DE4111102A1 - Vorrichtung zum verbinden von sich ueberlappenden bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verbinden von sich überlappenden Bauteilen, mit einer Matrize und einem Stempel, durch dessen Linearbewegung die zu verbindenden Bauteile in die Matrize verformbar sind, deren als Amboß wirkender Boden einen bestimmten Abstand von der Matrizenoberkante hat.

Vorrichtungen dieser Art sind allgemein bekannt und sind beispielsweise in den Offenlegungsschriften DE 31 06 313 A1, DE 19 42 411 A1, DE 36 13 324 A1 oder den Patentanmeldungen P 39 23 182 sowie P 40 09 813 be­ schrieben. Bei den bekannten Vorrichtungen sind die Matrizen so aufgebaut, daß der als Amboß wirkende Boden der Matrize (Matrizengrund) von der Matrizenoberkante einen auf die jeweils zu verbindenden (plattenförmigen) Bauteile, wie z. B. Bleche etc. und deren Material abge­ stimmten Abstand aufweist. Der Matrizenboden ist des­ halb starr mit der Matrize verbunden.

Zur Ausformung der verbundenen Bauteile aus der Matrize wird bei den bekannten Vorrichtungen eine separate Ab­ streifvorrichtung benötigt. Diese Abstreifvorrichtung steht um 2-3 mm über der Matrizenoberkante und wird beim Fügevorgang durch den Gegendruck des Stempels und der zu verbindenden Bauteile gegen eine Feder bündig zum Matrizenrand gedrückt. Beim Zurückfahren des Stem­ pels bewirkt die Federkraft das Ausformen der verbunde­ nen Bauteile (Fügeelement) aus der Matrize. In der Re­ gel weist die Abstreifvorrichtung einen Platzbedarf auf, der den Platzbedarf für die Matrize um ein mehrfa­ ches übertrifft.

Nachteilig ist dabei insbesondere, daß durch den großen Platzbedarf der Abstreifvorrichtung die Zugänglichkeit zu vielen Fügestellen eingeschränkt wird.

Darüber hinaus ist von Nachteil, daß beim Fügevorgang die Unterseite des matrizenseitigen Bauteils nicht auf die Matrizenoberkante direkt aufgelegt werden kann. Aufgrund dieser Tatsache bewegt sich das zu verbindende Bauteil bei jedem Fügehub um den Betrag des matrizen­ seitigen Abstreiferwegs in Richtung auf die Matrize zu. Da die zu verbindenden, sich überlappenden Bauteile üblicherweise fest eingespannt sind, verursacht diese Bewegung entweder ungewollte Verformungen, oder es ist erforderlich, das gesamte Fügewerkzeug beispielsweise durch die Verwendung von C-Bügeln in Richtung der Ma­ trizenachse nachgiebig zu lagern.

Die Verwendung nachgiebiger Lagerungen hat jedoch einen erheblichen technischen Zusatzaufwand zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zum Verbinden von sich überlappenden Bauteilen mit einer Matrize und einem Stempel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß das Ausformen der verbundenen Bauteile selbsttätig möglich ist, ohne daß die Zugänglichkeit der Matrize verringert wird.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben:
Erfindungsgemäß bildet die obere Begrenzungsfläche eines in Richtung der Stempelbewegung beweglichen Ele­ ment den als Amboß wirkenden Matrizenboden bzw. Matri­ zengrund. Dieses Element ist durch Federkraft so vorge­ spannt, daß es im unbelasteten Zustand mit der Matri­ zenoberkante bündig abschließt.

