Verfahren zur Herstellung einer Einpressverbindung, Einpressverbindung sowie Befestigungselement

BEREICH DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren Herstellung einer Einpressverbindung zwischen einem Befestigungselement und einem metallischen Bauteil, sowie auf eine solche Einpressverbindung und auf ein Befestigungselement für eine solche Einpressverbindung.

HINTERGRUND

Befestigungselemente wie Schrauben, Muttern, Bolzen usw. müssen in vielen In dustriezweigen dauerhaft an Bauteilen wie Blechen, Strangpressprofilen oder Gussteilen angebracht werden. Speziell in der Automobilindustrie, die sehr kom plexe Produkte oder Teilprodukte herstellt, bestehen besondere Anforderungen an eine sichere, dauerhafte Einpressverbindung zwischen einem Befestigungsele ment und metallischen Bauteilen. In dieser Hinsicht spielen im Allgemeinen zwei Technologien eine wichtige Rolle, um ein Befestigungselement dauerhaft mit ei nem Bauteil wie einem Blech zu verbinden. Diese Technologien sind das Schwei ßen und die mechanische Verbindungstechnik, speziell das Herstellen einer Ein pressverbindung, bei der ein Einpresselement in ein Bauteil eingepresst wird und dort dauerhaft gehalten wird. Bei Schweißverfahren werden das Befestigungselement und das Blech dauerhaft miteinander verbunden, indem bestimmte Bereiche beider Komponenten durch eine Wärmezufuhr geschmolzen werden, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Befestigungselement und Blech entsteht.

Bei der mechanischen Verbindungstechnik mit Einpresselementen werden häufig selbstklemmende Verbindungselemente, nachfolgend als Befestigungselemente bezeichnet, verwendet. Bei dieser Methode wird häufig ein Loch in das Blech ein gebracht und das Einpresselement in dieses Loch gesetzt. Beim Einpressvorgang wird eine Kraft ausgeübt, die zu einer plastischen Verformung des Blechs oder des Einpresselements selbst oder beider Komponenten führt. Infolge der plasti schen Verformung wird eine formschlüssige, dauerhafte Verbindung zwischen Be festigungselement und Blech hergestellt. Ein Beispiel hierfür ist in der EP 1 704 334 B1 beschrieben. Derartige Einpressverbindungen sind weiterhin beispiels weise aus der WO 2017 / 084 745 A1 , der US 7 160 072 B2, der WO 01 / 03881 A1 oder der DE 19949 161 B4 bekannt. Bei diesen bekannten Lösungen besteht häufig das Problem, dass die Bauteilunterseite nicht eben ist und dass teilweise aufwändige Matrizen erforderlich sind.

Einpressverfahren erfordern teilweise in nachteiliger Weise zunächst in einem ers ten Schritt, dass ein Loch in das Bauteil eingebracht wird. Hierdurch ist die Verbin dung häufig nicht gasdicht, insbesondere wenn hohe Druckunterschiede zwischen der Blechoberseite und der Blechunterseite auftreten. Zur Abdichtung müssen da her zusätzliche Dichtelemente verwendet werden.

Weiterhin ist von Nachteil, dass nach dem mechanischen Fügen häufig auf beiden Seiten des Bleches Teile des Befestigungselements und / oder des Bleches über stehen und keine einseitig ebene Blechseite vorhanden ist, die eine Gasdichtheit gewährleistet. Dies kann zu Einschränkungen bei der Konstruktion führen, wenn beispielsweise zwei benachbarte Bauteile möglichst nah aneinander platziert wer den sollen. AUFGABE DER ERFINDUNG

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Verbindung zwischen einem Befestigungselement und einem Bauteil zu ermöglichen, welche gasdicht ist und bei der ein Kopfbereich des Einpresselements nicht über eine Bauteilseite hervorsteht.

LÖSUNG DER AUFGABE

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung ei ner Einpressverbindung zwischen einem Befestigungselement, insbesondere ei nem Einpressbolzen und einem Bauteil, insbesondere ein Blech, wobei das Befes tigungselement einen Kopf aufweist und es mit Hilfe eines Stempels mit dem Kopf voran in das Bauteil eingepresst wird, ohne das Bauteil zu durchstoßen. Herbei wird Material des Bauteils zunächst von dem Kopf verdrängt, und zwar insbeson dere radial nach außen, wobei zumindest und vorzugsweise lediglich ein Teil des verdrängten Materials von dem Stempel radial gegen den Kopf gepresst wird, so dass ein in Axialrichtung wirkender Formschluss zwischen dem gegen den Kopf gepressten Material und dem Kopf ausgebildet wird.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine solche Einpressverbindung und ein hierfür verwendetes Befestigungselement. Die im Hinblick auf das Verfahren, der Einpressverbindung und dem Befestigungselement nachfolgend angeführten vor- teilhaften Ausgestaltungen sind jeweils auch auf die beiden anderen Kategorien übertragbar.

Durch das von dem Stempel umgeformte Material und der dabei ausgebildeten formschlüssigen Verbindung wird eine dauerhafte Verbindung gewährleistet.

