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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanischen Fügen von Hohlprofilen und findet insbesondere für die Verbindung von schlanken, metallischen Hohlprofilen in Mischbauweise Anwendung.
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Das Clinchen ist ein mechanischer Fügeprozess, welcher durch die Umformung von planen Blechen eine primär formschlüssige Verbindung herstellt. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung des Clinchprozesses entstanden zahlreiche modifizierte und Hybridvarianten dieses Verfahrens. Beispiele sind das Flachclinchen, Clinchnieten, Clinchkleben, UFBC-Verfahren oder das Doppelpunktclinchen. Diese Verfahrenserweiterungen des Clinchens haben das Ziel, bestimmte Eigenschaften der Clinchverbindung zu verbessern oder deren Herstellung zu beeinflussen.
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Aktuelle Clinchmaschinen werden als stationäre oder mobile Fügeeinheit hergestellt. Neben der Portalbauweise sind C-Bügel-Clinchpressen in der Praxis weit verbreitet. Zur Aufnahme der prozessbedingt hohen Fügekräfte muss das Maschinengestell eine hohe Steifigkeit besitzen, um den Winkelverzug der Werkzeuge auf ein Minimum zu reduzieren. Eine zu große elastische Verformung der Gestelle vergrößert den Winkelverzug der Clinchwerkzeuge. Folglich sinkt die Qualität der Clinchpunkte sowie die Standzeit der Clinchwerkzeuge. Eine hohe Steifigkeit der Gestelle gewährleistet die Koaxialität der Clinchwerkzeuge, begrenzt jedoch die Einsatzmöglichkeiten der Maschinen. Beim Clinchen von Hohlprofilen korreliert die Auskraglänge und die übertragbare Prozesskraft einer C-Bügel-Clinchpresse, mit dem realisierbaren Durchmesser und der Länge des zu verbindenden Hohlprofils. Diesem Grund geschuldet, müssen im Falle einer C-Bügel-Clinchpresse die Steifigkeit der Bügel vergrößert oder Prozesskräfte minimiert werden, um den Schlankheitsgrad (S = L/D) der Hohlprofilverbindung erhöhen zu können.
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Aus den Druckschriften
EP 0 890 397 A1 ,
DE 100 60 035 A1 und
DE 101 61 250 B4 sind Vorrichtungen und Verfahren zum mechanischen Fügen von Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen bekannt. Es werden Fügeeinrichtungen in C-Gestell-Bauweise beschrieben, welche mittels pulsierendem Krafthub verschiedene Fügeoperationen im Bereich der mechanischen Fügetechnik durchführen.
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Mit Hilfe der pulsierenden Bewegung wird die notwendige Fügekraft verringert, wodurch die Steifigkeit des C-Bügels geringer gewählt werden und im Falle des Clinchens von Hohlprofilen ein größerer aber weiterhin begrenzter Schlankheitsgrad der Hohlprofilverbindung realisiert werden kann.
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Die Druckschrift
DE 198 40 780 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen, welches beim Durchsetzfügen (Clinchen) die notwendige Fügekraft durch Reibungswärme, die durch eine Taumelbewegung des Stempels erzeugt wird, verringert. Gemäß der Offenlegung soll die Fügekraft, im Vergleich zum konventionellen Verfahren, um bis zu 80 % abgemindert werden.
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In einer weiteren Verfahrensvariante, welche in der Druckschrift
DE 101 40 989 C2 beschrieben wird, kann die Prozesskraft während des Clinchens durch eine Schwenkbewegung des Stempels verringert werden. Ähnlich dem Taumelclinchen gemäß
DE 198 40 780 A1 kann die Prozesskraft um 75 - 80 % reduziert werden.
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In den Offenlegungen
DE 10 2004 062 896 A1 und
DE 196 30 488 A1 wird eine Verfahrensvarianten des Clinchens mit direkter oder indirekter Wärmequelle beschrieben. In den vorliegenden Druckschriften wird die Wärmequelle unter anderem mittels Widerstand- oder Induktionserwärmung bereitgestellt. Kernpunkt Offenlegungen ist die Vorwärmung von kritischen Werkstoffen wie Magnesium, welche bei Raumtemperatur die geforderte Mindestbruchdehnung nicht besitzen. Weiter wird durch die Erwärmung der Blechpaarung die Fügekraft herabgesetzt.
