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Stand der Technik:
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Fügewerkzeuge für Fügeverfahren müssen regelmäßig komplexen bzw. unterschiedlichen Fügeanforderungen genügen. Werden beim Fügen verschiedene nacheinander zu durchlaufende Arbeitsschritte nötig, ist zum Beispiel ein Umstellen oder ein Wechsel von Teilen des Werkzeugs im laufenden Fügevorgang zu berücksichtigen. Um in kurzen Taktzeiten mit hoher Prozesssicherheit zu arbeiten und darüber hinaus die Fügevorrichtung flexibel und wirtschaftlich einsetzen zu können, müssen moderne Fügewerkzeuge entsprechend angepasst sein.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung:
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fügevorrichtung wie ein Setzwerkzeug für Fügeelemente bzw. ein Durchsetz-Fügewerkzeug bereitzustellen, welches variabel und effektiv für verschiedene Fügeaufgaben bzw. Fügeverfahren einsetzbar ist. Insbesondere soll die Vorrichtung vorteilhaft zum Setzen eines Funktions- oder Fügeelements an einem Werkstück oder zum Durchsetzfügen des Werkstücks ausgebildet sein, insbesondere für verschiedene Nietverfahren und/oder zum Durchsetzfügen bzw. Clinchen.
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Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
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Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Setzen eines Fügeelements an einem Werkstück oder zum Durchsetzfügen des Werkstücks, umfassend eine Stempeleinheit und eine gegenüberliegende Matrizeneinheit, zwischen denen das mit der Vorrichtung bearbeitbare Werkstück einklemmbar ist, wobei die Stempeleinheit einen entlang einer Fügerichtung bewegbaren Stempel und einen am Werkstück andrückbaren Niederhalter umfasst, und wobei die Matrizeneinheit Anlagemittel zur Anlage am Werkstück und einen Matrizenabschnitt mit einem Funktionsbereich aufweist, der in Fügerichtung gegenüber dem Stempel am Matrizenabschnitt für ein Zusammenwirken mit dem Stempel ausgebildet ist. Der Stempel der Stempeleinheit ist insbesondere angetrieben linear bewegbar, beispielsweise hydraulisch, pneumatisch, hydropneumatisch und/oder elektrisch, beispielsweise mit einem Elektroantrieb. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise als Füge- und/oder Clinchwerkzeug ausgebildet und variabel einsetzbar.
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Der Begriff Werkstück steht allgemein für ein einlagiges Werkstück, zum Beispiel aus genau einem Blech, oder für ein mehrlagiges Werkstück, das zwei oder mehr als zwei aufeinander liegende Werkstücklagen wie z. B. Blechlagen umfasst.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung dient neben dem Durchsetzfügen insbesondere zum Setzen eines Fügeelements an einem Werkstück. Der Begriff Fügeelement wird nachfolgend stellvertretend für entweder ein Funktionselement oder ein Nietelement verwendet. Ein Funktionselement wird vorzugsweise an einem einlagigen Werkstück angebracht, insbesondere um am Werkstück eine Funktionalität bereitzustellen.
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Ein Nietelement wird insbesondere an einem mehrlagigen Werkstück gesetzt, um insbesondere die Werkstücklagen miteinander zu verbinden. Als Nietelement kommt insbesondere ein Stanzniet, ein Stanzstauchniet, ein Vollstanzniet, ein Halbhohlstanzniet oder ein Clinchniet in Frage. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich auch vorteilhaft für das Clinchen bzw. Durchsetzfügen, bei dem kein Fügeelement verarbeitet wird. Beim Fügeprozess findet regelmäßig eine Verformung bzw. ein teilweises oder komplettes Ausstanzen eines Bereichs des Werkstücks statt. Die betreffenden Füge- bzw. Nietelemente und/oder das Werkstück werden beim Setzen bzw. Durchsetzfügen regelmäßig verformt. Beim Vollstanznieten und dem dazu artverwandten Stanzstauchnieten wird mit dem Fügeelement bzw. Niet ein Loch durch das nicht vorgelochte Werkstück gestanzt. Beim Stanzstauchnieten wird darüber hinaus der Niet zusätzlich gestaucht, also zur Verankerung im Werkstück im Zustand des im gestanzten Loch vorhandenen Niets selbst verformt, was beim Stanznieten nicht der Fall ist. Nachfolgend wird im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichbedeutend auch von dem erfindungsgemäßen Werkzeug gesprochen.
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Ein erster wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, dass in einer Ausrückstellung der Matrizeneinheit die Anlagemittel in Richtung zur Stempeleinheit über den Matrizenabschnitt vorstehen und in einer Absenkstellung der Matrizeneinheit, in welcher ein Werkstück stempelseitig vom Niederhalter beaufschlagbar ist, eine matrizenseitige Werkstückseite an den Anlagemitteln und an dem Matrizenabschnitt abstützbar ist, wobei in der Absenkstellung der Matrizeneinheit der Matrizenabschnitt drehbar ist.
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Damit kann auf vorteilhafte Weise die Matrizeneinheit im Prozess verstellt werden. Insbesondere kann mit der Drehung des Matrizenabschnitts ein erster Bereich des Matrizenabschnitts aus der Fügeachse wegbewegt und gleichzeitig ein anderer Bereich des Matrizenabschnitts in die Fügeachse bzw. unter den Stempel hinbewegt werden.
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Ein weitere Erfindungsaspekt ist darin zu sehen, dass in einer Ausrückstellung der Matrizeneinheit die Anlagemittel in Richtung zur Stempeleinheit über den Matrizenabschnitt vorstehen und in einer Absenkstellung der Matrizeneinheit, in welcher ein Werkstück stempelseitig vom Niederhalter beaufschlagbar ist, eine matrizenseitige Werkstückseite an den Anlagemitteln und an dem Matrizenabschnitt abstützbar ist, wobei die Stempeleinheit und die Matrizeneinheit so aufeinander abgestimmt sind, dass eine Klemmwirkung auf ein zwischen dem Niederhalter und der Matrizeneinheit positionierbares Werkstück erhalten bleibt, wenn die Matrizeneinheit aus der Absenkstellung in die Ausrückstellung gelangt, wobei ein in der Absenkstellung der Matrizeneinheit bereitstellbarer Abstützkontakt zwischen dem Werkstück und dem Matrizenabschnitt aufhebbar ist.
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Die Versetzung zum Beispiel der Anlagemittel bzw. eines Matrizen-Niederhalters nach oben bzw. dessen Hub muss mindestens so groß wie ein matrizenseitige Überstand bzw. die Eindringtiefe eines durch das Werkstück durchgestanzten Stanzelements in einen Kanal zur Stanzbutzenabführung im Matrizenabschnitt. Damit ist sichergestellt, dass das Werkstück vom Matrizenabschnitt gänzlich getrennt ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht vorteilhafterweise eine über den Verlauf des Fügeprozesses dauerhafte bzw. ununterbrochene Klemmung des Füge- bzw. Werkstückverbunds, der das Werkstück aus insbesondere zwei oder mehr Werkstücklagen und das gesetzte Fügeelement bzw. den Niet umfasst. Damit wird nach Abschluss der Fügung ein unter Spannung stehender Niet im Werkstückverbund realisierbar. Dies führt nach Abschluss des Fügevorgangs zum vorteilhaften bzw. gewünschten Verbindungszustand mit einem unter Druck bzw. unter Klemmung stehenden Werkstückverbund.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorteilhaft außerdem so, dass im Fügeprozess eine mit der Vorrichtung einmal bzw. erstmals eingerichtete Klemmwirkung am Werkstück, mit dem die Position des Werkstücks relativ zur Vorrichtung erstmals festgelegt ist, in einem nachfolgenden Arbeitsschritt erhalten bleibt. Häufig ist es notwendig, dass der Stempel zweimal auf das Werkstück einwirkt und dazwischen sich von diesem wegbewegt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für solche und verwandte Prozesse vorteilhaft, insbesondere wenn in einem späteren Arbeitsschritt eine zuvor festgelegte exakte Positionierung der Fügeachse am Werkstück für einen nachgeordneten Arbeitsschritt ebenfalls exakt getroffen werden muss. Für eine exakte und richtige Bearbeitung des Werkstücks muss dann die Ausrichtung des Werkstücks so sein, dass die zentrale Stempelachse in dem nachgeordneten Arbeitsschritt genau durch die gleiche Stelle am Werkstück geht wie in dem vorausgegangenen Arbeitsschritt, in dem der Stempel auf das Werkstück eingewirkt hat. Beim Stanzstauchnieten wird zum Beispiel zunächst der Niet vom vorfahrenden Stempel durch das geklemmt gehaltene Werkstück gestanzt. Der Matrizenabschnitt bildet hierfür eine Öffnung in einem ersten Funktionsbereich, in welche der Stanzbutzen hineingedrückt wird. Nach einem kurzen Zurückfahren des Stempels wird die Matrizeneinheit aus der Absenkstellung in die Ausrückstellung verstellt und dann der Stempel wieder vorgefahren und der Niet erneut gegen eine feste Auflage eines anderen Funktionsbereich des Matrizenabschnitts gedrückt und dabei gestaucht.
