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Die
Erfindung betrifft eine Matrize und Vorrichtung zum Durchsetzfügen gemäß Anspruch
1, 10 und Anspruch 15.
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Werkzeuge
zum Durchsetzfügen
bzw. Clinchen sind in vielfältigen
Ausgestaltungen bekannt. Dabei werden zur Verbindung von Fügeteilen,
z.B. überlappt
angeordnete Blech- oder
Profilteile, diese lokal plastisch umgeformt, und damit quasiformschlüssig miteinander
verbunden.
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Beispielsweise
können
dafür Werkzeugmatrizen
zum Einsatz kommen, die bewegliche Matrizenteile aufweisen, um beim
Verpressen des Materials zwischen Stempel und Amboss einen freien
Materialfluss des sich breitenden Materials zu erlauben. Diese Systeme
weisen bisher verschiedene Nachteile auf. Bewegliche Matrizenteile
können
durch Verschmutzungen in ihrer Funktion nachteilig beeinflusst werden,
z.B. indem Schmutz die Beweglichkeit der Matrizenteile beeinträchtigt.
Außerdem
kann es bei Matrizen, bei denen der Weg der nachgebenden Matrizenteile
begrenzt wird, zum Verklemmen der Matrizenteile bzw. zu Beschädigungen
an der Matrize kommen.
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Matrizen
ohne bewegliche Matrizenteile sind nur mit einem vergleichsweise
hohen Versuchs- und Kostenaufwand einsetzbar, um z.B. Stempel- bzw. Matrizengeometrie
auf ein gewünschtes
Verbindeergebnis abzustimmen.
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Weiterhin
ist bei solchen bekannten Matrizen durch das Ausweichen der beweglichen
Matrizenteile nachteilig, dass die auf den Matrizenteilen aufliegenden
Abschnitten der Unterseite der Fügeteile
durch Abrieb beschädigt
werden, was z.B. zu einem Versagen der Verbindung bzw. der Matrize
bzw. zu Abriebverschmutzungen führen
kann. In vielen Fällen
treten dabei Kratzspuren an den Fügeteilen auf, die insbesondere
aus optischen Gründen
unerwünscht
sind.
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Die
DE 101 16 736 A1 betrifft
beispielsweise ein Werkzeug zur Herstellung einer Durchsetzfügeverbindung,
bei der ein Teil der radialen Seitenwände der Matrizenöffnung als
verschiebbare Segmente ausgebildet sind, während vom Umfang der Matrizenöffnung aus
gesehen andere Abschnitte unnachgiebig mit dem Gesenk verbunden
bleiben.
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Aus
der
DE 102 14 959
A1 ist ein Werkzeug zum nietartigen Verbinden bekannt,
mit einer mehrteiligen Matrize, mit nach außen ausweichenden Matrizenmantelteilen
und mit entgegenwirkenden Einzelfeldern, die über einen Verbindungsabschnitt
einteilig miteinander verbunden sind und wobei mindestens drei Mantelteile
vorhanden sind, die achssymmetrisch um die Mittelachse der Matrize
angeordnet sind.
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Ausgehend
von einer Matrize der oben beschriebenen Art, ist es Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Matrize und eine Vorrichtung zum Durchsetzfügen zur
Verfügung
zu stellen, welche für eine
vergleichsweise größere Zahl
von Anwendungsfällen
eingesetzt werden können.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1, 10
und 15 gelöst.
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Mit
den in den abhängigen
Ansprüchen
genannten Merkmalen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
möglich.
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Die
Erfindung geht von einer Matrize zum Durchsetzfügen aus, die beim Fügevorgang
mit einem Stempelteil zusammenwirkt, wobei beim Fügevorgang
die Matrize und/oder das Stempelteil entlang einer Fügeachse
zueinander bewegbar und zwischen dem Stempelteil und der Matrize
umzuformende Fügeteile
für den
Fügevorgang
anordenbar sind, mit auf einer dem Stempelteil zugewandten Seite
der Matrize um eine Matrizenöffnung
angeordneten Lamellenabschnitten, die Auflageflächen aufweisen, welche im Laufe
des Fügevorgangs
zumindest teilweise zur Auflage der Fügeteile dienen, wobei die Lamellenabschnitte
durch sich breitendes Material der Fügeteile beim Fügevorgang
sich weg von der Fügeachse
nach außen
verschieben können.
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Der
Kern der Erfindung liegt darin, dass an der Matrize Festabschnitte
mit Auflageflächen
für die Auflage
der Fügeteile
sowie Führungsabschnitte
derart angeordnet sind, dass sich die Auflageflächen der Lamellenabschnitte
unter das Niveau der Auflageflächen
der Festabschnitte bewegen, wenn sich die Lamellenabschnitte nach
außen
verschieben. Durch die Festabschnitte bzw. deren Auflageflächen für die Fügeteile,
können
diese stabil aufliegen und beim Fügevorgang sicher abgestützt werden.
Insbesondere findet keine Relativbewegung der Fügeteile statt, da diese auf
den Festabschnitten aufliegen, was andernfalls bei einer Relativbewegung
der Fügeteile spezielle
Fügeteile-Aufnahmen
nötig machen
würde. Darüber hinaus
können
sich die Auflageflächen
der Lamellenabschnitte beim sich nach außen Verschieben unter das Niveau
der Auflageflächen
der Festabschnitte bewegen. Insbesondere liegen die Niveaus der
Auflageflächen
aller Festabschnitte in einer gemeinsamen Ebene, z.B. zur Auflage
von ebenen plattenartigen Fügeteilen,
die in der Regel senkrecht zur Fügeachse
liegt. Die Fügeachse
verläuft
z.B. zentral bzw. symmetrisch zu Stempel bzw. Matrize in deren Bewegungsrichtung
zueinander und fällt
beispielsweise mit deren Längsachse
zusammen.
