EP1497053B1

EP1497053B1 - Durchsetzfügeverfahren und werkzeug dafür

Info

Publication number: EP1497053B1
Application number: EP03727179A
Authority: EP
Inventors: Eugen Rapp
Original assignee: Tox Pressotechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Tox Pressotechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2023-04-04
Also published as: KR100992106B1; DE50311156D1; CN100377805C; ATE422174T1; ES2318133T3; KR20040106319A; DE10315724A1; AU2003233930A1; SI1497053T1; US20060096076A1; MXPA04009688A; WO2003084694A1; CN1646242A; BR0308971A; EP1497053A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren für eine Durchsetzfügeverbindung von Bauteilen mit mindestens einer Platte nach der Gattung des Patentanspruches 1 und von einem Werkzeug gemäß der Gattung des Patentanspruchs 4, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art ( GB 2069394 A ) sind die nachgiebigen Wandabschnitte an vier die Matrize bildenden Säulen ausgebildet, wobei diese Säulen in sich die radiale Elastizität aufbringen und wobei zwischen den Säulen Spalte vorhanden sind, die sich durch Aufnahme des verquetschten Materials und entsprechender unkontrollierbarer Gestaltung desselben, nachteilig auswirken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind diese Spalten auch im Boden der Matrize vorgesehen, wodurch der radiale Fluss beim Quetschen der Flächenbereiche beeinträchtigt wird. Gemäß einem anderen dort beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Boden, zumindest in seinem zentralen Bereich, geschlossen und als nachgiebiger Kolben ausgebildet, was wiederum den Nachteil hat, dass beim radialen Auseinandergehen verdrängtes Material in die sich dadurch bildenden Spalten zwischen den genannten Säulen und diesen Kolben dringen kann.
Bei einem anderen bekannten Verfahren ( EP 0 720 695 B1 ) wird ein "verlorener Niet" als Stanzniet durch eine der zu verbindenden Platten gestoßen, um danach, aufgrund der Gestaltung des Nietes, aufgespreizt zu werden. Hierbei ist beim Durchstoßen des "oberen Bleches während des Nietens eine soweit möglich schonende Behandlung des oberen Bleches ...." angestrebt. Diesem bekannten Verfahren sind die gattungsprägenden Merkmale der Erfindung, nämlich einem Verfahren für eine Durchsetzfügeverbindung von Bauteilen (Platten, Bolzen, Muttern odgl.) mit mindestens einer Platte,

a) bei dem ein Stempel odgl. Flächenbereiche dieser Platte in eine Matrizenöffnung des Sockelteils einer Matrize
b) zuerst ohne Durchtrennung der Platte tiefzieht und
c) danach dieses tiefgezogene Plattenmaterial unter plastischer Verformung desselben zwischen Stempel und Bodenfläche der Matrize quer zur Achsrichtung und entgegen der Kraft elastisch nachgiebiger Wandabschnitte der Matrize verdrängt,
nicht entnehmbar. Durch den Stanzvorgang und die dort gegebene Gestaltung des Nietschaftes wird ein Tiefziehen und danach quer zur Achsrichtung vorgesehenes Verquetschen des tiefgezogenen Materials verhindert. So kann auch nicht das Verfahrensmerkmal
d) zutreffen, dass gemäß der Erfindung "zur Herstellung der Verbindung dieses radial verdrängte Plattenmaterial die entsprechend nicht tiefgezogenen Bereiche der Platte untergreift", sondern der gespreizte Nietschaft untergreift die Platte ohne dabei gemäß Merkmal c) Plattenmaterialien nach dem Tiefziehvorgang (Merkmal b) quer zur Achsrichtung zu verdrängen.

