[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Clinchen von drei Bauteilen
mittels einer Clinchvorrichtung, aufweisend einen Setzstempel und eine Matrize, die
einen Amboss mit einer Aussparung, in die der Setzstempel eingeführt werden kann,
aufweist, wobei das stempelseitige Bauteil ein duktiles Material und das mittlere
sowie das matrizenseitige Bauteil ein nicht-duktiles Material aufweisen, wobei das
mittlere Bauteil und das matrizenseitige Bauteil jeweils ein Vorloch aufweisen, wobei
das Vorloch des mittleren Bauteils mindestens so groß wie das Vorloch des matrizenseitigen
Bauteils ist und die Aussparung der Matrize größer als das Vorloch des matrizenseitigen
Bauteils ist.
[0002] Das Aneinanderfügen von zwei gleichartigen Bauteilen ist vielfach bekannt. Dies kann
auf verschiedenste Art und Weise, beispielsweise durch Kleben, Schweißen, Verschrauben
oder Nieten, erfolgen. Schwieriger ist das dauerhafte Verbinden von Bauteilen aus
unterschiedlichen Materialien, insbesondere von duktilen Bauteilen mit nicht-duktilen
Bauteilen.
[0003] Aktuell werden sogenannte Mischbauverbindungen aus Stahl oder Alu und WU-Stahl oder
Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Faserverbundkunststoffen (FVK), mithilfe von
Strukturklebstoffen oder Hilfsfügeelementen, wie beispielsweise Nieten oder Schrauben,
dauerfest miteinander verbunden. Nachteilig hierbei sind die Elementekosten der Hilfsfügeelemente,
beispielsweise von Halbhohlstanznieten, Blindnieten, Vollstanznieten, Klebstoffen,
Schrauben, etc.. Des Weiteren weisen diese Hilfsfügeelemente teilweise ein nicht geringes
Gewicht auf, so dass der Fügeverbund durch die Hilfsfügeelemente ein höheres Gesamtgewicht
erhält, als ohne die Fügehilfselemente. Ein Fügehilfselement kann ferner die Korrosionsanfälligkeit
der Verbindung erhöhen, da zum Beispiel bei einer Verbindung von Aluminium und Kohlenfaserkunststoff
(CFK) ein Stahl-Niet eingebracht wird und somit die elektrochemische Spannungsreihe
erweitert wird. Das heißt, zu den zwei bereits vorhandenen Fügepartnern wird nachteiligerweise
noch ein dritter Werkstoff, insbesondere metallischer Werkstoff, eingebracht.
[0004] Ein bekanntes Fügeverfahren, das ohne Fügehilfselemente auskommt, ist das "Clinchen",
was auch als "Durchsetzfügen" bezeichnet wird. Aus dem Stand der Technik sind eine
Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren zum Clinchen von Bauteilen, insbesondere
von Blechen, bekannt.
[0005] Bei einer Vielzahl von Clinchvorrichtungen ist eine Matrize mit einer Kavität vorgesehen,
die mit einer Stempelvorrichtung zusammenwirkt, durch welche beispielsweise Material
von zwei zu verbindenden Blechteilen an der Clinchstelle in die Kavität verdrängt
wird. Aktuell wird im Stand der Technik nur in 2-Blech Verbund geclincht. Herkömmliches
Clinchen von Bauteilen aus nicht-duktilen Material ist nicht möglich.
[0006] Aufgrund des immer bedeutender werdenden Mischbaus werden neue Wege in der kalten
Fügetechnik gesucht. Derzeit kann aber bei den bekannten Clinchverfahren keine Verbindung
eines Bauteils aus Stahl oder Alu mit einem Bauteil aus kohlenstofffaserverstärktem
Kunststoff (CFK), glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder hochfester Stahl, wie
beispielsweise HC1000W, gefügt werden. Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ist
sehr korrosionsanfällig wenn er mit unedleren Materialien, wie Stahl oder Alu, und
zusätzlich in Verbindung mit korrosiven Medien, wie Luft oder Wasser, kommt.
[0007] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Clinchen eines
duktilen Bauteils mit zwei nicht-duktilen Bauteilen zu schaffen, dass auf eine einfache
und kostengünstige Art und Weise eine dauerhaft feste Verbindung der Bauteile ermöglicht,
insbesondere eine Beschädigung beziehungsweise eine Zerstörung der nicht-duktilen
Bauteile vermeidet.
[0008] Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Clinchen eines duktilen
Bauteils mit zwei nicht-duktilen Bauteilen mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Weitere
Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung
und den Zeichnungen.
[0009] Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zum Clinchen von drei Bauteilen
mittels einer Clinchvorrichtung, aufweisend einen Setzstempel und eine Matrize, die
einen Amboss mit einer Aussparung, in die der Setzstempel eingeführt werden kann,
aufweist, gelöst. Das stempelseitige Bauteil weist ein duktiles Material und das mittlere
Bauteil sowie das matrizenseitige Bauteil weisen ein nicht-duktiles Material auf.
Ferner weisen das mittlere Bauteil und das matrizenseitige Bauteil jeweils ein Vorloch
auf, wobei das Vorloch des mittleren Bauteils mindestens so groß ist wie das Vorloch
des matrizenseitigen Bauteils und die Aussparung der Matrize größer als das Vorloch
des matrizenseitigen Bauteils ist. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte
gekennzeichnet:
- das mittlere Bauteil und das untere matrizenseitige Bauteil werden derart aneinandergelegt,
dass die Vorlöcher der Bauteile fluchtend zueinander angeordnet sind,
- der Setzstempel der Vorrichtung wird in Richtung der Aussparung des Amboss bewegt
und zieht dabei einen Bereich des stempelseitigen Bauteils durch die Vorlöcher des
mittleren Bauteils und des matrizenseitigen Bauteils in die Aussparung bis der mitgezogene
Bereich durch den Setzstempel an eine Anschlagfläche in der Aussparung der Matrize
gepresst wird und die der Matrize zugewandte Seite des matrizenseitigen Bauteils von
einem Teil des mitgezogenen Bereichs des stempelseitigen Bauteils aufgrund des Anpressens
an die eine Anschlagfläche hinterschnitten wird.