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Durch
das sich breitende Material beim Fügevorgang kann mit dem beginnenden
nach außen Wegbewegen
bzw. Aufspreizen der Lamellenabschnitte der Kontakt, der sich vor
dem Umformen zwischen dem Auflageflächen der Lamellenabschnitte mit
den aufliegenden Fügeteilen
einstellt, unmittelbar aufgehoben werden. Dies bedeutet, dass ein
Reiben der sich bewegenden Lamellenabschnitte an den Fügeteilen
durch das nach unten Abheben der Lamellen von der Fügeteilunterseite
nicht stattfindet. Damit kann gegenüber herkömmlichen Matrizen mit beweglichen
Lamellenabschnitte, bei denen ein Verkratzen der Fügeteileunterseite
beim nach außen
Wegbewegen der Lamellen auftritt, vermieden werden, was unter anderem
aus optischen Gründen
vorteilhaft ist.
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Dabei
wird ein Abrieb an der Unterseite der Fügeteile bzw. an den Auflageflächen der
Lamellen verhindert. Dieser Abrieb kann zu einem Versagen der Fügeverbindung
bzw. zu Beschädigungen
an der Matrize führen.
Darüber
hinaus wird eine Verschmutzung bzw. ein Versagen der beweglichen
Lamellenabschnitte durch Abrieb ausgeschlossen. Dies führt gegenüber bekannten
Matrizen zu deutlich höheren Standzeiten
bzw. zu verbesserten Einsatzmöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Matrize.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes zeichnet sich
dadurch aus, dass die Auflageflächen
der Lamellenabschnitte und die Auflageflächen der Festabschnitte zu
Beginn des Fügevorgangs
im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen. Insbesondere
liegen sämtliche
Auflageflächen
der Fest- und Lamellenabschnitte im Wesentlichen in einer gemeinsamen
Ebene. Vorteilhafterweise wird damit eine vergleichsweise großflächige Auflage
für die
Auflage von ebenen Fügeteilen
bereitgestellt, beispielsweise ist dies vorteilhaft bei Fügeteilen,
deren im auf der Matrize aufliegenden Bereich eben bzw. absatzlose
ausgebildet sind. Durch die relativ große Gesamtauflagefläche, weil
diese sich aus Anteilen der Fest- und Lamellenabschnitte zusammensetzt,
kann in der ersten Phase des Fügevorgangs
beim Tiefziehen z.B. ein Verrutschen bzw. Verkanten der Fügeteile
an der Matrize besonders sicher vermieden werden.
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Weiter
wird vorgeschlagen, dass Führungsabschnitte
als in Bezug zu einer Ebene senkrecht zur Fügeachse geneigte Führungsflächen ausgebildet sind,
entlang derer sich die Lamellenabschnitte nach außen bewegen
können.
Geneigte Führungsabschnitte
bzw. -flächen
sind vergleichsweise einfach und platzsparend an der Matrize ausbildbar.
Durch die Neigung der Führungsflächen kann
außerdem problemlos
eine durchgängige
Bewegung der Lamellenabschnitte mit einer Bewegungskomponente nach außen realisiert
werden, die von einer Bewegung parallel zur Fügeachse überlagert wird. Insbesondere kann
durch entsprechende Oberflächenbeschaffenheiten
der Führungsflächen ein
gewisser Reibwiderstand zwischen den aneinander bewegten Führungsflächen beeinflusst
werden. Außerdem
erfolgt die Bewegung der Lamellenabschnitte sehr gleichmäßig bzw.
nicht ruckartig.
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Außerdem zeichnet
sich eine vorteilhafte erfindungsgemäße Matrize dadurch aus, dass
Rückstellelemente
so ausgebildet sind, dass die Lamellenabschnitte nach innen gezogen
werden, beispielsweise im Wesentlichen senkrecht in Richtung zur
Fügeachse
oder auch schräg
zu dieser. Durch insbesondere elastische Rückstellelemente können die Lamellenabschnitte
nach dem Fügevorgang
bzw. nach Entnahme der zu verbindenden Fügeteile in ihre Ausgangslage
zurück
gelangen, z.B. um für
den nächsten
Fügevorgang
richtig positioniert zu sein. Durch das nach innen Ziehen der Lamellenabschnitte
ist es möglich,
die Rückstellelemente
besonders platzsparend und kompakt im Matrizengrundkörper unterzubringen.
Durch die Anordnung der Rückstellelemente
als Zugelemente, beispielsweise als Spiral- oder Bandzugfeder, können diese
innerhalb eines Bereichs im Matrizenkörper untergebracht werden, der
zwischen den relativ weiter außenliegenden
Lamellenabschnitten und nahe der zentralen Fügeachse liegt, womit kein zusätzlicher
Bauraum für
die Rückstellelemente
benötigt
wird. Außerdem
kann eine Anbringung im Außenbereich
der Matrize vermieden werden, womit Beschädigungen der Rückstellelemente
durch eine ggf. exponierte Außenanordnung
an der Matrize vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird weiter
vorgeschlagen, dass die Auflageflächen der Lamellenabschnitte im
nicht auf gespreizten Zustand die Matrizenöffnung vollständig bzw.
nahezu vollständig
umgrenzen. Damit lässt
sich eine optisch und technisch hochwertige Außenkontur der tiefgezogenen
Bereiche des beim Fügevorgang
hergestellten Verbindepunkts realisieren. Durch die vollständige bzw.
