DE10151659B4

DE10151659B4 - Verfahren zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen und Vorrichtung hierfür

Info

Publication number: DE10151659B4
Application number: DE2001151659
Authority: DE
Inventors: Stephan Dietrich; Reinhard Mauermann; Christian Donhauser; René Stopp
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Audi AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Audi AG
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2021-10-20
Also published as: DE10151659A1

Abstract

Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) mit einem Formwerkzeug und einem Druckfluid, und einem ersten Fügeschritt, bei dem mittels des Druckfluides (4) zumindest eines der Bauteile (5,6) in einem Bereich plastisch verformt wird, und einem zweiten Fügeschritt, bei dem auf den im ersten Fügeschritt plastisch verformten Bereich des Bauteiles (6) in Gegenrichtung umformend eingewirkt wird, wobei der umgeformte Bereich in einem Hohlraum (7) des Formwerkzeuges verformt wird und eine Hinterschneidung zwischen den Bauteilen (5,6) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung des verformten Bereichs im zweiten Fügeschritt mittels eines Fügestempels (1) des Formwerkzeuges erfolgt, wobei der Hohlraum als Formhohlraum (7) in einem Formteil (2) des Formwerkzeuges ausgebildet ist, und Werkstoff des umgeformten Bereiches in den Form hohlraum (7) verdrängt wird um die Hinterschneidung zwischen den Bauteilen (5,6) auszubilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen mit einem Formwerkzeug und einem Druckfluid gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17. Insbesondere wird ein Verfahren und eine Vorrichtung gezeigt, bei denen zumindest zwei Bauteile durch plastische Verformung eines der beiden Bauteile miteinander verbunden werden.
In der blechverarbeitenden Industrie werden Einzelteile durch die Fertigungsverfahren der mechanischen Fügetechnik verbunden, wobei sich die vorliegende Erfindung auf den Bereich der mechanischen Fügetechnik bezieht, bei dem kein durchgehendes Vorloch und auch kein Hilfsfügeteil notwendig wird. Vor allem in der Automobilindustrie werden diese preiswerten Verfahren in der Massenfertigung eingesetzt.

Aus dem Stand der Technik ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von sich überlappenden, insbesondere plattenförmigen Bauteilen bekannt, wobei eine Fügeverbindung zwischen den Bauteilen durch das sogenannte Clinchen oder Durchsetzfügen ohne ein Hilfsfügeteil erreicht werden kann.

Bei diesem Verfahren wird ein Fügebereich, also ein Überlappungsbereich der Bauteile, in welchem eine Fügestelle ausgebildet werden soll, zwischen einem Fügestempel und einer Matrize eines Fügewerkzeuges angeordnet, wobei sich der Fügestempel und die Matrize auf gegenüberliegenden Seiten der Bauteile befinden. Der Fügestempel wird anschließend in den Fügebereich mit einer hohen Kraft eingedrückt, wobei sich beide Bauteile plastisch verformen. Die Matrize ist dabei so ausgebildet, dass bei einer derar tigen plastischen Verformung der beiden Bauteile im Fügebereich Hinterschneidungsbereiche zwischen den Bauteilen ausgebildet werden.

Bei einer Ausführungsvariante dieses Verfahrens ist ein Vorloch in einem der Bauteile vorgesehen, durch welches der Werkstoff des zumindest einen weiteren Bauteiles durchgesetzt und auf der anderen Seite gebreitet wird (Confix-Clinchen von Eckold).

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der Ausführungsvariante desselben wird mittels des Fügestempels von einer Seite der Bauteile eine hohe Fügekraft aufgebracht, wobei diese Fügekraft von der auf einer gegenüberliegenden Seite der Bauteile angeordneten Matrize abgestützt wird.

Beim ebenfalls bekannten Taumelclinchen ( DE 199 45 743 A1 ) wird eine Hinterschneidung mittels eines Fügestempels, bei einer geradlinigen und taumelnden Bewegung desselben, in die zu verbindenden Bauteile, insbesondere Bleche, ohne Ausbilden eines Vorloches eingeformt, wobei die Gegenseite von einer Matrize geformt wird. Folglich entsteht bei diesem Taumelclinchen kein Abfall an Werkstoff der Bleche.

Nachteilig bei den vorstehend beschriebenen Verfahren ist, dass die zu verbindenden Bauteile auf beiden Seiten der Fügestelle zugänglich sein müssen, um sowohl Fügestempel als auch Matrize entsprechend anordnen zu können.

Weiterhin muss der Fügestempel auf die Matrize ausgerichtet sein. Dies wird meist durch Verwendung von sogenannten C-Bügeln oder C-Rahmen als Werkzeuggestelle gelöst, welche Fügestempel und Matrize zuverlässig und andauernd wechselseitig positionieren. Dies führt jedoch zu einer aufwändigen und kostspieligen Konstruktion, deren zugänglicher Arbeitsraum zudem durch den C-Bügel oder C-Rahmen eingeschränkt ist.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik das sogenannte Hydroforming bekannt. Beim Hydroforming werden Bauteile, insbesondere Rohre oder rohrförmige Halbzeuge, in einem Formwerkzeug angeordnet, und die Innenfläche dieser Bauteile mit einem relativ hohen Druck beaufschlagt. Das derart plastisch verformte Bauteil wird mit einer Formfläche des Formwerkzeuges in Anlage gebracht. Als Druckmedium wird hierbei beispielsweise ein Hochdruckfluid verwendet.

