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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einpressvorrichtung zum Ausbilden einer Einpressverbindung zwischen einem Fügeelement, insbesondere zwischen einer Einpressmutter und einem vorgelochten Bauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 10.
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Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige Vorrichtung sind aus der
DE 2 656 232 A1 zu entnehmen. Hieraus ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Verbindung zwischen einer Einpressmutter und einem vorgelochten Blech zu entnehmen. Die Einpressmutter wird hierbei mit Hilfe einer Einpressvorrichtung eingepresst. Diese umfasst einen Einpressstempel sowie eine Matrize mit einem Matrizenstempel, welcher innerhalb eines Matrizenrings entgegen der Federkraft eines Federelements in einer Axialrichtung verschieblich gelagert ist. Der Matrizenstempel weist an seiner vorderen Seite einen Suchstift auf, welcher über den Matrizenring übersteht. Die Matrize wird mit dem Suchstift voraus in das vorgelochte Bauteil eingeführt. Die Einpressmutter wird anschließend auf den Suchstift aufgesetzt, so dass dieser das Gewindeloch der Einpressmutter durchdringt. Mit Hilfe des Einpresstempels wird anschließend die Einpressmutter gegen den Matrizenstempel gepresst. Hierbei erreicht ein Kragen der Einpressmutter, auch als Mutternbund bezeichnet, im rückwärtigen Bereich nach dem Suchstift einen Umformbereich des Stempels, so dass der Mutternbund zur Ausbildung einer Axialsicherung umgeformt wird. Gleichzeitig wird auch das Blech umgeformt.
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Das Einpressen von Fügeelementen ist generell allgemein bekannt und wird insbesondere auch in der Automobilindustrie eingesetzt, um an Bauteilen, insbesondere an Blechen Befestigungsmöglichkeiten zu schaffen. Unter Fügeelemente werden vorliegend allgemein solche Funktionselemente verstanden, welche zum Fügen von zwei Teilen ausgebildet sind. Derartige Fügeelemente sind insbesondere Einpressbolzen wie Einpressschrauben und vorzugsweise die bereits erwähnten Einpressmuttern. Bei Einpressmuttern wird üblicherweise der Mutternbund radial aufgeweitet bzw. umgebördelt und mit dem Bauteil verbunden, so dass in Axialrichtung eine wirksame Befestigung und Auszugssicherung erzielt ist. Dies kann beispielsweise durch ein Einschneiden des Mutternbunds in einen Wandungsbereich des Bauteillochs erfolgen oder auch durch ein Hintergreifen eines Lochrands. Allgemein ist zur Befestigung solcher Einpresselemente eine Verformung eines Verformungsbereichs des Einpresselements und / oder des Bauteils erforderlich.
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Aus der
US 5 560 099 A ist ein Verfahren zum Einpressen einer sogenannten T-Mutter in ein Bauteil zu entnehmen. Die T-Mutter weist mehrere um den Umfang verteilte und nach unten gerichtete Zinken auf, die in einer ersten Einpressstufe in das Bauteil eingepresst werden, bevor anschließend in einer zweiten Einpressstufe ein Mutternbund mit Hilfe eines Dorns einer Matrize umgeformt wird, Der Dorn sowie auch ein Teil der Matrize, auf dem das Bauteil aufliegt, sind federnd gelagert.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Einpressverfahren sowie eine verbesserte Einpressvorrichtung für Fügeelemente, insbesondere für Einpressmuttern, anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Zur Ausbildung einer Einpressverbindung zwischen einem Fügeelement, insbesondere zwischen einer Einpressmutter und einem vorgelochten Bauteil ist grundsätzlich vorgesehen, dass das Fügeelement in einer Axialrichtung gegen eine Matrize gepresst wird. Dabei wird ein Verformungsbereich des Fügeelements durch eine Matrize verformt. Im Falle einer Einpressmutter wird insbesondere ein als Mutternbund bezeichneter Kragen umgeformt. Die Matrize weist einen Matrizenring sowie einen relativ zum Matrizenring und innerhalb des Matrizenrings geführten Matrizendorn auf, welcher zur Zentrierung und Verformung des Fügeelements herangezogen wird. Zugleich ist dieser Matrizendorn als Suchstift ausgebildet und entgegen einer Federkraft in Axialrichtung verschieblich gelagert. Infolge der Ausbildung als Suchstift steht der Matrizendorn gegenüber dem Matrizenring in Axialrichtung in einer Ausgangssituation vor. Beim Verfahren wird der Matrizendorn zunächst durch das jeweilige Loch des vorgelochten Bauteils durchgeführt. Hierbei erfolgt eine genaue Zentrierung der Matrize sowohl relativ zum Bauteil als auch zugleich eine Zentrierung des Fügeelements relativ zum Bauteil. Der Matrizendorn zentriert dabei üblicherweise das Fügeelement, indem dieses auf den Matrizendorn aufgesetzt wird.
