DE10060035A1

DE10060035A1 - Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen

Info

Publication number: DE10060035A1
Application number: DE10060035A
Authority: DE
Inventors: Volker Schulte; Ortwin Hahn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-09
Filing date: 2000-12-02
Publication date: 2001-08-09
Also published as: EP1108480A3; JP2001179468A; BR0004885A; EP1108480A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, bei der der Stempel eines aus Oberteil und Matrize bestehenden Fügewerkzeugs durch mehrere, kurzfristig aufeinanderfolgende, auf ihn einwirkende Stöße oder pulsierend in einer Erregerfrequenz in ein zu fügendes Teil eindringt. Aufgabe der Erfindung ist es, die Stempelspitze so auszubilden, daß die Fügestelle eine höhere Festigkeit erhält. Um diese Aufgabe zu erfüllen, ist die Stempelspitze rutschhemmend, vorzugsweise mit umlaufenden Riefen, ausgebildet. Weiterhin werden besondere Formen der Übergänge vom Stempelhalter zur Stempelspitze vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, bei der der Stempel eines aus Oberteil und Matrize bestehenden Fügewerkzeugs durch mehrere kurzfristig aufeinanderfolgende, auf ihn einwirkende Stöße oder pulsierend in einer Erregerfrequenz in ein zu fügendes Teil eindringt.

Eine solche Fügevorrichtung ist in der EP 0 890 397 A1 dargestellt und beschrieben. Durch das stoßförmige oder pulsierende Eintreiben des Stempels in das stempelseitige Fügeteil ist die Beschleunigung des Stempels so groß, daß beim Eindringen des Stempels in das Fügeteil der Stempel weniger Material aus dem Fügeteil in die Matrize mit hineinzieht als beim Fügen mit einer hydraulischen Krafteinleitung. Bei der impulsförmigen Krafteinleitung wird der Bereich des Fügeteils unterhalb der Stirnfläche des Stempels stärker gestreckt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den seitlichen, der Mantelfläche der in das Fügeteil eindringenden Stempelspitze benachbarten Bereich des Materials des Fügeteils stärker zu strecken.

Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß der die Mantelfläche des Stempels zumindest im Bereich des vorderen freien Endabschnitts des Stempels rutschhemmend ausgebildet ist. Dadurch tritt eine Reibwerterhöhung zwischen dem Mantel der Stempelspitze und dem beim Eindringen der Stempelspitze in das zu fügende Teil sich an die Mantelfläche der Stempelspitze anlegende Material ein.

Eine weitere Herabsetzung der Streckung des sich unterhalb der Stirnfläche der Stempelspitze befindlichen Materials tritt dadurch ein, daß zusätzlich die Stirnfläche der Stempelfläche rutschhemmend ausgebildet ist. Diese Rutschhemmung kann durch Aufrauhung der vorstehend genannten Stempelflächen erfolgen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Mantelfläche des freien Endabschnitts und eventuell die Stirnfläche des Stempels mit umlaufenden Riefen oder Rippen versehen. Bei einer anderen Ausgestaltung der Rutschhemmung der Stempelflächen sind diese mit einer rutschhemmenden Beschichtung zu versehen.

Die Reibwerterhöhung der Stempelflächen führt dazu, daß beim Eindringen des Stempels in das Fügeteil mehr Material aus dem der Fügestelle angrenzenden Bereich des Fügeteils eingezogen wird, welches für den hinterschnittbildenden Stauchprozeß zur Verfügung steht und daß die größere Streckung im Halsbereich der Fügestelle zu einer höheren Verfestigung dieses Halsbereichs und damit zu verbesserten Festigkeitskennwerten der Fügestelle führt.

Da die Fügekraft durch eine impulsförmige Krafteinleitung erzeugt wird, wird sie von elastischen Wellen übertragen. Diese Wellen werden an Querschnittssprüngen der im Kraftfluß liegenden Bauteile reflektiert, was die Effektivität der Kraftübertragung verschlechtert. Um diesen Nachteil zumindest hinsichtlich des Stempels zu verringern, wird weiterhin vorgeschlagen, daß der Übergang von der Stempelspitze zu dem in einem Stempelhalter fest einsetzbaren dickeren Stempelschaft zumindest weitestgehend stufenlos ausgebildet ist. Eine vorteilhafte Art, diesen Übergang stufenlos auszubilden ist die konische Ausführung dieses Übergangs. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Schaft des Stempels bis zu dem Beginn des Übergangs zu der Stempelspitze in den Stempelhalter eingeschoben ist. Um auch die Reflexion der Druckwellen am Ende des Stempelhalters zu reduzieren, ist es vorteilhaft, das freie Ende des Stempelhalters konisch verjüngt auszuführen.

