EP0934132B1

EP0934132B1 - Durchsetzfügeverfahren und -vorrichtung zum verbinden von blechteilen

Info

Publication number: EP0934132B1
Application number: EP98922642A
Authority: EP
Inventors: Hanns-Peter Liebig; Jan Bober; Jens Jacobsen; Timm Kühne
Original assignee: Eckold GmbH and Co KG; Walter Eckold GmbH and Co KG Vorrichtungs und Geraetebau
Current assignee: Eckold GmbH and Co KG; Walter Eckold GmbH and Co KG Vorrichtungs und Geraetebau
Priority date: 1997-04-05
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 2002-06-26
Anticipated expiration: 2018-04-03
Also published as: EP0934132A1; DE19714129A1; PT934132E; CN1222872A; ATE219708T1; DE59804575D1; WO1998045065A1; JP2000511470A; CA2257251A1; ES2179494T3; RU99100054A; DK0934132T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Durchsetzfügeverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine zu seiner Durchführung bestimmte Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Aus EP 0 546 270 B1 ist ein Verfahren zum lokalen Umformen von sprödem Material bekannt, bei dem die zu fügenden Bleche zwischen dem Stempel und dem Amboß eingespannt werden, wodurch das Blechmaterial einer Druckbelastung unterworfen wird entsprechend der Vorspannung des Ambosses durch eine Feder. Während des Fügens erhöht sich diese Druckbelastung der Federkraft entsprechend, wobei der Amboß in die Matrizenbohrung zurückgedrückt wird. Schließlich sitzt der Amboß auf dem unteren Anschlag auf, und der Stempel drückt Material in den Raum, der von der Amboßfase freigelassen ist, wodurch die Verklammerung erfolgt.

Aus DE 37 26 392 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden aufeinanderliegender dünner Platten bekannt, bei dem durch Tiefziehen ein Nocken gebildet wird, dessen Boden zu einer vorspringenden Wölbung frei ausgeformt wird. Diese Wölbung wird anschließend durch einen gegengerichteten Stauchhub flachgeformt, wobei der Materialüberschuß zur Seite gedrängt wird. Die tiefgezogenen Wandstärken bleiben erhalten, wobei das Plattenmaterial geschont wird, da die Seitenverdrängung in erster Linie durch Biegen und nicht durch Quetschen erfolgt.

Die beiden Platten werden vorteilhafterweise während des Tiefzieh- und Stauchvorgangs rund um die Tiefziehstelle von beiden Seiten mittels Niederhalter eingespannt. Auf diese Weise kann sich Plattenmaterial im Bereich der Tiefziehstelle zwischen Niederhalter und Matrize gleitend bewegen. Insbesondere beim Stauchhub kann nur der Tiefziehstempel rückwärts ausweichen, während ein Anheben der Platten verhindert wird.

Aus der EP 0 330 061 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchsetzfügen von zwei oder mehreren übereinanderliegenden, ebenen Blechteilen bekannt, bei denen ein Werkzeugsatz aus Stempel und Matrize verwendet wird, dessen Matrize einen mittigen Amboß und gegenüber einer Amboßarbeitsfläche hochstehende Matrizenformstücke aufweist, die vorzugsweise während eines Stauchens seitlich ausweichen können und einen Formhohlraum begrenzen, in den hinein gefügt wird.

Bei dem bekannten Durchsetzfügen werden die zu verbindenden Blechteile an einer wählbaren Fügestelle gemeinsam durchgesetzt und danach kaltgestaucht unter Anwendung solcher Drücke, daß durch einen seitlichen Werkstofffluß ein form- und kraftschlüssiges Ineinandersitzen der Blechteile in Form eines napfartigen Fügeelementes entsteht. Das an der Fügestelle unter einer Stempelwirkfläche befindliche Werkstoffvolumen wird dabei zunächst nur durchgesetzt. Dazu wird der Blechwerkstoff aus der Ebene der Blechteile heraus verschoben, wobei die Bodendicke der entstehenden Fügung noch ungefähr der Gesamtausgangsblechdicke entspricht. Bei einem weiteren Durchsetzen wird der Napfboden des Fügeelements zwischen einer Stempelwirkfläche und dem Amboß eingespannt und durch eine zunehmend ansteigende Stempelkraft ein Stauchvorgang mit radialem Werkstofffluß im Bodenbereich bewirkt, das sogenannte Breiten. Die Dicke der Bodenbleche ist durch das Stauchen gegenüber der Ausgangsblechdicke reduziert, was nötig ist, um durch Breitung den notwendigen Formschluß herzustellen.