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Andernfalls wäre es nachteilig, wenn die Werkstück-Klemmung zwischen dem Niederhalter und den Anlagemitteln im Prozess unterbrochen werden müsste, insbesondere um die Matrizeneinheit verstellen zu können. Denn auch eine nur kurzzeitige Aufhebung der Klemmwirkung kann dazu führen, dass es zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug zu einer Relativbewegung kommt, womit im nachgeordneten Stauchvorgang der Stempel nicht exakt mit der vorigen Relativstellung bzw. Stellung der Fügeachse in Übereinstimmung ist. Der Stempel ist dann etwas versetzt zur ursprünglichen Fügestelle am Werkstück, die aber exakt erreicht werden muss, um den Fügeprozess wie gewünscht abschließen zu können. Denn falls der Stempel sich im nachgeordneten Arbeitsschritt auch nur geringfügig versetzt oder geneigt zur Fügeachse gemäß des vorausgegangenen Arbeitsschritts bewegt, kann dies zu einem minderwertigen oder gar fehlerhaften Gesamtprozess führen.
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Ein solches Szenario ist erfindungsgemäß ausgeschlossen, da die einmal eingerichtete Klemmwirkung des Werkstücks relativ zum Werkzeug über die gesamte Bearbeitungszeit nicht aufgehoben bzw. aufrechterhalten bleibt. Das Werkzeug und damit der Stempel bleibt in exakt der ursprünglichen Fügeachse relativ zum Werkstück.
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Die Klemmwirkung wird am Werkstück von beiden Seiten, also stempelseitig und matrizenseitig eingerichtet. Matrizenseitig sind die Anlagemittel wie z.B. ein Matrizen-Niederhalter dafür vorgesehen. Stempelseitig durch den Niederhalter, da der Stempel sich beim Zurückfahren nach dem ersten Arbeitsschritt vom Werkstück löst. Da die Matrizeneinheit nach einem Prozessschritt aus der Absenkstellung in die Ausrückstellung gelangt, kommt die Matrizeneinheit außer Kontakt vom Werkstück und kann ohne Probleme verstellt werden, bevor im nachfolgenden Arbeitsschritt der Stempel wieder vorfährt und aktiv wird.
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Das Vorstehen der Anlagemittel bedeutet, ein Vorstehen des freien Endes in Richtung zur Stempeleinheit hin, so dass ein vorderes der Stempeleinheit zugewandtes Ende der Anlagemittel über einen der Stempeleinheit zugewandten vordersten Abschnitt bzw. eine vorderste Kontur des Matrizenabschnitts vorsteht. Das vorderste Ende der Anlagemittel reicht dabei näher an die Stempeleinheit heran, als der vorderste Abschnitt des Matrizenabschnitts.
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Das auf die Matrizeneinheit bezogene Aufheben des Abstützkontakts heißt, es werden relevante Abstützkräfte für das Werkstück nur über die Anlagemittel aufgenommen jedoch keine Abstützkräfte vom Werkstück auf den Matrizenabschnitt eingeleitet. Damit kann die Verstellung des Matrizenabschnitts erfolgen, zum Beispiel durch eine Drehbewegung, eine Kippbewegung, Schwenkbewegung und/oder eine lineare Bewegung des Matrizenabschnitts an der Matrizeneinheit oder mit einem Auswechseln des Matrizenabschnitts gegen einen anderen Matrizenabschnitt. In der dazu nötigen Verstellzeit bleibt das Werkstück zwischen dem Niederhalter und den Anlagemitteln geklemmt bzw. fixiert am Werkzeug.
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Mit der Erhaltung der Klemmwirkung auf die zu fügenden Werkstücke bzw. die Werkstücklagen des Werkstücks wird vorteilhaft auch erreicht, dass beim Stanzstauchnieten nach dem Stanzvorgang des Fügeelements durch die Werkstücklagen hindurch, wobei das Fügeelement noch nicht gestaucht bzw. vorgeprägt ist, die Position des Fügeelements im Werkstückverbund bzw. dem gestanzten Loch in den Werkstücklagen erhalten bleibt. Wie oben erläutert verbleibt das Fügeelement darüber hinaus im Werkstückverbund unter Spannung stehend bis zum Ende des Fügevorgangs, was ebenfalls durch den erfindungsgemäß dauerhaft eingerichteten Klemmverbund bedingt ist.
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Weiter ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Praxis so, dass die gesamte Vorrichtung bzw. eine solche Presse bzw. eine entsprechende Fügezange sich relativ zum Werkstück bewegt. Hierzu ist gegebenenfalls eine entsprechende Ausgleichsbewegung mit z. B. einem Ausgleichschlitten nötig.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Klemmwirkung an einen Klemmverbund einrichtbar ist, wobei der Klemmverbund ein mehrlagiges Werkstück mit einem an dem mehrlagigen Werkstück vorhandenen Fügeelement insbesondere einem Nietelement umfasst. Damit kann nach dem Ende der Fügung durch das unter Spannung stehende Nietelement eine definierte bzw. mechanisch stabile Verbindungsstelle realisiert werden.
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Weiter ist es vorteilhaft, dass der Matrizenabschnitt zwischen Abschnitten der Anlagemittel vorhanden ist. Vorzugsweise ist der Matrizenabschnitt innerhalb der Anlagemittel positioniert.
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Die Anlagemittel können als Hohlprofil ausgebildet sein, in dessen Hohlraum der Matrizenabschnitt wie z. B. ein Matrizenboden vorhanden ist. Die Anlagemittel können beispielsweise den Matrizenabschnitt hülsenartig umschließen. Beispielsweise sind zur Fügeachse radial außen am Matrizenabschnitt die Anlagemittel vorhanden. Der Matrizenabschnitt weist auf seiner zur Stempeleinheit gerichteten Oberseite vorzugsweise zwei oder mehr Nutzbereiche bzw. Funktionsbereiche auf, welche jeweils einzeln für ein Zusammenwirken mit dem Stempel bei einem Einwirken des Stempels auf das geklemmte Werkstück bzw. das Fügeelement ausgestaltet sind. Durch Verstellen des Matrizenabschnitts in eine jeweilige vorgebbare Stellung an der Matrizeneinheit, was in der Ausrückstellung erfolgt, lässt sich genau eine der mehreren Nutzbereiche exakt unter das Vorderende des Stempels bzw. dessen Stirnseite bringen bzw. in Ausrichtung zur Fügeachse, die durch den Stempel und die Matrizeneinheit im jeweiligen Nutzbereich führt. Der jeweilige in der Fügeachse liegende Funktionsbereich beeinflusst die Art der Bearbeitung des Werkstücks, wenn der Stempel auf das geklemmte Werkstück einwirkt. Ein Funktionsbereich kann zum Beispiel eine definierte Verformungskontur, eine Vertiefung, eine Öffnung bzw. einen Abführkanal bereitstellen. Mit dem Kanal ist es z. B. möglich, das Werkstück zu stanzen, wobei der Stempel einen Stanzniet von oben durch das Werkstück drückt und der Stanzniet einen Materialbereich des Werkstücks ausstanzt. Dies ist möglich, indem die Öffnung des Funktionsbereichs bzw. der Kanal in Verlängerung des durchstanzenden Nietes positioniert ist. Der Stanzniet steht nach dem Stanzen regelmäßig über die Unterseite des Werkstücks vor bzw. in die Öffnung des Funktionsbereichs des Matrizenabschnitts hinein.
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Für andere Formgebungsschritte von matrizenseitigen Bereichen des Werkstücks oder des Niets zum Beispiel für einen Stauchvorgang des durchgestanzten Niets kann gegebenenfalls am Matrizenabschnitt ein weiterer bzw. anderer Funktionsbereich des Matrizenabschnitts vorgesehen sein.
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Vorzugsweise sind die Nutzbereiche durch Verstellung des Matrizenabschnitts wahlweise einstellbar bzw. wiederholgenau in eine exakte Position unter den Stempel bzw. die Fügeachse des Werkzeugs bringbar.