Da das Befestigungselement das Bauteil nicht durchstößt besteht auch keine Ge fahr einer Undichtigkeit. Bei dem Bauteil handelt es sich um ein nicht vorgelochtes Bauteil, so dass also eine dem Befestigungselement gegenüberliegende Unter seite des Bauteils unversehrt ist. Dadurch ist die Dichtigkeit sichergestellt und die Einpressverbindung ist gasdicht. Es sind keine zusätzlichen Dichtmaßnahmen wie z.B. eine Dichtung und auch keine Dichtheitsprüfung erforderlich und auch nicht vorgesehen.

Das Befestigungselement wird bevorzugt unmittelbar in das (duktile) Bauteil, ins besondere Blech eingebracht, ohne dass eine Vorbehandlung des Bauteils erfolgt, wie z.B. eine Lochformung oder auch eine Umformung.

Bevorzugt ist weiterhin ein Überstand an der Unterseite des typischerweise dün nen Bauteils vermieden, d.h. die Unterseite des Bauteils bleibt ebenfalls unver formt, d.h. sie wird beim Einpressvorgang nicht verformt. Insbesondere ist die Un terseite plan. Daher bietet diese Methode eine Lösung für enge und einge- schränkte Geometrien.

Das Befestigungselement ist insgesamt als ein Einpresselement ausgebildet, wel ches also wie beschrieben durch eine entsprechende Einpresskraft in das Bauteil eingepresst wird. Bei dem Befestigungselement handelt sich insbesondere um ein bolzenförmiges Element, also entweder um einen Bolzen, eine Schraube, einen Stift, ein Niet usw. Das bolzenförmige Element weist einen Schaft mit dem endsei tig sich daran anschließenden Kopf auf. Alternativ handelt es sich bei dem Befesti gungselement beispielsweise um eine Mutter mit einem Innengewinde. In bevorzugter Weiterbildung weist der Kopf eine zum Bauteil orientierte Kopfseite auf, welche einen In Axialrichtung vorstehenden Mittenbereich aufweist. Beim Ein pressvorgang wird der Kopf zunächst mit diesem Mittenbereich gegen das Bauteil gepresst und ausgehend von dem Mittenbereich wird beim weiteren Einpressvor gang das Material des Bauteils radial nach außen verdrängt. Durch diese Geomet- rie mit dem vorstehenden Mittenbereich wird in vorteilhafter Weise die erforderli che Einpresskraft reduziert. Entsprechend können die Einpresswerkzeuge, wie Stempel und ein Antrieb für die Aufbringung der Einpresskraft kompakter dimensi- oniert werden. Auch ist dadurch die Prozesssicherheit erhöht, da durch den vor stehenden Mittenbereich das Material des Bauteils kontrolliert und definiert nach außen verdrängt wird. Die Axialrichtung ist vorliegend zugleich auch die Einpressrichtung sowie die Längsrichtung des Befestigungselements entlang einer Mittenachse ausgehend vom Schaft in Richtung zum Kopf.

In bevorzugter Ausbildung ist die Kopfseite konvex gekrümmt. Sie ist daher im Querschnitt betrachtet bogenförmig ausgebildet und verläuft insbesondere entlang eines Kreisbogensegments. Speziell bildet sie eine konvex gewölbte Oberfläche aus. Insbesondere ist die Kopfseite linsenförmig ausgebildet.

Alternativ zu dieser konvex gekrümmten Oberfläche ist die Kopfseite durch meh- rere Planflächen und beispielsweise facettenartig ausgebildet. Sie ist beispiels weise nach Art einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfes ausgebildet. Auch eine kegelförmige Ausgestaltung ist möglich.

In bevorzugter Ausgestaltung sind am Kopf weiterhin Verdrehsicherungselemen- ten ausgebildet, welche mit dem Material des Bauteils einen in Umfangsrichtung wirkenden Formschluss ausbilden. Der Kopf weist daher eine Doppelfunktion auf und bietet im eingepressten Zustand sowohl eine axiale Auszugssicherung als auch eine Verdrehsicherung. Bei den Verdrehsicherungselementen handelt es sich entweder um aus dem Kopf hervorstehende Elemente oder auch um Ein- buchtungen. Diese sind um den Umfang insbesondere gleichmäßig verteilt ange ordnet. Beispielsweise sind 3-10 und insbesondere 4-8 Verdrehsicherungsele mente ausgebildet.

In bevorzugter Ausgestaltung sind die Verdrehsicherungselemente an der Kopf seite ausgebildet, und zwar insbesondere als mehrere radiale Rippen. Alternativ zu den Rippen sind die Verdrehsicherungselemente beispielsweise als radiale Kerben oder Nuten ausgebildet. Die an der Kopfseite ausgebildeten Einpresselemente erstrecken sich vorzugs weise nur in einem radial äußeren Bereich der Kopfseite, sodass in einem zentra len Bereich der Kopfseite, speziell im vorstehenden Mittenbereich, mit dem die Kopfseite zuerst auf das Bauteil beim Einpressvorgang auftrifft, keine Verdrehsi cherungselemente, insbesondere keine Rippen ausgebildet sind.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung sind um den Umfangsrand des Kopfes Verdrehsicherungselemente ausgebildet. In diesem Fall sind sie speziell als Ein buchtungen, beispielsweise als konkav gewölbte Einbuchtungen ausgebildet. Die Einbuchtungen weisen beispielsweise eine teilzylindrische Wandung auf.

