DE3543105A1 - Verfahren und vorrichtung zum formschluessigen verbinden von werkstuecken - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum formschluessigen verbinden von werkstuecken

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DE3543105A1 DE19853543105 DE3543105A DE3543105A1 DE 3543105 A1 DE3543105 A1 DE 3543105A1 DE 19853543105 DE19853543105 DE 19853543105 DE 3543105 A DE3543105 A DE 3543105A DE 3543105 A1 DE3543105 A1 DE 3543105A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum formschlüssigen Verbinden von Werkstücken, von denen mindestens eines aus einem Kunststoff besteht, der im erwärmten Zustand plastisch verformbar ist, während das zweite, damit zu verbindende Werkstück mindestens einen Durchbruch aufweist und zum Verbinden das aus Kunststoff bestehende erste Werkstück im Bereich des Durchbruchs des zweiten Werkstückes erwärmt und plastisch derart verformt wird, daß Teile des verformten Bereiches den Durchbruch ausfüllen und/oder den Rand des Durchbruches des zweiten Werkstückes formschlüssig hintergreifen.
Bei diesem bekannten Verfahren werden Teile des aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden ersten Werk­ stückes mit einem aufgeheizten Werkzeug erwärmt und somit plastisch verformbar gemacht und mit dem gleichen Werk­ zeug verformt. Hierzu ist ein großer Energieaufwand erforderlich, da wesentliche Teile des Werkzeuges aufge­ heizt werden müssen. Da der verformte Werkstoff nach dem Verformen noch einige Zeit in der gewünschten Gestalt gehalten werden muß, bis der verformte Werkstoff wieder erkaltet ist, ist ein großer Zeitaufwand erforderlich, da zunächst die Wärmezufuhr zum Werkzeug abgeschaltet werden muß. Dies bedingt dann auch wieder eine Anheiz­ zeit des Werkzeuges, um eine weitere Verbindung vornehmen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum formschlüssigen Verbinden von Werkstücken der eingangs erläuterten Art zu schaffen, die ein einfaches Erwärmen und Formen und Halten bis zum Erstarren des verformten Werkstoffes ermöglicht.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das aus Kunststoff bestehende erste Werkstück im Bereich des Durchbruchs des zweiten Werkstückes mittels eines ange­ preßten, sich drehenden, dornartigen Werkzeugs erwärmt und gleichzeitig der erwärmte Werkstoff verformt wird. Durch das Anpressen und Drehen des dornartigen Werkzeuges gegen das aus thermoplastischem Kunststoff bestehende erste Werkstück wird in besonders einfacher Weise Reibungs­ wärme erzielt, die im Anpreßbereich die erforderliche Erwärmung bewirkt, wobei gleichzeitig durch das Anpressen der erwärmte und damit plastisch gewordene Werkstoff ver­ formt wird.
Die Wärmezufuhr zu dem bereits verformten Werkstoff kann durch Einstellung der Drehbewegung des dornartigen Werk­ zeuges beendet werden. Durch Einstellung der Drehbewegung des angepreßten, dornartigen Werkzeuges wird somit in besonders einfacher Weise die Wärmezufuhr gestoppt, so daß sich der plastisch verformte Werkstoff verfestigen kann, so daß der Verbund aufrechterhalten bleibt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann das dornartige Werkzeug drehsymmetrisch ausgebildet sein und eine stumpfballige, am aus Kunststoff bestehenden Werkstück reibschlüssig angreifende Stirn­ fläche aufweisen. Dadurch wird der Kunststoff thermo­ plastisch erweicht und zur Seite gedrückt, während die drehsymmetrische Ausbildung des dornartigen Werkzeuges eine ganzflächige Anlage des dornartigen Werkzeuges beim Drehen gewährleistet.
