TOX Pressotechnik GmbH ; 88250 Weingarten Verfahren, Werkzeug und Stempel zum Verbinden von Bauteilen mit einer Platte Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs, von einem Werkzeug nach der Gattung des Anspruchs 7 und von einem Stempel nach der Gattung des Anspruchs 14. Unter dem gattungsgemäßen Verbinden von Bauteilen an einer Platte ist gemeint, daß an einer Platte, die bevorzugt aus relativ dünnem Blech besteht, aber auch aus Kunststoff und sonstigen verformbaren und quetschbaren Materialien bestehen kann, andere Bauteile unlösbar befestigt werden, wobei es sich bei diesen Bauteilen sowohl um aus der Ebene des Bleches herauskragenden Elementen, wie Muttern, Gewindebolzen, Einhakkopplungen udgl. handeln kann, als auch um andere Platten, die mit der genannten Platte verbunden werden sollen. Ein wichtiges Element dieser Verbindung ist der verlorene Stempel, der nach dem Verbindungsvorgang als quasi Niet-oder Werkstück in der Platte verbleibt.

Bei einem bekannten Verfahren bzw. Werkzeug oder auch Stempel dieser Art (DE-PS 30 03 908) wird ein Stehbolzen, der einerseits ein Gewinde aufweist, andererseits einen Stempel mit dem Stempel in eine Platte gepreßt, wobei in eine Öffnung einer dem Stempel gegenüberliegenden Matrize Flächenteile aus der Platte gestanzt und die Randbereiche der Stanzöffnungen verdrängt werden. Der Stempel ist in Art einer Lochstanze ausgebildet, mit Hilfe derer Schneidkante ein entsprechendes Plattenteil herausgestanzt wird, während außerhalb dieser Ausstanzung gelegene Flächenteile der Platte durch die Matrize verbördelt werden. In der Matrize ist ein gegenwirkender Stempel angeordnet mit einem zentralen Spreizkörper, über den in einem weiteren Arbeitsgang der Schneidring des Stempels auseinandergedrückt, also aufgeweitet wird und damit den tiefgezogenen Lochkranz der Platte hintergreift. Abgesehen davon, daß das hierfür erforderliche Werkzeug der Matrize mit Spreizkörper technisch aufwendig ist und einer nicht unerheblichen Abnutzung unterliegt, besteht der Nachteil, daß der Stempel aus verhältnismäßig weichem Material bestehen muß, um einerseits nach dem Durchstoßen der Platte aufgeweitet und danach in der Matrizenöffnung unter den Tiefziehrand fließen zu können. Entsprechend dem Stempelteil ist dann auch der das Gewinde aufweisende Bolzenteil dieses Stehbolzens aus verhältnismäßig weichem Material mit all den damit gegebenen Nachteilen. Ein wesentlicher Nachteil besteht auch darin, daß um diese Befestigung zu erhalten, die Platte durchstoßen werden muß und damit nicht nur an Festigkeit verliert, sondern auch undichte Stellen entstehen und wobei das Stempelmaterial wiederum eine Mindesthärte aufweisen muß, um den Stanzvorgang vollziehen zu können, was im Widerspruch zu der für die Verformung erforderlichen Weiche des Materials steht.

