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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zum mechanischen Fügen mindestens
zweier Werkstücke
aus duktilem Material, insbesondere zum Stanznieten oder Durchsetzfügen (Clinchen) nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige
Werkzeuge bestehen üblicherweise
aus einem C-förmigen
Rahmen, an dessen unterem Schenkel die Matrize zum Abstützen der
zu fügenden
Werkstücke
angeordnet ist und dessen oberer Schenkel den Fügestempel, den Niederhalter
und einen Antrieb für
den Fügestempel
und den Niederhalter trägt.
Als Antrieb für
den Fügestempel
kommen beispielsweise Hydraulikzylinder oder elektromechanische
Spindeltriebe in Frage, die am oberen Schenkel des C-Rahmens koaxial
zum Fügestempel
angeordnet sind. Es ist auch bereits bekannt geworden, einen pulsierend
arbeitenden Antrieb zu verwenden, um das aufzubringende Kraftniveau
zu verringern. Derartige Werkzeuge sind relativ platzraubend und aufwendig,
da der koaxial zum Fügestempel
angeordnete Antrieb wie auch der C-förmige Rahmen vergleichsweise
viel Platz einnehmen. Da die Schenkel des C-Rahmens notwendigerweise
einen relativ großen
Abstand voneinander haben, ist die Steifigkeit des Werkzeugs nicht
allzu hoch, worunter die Genauigkeit des Fügevorgangs leidet. Die Verwendung
eines hydraulischen Antriebes bedingt im übrigen relativ lange Fügezeiten
und einen vergleichsweise großen
Steuerungsaufwand. Die Hydraulikschläuche und elektrischen Versorgungsleitungen
von hydraulischen Antrieben sind relativ steif, was sehr hinderlich sein
kann, wenn diese Werkzeuge, wie üblich,
manuell oder mit Robotern bewegt werden.
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Der
Antrieb des Niederhalters besteht üblicherweise ebenfalls aus
einem Hydraulikzylinder, was die oben geschilderten Schwierigkeiten
noch verschärft.
Eine andere Möglichkeit
besteht darin, den Niederhalter über
eine Niederhalterfeder durch den Antrieb für den Fügestempel zu betätigen. Da
jedoch die Niederhalterfeder während
des Fügevorgangs
fortschreitend komprimiert wird, lässt sich mit dieser Lösung keine
konstante Niederhaltekraft erzeugen.
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Ein
Werkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus
DE 92 17 181 U1 bekannt. Bei
diesem Werkzeug besteht der Rahmen aus drei Teilen, und zwar einem
längs verlaufenden
Grundkörper,
einem an dessen Unterseite angesetzten winkelförmig gebogenen Zangenarm und
einem im oberen Bereich des Grundkörpers seitlich angesetzten Aufnahmebock,
welche dem Rahmen insgesamt die Form eines C verleihen. Der längs verlaufende Grundkörper wird
von einer kastenförmigen
Konsole umgriffen, an der einerseits der Grundkörper durch eine Linearführung und
andererseits der Setzkopf mit dem Fügestempel und dem Niederhalter
ebenfalls durch eine Linearführung
gleitend geführt
sind. Zum Antrieb des Setzkopfes dient ein Stellmotor, der im Aufnahmebock
des Rahmens so angeordnet ist, dass eine Längsachse auf der Hauptachse
des Werkzeuges liegt. Diese Konstruktion bedingt relativ große Abmessungen
parallel zur Hauptachse, so dass das Werkzeug einen großen Platzbedarf
und eine relativ geringe Steifigkeit hat.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug
zum mechanischen Fügen mindestens
zweier Werkstücke
aus duktilem Material zu schaffen, das sich durch kompakte und platzsparende
Bauweise sowie durch eine hohe Steifigkeit auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Werkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 durch die kennzeichnenden Merkmale gelöst.
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Der
Rahmen des erfindungsgemäß ausgebildeten
Werkzeuges setzt sich nur aus zwei Rahmenteilen zusammen, und zwar
aus dem oberen und unteren Rahmenteil, wobei die beanspruchte Form und
Verbindung der beiden Rahmenteile einen extrem kompakten und vor
allen Dingen steifen Rahmen ermöglichen.
