DE19801654A1 - Umformwerkzeug mit mehreren Formgebungszonen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Umformwerkzeug mit Stempel und Matrize zur Bildung eines bei einer Schraubverbindung als Mutter dienenden, mit einem Kragen umgebenen Loches in einem dünnwandigen Blechteil.

Speziell in der Automobilindustrie werden in Blechkonstruktionen, die nur eine begrenzte Einschraubtiefe bieten, vielfach genormte Anschweiß- oder Annietmuttern verwendet. Weiterhin ist bekannt, Blechmuttern einzusetzen, die im wesentlichen aus einer Basisplatte bestehen, die wenigstens einen Bruchteil eines Gewindeganges aufweist. Die Blechmuttern können als das Blechteil umgreifende klammerförmige Klipsmuttern ausgebildet sein. In den Fällen, in denen keine klammerförmigen Klipsmuttern Verwendung finden, da der Umgriff der Blechmutter um das Blechteil nicht erwünscht ist, müssen die Blechmuttern auf andere Weise am Blechteil fixiert werden. Hierzu werden die Blechmuttern beispielsweise punktgeschweißt oder mittels mehr oder weniger aufwendig gestalteten Befestigungsvorrichtungen des Blechteils mit diesem verbunden. Möglichkeiten zur Ausgestaltung des Blechteils zur Aufnahme von Blechmuttern können beispielsweise der DE 30 45 659 A1 oder der DE 26 36 654 C2 entnommen werden. Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren zur Anbringung einer Mutter an einem Blechteil ist, daß die Mutter als Einzelteil zum Einsatz kommt, für dessen Handhabung und Fixierung am Blechteil zusätzliche Arbeitsgänge und/oder Fertigungseinrichtungen erforderlich sind. Darüber hinaus muß zum Anbringen der Mutter die Zugänglichkeit des Blechteils auf der der Anlageseite eines Anschlußbauteils abgewandten Seite gewährleistet sein. Weiterhin gestaltet sich der Korrosionsschutz im Verschraubungsbereich durch die zahlreichen Spalte und Hohlräume zwischen Mutter, Blechteil und Anschlußbauteil besonders schwierig.

Um die sich durch die Mutter als zusätzliches Bauteil ergebenden Nachteile zu vermeiden, werden oftmals die Blechteile nur mit einem Loch versehen, in das Blechschrauben oder sogenannte Gewindefurchschrauben eingesetzt werden, die sich beim Eindrehen ihr Gewinde selbst quasi schneiden. Dabei ist der Begriff des "Schneidens" nicht als spanabhebende Verformung zu verstehen, sondern als "Einformen", bei welchem - wie dem Fachmann bekannt ist - die Gewindefurch-Schraube das sog. "Gegen-Gewinde" im Blechteil durch Materialverdrängung herstellt, wodurch sich eine vorteilhafte Gefügeverfestigung und somit Verdichtung des Blechteilmaterials im Gewindebereich ergibt.

Hierbei ist es durchaus üblich, daß das Loch in dem Blechteil kragenförmig ausgebildet wird, wie dies beispielsweise dem DE-Fachbuch Steinhilper, W., Maschinen- und Konstruktionselemente, Band 1, 4. Auflage 1994, Springer-Verlag, S. 318, zu entnehmen ist. Auf diese Weise erreicht man eine Vergrößerung der Einschraubtiefe und einen Klemmeffekt durch die sich beim Anziehen der Schraube in den Gewindegrund stemmende Kragenwand. Auf der anderen Seite geht jedoch dadurch, daß auf die Mutter als zusätzliches Bauteil verzichtet wird, auch deren Versteifungseffekt für das dünnwandige Blechteil verloren. Weiterhin ist auch diese Lösung in bezug auf den Korrosionsschutz insofern als nicht befriedigend anzusehen, als das Anschlußbauteil im Verschraubungsbereich auf dem Blechteil flächig aufliegt. Hierdurch ist es nicht möglich, den Verschraubungsbereich nachträglich, d. h., nach Anschrauben des Anschlußbauteils, beispielsweise durch Tauchen in ein Lack- oder Korrosionsschutzmittelbad vor Korrosion zu schützen. Gleichzeitig wird einmal eingedrungenes Wasser in dem engen Spalt zwischen Blechteil und Anschlußbauteil über lange Zeit festgehalten.

