DE4314732A1

DE4314732A1 - Stempel- und Matrizenanordnung zur Blechbefestigung

Info

Publication number: DE4314732A1
Application number: DE4314732A
Authority: DE
Inventors: Gary M Cronn; Ronald J Eisbrenner; Charles L Desmet
Original assignee: Savair Inc
Current assignee: Savair Inc
Priority date: 1992-05-04
Filing date: 1993-05-04
Publication date: 1993-11-18
Also published as: CA2094941C; CA2094941A1; GB2267859B; FR2690642A1; US5230136A; GB2267859A; FR2690642B1; GB9308818D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbin dung von Schichtmaterial sowie Stempel- und Matrizenan ordnungen, die als eine Alternative zum Schweißen zur Verbin dung von Blechen verwendet werden. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Matrize mit einem spezifisch ausgebildeten Hohlraum mit randlichen Absätzen, wobei die randlichen Ab sätze in einem beschränkten Ausmaß eine seitliche Extrusion des Bleches besorgen, so daß die Festigkeit der Befestigung der sich ergebenden Blechverbindung verbessert wird.

Schweißen war seit langem ein weitverbreitetes Verfahren zur Verbindung von Blechen, besonders in der Automobil- und Appa ratebauindustrie. Dennoch werden dem Schweißen wesentliche Nachteile zugerechnet, umfassend die Zerstörung von Beschich tungsmaterialien und seine nachteilige Wirkung auf korrosi onsbeständige Legierungen und Metalle, die Oberflächenbehand lungen unterzogen wurden. Das Schweißen ist auch im Hinblick aufzunehmende Bedenken der Umweltwirkungen seiner Gase und Flußrückstände weniger bevorzugt.

Bei der Abkehr vom Schweißen als ein Verfahren zur Verbindung von Blechen mit einer Stärke zwischen 0,5 und 1,3 mm wurden verschiedene Vorschläge zur Verwendung von Stempel- und Ma trizenanordnungen gemacht, die dazu vorgesehen sind, dauer haft zwei oder mehr Metallbleche zu verbinden oder zu befe stigen. Im allgemeinen haben Stempel- und Matrizenanordnungen einige Vorteile gegenüber dem Schweißen umfassend geringere Instandhaltungskosten und geringere Energieaufwendungen beim Betrieb der Vorrichtung. Der Hauptnachteil von Verbindungen, die unter Verwendung einer Stempel- und Matrizenanordnung hergestellt wurden, besteht jedoch darin, daß sie geringere Zug- und Scherfestigkeit aufweist. Es versteht sich von selbst, daß die hergestellte Verbindung ausreichend fest für die Zwecke bestimmter Anwendungen sein muß. Wenn beispiels weise eine Automobilhaube, Türverkleidungen oder Waschma schinenverkleidungen verbunden werden, können die Verbindun gen einer beträchtlichen Ermüdung sowie Scher- und Zugbela stungen ausgesetzt sein. Dementsprechend ist die Festigkeit der Verbindung das kritische Kriterium, um ihre Eignung für eine gegebene Anwendung zu ermitteln. Darüberhinaus wird, wenn die Betonung auf dem Bereitstellen einer leckdichten Verbindung liegt, die Verwendung herkömmlicher Stempel- und Matrizenanordnungen, welche die Metallbleche durchbrechen, von vornherein ausgeschlossen.

Das US-Patent Nr. 3,579,809 von Wolf et al. ist ein frühes Beispiel einer Matrize, die besonders ausgelegt war, um ein Metallblechverbindungsverfahren zur Verfügung zu stellen, welches zur Herstellung relativ fester leckdichter Verbindun gen geeignet war. Das Verfahren erforderte die Anordnung eines Ambosses zwischen einem Paar von Matrizenblöcken, die federnd gegenüber dem Amboß vorgespannt waren. Der Amboß wies unterhalb der oberen Flächen der Matrizenblöcke eine Ausneh mung auf, um einen Formraum zwischen den Matrizenblöcken zur Verfügung zu stellen. Sodann konnten zwei Metallbleche auf den Matrizenblöcken über dem Amboß angeordnet werden und ein Stempel drückte gegen die Bleche in axialer Ausrichtung mit dem Amboß, derart, daß der Amboß als mechanischer Anschlag für den Stempel diente. Der Stempel formte konzentrische Ge senke in die Bleche ein, ohne durch das verbundene Metall zu brechen. Während des Arbeitsganges des Stempels gleiten die Blöcke seitlich entgegen der entgegenwirkenden Vorspannungs kraft weg, und erlauben es so den Blechen, seitlich in alle Richtungen von dem in den Blechen gebildeten konzentrischen Gesenk plastisch extrudiert zu werden. Die seitlichen Extru sionen dienen dazu, die Gesenke zu verhaken, und dadurch eine dauerhafte Verbindung herzustellen, die dazu geeignet ist, sowohl Scher- als auch Zugbelastungen in der Ebene der Bleche und in axialer Richtung der Gesenke zu widerstehen.