[0010] Das stempelseitige Bauteil, welches aus einem duktilen Material, wie beispielsweise
Stahl oder Aluminium ausgebildet ist, wird mittels des Setzstempels, der auch als
Fügestempel bezeichnet werden kann, durch die beiden Vorlöcher des mittleren Bauteils
und des matrizenseitigen Bauteils, welche beide aus einem nicht-duktilen Material,
insbesondere jeweils aus einem Faserverbundwerkstoff, ausgebildet sind, gedrückt.
Durch den Setzstempel und die Matrizenform ergibt sich bei dem Verfahren eine Hinterschneidung
beziehungsweise Verstemmung eines Teils des duktilen Materials des stempelseitigen
Bauteils hinter das matrizenseitige Bauteil und somit eine hohe Verbindungsfestigkeit.
Das mittlere Bauteil in der Zwischenlage zwischen dem stempelseitigen Bauteil und
dem matrizenseitigen Bauteil wird bei dem Verfahren zwischen die beiden äußeren Bauteile,
das heißt sandwichartig, geklemmt. In der Aussparung der Matrize ist eine Anschlagfläche
vorgesehen, gegen die das mitgezogene Material des duktilen Bauteils gepresst wird.
Die Anschlagfläche ist versetzt zu der Anlagefläche des Amboss angeordnet, an die
das matrizenseitige Bauteil während des Clinchvorgangs angelegt wird. Die Anschlagfläche
kann der Boden der Aussparung sein.
[0011] Das mittlere Bauteil und das matrizenseitige Bauteil weisen jeweils ein Vorloch auf.
Das Vorloch des mittleren Bauteils ist dabei mindestens so groß wie das Vorloch des
matrizenseitigen Bauteils und die Aussparung der Matrize ist größer als das Vorloch
des matrizenseitigen Bauteils. Dadurch, dass das Vorloch des mittleren Bauteils mindestens
so groß wie das Vorloch des matrizenseitigen Bauteils ist, ist gewährleistet, dass
der Setzstempel der Clinchvorrichtung sicher durch das Vorloch des mittleren Bauteils
geführt werden kann. Die Aussparung der Matrize ist größer als das Vorloch des matrizenseitigen
Bauteils damit der durch den Setzstempel hindurchgezogene Bereich des stempelseitigen
Bauteils das matrizenseitige Bauteil hinterfließen kann. Hierdurch wird neben dem
Kraftschluss auch ein Formschluss zwischen den Bauteilen erreicht, wobei das mittlere
Bauteil zwischen den beiden äußeren Bauteilen verklemmt wird.
[0012] Das Vorloch des mittleren Bauteils, das heißt des mittellagigen Fügepartners, kann
mit einer großen Toleranz gefertigt werden, da die Clinchvorrichtung, das heißt die
Setzstempel/Matrizenbewegung, das stempelseitige und das matrizenseitige Bauteil,
das heißt die ober- und unterlagigen Fügepartner, zueinander zieht.
[0013] Durch ein derartiges Clinchverfahren können ein duktiles Bauteil und zwei nichtduktile
Bauteile einfach miteinander verclincht werden. Insbesondere kann durch ein derartiges
Clinchverfahren ein duktiles Bauteil, beispielsweise ein Bauteil aus Stahl oder Aluminium,
mit zwei nicht-duktilen Bauteilen, insbesondere Bauteilen aus hochfestem Stahl oder
Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Faserverbundkunststoffen, wie kohlenstofffaserverstärktem
oder glasfaserverstärktem Kunststoff, miteinander verclincht werden. Das heißt, durch
ein derartiges Verfahren können drei Bauteile, von denen ein Bauteil aus einem duktilen
Material ausgebildet ist, welches stempelseitig angeordnet wird, und zwei weitere
Bauteile, die jeweils aus einem nicht-duktilen Material ausgebildet sind, einfach
miteinander verclincht werden, ohne dass die Bauteile aus den nicht-duktilen Materialien
beschädigt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind keine Fügehilfselemente,
wie Schrauben oder Nieten, erforderlich. Das Clinchverfahren stellt eine günstige
kalte Verbindungsart dar, um verschiedenste Materialkombinationen miteinander zu verbinden.
[0014] Die Anschlagfläche entspricht vorteilhafterweise der Größe und Form der Kontaktfläche
des Setzstempels, wobei die Kontaktfläche des Setzstempels die der Matrize zugewandte
Stirnseite des Setzstempels ist.
[0015] Bevorzugt sind die Aussparung des Amboss der Matrize und die Vorlöcher des mittleren
Bauteils und des matrizenseitigen Bauteils kreiszylinderförmig ausgebildet und der
Durchmesser des Vorlochs des mittleren Bauteils ist mindestens einen Millimeter größer
als der Durchmesser der Aussparung. Durch die kreiszylinderförmige Ausbildung der
zuvor genannten Elemente ist gewährleistet, dass das durch die Vorlöcher hindurchgezogene
Material des stempelseitigen Bauteils das matrizenseitige Bauteil gleichmäßig, insbesondere
umlaufend, hinterfließt. Hierdurch kann ein besonders sicherer Formschluss und damit
eine besondere gute Verbindungsfestigkeit zwischen dem stempelseitigen Bauteil und
dem matrizenseitigen Bauteil erreicht werden, wobei das mittlere Bauteil fest zwischen
den äußeren Bauteilen verklemmt wird.
