DE4435460A1 - Vorrichtung zum Durchsetzfügen von sich überlappenden Blechteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchsetzfügen von sich überlappenden Blechteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine typische Vorrichtung zum Durchsetzfügen von überein­ anderliegenden Blechen ist beispielsweise aus DE 37 13 083 C2 bekannt. Die Vorrichtung besteht hauptsächlich aus mindestens zwei beweglich angeordneten, einen Amboß um­ schließenden Matrizenteilen, die von einem elastischen Band zusammengehalten sind und auf einer Schulter eines Ambosses bzw. eines Matrizenkörpers abgestützt sind. Anfänglich liegen die Matrizenteile am Matrizenkörper an. Beim Ein­ fahren des Stempels in die von den Matrizenteilen oberhalb des Ambosses gebildeten Öffnung werden die Blechteile tief­ gezogen, anschließend das unter dem Stempel verbliebene Material durch den hohen Stempeldruck gestaucht, worauf der Werkstoff seitlich zu fließen beginnt, worauf die so ent­ stehende Verklammerung einen Form- und Kraftschluß zwischen den beiden zu fügenden Blechteilen bewirkt.

Die vorgenannte DE 37 13 083 C2 listet weitere Druckschrif­ ten auf, die zur Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogen wurden. Auf diese Druckschriften soll nicht weiter eingegangen werden, weil sie weiter ab liegen.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die beim Durch­ setzfügen entstehende Verbindung der Bleche zu verbessern. So sind zu diesem Zweck die beim Durchsetzfügen auftretenden Verformungsvorgänge näher untersucht worden. Dabei hat sich gezeigt, daß beim Tiefziehvorgang der Bleche, also beim Einfahren des Stempels in die Matrizenöffnung das stempel­ seitige Blechteil um einen längeren Weg tiefgezogen wird, als das matrizenseitige Blechteil. Die Folge davon ist eine Ausdünnung oder geringere Halsdicke des stempelseitigen Blechteils. Ferner ist der die Verklammerung der beiden Blechteile bewirkende Hinterschnitt nicht optimal. Für den Hinterschnitt ist es notwendig, daß vor allem das matrizen­ seitige Blech unter dem Stauchdruck des Stempels weit genug radial nach außen fließt. Diese Umformvorgänge führen haupt­ sächlich zu Problemen beim Fügen von Bauteilen mit dickeren Blechen, insbesondere dickeren Blechen an der Matrizenseite.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vor­ richtung der eingangs geschilderten Art derart auszubilden, daß bei Blechteilen von gleicher oder unterschiedlicher Dicke eine Verbindung mit dickerer Halsdicke und größerem Hinterschnitt entsteht.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß erfolgt also die Abstützung der Matrizen­ teile an einer schräg nach innen gerichteten Abstützfläche des Ambosses bzw. des Matrizenkörpers, wenn der Amboß nicht am Matrizenkörper angeformt, sondern vielmehr in den Matrizenkörper eingesetzt ist. Zusammen mit der Längs­ abmessung der Matrizenteile wird von dieser Schrägfläche beim Umformvorgang eine radial nach innen gerichtete Kraft an den Matrizenteilen erzeugt, welche ein vorzeitiges öffnen und seitliches Auswandern der Matrizenteile verhindert. Während des Stauchvorganges spielt die vom Umformvorgang her rührende, nach außen wirkende Kraft eine dominierende Rolle, die durch das radial ausfließende Material erzeugt wird. Wenn die nach außen wirkende Kraft die von der Abstützung und dem elastischen Band herrührende, nach innen gerichtete Kraft überwindet, dann erst schieben sich die Matrizenteile nach außen, um den erforderlichen Platz zur Verfügung zu stellen. Dieser Schubvorgang erfolgt allerdings erst, nachdem der eigentliche Tiefziehvorgang beendet ist.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß in der bereits genannten DE 37 13 083 C2 infolge der sich zur Abstützfläche hin nach außen erweiternden Matrizenteile zumindest am Anfang der Verformung eine Schließkraft auf die Matrizenteile ausgeübt wird, um eine gleichmäßigere und besser steuerbare Verformung der Bleche zu erzielen. Weitergehende Überlegungen sind in diesem Dokument aber nicht dargestellt.