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Weiter ist es vorteilhaft, dass der Niederhalter bewegbar am Stempel aufgenommen ist, wobei Stellmittel zwischen dem Stempel und dem Niederhalter derart vorhanden sind, dass eine mit dem Niederhalter auf das Werkstück aufbringbare Andrückkraft von der Relativstellung zwischen dem Stempel und dem Niederhalter abhängig ist. Vorzugsweise sind die Stellmittel derart abgestimmt, dass sich die Andrückkraft des am Werkstück andrückenden Niederhalters erhöht, wenn der Stempel relativ zum Niederhalter in Richtung der Matrizeneinheit also in Richtung des Werkstücks angetrieben vorfährt. Der Stempel selbst ist dabei vom Werkstück beabstandet bzw. setzt später als der Niederhalter am Werkstück bzw. einem Fügeelement auf. Der Stempel ist vorzugsweise durch eine um die Fügeachse herum vorhandene Durchgangsöffnung des Niederhalters geführt. Der Niederhalter umgibt den Stempel vorzugsweise hülsenartig zumindest über eine Teillänge des Stempels.
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Auch ist es vorteilhaft, dass die Anlagemittel und der Matrizenabschnitt in einer ersten Richtung relativ zueinander bewegbar sind. Vorzugsweise erfolgt die Bewegung entlang der Fügeachse. Die Anlagemittel sind vorzugsweise hülsenartig am Matrizenabschnitt vorhanden, beispielsweise linear beweglich in der ersten Richtung. Die Bewegung gemäß der ersten Bewegungsrichtung ist für den Wechsel von der Absenkstellung in die Ausrückstellung und zurück eingerichtet.
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Es ist auch von Vorteil, dass Federmittel vorhanden sind, welche zwischen dem Stempel und dem Niederhalter wirken. Diese sind vorzugsweise mechanische Federn wie z.B. Druckfedern, beispielsweise Schraubenfedern.
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Alternativ ist auch ein Federpaket oder eine andere Kraftbeaufschlagung denkbar.
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Die Federmittel bilden vorzugsweise die Stellmittel, insbesondere zur Aufbringung einer Druckkraft vom Niederhalter auf die stempelseitige Werkstückseite. Mit dem Vorwärtsbewegen des Stempels werden die zwischen dem Stempel und dem Niederhalter eingespannten Federn komprimiert und die Federkraft auf den Niederhalter und damit das Werkstück steigt. Beim Zurückfahren des Stempels entspannen sich die Federn wieder selbsttätig und die Andrückkraft verringert sich wieder.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante sind erste Federmittel und zweite Federmittel zwischen dem Stempel und dem Niederhalter wirksam. Damit können die mit den Federmitteln bereitstellbaren Federkräfte vorteilhaft abgestimmt werden, abhängig von der Relativstellung zwischen dem Stempel und dem Niederhalter. Beide Federmittel stellen vorzugsweise Druckkräfte bereit. Beim Stanzstauchnieten beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn in einer ersten Vorwärtsbewegungsphase des Stempels, ausgehend von der zurückbewegten Stellung des Stempels, eine vergleichsweise geringere Federkraft auf den Niederhalter und damit das Werkstück wirkt. In einer späteren bzw. in einer der ersten Vorwärtsbewegungsphase anschließenden zweiten Vorwärtsbewegungsphase, vorzugsweise kurz bevor der Stempel im direkten Werkstück-Kontakt oder über das Fügeelement gegen das Werkstück drückt, ist es von Vorteil, wenn die Federkraft größer als die von den ersten Federmitteln bereitgestellten Federkräften ist, indem zusätzlich die zweiten Federmittel wirken.
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Mit der Vorgabe der abgestuft bzw. gestaffelt wirkenden Federkräfte, die von der Stempeleinheit auf das Werkstück und damit auf die Matrizeneinheit wirken, wird auch vorgegeben, ob die Matrizeneinheit sich in der Ausrück- oder der Absenkstellung befindet. Dadurch lässt sich ein beweglicher Teil der Matrizeneinheit wie z. B. die Anlagemittel in seiner Stellung beeinflussen. Da die Anlagemittel, was die Position bzw. Stellung an der Matrizeneinheit angeht, von der gegen sie wirkenden Kraft abhängt, ist die Stellung der Anlagemittel mit den ersten und en zweiten Federmitteln vorgebbar und damit die Ausrück- oder Absenkstellung. Bei diesem Zusammenspiel ist die matrizenseitig auf die Anlagemittel wirkende Kraft zu berücksichtigen, welche der stempelseitig wirkenden Kraft entgegensteht.
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Die Federmittel können zum Beispiel Schraubenfedern sein. Vorzugsweise sind die ersten Federmittel als pneumatische Luftfeder ausgebildet. Eine pneumatische Luftfeder stellt vorteilhaft eine annähernd konstante Kraft bereit. Damit herrschen bei unterschiedlichen Hublängen bzw. Stempellängen die gleichen Kraftverhältnisse.
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Eine vorteilhafte Modifikation der Erfindung sieht vor, dass die ersten Federmittel über einen gesamten oder zumindest nahezu gesamten Bewegungsweg des Stempels relativ zum Niederhalter wirksam sind. Damit wird eine vergleichsweise geringe Mindestkraft vorgebbar, mit welcher der Niederhalter nach einem Aufsetzen auf das Werkstück drückt. Erst im weiteren Prozess kommt dann die Kraft der zweiten Federmittel hinzu, womit die stempelseitig am Werkstück wirkende Gesamt-Druckkraft erhöht wird.
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Weiter ist es vorteilhaft, dass die zweiten Federmittel über einen Teilweg eines gesamt möglichen Bewegungswegs des Stempels relativ zum Niederhalter wirksam sind. Erst in der Phase des Prozesses, in welcher eine höhere Andrückkraft von der Stempeleinheit auf das Werkstück notwendig ist, zum Beispiel beim Stanzen bzw. um das Werkstück gegen die Wirkung einer von der Matrizeneinheit bereitstellbaren Gegenkraft gegen den Matrizenabschnitt zu drücken, also die Anlagemittel aus der vorstehenden Stellung zurückzudrängen, kommen die zweiten Federmittel zur Wirkung.
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Vorteilhafterweise sind die mit den zweiten Federmitteln bereitstellbaren Federkräfte größer als die Federkräfte, welche mit den ersten Federmitteln bereitstellbar sind. Damit kann stempelseitig eine an den Prozessablauf anpassbare Kraftwirkung bereitgestellt werden. Vorzugsweise sind die mit den ersten Federmitteln bereitstellbaren Federkräfte permanent wirksam, unabhängig von der Relativstellung des Stempels und des Niederhalters.
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Wenn der Stempel aus einer zum Niederhalter maximal zurückgefahrenen Stellung nach vorne in Richtung der Matrizeneinheit fährt, wird der Niederhalter mit nach vorne mitgenommen. Im vom Werkstück kontaktlosen Zustand der Stempeleinheit drängen die ersten Federmittel den Niederhalter in eine definiert vorne am Stempel überstehende Stellung. Trifft beim weiteren Vorfahren des Stempels der Niederhalter auf die stempelseitige Oberseite des Werkstücks, werden die ersten Federmittel zusammengedrückt und der Stempel fährt weiter vor. Das Werkstück stützt sich dabei auf der gegenüberliegenden Seite an den matrizenseitigen Anlagemitteln ab.
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Der von der Oberseite des Werkstücks noch beabstandete Stempel fährt im Niederhalter weiter in Richtung des Werkstücks. Die ersten Federmittel werden dabei noch weiter zusammengedrückt, womit die niederhalterseitige Andrückkraft auf das Werkstück ansteigt. Kurz bevor der Stempel mit seiner Stirnseite auf ein im Stempelweg zuvor vorgelegtes Fügeelement trifft, oder bei einem Prozess ohne Fügeelement auf die Oberseite des Werkstücks trifft, werden die zweiten Federmittel wirksam. Beispielsweise können die zweiten Federmittel zwischen einem Bund des Stempels und dem Niederhalter eingespannt sein, so dass in dem betreffenden Moment ein Vorderende der zweiten Federmittel mit dem weiteren Vorfahren des Stempels auf den Niederhalter trifft. Dann werden auch die zweiten Federmittel zwischen dem Stempel und dem Niederhalter zusammengedrückt und die Druckkraft auf den Niederhalter durch die hinzugekommene zweite Federkraft erhöht sich sprungartig.
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Die nun entsprechend erhöhte Druckkraft vom Niederhalter auf das Werkstück wird von den Anlagemitteln aufgenommen, die selbst ausweichbar bzw. gefedert gelagert sind. Da die vom Niederhalter auf das Werkstück und damit auf die überstehenden Anlagemittel aufgebrachte Federkraft aus der Addition der ersten und zweiten Federmittel die Federkraft übersteigt, welche die Anlagemittel in die vorstehende Position am Matrizenabschnitt bringt, weichen die Anlagemittel mit dem abgestützten Werkstück aus der Ausrückstellung der Matrizeneinheit in die Absenkstellung der Matrizeneinheit zurück.