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In der Druckschrift
DE 195 33 827 C1 ist ein Verfahren beschrieben, welches durch ein stabförmiges Innenwerkzeug, vollumfängliches Außenwerkzeug sowie einem hydraulischen Arbeitsmedium Hohlprofile mit anderen Werkstücken durch einen Prägevorgang fügen kann. Bei diesem Prägevorgang handelt es sich nicht um das Fügeverfahren Clinchen, es wird nur als „nach Art des Clinchens“ beschrieben. Hierbei wird der Fügevorgang von innen nach außen durchgeführt. Das Verfahren ist konzipiert für Rohrdurchmesser von 10 - 20 mm und benötigt in Abhängigkeit der Werkstoffe und Fügegeometrie einen Arbeitsdruck von über 1000 bar. Das beschriebene Verfahren weist dabei jedoch die folgenden Nachteile auf. Durch die hydraulische Betätigung des Fügestempels, muss mit über 1000 bar Druck gearbeitet werden, um die erforderlichen Fügekräfte bereitstellen zu können. Hochdruckanlagen stellen immer ein hohes Gefahrenpotential dar. Weiter ist in der Erfindung beschrieben, dass das Innenwerkzeug 0,1 mm kleiner als das zu fügende Rohr sein muss. Damit verbunden benötigt jeder Rohrdurch-messer, ein eigenes Innenwerkzeug. Dadurch können Rohrtoleranzen kaum kompensiert werden.
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Die vorbeschriebenen Verfahren bieten grundsätzlich die Möglichkeit, die erforderliche Prozesskraft zu verringern und den C-Bügel der Clinchmaschine weniger biegesteif, das heißt schlanker zu gestalten. Dadurch kann die Auskraglänge der C-Bügel und der Schlankheitsgrad der Hohlprofile erhöht werden. Dennoch sind die Möglichkeiten, den Schlankheitsgrad durch Herabsetzen der Biegesteifigkeit zu erhöhen, begrenzt. Die Übertragung der Prozesskraft über einen C-Bügel ab einem Schlankheitsgrad über 1 ist nicht sinnvoll und sollte vermieden werden.
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Die Druckschrift
DE 195 33 827 C1 betrifft eine Vorrichtung zum Befestigen eines Werkstücks am Außenumfang eines geschlossenen einstückigen Profils. Es wird die Verbindung eines gelochten Werkstücks mit einem dünnwandigen Rohr mit einem Durchmesser von 10 bis 15 mm beschrieben. Das Rohr ist in einem geteilten Außenwerkzeug mittels einer Spannschraube gespannt. In das Rohr wird ein Innenwerkzeug eingeführt, welches den Querschnitt des Rohres innen komplett ausfüllt. Der, in das Rohr eingesetzte Prägestempel wird mittels eines unter Druck stehenden Fluids bewegt, wodurch eine Verbindung zwischen dem Rohr und dem vorab gelochten Werkstück erzeugt wird. Alternativ findet ein nicht vorgebohrtes flaches Werkstück Anwendung, wobei die entstehende Prägung nach innen in das Rohr erzeugt wird. Die Erzeugung der benötigten Kräfte wird mittels eines Hochdruckfluids erzeigt, das in das Innenwerkzeug zu dem Prägestempel geführt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanischen Fügen von Hohlprofilen zu entwickeln, welche einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und eine deutliche Erhöhung des realisierbaren Schlankheitsgrads von Hohlprofilen erreicht, welche mittels Clinchen gefügt werden. Typische Anwendungsbeispiele sind Schalldämpfer, Lüftungskanäle oder Abgasanlagen.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten und neunten Patentanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine neue Möglichkeit den Schlankheitsgrad zu erhöhen, stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem zugehörigen Verfahren dar.