[0016] Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren
vorgesehen sein, dass der mitgezogene Bereich des stempelseitigen Bauteils gegen eine
Anschlagfläche eines Matrizendoms, der in der Aussparung der Matrize angeordnet ist,
gepresst wird, wobei die Anschlagfläche dem Setzstempel zugewandt angeordnet ist.
Der Matrizendom erstreckt sich vorzugsweise von dem Boden der Aussparung in Richtung
des Setzstempels der Clinchvorrichtung. Die Anschlagfläche des Matrizendoms ist vorteilhafterweise
parallel zu den Bauteilen ausgerichtet.
[0017] Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem
Verfahren vorgesehen sein, dass der Matrizendom zwischen einer ersten Stellung und
einer zweiten Stellung beweglich gelagert ist, wobei der Matrizendom an seinem dem
Setzstempel zugewandten Ende die Anschlagfläche aufweist und wobei die Anschlagfläche
des Matrizendoms in der ersten Stellung des Matrizendoms aus der Aussparung herausragt
und in der zweiten Stellung des Matrizendom sich in der Aussparung befindet. Vorteilhafterweise
ist der bewegliche Matrizendom mit einer Kraft in Richtung des Setzstempels der Vorrichtung
vorspannbar, so dass sich der Matrizendom aufgrund der Kraft in der ersten Stellung
befindet, in der die Anschlagfläche des Matrizendoms aus der Aussparung der Matrize
herausragt. Bevorzugt ist der Matrizendom mit einem federelastischen Element, insbesondere
einer Feder, vorgespannt.
[0018] Dadurch, dass die Anschlagfläche des Matrizendoms beziehungsweise das dem Setzstempel
zugewandte Ende des Matrizendoms in der ersten Stellung aus der Aussparung des Amboss
herausragt, ist eine einfache Lochfindung der Vorlöcher des mittleren Bauteils und
des matrizenseitigen Bauteils gewährleistet. Das heißt, die Vorlöcher des mittleren
Bauteils und des matrizenseitigen Bauteils, die fluchtend zueinander ausgerichtet
werden, können einfach über die Anschlagfläche des Matrizendoms beziehungsweise das
aus der Aussparung des Amboss herausstehende Ende des Matrizendoms gestülpt werden.
Hierdurch ist gewährleistet, dass der richtige Clinchpunkt gefunden wird. Insbesondere
ist dadurch gewährleistet, dass der Setzstempel der Vorrichtung exakt durch die Vorlöcher
des mittleren Bauteils und des matrizenseitigen Bauteils hindurchgeführt werden kann,
wobei er einen Bereich des duktilen Materials des stempelseitigen Bauteils durch die
Vorlöcher in die Aussparung des Amboss mit hindurchzieht.
[0019] Bei einer derartigen Vorrichtung ist ermöglicht, dass der bewegliche Matrizendom
bei einer Krafteinleitung durch den Setzstempel der Vorrichtung nach unten bewegt
wird bis der Matrizendom die zweite Stellung erreicht. In der zweiten Stellung verharrt
der Matrizendom relativ zu dem Amboss und dient dadurch als Anschlag für das durch
die Vorlöcher des mittleren und des matrizenseitigen Bauteils hindurchgezogene duktile
Material des stempelseitigen Bauteils.
[0020] In der zweiten Stellung des beweglichen Matrizendoms ist die Anschlagfläche des Matrizendoms
in die Aussparung des Amboss eingeführt. Hierdurch ist gewährleistet, dass das duktile
Material hinter die dem Amboss zugewandten Seite des matrizenseitigen Bauteils fließen
kann, um so einen Kraft- und Formschluss zu bewirken. Das heißt, dadurch, dass das
duktile Material des stempelseitigen Bauteils während des Clinchvorgangs die dem stempelseitigen
Bauteil abgewandte Seite des matrizenseitigen Bauteils hinterschneidet, ist eine absolut
feste Verbindung zwischen den drei Bauteilen sichergestellt.
[0021] Das Fließen des duktilen Materials des stempelseitigen Bauteils hinter das matrizenseitige
Bauteil ist dadurch gewährleistet, dass der Matrizendom in der zweiten Stellung unbeweglich
zu dem Amboss ist. Durch die Krafteinleitung des Setzstempels wird das duktile Material
des stempelseitigen Bauteils gegen den feststehenden Matrizendom beziehungsweise gegen
die Anschlagfläche des feststehenden Matrizendoms gepresst, wenn dieser sich in der
zweiten Stellung befindet, so dass das duktile Material das stempelseitige Bauteil
hinterfließt.
[0022] Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren
vorgesehen sein, dass zum Ende des Clinchvorgangs ein Teil des durch die Vorlöcher
hindurchgezogenen Bereiches des stempelseitigen Bauteils in einen Ringkanal gepresst
wird, der zwischen dem dem Setzstempel zugewandten Ende des Matrizendoms und der Innenmantelfläche
der Aussparung des Amboss ausgebildet wird. Das duktile Material des stempelseitigen
Bauteils wird zum Ende des Clinchvorgangs durch den Setzstempel der Vorrichtung in
den Ringkanal hineingezogen beziehungsweise hineingepresst, so dass das duktile Material
des stempelseitigen Bauteils das matrizenseitige Bauteil durch Eintritt in den Ringkanal
hinterfließt. Dabei weist der Ringkanal einen größeren Durchmesser als das Vorloch
des matrizenseitigen Bauteils auf.
