DE102004020409B4

DE102004020409B4 - Verfahren zum Herstellen einer Scherzugbolzen-Verbindung

Info

Publication number: DE102004020409B4
Application number: DE200410020409
Authority: DE
Inventors: Harri Koller
Original assignee: Faurecia Automotive GmbH
Current assignee: Gebr Titgemeyer & Co Kg De GmbH; Faurecia Autositze GmbH
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2024-04-24
Also published as: DE102004020409A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Scherzugbolzen-Verbindung mindestens zweier Bauteile (1, 2), mit mindestens folgenden Schritten: Einsetzen eines Scherzugbolzens (4) durch die Bauteile (1, 2) und Aufsetzen eines Ringes (11), wobei der Scherzugbolzen (4) einen Kopf (5) und einen Schaft (6) mit einem Befestigungsbereich (7), einem Dorn (8) und eine Sollbruchstelle (9) zwischen dem Befestigungsbereich (7) und dem Dorn (8) aufweist, Bereitstellen einer Pistole (12), die eine Klemmbacke (15) zum Ergreifen des Domes (8) und ein Mundstück (14) zum Verpressen des Ringes (11) aufweist, wobei die Klemmbacke (15) in dem Mundstück (14) in axialer Richtung verstellbar ist, Aufsetzen der Pistole (12) auf den Schaft (6) des Scherzugbolzens (4) und Ergreifen des Dorns (8) mit der Klemmbacke (15), und Setzen des Scherzugbolzens (4) in mindestens folgenden Teilschritten unter Messung einer Kraft und eines Verstellweges zwischen dem Mundstück (14) und der Klemmbacke (15) und Ausgabe eines Kraftsignals (F) und eines...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Scherzugbolzen-Verbindung.
Scherzugbolzen dienen der Verbindung zweier Bauteile, z. B. aufeinander liegender Bleche. Der Benutzer setzt den Scherzugbolzen durch fluchtende Löcher der Bauteile, legt einen Ring von der anderen Seite her über den Schaft des Bolzens, setzt eine Pistole auf den Schaft des Bolzens und betätigt sie. Der Ring wird in Rillungen des Schaftes des Scherzugbolzens unter Ausbildung eines Formschlusses verpresst, wobei das Ende des Verpressvorganges für den Benutzer durch den Abriss des axial äußeren Dornes des Schaftes ersichtlich ist.
Problematisch beim Setzen von Scherzugbolzen ist die sichere und schnelle Feststellung, ob eine ordnungsgemäße Verbindung hergestellt wurde. Hierbei können unterschiedliche Fehler auftreten; zum einen kann der Benutzer den zu verpressenden Ring falsch herum aufsetzen, so dass er nachfolgend nicht ordnungsgemäß in den Rillungen verpresst wird. Weiterhin kann der Benutzer die Setzpistole unter einem unzulässig hohen Winkel gegenüber der Achse des Bolzens aufsetzen, so dass aufgrund der Schrägstellung keine ordnungsgemäße Verpressung erreicht wird.
Eine standardisierte Erkennung, ob ein ordnungsgemäßer Setzvorgang erreicht worden ist oder nicht, ist bisher nicht möglich. Insbesondere beim Setzen vieler Verbindungen während der Montage eines Bauteiles kann es daher zu unzulässigen Fehlern auch in sicherheitsrelevanten Bereichen kommen.
Die DE 203 14 362 U1 zeigt ein Nietverarbeitungsgerät mit einem Drucksenosr und einem Wegmesssensor zur Ermittlung von Messsignalen zur Beurteilung der Qualität der erzeugten Verbindung. Die DE 198 46 463 C2 und die DE 42 17 901 C2 zeigen Verfahren und Vorrichtungen zum Setzen von Nieten bzw. Blindnieten unter Messung der Kraft.