Die Ausgestaltung und Unterbringung des Antriebes im Inneren des
oberen Rahmenteiles trägt
zur Kompaktheit der Bauweise bei. Trotz der quer verlaufenden Anordnung
des Stellmotors wird es durch die spezielle Ausgestaltung und Verbindung
des Stellmotors mit dem Setzkopf ermöglicht, dass die quer zur Hauptachse
verlaufende Bewegung des Stellmotors sowohl aus den Fügestempel wie
auch den Niederhalter übertragen
wird. In diesem Zusammenhang von Bedeutung ist, dass der Kraftübertragungsmechanismus
mit einem hülsenförmigen Gehäuseteil
an dessen Außenteil
gelenkig verbunden ist, wobei das hülsenförmige Gehäuseteile sowohl den Fügestempel
wie auch den Niederhalter aufnimmt, um die Kraft des Antriebes auf
diese Komponenten zu übertragen.
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Die
spezielle Anordnung des Stellzylinders quer zur Hauptachse und die
Verwendung eines Kraftübertragungsmechanismus
erlauben es, den Stellzylinder als pneumatisch wirkenden Stellzylinder auszubilden,
während
der Kraftübertragungsmechanismus
ein Kniehebelgestänge
sein kann. Ein hydraulischer Stellzylinder mit den damit verbundenen Nachteilen
wird auf diese Weise vermieden. Hierdurch ergeben sich insbesondere
kurze Fügezeiten, eine
einfache Steuerung, geringes Gewicht, geringe Abmessungen sowie
eine einfache Steuerung. Außerdem
können
dünne,
hochflexible Pneumatikschläuche
verwendet werden, die beim Bewegen der Werkzeuge praktisch nicht
hinderlich sind.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Anhand
der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
Schnittdarstellung eines Fügewerkzeuges;
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2 einen
Teil des Fügewerkzeuges
in 1 in vergrößertem Maßstab.
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Das
in 1 dargestellte Werkzeug dient zum mechanischen
Fügen zweier
oder mehrerer plattenförmiger
Werkstücke
durch Stanznieten. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Fügewerkzeugen
wie z.B. bei Werkzeugen zum Durchsetzfügen (Clinchen) eingesetzt werden.
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Das
Werkzeug besteht im Prinzip aus einem Rahmen 2, einem Antrieb
in Form eines Stellzylinders 4 und eines Kraftübertragungsmechanismus 6, einem
Fügestempel 8,
einem Niederhalter 10 und einer Matrize 12. Bei
dem Fügevorgang
treibt der von dem Antrieb 4, 6 betätigte Fügestempel 8 einen Stanzniet
(nicht gezeigt) durch die auf der Matrize 12 aufliegenden
Werkstücke
(nicht gezeigt), welche von dem Niederhalter 10 gegen die
Matrize angedrückt werden.
Das Werkzeug hat eine Hauptachse A, auf der die Mitten des Fügestempels 8,
des Niederhalters 10 und der Matrize 12 liegen.
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Der
Rahmen 2 besteht aus einem oberen Rahmenteil 2a und
einem unteren Rahmenteil 2b. Das obere Rahmenteil 2a ist
als topfförmiges
Gehäuse
ausgebildet, das an seinem (in 1) linken
Ende offen und im übrigen
geschlossen ist. Das untere Rahmenteil 2b ist C-förmig ausgebildet.
Der untere Schenkel des unteren Rahmenteils 2b trägt die Matrize 12.
Der obere Schenkel des unteren Rahmenteils 2b ist in einer
Ausnehmung 16 der unteren Gehäusewand des oberen Rahmenteils 2a eingesetzt. Der obere
Schenkel des unteren Rahmenteils 2b und die untere Gehäusewand
des oberen Rahmenteils 2a sind hierbei in einer Schnittstellenebene
S, die senkrecht zu der Hauptachse A des Werkzeuges verläuft, unbeweglich
miteinander verbunden, und zwar im dargestellten Ausführungsbeispiel
durch zwei quer zur Hauptachse A verlaufende Passstifte 14,
deren Achsen in der Schnittstellenebene S liegen. Damit ist eine
definierte Schnittstelle zwischen den beiden Rahmenteilen 2a, 2b in
einem mittleren Bereich des Rahmens 2 gegeben, wobei der
obere Schenkel des unteren Rahmenteils 2b und die untere
Gehäusewand
des oberen Rahmenteils 2a dem Rahmen 2 in diesem
Bereich eine große
Steifigkeit verleihen.