[0023] Der Setzstempel der Clinchvorrichtung wird vorteilhafterweise konzentrisch in die
Aussparung des Amboss einführbar. Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem der Matrizendom
konzentrisch zu der Längsachse der Aussparung angeordnet ist, dass der Matrizendom
und die Aussparung eine gleiche Querschnittform aufweisen und dass die Querschnittsfläche
der Aussparung größer als die Querschnittsfläche des Matrizendoms ist. Hierdurch ist
gewährleistet, dass sich ein gleichförmiger Ringkanal zwischen dem dem Setzstempel
zugeordneten Ende des Matrizendoms und der Innenmantelfläche der Aussparung bildet,
wenn der Matrizendom in die zweite Stellung bewegt wird. Hierdurch ist gewährleistet,
dass das duktile Material des stempelseitigen Bauteils zum Ende des Clinchvorgangs
das matrizenseitige Bauteil gleichmäßig hinterfließen kann. Insbesondere ist dadurch
ein besonders guter Halt der drei Bauteile aneinander sichergestellt. Das duktile
Material fließt umlaufend in den Ringkanal ein, so dass ein besonders guter Formschluss
zwischen den beiden Bauteilen sichergestellt wird.
[0024] Bevorzugt kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass die Anschlagfläche des Matrizendoms
eine geringere Querschnittsfläche als ein Hauptkörper des Matrizendoms aufweist. Insbesondere
ist das dem Setzstempel zugewandte Ende des Matrizendoms kegelstumpfförmig ausgebildet.
Hierdurch ist eine einfachere Lochfindung der Vorlöcher des mittleren und des matrizenseitigen
Bauteils gewährleistet. Dabei weist das Vorloch des matrizenseitigen Bauteils vorteilhafterweise
die gleiche Querschnittsfläche auf, wie das breite Ende des kegelstumpfförmig ausgebildeten
Endes des Matrizendoms. Hierdurch ist gewährleistet, dass während der Bewegung des
Setzstempels in Richtung der Aussparung, der Setzstempel entlang der Längsachse des
Matrizendoms bewegt wird, so dass dieser zentriert durch das Vorloch des matrizenseitigen
Bauteils hindurchgeführt werden kann.
[0025] Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren
vorgesehen sein, dass eine umlaufende Anphasung des Matrizendoms an das matrizenseitige
Bauteil angelegt wird. Vorzugsweise weist das dem Setzstempel zugewandte Ende des
Matrizendoms eine Anphasung, insbesondere eine umlaufende Anphasung, auf. Die Anphasung
des Matrizendoms bildet in der zweiten Stellung des Matrizendoms zusammen mit dem
dem Setzstempel zugewandten Ende des Matrizendoms und der Innenmantelfläche der Aussparung
den Ringkanal, in den das duktile Material des stempelseitigen Bauteils zum Ende des
Clinchvorgangs hineinfließt.
[0026] Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem
Verfahren vorgesehen sein, dass zum Verkleben des stempelseitigen Bauteils mit dem
mittleren Bauteil Klebstoff zwischen das stempelseitige und das mittlere Bauteil und/oder
dass zum Verkleben des mittleren Bauteils mit dem matrizenseitigen Bauteil Klebstoff
zwischen das mittlere und das matrizenseitige Bauteil vor der Bewegung des Setzstempels
eingebracht wird. Durch den Klebstoff kann die Verbindungsfestigkeit des Fügeverbundes
nochmals erhöht werden. Zusätzlich kann mit Klebstoff an der Fügestelle die Isolation
der Fügestelle erhöht werden und externe Medien, wie Wasser oder Luft, können sicher
ferngehalten werden. Bei Klebstoff ist das Vorloch im mittleren, nicht-duktilen Bauteil
etwas größer zu wählen, um dem Klebstoff Freiraum zur Verdrängung zu bieten, wenn
die Bauteile aneinandergelegt beziehungsweise gepresst werden. Der Freiraum kann,
muss aber nicht, komplett mit Klebstoff ausgefüllt werden. Durch Verwendung von Klebstoff
zwischen den Bauteilen kann die Endverbindungsfestigkeit nochmals erhöht werden. Durch
den Klebstoff erfolgt zusätzlich eine Isolierung beziehungsweise Abdichtung der Bauteile
zueinander. Die Verbindungsfestigkeit der Bauteile aneinander steigt nach dem Aushärten
des Klebstoffs.
[0027] Das stempelseitige Bauteil und damit der Bauteilverbund können während des Verfahrens,
das heißt des Clinchvorgangs, durch einen Niederhalter gegen die Matrize gedrückt
werden. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Bauteile fest aneinandergefügt werden.
[0028] Das Material des stempelseitigen Bauteils ist vorzugsweise Stahl oder Aluminium und
das Material des mittleren Bauteils und des matrizenseitigen Bauteils ist vorzugsweise
WU-Stahl oder ein Faserverbundwerkstoff, insbesondere ein Faserverbundkunststoff,
wie kohlstofffaserverstärkter oder glasfaserverstärkter Kunststoff.