Grundsätzlich die gleichen Nachteile entstehen bei einem anderen bekannten Verfahren zur Befestigung eines "nagelartigen Befestigungselements", welches mit einem eine kegelstumpfförmige Außenwand aufweisenden Eindringteil in eine Platte odgl. eingeschlagen wird (DE-OS 28 46 943), wobei der eindringende Ringteil aufgrund der konischen Ausformung des Einschlagteils sich verjüngt und dabei Metallabschnitte der Platte umgreift. Zwar ist hier keine Undichtheit der Platte an der Verbindungsstelle vorhanden aber es besteht eine schlechte Haltbarkeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren, Werkzeug oder der erfindungsgemäße Stempel mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, des Anspruchs 7 und des Anspruchs 14 hat demgegenüber den Vorteil, daß einerseits eine äußerst feste Verbindung zwischen Platte und Bauteilen entsteht und daß andererseits weder Undichtheiten noch Schwächungen infolge von Öffnungen in einer Platte entstehen. Durch das Tiefziehen des Plattenmaterials wird dieses abschnittsweise verdünnt und in Tiefziehrichtung verbracht, wofür etwa 20 % des insgesamt erforderlichen Kraftaufwandes nötig ist. Die anderen 80 % sind für den danach erfolgenden Quetschvorgang zwischen Stirnseite des Stempels und dem Boden der Matrizenöffnung nötig, wobei das tiefgezogene Material zuerst radial nach außen und dann durch die Wände der Matrizenöffnung wieder in Richtung Stempel fließt, diesen formschlüssig einbindend in Art eines Nietes. Der Stempel kann bei diesem Quetschvorgang aufgrund der nunmehr eingesetzten höheren Kräfte ebenfalls verformt werden. Das Ganze erfolgt in nur einem Arbeitsgang. Maßgebend ist, daß der Stempel sowohl als Tiefziehwerkzeug, als auch als"verlorener Niet"dient.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Material des Stempels härter als jenes der Platte, um zu erreichen, daß entweder nur das Material der Platte fließt, während der Stempel in seiner Form unverändert bleibt oder daß der Fließvorgang erst beim Quetschen beginnt. In jedem Fall ist gewährleistet, daß die Qualität der einzelnen nach dem Verfahren hergestellten Verbindungspunkte gleich ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch eine in ihrem Volumen in und quer zur Preßrichtung unveränderbaren Matrizenöffnung der Quetschvorgang des verdrängten Materials in Längs-sowie Querausdehnung unnachgiebig begrenzt. Durch die entsprechende, einen günstigen Materialfluß bewirkende Gestaltung der Matrizenöffnung kann dadurch eine besonders hohe Festigkeit der Verbindung erzielt werden. Die Matrize kann aber in unterschiedlicher Weise gestaltet sein, z. B., wie beansprucht, als Topf mit starren Wänden, als Topf mit steuerbarem Boden oder auch als Matrize mit flexiblen Wänden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere aufeinanderliegende Platten oder Plattenabschnitte miteinander verbunden, in dem beim Tiefzieh- und Quetschvorgang entsprechende übereinanderliegende Flächenteile der Platten miteinander in die Matrizenöffnung tiefgezogen und dann verquetscht werden, wonach der Stempel in der Eindringöffnung verbleibt. Es ist zwar bekannt, zwei aufeinanderliegende Platten durch einen Tiefzieh-und Quetschvorgang in einem Arbeitsgang miteinander zu verbinden (EP-PS 0 215 449), wobei allerdings der Stempel wieder aus seiner Eindringöffnung herausgezogen wird und somit weder als zusätzliches Verbindungsmittel noch als nietartiger Zusatz verwendet wird. Bei einem anderen bekannten ähnlichen Verfahren zum Verbinden von zwei Platten (DE-OS 44 04 659) werden zuerst zwei Platten über einen Stempel in eine Matrizenöffnung tiefgezogen, wonach der Stempel zurückgenommen und ein Preßkörper in die Öffnung gedrückt und dort verquetscht wird, um dadurch eine druckknopfartige Verbindung zu erhalten, die durch den Preßkörper unnachgiebig wird. Einerseits sind hier mindestens zwei Arbeitsgänge erforderlich und andererseits muß der Preßkörper weich genug sein, um in der dort vorgesehenen Weise fließen zu können und hart genug sein, um ein zusätzliches Fließen des Plattenmaterials zu bewirken. Hier besteht offensichtlich ein Widerspruch in sich.

Nach einer diesbezüglichen weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt nach dem Tiefziehvorgang und durch den Quetschvorgang eine formschlüssige Verhakung der tiefgezogenen und gequetschten Flächenteile, wobei die verformten Flächenteile einer Platte in Tiefziehrichtung gesehen die unter dieser Platte liegende nächste Platte hintergreifen und ggf. die entsprechenden Flächenteile dieser Platte möglicherweise eine nächste darunterliegende Platte hintergreifen. Hier ist besonders von Vorteil, wenn der Stempel aus härterem Material besteht und dadurch in Zusammenwirkung mit der ebenfalls harten und unnachgiebigen Matrizenöffnung den gewünschten Materialfluß bei den verformten Teilen zu erhalten.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung fällt nach dem Preß-und Quetschvorgang die freie Stirnseite des Stempels in die Plattenebene. Hierdurch ist die durch den Tiefziehvorgang des Stempels geschaffene Öffnung durch diesen geschlossen.

