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Dokumentenidentifikation DE102004045265B4 31.08.2006
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Verbindung mindestens zweier flächiger Werkstücke
Anmelder Institut für Füge- und Oberflächentechnik GmbH, 01968 Senftenberg, DE
Erfinder Semar, Detlef, 01998 Klettwitz, DE;
Posselt, Peter, 01968 Brieske, DE
Vertreter Hanelt, H., Ing. Dipl.-Ing. Faching. f. Schutzrecht., Pat.-Anw., 03055 Cottbus
DE-Anmeldedatum 17.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004045265
Offenlegungstag 30.03.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.08.2006
IPC-Hauptklasse B21D 39/03(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbindung mindestens zweier flächiger Werkstücke gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 4 und ist besonders geeignet, Flächen aus Werkstoffen, die unter Druck- und Wärmeeinwirkung fließfähig werden, mit Verbindungselementen zur verbinden.

Karosserieteile sowie andere Blechformteile werden vielfach durch Punktschweißtechnik miteinander verbunden. Neben der Gefahr, dass durch dabei auftretende Schweißfunken Verunreinigungen der Oberfläche auftreten, hat dieses Verfahren jedoch einige Nachteile insbesondere, wenn andere Materialien als herkömmliche Stahlbleche zur Verwendung kommen.

Beim Einsatz von verzinkten Blechen wird die Verzinkung im Bereich der Schweißstelle zerstört und dadurch die Korrosionsanfälligkeit erhöht. Für Aluminium ist noch kein geeignetes Punktschweißverfahren bekannt.

Um solche Materialien miteinander zu verbinden, wurde deshalb eine Anzahl alternativer Verbindungsarten entwickelt.

So ist beispielsweise in der DE 19741562 A1 ein Verfahren zum Befestigen, insbesondere Verstemmen, eines Bauteils an einen Träger beschrieben, bei dem das Bauteil auf eine am Träger vorgesehene umlaufende Stufe aufgelegt wird. Dabei wird auf der von der Stufe abgewandten Seite des Halteelements Trägermaterial über das Halteelement gedrückt. Um auch Bauteile mit Funktionsaufgaben, die nicht verformt oder beschädigt werden dürfen, sicher an einem Träger befestigen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verformung der Wand so durchgeführt wird, dass das Trägermaterial im Wandbereich abschnittsweise nacheinander über das Halteelement gedrückt wird.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden aufeinanderliegender dünner Platten oder Plattenabschnitte durch Tiefziehfügen wird auch in der DE 3726392 A1 beschrieben. Hierbei wird durch einen Stempel ein Nocken tiefgezogen, dessen Boden zu einer vorspringenden Wölbung frei ausgeformt wird. Diese Wölbung wird anschließend durch einen gegengerichteten Stauchhub flachgestaucht, wobei der Nocken vorzugsweise in einen seitlichen Freiraum unter Biegung der Nockenseitenwände breitgeformt wird. Der Nockenboden kann nach dem Breitstauchen noch gegen den Tiefziehstempel nachgequetscht werden. In der DE 0215449 C wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Verbinden aufeinanderliegender dünner Platten, insbesondere von Blechen oder Plattenabschnitten vorgestellt, gemäss dem übereinanderliegende Flächenteile beider Platten zuerst miteinander tiefgezogen werden, wonach der Bodenbereich der tiefgezogenen Flächenteile breitgequetscht wird und wobei die radiale Ausdehnung des Bodenbereichs dieser tiefgezogenen Flächenteile begrenzt wird, wodurch eine plastische Verformung des Plattenmaterials besonders im Randbereich erfolgt, so dass ein Fügepunkt entsteht. Durch eine im Randbereich des Bodens der Sacköffnung des Gesenks vorhandene Sicke wird das Ineinanderfließen des gequetschten Materials an den zu verbindenden Stellen und damit die Clinchfestigkeit verbessert.

Die in der DE 14 52 20 C beschriebene Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zum Verbinden zweier Teile zu schaffen, bei dem in einem Arbeitsgang die Teile miteinander verbunden werden, wobei darüber hinaus die Nachteile des bekannten Standes der Technik umgangen werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass beim Ziehen des rohrförmigen Ansatzes des ersten Teiles durch die Öffnung des zweiten Teiles das ziehfähige Material des ersten Teiles stark abgestreckt wird und dabei radial nach außen drängt, so dass es am Austrittsende der Öffnung im zweiten Teil radial nach außen fließt, wobei es um die Kante der Öffnung herumgreift und einen Wulst bildet.