Das Hydroforming ist folglich primär eine Umformtechnik zur Ausbildung einer bestimmten Oberflächenkontur, jedoch keine Fügetechnik.

Als eine Verfahrensvariante des vorstehend beschriebenen Clinchens ist zudem aus dem Stand der Technik bekannt, anstelle einer Matrize das genannte Hochdruckfluid beim Hydroforming als Gegenhalter zu benutzen ( DE 100 61 635 A1 ). Die Fügestelle wird wie schon vorstehend beschrieben ausschließlich mittels der Wirkung des Fügestempels ausgebildet.

Ebenfalls ist eine Verfahrensvariante des Clinchens beschrieben, bei der die zu verbindenden Bauteile mit dem Hochdruckfluid anstelle des Fügestempels in eine geteilte Matrize eingeformt werden ( DE 199 18 516 A1 ).

Die verwendete geteilte Matrize zur Ausformung der erzeugten Fügestelle führt jedoch zu einer hohen Anzahl an mechanischen und insbesondere auch bewegten Komponenten. Dies führt zu hohen fertigungstechnischen und steuerungstechnischen Anforderungen verbunden mit hohen Herstell- und Betriebskosten.

Ein Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen mit einem Formwerkzeug und einem Druckfluid sowie eine Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen der jeweils eingangs genannten Art ist aus der DE 32 105 96 A1 bekannt. Diese Druckschrift zeigt ein Werkzeug mit einem unteren Stempel und einer oberen Stempelanordnung, wobei zwischen den Stempeln zwei plattenförmige Werkstücke gehalten werden. Diese plattenförmigen Werkstücke sind in Anlage miteinander. In dem oberen Stempel der Stempelanordnung ist eine Aussparung ausgebildet. Gegenüberliegend zu der Aussparung ist in dem unteren Stempel eine Kanalöffnung eines Druckmittel-Kanals ausgebildet. Wird Druckmittel durch den Kanal im unteren Stempel auf die beiden Werkstücke gelenkt, so werden diese unter plastischer Verformung in die Aussparung gedrückt. Dabei bildet sich eine Ausstülpung der in Anlage befindlichen plattenförmigen Werkstücke.

Nachfolgend wird der obere Stempel zurückgezogen, so dass sich ein freier Raum bildet. Dieser freie Raum wird durch die in Anlage befindlichen plattenförmigen Werkstü cke mit der Ausstülpung, durch den oberen Stempel und eine Stempelhülse, die den oberen Stempel aufnimmt, begrenzt. Im Zustand mit zurückgezogenem oberem Stempel wird der Druckmittelstrom im Kanal des unteren Stempels unterbrochen und ein Druckmittelstrom auf die Ausstülpung der plattenförmigen Werkstücke durch einen Kanal im oberen Stempel aufgebracht. Dadurch wird die Ausstülpung zusammengepresst und verbördelt, so dass sich ein unlösbarer Fügebereich bildet, der die Werkstücke miteinander verbindet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen mit einem Formwerkzeug und einem Druckfluid sowie eine Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen der jeweils eingangsgenannten Art derart zu verbessern, dass der Fügevorgang in einfacher und kostengünstiger Weise durchgeführt werden kann.

Im Hinblick auf das Verfahren zum Fügen von Bauteilen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Folglich umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen mit einem Formwerkzeug und einem Druckfluid einen ersten Fügeschritt, wobei in dem ersten Fügeschritt zumindest eines der Bauteile mittels des Druckfluides plastisch verformt wird, und einen zweiten Fügeschritt, bei dem mittels eines Fügestempels des Formwerkzeuges auf einen im ersten Fügeschritt umgeformten Bereich des verformten Bauteiles in Gegenrichtung umformend eingewirkt wird, wobei Werkstoff aus dem umgeformten Bereich in einen Formhohlraum, welcher in einem Formteil des Formwerkzeuges ausgebildet ist, verdrängt und eine Hinterschneidung zwischen den Bauteilen ausgebildet wird.

Durch die Verwendung eines Druckmediums zum Aufbringen einer ersten Umformkraft während des ersten Fügeschrittes ist es auf vorteilhafte Weise möglich, Bauteile zu fügen, wobei eine direkte mechanische Zugänglichkeit nur von einer Seite notwendig ist. Zudem kann eine Anzahl der Komponenten der eigentlichen Fügevorrichtung, insbesondere eine Anzahl an bewegten Komponenten, verringert werden. Weiterhin können auch vorgeformte Bauteile, ggf. mit Hinterschneidungen, miteinander verbunden (gefügt) werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht zudem ein Umformen von zumindest einem der Bauteile vor dem ersten Fügeschritt mittels der Wirkung des Druckfluides. Vorteilhafterweise werden dabei die Bauteile vor Ausbilden einer Fügestelle zumindest im Bereich der auszubildenden Fügestelle zueinander in Anlage gebracht. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn dabei die zumindest zwei Bauteile im Formwerkzeug angeordnet werden, wobei das Formteil des Formwerkzeuges mit einem ersten der zumindest zwei Bauteile in Anlage und das Druckfluid mit einem zweiten der zumindest zwei Bauteile in Kontakt gebracht werden.