Tritt eine Druckwelle von einem sehr großen Querschnitt auf einen sehr kleinen Querschnitt, so wird sie am Querschnittssprung überwiegend als Zugwelle reflektiert. Tritt dagegen eine Druckwelle von einem sehr kleinen Querschnitt auf einen sehr großen Querschnitt, wird sie am Querschnittssprung überwiegend als Druckwelle reflektiert. Dieses Verhalten kann man sich gezielt für die Erzeugung sehr großer Kräfte zunutze machen. Diesem folgend wird weiterhin vorgeschlagen, daß der Stempelhalter und die Matrize einen gegenüber der Stempelspitze wesentlich größeren Durchmesser haben und der Übergang vom Stempelhalter zu der Stempelspitze als deutlich ausgeprägte Stufe ausgebildet ist. Eine solche Ausgestaltung der Vorrichtung ist besonders für das Fügen von hochfesten Werkstoffen vorteilhaft.

Die Zeichnung veranschaulicht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar zeigen

Fig. 1 das Oberteil der Vorrichtung;

Fig. 2 den in den Stempelhalter eingesetzten Stempel, die Matrize und die fertig ausgebildete Fügestelle und

Fig. 3 eine andere Ausgestaltung des Stempelhalters, der Stempelspitze und der Matrize.

Die Zustelleinheit (1) bewegt den Stempel (2) auf die Fügestelle zu. Während der Zustellbewegung erzeugt das Schlagwerk (3) impulsförmige Kräfte, die über den Stempelhalter (4) auf den Stempel (2) übertragen werden. Die Schwingungen aus dem Schlagwerk (3) werden durch eine in einer bestimmten Frequenz schwingenden Tilgermasse (5), die über Federn (6) und einem Dämpfer (7) abgestützt ist, von der Tragkonstruktion ferngehalten.

Der Stempel (2) ist mit seinem Schaft (8) in den im unteren Bereich hülsenförmig ausgebildeten Stempelhalter (4) festsitzend und mit seiner oberen Stirnfläche an dem Hülsenboden (9) anliegend eingesetzt. Der Übergang (10) vom Stempelschaft (8) zur Stempelspitze (11) ist zur Stempelspitze (11) hin verjüngend konisch ausgeführt. Diese konische Verjüngung bewirkt, daß die auf die Konusfläche (12) auftreffenden Druckwellen nicht als den Druckwellen entgegenwirkende Zugwellen reflektiert werden.

Der Stempelschaft (8) ist gerade so lang ausgebildet, daß er mit der unteren Kante des Stempelhalters (4) abschließt und der konisch ausgebildete Übergang (10) sich unmittelbar daran anschließt. Damit die sich im hülsenförmigen Teil des Stempelhalters (4) sich fortsetzenden Druckwellen an der vorderen Stirnfläche des hülsenförmigen Teils des Stempelhalters (4) nicht genau entgegengesetzt als Zugwellen reflektiert werden, ist die Stirnfläche (22) des hülsenförmigen Teils des Stempelhalters (4) ebenfalls konisch zur Stempelspitze (11) sich verjüngend ausgestaltet.

Der Mantel (13) der Stempelspitze (11) ist mit umlaufenden Riefen (14) versehen, die gegenüber der sich beim Fügevorgang an die Mantelfläche (13) anlegenden Materialpartie (15) des oberen Fügeteils (16) rutschhemmend wirken. Damit wird die Materialpartie (15) des oberen Fügeteils (16) stärker gestreckt, wodurch einerseits mehr Material aus dem Randbereich (17) des oberen Fügeteils (16) herausgezogen wird, welches für den hinterschnittbildenden Stauchprozeß im Übergang (18) zu der Bodenfläche (19) der Fügestelle zur Verfügung steht. Die größere Streckung der Materialpartie (15) führt zu einer höheren Härte dieser Materialpartie und somit zu einer höheren Verfestigung der Fügestelle.

Um dem Fließverhalten der Bodenfläche (19) der Fügestelle beim Einpressen der Stempelspitze (11) in das obere Fügeteil (16) einen Fließwiderstand entgegenzusetzen, ist die Stirnfläche (20) der Stempelspitze (11) ebenfalls mit rutschhemmenden, zur Mittelachse des Stempels konzentrisch verlaufenden Riefen versehen.

Die Matrize (20) inklusive ihres nicht dargestellten Halters bzw. einer ebenfalls nicht dargestellten an der Matrize (20) angebrachten Prallmasse sollte mindestens so lang sein wie der Schlagkolben des Schlagwerks (3), um eine gute Impulsübertragung zu gewährleisten. Vorzugsweise sollten diese Bauteile möglichst lang ausgeführt sein, was den energetischen Wirkungsgrad in Folge größerer Berührzeiten und damit vollständigerer Impulsübertragung verbessert. Der Durchmesser des Stempelhalters (4) sollte möglichst dem Durchmesser des Schlagwerkkolbens entsprechen, um eine möglichst hohe Effektivität bei der Impulsübertragung vom Kolben auf den Stempelhalter zu gewährleisten.

