[0001] Die Erfindung betrifft ein Durchsetzfügeverfahren, bei dem zwei flächig aufeinanderliegende
Bleche durch Einschneiden, Durchdrücken von Blechmaterial und Fließverpressen des
durchgedrückten Materials hinter den Einschnitten miteinander verbunden werden. Zu
dem Begriff "Durchsetzfügen" ist auf DIN 8593, Teil 5, Abschnitt 4.5.2.11. zu verweisen.
[0002] Ein Verfahren gemäß dem Obergriff des Anspruchs 1 ist aus der GB-A-2 104 430 bekannt.
[0003] Eine Durchsetzfügevorrichtung zum Verbinden flächig aufeinanderliegender Bleche,
umfassend eine Matrize mit einem mittleren Amboßteil und mit über eine Amboßarbeitsfläche
vorstehenden, auswärts bezüglich des Amboß' federnd angeordneten und mit Schneiden
an ihrem freien Ende versehenen Stützteilen, sowie einen Stempel, der relativ zu der
Matrize durch die Bleche hindurch auf die Amboßarbeitsfläche zu bewegbar ist, ist
in der EP-B-0 077 932 offenbart; mit ihr beispielsweise läßt sich die Fügeverbindung
gemäß dem erwähnten DIN-Blatt herstellen.
[0004] Bei der bekannten Vorrichtung weist der Stempel oder weisen die Stempel für jede
Matrizenschneide eine Gegenschneide auf, im bevorzugten Falle je zwei parallele Schneiden
und Gegenschneiden. Der Stempel durchschneidet beide Bleche längs kongruenten Linien,
und das auf der Matrizenseite durchgedrückte Material wird breitgequetscht. - Diese
bekannte Vorrichtung hat den Vorzug sehr geringer Abmessungen relativ zu der Dicke
der zu verbindenden Bleche, und sowohl der Stempel als auch die Matrize sind sehr
einfach zu fertigen.
[0005] Obwohl die Festigkeit des mit der bekannten Vorrichtung erzeugten "Fügepunkts", wie
die Praxis gezeigt hat, in den meisten Fällen bei weitem ausreicht, bestand gleichwohl
das Bedürfnis, die Festigkeit der Verbindung zu vergrößern, und es ist die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Durchsetzfügeverfahren zu schaffen, bei dem die Fügefestigkeit
gegenüber den mit den bekannten Vorrichtungen erzielbaren Werten erhöht ist.
[0006] Diese Aufgabe ist durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
[0007] Bei Vergleichsmessungen hat sich in höchst überraschender Weise gezeigt, daß die
Festigkeit eines erfindungsgemäß erzeugten Fügepunkts diejenige von Fügepunkten, die
mit dem bekannten Verfahren unter sonst gleichen Bedingungen gefertigt wurden, um
mindestens 50 % und bis zu 75 % übersteigt; dabei wurde die Fügeverbindung Scherbelastungen
parallel zur Blechoberfläche sowie Zugbelastungen senkrecht zu dieser unterworfen.
[0008] Bei Anwendung der Erfindung ergibtisich der weitere Vorteil, daß das nicht-eingeschnittene
Blech an der Fügestelle fluiddicht bleibt und auch Beschichtungen wie Verzinkung oder
Plattierung nicht durchschnitten werden so daß im allgemeinen ein gewöhnlich gewünschter
Korrosionsschutz erhalten bleibt.
[0009] Die Art der Fügeverbindung, die man gemäß der Erfindung erhält, ist im Stand der
Technik an sich bekannt, wird jedoch in anderer Weise hergestellt:
[0010] Eine Gruppe von Druckschriften beschreibt Verfahren bzw. Vorrichtungen, bei denen
mittels eines ersten Pressenhubes das eine Blech eingeschnitten und Material des andern
Blechs durchgedrückt wird, danach die halbfertige Fügeverbindung aus der Matrize herausgedrückt
und mittels eines zweiten Pressenhubes fertiggestellt wird, hier ist auf die US-A-1
446 095 zu verweisen sowie auf die GB-A-2 104 430 wobei die letztgenannte auch offenbart,
daß das eine Blech nur eingeschnitten, nicht jedoch gelocht wird.
[0011] Fügeverfahren, bei denen der Fügepunkt dicht bleibt, sind aus der DE-A-3 106 313
bekannt. Gemäß der Lehre dieser Druckschrift werden zwei flächig aufeinanderliegende
Bleche dadurch miteinander verbunden, daß ein begrenzter Abschnitt des einen Bleches
mittels eines stumpfen Stempels durch das andere, von einer ebenfalls stumpfen Matrize
abgestützte andere Blech durchgedrückt wird, wonach beide durchgedrückten Bleche hinter
der dem ersten Blech abgewandten Seite des zweiten Blechs seitlich fließverpreßt werden.
