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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbindung
mindestens zweier flächiger
Werkstücke
gemäß den Oberbegriffen
der Patentansprüche
1 bzw. 4 und ist besonders geeignet, Flächen aus Werkstoffen, die unter
Druck- und Wärmeeinwirkung
fließfähig werden,
mit Verbindungselementen zur verbinden.
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Karosserieteile
sowie andere Blechformteile werden vielfach durch Punktschweißtechnik
miteinander verbunden. Neben der Gefahr, dass durch dabei auftretende
Schweißfunken
Verunreinigungen der Oberfläche
auftreten, hat dieses Verfahren jedoch einige Nachteile insbesondere,
wenn andere Materialien als herkömmliche
Stahlbleche zur Verwendung kommen.
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Beim
Einsatz von verzinkten Blechen wird die Verzinkung im Bereich der
Schweißstelle
zerstört und
dadurch die Korrosionsanfälligkeit
erhöht.
Für Aluminium
ist noch kein geeignetes Punktschweißverfahren bekannt.
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Um
solche Materialien miteinander zu verbinden, wurde deshalb eine
Anzahl alternativer Verbindungsarten entwickelt.
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So
ist beispielsweise in der
DE
19741562 A1 ein Verfahren zum Befestigen, insbesondere
Verstemmen, eines Bauteils an einen Träger beschrieben, bei dem das
Bauteil auf eine am Träger
vorgesehene umlaufende Stufe aufgelegt wird. Dabei wird auf der
von der Stufe abgewandten Seite des Halteelements Trägermaterial über das
Halteelement gedrückt.
Um auch Bauteile mit Funktionsaufgaben, die nicht verformt oder
beschädigt
werden dürfen,
sicher an einem Träger
befestigen zu können,
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Verformung der Wand so durchgeführt wird, dass das Trägermaterial im
Wandbereich abschnittsweise nacheinander über das Halteelement gedrückt wird.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden aufeinanderliegender
dünner
Platten oder Plattenabschnitte durch Tiefziehfügen wird auch in der
DE 3726392 A1 beschrieben.
Hierbei wird durch einen Stempel ein Nocken tiefgezogen, dessen
Boden zu einer vorspringenden Wölbung
frei ausgeformt wird. Diese Wölbung
wird anschließend
durch einen gegengerichteten Stauchhub flachgestaucht, wobei der
Nocken vorzugsweise in einen seitlichen Freiraum unter Biegung der
Nockenseitenwände breitgeformt
wird. Der Nockenboden kann nach dem Breitstauchen noch gegen den
Tiefziehstempel nachgequetscht werden. In der
DE 0215449 C wird ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens zum Verbinden aufeinanderliegender dünner Platten, insbesondere
von Blechen oder Plattenabschnitten vorgestellt, gemäss dem übereinanderliegende
Flächenteile
beider Platten zuerst miteinander tiefgezogen werden, wonach der
Bodenbereich der tiefgezogenen Flächenteile breitgequetscht wird
und wobei die radiale Ausdehnung des Bodenbereichs dieser tiefgezogenen
Flächenteile
begrenzt wird, wodurch eine plastische Verformung des Plattenmaterials
besonders im Randbereich erfolgt, so dass ein Fügepunkt entsteht. Durch eine
im Randbereich des Bodens der Sacköffnung des Gesenks vorhandene
Sicke wird das Ineinanderfließen
des gequetschten Materials an den zu verbindenden Stellen und damit
die Clinchfestigkeit verbessert.
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Die
in der
DE 14 52 20 C beschriebene
Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zum Verbinden zweier Teile
zu schaffen, bei dem in einem Arbeitsgang die Teile miteinander
verbunden werden, wobei darüber
hinaus die Nachteile des bekannten Standes der Technik umgangen werden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass beim Ziehen des rohrförmigen Ansatzes des ersten
Teiles durch die Öffnung
des zweiten Teiles das ziehfähige
Material des ersten Teiles stark abgestreckt wird und dabei radial nach
außen
drängt,
so dass es am Austrittsende der Öffnung
im zweiten Teil radial nach außen
fließt,
wobei es um die Kante der Öffnung
herumgreift und einen Wulst bildet.