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Bei einem geklemmten Werkstück, womit die Stempeleinheit und die Matrizeneinheit gekoppelt sind, befindet sich somit abhängig davon, ob stempelseitig die zweiten Federmittel auf den Niederhalter wirken oder nicht, die Matrizeneinheit in der Ausrückstellung oder in der Absenkstellung. Dies gilt für die Situationen, in denen der Stempel nicht auf das Werkstück bzw. ein daran anstehendes Fügeelement wirkt, da die Stempelkraft immer größer als die Kraft ist, welche die Matrizeneinheit in die Ausrückstellung bringt, also insbesondere die Federkraft, welche die Anlagemittel vom Matrizenabschnitt in Richtung der Stempeleinheit ausrückt.
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Es ist auch von Vorteil, wenn die Federmittel Schraubenfedern umfassen. Dies ist einfach und kostengünstig.
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Eine weitere alternative Modifikation der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den Anlagemitteln und dem Matrizenabschnitt Stellmittel wirken, vorzugsweise dritte Federmittel. Damit ist die Abhängigkeit zwischen der jeweiligen Stellung der Matrizeneinheit, also Ausrückstellung oder Absenkstellung, von einem Kräftespiel abhängig, bei dem die über das Werkstück stempelseitig auf die Matrizeneinheit wirkende Kraft und die Kraft der dritten Federmittel mitwirken. Vorzugsweise stellen die Stellmittel in der Ausrückstellung eine matrizenseitige Abstützkraft für ein Werkstück bereit. Die Stellmittel sorgen außerdem dafür, dass im unbelasteten Zustand der Matrizeneinheit diese in der Ausrückstellung ist. Bei einer die Abstützkraft der Stellmittel überschreitenden Gegenkraft auf die überstehenden Anlagemittel werden die Anlagemittel bzw. der Matrizenabschnitt relativ verstellt in die Absenkstellung der Matrizeneinheit. Dies erfolgt vorzugsweise indem die Anlagemittel am Matrizenabschnitt zurückweichen gegen die Federkraft der dritten Federmittel.
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In einer vorteilhaften Alternative der Erfindung sind die Anlagemittel und der Matrizenabschnitt über Einstellmittel derart relativ zueinander bewegbar, dass ein am Matrizenabschnitt vorhandener Funktionsbereich der Matrizeneinheit aus dem Bereich der Fügeachse wegbewegbar ist. Vorzugsweise sind die Einstellmittel derart gestaltet, dass mit dem Wegbewegen des Funktionsbereichs ein anderer Funktionsbereich derselben Matrizeneinheit exakt in eine Funktionsstellung im Bereich der Fügeachse hinbewegbar ist. Vorteilhaft kann dadurch mit einem einfachen Einstellvorgang der Matrizenabschnitt mit einem ersten Funktionsbereich in der Fügeachse so verstellt werden, dass im Anschluss ein zweiter Funktionsbereich in der Fügeachse liegt. Voraussetzung dafür ist, dass der Matrizenabschnitt zumindest zwei auf einer gemeinsamen Verstellbahn liegende Funktionsbereiche aufweist. Falls mehr als zwei verschiedene Funktionsbereiche an einem Matrizenabschnitt vorhanden sind, ermöglichen die Einstellmittel vorzugsweise auch einen wahlweise Einstellung genau eines Funktionsbereich von den mehreren vorhandenen Funktionsbereichen an dem Matrizenabschnitt, jeweils in eine exakt ausgerichtete Position im Bereich der Fügeachse.
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Die Einstellmittel umfassen vorzugsweise einen Antrieb, um die Bewegung des Matrizenabschnitts insbesondere automatisiert zu ermöglichen, zum Beispiel pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch.
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Die Einstellmittel ermöglichen vorteilhaft alternativ auch einen Austausch eines Teils des Matrizenabschnitts oder des gesamten Matrizenabschnitts an der Matrizeneinheit. Dabei kommt es auf das Einrichten eines anderen Funktionsbereichs exakt unter der Fügeachse an, wobei dies im Verlauf eines Fügevorgangs möglich ist. Dabei kann der Matrizenabschnitt gegebenenfalls von der Matrizeneinheit entfernt werden und gegen einen anderen Matrizenabschnitt ausgetauscht werden. Der andere Matrizenabschnitt unterscheidet sich von dem entfernten Matrizenabschnitt vorzugsweise allein durch einen anderen Funktionsbereich.
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Die Einstellmittel ermöglichen es außerdem, ein Werkzeug für eine andere Fügeaufgabe umzurüsten, indem ein anderer Matrizenabschnitt bzw. ein anderer Funktionsbereich des Matrizenabschnitts gewählt wird. Die dazugehörige Einstellung erfolgt dann aber in der Regel nicht innerhalb bzw. während eines Arbeitsvorgangs sondern davor bei einer Umrüstung des Werkzeugs.
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Vorzugsweise sind die Einstellmittel als Dreh-, Schwenk-, Klapp- oder Schiebevorrichtung ausgebildet, so dass der Matrizenabschnitt drehbar, schwenkbar, wegklappbar oder linear wegbewegbar ist relativ zur restlichen Matrizeneinheit bzw. zu den Anlagemitteln wie zum Beispiel einem Matrizen-Niederhalter.
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Es ist überdies besonders vorteilhaft, dass der Matrizenabschnitt drehbar an der Matrizeneinheit vorhanden ist. Vorzugsweise ist der Matrizenabschnitt um eine Achse drehbar, welche parallel zur Fügeachse ist oder mit der Fügeachse zusammenfällt.
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Weiter ist es vorteilhaft, dass der Matrizenabschnitt drehbar in verschieden vorgebbare Funktionsstellungen relativ zu den Anlagemitteln bringbar ist.
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Bei einer parallel zur Fügeachse versetzten Drehachse des Matrizenabschnitts ist es überdies vorteilhaft, dass der Matrizenabschnitt bzw. dessen Oberseite zwei oder mehr koaxial zur Drehachse vorhandene Funktionsbereiche aufweist. Die jeweiligen mehreren Drehstellungen, in denen jeweils ein Funktionsbereich exakt in der Fügeachse bzw. unter der Stempelstirnseite liegt, sind durch zum Beispiel Anschlagmittel positionsgenau vorgebbar und wiederholgenau einrichtbar. Damit kann in einer jeweiligen vorgebbaren Drehstellung des Matrizenabschnitts der eine gewünschte Funktionsbereich zuverlässig und exakt positioniert in Verlängerung des Stempels bzw. der Fügeachse bzw. unter das Werkstück gebracht werden.
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Für ein erfindungsgemäßes Werkzeug, das zum Stanzstauchnieten ausgebildet ist, kann ein Funktionsbereich des Matrizenabschnitts für einen Stanzvorgang vorbereitet ausgebildet sein. Beim Stanzen wird ein Stanzstauchniet stempelseitig vom Stempel in Richtung der Matrizeneinheit bewegt. Der Stempel wirkt dabei mit seiner Stirnseite auf eine Oberseite eines vor den Stempel vorgelegten Nietkopfes des Stanzstauchniets. Der Stanzstauchniet trifft mit einem Schaftabschnitt des Stanzstauchniets an einer Fügestelle auf das nicht vorgelochte Werkstück und wird stanzend durch das Werkstück gedrückt. Das Werkstück ist zum Beispiel durch zwei flach aufeinander liegende Bleche gebildet. Für das Durchstanzen ist es notwendig, dass das Werkstück zwischen dem Niederhalter und den Anlagemitteln geklemmt ist und matrizenseitige Bereiche der Werkstückunterseite seitlich um die Fügestelle herum von dem Matrizenabschnitt abgestützt sind. Zentral zur Fügestelle muss allerdings eine Öffnung vorhanden sein, damit der Nietschaft durch das Werkstück durchstanzen kann. Die Öffnung nimmt den ausgestanzten Werkstückteil bzw. den Stanzbutzen auf und ermöglicht es, dass ein vorderer Endabschnitt des Nietschaftes etwas über die matrizenseitige Unterseite des Werkstücks übersteht. Dadurch wird sicher erreicht, dass der auszustanzende Teil des Werkstücks über seinen gesamten Rand sicher vom Werkstück abtrennbar ist.
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Der Funktionsbereich muss daher eine Öffnung mit einem daran anschließenden Kanal zum Hineinreichen des Nietschaftes und zur Aufnahme und zur Abführung des Stanzbutzens aufweisen, der werkstückseitig von festen Bereichen des Matrizenabschnitts umgeben ist.