Dabei mag das sich drehende, dornartige Werkzeug einen ballig ausgebildeten, zentrisch angeordneten, die Stirn­ fläche aufweisenden Vorsprung haben und damit gleich­ achsig gegen die Oberfläche des aus Kunststoff bestehenden ersten Werkstückes im Bereich des Durchbruches des zweiten Werkstückes anpreßbar sein. Zur Erleichterung der Bildung eines nietartigen Kopfes mag der ballig ausgebildete, zentrisch an der freien Stirnfläche des dornartigen Werk­ zeuges angeordnete Vorsprung von einer ringförmigen Nut mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt umgeben sein, deren Außendurchmesser den Durchmesser des Durchbruchs im zweiten Werkstück übersteigt. Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Vorrichtung wird der den Durchbruch des zweiten Werkstückes durchgreifende, angeformte Zapfen des aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden ersten Werkstückes durch die Reibung des sich drehenden Werk­ zeuges erwärmt und gestaucht, so daß der verformte Werk­ stoff den Durchbruch des zweiten Werkstückes formschlüssig ausfüllt, während weiterer plastischer Werkstoff die ring­ förmige Nut mit dem etwa halbkreisförmigen Querschnitt ausfüllt, so daß eine umlaufende Wulst geschaffen wird, die den Rand des Durchbruches des zweiten Werkstückes an der dem ersten Werkstück abgekehrten Seite formschlüssig hintergreift.
Der ballig ausgebildete, zentrisch zur freien Stirnfläche des dornartigen Werkzeuges angeordnete Vorsprung kann das freie Ende eines angeformten konischen Ansatzes bilden und durch den Durchbruch des zweiten Werkstückes gegen die dem zweiten Werkstück zugekehrte Seitenfläche des aus Kunststoff bestehenden ersten Werkstückes anpreßbar sein. Beim Drehen und Anpressen des dornartigen Werkzeuges gegen das aus thermoplastischem Kunststoff bestehende Werkstück erfolgt im Anpreßbereich eine Erwärmung und Erweichung des Werkstoffes, so daß das dornartige Werkzeug sich in das aus thermoplastischem Kunststoff bestehende erste Werkstück eindrückt und den erwärmten, plastischen Werk­ stoff verdrängt, so daß dieser in den Ringraum zwischen dem dornartigen Werkzeug und der Innenwandung des Durch­ bruches des zweiten Werkstückes gelangt, diesen ausfüllt, aus dem Durchbruch des zweiten Werkstückes herausquillt und den Rand des Durchbruches hintergreift.
Der konische Ansatz des dornartigen Werkzeuges kann an seinem dickeren Ende mit einer umlaufenden Hohlkehle in den Werkzeugschaft übergehen, deren Außendurchmesser den Durchmesser des Durchbruchs im zweiten Werkstück über­ steigt, so daß aus dem Durchbruch des zweiten Werkstückes herausquillendes plastisches Material nach außen gelenkt wird und nach dem Erstarren ein umlaufender Ringwulst gebildet ist, der den Rand des Durchbruchs im zweiten Werkstück an der dem ersten Werkstück abgekehrten Seite hintergreift.
Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele darge­ stellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 zwei miteinander zu verbindende Werkstücke vor der Herstellung der Verbindung im Schnitt und schematischer Darstellung des Werkzeuges, teilweise weggebrochen,
Fig. 2 die beiden Werkstücke während der Her­ stellung der Verbindung, teilweise weg­ gebrochen,
Fig. 3 die beiden miteinander verbundenen Werk­ stücke,
Fig. 4 zwei miteinander zu verbindende Werk­ stücke einer zweiten Ausführungsform vor der Herstellung der Verbindung, teilweise weggebrochen,
Fig. 5 die beiden Werkstücke während des Ver­ bindens, teilweise weggebrochen und
Fig. 6 die beiden miteinander verbundenen Werk­ stücke nach der Fertigstellung der Verbindung.
Bei dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten ersten Aus­ führungsbeispiel werden zwei Werkstücke 10 und 11 mit­ einander verbunden. Das erste Werkstück 10 besteht dabei aus einem thermoplastischen Kunststoff, während das zweite Werkstück 11 aus beliebigem Werkstoff, z.B. einer Blechplatte, gebildet sein kann. Das zweite Werkstück 11 weist einen runden Durchbruch 12 auf, der von einem Zapfen 13 durchgriffen ist, der an dem aus thermoplasti­ schem Kunststoff bestehenden ersten Werkstück 10 ange­ formt ist. Zum Verbinden liegen die beiden Werkstücke 10 und 11 flächig aufeinander. Für die Herstellung der Ver­ bindung wird ein sich drehendes, dornartiges Werkzeug 14 benutzt. Die Drehrichtung des dornartigen Werkzeuges 14 ist dabei mit dem Pfeil 15 angegeben. Das sich drehende dornartige Werkzeug 14 wird mit seiner Stirnfläche 23 gegen die mit einer Einbuchtung 16 versehene freie Stirn­ fläche eines beispielsweise am ersten Werkstück 10 ange­ formten Zapfens 13 gedrückt. Die Andrückrichtung ist dabei mit dem Pfeil 17 dargestellt.