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Die Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Hohlprofilen, insbesondere zum formschlüssigen Fügen eines inneren Hohlprofils und eines koaxial überlappend in einem Fügebereich angeordneten äußeren Hohlprofils, weist einen Fügekopf mit einem ersten Werkzeugelement und einen Gegenhalter mit einem zweiten Werkzeugelement auf, wobei das erste und zweite Werkzeugelement eine zueinander korrespondierende Kontur aufweisen, wobei
- - der Fügekopf ein, an eine Innenkontur des inneren Hohlprofiles angepasstes Niederhalterpaket aufweist und
- - der Fügekopf entlang der Längsachse der Hohlprofile bis in den Fügebereich hineinreicht und
- - der Gegenhalter in dem überlappenden Fügebereich an dem äußeren Hohlprofil zur Abstützung anliegt derart, dass das erste und zweite Werkzeugelement radial zu der Längsachse der Hohlprofile übereinanderliegend angeordnet sind und
- - dass das erste Werkzeugelement in Form eines Stempels und das zweite Werkzeugelement in Form einer Matrize ausgebildet ist, wobei der Stempel radial außen in Richtung der Matrize verfahrbar ist oder dass das erste Werkzeugelement in Form einer Matrize und das zweite Werkzeugelement in Form eines Stempels ausgebildet ist, wobei der Stempel radial nach innen in Richtung der Matrize verfahrbar ist und
- - dass der Fügekopf ein erstes Umlenkgetriebe aufweist und dass das erste Werkzeugelement mittels des ersten Umlenkgetriebes radial verfahrbar ist und
- - das erste Werkzeugelement mittels eines Keilgetriebes, einer Nockenwelle oder eines hydraulischen Kissens betätigbar ist.
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Der Fügekopf ist bevorzugt an einer Zugstange montiert, wobei die Zugstange mit dem Fügekopf drehbar ist. So kann der Fügekopf umfangsseitig an dem Hohlprofil mittels drehen eine Clinchverbindung erzeugen.
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Mittels des ersten Umlenkgetriebes ist das erste Werkzeugelement radial nach außen in Richtung der Innenwand des inneren Hohlprofils verfahrbar.
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Der Fügekopf weist ein zweites Umlenkgetriebe auf, wobei das Niederhalterpaket mittels des zweiten Umlenkgetriebes radial nach außen bewegbar und an die Innenwandung des inneren Hohlprofils anlegbar ist. Es werden das innere und äußere Hohlprofil zwischen dem Gegenhalter und dem Niederhalter geklemmt und fixiert.
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Das Niederhalterpaket wird mittels wenigstens einem, das Niederhalterpaket zumindest bereichsweise umschließenden Sprengring gehalten, wobei der Sprengring bevorzugt in einer umlaufenden Nut angeordnet ist.
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Die Matrize ist derart ausgestaltet, dass sie radial verstellbar ist. Je nach Ausgestaltung ist die Matrize bei Montage als zweites Werkzeugelement radial nach außen verstellbar und bei Montage als erstes Werkzeugelement, das heißt im Fügekopf radial nach innen.
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Besonders bevorzugt ist die Matrize in Form einer umlaufenden Nut ausgebildet, so dass lediglich eine Positionierung des Stempels entlang der Längsachse der Vorrichtung erfolgen muss. Eine exakte Winkelpositionierung des Stempels in Bezug in Bezug auf ein einzelnes Matrizenelement entfällt in dieser Ausgestaltung.
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Der Fügekopf kann auch mehrere Werkzeugelemente aufweist, die umfangsseitig an dem Fügekopf angeordnet sind. So können mehrere Clinchverbindungen in einem Fügevorgang erzeugt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum mechanischen Fügen von Hohlprofilen, insbesondere zum formschlüssigen Fügen eines inneren Hohlprofils und eines koaxial überlappend in einem Fügebereich angeordneten äußeren Hohlprofils, weist einen Gegenhalter und einen Fügekopf auf, wobei in einem ersten Verfahrensschritt die zu fügenden Hohlprofile überlappend in den Gegenhalter mit einem zweiten Werkzeugelement eingespannt werden und der Fügekopf mit einem ersten Werkzeugelement in eine Endlage verfahren wird, so dass das erste und zweite Werkzeugelement koaxial zueinander in dem Fügebereich platziert sind. In einem zweiten Schritt wird mittels eines Umlenkgetriebes ein Niederhalterpaket gegen die Innenwandung des inneren Hohlprofils gedrückt und folgend in einem dritten Verfahrensschritt über eine Schubstange und ein weiteres Umlenkgetriebe das erste Werkzeugelement weggesteuert in seine Endlage verfahren und die Clinchverbindung hergestellt.
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Nachfolgend wird die Schubstange eingefahren, der Gegenhalter geöffnet und die Hohlprofilverbindung kann aus der Maschine entnommen werden.
