorteilhaft erhöht wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Rollclinchen ergeben sich, wenn der Stempelring und/oder der damit zusammenwirkende Ambossring eines Stempelrades bzw. eines Matrizenrades keinen konstanten Durchmesser haben. Das bedeutet, dass Stempel- und/oder Ambossring an ihrem Außenumfang eine wellenförmige Ausgestaltung aufweisen, wobei die Differenz zwischen Wellental und Wellenberg jeweils einen Betrag von kleiner als 5mm beträgt, insbesondere kleiner lmm. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine definiert variable plastische Deformation der zu fügende blechförmigen Materialien und somit einen definiert variablen Fügequerschnitt über die Längserstreckung eines Strukturbauteils, wodurch eine formschlüssige Verbindung auch in Richtung der Längserstreckung der Rollclinchnaht erreicht wird. In Abhängigkeit der zu übertragenden Kräfte sind die umfängliche Wellenform und die Anzahl an Wellenbergen speziell auszugestalten. Zur Reduzierung des steuerungstechnischen Aufwandes ist vorzugsweise nur der Umfang des Stempelrings in Wellenform auszugestalten und der Ambossring entsprechend einer minimal erforderlichen Bodendicke der Rollclinchnaht mit einem konstanter Durchmesser auszugestalten.
Alternativ oder additiv zu den bisher beschriebenen Ausgestaltungen der Vorrichtung zum Rollclinchen weist die Vorrichtung eine Zuführung von Zusatzmaterial zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaften der Fügeverbindung auf. Als Zusatzmaterial ist dabei vorzugsweise deformierbares Material insbesondere blechförmiges Material in Streifenform zuführbar. Der Vorteil ist, dass so die plastische Deformation der zu verbindenden Materialien erhöht wird und gleichzeitig eine verbesserte kraft- und/oder formschlüssige Verbindung erreicht wird. Die Zuführung von Zusatzmaterial kann dabei derart ausgestaltet sein, dass separat von außen von einem Materialspeicher beispielsweise einem schmalen Blechcoil Material zugeführt wird. Alternativ zum separaten Materialspeicher ist es aber auch möglich, dass die Zuführung von Zusatzmaterial eine Schneideinheit aufweist, welche vom blechförmigen Material des Strukturbauteils innerhalb der Walzstrecke streifenförmiges Material abtrennt und so das Zusatzmaterial bereitstellt.
Die Aufgabe hinsichtlich des anzugebenden Verfahrens wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beim Rollclinchen zur Herstellung einer Fügeverbindung an einem Strukturbauteil aus blechförmigen Material, wobei das blechförmige Material durch ein Walzprofilierverfahren in das Strukturbauteil mit zumindest einem geschlossenen Hohlquerschnitt umgeformt wird, eine Fügeverbindung mit einem über die Längserstreckung des Strukturbauteils gesehen definiert variablen Fügequerschnitt ausgebildet wird. Alternativ oder additiv wird die Aufgabe hinsichtlich des anzugebenden Verfahrens auch erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Herstellung einer Fügeverbindung mittels Rollclinchen an einem Strukturbauteil aus blechförmigen Material, wobei das blechförmige Material durch ein Walzprofilierverfahren in das Strukturbauteil mit zumindest einem geschlossenen Hohlquerschnitt umgeformt wird, ein Zusatzmaterial zur Verstärkung in die Fügeverbindung einbracht wird.
Durch die erfindungsgemäßen Lösungen wird jeweils ein Verfahren geschaffen, welches auf einfache Art und Weise eine besonders wirtschaftliche Herstellung einer dauerhaften Fügeverbindung durch Rollclinchen an einem Strukturbauteil ermöglicht, wodurch sich weitere zuvor bereits ausführlich beschriebene Vorteile insbesondere für das Strukturbauteil hinsichtlich der Bauteileigenschaften ergeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Rollclinchen (1) und ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil (2) mit einem über die Längserstreckung des Strukturbauteils (2) im Wesentlichen konstanten Bauteilquerschnitt in einer nicht maßstabsgetreuen, perspektivischen Ansicht.
