DE19714129A1

DE19714129A1 - Fügeverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE19714129A1
Application number: DE19714129A
Authority: DE
Inventors: Hanns-Peter Prof Dr Ing Liebig; Jan Dr Ing Bober; Jens Dipl Ing Jacobsen; Timm Dipl Ing Kuehne
Original assignee: Eckold GmbH and Co KG; Walter Eckold GmbH and Co KG Vorrichtungs und Geraetebau
Current assignee: Eckold GmbH and Co KG; Walter Eckold GmbH and Co KG Vorrichtungs und Geraetebau
Priority date: 1997-04-05
Filing date: 1997-04-05
Publication date: 1998-10-15
Also published as: EP0934132B1; ES2179494T3; PT934132E; DE59804575D1; JP2000511470A; ATE219708T1; WO1998045065A1; CA2257251A1; EP0934132A1; RU99100054A; CN1222872A; DK0934132T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren nach dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1 und eine zu seiner Durchführung bestimmte Vorrichtung.

Bei den bekannten Vorrichtungen und Verfahren dieser Gattung wird das Material der zu fügenden Bleche lokal durchgesetzt und das durchgesetzte Material zwischen einem Stempel und einem Amboß, der Bereich einer Ma trize ist, gestaucht, wobei es seitlich fließt, wodurch die formschlüs sige Fügung gebildet wird.

Werden auf diese Art Bleche aus zur besonderen Kaltverfestigung neigen den Metallen, wie austenitische Stähle, hochlegierte Edelstähle, Titan usw. oder bereits vorverfestigten Metallen, z. B. höherfeste Stähle, ge fügt, müssen von Stempel und Matrize und den sie abstützenden Werkzeug aufnahmen einer Presse vergleichsweise große respektive sehr große Kräf te aufgenommen werden, die schon nach einer relativ geringen Anzahl von Fügevorgängen zum Versagen der Werkzeuge führen; arbeitet man mit gerin geren Fügekräften, ist die für das Tragverhalten der Fügungen notwendige Festigkeit unzureichend. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Bleche beim Fügen nicht eingeschnitten werden, um gasdichte Fügungen herzustel len. Wegen der geringen Standmenge der Werkzeuge ist daher das Durch setzfügen von Blechteilen aus solchen Materialien wenig wirtschaftlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fügeverfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem mit relativ geringeren Umformkräften gleichwohl eine ausreichend feste Fügung herstellbar ist. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 1, wonach beim Fügen insbesondere von zur besonderen Kaltverfestigung neigendem Material der Umgebungsbereich der Fügung vor und während des Fügens mit einer so großen Kraft geklemmt wird, die ausreicht, um das Material auf eine Un terlage (hier die Matrize) zu pressen, mit der Folge, daß das zu fügende Material nicht mehr entgegen der Wirkrichtung des Stempels fließen kann. Die eingeleitete Stauchkraft wird also ausschließlich für die Bildung des Formschlusses aufgewandt. Dabei ist es aus der EP-B-0 546 270 be kannt, beim Fügen von sprödem Material dieses vor dem Durchsetzen einer Druckbelastung zu unterwerfen, um Sprödbruch zu vermeiden. Bei dem Ver fahren nach Anspruch 1 hingegen wird erreicht, daß in vorteilhafter Wei se eine hinreichend feste Fügung auch dann resultiert, wenn unter Scho nung der Werkzeuge der notwendige Umformgrad des Materials unter verrin gerter Krafteinleitung ermöglicht wird. Damit wird insbesondere bei zur besonderen Kaltverfestigung neigenden oder bereits vorverfestigten Mate rialien (auf die freilich die Erfindung nicht beschränkt ist) das Durch setzfügen wirtschaftlich, weil die Zahl der mit einem Werkzeugsatz aus führbaren Fügungen sich erheblich vergrößert.

Diese Wirkung läßt sich noch steigern, wenn Stempel und Amboß zumindest im Bereich ihrer einander zugekehrten Wirkflächen, zwischen denen das Material gestaucht wird, aus Hartmetall bestehen.

