DE19901015A1 - Vorrichtung und Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Teilen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum umformtechnischen Fügen von TeilenInfo
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Abstract
Um die Steifigkeit von fügetechnisch verbundenen Teilen zu erhöhen, die Herstellkosten zu senken und die Wasser- bzw. Gasdichtigkeit zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, eine Fügenaht als linienförmige Durchsetzfügeverbindung herzustellen. Das kann erfolgen, indem entweder rotierend bewegliche Werkzeuge eine Durchsetzfügeverbindung herstellen oder diese durch Hubwerkzeuge, deren fügewirksame Werkzeugflächen linienförmig ausgestaltet sind, in die Fügeteile eingebracht wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum umformtechnischen
Fügen von Teilen. Umformtechnische Fügeverfahren und entsprechende Vorrichtungen werden
benutzt, um Teile aneinanderzufügen, die beispielsweise in Maschinen oder Fahrzeugen, aber
auch in anderen Anwendungen genutzt werden.
Das Verbinden von Teilen aus den unterschiedlichsten Werkstoffen durch Umformen hat eine
sehr lange Tradition, die parallel zur Metallgewinnung und -verarbeitung zurückverfolgt werden
kann. Verfahren, bei denen die zu verbindenden Fügeteile oder Hilfsfügeteile örtlich oder
bisweilen ganz umgeformt werden, sind der Gruppe "Fügen durch Umformen" zugeordnet. Als
Untergruppen des Fertigungsverfahrens "Fügen durch Umformen" sind heute die Fertigungs
verfahren Fügen durch Umformen drahtförmiger Körper, das Fügen durch Nietverfahren sowie
das Fügen durch Umformen bei Blech-, Rohr- und Profilteilen bekannt.
Als Unterfall des Fügens durch Umformen bei Blech-, Rohr- und Profilteilen ist in der jüngsten
Vergangenheit insbesondere das Durchsetzfügen weiterentwickelt worden. Der Vorteil des
Durchsetzfügens ist insbesondere darin zu sehen, daß keine zusätzlichen Hilfsfügeteile oder
Hilfsstoffe notwendig sind. Bei den Verfahren des Durchsetzfügens wird durch den Vorgang
einer lokalen plastischen Werkstoffumformung ohne thermische Gefügebeeinflussung eine
form- und kraftschlüssige Verbindung erzeugt, bei der die formschlüssig verbundenen Fügeteile
verspannt werden.
Die Herstellung einer Durchsetzfügeverbindung ist beispielhaft in der DE 36 13 324 erläutert.
Im Einzelnen wird beschrieben, wie zunächst Flächenteile beider miteinander zu befestigenden
Teile mittels einer Hubbewegung eines Stempels miteinander tiefgezogen werden, dann der
Bodenbereich breit gequetscht wird und das Material der tiefgezogenen Flächenteile durch
Begrenzungen zu einem zylinderförmigen Fügepunkt plastisch verformt werden.
Eine Durchsetzfügeverbindung besitzt nicht nur die günstigen Eigenschaften des Formschlusses
hinsichtlich der Übertragung großer Kräfte, sondern zusätzlich auch eine durch den Kraftschluß
bewirkte Spielfreiheit in der Verbindung. Von entscheidender Bedeutung für sichere und
reproduzierbare Durchsetzfügeverbindungen ist einerseits die Wahl des geeigneten Werkzeug
satzes in Abhängigkeit von dem verwendeten Werkstoff und der Fügeteilgeometrie, andererseits
das einwandfreie Festhalten und Lösen der positionierten Fügeteile durch geeignete
Niederhalter- und Abstreifersysteme. Das Tragverhalten einer Durchsetzfügeverbindung hängt
außer von der Oberflächenbeschaffenheit der zu fügenden Teile in erster Linie von der Geome
trie des Fügeelementes, seiner geometrischen Lage relativ zur Belastungsrichtung sowie von der
Art der Belastung ab.
Für einige Anwendungen hat es sich als nachteilig herausgestellt, daß die Steifigkeit von einigen
mit punktförmigen Durchsetzfügeverbindungen versehenen Bauteilen nicht zufriedenstellend
gewesen ist. Außerdem sind die punktförmigen Durchsetzfügeverbindungen relativ teuer in der
Herstellung, weil mit einem einzelnen Werkzeugsatz für einen Fügepunkt Fügeteile immer nur
in diesem einzelnen Punkt während eines Arbeitstaktes miteinander befestigt werden können,
wobei die Werkzeuge während des Setzens der Durchsetzfügeverbindung einer hohen spezi
fischen Belastung ausgesetzt sind. Die mit den punktförmigen Durchsetzfügeverbindungen
versehenen Bauteile sind zudem nicht gas- bzw. wasserdicht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Verbindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu
schaffen, mit dem die bekannte Durchsetzfügetechnik verbessert beziehungsweise das Anwen
dungsspektrum für Durchsetzfügeverbindungen erweitert wird.