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Ein
alternatives Verfahren zu den zuvor erwähnten Verklammerungsverfahren
ist die punktweise Verbindung durch Einsatz von Fließbohrwerkzeugen.
Die
DE 196 34 417
C2 beschreibt ein Verfahren zur Verbindung mindestens zweier
dünnwandiger Werkstücke. Um
auf einfache und kostengünstige Weise
eine Festigkeitserhöhung
derartiger Verbindungen zu erreichen, schlägt diese Erfindung vor, an den
Stellen, an denen die Werkstücke
miteinander verbunden werden sollen, jeweils eine sich durch beide
Werkstücke
hindurch erstreckende Bohrung mit Hilfe eines Fließformwerkzeuges
einzubringen. Dadurch wird erreicht, dass im Übergangsbereich zwischen den
beiden Werkstücken
aufgrund der durch das Fließbohren
erzeugten Hitze eine lokale Verschweißung der Werkstücke auftritt,
die noch durch eine zusätzliche
Schraube gesichert werden kann. Dabei wird entweder vor dem Einbringen
der Fließbohrung
in das dem Fließformwerkzeug
zugewandten ersten Werkstück
in dieses eine Ausnehmung eingebracht, die einen Durchmesser aufweist,
der kleiner ist als der Durchmesser des Fließformwerkzeuges, oder vor dem
Einbringen der Fließbohrung
in das dem Fließformwerkzeug
zugewandte erste Werkstück
wird dieses derart erwärmt,
dass es in dem Bereich der einzubringenden Bohrung mindestens einen
teigigen Zustand aufweist.
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Die
hierbei angewendeten Verfahren unterscheiden sich vielfach durch
die Geometrie der Fließbohrwerkzeuge.
Die
FR 1189384 zeigt
eine Fließbohrergeometrie
zur Erzeugung von Löchern
in dünne Bleche
und Rohre. Der Fließbohrer
hat eine quadratische Form mit abgerundeten Ecken und läuft spitz zu.
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In
der
NL 74 15 559 A ist
eine dreieckig-polygone Fließbohrerform
und zum anderen eine Vorrichtung zum Aushalsen von Rohren beschrieben.
Bohrer und Vorrichtung sind auch in Kombination erwähnt. Der
Fließbohrer
erzeugt das Loch im Rohr, ein oberhalb des Bohrers angeordneter
Mechanismus verbreitert das Werkzeug innerhalb des Rohres. Rotierend
wird das Werkzeug zurückgezogen,
erzeugt einen Materialfluss nach außen und verbreitert die Bohrung.
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Auch
in der
NL 160499 C wird
eine Fließbohrerform
mit dreieckigpolygonem Querschnitt vorgeschlagen. Der hier gezeigte
Bohrer läuft
spitz zu. Das Patent
EP
0057039 A1 beschreibt eine Fließbohrergeometrie zur Erzeugung
von Löchern
in dünnen
Blechen und Rohren. Ziel ist die Erzeugung eines Materialflusses
in und entgegengesetzt zur Bohrervorschubrichtung. Der hier verwendete
Fließbohrer
hat eine viereckig-polygone Form und läuft ebenfalls spitz zu.
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Eine
verbesserte Ausführung
eines Reibkörpers,
bei der dieser mit einer zusätzlichen
Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung
versehen ist, wird in der
DE
197 16 431 A1 vorgestellt. Auch dieses Werkzeug erfordert,
dass der erzeugte Durchzug mit einem weiteren Werkzeug von der Gegenseite
bearbeitet wird.