Im Hinblick auf die gewünschte plane Unterseite des Bauteils ist beim Einpress vorgang ein Amboss als Gegenlager vorgesehen, welcher eine plane Auflageflä che aufweist. Die Auflagefläche ist dabei durchgehend plan und weist keinerlei Vertiefungen, Erhebungen oder Durchbrüche auf. Der Amboss bildet also eine Matrize mit durchgehend planer Auflagefläche ohne Vertiefungen, Erhebungen oder Durchbrüche aus. Während des Einpressvorgangs liegt auf dieser planen Auflagefläche die Unterseite des Bauteils auf. Damit ist sichergestellt, dass eine Verformung der Unterseite beim Einpressvorgang vermieden ist.

Für das zuverlässige formschlüssige Verbinden des Befestigungselementes mit dem Bauteil ist eine spezielle Ausbildung des Stempels vorgesehen. Dieser weist einen radial innenliegenden Pressring auf, mit dem er gegen eine an einer Kopfun terseite des Kopfes ausgebildeten Pressfläche gepresst wird und über diese die erforderliche axiale Einpresskraft ausübt. Bei dem Stempel handelt es sich insbe sondere um einen hohlen Stempel mit einem Innenhohlraum zur Aufnahme des Schafts des Bolzens. Stirnseitig ist der Pressering ausgebildet, welcher den Innen hohlraum ringförmig umläuft. Die Pressfläche ist hierzu insbesondere korrespon dierend ausgebildet. D. h. sie ist insbesondere ebenfalls ringförmig ausgebildet. Speziell ist an der Kopfunterseite eine in Richtung zum Schaft hervorstehende Schulter ausgebildet, deren Stirnendseite die ringförmige Pressfläche ausbildet. Diese ist insbesondere horizontal ausgerichtet, ebenso wie die Stirnfläche des Presserings. Der Stempel weist zusätzlich zur Pressfläche weiterhin einen radial weiter außen angeordneten Umformabschnitt auf, mit dessen Hilfe das vom Kopf zunächst ra dial nach außen verdrängte Material wieder in radialer Richtung zum Kopf und ins- besondere in Richtung zum Schaft verpresst wird. Dieser Umformabschnitt schließt sich insbesondere unmittelbar an die Pressfläche an. Er ist vorzugsweise in Richtung zum Schaft und damit in Richtung zu dem Innenhohlraum schräg ge stellt, sodass eine umlaufende schräggestellte Umformfläche ausgebildet ist, die in Richtung zum Innenhohlraum und damit zum Schaft eine radiale Kraftkomponente auf das Material des Bauteils ausübt. Im Querschnitt betrachtet ist diese Umfangs fläche entweder geradlinig und damit konisch oder auch gekrümmt ausgebildet. Speziell ist die Umformfläche nach Art einer Kegelmantelfläche ausgebildet.

Bevorzugt weist der Stempel an seinem vorderen Ende einen Schneidring auf, welcher bevorzugt scharfkantig oder alternativ auch gerundet ausgebildet ist. Mit diesem schneidet er beim Einpressvorgang in die Oberfläche des Bauteils und speziell in das nach außen verdrängte Material ein. Der Schneidring bildet das ra dial äußere Ende des Umformabschnitts, schließt sich an diesen also in radialer Richtung an. Zur Ausbildung dieses Schneidrings schließt die zuvor beschriebene Umformfläche mit einer äußeren Mantelfläche des Stempels, die insbesondere als eine zylindrischen Mantelfläche ausgebildet ist, einen spitzen Winkel ein. Dieser liegt beispielsweise im Bereich zwischen 30° und 60°.

In bevorzugter Ausgestaltung sind die Kopfgeometrie des Kopfes und die Geomet- rie des Stempels derart aufeinander abgestimmt, dass beim Einpressvorgang zu nächst Material des Bauteils radial nach außen verdrängt wird, bevor der Umform abschnitt die Bauteiloberfläche erreicht.