Zu diesem Zweck können zwei Teile der Matrize seitlich ausfedern. Dabei trägt der
durchgedrückte und fließverpreßte Materialanteil des der Matrize zugekehrten Blechs
nichts zur Fügefestigkeit bei; im Gegenteil behindert das Material dieses Bleches
das Fließverpressen des vom stempelseitigen Blech durchgedrückten Materials, so daß
eine schlechtere Festigkeit zu erwarten ist. Darüberhinaus sind die miteinander verklammerten
Flächen der Fügestelle sämtlich abgerundet, was die Festigkeit sowohl bei Scherals
auch bei Zugbelastung weiter verschlechtern dürfte. Diese Überlegungen, bezogen auf
den Gegenstand der Erfindung und den Stand der Technik, beruhen natürlich auf der
Annahme sonst gleicher Bedingungen (Materialqualität und -dicke, Abmessung der Fügestelle,
Arbeitsdruck und Arbeitshub).
[0012] Bei einer Vorrichtung zur Ausführung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
die die Arbeitsfläche des Stempels begrenzenden Kanten betont stumpf auszubilden,
indem ein Kantenwinkel von mehr als 90° gewählt wird und/oder die Kanten verrundet
werden. Andererseits muß aber auch sichergestellt werden, daß das matrizenseitige
Blech wirklich eingeschnitten wird, und daß auch der Vorgang des Fließverpressens
in gewünschter Weise abläuft. Es hat sich dabei für die wichtigsten Anwendungsfälle
als brauchbarer Kompromiß herausgestellt, den Stempel ausgehend von seiner Arbeitsfläche
kegel- oder pyramidenstumpfförmig (je nach Form der Schneiden) mit einem Konus- bzw.
Pyramidenspitzenwinkel von 30..50° auszubilden, wobei die Festlegung durch die Dicke
und Qualität des Materials der Bleche bestimmt wird. Ein Winkel von 40° hat sich bei
Stahlblechen gleicher Dicke bewährt.
[0013] Die Erfindung ist auch bei solchen Vorrichtungen anwendbar, bei denen einer Matrize
ein Stempel mit mehreren Arbeitsflächen, z.B. ein Doppelstempel, zugeordnet ist. Ebenso
ist die Erfindung auch mit Matrizen ausführbar, bei denen die Stützteile zur Anpassung
an unterschiedliche Materialqualitäten und/oder Materialdicken austauschbar sind.
[0014] Eine besonders einfache Ausführung der Vorrichtung ergibt sich, wenn die Matrize
nur zwei Stützteile mit zueinander parallelen Schneiden aufweist. Darüberhinaus hat
diese Ausführungsform den Vorteil, daß die Ausfluchtung von Matrize und Stempel in
der verwendeten Presse nur in Richtung senkrecht zu den Schneiden mit hoher Genauigkeit
zu erfolgen braucht, während die Ausfluchtung quer dazu weniger kritisch ist.
[0015] Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Ausfürhrung der Erfindung werden nachstehend
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert. Die Zeichnungen
sind weitgehend schematisiert und auf das Wesentliche beschränkt.
Fig. 1 zeigt in Teilseitenansicht eine erste Ausführungsform, während die zu verbindenden
Bleche im Schnitt gezeichnet sind,
Fig. 2 stellt analog zu Fig. 1 die Teile nach Beendigung des Fügevorgangs dar,
Fig. 3 zeigt perspektivisch im Teilschnitt eine mit der Vorrichtung nach Fig. 1 und
2 gefügte Verbindung, Fig. 4 ist eine Darstellung analog Fig. 3, jedoch in Richtung
der Pfeile 4 - 4 in Fig. 3 gesehen,
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Fügestelle nach Fig. 3, 4,
Fig. 6, 7 und 8 zeigen Draufsichten auf die Matrizen weiterer Ausführungsformen von
Vorrichtungen,
Fig. 9 stellt in Seitenansicht einen Stempel einer weiteren Ausführungsform dar,
Fig. 10 zeigt in zu Fig. 1 analoger Darstellung eine Matrize abweichender Konstruktion,
und
Fig. 11 ist eine Ansicht auf die Matrize nach Fig. 10 in Richtung des Pfeiles 11.