Davon ausgehend liegt der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zu schaffen, mit dem in ein Blechteil ein mit einem Kragen umgebenes, als Schraubenmutter dienendes Loch mit geringem Aufwand eingebracht werden kann, wobei das Blechteil im Bereich des Loches versteift und bei Bedarf gewährleisten werden kann, daß die fertige Schraubverbindung nachträglich, beispielsweise durch Tauchen in ein Korrosionsschutzbad, insbesondere auch im Bereich zwischen Blechteil und Anschlußbauteil wirksam gegen Korrosion geschützt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Umformwerkzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stempel mindestens drei Formgebungszonen enthält, von denen eine erste Zone als Stanzzone, eine zweite Zone als Kragenbildungszone und eine dritte Zone als Prägezone ausgebildet ist, und die Matrize mindestens zwei Formgebungszonen enthält, von denen eine erste Zone als Kragenbildungszone und eine zweite Zone als Prägezone ausgebildet ist.

Durch die in das Umformwerkzeug integrierten mehreren Formgebungszonen ist es möglich, in einem Arbeitsgang in ein Blechteil ein Loch zu stanzen, dieses kragenförmig auszubilden und es mit Verprägungen zu umgeben. Während zur Ausbildung des Kragens und der Verprägungen Stempel und Matrize je eine Kragenbildungs- bzw. eine Prägezone enthalten, braucht zum Stanzen des Loches die Matrize nicht notwendigerweise einen der Stanzzone des Stempels entsprechenden Bereich aufzuweisen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Sollen die Verprägungen des Blechteils nicht nur der Versteifung und Vergrößerung des Krafteinleitungsbereichs der Schraubverbindung sondern auch der Möglichkeit eines verbesserten nachträglichen Korrosionsschutzes dienen, ist es sinnvoll, wenn die Prägezone des Stempels insbesondere vertiefte Bereiche enthält, die sich zweckmäßig radial zur Längsachse des Umformwerkzeugs erstrecken und mit komplementären Bereichen der Matrize zur Deckung kommen. Hierdurch werden im Blechteil wulstförmige Erhebungen auf der dem Anschlußbauteil zugewandten Seite erzeugt, so daß das Anschlußbauteil auf dem Blechteil nur linienförmig in einem definierten Abstand aufliegt, der ausreichend ist, um eine Flutung mit Korrosionsschutzmittel zu ermöglichen.

Vorzugsweise entsprechen die der mechanischen Aufnahme dienenden Bereiche des Schafts von Stempel und Matrize denjenigen von Standardlochstempeln und -matrizen, so daß die Aufnahme des Umformwerkzeugs in ein Preßwerkzeug, beispielsweise ein Tiefziehwerkzeug, auf die gleiche Weise erfolgen kann wie bei Standardlochstempeln und -matrizen. Es können somit Standardaufnahmen verwendet werden, und eine Austauschbarkeit mit Standardlochstempeln und -matrizen ist gewährleistet. Hierbei ist zu beachten, daß das Umformwerkzeug in Arbeitsrichtung des Preßwerkzeugs, d. h. in Pressenhubrichtung, eingesetzt wird. Soll in einem Winkel zur Pressenhubrichtung gearbeitet werden, so können in dem das Umformwerkzeug aufnehmenden Preßwerkzeug in bekannter Weise Schieber zur Betätigung des Umformwerkzeugs vorgesehen werden.

Nachfolgend sind vorteilhafte Ausführungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Stempels,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zu dem Stempel von Fig. 1 gehörenden Matrize,

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführung des Stempels von Fig. 1,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer zu dem Stempel von Fig. 3 gehörenden Matrize,

Fig. 5 eine Draufsicht im Teilschnitt auf ein Blechteil mit einem kragenförmigen Loch und Verprägungen mit Anschlußteil,

Fig. 6 einen vereinfachten Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 5 sowie

Fig. 7 einen vereinfachten Querschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 5.