nahezu vollständige Umgrenzung
der Matrizenöffnung
durch die Lamellenabschnitte kann z.B. eine geschlossene kreisförmige bzw.
viereckige Außenkontur
des Verbindungspunkts exakt ausgeformt werden. Außerdem kann damit
die Verbindungsqualität
im Verbindungspunkt verbessert werden, da beispielsweise ein definierter Kantenbereich
zwischen dem Auflageflächen
der Lamellenabschnitte und der Matrizenöffnung ausbildbar ist, was
für den
Tiefziehvorgang positiv ist.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Matrize zeichnet sich dadurch aus, dass die Festabschnitte außerhalb
eines Bereichs um die Fügeachse
ausgebildet sind, innerhalb dessen beim Fügevorgang sich breitendes Material
der Fügeteile
ausbildet. Damit kann das sich breitende Material ohne Beeinflussung
durch nahezu nicht nachgebende Matrizenteile frei breiten und ausbreiten,
wobei insbesondere das Kaltverpressen vorteilhaft bzw. gleichmäßig und hocheffektiv
erfolgen kann. Die Lamellenabschnitte werden dabei so bemessen,
dass diese bei geringsten durch sich breitendes Material auf die
Lamellenabschnitte wirkenden Kräften
nach außen
nachgeben und sich wegbewegen, z.B. schon bei Kräften auf die Lamellenabschnitte
bzw. Federelemente von wenigen Newton, z.B. 10 Newton.
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Eine
Modifikation des Erfindungsgedankens sieht vor, dass Aufnahmebereich
insbesondere an den Führungsabschnitten
für die
Lamellenabschnitte zur Aufnahme von auftretenden Verschmutzungen vorgesehen
sind. Durch insbesondere beim Fügevorgang
bzw. an den umzuformenden Fügeteilen
auftretende Verschmutzungen, die sich in der Regel nicht gänzlich vermeiden
lassen, ist es vorteilhaft, wenn beispielsweise Vertiefungen oder
Ausnehmungen im Matrizengrundkörper
bzw. anderen Matrizenteilen vorgesehen sind, in denen die Verschmutzungen
gesammelt werden und dort sich nicht negativ auf den Fügevorgang
bzw. auf die Matrizenfunktion auswirken können. Dabei ist besonders vorteilhaft,
wenn die Volumenbereiche an den Führungsabschnitten ausgebildet
sind, da an diesen es besonders wichtig ist, dass die aneinander
geführten
Flächen
der Lamellenabschnitte bzw. des Matrizengrundköpers von Verschmutzungen freigehalten
bleiben. Nur dann ist eine sichere Funktion der Matrize bzw. eine
funktionsgemäße Bewegung
der Lamellenabschnitte gewährleistet.
Da die Volumenbereich an den Führungsabschnitten
ausgebildet sind, kommt es vorteilhafterweise nahezu zwangsläufig bei
der Bewegung der Lamellenabschnitte zu einem Verdrängen von ggf.
an den Führungsabschnitten
kurzzeitig auftretenden Verschmutzungen in die dafür vorgesehenen Aufnahmebereiche.
Vorteilhafterweise liegen die Aufnahmebereiche entlang der Verschiebewege
der sich verschiebenden Lamellenaußenseiten, die in Ausgangslage
der Lamellenabschnitte an Bereich benachbarter Lamellenaußenseiten
angrenzen. Damit kann insbesondere ein wieder definiertes Zusammenfahren
der Lamellenabschnitte erhalten werden, ohne Behinderung durch dazwischen
verklemmte Verschmutzungen.
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Eine
zweckmäßige Ausgestaltung
des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass ein austauschbares Ambossteil
im Bereich der Matrizenöffnung
vorgesehen ist. Ein austauschbares Ambossteil kann vorteilhaft sein,
wenn hohe mechanische Belastungen am Amboss beim Fügevorgang
auftreten und ein erhöhtem
Verschleiß am
Amboss beobachtet wird. Daher kann es hilfreich sein, wenn von Zeit
zu Zeit der beanspruchte Amboss durch einen neuartigen Amboss einfach
austauschbar ist. Außerdem
kann durch einen austauschbaren Amboss die Matrize auf unterschiedliche
Fügeanforderungen
bzw. zu verbindende Fügeteile
genau abgestimmt werden. Denn insbesondere auch die Ausgestaltung
des Ambossteils bestimmt matrizenseitig die Ausbildung der Fügeverbindung.
Beispielsweise können
unterschiedliche Ambossteile mit jeweils zu einer Grundfläche der Matrizenöffnung unterschiedlich
stark erhöhter
Oberseite bzw. mit unterschiedlichen Anfasungen am Außenbereich
der Ambossoberseite eingesetzt werden. Es ist außerdem denkbar, dass auch Ambossteile, welche
bündig
zur Bodenfläche
der Matrizenöffnung positioniert
sind, eingesetzt werden. Durch unterschiedliche Ambossteile lässt sich
außerdem
eine individuelle Ringkanalgeometrie zwischen Lamellenabschnitten,
Bodenfläche
der Matrizenöffnung
und dem Ambossteil ausgestalten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Matrize
ist ein Matrizengrundkörper
als ein Einzelteil ausgebildet, an dem die Lamellenabschnitte auswechselbar
anbringbar sind. Durch einen als Einzelteil hergestellten Grundkörper kann
die Matrize gegenüber
herkömmlichen
mehrteiligen Matrizengrundkörpern
einfacher und preisgünstiger
hergestellt werden. Durch die auswechselbar anbringbaren Lamellenabschnitte
kann die vorgeschlagene Matrize darüber hinaus besonders effektiv und
flexibel eingesetzt werden. Beispielsweise kann mit einem baugleichen
Grundkörper
durch unterschiedliche Lamellenabschnitte ein und derselbe Grundkörper für unterschiedlichste
Einsatzzwecke ausgestattet werden.