[0016] Die Presse oder Pressenanordnung, in die die jeweils zusammengehörigen und zusammenwirkenden
Teile Stempel einerseits, Matrize andererseits ausgefluchtet zueinander eingebaut
sind, sind in den Zeichnungen nicht dargestellt. Die Wirkrichtung der Presse ergibt
sich ohne weiteres aus der Zusammenschau der Fig. 1 und 2, welche die beider möglichen
Relativlagen von Stempel und Matrize zu Beginn und am Ende des Pressenhubes zeigen.
[0017] Zunächst wird auf die Fig. 1 bis 5 bezuggenommen.
[0018] Die Matrize umfaßt einen stationären, an seiner Unterseite in der Presse abgestützten
Amboß 10 mit im wesentlichen langgestrecktem, rechteckigen Grundriß; Fig. 1 zeigt
die Seitenansicht auf die Schmalseite. Längs der Breitseiten des Amboß' erstrecken
sich Stützteile 12, die seitlich ausfedern können (Fig. 2) und deren dem Amboß zugewandte
freie Kanten als Schneiden ausgebildet sind. Die von den beiden Schneiden definierte
Ebene liegt um ein Maß höher als die etwas konvex gewölbte Arbeitsfläche 16 des Amboß',
das kleiner ist als die Summe der Dicke beider Bleche 18, 20, jedoch größer als die
Dicke des ihm zugekehrt liegenden Bleches 18.
[0019] Der Stempel 22 besitzt eine Arbeitsfläche 24, die wie Fig. 1 deutlich entnehmbar
ist schmaler ist als dem Abstand der beiden Schneiden der Matrize voneinander entspricht.
Ausgehend von dieser Arbeitsfläche vergrößert sich der Querschnitt des Stempels, so
daß er in die Bleche eindringende Bereich die Form eines Pyramidenstumpfes mit rechteckiger
Grundfläche aufweist, wobei der Neigungswinkel der Pyramidenseiten gegen die Stempelachse
etwa 20° beträgt; das entspricht einem Spitzenwinkel von 40°. Das Maß, um das die
Arbeitsfläche 24 schmaler ist als der Schneidenabstand, richtet sich nach der Dicke
der Bleche, insbesondere nach der Dicke des ihm zugewandten Blechs 20, und wird vorzugsweise
so bemessen (wofür wenige Versuche genügen), daß dieses Blech 20 beim Fügen gerade
nicht mehr durchschnitten wird. Die die Arbeitsfläche 24 begrenzende Kante ist abgerundet,
im Beispiel mit einem Radius in der Größenordnung von 0,5 mm, und poliert. Die Seitenflächen
des pyramidenstumpfförmigen Stempelabschnittes sind mit 26 bezeichnet. Die Kontur
des Stempels an den sich senkrecht zu den Schneiden erstreckenden Seiten ist in Fig.
1 und 2 nicht dargestellt, läßt sich aber Fig. 9 entnehmen, die einen Stempel zeigt,
der nichts anderes ist als eine Verdoppelung des Stempels aus Fig. 1 und 2. Es ist
anzumerken, daß auch hier die Kontur etwa denselben Spitzenwinkel des Pyramidenstumpfes
aufweist wie bei den schneidenparallelen Seiten.
[0020] Während Fig. 1 den Zustand vor dem Fügen zeigt, läßt Fig. 2 das Ergebnis erkennen,
das am Ende des Pressenhubes vorliegt (es ist anzumerken, daß entweder der Preßdruck
oder der Pressenhub vorgegeben wird):
[0021] Das Blech 18 ist längs der Schneiden 14, die sich ja senkrecht zur Zeichnungsebene
erstrecken, durch das Zusammenwirken derselben mit dem Stempel 22 eingeschnitten worden,
und der zwischen den Einschnitten stehengebliebene Steg 30 ist bis zur Arbeitsfläche
16 des Amboß' durchgedrückt worden. Durch weiteren Druck (und damit Hub) des Stempels
22 ist der durchgedrückte Bereich 32 des Blechs 20, das nicht eingeschnitten worden
ist, derart fließverpreßt, daß sein Material hinter die freigeschnittenen Kanten 34
unter fester Verankerung an diesen plastisch verformt ist. Der durchgedrückte Steg
30 bleibt mit seinen Enden 36 am Blech hängen, da dort ein Einschnitt erfolgt ist.
Die Fig. 3 bis 5 lassen die so erzeugte Fügung erkennen.