Folglich kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Fügen der Bauteile und ein Umformen von zumindest einem der Bauteile vor dem ersten Fügeschritt in einem Verfahren erreicht werden, ohne dass ein zeitaufwendiger Wechsel der Bearbeitungsmaschinen bzw. der Bearbeitungswerkzeuge notwendig ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Fügestempel vor Beginn des ersten Fügeschrittes mit einem der Bleche in Kontakt gebracht. Zudem führt der Fügestempel während des ersten Fügeschrittes bezüglich einer Längsachse desselben bevorzugt eine geradlinige Hubbewegung aus. Weiterhin kann der Fügestempel während des zweiten Fügeschrittes bevorzugterweise bezüglich einer Längsachse desselben eine geradlinige Vorschubbewegung durchführen. Der geradlinigen Hubbewegung und/oder der geradlinigen Vorschubbewegung kann eine Taumelbewegung und/oder eine Schwingung überlagert werden.

Während des ersten Fügeschrittes kann mittels des Fügestempels eine Gegenkraft zu einer mittels des Druckfluides erzeugten ersten Umformkraft in die Bauteile eingeleitet werden. Zudem kann während des zweiten Fügeschrittes eine weitere Gegenkraft mittels des Druckfluides zur zumindest teilweisen Kompensation einer mittels des Fügestempels erzeugten zweiten Umformkraft eingeleitet werden.

Bevorzugterweise wird ein Druck des Druckfluides während des ersten und/oder des zweiten Fügeschrittes gesteuert. Die vorgenannte Hubbewegung und/oder die vorgenannte Schubbewegung des Fügestempels, insbesondere eine Geschwindigkeit und/oder ein Betrag der Hub- oder Vorschubbewegung, kann an diesen Druck des Druckfluides angepasst werden.

Das Formwerkzeug kann weiterhin ein Halteteil aufweisen, wobei das Halteteil die im ersten Fügeschritt mittels des Druckfluides eingeleitete erste Umformkraft zumindest teilweise abstützt und/oder als Formfläche bei einer Verformung zumindest eines der zwei Bauteile wirkt.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Werkstoff des zweiten Bauteiles im ersten Fügeschritt durch eine in dem ersten Bauteil ausgeformte Aussparung gedrückt, wobei eine plastische Verformung des zweiten Bauteiles entsteht. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Fügestempel zu Beginn des ersten Fügeschrittes mit dem zweiten Bauteil in Kontakt ist und während des ersten Fügeschrittes eine Hubbewegung ausführt. Im zweiten Fügeschritt kann Werkstoff des umgeformten Bereiches des zweiten Bauteiles mittels des Fügestempels in den Formhohlraum entgegen der (Haupt-) Richtung des Umformvorganges des ersten Fügeschrittes verdrängt werden, wobei der in den Formhohlraum verdrängte Werkstoff des zweiten Bauteiles eine Hinterschneidung mit dem ersten Bauteil bildet.

Die Aussparung kann konisch aufgebildet werden, wobei die Herausbildung der Hinterschneidung durch die konisch geformte Aussparung im ersten Bauteil auf vorteilhafte Weise unterstützt wird.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in weiteren Unteransprüche dargelegt.

Im Hinblick auf die Vorrichtung zum Fügen von Bauteilen wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 17 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen ist insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 geeignet und umfasst ein Formwerkzeug und eine Zuführeinrichtung eines Druckfluides. Das Formwerkzeug weist ein Formteil mit einem Formhohlraum und einen Fügestempel, welcher in einer Aussparung im Formteil bewegbar angeordnet ist, auf. Zumindest eines der Bauteile ist in ei nem ersten Fügeschritt mittels eines Druckfluides umformbar. Der Fügestempel ist in einem zweiten Fügeschritt zu einer zumindest teilweisen Stauchung eines in dem ersten Fügeschritt plastisch umgeformten Bereiches unter zumindest teilweisem Ausfüllen des Formhohlraumes vorgesehen.

Bevorzugterweise sind die Bauteile in einem Fügebereich derselben zumindest teilweise in Anlage zueinander angeordnet. Weiterhin sind die Bauteile vorteilhafterweise in dem Formwerkzeug angeordnet, wobei das Formteil des Formwerkzeuges mit einem ersten der zumindest zwei Bauteile in Anlage und das Druckfluid mit einem zweiten der zumindest zwei Bauteile in Kontakt ist.

Der Formhohlraum kann dabei in einem Stirnbereich des Formteiles des Formwerkzeuges ausgebildet sein, wobei der Stirnbereich mit dem ersten Bauteil in Kontakt bringbar ist.

Das Formwerkzeug weist vorteilhafterweise ein Halteteil auf, wobei das Halteteil zumindest zu einer teilweisen Abstützung einer mittels des Druckfluides eingeleiteten ersten Umformkraft und/oder als Formfläche bei einer Verformung des zweiten Bauteiles vorgesehen ist.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das erste Bauteil eine Aussparung benachbart zum Fügestempel auf, wobei die Aussparung des ersten Bauteiles vom Fügestempel durchsetzbar und eine Stirnfläche des Fügestempels mit einer Oberfläche des zweiten Bauteiles in Kontakt bringbar ist.