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Darüber hinaus
kann am Grundkörper
ein Ambossbereich fest integriert oder ebenfalls auswechselbar ausgebildet
sein. Auch bei Beschädigung
oder Versagen eines Lamellenabschnitts bzw. zur Kontrolle, Reinigung
und dergleichen ist es vorteilhaft, wenn die Lamellenabschnitte
auswechselbar sind. Vorteilhafterweise können Rückstellelemente an den Lamellenabschnitten
bzw. an dem Matrizengrundkörper
ebenfalls auswechselbar sein.
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Des
Weiteren wird eine Matrize nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass elastische Rückstellelemente
vorgesehen sind, durch welche die Lamellenabschnitte nach innen
in Richtung zur Fügeachse
gezogen werden. Diese Anordnung ist sowohl geeignet für Matrizen,
bei denen neben Festabschnitten mit Auflageflächen für die Auflage der Fügeteile
auch bewegliche Lamellenabschnitte aufweisen, als auch für Matrizen,
bei denen ausschließlich
bewegliche Lamellenabschnitte zur Auflage der Fügeteile vorhanden sind. Durch
die elastische Rückstellung
durch Zugkraft kann besonders platzsparend, wie oben erläutert, insbesondere
beim Einsatz der Matrize für viele
hintereinander in kurzer Abfolge ablaufende Fügevorgänge, das nach außen Bewegen
und das anschließenden
Zurückbewegen
der Lamellenabschnitte einfach und effektiv sicher gestellt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Matrize
ist zur Positionierung der Lamellenabschnitte jedem Lamellenabschnitt
ein separates Rückstellelement
zugeordnet. Zur definierten Positionierung bzw. Anordnung der Lamellenabschnitte
am Matrizengrundkörper
mit einem separaten Rückstellelement
ist es möglich,
die zuverlässige Arbeitsweise
der Matrize deutlich zu verbessern. Wird beispielsweise die Beweglichkeit
eines Lamellenabschnitts durch Versagen eines Rückstellelements beeinträchtigt,
bleiben die anderen Lamellenabschnitte unbeeinflusst. Außerdem kann
ein Rückstellelement
für jeden
Lamellenabschnitt gesondert ersetzt, gereinigt bzw. geprüft werden.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die einzelnen Rückstellelemente
als Einzelteile ausgebildet sind. Es ist damit auch möglich, für jeden
Lamellenabschnitt gleichartige Rückstellelemente
oder aber auch unterschiedliche Rückstellelemente vorzusehen,
um beispielsweise die Rückstellung,
z.B. die Rückstellkraft
für jeden Lamellenabschnitt
unterschiedlich zu bemessen.
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Das
Rückstellelement
kann auf vielfältige
Art und Weise ausgestaltet sein, insbesondere als Zugfederelement
beispielsweise als Spiralfeder- bzw. Bandfederelement. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn als Rückstellelemente übliche Spiralfedern, beispielsweise
aus Federstahl, verwendet werden. Spiralfedern sind in unterschiedlichen
Ausgestaltungen handelsüblich
vorhanden und vergleichsweise preisgünstig. Mit solchen Standardzugfedern
sind je nach Ausgestaltung genau vorgebbare Federkräfte bzw.
Federwege z.B. für
eine gewünschte
Rückstellung
der Lamellenabschnitte auswählbar.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn jedes Rückstellelement
mit einem ersten Endabschnitt an dem zugeordneten Lamellenabschnitt
angreift und mit einem zweiten Endabschnitt nahe einer zentralen Stelle
im Matrizengrundkörper
festgelegt ist. Dies ermöglicht
eine besonders einfache und platzsparende Anbringung der Rückstellelemente.
Durch die Anbringung der Rückstellelemente
nahe einem zentralen Bereich im Matrizengrundkörper, kann außerdem auf
vergleichsweise engem Raum die Endabschnitte aller Rückstellelemente
zusammengeführt
werden. Diese hat verschieden Vorteile, beispielsweise kann in diesem
Bereich für
alle Rückstellelemente
die Befestigung eingerichtet, wieder gelöst bzw. überprüft werden. Dadurch lassen sich
insbesondere kompliziert gestaltete Matrizengrundkörper vermeiden.
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Vorteilhafterweise
sind die Rückstellelemente
im Matrizengrundkörper
unterhalb eines stempelseitigen Bereichs der Matrize geschützt untergebracht.
Beispielsweise können
dadurch die Rückstellelemente
beim Arbeitseinsatz räumlich
abgetrennt sein von einem stempelseitigen Bereich um die Matrize.
Durch die räumliche
Abtrennung können
Verschmutzungen bzw. Beschädigungen
an den Rückstellelementen durch
Einwirkungen beim Arbeitseinsatz im stempelseitigen Bereich um die
Matrize vermieden werden. Damit lässt sich die Lebensdauer der
Matrizen und deren Zuverlässigkeit
maßgeblich verbessern.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform des
Erfindungsgegenstandes ist eine Ausnehmung im Grundkörper vorgesehen,
in die ein Abschnitt des austauschbaren Ambossteils eingreift und
an welcher die Rückstellelemente
am Grundkörper
festgelegt sind. Durch die Ausnehmung im Grundkörper, insbesondere in einem
zentralen Bereich nahe der Fügeachse,
kann durch den entsprechend ausgebildeten Amboss eine Abdeckung
der Ausnehmung und damit ein gewisser Schutz nach außen erreicht werden.