Figur 2 zeigt in einer Draufsicht eine Detailansicht des über die Längserstreckung des Strukturbauteils (2) variablen Fügequerschnitts (3) des erfindungsgemäßen Strukturbauteils (2) gemäß Fig. 1, sowie zwei Schnittansichten durch den variablen Fügequerschnitt (3) . Das erfindungsgemäße Strukturbauteil (2) aus einem hochfesten Mehrphasenstahl mit einem über seine Längserstreckung im Wesentlichen konstanten Bauteilquerschnitt gemäß Figur 1 wird als Versteifungsstruktur im Bereich einer Kraftfahrzeugkarosserie eingesetzt.
Das Strukturbauteil (2) ist dabei aus einem einzigen blech- förmigen Material gebildet, welches mittels Walzprofilieren in einer Walzstrecke durch Biegeumformung in den Bauteilquerschnitt des Strukturbauteils (2) mit zwei Hohlquerschnitten (21, 22) umgeformt wird. Nach der Walzstrecke ist anschließend an die letzte Umformrolleneinheit die Vorrichtung zum Rollclinchen (1) in den Walzprofilierprozess integriert. Die Vorrichtung zum Rollclinchen (1) weist dazu unter anderem ein Stempelrad (11) und ein Matrizenrad (12) auf. Durch ein Hindurchführen des walzprofilierten Strukturbauteils (2) werden am Strukturbauteil (2) zwei Rollclinchnähte (23, 24) mit einem variablen Fügequerschnitt (3) am Strukturbauteil (2) erzeugt. Die Rollclinchnähte (23, 24) erstrecken sich über die gesamte Länge des Strukturbauteils (2) .
Die Vorrichtung zum Rollclinchen (1) und die Walzstrecke sind Teil einer Walzprofilieranlage, welche wiederum Teil einer ganzen Prozesskette zur Herstellung des Strukturbauteils (2) ist, die noch weitere Prozessschritte wie beispielsweise eine Abhaspei zur Verarbeitung von Blechmaterial in Coil-Form oder aber auch die Vereinzelung der Strukturbauteile umfasst. Diese Prozesskette wird als gegeben vorausgesetzt und ist nicht weiter Teil dieser Ausführung.
Die Vorrichtung zum Rollclinchen (1) weist am Stempelrad (11) zwei Stempelringe (111, 112) auf, die jeweils an ihrem Umfang eine sinusförmige Wellenform mit einer betragsmäßigen Differenz von 1mm zwischen Wellental und Wellenberg aufweisen. Da- durch werden am Strukturbauteil (2) zwei variable Rollclinchnähte (23, 24) mit variablen Fügequerschnitt (3) erzeugt, wodurch die Festigkeitseigenschaften des Strukturbauteils (2) wesentlich erhöht werden. Das Matrizenrad (12) weist hingegen zwei Ambossringe mit konstantem Durchmesser auf.
Beim Rollclinchen führt die wellenförmige Ausgestaltung der Stempelringe (111, 112) zu einer variablen plastischen Verformung im Fügequerschnitt (3). Somit entsteht auch in Längsrichtung des Strukturbauteils (2) eine formschlüssige Verbindung (31, 32), die die Schubfestigkeit der Rollclinchnaht (23, 24) erheblich steigert.
Nach der Vorrichtung zum Rollclinchen werden die Strukturbauteile (2) durch eine mitlaufende Vereinzelungseinheit auf ihre endgültige Läge geschnitten.
Am Ende des äußerst wirtschaftlichen Herstellprozesses steht das erfindungsgemäße Strukturbauteil (2) .