Das US-Patent Nr. 4,459,735 von Sawdon lehrt eine ähnliche Methode, bei der das Gleiten der Blöcke durch ein Schwenken der Blöcke ersetzt wurde. Die Matrizenblöcke wurden gegenüber dem Amboß in einer scherenähnlichen Art durch eine Druckfeder vorgespannt. Wie bei der Lehre von Wolf et al. besteht die Wirkung der Schwenkmöglichkeit der Matrizenblöcke darin, eine laterale Ausdehnung der Gesenke in einen Bereich zu gestat ten, der an den Amboß angrenzt, um die verbundenen Bleche zu verhaken. Sawdon betonte insbesondere die Bedeutung des Aufrechterhaltens der Stärke der Bleche im Zentrum der Ver bindung entsprechend der Formel:

T=0.2(1.2(M₁+M₂));

wobei T die Gesamtstärke des Metalls im Zentrum der Verbin dung, und M₁ und M₂ die Stärken der oberen bzw. der unteren Tafel vor dem Verbindungsvorgang sind. Verbindungen, die in Anlehnung an diese Lösung gebildet wurden, zeigten eine er höhte Festigkeit der Verbindung, aber diese Lösung machte es notwendig, daß die Druck- oder Stempelvorrichtung kalibriert werden mußte, um die Ausgangsstärke der Tafeln zu berücksich tigen. Die US-Patente Nr. 4,757,609, 4,910,853 und 5,027,503 von Sawdon und US-Patente Nr. 5,031,442 von Kynl führten die Verwendung eines elastischen Bandes anstatt einer Feder zur Vorspannung der Matrizenblöcke gegen den Amboß ein.

Obwohl in der Industrie weitgehend der Methode nach Sawdon gefolgt wurde, ergab sich durch das Festhalten an der obigen Form ein bemerkenswerter Nachteil, der darin bestand, daß die Stärke der Tafel hinreichend weit variieren kann, so daß eine Veränderung der Stempel- und Matrizenvorrichtung erforderlich ist, um die bevorzugte Verbindungsstärke zu erzielen. Dar überhinaus besteht der Hauptnachteil von Wolf et al. zusammen mit der Sawdon Methode darin, daß eine mechanische Bewegung der Matrizenblöcke notwendig war, um eine laterale Extrusion hervorzurufen, die zu einer gemeinsamen Verhakung der Bleche notwendig war. Die sich ergebende Matrizenkonstruktion war ziemlich groß, schwerfällig und teuer, verglichen mit der al leinigen Verwendung eines einstückigen Ambosses ohne bewegli che Matrizenblöcke.

Im Gegensatz dazu vermied die Methode nach dem US-Patent Nr. 4,584,753 von Eckold et al. die Verwendung mechanisch beweg licher Matrizenblöcke, indem die Matrizenblöcke als freitra gende Elemente, die sich von einer Grundfläche zum Umfang des Ambosses hin erstreckten, gebildet wurden. Dementsprechend ermöglichte es die federnde Eigenschaft des Materials, aus dem die freitragenden Elemente gebildet waren, daß sich die freitragenden Elemente während des Arbeitsganges des Stempels federnd nach außen bogen, so daß eine seitliche Extrusion der Bleche stattfand. Weitere Anpassungen an dieses Prinzip lehrten die US-Patente Nr. 4,614,017, 4,658,502, 4,928,370, 4,972,565 und 5,046,228 von Eckold et al. Der Nachteil des Stützens auf den beweglichen Matrizenblöcken blieb dennoch ein bedeutendes Merkmal bei der Arbeitsweise einer Stempel- und Matrizenanordnung nach Eckold et al.

Ein Beispiel eines Stempelverfahrens zur Befestigung von Me tallblechen, welches sich nicht auf bewegliche Matrizenblöcke stützt, ist in dem US-Patent Nr. 4,911,591 von Oaks darge stellt. Ähnlich zu den Lehren von Sawdon und Eckold et al. stützt sich auch Oaks auf eine seitliche Extrusion von wenig Blechmaterial um die Bleche zu verhaken. Der Unterschied bei Oaks besteht jedoch darin, daß das Verhaken zwischen dem Teil eines Bleches stattfindet, welcher durch einen Stempel in eine Ausnehmung extrudiert wird, die vorher in dem zweiten Blech gebildet wurde. Diese Methode verhindert die Notwendig keit für die Blöcke entweder zu gleiten, zu schwenken oder sich relativ zum Amboß zu biegen. Ein Nachteil der Lehre von Oaks besteht dennoch darin, daß das zweite Blech zuerst einem vorausgehenden Arbeitsvorgang unterzogen werden muß, um einen Teil desselben zu versetzen, um eine Ausnehmung zu bilden.

Aus obiger Diskussion ist es klar entnehmbar, daß keine Vor richtung für ein Verbindungsverfahren von Blechen nach dem Stand der Technik einen Schritt offenbart, bei dem die Ma trize aus einem einheitlichen Stück ohne bewegliche Teile ge bildet ist. Darüberhinaus ergibt sich aus dem Stand der Tech nik kein Verfahren, bei dem nicht entweder die Bildung einer Ausnehmung in einem der Bleche hierin, oder die federnde Ausdehnung eines Teiles der Matrize erforderlich ist, um die Extrusion einer oder mehrerer Metallbleche wirkungsvoll auf zunehmen und dauerhaft die Bleche in einer Art zu befestigen, die eine leckdichte Verbindung gewährleistet.