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Die
Verbindung in den zuvor beschriebenen Verfahren erfolgt teilweise
durch lokale Verschmelzung im Bereich der Bohrungen und wie in der
DE 196 34 417 C2 beschrieben
zum Teil durch zusätzliche
Nieten und Schrauben.
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Aus
der
DE 198 10 367
C1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Durchzugs durch
einen Stapel aus mindestens zwei plattenförmigen Werkstücken bekannt,
bei dem mittels eines Durchzugsstempels, der im wesentlichen senkrecht
durch den Stapel geführt
wird, Material des einen, dem Durchzugsstempel zugewandten, plattenförmigen Werkstückes durch
eine Öffnung
des anderen plattenförmigen Werkstückes durchgezogen
wird. Dabei wird mit einer einzigen Zustellbewegung des Durchzugsstempels
sowohl der Durchzug als auch die Öffnung an dem anderen, in Zustellrichtung
des Durchzugsstempels hinteren, plattenförmigen Werkstück gebildet,
indem das dem Durchzugsstempel abgewandte plattenförmige Werkstück von einer
Matrize derart abgestützt
wird. Beim Einführen
des Durchzugsstempels in den Stapel aus dem hinteren plattenförmigen Werkstück wird
ein Materialstück
ausgebrochen, dessen Außenkontur
im wesentlichen der Außenkontur
des Durchzugs entspricht.
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Am
Ende der Zustellbewegung des Durchzugsstempels ragt der Durchzug über die
in der Matrize zugewandten Fläche
des hinteren plattenförmigen
Werkstückes
hinaus.
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Anschließend wird
der Durchzug vorzugsweise mittels eines Bördelstempels, der von einer dem
Durchzugsstempel gegenüberliegenden
Seite der Werkstücke
zugestellt wird, umgebördelt,
wobei nach einem Umbördeln
die Außenfläche des
Durchzugs zumindest abschnittsweise auf der Außenfläche des hinteren Werkstückes aufliegt,
sodass eine Nietverbindung entsteht. Nachteilig ist bei diesem Verfahren,
dass die Werkzeuge von beiden Seiten des Werkstückes heran geführt werden
müssen.
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Nachteilig
sowohl beim Punktschweißen,
als auch bei in den zuvor beschriebenen Verfahren zur Verbindung
mit Fließbohrern,
oder zur Verklammerung ist es vor allem, dass in der Regel Werkzeuge notwendig
sind, die von beiden Seiten an die Werkstücke herangeführt werden
müssen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung
vorzuschlagen, mit dem flächige
Körper
sowohl aus gleichartigen als auch aus teilweise unterschiedlichen
Materialien verbunden werden können.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
vorzuschlagen, bei dem der Zugriff auf die Werkstücke lediglich
von einer Seite notwendig ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die
Ansprüche
2 und 3 zeigen verschiedene Gestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
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Eine
Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens kann den Merkmalen des Anspruchs 4 entnommen werden.
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Zur
Durchführung
des Verfahrens werden mindestens zwei flächige Werkstücke aus
Werkstoffen, die unter Druck- und Wärmeeinwirkung fließfähig sind
so, wie sie verbunden werden sollen, zueinander positioniert. An
den vorgesehenen Verbindungspunkten wird jeweils ein rotierender
konischer Reibkörper, insbesondere
ein Fließbohrer,
unter Einwirkung einer in Richtung des Werkstückes gerichteten Kraft auf die
Oberfläche
des Werkstückes
aufgesetzt. Durch die Reibungswärme
wird das Werkstück
auf seine Fließtemperatur
aufgeheizt, so dass der Reibkörper unter
Fortführung
der Rotation in die Werkstücke
so weit hinein gepresst werden kann. Dabei wird Druck, Vorschub
und Drehzahl so gesteuert, dass aus dem verdrängten Material zumindest des
einen Werkstückes
ein das zweite Werkstück
durchdringender zylindrischer Verbindungskörper gebildet wird. Nach Ausbildung
der Durchzüge
wird die Bewegungsrichtung des Reibkörpers so geändert, dass der aus dem zweiten
Werkstück
herausragende Teil beider Durchzüge
zu einer auf der Oberfläche
des zweiten Werkstückes
aufliegenden Wulst umgeformt wird.
