DE10144136B4

DE10144136B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück

Info

Publication number: DE10144136B4
Application number: DE2001144136
Authority: DE
Inventors: Dieter Nagel
Original assignee: SONOTRONIC Nagel GmbH
Current assignee: SONOTRONIC Nagel GmbH
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2021-09-08
Also published as: DE10144136A1

Abstract

Verfahren zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück (W), bei dem ein Bearbeitungselement (22) eines Werkzeugs (20) auf eine mit der Öffnung zu versehende Stelle des Werkstücks (W) aufgesetzt und ein vom Bearbeitungselement (22) des Werkzeugs (20) umschlossener Bereich des Werkstücks (W) dann durch Ausübung einer zum Werkstück (W) hin gerichteten Vorschubkraft aus dem Werkstück (W) freigeschnitten wird, wobei das Werkzeug (20) durch Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der das Werkzeug (20) beaufschlagenden Ultraschallschwingungen derart gewählt wird, daß beim Einbringvorgang der Öffnung in das Werkstück (W) nur ein oberflächliches Erweichen oder Anschmelzen eines das Werkzeug (20) umgebenden, die herzustellende Öffnung begrenzenden Materialbereichs des Werkstücks (W) erfolgt, daß das Werkzeug (20) von einer Vorschubeinrichtung in Richtung des Werkstücks (W) zugestellt und mit einer zum Einbringen der Öffnung in das Material des Werkstücks (W) hinreichend großen Vorschubkraft beaufschlagt wird, daß der durch die Vorschubkraft bewirkten Vorschubbewegung des Werkzeugs...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück, bei dem ein Bearbeitungselement eines Werkzeugs auf eine mit der Öffnung zu versehende Steile des Werkstücks aufgesetzt und ein vom Bearbeitungselement des Werkzeugs umschlossener Bereich des Werkstücks dann durch Ausübung einer zum Werkstück hin gerichteten Vorschubkraft aus dem Werkstück freigeschnitten wird, wobei das Werkzeug durch Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens dienende Vorrichtung sind aus der DE 36 03 627 A1 bekannt. In dieser Druckschrift ist ein Verfahren zum Einbringen von Öffnungen in Behältern aus thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere in Kunststoff-Kraftstoffbehälter für Kraftfahrzeuge, beschrieben, bei dem vorgesehen ist, daß zum Einarbeiten der Öffnung in eine Wand des Behälters das Werkzeug mit Ultraschall mit einer axialen Schwingungsamplitude beaufschlagt wird, die mindestens 50 μm beträgt.
Diese hohe Schwingungsamplitude des Werkzeugs und der damit korrelierte hohe Energieeintrag in die Wand des Behälters bewirken nun, daß das Wandmaterial des Behälters im Bereich der herzustellenden Öffnung aufgeschmolzen wird, so daß die Schneidkante des Werkzeugs der bekannten Vorrichtung durch die Vorschubkraft im wesentlichen nur durch bereits erweichtes Kunststoffmaterial bewegt wird. Eine derartige Vorgangsweise besitzt zwar den Vorteil, daß sie es erlaubt, die das Werkzeug beaufschlagende Vorschubkraft deutlich zu reduzieren, da das Werkzeug durch diese nun nicht mehr durch festes Kunststoffmaterial bewegt werden muß, sondern lediglich durch bereits durch den Eintrag von Ultraschallenergie erweichtes Material.