Nach einem anderen bekannten Verfahren, bzw. einer bekannten Vorrichtung ( EP 0 330 061 ) sind zwei gegenüberliegende Wandabschnitte so ausgebildet, dass sie federnd nachgeben, wobei die tiefgezogenen und verquetschten Flächenteile an den nachgiebigen Stellen die Platte hintergreifen, hingegen in den anderen Querrichtungen, in denen keine nachgiebigen Wände vorhanden sind, lediglich glatt in Fügerichtung verlaufen. Nachteil hierbei ist, dass einerseits beim Arbeitsvorgang bei dem gegebenen Auseinanderstreben der gegenüberliegenden Wandteile verquetschtes Material in die dadurch gebildeten Spalten dringen kann und dass andererseits die nicht hintergreifenden Abschnitte leicht konisch nach außen verlaufen, d. h. die Neigung zum "Entknöpfen" haben. Dem Fachmann kam es hier in erster Linie darauf an, einerseits wenigstens abschnittsweise eine möglichst große Hintergreifung der verquetschten Flächenteile unter den stehen gebliebenen Abschnitten der Platte zu erhalten und andererseits mit möglichst einem Arbeitsgang einen solchen Verbindungspunkt zu bewerkstelligen und dies natürlich bei ausreichender Festigkeit.
Zum Zeitpunkt der Patentanmeldung war das Bewusstsein und Interesse des Fachmannes für Durchsetzfügeverbindungen in erster Linie darauf gerichtet, den Tiefziehvorgang sauber vom Quetschvorgang zu trennen um dadurch eine Kontrolle über den Ablauf des Verfahrens zu erhalten. Bei einer bekannten Vorrichtung ( DE OS 4435460 ) werden deshalb die ausweichenden Wandteile der Matrize nicht nur durch eine Feder entgegen der Quetschrichtung belastet, sondern es wird zusätzlich über die untere Auflagerung dieser Wandteile ein Kippmoment erzeugt, wodurch eine deutliche Trennung zwischen Beendigung des Tiefziehverfahrens und Beginn des Quetschverfahrens erfolgt, ohne dass deshalb das Quetschverfahren selbst durch diese beweglichen Wandteile unmittelbar beeinflusst wird.
Bei wieder einer anderen bekannten Vorrichtung ( DE OS 198 43 834 A1 ) bzw. einem anderen bekannten Verfahren ( EP 1183130 B1 ) werden zwar Flächenbereiche einer Platte tiefgezogen und danach quer zur Achsrichtung verdrängt, wobei ebenfalls dieses radial verdrängte Plattenmaterial die nicht tiefgezogenen Bereiche der Platte untergreift, allerdings in anderer Art, wie bei der Erfindung. Im Gegensatz zur Gattung der Erfindung erfolgt diese radiale Verformung des tiefgezogenen Plattenmaterials nicht entsprechend Merkmal c) "entgegen der Kraft elastisch nachgiebiger Wandabschnitte der Matrize", sondern gegen radial unnachgiebige Wandabschnitte, welche an Hebeln schwenkbar angeordnet sind, um aufgrund der gegebenen Hinterschneidung das Werkstück entnehmen zu können. Abgesehen davon, dass gattungsgemäße wesentliche Merkmale bei dieser bekannten Vorrichtung, bzw. diesem bekannten Verfahren fehlen, ist eine solche Hinterschneidung mit den Entnahmeproblemen des Werkstücks, einschließlich der sich damit ergebenden zusätzlichen Bearbeiturigszeit und Störanfälligkeit, unerwünscht.
Nicht zuletzt ist eine Vorrichtung für ein Durchsetzfügeverfahren bekannt, bei dem die vier Wandteile der Matrize beim Tiefzieh-, bzw. Quetschvorgang entgegen einer Ringfeder radial nach außen gedrückt werden ( EP 0 653 255 A1 ). Um die Matrize ist ein Blechkäfig angeordnet, der jedoch lediglich die Aufgabe hat, die Matrizenteile aufzunehmen und zu führen. Irgendwelche Einflüsse auf den Tiefzieh- oder Quetschvorgang hat dieser Käfig nicht. Nachteilig ist zudem, dass der Matrizenboden die Stirnseite eines Kolbens bildet, der in die Matrize ragt und dass die Matrizenwandteile auf einer Stufe desselben für das Quetschverfahren geführt sind. Außerdem ist als erforderlich angesehen, dass auf der Stirnseite dieses Kolbens eine an sich bekannte Erhebung vorhanden ist, die natürlich Einfluss auf das Quetschverfahren hat. Beim Einsetzen dieses Werkzeugs besteht zudem der Nachteil, dass die Querkräfte an den oberen Enden der Wandteile der Matrize angreifen und damit ein Kippmoment erzeugen, was dazu führen kann, dass die im Käfig angeordneten Führungsstifte verkanten. Außerdem besteht der Nachteil, dass verquetschtes Material in den Bereich zwischen die Wandteile und diesem Kolben gelangt, so dass das eigentliche Quetschverfahren im Bezug auf die Materialverformung der Plattenabschnitte weitgehend unkontrollierbar wird, wobei sich die Erhebung auf dem Kolbenboden eher nachteilig auswirkt. Offensichtlich ist das mit diesem Werkzeug angestrebte Ergebnis eine hohe Hintergreifung zu erzielen, und zwar auf allen Seiten des Verbindungspunktes.