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Des Weiteren können durch den variablen Niederhalter Rohrtoleranzen ausgeglichen und verschiedene Rohrquerschnitte mit einem Werkzeug gespannt werden. Verformungen des Hohlprofiles werden durch den Niederhalter gestützt und ein Verklemmen bei Entnahme der Rohrverbindung verhindert. Eine Hochdruckanwendung ist nicht nötig, da über die Übersetzung des Winkelgetriebes die notwendigen Clinchkräfte bereitgestellt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert ohne auf diese beschränkt zu sein.
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Es zeigen:
- 1 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Fügen zweier Hohlprofile,
- 2 eine Schnittdarstellung des Fügebereichs der Vorrichtung in einer Ausgangsposition,
- 3 Detailansicht des Fügekopfes,
- 4 eine Schnittdarstellung des Fügebereichs der Vorrichtung in einer eingefahrenen Position,
- 5 eine Schnittdarstellung des Fügebereichs der Vorrichtung in der Fügeposition,
- 6 eine Schnittdarstellung des Fügebereichs der Vorrichtung in einer eingefahrenen Position mit einer Matrize im Fügekopf,
- 7 einen Clinchpunkt am Rundrohr im Schnitt,
- 8 eine Verbindung von zwei Hohlprofilen mittels eines Clinchpunktes,
- 9 eine Verbindung von zwei Hohlprofilen mittels mehrerer umfangsseitig angeordneter Clinchpunkte.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fügen zweier Hohlprofile in einer Seitenansicht dargestellt. Die Vorrichtung weist einen drehbar gelagerten und antreibbaren Fügekopf 1 auf, der mittels einer Zugstange 2 mit einer Kraftkomponente 3 verbunden ist. Die Kraftkomponente teilt sich in einen Hydraulikhauptzylinder 3.1 und einem Hydraulikzylinder 3.2 für die Nutzung eines Niederhalters. Entlang der Längsachse A ist vor dem Fügekopf 1 beabstandet ein Gegenhalter 4 angeordnet. Gemäß 1 ist die Einheit, bestehend aus Fügekopf 1, Zugstange 2 und Kraftkomponente 3 auf einer Lineareinheit 5 axial verfahrbar oder verschiebbar angeordnet.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung der Fügezone mit einem äußeren Hohlprofil H1 und einem darin überlappend angeordneten inneren Hohlprofil H2. Der von dem inneren und äußeren Hohlprofil H1, H2 gebildete überlappende Fügebereich B wird vollständig von dem Gegenhalter 4 mit dem darin angeordneten zweiten Werkzeugelement in Form der Matrize 4.1 von außen abgestützt und die Hohlprofile H1, H2 in dem Gegenhalter 4 gespannt. In einer Anfangsposition wird der Fügekopf 1 durch das äußere Hohlprofil H1 mittels der Lineareinheit in die Position zum Fügen in eine Endlage verfahren. Der Fügekopf 1 ist in einer Detailansicht Z in der 3 dargestellt. Der Fügekopf 1 weist ein erstes Werkzeugelement in Form eines Stempels 1.1 auf, der mittels eines ersten Umlenkgetriebes 1.2 radial nach außen bewegbar ist. Das erste Umlenkgetriebe 1.2 ist in Form eines Keilgetriebes ausgebildet, wobei auch anderweitige Getriebe, insbesondere ein hydraulisches Kissen oder eine Nockenwelle denkbar sind.
An dem Fügekopf 1 ist umfangsseitig ein Niederhalterpaket 1.3 angeordnet, welches mittels eines zweiten Umlenkgetriebes 1.4 in Form eines zweiten Keilgetriebes radial nach außen bewegbar ist. Das Niederhalterpaket 1.3 wird mittels Sprengringen 1.5 in je einer Nut fixiert.
Das erste Umlenkgetriebe 1.2 weist eine, in der Zugstange 2 angeordnete innere Schubstange 1.2.1 mit einem keilförmigen Bereich 1.2.2 mit einem darauf gleitenden Schlitten 1.2.3 auf, wobei der Stempel 1.1 an dem Schlitten 1.2.3 ausgebildet oder montiert ist. Um die Schubstange 1.2.1 ist ein stangenförmiges Element 1.4.1 mit einem Keilelement 1.4.2 angeordnet, auf dem ein verschiebbares Element 1.4.3 angeordnet ist, mittels dessen das Niederhalterpaket 1.3 radial nach außen in Richtung der Innenwandung des inneren Hohlprofils H2 bewegbar ist.