Um diesen Stauchvorgang zu erleichtern, können an der Fügestelle die zu verbindenden Blechteile in Durchsetzrichtung partiell eingeschnitten werden, da dann beim Stauchvorgang der Napfboden des Fügeelementes weitgehend frei von der Bindung an den übrigen Werkstoff bleibt oder diese Bindung zumindest reduziert ist. Nachteilig ist jedoch, daß ein Schneidanteil am Fügevorgang die Festigkeit der Durchsetzfügung verringert und die Fügung nicht gasdicht ist, so daß Fügeelemente bevorzugt werden, die ohne lokales Einschneiden hergestellt werden.

Die US-A-5 581 860 offenbart eine Durchsetzfügevorrichtung zum Verbinden von übereinanderliegenden Blechteilen mit einer Matrize und einem in eine Formhohlraum der Matrize eindringbaren Stempel, wobei die Matrize einen Amboß und davon hochstehende, seitlich ausschwenkbare Formstücke aufweist. Der Stempel ist von einem Niederhalter umschlossen, und der Amboß und der Stempel besitzen jeweils einen eine Wirkfläche aufweisenden Stift aus einem gehärteten Werkstoff, der in einen Grundkörper aus einem anderen Werkstoff eingepreßt ist. Ebenfalls ist ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 der US-A-5 581 860 zu entnehmen.

Dieses Durchsetzfügen von Blechteilen ist bisher wirtschaftlich nicht einsetzbar bei Blechteilen aus Edelstahl mit vorwiegend austenitischem Grundgefüge. Gleiches gilt für sonstige bei fortschreitender Formänderung zu einer besonders ausgeprägten Kaltverfestigung neigenden Metalle, z.B. hochlegierte Edelstähle, Titan, oder für bereits vorverfestigte Metalle, z.B. höherfeste Stähle. Die werkstoffbedingten Prozeßkräfte für ein umformtechnisches Fügen liegen hier oberhalb der Belastungsgrenze des Fügewerkzeugs oder führen schon nach wenigen Fügevorgängen zum Versagen desselben.

Werden jedoch zu geringe Prozeßkräfte angewendet, ist das Tragverhalten der Fügungen unzureichend. Ferner wurde festgestellt, daß auch bei größtmöglicher Kaltstauchung nur ein unzureichender Formschluß im Fügeelement erreicht wird. Ein Durchsetzfügen solcher Blechwerkstoffe ist daher überhaupt nur mit einer Einschneidung der Blechteile und unter Inkaufnahme der damit verbundenen Nachteile möglich, wobei auch die durch das Einschneiden erreichte Verringerung der Prozeßkräfte zu keiner nennenswerten Steigerung der Werkzeugstandmenge führt.

Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Durchsetzfügeverfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit dem auch bei Fügeteilen aus zur besonderen Kaltverfestigung neigenden Werkstoffen oder aus vorverfestigten Werkstoffen eine ausreichend feste Fügung herstellbar ist.

Eine zweite Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung für dieses Verfahren zu schaffen.

Die erste Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die zweite Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 gelöst.

Hierdurch wird ein Verfahren geschaffen, bei dem ein wirksamer Formschluß unter verringerter Fügekrafteinleitung erreicht wird. Dies gilt insbesondere für die zur besonderen Kaltverfestigung neigenden Werkstoffe. Die insoweit anzuwendenden Fügekräfte sind so reduziert, daß die Werkzeuge dieser Belastung standhalten können.