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Für einen anschließenden Stauchvorgang des Niets bzw. einer Verbreiterung des überstehenden Endabschnitts des Niets muss von einem anderen Funktionsbereich des Matrizenabschnitts eine feste Gegenfläche unter dem Endabschnitt bereitgestellt werden. Damit kann die Stauchung erfolgen, indem der Stempel von oben auf den Nietkopf drückt und der Niet unten gegen die feste Gegenfläche angepresst wird, was die Verformung und Verbreiterung des Endabschnitts am Niet bewirkt.
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Hierzu muss nach dem Stanzvorgang der Matrizenabschnitt mit den einstellmitteln der Matrizenabschnitt verstellt werden. Da beim Stanzen die Unterseite des Werkstücks auf die Oberseite des Matrizenabschnitts gepresst wird, muss zunächst das Werkstück vom Matrizenabschnitt ausgehoben werden. Der Stempel fährt hierzu etwas nach oben bzw. weg von der Matrizeneinheit. Dabei wird die Wirkung der zweiten Federmittel auf den Niederhalter aufgebhoben und am Niederhalter wirken nur noch die schwächeren ersten Federmittel nach unten und damit auf das Werkstück. Dagegen wirken auf das Werkstück auf der Matrizenseite die dritten Federmittel an den Anlagemitteln, welch größer sind als die ersten Federmittel. In der Folge wird das Werkstück, abgestützt auf den Anlagemitteln, in Richtung der Stempeleinheit versetzt, wobei das Werkstück sich unterseitig von dem Matrizenabschnitt abhebt. Die Versetzung nach oben bzw. der Hub der Anlagemittel muss mindestens so groß wie der matrizenseitige Überstand bzw. die Eindringtiefe des Nietschafts in den Kanal bzw. Stanzbutzenabführkanal sein.
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Jetzt ist der Matrizenabschnitt frei vom zuvor andrückenden Werkstück, womit der Matrizenabschnitt verstellbar ist.
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Nach der Verstellung bildet der betreffende Funktionsbereich am Matrizenabschnitt einen Gegenanschlag zum Stauchen des Stanzstauchniets. Während des Verstellens des Matrizenabschnitts bleibt das Werkstück vorteilhaft klemmend zwischen dem Niederhalter, über den die ersten Federmittel stempelseitig am Werkstück wirken, und den Anlagemitteln fixiert, über welche die dritten Federmittel matrizenseitig am Werkstück wirken. Beim anschließenden Stauchvorgang trifft der Stempel exakt auf die gleiche Stelle am Werkstück, also zentral von oben auf den Nietkopf des Stanzstauchniets, was für eine sichere Ausbildung der Stanzstauchniet-Verbindung notwendig ist. Müsste nach dem Stanzvorgang die Klemmung aufgehoben werden, wäre eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug bzw. der Stempelachse nicht ausgeschlossen, was für den nachfolgenden Stauchvorgang dann nachteilig wäre oder die Ausbildung der Verbindung sogar fehlerhaft wäre.
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Schließlich ist es auch von Vorteil, dass der Matrizenabschnitt einen Kanal zum Abführen eines Materialabschnitts durch das Innere des Matrizenabschnitts aufweist. Der Kanal muss beim Verstellen des Matrizenabschnitts vorteilhaft nicht versetzt, unterbrochen oder verschoben werden, sondern geht durchgängig bis zu einer Übergabe- oder Koppelstelle des Kanals nach außen. Der Materialabschnitt ist der Teil des Werkstücks, welcher beim Stanzvorgang ausgestanzt wird, zum Beispiel zwei Stanzbutzen von zwei durchgestanzten Blechen. Vorzugsweise ist der Kanal durchgängig ohne Unterbrechungen und/oder markante Richtungsänderungen. Damit wird ein Verkanten des Materialabschnitts im Kanal und damit eine Blockierung des Kanals vermieden.
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Der Kanal ist vorzugsweise schräg zu einer Längsachse des Matrizenabschnitts vorhanden. Vorzugsweise weist der Kanal eine Öffnung auf der zur Stempelseite gerichteten Oberseite des Matrizenabschnitts auf. In einer Drehstellung des Matrizenabschnitts, in welcher auf der zur Stempeleinheit gerichteten Seite des Matrizenabschnitts der Funktionsbereich zum Stanzen in der Fügeachse liegt, ist die Öffnung des Kanals in axialer Verlängerung der Stempelachse bzw. der Fügeachse vorhanden. Der Kanal verläuft durch das Bauteil, welches den Matrizenabschnitt bildet bis zu einer Außenseite vorzugsweise eine Unterseite des Bauteils, welche der Oberseite mit dem Funktionsbereich des Matrizenabschnitts gegenüberliegt. Auf der Unterseite endet der Kanal mit einer Öffnung, welche zentrisch zur Drehachse des Matrizenabschnitts verläuft, die parallel zur Fügeachse liegt.
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Damit ist vorteilhaft unabhängig von der Drehstellung des Matrizenabschnitts immer gewährleiste, dass die Öffnung auf der Unterseite immer an eine Übergabestelle anschließt, über welche ein ausgestanzter Materialbutzen des Werkstücks abführbar ist. In keiner Drehstellung des Matrizenabschnitts muss der Kanal unterbrochen werden, was andernfalls zu einem Blockieren der Drehbewegung durch einen in der Unterbrechungsstelle vorhandenen Stanzbutzen führen könnte, was einen Funktionsverlust des Werkzeugs bedeuten könnte.
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Der schräge Abführkanal ist vorteilhaft an dem drehbaren Matrizenabschnitt vorhanden, der vorzugsweise um eine Achse parallel zur Fügeachse drehbar ist, wobei ein Weg- oder Hindrehen einer werkstückseitiger Stanzöffnung des Kanals auf einer Abfuhrseite zum Abführen eines Stanzbutzens zugleich ein unproblematisches Insich-Verdrehen des Butzenkanals an der abfuhrseitigen Öffnung des Kanals ermöglicht.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zum Setzen eines Fügeelements an einem Werkstück oder zum Durchsetzfügen des Werkstücks mit einer wie oben beschriebenen Vorrichtung. Vorteilhafterweise wird erfindungsgemäß ein einlagiges oder ein mehrlagiges Werkstück zwischen einer Stempeleinheit und einer Matrizeneinheit positioniert und anschließend wird ein erster Arbeitsschritt während einer Stempelbewegung durchgeführt, wobei das Werkstück geklemmt ist zwischen der Stempeleinheit und der Matrizeneinheit. Dabei kann es sich zum Beispiel um das Setzen eines als Funktionselement ausgebildeten Fügeelements an einem Werkstück mit genau einer Werkstücklage handeln oder um das Durchsetzfügen eines mehrlagigen Werkstücks oder um das Setzen eines Fügeelements wie einem Niet in ein mehrlagiges Werkstück. In Verlängerung des Stempels ist hierfür am Werkstück matrizenseitig ein erster Bereich des Matrizenabschnitts wirksam. In einem nachfolgenden Arbeitsschritt wird der Matrizenabschnitt verstellt, so dass der Matrizenabschnitt kontaktfrei vom Werkstück ist. Hierzu wird der erste Bereich wegbewegt zum Beispiel durch Verdrehen, ein lineares Wegbewegen und/oder ein Austausch des Matrizenabschnitts. Anschließend wird anstelle des ersten Bereichs des Matrizenabschnitts ein anderer Matrizenabschnitt bzw. zweiter Bereich des Matrizenabschnitts unter das Werkstück in Verlängerung des Stempels bewegt. Daraufhin erfolgt ein weiterer Arbeitsschritt durch eine Stempelbewegung, z. B. ein Stauchvorgang des Fügeelements. Das Werkstück ist dabei zwischen dem Stempel und dem anderen Bereich des Matrizenabschnitts geklemmt.
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Figurenbeschreibung:
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind anhand eines stark schematischen Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert.
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Die 1 bis 11 zeigen jeweils einen entsprechenden stark schematisiert dargestellten Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in unterschiedlichen Arbeits- bzw. Betriebsschritten mit einem von der Vorrichtung zu bearbeitenden Werkstück. Die Arbeitsschritte stellen jeweils Momentsituationen des gesamten Prozesses dar, wobei beginnend mit 1 die weiteren 2 bis 11 in der Reihenfolge der steigenden Nummerierung jeweils spätere bzw. nachgeordnete Arbeitsschritte betreffen.
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Weitere Einheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie z. B. Antriebs- und Steuereinrichtungen wie auch Sensormittel sind nicht dargestellt.
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In den Figuren ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die beispielhaft als Fügewerkzeug zum Stanzstauchnieten eines Werkstücks 19 bzw. als Stanzstauchniet-Werkzeug 1 ausgebildet ist. Das Werkzeug 1 ist in jeder beliebigen räumlichen Ausrichtung verwendbar, wobei in den Figuren von einer vertikalen Ausrichtung einer Fügeachse F ausgegangen wird.