Demgemäß bedarf es einer preiswerten, einstückigen Matrize für die Verwendung herkömmlicher Pressen, die in Zusammenwir ken mit einem herkömmlichen Stempel fähig sind, ein oder meh rere Metallbleche verschiedener Dicken zusammenzufügen, ohne daß es für die Matrize notwendig ist, bewegliche Teile zu um fassen und ohne daß es notwendig ist eine teuere Vorbereitung der Metallbleche vor dem Verbindungsvorgang vorzusehen.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfin dung ein Verfahren zum Verbinden von Schichtmaterial durch einen Präge- oder Preßvorgang und eine Matrize für den Präge- oder Preßvorgang zur Verfügung zu stellen, bei dem zwei oder mehrere Materialschichten zur Bildung einer leckdichten dau erhaften Verbindung befestigt werden können.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Matrize ein stückig ohne bewegliche Teile auszubilden.

Eine darüberhinausgehende Ausgabe der Erfindung besteht darin, daß die Matrize eine Amboßoberfläche mit einem Hohl raum oder einer Ausnehmung umfaßt, in welche die Schichten durch einen Stempel gedrückt werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, daß der Hohlraum einen Rand begrenzt, der wenigstens eine Absatz aufweist, welcher sich mit dem Hohlraum fortsetzt, durch welchen ein Teil der Schichten plastisch extrudierbar ist.

Schließlich ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, daß die Absätze in Form von langgestreckten eingebuchteten Durch gängen unterhalb der Amboßfläche der Matrize ausgebildet sind, wobei das Aufnahmevermögen der Durchgänge ausreichend für zu befestigende Schichten unterschiedlicher Stärke ist.

Es ist darüberhinaus eine weitere Aufgabe der Erfindung, daß die randlichen Absätze über den Umfang des Hohlraumes gleich beabstandet sind, um Zug- und Scherlasten zwischen den Schichten gleichmäßig zu verteilen.

Diese Ziele werden durch die kennzeichnenden Teile der unab hängigen Ansprüche gelöst, wobei zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung durch die Merkmale der jeweiligen abhängigen Ansprüche gekennzeichnet sind.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Matrize zur Verwendung mit einem herkömmlichen Stempel zur dauerhaften Verbindung oder Befestigung zweier oder mehrerer Metallbleche oder anderer geeigneter verformbarer Materialien zur Verfü gung gestellt. Die Matrize ist speziell ausgebildet, um sowohl den Stempel aufzunehmen und eine oder mehrere seitli che Durchgänge vorzusehen, die eine Extrusion einer gewissen Menge an Blechmaterial gewährleisten, welche dazu dient, die Bleche zu verhaken. Die Matrize selbst hat keine beweglichen Teile und bietet ein ökonomisches Design, welches an die ver schiedenen Typen von Pressen und Anwendungen anpaßbar ist. Darüberhinaus können die seitlichen Durchgänge Blechmaterial in verschiedener Stärke aufnehmen und dennoch einen genügen den Verhakungseffekt hervorrufen, ohne daß es notwendig ist, den Stempel oder die mit der Matrize verwendete Presse genau zu kalibrieren.

Die Matrize ist im wesentlichen ein Teil einer herkömmlichen Stempel- und Matrizenanordnung, die einen Stempel mit einem kreisförmigen Querschnitt aufweist, obwohl andere Formen, wie ein ovaler oder rechteckiger Querschnitt voraussichtlich mit zufriedenstellenden Ergebnissen verwendet werden können. Die Matrize ist geeignet, mit dem Stempel zusammenzuwirken, so daß ein Befestigungs- und verbindungsverarbeitungsschritt durchführbar ist. Grundsätzlich dient die Matrize als ein Am boß mit einer vorgesehenen Eindruckoberfläche, auf welche der Stempel eindrückt. Es ist besonders hervorzuheben, daß die Eindruckfläche der Matrize auch den Rand einer Wand begrenzt, die den Umgang einer Ausnehmung beschreibt, die die Form der Verbindung bestimmt und als Führung für den Stempel dient, und andererseits die Art und Weise, mit der die Materialien verbunden werden sollen, beeinflußt. Der Stempel ist axial mit der Matrize ausgerichtet und treibt gegen die Eindruck fläche, entweder handbetrieben oder durch eine mechanische Vorrichtung, wie eine Schlagpresse oder eine Presse.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann die in der Oberfläche der Matrize gebildete Ausnehmung oder Ausfüllung jede Form annehmen, gleichwohl entspricht die Querschnitts form des Hohlraums weitgehend der des Stempels. Ein geeigne ter Zwischenraum zwischen dem Stempel und dem Hohlraum ge währleistet, daß der Stempel die zu verbindenden Bleche nicht schneidet oder durchbricht. Der Hohlraum begrenzt mit der Eindruckfläche der Matrize eine umlaufende Kante. Darüber hinaus ist in der Eindruckfläche in Fortsetzung mit dem Hohl raum wenigstens ein randlicher Absatz gebildet, der den Rand des Hohlraumes schneidet. Der randliche Absatz ist vorzugs weise in der Endfläche der Matrize eingebuchtet, um einen Ex trusionsweg für das Blechmaterial vorzusehen und ebenso dafür zu sorgen, daß zusätzliches umgebendes Blechmaterial in den Hohlraum hineingezogen wird, wenn der Stempel das auf der Ma trize gehaltene Blechmaterial eindrückt. Der extrudierte Teil des Blechmaterials stellt eine mechanische Befestigung zwi schen den Blechen zur Verfügung, um eine dauerhafte leck dichte Verbindung zu bilden.