Erfindungsgemäß wird durch die Art der Abstützung eine größere Halsdicke und ein größerer Hinterschnitt der Fügeteile erzielt, so daß die Haltbarkeit der Verbindung vergrößert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So sind die Oberseiten der Matrizen­ teile dachartig abgeschrägt. Somit wirkt der vom Stempel ausgeübte Umformdruck beim Tiefziehen stets auf die innere Oberkante der Matrizenteile. Die innere Oberkante der Matrizenteile kann entweder abgerundet sein, um ein Ein­ schneiden in das matrizenseitige Blechteil zu verhindern. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die innere Oberkante aber auch schneidenartig ausgebildet sein, so daß das matrizenseitige Blechteil, insbesondere wenn es eine größere Blechdicke aufweist als das stempelseitige Blech­ teil, bis zu einer bestimmten Tiefe eingeschnitten wird, so daß beim anschließenden Stauchvorgang das radiale Auspressen des Blechteils erleichtert wird, um einen größeren Hinter­ schnitt zu erzielen. In diesem Zusammenhang wird auf die DE 42 40 970 A1 hingewiesen, wonach stempelseitig ein Form­ werkzeug vorgesehen ist, das in das stempelseitige Blechteil eindrückt, um einen Freiraum zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Verbindungsstelle mindestens mit einer Blechaußen­ seite bündig zu gestalten. Bewegliche und von einem elastischen Band versehene Matrizenteile sind nicht vorhanden.

Wird ferner der Amboß als getrenntes Bauteil hergestellt, so kann der Amboß in eine Bohrung eines Matrizenkörpers einge­ setzt werden und zwischengelegte Abstandsscheiben bestimmen die Höhe des Ambosses, die entsprechend den Blechdicken gewählt werden kann. In diesem Fall ist die Abstützfläche für die Matrizenteile am Matrizenkörper ausgebildet.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vor­ richtung mit den Matrizenteilen in Schließlage;

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 mit den Matrizenteilen in der geöffneten Lage im Zeitpunkt der Fertig­ stellung einer Verbindung von zwei Blechteilen;

Fig. 3 eine abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung;

Fig. 4 einen Teilschnitt im vergrößerten Maßstab zur Darstellung der auf die Matrizenteile wirkenden Kräfte und

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Verbindung zweier Blechteile.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Werkzeug 100 zum Durchsetz­ fügen, das mit einem Stempel 110 zusammenarbeitet, um zwei sich überlappende Blechbauteile 1 und 2 miteinander zu ver­ binden. In einem Matrizenkörper 120 ist ein Amboßhohlraum 121 gebildet. Die Oberseite des Matrizenkörpers 120 bildet eine Abstützfläche 122 in Form einer umgekehrt dachartig, schräg nach außen ansteigenden Schulter, die rotations­ symmetrisch ist.

In den Amboßhohlraum 121 ist ein Amboßstock 131 eingesetzt, dessen obere Begrenzungsfläche einen runden Amboß 132 bildet, und dessen untere Begrenzungsfläche 133 mit Hilfe von Abstandsscheiben 140 unterschiedlicher Dicke verstellbar auf der Anlagefläche 123 im Matrizenkörper 120 anliegt. Der Amboßstock 131 weist einen konischen Abschnitt 134 zwischen dem Amboß 132 und der Abstützfläche 122 auf.

Um den Amboßstock 131 herum sind mindestens zwei, vorzugs­ weise drei oder auch mehrere Matrizenteile 151 angeordnet. Die Matrizenteile 151 weisen schräge Unterseiten 152 auf, deren schräger Winkel mit dem schrägen Winkel der Abstütz­ fläche 122 übereinstimmt, um die Fügekraft gleichmäßig auf die Flächen zu verteilen. Ferner sind die Oberseiten 152 der Matrizenteile 151 mit dachartig schräg nach außen abfallen­ den Flächen versehen.