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungen beschränkt ist, sondern vielmehr auf andere Ausgestaltungen wie zum Beispiel des Bauteilquerschnitts oder der speziellen Ausgestaltung der Vorrichtung oder des Verfahrens übertragbar ist.
So kann beispielsweise auch ein flexibles Walzprofilierverfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils mit über seiner Längserstreckung veränderlichen Profilquerschnitts verwendet werden. Daraus folgt für die Vorrichtung wiederum, dass die Walzstrecke Umformeinheiten mit verstellbaren Umformrollen aufweist, so dass die Umformrollen während der Umformung eine Bewegung durchführen, die der Veränderung des herzustellenden Profilquerschnitts entspricht.

Claims

Patentansprüche
1. Strukturbauteil (2) aus blechförmigem Material, welches mittels eines Walzprofilierverfahrens umgeformt ist, aufweisend mindestens einen zumindest in Teilabschnitten seiner Längserstreckung geschlossenen Hohlquerschnitt (21,22), dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Hohlquerschnitt (21,22) dadurch gebildet ist, dass das mittels Walzprofilieren umgeformte blechförmige Material mit sich selbst durch Rollclinchen gefügt ist.
2. Strukturbauteil (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels Rollclinchen hergestellte Fügeverbindung (23,24) über die Längserstreckung des Strukturbauteils gesehen in ihrem Fügequerschnitt (3) definiert variabel ist.
3. Strukturbauteil (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Fügeverbindung (23,24) ein Zusatzmaterial eingebracht ist.
4. Strukturbauteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (2) über die Längserstreckung des Strukturbauteils (2) gesehen eine unterschiedliche Dicke des blechförmigen Materials aufweist.
5. Strukturbauteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (2) aus kaltumformbarem und/oder warmumformbarem blechförmigen Material mit einer Zugfestigkeit größer als 1000 N/mm2 hergestellt ist.
6. Vorrichtung (1) zur Herstellung einer Fügeverbindung
(23,24) mittels Rollclinchen an einem Strukturbauteil (2) aus blechförmigen Material, wobei das Strukturbauteil (2) mittels eines Walzprofilierverfahrens umgeformt ist und die Vorrichtung (1) zum Rollclinchen ein Stempelrad (11) und ein Matrizenrad (12) aufweist, welche dergestalt zueinander angeordnet sind, so dass ein Spalt zwischen Stempelrad (11) und Matrizenrad (12) gebildet ist, durch den das zu fügende Strukturbauteil (2) hindurchführbar ist, so dass das blechförmige Material des Strukturbauteils (2) mit sich selbst zu einem zumindest teilweise geschlossenen Hohlquerschnitt zu fügen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Rollclinchen in eine Walzstrecke einer Walzprofilieranlage integriert ist.
7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Rollclinchen eine Einheit zur Zuführung von Zusatzmaterial aufweist.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Rollclinchen das Stempelrad (11) und Matrizenrad (12) in der Ausgestaltung als fliegende Rolleneinheit aufweist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelrad (11) und/oder das Matrizenrad (12) der Vorrichtung (1) zum Rollclinchen zumindest in Teilbereichen eines Stempelringes einen variablen Durchmesser aufweisen.
10. Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung (23,24) mittels Rollclinchen an einem Strukturbauteil (2) aus blechförmigen Material, wobei das blechförmige Material durch ein Walzprofilierverfahren in das Strukturbauteil
(2) mit zumindest einem geschlossenen Hohlquerschnitt (21,22) umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung (23,24) über die Längserstreckung des Strukturbauteils (2) gesehen in ihrem Fügequerschnitt
(3) definiert variabel ausgebildet wird und/oder dass in die Fügeverbindung (23,24) beim Rollclinchen ein Zusatzmaterial zur Verstärkung der Fügeverbindung (23,24) einbracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial in einem integrierten Verfahrensschritt einer Walzstrecke vor dem Rollclinchen vom blechförmigen Material des Strukturbauteils (2) abgeschert wird.
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