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Hierbei
ist es insbesondere im Sinne der Erfindung, wenn der Reibkörper nach
Erreichen der Fließtemperatur
beide Werkstücke
vollständig
durchdringt und der Verbindungskörper
auf der Austrittsseite ausgebildet wird. Dieser zylindrische Körper, der
sich aus den verdrängten
Materialien beider Werkstücke
gebildet hat, wird in einem zweiten Schritt durch eine geänderte Bewegung
des Reibkörpers
und eine an diesem vorhandene Schulter ausgeweitet und zu einer
auf der Austrittsseite aufliegenden Wulst ausgeformt.
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Es
ist aber auch im Sinne der Erfindung, wenn der Reibkörper nach
Erreichen der Fließtemperatur
das in Aufsetzrichtung erste Werkstücke vollständig durchdringt und der Verbindungskörper durch
entgegen der Eindringrichtung fließendes Materialien des zweiten
Werkstückes
auf der Eintrittsseite ausgebildet wird. Auch hier wird der dadurch
gebildete zylindrische Körper,
der wiederum aus zwei in den Randzonen miteinander verschmolzenen Schichten
besteht, anschließend
durch eine entsprechend ausgeführte
Bewegung des Reibkörpers
zu einer auf dem ersten Werkstück
aufliegenden Wulst ausgeformt.
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Eine
entsprechende Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens ist so
ausgebildet, dass ein Reibkörper
in der Form eines bekannten Fließbohrers aus einer dem Werkstück zugewandten überwiegend
kegel- oder pyramidenförmigen Spitze
(1) und einem daran in Richtung Antrieb anschließenden zylindrischen
Führungskörper (2)
besteht. Zwischen dem Führungskörper (2)
sowie einem, diesen mit dem Antrieb verbindenden Spannschaft (5)
ist ein Verbindungssteg (3) angeordnet, dessen Durchmesser
zumindest in einem an den Führungskörper (2) anschließenden Bereich
gegenüber
dem Führungskörper um
5 bis 30 Prozent verringert ist. Der so ausgeführte Reibkörper ist mit einem Antrieb
verbunden, durch den der Reibkörper
sowohl um die Achse (A1) des Reibkörpers als auch um eine zweite
Achse (A2), die zumindest im Bereich des Übergangs von Führungskörper (2)
zu Verbindungssteg (3) um einen Betrag von der ersten Achse
(A1) abweicht, der annähernd
gleich der Differenz zwischen dem Durchmesser des Führungskörpers (2)
und dem Verbindungssteg (3) ist, gedreht werden kann.
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Dabei
ist es sowohl im Sinne der Erfindung, wenn die Achse (A2) parallel
zur Achse (A1) verläuft, als
auch wenn die Achse (A2) unter einem Winkel zur Achse (A1) verläuft, bei
dem sich die Achse (A1) mit der Achse (A2) im Bereich der Werkzeugeinspannung
kreuzt.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen 1 bis 3 in Form eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.
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Dabei zeigt
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1 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Reibkörpers,
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2 die Fertigung eines Verbindungspunktes
in verschiedenen Phasen bei vollständiger Durchdringung der zu
verbindenden Körper,
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3 die Fertigung eines Verbindungspunktes
in verschiedenen Phasen bei nur teilweise Durchdringung der zu verbindenden
Körper.
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Dabei
ist in den 2e bis g dargestellt, wie die
Wulst auf der Gegenseite des Werkstückes durch Rotation des Reibkörpers um
eine parallel zur Achse A1 angeordnete Achse A2 ausgeformt wird.
In der 2h wird angedeutet, wie das
Gleiche bei einer zur Achse A1 geneigte Achse A2 erfolgen kann.