Es wurde festgestellt, daß insbesondere bei stark kaltverfestigenden Blechwerkstoffen das Breiten dadurch erschwert ist, daß der Werkstoff unter Druckspannungen auszuweichen versucht und entgegen der Stempelwirkrichtung zurückfließt. Durch ein Andrücken der Fügeteile während des Fügevorgangs wird dieses Rückfließen verhindert und der Blechwerkstoff gezwungen, durch somit eingeleitetes Breiten ein formschlüssiges Verbindungselement im Wirkbereich der Matrize zu formen. Bei den zu besonderer Kaltverfestigung neigenden Werkstoffen führt das Verfahren deshalb auch zu einem bisher nicht erreichten guten Formschluß.

Dadurch, daß die um eine Fügestelle liegenden Blechteile mit einer so großen Kraft an die Matrize gedrückt werden, die ausreicht, um das Material derart auf eine Unterlage (hier die Matrize) zu pressen, daß das zu fügende Werkstoffvolumen nicht mehr entgegen der Wirkrichtung des Stempels zurückfließen kann, wird nämlich erreicht, daß die eingeleitete Stauchkraft bereits in einer frühen Phase des Stauchens zur Bildung eines wirksamen Formschlusses genutzt wird. Folglich resultiert in vorteilhafter Weise eine hinreichend feste Fügung auch dann, wenn unter Schonung der Werkzeuge der notwendige Umformgrad an der Fügestelle unter verringerter Krafteinleitung erfolgt. Damit wird insbesondere das Durchsetzfügen wirtschaftlicher, weil die Zahl der mit einem Fügewerkzeug ausführbaren Fügungen sich erheblich vergrößert.

Die auf die Blechteile um die Fügestelle wirkende Andruckkraft ist eine passive Kraft, die höher sein muß als die Rückfließkraft des Werkstoffs der Fügeteile während des Fügevorgangs. Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß die Andruckkraft dann die Röckfließkraft des Werkstoffs übersteigt, wenn die Andruckkraft das 5fache bis 8fache der Kräfte beträgt, die lediglich zum Abstreifen der Fügeteile während der Durchsetzphase benötigt werden.

Weiterhin wird die Andruckkraft vorzugsweise auf eine wirksame Andruckfläche mit einer solchen Größe um die Fügestelle aufgebracht, daß die anzuwendende Andruckkraft keinen Abdruck in den Blechen hinterläßt und die Formstücke der Matrize sich beim Stauchen seitlich wegbewegen können. Die Andruckkraft-Wirkfläche kann also hinreichend groß bemessen werden, so daß die resultierende Druckbelastung nicht zu einer plastischen Deformation der geklemmten Fügeteile führen kann, und möglichst klein, damit auch an schlecht zugänglichen Stellen gefügt werden kann.

Es wurde gefunden, daß die Umformung sich noch verbessern läßt, wenn die Blechteile bei gegenüber der Umgebung bzw. den Werkzeugen erhöhter Temperatur gefügt werden; dabei ergibt eine Temperaturdifferenz von 10° C bis 50° C bei gleicher Fügekraft bereits eine Verbesserung des Tragverhaltens der Fügung, oder bei gleichem Tragverhalten wie bei Umgebungstemperatur hergestellten Fügeelementen läßt sich die Fügekraft um bis zu 15% absenken. Ein Grund hierfür liegt in einer Verminderung der Kaltverfestigung, wie sie insbesondere bei den austenitischen Blechwerkstoffen auftritt.

Mit der erfindungsgemäßen Durchsetzfügevorrichtung können auch Blechwerkstoffe mit ausgeprägter Neigung zur Kaltverfestigung durchsetzgefügt werden, ohne daß es zu plastischen Verformungen von Stempel und Amboß oder einem Versagen der Werkzeuggrundkörper kommt. Dabei ermöglicht der modulare Stempel- und matrizenseitige Aufbau, bei dem der Stempel- und Amboßstift sich jeweils auf einer planen Unterlegplatte abstützen, eine höhere Belastbarkeit des Werkzeugsatzes, da Risse vorweggenommen werden. Der Werkzeugsatz kann folglich höhere Fügedrücke aufnehmen.

Die Amboßfläche besitzt eine werkstoffflußgerechte Gestaltung in Form einer umlaufenden Fase, mit der ein besserer Formschluß bei gleicher Blechbodendicke erreicht wird. Gleichzeitig führt eine solche Fase zu einer Druckentlastung der Kante, wodurch die Standmenge erhöht wird.