Der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei gattungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen für Durchsetzfügeverbindungen eine Verbesserung der Festigkeit des Fügepunktes über die Kaltverformung des verquetschten Materials zu erreichen, ohne dass Späne oder verquetschte Materialien in Werkzeugspalten gelangen und zu einer Beeinträchtigung der Produktion führen, wobei dies außerdem mit möglichst einfachen Mitteln erzielbar sein soll.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das erfindungsgemäße Werkzeug mit den Merkmalen des Anpruchs 4, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, hat den Vorteil, dass ein kontrolliertes, sauberes Tiefziehverfahren stattfindet, um danach eine gezielte radiale Verquetschung zu erreichen, ohne dass verquetschtes Material ungewünscht in irgendwelche Spalten gelangt und wobei durch die unnachgiebige Begrenzung des Weges der nachgiebigen Wandabschnitte eine Kaltverformung des verquetschten Materials erfolgt, was eine Festigkeitserhöhung des Fügepunktes um etwa 30% gegenüber einem nicht kaltverformten gequetschten Material zur Folge hat. Hierdurch wird auch erreicht, dass diese die Platte hintergreifenden Materialien aufgrund des jeweiligen Anschlags besonders fest sind. Zusätzlich zu diesen Vorteilen kann trotz Hintergreifung durch entsprechende Führung des Flusses des verdrängten Materials ein solcher Verbindungspunkt in nur einem Arbeitsgang bewerkstelligt werden, d. h. das Werkstück kann ohne einen zusätzlichen Arbeitsgang des Werkzeuges der Werkzeugmaschine entnommen werden.
Indem die stehen bleibenden Wandabschnitte vorteilhafterweise das verquetschte Material in Richtung der verschiebbaren Wandabschnitte verdrängen, ist es auch von besonderer Bedeutung, dass die nachgiebigen Wandabschnitte auf einer Fläche verschiebbar sind, die parallel zur Verschieberichtung verläuft und ununterbrochen in die Bodenfläche der Matrize übergeht. Hierdurch wird vor allem auch vermieden, dass dort eine Anhäufung an verdrängtem Material der tiefgezogenen und verquetschten Plattenabschnitte erfolgt.
In jedem Fall wird durch das Stehen lassen von fest mit dem Sockelteil der Matrize verbundenen Teilen der Wandabschnitte eine größere Hintergreifung der stehen gebliebenen Flächenabschnitte der Platte erreicht.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens ist die Begrenzung des radialen Weges, über den Umfang der Matrize gesehen, unterschiedlich, änderbar oder abwechselnd groß, so dass dadurch unterschiedliche Härten bei der Kaltverformung erzielbar sind.
Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der das Verfahren betreffenden Erfindung verbleibt der Stempel, mindestens soweit er in die Matrizenöffnung taucht, als verlorener Stempel ausgebildet, nietartig und formschlüssig in der Eindringöffnung. Hierdurch wird einerseits eine quasi Unlösbarkeit dieses druckknopfartigen Verbindungspunktes erreicht und andererseits die Möglichkeit erzielt, zusätzliche Verbindtingsteile wie Muttern, Bolzen odgl. mit der Platte zu verbinden, indem der verlorene Stempel entweder in Form dieser Verbindungsteile oder als Gegenstück dazu ausgebildet wird.
Der besondere Vorteil des gattungsgemäßen Werkzeugs ( WO 02/081112 A2 ) besteht darin, dass die, auf den Umfang der Arbeitsöffnung gesehen, zwischen den beweglichen Wandabschnitten unnachgiebig, insbesondere einstückig, mit dem Sockelteil verbundenen Wandabschnitte so eine gute und einfach zu beherrschende Führung der nachgiebigen Wandabschnitte bilden. Das radial verquetschte Material wird dadurch vermehrt in die Bereiche der nachgiebigen Wandabschnitte verdrängt. Aber erst durch den erfindungsgemäßen, den radialen Weg begrenzenden, Anschlag nach Anspruch 4 wird beim nachfolgenden Pressvorgang aufgrund dieser Anschläge eine entsprechend hohe Verdichtung und damit Härte der hintergreifenden Flächenteile erzielt.