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Der Einpressvorgang ist zweistufig mit zwei Einpressstufen ausgebildet und neben dem Matrizendorn wird auch der Matrizenring zusätzlich entgegen einer Federkraft in Axialrichtung beim Einpressvorgang verschoben.
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Diese Ausgestaltung beruht auf der Überlegung, dass bei vielen Fügeelementen ein zweistufiger Einpressvorgang erfolgt, um unterschiedliche Einpress-Funktionsbereiche zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil auszubilden. Häufig wird neben einer axialen Auszugssicherung auch eine Verdrehsicherung ausgebildet. Hierzu sind üblicherweise an dem Fügeelement ein oder auch mehrere Verdrehsicherungselemente ausgebildet, welche ebenfalls in das Bauteil eingepresst werden. Durch die Ausgestaltung mit der zusätzlichen Lagerung des Matrizenrings entgegen einer Federkraft wird ein zuverlässiger zweistufiger Einpressvorgang gewährleistet und gleichzeitig ermöglicht, dass der Matrizendorn sowohl als Suchstift fungiert als auch als Umformelement zur Umformung des Fügeelements.
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Zweckdienlicherweise ist dabei vorgesehen, dass die auf den Matrizendorn bzw. den Matrizenring einwirkenden Federkräfte unterschiedlich sind, so dass die beiden Einpressstufen beim mehrstufigen Einpressvorgang sukzessive nacheinander ausgeführt werden. Bevorzugt ist dabei der Matrizendorn gegen eine geringere Federkraft gelagert als der Matrizenring.
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Die auf den Matrizenring einwirkende Federkraft ist ausreichend groß bemessen, so dass der Matrizenring während einer ersten Einpressstufe in einer vorderen Position gehalten wird. Während der ersten Einpressstufe stützt sich daher der Matrizenring nicht gegen einen Festanschlag sondern lediglich gegen die Federkraft ab. Hierdurch ist eine zuverlässige Entkopplung der beiden Einpressstufen erreicht. Zweckdienlicherweise werden bei den beiden Einpressstufen unterschiedliche Einpresskräfte ausgeübt, wobei während der ersten Einpressstufe nur eines der beiden Teile und in der zweiten Einpressstufe beide Teile entgegen ihren Federkräften in eine axiale zurückgezogene Position geführt sind.
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In der ersten Einpressstufe wird daher vorzugsweise die Verdrehsicherung ausgebildet, bei der noch geringe Einpresskräfte aufgewandt werden. Demgegenüber erfolgt in der zweiten Einpressstufe eine Verformung des Fügeelements, insbesondere des Mutternbundes, wo deutlich höhere Einpresskräfte auftreten. Die Verdrehsicherungselemente sind beispielsweise umfangsseitig am Fügeelement ausgebildet und schneiden beispielsweise in einen Lochrand ein. In bevorzugter Ausgestaltung sind die Einpresselemente an einer Unterseite eines Kopfbereichs des Fügeelements ausgebildet, mit dem das Fügeelement auf einen Lochrand aufgepresst wird. Aus dieser Unterseite des Kopfbereichs steht üblicherweise auch der Mutternkragen hervor. Dieser ist daher von einem kragenförmigen Kopfbereich umgeben, welcher an seiner Unterseite die Einpresselemente beispielsweise nach Art von radial nach außen verlaufenden Stegen aufweist. Diese Stege werden in die Bauteiloberfläche eingepresst. Dabei werden sie üblicherweise nicht verformt sondern nur das Bauteil, welches üblicherweise ein Blech, insbesondere Stahlblech ist. Sobald die Verdrehsicherungselemente eingepresst sind und ein Einpressstempel der Einpressvorrichtung das Fügeelement weiter in Axialrichtung versetzt wird das Fügeelement - da es mittlerweile mit seinem Kopfbereich auf dem Bauteil aufliegt - mit dem gesamten Bauteil in Axialrichtung versetzt, so dass die auf die Matrize ausgeübten Einpresskräfte deutlich ansteigen. Dadurch wird der Matrizenring entgegen der Federkraft in Axialrichtung versetzt, bis er eine rückgezogene Position erreicht. Diese ist durch einen Festanschlag definiert. Bei dem weiteren Verfahren des Einpressstempels wird dann die für die zweite Einpressstufe erforderliche Einpresskraft aufgebracht und die Verformung des Verformungsbereichs (Mutternbund) bewirkt.
