DE102006013651A1 - Werkzeugeinheit und Verfahren zum axialen Verschieben eines Werkzeugkopfes - Google Patents

Werkzeugeinheit und Verfahren zum axialen Verschieben eines Werkzeugkopfes Download PDF

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Abstract

Um eine kompakte Bauform einer Werkzeugeinheit (2), insbesondere einer Setzeinheit zum Setzen eines Fügeelements zu erzielen, ist ein hydraulischer Kraftzylinder (4) mit einer darin axial geführten Hohlkolbenstange (14) vorgesehen, die zwei ineinander geführte Kolbenstangen (16, 18) umfasst, die jeweils mit einem Kolben (22, 24) verbunden sind. In einem der Kolben (24) ist ein Druckbegrenzungsventil (34) angeordnet, das bei Übersteigen eines Zustelldrucks in einem Druckraum (28) zwischen den beiden Stangen (16, 18) öffnet und somit eine Kopplung zwischen den beiden Kolben (22, 24) aufhebt, um von einer Zustellbewegung auf eine Arbeitsbewegung umzuschalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Werkzeugeinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum axialen Verschieben eines Werkzeugkopfes mit einer solchen Werkzeugeinheit.
  • Aus der EP 0 893 178 A2 ist ein Stanz-Präge-Werkzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 zu entnehmen. Bei dem Stanz-Präge-Werkzeug ist ein Hydraulikzylinder vorgesehen, in dem ein Stempel zur Ausübung der Zustellbewegung und auch der Stanzbewegung axial geführt ist. Der Antrieb erfolgt hierbei hydraulisch gesteuert, wobei hierzu der Hydraulikzylinder über verschiedene Hydraulikanschlüsse mit mehreren Druckaggregaten verbunden ist, die zur Erzeugung eines geeigneten Drucks im Hydraulikzylinder aufwändig angesteuert werden.
  • Ein weiteres Werkzeug zur Herstellung einer Stanznietverbindung ist aus der DE 197 52 367 A1 zu entnehmen. Auch hier wird der Stanzstempel in einem Hydraulikzylinder geführt und mit Hilfe eines Hydraulikdrucks angetrieben und der Hydraulikzylinder steht mit einer externen Druck- und Steuereinheit in Verbindung.
  • Allgemein werden bei der automatisierten Bearbeitung von Werkstücken beispielsweise beim Lochstanzen von Blechen oder beim Zusammenfügen zweier oder mehrerer Bleche mit Hilfe von Füge- oder Verbindungselementen wie Schrauben, Nieten, Einpressbolzen und Einpressmuttern, Werkzeugeinheiten eingesetzt. Eine derartige Werkzeugeinheit ist beispielsweise eine Setzeinheit zum Setzen von Fügeelementen. Der Werkzeugkopf ist hierbei beispielsweise ein Setzkopf einer solchen Setzeinheit. Ist die Werkzeugeinheit eine Locheinheit zur Erzeugung von Stanzlöchern, so ist der Werkzeugkopf insbesondere ein Stanzkopf mit einem Stanzbolzen.
  • Zur Bearbeitung des Werkstücks ist es erforderlich, den Werkzeugkopf zunächst zum Werkstück zuzustellen und anschließend die eigentliche Arbeitsbewegung, also den Setz- und Stanzvorgang, auszuführen. Da bei der Arbeitsbewegung erhebliche Kräfte auftreten und zum anderen eine möglichst genaue Positionierung erforderlich ist, müssen die Werkzeugeinheiten äußerst stabil aufgebaut sein und erfordern in der Regel einen vergleichsweise hohen Platzbedarf.
  • Insbesondere im Bereich der Automobiltechnik beim Zusammenfügen von einzelnen Blechteilen für die Karosserie ist aufgrund der beengten Arbeitsräume eine möglichst kompakte Bauweise derartiger Werkzeugeinheiten für die automatisierte Produktion erforderlich. Gleichzeitig bestehen gerade in der Automobilindustrie höchste Qualitätsanforderungen im Hinblick auf die Genauigkeit, der Wiederholbarkeit. Weiterhin soll aus Kostengesichtspunkten eine möglichst hohe Taktrate erzielbar sein, d.h. die Zeit zwischen zwei Setz- oder Stanzoperationen soll möglichst gering sein.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine diesen Anforderungen genügende Werkzeugeinheit mit kompaktem Aufbau sowie ein diesbezügliches Arbeitsverfahren anzugeben.
  • Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Werkzeugeinheit mit einem Werkzeugkopf gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Werkzeugeinheit ist hierbei zur Ausübung sowohl einer axialen Zustellbewegung als auch einer weitergehenden axialen Arbeitsbewegung des Werkzeugkopfes ausgebildet, beispielsweise zur Durchführung einer Lochoperation oder einer Setzoperation. Die Werkzeugeinheit weist einen Kraftzylinder mit einer darin axial geführten Hohlkolbenstange auf, an deren vorderem Ende der Werkzeugkopf vorgesehen ist. Die Hohlkolbenstange selbst weist zwei ineinander geführte und als Zustellstange und Arbeitsstange bezeichnete Kolbenstangen auf. Unter Hohlkolbenstange wird hier bei eine äußere Rohrstange mit darin konzentrisch und möglichst spielfrei angeordneter Innenstange, die auch als ein Innenrohr ausgebildet sein kann, verstanden. Bevorzugt bildet hierbei die Außenrohrstange die Zustellstange und die Innenstange die Arbeitsstange. Zur Ausübung der Zustellbewegung sind die beiden Stangen miteinander gekoppelt, so dass sie gemeinsam zwangsgeführt werden. Es wird lediglich auf die Arbeitsstangen eine externe Zustellkraft ausgeübt.