Der in Fig. 1 dargestellte, insgesamt mit 10 bezeichnete Stempel weist einen zylindrischen Schaft 12 auf, dessen eines Ende von einer zylindrischen Schulter 14 mit größerem Außendurchmesser gebildet wird, die der mechanischen Aufnahme und verdrehsicheren Fixierung in einer nicht dargestellten, an sich bekannten Aufnahmevorrichtung dient. Das andere Ende des Schafts 12 wird durch einen als Ganzes mit 16 bezeichneten Umformbereich gebildet, der im wesentlichen drei konzentrische Umformzonen beinhaltet. Die äußerste Umformzone ist eine Prägezone 18, an die sich eine als Ganzes mit 20 bezeichnete Kragenbildungszone anschließt. Die innerste Umformzone ist eine kreisförmige, von einem zylindrischen Schaft 23 getragene Stanzzone 22. Die Prägezone 18 weist vier längliche, radial verlaufende erhabene Prägewülste 24 auf die sich bis in einen konischen Abschnitt 19 der Kragenbildungszone 20 erstrecken. Die Kragenbildungszone 20 läuft von dem konischen Abschnitt 19 in einen weiter innen liegenden zylindrischen Abschnitt 21 aus, dessen Ende über einen Radius in den zylindrischen Schaft 23 der Stanzzone 22 mündet.

Die insgesamt mit 27 bezeichnete Matrize gemäß Fig. 2 besitzt einen im wesentlichen zylindrischen Schaft 26, der an einem Endabschnitt eine seitliche Fixierfläche 28 aufweist, die zur Klemmung und gleichzeitigen Verdrehsicherung in einer nicht dargestellten Aufnahmevorrichtung dient. Der die seitliche Fixierfläche 28 aufweisende Endabschnitt des Schafts 26 wird durch eine Stirnfläche mit einem als Ganzes mit 30 bezeichneten Umformbereich begrenzt. Der Umformbereich 30 ist aufgeteilt in eine äußere ringförmige Prägezone 32 und eine innere, als Ganzes mit 34 bezeichnete Kragenbildungszone. Die Kragenbildungszone 34 geht von einem äußeren konischen Abschnitt 33 in einen weiter innen liegenden zylindrischen Abschnitt 35 über, an den sich ein Loch 36 anschließt. Die Prägezone 32 enthält vier radial verlaufende längliche Prägesicken 38, die sich bis in die Kragenbildungszone 34 erstrecken.

Die in Fig. 2 gezeigte Matrize 27 bildet als Gegenstück zu dem Stempel 10 von Fig. 1 zusammen mit diesem ein Umformwerkzeug, mit dem in ein dünnwandiges Blechteil ein bei einer Schraubverbindung als Mutter dienendes, mit einem Kragen umgebenes Loch eingebracht werden kann, das mit radialen Verprägungen zur Erhöhung der Steifigkeit umgeben ist. Beim Umformvorgang wird das zu bearbeitende Blechteil zwischen Stempel 10 und Matrize 27 eingespannt und mittels der Stanzzone 22 des Stempels 10 zunächst ein Loch gestanzt, wobei ein dabei entstehender Abschnitt über das Loch 36 der Matrize 27 abgeführt werden kann. Die Formung des Kragens und der Verprägungen erfolgt unter Druck zwischen komplementären Bereichen der Kragenbildungszonen 20 und 34 sowie der Prägezonen 18 und 32 von Stempel 10 bzw. Matrize 27. Hierbei kommen die Prägewülste 24 des Stempels 10 mit den Prägesicken 38 der Matrize 27 zur Deckung ebenso wie die konischen und zylindrischen Abschnitte der Kragenbildungszone 20 des Stempels mit den entsprechenden Abschnitten der Kragenbildungszone 34 der Matrize 27.