Die Aufgabe wird gelöst, indem in einem Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung
die miteinander zu befestigenden Fügeteile in einer Sollposition übereinandergelegt werden,
mindestens ein umfangsseitig geeignet geformtes Stempelrad mit einer rotierenden Bewegung
eine Nut in die miteinander zu befestigenden Fügeteile in einer Linie einschneidet und/oder
einsenkt, und mindestens ein zweites umfangsseitig geeignet geformtes Matrizenrad mit einer
rotierenden Bewegung die Fügeteile zumindest im Fügebereich zu einer durchsetzgefügten
Verbindung formt. Die einzelnen Fertigungsteilschritte sind in ihrer zeitlichen Abfolge im
realen Prozeß im Regelfall nicht deutlich voneinander zu trennen, sondern gehen ineinander
über bzw. laufen gleichzeitig ab. Es ist jedoch auch denkbar, die Bearbeitungsschritte zeitlich
versetzt durchzuführen, wozu dann jeweils geeignet geformte Gegenhalter erforderlich sind.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren werden mit einer linienformigen Werk
zeugstruktur versehene Stempel und Matrize in ihrer Ausgangsposition benachbart zueinander
gelagert, sodann durch eine Hubbewegung aufeinander zubewegt, dabei bringen sie mit ihrer
linienförmigen Werkzeugstruktur eine linienförmige Fügeverbindung in die miteinander zu
befestigenden Teile ein, und Stempel und Matrize werden nach Herstellung einer linienförmigen
Fügeverbindung durch eine Rückhubbewegung wieder voneinander weg bewegt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zum umform
technischen Fügen von Fügeteilen besteht aus einem Rahmen, mindestens einem im Rahmen
drehbar gelagerten, umfangsseitig zum Einschneiden und/oder Einsenken einer Nut geeignet
geformten Stempelrad, mindestens einem im Rahmen drehbar gelagerten, umfangsseitig zum
Stauchen von Fügeteilen geeignet geformten Matrizenrad, wobei die Stempel- und Matrizenrä
der so im Rahmen relativ zueinander angeordnet sind, daß aufeinanderliegende Fügeteile unter
ihnen bzw. über sie hinweg förderbar und/oder die Stempel- und Matrizenräder über bzw. unter
den Fügeteilen hinweg bewegbar sind.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weisen Stempel und Matrize eine Werkzeug
kontur mit einem linienförmigen Verlauf der fügewirksamen Flächen auf.
Insgesamt ermöglicht die vorgeschlagene Erfindung, linienformige Fügeverbindungen anstelle
der bisher bekannten punktförmigen Fügeverbindungen herzustellen. Die Durchsetzfüge
verbindungen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer entsprechenden
Vorrichtung hergestellt werden, weisen eine hohe Steifigkeit auf. Auch ist die Spannungsver
teilung in der Fügezone gleichmäßiger. Anstelle von mehreren Hubbewegungen zur Herstellung
einer dauerhaften Verbindung von Teilen können Fügeteile nun während einer einzigen Förder- bzw.
Hubbewegung mit einem Werkzeugsatz über eine Strecke hinweg mittels einer Durch
setzfügeverbindung miteinander verbunden werden. Die Werkzeuge sind dabei gleichmäßiger
belastet, was sich positiv auf deren Kosten und Lebensdauer auswirkt, und je nach Geometrien
der Fügeteile und der linienförmigen Durchsetzfügeverbindung kann die Verbindung gas- bzw.
wasserdicht ausgeführt sein. Neben dem Fügen von Komponenten bietet sich das Verfahren
auch für die Herstellung von modernen Halbzeugen wie Taylored Blanks an. Das Verfahren
verspricht im Vergleich zum Schweißen eine sehr hohe Produktivität und wesentlich geringere
Kosten. Auch können unterschiedliche Werkstoffe auf diese Weise zu Taylored Blanks ver
arbeitet werden. Die Ausgestaltung unter Verwendung einer linienformigen Werkzeugkontur
weist zudem den Vorteil auf, daß auch linienförmige Fügeverbindungen mit eng gekrümmten
Linienverläufen oder die Verarbeitung von Teilen mit schwer zugänglichen Geometrien möglich
sind. Weitere Abwandlungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den kenn
zeichnenden Merkmalen der Unteransprüche, auf die insoweit verwiesen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung des vorgeschlagenen Funktionsschemas,
Fig. 2 eine Abwandlung des Funktionsschemas mit vorteilhafter Werkzeuggeometrie,
Fig. 3 eine weitere Abwandlung der Werkzeuggeometrien,
Fig. 4 Werkzeuggeometrien mit Formkörpern, die seitlich zur Fügeverbindung wirken.
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Abstreifers,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Stempel- oder Matrizenrades mit Elasto
merscheiben,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Fügegeräts,
Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie A-A aus Fig. 7,
Fig. 9 eine Prinzipskizze für eine hochflexible Fügevorrichtung,
Fig. 10 die Wirkung der Anschlagrollen in drei Teilschritten,
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der Erfindung mit linienför
mig konturierten Werkzeugen auf dem Stempel und Niederhalter.