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Demgegenüber erfolgt das axiale Zurückversetzen des Matrizendorns in eine axial zurückgezogene Position bereits vor der ersten Einpressstufe. Auf den Matrizendorn wird daher eine nur vergleichsweise geringe Federkraft ausgeübt, die für die Suchfunktion ausreichend ist. Der Matrizendorn wird bereits vor dem Einpressvorgang in der ersten Einpressstufe in die rückwärtige Position verfahren, welche durch einen Festanschlag definiert ist.
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In besonders zweckdienlicher Ausgestaltung erfolgt die Steuerung der Matrize beim zweistufigen Einpressvorgangs rein passiv. Es sind daher keine aktiven Steuerelemente wie beispielsweise eine hydraulische oder pneumatische oder auch elektrische Ansteuerung der verschiedenen Axialbewegungen des Matrizendorns und des Matrizenrings erforderlich und ausgebildet. Vielmehr sind die beiden Teile Matrizendorn und Matrizenring jeweils mit Hilfe eines Federelements gelagert. Die Federelemente weisen dabei zweckdienlicherweise zur Aufbringung verschieden großer Federkräfte unterschiedliche Federhärten auf. Hierdurch ist also allein durch die Wahl der unterschiedlichen Federhärten der gewünschte zweistufige Prozess erreicht. Der Einpressstempel kann daher in einfacher Weise bis zu einer vorgegebenen Einpresskraft in Axialrichtung verfahren werden. Auf der Antriebsseite des Einpressstempels, mit dem das Fügeelement gegen die Matrize verfahren wird, braucht daher keine spezielle Steuerung für die Unterscheidung der beiden Einpressstufen ausgebildet zu sein. Sie ist daher vorzugsweise auch nicht vorhanden.
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Zweckdienlicherweise sind dabei die beiden Federelemente gegen eine gemeinsame Matrizenbasis gelagert. Beide Federelemente stützen sich daher an einem gemeinsamen Bauteil ab. Zweckdienlicherweise definiert dieses Bauteil dabei zugleich auch einen Festanschlag für die hintere Position dieser beiden Teile. Diese stützen sich daher in ihrer hinteren rückgezogenen Position mechanisch nach Art eines Festanschlags ab.
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Der Matrizenring ist dabei zweckdienlicherweise mittels einer Ringfeder an der Matrizenbasis gelagert und weiterhin ist der Matrizendorn, zumindest das ihm zugeordnete Federelement, durch eine zentrale Öffnung der Ringfeder hindurchgeführt. Der Matrizendorn ist daher allgemein konzentrisch zu der Ringfeder angeordnet, welche eine Platz sparende Bauweise ermöglicht. Unter Ringfedern werden vorliegend solche Federelemente verstanden, welche eine zentrale Öffnung aufweisen. Vorzugsweise ist die Ringfeder dabei als eine Tellerfeder oder als Tellerfederpaket ausgebildet. Alternativ könnte sie grundsätzlich auch als eine Schraubenfeder ausgebildet sein. Eine Tellerfeder weist den besonderen Vorteil einer nur geringen axialen Bauhöhe auf und ermöglicht sehr hohe Federkräfte.
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Der Matrizendorn weist bevorzugt eine konische Dornspitze auf, welche zur Umformung des Verformungsbereichs des Fügeelements, insbesondere des Mutternbunds, ausgebildet ist. Die Dornspitze verbreitert sich daher in Axialrichtung zusehends und zwar bis auf einen Durchmesser, welcher größer ist als der Innendurchmesser des zu verformenden Gegenstücks des Fügeelements. Dieser Bereich der konischen Dornspitze übt daher die Kraft zur Umformung des Verformungsbereichs des Fügeelements aus. Dies bedeutet, dass der Matrizendorn in seiner Funktion als Suchstift nur geringfügig in die zentrale vom Mutternbund umgebene Öffnung eingreift und nicht das gesamte Gewindeloch der Einpressmutter durchdringt. Hierdurch ist die Gefahr einer Beschädigung des Gewindes zuverlässig vermieden.
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Vorzugsweise stützt sich daher der Matrizendorn in seiner Eigenschaft als Suchstift und zu Zentrierzwecken für das Fügeelement nur mit seiner konischen Dornspitze am Fügeelement ab. Hierdurch wird zudem eine sehr gute Zentrierwirkung erzielt, da über die konische Dornspitze Herstellungstoleranzen problemlos ausgeglichen werden.