Nach zusätzlichen das Werkzeug betreffenden Ausgestaltungen der Erfindung ist der Anschlag, der den Weg der radial nachgiebigen Wandabschnitte begrenzt, beispielsweise einteilig am Sockelteil der Matrize, angeordnet. Hierdurch wird in einfacher Weise die entsprechende Festigkeit erzielt. Erfindungsgemäß kann dieser Anschlag aber auch einstellbar oder verstellbar sein. Normalerweise wird jedoch die Matrize ausgetauscht, wenn der radiale Weg, beispielsweise bei einem anderen Einsatz, geändert wird. Aber auch eine Veränderung der Lage des Anschlags kann mit geringem Aufwand erzielt werden. Maßgebend ist, dass diese Ein- oder Verstellmöglichkeit gewährleistet, dass eine feste Verbindung zwischen Anschlag und Sockelteil besteht.
Erfindungsgemäß kann jedenfalls der Sockelteil aus einem Stück bestehen, in welchem Nuten und Bohrungen zur Aufnahme der nachgiebigen Wandabschnitte der Federn udgl. angeordnet sind. Hierdurch entsteht ein kompaktes, in die Werkzeugmaschine leicht einsetzbares Werkzeug.
Vorteilhafterweise dient die an sich bekannte der Arbeitsöffnung zugewandte Bodenfläche des Sockelteils als Auflage und zur radialen Führung der Wandabschnitte. Hierdurch wird vor allem vermieden, dass während des Arbeitsvorgangs und entsprechendem Verschieben der Wandabschnitte Spalten im Boden entstehen, in welche Material der verdrängten Plattenabschnitte dringen könnte, wodurch die erfindungsgemäß erzielte Kaltverhärtung in Frage gestellt sein könnte und außerdem mehrere Arbeitsgänge zur Herstellung des Verbindungspunkts erforderlich wären.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung des Werkzeugs ist der Stempel in an sich bekannter Weise ( EP 0 720 695 B1 ) als verlorener Stempel in Form eines Nietes, einer Mutter, eines Bolzens odgl. ausgebildet und verbleibt nach Beendigung der Durchsetzfügung form- und/oder kraftschlüssig in der durch ihn bewirkten Tiefziehöffnung der Platte. Durch diesen Materialverbund entsteht eine zusätzliche Festigkeit der Verbindung vor allem dadurch, dass die Tiefziehöffnung formschlüssig ausgefüllt ist und eine Entknüpfung des Verbindungspunktes nicht mehr möglich ist. Bei dem bekannten verlorenen Stempel ( EP 0 720 695 B ) handelt es sich allerdings um einen Halbhohlniet mit dem zur Verbindung von zwei Blechen ein Blech durchstoßen wird, wonach eine künstliche Aufspreizung des Halbhohlnietes mit Hintergreiffunktion erfolgt. Im Gegensatz dazu wird bei der Erfindung der verlorene Stempel derart verarbeitet, dass zuerst beide Bleche ohne Durchtrennung tiefgezogen werden, um danach das tiefgezogene Material unter plastischer Verformung radial zu verdrängen. Die Verwendung eines Halbhohlnietes wäre erfindungsgemäß nicht möglich.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der radialen Mantelfläche des Stempels eine Ringnut zur Aufnahme des verdrängten Materials vorhanden, um dadurch die Verankerung dieses verlorenen Stempels in der Platte bzw. in der Tiefziehöffnung zu verbessern.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Stempel auf der der Bodenfläche zugewandten Stirnseite eine Erhebung auf. Durch diese Erhebung erfolgt, beispielsweise bei der Anwendung bei einem Niet, eine bessere Aufspreizung der Stirnseite und somit eine bessere Hinterschneidung des Fügepunktes.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der Bodenfläche des Sockelteils ein stirnseitig offener Ringkanal angeordnet. Durch einen solchen Ringkanal kann sich das stirnseitige Ende des verlorenen Stempels, insbesondere wenn er als Niet ausgebildet ist, besser aufspreizen, da das zu verdrängende Material eine entsprechende Aufnahme findet.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist auf der Bodenfläche des Sockelteils in an sich bekannter Weise ( EP 0 720 695 B1 ) eine zentralsymmetrische Erhebung vorhanden. Diese Erhebung schließt nicht aus, dass beispielsweise zentralsymmetrisch zu ihr in der Bodenfläche ein Ringkanal angeordnet ist. Eine solche Erhebung zwingt das Stempelmaterial sich aufzuspreizen, wobei dieses Aufspreizen meist nach dem Tiefziehvorgang stattfindet.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind mit Werkstückvarianten in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

