VERFAHREN ZUM CLINCHEN VON DICKEN METALLWERKSTüCKEN, VERWENDUNG EINES CLINCHWERKZEUGS UND ENTSPRECHEND HERGESTELLTE STAHLBAUELEMENTE

5 Die Erfindung betrifft das Clinchen von dicken Metallwerkstucken zum Herstellen tragfähiger Clinchverbindungen gemass dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die Verwendung der entsprechenden Clinchverbindungen im Stahlbau gemass dem Oberbegriff des Anspruchs 9, sowie entsprechend hergestellte Stahlbauelemente, 10 insbesondere für den Einsatz in Fahrtreppen, Fahrsteigen oder Aufzugsanlagen, gemass dem Oberbegriff des Anspruchs 13.

Clinchen ist ein Umformfugeverfahren, das bereits seit längerem bekannt ist. Dieses Verfahren wird auch als Durchsetzfugen 15 bezeichnet. Das Clinchen ist eine umformtechnische Verbindungstechnologie, die je nach Ausfuhrungsform ohne Hilfsfugeteil auskommt .

Für das Clinchen gibt es bezuglich der Erzeugung des Fuge- 20 elementes verschiedene Varianten. Eine Charakterisierung des Clinchens ist folgendermaßen möglich: nach der Fugeelementausbildung: Clinchen mit und ohne Schneidanteil ; nach der Matrizenform: starre und öffnende Matrize 25 - nach der Werkzeugkinematik: ein- und mehrstufiges Clinchen.

Im Folgenden geht es primär um das Clinchen ohne Schneidanteil. Dieses Verfahren hat gewisse Vorteile gegenüber den konventionellen Verfahren, die zum Verbinden von Blechen oder

30 anderen Werkstucken eingesetzt werden, wie zum Beispiel das

Schweissen, das Punktschweissen, das Verbinden mittels Nieten bzw. Blindnieten und das Verwenden von Stanznieten. Gegenüber den konventionellen Verbindungsverfahren ist das Clinchen ohne Schneidanteil gunstiger, wenn man die Kosten pro Verbindung

35 betrachtet.

Bis heute ist es jedoch nicht möglich Bleche und andere Metallwerkstucke zu clinchen, die dicker sind als 4mm. Ausserdem werden bisher lediglich zwei gleich oder ungleich dünne Bleche durch Clinchen miteinander verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren bereit zu stellen, um Bleche und Trager aus dicken Blechen, vorzugsweise mit Dicken, die grosser sind als 4mm, zu Clinchen, um somit das Clinchen in Zukunft auch beim Stahlelementbau einsetzen zu können, wo es darauf ankommt, dass die entsprechenden Teile mit grosseren Momenten und Kräften belastbar sind. Mit anderen Worten ausgedruckt, soll das Clinchen für tragende und tragfahige sowie stutzende Metallwerkstucke anwendbar gemacht werden. Dabei sollen dicke Metallwerkstucke so miteinander verbunden werden, dass eine optimale Hinterschnittauspragung und eine grosstmogliche Halsdicke erzielt wird, um eine entsprechende Festigkeit der Clinchverbindung zu gewahrleisten.

Ausserdem sollen entsprechend optimierte Verwendungen des Clinchens und entsprechend gefertigte Stahlbauelement vorgeschlagen werden.

Die Losung der Aufgabe erfolgt - für das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1; und für die Verwendung durch die Merkmale des Anspruchs 9; und für die Stahlbauelement durch die Merkmale des Anspruchs 13.

Vorteilhafte Ausfuhrungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die jeweiligen abhangigen Patentansprüche umschrieben bzw. definiert.

Gemass Erfindung ist es erstmals möglich Stahlbleche und -trager bzw. Stahlprofile (hier allgemein als Metallwerkstucke bezeichnet) zu clinchen und somit stabile und tragfahige

Stahlbauelemente herzustellen, wobei die Metallwerkstucke zusammen eine Gesamtwerkstuckdicke (tt) haben, die dicker bzw. großer ist als 8mm.

Erst mit den entsprechend dicken Metallwerkstucken und des erfindungsgemassen Clinchverfahrens, lassen sich Stahlbauelemente ausreichender Tragfestigkeit und Stabilität herstellen.

Um dies zu ermöglichen, wurden die Clinchwerkzeuge entsprechend weiterentwickelt und optimiert. Die erfindungsgemassen Werkzeuge zeichnen sich dadurch aus, das sie einen konisch geformten Stempel haben, dessen Flankenwinkel kleiner oder gleich 10 Grad betragt. Vorzugsweise geht der Flankenwinkel von 5 Grad über zu Null Grad. Der Durchmesser dieses Stempels liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10mm und 35mm. Besonders bevorzugt sind Durchmesser zwischen 12mm (14mm, 16mm, 18mm) bis 20mm bzw. 25mm wobei dieser Durchmesser von der Dicke der zu verbindenden Metallwerkstucke abhangt und von der erforderlichen Festigkeit bzw. Zugkraft.

Durch die vorliegende Erfindung wird das Clinchen eine echte Alternative für das Schweissen, das bisher meistens als Fugeverfahren zum Verbinden dicker Werkstucke (zum Beispiel ein St-37, St-44, St-52, St-70 Blech bzw. EN-S235, S275, S355, S460 Blech) oder Trager (Dicke > 4 mm) verwendet wird. Das Clinchen kann aber auch Niet- und Schraubverbindungen ersetzen.