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Als Werkstück 19 kommt zum Beispiel ein einstückiges bzw. einlagiges Material wie ein Blechmaterial oder es kommen mehrere Lagen aus Blech und/oder anderen Materialien in Frage.
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Das erfindungsgemäße Fügewerkzeug 1 ist zum Stanzstauchnieten eines Stanzstauchniets 8 an dem zweilagigen Blechwerksstück 19 ausgebildet.
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Das Werkzeug 1 weist zum Beispiel einen C-Bügel auf mit einer Stempeleinheit 2 und einer Matrizeneinheit 3, die gegenüberliegend vorhanden sind und dazwischen einen Freiraum für das Werkstück 19 aufweisen. Neben einem Einsatz als fest positioniertes Fügewerkzeug kann das erfindungsgemäße Fügewerkzeug 1 auch mobil zum Beispiel an einer Robotereinrichtung beweglich im Raum verwendet werden. Damit lassen sich verschiedene Raumpositionen anfahren, um schnell an unterschiedlichen Stellen an einem Werkstück die Fügearbeit verrichten zu können. Dies ist beispielsweise bei der automatisierten Bearbeitung von Karosserieteilen bei der Kraftfahrzeugherstellung von Bedeutung.
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In den Figuren ist eine beidseitige Verlängerung des Werkstücks 19 durch Strichdarstellung angedeutet.
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Das in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße Stanzstauchniet-Werkzeug 1 dient zum Setzen eines Stanzstauchniets 8 an dem Werkstück 19, wobei es sich um ein zweilagiges Werkstück 19 aus einem oberen Blech 19a und einem unteren Blech 19b handelt, die mit dem Stanzstauchniet 8 an einer Fügestelle FS des Werkstücks 19, durch welche die Fügeachse F verläuft, verbindbar sind. Die Bleche 19a, 19b sind Bleche mit einer vergleichsweise geringen Duktilität, also mit geringer plastischer Verformung bei Belastung. Daher muss nach dem Stanzen des Werkstücks 19 die notwendige Verformung im Bereich der Fügestelle FS zur Fixierung der beiden Bleche 19a und 19b über den Stanzstauchniet 8 eingebracht werden, der durch einen Stauchvorgang plastisch verformbar ist. Diese Vorgehensweise macht beim Stanzstauchnieten einen Wechsel eines matrizenseitigen Funktionsbereichs bzw. die Verstellung eines Matrizenabschnitts einer Matrize während eines Bearbeitungsvorgangs notwendig, was die Anforderungen an das Werkzeug 1 erhöht.
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Von dem Werkzeug 1 ist lediglich jeweils ein Teil der stark vereinfacht dargestellten Stempeleinheit 2 und der Matrizeneinheit 3 gezeigt. Die Stempeleinheit 2 umfasst einen Stempel 4, einen Niederhalter 5 und zwischen dem Stempel 4 und dem Niederhalter 5 vorhandene Stellmittel, die beispielhaft als zwei Schraubenfedern 16 und 17 ausgebildet sind.
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Die Federkraft F3 der längeren schmaleren Schraubenfeder 16 ist merklich geringer als die Federkraft F1 der kürzeren breiteren Schraubenfeder 17. Die Schraubenfeder 16 hält den Niederhalter 5 in einer Vorspannstellung in der Grundstellung des Werkzeugs 1 (1).
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Der Stempel 4 ist entlang bzw. parallel zur Fügeachse F linear antreibbar bzw. vorwärts in Richtung S1 bewegbar und in entgegengesetzter Richtung bzw. in Richtung S2 zurückbewegbar. Der Stempelantrieb erfolgt beispielsweise hydropneumatisch mit Druckübersetzung oder mit einer elektromotorischen Antriebseinheit. In den 1 bis 3 ist der Stempel vollständig in Richtung S2 zurückbewegt. Die Fügeachse F verlängert sich durch eine zentrische Hochachse bzw. Zylinderachse des Stempels 4, der zum Beispiel zylindrisch ist. An einem der Matrizeneinheit 3 abgewandten hinteren Endbereich des Stempels 4 weist dieser einen Überstand 14 auf, welcher radial zur Mantelfläche des verbleibenden Teils des Stempels 4 vorsteht.
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Dem Stempel 4 vorgelagert ist der Niederhalter 5 mit einem Hülsenteil 5a, das eine auf den Stempeldurchmesser abgestimmte Durchgangsöffnung 5b aufweist. In die Durchgangsöffnung 5b reicht der vordere Teil des Stempels 4 je nach Relativstellung zum Niederhalter 5 bzw. je nach Bewegungsstellung des Stempels 4 mehr oder weniger tief hinein.
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An den Niederhalter 5 bzw. an das Hülsenteil 5a schließt seitlich ein Ende einer Zuführanordnung 6 mit einem innenliegenden freien Zuführkanal 7 an. Von einem nicht gezeigten Vorlagebereich für eine Vielzahl von Fügeelementen können mit der Zuführanordnung 6 nacheinander Fügeelemente bzw. der einzeln dargestellte Stanzstauchniet 8 durch den Zuführkanal 7 in Förderrichtung R zum Stempel 4 hinbewegt werden. 1 betrifft demnach in der Grundstellung des Werkzeugs 1 den Arbeitsschritt "Niet laden". Die Zuführung R des Stanzstauchniets 8 erfolgt beispielsweise pneumatisch unterstützt. Der herangeförderte Stanzstauchniet 8 wird gemäß 2 bis unter eine vordere Stempelstirnseite 4a des Stempels 4 transportiert und dort durch nicht ersichtliche Haltemittel in einer gewünschten Vorlageposition gehalten, zum Beispiel derart, dass die Längsachse des Stanzstauchniets 8 mit der Fügeachse F zusammenfällt. In der in 1 dargestellten Grundstellung des Werkzeugs 1 bei freier Matrizeneinheit 3 befindet sich der Stempel 4 in einer am Niederhalter 5 zurückgefahrenen Position, so dass der Zuführkanal 7 am Niederhalter 5 unterhalb der Stempelstirnseite 4a nicht vom Stempel 4 verstellt bzw. offen anschließt und damit ein Fügeelement bis vor den Stempel 4 herantransportiert werden kann.
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Die Matrizeneinheit 3 ist mit einer zentrischen Längsachse L geringfügig zur Fügeachse F lateral versetzt und umfasst unter anderem einen als Matrize 10 ausgebildeten Matrizenabschnitt und Anlagemittel, die beispielhaft als Matrizen-Niederhalter 9 gebildet sind. Der hülsenförmige Matrizen-Niederhalter 9 umgibt die Matrize 10 in Bereich einer oberen etwa halben Länge der Matrize 10. Der Matrizen-Niederhalter 9 ist an der Matrize 10 vorzugsweise vorgespannt und gleitend geführt und parallel zur Fügeachse F etwas hin- und herverschieblich relativ zur Matrize 10. Im Fügebetrieb des Werkzeugs 1 beträgt der Bewegungsweg des Matrizen-Niederhalters 9 relativ zur Matrize 10 in der Regel nur wenige Millimeter insbesondere gemäß einem Mindestmaß a (s. 1 und 2), was weiter unten erläutert ist.
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Grundsätzlich ist eine umgekehrte Anordnung mit einem am Werkzeug 1 festen Matrizenniederhalter und einer dazu linear hin- und herbeweglichen Matrize nicht ausgeschlossen.
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Zwischen einem radial zur Längsachse L an einer Mantelfläche der Matrize 10 vorstehenden Bund 21 am unteren Ende der Matrize 10 und einer Unterseite des Matrizen-Niederhalters 9 sind Vorspannmittel vorhanden, zum Beispiel eine Druck- bzw. Schraubenfeder 18. Die Federkraft F2 der Schraubenfeder 18 ist höher als die Federkraft F3 der schwächeren Schraubenfeder 16 und geringer als die Federkraft F1 der stärkeren Schraubenfeder 17.
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Im unbelasteten Fall ohne kraftbeaufschlagt angedrücktes Werkstück 19 bzw. in der Grundstellung nach 1 drückt die Schraubenfeder 18 den Matrizen-Niederhalter 9 nach oben bzw. in Richtung der Stempeleinheit 2, so dass ein vorderer Endabschnitt des Matrizen-Niederhalters 9 etwas bzw. beispielsweise wenige Millimeter über einen Matrizenboden 10a axial um das Maß a übersteht. Der Matrizenboden 10a bildet eine axiale Ober- bzw. Stirnseite der Matrize 10, welche der Stempeleinheit 2 zugewandt ist.