Der Kragen des in einem Blechteil mittels Stempels 10 und Matrize 27 gebildeten Lochs weist neben einem konischen auch einen zylindrischen Abschnitt auf, dessen Länge unter anderem vom Verhältnis des Außendurchmessers der Stanzzone 22 zum Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 21 der Kragenbildungszone des Stempels 10 abhängt. Der Außendurchmesser des Lochs 36 der Matrize 27 sollte um mindestens zweimal die Blechdicke des umzuformenden Blechteils größer sein als der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 21 der Kragenbildungszone des Stempels 10, wenn beim Umformvorgang die Blechdicke des zylindrischen Abschnitts des Kragens nicht dünner als die Ausgangsblechdicke werden soll.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten, insgesamt mit 39 bezeichneten Stempel handelt es sich um ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Stempels 10 von Fig. 1. Zu diesem gehört eine in Fig. 4 veranschaulichte, als Ganzes mit 41 bezeichnete Matrize. Bereiche des Stempels 39 und der Matrize 41, die gleich ausgestaltet sind wie die entsprechenden Bereiche des Stempels 10 bzw. der Matrize 27 haben gleiche Bezugszeichen.

Der Stempel 39 unterscheidet sich vom Stempel 10 im wesentlichen dadurch, daß die Prägezone 18 neben den erhabenen Prägewülsten 24 auch vier radial angeordnete vertiefte Prägesicken 40 enthält. Diese kommen beim Umformvorgang mit komplementären erhabenen Prägewülsten 42 der Matrize 41 zur Deckung, wodurch in das zu bearbeitende Blechteil Verprägungen eingebracht werden, die auf der dem Kragen abgewandten Seite des Blechteils erhaben sind. Hierdurch wird erreicht, daß ein Anschlußbauteil in einem durch die Dicke der Verprägung definierten Abstand zum Blechteil zu liegen kommt und zu diesem nur einen Linienkontakt über die radialen Verprägungen hat, so daß die fertige Schraubverbindung von Blechteil und Anschlußbauteil beispielsweise durch Tauchen in ein Korrosionsschutzmittel­ bad wirksam gegen Korrosion geschützt werden kann, und zwar auch in dem besonders kritischen Verschraubungsbereich.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen in vereinfachter Darstellung eine Schraubverbindung zwischen einem mittels Stempel 39 und Matrize 41 umgeformten Blechteil 44 und einem Anschlußbauteil 54. Die äußere Grenze eines Umformbereichs, innerhalb dessen das Blechteil 44 umgeformt wird, ist durch die gestrichtelte Linie 52 gegeben. Das Anschlußbauteil 54 weist ein Schrauben- Durchgangs-Loch 46 auf, über welches es mittels einer Schraube 58 an dem Blechteil 44 befestigt ist. Die Schraube 58 ist eine sogenannte Gewindefurchschraube, die sich ihr Gewinde beim Eindrehen in das Blechteil 44 selbst eindreht. Hierzu weist das Blechteil 44 ein als Mutter dienendes Schrauben-Loch 46' auf, das mit einem insgesamt mit 64 bezeichneten Kragen umgeben ist. Der Kragen 64 besitzt einen zylindrischen Abschnitt 70 und einen weiter außen liegenden konischen Abschnitt 68. Der Innendurchmesser des von dem zylindrischen Abschnitt 70 des Kragens 64 begrenzten Schrauben-Lochs 46' entspricht, bis auf durch Rückfederungseffekte hervorgerufene Abweichungen, dem Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 21 der Kragenbildungszone des Stempels 39. Das Blechteil 44 weist weiterhin radial verlaufende längliche Verprägungen 48 und 50 auf, von denen die Verprägungen 48 mit Bezug auf die dem Anschlußbauteil 54 zugewandte Oberfläche 56 des Blechteils 44 erhaben und die Verprägungen 50 vertieft sind.

Diese Verprägungen 48, 50 werden dabei durch die Prägesicken 38 und 40 sowie die Prägewulste 24 und 42 des beschriebenen Umformwerkzeuges, d. h. durch den Stempel 39 und die Matrize 41 erzeugt. In gleicher Weise wird das Schrauben-Loch 46' mit dem Kragen 64 durch die Kragenbildungszone 20 bzw. durch den zylindrischen Abschnitt 21 derselben sowie durch die Stanzzone 22 des Stempels 39 in Zusammenwirken mit der Kragenbildungszone 34 und dem Loch 36 der Matrize 41 erzeugt. Dabei haben die wulstförmigen Verprägungen 48 im Querschnitt einen äußeren, in Richtung auf das Anschlußbauteil 54 ansteigenden Abschnitt 60, an den sich ein im wesentlichen parallel zu der Oberfläche 56 verlaufender Abschnitt 62 anschließt. Die Verprägungen 50 sind sickenförmig ausgestaltet mit einem von der Oberseite 56 des Blechteils nach unten verlaufenden äußeren Abschnitt 72 und einem im wesentlichen parallel zur Oberfläche 56 angeordneten Abschnitt 74.