Bevorzugte Werkstoffe hoher Festigkeit für den Stempel- und Amboßstift sind Hartmetall und hochfeste Keramik.

Die Wirkflächen von Stempel- und Amboßstift können ein sternförmiges Schliffbild aufweisen, wodurch deren Standmenge weiter erhöht und der Werkstofffluß verbessert wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1: zeigt schematisch eine teilgeschnittene Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Durchsetzfügevorrichtung,
Fig. 2: zeigt eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Stempels mit Anpreßelement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Durchsetzfügevorrichtung,
Fig. 3: zeigt eine Draufsicht einer Wirkfläche eines Stempels gemäß Fig. 2,
Fig.: 4 zeigt eine Seitenansicht eines Ambosses gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Durchsetzfügevorrichtung,
Fig. 5: zeigt eine Draufsicht einer Wirkfläche eines Amboßstiftes gemäß Fig. 4,
Fig. 6, 7 und 8: sind vergrößerte Seitenansichten weiterer Ausführungsformen des in Fig. 4 mit einem strichpunktierten Kreis markierten Bereiches.
Fig. 9a: zeigt im Teilschnitt eine mit der Vorrichtung nach Fig. 1 hergestellte Verbindung,
Fig. 9b: zeigt im Teilschnitt eine mit einer Vorrichtung ohne Anpreßelement hergestellte Verbindung bei gleicher Bodendicke des Fügeelements wie bei Fig. 9a,
Fig. 10a: zeigt die hergestellte Verbindung gemäß Fig. 9a,
Fig. 10b: zeigt im Teilschnitt eine mit einer Vorrichtung ohne Anpreßelement hergestellte Verbindung bei durch größere Fügekraft wie bei Fig. 9a, 9b und 10a verringerter Bodendicke des Fügeelementes.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchsetzfügen aus einem Werkzeugsatz mit einem Stempel 1 und einer Matrize 2, die jeweils in einer Durchsetzfüge-Werkzeugaufnahme 3, 4 angeordnet sind.

Die Matrize 2 besitzt als zentralen Bereich einen Amboß 5, der kopfseitig einen Stauchtisch 6 (Amboßarbeitsfläche) eines Formhohlraums 7 in der Matrize 2 bildet. Der Formhohlraum 7 begrenzt ein Durchsetzen eines Werkstoffvolumens durch gegenüber dem Stauchtisch 6 hochstehende Matrizenelemente in Form von Formstücken 8, 9, die bei einem Stauchvorgang seitlich ausweichen können. Die Formstükke 8, 9 bilden ferner mit ihrer jeweiligen Kopfseite 10, 11 eine Matrizenauflage für zu fügende Blechteile 12, 13. Damit nach einem jeweiligen Fügevorgang die ausgewichenen Formstücke 8, 9 wieder zurückgestellt werden und die Matrize 2 schließen, sind vorzugsweise zwei Rückstellfedern 42, 43 in einer Federhaube zusammengefaßt. Mittels einer Befestigungsschraube 14 ist die Matrize 2 an der Werkzeugaufnahme 4 befestigbar.

Der Stempel 1 besitzt einen Stempelstift 15 mit einer Stempelwirkfläche 16, die in den Formhohlraum 7 mit einer wählbaren Fügekraft für einen Durchsetzfügevorgang eindringt. Bei diesem Fügevorgang wird ein an einer Fügestelle unter einer Stempelwirkfläche 16 befindliches Werkstoffvolumen der Blechteile 12, 13 zunächst durchgesetzt, d.h. aus der Ebene der Blechteile 12, 13 herausverschoben, bis ein Boden 17 (vgl. Fig. 9a und 10a) der entstehenden Fügung auf dem Amboß 5 aufliegt, und danach gestaucht mit Breiten.

Der Stempel 1 ist umschlossen von einem Anpreßelement 18, das eine Krafteinleitung auf die Blechteile 12, 13 um eine Fügestelle, d.h. benachbart der Stempelwirkfläche 16, ermöglicht. Das Anpreßelement 18 drückt dazu die um die Stempelwirkfläche 16 liegenden Blechteile 12, 13 gegen die Matrizenauflage. Das Anpreßelement 18 soll also eine Gegenwirkung zu einer Rückfliehkraft eines Werkstoffes ausüben. Die Höhe der Krafteinleitung bzw. der Andruckkraft ist steuerbar. Diese Steuerung kann getrennt sein von der Einleitung der Fügekraft oder mit dieser verknüpft sein.