Das bekannte Verfahren ist für eine Vielzahl von Anwendungsfällen durchaus ausreichend, insbesondere dann, wenn an die Maßhaltigkeit der herzustellenden Öffnung keine hohen Anforderungen gestellt werden, wie dies z. B. bei Öffnungen für Tankbehälter der Fall ist. Das bekannte Verfahren sowie die bekannte Vorrichtung erlauben aber in nachteiliger Art und Weise nicht die Herstellung von maßhaltigen Öffnungen, da das Vorschieben des Schneidwerkzeugs durch das durch Ultraschalleinwirkung erweichte Material es mit sich bringt, daß die auf die beschriebene Art und Weise hergestellte Öffnung relativ große Toleranzen besitzt.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß beim Vorschub des die Öffnung herstellenden Werkzeugs infolge des erweichten Wandmaterial des Behälters ein Schmelzaustrieb stattfindet, welcher in nachteiliger Art und Weise dazu führt, daß in der Umgebung der Öffnung dann erstarrte Materialreste des Wandmaterials des Behälters befinden, die bei einer Behälter-Öffnung für einen Tankdeckel, die ihrerseits wiederum von einem Tankverschluß überdeckt wird, noch tolerabel sind. Bei anderen Werkstücken, z. B. bei Stoßfängern für Kraftfahrzeuge, in denen eine Öffnung für einen Abstandssensor eingebracht wird, sind auch derartige durch Schmelzaustrieb bedingte Materialablagerungen nicht mehr tolerabel und werden von den Abnehmern aus der Autoindustrie auch nicht mehr toleriert, da sich derartige Materialablagerungen, insbesondere bei in Wagenfarbe lackierten Stoßfängern in optischer Hinsicht äußerst störend bemerkbar machen.
Desweiteren ist es noch bekannt, eine Öffnung in ein Werkstück dadurch einzuarbeiten, indem ein entsprechend konturiertes Werkzeug mit einer hinreichend großen Vorschubkraft auf das Werkstück gepreßt wird, daß also die Öffnung aus dem Werkstück herausgeschnitten oder herausgestanzt wird, ohne daß hierbei vorgesehen ist, daß eine Erweichung des Werkstücks im Bereich der herzustellenden Öffnung durch Ultraschall erfolgt.
Eine derartige Vorgangsweise erlaubt zwar die Herstellung von maßhaltigen Öffnungen, sie besitzt jedoch den Nachteil, daß hierbei entlang der die Öffnung begrenzenden Schnittfläche des Werkstücks faser- und/oder spanartige Schneid- oder Stanzrückstände entstehen, die z. B. beim Einsetzen eines Abstandssensors in eine derartige Öffnung eines Stoßfängers eines Kraftfahrzeugs aus der Öffnung hervorgedrückt werden und auf diese Art und Weise ebenfalls Materialrückstände auf der sichtbaren Oberseite des Werkstücks bewirken und sich folglich in optischer Hinsicht wiederum äußerst störend bemerkbar machen.
Aus der DE 3603627 A1 ist eine Vorrichtung zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück bekannt, das eine Ultraschall-Erzeugungseinrichtung und ein an diese gekoppeltes Sonotroden-Werkzeug aufweist, wobei das Sonotroden-Werkzeug durch von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung mit erzeugten Ultraschallschwingungen beaufschlagbar ist. Die Vorrichtung weist eine Vorschubeinrichtung zum Vorschub des Sonotroden-Werkzeugs auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß das Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück mit höherer Maßhaltigkeit und vermindertem Schmelzaustrieb ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird in vorteilhafter Art und Weise ein Verfahren geschaffen, welches sich dadurch auszeichnet, daß mit ihm in vorteilhafter Art und Weise maßhaltige Öffnungen in das Werkstück eingebracht werden können, da beim erfindungsgemäßen Verfahren auf eine großflächige Erweichung oder ein Anschmelzen des Werkstücks im Bereich der herzustellenden Öffnung verzichtet wird. Vielmehr wird beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, daß das zu bearbeitende Werkstück nicht mehr im Bereich seiner herzustellenden Öffnung durch Ultraschall erweicht wird, damit mit einer geringeren Vorschubkraft gearbeitet werden kann, sondern daß die Vorschubkraft im wesentlichen gegenüber einer Bearbeitung ohne die Verwendung von Ultraschall nur geringfügig reduziert wird, und daß dieser den eigentlichen Bearbeitungsvorgang dominierenden Vorschubkraft lediglich die einen kleinen Energieeintrag bewirkende Ultraschallschwingung mit einer erfindungsgemäß vorgesehenen kleinen Schwingungsamplitude überlagert wird.