Gemass Erfindung können Bleche, Profile, Trager und andere Metalleinzelteilen bzw. Metallwerkstucke unterschiedlicher Dicke und verschiedener Werkstoffe miteinander verbunden werden. Die Verbindung zweier Metallwerkstucke entsteht beim Clinchen ausschließlich und unmittelbar aus dem/den Werkstoff/en der zu verbindenden Metallwerkstucke. Die durch Clinchen verbundenen Elemente werden hier als geclinchtes Stahlbauelement bezeichnet.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es in zunehmendem Masse Metallwerkstuckverbindungen, zum Beispiel Verbindungen auf Stahlträgern mit Blechprofilen bzw. Blechteilen oder Blechstreifen, nun auch im Aufzugs- und Fahrtreppenbau einzusetzen, wobei unter anderem ein Teil der Aufzugskabine oder des Fachwerkes bzw. Tragwerkes einer Fahrtreppe mittels Clinchtechnik hergestellt werden kann.

Es können aber auch verschiedene tragende Anbauteile mittels Clinchtechnik zum Beispiel an einem tragenden oder stutzenden Gerüst, Gestell, Konsole, Skulptur, Chassis oder Rahmen befestigt werden. So lassen sich mittels Clinchen zum Beispiel Blechverkleidungen (Paneele) an Tragelementen anbringen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine unlösbare Verbindung zweier Metallwerkstucke geschaffen, die zudem große Haltekrafte (Zugkräfte und Scherkräfte) erreicht. Unter dynamischer Beanspruchung zeigt sich, dass die so hergestellten geclinchten Stahlbauelemente ein deutlich besseres Tragverhalten aufweisen, als punktgeschweisste Verbindungen.

Es lassen sich gemass Erfindung problemlos beschichtete aber auch unbeschichtete Materialien miteinander verbinden, was besonders im Aufzugs- und Fahrtreppenbau neue Möglichkeiten der Materialwahl eröffnet. So können zum Beispiel verzinkte, lackierte, oder kunststoffbeschichtete Bleche und/oder Stahlträger miteinander verbunden werden, ohne dass die Beschichtung durch das Clinchen merkbaren Schaden nehmen wurde. Die Metalleinzelteile bzw. Metallwerkstucke können auch mit einer Antirostbeschichtung versehen werden, bevor sie durch Clinchen zu einem grosseren Stahlbauelement zusammen gefugt sind bzw. werden.

Es ist ein weiterer Vorteil des Clinchens, dass man zum Herstellen der Verbindung weder Vorlochung noch Hilfsfugeteile bzw. Verbindungsteile bzw. Verbindungsmaterial benotigt. Der Hauptvorteil des Clinchens gegenüber herkömmlichen Verfahren sind aber die geringen Fugekosten. Ausserdem findet kein Warmeeintrag bzw. Warmeeinbringung in die zu verbindenden Werkstucke statt, so dass Verzug und Einbrand und Gefugeveranderungen vermieden werden, was zum Beispiel bei grossen und langen Stahlbauelementen, wie einem Tragwerk bzw. Fachwerk bzw. Formrahmen bzw. Fangrahmen bzw. Tragrahmen bzw. Traggestell, besonders vorteilhaft ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden an Hand eines Ausfuhrungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Stempel eines Clinchwerkzeugs und zwei

Metallwerkstucke, die durch Clinchen miteinander verbunden wurden, in einer stark vereinfachten, schematisierten Darstellung;

Fig. 2A einen ersten Schritt des erfindungsgemassen Clinchens, in einer schematisierten Darstellung; Fig. 2B einen zweiten Schritt des erfindungsgemassen Clinchens, in einer schematisierten Darstellung; Fig. 2C einen dritten Schritt des erfindungsgemassen Clinchens, in einer schematisierten Darstellung;

Fig. 3A einen Schnitt durch zwei geclinchte Metallwerkstucke; Fig. 3B einen Teilschnitt bzw. Detail eines Bereichs des erfindungsgemassen Clinchwerkzeuges; Fig. 4A einen Schnitt, der zwei geclinchte Metallwerkstucke bzw. Metalleinzelteil und einen Teil des Clinchwerkzeuges zeigt, wobei der Stempel des Clinchwerkzeuges einen Durchmesser von 12mm hat;

Fig. 4B einen Schnitt, der zwei geclinchte Metallwerkstucke und einen Teil des Clinchwerkzeuges zeigt, wobei der

Stempel des Clinchwerkzeuges einen Durchmesser von 14mm hat; Fig. 4C einen Schnitt, der zwei geclinchte Metallwerkstucke und einen Teil des Clinchwerkzeuges zeigt, wobei der Stempel des Clinchwerkzeuges einen Durchmesser von 20mm hat; Fig. 5A einen Schnitt durch einen schematisch dargestellten

Stempel gemass Erfindung;

Fig. 5B einen Schnitt durch einen weiteren, schematisch dargestellten Stempel gemass Erfindung;

Fig. 6 eine Seitenansicht einer Fahrtreppe bzw. eines

Fahrsteiges mit dem Fachwerk bzw. Tragwerk; Fig. 7 eine Seitenansicht eines Teils eines Fachwerkes mit

Doppelclinchverbindungen, gemass Erfindung; Fig. 8A eine Teilansicht des Fachwerkes mit

Doppelclinchverbindungen, gemass Erfindung; Fig. 8B einen Schnitt G-G durch die Doppelclinchverbindungen, gemass Erfindung;

Fig. 8C eine Teilansicht eines Fachwerkes mit Schweissverbindungen, gemass Stand der Technik;

Fig. 9 eine Teilansicht eines weiteren Fachwerkes mit

Einfachclinchverbindung, gemass Erfindung; Fig. 10 eine Teilansicht eines Mittelauflagers für ein Fachwerk mit Clinchverbindungen, gemass Erfindung.