Die DE 197 31 22 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung einer Stanznietverbindung sowie eine Fügevorrichtung für Stanzniete. Durch einen Niederhalter und einen Stempel wird ein Niet gesetzt; anschließend stanzt der Niet ein Loch in die zu verbindenden Fügeteile. Nach erfolgter Stanzung drückt der Niederhalter gegen die Fügeteile und derartig gegen eine Matrize, dass das matrizenseitige Fügeteil aufgrund einer entsprechenden Ausgestaltung der Matrize in die Nut des Nietes hineinfließt. Hierbei ist ein Vergleich des Ist-Verlaufes der Kraft oder einer der Kraft entsprechenden Kenngröße in Abhängigkeit vom Weg mit einem Soll-Verlauf vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Scherzugbolzen-Verbindung zu schaffen, das eine sichere Befestigung und sichere Erkennung, ob ein ordnungsgemäßer Setzvorgang vorliegt, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen. Die erfindungsgemäß gesetzten Scherzugbolzen können hierbei z. B. auch Dornbruchniete oder andere Niete sein, bei denen durch radiale Verpressung eines Ringes oder einer Buchse in einen Befestigungsbereich ein Formschluss erreicht wird und nachfolgend ein Dorn des Nietes abgebrochen bzw. abgerissen wird.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, die zwischen dem Klemmbacken und dem Mundstück auftretende Kraft und den Verschiebeweg des Mundstückes zu ermitteln und die Messsignale in mehrere Teilschritte zu unterteilen, die für einen ordnungsgemäßen Setzvorgang charakteristische Eigenschaften erfüllen. Dem liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass insbesondere das ordnungsgemäße Verpressen des Ringes in den Rillungen des Schaftes sowie der ordnungsgmäße Abrissvorgang des Dornes durch charakteristische Messsignale standardisiert erkannt werden können.
Hierbei wird insbesondere das ordnungsgemäße Verpressen des Ringes in den Rillungen als entsprechende Erhöhung des gemessenen Kraftsignals in Abhängigkeit des fortschreitendem Wegsignals und der ordnungsgemäße Abrissvorgang als weitere deutliche Erhöhung des Kraftsignals in Abhängigkeit des Wegsignal erkannt, wobei der ordnungsgemäße Abrissvorgang sich durch eine deutliche Erhöhung der Signalkurve in einem Kraft-Weg-Diagramm ergibt.
In Abhängigkeit von dem Vergleich der Teilschritte miteinander oder mit vorgegebenen Vergleichswerten kann entschieden werden, ob ein Fehler vorliegt. Bei Erkennen einer fehlerhaften Verbindung kann ein entsprechendes Fehlersignal an den Benutzer ausgegeben werden, so dass er die erzeugte Verbindung lösen und eine neue Verbindung setzen kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einer Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
1a bis d die Prozessschritte des Setzens eines Scherzugbolzens;
2 ein Kraft-Weg-Diagramm verschiedener Messkurven.
Zwei Bauteile 1 und 2 werden mit fluchtenden Löchern 3 aufeinander gelegt. Ein Scherzugbolzen 4 mit einem Kopf 5 und einem Schaft 6, der einen an den Kopf 5 anschließenden Befestigungsbereich 7, einen als Abrissbereich dienenden Dorn 8 und eine zwischen dem Befestigungsbereich 7 und dem Dorn 8 ausgebildete Sollbruchstelle 9 aufweist, wird in 1 von unten durch die Löcher 3 gesetzt. Zumindest in dem Befestigungsbereich 7, vorteilhafterweise auch in dem Dorn 8, sind über den Umfang verlaufende Rillungen 10 ausgebildet. Ein Ring 11 wird von oben über den Schaft 6 gesetzt und liegt auf dem oberen Bauteil 1 auf, wobei er den Befestigungsbereich 7 umgibt.