Durch Abnehmen des Ambossteils kann der Bereich der Anbringung der
Rückstellelemente
am Grundkörper
zugänglich
gemacht werden bzw. wieder geschützt
werden. Der eingreifende Abschnitt des Ambossteils kann auch so
mit den Rückstellelementen
zusammenwirken, dass beim Fügevorgang der
Eingreifabschnitt die Rückstellelemente
in einer sicheren Position hält.
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Außerdem wird
eine Vorrichtung zum Durchsetzfügen
mit einem Stempelteil vorgeschlagen, die eine Matrize der oben beschriebenen
Ausgestaltung aufweist. Damit wird eine Vorrichtung bereitgestellt, welche
die oben genannten Vorteile aufweist, wobei das Stempelteil wie übliche Stempelteile
zum Durchsetzfügen
ausgebildet sein kann. Insbesondere ist für die erfindungsgemäße Vorrichtung
ein übliches Stempelteil
zum Durchsetzfügen
geeignet, wobei beispielsweise ein zylindrischer Stempel mit gleichbleibendem
Querschnitt, insbesondere ohne Absatz geeignet ist. Die Vorrichtung
kann für
ein einstufiges als auch für
ein mehrstufiges Durchsetzfügen
ausgebildet sein. Um die Haltekräfte
der Verbindung zu erhöhen,
können
Nieten, Bolzen oder sonstige Hilfsmittel im Verbindungsbereich mit
eingepresst werden.
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In
den schematisch dargestellten Figuren ist die Erfindung näher erläutert. Darin
werden weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung beschrieben.
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Hierbei
zeigen:
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1a eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Matrize;
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1b eine
Seitenansicht der Matrize aus 1a, teilweise
geschnitten, wobei Federelemente nicht dargestellt sind;
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2 eine
Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Matrize;
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3a eine
gebrochen und teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
beim Fügevorgang
von Blechteilen mit einer Matrize gemäß 1a und 1b;
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3b in
Seitenansicht den Amboss der in 3a gezeigten
Matrize;
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4a eine
Draufsicht auf ein Spiralfederelement, wie es in 3 dargestellt
ist; und
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4b das
Spiralfederelement aus 4a in Seitenansicht.
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Nachfolgend
werden in sämtlichen
Figuren dieselben Bezugszeichen für entsprechende Bauteile unterschiedlicher
Ausführungsformen
verwendet.
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1a zeigt
eine erfindungsgemäße Matrize 1 in
Draufsicht. Zum Durchsetzfügen
von in 1a nicht dargestellten Fügeteilen,
z.B. Blechteilen (siehe 3), werden
diese überlappend
auf die Matrize 1 aufgelegt. Hierfür sind definierte Auflageflächen ausgebildet,
die möglichst
großflächig sein
sollen, um insbesondere eine sichere Auflage bzw. Abstützung der
Fügeteile
zu erhalten. Die Matrize 1 weist einen Grundkörper 2 auf,
der an seiner Oberseite bzw. stempelseitig feste Auflagen 3 mit
festen Auflageflächen 3a zeigt.
Auf den Auflageflächen 3a liegen
die matrizenseitigen Blechteile während des gesamten Fügevorgangs
auf. Die Auflagen 3 sind am zylindrischen Grundkörper 2 an
dessen äußeren Bereich
beabstandet zu einer zentralen Längsachse
S des Grundkörpers 2 angeordnet.
Außerdem
weist die Matrize 1 vier ebenfalls regelmäßig um die
Längsachse
bzw. Fügeachse
S angeordnete bewegliche Lamellen 4 auf. Jede Lamelle 4 verfügt zur Auflage der
Fügeteile
jeweils über
eine Auflagefläche 4a.
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Der
in 1a gezeigte Zustand der Matrize 1 entspricht
dem Zustand vor dem Fügevorgang
bzw. vor dem Auflegen der zu verbindenden Blechteile, dies entspricht
im Hinblick auf die Lamellen 4 sozusagen einer "geschlossenen" Ausgangsstellung
der Matrize 1. Beispielhaft sind jeweils vier feste Auflagen 3 und
vier bewegliche Lamellen 4 um die Fügeachse S angeordnet. Die vier
Lamellen 4 umschließen
hier im Wesentlichen vollständig
einen zentralen Bereich einer zu den Auflageflächen 3a, 4a vertieften Matrizenöffnung 5,
deren Grundfläche
größtenteils von
einem Amboss 6 gebildet wird. Die Matrizenöffnung 5 stellt
ein Aufnahmevolumen zur Verfügung,
in welches beim Fügevorgang
die zu verbindenden Blechteile durch einen Stempel 7 (siehe 3) eingepresst werden. Der Stempel 7 ist
auf den jeweiligen Fügevorgang
bzw. auf die Matrizengeometrie bzw. die zu verbindenden Blechteile
genau abgestimmt. Jede Lamelle 4 weist eine zur Auflagefläche 4a abgewinkelte
Stirnfläche 4b auf,
welche die Matrizenöffnung 5 in
der 1a dargestellten Ausgangsstellung im Wesentlichen
radial begrenzen. Beim Fügevorgang
wird durch Materialfluss beim Breiten der zu verbindenden Blechteile
in der Fügeebene
eine in Bezug zur Fügeachse
S wirkende radiale Kraft auf die einzelnen Lamellen 4 ausgeübt. Jede
der vier Lamellen 4 kann dabei gegen eine Federkraft in
Bezug zur Fügeachse
S nach außen
ausweichen. Nach dem Fügevorgang
und der Entnahme der verbundenen Blechteile werden die Lamellen 4 durch
entsprechende Federmittel in die Ausgangsstellung gemäß 1a rückgestellt.