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2 zeigt einen Arbeitsschritt, bei dem der Matrizen-Niederhalter 9 am Werkstück 19 angelegt ist, wobei eine ringförmige Stirnseite 9a des Matrizen-Niederhalter 9 unterseitig am unteren Blech 19b in Anlage ist.
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Im Arbeitsschritt gemäß 3 "Niederhalter setzt auf" setzt durch Herunterfahren der Stempeleinheit 2 in Richtung der Matrizeneinheit 3 eine ringförmige flache Stirnseite 5c des Niederhalters 5 oberseitig auf dem oberen Blech 19a auf. Mit der weiteren Stempel-Bewegung nach vorne in Richtung S1 fährt der Stempel 4 weiter vor in die Durchgangsöffnung 5b des Niederhalters 5 und drückt die Schraubenfeder 16 etwas zusammen. Es wirkt die Kraft F3 der Schraubenfeder 16 über den Niederhalter 5 auf das Werkstück 19, das in der Folge zwischen dem Niederhalter 5 und dem Matrizen-Niederhalter 9 festgehalten bzw. geklemmt ist (3). Der Matrizen-Niederhalter 9 bleibt in seiner vorstehenden Relativstellung zur Matrize 10, da die Federkraft F2 der Schraubenfeder 18 größer als die Federkraft F3 der Schraubenfeder 16 ist.
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Der Stempel 4 bewegt sich weiter in Richtung S1, wobei eine Vorderseite der Schraubenfeder 17 gemäß 4 gerade oben auf das Blech 19a aufsetzt. Die Schraubenfeder 17 wird zwischen dem Überstand 14 und dem Niederhalter 5 zusammengedrückt und beginnt damit zu wirken. Zusätzlich zur Federkraft F3 wirkt dann die Federkraft F1 am Werkstück 19 in Richtung S1. Die Stempeleinheit 2 ist so abgestimmt ausgebildet, dass dies, also die Erhöhung einer Kraftwirkung durch die zusätzlich wirkende Federkraft F1 von der Stempeleinheit 2 auf das Werkstück 19, kurz bzw. unmittelbar vor dem Aufsetzen des Stanzstauchniets 8 auf der Oberseite des oberen Blechs 19a stattfindet (siehe 4). Der gemäß 4 geringe erkennbare Abstand zwischen der Stempelstirnseite 4a und einer Oberseite des Stanzstauchniets 8 spiegelt die tatsächlichen Zusammenhänge nicht exakt bzw. nicht maßstabsgetreu wieder.
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Mit dem Wirksamwerden der zusammengedrückten Schraubenfeder 18 am Niederhalter 5, wobei der Antrieb des Stempels 4 die dafür nötige Kraft liefert, wird das Werkstück 19 gegen den Matrizen-Niederhalter 9 gedrückt, welcher gemäß 5 in Richtung S1 bzw. nach unten ausweicht, da die Summe der Federkräfte F1 und F3 eine nach unten in Richtung S1 gerichteten Kraft an dem Hülsenteil 5a des Niederhalters 5 bewirkt, welche die Gegenkraft am Matrizen-Niederhalter 9 durch die Federkraft F2 übersteigt. Daher taucht der Matrizen-Niederhalter 9 mit dem Werkstück 19 nach unten, indem die Schraubenfeder 18 komprimiert wird. Das Absenken des Matrizen-Niederhalter 9 endet, wenn die Unterseite des unteren Blechs 19b auf dem Matrizenboden 10a aufsitzt. Im dargestellten Fall der ebenen Unterseite des unteren Blechs 19b sind dabei der ebene Matrizenboden 10a und die ebenfalls ebene Stirnseite 9a des Matrizen-Niederhalters 9 bündig (s. 5). Die Matrize 10 ist am Werkstück 19 angelegt.
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In dem nächsten Arbeitsschritt nach 6 beginnt der Stanz-Prozessschritt und der Stanzstauchniet 8 wird durch den sich weiter in Richtung S1 nach unten bewegenden Stempels 4, der kraftbetätigt mit seiner Stempelstirnseite 4a auf eine Oberseite eines Nietkopfes 25 des Stanzstauchniets 8 einwirkt, gegen das obere Blech 19a gepresst. Der Stempel 4 wird dabei bis zum Erreichen einer vorgebbaren Endposition angetrieben in Richtung S1 bewegt und dann gestoppt. Der vom Stempel 4 dabei vorgedrängte Stanzstauchniet 8 ist derart bezüglich seiner Form und seiner Materialeigenschaften auf die zu stanzenden Bleche 19a, 19b abgestimmt, dass der Stanzstauchniet 8 mit einer Unterseite eines Nietschaftes 26 voraus und entlang einer Randkante der Nietschaft-Unterseite ein Stanzloch 27 in die beiden Bleche 19a und 19b stanzt. Dabei stützt sich das untere Blech 19b sowohl auf der ringförmigen Stirnseite 9a des Matrizen-Niederhalters 9 als auch auf dem Matrizenboden 10a der Matrize 10 ab. Für die Stanzfunktion ist an einem Funktionsbereich 11 des Matrizenbodens 10a genau unterhalb der Stempelstirnseite 4a eine endseitige Öffnung 12 eines Butzenabführkanals 13 ausgebildet. Die Öffnung 12 liegt in der vorgebbaren Matrizen-Drehstellung der Matrize 10, was weiter unten erklärt ist, exakt konzentrisch zur Fügeachse F bzw. zur Stempellängsachse, wobei der Durchmesser der Öffnung 12 bzw. des Butzenabführkanals 13 geringfügig größer als der Durchmesser des Nietschafts 26 ist bzw. größer als die aus dem Werkstück 19 ausgestanzten Stanzbutzen 23 und 24.
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Der beim Stanzvorgang ausgestanzte Stanzbutzen 23 des oberen Blechs 19a und der ausgestanzte Stanzbutzen 24 des unteren Blechs 19b werden durch den Nietschaft 26 in den Butzenabführkanals 13 gedrängt. Der Stanzstauchniet 8 sitzt am Ende des Stanzarbeitsschrittes gemäß 7 mit dem Nietkopf 25 unterseitig auf der Oberseite des oberen Blechs 19a auf. Der untere Teil des Nietschafts 26 steht über die Unterseite des unteren Blechs 19b etwas nach unten über und kann gegebenenfalls durch die Öffnung 12 etwas in den Butzenabführkanal 13 hineinragen. Die losen Stanzbutzen 23, 24 werden durch den Butzenabführkanal 13 bzw. die Matrize 10 in Richtung einer Auslassöffnung 28 abgeführt. Der Butzenabführkanal 13 erstreckt sich von dem Matrizenboden 10a mit der Öffnung 12 des Butzenabführkanals 13, die radial versetzt zur zentralen Längsachse L der Matrize 10 liegt, über einen kurzen Abschnitt parallel zur Längsachse L und anschließend linear schräg zur Längsachse L durch das Innere der ansonsten massiven Matrize 10. Der Butzenabführkanal 13 endet an der Auslassöffnung 28 einer Unterseite 15 der Matrize 10. Die Auslassöffnung 28 liegt konzentrisch zur Längsachse L der Matrize 10.
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Im nächsten Arbeitsschritt fährt der Stempel 4 gemäß 8 wieder etwas nach oben bzw. in Richtung S2, wobei die am Überstand 14 angebrachte Schraubenfeder 17 mitgenommen wird und sich vom Niederhalter 5 abhebt. Der Stempel 4 bewegt sich zumindest so weit in Richtung S2, bis die Schraubenfeder 17 außer Kontakt mit der Oberseite des Niederhalters 5 gelangt. In der Folge wirkt oben auf den Niederhalter 5 nicht mehr die Druck- bzw. Federkraft F1, sondern nur noch die Federkraft F3 der Schraubenfeder 16, womit die matrizenseitig angelegte Gegenkraft F2 am Niederhalter 5 durch die Schraubenfeder 18 wieder die bestimmende Kraft ist bzw. wirksam wird und den Matrizen-Niederhalter 9 relativ zur Matrize 10 nach oben in Richtung S2 drückt, mitsamt dem Werkstück 19 und dem Niederhalter 5. (s. 8). Das Werkzeug 1 ist so abgestimmt, dass die Aushebung des Werkstücks 19 mit dem Matrizen-Niederhalter 9 in Richtung S2 in einem Mindestmaß erfolgt, vorzugsweise um etwas mehr als das Maß a, wodurch die Unterseite des unteren Blechs 19b und der dazu nach unten überstehende Teil des Nietschafts 26 des Stanzstauchniets 8 außer Kontakt mit dem Matrizenboden 10a bzw. der Öffnung 12 der Matrize 10 kommen, was in 8 ersichtlich ist.