Die Befestigung des Scherzugbolzens 4 erfolgt über eine von oben angesetzte, als Setzvorrichtung dienende Scherzugbolzen-Pistole 12 mit einem äußeren Mundstück 14 und einer inneren Klemmbacke 15, die in axialer Richtung relativ zueinander verschiebbar sind. Die Klemmbacke 15 dient hierbei zum Greifen des Dornes 8; das Mundstück 14 dient zu der Anlage auf dem oberen Bauteil 1, dem Verformen des Ringes 11 und zum Gegenhalten, wenn der Dorn 8 durch die Klemmbacke 15 abgerissen wird. Zwischen dem Mundstück 14 und der Klemmbacke 15 ist eine in 1 lediglich angedeutete Messvorrichtung 16 zum Messen einer Kraft bzw. eines Druckes zwischen der Klemmbacke 15 und dem Mundstück 14 und zur Ausgabe eines Kraftsignals F und weiterhin zur Messung eines axialen Verschiebeweges der Klemmbacke 15 in dem Mundstück 14 und Ausgabe eines Wegsignals S vorgesehen. Die Messvorrichtung 16 kann hierbei z. B. auch mehrteilig ausgebildet sein und die Kraft und den Weg mit unterschiedlichen Sensoren messen.
In 2 ist das Kraftsignal F gegenüber dem Wegsignal S für den nachfolgenden Prozess aufgetragen, wobei die Kurve K1 einen ordnungsgemäßen Setzvorgang beschreibt. Hierbei sind die Teilschritte b bis d des Setzvorganges der 1 eingetragen, wobei der Teilschritt b in weitere Teilschritte b1 und b2 unterteilt ist.
Gemäß 1a wird der Scherzugbolzen 4 von dem Benutzer mit der Scherzugbolzen-Pistole 12 ergriffen, indem die Klemmbacke 15 über den Dorn 8 gesetzt wird und das Mundstück 14 nach unten verfahren wird, bis in 1b die Klemmbacke 15 den Dorn 8 ergriffen hat und das Mundstück 14 auf dem Ring 11 zur Anlage gekommen ist, wobei das Mundstück 14 gegebenenfalls bereits begonnen hat, den Ring 11 zu verformen.
Nachfolgend wird das Mundstück 14 gegenüber der Klemmbacke 15 in axialer Richtung nach unten geschoben, wobei es den Ring 11 verformt. Hierbei presst ein konischer Mundbereich 13 des Mundstücks 14 den Ring 11 radial nach innen in die Rillungen 10 des Befestigungsbereiches 7, so dass der verpresste Ring 11 einen Formschluss mit dem Befestigungsbereich 7 des Schaftes 6 ausbildet. Bei diesem Pressvorgang wird zunächst ein breiterer oberer Bereich 18 des Ringes 11 und nachfolgend der dünnwandigere untere Bereich des Ringes 11 verformt. In dem Kraft-Weg-Diagramm der 2 ist somit bei dem ordnungsgemäßen Prozessverlauf gemäß der Kurve K1 zwischen dem Beginn der Ringverformung bei b1 – der dem in 1b gezeigten Ausgangszustand der 1b entspricht – zunächst bei zunehmendem Verstellweg S eine deutliche Erhöhung der Kraft F zu messen, bis bei b2 die Verformung des breiteren oberen Bereiches 18 beendet ist und von b2 bis c nachfolgend der untere Bereich des Ringes 11 verformt wird, was aufgrund des geringeren Widerstandes im Kraft-Weg-Diagramm der 2 zu einer geringeren Steigung der Kurve K1 führt.
In 1c ist diese Verformung bzw. Einschnürung des Rings 11 beendet, wobei das Mundstück 14 auf dem oberen Bauteil 1 zur Anlage gekommen ist. Nachfolgend wird bei der weiteren Verstellung der Klemmbacke 15 gegenüber dem bereits auf dem oberen Bauteil 1 aufliegenden Mundstück 14 die Sollbruchstelle 9 ausgedünnt und hierdurch der Dorn 8 von dem Befestigungsbereich 7 abgetrennt.