Um einen gleichförmigen Befestigungsvorgang zwischen Schich ten verformbaren Materials zur Verfügung zustellen, ist es vorzuziehen, daß mehrere gleich beabstandete randliche Ab sätze in sich radial vom Hohlraum erstreckender Art und Weise angeordnet sind, um mehrere Durchgänge, durch welche das ex trudierte Schichtmaterial fließen kann, zur Verfügung zu stellen. Um darüberhinaus verschiedene Stärken von Schichtma terial aufnehmen zu können, ist es vorzuziehen, daß sich die randlichen Absätze quer über die volle Breite der Eindruck fläche erstrecken. Folglich besorgen die randlichen Absätze eine unbegrenzte seitliche Extrusion des Schichtmaterials aus dem Hohlraum.

Entsprechend einem bevorzugten Gesichtspunkt dieser Erfindung stellen die randlichen Absätze, die im Randbereich des Hohl raums gebildet sind, Durchgänge zur Verfügung, durch welche das Schichtmaterial plastisch während des Preßvorgangs ex trudiert werden kann. Folglich wird das Schichtmaterial in dem Hohlraum durch den Stempel verformt, wobei ein Teil des verformten Materials in die Durchgänge extrudiert wird. Die obere Schicht des Materials wird am weitesten entfernt in die Durchgänge extrudiert, wobei die untere Schicht in enger Aus formung mit der oberen Schicht eine seitliche Ausbuchtung bildet.

Die seitliche Ausbuchtung dient zum Verhaken der Schichten in Vorschubrichtung des Stempels, um eine Relativbewegung zwi schen den Schichten zu vermeiden. Die Verformung in den schichten entsprechend dem Hohlraum dient als ersten Bewe gungshemmnis zwischen den Schichten in der Schichtfläche. Daraus ergibt sich eine Verbindung zwischen den Schichten, die geeignet ist Ermüdung, Scher- und Zugbelastung zwischen den Schichten in einem größeren Maße als nach dem Stand der Technik zu widerstehen. Darüberhinaus wird die Verbindung ohne einen Durchbruch zwischen den Schichten erreicht, um eine leckdichte Verbindung zu gewährleisten, die zum Formen von Flüssigkeitsbehältern und verschiedener anderer Artikel geeignet ist, bei denen eine flüssigkeitsdichte Bauweise, wie z. B. bei korrosiven Umgebungen erforderlich ist.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Aufbau der Matrize vereinfacht ist, und aus einer einstückigen Matrizenkonstruktion besteht, die einen Amboß und einen Hohlraum bildet, in welchem der Stempel aufgenommen wird. Es ist nicht notwendig gleitende, schwen kende oder federnde Matrizenblöcke zur Aufnahme der Extrusion des Schichtmaterials zu Verfügung zustellen. Folglich ist die Matrize einfach an herkömmliche Stempel- und Preßvorrichtun gen und an automatisierte Maschinen anpaßbar. Darüberhinaus kann die Matrize aufgrund ihrer kompakten Bauweise dort ange wendet werden, wo die Verwendung von Stempel und Matrizenan ordnungen nach dem Stand der Technik lästig oder aufgrund der räumlichen Begrenzung unmöglich wäre.

Weitere Vorteile dieser Erfindung gehen klar aus der folgen den detaillierten Beschreibung in Zusammensicht mit den bei liegenden Zeichnungen vor. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Matrize in Übereinstim mung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht entlang der Linie 2-2 in der An sicht der Matrize nach Fig. 1, wobei ein Hohlraum und Extrusionskanäle in Übereinstimmung min einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung dargestellt sind;

Fig. 3 eine teilweise Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 nach Fig. 2 einer erfindungsgemäßen Ma trize, wobei ein Paar Metallbleche durch einen Stempel eingepreßt wurden;

Fig. 4 eine teilweise Querschnittsansicht ähnlich zu Fig. 3 entlang der Linie 4-4 nach Fig 2;

Fig. 5 eine Draufsicht auf die obere Schicht nach Fig. 3 und 4, wobei das Verformungsmuster auf der oberen Oberfläche gezeigt ist, und

Fig. 6 eine rückwärtige Draufsicht der unteren Schicht nach Fig. 3 und 4, wobei das Deformationsmuster in der unteren Oberfläche gezeigt ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 ist eine Matrize 10 zur Verwendung mit einem Stempel 28 oder einem Preßvorgang ge zeigt, bei dem zwei oder mehrere Bleche aus Metall oder Ta feln oder dünne, blechartige Platte aus anderem geeigneten verformbaren Material als Metall dauerhaft verbunden werden können. Um die dem Begriff "Bleche" innewohnende Beschränkung auf Metall zu vermeiden, wird im folgenden auch die Bezeich nung Schichtmaterialien verwendet. Der Stempel 28 kann von jedem bekannten herkömmlichen Typ sein, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, bei dem ein Ende 26 des Stempels 28 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Es können auch Stempel mit einer ovalen, rechteckigen oder anderen Querschnittsfor men mit zufriedenstellenden Ergebnissen verwendet werden. Die Matrize 10 ist genügend bemessen, um das Ende 26 des Stempels 28 aufzunehmen und den Stoß des Stempels 28 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Befestigungsschrittes zu absorbieren. Die Matrize 10 dient in erster Linie als einstückiger Amboß, der eine druckfeste Oberfläche zur Verfügung stellt, gegen den der Stempel 28 wirkt. Bei der Verwendung ist der Stempel axial mit der Matrize 10 ausgerichtet, wobei zwei oder meh rere Schichten von Metall bzw. Metallbleche (in den Fig. 3 und 4 ist eine obere Schicht 12 und eine untere Schicht 14 dargestellt) oder jedes andere geeignete verformbare Mate rial, oberhalb der Matrize 10 angeordnet sind, und das Ende 26 des Stempel 28 dann gegen die Schichten 12 und 14 und die Matrize 10, drückt, entweder mittels Hand oder durch eine me chanische Vorrichtung, wie eine Presse oder eine Schlagpresse (nicht gezeigt).