Die Aussparung kann konisch ausgebildet sein und/oder eine kreisrunde, elliptische oder polygone Grundfläche aufweisen.

Bevorzugterweise führt der Fügestempel bezüglich einer Längsachse desselben eine geradlinige Hubbewegung und/oder eine geradlinige Vorschubbewegung durch, wobei der Hub- und/oder Vorschubbewegung des Fügestempels eine Taumel- und/oder eine Schwingbewegung überlagert sein kann.

Der Druck des Druckfluides kann steuerbar und insbesondere an die Hubbewegung und/oder die Vorschubbewegung des Fügestempels anpassbar sein.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den weiteren Unteransprüchen dargelegt.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. In diesen Zeichnungen zeigen:
1 einen Zustand der Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen zu Beginn eines Verbindens der Bauteile,
2 ein diesem Ausgangszustand nachfolgender Zwischenzustand bei Verbinden der Bauteile, und
3 ein Endzustand nach Verbinden der Bauteile.
In der Abfolge der 1 bis 3 sind drei aufeinanderfolgende Zustände, ein Ausgangszustand in 1, ein Zwischenzustand in 2 und ein Endzustand in 3, des Verfahrens zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen sowie der Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen in den entsprechenden Zuständen gezeigt. Dabei ist in 2 ein Zustand während bzw. am Ende des ersten Fügeschrittes und in 3 ein Zustand während bzw. am Ende des zweiten Fügeschrittes gezeigt, wobei das erste Bauteil 5 in einem Fügebereich mit dem zweiten Bauteil 6 in Anlage ist. Zwischen diesem ersten und diesem zweiten Bauteil 5,6 wird, wie nachfolgend näher erläutert, eine Hinterschneidung zum Verbinden (Fügen) derselben ausgebildet.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren bzw. die nachfolgend beschriebene Vorrichtung sind exemplarisch am Beispiel des Verbindens zweier plattenförmiger Bauteile 5,6, des ersten Bauteiles 5 und des zweiten Bauteiles 6, mittels einer Fügestelle beschrieben. Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung sind jedoch nicht auf diese konkrete Anzahl an Bauteilen 5,6, auf eine durchgängig plattenförmige Ausbildung der Bauteile oder eine bestimmte Anzahl an Fügestellen beschränkt. Beispielsweise können mit dem vorliegenden Verfahren bzw. der vorliegenden Vorrichtung auch ohne weiteres drei Bauteile an mehreren Fügestellen miteinander verbunden werden, ohne dass wesentliche Änderungen am nachstehend näher erläuterten Verfahren bzw. der nachstehend näher erläuterten Vorrichtung notwendig wären.
Das in den 1 bis 3 gezeigte Formwerkzeug weist einen Fügestempel 1, ein Formteil 2 und ein Halteteil 3 auf, wobei der Fügestempel 1 in einer Aussparung 2a des Formteiles 2 aufgenommen und in dieser Aussparung 2a des Formteiles 2 entlang seiner Längserstreckung axial bewegbar ist. Wie in 1 bis 3 gezeigt, ist das Halteteil 3 sowohl mit einer Seite des zweiten Bauteiles 6, welche dem ersten Bauteil 5 zugewandt ist, als auch mit einer Seite des ersten Bauteiles 5, welche dem Formteil 2 abgewandt ist, in Anlage.
Der Fügebereich, also der Bereich, in dem die Fügestelle auszubilden ist, ist benachbart zum Fügestempel 1 angeordnet.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt, befindet sich eine Stirnfläche 2b des Formteiles 2 vor dem ersten Fügeschritt (1) und auch während des ersten Fügeschrittes (2) bzw. während des zweiten Fügeschrittes (3) mit einer Oberfläche des ersten Bauteiles 5, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel ein vorgeformtes plattenförmiges Bauteil umfasst, in Anlage.
Diese Stirnseite 2b des Formteiles 2 weist, wie in den 1 bis 3 gezeigt, benachbart zum Fügestempel 1 eine Ausnehmung auf, die einen Formhohlraum 7 bildet. Der Formhohlraum 7 wird zudem durch eine Seite des ersten Bauteiles 5, welche der Stirnseite 2b benachbart und zu derselben in Anlage angeordnet ist, und durch einen Teil einer Mantelfläche des Fügestempels 1 begrenzt.
