DE19945743A1

DE19945743A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen

Info

Publication number: DE19945743A1
Application number: DE19945743A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Voelkner; Gerald Effenberg; Reinhard Mauermann
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2000-04-20
Also published as: DE59904661D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen in einem mechanischen Fügeprozeß, wie beispielsweise Blechen, mit einem Formstempel (1a) und einer mit einer Ausnehmung versehenen Matrize, zwischen denen die zu verbindenden Bauteile positioniert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der aktiven axialen Vorschubbewegung des Formstempels (1a) eine Taumelbewegung während des ganzen Fügeprozesses oder während eines Teiles des Fügeprozesses und eine variable von der Taumelbewegung abhängige Stempelkraft (F) aufgeprägt wird, so daß ein zur Hinterschneidung (6) gerichteter Werkstofffluß erzeugt wird. DOLLAR A Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Verbinden von sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Aus der DE 40 09 813 C1 ist eine Vorrichtung zum Verbinden von sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen bekannt. Mit einer derartigen Vorrichtung lassen sich Blechen durch das sogenannte Clinchen verbinden. Die Besonderheit bei dieser Vorrichtung besteht darin, daß im Bereich des Umfangrandes der Ausnehmung der Matrize ein verformbares Material vorgesehen ist, das weicher als das der zu verbindenden Bleche ist. Damit soll auf eine übliche Teilung der Matrize verzichtet werden.

Aus der DE 39 23 182 C2 ist eine Vorrichtung zum Verbinden von übereinander angeordneten plattenförmigen Bauteilen mit einem Stempel bekannt, bei der eine geteilte Matrize verwendet wird. Zur Lagerung der Matrizenteile ist ein Grundkörper mit komplementären Kegelflächen vorgesehen, sowie eine Rückholfeder zur Vorspannung auf dem Grundkörper in Bewegungsrichtung des Stempels.

Beim Clinchen, unter Verwendung von Vorrichtungen nach DE 40 09 813 C1 oder DE 39 23 182 C2 , dringt ein Stempel beim Arbeitshub in einer geradlinigen Bewegung in die zu verbindenden Bleche ein, wobei auf der Gegenseite eine feste oder geteilte Matrize die Form der sogenannten Matrizenseite des Clinchpunktes mit ausbildet. In der geteilten Matrize wird ein Gegenstempel positioniert. Mit dem Einbringen der Vertiefung durch die Werkzeuge wird neben dem Kraftschluß der bekannte Formschlußeffekt, die sogenannte Hinterschneidung, zwischen den Fügepartnern erzielt, wobei der Vorgang bis zu einer vorgegebenen Bodendicke durchgeführt wird.

Nachteilig ist, daß beim bekannten Clinchen hohe Kräfte benötigt werden. Deshalb sind die Werkzeug- und Werkzeuggestellbelastungen hoch und schränken die Anwendung bei hochfesten Blechen ein.

Durch die hohen Fügekräfte werden bei der Notwendigkeit genauer koaxialer Ausrichtung zwischen Stempel und Matrize große Anforderungen an die Führung der Werkzeuge gestellt. Für die überwiegend als Werkzeuggestell eingesetzten C-Bügel wird mit hohen Kräften die Ausladung und damit die Anwendbarkeit des Verfahrens eingegrenzt. Durch die geradlinige Stempelbewegung wird die Dicke des stempelseitigen Bleches im sogenannten Halsbereich stark verjüngt und der Hinterschnitt nur gering ausgebildet, wodurch die Verbindungsfestigkeit begrenzt wird.

Die Überlagerung einer Taumelbewegung zu einer Fügevorschubbewegung ist vom Taumelnieten her bekannt. Das Taumelnieten wird angewandt, um durch partielle Stauch- und Prägeoperationen, z. B. an einem Hilfsfügeteil, eine formschlüssige Verbindung zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die beim Clinchen aufzubringenden Kräfte zu senken. Damit sollen die Anwendungsgebiete bezüglich hochfester Werkstoffe und die Zugänglichkeit bei großen Bauteilen mit C-Bügeln wesentlich erweitert werden. Die Aufgabe besteht weiterhin darin, die Schwachstellen geringe Halsdicke und geringer Hinterschnitt zu beseitigen und damit bei der gleichen Fügeaufgabe eine höhere Verbindungsfestigkeit zu erreichen. Ferner sollen komplizierte Matrizen und der notwendige Aufwand zum koaxialen Positionieren von Stempel und Matrize nach Möglichkeit entfallen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtungen mit den im Anspruch 4 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den in den Ansprüchen 5 bis 9 genannten Merkmalen.

Bei dem Verfahren wird der axialen Vorschubbewegung eine taumelnde Bewegung des Formstempels und eine variable Stempelkraft überlagert, wobei die taumelnde Bewegung und die variable Stempelkraft aufeinander abgestimmt gesteuert werden. Während der Stempel eine Taumelbewegung ausführt wird die Stempelkraft so gesteuert, daß während der Wanderung der zwischen Stempelstirn und Werkstück gebildeten Kontaktfläche vom Mittelpunkt des Clinchpunktes nach außen die Stempelkraft erhöht und während der Wanderung dieser Fläche von außen nach innen die Stempelkraft verringert wird.