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Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Einpressvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Einpressvorrichtung zu übertragen. Bevorzugte Weiterbildungen der Einpressvorrichtung ergeben sich entsprechend aus den Unteransprüchen sowie aus den vorstehenden Erläuterungen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:
- 1 eine schematisierte, teilweise geschnittene Seitenansicht einer Einpressvorrichtung vor dem Einpressvorgang,
- 2 die Einpressvorrichtung gemäß 1 zu Beginn des Einpressvorgangs, sowie
- 3 die Einpressvorrichtung gemäß 1 nach Beendigung des Einpressvorgangs.
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In den einzelnen Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in den Figuren dargestellte Einpressvorrichtung 2 umfasst einen Einpressstempel 4 sowie eine Matrize 6. Der Einpressstempel 4 ist dabei in einer Axialrichtung 8 gegen die Matrize 6 verfahrbar. Über den Einpressstempel 4 wird dabei eine Einpresskraft F aufgebracht. Der Einpressstempel 4 wird dabei mit Hilfe einer hier nicht näher dargestellten Antriebseinheit angetrieben, über die die erforderliche Einpresskraft F aufgebracht wird. Bei dieser Antriebseinheit kann es sich beispielsweise um eine kraft- oder weggesteuerte Antriebseinheit handeln. Diese kann sowohl elektrisch, pneumatisch oder auch hydraulisch angetrieben sein.
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Die Matrize 6 selbst umfasst eine Matrizenbasis 10, einen Matrizenring 12 sowie einen Matrizendorn 14. Der Matrizenring 12 ist mit Hilfe eines ersten Federelements, welches im Ausführungsbeispiel als Tellerfeder 16 ausgebildet ist, gegen die Matrizenbasis 10 abgestützt. Der Matrizendorn 14 ist mit Hilfe eines zweiten Federelements, welches im Ausführungsbeispiel als eine (Schrauben-)Druckfeder 18 ausgebildet ist, gegen die Matrizenbasis 10 abgestützt.
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Der Matrizendorn 14 ist innerhalb des Matrizenrings 12 zentrisch geführt. Der Matrizendorn weist im Ausführungsbeispiel einen verbreiterten Fuß 20 auf, mit dem er in einer vorderen Position, welche in 1 dargestellt ist, gegen einen am Matrizenring 12 ausgebildeten Anschlag 22 anliegt. Der Fuß 20 weist im Ausführungsbeispiel eine zentrische Aufnahme auf, in die die Druckfeder18 mit einem Ende einliegt. Gegenüberliegend stützt sich die Druckfeder in einer zweiten nach Art einer Bohrung 24 ausgebildeten Aufnahme innerhalb der Matrizenbasis 10 ab. Die Tellerfeder 16 umgibt die Druckfeder 18 konzentrisch. Die Tellerfeder 16 liegt auf der Matrizenbasis 10 und kann in hier nicht näher dargestellter Weise beispielsweise auch von einer Vertiefung oder Nut gehalten sein.
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Weiterhin ist in 1 ausschnittsweise ein vorgelochtes Bauteil 26 sowie ein als Einpressmutter 28 ausgebildetes Fügeelement dargestellt. Die Einpressmutter 28 umfasst einen Mutternkopf 30, aus dessen Unterseite ein sich in Axialrichtung 8 erstreckender Mutternbund 32 hervorsteht. Weiterhin sind an der Unterseite des Mutternkopfes 30 sich in radialer Richtung erstreckende Stege 34 angeordnet, welche zur Ausbildung einer Verdrehsicherung dienen. Bei dem Mutternbund 32 handelt es sich allgemein um ein Verformteil, welches beim nachfolgend noch beschriebenen Einpressvorgang zur Ausbildung einer axialen Sicherung des Fügeelements im Bauteil 26 umgeformt wird.
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Der Matrizendorn 14 weist weiterhin frontendseitig eine sich konisch verjüngende Dornspitze 15 auf. Diese weist an ihrem vorderen Ende einen Durchmesser auf, welcher kleiner einem Innendurchmesser d des Mutternbundes 32 ist. Gleichzeitig verbreitert sich die konische Dornspitze 15 bis auf einen Enddurchmesser, welcher größer dem Innendurchmesser d des Mutterbundes 32 ist. An diese sich konisch erweiternde Dornspitze 15 schließt sich ein zylindrischer Schaftbereich des Matrizendorns 14 an. Durch diese spezielle Ausgestaltung der Dornspitze 15 greift der Matrizendorn 14 beim Einpressvorgang daher lediglich mit seiner Dornspitze 15 in den Mutternbund 32 ein, ohne dass eine Beschädigung der Innenoberflächen innerhalb des Mutternbundes 32 oder auch innerhalb des Mutternkopfes 30 erfolgen. An der Innenseite des Mutternkopfes 30 ist üblicherweise ein Innengewinde ausgebildet.