Vorzugsweise wird hierbei vorgesehen, daß die Amplitude der Ultraschallschwingung kleiner als 50 μm ist und vorzugsweise zwischen 15 μm und 25 μm beträgt, so daß der Energieeintrag auf den dem Werkzeug im wesentlichen unmittelbar benachbarten, die Öffnung begrenzenden Bereich des Werkstücks begrenzt ist, um zu erreichen, daß an der die Öffnung begrenzenden Stanz- oder Schnittfläche des Werkstücks keine Stanz- oder Schnittrückstände auftreten.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß als Werkzeug ein Werkzeug mit einem Prägeelement verwendet wird. Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, daß hierdurch in einfacher Art und Weise möglich ist, den Rand der Öffnung mit einer Prägung bzw. Abrundung zu versehen, da durch den Ultraschalleintrag das Material des Werkstücks im Bereich des Prägeelements des Werkzeugs hinreichend erweicht wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen, das im folgenden anhand der einzigen Figur beschrieben wird. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In 1 ist nun ein Werkstück W dargestellt, das auf einer Werkstückauflage 10 einer hier nur schematisch dargestellten Vorrichtung 1 zum Einbringen einer Öffnung in das Werkstück W positioniert ist. Die Werkstückauflage 10 weist eine Ausnehmung 11 auf, über der ein Sonotroden-Werkzeug 20 mit einem Bearbeitungselement 22, das im hier gezeigten Fall als ein Stanz- oder Schneidwerkzeug 21 ausgebildet ist, angeordnet ist. Das Stanz- oder Schneidwerkzeug 21 weist als Bearbeitungselement 22 eine messerartig ausgebildete Schneid- oder Stanzkante 22' auf, deren Kontur die Kontur der herzustellenden Öffnung festlegt. Das Sonotroden-Werkzeug 20 ist am Ausgang einer an und für sich bekannten und daher nicht dargestellten sowie beschriebenen Ultraschall-Erzeugungseinrichtung der Vorrichtung 1 angebracht, so daß von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugte Ultraschallschwingungen auf das Sonotroden-Werkzeug 20 und somit auf die Schneid- oder Stanzkante 22', also auf das Bearbeitungselement 22 des Sonotroden-Werkzeugs 20, übertragen werden. Die Vorrichtung 1 weist desweiteren noch eine an und für sich bekannte und daher ebenfalls nicht gezeigte und nicht beschriebene Vorschubeinrichtung auf, mit der das Sonotroden-Werkzeug 20 in Richtung des Werkstücks W vorgeschoben und mit einer hinreichend großen Bearbeitungskraft auf das Werkstück W gepreßt werden kann.
Zur Herstellung der Öffnung im Werkstück W wird nun das Sonotroden-Werkzeug 20 durch die Vorschubeinrichtung der Vorrichtung 1 in Richtung des Werkstücks W zugestellt und das Bearbeitungselement 22 wird auf die Oberfläche W des Werkstücks W gedrückt, wobei die Vorschubkraft in Abstimmung auf das Material des Werkstücks W derart gewählt ist, daß der Einarbeitungsvorgang der Öffnung in das Werkstück W im wesentlichen durch die Vorschubkraft bestimmt wird. Typischerweise wird hierbei eine Vorschubkraft – bei einem Kunststoffmaterial, aus dem typischerweise Stoßfänger für Kraftfahrzeuge ausgebildet sind – von etwa 3–4 kN vorgesehen, während bei einem derartigen Stanzvorgang ohne die nachstehend beschriebene Ultraschall-Unterstützung typischerweise 5–6 kN erforderlich wären.