Durch diese Ausbildung werden nicht nur die sich über­ lappenden Bauteile nach Beendigung des Verbindungsvor­ gangs selbsttätig ausgeformt, sondern es ist auch mög­ lich, die Bauteile direkt auf der Oberfläche der Matri­ ze aufzulegen. Beim Fügevorgang wird der Amboß und da­ mit das bewegliche Element gegen eine Kraft nach unten gedrückt. Nach Beendigung des Fügevorgangs, d. h. beim Zurückfahren des Stempels drückt das durch die aufge­ baute Kraft wieder nach oben fahrende bewegliche Ele­ ment die verbundenen Bauteile aus der Matrizenform, so daß keine zusätzliche Abstreifvorrichtung erforderlich ist. Damit wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verbinden von sich überlappenden Bauteilen auch die Zugänglichkeit der Matrize nicht eingeschränkt.

Die Kraft, die das bewegliche Element in Richtung auf die Matrizenoberkante vorspannt, kann durch beliebige Elemente erzeugt werden. Beispielsweise kann gemäß Anspruch 2 eine Feder das bewegliche Element vorspan­ nen. Gemäß Anspruch 3 ist es aber auch möglich, ein verformbares, elastisches Material zu verwenden, das das bewegliche Element vorspannt.

In jedem Falle ist es jedoch von Vorteil, wenn gemäß Anspruch 4 wenigstens ein Anschlag vorgesehen ist, der die Linearbewegung des beweglichen Elements begrenzt.

Als Anschlag, der die "Ausweichbewegung" des bewegli­ chen Elements aufgrund der Fügebewegung des Stempels begrenzt, kann beispielsweise die untere Begrenzungs­ fläche der Matrizen-Ausnehmung dienen (Anspruch 5).

Der Anschlag, der die Rückstellbewegung des beweglichen Elements begrenzt, kann beliebig ausgebildet und bei­ spielweise ein in einem Langloch geführter Zapfen sein (Anspruch 6).

Bei Vorrichtungen zum Verbinden von übereinander ange­ ordneten plattenförmigen Bauteilen, wie z. B. Blechen, die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 oder auch nur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildet sein können, tritt als weiteres Problem auf, daß beim Um­ formvorgang ein Einschneiden der Oberfläche zu vermie­ den werden soll.

Deshalb ist in der DE 31 06 313 A1 und der DE 19 42 411 A1 sowie in der Anmeldung P 39 23 182 vorgeschlagen worden, geteilte Matrizen zu verwenden.

Geteilte Matrizen erfordern aber einen hohen Ferti­ gungsaufwand. Ein weiterer wesentlicher Nachteil ge­ teilter Matrizen besteht darin, daß sich in der Trenn­ fuge Schmutz, wie beispielweise Öl, Späne etc. ablagern kann, so daß sich die gespreizten Teile der Matrize nicht mehr vollständig schließen können, wie es für einen erfolgreichen Fügevorgang notwendig wäre.

In der Anmeldung P 40 09 813 ist deshalb eine ungeteil­ te Matrize beschrieben, in die ein elastisches Material (z. B. Gummi) zur Erzielung der radialen Nachgiebigkeit eingearbeitet ist. Diese Lösung unterliegt jedoch auf­ grund der großen Verformungskräfte einem gewissen Ver­ schleiß.

Eine weitere Lösung ist in der DE 36 13 324 A1 angege­ ben, gemäß der eine Matrizengravur verwendet wird, die ein genau festgelegtes, auf das Blechmaterial und die Blechdicke abgestimmtes Volumen aufweist. Auch diese Lösung hat zwei entscheidende Nachteile:
In der Praxis muß immer mit Blechdickentoleranzem ge­ rechnet werden. Hat z. B. eines der Bleche Übermaß, so ist das Volumen der Matrizengravur in diesem Fall zu klein. Da die Haltekraft des Fügeelements vom tat­ sächlich benötigten Volumen abhängig ist, fällt die Haltekraft schon bei geringen Toleranzen merklich ab.

Der zweite Nachteil besteht darin, daß bereits durch eine vergleichsweise kleine Ablagerung von Spänen oder Ölresten, wie z. B. von Tiefziehöl in der Gravur das Fügeergebnis ebenfalls negativ beeinflußt wird.