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Zur Verankerung des in dem Stanzloch 27 der Fügestelle FS am Werkstück 19 eingesetzten Stanzstauchniets 8 und damit zur Verbindung der beiden Bleche 19a und 19b an der Fügestelle FS, wird der Stanzstauchniet 8 plastisch verformt, was durch einen Stauch-bzw. Quetschvorgang erfolgt. Beim Stauchvorgang wird der unterseitig am Blech 19b überstehende Teil des Nietschaftes 26 gestaucht. Hierfür fährt der Stempel 4 wieder vor in Richtung S1 und drückt von oben auf den Nietkopf 25 des Stanzstauchniets 8. Die Unterseite des Nietschaftes 26 stützt sich an einer festen Gegen- bzw. Anlagefläche 20 eines Funktionsbereichs 29 des Matrizenbodens 10a ab, die als Gegenlager dient. Deshalb muss die Matrize 10 vor dem Stauch-Prozessschritt derart verstellt werden, wodurch der Funktionsbereich 11 mit der Öffnung 12 aus der Position in der Fügeachse F gemäß der 1 bis 8, in welcher die Fügeachse F durch die Öffnung 12 führt, wegbewegt wird, so dass der andere Funktionsbereich 29 auf dem Matrizenboden 10a mit der festen Anlagefläche 20 in der Fügeachse F liegt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Verstellung der Matrize 10 durch eine Matrizen-Drehlagerung bzw. durch Verdrehen realisiert, wozu die Matrize 10 um ihre Längsachse L drehbar ist, womit durch eine definierte Drehbewegung D der Matrize 10 im oder gegen den Uhrzeigersinn um die Längsachse L wahlweise einer der Funktionsbereiche 11 und 29 in Koaxialität mit der Fügeachse F bringbar ist. Die Dreh-Verstellung der Matrize 10 von einer Stellung in die andere Stellung mit jeweiliger exakter Koaxialität eines der Funktionsbereiche 11 oder 29 mit der Fügeachse F muss wahlweise und wiederholgenau bzw. reversibel möglich sein. Hierzu können beispielsweise auf der Außenseite der Matrize 10 beispielsweise an einem Bund 21 vorzugsweise gefräste Anschläge vorhanden sein (nicht dargestellt), welche eine Drehbewegung der Matrize um exakt definiert vorgegebene Winkelmaße ermöglichen, bis ein Anschlag an einem Gegenanschlag an einem die Matrize 10 umgebenden feststehenden Bauteil in Kontakt kommt und dort gegen eine Weiterdrehen blockiert ist. Ein Zurückdrehen der Matrize 10 erfolgt so weit, bis ein anderer Anschlag der Matrize an einem anderen Gegenanschlag ansteht. Die Drehbewegung der Matrize 10 in beide Drehrichtungen um die Längsachse L kann zum Beispiel mit einem antreibbaren reversibel hin- und herbewegbaren Antriebselement erfolgen, das z. B. etwa tangential ausgerichtet mit der vorzugsweise zylindrischen Matrize 10 gekoppelt ist, z. B. an einer Öffnung im Bund 21 eingreift. Bei einer Hinbewegung des Antriebselement aus einer Startstellung, in welcher die Matrize 10 in einer ersten Stellung ist, in eine Endstellung des Antriebselements, wird eine Drehung der Matrize 10 um einen vorgebbaren Winkel bewirkt. Die Matrize 10 befindet sich exakt in einer zweiten Stellung. Durch Zurückbewegen des Antriebselements aus der Endstellung, in welcher der Funktionsbereich 29 in der Fügeachse F steht, in die Startstellung, wird die Matrize 10 positionsgenau wieder in die erste Stellung zurück gedreht, in welcher der Funktionsbereich 11 exakt in der Fügeachse F steht.
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Grundsätzlich können auf dem Matrizenboden 10a auch mehr als zwei Funktionsbereiche 11, 29 vorhanden sein und wiederholgenau verstellt werden, zum Beispiel drei, vier oder fünf Funktionsbereiche.
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Damit die Position des Werkstücks 19 mit dem an der Fügestelle FS gesetzten Stanzstauchniet 8 beim Drehen bzw. Verstellen der Matrize 10 relativ zum Werkzeug 1 erhalten bleibt, verharrt das Werkstück 19 während dem Verstellen der Matrize 10 geklemmt zwischen dem Niederhalter 5 und dem Matrizen-Niederhalter 9. Damit ist sicherstellt, dass die Stempelachse beim Stauchen exakt zentrisch auf die Fügestelle FS bzw. den vorher gesetzten Stanzstauchniet 8 trifft. Dies ist mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug 1 vorteilhaft möglich. Denn zur Verstellung der Matrize 10 muss diese bzw. der Matrizenboden 10a außer Kontakt vom Werkstück 19 gelangen, wobei die ober- und unterseitige Klemmung des Werkstücks 19 zwischen dem Niederhalter 5 und dem Matrizen-Niederhalter 9 dauerhaft bzw. ununterbrochen erhalten bleibt, was der Übergang aus dem Zustand gemäß 7 in den Zustand gemäß 8 zeigt. Das Werkstück 19 wird ausgehoben ohne die Klemmung am Werkzeug 1 zu verlieren.
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In einem Arbeitsschritt, der nach dem in 8 gezeigten Arbeitsschritt kommt, wird die Matrize 10 um ihre Längsachse L gemäß Drehpfeil D um einen definierten Drehwinkel in die eine oder andere Drehrichtung verdreht.
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In der erreichten Drehstellung mit dem Fügebereich 29 in der Fügeachse F gemäß 9 fährt der Stempel 4 wieder in Richtung S1 nach unten, wobei die Schraubenfeder 17 wieder am Niederhalter 5 aufsetzt, so dass die in Richtung S1 wirksame Kraft aus der Summe der Federkräfte F1 und F3 größer ist als die Federkraft F2 der Schraubenfeder 18 am Matrizen-Niederhalter 9, womit der Matrizen-Niederhalter 9 mit dem Werkstück 19 so weit nach unten ausweicht, bis die Unterseite des Nietschafts 26 am Funktionsbereich 29 des Matrizenbodens 10a der Matrize 10 aufsitzt. Mit dem weiteren angetriebenen Bewegen des Stempels 4 in Richtung S1 drückt der Stempel 4 mit seiner Stempelkraft auf den Stanzstauchniet 8. Zwischen der Stempelstirnseite 4a und dem Funktionsbereich 29 wird der unten am Blech 19b überstehende Teil des Nietschafts 26 gequetscht bzw. flach gedrückt, womit ein zum restlichen Nietschaft 26 radial verbreiteter Wulst 22 entsteht. Dadurch werden die beiden Belche 19a und 19b zwischen dem Nietkopf 25 und dem Wulst 22 am unteren Ende des Nietschafts 26 fest aneinandergepresst verbunden (s. 10).
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Nach erfolgter Stanzstauchnietung an der Fügestelle FS der beiden Bleche 19a und 19b mit dem Stanzstauchniet 8 wird die Stempeleinheit 2 und der Stempel 4 in Richtung S2 bewegt bzw. die Matrizeneinheit 3 vom Werkstück 19 nach unten wegbewegt.
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Der Stempel ist so weit zurückgefahren, dass ein nächster Stanzstauchniet über den Zuführkanal 7 herantransportiert und vor die Stempelstirnseite 4a vorgelegt werden kann.
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Die Schraubenfeder 18 drängt den oberseitig wieder unbelasteten Matrizen-Niederhalter 9 nach oben, so dass die Stirnseite 9a über den Matrizenboden 10a der Matrize 10 mit dem Überstand a übersteht. Das Werkzeug 1 befindet sich wieder in der Grundstellung gemäß 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stanzstauchniet-Werkzeug
- 2
- Stempeleinheit
- 3
- Matrizeneinheit
- 4
- Stempel
- 4a
- Stempelstirnseite
- 5
- Niederhalter
- 5a
- Hülsenteil
- 5b
- Durchgangsöffnung
- 5c
- Stirnseite
- 6
- Zuführanordnung
- 7
- Zuführkanal
- 8
- Stanzstauchniet
- 9
- Matrizen-Niederhalter
- 9a
- Stirnseite
- 10
- Matrize
- 10a
- Matrizenboden
- 11
- Funktionsbereich
- 12
- Öffnung
- 13
- Butzenabführkanal
- 14
- Überstand
- 15
- Unterseite
- 16
- Schraubenfeder
- 17
- Schraubenfeder
- 18
- Schraubenfeder
- 19
- Werkstück
- 19a
- Blech
- 19b
- Blech
- 20
- Anlagefläche
- 21
- Bund
- 22
- Wulst
- 23
- Stanzbutzen
- 24
- Stanzbutzen
- 25
- Nietkopf
- 26
- Nietschaft
- 27
- Stanzloch
- 28
- Auslassöffnung
- 29
- Funktionsbereich