Ein alternatives Verfahren zu den zuvor erwähnten Verklammerungsverfahren ist die punktweise Verbindung durch Einsatz von Fließbohrwerkzeugen. Die DE 196 34 417 C2 beschreibt ein Verfahren zur Verbindung mindestens zweier dünnwandiger Werkstücke. Um auf einfache und kostengünstige Weise eine Festigkeitserhöhung derartiger Verbindungen zu erreichen, schlägt diese Erfindung vor, an den Stellen, an denen die Werkstücke miteinander verbunden werden sollen, jeweils eine sich durch beide Werkstücke hindurch erstreckende Bohrung mit Hilfe eines Fließformwerkzeuges einzubringen. Dadurch wird erreicht, dass im Übergangsbereich zwischen den beiden Werkstücken aufgrund der durch das Fließbohren erzeugten Hitze eine lokale Verschweißung der Werkstücke auftritt, die noch durch eine zusätzliche Schraube gesichert werden kann. Dabei wird entweder vor dem Einbringen der Fließbohrung in das dem Fließformwerkzeug zugewandten ersten Werkstück in dieses eine Ausnehmung eingebracht, die einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des Fließformwerkzeuges, oder vor dem Einbringen der Fließbohrung in das dem Fließformwerkzeug zugewandte erste Werkstück wird dieses derart erwärmt, dass es in dem Bereich der einzubringenden Bohrung mindestens einen teigigen Zustand aufweist.

Die hierbei angewendeten Verfahren unterscheiden sich vielfach durch die Geometrie der Fließbohrwerkzeuge. Die FR 1189384 zeigt eine Fließbohrergeometrie zur Erzeugung von Löchern in dünne Bleche und Rohre. Der Fließbohrer hat eine quadratische Form mit abgerundeten Ecken und läuft spitz zu.

In der NL 74 15 559 A ist eine dreieckig-polygone Fließbohrerform und zum anderen eine Vorrichtung zum Aushalsen von Rohren beschrieben. Bohrer und Vorrichtung sind auch in Kombination erwähnt. Der Fließbohrer erzeugt das Loch im Rohr, ein oberhalb des Bohrers angeordneter Mechanismus verbreitert das Werkzeug innerhalb des Rohres. Rotierend wird das Werkzeug zurückgezogen, erzeugt einen Materialfluss nach außen und verbreitert die Bohrung.

Auch in der NL 160499 C wird eine Fließbohrerform mit dreieckigpolygonem Querschnitt vorgeschlagen. Der hier gezeigte Bohrer läuft spitz zu. Das Patent EP 0057039 A1 beschreibt eine Fließbohrergeometrie zur Erzeugung von Löchern in dünnen Blechen und Rohren. Ziel ist die Erzeugung eines Materialflusses in und entgegengesetzt zur Bohrervorschubrichtung. Der hier verwendete Fließbohrer hat eine viereckig-polygone Form und läuft ebenfalls spitz zu.

Eine verbesserte Ausführung eines Reibkörpers, bei der dieser mit einer zusätzlichen Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung versehen ist, wird in der DE 197 16 431 A1 vorgestellt. Auch dieses Werkzeug erfordert, dass der erzeugte Durchzug mit einem weiteren Werkzeug von der Gegenseite bearbeitet wird.

Die Verbindung in den zuvor beschriebenen Verfahren erfolgt teilweise durch lokale Verschmelzung im Bereich der Bohrungen und wie in der DE 196 34 417 C2 beschrieben zum Teil durch zusätzliche Nieten und Schrauben.

Aus der DE 198 10 367 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Durchzugs durch einen Stapel aus mindestens zwei plattenförmigen Werkstücken bekannt, bei dem mittels eines Durchzugsstempels, der im wesentlichen senkrecht durch den Stapel geführt wird, Material des einen, dem Durchzugsstempel zugewandten, plattenförmigen Werkstückes durch eine Öffnung des anderen plattenförmigen Werkstückes durchgezogen wird. Dabei wird mit einer einzigen Zustellbewegung des Durchzugsstempels sowohl der Durchzug als auch die Öffnung an dem anderen, in Zustellrichtung des Durchzugsstempels hinteren, plattenförmigen Werkstück gebildet, indem das dem Durchzugsstempel abgewandte plattenförmige Werkstück von einer Matrize derart abgestützt wird. Beim Einführen des Durchzugsstempels in den Stapel aus dem hinteren plattenförmigen Werkstück wird ein Materialstück ausgebrochen, dessen Außenkontur im wesentlichen der Außenkontur des Durchzugs entspricht.