Es geht im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung, wie eingangs bereits angedeutet, um das Clinchen ohne Schneidanteil. Diese Art des Clinchens ist ein reiner Umformfugeprozess . Das Ver- binden der Werkstucke wird lediglich mittels Durchsetzen in

Verbindung mit Einsenken und nachfolgendem Stauchen realisiert. Der Grundgedanke bei der Entwicklung dieses Verfahrens ohne Schneidanteil ist vor allem das Streben nach erhöhter Verbindungssteifigkeit infolge des größeren Materialzusammenhaltes.

Das Prinzip der Erfindung ist in Fig. 1 rein schematisch dargestellt. Gezeigt sind zwei Metallwerkstucke 11 und 12, die durch eine Clinchverbindung 13 miteinander verbunden wurden. Ein Teil des Stempelwerkzeugs 20, der hier als Stempel bezeichnet wird, ist oberhalb der Clinchverbindung 10 oder des Clinchpunktes 10 gezeigt.

Das Clinchwerkzeug 20 umfasst einen Stempel und ein Gegenwerkzeug 30, das als Matrize oder als Amboss ausgebildet sein kann. Der Stempel ist in Bezug auf seine Rotationsachse 24 rotationssymmetrisch ausgelegt. Der Stempel weist eine konzentrisch zur Rotationsachse 24 angeordnete Flanke 25 mit Flankenwinkel W auf. Bezuglich einer endstandigen Stirnendflache 23 des Stempels, wird bei der Flanke 25 zwischen einem an die Stirnendflache 23 angrenzenden unteren Ubergangsbereich 21 der Flanke 25 mit Flankenwinkel Wl sowie einem oberen Ubergangsbereich 22 der Flanke 25 mit Flankenwinkel W2 unterschieden. Die beiden Ubergangsbereiche 21, 22 gehen ineinander über. Dabei können sie wie in den Ausfuhrungsbeispielen gemass Fig. 1, 3B und 5A gezeigt, auf unstetige Art und Weise ineinander übergehen und unterschiedliche Flankenwinkel Wl, W2 aufweisen. Es ist aber auch möglich, und wie in den Ausfuhrungsbeispielen gemass Fig. 4A bis 4C und Fig. 5B gezeigt, dass der untere und obere Ubergangsbereich 21, 22 stetig ineinander übergehen und die Flankenwinkel Wl, W2 identisch sind. Die zu verbindenden Metallwerkstucke 11, 12 (z.B. ein Stahlträger mit Dicke tl und ein Blech mit Dicke t2, mit tl > t2) werden durch den Stempel ahnlich wie beim Prägen oder Stauchen unter plastischer Deformation in eine Kuhle bzw. Ausnehmung bzw. Hohlraum bzw.

Verformungsraum 31 der Matrize 30 gedruckt, wie in Fig. 2A - 2C gezeigt. Durch eine spezielle Gestaltung der Kuhle bzw. Ausnehmung bzw. Hohlraum bzw. Verformungsraum 31 entsteht eine Clinchverbindung 13, die eine druckknopfahnliche bzw. stauchpunktahnliche bzw. pragepunktahnliche Form aufweist. Die

Clinchverbindung 13 verbindet die Metallwerkstucke 11, 12 form- und kraftschlussig miteinander, wie in Fig. 1, Fig. 2C und Fig. 3A und Fig. 4 schematisch angedeutet.

Die Figuren 2A - 2C zeigen in drei Stufen die Herausbildung der Clinchverbindung 13 ohne Schneidanteil mit starrer Matrize 30. In den Figuren 2A - 2C sind die beiden Metallwerkstucke 11, 12 der Einfachheit halber mit gleicher Dicke dargestellt.

In Fig. 2A ist zu erkennen, dass das erste Metallwerkstuck 11 und das zweite Metallwerkstuck 12 aneinandergefügt d.h. aufeinander positioniert werden. Dann werden die beiden aufeinander gelegten Metallwerkstucke 11, 12 zueinander ausgerichtet, zum Beispiel mittels einer Schablone, und dann zusammen auf einer Bearbeitungsflache der als Gegenwerkzeug dienenden Matrize 30 bereitgestellt. In Fig. 2B ist gezeigt wie der Stempel des Stempelwerkzeuges 20 zugestellt wird und bereits zum Teil in die Werkstucke 11 und 12 eingesenkt wurde. Die Werkstucke 11 und 12 verformen sich unter dem hohen Druck des Stempels und das Material „fliesst" in die Kuhle bzw.

Ausnehmung bzw. Hohlraum bzw. Verformungsraum 31 der Matrize 30. Das Eindrucken bzw. Einsenken des Stempels erfolgt bis die Unterseite 14 des zweiten Metallwerkstuckes 12 weitestgehend gegen den Boden der Ausnehmung bzw. Hohlraum bzw. Ver- formungsraum bzw. Kuhle 31 der Matrize 30 anliegt. In einem weiteren Schritt wird der Stempel dann herausgezogen (dieser Schritt entspricht im Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Situation, wobei in Fig. 1 die Flanke des Stempels eine etwas andere Form aufweist) .