Vorzugsweise sind Federelemente 19, 20 zum Aufbringen der Anpreßelementekraft vorgesehen. Ferner ist das Anpreßelement 18 vorzugsweise über die Federelemente 19, 20 an der Werkzeugaufnahme 3 für den Stempel 1 geführt. Durch eine solche Führung kann in einfacher Weise die Krafteinleitung durch das Anpreßelement 18 während des Fügevorgangs gesteigert werden. Dazu kann das Anpreßelement 18 mit einer Wirkfläche 21 versehen sein, gegen die der Stempel 1 unter Komprimierung der Federelemente 19, 20 und Erhöhung der Andruckkraft arbeitet. Das Anpreßelement 18 ist vorzugsweise als Preßplatte ausgebildet und kann zusätzlich auch als Abstreifelement am Ende eines Fügevorgangs eingesetzt werden.

Zum Aufbringen der Anpreßelementekraft können auch andere Druckgeber als Federn für die Erzeugung der Druckkräfte eingesetzt werden. Es ist ferner nicht erforderlich, daß das Anpreßelement 18 am Stempel geführt ist. Mittels einer externen Führung und eines externen Antriebs kann das Anpreßelement 18 seine Funktion ebenfalls ausführen.

Die Wirkfläche 21 des Anpreßelements 18 wird dann hinreichend groß bemessen, wenn die resultierende Druckbelastung nicht zu einer plastischen Deformation der Oberfläche der zu fügenden Blechteile 12, 13 führt und die Formstücke 8, 9 der Matrize 2 sich beim Fügevorgang öffnen können.

Der Stempel 1 und die Matrize 2 sind vorzugsweise modular aufgebaut. Dazu umfaßt der Stempel 1 den Stempelstift 15, an dessen kopfseitigem Ende die Stempelwirkfläche 16 ausgebildet ist und der in einen Grundkörper 23 eingepreßt ist. Vorzugsweise besitzt der Grundkörper 23 hierzu eine Durchgangsbohrung 24. Dieser modulare Aufbau erlaubt die Verwendung unterschiedlicher Materialien für den Stempelstift 15 und den Grundkörper 23. Der Stempelstift 15 kann aus einem ersten Material, nämlich einem Material höherer Härte bzw. höherer Festigkeit, bestehen. Bevorzugte Materialien hierfür sind Hartmetall und hochfeste Keramik. Der Grundkörper 23 kann aus einem zweiten Material bestehen, das weniger hart, aber dafür beispielsweise zäher ist als das erste Material. Bevorzugt ist als zweites Material vergüteter Werkzeugstahl.

An seinem der Arbeitswirkfläche 16 abgekehrten Ende stützt sich der Stempelstift 15 weiterhin vorzugsweise auf einer Platte 25 ab, die aus demselben Material wie der Stempelstift 15 bestehen kann und die sich ihrerseits in der Werkzeugaufnahme 3 einer nicht dargestellten Presse abstützt. Die Querabmessungen der Platte 25 sind so gewählt, daß die auf die Werkzeugaufnahme 3 wirkende Belastung von dieser ohne Bruchgefahr aufgenommen werden kann. Mittels einer Befestigungsschraube 26 kann der Stempel 1 an der Werkzeugaufnahme 3 befestigt sein.

Die Matrize 2 kann entsprechend modular aufgebaut sein wie der Stempel 1. Der Amboß 5 wird dann gebildet von einem Amboßstift 22 aus einem ersten Material, nämlich einem Material höherer Härte bzw. größerer Festigkeit, wie beispielsweise Hartmetall oder hochfeste Keramik. Der Amboßstift 22 ist in einen Grundkörper 27 aus zäherem Material eingepreßt, wozu dieser eine Durchgangsbohrung 29 aufweist. Die Materialpaarung kann wie bei dem Stempel gewählt werden. Auch der Amboß 5 kann sich über eine Platte 28 an der Werkzeugaufnahme 4 abstützen. Die Platte 28 kann entsprechend der Platte 25 für den Stempel 1 ausgebildet sein.