Das dornartige Werkzeug ist drehsymmetrisch ausgebildet und weist einen ballig ausgebildeten, zentrisch ange­ ordneten Vorsprung 18 auf. Durch das Andrücken des balligen Vorsprunges 18 des dornartigen Werkzeuges 14 während des Drehens entsteht im Anpreßbereich Reibungs­ wärme, durch die der am ersten Werkstück 10 angeformte Zapfen 13 aus thermoplastischem Kunststoff bis zum Erweichen erwärmt wird. Durch das Andrücken des dornartigen Werkzeuges 14 wird nach dem Erweichen des Werkstoffes des Zapfens 13 eine Verformung durchgeführt, wodurch der Werkstoff des Zapfens nunmehr den Durchbruch 12 des zweiten Werkstückes 11 formschlüssig ausfüllt, während das überschüssige Material zur Seite gedrückt wird und in eine umlaufende Nut mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt gelangt, die den balligen Vorsprung 18 des dornartigen Werkzeuges 14 umgibt. Der Außendurchmesser der ringförmigen Nut 19 mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt weist einen Außendurchmesser auf, der größer als der Durchmesser des Durchbruchs 12 im zweiten Werkstück 11 ist. Dadurch wird nach der Verformung ein umlaufender Wulst 20 am Zapfen 13 geschaffen, der den Rand des Durchbruchs 12 im zweiten Werkstück 11 an der dem ersten Werkstück 10 ab­ gekehrten Seite hintergreift. Nach dem Erstarren des Werkstoffes des Zapfens 13 wird somit eine zuverlässige Verbindung der beiden Werkstücke 10 und 11 erreicht.
Die Wärmezufuhr zu dem bereits verformten Werkstoff des Zapfens 13 des ersten Werkstückes 10 kann in einfacher Weise durch Einstellung der Drehbewegung des dornartigen Werkzeuges 14 beendet werden, so daß eine Verfestigung des Kunststoffes an dieser Stelle in der erzielten Form er­ folgt.
Bei dem in den Fig. 4 bis 6 dargestellten zweiten Aus­ führungsbeispiel werden zwei Werkstücke 10 und 11 mit­ einander verbunden, wobei das zweite Werkstück 11 wiederum den Durchbruch 12 aufweist, während jedoch das erste, aus thermoplastischem Kunststoff bestehende Werk­ stück 10 keinen angeformten Zapfen zum Eingriff in den Durchbruch 12 aufweist. Um hier eine Verbindung zu erzielen, bildet der ballig ausgebildete, zentrisch zur freien Stirnfläche des dornartigen Werkzeugs 14 angeordnete Vorsprung 18 das freie Ende eines angeformten konischen Ansatzes 21. Der mit dem konischen Ansatz 21 verlängerte ballige Vorsprung 18 des dornartigen Werkzeuges 14 ist nunmehr durch den Durchbruch 12 des zweiten Werkstücks 11 gegen die dem zweiten Werkstück 11 zugekehrte Seiten­ fläche des aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden ersten Werkstückes anpreßbar, wobei im Anpreßbereich durch das Drehen des dornartigen Werkzeuges 14 wiederum Reibungs­ wärme erzielt wird. Im Anpreßbereich wird dadurch der Werkstoff flüssig und wird in den Ringraum gepreßt, der zwischen dem konischen Ansatz 21 des dornarigen Werk­ zeuges 14 und der Innenwand des Durchbruches 12 des zweiten Werkstückes 11 vorhanden ist, bis Werkstoff aus dem Durchbruch 12 des zweiten Werkstückes 11 herausge­ drückt wird. Der an seinem freien Ende den ballig aus­ gebildeten Vorsprung 18 aufweisende konische Ansatz 21 des dornartigen Werkzeuges 14 geht an seinem dickeren Ende mit einer umlaufenden Hohlkehle 22 in den Werkzeugschaft über, wobei der Außendurchmesser des Werkzeugschaftes den Durchmesser des Durchbruches 12 im zweiten Werkstück 11 übersteigt. Dadurch wird in einfacher Weise auch bei diesem Ausführungsbeispiel wieder ein umlaufender Wulst 20 ge­ bildet, der den Rand des Durchbruches 12 im zweiten Werk­ stück 11 an der dem ersten Werkstück 10 abgekehrten Seite übergreift. Dadurch ist in einfacher Weise auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine zuverlässige Verbindung der beiden Werkstücke 10 und 11 geschaffen.