[0029] Durch ein derartiges Verfahren zum Clinchen eines duktilen Bauteils mit zwei nicht-duktilen
Bauteilen kann auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise ein fester Bauteilverbund
dieser drei Bauteile geschaffen werden und eine Beschädigung beziehungsweise eine
Zerstörung des Fügeverbundes, insbesondere der nicht-duktilen Bauteile, vermieden
werden. Insbesondere stellt ein derartiges Verfahren ein kostengünstiges Clinchverfahren
eines duktilen Bauteils und zweier nicht-duktilen Bauteile dar, da keine Fügehilfselemente
zur Befestigung der drei Bauteile aneinander erforderlich sind. Zur Durchführung des
Verfahrens sind nur geringe Energiekosten erforderlich. Insbesondere ist nur elektrische
Energie zum Antrieb einer elektrischen Vorrichtung, insbesondere des Setzstempels
der Vorrichtung, erforderlich. Das Clinchverfahren erfordert kein Kühlwasser zum Kühlen
während des Clinchvorgangs. Das Verfahren gewährleistet, dass keine beziehungsweise
allenfalls eine geringe Verstemmung im mittleren und im matrizenseitigen Bauteil auftritt,
so dass Spannungen und Risse im mittleren und im matrizenseitigen Bauteil sicher vermeiden
werden. Durch das Verfahren ist eine höhere Verbindungsfestigkeit der verclinchten
Bauteile gegeben, als dies bei einem Standard-Clinchpunkt bei rein duktilen Bauteilen
ermöglicht wäre. Das Verfahren gewährleistet, dass ein ausreichender Hinterschnitt
des matrizenseitigen Bauteils durch das duktile Material des stempelseitigen Bauteils
erzeugt werden kann, so dass eine hohe Zugfestigkeit des Fügeverbundes gewährleistet
ist.
[0030] Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen jeweils schamtisch:
- Figur 1
- in einer Explosionsdarstellung ein stempelseitiges duktiles Bauteil sowie ein mittleres
nicht-duktiles Bauteil und ein matrizenseitiges nicht-duktiles Bauteil, welche durch
eine Vorrichtung zum Clinchen miteinander verclincht sind,
- Figur 2
- in einer Schnittdarstellung ein stempelseitiges duktiles Bauteil sowie ein mittleres
nicht-duktiles Bauteil und ein matrizenseitiges nicht-duktiles Bauteil, welche durch
eine Vorrichtung zum Clinchen miteinander verclincht worden sind,
- Figur 3
- in einer Schnittdarstellung eine Matrize einer Vorrichtung zum Clinchen, wobei der
Matrizendom der Vorrichtung sich in der ersten Stellung befindet,
- Figur 4
- in einer Schnittdarstellung die Matrize gemäß Fig. 3, wobei der Matrizendom der Vorrichtung
sich in der zweiten Stellung befindet, und
- Figur 5
- in einer Schnittdarstellung die drei Bauteile gemäß Fig. 1 zum Ende des Clinchvorgangs.
[0031] Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Fig. 1 bis 5 jeweils
mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0032] In Fig. 1 sind in einer Explosionsdarstellung ein stempelseitiges Bauteil 20, welches
aus einem duktilen Material, beispielsweise aus Stahl oder Aluminium, ausgebildet
ist, sowie ein mittleres Bauteil 30 und ein matrizenseitiges Bauteil 40, welche jeweils
aus einem nicht-duktilen Material, beispielsweise aus WU-Stahl, wie beispielsweise
HC1000W, oder einem Faserverbundwerkstoff, wie Faserverbundkunststoff, insbesondere
kohlstofffaserverstärktem oder glasfaser-verstärktem Kunststoff, ausgebildet sind,
dargestellt. Ferner ist eine Vorrichtung 1 zum Clinchen der drei Bauteile 20, 30,
40 dargestellt. Die Vorrichtung 1 zum Clinchen weist eine Matrize 2 auf, die einen
Amboss 3 zum Anlegen des matrizenseitigen Bauteils 40 sowie eine Aussparung 4 zum
Aufnehmen eines Setzstempels 15 der Vorrichtung 1 zum Clinchen aufweist. Der Amboss
2, die Aussparung 4 sowie der Setzstempel 15 sind vorzugsweise kreiszylinderförmig
ausgebildet, wobei der Setzstempel 15 koaxial zur Längsachse 7 der Aussparung 4 bewegt
werden kann. Die Vorrichtung 1 zum Clinchen weist ferner einen oder zwei Niederhalter
16 auf, die während des Clinchvorgangs das stempelseitige Bauteil 20 gegen die anderen
Bauteile 30, 40 drückt. Damit zum Abschluss des Clinchvorgangs eine besonders hohe
Verbindungsfestigkeit zwischen den drei Bauteilen 20, 30, 40 erreicht werden kann,
wird vor Beginn des Clinchvorgangs zwischen dem stempelseitigen Bauteil 20 und dem
mittleren Bauteile 30 sowie zwischen dem mittleren Bauteil 30 und dem matrizenseitigen
Bauteil 40 jeweils Klebstoff 17 aufgebracht. Ein Bereich 22 des stempelseitigen Bauteils
20 wird während des Clinchvorgangs von dem Setzstempel 15 mitgezogen und durch die
Vorlöcher 31, 41 des mittleren Bauteils 30 und des matrizenseitigen Bauteils 40 bis
in die Aussparung 4 des Amboss 3 der Matrize 2 hindurchgeführt. Der mitgezogene Bereich
22 wird zum Abschluss des Clinchvorgangs von dem Setzstempel 15 gegen die Anschlagfläche
6 der Matrize 2 gedrückt, so dass ein Teil 23 des Bereichs 22 des duktilen Materials
des stempelseitigen Bauteils 20 nach außen fließt und die der Matrize 2 zugewandte
Seite des matrizenseitigen Bauteils 40 hinterschneidet. Hierdurch sind die drei Bauteile
20, 30, 40 nach Abschluss des Clinchvorgangs kraft- und formschlüssig miteinander
verclincht, wobei das mittlere Bauteil 30 zwischen den beiden äußeren Bauteilen 20,
40 verklemmt ist.