Gemass Erfindung kommt beim Trennen vorzugsweise ein Abstreifer bzw. Niederhalter 40 zum Einsatz, der das Trennen des Stempels nach der Umformung der Metallwerkstucke 11 und 12 erleichtert. Ein solcher Abstreifer bzw. Niederhalter 40 ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Stempel aufgrund der beim Umformen

auftretenden Kräfte und Materialverformungen in der Clinchverbindung 13 festklemmen sollte. Der Abstreifer 40 stutzt sich (quasi) gegenüber der Oberflache 15 des oberen bzw. stempel- seitigen Metallwerkstuckes 11 ab, wahrend der Stempel zurückgenommen bzw. zurückgezogen wird. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann naturlich an Stelle eines stempelseitigen Abstreifers auch einen matrizenseitigen Abstreifer realisieren.

Vorzugsweise werden die zu verbindenden Metallwerkstucke 11 und 12 durch einen Niederhalter, der in Fig. 1 durch die Nummer 41 bzw. 40 gekennzeichnet ist, gegen bzw. an die Matrize 30 gedruckt. Das Stempelwerkzeug 20 umfasst einen Druckzylinder (z.B. einen Hydraulikzylinder, Pressgaszylinder, pneumohydraulischen Zylinder, servoelektrischen Zylinder) , der den sogenannten Stempelvorhub in Richtung der Metallwerkstucke 11 und nachfolgend 12 bewirkt. In einer ersten Phase des Stempelvorhubs wird der Stempel zugestellt (Fig. 2A), dann erfolgt die Einsenkphase bei welcher der Stempel in die Metallwerkstucke 11, 12 eingesenkt und diese gestaucht und verformt werden (Figuren 2B und 2C) . Abschliessend erfolgt eine als Stempelruckhub bezeichnete Phase (siehe Fig. 1). Dann kann das (teil-) fertige bzw. verbundene bzw. zusammengefugte Stahlbauelement entnommen werden oder es können weitere Clinchverbindungen angebracht werden.

Infolge des Stauchdruckes wahrend des Einsenkens kommt es zu einem Querfließen des Werkstoffes der Metallwerkstucke 11 und 12, wodurch die Matrize 30 mit Kuhle bzw. Ausnehmung bzw. Hohlraum bzw. Verformungsraum 31, zum Beispiel in Form einer (eingearbeiteten) Ringnut, weitestgehend bzw. ganz ausgefüllt und ein Hinterschnitt f des stempelseitigen Metallwerkstucks 11 im matrizenseitigen Metallwerkstuck 12 erzeugt wird (siehe Fig. 3A). Für die Beurteilung einer Clinchverbindung 13, wie in Fig. 3A gezeigt, sind Hinterschnitt f und Halsdicke tn am

wichtigsten bzw. bedeutsamsten, da die Tragfähigkeit der Clinchverbindung 13 in direkter Korrelation zu diesen Kenngroßen steht. Diese beiden Kenngrossen sind sehr wichtig für die Stabilität und Festigkeit der erfindungsgemassen Stahlbauelemente. Ein typischer Wert für den Hinterschnitt f betragt 0.5mm und ein typischer Wert für die Halsdicke tn betragt 1.5mm.

Eine Clinchverbindung 13 und die Werkstucke 11, 12 können zusatzlich durch folgende Angaben charakterisiert werden: Innendurchmesser des Fugeelementes bzw. Stempels di, Uberstandshohe h, Restbodendicke tb2 des matrizenseitigen Metallwerkstucks 12, Restbodendicke tbl des stempelseitigen Metallwerkstucks 11, matrizenseitige Metallwerkstuckdicke t2, stempelseitige Metallwerkstuckdicke tl, und Gesamtwerkstuckdicke tt .

Es wurden verschiedene Versuche und Experimente gemacht, um den an sich bekannten Clmchprozess zu optimieren und so abzuändern, um auch Metallwerkstucke 11, 12, die dicker sind als 4mm, zu einem Stahlbauelement Zusammenclinchen zu können. Es wurden Simulationen gemacht und anschliessend verschiedene Werkzeuge gefertigt und Fugeversuche durchgeführt, um die (im Experiment) ermittelten Querschnitte, Fuge- und Niederhalte- krafte mit der Referenz aus der Simulation vergleichen zu können. Als Grundlage der Untersuchungen zur Werkzeugauslegung dienten Werkzeuggestaltungsgrundsatze für das Clinchen ohne Schneidanteil mit starrer Matrize 30.

Erste Untersuchungen haben ergeben, dass für die Herstellung einer Clinchverbindung 13 für einen kleinen Stempeldurchmesser (Durchmesser D2=12mm oder 14mm) Fugekrafte von ca. 400 kN bis 510 kN und für den größeren Stempeldurchmesser (D2=20mm) von ca. 670 kN (beides inkl. Niederhaltekraft) aufgewendet werden müssen. Diese Ergebnisse an sich liegen im Bereich des zu

erwartenden Resultates. (Allerdings kam es trotz Werkzeugschmierung zu einem starken Klemmen des Stempels im Werkstuck. )

Genauere Untersuchungen zu dem Klemmen des Stempels haben gezeigt, dass das Klemmen durch eine Radialspannung verursacht wird, die auf die Flanke des Stempels einwirkt. Es hat sich gezeigt, dass besonders im oberen Ubergangsbereich 22 hohe Radialspannungen auftreten.