In der in Fig. 1 dargestellten Schließlage werden die Matrizenteile 151 von einem elastisch verformbaren Band 161 gehalten. Das elastische Band 161 umschließt die Außenseiten der Matrizenteile 151, und greift mit einem herausragenden Ring 162 in eine Ringnut 154 in den Matrizenteil. Über das Band erfolgt auch das Festhalten der Matrizenteile am Matri­ zenkörper, indem das Band mit einem ringförmigen Vorsprung 163 in eine Ringnut 155 des Matrizenkörpers 120 greift. Wie dargestellt, kann dabei das Band im Bereich des Matrizen­ körpers wesentlich dünner ausgebildet sein. Der Durchmesser des Stempels 110 ist deutlich kleiner als der Innendurch­ messer der geschlossenen Matrizenteile 151, um die Ausbil­ dung einer größeren Halsdicke und größerer Wandstärken der Verbindung zu unterstützten.

Der Umformvorgang ist folgender: Zu Beginn des Verbindungs­ vorganges liegen die Matrizenteile 151, aufgrund der Feder­ vorspannung des elastischen Bandes 161 mit ihrer schrägen Unterseite 153 an der schrägen Abstützfläche 122 des Matri­ zenkörpers 120 an. In diesem Zustand werden die Blechteile 1 und 2 übereinander auf die dachartig schrägen Oberseiten 152 der Matrizenteile 151 gelegt. Der Stempel führt eine Linear­ bewegung in Richtung des Pfeiles F aus. Unter dem Druck des Stempels auf die Blechteile 1 und 2 werden diese zum Amboß 132 hin tiefgezogen, wobei der Tiefziehweg von den unterge­ legten Zwischenscheiben 140 abhängig ist.

In Fig. 4 sind die auf ein Matrizenteil wirkenden Kräfte dargestellt. Der Stempel 110 übt an der inneren Oberkante 156 eine Kraft auf das Matrizenteil 151 aus, die sich in zwei Kräfte zerlegen läßt, nämlich die senkrecht nach unten wirkende Kraft F_sy und die nach außen gerichtete Kraft F_sx. Infolge der dachartigen Oberseite 152 des Matrizenteils bleibt der Angriffspunkt der Stempelkraft an der inneren Oberkante 156 während des Umformvorganges erhalten. Die Kraft F_sx sucht die zunächst geschlossene Matrizenanordnung zu öffnen. Infolge der schrägen Abstützfläche 122 am Matrizenkörper 122 resultiert eine Kraft, die sich wiederum in zwei Kraftkomponenten F_my und die nach innen gerichtete Kraftkomponente F_mx zerlegen läßt. Diese nach innen wirkende Kraft F_mx zusammen mit der Reibungskraft F_r zwischen den Abstützflächen 122, 153 verhindert das Öffnen der Matrizen­ anordnung. Wie gesagt, bewirkt die dachartige Fläche 152 der Matrizenteile, daß die Preßkraft F_sy während des Tiefzieh­ vorganges immer an der inneren Oberkante 156 wirkt und so die abgerundete Innenkante 156 des Matrizenteils nach innen gedrückt wird, um die nach außen gerichtete Kraft F_sx aus­ zugleichen und um für das Tiefziehen eine ausreichende Gesenkauflage zu erhalten. Die an den Schrägflächen 122, 153 auftretenden, nach innen gerichteten Kräfte sind vom Schräg­ winkel der Abstützfläche 122 bestimmt. Ferner wird von der Kraft F_sx ein Kippmoment M hervorgerufen, das der Länge l des Matrizenteils 151 proportional ist. Deshalb sollte die Länge l der Matrizenteile je nach Anwendung möglichst klein sein, um das Moment auf die Matrizenteile klein zu halten.

Im anschließenden Stauchvorgang spielt die nach außen wirkende Kraft F_a die dominierende Rolle, die durch das radial ausfließende Material erzeugt wird. Wenn nun diese Kraft F_a die Reibkraft F_r an den Schrägflächen 122, 153 überwindet, dann erst schieben sich die Matrizenteile 151 nach außen, um den erforderlichen Platz zur Ausbildung des Hinterschnittes zur Verfügung zu stellen. Dieser Schub­ vorgang erfolgt erst, nachdem der eigentliche Tiefzieh­ vorgang beendet ist, und damit die Matrizenteile nicht mehr benötigt werden.

Wegen des konischen Abschnittes 134 des Amboßstockes ist die Stauchoberfläche des Ambosses 132 verkleinert, so daß auf den Boden der Verbindungsstelle ein höherer Druck ausgeübt wird und damit eine größere Materialmenge nach außen gescho­ ben wird, um einen größeren Hinterschnitt zu erzielen.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch eine auf diese Weise erzeugte Verbindungsstelle, bei der das stempelseitige Blech eine höhere Halsdicke und der Hinterschnitt ein größeres Maß erreicht als beim Durchsetzfügen mit bekannten Werkzeugen.