In Fig. 3 ist eine andere Ausgestaltung des Stempelhalters (4a) und der Stempelspitze (2a) dargestellt. Hierbei ist der Stempelhalter (4a) in seinem Durchmesser dem Durchmesser der Matrize (21a) angepaßt, während der Durchmesser der Stempelspitze (2a) wesentlich kleiner ist und der Übergang vom Stempelhalter (4a) zu der Stempelspitze (2a) als deutlich ausgeprägte Stufe ausgebildet ist.

Querschnittssprünge der im Kraftfluß liegenden Bauteile können die Effektivität der Kraftübertragung nicht nur verschlechtern, sondern auch entscheidend verbessern. Trifft eine Druckwelle mit vergleichsweise großer Länge (Primärwelle) von dem Stempelhalter (4a) auf einen Querschnittssprung (22) (vom Stempelhalter (4a) zur Stempelspitze (2a)), so geschieht folgendes:
Ein großer Teil der Druckwelle wird am Querschnittssprung (22) als Zugweile reflektiert. Diese reflektierte Zugwelle wird am Ende (23) des Stempelhalters (4a) wieder in eine Druckwelle umgewandelt und eilt wiederum auf den Querschnittssprung (22) zu. Ein Teil der primären Druckwelle wird jedoch bereits sofort in den inneren Querschnitt der Stempelspitze (2a) übertragen und am Querschnittssprung (24) der Matrize (20a) weitestgehend als Druckwelle reflektiert. Diese reflektierte Druckwelle überlagert sich der weiterhin eintreffenden primären Druckwelle, so daß die resultierende Spannungsamplitude erhöht wird. Die resultierende Spannungswelle wird am Querschnittssprung (22) wiederum weitestgehend als Druckwelle reflektiert und überlagert sich erneut mit der immer noch in den engen Querschnitt der Stempelspitze (2a) eintreffenden Primärwelle. Diese Vorgänge wiederholen sich in sehr kurzen Zeitintervallen, so daß es schnell zu großen Spannungserhöhungen in Folge der überwiegend gleichphasigen Reflexionen kommt. Ist die eintreffende Primärwelle im Verhältnis zur Länge des verringerten Stempelquerschnitts lang, so werden in diesem engen Querschnitt durch die überwiegend als Druckwellen reflektierten Reflexionswellen mit der eintreffenden Primärwelle extrem hohe Spannungen erzeugt. Eine Gestaltung von Stempelhalter (4a), Stempelspitze (2a) und Matrize (21a) hinsichtlich der Querschnitte, wie in Fig. 3 dargestellt, kann daher für das Fügen von hochfesten Werkstoffen vorteilhaft sein. Allerdings wird die Effektivität der Energieübertragung durch die Querschnittssprünge leicht verschlechtert.

Claims

1. Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, bei der der Stempel eines aus Oberteil und Matrize bestehenden Fügewerkzeugs durch mehrere, kurzfristig aufeinanderfolgende, auf ihn einwirkende Stöße oder pulsierend in einer Erregerfrequenz in ein zu fügendes Teil eindringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (13) des Stempels (2) zumindest im Bereich des vorderen freien Endabschnitts des Stempels (2) rutschhemmend ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Stirnfläche (20) der Stempelspitze (11) rutschhemmend ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (13) der Stempelspitze (11) und eventuell die Stirnfläche (20) der Stempelspitze (11) aufgerauht ist.

4. Vorrichtung nach Ansprüch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (13) der Stempelspitze (11) und eventuell die Stirnfläche (20) der Stempelspitze (11) Riefen (14) oder Rippen aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempelspitze (11) und eventuell die Stirnfläche (20) der Stempelspitze (11) mit einer rutschhemmenden Beschichtung versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (10) von der Stempelspitze (11) zu dem in den Stempelhalter (4) fest einsetzbaren dickeren Stempelschaft (8) zumindest weitestgehend stufenlos ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang konisch ausgeführt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (8) des Stempels (1) bis zu dem Beginn des Übergangs (10) zu der Stempelspitze (11) in den Stempelhalter (4) eingeschoben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Stempelhalters (4) nach vorn hin konisch verjüngt ist.

10. Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, bei der der Stempel eines aus Oberteil und Matrize bestehenden Werkzeugs durch mehrere, kurzfristig aufeinanderfolgende, auf ihn einwirkende Stöße oder pulsierend in einer Erregerfrequenz in ein zu fügendes Teil eindringt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempelhalter (4a) und die Matrize (21a) ein gegenüber der Stempelspitze (2a) wesentlich größeren Durchmesser haben und die Übergänge vom Stempelhalter (4a) zu der Stempelspitze (2a) und von der Stempelspitze (2a) zur Matrize (21a) als deutlich ausgeprägte Stufen ausgebildet sind.