Insbesondere vorgesehen, dass der Kopf eine axiale Höhe aufweist, die größer ist als die axiale Erstreckung des Stempels vom Pressring bis zum axial vordersten Teilbereich des Stempels, welcher insbesondere durch den Schneidring gebildet ist. Die axiale Höhe des Kopfes ist definiert durch den axialen Abstand zwischen der Pressfläche und dem vordersten Teilbereich der Kopfseite. Im Hinblick auf die axiale Auszugssicherung weist der Kopf insgesamt eine umlau fende, radial nach außen abstehende Auszugsfläche auf. Diese schließt sich in ra dialer Richtung insbesondere an die zuvor beschriebene Schulter an. Die Schulter weist allgemein an ihrer Stirnseite die erwähnte Pressfläche sowie eine sich in Axi alrichtung erstreckende, insbesondere zylindrischen Mantelfläche auf. Die Aus zugsfläche ist daher insgesamt versetzt zur Schulter und speziell zur Pressfläche ausgebildet. Beim Einpressvorgang wird mittels des Stempels das zunächst vom Kopf ver drängte Material wieder radial nach innen und über die Auszugsfläche gepresst, sodass der in Axialrichtung wirkender Formschluss ausgebildet wird. Das Material wird dabei lediglich über die Auszugsfläche gepresst. Bevorzugt wird hierbei zur Mantelfläche der Schulter ein Freiraum belassen. Allgemein weist der Kopf daher zwei Teilbereiche auf, nämlich einen ersten zum Schaft orientierten Teilbereich, der durch die Schulter gebildet ist und einen zweiten dem Schaft abgewandten Teilbereich, welcher radial über den ersten Teilbereich übersteht und damit zur axialen Auszugssicherung dient und welcher weiterhin die vordere, stirnseitige Kopfseite mit dem nach vorne hervorstehenden Mittenbereich aufweist. Bevorzugt sind an diesem zweiten Teilbereich auch die Verdrehsicherungselemente ausge bildet. Die Schulter weist vorzugsweise lediglich glatte Flächen auf. Sie ist bei spielsweise insgesamt als ein Kreisringzylinder mit glatter Mantelfläche und einer planen Pressfläche ausgebildet. Das Verfahren ist insgesamt vorzugsweise durch folgende Schritte gekennzeich net, die insbesondere in der genannten Reihenfolge aufeinander folgen: i. Ausübung einer Kraft auf den Stempel, ii. gemeinsames Zuführen des Stempels und des Befestigungselements an das Bauteil bei gleichzeitiger Ausübung einer Kraft, iii. plastischen Verformung des Bauteils durch den Kopf des Befestigungs elementes, insbesondere durch den hervorstehenden Mittenbereich, iv. Ausbildung eines um den Kopf umlaufenden Materialwulstes (Materialan häufung) bestehend aus plastisch verformtem Material des Bauteils auf grund des in das Bauteil eindringenden Kopfes, v. Berührung des verformten Materials mit dem Umformabschnitt, vi. Versetzen des verformten Materials in Richtung zu einer Auszugsfläche und gegen die Verdrehsicherungselemente mit Hilfe des Umformab schnittes des Stempels, vii. Überlappen und Pressen des verformten Materials gegen die Auszugs fläche zur Ausbildung des in Axialrichtung wirkenden Formschlusses, viii. Erzeugen einer Verdrehsicherung durch die Verdrehsicherungselemente.

Die hierdurch ausgebildete Einpressverbindung zwischen dem Befestigungsele ment und dem Bauteil zeichnet sich zunächst dadurch aus, dass das Bauteil unge locht und auch sonst vorzugsweise nicht vorbehandelt ist. Das Befestigungsele ment ist mit seinem Kopf voraus in das Bauteil eingepresst, ohne dieses zu durch stoßen, wobei weiterhin das durch den Kopf beim Einpressvorgang plastisch ver drängte Material wieder in Richtung zum Kopf hin umgeformt ist und damit einen Formschluss mit dem Kopf ausbildet.

Bevorzugt weist der Kopf eine stirnseitige Kopfseite mit einem hervorstehenden Mittenbereich auf, welcher insbesondere linsenförmig ausgebildet ist.

In bevorzugter Weiterbildung ist das Bauteil an seiner dem Befestigungselement gegenüberliegenden Unterseite plan und eben, weist also keine Auswölbung oder sonstige Verformung auf.

Das für eine solche Einpressverbindung und für ein solches Verfahren vorgese hene Befestigungselement zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sein Kopf einen hervorstehenden Mittenbereich aufweist. Die Kopfseite ist dabei insbe sondere linsenförmig ausgebildet. Im Querschnitt betrachtet verläuft die Kopfseite insbesondere entlang eines Radius. Das Befestigungselement weist weiterhin die zuvor beschrieben Verdrehsiche rungselemente auf, die am Kopf ausgebildet sind. Speziell sind die Verdrehsiche rungselemente an der Kopfseite, also stirnseitig am Befestigungselement ausge bildet. Sie sind speziell als Rippen oder Kerben ausgebildet, die sich in radialer Richtung erstrecken. Alternativ sind am Kopfumfang Verdrehsicherungselemente, insbesondere in Form von Einbuchtungen ausgebildet.

Bevorzugt erstrecken sich die Befestigungselemente dabei lediglich in einem äu ßeren radialen Bereich der Kopfseite und erstrecken sich gerade nicht bis zur Mitte. Im Mittenbereich ist die Kopfseite daher insbesondere frei von Verdrehsi cherungselementen.

Speziell bei der Ausgestaltung der Rippen ist in bevorzugter Weiterbildung vorge sehen, dass diese in axialer Richtung nicht über den mittleren Bereich der Kopf- seite überstehen. Damit ist gewährleistet, dass beim Einpressvorgang der Kopf zunächst mit dem hervorstehenden Mittenbereich auf die Oberfläche des Bauteils auftrifft und die plastische Verformung unbeeinflusst von den Verdrehsicherungs elementen ist. Die axiale Erstreckung der Verdrehsicherungselemente, also eine axiale Höhe bei Rippen und eine axiale Tiefe bei Kerben, variiert dabei in radialer Richtung und nimmt insbesondere kontinuierlich zu. Im Falle der Rippen erfolgt die Zunahme von innen nach außen. Im Falle von Kerben oder Nuten ist es umgekehrt. Weiterhin ist insbesondere vorgesehen, dass eine vordere, der Kopfseite abge wandte Stirnseite der Rippen bzw. ein Nutgrund der Kerben horizontal, also senk recht zur Axialrichtung verläuft.

Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass die Stirnseiten der Rippen bzw. die jeweiligen Nutgründe der Kerben innerhalb einer gemeinsamen (Horizontal-) Ebene verlaufen. Durch diese Maßnahme ist insgesamt eine gute Verdrehsicherung erreicht, ohne dass der initiale plastische Verformungsvorgang beim Auftreffen des Mittenberei ches von den Verdrehsicherungselementen beeinflusst ist. Das Befestigungselement ist bevorzugt als ein bolzenförmiges Element ausgebil det mit einem Schaft, an den sich endseitig der Kopf anschließt, wobei der Kopf eine der Kopfseite gegenüberliegende Kopfunterseite aufweist, an der eine Schul ter ausgebildet ist, die sich in radialer Richtung unmittelbar an den Schaft an schließt und die eine Pressfläche ausbildet zur Übertragung einer axialen Ein- presskraft, wobei weiterhin ein sich in axialer sowie in radialer Richtung sich an die Schulter anschließende Auszugsfläche anschließt. Durch diese Ausgestaltung ist ein prozesssicheres Einpressen mit einer zuverlässigen axialen Auszugssicherung gewährleistet.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren nä her erläutert. Diese zeigen in teilweise vereinfachten Darstellungen: FIG. 1 eine perspektivische Ansicht nach Art einer Explosionsdarstellung mit einem Befestigungselement, einem Bauteil sowie einem Stempel und einem Amboss;

FIG. 2 eine Seitenansicht des Befestigungselements gemäß einer ersten Va riante;

FIG. 3 eine Draufsicht auf das Befestigungselement gemäß FIG 2;

FIG. 4 eine perspektivische Ansicht des Befestigungselements gemäß FIG 2;

FIG. 5 eine Draufsicht auf die Situation beim Einpressvorgang; FIG. 5A eine Schnittansicht gemäß der Linie 5A-5A in FIG 5 durch das Befesti gungselement, das Bauteil, den Stempel und den Amboss zu Beginn des Einpressvorgangs;

FIG. 5B eine Detailansicht des Bereichs 5B in FIG 5A;

FIG. 6 eine Schnittansicht wie FIG 5A zu einem späteren Zeitpunkt des Ein pressvorgangs; FIG. 7 eine Schnittansicht wie FIG 5A zu einem noch späteren Zeitpunkt des Einpressvorgangs;

FIG. 8 eine Detailansicht des Bereichs 8 in FIG. 7; FIG. 9 eine perspektivische Ansicht eines Blechs mit daran befestigtem Ein presselement;

FIG. 10 eine Seitenansicht der Anordnung gemäß FIG 9;

FIG. 11 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß FIG 9;

FIG. 12 perspektivische Ansichten des Befestigungselements gemäß einer zweiten Variante; FIG. 13A, B perspektivische Ansichten eines Befestigungselements gemäß einer dritten Variante, bei der Rippen an einer stirnseitigen Kopfseite ausge bildet sind;

FIG. 14A-C Schnittansichten zur Veranschaulichung verschiedener Schritte zur Herstellung der Einpressverbindung. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die FIG 1-14 zeigen illustrieren das Verfahren zur Herstellung einer Einpressver bindung zwischen einem Befestigungselement 200 und einem duktilen Bauteil, nämlich einem Blech 300.

Fig. 1 zeigt die Komponenten, die für die Ausbildung der Einpressverbindung ohne Vorlochen verwendet werden. Bei diesen Komponenten handelt es sich um einen Stempel 100, das Blech 300, das insbesondere als Schraube ausgebildete Befes tigungselement 200 und einen Amboss 400.

Der Stempel 100 ist im Ausführungsbeispiel zylindrisch und weist einen Innenhohl raum 105 auf. Der Stempel 100 erstreckt sich in einer Axialrichtung A entlang de rer das Befestigungselement 200 sich ebenfalls erstreckt und entlang derer es in das Blech 300 eingepresst wird. Beim Einpressvorgang wird ein Schaft 201 , im Ausführungsbeispiel ein Gewindeschaft, vom Innenhohlraum 105 aufgenommen und zusammen mit dem Stempel 100 in das Blech 300 und gegen den darunter angeordneten Amboss 400 gepresst.

Das Befestigungselement 200 weist einen Kopf 207 mit einer vorderen stirnseiti gen Kopfseite 204 auf, die in Axialrichtung A, also zu der dem Schaft 201 abge wandten Seite nach vorne gewölbt ist und dort also einem vorstehenden Mittenbe reich ausbildet. Speziell weist die Kopfseite 204 einen vorderen Radius auf. Mit diesem, also mit dem vorstehenden Mittenbereich kommt das Befestigungsele ment 200 erstmalig in Kontakt mit dem Blech 300.

Die FIG. 2-4 zeigen verschiedene Ansichten des Befestigungselements 200. Der Gewindeschaft dient zum lösbaren Befestigen mit einem anderen Verbindungsele ment (in diesem Fall z. B. einer Mutter). Wesentliche geometrische Details des Be festigungselements 200 sind in den FIG. 2-4 zu erkennen. Ausgehend vom Kopf 207 schließt sich der Schaft 201 entgegen der Axialrichtung A an. Der Kopf 207 weist eine ringförmig um den Schaft 201 umlaufende Schulter 203 auf, welche gegenüberliegend zu der Kopfseite 204 eine ringförmige Pressflä che 202 ausbildet. Die zur Kopfseite 204 gegenüberliegende und dem Schaft 201 zugewandte Seite des Kopfes 207 wird allgemein als Kopfunterseite bezeichnet. Die Pressfläche 202 dient als Stempel-Kontaktfläche, d. h. während des Einpress vorgangs stützt sich der Stempel 100 mit einem hierzu korrespondierenden Press ring 102 (vergleiche hierzu beispielsweise Figur 5B) zur Übertragung der axialen Einpresskraft ab. Der Pressring 102 bildet daher eine korrespondierende Kontakt- fläche.