Fig. 1: ein erfindungsgemäßes Werkzeug vereinfacht und im Teillängsschnitt dargestellt, entsprechend der Schnittlinie I-I in Fig. 2;
Fig. 2: eine Draufsicht auf die Matrize gemäß dem Pfeil II in Fig. 1;
Fig. 3: eine perspektivische Ansicht auf eine Variante des Sockelteils der Matrize;
Fig. 4: eine Ansicht eines mit diesem Werkzeug hergestellten Verbindungspunktes;
Fig. 5: eine perspektivische Ansicht eines Sockelteils entsprechend Fig. 3 mit einer Erhebung auf der Bodenfläche;
Fig. 6: eine Variante des Stempels [in Seitenansicht] mit einer gewölbten Stirnfläche;
Fig. 7: ein "verlorener Stempel" in perspektivischer Ansicht mit eingesenkten Stirnseiten und
Fig. 8: ein Teilschnitt durch ein Werkstück mit "verlorenem Stempel".

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeuges dargestellt, ohne die an sich in vielfältiger Weise bekannte Werkzeugmaschine für das Durchsetzfügen von Blechen bzw. das Verbinden von Bolzen, Muttern odgl. mit einer Platte, wobei hier insbesondere kein Durchstanzen der Platte stattfindet, sondern ein Tiefziehen mit nachträglichem Verquetschen des tiefgezogenen Materials.
Bei diesem Werkzeug handelt es sich einerseits um einen von der Werkzeugmaschine angetriebenen Stempel 1, der oberhalb von zwei miteinander zu verbindenden Metallplatten 2 und 3 und gegenüber einer Arbeitsöffnung 4 einer mehrteiligen Matrize 5 angeordnet ist. Stempel 1 und Matrize 5 werden für ihre Arbeit in die Werkzeugmaschine eingesetzt, wobei zur Durchführung der Durchsetzfügeverbindung der Stempel 1 nach Einlegen der Metallplatten 2 und 3, in Richtung des Doppelpfeiles V betätigt wird. Bei dem nach unten gerichteten Arbeitshub werden die Metallplatten 2 und 3 zuerst in die Arbeitsöffnung 4 tiefgezogen und danach nach Erhöhung der Antriebskraft des Stempels 1 auf der Bodenfläche 9 der Arbeitsöffnung 4 radial nach außen gequetscht, wobei das verdrängte Material der durch den Stempel 1 zuerst tiefgezogenen und danach verquetschten Flächenteile der Metallplatten 2 und 3 die stehen gebliebenen Abschnitte der Metallplatten 2 und 3 in bekannter Weise hintergreifen und dadurch die Verbindung der Platten bewirken.
Statt dem dargestellten Verfahren, bei dem der Stempel 1 nach Herstellung der Verbindung der Platten 2 und 3 aus der Arbeitsöffnung 4 entsprechend dem Pfeil V wieder herausgezogen wird, kann erfindungsgemäß der Stempel als verlorener Stempel ausgebildet sein, d. h. er wird, wie nicht näher dargestellt, den Platten 2 und 3, sowie der Arbeitsöffnung 4 vorgelagert und danach durch einen Pressstempel für den Tiefziehvorgang in die Platten 2 und 3 eingepresst. Ein solcher verlorener Stempel ist entweder als Niet ausgebildet, der vor allem dazu dient, ein Ausknöpfen der tiefgezogenen und verquetschten Plattenanteile zu erreichen oder er kann als Gewindebolzen, bzw. entsprechend ausgebildete Mutter gestaltet sein, die dann beispielsweise zur Befestigung anderer Teile an einer Platte dienen. Maßgebend ist für die Erfindung, wie dieser Stempel (Tiefziehquetschstempel, als verlorener Stempel in Form von Niet, Bolzen, Mutter odgl.) im ersten Arbeitsgang das Plattenmaterial tiefzieht, um es danach in radialer Richtung zu verquetschen.
