Verfahren zum lokalen Umformen von sprödem Material

Abstract

 Verfahren zum lokalen Umformen von zu Sprödbruch neigendem Material, wie bestimmte Aluminiumlegierungen, bei dem während des Umformens Zugbelastungen auf das Material ausgeübt werden, wie etwa beim Durchsetzfügen. Sprödbruch wird vermieden, wenn das Material im umzuformenden Bereich einer Druckbelastung unterworfen wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum lokalen Umformen von sprödem Material und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung.

[0002] Die Erfindung bezieht sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf das Verbinden von Blechen mittels Durchsetzfügetechniken. Solche Verfahren sind vielfältig bekannt. Beispielsweise sei verwiesen auf die Druckschriften EP-A-215 449, US-A-4,757,609 und US-A-5,046,228. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß Bleche flächig aufeinandergelegt werden und lokal Material beider Bleche nach einer Seite durchgesetzt wird, wobei dafür gesorgt wird, daß das Material der Bleche im durchgesetzten Butzen eine kraft- und formschlüssige Verklammerung erfährt.

[0003] Diese Technik hat sich als wirtschaftliches Fertigungsverfahren in vielen Bereichen durchgesetzt, etwa im Fahrzeugbau, in der Klimatechnik, im Maschinenbau dann, wenn es um Massenfertigung geht.

[0004] Solche Fügeverfahren lassen sich bei vielen Metallen und Kunststoffen einsetzen. Bisher war ews aber nicht möglich, spröde Materialien, wie etwa bestimmte Aluminiumlegierungen, mit solchen Techniken zu fügen, da deren Dehnbarkeit nicht ausreichend ist; ganz generell gilt, daß solche spröden Materialien nur in engem Rahmen spanlos umformbar sind.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das größere Formänderungen spröder Materialien als bisher möglich erlaubt. Speziell soll das Durchsetzfügen von Blechen aus spröden Aluminiumlegierungen ermöglicht werden.

[0006] Die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 1; die von ihm abhängenden Ansprüche definieren bevorzugte Anwendungen des Verfahrens und Vorrichtungen zu seiner Durchführung.

[0007] Es ist bisher nicht bekannt, welche Phänomene der empirisch festgestellten Tatsache zugrundeliegen, daß bei der Umformung unter zusätzlicher Druckbelastung keine Sprödbrüche auftreten, während eine gleichgroße Umformung ohne solche Druckbelastung zum Sprödbruch führt. Die Druckbelastung hat ja innerhalb des elastischen Bereichs des Spannungs-Dehnungs-Diagramms zu bleiben und wird beim Umformen, bei dem ja notwendigerweise der gesamte elastische Bereich durchlaufen werden muß, bevor eine plastische Verformung eintritt, kompensiert. Hier werden noch nähere Untersuchungen Aufschluß geben müssen.

[0008] Bekannte Durchsetzfügewerkzeuge der eingangs genannten Bauarten umfassen generell eine Matrize, die einen Hohlraum begrenzt, in den hinein das Blechmaterial mittels eines Stempels verformt wird; der Stempelarbeitsfläche gegenüber ist ein Amboß angeordnet, der den Matrizenboden bildet. Bei einer sehr einfachen Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Blechmaterial dadurch unter Druckbelastung gesetzt, daß der Amboß einer entsprechenden Federvorspannung in Richtung entgegen dem Arbeitshub des Stempels ausgesetzt wird. Dabei ist anzumerken, daß Durchsetzfügewerkzeuge bekannt sind, bei denen der Amboß in gleicher Richtung federvorgespannt ist. So offenbart US-A-3,771,216 eine solche Anordnung, wobei die Kombination Amboß-Feder als Auswerfer dient, der die Fügestelle aus der Matrize lösen soll. US-A-4,584,753 offenbart eine Matrize, bei der der Amboß im Ruhezustand federvorgespannt über den Matrizenrand hinausragt; hier dient der auskragende Amboßstummel als Zentrierorgan, der ein vorgelochtes Blech bezüglich der Matrize und bezüglich des Stempels positionieren soll. In beiden Fällen ist jedoch die von der Feder erzeugte Kraft um Größenordnungen geringer als die erfindungsgemäß aufzubringenden Kräfte.