In Fig. 1 sind die Fügeteile 2 und 4 erkennbar, die miteinander durch eine Durchsetzfüge
verbindung 6 verbunden werden sollen. Oberhalb der Fügeteile 2, 4 ist das Stempelrad 8,
unterhalb das Matrizenrad 10 angeordnet. Das Stempelrad 8 und das Matrizenrad 10 drehen sich
in entgegengesetzter Richtung, so daß sie entweder die Fügeteile 2, 4 zwischen sich hindurch
fördern können oder durch einen beweglichen Rahmen an den Fügeteilen 2, 4 entlanggeführt
werden. Das Stempelrad 8 ist umfangsseitig so ausgeformt, daß ein Wulst 12 eine Nut 14 in die
Fügeteile 2, 4 eindrücken kann. Zum Eindrücken der Nut 14 in die Fügeteile 2, 4 muß das
Stempelrad 8 so angeordnet werden, daß sich zumindest der Wulst 12 mit seiner äußersten
Umfangsfläche unterhalb der Oberfläche des obenliegenden Fügeteils 2 befindet. Vorzugsweise
wird das Stempelrad 8 so tief geführt, daß sich der Wulst 12 an seinem tiefsten Punkt unterhalb
der Normalebene beider Fügeteile 2, 4 befindet. Werden die Fügeteile 2, 4 dann unter dem
Stempelrad 8 entlang- bzw. dieses über die Fügeteile 2, 4 hinweggeführt, so drückt sich eine
Nut 14 in die Fügeteile 2, 4, wenn diese ausreichend abgestützt werden. Die Anordnung des
Wulstes 12 unterhalb der Oberfläche des obenliegenden Fügeteils 2 kann entweder von vornher
ein mit der Lage der Abstützung und der Materialstärke der Fügeteile 2, 4 durch eine feste
entsprechende Lagerung der Stempel- und Matrizenräder abgestimmt sein, oder das Stempelrad
8, das Matrizenrad 10 und/oder die Abstützungen sind in ihrer räumlichen Anordnung verstell
bar angeordnet, so daß der Wulst 12 in eine Lage bewegbar ist, in der sich dieser mit seiner
umfangsseitig äußersten Fläche unterhalb der Oberfläche des oberen Fügeteils 2 befindet. Bei
einer getakteten Auf- und Abbewegung des Stempel- und/oder Matrizenrades 8, 10 können so
linienförmige, unterbrochene Durchsetzfügeverbindungen 6 oder Durchsetzfügeverbindungen
6 mit alternierender Tiefe der Nut 14 hergestellt werden. Eine linienförmige Durchsetzfüge
verbindung 6 muß nicht entlang einer Geraden hergestellt werden, sondern kann auch in Bögen
mit gleichbleibender oder wechselnder Krümmung, in Zickzacklinien oder Diagonalen her
gestellt werden, wenn die Stempel- und Matrizenräder 8, 10 um ihre Hochachse drehbar
angeordnet sind. Bei einer Veränderbarkeit um die Längsachse kann die Durchsetzfügeverbin
dung 6 in einem veränderbaren Winkel zur Oberfläche der Fügeteile 2, 4 eingebracht werden.
Ein Effekt, der dem vorstehend beschriebenen ähnelt, kann auch erzielt werden, wenn alternativ
oder ergänzend die Fügeteile 2, 4 in ihrer Förderrichtung oder räumlichen Lage veränderlich
geführt sind.
Für die Verbindungsqualität ist die Stauchung des Materials im Bereich der Durchsetzfüge
verbindung wichtig. Beim Stauchen entsteht durch Breiten oder Fließpressen eine kraft- und
formschlüssige Verbindung. Die Stauchung wird durch den Druck, mit dem das Matrizenrad 10
auf die Fügeteile 2, 4 einwirkt, und einen Gegendruck, den vorteilhaft das Stempelrad 8 erzeugt,
bewirkt. Die umfangsseitige Geometrie des Matrizenrades 10 sollte so ausgebildet sein, daß sie
ein Breiten oder Fließpressen des Materials der Fügeteile 2, 4 vorteilhaft unterstützt.
Die Stauchung ist wichtig unabhängig davon, ob der Verfahrensablauf kontinuierlich ist oder
sich unter der Wirkung mehrerer, nacheinander angeordneter Werkzeugteile vollzieht. Im
letzteren Fall spricht man von mehrstufigen Verfahren. Für jede Prozeßstufe muß dann ein
Werkzeugsatz mit entsprechender Geometrie vorhanden sein, die einfach hintereinander
angeordnet werden. Wenn schon eine linienförmige Nut 14 hergestellt ist, müssen nicht alle
nachfolgenden Werkzeugteile linienförmig-kontinuierlich arbeiten, sondern es können je nach
technischen Anforderungen an die Festigkeit der Verbindung auch punktuell wirkende oder
hubgesteuerte Werkzeuge an der Herstellung einer Durchsetzfügeverbindung beteiligt sein.
Auch ist es möglich, daß die Stempel- und/oder Matrizenräder 8, 10 mit oder ohne Schneid
anteil arbeiten. In nachgeschalteten Prozeßstufen kann die Fügelinie planiert werden, um eine
erhebungsfreie Verbindung zu erhalten.