Das Fügen erfolgt mittels eines Stempels und eines Amboß', wobei der Am boß zentraler Bereich einer Matrize ist, die neben dem Amboß noch den Formhohlraum für die das Durchsetzen begrenzenden, beim Stauchen auswei chenden Matrizenelemente aufweist; auf diese Matrizenelemente wird dann das Material der Bleche gepreßt, und zwar vorzugsweise mittels eines den Stempel umschließenden Elements ähnlich einem Niederhalte- und Abstreif element, wie es an sich üblich ist, das jedoch erfindungsgemäß mit einem Mehrfachen der bisher üblichen Kräfte belastet wird. Ein Richtwert für die in dieses Element eingeleitete Kraft ist 3000 N, wenn z. B. Edel stahlbleche gefügt werden. Die Wirkfläche dieses Niederhalteelements wird dann hinreichend groß bemessen, daß die resultierende Druckbela stung nicht zu einer plastischen Deformation des geklemmten Materials führen kann, und möglichst klein, um auch an schlecht zugänglichen Stel len fügen zu können.

Es wurde gefunden, daß die Ergebnisse sich noch verbessern lassen, wenn die Blechteile bei gegenüber der Umgebung bzw. den Werkzeugen erhöhter Temperatur gefügt werden; dabei ergibt eine Temperaturdifferenz von 10°C bis 50°C bei gleicher Fügekraft bereits eine Verbesserung des Trag verhaltens der Fügung, oder bei gleichem Tragverhalten wie bei Umge bungstemperatur hergestellten Fügeelementen läßt sich die Fügekraft um bis zu 15% absenken.

Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung sind in den beigefüg ten Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend im einzelnen be schrieben.

Ein Fügewerkzeugsatz besteht aus einem Stempel und einer Matrize, wobei der Amboß im Zentrum der Matrize sitzt und der Formhohlraum, in den hin ein durchgesetzt wird, von auf dem Amboß abgestützten Elementen begrenzt wird, die vorzugsweise während des Stauchens ausweichen können. Ein sol cher Werkzeugsatz ist beispielsweise in EP-A-0 330 061 offenbart. In den Zeichnungen sind nur die erfindungswesentlichen Teile, also Stempel und Amboß, dargestellt.

Fig. 1 zeigt den Stempel in teilgeschnittener Seitenansicht,

Fig. 2 ist eine Draufsicht von unten des Stempels,

Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Amboß',

Fig. 4 ist eine Draufsicht von oben auf den Amboß, und

Fig. 5, 6 und 7 sind vergrößerte Seitenansichten des in Fig. 3 mit strichpunktiertem Kreis markierten Bereichs in drei Varianten.

Der Stempel umfaßt einen Stift 10 aus einem ersten Material, nämlich Hartmetall, eingepreßt in einen Grundkörper 12 aus einem zweiten Materi al, das weniger hart, aber dafür zäher ist als das erste Material. Be vorzugt ist als zweites Material vergüteter Werkzeugstahl. Das Hartme tall kann eine Vickershärte von 1700 HV 30 haben, während der Kaltar beitsstahl eine Rockwellhärte von 55 ± 3 HRc aufweist.

Die Teilumfangsnuten 14 dienen dem Werkzeugschnellwechsel und spielen für die vorliegende Erfindung keine Rolle. An seinem der Arbeitswirkflä che 16 abgekehrten Ende stützt sich der Stempel auf einer Platte 18 vor zugsweise aus demselben Material wie Stift 10 ab, die sich ihrerseits in einer Werkzeugaufnahme einer Presse abstützt; die Querabmessungen der Platte sind so gewählt, daß die auf die Werkzeugaufnahme wirkende Bela stung von dieser ohne Bruchgefahr aufgenommen werden kann. Das Wirkende des Stempels ist von einem Niederhalte- und Abstreifelement 20 umfaßt, das sich über Federn 22 abstützt, wie dies beim Stand der Technik be kannt ist. Über dieses Element 16, das den Stempel möglichst eng, jedoch mit Gleitsitz umschließt, und die Federn 22 werden nun die erfindungsge mäßen Klemmkräfte eingeleitet, die das Element 20 so kräftig auf die Ma trize pressen, daß das Blechmaterial rings um den Stempel fest einge spannt wird und so verhindert, daß das Material des stempelseitigen Blechs während des Stauchens nach oben, also entgegen der Wirkrichtung des Stempels, fließen kann. Bereits vor dem Beginn des Durchsetzens ist das stempelseitige Blech geklemmt, so daß auch keine Verbiegung der Ble che während des Durchsetzens befürchtet werden muß.