Nach einer das erfindungsgemäße Werkzeug betreffenden vorteilhaften Ausgestaltung ist die Tiefziehöffnung als Sacköffnung mit festen Begrenzungen ausgebildet, deren Seitenwände in Bewegungsrichtung des Preßstößels oder sich leicht nähernd ausgebildet sind und wie deren Boden durchgehend und unnachgiebig sind, wobei im Randbereich des Bodens der Tiefziehöffnung eine umlaufende Erhebung vorhanden sein kann. Bei den oben genannten bekannten Werkzeugen ist im Gegenteil hierzu im Boden der Tiefziehöffnung eine umlaufende Vertiefung bzw. Stempel vorhanden. Bei diesen bekannten Werkzeugen wird dadurch während des Preßvorgangs Material in diese Vertiefungen geschoben, wodurch dort eine druckknopfartige Verhakung mit entsprechender Materialansammlung entsteht, welche wiederum als Versteifung gegen sich Lösen der Verhakung dient. Bei der Erfindung hingegen wird gerade in diesem Bereich aufgrund der umlaufenden Erhebung das Material aus dem Bodenbereich der tiefgezogenen Flächenteile der Platte radial um den Stempel wieder nach oben verdrängt, wodurch einerseits eine Verbesserung der Verhakung entsteht, vor allem aber eine feste formschlüssige Verbindung zum verlorenen Stempel hin, der erfindungsgemäß in der Eindringöffnung verbleibt.

Nach einer weiteren diesbezüglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die umlaufende Erhebung im Innendurchmesser gleich oder größer als der Stempeldurchmesser. Hierdurch wird vermieden, daß zwischen Oberseite Erhebung und Unterseite des Stempels ein, den Materialfluß beeinträchtigender Engpaß entsteht.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Preßstößel eine zentrale Sackbohrung zur Mitnahme des verlorenen Stempels auf. Eine solche zentrale Sackbohrung ist an sich bekannt (DE-PS 33 908 und DE-OS 44 04 659), wobei sich beim Einpassen des verlorenen Stempels der Preßstößel auf einer Schulter oder Stirnseite des Stempels abstützt und bei Stempeln mit einem Gewindebolzen odgl. letztere in die Sackbohrung hineinragen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Preßstößel in einem Spannteil geführt, welches Zuführöffnungen für seinen als verlorener Stempel dienenden Teil aufweist, um bei Rückhub und vor Preßhub zur Herstellung eines neuerlichen Verbindungspunktes einen nächsten verlorenen Stempel vorzulagern. Mit diesem Spannteil kann gleichzeitig die Platte auf die Matrize gespannt werden, bevor dann der Preßstößel mit Stempel in die Plattenfläche eingepreßt wird. Über eine solche Zuführöffnung kann auch eine automatische Ladung des Werkzeuges für den verlorenen Stempel erfolgen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zulässige Stößelhub derart gewählt, daß eine Durchtrennung der Platte vermieden wird und dennoch eine Quetschung der tiefgezogenen Flächenteile stattfindet. Eine solche Hubbestimmung ist für ein Preßwerkzeug unproblematisch.

Nach einer weiteren diesbezüglichen Ausgestaltung der Erfindung endet der Stößelhub mit der ihm zugewandten Plattenfläche, so daß die Stempelrückseite in die Plattenebene fällt.

Nach einer den erfindungsgemäßen Stempel betreffenden Ausgestaltung der Erfindung weist der Stempel in dem die Plattenoberfläche durchdringenden Bereich mindestens eine radiale Ausnehmung auf, in welche beim Quetschvorgang Material hintergreifend verdrängt wird. Hierdurch entsteht eine nietartige Verbindung. Diese Ausnehmung kann in unterschiedlichster Art ausgestaltet sein, vorzugsweise wird sie als Ringnut oder als umlaufende Ausnehmung ausgebildet sein.

So können mehrere derartige Ringausnehmungen vorgesehen sein.

Nach einer weiteren diesbezüglichen Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Ringnuten parallel im Stempel vorhanden mit einem Mindestabstand zur Vermeidung eines Brechens während des Quetschvorgangs. Besonders bei dem hohen Druck, der für den Quetschvorgang erforderlich ist, entstehen durch das verdrängte Plattenmaterial innterhalb der Ringnut Trennkräfte, die zu einem Abreißen führen könnten. Die dadurch gegebene "Sollknickstelle"wird abgestimmt auf das Stempelmaterial sowie die Matrizenform, wobei der Rohling zur Erzielung einer solchen "Sollknickstelle"auch ohne Ringnuten versehen sein kann.