Deshalb wird erfindungsgemäß nach Anspruch 8 eine er­ findungsgemäße Vorrichtung bzw. eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weitergebildet, daß die Matrize konische Seitenwände aufweist, und daß in die untere Begrenzungsfläche der Matrize ein Element eingesetzt ist, dessen obere Begrenzungsfläche den eigentlichen Matrizenboden bzw. Amboß bildet, und das von den Sei­ tenwänden der Matrize derart beabstandet ist, daß sich ein (vergleichsweise tiefer) Ringspalt ergibt.

Hierdurch erhält man bei einer ungeteilten Matrize ein von Blechdickentoleranzen unabhängiges Festigkeitser­ gebnis, das insbesondere zu einer flüssigkeits- und gasdichten Verbindung führen kann. Weiterhin ist die Standzeit der Matrize trotz geringer Herstellkosten hoch. Auch ist die Baugröße gering.

Durch die in den Ansprüchen 9 und 10 angegebenen Maß­ nahmen, gemäß denen die den Matrizenboden bildende obere Begrenzungsfläche des Elements mit einem Radius in die Seitenwände des Elements übergeht, und/oder die Seitenwände der Matrize mit einem Radius in die obere Deckfläche der Matrize übergehen, erhält man einen verbesserten Fließvorgang bei der Herstellung der Ver­ bindung.

Durch die im Anspruch 11 gekennzeichnete Bemessungsre­ gel, gemäß der die Tiefe des Ringspalts wenigstens doppelt so groß ist wie der Abstand Matrizenoberkante/ Amboß, wird die Beeinträchtigung des Fügeergebnisses durch Verschmutzungen weiter verringert, da geringe Ablagerungen in dem Ringspalt das Fließen des Materials der zu verbindenden Bauteile nicht beeinträchtigt.

Darüber hinaus ist es gemäß Anspruch 12 möglich, im Ringspalt eine Bohrung zur Abführung von Verunreini­ gungen vorzusehen, ohne daß das Fügeelement hierdurch beeinträchtigt wird.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2a und 2b eine Modifikation dieses Ausführungsbei­ spiels, und

Fig. 3a und 3b ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vor­ richtung zum Verbinden von sich überlappenden Bauteilen 1 und 2, die beispielsweise Bleche sein können. Die Vorrichtung weist einen Matrizenkörper 3 und einen Stempel 4 auf, durch dessen Linearbewegung in Richtung eines Pfeils F die zu verbindenden Bauteile 1 und 2 in die in dem Matrizenkörper 3 vorgesehene Matrize Ver­ formbar sind, deren Boden als Amboß wirkt. In dem Ma­ trizenkörper 3 ist ein Element 5 in Richtung des Pfeils F und in entgegengesetzter Richtung beweglich geführt. Die obere Begrenzungsfläche dieses Elements bildet den als Amboß wirkenden Matrizenboden. Das Element 5 ist durch eine Druckfeder 6 entgegen der Pfeilrichtung F vorgespannt. Die Federkraft entspricht dabei der benö­ tigten Abstreifkraft. Die Feder 6 wird von einer Schraube 7 durchsetzt, deren Kopf an dem Matrizenkörper 3 anliegt. Die Schraube 7 bildet damit zusammen mit der Anlagefläche an den Matrizenkörper einen verstellbaren Anschlag für die Bewegung des Elements 5 durch die Kraft der Feder 6. Insbesondere kann dieser Anschlag so eingestellt werden, daß die als Amboß wirkende obere Begrenzungsfläche des beweglichen Elements 5 im unbe­ lasteten Zustand mit der Matrizenoberkante 8 bündig abschließt, so daß die zu verbindenden Bleche 1 und 2 "eben" auf den Matrizenkörper 3 aufgelegt werden kön­ nen. In Fig. 1a ist dieser unbelastete Zustand darge­ stellt.