Die Aussparung 2a, in welcher der Fügestempel 1 im Formteil 2 beweglich aufgenommen wird, ist im in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel koaxial zu einer Symmetrieachse 8 des Formteiles 2 angeordnet. Auch der Fügestempel 1 ist koaxial zu der Symmetrieachse 8 des Formteiles 2 angeordnet. Allerdings sind die vorliegende Vorrichtung und das vorliegende Verfahren nicht auf diese beschriebenen koaxialen Anordnungen festgelegt. Abhängig vom konkreten Anwendungsfall kann auch eine nicht-koaxiale Anordnung gewählt werden, ohne dass wesentliche Änderungen an der vorliegenden Vorrichtung bzw. am vorliegenden Verfahren notwendig wären.
Die Querschnittsflächen des Fügestempels 1 und der den Fügestempel 1 aufnehmenden Aussparung 2a des Formteils 2, welche kreisförmig, elliptisch oder polygon ausgebildet sein können, sind aufeinander abgestimmt. Insbesondere bei einer elliptischen oder polygonen Querschnittsfläche ist ein Verdrehen des Fügestempels 1 in der den Fügestempel 1 aufnehmenden Aussparung 2a verhindert.
Auf der dem Formwerkzeug abgewandten Seite des zweiten Bauteiles 6 ist ein Druckfluid 4, insbesondere ein Hochdruckhydraulikfluid angeordnet, mit dem eine erste Umformkraft mittels des Druckfluides 4 im Bereich der auszubildenden Fügestelle während des ersten Fügeschrittes in das zweite Bauteil 6 einleitbar ist.
Folglich sind das erste und das zweite Bauteil 5,6 im Formwerkzeug angeordnet, wobei sich das erste und das zweite Bauteil 5,6 zueinander in Anlage befinden und der Fügebereich Teil dieses Anlagebereiches ist. Das erste Bauteil 5 ist zwischen dem Formteil 2 und dem Halteteil 3 angeordnet und wird durch dieselben gehalten. Das zweite Bauteil 6 ist in Anlage mit einer Formfläche 3a des Halteteils 3 und mit einer Seite des ersten Bauteiles 5, welche dem Formteil 2 abgewandt ist.
Der Formhohlraum 7 ist im Kontaktbereich zwischen der Stirnfläche 2b des Formteiles 2 und der Aussparung 2a des Formteiles 2, in welcher der Fügestempel 1 aufgenommen ist, ausgebildet. Dabei ist die Aussparung des Formhohlraums 7 so gewählt, dass das erste Bauteil 5 in einem Bereich, welcher den Fügestempel 1 unmittelbar umgibt, „hohl" anliegt, also nicht vom der Stirnfläche 2b des Formteiles 2 abgestützt wird.
Das erste Bauteil 5 weist in dem in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Vorrichtung ein Durchgangsloch 9 im Fügebereich, also im Bereich des Formstempels 1, auf. Das Durchgangsloch 9 ist als kreisrunde Durchgangsöffnung mit konstantem Durchmesser im ersten Bauteil 5 ausgeformt.
Bei einer axialen Vorschubbewegung des Fügestempels 1 kann der Fügestempel 1 durch das Durchgangsloch 9 im ersten Bauteil 5 hindurchtreten, wodurch eine Stirnfläche des Fügestempels 1 mit einer Seite des zweiten Bauteils 6 kontaktierbar ist.
Die das zweite Bauteil 6 kontaktierende Stirnfläche des Fügestempel 1 kann eine ebene, konkav-runde, konkav-spitze, konvex-runde oder konvex-spitze Stirnfläche aufweisen.
Das Druckfluid 4, also insbesondere das Hochdruckhydraulikfluid, wird auf der dem Fügewerkzeug abgewandten Seite des zweiten Bauteiles mittels einer Zuführeinrichtung, wie dies durch die Pfeile in den 1 bis 3 angedeutet ist, zugeführt. Dabei wirkt das mittels der Zuführeinrichtung zugeführte Druckfluid 4 zumindest an der Innenfläche des Fügebereiches oder entlang der gesamten Innenfläche des zweiten Bauteiles 6.
Das zweite Bauteil 6 kann schon vor dem ersten Fügeschritt mittels einer Wirkung des Druckfluides 4 verformt und in Anlage mit der Formfläche 3a des Halteteiles 3 und mit der Seite des ersten Bauteiles 5, welche dem Formwerkzeug abgewandt ist, gebracht worden sein, bevor es den in 1 gezeigten Zustand erreicht hat.
Nachfolgend wird anhand der 2 und 3 ein Verfahren zum Fügen von zwei zumindest teilweise überlappten Bauteilen (wie in 1 gezeigt), anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles erläutert.