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Wie
bereits erwähnt,
setzt sich der Antrieb aus einem Stellzylinder 4 und einem
Kraftübertragungsmechanismus 6 zusammen,
von denen der Stellzylinder 4 als doppelt wirkender Pneumatikzylinder
ausgebildet ist, während
der Kraftübertragungsmechanismus 6 aus
einem Kniehebelmechanismus besteht. Der Stellzylinder 4 und
der Kraftübertragungsmechanismus 6 sind
im Inneren des topfförmigen
oberen Rahmenteils 2a angeordnet, wobei die Längsachsen
des Stellzylinders 4 und des Kraftübertragungsmechanismus 6 auf
einer (in 1 strichpunktiert angedeuteten)
Achse B liegen, welche quer zur Hauptachse A verläuft.
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Der
Stellzylinder 4 ist über
ein Gelenk 18 mit dem Boden bzw. der Rückseite des oberen Rahmenteils 2a verbunden,
während
die Kolbenstange 20 des Stellzylinders 4 über ein
Kniehebelgelenk 22 mit dem oberen Hebel 24 und
dem unteren Hebel 26 des Kniehebelmechanismus verbunden
ist. Der obere Hebel 24 ist über ein auf der Hauptachse
A liegendes Gelenk 28 an einer oberen Abstützstelle
an der oberen Gehäusewand
des oberen Rahmenteils 2 abgestützt. Diese obere Abstützstelle
ist als Schraubmechanismus 30 ausgebildet, der über ein
Betätigungsteil 32 manuell
oder motorisch betätigbar
ist, um das Gelenk 28 und damit die obere Abstützstelle
des Kniehebelmechanismus längs
der Hauptachse A verstellen zu können.
Hierdurch kann das Werkzeug auf unterschiedliche Dicken der zu fügenden Werkstücke optimal
eingestellt werden, und zwar durch eine Justierung der unteren „Totpunktlage" des Fügestempels 8,
wie noch genauer erläutert
wird.
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Es
wird nun zusätzlich
auf 2 Bezug genommen. Der als Lenkerpaar ausgebildete
untere Hebel 26 des Kniehebelmechanismus ist mit einem hülsenförmigen Gehäuseteil 34 an
dessen Außenseite
gelenkig verbunden. Das Gehäuseteil 34 wieder um
ist mit dem Fügestempel 8 fest
verbunden, der sich aus einem Stangenteil 36 und dem eigentlichen Stempelteil 38 zusammensetzt.
Genauer gesagt, ist das Gehäuseteil 34 durch
eine am oberen Ende des Gehäuseteils 34 und
Stangenteils 36 vorgesehene Schraubverbindung 40 mit
dem Fügestempel 8 unbeweglich,
jedoch lösbar
verbunden. Andererseits ist das Gehäuseteil 34 durch eine
Linearführung 42 am Rahmen 2 beweglich
so gelagert, dass das Gehäuseteil 34 und
damit der Fügestempel 8 längs der Hauptachse
A verstellt werden können.
Die Linearführung 42,
die als Rollenführung
ausgebildet ist, weist eine Führungsschiene 44 auf,
die durch Schrauben am (in 1) linksseitigen
Ende der unteren Gehäusewand
des oberen Rahmenteils 2 befestigt ist. Die Rollenführung 42 weist
ferner einen Führungsschlitten 46 auf,
der mittels eines Abstützteils 47 mit
dem Gehäuseteil 34 fest
verbunden ist. Die Linearführung 42 ist
somit in einem Bereich des Rahmens 2 hoher Steifigkeit
angeordnet, was eine sehr präzise
Führung
der beweglichen Werkzeugteile längs
der Hauptachse A ermöglicht.
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Der
Niederhalter 10, der den Fügestempel 8 konzentrisch
umgibt, wird einerseits von dem Gehäuseteil 34 und andererseits
von einem Mundstückteil 50 gebildet.
Das Mundstückteil 50 besteht
aus dem eigentlichen Mundstück 52 und
einem Hülsenteil 54, die
fest miteinander verbunden sind. Das Mundstückteil 50 ist sowohl
gegenüber
dem Fügestempel 10 wie
auch gegenüber
dem Gehäuseteil 34 längsverschiebbar.
Zu diesem Zweck ist das Hülsenteil 54 des Mundstückteils 50 durch
eine (z.B. aus Kunststoff bestehende) Führungsbuchse 56 gegenüber dem
Fügestempel 8 und
durch eine (z.B. aus Kunststoff bestehende) Führungsbuchse 58 gegenüber dem
Gehäuseteil 34 gleitend
verschiebbar gelagert.