Die Fig. 2 bis 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Durchsetzfügevorrichtung, das sich von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nur durch die nachfolgend genannten Unterschiede unterscheidet. Im übrigen gelten die vorstehenden Ausführungen entsprechend, so daß für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden.

Fig. 2 zeigt einen Stempel 1 in modularer Bauweise mit einem Stempelstift 15, an dem die Stempelwirkfläche 16 ausgebildet ist, der in einen Grundkörper 23 eingepreßt ist und sich an einer Grundplatte abstützt. Teilumfangsnuten 30 dienen dem Werkzeugschnellwechsel und damit der Befestigung des Stempels 1 an eine Werkzeugannahme. Das Wirkende des Stempels ist wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 von einem Anpreßelement 18 umfaßt, das sich über Federn 19, 20 am Grundkörper 23 abstützt. Über dieses Anpreßelement 18, das den Stempel 1 möglichst eng, jedoch mit Gleitsitz umschließt und die Federn 19, 20 werden nun die erfindungsgemäßen Druckkräfte eingeleitet, die das Anpreßelement 18 so kräftig auf die Matrize pressen, daß das Blechmaterial rings um den Stempel 1 fest eingespannt wird und so verhindert, daß das Material des stempelseitigen Blechs während des Stauchens nach oben, also entgegen der Wirkrichtung des Stempels 1, fließen kann. Bereits vor dem Beginn des Durchsetzens kann das stempelseitige Blech angedrückt sein, so daß auch keine Verbiegung der Bleche während des Durchsetzens befürchtet werden muß.

Das Anpreßelement 18 gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 dadurch, daß die Wirkfläche 21 des Anpreßelements 18 stetig verläuft.

Fig. 4 zeigt die zugehörige Matrize 2 mit einem Amboß 5, der in einen Grundkörper 27 gepreßt ist und sich an einer Grundplatte 28 abstützt. Der Grundkörper 27 weist an seiner dem Stempel 1 zugekehrten Seite Schrägflächen 32 auf, auf denen sich Matrizenelemente (nicht dargestellt) abstützen, die sich federvorgespannt an den Amboß 5 anlegen und zusammen mit der Wirkfläche 6 des Ambosses den Matrizenhohlraum begrenzen.

Um der Gefahr vorzubeugen, daß der Amboß 5 und/oder der Stempelstift 15 am Rand unter hoher Druckbelastung ausbrechen, ist eine umlaufende Fase 31 vorgesehen, deren Querschnittsform, wie in Fig. 6 bis 8 dargestellt, variabel sein kann: abgerundet (Fig. 6), flach abgeschrägt (Fig. 7) oder doppelt abgeschrägt (Fig. 8). Diese Fase begünstigt auch den Materialfluß.

Die einander zugekehrten Wirkflächen 16, 6 von Stempel 1 und/oder Amboß 5 sind mit einem das Fließen des zu fügenden Materials begünstigenden Oberflächenfinish versehen, wie an dem sternförmigen Schliffbild in Fig. 3 und 5 erkennbar. Entprechend können die Wirkflächen 16 und 6 bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ausgebildet sein.

Ein Durchsetzfügeverfahren zum Verbinden von übereinanderliegenden Blechteilen 12, 13 umfaßt einen Fügevorgang, bei dem mittels eines Stempels 1 und einer Matrize 2 an einer Fügestelle ein Werkstoffvolumen der Blechteile 12, 13 lokal durchgesetzt und durch Stauchen senkrecht zur Blechebene unter Werkstofffließen gefügt wird. Die die Fügestelle umgebenden Blechteile 12, 13 werden dabei während dieses Fügevorgangs auf die Matrize 2 gedrückt mit einer Andruckkraft, die ausreicht, ein Werkstofffließen entgegen der Wirkrichtung des Stempels 1 zu verhindern.