Am Ende der Zustellbewegung des Durchzugsstempels ragt der Durchzug über die in der Matrize zugewandten Fläche des hinteren plattenförmigen Werkstückes hinaus.

Anschließend wird der Durchzug vorzugsweise mittels eines Bördelstempels, der von einer dem Durchzugsstempel gegenüberliegenden Seite der Werkstücke zugestellt wird, umgebördelt, wobei nach einem Umbördeln die Außenfläche des Durchzugs zumindest abschnittsweise auf der Außenfläche des hinteren Werkstückes aufliegt, sodass eine Nietverbindung entsteht. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass die Werkzeuge von beiden Seiten des Werkstückes heran geführt werden müssen.

Nachteilig sowohl beim Punktschweißen, als auch bei in den zuvor beschriebenen Verfahren zur Verbindung mit Fließbohrern, oder zur Verklammerung ist es vor allem, dass in der Regel Werkzeuge notwendig sind, die von beiden Seiten an die Werkstücke herangeführt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit dem flächige Körper sowohl aus gleichartigen als auch aus teilweise unterschiedlichen Materialien verbunden werden können. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei dem der Zugriff auf die Werkstücke lediglich von einer Seite notwendig ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Ansprüche 2 und 3 zeigen verschiedene Gestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann den Merkmalen des Anspruchs 4 entnommen werden.

Zur Durchführung des Verfahrens werden mindestens zwei flächige Werkstücke aus Werkstoffen, die unter Druck- und Wärmeeinwirkung fließfähig sind so, wie sie verbunden werden sollen, zueinander positioniert. An den vorgesehenen Verbindungspunkten wird jeweils ein rotierender konischer Reibkörper, insbesondere ein Fließbohrer, unter Einwirkung einer in Richtung des Werkstückes gerichteten Kraft auf die Oberfläche des Werkstückes aufgesetzt. Durch die Reibungswärme wird das Werkstück auf seine Fließtemperatur aufgeheizt, so dass der Reibkörper unter Fortführung der Rotation in die Werkstücke so weit hinein gepresst werden kann. Dabei wird Druck, Vorschub und Drehzahl so gesteuert, dass aus dem verdrängten Material zumindest des einen Werkstückes ein das zweite Werkstück durchdringender zylindrischer Verbindungskörper gebildet wird. Nach Ausbildung der Durchzüge wird die Bewegungsrichtung des Reibkörpers so geändert, dass der aus dem zweiten Werkstück herausragende Teil beider Durchzüge zu einer auf der Oberfläche des zweiten Werkstückes aufliegenden Wulst umgeformt wird.

Hierbei ist es insbesondere im Sinne der Erfindung, wenn der Reibkörper nach Erreichen der Fließtemperatur beide Werkstücke vollständig durchdringt und der Verbindungskörper auf der Austrittsseite ausgebildet wird. Dieser zylindrische Körper, der sich aus den verdrängten Materialien beider Werkstücke gebildet hat, wird in einem zweiten Schritt durch eine geänderte Bewegung des Reibkörpers und eine an diesem vorhandene Schulter ausgeweitet und zu einer auf der Austrittsseite aufliegenden Wulst ausgeformt.

Es ist aber auch im Sinne der Erfindung, wenn der Reibkörper nach Erreichen der Fließtemperatur das in Aufsetzrichtung erste Werkstücke vollständig durchdringt und der Verbindungskörper durch entgegen der Eindringrichtung fließendes Materialien des zweiten Werkstückes auf der Eintrittsseite ausgebildet wird. Auch hier wird der dadurch gebildete zylindrische Körper, der wiederum aus zwei in den Randzonen miteinander verschmolzenen Schichten besteht, anschließend durch eine entsprechend ausgeführte Bewegung des Reibkörpers zu einer auf dem ersten Werkstück aufliegenden Wulst ausgeformt.