Dieser Vorschubkraft wird dann eine durch die von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugten Ultraschallschwingungen hervorgerufene Osziliationsbewegung des Sonotroden-Werkzeugs 20 überlagert, wobei vorgesehen ist, daß hierbei die axiale Schwingungsamplitude des Sonotroden-Werkzeugs 20 nur gering ist, unter 50 μm liegt und vorzugsweise im Bereich zwischen 15 μm und 25 μm ist.
Die Überlagerung der dem Einarbeitungsvorgang der Öffnung in das Werkstück W dominierenden, von der Vorschubkraft hervorgerufenen Vorschubbewegung mit den durch die Ultraschallschwingungen mit kleiner Schwingungsamplitude erzeugten Oszillation des Sonotroden-Werkzeugs 20 führt nun infolge des hierdurch bewirkten, in vorteilhafter Art und Weise nur geringen Eintrags von Ultraschallenergie dazu, daß das Werkstück W nun nicht mehr in seinem gesamten Bereich der herzustellenden Öffnung aufgeschmolzen oder zumindest erweicht wird, sondern daß in vorteilhafter Art und Weise nur ein oberflächliches Erweichen oder Anschmelzen des dem Sonotroden-Werkzeug 20 unmittelbar benachbarten Materialbereichs des Werkstücks W bewirkt wird.
Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, daß die auf diese Art und Weise hergestellten Öffnungen im Werkstück W sich durch eine hohe Maßhaltigkeit und somit geringe Toleranzen auszeichnen, da beim beschriebenen Verfahren das Sonotroden-Werkzeug 20 nicht – wie bei den bekannten Verfahren – in einen großflächig erweichten Bereich des Werkstücks W eindringt, sondern in ein im wesentlichen festes, d. h. nur geringfügig erweichtes oder aufgeschmolzenes Material, daß also das Sonotroden-Werkzeug 20 im wesentlichen in einer Art und Weise in das Werkstück W eindringt, die einem Schneiden oder Stanzen von Öffnungen in ein Werkstück ohne die Verwendung von Ultraschall entspricht.
Die Unterstützung der durch die Vorschubkraft bewirkten Vorschubbewegung des Sonotroden-Werkzeugs 20 durch die Oszillationsbewegung des Sonotroden-Werkzeugs 20, welche durch die von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung hervorgerufenen Ultraschallschwingungen mit kleiner axialen Schwingungsamplitude erzeugt werden, besitzt desweiteren den Vorteil, daß die die Öffnung des Werkstücks W begrenzende Schnitt- oder Stanzfläche, also den die Schneid- bzw. Stanzkante 22' umgebenden Bereich des Werkstücks W, durch die Ultraschallschwingungen aufgeschmolzen oder zumindest erweicht wird. Dies besitzt den Vorteil, daß hierdurch das nachteilige Auftreten von faser- oder spanförmigen Schnitt- oder Stanzrückständen unterdrückt wird.
Wie aus der 1 ebenfalls ersichtlich, weist das Sonotroden-Werkzeug 20 in seinem Übergangsbereich 23 zwischen Bearbeitungselement 22 und Werkzeugkörper 24 ein Prägeelement 25 auf, welches dazu dient, den Rand der herzustellenden Öffnung entsprechend zu konturieren, insbesondere mit einer Rundung zu versehen.
Es soll noch erwähnt werden, daß das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung 1 in besonderem Maß dazu geeignet sind, Öffnungen in Stoßfängern für Kraftfahrzeuge herzustellen.