Durch die Taumelbewegung wird der Werkstoff partiell umgeformt, so daß die Prozeßkräfte deutlich sinken. Durch die variable Stempelkraft wird der gewünschte Werkstofffluß radial von innen nach außen realisiert. Die Taumelbewegung selbst kann während des ganzen Fügeprozesses oder während eines Teiles des Fügeprozesses der axialen Vorschubbewegung überlagert sein.

Vorrichtungsgemäß ist am Formstempel ein mechanisch angetriebener Mechanismus vorgesehen, der diesen in eine Taumelbewegung versetzt. Weiterhin ist ein mechanisch, servohydraulisch, piezzoelektrisch o. dgl. angetriebener Mechanismus vorgesehen, der den Formstempel mit einer variablen Stempelkraft gegen die Ausnehmung der Matrize vorschiebt. In Abhängigkeit von der Taumellage wird die Beaufschlagung des Formstempels mit der variablen Stempelkraft ermittelt und gesteuert.

Auf der Gegenseite liegen die Bleche auf einer festen oder beweglichen Matrize mit oder ohne Gegenstempel oder aber nur auf einem glatten Amboß auf.

Eine spezielle Geometrie des Formstempels realisiert im Zusammenhang mit der Taumelbewegung am Beginn des Fügeprozesses den Einzug von mehr Material in die Umformzone. Während der Umformung und vor allem am Ende des Vorganges wird Material radial aus dem Bodenbereich in den Halsbereich gedrückt und damit aus einem Gebiet, in dem eine Anhäufung nicht notwendig ist, in den Halsbereich verlagert, der für die Festigkeit der Verbindung ausschlaggebend ist.

Dazu besitzt der Formstempel eine Stirnform als Radien R1/R2 und/oder als Kegel und/oder als Schleppkurve, wobei bei einer Ausbildung mit reinen Radien der Radius R1 größer ist, als der maximale Stempeldurchmesser und R2 kleiner ist, als der maximale Stempeldurchmesser.

Der Gegenstempels weist eine Stirnform aus, entweder mit einem Radien R3 und/oder einem Kegel und/oder einer Schleppkurve, wobei bei einer Ausbildung mit reinem Radius der Radius R3 größer ist, als der maximale Stempeldurchmesser.

Vorteilhaft besitzt der Formstempel eine Stempelhinterschneidung, an welcher der maximale Stempeldurchmesser eine solche Verjüngung erfährt, daß eine Kollision zwischen dem Schaft des Formstempels und dem zylinderförmigen Teil des stempelseitigen Bleches verhindert wird.

Es ist von Vorteil, wenn eine bewegliche Matrize einen Matrizenhinterschnitt besitzt, an welchem der Matrizeninnendurchmesser eine Verjüngung erfährt, um die Hinterschneidung im Fügepunkt zu unterstützen.

Es kann auch eine feste Matrize verwendet werden. Diese sollte dann eine Ausformungsschräge mit einem Winkel und/oder Übergangskurven zwischen Matrizenstirn und -grund besitzen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das bekannte Clinchen mit geteilter Matrize und Gegenstempel,

Fig. 2 einen Formstempel in ausgelenkter Lage am Ende des Umformvorganges,

Fig. 3 eine Bewegungsbahn der Kontaktfläche zwischen Stempelstirn und Werkstoff,

Fig. 4 eine Vorrichtung mit fester Matrize und flachem Ambos.

In Fig. 1 ist das bekannte Clinchen mit geteilter Matrize 4 und Gegenstempel 5 dargestellt. Der Stempel 1 dringt in einer axialen Bewegung in die zu verbindenden Bleche 2 und 3 ein. Mit dem Einbringen der Vertiefung durch die Werkzeuge wird neben dem Kraftschluß der bekannte Formschlußeffekt, die sogenannte Hinterschneidung 6, zwischen den Fügepartnern erzielt, wobei der Vorgang bis zu einer vorgegebenen Restbodendicke 7 durchgeführt wird und sich ein Halsbereich 8 als entscheidendes Kriterium für die Verbindungsfestigkeit bildet.

In Fig. 2 ist der Formstempel 1a in ausgelenkter Lage am Ende des Umformvorganges dargestellt. Die beiden Bleche 2, 3 werden in eine geteilte Matrize 4 gepreßt, die mit einem Matrizenhinterschnitt 4a versehen ist.

Bei der Taumelbewegung kippt der Formstempel 1a um den Winkel α und gemeinsam mit den Radien R1/R2 von Formstempel 1a und Gegenstempel 5 wird die Restbodendicke 7 gezielt verjüngt und das Material aus dem Bodenbereich radial nach außen verdrängt.