[0033] In Fig. 2 sind schematisch in einer Schnittdarstellung ein stempelseitiges duktiles
Bauteil 20 und sowie ein mittleres nicht-duktiles Bauteil 30 und ein matrizenseitiges
nicht-duktiles Bauteil 40, die durch das erfindungsgemäße Verfahren miteinander verclincht
worden sind, dargestellt. Das stempelseitige Bauteil 20, welches aus einem duktilen
Material, insbesondere aus Stahl oder Aluminium, ausgebildet ist, liegt fest verbunden
an dem mittleren Bauteil 30, welches aus einem nicht-duktilen Material, insbesondere
aus hochfestem Stahl, wie beispielsweise HC1000W, oder einem Faserverbundwerkstoff,
wie Faserverbundkunststoff, insbesondere kohlstofffaserverstärktem oder glasfaserverstärktem
Kunststoff, ausgebildet ist, an. Das mittlere Bauteil 30 liegt wiederum an dem matrizenseitigen
Bauteil 30, welches ebenfalls aus einem nicht-duktilen Material, insbesondere aus
WU-Stahl, wie beispielsweise HC1000W, oder einem Faserverbundwerkstoff, wie Faserverbundkunststoff,
insbesondere kohlstofffaserverstärktem oder glasfaserverstärktem Kunststoff, ausgebildet
ist, an. Durch die nicht dargestellte Clinchvorrichtung 1 sind die drei Bauteile 20,
30, 40 miteinander verclincht worden. Dabei ist ein Fügeverbund beziehungsweise Bauteilverbund
entstanden. Die drei Bauteile 20, 30, 40 sind kraft- und formschlüssig miteinander
verbunden. Ein Bereich 22 des stempelseitigen Bauteils 20 ist durch die fluchtend
zueinander angeordneten Vorlöcher 31, 41 des mittleren 30 und des matrizenseitigen
Bauteils 40 hindurchgezogen worden und hintergreift die dem stempelseitigen Bauteil
20 abgewandte Seite des matrizenseitigen Bauteils 40. Hierdurch sind das mittlere
Bauteil 30 und das matrizenseitige Bauteil 40 an dem stempelseitigen Bauteil 20 verklemmt.
Ist zwischen den Bauteilen 20, 30, 40 zusätzlich Klebstoff 17 angeordnet, ist die
Verbindungsfestigkeit zwischen den Bauteilen 20, 30, 40 nochmals erhöht.
[0034] Fig. 3 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Matrize 2 einer Vorrichtung 1 zum Clinchen,
die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung 1
zum Clinchen weist einen beweglich geführten Matrizendom 5 auf, der sich in der ersten
Stellung A befindet. Fig. 4 zeigt in einer Schnittdarstellung die Matrize 2 gemäß
Fig. 3, wobei der Matrizendom 5 der Vorrichtung 1 sich in der zweiten Stellung B befindet.
Matrizendom 5 ist in der Aussparung 4 des Amboss 3 beweglich gelagert. Dadurch, dass
der Matrizendom 5 beziehungsweise ein dem Setzstempel 15 zugewandtes Ende 9 des Matrizendoms
5 in der ersten Stellung A aus der Aussparung 4 herausragt, können die Vorlöcher 31,
41 der nicht-duktilen Bauteile 30, 40 leicht auf den Matrizendom 5 gestülpt werden.
Eine derartige Vorrichtung 1 zum Clinchen erleichtert dadurch die Lochfindung der
Bauteile 30, 40 und stellt dadurch sicher, dass der Setzstempel 15 der Clinchvorrichtung
1 sicher durch die Vorlöcher 31, 41 der nicht-duktilen Bauteile 30, 40 geführt werden
kann. Eine Beschädigung der nicht-duktilen Bauteile 30, 40 aufgrund einer an einer
falschen Stelle angelegten Clinchvorrichtung 1 kann dadurch ausgeschlossen werden.
[0035] Eine mögliche Vorrichtung 1 zum Clinchen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eingesetzt wird, weist eine Matrize 2 und einen Setzstempel 15, der in
den Fig. 3 und 4 nicht dargestellt ist, auf. Die Matrize 2 weist einen Amboss 3 mit
einer Aussparung 4 auf, in die der nicht dargestellte Setzstempel 15 eingeführt werden
kann. Ferner weist die Matrize 2 einen in der Aussparung 4 zwischen einer ersten Stellung
A, siehe Fig. 3, und einer zweiten Stellung B, siehe Fig. 4, beweglichen Matrizendom
5 auf. Der Matrizendom 5 weist an seinem dem nicht dargestellten Setzstempel 15 zugewandten
Ende 9 eine Anschlagfläche 6 auf, die in der ersten Stellung A des Matrizendoms 5
aus der Aussparung 4 herausragt und in der zweiten Stellung B des Matrizendoms 5 sich
in der Aussparung 4 befindet. In der zweiten Stellung B des Matrizendoms 5 ist dieser
unbeweglich zu dem Amboss 3 angeordnet. Das heißt, in der zweiten Stellung B des Matrizendoms
5 dient die Anschlagfläche 6 des Matrizendoms 5 als Amboss für den nicht dargestellten
Setzstempel 15 der Vorrichtung 1 zum Clinchen.
[0036] Der Matrizendom 5 ist konzentrisch zu der Längsachse 7 der Aussparung 4 beweglich
angeordnet. Der Matrizendom 5 und die Aussparung 4 weisen eine gleiche Querschnittsform
auf, wobei die Querschnittsfläche der Aussparung 4 etwas größer als die Querschnittsfläche
des Matrizendoms ist, so dass der Matrizendom 5 in der Aussparung 4 linear geführt
werden kann. Vorteilhafterweise ist ein Vorspannelement, insbesondere ein federelastisches
Element, derart vorgesehen, dass eine Kraft auf den Matrizendom 5 ausgeübt wird, die
den Matrizendom 5 in Richtung der ersten Stellung A drückt.