[0022] Bei der bisher beschriebenen ersten Ausführungsform wurden zwei parallele Einschnitte
im Blech 18 erzeugt; die Matrize und der Stempel haben dabei eine sehr einfache, kostengünstig
herstellbare Form. Wenn besondere Anforderung an das Aussehen der Fügestellen gestellt
werden, diese also etwa bei Gebrauchsgegenständen sichtbar sind, kann eine Ausführungsform
der Vorrichtung bevorzugt sein, wie sie in den Fig. 6 bis 8 angedeutet ist. Diese
Ausführungsformen sind nur als Draufsicht auf die Matrize dargestellt. Der Amboß 10'
(Fig. 6) bzw. 10" (Fig. 7) hat die Form eines Zylinders, und die Stützteile 12' bzw.
12" haben Schneiden, welche das ihnen zugekehrt liegende Blech längs vier (Fig. 6)
bzw. drei (Fig. 7) Kreisbögen mit gleichem Radius und gemeinsamem Mittelpunkt einschneiden.
Zwischen den Einschnitten bleibt jeweils ein Steg stehen, der die Funktion der Stege
36 aus Fig. 3 hat. Die Arbeitsfläche der zugehörigen Stempel ist mit 24' bzw. 24"
angedeutet; die Kontur dieser Stempel ist dann kegelstumpfförmig mit einem Spitzenwinkel
von vorzugsweise 40° analog zu Fig. 1.
[0023] Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 schließlich sind vier Stützteile 12"' um einen
Amboß 10"' herum angeordnet, der einen quadratischen Grundriß aufweist; die Stege
bleiben dann im Eckbereich jeweils stehen. Es ist anzumerken, daß unter Umständen
auch auf stehenbleibende Stege verzichtet werden kann. Das würde in Fig. 6 und 7 eine
geschlossen kreisförmige, in Fig. 8 eine geschlossen quadratische Einschnittform ergeben,
mit dem Ergebnis, daß aus dem der Matrize zugekehrten Blech ein Plättchen mit entsprechendem
Umriß ausgestanzt würde. Das Aussehen der Fügung wäre sehr ähnlich einem Nietkopf,
doch müßte dafür gesorgt werden, daß nach jedem Arbeitsgang das ausgestanzte Plättchen
aus der Matrize ausgeworfen wird.
[0024] Der Stempel gemäß Fig. 9 ist als Doppelstempel ausgebildet, indem zwei Stempel gemäß
Fig. 1 nebeneinander angeordnet und einstückig gefertigt sind. Man erkennt die beiden
Arbeitsflächen 24a, 24b und die jeweils zugeordneten Flanken 28, die sich senkrecht
zu den Schneiden erstrecken und ebenfalls einen Spitzenwinkel von 40° definieren.
Die Schneiden der zugehörigen Matrize sind einfach entsprechend länger ausgebildet,
so daß mit einem Pressenhub zwei nebeneinanderliegende Fügungen erzeugt werden.
[0025] Fig. 10 und 11 zeigen eine Matrize, bei der die Stützteile auswechselbar sind.
[0026] Die Matrize umfaßt einen Sockel 118 mit einer ebenen, zu einem Pressentisch (nicht
gezeigt) parallelen Stützfläche 120 und einer sich dazu senkrecht erstreckenden ebenen
Spannfläche 122. Senkrecht zur Spannfläche 122 ist eine Gewindebohrung 124 in den
Sockel eingearbeitet.
[0027] Die Stützteile 126, 128 und der Amboß 130 sind getrennt gefertigte Komponenten. Der
Amboß 130 ist ein Stahlprägeteil, und die Stützteile sind gestanzt und im Bereich
ihrer Schneiden 132 sowohl auf ihrer dem Amboß zugekehrten wie auch auf ihrer ihm
abgekehrten Seite sind die Stützteile mit einer Schneide versehen extra gehärtet oder
hartbeschichtet und geschliffen. Amboß und Stützteile weisen Durchgangslöcher auf,
die im montierten Zustand mit der Gewindebohrung 124 fluchten, wobei die beim Fügen
einwirkenden Kräfte dadurch auf den Sockel übertragen werden, daß Stützteile und Amboß
sich auf der Stützfläche 120 abstützen.
[0028] Auf der der Spannfläche 122 abgekehrten Seite des Stützteiles 126 ist eine Spannscheibe
134 vorgesehen, ebenfalls mit einem fluchtenden Durchgangsloch versehen. Die gesamte
Baugruppe wird von einer Spannschraube 136 zusammengehalten. In Fig. 10 ist die Spannschraube
noch nicht fest angezogen gezeichnet, so daß man erkennen kann, daß sie konvex auswärts
gewölbt ist und so als Federscheibe wirkt. Mit ihrer unteren Kante liegt sie ebenfalls
auf der Stützfläche 120 auf.