  • Es ist eine Mitnahmeeinrichtung vorgesehen ist, die während der Zustellbewegung die Zustellstange mitnimmt und am Ende der Zustellbewegung werden die beiden Stangen automatisch voneinander entkoppelt und es wird lediglich die Arbeitsstange weiter verfahren. Die Entkopplung erfolgt vorzugsweise kraftgesteuert, so dass als Indiz für das Ende der Zustellbewegung das Überschreiten einer vorgegebenen Zustellkraft herangezogen wird. Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, eine Wegsteuerung vorzusehen, d.h. nach Durchlaufen einer vorbestimmten Weglänge für die Zustellbewegung werden die beiden Stangen zwangsweise wieder voneinander entkoppelt.
  • Diese Kopplung erfolgt hydraulisch gesteuert, wobei hierzu die beiden Stangen jeweils mit einem im Kraftzylinder axial verschieblichen Kolben verbunden sind. Die Kolben sind hierbei bevorzugt Teile der jeweiligen Stangen. Zwischen den beiden Kolben ist ein im Betrieb mit einer Hydraulikflüssigkeit angefüllter Druckraum gebildet. Um die Kopplung zwischen den beiden Stangen freizugeben, ist in einem der Kolben ein Druckbegrenzungsventil angeordnet, welches bei Überschreiten eines insbesondere einstellbaren Zustelldrucks im Druckraum öffnet, so dass der erste Kolben gegen den zweiten Kolben verfährt. Durch diese Maßnahme ist daher die Zustellstange von der externen, auf die Arbeitsstange wirkenden Kraft entkoppelt und die Arbeitsstange verfährt relativ zur Zustellstange, um die Arbeitsbewegung auszuführen. Nach Öffnen des Druckbegrenzungsventils wird die Hydraulikflüssigkeit aus dem Druckraum durch die extern einwirkende Kraft herausgepresst.
  • Durch die Integration des Druckbegrenzungsventils in den Kolben selbst ist eine sehr kompakte Bauform erreicht und es sind keine externen Steuereinheiten erforderlich, um ein Umschalten von der Zustellbewegung auf die Arbeitsbewegung zu steuern. Der hydraulische Kraftzylinder ist vielmehr eine in sich abgeschlossene vollständig funktionsfähige Baueinheit, die keine weiteren externen Funktionseinheiten benötigt. Es ist lediglich eine externe Kraftquelle erforderlich, die auf die Arbeitsstange die in Axialrichtung wirkende Kraft ausübt. Die kompakte Bauform wird insbesondere auch durch die teleskopartig ausgebildete Hohlkolbenstange erreicht, die selbst wiederum im Kraftzylinder geführt ist. Ein weiterer besonderer Vorteil dieser teleskopartigen Führung im Kraftzylinder ist darin zu sehen, dass eine genaue und stabile Führung der die Arbeitsbewegung ausrichtenden Arbeitsstange erzielt ist. Die Führung ist hierbei derart, dass sie insbesondere auch bei der Arbeitsbewegung auftretende radial wirkende Kräfte aufnimmt.
  • Für die nach der Zustellbewegung nachfolgende Arbeitsbewegung ist es wiederum prinzipiell eine Weg- oder Kraftsteuerung möglich. Bei einer Kraftsteuerung wird nach Überschreiten einer definierten Setzkraft der Setzvorgang beendet, um eine qualitativ hochwertige Verbindung des Befestigungs- oder Verbindungselements mit dem Blech zu erzielen. Bei einer Wegsteuerung ist zweckdienlicherweise ein mechanischer Anschlag vorgesehen, welcher die Länge des Arbeitswegs nach der Zustellbewegung begrenzt. Dieser mechanische Anschlag ist hierbei vorzugsweise der zweite Kolben, gegen den der erste Kolben verfährt. In diesem Fall entspricht der Abstand zwischen den beiden Kolben, also die Höhe des Druckraums, dem Arbeitsweg.
  • Um nach erfolgter Setz- oder Lochoperation den Kraftzylinder wieder in die Ausgangslage zurück zu fahren, wird die Arbeitsstange wieder entgegen der Zustellrichtung zurückgefahren. Um den Druckraum für die nachfolgende Operation wieder mit der Hydraulikflüssigkeit zu befüllen ist gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung in einem der Kolben ein insbesondere als Rückschlagventil ausgebildetes Einströmventil angeordnet, das ein Einströmen in den Druckraum erlaubt, jedoch ein Ausströmen aus dem Druckraum verhindert.