Die Bewegungsrichtungen der Lamellen 4 sind senkrecht bzw.
radial und gleichzeitig parallel zur Fügeachse S und wird in 1a bzw. 1b durch
Doppelpfeile P angedeutet.
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Das
Zurückweichen
der Lamellen 4 kann durch einen Radius r zwischen der Fügeachse
S und einem zu dieser nächstgelegenen
Punkt L auf der Stirnfläche 4b jeder
Lamelle 4 charakterisiert werden
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Der
Radius r ist am Ende des Fügevorgangs maximal,
wenn das sich breitende Material eine maximale Ausdehnung um die
Fügeachse
S erreicht hat, z.B. wird durch das Durchsetzfügen ein sogenannter Verbindungspunkt
erhalten, dessen Außengeometrie
das maximale Zurückweichen
der Lamellen bestimmt. In 1a ist
für die
Lamellen 4 ein Radius r zwischen Längsachse S und Lamellenpunkt
L zu entnehmen, der sich in Ausgangslage vor dem Fügevorgang
ergibt, z.B. wie gezeigt, wenn die Stirnflächen 4b an einem zu
einer Bodenfläche 2a des Grundkörpers 2 erhöhten Ambossrandabschnitt
anstehen. Durch Auseinanderfahren der Lamellen 4 beim Fügevorgang
wird der Radius r vergrößert. Er bleibt
aber in allen Phasen des Fügevorgangs
bei einem Wert, der kleiner ist, als ein unveränderbarer Radius R zwischen
der Fügeachse
S und einem relativ am nächsten
zur Fügeachse
S liegenden Punkt A der festen Auflagen 3.
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Die
festen Auflagen 3 bzw. der Punkt A sind so angeordnet,
dass durch die festen Auflagen 3 keinerlei Einfluss auf
das beim Fügevorgang
sich nach außen
breitende Material der Blechteile 8a, 8b ergibt. Die
festen Auflagen 3 dienen lediglich zur Abstützung der
Fügeteile.
Der radial am nächsten
zur Fügeachse S
liegende Punkt A jeder der festen Auflagen 3 wird so gewählt, dass
für die
jeweilige Verbindungsaufgabe ein Anstoßen von nach außen fließendem Material
der Blechteile 8a, 8b an die festen Auflagen 3 ausgeschlossen
werden kann.
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Dies
ist insbesondere deshalb von Vorteil, da hierdurch ein optisch ansprechender,
gleichmäßig ausgebildeter
Verbindungspunkt mit entsprechend homogenen Verbindungseigenschaften
in Umfangsrichtung realisiert wird.
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Die
Lamellen 4 sind bei ihrer Bewegung gemäß der Pfeile P merklich von
den festen Auflagen 3 seitliche deutlich beabstandet und
insbesondere nicht an den Auflagen 3 geführt. Dadurch
kann insbesondere eine Beeinträchtigung
der Lamellenbewegung durch gegebenenfalls zwischen Lamellen 4 und Auflagen 3 sich
verklemmende Verschmutzungen vermieden werden.
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Zur
Abführung
bzw. Aufnahme von Verschmutzungen, die sich störend auf den Fügevorgang
bzw. die Lamellenbewegung auswirken könnten, sind z.B. unterhalb
der Bodenfläche 2a des Grundkörpers 2 Schmutzkanäle 9 vorgesehen,
in welche Verschmutzungen hineinfallen können und somit sich nicht nachteilig
auf den Fügevorgang
bzw. die Wirkungsweise der Matrize 1 auswirken können.
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In 1b sind
im Teilschnitt unter Weglassung von Federmitteln die Lamellen 4 in
der Position gezeigt, die sich beim Fügevorgang z.B. bei einer maximalen
Aufspreizung nach außen
einstellen würde,
dann natürlich
in Zusammenwirkung mit Stempel und Fügeteilen.
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Daraus
wird auch deutlich, dass die Lamellen 4 mit einer Unterseite 4c auf
einer Gegenfläche der
Matrize 1 geführt
sind, hier beispielsweise die Bodenfläche 2a bzw. in 3 die Führungsfläche 11. Sowohl die
Gegenfläche 2a bzw. 11 als
auch die Unterseite 4c der Lamellen 4 sind in
Bezug zu einer Ebene senkrecht zur Fügeachse S nach außen schräg unter
einem geringen Winkel geneigt. Dies führt bei einem nach außen Fahren
der Lamellen 4 beim Fügevorgang
zu einem Absenken der Auflagefläche 4a unter
das Niveau der Auflagefläche 3a,
weg von der Unterseite des unteren Blechteils 8b, was genauer
in 3 erläutert ist.
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Ebenfalls
in 3 wird auch eine Federanordnung
beschrieben, für
welche im Grundkörper 2 bzw.
in den Lamellen 4 entsprechende Bohrungen 10 bzw. 4d ausgebildet
sind. Die vier Lamellen 4 sind in ihrer Ausgangsstellung
so angeordnet, dass sich die Matrizenöffnung 5 mit etwa
quadratischem Querschnitt ergibt. Mit dieser Anordnung lässt sich
ein Verbindungspunkt mit nahezu quadratischer Ausformung der Tiefziehgeometrie
realisieren.
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Für die Ausbildung
eines optisch ansprechenden runden Verbindungspunktes ist beispielsweise
die erfindungsgemäße Matrize 1 gemäß 2 geeignet.