Nun wurde in einem weiteren Optimierungsschritt die Geometrie des Stempels gezielt so verändert, dass eine geringere Radialspannung auf die Flanke 25 wirkt. Aufgrund der Tatsache, dass bei den ersten Werkzeugvarianten der Wert für die Halsdicke tn und der Wert für den Hinterschnitt f der Stempel mit den Durchmessern D2=12 mm und D2=14 mm nahezu gleich waren, wurden weitere Optimierungen vorgenommen. Es wurden dabei auch Untersuchungen an Werkstucken mit verschiedener Gesamtwerkstuckdicke tt und mit Werkstucken 11, 12 gemacht, die jeweils unterschiedliche Dicken tl, t2 haben. Dabei zeigte sich, dass handelsübliche bzw. konventionelle Stempel nicht nur die starke Tendenz zum Klemmen zeigen wenn man zu Gesamtwerkstuckdicken tt > 8mm geht, sondern dass sich im Bereich zwischen den Werkstucken 11, 12 ein Hohlraum (siehe X in Fig. 4C) bildet. Dieser Hohlraum X beeinträchtigt und verringert die Festigkeit der entsprechenden Clinchverbindung 13 sowie die Stabilität des gesamten Stahlbauelementes.

Die verschiedenen Optimierungsschritte haben zu der Erkenntnis gefuhrt, dass die Ausgestaltung der Flanken des Stempels einen unmittelbaren Einfluss auf das Klemmen und die Bildung des Hohlraums X haben. Um diese beiden negativen Effekte zu reduzieren oder ganz zu unterbinden, wurden Stempel entwickelt und getestet, die mindestens teilweise konisch geformt sind. Bei geeigneter Auswahl des entsprechenden Flankenwinkels W, Wl,

W2 konnte das Klemmen reduziert oder ganz verhindert werden, ohne dass es zu einer spurbaren Hohlraumbildung kam. Es hat sich gezeigt, dass diese beiden Effekte nur teilweise zusammenhangen und sich teilweise sogar gegenläufig verhalten. Durch die Auswahl eines geeigneten Winkelbereiches konnten beide Effekte minimiert werden. Damit wurde die Grundlage für das Dickblechclinchen von stabilen Stahlbauelementen, mit Clinchverbindungen 13, gelegt.

Bei den in den Figuren 4A bis 4C gezeigten und im Folgenden beschriebenen Untersuchungen hat der erfindungsgemasse Stempel jeweils einen konstanten Stempel-Flankenwinkel W = 5°, d.h. Dl < D2. Oder mit anderen Worten ausgedruckt, mindestens derjenige Teil des Stempels, der beim Einsenken mit den Werkstucken 11 und 12 in Kontakt kommt verjungt sich nach unten (d.h. in Richtung des werkstuckseitigen Endes des Stempels) hin.

Einige Aspekte der verschiedenen Untersuchungen sind in den Figuren 4A bis 4C dargestellt. Gezeigt wird das Fliessverhalten der Werkstucke 11, 12 beim Einsatz von Stempeln mit verschiedenen Durchmessern. In Fig. 4A ist gezeigt, wie sich die zwei Metallwerkstucke 11, 12 verformen, wenn der Stempel einen Durchmesser von 12mm aufweist. In Fig. 4B ist gezeigt, wie sich die zwei Metallwerkstucke 11, 12 verformen, wenn der Stempel einen Durchmesser von 14mm aufweist. Fig. 4C zeigt, wie sich die zwei Metallwerkstucke 11, 12 verformen, wenn der Stempel einen Durchmesser von 20mm aufweist. In allen drei Abbildungen ist eine Momentaufnahme gezeigt bevor der Stempelruckhub einsetzt.

Man kann anhand der Figuren 4A bis 4C erkennen, dass der Durchmesser D2 des Stempels einen Einfluss auf das Querfliessen der Werkstoffe bzw. Metallwerkstucke hat. Bei dem Stempel mit 12mm Durchmesser fliesst das Material des Metallwerkstucks 12 nicht ganz in den durch die Kuhle bzw. Ausnehmung 31 gebildeten

Hohlraum, wie im durch Y gekennzeichneten Bereich zu erkennen ist. Bei einem 14mm Stempel ergibt sich eine gute „Füllung" der Kuhle bzw. Ausnehmung 31. Verwendet man einen Stempel mit 20mm Durchmesser, so zeigt sich ein Hohlraum (in Fig. 4C mit X bezeichnet) zwischen den Werkstucken 11 und 12.

Wie die diversen Untersuchungen und Forschungen gezeigt haben, ist der Stempeldurchmesser nur einer von verschiedenen Parametern, die einen direkten Einfluss auf den Clinchvorgang und die Festigkeit der Clinchverbindung haben. Es hat sich gezeigt, dass beim Clinchen dicker Werkstucke mit tt > 8mm die Ausgestaltung der Flanke 25 eine besonders wichtige und bedeutende Rolle spielt.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dementsprechend dadurch aus, dass der Stempel, der bei der Umformung in die Metallwerkstucke 11 und 12 eingesenkt wird, konisch geformt ist. Die konische Form des Stempels erstreckt sich mindestens über einen Teil (als Ubergangsbereiche 21, 22 bezeichnet) derjenigen Lange L des Stempels, die in die Werkstucke 11, 12 eingesenkt bzw. eingedrückt wird. Die konische Form ergibt sich dadurch, dass die Flanke 25 des Stempels, siehe Fig. 3B, mindestens im unteren Ubergangsbereich 21 zu der Stirnendflache 23 konisch geformt ist und einen Flankenwinkel Wl aufweist, der kleiner oder gleich 10 Grad, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Grad ist. Wie in den Fig. 1 sowie 5A weiter gezeigt, ist der Flankenwinkel W2 des oberen Ubergangsbereichs 22 vorzugsweise gleich Null Grad oder ebenfalls vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Grad (Ausfuhrungsbeispiele gemass Fig. 4A bis 4c sowie 5B) .