[0009] Ein einfaches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der beigefügten Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 die Position der Komponenten (der Einfachheit halber mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet) zu Beginn des Fügevorgangs, Fig. 2 am Ende des Fügevorgangs jeweils im Axialschnitt.

[0010] In einer Matrize 10 sitzt gleitbeweglich ein Amboß 12, geführt in einer Matrizenbohrung 14. Der obere Abschnitt der Bohrung begrenzt den Hohlraum 16, in den hinein das Material verformt wird (vgl. Fig. 2). Eine Schulter 18 dient als oberer Anschlag für einen an den Amboß angeformten Bund 20. In den anschließenden unteren Teil der Matrizenbohrung mit größerem Durchmesser ist Gewinde 22 geschnitten und ein unterer Anschlag 24 eingeschraubt. Zwischen ihm und dem Bund 20 des Ambosses ist eine kräftige Feder, hier eine Durckschraubenfeder 26, eingespannt, die den Amboß in seine obere, in Fig. 1 dargestellte Endlage vorspannt. Man erkennt, daß der Amboß vor dem Fügen über die stirnseitige Arbeitsfläche 28 der Matrize hinausragt und ringsum abgefast ist.

[0011] Der Stempel 30, angetrieben beispielsweise von einem Hydraulikaggregat, spannt die zu fügenden Bleche 32, 34 zunächst zwischen seiner Arbeitsfläche und dem Amboß ein, wodurch das Blechmaterial einer Druckbelastung unterworfen wird entsprechend der Vorspannung durch die Feder 26. Während des Fügens erhöht sich diese Druckbelastung zunächst, bis der Amboß in die Matrizenbohrung zurückgedrückt wird, wobei überraschenderweise kein Materialbruch erfolgt. 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. Man erkennt, daß hier die Druckbelastung nicht nur vor, sondern auch während des Durchsetzens wirksam ist.

[0012] Die Matrize kann zwecks erleichterter Entnahme aufklappbar sein und im Bereich des Hohlraums hinterschnitten sein, was alles bei Fügewerkzeugen bereits bekannt ist, aber auch hier mit Vorteil anwendbar wäre.

Ansprüche

1. Verfahren zum lokalen Umformen von sprödem Material, bei dem der umzuformende Bereich Zugbelastungen unterworfen wird, und bei dem dieser umzuformende Bereich vor der eigentlichen Umformung druckbelastet wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf das Umformen von spröden Aluminiumlegierungen.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf das Durchsetzfügen von Blechen.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 3, bei dem die zu fügenden Bleche einer Druckbelastung in Richtung senkrecht zu ihrer Oberfläche unterworfen werden.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 4, umfassend:

- eine Matrize, die einen Hohlraum begrenzt, in den hinein durchgesetzt wird,

- einen mit dem Hohlraum ausgefluchteten Stempel, der relativ zur Matrize kraftbetrieben hinundherbeweglich ist,

- einen den Matrizenhohlraum durchsetzenden Amboß, der relativ zur Matrize zwischen einer oberen Endstellung, in der seine Arbeitsfläche bündig ist mit der Arbeitsfläche der Matrize oder über diese hinausragt, und einer unteren Endstellung, in der die Amboßarbeitsfläche den Matrizenhohlraum nach unten begrenzt, hinundherverschieblich ist, und

- eine Federanordnung, die den Amboß in seine obere Endstellung mit einer Kraft entsprechend der beim Durchsetzen erforderlichen Druckbelastung vorspannt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Matrize Anschläge für die Festlegung der beiden Amboßendstellungen aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der der Arbeitsquerschnitt des Stempels kleiner ist als der Eintrittsquerschnitt des Matrizenhohlraums.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der der Amboß an seinem dem Stempel zugekehrten freien Ende abgefast ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der der Stempel, der Amboß und der Matrizenhohlraum jeweils kreisrunden Querschnitt aufweisen.

Zeichnung