In Fig. 2 ist beispielhaft gezeigt, wie das Stempelrad 8 umfangsseitig auch geformt sein kann,
wenn die Fügeverbindung in Nahtrichtung erhöhten Belastungen unterworfen ist. Durch die
besondere umfangsseitige Geometrie des Stempelrades 8 können in der Nut 14 Geometrie
elemente erzeugt werden, die hohe Schubkräfte in Nahtrichtung übertragen können. In der
einfachsten Form sind beispielsweise Durchbrüche im Steg des Stempelrades 8 denkbar. An den
Durchbruchstellen wird die Fügenaht nicht vollständig ausgeformt, wodurch während des
Fügeprozesses kleine Absätze senkrecht zur Nahtrichtung erzeugt werden, die die Schubkräfte
übertragen können. Diese Werkzeugvariante erzeugt eine diskontinuierliche Naht, die eine
vollständige Dichtigkeit aufweisen kann. Falls die Durchbrüche ausschließlich im Stempelrad
8 eingebracht werden, kann auf eine Synchronisation von Stempelrad 8 und Matrizenrad 10
verzichtet werden, was die Kosten für den Anlagenaufbau verringert. Das gilt nicht mehr, wenn
auch das Matrizenrad 10 mit Nocken, Stegen oder Zähnen umfangsseitig konturiert wird, wie in
Fig. 3 gezeigt. Die dort erforderliche Synchronisation der Stempel- und Matrizenräder 8, 10
kann entweder über die Anlagentechnik oder über eine entsprechende Gestaltung und An
ordnung der Funktionselemente erfolgen, was einem Verzahnungseffekt entspräche. Dem etwas
teureren Anlagenaufbau und der aufwendigen Werkzeugfertigung steht eine genaue Aus
formung der Nocken gegenüber, die die Belastungsfähigkeit der Fügeverbindung in Naht
richtung verbessert.
Auch können Stege, Nocken, Zähne oder sonstige Formkörper so umfangsseitig in das Stempel- und/
oder Matrizenrad eingeformt sein, daß sie seitlich zur eigentlichen Fügeverbindung wirken.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 gezeigt. Bei einer geeigneten Ausführung ist auch hier
eine dichte Fügeverbindung herstellbar. Je nach Ausgestaltung müssen die Bewegungen von
Stempel- und/oder Matrizenrad 8, 10 miteinander synchronisiert werden. Unter Umständen ist
eine Erhöhung der Flanschbreite der Fügeteile 2, 4 erforderlich, um genügend Platz für die
einzuprägenden Elemente zu schaffen.
In Fig. 5 ist das Prinzip dargestellt, wie Abstreifer 16 eingesetzt werden können, um nach der
Einbringung der Nut 14 bzw. der Herstellung der Durchsetzfügeverbindung 6 Stempel- und/oder
Matrizenrad 8, 10 von den Fügeteilen 2, 4 zu lösen. In Fig. 5 ist gezeigt, wie ein Matrizenrad
10 mit einem tangential zum Matrizenrad 10 angeformten Abstreifer 16 räumlich zueinander
angeordnet sein können, um eine vorteilhafte Abstreifwirkung zu erzielen. Ergänzend oder
ersatzweise kann auch ein elastisches Material, wie beispielsweise die in Fig. 6 angedeuteten
Elastomerscheiben 18, auf die Stempel- und/oder Matrizenräder 8, 10 aufgebracht sein, um eine
Abstreifwirkung zu erzielen.
Das linienförmige Durchsetzfügen eignet sich neben der kontinuierlichen Herstellung von
Tailored Blanks oder Profilen auch für das Fügen von Bauteilen, deren Fügezonen eine von der
Geraden abweichende Kontur im Fügebereich aufweisen. Gegenüber punktformig gefügten
Bauteilen ist vor allem eine größere Bauteilsteifigkeit zu erwarten. Unter Anwendung des
Verfahrensprinzips des linienförmigen Durchsetzfügens ist der Aufbau eines einfachen Fügege
räts möglich, das vollautomatisch Bauteile mit variierenden Fügezonenkonturen miteinander
verbinden kann und schematisch in Fig. 7 dargestellt ist. Das hier vorgeschlagene Gerät
besteht aus den Stempel- und Matrizenrädern 8, 10, zwei Richtrollen 20, 22, die die durch den
Durchsetzfügevorgang erzeugte Verformung der Fügezone egalisieren, sowie einer festen und
einer beweglichen Anschlagrolle 24, 26, deren Achsen annähernd senkrecht zu den Stempel- bzw.
Matrizenrädern 8, 10 bzw. den Richtrollen 20, 22 ausgerichtet sind. Gegebenenfalls sind
je nach verwendetem Fügesystem noch Abstreifer 16 für das Lösen der Fügeteile vom Stempel- bzw.
Matrizenrad 8, 10 zu adaptieren. Fig. 8 zeigt eine Querschnittssicht entlang der Linie
A-A aus Fig. 7, die das Führungsprinzip für die Stempel- und Matrizenräder 8,10 entlang den
Fügeteilen 2, 4 durch eine Anschlagrolle 24 zeigt. Durch ihr Abrollen auf den Stegen der
Fügeteile 2, 4 für die Anschlagrolle über einen gemeinsamen, nicht näher dargestellten Trag
rahmen die Stempel- und Matrizenräder 8, 10 in ihrer seitlichen Ausrichtung.
In Fig. 9 ist eine Prinzipskizze für eine hochflexible Fügevorrichtung für das linienförmige,
umformtechnische Fügen dargestellt. Die bewegliche Anschlagrolle 28 wird über eine Feder
bzw. einen Anpreßzylinder 30 gegen den Flansch eines oder beider Fügeteile 2, 4 gedrückt.