Die Andruckkraft kann während des gesamten Fügevorgangs konstant gehalten werden. Alternativ kann die Andruckkraft während des Fügevorgangs erhöht werden, damit zumindest beim Stauchen eine Andruckkraft im Umgebungsbereich der Fügestelle wirkt, die die. Rückfließkraft übersteigt, während sie vorher niedriger gewählt werden kann. Auch kann eine erste Andruckkraft bereits vor oder kurz vor dem Fügevorgang um die Wirkfläche des Stempels angelegt werden.

Die Blechteile 12, 13 werden im wesentlichen ortsfest auf der Matrize 2 gedrückt, und zwar mit einer solchen Andruckkraft, daß ein Werkstoffrückfließen verhindert wird. Dies gilt insbesondere für zur besonderen Kaltverfestigung neigende oder vorverfestigte Werkstoffe.

Die Andruckkraft wird insbesondere derart gewählt, daß die Blechteile 12, 13 während des Fügevorgangs im Umgebungsbereich des Stempels 1 nicht klaffen, d.h. die Blechteile 12, 13 liegen flächig aneinander.

Die Andruckkraft für flache, ebene Blechteile kann weiterhin derart gewählt werden, daß sie das 5fache bis 8fache der Kräfte beträgt, die lediglich zum Verhindern einer Aufbiegung der Fügeteile während der Durchsetzphase benötigt werden. Ein beispielhaft genannter Richtwert für die eingeleitete Kraft bei einem Fügeelementdurchmesser von 5mm ist 3000 N, wenn z.B. austenitische Edelstahlbleche gefügt werden.

Dabei wird die Andruckkraft vorzugsweise auf eine wirksame Andruckfläche mit einer solchen Größe um die Fügestelle aufgebracht, daß die anzuwendende Andruckkraft keinen Abdruck in den Blechteilen hinterläßt und die Matrize sich seitlich öffnen kann.

Weiterhin kann die Temperatur der Blechteile 12, 13 gegenüber der Umgebungstemperatur erhöht werden. Bevorzugt sind 10° C bis 50° C höhere Temperaturen als die Umgebungstemperatur.

Fig. 9a zeigt beispielhaft eine mit den vorstehend beschriebenen Durchsetzfügevorrichtungen hergestellte Fügung, wobei die von dem Anpreßelement 18 während des Fügevorgangs ausgeübte Andruckkraft durch die Pfeile und den Buchstaben F angedeutet ist. Blechteile 12, 13 aus einem besonders kaltverfestigenden Werkstoff mit einer Ausgangsblechdicke von jeweils etwa 1 mm sind formschlüssig durch ein Fügeelement verbunden, dessen Boden 17 zwischen der Stempelwirkfläche 16 und der Amboßarbeitsfläche 6 in dem Formhohlraum 7 unter Verringerung der Gesamtausgangsdikke gestaucht ist. Eine Breitung 33 hat sich durch Werkstofffließen gebildet, wozu die Formstücke 8, 9 sich nach außen bewegt haben. Das Ergebnis ist eine Fügung mit einem guten Formschluß. Am Ende des Fügevorganges klaffen die Blechteile 12, 13 im Umgebungsbereich des Stempels nicht, so daß diese flächig und ohne Spaltbereiche aneinanderliegen.

Im Vergleich dazu zeigt Fig. 9b eine Fügung mit einem Stempel 1 und einer Matrize 2 mit einem Stempelbund aber ohne Anpreßelement. Bei Erzielung gleicher Bodendicke, d.h. annähernd gleichen Fügekräften, wird noch kein wirksamer Formschluß erreicht.

Die Fig. 10a und 10b dienen zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Fügung gemäß Fig. 10a entspricht der in Fig. 9a dargestellten. Die Fügung von Fig. 10b unterscheidet sich von der der Fig. 9b dadurch, daß erhöhte Fügekräfte eingesetzt wurden, die zu einer stärkeren Stauchung des. Bodens 17 der Fügung geführt haben. Aber auch die auf diese Weise erzielte Breitung 34 zeigt noch nicht den ausreichenden Formschluß.

Die Fig. 9a, 9b und 10a, 10b verdeutlichen, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Anwendung geringerer Fügekräfte erlaubt, weil der wirksame Formschluß bereits bei kleinerer Stauchung erzielt wird.