Fig. 3 zeigt eine Abänderung der Vorrichtung insofern, als die innere Oberkante 157 der Oberseite 152 der Matrizenteile 151 mit einer Schneidkante versehen ist. Die Höhe und der Winkel der Schneidkante 157 sind so gewählt, daß das Matri­ zenteil 151 beim Tiefziehvorgang bis zu einer bestimmten Tiefe in das matrizenseitige Blechbauteil 2 einschneidet. Nach dem Einschneiden erfolgt zunächst ein reiner Tiefzieh­ vorgang und anschließend ein Tiefziehvorgang kombiniert mit einem Preßvorgang. Dabei wird zwischen dem Stempel 110 und dem Amboß 132 das Material des Blechbauteils 2 radial nach außen verdrängt, so daß die Blechdicke des Bauteils 2 ver­ ringert wird. Ein idealer Stauchvorgang stellt sich dann ein, wenn die gesamte Bodendicke der Blechteile 1 und 2 nach dem kombinierten Tiefzieh- und Stauchvorgang 50 Prozent der Gesamtdicke der Bauteile 1 und 2 ist. Während des Stauchvor­ ganges wird diese Bodendicke verkleinert, so daß das Wand­ material des stempelseitigen Blechteils 1 zu stark tiefge­ zogen wird, und damit eine dicke Halsdicke ausgebildet werden kann. Somit eignet sich die Vorrichtung nach Fig. 3 vor allem zum Fügen von Blechbauteilen, von denen das matrizenseitige Blechbauteil dicker als das stempelseitige Blechbauteil ist.

In der Ausführungsform der Fig. 3 dienen Federbleche 164 zur Befestigung der Matrizenteile 151 am Matrizenkörper 120. Das elastische Band 163 ist dann zwischen den Federblechen 164 und den Matrizenteilen eingesetzt.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Durchsetzfügen von sich überlappenden Blechteilen, mit einem Stempel und einem Amboß, an dem mindestens zwei Matrizenteile seitlich beweglich abgestützt sind, die von einem elastischen Band umschlossen sind und die bei einer Relativbewegung von Stempel und Amboß beim Verformen der Bleche seitlich ausweichen, so daß eine Verklammerung der Blechbauteile erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützflächen (122) für die Matrizenteile (151) radial von innen nach außen verlaufend schräg und umgekehrt dachartig angeordnet sind und der Schrägwinkel der Abstützflächen zur Längsachse der Vorrichtung sowie die Länge der Matrizenteile (151) so gewählt sind, daß beim Verformen der Bleche eine auf den Amboß (132) zu gerichtete Kraft an den Matrizenteilen erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Unterseiten (153) der Matrizenteile (151) und die Abstützfläche (122) am Amboß (132) übereinstimmende, winkelgleiche Schrägflächen aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseiten (152) der Matrizenteile dachartig abgeschrägt sind und eine innere Oberkante (156) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß (132) eine gegenüber dem Querschnitt der Matrizenöffnung verkleinerte Fläche aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Amboß (132) an einem Amboßstock (131) ausgebildet ist, der im Bereich der Matrizenteile zum Stempel (110) zu verjüngend ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß (132) an einem in einen Matrizenkörper (120) eingesetzten Amboßstock (131) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Höhe des Ambosses (132) durch zwischen dem Matrizenkörper (120) und dem Amboßstock (131) eingelegte Abstandsscheiben (140) einstellbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrizenteile (151) von einem elastischen Band (161) umfaßt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elastische Band (161) mit ringförmigen Vorsprüngen (162, 163) in Nuten (154, 155) der Matrizenteile (151) und des Matrizenkörpers (120) greift.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrizenteile (151) am Matrizenkörper (120) von Federblechen (164) gehalten sind und das elastische Band (163) zwischen den Matrizenteilen und den Federblechen eingesetzt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberkante der Matrizenteile (151) eine Schneide (157) bildet, die beim Verformen das stempelseitige Blechmaterial bis zu einer bestimmten Tiefe einschneidet.