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Der
Grundkörper 2 der
Matrize 1 ist auch hier im Wesentlichen von zylindrischer
Grundgestalt. Es sind außerdem
jeweils drei feste Auflagen 3 bzw. bewegliche Lamellen 4 vorgesehen.
Um eine möglichst gleichmäßige bzw.
großflächige Auflage
für die
aufzulegenden Blechteile zu erhalten, wird die Matrize 1 stempelseitig
großteils
von den Auflagefläche 3a gebildet.
Um einen gleichmäßigen runden
Verbindungspunkt zu realisieren, sind die Auflageflächen 4a der Lamellen 4 um
die Matrizenöffnung 5 vollständig geschlossen
in Ausgangsstellung ausgebildet. Dabei kann es ausreichend sein,
im Bereich zweier aneinander angrenzender Lamellen 4 diese
nur über
einen vergleichsweise schmalen Bereich angrenzend auszubilden.
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Die
prinzipielle Funktionsweise der Matrize 1 im Ausführungsbeispiel
gemäß 2 unterscheidet sich
nicht von der aus 1a und 1b.
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3 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht
einer Matrize 1 mit aufgelegten Blechteilen 8a, 8b und
mit dem zylindrischen Stempel 7, während des Fügevorgangs.
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Prinzipiell
kann der Stempel 7 auch konisch ausgebildet sein. In 3 ist der Zustand gezeigt, bei dem die
zu verbindenden Blechteile 8a, 8b zwischen dem
Stempel 7 und der Oberseite des Amboss 6 verquetscht
werden. Dabei wird Material nach außen verdrängt und das obere Blechteil 8a kann
das untere Blechteil 8b hintergreifen. Dabei werden die
Lamellen 4 durch sich breitendes Material, welches teils
gegen die Stirnflächen 4b der
Lamellen 4 drückt,
nach außen
gedrückt.
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Die
abgeschrägten
Unterseiten 4c der Lamellen 4 gleiten dabei auf
entsprechend schräg
verlaufenden Führungsflächen 11 des Grundkörpers 2. Zur
sicheren Führung
der Lamellen 4 entlang der Führungsflächen 11 bzw. zur Bereitstellung
einer gewissen Rückstellkraft
für die
beweglichen Lamellen 4 ist für jede Lamelle 4 jeweils
eine Spiralfeder 12 vorgesehen. Die Neigung der Führungsflächen 11 gegenüber einer
zur Fügeachse
S senkrechten Fläche ist
vergleichsweise gering, beispielsweise zwischen weniger als ca.
5 Grad und ca. 10 Grad.
-
Die
Lamellen 4 sind in ihrem oberen Bereich mit der Stirnfläche 4b gegenüber einem
nach unten sich anschließenden
Abschnitt in Richtung zur Fügeachse
S abgewinkelt ausgebildet, womit insbesondere Teile der Führungsflächen 11 zumindest
so weit überdeckt
werden können,
dass sich bei maximal nach außen
bewegten Lamellen 4 kein Spaltbereich zwischen der Matrizenoberseite
und den unterhalb davon liegenden Teilen im Grundkörper 2 ausbildet, z.B.
zum Schutz der Spiralfederanordnung gegen Verschmutzungen von der
Matrizenoberseite.
-
Die
Lamellen 4 können
zur besseren Führung
bzw. für
einen gewissen Halt gegen ein stempelseitiges Herausfallen entsprechend
ausgebildet sein, hier z.B. mit seitlichen Absätzen 4e am unteren
Ende der Lamellen 4.
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Die
Lamellen 4 sind in seitlich außen am Grundkörper 2 ausgebildeten
Ausnehmungen 13 untergebracht bzw. geführt, was einfach zu fertigen
und platzsparende ist. Die Ausnehmungen 13 am Grundkörper 2 sind
nach außen
offen, wodurch die Lamellen 4 radial nach außen in Bezug
zur Fügeachse
S ohne Anschlag beweglich sind. Ein Verklemmen bzw. Deformieren
der Lamellen 4 beim Fügevorgang
kann damit vermieden werden. Durch die zur Rückstellung geeigneten Spiralfedern 12 werden
die Lamellen 4, zusätzlich
zu den Ausnehmungen 13, sowohl senkrecht als auch parallel
zur Fügeachse
S definiert gehalten bzw. geführt.
Gegen Herausfallen können
die Lamellen 4 z.B. mit einem Ring oder einer Feder gesichert
sein.
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Der
Amboss 6 kann als auswechselbares Einzelteil mit einer
umlaufenden Anfasung 6b und einer Auflagefläche 6a ausgebildet
sein. Dies ermöglicht
es insbesondere, dass verdrängtes
Material der Blechteile 8a, 8b beim Verpressen
zwischen Stempel 7 und Amboss 6 in eine z.B. durchgängig ringförmig angeordnete
Vertiefung zwischen Auflagefläche 6a und
Lamellen 4 bzw. Führungsflächen 11 hineinfließen kann.
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In 3 ist deutlich zu erkennen, dass das untere
Blechteil 8b mit seiner Unterseite auf den Auflageflächen 3a der
festen Auflagen 3 aufliegt. Werden nun beim Fügevorgang
wie oben beschrieben die Lamellen 4 nach außen gedrückt, verlieren
die Lamellen 4 mit ihrer Auflagefläche 4a den Kontakt
zur Unterseite des unteren Blechteils 8b. Damit wird ein Spaltbereich
b zwischen der Auflagefläche 4a und der
Unterseite des unteren Blechteils 8b erhalten. Die Lamelle 4 bzw.
die Auflagefläche 4a bewegt
sich entlang der Führungsflächen 11 nach
unten und in Bezug zur Fügeachse
S radial nach außen.