Die Matrize 24 ist ähnlich aufgebaut wie der Stempel: ein Amboßstift 26 aus Hartmetall ist in einen Grundkörper 28 aus zäherem Material einge preßt; die Materialpaarung kann wie bei dem Stempel gewählt werden. Der Grundkörper weist an seiner dem Stempel zugekehrten Seite Schrägflächen 30 auf, auf denen sich Matrizenelemente (nicht dargestellt) abstützen, die sich federvorgespannt an den Stift 26 anlegen und zusammen mit der Wirkfläche 32 des Amboß' den Matrizenhohlraum begrenzen. Auch der Amboß stützt sich über eine Platte 34 an einer Werkzeugaufnahme ab; das oben zu der Platte 18 Gesagte gilt sinngemäß auch für Platte 34.

Um der Gefahr vorzubeugen, daß der Stift 26 - oder auch der Stift 10 - am Rand unter hoher Druckbelastung ausbricht, ist er mit einer umlau fenden Fase versehen, deren Querschnittsform, wie in Fig. 5 bis 7 darge stellt, variabel sein kann: abgerundet (Fig. 5), flach abgeschrägt (Fig. 6) oder doppelt abgeschrägt (Fig. 7). Diese Fase begünstigt auch den Ma terialfluß.

Die einander zugekehrten Wirkflächen von Stempel und/oder Amboß sind mit einem das Fließen des zu fügenden Materials begünstigenden Oberflächen finish versehen, wie an dem sternförmigen Schliffbild in Fig. 2 und 4 erkennbar.

Claims

1. Verfahren zum Durchsetzfügen von übereinanderliegenden Blech teilen, bei dem mittels eines Stempels und einer Matrize lokal durchge setztes Material der Blechteile durch Stauchen unter Werkstofffließen gefügt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügestelle umgebendes Mate rial vor dem und während des Fügens gegen die Matrize mit einer Kraft geklemmt wird, die ausreicht, Werkstofffließen entgegen der Wirkrichtung des Stempels zu verhindern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Klemmkraft zu Beginn des Fügevorgangs in der Größenordnung von 3000 N bemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Blechteile gegenüber der Umgebungstemperatur erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechteile auf eine 10°C bis 50°C höhere Temperatur als die Umgebungs temperatur gebracht werden.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vor angehenden Ansprüche, bei der die Matrize einen Amboß (24) umfaßt und das lokal durchgesetzte Material zwischen einander zugekehrten Wirkflä chen (16, 32) von Stempel und Amboß gestaucht wird, dadurch gekennzeich net, daß der Amboß und vorzugsweise auch der Stempel zumindest im Be reich ihrer Wirkflächen aus Hartmetall bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß und/oder der Stempel einen die Wirkfläche aufweisenden Stift (10, 26) aus Hartmetall, eingepreßt in einen Grundkörper (12, 28) aus anderem Material, umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkfläche (16, 32) von Amboß und/oder Stempel mit einer Um fangsfase versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfase abgerundet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfase einen Dreieckquerschnitt aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfase eine eine Abrundung approximierende abknickende Quer schnittsform aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die dort genannten Werkzeugteile aus Hartmetall oder aus anderen Werkstoffen, die zumindest die gleichen aufgabenbezogenen Eigen schaften aufweisen, hergestellt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß das Hartmetall eine Vickershärte von 1700 HV 30 oder mehr aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder einem der Ansprüche 7 bis 12, soweit auf Anspruch 6 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß das Mate rial des Grundkörpers vergüteter Werkzeugstahl ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder einem der Ansprüche 7 bis 13, soweit auf Anspruch 6 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß das Mate rial des Grundkörpers eine Rockwellhärte von 55 + 3 HRc aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, gekennzeichnet durch eine Druckplatte (18, 34), über die die Druckbelastung von Amboß und/oder Stempel in eine Werkzeugaufnahme eingeleitet wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte aus Hartmetall besteht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte aus dem gleichen Material besteht, aus dem Amboß und/oder Stempel im Bereich ihrer Wirkfläche bestehen.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wirkflächen von Amboß und/oder Stempel mit einem den Werkstofffluß begünstigenden Oberflächenfinish versehen sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, daß der Stempel von einer Preßplatte (20) umschlossen ist, mittels der die Klemmkraft in die Blechteile eingeleitet wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßplatte von die Klemmkraft speichernden Federn (22) abgestützt ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stempel und der Preßplatte ein Abstand vorgesehen ist, der 0,1 . . . 1 mm beträgt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 6 und Anspruch 21, dadurch gekenn zeichnet, daß die Preßplatte am Grundkörper geführt ist.