Dabei ist in 2 ein Zwischenzustand bei der Herstellung der Fügeverbindung gezeigt. Wie in 2 gezeigt, wird der Fügestempel 1 in einer Hubbewegung von der Oberfläche des zweiten Bauteiles 6 abgehoben, d.h. von den Bauteilen 5,6 wegbewegt. Aufgrund der Wirkung des Druckfluides 4 wird das zweite Bauteil 6 in den derart entstehenden Hohlraum zwischen der Stirnfläche des Fügestempels 1, der Aussparung 2a des Formteiles 2 verdrängt. Folglich wird das zweite Bauteil 6 im Fügebereich im ersten Fügeschritt in den durch den durch die Hubbewegung des Fügestempels 1 und die Aussparung 2a des Formteiles 2, in welcher der Fügestempel 1 aufgenommen ist, verformt.
Ein Druck des Druckfluides 4 und ein Verfahrweg des Fügestempels 1 bei der Hubbewegung bei diesem ersten Fügeschritt werden derart gesteuert, dass das zweite Bauteil 6 im Bereich der herzustellenden Fügeverbindung nach außen, also durch das im ersten Bauteil 5 befindliche Durchgangsloch 9 geformt wird, ohne dabei zu reißen. Dies kann entweder durch Durchsetzen oder durch Durchbeulen oder durch eine Kombination aus beidem realisiert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel besteht wenigstens das zweite Bauteil 6 aus einem plastisch verformbaren Werkstoff, wie beispielsweise Stahl mit Tiefzieheigenschaften, Aluminium oder Kupfer. Eine Fließfähigkeit des Werkstoffes des ersten Bauteiles 5 ist hingegen nicht notwendig, wenn auch möglich. Vielmehr ist es vorteilhaft, jedoch nicht zwingend, wenn das erste Bauteil 5 zumindest im Bereich der auszubildenden Fügestelle eine Formbeständigkeit aufweist und nicht durch die Wirkung des Druckes des Druckfluides 4 verformt wird. Dann ergibt sich an der Begrenzungsfläche des Durchgangsloches 9 eine genau definierte Biegekante, um welche Werkstoff des zweiten Bauteiles 6 verformt wird und folglich genau definierbare Biegebedingungen.
Demgemäß entsteht im ersten Fügeschritt ein verformter Bereich aufgrund der Wirkung des Druckfluides, welcher in Richtung des Formwerkzeuges ausgebildet wird. Eine nennenswerte Hinterschneidung ist in diesem ersten Fügeschritt, insbesondere bei einem formbeständigen ersten Bauteil 5 im Bereich der auszubildenden Fügestelle, d.h. im Bereich des Durchgangsloches 9, noch nicht hergestellt.
Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung sind jedoch im Hinblick auf die Ausbildung des Durchgangsloches 9 als kreisrunde Durchgangsöffnung mit konstantem Durchmesser in keiner Weise auf das beschriebene und gezeigte konkrete Ausführungsbeispiel beschränkt. Eine Grundfläche des Durchgangsloches 9 kann neben der beschriebenen kreisrunden Form auch elliptisch oder polygon ausgebildet sein.
Weiterhin ist das Durchgangsloch 9 in einem (nicht gezeigten) Ausführungsbeispiel konisch ausgebildet, wobei sich eine Querschnittsfläche ausgehend von einem engsten Querschnitt benachbart zum zweiten Bauteil 6 in Richtung des Formwerkzeuges erweitert. Eine derartige konische Durchgangsöffnung ist beispielsweise durch Ansenken eines in das erste Bauteil 5 gestanzten oder gebohrten oder aus dem ersten Bauteil 5 herausgeschnittenen Durchgangsloches 9 (auf der Seite des ersten Bauteiles 5 auf der das Formwerkzeug angeordnet wird) herstellbar. Es ergibt sich dabei eine Durchgangsöffnung wie sie beispielsweise zur Aufnahme einer Senkkopfschraube aufgebildet wird.
Über die Steuerung des Druckes des Druckfluides 4 und den Verfahrweg des Fügestempels 1 bei der Hubbewegung bei dem ersten Fügeschritt wird das zweite Bauteil 6 im Bereich der herzustellenden Fügeverbindung nach außen, also durch das im ersten Bauteil 5 befindliche in diesem Ausführungsbeispiel konische Durchgangsloch 9 geformt. Aufgrund der konischen Ausformung des ersten Bauteiles 5 entsteht schon bei Beginn des Umformvorganges des zweiten Bauteiles 6 eine Hinterschneidung mit dem engsten Querschnitt der Durchgangsöffnung, welcher (wie vorstehend beschrieben) benachbart zum zweiten Bauteil angeordnet ist.
Über diese Hinterschneidung wird eine Fügeverbindung gebildet, wobei die Herausbildung einer Fügeverbindung im konischen Bereich insbesondere bei einem gut verformbaren Werkstoff des zweiten Bauteiles 6 schon während dem ersten Fügeschritt erfolgt.