Durch die Kraft F1 in Fig. 10a) wird das Blechteil um den Drehpunkt, der durch das Stempel- und
Matrizenrad 8, 10 gebildet und durch die Spitze des Vektors F3 angedeutet ist, solange
gedreht, bis der Flansch auch gegen die feste Anschlagrolle 32 mit der durch den Pfeil angedeu
teten Kraft F2 preßt. Es besteht somit ein Gleichgewicht zwischen den Kräften quer zum
Fügeflansch. Weisen nun die Fügeteile einen Radius in ihrer Fügezonenkontur auf, der in
Fügerichtung nach links verläuft, liegt die feste Anschlagrolle bei Einlauf in den Radius zu
nächst nicht mehr am Flansch der Fügeteile 2, 4 an, wie es in Fig. 10b) dargestellt ist. Die
Kraft F2 ist somit nicht mehr vorhanden und das System befindet sich somit nicht mehr im
statischen Gleichgewicht. Nun drückt die durch den Anpreßzylinder 30 erzeugte Kraft F1 die
schwenkbare Anschlagrolle 28 mit den Fügeteilen 2, 4 solange um den durch das Stempel- und
Matrizenrad 8, 10 gebildeten Drehpunkt, bis die Fügeteile 2, 4 mit ihrem Flansch an der festen
Anschlagrolle 32 anliegen, wie in Bild 10c) gezeigt. F2 nimmt dann wieder den Wert von F1
an, und es liegt erneut ein statisches Gleichgewicht vor.
Verläuft der Radius in Fügerichtung nach rechts, wächst die Kraft F2 an der festen Anschlagrol
le 32 an. Dadurch werden die Fügeteile 2, 4 und die schwenkbare Anschlagrolle 28 solange um
den durch das Stempel- und Matrizenrad 8, 10 gebildeten Drehpunkt gedreht, bis die Kräfte F1
und F2 wieder im Gleichgewicht sind. Auf die beschriebene Weise werden die Fügeteile 2, 4
automatisch immer so in die Vorrichtung eingezogen bzw. die Stempel- und Matrizenräder 8,
10 so gesteuert, daß diese der Kontur der Fügezonen folgen. Für das Fügen kleinerer Bauteile
kann die Vorrichtung ortsfest installiert werden. In diesem Fall werden die Fügeteile 2, 4, die
vorteilhaft beispielsweise auf Kugelrollen frei beweglich gelagert sind, entsprechend ihrer
Geometrie in die Vorrichtung eingezogen. Bei größeren Bauteilen kann die Vorrichtung auch an
den Fügeflansch geklemmt werden und fährt dann selbstständig die Kontur der Flanschgeome
trie der Blechteile ab.
Für das Fügen flächiger Bauteile wie Kühlkörper, Wärmetauscher etc. oder dem gleich
zeitigen-Fügen mehrerer Fügeteile können in einer entsprechenden Vorrichtung auch mehrere rotierende
Fügeelemente parallel zueinander angeordnet werden.
Abhängig von der Belastung des herzustellenden Bauteils kann es sinnvoll sein, die Füge
richtung senkrecht zur Blechebene ständig zu wechseln. Das kann einfach erreicht werden,
indem das untere und das obere rotierende Fügeelement wechselseitig Matrizen- und Stempel
geometrieelemente aufweist. Eine Synchronisation der Räder ist dann erforderlich. Resultat
einer solchen Gestaltung der Fügeräder ist eine Fügenaht, bei der die matrizenseitige Blecherhe
bung abwechselnd oberhalb und unterhalb der Fügenaht zu finden ist.
Beim aus dem Stand der Technik bekannten punktförmigen Durchsetzfügen mit geteilter
Matrize bewegen sich die federnd angepreßten Lamellen erst während des Breitens des Füge
teilwerkstoffs gegen Ende des Stempelweges nach außen, um Raum für den radial abfließenden
Fügeteilwerkstoff zu schaffen. Um ein solches Durchsetzfügeverfahren linienförmig durch
führen zu können, ist der Aufbau einer speziell gestalteten zusätzlichen Einlaufmatrize am
rotierenden Matrizenelement notwendig. Diese Einlaufmatrize muß das Material während des
Einsenk- bzw. Durchsetzvorgangs abstützen und während des Breitens Raum für das quer zur
Nahtrichtung abfließende Fügeteilmaterial bieten. Im Einlaufbereich der zu fügenden Bleche
liegt die Einlaufmatrize daher am Matrizenrad an und stützt so seitlich den Hals der Fügestelle
ab, während sie sich in einer nachgeordneten Zone dort, wo ein Breiten des Werkstoffes er
wünscht ist, vom rotierenden Matrizenelement entfernt und so Raum gibt für ein seitliches
Fließen des Werkstoffs. Ein solcher Effekt kann durch entsprechende Durchmesser des rotie
renden Matrizenelementes und der zusätzlichen rotierenden Einlaufmatrizen und eine vorteilhaf
te Festlegung der relativen Lage der Rotationsachsen zueinander erfolgen. Eine seitliche Flanke
am rotierenden Matrizenelement kann bei einer solchen Anordnung entfallen. Die Einlaufmatri
ze kann jedoch auch starr angeordnet sein, wobei sich der seitliche Abstand der seitlichen
Stützfläche der Einlaufmatrize zur Längsmittelachse der Fügeverbindung in Förderrichtung
erweitert, um ein Breiten des Fügematerials zu ermöglichen.