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Das vorgelochte Bauteil 26 weist ein Loch 36 auf, in das die Einpressmutter 28 mit dem Mutternbund 32 eingesetzt wird.
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Für einen zuverlässigen Sitz der Einpressmutter 28 ist eine möglichst exakte Zentrierung in Relation zum Loch 36 erforderlich. Das Bauteil 26 weist üblicherweise mehrere Löcher 36 auf. Im Hinblick auf möglichst kurze Taktzeiten beim Einbringen der Fügeelemente in die Löcher 36 ist ein zügiges genaues jeweiliges Ausrichten des Bauteils 26 in Relation zu der Einpressvorrichtung 2 erforderlich. Um dies zuverlässig und prozesssicher zu gewährleisten ist der Matrizendorn 14 allgemein nach Art eines Suchstifts ausgebildet. Hierzu ist er federnd gelagert und steht über den Matrizenring in seiner vorderen in 1 dargestellten Position über. Durch die federnde Lagerung kann daher eine Lochfindung erfolgen und sobald das Loch 36 und der Matrizendorn 14 zueinander ausgerichtet sind, wird der Matrizendorn 14 über die Federkraft der Druckfeder 18 durch das Loch 36 hindurchgedrückt. Anschließend beginnt der eigentliche Einpressvorgang wie folgt:
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In einer Zentrierstufe wird zunächst die Einpressmutter 28 mit dem Mutternbund 32 auf die konische Dornspitze 15 aufgesetzt. Die Dornspitze 15 dringt dabei nur geringfügig in den Mutternbund 32 ein. Da der Mutternbund 32 auf der konischen Dornspitze 15 zum Aufsitzen kommt, erfolgt eine konzentrische Anordnung und Ausrichtung der Einpressmutter 28 relativ zum Einpresswerkzeug 2.
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Anschließend wird der Einpressstempel 4 in Axialrichtung 8 weiter versetzt. Hierbei wird der Matrizendorn 14 von seiner vorderen, in 1 dargestellten Position, in eine rückwärtige, in 2 dargestellte Position, entgegen der Federkraft der Druckfeder 18 versetzt. In dieser rückwärtigen Position stützt sich der Matrizendorn 14 an der Matrizenbasis 10 ab. Gleichzeitig kommt die Einpressmutter 28 mit dem Mutternkopf 30, genauer mit den Stegen 34, zum Aufliegen auf der Oberseite des Bauteils 26.
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Anschließend beginnt der eigentliche Einpressvorgang. In einer ersten Einpressstufe werden die Stege 34 in die Bauteiloberfläche eingepresst. Während dieser ersten Einpressstufe befindet sich der Matrizenring 12 in seiner vorderen, in 2 dargestellten Position. Die Tellerfeder 16 weist daher eine ausreichende Federkraft auf, um der erforderlichen Einpresskraft zum Einpressen der Stege 34 in die Bauteiloberfläche Stand zu halten. Dadurch ist gewährleistet, dass zunächst die Stege 34 eingepresst werden, bevor dann in der nachfolgenden zweiten Einpressstufe die eigentliche Verformung des Mutternbundes 32 erfolgt.
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Diese Situation ist in 3 dargestellt. Nach dem Einpressen der Stege 34 verfährt der Einpressstempel 4 in Axialrichtung weiter und nimmt dabei neben der Einpressmutter 28 auch das Bauteil 26 in Axialrichtung 8 mit, so dass der Matrizenring 12 nunmehr in seine rückgezogene Position verfahren wird, wie es in 3 dargestellt ist. In dieser rückgezogenen Position stützt sich der Matrizenring 12 an der Matrizenbasis 10 ab. Anschließend beginnt der zweite Umformvorgang, bei dem der Mutternbund 32 umgeformt wird. Dies erfolgt durch ein radiales Aufspreizen mit Hilfe des Matrizendorns 14, der nunmehr weiter in den Mutternbund 32 hineinversetzt wird. Aufgrund seiner konischen Dornspitze 15 weitet er diesen radial auf, so dass die gewünschte axiale Auszugssicherung zwischen dem Mutternbund 32 und dem Bauteil 26 hergestellt wird.
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Anschließend wird in hier nicht näher dargestellter Form der Einpressstempel 4 entgegen seiner Zustellrichtung wieder zurückgefahren und die gesamte Einpressvorrichtung 2 geöffnet und zum nächsten Loch 36 des Bauteils 26 verfahren, um die nächste Einpressmutter 28 einzufügen.