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, umfaßt die Matrize 10 einen zylindrischen Körper 18, der dazu ausgelegt ist, in einen Hohlraum (nicht gezeigt) der in der Preßvorrichtung (nicht gezeigt) gebildet ist in Ausrichtung mit dem Stempel 28 zu passen. Die Matrize 10 ist vorzugsweise mit einem Trä ger 16 gebildet, der in seiner Form dazu geeignet ist, es einer Klemm- oder Stellschraube zu ermöglichen, die Matrize 10 innerhalb des Hohlraumes zu halten. Gegenüber dem Träger 16 ist die Amboßoberfläche 20 angeordnet, die quer zur Achse der Matrize 10 orientiert ist. Die aus der Draufsicht nach Fig. 2 hervorgeht, ist eine Ausnehmung oder ein Hohlraum 22 in der Amboßoberfläche 20 gebildet, von der aus sich vier gleich beabstandete seitliche Kanäle 24 radial erstrecken. Folglich sind die seitlichen Kanäle 24 im wesentlichen Unter brechungen im Umfang in der ansonsten geschlossenen Umfangs wand des Hohlraumes 22. Hinsichtlich dieses Ausführungsbei spiels ist eine zylindrische Ausnehmung oder ein zylindri scher Hohlraum gezeigt. Es muß jedoch verstanden werden, daß auch jede andere Ausnehmungsform in der Amboßoberfläche zu sammen mit Unterbrechungen in dem Randbereich der Ausnehmung verwendet werden können.

In einem Ausführungsbeispiel, welches für Testzwecke verwen det wurde, betrug der Durchmesser des Hohlraumes 22 nahezu 5,6 mm, was es erforderlich macht, daß das Ende 26 des Stem pels 28 einen etwas kleineren Durchmesser aufweist. Die breite der seitlichen Kanäle 24 betrug nahezu 2,3 mm, während sich die Länge der seitlichen Kanäle 24 bis zu dem äußeren Umfangsrand der Amboßoberfläche 20 erstreckte. Im Testfall betrug der Durchmesser der Amboßoberfläche 20 ungefähr 12,7 mm, obgleich es klar vorhersehbar ist, daß die Am boßoberfläche 20 einen größeren oder einen kleineren Durch messer haben kann, oder daß längere oder kürzere seitliche Kanäle 24 verwendet werden können, ohne daß eine wesentliche Auswirkung auf die Durchführung der vorliegenden Erfindung ausgeübt wird.

Darüberhinaus betrug die Tiefe sowohl der Ausnehmung 22 als auch der seitlichen Kanäle 24 ungefähr 1,3 mm gegenüber der Amboßoberfläche 20 mit einem Konizitätswinkel von nahezu 7°. Die Tiefe und der Konizitätswinkel können jedoch verändert werden um wesentlich dickere oder dünnere Materialien oder Materialien, die eine wesentlich unterschiedliche Fließcha rakteristik während der Extrusion aufweisen, aufzunehmen. Darüberhinaus müssen die seitlichen Kanäle 24 nicht mit der unteren Oberfläche des Hohlraumes 22 koplanar sein, aber sie können etwas oberhalb oder unterhalb der Ausnehmungsfläche, die durch den Hohlraum 22 begrenzt wird, eingebuchtet sein. Die Anzahl, der Abstand und die Orientierung der seitlichen Kanäle 24 kann zur Anpassung an verschiedene Schichtmateria lien und Anwendungen ebenfalls verändert werden. Ein besonde rer Vorteil der Verwendung seitlicher Kanäle 24 ist jedoch ihr Aufnahmevermögen, um extrudiertes Material der unter schiedlich starben Schichten 12 und 14 aufzunehmen, ohne daß eine Veränderung des Hohlraumes 22 oder der seitlichen Kanäle 24 erforderlich ist. Dementsprechend ist es besonders wich tig, daß die seitlichen Kanäle 24 zusammenhängend mit dem Hohlraum 22 derart sind, daß es möglich ist, das Material in die seitlichen Kanäle 24 während des Druckvorganges fließen kann.

Beim Arbeitsvorgang wird die Matrize 10 durch irgendwelche geeigneten Mittel getragen, so daß sie axial unterhalb des Stempels 28 ausgerichtet ist. Sodann wird ein Paar von Me tallblechen 12 und 14 auf der Matrize 10 angeordnet, und der Stempel 28 wird mit einer ausreichenden Kraft gegen das Ober blech 12 gebracht, um die Metallbleche 12 und 14 in den Hohl raum 22 der Matrize 10 einzuformen, wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist. Die Fig. 3 zeigt eine Teilschnittansicht des Stempels 28 im Eingriff mit den Metallblechen 12 und 14 und dem Hohlraum 22, bei der der Querschnitt in einem Durchmesser durch einen Abschnitt im Hohlraum 22 ohne Absatz aufgenommen ist. Wie ersichtlich ist, sind sowohl das obere als auch das untere Blech 12 und 14 stark verformt, so daß sie sich durch den Zwischenraum zwischen den Hohlraum 22 und dem Stempel 28 erstrecken und eine zylindrische Ausbuchtung 30 bilden. Der Durchmesser der zylindrischen Ausbuchtung 30 ist gleich dem Durchmesser des Hohlraumes 22.

Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 4 einen Querschnitt, der durch ein gegenüberliegendes Paar von seitlichen Kanälen 24 auf ge nommen wurde, so daß die Art und Weise in der beide Bleche 12 und 14 seitlich in die seitlichen Kanäle 24 extrudiert wer den, um seitliche Ausbuchtungen 32 auf dem zylindrischen Ge senke 30 zu bilden, dargestellt sind. Die seitlichen Ausbuch tungen 32 ragen unter der unteren Oberfläche durch ihre ent sprechenden seitlichen Kanäle 24 vor, um die oberen und unte ren Bleche 12 und 14 zu verhaken und dadurch eine dauerhafte Verbindung zu bilden. Sieht man die Verbindung von der Seite des oberen Bleches 12, wie in Fig. 5 gezeigt, so erscheint die Verbindung als eine im wesentlichen kreisförmige Ausneh mung 34 mit einer quadratischen Eintiefung 38 im oberen Blech 12. Sieht man die Verbindung von der Seite des unteren Ble ches 14, wie in Fig. 6 gezeigt, so wird das zylindrisch her ausragende Gesenk 30 mit den lateralen Ausbuchtungen 32 deut lich, die sich radial hiervon erstrecken. Die Abbildungen deu ten an, daß die Ecken 36 des quadratischen Eindrucks, der im oberen Blech 12 ersichtlich ist, durch einen Fluß des Materi als in die seitlichen Kanäle 24 hervorgerufen werden, um die lateralen Ausbuchtungen 32 zu bilden. Ansonsten bleibt sowohl das obere als auch das untere Blech 12 und 14 praktisch durch die Arbeitsweise des Stempels und der Matrize nach der vor liegenden Erfindung unbeeinflußt.

Laborversuche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegen den Erfindung haben eine Verbesserung der Scherfestigkeit ge genüber Verbindungen ergeben, die nach der Lehre von Sawdon (US-Patent Nr. 4,459,735, oben) ergeben. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ergaben Druckvorgänge, die mit Blechen 12 und 14 aus # 1008 kaltgewalztem Stahl mit einer Stärke von 1,07 mm (Kali ber 19) durchgeführt wurden kombinierte Radialstärken zwi schen 0,13 und 0,20 mm hinsichtlich des zylindrischen Gesenks 30 und 1,01 mm hinsichtlich der axialen Endfläche des zylin drischen Gesenks 30. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 betrug im Gegensatz dazu die radiale Stärke des zylindrischen Gesenks 30 nahezu 0,64 mm, wobei sich die laterale Ausbuchtung 32 ra dial mit zusätzlichen 1,1 mm erstreckten, um das Unterblech 14 mit dem Oberblech 12 zu verhaken. Versuche mit Metallble chen 12 und 14 verschiedener Zusammensetzungen und Stärken haben ähnliche Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik ergeben, trotz der offensichtlichen Unterschiede hinsichtlich der Dimension bzgl. der verschiedenen Materialien und verwen deten Stärken.

Dementsprechend ist es ein wesentlicher Vorteil der erfin dungsgemäßen Matrize 10, daß die seitlichen Kanäle 24, die in dem Randbereich des Hohlraumes 22 gebildet sind, gleichbeab standete Durchgänge zur Verfügung stellen, durch welche die Materialbleche 12 und 14 plastisch während des Druckvorganges extrudierbar sind, um eine leckdichte Verbindung zu bilden, die eine erhöhte Scherfestigkeit im Vergleich zu ähnlich ge bildeten Verbindungen nach dem Stand der Technik zeigt. Die Metallbleche 12 und 14 werden durch den Stempel 28 in den Hohlraum 22 eingeformt, wobei ein Teil des eingeformten Mate rials in die seitlichen Kanäle 24 extrudiert wird, um die la teralen Ausbuchtungen 32 zu bilden, die von dem Gesenk 30 hervorragen, welches durch den Rest des Hohlraumes 22 gebil det wird. Jede seitliche Ausbuchtung 32 dient als Verhakung der Metallbleche 12 und 14 in Vorschubrichtung des Stempels um eine erhöhte Zugfestigkeit in der Verbindung zum Wider stand gegen eine Relativbewegung zwischen den Blechen 12 und 14 unter Last einzurichten. Die Verformung der Schichten 12 und 14 entsprechend dem Hohlraum 22 dient als erstes Hinder nis gegenüber einer Bewegung zwischen den Schichten 12 und 14 in der Ebene der Schichten 12 und 14, während eine zusätzli che Festigkeit derart erzeugt wird, daß die oberen und unte ren Schichten 12 und 14 zusammen in der Nähe der unteren Schicht 14 und in die seitlichen Kanäle 24 extrudiert werden. Die Verbindung zeigt darüberhinaus eine verbesserte Scher- und Zugfestigkeit zwischen den Schichten in einem größeren Maß als nach dem Stand der Technik.