Beim Fügevorgang wird das Element 5 durch die Bewegung des Stempels in Richtung des Pfeils F nach unten ge­ drückt, so daß die Feder 6 gespannt wird. Damit der durch die zu verbindenden Bauteile 1 und 2 bestimmte Abstand zwischen der als Amboß wirkenden oberen Be­ grenzungsfläche des Elements 5 und der Matrizenober­ kante 8 nicht überschritten wird, ist ein weiterer Anschlag vorgesehen, der durch die untere Begrenzungs­ fläche 9 der Ausnehmung in dem Matrizenkörper 3 gebil­ det wird, auf der das Element 5 aufliegt. Dieser Zu­ stand ist in Fig. 1b dargestellt.

Beim (nicht dargestellten) Zurückfahren des Stempels 4 drückt das durch die Kraft der gespannten Feder 6 be­ aufschlagte Element 5 das aus den Bauteilen 1 und 2 entstandene Fügeelement aus der Matrizenform. Ein zu­ sätzlicher Abstreifer ist somit nicht erforderlich. Auch kann auf eine schwimmende Lagerung des Fügewerk­ zeuges oder auf eine aufwendige Ansteuerung eines ent­ sprechenden Werkzeuges verzichtet werden.

Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Ausbildung kann bei den verschiedensten Matrizenformen - Rund­ punkt, Rechteck, n-Eckpunkt - und den unterschiedlich­ sten Fügeverfahren - einstufig, zweistufig etc. - sowie bei ein- oder mehrteiligen Matrizen angewandt werden.

In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder ent­ sprechende Teile mit den selben Bezugszeichen bezeich­ net, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird, und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden:
Die Fig. 2a und 2b zeigen eine Modifikation des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem anstelle einer Druckfeder 6 ein verformbares, elastisches Mate­ rial 6′, das beispielsweise aus Viton oder Perbunan bestehen kann, das bewegliche Element 5 vorspannt. Zur Bildung eines die "Aufwärtsbewegung" des Elements 5 begrenzenden Anschlags ist an dem Element 5 ein Zapfen 7′ angebracht, der in einem Langloch 7′′ in dem Matri­ zenkörper 3 geführt ist. Fig. 2a zeigt wiederum den Zustand vor Beginn des Fügevorgangs und Fig. 2b den Zustand, in dem das bewegliche Element 5 aufgrund der Abwärtsbewegung des nicht dargestellten Stempels an der Anlagefläche 9 des Matrizenkörpers 3 anliegt.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Verbinden von sich überlappenden Bau­ teilen 1 und 2, das wiederum eine Matrize 10 in einem Matrizenkörper 3 und einen Stempel 4 aufweist, durch dessen Linearbewegung in Richtung des Pfeils F die zu verbindenden Bauteile 1 und 2 in die Matrize 10 ver­ formbar sind.

In die Matrize 10, d. h. in die untere Begrenzungsflä­ che der Matrize ist ein Element 5 eingesetzt, dessen obere Begrenzungsfläche den eigentlichen Amboß bildet. Das Element 5, das starr angeordnet oder entsprechend den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbei­ spielen beweglich ausgebildet ist, ist von den konisch ausgeführten Seitenwänden 11 der Matrize 10 derart beabstandet, daß sich ein Ringspalt 12 ergibt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Tiefe des Ring­ spalts wenigstens doppelt so groß wie der Abstand Ma­ trizenoberkante/Amboß. Ferner endet im Ringspalt 12 eine Bohrung 13 zur Abführung von Verunreinigungen.

Die den Amboß bildende obere Begrenzungsfläche des Elements 5 geht zur Erleichterung des Fließvorganges der zu verbindenden Bauteile 1 und 2 mit einem Radius 14 in die Seitenwände des Elements 5 über. Auch die Seitenwände 11 der Matrize 10 gehen mit einem Radius 15 in die obere Deckfläche der Matrize über.

Im folgendem soll die Funktionsweise der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung erläutert werden:
Zu Beginn des Fügevorgangs liegem die zu verbindenden plattenförmigen Bauteile 1 und 2 auf der Oberfläche des Matrizenkörpers 3 auf. Durch die Bewegung des Stempels 4 in Richtung auf die Matrizenausnehmung 10 verformen sich die Bauteile 1 und 2 lokal in die Matrizenausneh­ mung 10, ohne dabei das Material einzuschneiden.