Hiermit wird besonders vorteilhaft erreicht, dass beim Fügevorgang
die beweglichen Lamellen 4 bei ihrer Bewegung nach außen nicht
an dem unteren Blechteil 8b reiben. Hiermit lässt sich
ausschließen,
dass die Fügeteile
bzw. die Lamellen 4 nachteilig beeinflusst werden, insbesondere
beschädigt,
zerkratzt bzw. optisch beeinträchtigt
werden.
-
Außerdem kann
damit verhindert werden, dass beispielsweise durch ansonsten auftretender Abrieb
beim Fügen,
dieser sich gegebenenfalls negativ auf die Funktionsweise der Matrize 1 bzw.
der beweglichen Lamellen 4 auswirken kann.
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Durch
die Führung
der Lamellen 4 insbesondere entlang der Führungsflächen 11 ist
es vorteilhaft möglich,
dass bereits mit Beginn des Aufspreizens der Lamellen 4 durch
sich breitendes Material der Blechteile 8a, 8b die
gesamte Auflagefläche 4a jeder Lamelle
sich von der Unterseite des unteren Blechteils 8b wegbewegt
und komplett außer
Kontakt gelangt.
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Zum
weitergehenden Schutz der Spiralfedern 12 gegen Verschmutzungen
wie beispielsweise Öl,
Staub oder dergleichen können
diese in den Bohrungen 10 im Grundkörper 2 untergebracht
werden. Die Spiralfedern können über die
Bohrungen 4d der Lamellen 4 an diesen mit einem
Ende befestigt werden. Die Bohrungen 10 verlaufen im Wesentlichen senkrecht
zur Fügeachse
S unterhalb des Ambosses 6. Die Spiralfedern 12 können auf
unterschiedliche Weise im Grundkörper 2 fixiert
werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
gemäß 3a werden
die Spiralfedern 12 an deren anderem Ende mit Hilfe einer weiteren
Bohrung 14, mit einem kleineren Durchmesser als die Bohrung 10 im
Grundkörper 2 fixiert.
Die Bohrung 14 mit einem Durchmesser z.B. in etwa in der
Größe des Durchmessers
des Spiralfederdrahts, ist in der Bohrungsgrundfläche der
Bohrung 10 zentral angeordnet und nimmt einen Endabschnitt 12a (s.
insbesondere 4b) der Spiralfeder 12 auf.
Zur Montage der Spiralfeder 12 wird der Endabschnitt 12a durch
die Bohrung 14 hindurch gesteckt und umgebogen, womit die
Spiralfeder 12 mit ihrem einen Ende am Grundkörper 2 fixiert
ist. Das andere Ende der Spiralfeder 12 ist durch die Bohrung 4d an
den Lamellen 4 durchgesteckt angebracht. Hierfür ist die Spiralfeder 12 z.B.
mit ihrem vorderen Endabschnitt 12b durch eine doppelte
Umbiegung gegenüber
ihrem Spiraldurchmesser erweitert und liegt sicher an der Außenseite
der Lamelle 4 an. Damit können die Lamellen durch eine
Beaufschlagung mit einer Zugkraft zum Grundkörper herangezogen werden bzw. nach
der Bewegung nach außen
wieder durch Zugbeanspruchung in die Ausgangslage zurückgestellt werden.
Vorteilhafterweise kann mit den Spiralfedern 12 in der
Ausgangsstellung der Lamellen 4 auf diese eine definierte
Vorspannung zu deren sicheren Positionierung aufgebracht werden.
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Wie
gezeigt kann der Amboss 6 auf seiner der Matrizenöffnung 5 abgewandten
Seite mit einem Einsteckabschnitt, z.B. einem Stift 6c versehen
sein, der im zusammengebautem Zustand der Matrize 1 in eine
passende Bohrung 2b im Grundkörper 2 eingreift.
Damit kann der Amboss 6 zentriert und gesichert werden.
Insbesondere können
in der Bohrung 2b auch die Spiralfedern 12 im
Grundkörper 2 fixiert werden,
z.B. mit deren innerem Endabschnitt 12a, der darin umgebogen
festgehalten ist. Das Umbiegen der Endabschnitte 12a kann
z.B. durch den Stift 6c am Amboss 6 erfolgen,
insbesondere beim Zusammenbau der Matrize beim Anbringen des Amboss 6.
Außerdem
kann durch Abnehmen des Amboss 6 vom Grundkörper 2 die
Bohrung 2b zugänglich
gemacht werden, womit die Anbringstelle der Spiralfedern 12 gut
zugänglich
ist und z.B. die Spiralfedern 12 leicht ausgetauscht werden
können
bzw. die Anbringstelle überprüft oder
gereinigt werden kann.
-
- 1
- Matrize
- 2
- Grundkörper
- 2a
- Bodenfläche
- 2b
- Bohrung
- 3
- Auflage
- 3a
- Auflagefläche
- 4
- Lamelle
- 4a
- Auflagefläche
- 4b
- Stirnfläche
- 4c
- Unterseite
- 4d
- Bohrung
- 4e
- Absatz
- 5
- Matrizenöffnung
- 6
- Amboss
- 6a
- Auflagefläche
- 6b
- Anfasung
- 6c
- Stift
- 7
- Stempel
- 8a
- oberes
Blechteil
- 8b
- unteres
Blechteil
- 9
- Schmutzkanal
- 10
- Bohrung
- 11
- Führungsflächen
- 12
- Spiralfeder
- 12a
- Endabschnitt
- 12b
- Endabschnitt
- 13
- Ausnehmung
- 14
- Bohrung