Ein anderer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Aufbau der Matrize 10 aus einer ein stückigen Matrize mit Amboßfläche 20 und dem Hohlraum 22, in dem der Stempel 28 auf genommen wird, gebildet ist. Im Gegen satz zum Stand der Technik ist es nicht mehr notwendig, ver schiebbare, verschwenkbare oder federnde Matrizenblöcke zur Aufnahme der Extrusion des Schichtmateriales zur Verfügung zu stellen. Folglich kann die Matrize 10 schnell an herkömmliche Stempel- und Matrizenanordnungen und automatische Maschinen angepaßt werden, und sie kann ohne Bedenken hinsichtlich eines beschränkten Arbeitsraumes eingesetzt werden.

Darüberhinaus können die Vorteile der Einstellvorrichtung mit Blechmaterialien verschiedener Stärke verwirklicht werden. Die seitlichen Kanäle 24 sind groß genug bemessen, um ver schiedene Ausmaße seitlicher Extrusionen Blechmaterials vom Matrizenhohlraum 22 aufzunehmen. Folglich sind Änderungen oder Anpassungen an die Matrize 10 zur Erzielung akzeptabler Ergebnisse mit Blechen, die sich in ihrer Anzahl und Stärke in einem bestimmten Bereich bewegen, nicht notwendig.

Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung die Matrize 10 zur Verfügung, die zur Bildung dauerhafter Verbindungen oder Befestigungen zwischen zwei oder mehreren Metallblechen oder anderen geeigneten verformbaren Materialien geeignet ist. Die Matrize 10 ist besonders so gebildet, um sowohl einen herkömmlichen Stempel innerhalb des hierin gebildeten Hohlraumes 22 aufzunehmen als auch einen oder mehrere seitli che Kanäle 24 zur Verfügung zu stellen, die eine Extrusion einer Menge an Blechmaterial gewährleisten. Die seitlichen Ausbuchtungen 32, die durch das obige Verfahren gebildet sind, dienen als Verhakung der Bleche. Die Matrize 10 selbst hat keine beweglichen Teile und bietet ein ökonomisches De sign, welches an verschiedene Arten von Pressen und Anwendun gen anpaßbar ist. Darüberhinaus können die seitlichen Kanäle 24 Bleche verschiedener Stärken aufnehmen und dennoch einen ausreichenden Befestigungseffekt erzeugen, ohne daß eine ge naue Kalibrierung des Stempels oder der verwendeten Presse gegenüber der Matrize 10 notwendig ist.

Claims

1. Verfahren zur Verbindung von Schichtmaterial, gekenn zeichnet durch:
Übereinanderlegen von wenigstens zwei Schichtmaterialien auf eine Matrize mit einem Hohlraum (22) mit wenigstens einer Umfangsunterbrechung (24);
Drücken der wenigstens zwei Materialschichten gegen die Matrize, wobei der Eindrückschritt die folgen den Schritte umfaßt:
Einformen der wenigstens zwei Schichtma terialien in den Hohlraum (22); und
gleichzeitiges Einformen eines Teiles der wenigstens zwei Schichtmaterialien in wenigstens eine Um fangsunterbrechung (24);
wobei die wenigstens eine Umfangsunter brechung (24) einen Extrusionsweg für einen Teil der wenigstens zwei Schichtmaterialien zur Verfügung stellt, wenn diese gegen die Matrize gedrückt werden, so daß die wenigstens zwei verformten Schichtmaterialien eine mecha nische Verhakung zwischen den wenigstens zwei Schichtma terialien zur Verfügung stellen, um die wenigstens zwei Schichtmaterialien zu verbinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Eindrückens gegen die wenigstens zwei Schichtmaterialien das Einformen eines Teiles der wenig stens zwei Schichtmaterialien seitlich in wenigstens eine Umfangsunterbrechung (24) umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Eindrückens das Einformen eines Teils der wenigstens zwei Schichtmaterialien seitlich relativ zum Hohlraum (22) in eine Mehrzahl von Umfangsunterbrechungen bzw. seitlicher Absätze (24) umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Eindrückens das Extrudieren eines Teiles jeder der wenigstens zwei Schichtmaterialien in wenig stens eine Umfangsunterbrechung bzw. einen randlichen Ab satz (24) umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Eindrückens das Eindrücken von Schichtma terial mit einem im wesentlichen zylindrischen Stempel (28) umfaßt.