In 1d ist der Dorn 8 völlig abgetrennt, woraufhin er mit der gesamten Scherzugbolzen-Pistole 12 entfernt wird. Entsprechend wird gemäß der Kurve K1 von 2 zwischen c und d bei einer kleinen Wegdifferenz eine deutliche Krafterhöhung als Peak gemessen, der nach Abriss bzw. Bruch der Sollbruchstelle 9 schlagartig auf Null abfällt.
Es ergibt sich somit bei einem ordnungsgemäßen Setzvorgang eine Messkurve K1 mit charakteristischem Messprofil. Erfindungsgemäß können die Signale F und S an eine Steuereinrichtung 20 ausgegeben werden, die selbsttätig erkennt, ob ein ordnungsgemäßer oder fehlerhafter Setzvorgang vorliegt. Hierzu können z. B. die in das Kraft-Weg-Diagramm der 2 eingezeichneten Fenster W1 und W2 herangezogen werden, wobei die Steuereinrichtung 20 überprüft, ob und an welchem Rand die Messkurve jeweils in die Fenster W1 und W2 eintritt und austritt. Bei dem ordnungsgemäßen Prozessverlauf tritt die Kurve K1 zwischen b2 und c durch den linken Rand in das erste Fenster W1 ein und durch den rechten Rand aus dem ersten Fenster W1 aus, und von c ausgehend durch den linken Rand in das zweite Fensters W2 ein und durch den unteren Rand wieder aus.
Nicht ordnungsgemäß durchgeführte Setzvorgänge unterscheiden sich im jeweiligen Kurvenverlauf von K1 deutlich. Sie können beispielsweise auftreten, indem der Ring 11 verkehrt herum auf den Schaft 6 aufgesetzt wird und dementsprechend nachfolgend nicht richtig in die Rillungen 10 verpresst werden kann. In diesem Fall ergibt sich die gestrichelte Kurve K2 der 2, bei der eine deutlich geringere Krafterhöhung zwischen b1 und c auftritt und somit das erste Fenster W1 nicht durchschritten wird. An der mit x2 gekennzeichneten Stelle beginnt der Abriss des Dornes 8, wodurch wiederum eine deutliche Krafterhöhung gemessen wird und das zweite Fenster W2 wie bei der Kurve K1 durchschritten wird. Die Stelle x2 kann sich hierbei im Allgemeinen von der beim ordnungsgemäßen Verlauf der Kurve K1 auftretenden Stelle c unterscheiden. Für den Benutzer der Scherzugbolzen-Pistole 12 wird zunächst aus dem gesetzten Scherzugbolzen 4 optisch kein Unterschied erkennbar sein, da der Schaft 6 abgebrochen und eine Verformung des Ringes 11 aufgetreten ist. Die Messkurve der 2 zeigt jedoch einen deutlichen Unterschied, den die Steuereinrichtung mittels der Fenstertechnik erkennen kann.
Die unterste Kurve K3 zeigt den Fall, dass kein Ring 11 über den Schaft 6 gelegt wird. Der Benutzer wird dies nach Aufsetzen der Pistole nicht mehr direkt erkennen können; es findet von 1b, d. h. b1 in 2, ausgehend bei Zunahme des Weges s zunächst kein Verpressvorgang statt, so dass auch keine Krafterhöhung gemessen wird, bis bei einer Stelle x3 der Abriss des Domes 8 beginnt. Auch hier stellt die Steuereinrichtung 20 fest, dass das erste Fenster W1 nicht durchschritten wird. Zur Differenzierung der Kurven K2 und K3 kann gegebenenfalls noch ein weiteres Fenster gesetzt werden.
Auch ein Werkzeugbruch, insbesondere ein Bruch des Mundstückes 14, kann einen ordnungsgemäßen Setzvorgang verhindern. Wenn hierbei keine oder lediglich eine geringfügige Verformung des Ringes 11 auftritt, wird wiederum das erste Fenster W1 gar nicht durchschritten oder es werden nicht beide seitlichen Ränder durchschritten.