Besonders bewahrt haben sich Stempel mit einem Durchmesser D2 zwischen 10mm und 20mm und mit einem Flankenwinkel W, Wl der von einem ersten Winkel Wl übergeht in einen zweiten Winkel Wl, wobei der erste Winkel Wl kleiner oder gleich 10 Grad und

vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Grad betragt und der zweite Winkel W2 kleiner oder gleich 2 Grad, und vorzugsweise 0 bis 1 Grad betragt. Dabei befindet sich der erste Winkel Wl im unmittelbaren (unteren) Ubergangsbereich 21 zur Stirnendflache 23 (d.h. im Bereich des werkstuckseitigen Endes des Stempels) und der zweite Winkel W2 auf der vom Metallwerkstuck 11, 12 wegführenden bzw. hinaushaltenden bzw. hinausragenden (oberen) Ubergangsbereich 22 (d.h. im werkzeugseitigen Bereich des Stempels) .

Diese Ausfuhrung von konischen Stempeln zeigt eine deutlich geringere Tendenz zum Klemmen und es bilden sich keine (oder schwach ausgeprägte) Hohlräume X. Der Vorteil der geringeren Radialspannung und damit der geringeren Tendenz zum Klemmen wird jedoch durch die Entstehung des Hohlraumes X zwischen den Metallwerkstucken 11, 12 „erkauft". Das heisst, der Flankenwinkel W, Wl, W2 kann nicht beliebig gewählt werden, da sonst der Hohlraum X zu gross und die Festigkeit der Clinchverbindung zu klein werden wurde.

Ideal sind Ausfuhrungsformen des Stempels, bei denen die durch den Flankenwinkel erzeugte Flankenrucknahme bzw. Flankenreduzierung nicht zu gross ist, da bei zu grosser Flankenrucknahme bzw. Flankenreduzierung der radial gerichtete Druck auf die Werkstucke 11, 12 zu gering wird und sich damit das Querfliessen der Werkstoffe bzw. der Metallwerkstucke reduziert .

Die angegebenen Winkelwerte für W, Wl, W2 haben sich auch bewahrt, weil die mit diesen Stempeln erzeugten

Clinchverbindungen ahnliche, vergleichbare Werte für die Halsdicke tn und den Hinterschnitt f aufweisen, wie die handelsüblichen, gebräuchlichen rein zylindrischen Dünnblech- Stempel. Dies spricht für eine vergleichbare, identische Zugfestigkeit der entsprechenden Clinchverbindung 13.

Die konische Form des Stempels erstreckt sich mindestens über die Ubergangsbereiche 21, 22 mit derjenigen Lange L des Stempels, die in die Werkstucke 11, 12 eingesenkt werden. Diese Lange L bei Metallwerkstucken deren Gesamtwerkstuckdicke tt > 8mm kann wie folgt ermittelt werden: 0,3 tt ≤ L ≤ 2 tt. D.h., die konisch geformten Ubergangsbereiche 21, 22 entsprechen zwischen drei Zehntel der Gesamtwerkstuckdicke tt und der zweifachen Gesamtwerkstuckdicke tt .

Die verschiedenen erfindungsgemassen Stempelformen werden im Folgenden anhand der Figuren 1, 5A und 5B zusammenfassend erläutert .

Die erzielten Festigkeiten, die mit den erfindungsgemassen Stempel, zum Beispiel mit einem Stempel mit 12mm Durchmesser

und einer 5°-0°-Stempelflanke (Ausfuhrungsform 2, Fig. 5A), erreicht werden, betragen im Mittel mehr als 50 kN bzw. 55 kN . Bei besonders sorgfaltig ausgewählten Bedingungen liegt die Zugkraft sogar bei ca. 58 kN und streut nur geringfügig um wenige Prozent.

Für die Abstreif (er) kraftgestaltung des Abstreifers 40 sind zwei Kriterien zu berücksichtigen. Zum einen muss die Abstreifkraft bzw. Abstreiferkraft großer als die Klemmkraft des Stempels sein. Dieser Wert ist naturlich stark von der verwendeten Stempelgeometrie, wie beschrieben wurde, aber auch von der Schmierung bzw. Beschichtung der Werkzeuge abhangig. Maximale Auswerferkrafte von 30 kN bis 40 kN haben zu sehr zuverlässigen Ergebnissen gefuhrt. Bei einer optimalen Gestaltung der Flankenwinkel bzw. der Konizitat des Stempels, reichen Auswerferkrafte von 25 kN. Für den 5°-0°-Stempel (Ausfuhrungsform 2, Fig. 5A) kann sogar eine weitere Reduzierung der Auswerferkraft in Betracht gezogen werden, da es hier nie zum Klemmen des Stempels kommen wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausfuhrungsform fungiert der Abstreifer 40 gleichzeitig auch als Niederhalter (41) und ist so dimensioniert, dass die Metallwerkstucke 11, 12 eine möglichst geringe Verformung erfahren, um den Verzug der Werkstucke 11, 12 so gering wie möglich zu halten bzw. frei zu halten.

Es lassen sich mit den erfindungsgemassen Stempeln und den Clinchwerkzeugen, respektive Clinchmaschinen, die entsprechende Stempel aufweisen bzw. besitzen, besonders stabile und tragfahige Stahlbauelemente auf einfachste, muheloseste, kostengünstigste und zuverlässigste Art und Weise herstellen. Die Kosten für diese Stahlbauelemente mit Clinchverbindungen 13 liegen unter denen von geschweissten, genieteten oder verschraubten Verbindungen. Die Verbundmaterialkosten für

Stahlbauelemente mit Clinchverbindungen 13 liegen bei Null. Weiters ist die Arbeitszeit auf ein Minimum beschrankt.