Wie bereits erwähnt, sind die dargestellten Ausführungen lediglich beispielsweise Verwirklichungen der Erfindung und diese nicht darauf beschränkt. Vielmehr sind noch mancherlei andere Ausführungen und Anwendungen möglich. So könnte der Durchbruch 12 im zweiten Werkstück 11 auch mit einer konischen Hinterschneidung versehen sein, so daß beim Verformen der plastische Werkstoff nicht aus dem Durchbruch 12 des zweiten Werkstückes 11 zur Bildung einer Wulst 20 herausquellen muß, um eine formschlüssige Verbindung des einen Werkstückes 10 an dem zweiten Werk­ stück 11 zu erzielen. Außerdem sind die Formen des mit dem Kunststoff in Berührung kommenden Werkzeugteiles nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungen beschränkt. So ließe sich beispielsweise die Stirnfläche 23 des Werk­ zeuges 14 auch kegelförmig, kegelstumpfförmig, kugelig od.dgl. ausbilden.
  • Bezugszeichenliste 10 erstes Werkstück
    11 zweites Werkstück
    12 Durchbruch in 11
    13 Zapfen an 10
    14 dornartiges Werkzeug
    15 Pfeil
    16 Einbuchtung
    17 Pfeil
    18 balliger Vorsprung
    19 ringförmige Nut
    20 Wulst
    21 konischer Ansatz
    22 Hohlkehle
    24 Stirnfläche an 14

Claims (7)

1. Verfahren zum formschlüssigen Verbinden von Werkstücken von denen mindestens eines aus einem Kunststoff besteht, der im erwärmten Zustand plastisch verformbar ist, während das zweite, damit zu verbindende Werkstück mindestens einen Durchbruch aufweist und zum Verbinden das aus Kunststoff bestehende erste Werkstück im Bereich des Durchbruches des zweiten Werkstückes erwärmt und plastisch derart verformt wird, daß Teile des verformten Bereiches den Durchbruch ausfüllen und/oder den Rand des Durchbruches des zweiten Werkstückes formschlüssig hintergreifen, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Kunststoff bestehende erste Werkstück (10) im Bereich des Durchbruches (12) des zweiten Werkstückes (11) mittels eines angepreßten, sich drehenden, dornartigen Werkzeuges (14) erwärmt und gleichzeitig der erwärmte Werkstoff verformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr zu dem bereits verformten Werk­ stoff durch Einstellung der Drehbewegung des dorn­ artigen Werkzeuges (14) beendet wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dornartige Werkzeug (14) drehsymmetrisch ausgebildet ist und eine stumpfballige, am aus Kunststoff bestehenden Werkstück (10) reibschlüssig angreifende Stirn­ fläche (23) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das sich drehende dornartige Werkzeug (14) einen ballig ausgebildeten, zentrisch angeordneten, die Stirnfläche (23) aufweisenden Vorsprung (18) hat und damit gegen die Oberfläche des aus Kunst­ stoff bestehenden ersten Werkstückes (10) im Bereich des Durchbruches (12) des zweiten Werkstückes (11) anpreßbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ballig ausgebildete, zentrisch an der freien Stirnfläche des dornartigen Werkzeuges (14) ange­ ordnete Vorsprung (18) von einer ringförmigen Nut (19) mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt umgeben ist, deren Außendurchmesser den Durchmesser des Durchbruches (12) im zweiten Werkzeug (11) übersteigt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ballig ausgebildete, zentrisch zur freien Stirnfläche des dornartigen Werkzeuges (14) ange­ ordnete Vorsprung (18) das freie Ende eines ange­ formten konischen Ansatzes (21) bildet und durch den Durchbruch (12) des zweiten Werkstückes (11) gegen die dem zweiten Werkstück (11) zugekehrte Seitenfläche des aus Kunststoff bestehenden ersten Werkstückes (10) anpreßbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Ansatz (21) des dornartigen Werk­ zeuges (14) an seinem dickeren Ende mit einer umlaufenden Hohlkehle (22) in den Werkzeugschaft übergeht, deren Außendurchmesser den Durchmesser des Durchbruchs (12) im zweiten Werkstück (11) übersteigt.
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