Nach einer weiteren diesbezüglichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Übergänge auf der radialen Mantelfläche und/oder von dieser zur in Preßrichtung weisenden Stirnseite des Stempels abgerundet. Eine solche Abrundung der Übergänge fördert das Fließen des verdrängten gequetschten Materials.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Stempel im Kopfbereich einen druckknopfartigen Längsschnitt auf.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient der Stempel als Verbindungsmittel zu anderen Bauelementen und weist dafür eine Eingriffsmöglichkeit auf, wobei eine solche Eingriffsmöglichkeit entweder ein nach seinem Einbau über die Platte herausragender Zapfen sein kann, an welchem ein Außengewinde eine Eingriffsringnut odgl. angeordnet ist oder es handelt sich um eine Bohrung mit Gewinde, Einhaknut odgl. am Stempel, oder es handelt sich um sonst eine Eingriffsmöglichkeit magnetischer oder sonstiger Natur. Natürlich können erfindungsgemäß neben einem solchen eine Eingriffsmöglichkeit aufweisenden Verbindungsmittel auch mit der Platte weitere Platten verbunden sein, wie es weiter oben beschrieben ist. Maßgebend ist, daß der Stempel als verlorenes Werkzeug in der Einpreßöffnung verbleibt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die radiale Mantelfläche des Stempels als Verdrehsicherung prismatisch ausgebildet, so dal3 das verdrängte Material ein Verdrehen des Stempels in der ihn aufnehmenden Öffnung verhindert.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Stempels ist in der Zeichnung stark vereinfacht dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 und 2 das Werkstück und Werkzeug vor und nach Herstellung der Verbindung, Fig. 3,4,5 und 6 vier verschiedene Varianten eines verlorenen Stempels und Fig. 7 Werkzeuge und Werkstücke im Längsschnitt und in Explosionsdarstellung In Fig. 1@ ist ein erfindungsgemäßer verlorener Stempel 1 oberhalb von zwei übereinanderliegenden Metallplatten 2 und 3 dargestellt, welche wiederum auf einer Matrize 4 liegen, die zu den Metallplatten hin eine Tiefziehöffnung 5 aufweist. Der Stempel 1 ist normalerweise in einem nicht dargestellten Führungsteil in Richtung des Pfeiles I verschiebbar gelagert und wird in Richtung Metallplatten 2,3 durch einen Preßstößel, der ebenfalls nicht dargestellt ist, angetrieben. Der Stempel 1 weist eine Stirnfläche 6 auf, sowie einen Eindringabschnitt 7, der sich zur Stirnfläche 6 hin erweitert und auf der anderen Seite in einen Kopf 8 mit Bodenseite 9 übergeht. Zwischen dem Eindringabschnitt 7 und dem Kopf 8 besteht eine Verjüngung 11.

Die Tiefziehöffnung 5 der Matrize 4 weist zylindrische Seitenwände 12 sowie einen ebenen Boden 13 auf. Zwischen Seitenwänden 12 und Boden 13 kann eine umlaufende Erhebung 14 vorhanden sein.

In Fig. 2 ist der Stempel 1 in seiner Endlage dargestellt. Diese Endlage nimmt der verlorene Stempel ein, wenn er in einem Arbeitsgang zwei Funktionen des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens bewirkt hat, nämlich erstens ein Tiefziehen von Flächenteilen der Platten 2 und 3 in die Tiefziehöffnung 5 hinein und zweitens ein Verdrängen des zwischen seiner Bodenseite 9 und dem Boden 13 der Tiefziehöffnung 5 befindlichen Materials radial nach außen, wobei dieses Material hinter den Kopf 8, also in die Verjüngung 11 des Stempels 1 fließt. Der Stempel 1 wird dadurch fest eingebunden, so daß eine sowohl formschlüssige wie kraftschlüssige Verbindung entsteht. Sobald die Verbindung entstanden ist, wir sie aus der Tiefziehöffnung 5 herausgehoben.

Durch eine derartige Erhebung 14 kann eine Verbesserung dieses Materialflusses in Richtung Verjüngung 11 erzielt werden.

Nach dem Abschluß der beiden Verfahrensschritte ist die Oberseite des Stempels bündig mit der Oberfläche der Metallplatte 2.