In Fig. 3 ist eine Bahn einer Taumelbewegung dargestellt. Bei der Bewegung des Formstempels in Form einer Rosette wird der Mittelpunkt des Clinchpunktes 13 mehrfach durchlaufen. Bei der nach innen, Richtung Zentrum des Punktes verlaufenden Bewegung 14 wird die Stempelkraft verringert, im Extremfall bis auf Null, bei der nach außen gerichteten Bewegung 15 wird eine hohe Stempelkraft F realisiert. Die Stempelkraft F hat also bei steigendem Wert α einen größeren Wert und preßt so den Werkstoff radial nach außen. Diese variable Stempelkraft wird mechanisch, servohydraulisch, piezzoelektrisch o. dgl. erzeugt. Der entstehende spezielle Werkstofffluß und der Matrizenhinterschnitt 4a ermöglichen eine bessere Ausbildung des kritischen Halsbereiches 8 und der Hinterschneidung 6.

Die Stempelhinterschneidung 9 des Formstempels Ia ist Voraussetzung für einen horizontal verschiebungsfreien Vorgang und ermöglicht eine zylindrische Innenkontur des Fügepunktes.

In Fig. 4 wird auf der rechten Seite der Mittellinie die Vorrichtung mit fester Matrize 10 und auf der linken Seite mit flachem Ambos 11 jeweils im unteren Totpunkt gezeigt. Wiederum wird durch den Werkstofffluß ein gut ausgebildeter Halsbereich 8 und eine Hinterschneidung 6 bei geringer Bodendicke 7 erzielt, wobei die Hinterschneidung 6a bei flachem Ambos 11 geringer aber für viele Einsatzfälle ausreichend ist.

Bezugszeichenliste

1

Stempel

1

a Formstempel

2

Blech

3

Blech

4

Matrize

4

a Matrizenhinterschnitt

5

Gegenstempel

6

Hinterschneidung

6

a Hinterschneidung

7

Restbodendicke

8

Halsbereich

9

Stempelhinterschneidung

10

Matrize

11

Ambos

12

Aushebeschräge der Matrize

13

Mittelpunkt des Clinchpunktes

14

nach innen, Richtung Zentrum des Punktes verlaufende Bewegung

15

nach außen gerichtete Bewegung
F variable Stempelkraft
R1 Radius am Stempel
R2 Radius am Stempel
R3 Radius am Gegenstempel

Claims

1. Verfahren zum Verbinden von sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen in einem mechanischen Fügeprozeß, wie beispielsweise Blechen, mit einem Formstempel (1a) und einer mit einer Ausnehmung versehenen Matrize (4), zwischen denen die zu verbindenden Bauteile (2, 3) positioniert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der aktiven axialen Vorschubbewegung des Formstempels (1a) eine Taumelbewegung während des ganzen Fügeprozesses oder während eines Teiles des Fügeprozesses und eine variable von der Taumelbewegung abhängige Stempelkraft (F) aufgeprägt wird, so daß ein zur Hinterschneidung (6) gerichteter Werkstofffluß erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelbewegung des Formstempels (1a) unter einem veränderbaren Winkel (α) durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Stempelkraft (F) bei steigendem Winkel (α) einen größeren Wert annimmt und bei abnehmendem Winkel (α) auf einen kleineren Wert reduziert wird.

4. Vorrichtung zum Verbinden von sich überlappenden plattenförmigen Bauteilen in einem mechanischen Fügeprozeß, wie beispielsweise Blechen, mit einem verschiebbaren Formstempel (1a) und einer mit einer Ausnehmung versehenen Matrize (4), zwischen denen die zu verbindenden Bauteile (2, 3) positionierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanisch angetriebener Mechanismus vorgesehen ist, der den Formstempel (1a) in eine Taumelbewegung versetzt, ein weiterer mechanisch, servohydraulisch, piezzoelektrisch o. dgl. angetriebener Mechanismus vorgesehen ist, der den Formstempel (1a) mit einer variablen Stempelkraft (F) gegen die Ausnehmung der Matrize (4) vorschiebt, wobei der Wert der Stempelkraft (F) in Abhängigkeit von der Taumellage steuerbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formstempel (1a) eine Stirnform als Radien (R1/R2) und/oder als Kegel und/oder als Schleppkurve besitzt, wobei bei einer Ausbildung mit reinen Radien (R1) größer ist, als der maximale Stempeldurchmesser und der Radius (R2) kleiner ist, als der maximale Stempeldurchmesser.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gegenstempel (5) vorgesehen ist, der eine Stirnform als Radien (R3) und/oder als Kegel und/oder als Schleppkurve besitzt, wobei bei einer Ausbildung mit reinem Radius (R3) dieser größer ist, als der maximale Stempeldurchmesser.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Formstempel (1a) eine Stempelhinterschneidung (9) besitzt, an welcher der maximale Stempeldurchmesser eine solche Verjüngung erfährt, daß eine Kollision zwischen dem Schaft des Formstempels (1a) und dem zylinderförmigen Teil des stempelseitigen Bleches verhindert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegliche Matrize (4) vorgesehen ist, die einen Matrizenhinterschnitt (4a) besitzt, an welchem der Matrizeninnendurchmesser eine Verjüngung erfährt, um die Hinterschneidung im Fügepunkt zu unterstützen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine feste Matrize (10) vorgesehen ist, die eine Ausformungsschräge (12) mit einem Winkel und/oder Übergangskurven zwischen Matrizenstirn und -grund besitzt.