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Das
Mundstückteil 50 und
das Gehäuseteil 34 werden
durch eine Spreizfeder 60 auseinandergedrückt, die
zwischen dem Boden des Gehäuseteils 34 und
dem oberen Ende des Hülsenteils 54 des Mundstückteils 50 wirkt,
um das Mundstückteil 50 relativ
zu dem Gehäuseteil 34 in
eine Ausgangslage zu drücken,
in der das Hülsenteil 54 an
einer Schulter 61 des Fügestempels 8 anliegt.
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Die
Spreizfeder 60 wird von einer Niederhalterfeder 62 umgeben,
die zwischen der Endwand des Gehäuseteils 34 und
einem Anschlagteil 64 wirksam ist. Das Anschlagteil 64,
das sowohl relativ zu dem Mundstückteil 50 wie
auch zu dem Gehäuseteil 34 verschieblich
ist, liegt an einer Gewindehülse 66 an, die
in das Gehäuseteil 34 eingeschraubt
ist und auf ihrer Innenseite die Führungsbuchse 58 trägt.
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Beide
Federn 60, 62 sind als Schraubenfedern ausgebildet.
Wie noch genauer erläutert
wird, dient die Niederhalterfeder 62 zum Ausüben der
Niederhaltekraft auf die Werkstücke.
Sie ist daher sehr viel stärker
ausgebildet als die Spreizfeder 60, die lediglich dazu
dient, das Mundstückteil 50 im
unbelasteten Zustand in seine Ausgangslage zu drücken. Die Niederhalterfeder 62 wird
durch das an der Gewindehülse 66 anliegende
Anschlagteil 64 mit einer Kraft vorgespannt, die im wesentlichen
der auf die Werkstücke
auszuübenden
Niederhaltekraft entspricht. Die Vorspannung der Niederhalterfeder 62 lässt sich hierbei
durch Verstellen der Gewindehülse 66 einstellen.
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Das
Anschlagteil 64 hat einen vorgegebenen axialen Abstand
von einer Anlagefläche 68 des Mundstückteils 50,
so dass die Kraft der Niederhalterfeder 62 erst nach einer
entsprechenden Relativverschiebung zwischen dem Gehäuseteil 34 und dem
Mundstückteil 50 auf
das Mundstück 52 übertragen
werden kann, wie im folgenden noch genauer erläutert wird.
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Der
Fügestempel 8 ist über eine
Drehsicherung 70 mit dem Mundstückteil 50 drehfest
verbunden, während
das Mundstückteil 50 relativ
zu dem Gehäuseteil 34 nicht
nur längsverschiebbar,
sondern auch drehbar ist. Durch Lösen der Schraubverbindung 40 kann
daher der Fügestempel 8 zusammen mit
dem Mundstückteil 50 relativ
zu dem Gehäuseteil 34 gedreht
werden. Dadurch lässt
sich eine im Mundstück 52 vorgesehene
Zuführung 72 für die Stanzniete
(nicht gezeigt) in unter-schiedliche Winkellagen drehen.
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Die
Funktionsweise des insoweit beschriebenen Werkzeuges ist wie folgt:
Zum Durchführen
eines Stanznietvorganges liegen die zu fügenden Werkstücke (nicht
gezeigt) auf der Matrize 12, während ein über die Zuführung 72 zugeführter Stanzniet vor
der Unterseite des Stempelteils 38 des Fügestempels 8 liegt.
Bei einer Betätigung
des pneumatisch wirkenden Stellzylinders 4 im Sinne einer
Ausfahrbewegung überträgt dieser
seine Antriebskraft auf den Kraftübertragungsmechanismus 6.