Claims

Durchsetzfügeverfahren zum Verbinden von übereinanderliegenden Blechteilen (12,13) durch einen Fügevorgang, bei dem mittels eines Stempels (1) und einer Matrize (2) mit einer Amboßfläche an einer Fügestelle ein Werkstoffvolumen der Blechteile lokal durchgesetzt und durch Stauchen senkrecht zur Blechebene unter Werkstofffließen gefügt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügestelle umgebende Blechteile aus zu besonderer Kaltverfestigung neigenden Werkstoffen oder aus vorverfestigten Werkstoffen während des Fügevorganges auf die Matrize (2) gedrückt werden mit einer ein Werkstofffließen entgegen der Wirkrichtung des Stempels (1) verhindernden Andruckkraft, die das Fünffache bis Achtfache der Kräfte beträgt, die lediglich zum Abstreifen verwendet werden, wobei dazu eine Erleichterung des Werkstoffflusses eingestellt wird durch eine den Werkstofffluß begünstigende Umfangsfase (31) an der Amboßfläche, so daß die Fügekraft derart reduziert wird, daß Fügewerkzeuge dieser Belastung standhalten.
Durchsetzfügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckkraft auf eine wirksame Andruckfläche mit einer solchen Größe um die Fügestelle aufgebracht wird, daß die anzuwendende Andruckkraft keinen Abdruck in den Blechteilen hinterläßt und die Matrize sich seitlich öffnen kann.
Durchsetzfügeverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Andruckkraft bereits vor Beginn des Fügevorgangs auf die umgebenden Blechteile aufgebracht wird.
Durchsetzfügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Bleche gegenüber der Umgebungstemperatur erhöht wird.
Durchsetzfügeverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechteile auf eine 10°C bis 50°C höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur gebracht werden.
Durchsetzfügevorrichtung zum Verbinden von übereinanderliegenden Blechteilen (12, 13) mit einer Matrize (2) und einem in eine Formhohlraum (7) der Matrize eindringbaren Stempel (1), wobei die Matrize (2) einen Amboß (5) und davon hochstehende, seitlich ausschwenkbare Formstücke (8, 9) zur Begrenzung der, Formhohlraumes (7), in den lokal durchgesetzt wird, aufweist und der Stempel (1) von einem Anpreßelement (18) für eine Krafteinleitung auf die Blechteile (12, 13) umschlossen ist, der Amboß (5) und der Stempel (1) jeweils einen eine Wirkfläche aufweisenden Stift (15, 22) aus einem Werkstoff hoher Festigkeit besitzen, der in einen Grundkörper aus einem anderen Werkstoff eingepreßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel- und der Amboßgrundkörper (23, 27) Durchgangsbohrungen (24, 29) aufweisen, die die jeweiligen Stifte (15, 22) innenliegend aufnehmen und die Stifte (15, 22) sich an dem der jeweiligen Wirkfläche (16, 6) gegenüberliegenden Ende jeweils an einer planen Unterlegplatte (25, 28) abstützen, über die eine Druckbelastung an dem Amboß (5) und dem Stempel (1) in eine Werkzeugaufnahme (3, 4) einleitbar ist, daß das Anpreßelement (18) eine Andruckkraft aufbringen kann, die das 5-fache bis 8-fache der Kräfte beträgt, die lediglich zum Abstreifen verwendet werden und der Amboß ( 5) eine einen Werkstofffluß begünstigende Umfangsfase (31) aufweist.
Durchsetzfügevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfase (31) abgerundet ist.
Durchsetzfügevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfase (31) einen Dreieckquerschnitt aufweist.
Durchsetzfügevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfase (31) eine Abrundung approximierende abknickende Querschnittsform aufweist.
Durchsetzfügevorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkflächen (6, 16) von Amboß (5) und/oder Stempel (1) mit einem den Werkstofffluß begünstigenden Oberflächenfinish versehen sind.
Durchsetzfügevorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlegplatten (25, 28) aus einem hochfesten Werkstoff bestehen.
Durchsetzfügevorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff hoher Festigkeit Hartmetall oder hochfeste Keramik eingesetzt ist.
Durchsetzfügevorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpreßelement (18) eine am Stempel (1) geführte Preßplatte ist, die von einer oder mehreren vorgespannten Federn (19, 20) abgestützt ist.