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Dokumentenidentifikation DE102004033228B4 21.06.2007
Titel Matrize und Vorrichtung zum Durchsetzfügen
Anmelder Kern, Manfred, 88271 Wilhelmsdorf, DE
Erfinder Kern, Manfred, 88271 Wilhelmsdorf, DE
Vertreter Patentanwälte Eisele, Dr. Otten, Dr. Roth & Dr. Dobler, 88212 Ravensburg
DE-Anmeldedatum 08.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004033228
Offenlegungstag 02.02.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2007
IPC-Hauptklasse B21J 15/38(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Matrize und Vorrichtung zum Durchsetzfügen gemäß Anspruch 1, 10 und Anspruch 15.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1, 10 und 15 gelöst.

Mit den in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung möglich.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In den schematisch dargestellten Figuren ist die Erfindung näher erläutert. Darin werden weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung beschrieben.

Hierbei zeigen:

1a eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Matrize;

1b eine Seitenansicht der Matrize aus 1a, teilweise geschnitten, wobei Federelemente nicht dargestellt sind;

2 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Matrize;

3a eine gebrochen und teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, beim Fügevorgang von Blechteilen mit einer Matrize gemäß 1a und 1b;

3b in Seitenansicht den Amboss der in 3a gezeigten Matrize;

4a eine Draufsicht auf ein Spiralfederelement, wie es in 3 dargestellt ist; und

4b das Spiralfederelement aus 4a in Seitenansicht.

Nachfolgend werden in sämtlichen Figuren dieselben Bezugszeichen für entsprechende Bauteile unterschiedlicher Ausführungsformen verwendet.

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.

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.

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

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.

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.

Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, da hierdurch ein optisch ansprechender, gleichmäßig ausgebildeter Verbindungspunkt mit entsprechend homogenen Verbindungseigenschaften in Umfangsrichtung realisiert wird.

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.

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.

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.

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.

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.

Für die Ausbildung eines optisch ansprechenden runden Verbindungspunktes ist beispielsweise die erfindungsgemäße Matrize 1 gemäß 2 geeignet.

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.

Die prinzipielle Funktionsweise der Matrize 1 im Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich nicht von der aus 1a und 1b.

3 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht einer Matrize 1 mit aufgelegten Blechteilen 8a, 8b und mit dem zylindrischen Stempel 7, während des Fügevorgangs.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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


Anspruch[de]
Matrize (1) zum Durchsetzfügen, die beim Fügevorgang mit einem Stempelteil (7) zusammenwirkt, wobei beim Fügevorgang die Matrize (1) und/oder das Stempelteil (7) entlang einer Fügeachse (S) zueinander bewegbar und zwischen dem Stempelteil (7) und der Matrize (1) umzuformende Fügeteile (8a, 8b) für den Fügevorgang anordenbar sind, mit auf einer dem Stempelteil (7) zugewandten Seite der Matrize (1) um eine Matrizenöffnung (5) angeordneten Lamellenabschnitten (4), die Auflageflächen (4a) aufweisen, welche im Laufe des Fügevorgangs zumindest teilweise zur Auflage der Fügeteile (8a, 8b) dienen, wobei die Lamellenabschnitte (4) durch sich breitendes Material der Fügeteile (8a, 8b) beim Fügevorgang sich weg von der Fügeachse (S) nach außen verschieben können, dadurch gekennzeichnet, dass an der Matrize (1) Festabschnitte (3) mit Auflageflächen (3a) für die Auflage der Fügeteile (8a, 8b) vorgesehen sind und die Lamellenabschnitte (4) derart angeordnet sind, dass sich die Auflageflächen (4a) der Lamellenabschnitte (4) unter das Niveau der Auflageflächen (3a) der Festabschnitte (3) bewegen, wenn sich die Lamellenabschnitte (4) nach außen verschieben. Matrize nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen (4a) der Lamellenabschnitte (4) und die Auflageflächen (3a) der Festabschnitte (3) zu Beginn des Fügevorgangs im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen. Matrize nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Führungsabschnitte als in Bezug zu einer Ebene senkrecht zur Fügeachse (S) geneigte Führungsflächen (11) ausgebildet sind, entlang derer sich die Lamellenabschnitte (4) nach außen bewegen können. Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rückstellelemente (12) so ausgebildet sind, dass die Lamellenabschnitte (4) nach innen gezogen werden. Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen (4a) der Lamellenabschnitte (4) im nicht auf gespreizten Zustand die Matrizenöffnung (5) vollständig bzw. nahezu vollständig umgrenzen. Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festabschnitte (3) außerhalb eines Bereichs um die Fügeachse (S) ausgebildet sind, innerhalb dessen beim Fügevorgang sich breitendes Material der Fügeteile (8a, 8b) ausbildet. Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Aufnahmebereiche (9) insbesondere an den Führungsabschnitten für die Lamellenabschnitte zur Aufnahme von auftretenden Verschmutzungen vorgesehen sind. Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein austauschbares Ambossteil (6) im Bereich der Matrizenöffnung (5) vorgesehen ist. Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Matrizengrundkörper (2) als ein Einzelteil ausgebildet ist, an dem die Lamellenabschnitte (4) auswechselbar angebracht sind. Matrize nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass elastische Rückstellelemente (12) vorgesehen sind, durch welche die Lamellenabschnitte (4) nach innen in Richtung zur Fügeachse (S) gezogen werden. Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Lamellenabschnitt (4) ein separates Rückstellelement (12) zugeordnet ist. Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rückstellelement (12) mit einem ersten Endabschnitt (12b) an dem zugeordneten Lamellenabschnitt (4) angreift und mit einem zweiten Endabschnitt (12a) nahe einer zentralen Stelle im Matrizengrundkörper (2) festgelegt ist. Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellelemente (12) im Matrizenrundkörper (2) unterhalb eines stempelseitigen Bereichs der Matrize (1) geschützt untergebracht ist. Matrize nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundkörper (2) eine Ausnehmung (2b) vorgesehen ist, in die ein Abschnitt (6a) eines austauschbaren Ambossteils (6) eingreift und an welcher die Rückstellelemente (12) am Grundkörper (2) festgelegt sind. Vorrichtung zum Durchsetzfügen mit einem Stempelteil (7) und einer Matrize (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.






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