[0037] Vorteilhafterweise sind die Aussparung 4, der nicht dargestellte Setzstempel 15 und
der Matrizendom 5 kreiszylinderförmig ausgebildet.
[0038] Das dem Setzstempel 15 zugewandte Ende 9 des Matrizendoms 5 ist kegelstumpfförmig
ausgebildet. Das kegelstumpfförmig ausgebildete Ende 9 des Matrizendoms 5 grenzt an
den Grundkörper 8 des Matrizendoms 5 an. Durch die kegelstumpfförmige Ausbildung des
Endes 9 des Matrizendoms 5 weist die Anschlagfläche 6 des Matrizendoms 5 eine geringere
Querschnittsfläche als der Hauptkörper 8 des Matrizendoms 5 auf. Im Übergang zwischen
dem Grundkörper 8 und dem kegelstumpfförmig ausgebildeten Ende 9 ist zusätzlich eine
Anphasung 10 vorgesehen. Das heißt, die dem Grundkörper 8 zugewandte Seite des kegelstumpfförmig
ausgebildeten Endes 9 des Matrizendoms 5 weist einen geringeren Durchmesser als der
Grundkörper 8 auf. Durch die Anphasung 10 ist zumindest in der zweiten Stellung B
des Matrizendoms 5 ein Ringkanal 11 zwischen dem kegelstumpfförmig ausgebildeten Ende
9 des Matrizendoms 5 und der Innenmantelfläche der Aussparung 4 ausgebildet. Je nach
Größe des Lochs 41 des matrizenseitigen Bauteils 40 kann vorgesehen sein, dass die
Anphasung 10 in der ersten Stellung A des Matrizendoms 5 in einer Ebene mit der Anlagefläche
des Amboss 3 liegt, an dem das matrizenseitige Bauteil 40 angelegt wird.
[0039] Fig. 5 zeigt schematisch in einer Schnittdarstellung eine Vorrichtung 1 zum Clinchen
eines duktilen Bauteils 20 mit zwei nicht-duktilen Bauteilen 30, 40 zum Ende eines
Clinchvorgangs. Bei der Durchführung des Clinchverfahrens zieht der Setzstempel 15
der Vorrichtung 1 bei seiner Einführung in die Vorlöcher 31, 41 des mittleren Bauteils
30 und des matrizenseitigen Bauteils 40 einen Bereich 22 des stempelseitigen Bauteils
20 durch die Vorlöcher 31, 41, ohne dass das duktile Material des stempelseitigen
Bauteils 20 reißt. Sobald der Matrizendom 5 die zweite Stellung B erreicht, wie in
Fig. 5 dargestellt, drückt der Setzstempel 15 das Material des mitgezogenen Bereichs
22 gegen die Anschlagfläche 6 des Matrizendoms 5, so dass ein Teil 23 des mitgezogenen
Bereichs 22 des Materials des stempelseitigen Bauteils 20 die Rückseite des matrizenseitigen
Bauteils 40, also die dem stempelseitigen Bauteil 20 abgewandte Seite des matrizenseitigen
Bauteils 40, hinterschneidet und so eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen
den drei Bauteilen 20, 30, 40 herstellt.
[0040] Dadurch, dass das dem Setzstempel 15 zugewandte, insbesondere kegelstumpfförmige,
Ende 9 des Matrizendoms 5 in der ersten Stellung A aus der Aussparung 4 der Matrize
2 herausragt, ist sichergestellt, dass zu Beginn des Clinchverfahrens die Clinchvorrichtung
1 an der richtigen Stelle angesetzt wird. Das dem Setzstempel 15 zugewandte Ende 9
des Matrizendoms 5 wird in die Vorlöcher 31, 41 des mittleren 30 und des matrizenseitigen
Bauteils 40 eingeführt, so dass der Setzstempel 15 der Clinchvorrichtung 1 automatisch
richtig zu den Vorlöchern 31, 41 angeordnet ist. Insbesondere durch die kegelstumpfförmige
Ausbildung des Endes 9 des Matrizendoms 5 ist gewährleistet, dass der Setzstempel
15 koaxial beziehungsweise annähernd koaxial zu der Längsachse der Vorlöcher 31, 41
durch diese hindurchgeführt wird während der Durchführung des Clinchverfahrens. Hierdurch
kann eine Beschädigung der nicht-duktilen Bauteile 30, 40 einfach verhindert werden.
[0041] Ist der Matrizendom 5 durch den Setzstempel 15 in die zweite Stellung B gedrückt
worden, bildet sich ein Ringkanal 11 zwischen dem kegelstumpfförmigen Ende 9 des Matrizendoms
5, der Anphasung 10 und der Innenmantelfläche der Aussparung 4. Der Setzstempel 15
presst den mitgezogenen Bereich 22 des duktilen Materials gegen die Anschlagfläche
6 des Matrizendoms 5, so dass ein Teil 23 des Bereiches 22 in den Ringkanal 11 hineinfließt,
um so eine feste Verbindung des mittleren Bauteils 30 und des matrizenseitigen Bauteils
40 an dem stempelseitigen duktilen Bauteil 20 sicherzustellen. Die Aussparung 4 beziehungsweise
der Ringkanal 11 weisen einen größeren Durchmesser auf als das Vorloch 41 des matrizenseitigen
Bauteils 40. Hierdurch hintergreift beziehungsweise hinterschneidet das durch den
Setzstempel 15 in die Aussparung 4 hineingezogene Material des stempelseitigen Bauteils
20 das matrizenseitige Bauteil 40 und stellt dadurch eine feste kraft- und formschlüssige
Verbindung zwischen den drei Bauteilen 20, 30, 40 her.