6. Verfahren zur Verbindung von wenigstens zwei Schicht materialien, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Aufleben von wenigstens zwei Materialschichten auf eine Matrize, so daß die untere Fläche auf der Ma trize aufliegt und die obere Fläche von der Matrize weg gerichtet ist, wobei die Matrize eine Grundfläche mit einem Hohlraum (22) aufweist, der hierin gebildet ist, und eine Mehrzahl von sich vom Hohlraum (22) erstrecken den Kanälen (24) aufweist;
Ausrichten eines Stempels (28) mit dem Hohl raum (22) der Matrize;
Bewegen des Stempels (28) in wenigstens zwei Materialschichten in eine Richtung gegen die Grundfläche der Matrize, wobei der Bewegungsschritt folgende Schritte umfaßt:
Ziehen der wenigstens zwei Schichten von Material in den Hohlraum (22), um eine Ausnehmung in der oberen Fläche der wenigstens zwei Schichten des Materials zu bilden und ein Gesenk in der unteren Oberfläche der wenigstens zwei Schichten des Materials zu bilden; und
gleichzeitiges Extrudieren eines Teiles jeder der wenigstens zwei Materialschichten in eine Mehr zahl von Kanälen (24), um eine Mehrzahl von Ausbuchtungen (32) zu bilden, die sich in einer Richtung weg vom dem Gesenk hervorstrecken;
wobei die Mehrzahl der Kanäle (24) Extrusionswege in eine Richtung weg von dem Gesenk zur Verfügung stellt, wenn der Stempel in wenigstens zwei Schichtmaterialien gegen die Grundfläche bewegt wird, um eine Mehrzahl sich von dem Gesenk hervorstreckender Ausbuchtungen (32) zu bilden, wobei die Mehrzahl der Ausbuchtungen (32) eine mechanische Verhakung zwischen den wenigstens zwei Schichtmate rialien zur Verfügung stellt, so daß die wenigstens zwei Schichtmaterialien mechanisch verbunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Extrudierens das Extrudieren eines Teiles der wenigstens zwei Schichtmaterialien seitlich relativ zum Hohlraum (22) in die Mehrzahl der Kanäle (24) umfaßt, um eine Mehrzahl seitlicher Ausbuchtungen (32) in einer Richtung weg von dem Ge senk zu bilden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Extrudierens das Extrudieren von wenigstens zwei Schichtmaterialien umfaßt, um eine Mehrzahl gleichbeabstandeter Ausbuchtungen (32) zu bilden, die sich in einer Richtung weg von dem Gesenk hervor strecken.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Extrudierens das Extrudieren eines Teiles der wenigstens zwei Schichtmaterialien umfaßt, um eine Mehrzahl von Ausbuchtungen (32) zu bilden, die sich radial in Richtung weg von dem Ge senk hervorstrecken.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Ziehens und Extrudierens ohne Bruch der wenigstens zwei Schichtmaterialien durchge führt wird, so daß eine Ausbuchtung oder eine Mehr zahl von Ausbuchtungen gebildet wird.

11. Matrize zur Verwendung mit Stempelmitteln (28) zur Verbindung von Schichtmaterial, wobei die Matrize um faßt:
einen Matrizenkörper (18);
eine Endfläche (20), die an einem Ende des Körpers angeordnet ist;
einen Hohlraum (22), der in der Endfläche ge bildet ist, so daß der Hohlraum (22) einen Rand bil det;
Mittel (16) zur Befestigung des Körpers in Ausrichtung mit den Stempelmitteln (28); und
wenigstens eine Umfangsunterbrechung bzw. einen randlichen Absatz (24), der im Randbereich des Hohlraumes (22) gebildet ist;
wobei der wenigstens eine randliche Absatz (24) einen Extrusionsweg für einen Teil des Schicht materials zur Verfügung stellt, wenn die Stempelmit tel (28) gegen das Schichtmaterial in einer Position gegenüber der Endfläche (20) der Matrize gedrückt werden, wobei der Extrusionsweg für einen Teil des Schichtmaterials die mechanischen Verhakung zwischen den Schichtmaterialien vergrößert.

12. Matrize nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (16) Mittel zur Fixierung der Matrize relativ zu den Stempelmitteln umfassen.

13. Matrize nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der randlichen Absätze (24) mit dem Rand derart verbunden ist, daß er mit dem Hohlraum (22) zusammenhängend ist.

14. Matrize nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine randliche Absatz eine Mehrzahl randlicher Absätze umfaßt, die entlang des Randberei ches des Hohlraumes (22) beabstandet sind.

15. Matrize nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Hohlraumes (22) eine im wesentlichen kreisförmige Form aufweist.

16. Matrize nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine randlicher Absatz (24) sich über die volle Breite der Matrizenfläche erstreckt.

17. Matrize nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine randliche Absatz sich seitlich von dem Hohlraum (22) erstreckt.

18. Matrize zur Verwendung mit einem Stempel (28) zur me chanischen Verbindung wenigstens zweier Material schichten, wobei die Matrize umfaßt:
einen Matrizenkörper (18) mit einem Fixie rungsteil (16) an einem Ende und einer Endfläche (20), die am gegenüberliegenden ende des Körpers (18) angeordnet ist;
einen Hohlraum (22), der eine Ausnehmungsflä che in der Endfläche (20) bildet, so daß der Hohlraum (22) einen Rand bildet;
eine Mehrzahl von Kanälen (24), die mit dem durch den Hohlraum (22) gebildeten Rand in Verbindung stehen, derart, daß sie mit dem Hohlraum (22) zusam menhängen; und
Mittel zur Befestigung des Matrizenkörpers in Ausrichtung mit dem Stempel;
wobei die Vielzahl von Kanälen (24) Extrusi onswege zur Verfügung stellt, in die ein Teil der we nigstens zwei Materialschichten extrudiert wird, wenn der Stempel (28) gegen das Schichtmaterial gedrückt wird, wobei wenigstens zwei Materialschichten gegen die Matrizenfläche angeordnet werden, um eine mecha nische Verhakung zwischen wenigstens den zwei Materi alschichten und eine mechanische Verbindung zwischen den wenigstens zwei Materialschichten zur Verfügung zu stellen.

19. Matrize nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (16) Mittel zur Fixierung der Matrize relativ zum Stempel (28) umfassen.

20. Matrize nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Kanälen (24) entlang dem Randbereich des Hohlraumes (22) beabstandet sind.

21. Matrize nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Hohlraumes (22) eine im wesentlichen kreisförmige Form aufweist.

22. Matrize nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal der Mehrzahl der Kanäle (24) sich über die volle Breite der Matrizenfläche erstreckt.

23. Matrize nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal der Vielzahl der Kanäle (24) sich im wesentlichen radial von dem Hohlraum (22) erstreckt.