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Ein, in der Endlage angeordneter Fügekopf 1 ist in 4 dargestellt. Der zugehörige Fügevorgang mittels des Stempels 1.1 ist in der 5 erkennbar. Das Niederhalterpaket 1.3 liegt an der Innenwand des inneren Hohlprofils H2 an und drückt die Hohlprofile H1, H2 an den Gegenhalter 4. In der Endlage sind der Stempel 1.1 und die Matrize 4.1 koaxial zueinander platziert. Die Matrize 4.1 ist bevorzugt nutenförmig ausgebildet, wodurch keine exakte translatorische Positionierung des Stempels 1.1 notwendig ist. Verfahrensgemäß wird über nach der Positionierung des Niederhalterpakets 1.3 die innere Schubstange 1.2.1 und das erste Umlenkgetriebe 1.2 mit dem Stempel 1.1 weggesteuert in die Endlage verfahren und die Clinchverbindung des äußeren und inneren Hohlprofils H1, H2 hergestellt. Danach werden das erste und zweite Umlenkgetriebe 1.2, 1.4 eingefahren, der Gegenhalter 4 mit Matrize 4.1 geöffnet und die Hohlprofilverbindung kann aus der Maschine entnommen werden.
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6 zeigt eine alternative Ausgestaltung des ersten und zweiten Werkzeugelements mit einem Fügekopf 1 in einer Endlage. Auch gemäß 6 liegen das erste und zweite Werkzeugelement koaxial zueinander angeordnet. Entgegen dem Vorrichtungsaufbau gemäß den 2 bis 5 ist die Matrize 4.1 in den Fügekopf 1 anstelle des Stempels integriert. Der Stempel 1.1 ist in dieser Ausgestaltung in dem Gegenhalter 4 angeordnet.
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Die 7 zeigt eine Hohlprofilverbindung in einer Schnittdarstellung an dem Clinchpunkt. Eine Hohlprofilverbindung eines ersten und zweiten Rundrohres ist in den 8 und 9 dargestellt. Die Hohlprofilverbindung wird aus dem inneren Hohlprofil H2 und dem äußeren Hohlprofil H1 gebildet und weist im Clinchpunkt einen Hinterschnitt 6 auf, der bei Zugbelastung der Hohlprofile für die Stabilität sorgt. Für die Lagefixierung ist ein Hinterschnitt nicht unbedingt erforderlich.
Gemäß 8 ist das äußere Hohlprofil H1 mit dem inneren Hohlprofil H2 mittels eines Clinchpunktes verbunden, gemäß 9 sind mehrere Clinchpunkte vorgesehen, die einzeln oder in einem Fügeschritt hergestellt werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung besteht erstmals die Möglichkeit, Hohlprofilverbindungen zu clinchen, welche einen Schlankheitsgrad von S > 2 deutlich übertreffen. Demnach sind 8 mm Clinch-Rundpunkte bei der Mischverbindung AIMg3 und DC04 in dem Rundrohrdurchmesser von 60x1 sowie 58x1 mit einer Schlankheit S=5 realisierbar. Ein derartiges Verfahren ist des Weiteren auf weitere mechanische Fügeverfahren wie beispielsweise das Stanznieten übertragbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fügekopf
- 1.1
- Stempel
- 1.2
- erstes Umlenkgetriebe
- 1.2.1
- Schubstange
- 1.2.2
- keilförmiger Bereich
- 1.2.3
- Schlitten
- 1.3
- Niederhalterpaket
- 1.4
- zweites Umlenkgetriebe
- 1.4.1
- stangenförmiges Element
- 1.4.2
- Keilelement
- 1.4.3
- verschiebbares Element
- 1.5
- Sprengring in Nut
- 2
- Zugstange
- 3
- Kraftkomponente
- 3.1
- Hydraulikhauptzylinder
- 3.2
- Hydraulikzylinder
- 4
- Gegenhalter
- 4.1
- Matrize
- 5
- Lineareinheit
- 6
- Hinterschnitt
- A
- Längsachse der Hohlprofile/Vorrichtung
- B
- Fügebereich
- H1
- Äußeres Hohlprofil
- H2
- Inneres Hohlprofil
- Z
- Detailansicht