Die Arbeitsöffnung 4 der Matrize 5 wird radial durch vier feststehende Wandabschnitte 7 bzw. vier nachgiebige Wandabschnitte 8 sowie eine Bodenfläche 9 begrenzt, auf welcher die Wandabschnitte 8 zwischen den Wandabschnitten 7 radial verschiebbar sind. Die Wandabschnitte 8 weisen dafür eine Höhe auf, die der Tiefe der Arbeitsöffnung 4 entspricht. Die Wandabschnitte 8 sind durch Blattfedern 10 in Richtung Arbeitsöffnung 4 belastet. Der Weg dieser Wandabschnitte 8 ist erfindungsgemäß durch Anschläge 11 begrenzt.
Dieses Grundprinzip von Stempel und Matrize kann in unterschiedlichster Weise gestaltet sein, wobei Anschläge 11 entscheidend für die erfinderische Funktion sind. Nach dem Tiefziehvorgang der Metallplatten 2 und 3 beim ersten Hub des Stempels 1 in die Arbeitsöffnung 4 erfahren die über die erste obere Kante der Arbeitsöffnung 4 tiefgezogenen Plattenabschnitte dieser Metallplatten 2 und 3 eine entsprechende Verdünnung bzw. ein topfartiges Ineinanderstülpen. Beim nachfolgenden zweiten Hub des Stempels 1 wird von den auf dem Sockelteil 6 aufliegenden tiefgezogenen Plattenabschnitten Material radial nach außen verdrängt, wobei das verdrängte Material nur dorthin fließen kann, wo die radial beweglichen Wandabschnitte 8 vorhanden sind. Diese werden dann entgegen der Kraft der Blattfedern 10, die allerdings keinerlei formende Kräfte auf das verdrängte Material ausüben, verschoben, bis diese Wandabschnitte 8 auf die Anschläge 11 stoßen. Da der Verdrängungs- und Quetscharbeitsvorgang noch nicht beendet ist, wird danach das verquetschte Material, und zwar nach durch die fortgesetzte Verdrängung erheblicher Erhöhung der Presskraft, stärker verdichtet, was zu einer Kaltverhärtung dieses verdrängten Materials der Plattenabschnitte führt und damit zu einer Erhöhung der Festigkeit von über 30% gegenüber solchen lediglich radial querverdrängten Materialien. Da diese verdrängten Abschnitte die Metallplatten 2 und 3 erheblich hintergreifen, was insbesondere auch durch die Nachgiebigkeit der Wandabschnitte 8 gefördert wird, entsteht hier ein Verbindungspunkt mit außerordentlich hoher Festigkeit. Nach Zurückfahren des Stempels 1, bzw. des Pressstößels und Entnahme des Werkstücks werden die Wandabschnitte 8 durch die Blattfedern 10 in die gezeigte Ausgangslage zurückgeschoben, so dass ein neuerlicher Arbeitsgang beginnen kann. Dadurch dass die Wandabschnitte 8 auf der dem Stempel 1 abgewandten Seite auf der ebenen Bodenfläche 9 des Sockelteils 6 verschiebbar sind, können problemlos hohe Hubkräfte von den Wandabschnitten 8 aufgenommen werden, ohne Nachteil für die Radialverschiebung. Damit die Wandabschnitte 8 eine entsprechende Radialführung erhalten, weisen sie zu den fixen Wandabschnitten 7 hin parallele Wandflächen 18 auf.