Falls ein Materialfehler an dem Ring 11 vorliegt und hierdurch sein Festigkeitswert zu hoch oder zu niedrig liegt, verläuft die Messkurve zwischen b1 und c entsprechend anders; bei deutlichen Abweichungen von den vorgegebenen Normwerten, die zu fehlerhaften Setzvorgängen führen können, wird entsprechend das erste Fenster W1 nicht ordnungsgemäß durchschritten. Falls ein Materialfehler an dem Dorn 8 vorliegt, führt dies zu einer Abweichung der Messkurve zwischen c und d, die gegebenenfalls durch das zweite Fenster W2 festgestellt werden kann.
Weiterhin kann ein fehlerhafter Setzvorgang auftreten, indem die Scherzugbolzen-Pistole 12 von dem Benutzer unter einem schrägen Winkel aufgesetzt wird, so dass keine ordnungsgemäße Verpressung des Ringes 11 auftritt. Zwar kann bei einer derartigen Messkurve ein gewisser Anstieg des Kraftsignals F zwischen b1 und c auftreten, es wird bei einem zu hohen Winkel jedoch das erste Fenster W1 nicht ordnungsgemäß durchschritten; weiterhin tritt ein vorzeitiger Anstieg des Messsignals durch den beginnenden Abriss des Dorns 8 bei einem kleineren Weg S auf.
Alternativ oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Fenstertechnik kann die Steuereinrichtung 20 die Differenz der Kraftsignale F zwischen dem Teilschritt c und dem Teilschritt b berechnen. Falls diese Differenz einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet, wird ein Fehlersignal einer fehlerhaften Ringbefestigung ausgegeben.
Weiterhin kann die Steuereinrichtung 20 eine Differenz des Kraftsignals F zwischen Teilschritt d und Teilschritt c mit einem vorgegebenen Vergleichswert vergleichen und in dem Fall, dass die Kraftdifferenz den vorgegebenen Vergleichswert unterschreitet, ein Fehlersignal zur Anzeige eines fehlenden Dornbruches ausgeben.
Weiterhin können mittlere Steigungen des Kraftsignals F in Abhängigkeit des Wegsignals S zwischen den Teilschritten b1 und b2, zwischen den Teilschritten b2 und c, und zwischen den Teilschritten c und d ermittelt und miteinander und/oder mit vorgegebenen Vergleichswerten verglichen werden. Aus diesem Vergleich kann ermittelt werden, ab ein ordnungsgemäßer oder fehlerhafter Setzvorgang vorliegt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Scherzugbolzen-Verbindung mindestens zweier Bauteile (1, 2), mit mindestens folgenden Schritten: Einsetzen eines Scherzugbolzens (4) durch die Bauteile (1, 2) und Aufsetzen eines Ringes (11), wobei der Scherzugbolzen (4) einen Kopf (5) und einen Schaft (6) mit einem Befestigungsbereich (7), einem Dorn (8) und eine Sollbruchstelle (9) zwischen dem Befestigungsbereich (7) und dem Dorn (8) aufweist, Bereitstellen einer Pistole (12), die eine Klemmbacke (15) zum Ergreifen des Domes (8) und ein Mundstück (14) zum Verpressen des Ringes (11) aufweist, wobei die Klemmbacke (15) in dem Mundstück (14) in axialer Richtung verstellbar ist, Aufsetzen der Pistole (12) auf den Schaft (6) des Scherzugbolzens (4) und Ergreifen des Dorns (8) mit der Klemmbacke (15), und Setzen des Scherzugbolzens (4) in mindestens folgenden Teilschritten unter Messung einer Kraft und eines Verstellweges zwischen dem Mundstück (14) und der Klemmbacke (15) und Ausgabe eines Kraftsignals (F) und eines Wegsignals (5): – radiales Verpressen des Ringes (11) in dem Befestigungsbereich (7) (Teilschritt b), und – nachfolgend Abreißen des Dornes (8) von dem Befestigungsbereich (7) (Teilschritt c) bis zu – einem Bruch der Sollbruchstelle (9) (Teilschritt d) dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftsignal (F) und das Wegsignal (S) der Teilschritte (b, c, d) mit vorgegebenen Vergleichswerten eines ordnungsgemäßen Setzprozesses verglichen werden und beurteilt wird, ob ein ordnungsgemäßer Setzprozess vorliegt, wobei der Teilschritt (b) des Verpressens des Ringes (11) in mindestens zwei weitere Teilschritte (b1, b2) unterteilt wird, und in den weiteren Teilschritten (b1, b2) aufeinanderfolgend ein oberer Bereich (18) und ein unterer Bereich (11) verpresst werden, wobei das Verpressen des oberen Bereichs (18) und des unteren Bereichs des Rings (11) zu einer unterschiedlichen Charakteristik im Kraft-Weg-Diagramm führt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ermittelte Kraftsignal (F) und das Wegsignal (S) in einem Kraft-Weg-Diagramm aufgenommen und mit einer vorgegebenen Kurve (K1) eines ordnungsgemäßen Setzprozesses verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kraft-Weg-Diagramm mindestens ein Fenster (W1) gesetzt wird und ermittelt wird, ob die ermittelte Messkurve (K1, K2, K3) durch das Fenster (W1, W2) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelt wird, ob die Ein- und Ausgänge der Messkurve (K1, K2, K3) an vorgegebenen Rändern des mindestens einen Fensters (W1, W2) liegen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Fenster (W1) in dem Teilschritt b) der Verpressung des Ringes (11) liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, dass das erste Fenster (W1) von der Messkurve (K2, K3) nicht oder nicht an den ordnungsgemäßen Rändern durchlaufen wird, auf eine fehlende oder fehlerhafte Verpressung des Ringes (11) oder einen Materialfehler in dem Ring (11) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Fenster (W2) gesetzt wird, das den Teilschritt c) des Abrisses des Dornes (8) bis zu dem Teilschritt d) des Bruches des Dornes (8) erfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, dass das zweite Fenster (W2) von der Messkurve nicht oder nicht an den ordnungsgemäßen Rändern durchlaufen wird, auf einen fehlenden oder fehlerhaften Abriss des Domes (8) oder einen Materialfehler des Dornes (8) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, dass die Differenz des Kraftsignals (F) vor dem Teilschritt c) zu dem Kraftsignal (F) vor dem Teilschritt b) einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet, ein Fehlersignal zur Anzeige einer fehlerhaften Ringbefestigung ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz des Kraftsignals (F) unmittelbar nach dem Teilschritt d) zu dem Kraftsignal (F) vor dem Teilschritt c) mit einem vorgegebenen Vergleichswert verglichen wird und in dem Fall, dass die Kraftdifferenz den vorgegebenen Vergleichswert unterschreitet, ein Fehlersignal zur Anzeige eines fehlenden Bruches des Dornes (8) ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittlere Steigungen des Kraftsignals (F) in Abhängigkeit vom Wegsignal (S) zwischen den Teilschritten b) und c), und zwischen den Teilschritten c) und d) ermittelt und miteinander und/oder mit vorgegebenen Vergleichswerten verglichen werden, und aus dem Vergleich ermittelt wird, ob ein ordnungsgemäßer oder fehlerhafter Setzprozess vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, dass die mittlere Steigung des Kraftsignals (F) in Abhängigkeit vom Wegsignal (S) zwischen Teilschritt c) und Teilschritt d) nicht größer als zwischen Teilschritt b) und Teilschritt c) ist, ein Fehlersignal zur Anzeige eines fehlenden Dornbruches ausgegeben wird.