[0029] Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Stützteile bei Verschleiß ihrer Schneiden
zunächst gewendet und, wenn auch das zweite Schneidenpaar stumpf ist, ausgewechselt
werden können. Darüberhinaus ist aber auch der Amboß auswechselbar. Erfahrungsgemäß
tritt zwar beim Amboß kein Verschleiß auf, doch ermöglicht dies die Fügung von Blechen
anderer Dicke, was ja eine Änderung des Abstands der Schneiden 132 von der Amboßarbeitsfläche
138 bedingt.
[0030] Die Oberkante 140 der Spannscheibe liegt auf derselben Höhe wie die Oberkante 142
der Spannfläche 122, so daß für beide Stützteile gleiche Einspannbedingungen vorliegen.
[0031] Wie aus Fig. 11 entnehmbar ist, haben die Stützteile eine Kontur mit seitlichen Ausschnitten,
damit sich die Biegebeanspruchung beim seitlichen Ausfedern möglichst gleichförmig
auf die Länge der Stützteile verteilt.
1. Durchsetzfügeverfahren, bei dem zwei flächig aufeinanderliegende Bleche (18, 20)
durch Einschneiden, Durchdrücken von Blechmaterial und Fließverpressen des durchgedrückten
Materials hinter den Einschnitten miteinander verbunden werden, wobei nur eines der
Bleche (18) mit Einschnitten versehen wird und das durchgedrückte Material auf der
dem anderen Blech (20) abgewandten Seite des eingeschnittenen Blechs zwischen einem
Amboßteil (10) und einem Stempel (22, 28) fließverpreßt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei, erste vorgegebene Abstände voneinander aufweisende Einschnitte
mittels des Stempels (22, 28) im Zusammenwirken mit Schneidlamellen (12, 14) eingebracht
werden, die seitlich des Amboßteils (10) angeordnet sind, über dessen Arbeitsfläche
hinausragen und auswärts bezüglich des Amboßteils (10) federnd sind, sowie an ihren
freien Enden mit Schneiden (14) versehen sind, daß die den Schneid lamellen (12, 14)
zugekehrten Stempelbegrenzungen voneinander zweite, vorgegebene Abstände aufweisen,
die entsprechend der Dicke des nicht-einzuschneidenden Blechs (20) kleiner sind als
die ersten Abstände, und daß man die Schneidlamellen (12, 14) während des Fließverpressens
seitlich ausweichen läßt, wodurch das Fügen mittels eines einzigen Pressenhubs bewirkt
wird.
2. Durchsetzfügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Blech
(18) mit zwei zueinander parallelen geraden Einschnitten versehen wird.
1. Procédé pour réaliser des liaisons de tôles selon lequel on réunit entre elles
deux tôles (18, 20) disposées à plat l'une sur l'autre, par découpage, enfoncement
du matériau des tôles et refoulement du matériau enfoncé en arrière des découpes,
et selon lequel seule l'une des tôles (18) comporte des découpes et le matériau enfoncé
est refoulé sur le côté de la tôle découpée, tourné à l'opposé de l'autre tôle (20),
entre une partie formant enclume (10) et un poinçon (22, 28), caractérisé en ce qu'on
aménage au moins deux découpes situées à des premières distances réciproques prédéterminées,
à l'aide du poinçon (22, 28) en coopération avec des lames de coupe (12, 14), qui
sont disposées latéralement par rapport à la partie formant enclume (10), font saillie
au-dessus de la surface de travail de cette partie formant enclume et sont à même
de fléchir élastiquement vers l'extérieur par rapport à la partie formant enclume
(10), et comporte, au niveau de leurs extrémités libres, des tranchants (14), en ce
que les limites du poinçon, qui sont tournées vers les lames de coupe (12, 14), sont
séparées par des secondes distances prédéterminées qui, conformément à l'épaisseur
de la tôle (20) qui ne doit pas être découpée, sont inférieures aux premières distances,
et en ce qu'on laisse les lames de coupe (12, 14) s'écarter latéralement pendant l'opération
de refoulement, grâce à quoi la liaison est établie au moyen d'une seule course de
la presse.
2. Procédé pour réaliser des liaisons de tôles selon la revendication 1, caractérisé
en ce qu'on aménage deux découpes rectilignes parallèles entre elles dans une tôle
(18).