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Ein
Reibkörper
zur Realisierung des Verfahrens besteht, wie aus 1 ersichtlich,
aus einer dem Werkstück
zugewandten überwiegend
kegelförmigen
Spitze (1) und einem daran in Richtung Antrieb anschließenden zylindrischen
Führungskörper (2). Zwischen
dem Führungskörper (2)
sowie einem, diesen mit dem Antrieb verbindenden Spannschaft (5) ist
ein ebenfalls zylindrischer Verbindungssteg (3) angeordnet,
dessen Durchmesser gegenüber
dem Führungskörper um 25
% verringert ist. Der so ausgeführte
Reibkörper
ist mit einem Antrieb verbunden, durch den der Reibkörper sowohl
um die Achse (A1) des Reibkörpers
als auch um eine zweite Achse (A2), die parallel zur ersten verläuft und
um einen Betrag von der ersten Achse (A1) abweicht, der 20% des Durchmesser
entspricht, gedreht werden kann.
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Beispiel 1
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Um
zwei Bleche miteinander zu verbinden, werden diese aufeinander gelegt.
An den vorgesehenen Verbindungspunkten wird der um seine Achse A1
rotierende konischer Reibkörper
unter Einwirkung einer in Richtung des Werkstückes wirkenden Kraft auf die
Oberfläche
des Werkstückes
aufgesetzt. Durch die Reibungswärme
werden die Werkstücke am
Aufsetzpunkt auf die Fließtemperatur
aufgeheizt, so dass der Reibkörper
unter Fortführung
der Rotation in die Werkstücke
hinein gepresst werden kann. Dabei werden Druck, Vorschub und Drehzahl
so gesteuert, dass aus dem verdrängten
Material zumindest des einen Werkstückes ein das zweite Werkstück durchdringender
zylindrischer Verbindungskörper
gebildet wird. Anschließend
wird der aus dem zweiten Werkstück
herausragende Teil des Verbindungskörpers wie in den Zeichnungen 2e bis 2g zu
erkennen ist, durch eine Veränderung
der Bewegungsrichtung des Reibkörpers
so verformt, dass er eine auf der Oberfläche des zweiten Werkstückes aufliegende
Wulst ausbildet.
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Hierbei
ist es insbesondere im Sinne der Erfindung, wenn der Reibkörper nach
Erreichen der Fließtemperatur
beide Werkstücke
vollständig
durchdringt und der Verbindungskörper
auf der Austrittsseite ausgebildet wird. Dieser zylindrische Körper, der
sich aus den verdrängten
Materialien beider Werkstücke
gebildet hat, wird in einem zweiten Schritt durch eine geänderte Bewegung
des Reibkörpers
und eine an diesem vorhandene Schulter ausgeweitet und zu einer
auf der Austrittsseite aufliegenden Wulst ausgeformt.
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Beispiel 2
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Wie
in den 3a bis 3d angedeutet, kann
mit Hilfe der Erfindung auch ein Blech auf einem massiveren Körper befestigt
werden. Dazu wird der rotierende Reibkörper auf die Oberseite des
Bleches aufgesetzt. Nach Erreichen der Fließtemperatur durchdringt dieser
das aufgesetzte Blech vollständig, wobei
sich dieses bereits zu einer Wulst aufwölbt. Beim weiteren Eindringen
des Reibkörpers
in den massiven Körper
und wird auch dessen fließfähig gemachtes
Material verdrängt.
Dieses tritt durch die Öffnung
im aufliegenden Blech aus und bildet den zylindrischen Verbindungskörper. Anschließend wird
dieser so gebildete zylindrische Körper, der wiederum aus zwei
in den Randzonen miteinander verschmolzenen Schichten besteht, durch
eine entsprechend ausgeführte
Bewegung des Reibkörpers
zu einer auf dem ersten Werkstück
aufliegenden Wulst ausgeformt.