Die Umfangsseite der Schulter 203 ist im Ausführungsbeispiel zylindrisch ausge bildet. An diese Schulter 203 schließt sich ein zweiter Teilbereich des Kopfes 207 an, welcher sich ausgehend von der Schulter 203 radial nach außen verbreitert. Insbesondere verbreitert sich dieser zweite Teilbereich konisch und weist eine schräg nach außen geneigte Auszugsfläche 206 auf, welche nach Art einer Kegel mantelfläche ausgebildet ist. An diese Auszugsfläche 206 schließt sich stirnseitig die Kopfseite 204 an. Die Auszugsfläche 206 dient zur Ausbildung eines Hinter griffs mit einem umgeformten Materialbereich des Blechs 300 und damit zur Aus- bildung der axialen Auszugssicherung, wie nachfolgend insbesondere im Zusam menhang mit den Figuren 5A und 5B näher erläutert wird.

Die der Kopfseite 204 gegenüberliegende Kopfunterseite bildet daher sowohl die Auszugsfläche 206 als auch die Pressfläche 202 aus.

Umlaufend um den Umfang dieses zweiten Teilbereiches des Kopfes 207 sind mehrere Verdrehsicherungselemente 205 in Form von Ausbuchtungen einge bracht. Diese reichen in radialer Richtung lediglich ein Stück weit in Richtung zum Schaft 201 , derart dass sie von der Umfangs-Mantelfläche der Schulter 203 beab- standet sind.

Bei der zweiten Ausführungsvariante, wie sie in der FIG 12 dargestellt ist, reichen diese Ausbuchtungen bis zu der Umfangs-Mantelfläche der Schulter 203. Alternativ zu den Ausbuchtungen können auch Abflachungen ausgebildet sein.

Allgemein sind um den Umfang gleichmäßig verteilt mehrere Verdrehsicherungs- elemente 205 vorgesehen, speziell 3-8 und im konkreten Ausführungsbeispiel 6.

Von besonderer Bedeutung für die Ausbildung der Einpressverbindung ist die spe zielle Kopfgeometrie, insbesondere mit dem vorstehenden Mittenbereich an der Kopfseite 204 sowie mit der gestuften Ausbildung des Kopfes 207 mit der Untertei- lung in zwei Teilbereiche, nämlich einerseits mit der Schulter und andererseits mit dem zweiten sich radial nach außen erstreckendem Teilbereich mit der Auszugs fläche 206 und die in diesem zweiten Teilbereich angeordneten Verdrehsiche rungselemente 205. Anhand der Draufsicht gemäß FIG. 5 ist zu erkennen, dass der Stempel 100 an seiner Oberseite im Ausführungsbeispiel eine Kraftaufnahmefläche 101 aufweist, auf die beim Einpressvorgang mittels eines geeigneten Antriebs die Einpresskraft ausgeübt wird. Alternativ wird ein Stempel 100 ohne (insbesondere plane) Kraft aufnahmefläche 101 verwendet. Dies bietet sich vor allem beim Einsatz in auto- matisierten Fertigungsanlagen an, wie sie bei Pressen oder stationären oder mobi len Fügeeinheiten zum Einsatz kommen. In diesem Fall wir das Befestigungsele ment 200 von oben beispielsweise über einen Zuführschlauch oder eine Zuführlei tung dem Stempel 100 zugeführt. Der Stempel 100 weist in diesem Fall typischer weise eine ringförmige Kraftaufnahmefläche auf.

Anhand der FIG 5B ist die spezielle stirnseitige Ausgestaltung des Stempels 100 zu erkennen. So weist dieser ebenfalls nach Art einer Schulter, die am Ende des Flohlraums 105 ausgebildet ist, eine ringförmige Fläche auf, die den bereits er wähnten Pressring 102 ausbildet. Dieser stützt sich beim Einpressvorgang auf der korrespondierenden Pressfläche 202 ab. Der Pressring 102 und die Pressfläche 202 weisen im Wesentlichen die gleiche radiale Ausdehnung auf. An die ringför- mige Fläche des Pressringes 102 schließt sich ein sich in Axialrichtung A erstre ckender, insbesondere zylinderförmiger Mantelabschnitt an, welcher die Schulter 203 zumindest teilweise aufnimmt.

Am Ende dieses Mantelabschnitts weist der Stempel 100 eine sich schräg und ra dial nach außen erstreckende und insbesondere kegelmantelförmige Fläche auf, welche einem Umformabschnitt 104 ausbildet. Dieser erstreckt sich bis zu einem äußeren Einpressring, welcher beispielsweise als Schneidring 106 ausgebildet ist. Dessen Ringkante ist beispielsweise abgerundet ausgebildet, wie dies in der Figur 5B dargestellt ist oder auch scharfkantig, wie dies zu den Figuren 14A bis 14C zu entnehmen ist. Der Einpress- oder Schneidring 106 definiert die vorderste Fläche des Stempels 100, mit der dieser zuerst auf das Blech 300 auftrifft.

Die axiale Länge ausgehend von der ringförmigen Fläche des Pressrings 102 bis zu diesem Schneidring 106 ist geringer als die axiale Länge des Kopfes 207 und reicht vorzugsweise lediglich bis zum Ende der Schulter 203.