Eine entsprechende Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens ist so ausgebildet, dass ein Reibkörper in der Form eines bekannten Fließbohrers aus einer dem Werkstück zugewandten überwiegend kegel- oder pyramidenförmigen Spitze (1) und einem daran in Richtung Antrieb anschließenden zylindrischen Führungskörper (2) besteht. Zwischen dem Führungskörper (2) sowie einem, diesen mit dem Antrieb verbindenden Spannschaft (5) ist ein Verbindungssteg (3) angeordnet, dessen Durchmesser zumindest in einem an den Führungskörper (2) anschließenden Bereich gegenüber dem Führungskörper um 5 bis 30 Prozent verringert ist. Der so ausgeführte Reibkörper ist mit einem Antrieb verbunden, durch den der Reibkörper sowohl um die Achse (A1) des Reibkörpers als auch um eine zweite Achse (A2), die zumindest im Bereich des Übergangs von Führungskörper (2) zu Verbindungssteg (3) um einen Betrag von der ersten Achse (A1) abweicht, der annähernd gleich der Differenz zwischen dem Durchmesser des Führungskörpers (2) und dem Verbindungssteg (3) ist, gedreht werden kann.

Dabei ist es sowohl im Sinne der Erfindung, wenn die Achse (A2) parallel zur Achse (A1) verläuft, als auch wenn die Achse (A2) unter einem Winkel zur Achse (A1) verläuft, bei dem sich die Achse (A1) mit der Achse (A2) im Bereich der Werkzeugeinspannung kreuzt.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen 1 bis 3 in Form eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.

Dabei zeigt

1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Reibkörpers,

2 die Fertigung eines Verbindungspunktes in verschiedenen Phasen bei vollständiger Durchdringung der zu verbindenden Körper,

3 die Fertigung eines Verbindungspunktes in verschiedenen Phasen bei nur teilweise Durchdringung der zu verbindenden Körper.

Dabei ist in den 2e bis g dargestellt, wie die Wulst auf der Gegenseite des Werkstückes durch Rotation des Reibkörpers um eine parallel zur Achse A1 angeordnete Achse A2 ausgeformt wird. In der 2h wird angedeutet, wie das Gleiche bei einer zur Achse A1 geneigte Achse A2 erfolgen kann.

Ein Reibkörper zur Realisierung des Verfahrens besteht, wie aus 1 ersichtlich, aus einer dem Werkstück zugewandten überwiegend kegelförmigen Spitze (1) und einem daran in Richtung Antrieb anschließenden zylindrischen Führungskörper (2). Zwischen dem Führungskörper (2) sowie einem, diesen mit dem Antrieb verbindenden Spannschaft (5) ist ein ebenfalls zylindrischer Verbindungssteg (3) angeordnet, dessen Durchmesser gegenüber dem Führungskörper um 25 % verringert ist. Der so ausgeführte Reibkörper ist mit einem Antrieb verbunden, durch den der Reibkörper sowohl um die Achse (A1) des Reibkörpers als auch um eine zweite Achse (A2), die parallel zur ersten verläuft und um einen Betrag von der ersten Achse (A1) abweicht, der 20% des Durchmesser entspricht, gedreht werden kann.

Beispiel 1

Um zwei Bleche miteinander zu verbinden, werden diese aufeinander gelegt. An den vorgesehenen Verbindungspunkten wird der um seine Achse A1 rotierende konischer Reibkörper unter Einwirkung einer in Richtung des Werkstückes wirkenden Kraft auf die Oberfläche des Werkstückes aufgesetzt. Durch die Reibungswärme werden die Werkstücke am Aufsetzpunkt auf die Fließtemperatur aufgeheizt, so dass der Reibkörper unter Fortführung der Rotation in die Werkstücke hinein gepresst werden kann. Dabei werden Druck, Vorschub und Drehzahl so gesteuert, dass aus dem verdrängten Material zumindest des einen Werkstückes ein das zweite Werkstück durchdringender zylindrischer Verbindungskörper gebildet wird. Anschließend wird der aus dem zweiten Werkstück herausragende Teil des Verbindungskörpers wie in den Zeichnungen 2e bis 2g zu erkennen ist, durch eine Veränderung der Bewegungsrichtung des Reibkörpers so verformt, dass er eine auf der Oberfläche des zweiten Werkstückes aufliegende Wulst ausbildet.

Hierbei ist es insbesondere im Sinne der Erfindung, wenn der Reibkörper nach Erreichen der Fließtemperatur beide Werkstücke vollständig durchdringt und der Verbindungskörper auf der Austrittsseite ausgebildet wird. Dieser zylindrische Körper, der sich aus den verdrängten Materialien beider Werkstücke gebildet hat, wird in einem zweiten Schritt durch eine geänderte Bewegung des Reibkörpers und eine an diesem vorhandene Schulter ausgeweitet und zu einer auf der Austrittsseite aufliegenden Wulst ausgeformt.