Anschließend wird, wie in 3 ersichtlich, der in dem ersten Fügeschritt umgeformte Bereich des zweiten Bauteiles entgegen der Richtung des ersten Umformvorganges in einem zweiten Fügeschritt zurückgestaucht. Dazu wird der Fügestempel 1 entgegen der Richtung der Hubbewegung während des ersten Fügeschrittes, also in Richtung des Druckfluides 4, in einer Vorschubbewegung verlagert.
Dementsprechend wird auf den im ersten Fügeschritt verformten Bereich eine zweite Umformkraft, welche der ersten Umformkraft entgegen gerichtet ist, ausgeübt, wobei eine Verformung des zweiten Bauteiles 6 im zweiten Fügeschritt derart erfolgt, dass Werkstoff des zweiten Bauteiles 6 eine Hinterschneidung hinter dem ersten Bauteil 5 unabhängig von einer konkreten Ausbildung des Durchgangsloches 9 bildet.
In diesem zweiten Fügeschritt wird Werkstoff des zweiten Bauteiles 6 in den Formhohlraum 7 unter zumindest teilweisem Ausfüllen des Formhohlraumes 7 verschoben.
Bei der vorstehend beschriebenen konischen Ausbildung des Durchgangsloches 9 wird Werkstoff des zweiten Bauteiles 6 auch in den (aus Richtung des zweiten Bauteiles 6 betrachtet) konisch erweiterten Bereich des Durchgangsloches 9 verschoben, wodurch schon im Bereich des Durchgangsloches 9 ein genau definierbarer Hinterschneidungsbereich gebildet wird, welcher ggf. mit dem mittels des Formhohlraumes 7 gebildeten Hinterschneidungsbereich zusammenwirkt.
Die Hubbewegung und die Vorschubbewegung des Fügestempels 1 sind in dem in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel geradlinig. Dieser geradlinigen Hub- bzw. Vorschubbewegung des Fügestempels kann auch eine Taumel- und/oder eine Schwingbewegung überlagert sein.
Während des Umformens des zweiten Bauteiles 6 im ersten Fügeschritt wird eine Gegenkraft zu der ersten Umformkraft des Druckfluides 4 mittels des Fügestempels 1 in die Fügestelle eingeleitet, wodurch ein kontrolliertes Verformen des zweiten Bauteiles 6 ermöglicht ist. Beschädigung der Oberflächen des zweiten Bauteiles, wie beispielsweise Risse oder gar ein Aufreißen des zweiten Bauteiles 6, werden dementsprechend verhindert.
Während des zweiten Fügeschrittes, d.h. des zumindest teilweisen Zurückstauchens des im ersten Fügeschritt umgeformten Bereiches des zweiten Bauteiles 6, wird der Druck des Hydraulikfluids gesteuert, um eine Gegenkraft zur zweiten Umformkraft des Fügestempels 1 in die Fügestelle einzuleiten. Dementsprechend ist auch bei dem zweiten Fügeschritt ein sicheres und kontrolliertes Umformen des zweiten Bauteiles 6 und ein kontrolliertes Verdrängen von Werkstoff des zweiten Bauteiles 6 in den Formhohlraum 7 gewährleistet.
Der Druck des Druckfluides und die Hubbewegung bzw. die Vorschubbewegung des Fügestempels 1 sind in dem in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel mittels einer Steuereinheit (nicht gezeigt) miteinander verknüpft. In der Steuereinheit sind vordefinierte Bewegungsabläufe des Fügestempels 1 mit entsprechenden Druckverläufen verknüpft und insbesondere in Tabellenform hinterlegt.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele des Verfahrens und der Vorrichtung beschreiben folglich das Fügen von zumindest zwei Bauteilen 5,6, die zumindest teilweise in Anlage zueinander in einen Fügebereich gebracht sind, wobei mit einem Druckfluid 4 eine erste Umformkraft auf die Bauteile 5,6 aufgebracht und zumindest eines der Bauteile 6 plastisch verformt wird, so dass dessen Werkstoff durch ein im ersten Bauteil 5 befindliches Durchgangsloch 9 gedrückt wird, und in einem zweiten Fügeschritt der Fügestempel 1 den durch das Durchgangsloch 9 getretenen Werkstoff gegen den Widerstand des Druckfluides 4 plastisch so verformt, dass sich eine Hinterschneidung ausbildet.
Die Bauteile 5,6 werden dabei bevorzugt in einem Formwerkzeug angeordnet, wobei zumindest das zweite Bauteil 6 durch das Druckfluid 4 plastisch in eine durch das Formteil 2 und das Halteteil 3 des Formwerkzeuges vorgegebene Form verformt wird (Vorformung), wodurch die beiden Bauteile 5,6 in den Fügebereich auch in Anlage zueinander gebracht werden, und diese Bauteile 5,6 anschließend während des Fügens in dem Formwerkzeug angeordnet sind.