Das Blech 300 weist eine dem Befestigungselement 200 zugewandte Oberseite 301 und eine gegenüberliegende Unterseite 302 auf.

Der Amboss 400 weist eine nach oben, zum Blech 300 orientierte ebene Auflage fläche 401 auf, welche durchgehend plan ausgebildet ist. Sie weist daher insbe sondere keine Vertiefung oder auch keine Erhebung auf.

Der Einpressvorgang beginnt mit dem Aufbringen einer Kraft auf den Stempel 100, beispielsweise auf die dargestellte (plane) Kraftaufnahmefläche 101 oder alterna tiv auf eine ringförmige Kraftaufnahmefläche. Durch das Aufbringen der Kraft drin gen der Stempel 100 und das Befestigungselement 200 gemeinsam in das ver formbare Blech 300 ein. Das Blech 300 stützt sich mit seiner Unterseite 302 auf der Auflagefläche 401 des Amboss 400 ab.

Beim Vorhub des Stempels 100 kommt als erstes der hervorstehende Mittenbe reich der Kopfseite 204 in Kontakt mit der Oberseite 301 des Bauteils 300. Von besonderer Bedeutung hierbei ist, dass durch den hervorstehenden Mittenbereich zu Beginn des plastischen Umformvorgangs ein lediglich geringer Flächenkontakt, insbesondere lediglich ein Punktkontakt zwischen der Kopfseite 204 und dem Blech 300 erfolgt, sodass eine sehr hohe Flächen-Anpresskraft ausgeübt wird.

Gleichzeitig wird durch die spezielle Formgebung der Kopfseite 204 mit den radial nach außen zurückfallenden Flächenbereichen eine definierte und gezielte plasti sche Verformung und Verdrängung des Materials von der Oberseite 301 des Ble ches 300 bewirkt. Dies führt dazu, dass sich ringförmig umlaufend um den Kopf 207 ein ringförmiger Materialwulst 303 bestehend aus plastisch verformten / ver drängten Blechmaterial in Richtung der Schulter 203 ausbildet. Diese in Figur 6 gezeigte Situation stellt daher eine Zwischenstufe beim typischerweise kontinuier lich verlaufenden Einpressvorgang dar. Bei dieser Zwischenstufe ist das Material zunächst nur teilweise verformt.

In einer nachfolgenden Endstufe des Einpressvorgangs wird dieser Materialwulst 303 fertig umgeformt. Und zwar greift in diesen ausgebildeten Materialwulst 303 der Schneidbereich 106 ein. Durch den Umformabschnitt 104 wird anschließend Material von dem ausgebildeten Materialwulst 303 in radialer Richtung wieder zum Kopf 207 hin gepresst. Dabei bildet sich ein Schließwulst 304 aus, wie er insbe sondere in FIG 8 zu erkennen ist. Dieser Schließwulst 304 wird gegen die Aus zugsfläche 206 gepresst, sodass eine Art Presspassung ausgebildet ist. Für die zuverlässige Auszugssicherung ist zwischen der Auszugsfläche 206 und dem Schließwulst 304 ein formschlüssiger Hinterschnitt ausgebildet.

Dieser Einpressvorgang ist nochmals gut anhand der Figuren 14A bis 14C nach zuvollziehen. Bei dieser Ausführungsvariante ist ein Stempel 100 verwendet, bei dem der Schneidring 106 scharfkantig ausgebildet ist. Dieser weist vorzugsweise zumindest in seinem vorderen dem Blech 300 zugewandten Bereich ein dreieck- förmiges Profil aufweist. Der Umformabschnitt 104 ist bei dieser Ausführungsvari ante im Profil als gebogene und zwar konkav gebogene Fläche ausgebildet. Grundsätzlich kann auch bei der ersten Ausführungsvariante, wie sie beispiels- weise in den Figuren 5-8 dargestellt ist, ebenfalls eine solcher gebogener Umform abschnitt 104 vorgesehen sein. Dieser konvex gebogener Umformabschnitt wirkt sich günstig auf die Umformung aus. Speziell auch in Kombination mit dem scharf kantigen Schneidring 106 sind insgesamt durch die gewählte Stempelgeometrie gemäß Figuren 14A bis 14C nur geringe Einpresskräfte und Umformkräfte erfor derlich.

Bei der plastischen Verformung des Materials wird zudem auch gleichzeitig die Verdrehsicherung ausgebildet, indem das plastisch verformte Material mit den Verdrehsicherungselementen 205 einen in Umfangsrichtung wirksamen Form schluss bildet.

Bei dem hier beschriebenen Verfahren erfolgt insbesondere keine Verformung des Befestigungselements 200.

Durch die spezielle Stempelgeometrie und durch das spezielle hier beschriebene Verfahren mit dem Verformen des ausgebildeten Materialwulstes 303, in den der Schneidbereich 106 einschneidet, weist die Oberseite 301 des Blechs 300 eine charakteristische Geometrie auf, wie dies insbesondere anhand der FIG 7 - 11 er kennbar ist. Und zwar ist zunächst durch den Schneidring 106 eine ringförmige und konzentrisch umlaufende Nut ausgebildet. Radial nach innen schließt sich an diese Nut der sich von einem normalen Niveau der Oberseite 301 erhebende Schließwulst 304 an. Angrenzend zu der ringförmigen Nut ist in radialer Richtung nach außen betrachtet ergänzend üblicherweise auch eine verbleibender Rest wulst ausgebildet, welcher sich ebenfalls über das normale Niveau der Oberseite 301 , also dem Niveau im Ausgangszustand, erhebt.