Wie besonders Fig. 3 und 4 entnehmbar, können je nach Bedarf in den nicht von den Wandabschnitten 8 überfahrenen Bodenabschnitten der Bodenfläche 9 Gestaltungen vorgenommen werden, die zu einer Verbesserung des Materialflusses bzw. der Verdichtung führen können. Wie beispielhaft in Fig. 3 gezeigt, ist in der Bodenfläche 9 des Sockelteils 6 ein Ringkanal 20 vorgesehen, der eine bessere Aufspreizung des tiefgezogenen und verquetschten Plattenmaterials bewirkt, d. h. das verdrängte Material kann besser entweichen. Der Vorteil, der sich durch einen derartigen Eingriff am Werkstück ergibt, ist Fig. 4 entnehmbar, in der anhand eines Ausschnitts des Werkstücks ein Verbindungspunkt von der Matrizenseite her gezeigt ist, mit einer dem Ringkanal 20 (Fig. 3) der Matrize zuzuordnenden Ringwulst 21 und den verquetschten Materialansammlungen 22, welche auf Grund der zugewandten Seiten der verschiebbaren Wandabschnitte, im Unterschied zum Ringwulst 21, gerade Begrenzungskanten 23 aufweisen.
Wie Fig. 5 entnehmbar ist, kann ein zentraler Bereich 24 der Bodenfläche 9 in Hubrichtung gewölbt sein, beispielsweise um eine zusätzliche Radialverquetschung der verdrängten Plattenabschnitte zu erzielen. Um diesen zentralen Bereich 24 herum kann ein Ringkanal vorhanden sein, wie er für sich in Fig. 3 gezeigt ist.
In Fig. 6 ist eine Variante des Stempels 1 in Seitenansicht dargestellt, bei der auf der Stirnseite eine Erhebung 13 angeordnet ist, durch die Plattenmaterial beim Quetschen radial nach außen verdrängt wird, wobei natürlich dies zu einer Verdünnung des Bodens des Verbindungspunktes führt. Auch hier wir ein Aufspreizen des Materials während des Quetschvorgangs gefördert.
In den Fig. 7 und 8 ist der Einsatz von "verlorenen Stempeln" gezeigt, die wie oben beschrieben nach Einlage ins Werkzeug mittels eines werkzeuggebundenen Pressstempels verarbeitet werden. Durch einen solchen "verlorenen Stempel" wird vor allem ein sich Ausknöpfen des Verbindungspunktes unterbunden.
In Fig. 7 ist ein als Niet 14 ausgebildeter "verlorener Stempel" dargestellt, bei dem beide Stirnseiten 15 trichterförmig nach innen gezogen sind. Durch diese trichterförmige Ausbildung fließt, insbesondere beim Quetschvorgang, das Material auseinander, wodurch besonders das Hintergreifen des stehen gebliebenen Materials durch dieses tiefgezogene und verquetschte Material verbessert wird. Durch die erfindungsgemäße Verhärtung auf Grund zusätzlicher Druckkräfte wird diese Wirkung untermauert.
In Fig. 8 ist im Schnitt dargestellt, wie ein solcher verlorener Stempel 16 in die Platten 2 und 3 nach dem Press- und Tiefziehvorgang eingebettet ist. Der durch den Niet 16 bewirkte Topf 17 in den Platten 2 und 3 weist in der Mitte eine Verjüngung auf, die durch den eingelagerten verlorenen Stempel 16 einen äußerst festen Verbund zwischen den Platten 2 und 3 bildet. Zudem liegt die freie Stirnseite dieses verlorenen Stempels 16 in der Ebene der Außenfläche der Platte 2.