Claims

Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) mit einem Formwerkzeug und einem Druckfluid, und einem ersten Fügeschritt, bei dem mittels des Druckfluides (4) zumindest eines der Bauteile (5,6) in einem Bereich plastisch verformt wird, und einem zweiten Fügeschritt, bei dem auf den im ersten Fügeschritt plastisch verformten Bereich des Bauteiles (6) in Gegenrichtung umformend eingewirkt wird, wobei der umgeformte Bereich in einem Hohlraum (7) des Formwerkzeuges verformt wird und eine Hinterschneidung zwischen den Bauteilen (5,6) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung des verformten Bereichs im zweiten Fügeschritt mittels eines Fügestempels (1) des Formwerkzeuges erfolgt, wobei der Hohlraum als Formhohlraum (7) in einem Formteil (2) des Formwerkzeuges ausgebildet ist, und Werkstoff des umgeformten Bereiches in den Form hohlraum (7) verdrängt wird um die Hinterschneidung zwischen den Bauteilen (5,6) auszubilden.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der zumindest zwei Bauteile (5,6) vor Ausbilden einer Fügestelle zumindest im Bereich der auszubildenden Fügestelle mittels des Druckfluides (4) vorgeformt und/oder die Bauteile (5,6) zueinander in Anlage gebracht werden.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumin dest zwei Bauteile in dem Formwerkzeug angeordnet werden, wobei das Formteil (2) des Formwerkzeuges mit einem ersten (5) der zumindest zwei Bauteile (5,6) in Anlage und das Druckfluid (4) mit einem zweiten (6) der zumindest zwei Bauteile (5,6) in Kontakt gebracht werden.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügestempel (1) vor Beginn des ersten Fügeschrittes mit einem der Bauteile in Kontakt gebracht wird und der Fügestempel (1) während des ersten Fügeschrittes bezüglich einer Längsachse desselben eine geradlinige Hubbewegung durchführt.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügestempel (1) während des zweiten Fügeschrittes bezüglich einer Längsachse desselben eine geradlinige Vorschubbewegung durchführt.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der geradlinigen Hubbewegung und/oder der geradlinigen Vorschubbewegung eine Taumelbewegung überlagert wird.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der geradlinigen Hubbewegung und/oder der geradlinigen Vorschubbewegung eine Schwingung überlagert wird.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine während des ersten Fügeschrittes im Fügestempel (1) erzeugte Gegenkraft zu einer mittels des Druckfluides (4) erzeugten ersten Umformkraft.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine während des zweiten Fügeschrittes mittels des Druckfluides (4) erzeugten Gegenkraft zu einer mittels des Fügestempels (1) erzeugten zweiten Umformkraft.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck des Druckfluides (4) während des ersten und/oder des zweiten Fügeschrittes gesteuert wird.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubbewegung und/oder die Vorschubbewegung des Fügestempels (1 ), insbesondere eine Geschwindigkeit und/oder ein Betrag der Hub- oder Vorschubbewegung, an den Druck des Druckfluides (4) angepasst wird.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch ein Halteteil (3) des Formwerkzeuges, wobei das Halteteil (3) die im ersten Fügeschritt mittels des Druckfluides (4) eingeleitete erste Umformkraft zumindest teilweise abstützt und/oder als Formfläche (3a) bei einer Verformung zumindest eines der Bauteile (5,6) wirkt.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Werkstoff des zweiten Bauteiles (6) in dem ersten Fügeschritt durch eine in dem ersten Bauteil (5) ausgeformte Durchgangsöffnung (9) gedrückt wird unter plastischer Verformung des zweiten Bauteiles (6).
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügestempel (1) zu Beginn des ersten Fügeschrittes mit dem zweiten Bauteil (6) in Kontakt steht und während des ersten Fügeschrittes eine Hubbewegung ausführt.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Fügeschritt Werkstoff des umgeformten Bereiches des zweiten Bauteiles (6) mittels des Fügestempels (1) in den Formhohlraum (7) verdrängt wird, wobei der in den Formhohlraum (7) verdrängte Werkstoff des zweiten Bauteiles (6) eine Hinterschneidung mit dem ersten Bauteil (5) bildet.
Verfahren zum Fügen von sich zumindest teilweise überlappenden Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Herausbildung einer Hinterschneidung durch eine konisch geformte Durchgangsöffnung (9) im ersten Bauteil (5) unterstützt wird.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einem Formwerkzeug und einer Zuführungseinrichtung eines Druckfluides (4), wobei das Formwerkzeug einen Hohlraum (7) definiert und einen Stempel (1) aufweist, der in einer Aussparung in dem Formwerkzeug bewegbar angeordnet ist, und zumindest eines der Bauteile (5,6) in einem ersten Fügeschritt mittels des Druckfluides (4) in einem Bereich plastisch umformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel ein Fügestempel (1) ist um in einem zweiten Fügeschritt eine zumindest teilweise Stauchung des in dem ersten Fügeschritt plastisch umgeformten Bereiches auszuführen, wobei der Hohlraum ein Formhohlraum (7) in einem Formteil (2) des Formwerkzeuges ist, um Werkstoff des umgeformten Bereiches, der durch den Fügestempel (1) verdrängt wird, aufzunehmen um eine Hinterschneidung zwischen den Bauteilen (5,6) auszubilden.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6) nach Anspruch 17; dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (5,6) in einem Fügebereich derselben zumindest teilweise in Anlage zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (5,6) im Formwerkzeug angeordnet sind, wobei das Formteil (2) des Formwerkzeuges mit einem ersten (5) der zumindest zwei Bauteile (5,6) in Anlage und das Druckfluid (4) mit einem zweiten (6) der zumindest zwei Bauteile (5,6) in Kontakt gebracht ist.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum (7) in einem Stirnbereich (2b) des Formteiles (2) des Formwerkzeuges ausgebildet ist, wobei der Stirnbereich (2b) mit dem ersten Bauteil (5) in Kontakt bringbar ist.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug ein Halteteil (3) aufweist, wobei das Halteteil (3) zumindest zu einer teilweisen Abstützung einer mittels des Druckfluides (4) eingeleiteten Umformkraft und/oder als Formfläche (3a) bei einer Verformung des zweiten Bauteiles (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (5) eine Durchgangsöffnung (9) benachbart zum Fügestempel (1) aufweist, wobei die Durchgangsöffnung (9) des ersten Bauteiles (5) vom Fügestempel (1) durchsetzbar und eine Stirnfläche des Fügestempels (1) mit einer Oberfläche des zweiten Bauteiles (6) in Kontakt bringbar ist.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (9) konisch ausgebildet ist und/oder eine kreisrunde, elliptische oder Polygone Grundfläche aufweist.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 17 bis 23, gekennzeichnet durch eine geradlinige Hubbewegung und/oder eine geradlinige Vorschubbewegung des Fügestempels (1) bezüglich einer Längsachse desselben.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass. der geradlinigen Hubbewegung und/oder der geradlinigen Vorschubbewegung des Fügestempel (1) eine Taumel- und/oder eine Schwingbewegung überlagert ist.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck des Druckfluides (4) steuerbar ist.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Druckfluides (4) und die Hubbewegung und/oder die Vorschubbewegung des Fügestempels (1) aufeinander abstimmbar sind.
Vorrichtung zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen (5,6) nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügestempel (1) eine ebene, konkav-runde, konkav-spitze, konvex-runde oder konvex-spitze Stirnfläche aufweist.