Beispiel 2

Wie in den 3a bis 3d angedeutet, kann mit Hilfe der Erfindung auch ein Blech auf einem massiveren Körper befestigt werden. Dazu wird der rotierende Reibkörper auf die Oberseite des Bleches aufgesetzt. Nach Erreichen der Fließtemperatur durchdringt dieser das aufgesetzte Blech vollständig, wobei sich dieses bereits zu einer Wulst aufwölbt. Beim weiteren Eindringen des Reibkörpers in den massiven Körper und wird auch dessen fließfähig gemachtes Material verdrängt. Dieses tritt durch die Öffnung im aufliegenden Blech aus und bildet den zylindrischen Verbindungskörper. Anschließend wird dieser so gebildete zylindrische Körper, der wiederum aus zwei in den Randzonen miteinander verschmolzenen Schichten besteht, durch eine entsprechend ausgeführte Bewegung des Reibkörpers zu einer auf dem ersten Werkstück aufliegenden Wulst ausgeformt.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Verbindung mindestens zweier flächiger Werkstücke aus Werkstoffen, die unter Druck- und Wärmeeinwirkung fließfähig werden mit Verbindungselementen, die aus dem Material der Werkstücke ausgeformt sind und diese gegenseitig durchdringen, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zueinander ausgerichteten und fixierten Werkstücke ein um eine zum Werkstück ausgerichtete Achse rotierender konischer Reibkörper, unter Einwirkung einer in Richtung des Werkstückes wirkenden Kraft auf die Oberfläche des Werkstückes aufgesetzt wird, dass das Werkstück durch die Reibungswärme auf seine Fließtemperatur aufgeheizt wird, dass der Reibkörper unter Fortführung der Rotation in die Werkstücke so weit hinein gepresst wird, dass aus dem verdrängten Material kegelstumpfförmige Durchzüge gebildet werden, wobei der aus dem Material eines Werkstückes gebildete Durchzug das zweite Werkstück durchdringt sowie dass nach Ausbildung der Durchzüge die Bewegungsrichtung des Reibkörpers so geändert wird, das der aus dem zweiten Werkstück herausragende Teil beider Durchzüge zu einer auf der Oberfläche des zweiten Werkstückes aufliegenden Wulst umgeformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper nach Erreichen der Fließtemperatur beide Werkstücke vollständig durchdringt und die Durchzüge auf der Austrittsseite ausgebildet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper nach Erreichen der Fließtemperatur mindestens das in Aufsetzrichtung erste Werkstücke vollständig durchdringt und der Durchzug durch entgegen der Eindringrichtung fließende Materialien des zweiten Werkstückes auf der Eintrittsseite ausgebildet wird.
  4. Vorrichtung zur Verbindung mindestens zweier flächiger Werkstücke nach einem Verfahren entsprechend einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reibkörper in der Form eines bekannten Fließbohrers aus einer dem Werkstück zugewandten überwiegend kegel- oder pyramidenförmigen Spitze (1) und einem daran in Richtung Antrieb anschließenden zylindrischen Führungskörper (2) besteht, dass zwischen dem Führungskörper (2) sowie einem, diesen mit dem Antrieb verbindenden Spannschaft (5), ein Verbindungssteg (3) angeordnet ist, dessen Durchmesser zumindest in einem an den Führungskörper (2) anschließenden Bereich gegenüber dem Führungskörper um 5 bis 30 Prozent verringert ist, dass der Reibkörper mit einem Antrieb verbunden ist, durch den der Reibkörper sowohl um die Achse (A1) des Reibkörpers als auch um eine zweite Achse (A2), die zumindest im Bereich des Übergangs von Führungskörper (2) zu Verbindungssteg (3) um einen Betrag von der ersten Achse (A1) abweicht, der annähernd gleich der Differenz zwischen dem Durchmesser des Führungskörpers (2) und dem Durchmesser des Verbindungsstegs (3) ist, in Rotation versetzt werden kann.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (A2) parallel zur Achse (A1) verläuft.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (A2) unter einem Winkel zur Achse (A1) verläuft, bei dem sich die Achse (A1) mit der Achse (A2) im Bereich der Werkzeugeinspannung kreuzt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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