Bezugszahlenliste

1: Stempel
2: Metallplatte
3: Metallplatte
4: Arbeitsöffnung
5: Matrize
6: Sockelteil
7: fixe Wandabschnitte
8: verschiebbare Wandabschnitte
9: Bodenfläche
10: Blattfeder
11: Anschlag
12: Stirnseite von 1
13: Erhebung
14: Niet
15: Stirnseite von 14
16: verlorener Stempel
17: Verjüngung
18: Wandflächen von 8
20.: Ringkanal
21: Ringwulst
22: Materialansammlung
23: Begrenzungskante
24: zentraler Bereich

Claims

Verfahren für eine Durchsetzfügeverbindung von Bauteilen wie z. B. Platten 3, Bolzen, Muttern odgl, mit mindestens einer Platte (2),
a) bei dem ein Stempel (1) odgl. Flächenbereiche dieser Platte (2, 3) in eine Matrizenöffnung (4) des Sockelteils (6) einer Matrize (5)

b) - zuerst ohne Durchtrennung der Platte tiefzieht und

c) - danach dieses tiefgezogene Plattenmaterial unter plastischer Verformung desselben zwischen Stempel (1) und Bodenfläche (9) der Matrize quer zur Achsrichtung (III) und entgegen der Kraft elastisch nachgiebiger Wandabschnitte (8) der Matrize (4) verdrängt,

d) - wobei zur Herstellung der Verbindung dieses radial verdrängte Plattenmaterial die nicht tiefgezogenen Bereiche der Platte (2) untergreift,
dadurch gekennzeichnet,

e) - dass zwischen den nachgiebigen Wandabschnitten (8) der Matrizenöffnung (4) fest mit dem Sockelteil (6) der Matrize (5) verbundene Wandabschnitte (7) vorhanden sind,

f) - dass die nachgiebigen Wandabschnitte (8) auf einer Fläche verschiebbar sind, die parallel zur Verschieberichtung verläuft und ununterbrochen in die Bodenfläche (9) übergeht und

g) - dass der radiale Weg der nachgiebigen Wandabschnitte (8) zur Erzielung einer Verdichtung und damit Verhärtung des verdrängten und dabei verquetschten Materials nach Zurücklegung einer vorbestimmten Strecke unnachgiebig (11) begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Begrenzung des radialen Weges, über den Umfang der Matrize (5) gesehen, unterschiedlich änderbar oder abwechselnd groß ist, so dass dadurch unterschiedliche Härten bei der Kaltverformung erzielbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stempel (1), mindestens soweit er in die Matrizenöffnung (4) taucht, als verlorener Stempel (16) ausgebildet, nietartig und formschlüssig in der Eindringöffnung verbleibt.
Werkzeug mit Stempel (1) und Matrize (5),
zum Durchsetzfügeverbinden odgl. von Bauteilen wie z.B. Platten 3, Bolzen, Muttern odgl, mit mindestens einer Platte (2) und ohne Durchtrennung der Platte,
- mit einer an einem Sockelteil angeordneten Arbeitsöffnung (4) in der mehrteiligen Matrize (5),

- mit mehreren um die Arbeitsöffnung (4) radial angeordneten und beim Fügevorgang nach außen nachgiebig geführten Wandabschnitten (8) der Matrize (5),

- mit einer der Stirnseite des Stempels (1) gegenüber angeordneten, die Arbeitsöffnung (4) axial begrenzenden Bodenfläche (9) der Matrize (5) und

- mit mehreren auf den Umfang der Arbeitsöffnung (4) verteilten, unnachgiebig mit dem Sockelteil (6) verbundenen und zur radialen Führung der nachgiebigen Mantelteile (8) dienenden, mit dem Sockelteil (6) fest verbundenen Wandabschnitten (7) zwischen den nachgiebigen Wandabschnitten (8),

- insbesondere auch zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der radiale Weg der Wandabschnitte (8) beim Fügevorgang der Matrize (5) durch einen unnachgiebig angeordneten Anschlag (11) begrenzt ist und

- dass der Anschlag (11) fest an dem Sockelteil (6) der Matrize (5) angeordnet ist.
Werkzeug nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stempel (16) als verlorener Stempel in Form eines Nietes, einer Mutter, eines Bolzens odgl. ausgebildet ist, um nach Beendigung der Durchsetzfügung form- und/oder kraftschlüssig in der durch ihn mitbewirkten Tiefziehöffnung der Platte (2) zu verbleiben.
Werkzeug nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der verlorene Stempel als Niet (14) ausgebildet ist und mindestens vor der Verarbeitung auf beiden Stirnseiten eine Einsenkung (15) aufweist.
Werkzeug nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der radialen Mantelfläche des verlorenen Stempels (16) eine Ringnut zur Aufnahme verdrängten Materials vorhanden ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der der Bodenfläche (9) zugewandten Stirnseite (12) des Stempels eine Erhebung angeordnet ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Bodenfläche (9) des Sockelteils ein stirnseitig offener Ringkanal (20) angeordnet ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Bodenfläche (9) des Sockelteils eine zentralsymmetrische Erhebung (24) vorhanden ist.