Statt mit dem Stempel nietartig zwei oder mehrere Metallplatten in der beschriebenen Art zu verbinden, kann erfindungsgemäß der Stempel 1 auch nur in eine Platte in der erfindungsgemäßen Art hineinverbunden werden, wobei das Verfahren grundsätzlich in gleicher Art erfolgt, nur daß statt zwei aufeinanderliegender Platten eine einzige Platte verwendet wird. Auch hier erfolgt zuerst ein Tiefziehvorgang und danach ein Quetschvorgang, wobei ebenfalls das gequetschte Material hinter der Kopf fließt und dadurch eine feste Verbindung dieses verlorenen Stempels in der Eindringöffnung der Platte gegeben ist. Um diesen Vorgang zu optimieren, besteht der Stempel 1 aus einem härteren Material wie die Metallplatte oder die Metallplatten, so daß der Stempel selber keine Verformung erfährt ähnlich wie auch die Tiefziehöffnung 5 der Matrize 4, während des Preßvorgangs keinerlei Verformung erfährt.

Erfindungsgemäß kann der Stempel 1 als Anbindemittel für weitere Bauteile dienen, wofür an seiner freien Stirnseite Angriffsmöglichkeiten vorhanden sein können. Erfindungsgemäß kann somit der Stempel einerseits zur Verbindung mehrerer Metallplatten durch das dargestellte Einpreßverfahren dienen und außerdem möglicherweise nur an einer Platte angeordnet über Eingriffsmöglichkeiten zum Verbinden anderer Bauteile.

In Fig. 3 ist der Stempel 1 a für sich dargestellt, so wie man ihn möglicherweise als verlorenen Niet zum Verbinden mehrerer Platten verwenden würde, wonach die Eindringöffnung des Stempels nach oben verschlossen wäre.

In Fig. 4 ist der Stempel lb mit einer zentralen Gewindebohrung 15 dargestellt und zwar im Teilschnitt, wobei an diese Gewindebohrung 15 als Eingriffsmöglichkeit andere zu verbindende Teile schraubbar sind. Vorteilhafterweise kann eine solche Gewindebohrung verhältnismäßig tief in den Stempel eindringen, so daß ungenutzte derartige Stempel in eingebautem Zustand nicht weiter stören.

In Fig. 5 ist ein Stempel 1 c dargestellt, auf dessen Oberseite als Eingriffsmöglichkeit ein Gewindebolzen 16 angeordnet ist, an dem weitere Bauteile befestigbar sind.

In Figur 6 ist ein Stempel 1 d dargestellt, der weitgehend zylindrisch ausgebildet ist und auf dessen äußerer Mantelfläche 17 zwei Ringnuten 18 angeordnet sind, in die sich das beim Quetschvorgang von den Metallplatten 2 und 3 verdrängte Material hineinquetscht und wobei der Abstand zwischen den zwei Ringnuten 18 auf Material und Durchmesser abgestimmt sein muß. So fließt dieser als Niet wirkende Stempel bei geringerem Durchmesser etwas weniger auseinander als bei größerem Durchmesser.

In Figur 7 ist stark vereinfacht Werkzeug und Werkstück im Längsschnitt-und in Explosionsdarstellung gezeigt, nämlich der verlorene Stempel Id eingefügt in den Metallplatten 2 und 3, jeweils zwischen der Matrize 19 und einem Preßstößel 21. Der Preßstößel 21 weist auf seiner dem Stempel 1 d zugewandten Seite eine Ausnehmung 22 auf, welche beim verlorenen Stempel zu einer Erhebung 23 geführt hatte. Die Matrize 19 wiederum weist im Boden ihrer Tiefziehöffnung 5 eine Ringnut 24 und eine Vertiefung 25 auf, die zu einer entsprechenden Gestaltung 26 auf der Unterseite der Metallplatte 3 im Bereich des Verbindungspunktes geführt hat. Die Ausgestaltung der Ausnehmung 22, der Ringnut 24 und der Vertiefung 25 sind auf die Abmessungen und das Material im Bereich dieses Verbindungspunktes abgestimmt, um die z. B. dargestellte nietartige Verformung zu erzielen.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszahlenliste 1 Verlorener Stempel 1 a, b, c, d verschiedene Stempelvarianten 2 Metallplatte 3 Metallplatte 4 Matrize 5 Tiefziehöffnung 6 Stirnseite 7 Eindringabschnitt 8 Kopf 9 Bodenseite 10- 11Verjüngung 1 2 Seitenwände 13Boden 14Erhebung 15Gewindebohrung 1 6 Gewindebolzen 1 7 M antelfläche 18Ringnuten 1 9 Matrize 20- 21Pre#stö#el 22 Ausnehmung <BR> <BR> <BR> 2 3 Erhebung<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 2 4 Ringnut 2 5 Vertiefung 26Gestaltung IPre#richtung