Der als Kniehebelmechanismus ausgebildete Kraftübertragungsmechanismus 6 ist
einerseits über
den oberen Hebel 24 an der oberen Abstützstelle am Rahmen 2 abgestützt und
wirkt andererseits über
den unteren Hebel 26 auf das Gehäuseteil 34. Hierdurch
werden der Fügestempel 8 zusammen
mit dem gesamten Niederhalter 10 über die Linearführung 42 längs der Hauptachse
A nach unten bewegt, bis sich das Mundstück 52 des Mundstückteils 50 an
die Werkstücke
anlegt. Das Mundstückteil 50 kann sich
daher nicht weiter nach unten bewegen, so dass bei einer weiteren
Ausfahrbewegung des Stellzylinders 4 das Gehäuseteil 34 wie
auch der Fügestempel 8 relativ zu
dem Mundstückteil 50 verschoben
werden. Hierbei wird die Spreizfeder 60 entsprechend zusammengedrückt. Die
Vorspannung der Niederhalterfeder 62 bleibt jedoch während dieses
Teils der Abwärtsbewegung
des Gehäuseteils 34 unverändert, da
das an der Gewindehülse 66 abgestützte Anschlagteil 64 einen
axialen Abstand von der Anlagefläche 68 des
Mundstückteils 50 hat
und sich daher relativ zu dem Mundstückteil 50 ungehindert
bewegen kann.
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Kurz
bevor der von dem Fügestempel 8 nach unten
bewegte Stanzniet (nicht gezeigt) in die Werkstücke eingetrieben wird, legt
sich das Anschlagteil 64 an die Anlagefläche 68 an,
so dass sich bei einer weiteren Abwärtsbewegung des Gehäuseteils 34 die Gewindehülse 66 von
dem Anschlagteil 64 löst.
Das Mundstück 52 wird
dann mit der gesamten Vorspannkraft der Niederhalterfeder 62 gegen
die an der Matrize 12 abgestützten Werkstücke angedrückt. Bei dem
sich hieran anschließenden
Stanznietvorgang werden das Gehäuseteil 34 und
der Fügestempel 8 weiter
nach unten getrieben, bis der Stanzniet gesetzt ist. Während des
Stanznietvorganges wird die Niederhalterfeder 62 weiter
zusammengedrückt,
so dass sich die Niederhaltekraft noch etwas erhöht. Aufgrund der Vorspannung
der Niederhalterfeder 62 ist diese Erhöhung der Niederhaltekraft jedoch
vergleichsweise gering, so dass die Niederhaltekraft als während des
Fügevorgangs
im wesentlichen konstant angesehen werden kann.
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Die
Rückstellung
des Werkzeuges erfolgt durch eine gegensinnige Beaufschlagung des
Stellzylinders 4. Hierbei nimmt der untere Hebel 26 des Kniehebelmechanismus
den Niederhalter 10 und den Fügestempel 8 in ihre
obere Stellung mit, wobei die Spreizfeder 60 das Mundstückteil 50 in
seine Ausgangslage relativ zu dem Gehäuseteil 34 und dem Fügestempel 8 drückt.
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Wie
aus den Figuren und der obigen Beschreibung ersichtlich, sind außer der
Matrize 12 sämtliche
Bestandteile des Werkzeuges wie Stellmechanismus 4, Kraftübertragungsmechanismus 6, obere
Abstützstelle,
Fügestempel 8,
Niederhalter 10 und Linearführung 42 einschließlich ihrer
Anlenkpunkte in das obere Rahmenteil 2a integriert. Dies bietet
die Möglichkeit,
untere Rahmenteile 2b unterschiedlicher Bauart am oberen
Rahmenteil 2a anzubringen. Erwähnenswert ist ferner, dass
nicht nur die Achsen des Fügestempels 8 und
des Niederhalters 10, sondern auch die Mitten der unteren und
oberen Abstützstelle
am Rahmen 2 auf der gemeinsamen Hauptachse A liegen. Bei
einem Wegfedern der oberen Abstützstelle
unter Last kommt es daher zu keinem Achsversatz. Da überdies
der Rahmen 2 im Bereich der Linearführung 42 eine hohe
Steifigkeit hat, ergibt sich eine hohe Setzgenauigkeit, was noch durch
die kompakte Bauweise des Werkzeuges begünstigt wird. Außerdem zeichnet
sich das Werkzeug aufgrund der Verwendung eines Pneumatikzylinders und
eines Kniehebelmechanismus durch extrem kurze Nietsetzzeiten und
durch eine sehr einfache Steuerung aus.
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Die
Linearführung 42 lässt sich
in einfacher Weise mit einem herkömmlichen Wegmeßaufnehmer (nicht
gezeigt) versehen. Zur Kraftmessung kann ein Kraftmessdübel 74 (1)
im oberen Rahmenteil 2a oder ein Kraftmessring (nicht gezeigt)
an der oberen Abstützstelle,
d.h. im Schraubmechanismus 30 vorgesehen werden.