Claims

Verfahren zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück (W), bei dem ein Bearbeitungselement (22) eines Werkzeugs (20) auf eine mit der Öffnung zu versehende Stelle des Werkstücks (W) aufgesetzt und ein vom Bearbeitungselement (22) des Werkzeugs (20) umschlossener Bereich des Werkstücks (W) dann durch Ausübung einer zum Werkstück (W) hin gerichteten Vorschubkraft aus dem Werkstück (W) freigeschnitten wird, wobei das Werkzeug (20) durch Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der das Werkzeug (20) beaufschlagenden Ultraschallschwingungen derart gewählt wird, daß beim Einbringvorgang der Öffnung in das Werkstück (W) nur ein oberflächliches Erweichen oder Anschmelzen eines das Werkzeug (20) umgebenden, die herzustellende Öffnung begrenzenden Materialbereichs des Werkstücks (W) erfolgt, daß das Werkzeug (20) von einer Vorschubeinrichtung in Richtung des Werkstücks (W) zugestellt und mit einer zum Einbringen der Öffnung in das Material des Werkstücks (W) hinreichend großen Vorschubkraft beaufschlagt wird, daß der durch die Vorschubkraft bewirkten Vorschubbewegung des Werkzeugs (20) eine durch die Ultraschallschwingungen bewirkte Oszillationsbewegung überlagert wird, wobei diese Vorschubkraft im wesentlichen gegenüber einer Bearbeitung ohne die Verwendung von Ultraschall nur geringfügig reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Ultraschallschwingungen kleiner als 50 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Ultraschallschwingungen im Bereich von ungefähr 15 μm und 25 μm liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungswerkzeug ein Sonotroden-Werkzeug (20) verwendet wird, und dass das Sonotroden-Werkzeug (20) von Ultraschallschwingungen, die von einer Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugt werden, beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeug (20) ein Werkzeug mit einem Prägeelement (25) verwendet wird.
Vorrichtung zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück (W) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die eine Ultraschall-Erzeugungseinrichtung und ein an diese gekoppeltes Sonotroden-Werkzeug (20) aufweist, wobei das Werkzeug (20) durch von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugten Ultraschallschwingungen beaufschlagbar ist, und die eine Vorschubeinrichtung zum Vorschub des Werkzeugs (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der das Werkzeug (20) beaufschlagenden Ultraschallschwingungen kleiner als 50 μm ist, wobei die Amplitude der das Werkzeug (20) beaufschlagenden Ultraschallschwingungen derart gewählt ist, dass zum Einbringen der Öffnung in das Werkstück (W) nur ein oberflächliches Erweichen oder Anschmelzen eines das Werkzeug (20) umgebenden, die herzustellende Öffnung begrenzenden Materialbereichs des Werkstücks (W) erfolgt, dass der von der Vorschubeinrichtung erzeugten und das Werkzeug (20) in Richtung des Werkstücks (W) zustellende Vorschubbewegung des Werkzeugs (20) eine durch die Ultraschallschwingungen bewirkte Oszillationsbewegung überlagert ist, so dass das Werkzeug (20) mit einer zum Einbringen der Öffnung in das Material des Werkstücks (W) hinreichend großen Vorschubkraft beaufschlagt ist, wobei die bewirkende Vorschubkraft derart gewählt ist, dass die Vorschubbewegung diese Vorschubkraft im wesentlichen gegenüber einer Bearbeitung ohne die Verwendung von Ultraschall nur geringfügig reduziert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Ultraschallschwingungen im Bereich von 15 μm–25 μm liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonotroden-Werkzeug (20) ein Bearbeitungselement (22) aufweist, dessen Kontur die Kontur der im Werkstück (W) herzustellenden Öffnung festlegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungselement (22) als eine messerartige ausgebildete Schneid- oder Stanzkante (22') ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonotroden-Werkzeug (20) ein Prägeelement (25) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägeelement (25) in einem Übergangsbereich (23) zwischen dem Bearbeitungselement (22) und einem Werkzeugkörper (24) des Sonotroden-Werkzeugs (20) angeordnet ist.
Werkstück, insbesondere Stoßfänger, dadurch gekennzeichnet, dass in das Werkstück (W) eine Öffnung nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–5 eingebracht ist.