Wenn das Matrizenrad starre seitliche Matrizenwandungen aufweist, ist die mechanische
Belastung auf die Flanken der Matrizengravur extrem hoch. Als Belastung stellt sich an der
Flanke eine Kombination aus dynamischer Zug- und Schubbelastung ein, die von gehärteten
Materialien, wie sie für eine ausreichende Druck- und Verschleißfestigkeit erforderlich sind, nur
schwer aufgenommen werden kann. Abhilfe kann das Einbringen von Druckeigenspannungen
schaffen, die der Flankenbelastung entgegengerichtet sind. Denkbar wären beispielsweise
seitliche, vorzugsweise gewölbte Armierungen, die durch Dehnschrauben gegen die Matrizen
wände gepreßt werden. Auf eine solche Weise erfolgt eine Umlagerung der Matrizenflankenbe
lastungen auf die für dynamische Zugbelastungen ausgelegten Dehnschrauben. Durch die
Vorspannung der Dehnschrauben ergeben sich günstigere Verspannungsverhältnisse und die
Ausschlagsspannung sowie die Kerbwirkung verringern sich. Alternativ sind aber auch
Normschrauben oder Schrauben mit elastisch nachgiebiger Kopfform einsetzbar.
Beim aus dem Stand der Technik bekannten punktförmigen Durchsetzfügen erfolgt die Hin
terschnittbildung durch Breiten oder Stauchen. Insbesondere diese Fertigungsstufen sind für die
Höhe der maximalen Fügekräfte verantwortlich. Da beim linienformigen Durchsetzfügen gemäß
der vorliegenden Erfindung die Fügeteile nicht nach oben aus dem formgebenden Werkzeug
gehoben werden müssen, bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Fügeverbindung mit einem
geformten Hinterschnitt wie beispielsweise einer Art Schwalbenschwanz zu versehen. Dadurch
wird das Maß der festigkeitsbestimmenden Hinterschneidung auch bei großen Halsdicken und
geringen Fügekräften stark vergrößert, weil kein Breiten oder Stauchen zur Hinterschnittbildung
erforderlich ist. Der in der Fügezone hervorgerufene maximale Vergleichsumformgrad ist
deutlich geringer. Diese Verfahrensvariante ist deshalb insbesondere für schlechter umformbare
Werkstoffe geeignet. Die Festigkeit der Verbindung ist dennoch höher, da die geformte Hin
terschneidung wesentlich größer ausfallen kann als eine durch Breiten geformte Hinterschnei
dung. In einem zweistufigen Verfahren kann in der ersten Prozeßstufe das Einsenken bzw.
Durchsetzen der Nut erfolgen, während in der zweiten Prozeßstufe mittels entsprechend kontu
rierter Formrollen die Fügeverbindung im Querschnitt gesehen ein- oder beidseitig zu einem
schwalbenschwanzartigen Hinterschnitt geformt wird. Während der zweiten Prozeßstufe müssen
die Fügeteile möglichst allseitig gegengehalten werden, um ein seitliches Aufbiegen der Füge
teilflansche zu vermeiden. Anschließend kann die Fügenaht planiert werden, um eine erhebung
särmere Naht zu erhalten. Alternativ zu konturierenden Rollen kann auch ein konturierter
Ziehstein für die Formung der Hinterschneidung Verwendung finden. Auch hier ist ein An
pressen bzw. Gegenhalten der Fügeteile sinnvoll. Für eine größere Formstabilität der Fügenaht
sowie des erzielten Hinterschnitts kann ein Formelement in die vorgeformte Nut eingebracht
werden. Das Formelement kann selbst schon eine hinterschnittbildende Kontur aufweisen oder
im einfachsten Fall auch ein eingelegter Draht sein, welcher in der Fügenaht verbleibt
Fig. 11 zeigt schematisch die prinzipiell zweite Ausgestaltungsform der Erfindung. Anstelle
der Herstellung einer linienförmigen Fügeverbindung durch bewegte, punktförmig wirkende
Werkzeuge oder einer Bewegung der miteinander zu befestigenden Teile an den punktförmig
wirkenden Werkzeugen entlang wird vorgeschlagen, die Kontur der fügewirksamen Werkzeug
flächen linienförmig auszugestalten, um mit einem Hub eine linienförmige Fügeverbindung
zwischen den miteinander zu befestigenden Teile zu schaffen. Der Stempel 50 und die Matrize
52 werden durch eine Kraft F aufeinander zu bewegt. Zwischen Stempel 50 und Matrize 52
befinden sich die miteinander zu befestigenden Fügeteile 2, 4, die annähernd in der räumlichen
Lage gezeigt sind, in der sie miteinander befestigt werden sollen. Der Stempel 50 weist an seiner
dem Fügeteil 2 zugewandten Seite eine linienförmige Erhebung 54 auf. Diese linienförmige
Erhebung wird mit der Unterseite bei einer fortgesetzten Zufahrbewegung von Stempel 50
und/oder Matrize 52 zunächst auf die nach oben weisende Fläche des Fügeteils 2 aufsetzen und
bei einer weiteren fortgesetzten Zufahrbewegung diese Fläche zusammen mit der darunterlie
genden Fläche des Fügeteils 4 tiefziehen in Richtung der Ausnehmung 56, die sich auf der dem
Fügeteil 4 zugewandten Seite der Matrize 52 befindet. Form und Verlauf der Ausnehmung 56
entsprechen annähernd der Form und dem Verlauf der linienförmigen Erhebung 54. Bei einer
weiter fortgesetzten Zufahrbewegung wird das tiefgezogene Material aus den Fügeteilen 2, 4
vollständig in die Ausnehmung 56 gedrückt, wobei das Material plastisch verformt wird und die
für eine Durchsetzfügeverbindung charakteristischen Eigenschaften annimmt. Bei der Auswahl
und Abstimmung der Querschnittsgeometrien der Erhebung 54 und der Ausnehmung 56, die als
Stempel und Matrize wirken, kann der Fachmann sich seines ihm fachnotorisch bekannten
Wissens zur Gestaltung von Stempeln und Matrizen bedienen. Im gezeigten Ausführungsbei
spiel wird eine annähernd S-förmige Fügelinie mit engen Biegeradien mittels nur eines Fügehu
bes erzielt.