Die Verprägungen 48 und 50 versteifen den Bereich, in dem über die Schraube 58 Kräfte in das Blechteil 44 eingeleitet werden, und sorgen für einen insgesamt günstigen Kraftfluß in dem Blechteil 44. Die wulstförmigen, über die Oberfläche 56 erhabenen Verprägungen 48 gewahrleisten darüber hinaus, daß das Anschlußbauteil 54 in einem definierten Abstand A zum Blechteil 44 zu liegen kommt. Dieser Abstand A wird so gewählt, daß er ausreichend ist, um in den Zwischenraum zwischen Blechteil 44 und Anschlußbauteil 54 der fertigen Schraubverbindung ein Korrosionsschutzmittel oder einen Lack einzubringen.

Bezugszeichenliste

10

Stempel

12

Schaft

14

Schulter

16

Umformbereich

18

Prägezone

19

Konischer Abschnitt (von

20

)

20

Kragenbildungszone

21

Zylindrischer Abschnitt (von

20

)

22

Stanzzone

23

Schaft (von

22

)

24

Prägewulst

26

Schaft

27

Matrize

28

Fixierfläche

30

Umformbereich

32

Prägezone

33

Konischer Abschnitt (von

34

)

34

Kragenbildungszone

35

Zylindrischer Abschnitt (von

34

)

36

Loch

38

Prägesicke

39

Stempel

40

Prägesicke

41

Matrize

42

Prägewulst

44

Blechteil

46

Schrauben-Durchgangs-Loch

46

' Schrauben-Loch

48

Verprägung

50

Verprägung

52

Äußere Grenze eines Umformbereichs

54

Anschlußbauteil

56

Oberfläche von

44

,

54

zugewandt

58

Schraube (Gewindefurch-Schraube)

60

,

62

Abschnitte (von

48

)

64

Kragen

68

Konischer Abschnitt (von

64

)

70

Zylindrischer Abschnitt (von

64

)

72

,

74

Abschnitte (von

50

)

Claims (6)

1. Umformwerkzeug mit Stempel (10, 39) und Matrize (27, 41) zur Bildung eines bei einer Schraubverbindung als Mutter dienenden, mit einem Kragen (64) umgebenen Loches in einem dünnwandigen Blechteil (44), dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (10, 39) mindestens drei Formgebungzonen enthält, von denen eine erste Zone als Stanzzone (22), eine zweite Zone als Kragenbildungszone (19, 20, 21) und eine dritte Zone als Prägezone (18) ausgebildet ist, und die Matrize (27, 41) mindestens zwei Formgebungszonen enthält, von denen eine erste Zone als Kragenbildungszone (33, 34, 35) und eine zweite Zone als Prägezone (32) ausgebildet ist.

2. Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebungszonen des Stempels (10, 39) beziehungsweise der Matrize (27, 41) konzentrisch zur Längsachse des Umformwerkzeugs angeordnet sind.

3. Umformwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Prägezone (18, 32) des Stempels beziehungsweise der Matrize bis in die Kragenbildungszone (20, 34) hinein erstreckt.

4. Umformwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prägezone (18) des Stempels erhabene und/oder vertiefte Bereiche (24, 40) enthält, die mit Bereichen (38, 42) der Prägezone (32) der Matrize zur Deckung kommen, die als Negativformen in bezug auf die entsprechenden Bereiche des Stempels ausgebildet sind.

5. Umformwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erhabenen bzw. vertieften Bereiche (24, 38, 40, 42) radial zur Längsachse des Umformwerkzeugs angeordnet sind.

6. Umformwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanischen Aufnahme dienende Bereiche (14, 28) des Schafts (12, 26) von Stempel und Matrize denjenigen von Standardlochstempeln und Standardmatrizen entsprechen.