In Fig. 6 ist eine Fahrtreppe 1 m einer Seitenansicht gezeigt. Die Fahrtreppe 1 umfasst eine Balustrade 2 mit umlaufendem Handlauf und eine Endloskette mit Trittstufen bzw. Stufen 3. Unterhalb der Balustrade 2 der Fahrtreppe bzw. des Fahrsteiges ist typischerweise eine Stahlkonstruktion 4 angeordnet, welche so ausgeführt ist, dass sie den Zwischenraum bzw. die Stutzweite zwischen zwei Etagen El und E2 überbrückt und die Elemente bzw. Bauteile bzw. Baugruppen der Fahrtreppe 1 bzw. des Fahrsteiges tragt.

Diese Stahlkonstruktion 4 muss höchsten Anforderungen genügen und ist daher teuer und aufwendig in der Herstellung. Gemass Erfindung werden nun Fachwerkstahlbauelemente bzw. Fachwerktragelement 5 verwendet, wie in Fig. 7 gezeigt. Ein solches Fachwerkstahlelemente bzw. Fachwerkelement 5 kann zwei sich in Längsrichtung erstreckende Stahlträger bzw. Profiltrager 6.1 und 6.2 aufweisen. Besonders bevorzugt sind Stahlträger mit einem L-, I- oder U Profil, sowie Rohre oder Formrohre. Diese beiden Stahlträger 6.1, 6.2 werden durch eine Anzahl von Flachblechen bzw. Flacheisen oder Blechprofilen bzw. Stahlprofilen 6.3, 6.4 miteinander verbunden. Die Flachbleche bzw. Flacheisen oder Blechprofilen bzw. Stahlprofilen 6.3, 6.4 sind gemass Erfindung mittels einer oder zwei oder drei oder mehrerer Clinchverbindungen 13 an jedem dieser Stahlträger bzw. Profiltrager 6.1 und 6.2 befestigt und bilden so einen stabilen Fachwerkrahmen bzw. eine Fachwerktragwand bzw. ein Fachwerktragelement.

Wie in Fig. 7 zu erkennen ist, ordnet man die Flachbleche bzw. Flacheisen oder Stahlprofile bzw. Blechprofile typischerweise so an, dass jeweils abwechselnd ein senkrechter Steher bzw. eine Strebe 6.3 auf eine schräg stehende Strebe bzw. Diagonale 6.4

folgt. Die Clinchverbindungen 13 sind in Fig. 7 durch Kreise „A" angedeutet .

In den Fig. 8A und 8B sind Details eines erfindungsgemassen Stahlbauelements 5 gezeigt. Zu erkennen ist einer der

Stahlträger 6.1 und zwei der Flachbleche bzw. Flacheisen oder Blechprofile bzw. Stahlprofile 6.3, 6.4. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Stahlträger 6.1 und einen L-Trager bzw. Winkel mit einer Materialdicke tl > 4mm und bei den Streben bzw. bei den Stehern und Diagonalen um gewinkelte Blechprofile bzw. Flacheisen bzw. Stahlprofile bzw. Stahlbauprofile 6.3, 6.4 mit einer Materialdicke t2 grosser gleich 3mm. In Fig. 8B ist ein Schnitt durch zwei nebeneinander angeordnete Clinchverbindungen 13 zu sehen. Die entsprechende Verbindung wird auch als Doppelclinchverbindung bezeichnet.

Gemass Erfindung werden Stahlbauelemente als besonders vorteilhaft angesehen, die unterschiedlich dicke Metallwerkstucke (z.B. den Langstrager bzw. Profiltrager 6.1 und die Blechprofile bzw. Stahlprofile bzw. Stahlbauprofile 6.3, 6.4) miteinander verbinden, wobei die Clinchverbindungen 13 vorzugsweise von der dickeren Werkstuckseite her angebracht werden. D.h., der Stempel des Clinchwerkzeugs wird von der Seite des dickeren Metallwerkstucks her eingesenkt und die Clinchverbindung bildet sich auf der gegenüberliegenden Seite (siehe Fig. 8B) . Mit anderen Worten ausgedruckt, werden Clinchverbindungen bevorzugt, bei denen das dickere Material durch lokale Umformung in das dünnere Material durch Querfliessen zu einer festen Verbindung umgeformt wird.

In Fig. 8C ist zum Vergleich ein Teil eines Fachwerkes bzw. Fachwerktragrahmens gezeigt, dessen Werkstucke 6.1, 6.3, 6.4 mittels fünf oder sechs Schweissverbindungen miteinander verschweisst wurden. Es liegt auf der Hand, dass solche Schweissverbindungen aufwendig zu produzieren sind.

In Fig. 9 ist eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung gezeigt. Hier kommen einzelne Clinchverbindungen 13 zum Einsatz, um ein Stahlbauelement zu erstellen. Die entsprechende Verbindung wird als Einzelclinchverbindung bezeichnet.

In Fig. 10 ist eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung gezeigt. Hier kommen wiederum Clinchverbindungen 13 zum Einsatz, um zum Beispiel ein (Mitten- bzw. Mittel-) Auflager 51 in Stahlbauweise zu erstellen. Dieses (Mitten- bzw. Mittel-

) Auflager 51 kann Teil eines Stahlbauelements 50, 5 für den Einsatz im Fahrsteigbau oder Fahrtreppenbau sein. Ein Stahlprofil 7.1 ruht, wie schematisch angedeutet, auf einem unteren Stahlprofil 7.2. Die beiden Stahlprofile sind mit Clinchverbindungen 13 miteinander verbunden. Weiters kann auch 7.1 und 7.3 mit 6.2 verclincht sein und eine bzw. einige Clinchverbindungen 13 aufweisen. Auf dem Stahlprofil 7.1 ruht ein Langstrager bzw. Profiltrager 6.2. An diesem Langstrager bzw. Profiltrager 6.2 sind mehrere Flachbleche bzw. Flacheisen oder Blechprofile bzw. Stahlprofile 6.5, 6.6 mit Clinchverbindungen 13 befestigt.