Die Stempel und Matrizen können durch Werkzeugelemente ergänzt werden, die während des
Fügehubes gleichzeitig beispielsweise eine Stanzoperation durchführen. So ist es möglich, mit
nur einem Arbeitshub sowohl eine linienförmige Fügeverbindung herzustellen als auch umge
formte Bauteile von einer Restplatine abzulösen. "Fügen" und "Stanzen" wird so auf eine
besonders wirtschaftliche Weise in einem Arbeitshub vereinigt.
Am einfachsten ist die Werkzeuggestaltung und -fertigung in Anlehnung an Durchsetzfüge
verfahren mit starrer Matrize. Es ist jedoch auch die Herstellung von Matrizengeometrien mit
beweglichen Seitenwänden möglich. Weiterhin können die Fügewerkzeuge derart gestaltet sein,
daß je nach Bedarf eine geschlossene und damit dichte oder auch eine intermittierende Naht
erzeugt werden kann. Auch sind Kombinationen mit den vorstehend beschriebenen Ausgestal
tungen möglich.
An den Werkzeugen sind entsprechende Abstreifvorrichtungen zu integrieren. Diese können als
Elastomer- oder Federabstreifer gestaltet werden. In gleicher Wertigkeit ist alternativ auch das
Auswerfen der gefügten Bauteile mittels Pneumatik- oder Hydraulikzylindern in Verbindung
mit Auswerferstiften denkbar. Auch ist ein Entformen mittels in das Formnest eingeleiteter
Preßluft möglich.
Da die erforderlichen Fügekräfte je nach Nahtlänge große Werte annehmen werden, ist auch
eine Kombination aus linienförmigen Durchsetzfügen mittels rollenden Werkzeugen mit dem
linienförmigen Durchsetzfügen mittels konturierter Werkzeuge möglich. Die konturierten
Werkzeuge werden dabei für das Fügen der engen Radien konzipiert, während die Rollenwerk
zeuge für die geraden bzw. nur leicht gekrümmten Fügelinien eingesetzt werden. Vorteilhaft ist
ein Prozeßablauf, bei dem die engen Radien der Fügezonengeometrie zunächst in einem Hub
gefügt werden und die damit erstellte Verbindung somit eine Fixierung der Bauteile für den
nachfolgenden Fügeprozeß mittels rollender Werkzeuge gewährleisten kann.
In einer weiteren Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungs
gemäßen Verfahren werden prozeßrelevante Parameter oder Daten von Sensoren ermittelt.
Beispielsweise können Stempel- und/oder Matrizenräder 8, 10, oder Lagerelemente mit Senso
ren zur Erfassung von Fügekräften, Führungskräften, Richtkräften, Drehmomenten, Zustell
wegen und/oder Radumdrehungen ausgestattet sein, die Meßsignale erfassen, die zur Prozeß
steuerung, -regelung, Überwachung und Auswertung verwendbar sind. Dazu müssen sie an eine
geeignete Kontrolleinrichtung übermittelt werden, die die Daten und Parameter auswertet,
daraus einen Stellwert ableitet und an eine entsprechende Aktorik zur Ausführung übermittelt.
Auch ist es möglich, Antriebe, Fügekräfte, Führungskräfte, Richtkräfte und/oder Zustellwege
prozeßabhängig zu steuern und/oder zu regeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung zur Herstellung einer Fügeverbindung
kann unterstützt werden durch eine zusätzliche Vorwärmung der Fügebereiche oder eine
Kombination aus Rollnahtschweißen und umformtechnischen Fügen. Überhaupt ist die Erfin
dung nicht beschränkt auf den Inhalt der beispielhaften Beschreibung, sondern umfaßt auch alle
diejenigen Abwandlungen und Anpassungen, die ein Fachmann unter Zuhilfenahme seines ihm
notorisch bekannten Fachwissens ohne erfinderisch Überlegungen zur Anpassung der offenbar
ten Lösung an seine speziellen Anforderungen auffinden kann.