Sobald der Boden des matrizenseitig angeordneten Bau­ teils 2 auf der als Amboß wirkenden Oberfläche des Elements 5 aufliegt, beginnt das Material der Bauteile in die Ringnut 12 zu fließen. Das stempelseitige Bau­ teil 1 fließt dabei sowohl in axialer als auch in radi­ aler Richtung nach. Durch diesen Fließvorgang entsteht die in Fig. 3b dargestellte druckknopfartige kraft- und formschlüssige Verbindung.

Nach Beendigung des Umformvorganges wird der Stempel 4 zurückgenommen. Die Ausformung der verbundenen Bauteile 1 und 2 kann dabei durch eine Bewegung des Elements 5 entgegen der Richtung des Pfeils F unterstützt werden.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird durch die konische Ausbildung der Matrizenwände 11 und die Radien am Übergang Amboßfläche/Element-Seitenwand bzw. Matri­ zenwand/Matrizenoberkante der Fließvorgang begünstigt.

Je nach Dicke der plattenförmigen Bauteile 1 und 2 ist der sich in der Matrize bildende Ringwulst 16 mehr oder weniger ausgeprägt. Verschmutzungen, wie z. B. Öl oder Späne können über die Bohrung 13 entfernt werden. Die Bohrung 13 liegt so weit unten in der Ringnut 12, daß der Ringwulst 16 sie nicht erreichen kann, so daß keine Gefahr der Beeinträchtigung des aus den Bauteilen 1 und 2 gebildeten Fügeelements durch die Bohrung 13 besteht.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Verbinden von sich überlappenden Bauteilen, mit einer Matrize und einem Stempel, durch dessen Line­ arbewegung die zu verbindenden Bauteile in die Matrize verfornbar sind, deren als Amboß wirkender Boden einen bestimmten Abstand von der Matrizenoberkante hat, dadurch gekennzeichnet, daß den Matrizenboden die obere Begrenzungsfläche eines in Richtung der Stempelbewegung beweglichen Elements (5) bildet, das so vorgespannt ist, daß es im unbelasteten Zustand mit der Matrizen­ oberkante (8) bündig abschließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (6) das bewegli­ che Element (5) vorspannt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein verformbares, elasti­ sches Material (6′) das bewegliche Element (5) vor­ spannt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Anschlag die Linearbewegung des Elements (5) begrenzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (5) auf einer als Anschlag wirkenden unteren Begrenzungs­ fläche (9) der Matrizen-Ausnehmung aufliegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem Langloch (7′′) geführter Zapfen (7′) die Bewegung des Elements (5) durch die Kraft begrenzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schraube (7), deren Achse in Richtung der Bewegungsachse (F) des Stempels (4) verläuft, und deren Kopf an dem Matrizenkörper (3) anliegt, einen verstellbaren Anschlag für die Bewegung des Elements (5) durch die Federkraft bildet.

8. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 7 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (10) konische Seitenwände (11) aufweist, und daß in die untere Begrenzungsfläche der Matrize (10) ein Element (5) eingesetzt ist, dessen obere Be­ grenzungsfläche den eigentlichen Matrizenboden bzw. Amboß bildet, und das von den Seitenwänden (11) der Matrize derart beabstandet ist, daß sich ein Ringspalt (12) ergibt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Matrizenboden bil­ dende obere Begrenzungsfläche des Elements (5) mit einem Radius (14) in die Seitenwände des Elements über­ geht.

10. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (11) der Matrize (10) mit einem Radius (15) in die obere Deck­ fläche der Matrize übergehen.

11. Vorrichtumg nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des Ringspalts (12) wenigstens doppelt so groß ist wie der Abstand Matrizenoberkante/Amboß.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringspalt (12) eine Bohrung (13) zur Abführung von Verunreinigungen endet.