Weiterhin ist hervorzuheben, dass die Unterseite 302 des Blechs 300 keinerlei Verformung erfährt und insbesondere durchgehend plan im Bereich des Befesti gungselementes 200 ausgebildet ist.

Wie speziell anhand der Figur 8 zu erkennen ist, ist in bevorzugter Ausbildung zwi schen der Umfangsseite des Kopfes 207 und dem Schließwulst 304 ein Freiraum 305 ausgebildet, sodass also der Schließwulst 304 zur Mantelfläche der Schulter 203 einen Abstand aufweist. Je nach den gewählten Komponenten kann dieser Freiraum 305 auch verschlossen sein. Die erforderliche Kraft zur Erzeugung der Verformung des duktilen Blechs 300 nimmt während des gesamten Einpressvorgangs stetig zu. Insbesondere nimmt diese Kraft ab der Zwischenstufe mit dem teilweise umgeformten Material und dem Materialwulst 303 (dargestellt in FIG. 6) drastisch zu. In Abhängigkeit von der Festigkeit des Blechs kann sich der Freiraum 305 zwischen dem Schließwulst 304 und der Mantelfläche der Schulter des Befestigungselements 200 ändern. Als Min destanforderung für den Einpressvorgang gilt, dass der Schließwulst 304 die Aus zugsfläche 206 überlappt.

FIG. 9-11 zeigen die Einpressverbindung zwischen dem Befestigungselement 200 und dem duktilen Blech 300. Wie bereits erwähnt, ist es für die Anwendung von dauerhaften Montagebedingungen sehr wichtig, dass kein Überstand auf der dem Amboss 400 zugewandten Unterseite 302 entsteht. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass das Verfahren und die fertige Einpressverbindung eine lecksichere An wendung insbesondere für geschlossene Bauteil-Räume ermöglicht, in denen un- ter Druck stehende oder nicht unter Druck stehende Gase und Flüssigkeiten vor handen sind. Dank dieser dauerhaften Einpressverbindung sind weder zusätzliche Elemente wie eine Dichtung oder ein Dichtmittel erforderlich, d.h. das Einpressver fahren vereinfacht die Produktion und reduziert die Produktionsstückkosten. FIG. 12 zeigt eine alternative Variante des Befestigungselements 200. Diese un terscheidet sich von der ersten Variante, wie sie zu den Figuren 1-8 erläutert ist, lediglich dadurch, dass die als Verdrehsicherungselemente 205 ausgebildeten Ausbuchtungen bis zu der Umfangs-Mantelfläche der Schulter 203 reichen. Dies bedeutet, dass die Ausbuchtungen tiefer sind. Flierdurch wird eine verbesserte Verdrehsicherung erreicht.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Verdrehsicherungsgeometrie sind Rippen, wie sie in Fig. 13A, 13B dargestellt sind. Die Rippen 205 erstrecken sich in radialer Richtung und sind vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang unmittelbar an der Kopfseite 204 ausgebildet. Hervorzuheben ist hierbei, dass sie nur in einem radial äußeren Teilbereich ausgebildet sind, sodass der in Axialrichtung A vorstehende Mittenbereich keine Rippen 205 aufweist und weiterhin der vorderste Flächenbe reich des Befestigungselements 200 ist. Die Rippen weisen in Axialrichtung A eine Höhe auf, die vorzugsweise radial nach außen zunimmt. Eine vordere Stirnfläche oder Stirnkante der jeweiligen Rippe 205 verläuft vorzugsweise auf einer gegen über dem Mittenbereich zurückversetzten axialen Höhe. Die Stirnfläche der Rippe 205 verläuft dabei beispielsweise horizontal, d. h. senkrecht zur Axialrichtung A. Bevorzugt liegen alle Stirnflächen innerhalb einer gemeinsamen Ebene. Die Rip pen 205 weisen beispielsweise ein dreieckförmiges Querschnittsprofil auf. In den Fig. 13A, 13B sind exemplarisch 5 Rippen 205 dargestellt. Es können aber auch mehr Rippen 205 wie beispielsweise 8 bis 10 Rippen sein.

Das Befestigungselement 200 wird bevorzugt für Bauteile 300 aus duktilen Werk stoffen wie Aluminium legierungen, Kupferlegierungen oder Stählen eingesetzt.

Das Befestigungselement 200 selbst ist bevorzugt aus Stahl mit einer höheren Festigkeit als das Bauteil 300. In der Regel ist das Befestigungselement 200 auf eine Zugfestigkeit von mindestens 800 N/mm ² , bevorzugt 1000 N/mm ² vergütet.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel be schränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fach mann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlas sen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbei spiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombi nierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

100 Stempel

101 Kraftaufnahmefläche 102 Pressring

104 Umformabschnitt

105 Innenhohlraum

106 Schneidring 200 Befestigungselement

201 Schaft

202 Pressfläche

203 Schulter

204 Kopfseite 205 Verdrehsicherungselement

206 Auszugsfläche

207 Kopf

300 Blech 301 Oberseite des Blechs

302 Unterseite des Blechs

303 Materialwulst

304 Schließwulst

305 Freiraum

400 Amboss

401 Auflagefläche

A Axialrichtung