Claims (25)
1. Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Fügeteilen (2, 4), wobei die miteinander
zu befestigenden Fügeteile (2, 4) in einer Sollposition übereinandergelegt werden,
mindestens ein umfangsseitig geeignet geformtes Stempelrad (8) mit einer rotierenden
Bewegung eine Nut (14) in die miteinander zu befestigenden Fügeteile (2, 4) in einer
Linie einschneidet und/oder einsenkt, und mindestens ein zweites umfangsseitig ge
eignet geformtes Matrizenrad (10) mit einer rotierenden Bewegung die Fügeteile (2, 4)
zumindest in einem Bereich zu einer Durchsetzfügeverbindung (6) ausformt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein oder mehrere Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) um ihre Hoch- und/oder
Längsachse drehbar sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fügeteile (2, 4) während des Fügeprozesses in ihrer Bewegungsrichtung und/od
er räumlichen Lage veränderbar sind.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) und/oder andere, auch arbeitshub
abhängige Werkzeuge in einer Arbeitsabfolge die Durchsetzfügeverbindung (6) be
arbeiten.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Festigkeit der Durchsetzfügeverbindung (6) erhöhende Formelemente in die
Fügeteile (2, 4) eingebracht werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fügeteile (2, 4) durch Abstreifer vom Stempelrad (8) und/oder Matrizenrad (10)
abgelöst werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bewegungsrichtung der Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) von minde
stens zwei Anschlagrollen bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fügezone der Durchsetzfügeverbindung von einem Richtelement egalisierbar ist.
9. Verfahren zum umformtechnischen Fügen von miteinander zu befestigenden Teilen,
indem durch eine Hubbewegung des Stempels und/oder der Matrize eine Fügeverbin
dung in die miteinander zu befestigenden Teile eingebracht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit einer linienförmigen Werkzeugstruktur versehenen Stempel und Matrize in
ihrer Ausgangsposition benachbart zueinander gelagert sind, sodann durch eine Hubbe
wegung aufeinander zubewegt werden, dabei mit ihrer linienförmigen Werkzeugstruktur
eine linienförmige Fügeverbindung in die miteinander zu befestigenden Teile ein
bringen, und Stempel und Matrize nach Herstellung einer linienförmigen Fügeverbin
dung durch eine Rückhubbewegung wieder voneinander weg bewegt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß gleichzeitig mit der Herstellung einer Fügeverbindung eine Stanzoperation ausge
führt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß Sensoren prozeßrelevante Parameter erfassen und diese zur Steuerung, Regelung,
Überwachung und/oder Auswertung verwendbar sind.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß Antriebe, Fügekräfte, Führungskräfte, Richtkräfte und/oder Zustellwege prozeß
abhängig steuerbar sind.
13. Vorrichtung zum umformtechnischen Fügen von Fügeteilen (2, 4), bestehend aus einem
Rahmen, mindestens einem im Rahmen drehbar gelagerten, umfangsseitig zum Ein
schneiden und/oder Einsenken einer Nut (14) geeignet geformten Stempelrad (8),
mindestens einem im Rahmen drehbar gelagerten, umfangsseitig zum Stauchen von
Fügeteilen geeignet geformten Matrizenrad (10), wobei die Stempel- und Matrizenräder
(8, 10) so im Rahmen relativ zueinander angeordnet sind, daß aufeinanderliegende
Fügeteile (2, 4) unter ihnen bzw. über sie hinweg förderbar und/oder die Stempel- und
Matrizenräder (8, 10) über bzw. unter den Fügeteilen (2, 4) hinweg bewegbar sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß eines oder mehrere Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) um ihre Hoch- und/od
er Längsachse drehbar angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach Ansprüchen 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fügeteile (2, 4) durch Mittel in ihrer Förderbewegung und/oder räumlichen Lage
veränderbar sind.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Vorrichtung oder in mehreren Vorrichtungen mehrere Stempel- und/oder
Matrizenräder (8, 10) angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eines der Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) umfangsseitig Vertie
fungen und/oder Erhebungen aufweist.
18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß an der Vorrichtung Abstreifer angebracht sind.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Halterung der Stempel- und/oder Matrizenräder (8, 10) mit Anschlagrollen
verbunden ist.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zumindest ein Richtelement aufweist.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung mit vor- oder nachgelagerten zusätzlichen Vorrichtungen, die
mittels eines Arbeitshubs Fügeverbindungen herstellen, wirkungsmäßig verbunden ist.
22. Vorrichtung zum umformtechnischen Fügen von miteinander zu befestigenden Teilen,
bestehend aus einem Rahmen, einem darin angeordneten Stempel und einer Matrize
sowie einer Verstellvorrichtung für den Stempel und/oder die Matrize, um diese zu
bewegen, sowie einer Haltevorrichtung zur Lagefixierung der zu befestigenden Teile,
dadurch gekennzeichnet,
daß Stempel und Matrize eine Werkzeugkontur mit einem linienformigen Verlauf der
fügewirksamen Flächen aufweisen
23. Vorrichtung nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zusätzlich Stanzelemente aufweist.
24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß Sensoren in der Vorrichtung angeordnet sind und von den Sensoren ermittelte
prozeßrelevante Daten an eine Steuer-, Regelungs- Überwachungs- und/oder Auswerte
vorrichtung übermittelbar sind.
25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch eine in der Vorrichtung angeordnete Aktorik Antriebe, Fügekräfte, Führungs
kräfte, Richtkräfte und/oder Zustellwege von einer Kontrolleinrichtung steuer- und/oder
regelbar sind.
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DE19901015A DE19901015A1 (de) | 1998-05-02 | 1999-01-13 | Vorrichtung und Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Teilen |
EP99107238A EP0953386A3 (de) | 1998-05-02 | 1999-04-14 | Vorrichtung und Verfahren zum umformtechnischen Fügen von Teilen |
BR9902060-2A BR9902060A (pt) | 1998-05-02 | 1999-04-30 | Dispositivo e processo para a junção de peças por técnica de transformação. |
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