Bezugszeichenliste
1 |
Vorrichtung zum Clinchen |
2 |
Matrize |
3 |
Amboss |
4 |
Aussparung |
5 |
(beweglicher) Matrizendom |
6 |
Anschlagfläche |
7 |
Längsachse der Aussparung |
8 |
Hauptkörper |
9 |
das dem Setzstempel zugewandte Ende des Matrizendoms |
10 |
Anphasung |
11 |
Ringkanal |
|
|
15 |
Setzstempel |
16 |
Niederhalter |
17 |
Klebstoff |
19 |
Bewegrichtung des Setzstempels |
|
|
20 |
stempelseitiges duktiles Bauteil |
22 |
Bereich des stempelseitigen Bauteils |
23 |
Teil des Bereich des stempelseitigen Bauteils |
|
|
30 |
mittleres nicht-duktiles Bauteil |
31 |
Vorloch im mittleren Bauteil |
|
|
40 |
matrizenseitiges nicht-duktiles Bauteil |
41 |
Vorloch im matrizenseitigen Bauteil |
|
|
A |
erste Stellung des beweglichen Matrizendoms |
B |
zweite Stellung des beweglichen Matrizendoms |
1. Verfahren zum Clinchen von drei Bauteilen (20, 30, 40) mittels einer Clinchvorrichtung
(1), aufweisend einen Setzstempel (15) und eine Matrize (2), die einen Amboss (3)
mit einer Aussparung (4), in die der Setzstempel (15) eingeführt werden kann, aufweist,
wobei das stempelseitige Bauteil (20) ein duktiles Material und das mittlere (30)
sowie das matrizenseitige Bauteil (40) ein nicht-duktiles Material aufweisen, wobei
das mittlere Bauteil (30) und das matrizenseitige Bauteil (40) jeweils ein Vorloch
(31, 41) aufweisen, wobei das Vorloch (31) des mittleren Bauteils (30) mindestens
so groß wie das Vorloch (41) des matrizenseitigen Bauteils (40) ist und die Aussparung
(4) der Matrize (2) größer als das Vorloch (41) des matrizenseitigen Bauteils (40)
ist, wobei das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
- das mittlere Bauteil (30) und das untere matrizenseitige Bauteil (40) werden derart
aneinandergelegt, dass die Vorlöcher (31, 41) der Bauteile (30, 40) fluchtend zueinander
angeordnet sind,
- der Setzstempel (15) der Vorrichtung (1) wird in Richtung (19) der Aussparung (4)
des Amboss (3) bewegt und zieht einen Bereich (22) des stempelseitigen Bauteils (20)
durch die Vorlöcher (31, 41) des mittleren Bauteils (30) und des matrizenseitigen
Bauteils (40) in die Aussparung (4) bis der mitgezogene Bereich (22) durch den Setzstempel
(15) an eine Anschlagfläche (6) in der Aussparung (4) der Matrize (2) gepresst wird
und die der Matrize (2) zugewandte Seite des matrizenseitigen Bauteils (40) vom einem
Teil (23) des mitgezogenen Bereichs (22) des stempelseitigen Bauteils (20) aufgrund
des Anpressens an die eine Anschlagfläche (4) hinterschnitten wird.
2. Verfahren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (4) des Amboss (3) und die Vorlöcher (31, 41) kreiszylinderförmig
ausgebildet sind und dass der Durchmesser des Vorlochs (31) des mittleren Bauteils
(30) mindestens einen Millimeter größer als der Durchmesser der Aussparung (4) ist.
3. Verfahren (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mitgezogene Bereich (22) des stempelseitigen Bauteils (20) gegen eine Anschlagfläche
(6) eines Matrizendoms (5), der in der Aussparung (4) der Matrize (2) angeordnet ist,
gepresst wird, wobei die Anschlagfläche dem Setzstempel (15) zugewandt angeordnet
ist.
4. Verfahren (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrizendom (5) zwischen einer ersten Stellung (A) und einer zweiten Stellung
(B) beweglich gelagert ist, wobei der Matrizendom (5) an seinem dem Setzstempel (15)
zugewandten Ende die Anschlagfläche (6) aufweist und wobei die Anschlagfläche (6)
des Matrizendoms (5) in der ersten Stellung (A) des Matrizendoms (5) aus der Aussparung
(4) herausragt und in der zweiten Stellung (B) des Matrizendom (5) sich in der Aussparung
(4) befindet.
5. Verfahren (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrizendom (5) konzentrisch zu der Längsachse (7) der Aussparung (4) angeordnet
ist, dass der Matrizendom (5) und die Aussparung (4) eine gleiche Querschnittform
aufweisen und dass die Querschnittsfläche der Aussparung (4) größer als die Querschnittsfläche
des Matrizendoms (5) ist.
6. Verfahren (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagfläche (6) des Matrizendoms (5) eine geringere Querschnittsfläche als
ein Hauptkörper (8) des Matrizendoms (5) aufweist.
7. Verfahren (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verkleben des stempelseitigen Bauteils (20) mit dem mittleren Bauteil (30) Klebstoff
zwischen das stempelseitige und das mittlere Bauteil (20, 30) und/oder dass zum Verkleben
des mittleren Bauteils (30) mit dem matrizenseitigen Bauteil (40) Klebstoff zwischen
das mittlere und das matrizenseitige Bauteil (30, 40) vor der Bewegung des Setzstempels
(15) eingebracht wird.
8. Verfahren (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des stempelseitigen Bauteils (20) Stahl oder Aluminium ist und dass
das Material des mittleren Bauteils (30) und des matrizenseitigen Bauteils (40) hochfester
Stahl oder ein Faserverbundwerkstoff, insbesondere ein Faserverbundkunststoff, ist.