Gemass Erfindung können auch Stahlbauelement aufgebaut werden, die Teil einer Aufzugsanlage sind. So kann zum Beispiel das erste Metallwerkstuck 11 ein Stutz- oder Tragelement oder Fixierelement einer Aufzugskabine sein. Bei dem zweiten Metallwerkstuck 12 handelt es sich dann um ein Flachblech bzw. Flacheisen oder Blechprofil bzw. Stahlprofil, das mittels einer oder zwei oder drei oder mehrerer Clinchverbindungen 13 an dem Stutz- oder Tragelement oder Fixierelement befestigt ist. So kann zum Beispiel der Rahmen oder der Fangrahmen einer Aufzugskabine aus stabilen Stahlträgern 11 aufgebaut werden, die mehrere Verstrebungen aus Blech oder Stahlprofilen aufweisen. Diese Verstrebungen sind an den Stahlträgern festgeclincht . Weiters kann der Windenrost oder der

Antriebsrost oder der Antriebstrager oder der Maschinenbock oder das Windengestell oder der Maschinenrahmen mit Stahlprofilen bzw. Blechen zusammengeclincht sein.

Das erste Metallwerkstuck 11 kann aber auch ein Stutz- oder

Rahmenelement eines Gegengewichts bzw. eines Gegengewichtrahmens oder eines Gegengewichtkorbes einer Aufzugsanlage sein. In diesem Fall handelt es sich dann bei dem zweitem Metallwerkstuck 12 um ein Flachblech bzw. Flacheisen oder Blechprofil bzw. Stahlprofil, das mittels einer oder zweier oder dreier oder mehrerer Clinchverbindungen 13 an dem Stutz- oder Rahmenelement befestigt ist.

Mit dem erfindungsgemassen Stempelwerkzeug 20 kann man auch zwei Clinchverbindungen 13 nebeneinander anbringen (siehe Fig. 8A und Fig. 8B), um die Zugfestigkeit und Scherfestigkeit weiter zu erhohen. In diesem Fall hat sich erwiesen, dass die Zugfestigkeit auf Werte erhöht werden konnte, die nahezu doppelt so gross sind wie bei einer einzelnen Clinchverbindung 13. Die Proben konnten im Mittel mit ca. 118 kN belastet werden.

Ein besonders vorteilhaftes Clinchwerkzeug 20 weist zwei gleichartige Stempel auf, die nebeneinander angeordnet sind und das erste Metallwerkstuck 11 mit dem zweiten Metallwerkstuck 12 durch zwei Clinchverbindungen zu verbinden in der Lage sind. Hier werden mit einer Zustellbewegung und einer Einsenkbewegung gleichzeitig zwei Clinchverbindungen nebeneinander erzeugt. Das Beispiel einer entsprechenden Doppelclinchverbindung ist in Fig. 8A und 8B gezeigt. Im gezeigten Beispiel ist zu erkennen, dass gemass Erfindung zum Beispiel ein dicker Stahlprofiltrager 11, 6.1 (erstes Metallwerkstuck) mit einem dünneren Blech bzw. Flacheisen bzw. Stahlprofil bzw. Blechprofil 12, 6.3, 6.4 (zweites Metallwerkstuck) durch zwei nebeneinander liegende Clinchverbindungen 13 verbunden werden kann.

Gemass Erfindung können Clinchverbindungen 13 ohne Schneidanteil auch mit öffnender Matrize erzeugt werden. Dabei werden federnd gelagerte Lamellen der Matrize nach dem Einsenkprozess durch das radiale Fließen des Werkstuckmaterials unterhalb des Stempels nach außen gedruckt und somit die Hinterschnittausbildung ermöglicht .

Neben den Vorteilen des konventionellen Clinchens kann auch das Matrizenloseclinchen eingesetzt werden, das aufgrund seines speziellen Funktionsprinzips die folgenden Vorteile aufweist: Ein Versatz zwischen (Fuge) Stempel und Gegenwerkzeug (Amboss) beeinträchtigt die Qualität der Verbindung 13 nicht. Dadurch verringern sich die Genauigkeitsanforderungen an die Fugemaschine.

Zeitaufwandige Einrichtarbeiten können entfallen. Der Verschleiß sinkt und die Prozesssicherheit steigt, da keine Ausbruche an der Matrizenkante mehr auftreten können. Für alle Fugeaufgaben kann der gleiche Amboss verwendet werden. Ein Matrizenwechsel beim Wechsel der Fugeaufgabe, wie beim herkömmlichen Clinchen ist nicht mehr notwendig. Die Fugeverbindungen 13 sind flacher und weniger störend als die mit dem konventionellen Clinchen erzeugten Verbindungen. Ein Andern der Blechdicke ist ohne Werkzeugwechsel möglich und spart wertvolle Arbeitszeit.

Eine änderung der Werkstoffpaarung geht ohne Aufwand vonstatten.

Matrizenloses Clinchen erhöht die Anzahl der

Clinchverbindungen bzw. Fugepunkte pro Werkzeugsatz bzw. pro (Fuge) Stempel.