  • Durch die Integration auch des Rückschlagventils in einen der Kolben wird zum einen die kompakte Bauform unterstützt. Zum anderen erfolgt auch die Rückholbewegung vollautomatisch ohne die Notwendigkeit von externen Steuerungsmitteln. Über die vorzugsweise in einem Kolben gemeinsam angeordnete Ventile wird in besonders einfacher Weise ohne aufwändige Steuermaßnahmen automatisch das gemeinsame Zustellen der beiden Stangen, das automatische Freigeben der Kopplung zur Ausübung der Arbeitsbewegung sowie anschließend nach erfolgter Setzoperation wieder das automatische Befüllen des Druckraums für die nachfolgende Setzoperation erreicht.
  • Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist die Arbeitsstange im Kraftzylinder derart geführt, dass bei der Arbeitsbewegung auftretende Radialkräfte ohne äußere Führungen aufgenommen werden. Die Werkzeugeinheit ist daher frei von externen, außerhalb des Kraftzylinders angeordneten Führungsstangen. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr kompakte Bauform und damit den Einsatz der Werkzeugeinheit in beengten Einbauräumen. Um eine sichere und zuverlässige Aufnahme der bei der Arbeitsbewegung auftretenden Radialkräfte zu gewährleisten, ist die Arbeitsstange – während der Ausführung der Arbeitsbewegung – bevorzugt über ihre gesamte Länge geführt. Hierzu ist sie in ihrem rückseitigen Bereich durch die Kolben und ansonsten in der Zustellstange geführt.
  • Zweckdienlicherweise ist weiterhin ein Führungselement vorgesehen, durch das die Hohlkolbenstange aus dem Kraftzylinder austretend geführt ist. Das Führungselement verschließt daher den Kraftzylinder an seinem vorderen stirnseitigen Ende. Um hier eine gute Führung zu erzielen, weist dieses Führungselement eine sich in Axialrichtung erstreckende ausreichende Länge auf.
  • Um das Ende der Zustellbewegung sicher definieren zu können, ist gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ein Zustellanschlag vorgesehen, der die Zustellbewegung der Zustellstange begrenzt. Die Zustellstange verfährt daher zumindest mittelbar gegen diesen mechanischen Anschlag. Sowohl bei einer Weg- als auch bei einer Kraftsteuerung wird dies als sicheres Indiz für das Ende der Zustellbewegung ausgewertet. Durch den mechanischen Anschlag steigt nämlich die von der Mitnahmeeinrichtung auszuübende Mitnahmekraft schlagartig an, so dass auch bei einer kraftbedingten Steuerung eine sichere Entkopplung an einer definierten Position erzielt ist. Die Verwendung eines mechanischen Anschlags zur Bestimmung des Ende der Zustellbewegung wird insbesondere dann eingesetzt, wenn die Länge des Zustellwegs genau vorherbestimmt ist. Wird demgegenüber beispielsweise der als Setzkopf ausgebildete Werkzeugkopf gegen eine feststehende Matrize verfahren und müssen Werkstücke unterschiedlicher Blechstärken miteinander verbunden werden, so bietet sich für die Begrenzung der Zustellbewegung eine Kraftsteuerung an. In diesem Fall wird die auszuübende Zustellkraft beispielsweise derart eingestellt, dass die zu verbindenden Werkstücke mit einer vorbestimmten Anpresskraft gegeneinander gepresst werden, bevor das Verbindungs- oder Fügeelement durch die nachfolgende Setzoperation gesetzt wird.
  • Um auch die Zuführstange in die ursprüngliche Ausgangslage zurückzuführen, ist weiterhin vorzugsweise ein Rückholmitnehmer vorgesehen, welcher die Zustellstange bei der Rückholbewegung zwangsweise mit der Arbeitsstange koppelt. Dieser Rückholmitnehmer ist insbesondere ein mechanischer Mitnehmer und bevorzugt gebildet durch zwei gegeneinander verfahrbar Anschläge an den beiden Stangen.
  • Zweckdienlicherweise ist dieser Rückholmitnehmer derart ausgebildet, dass er erst nach Durchlaufen eines Hubwegs greift. D.h. ausgehend von der vorderen Arbeitsposition wird zunächst der Hubweg zurückgelegt, bevor die Zustellstange mitgenommen wird. Die maximale Länge dieses Hubwegs entspricht hierbei der Höhe des Druckraums im Ausgangszustand.
  • Die externe, auf die Arbeitsstange einwirkende Kraft wird bevorzugt hydraulisch erzeugt. Hierzu ist oberhalb des ersten, oberen Kolbens, welcher mit der Arbeitsstange verbunden ist, ein weiterer Druckraum mit einem Anschluss für eine Hydraulikleitung vorgesehen. Über den Anschluss wird der erforderliche Hydraulik druck und die erforderliche Hydraulikflüssigkeit beispielsweise mit Hilfe eines ortsnah angeordneten Hydraulikaggregats bereitgestellt. Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, als externe Kraftquelle auch einen pneumatischen Antrieb oder einen elektrischen Stellantrieb vorzusehen. Im Sinne eines kompakten Aufbaus mit möglichst wenigen aktiven Komponenten wird bevorzugt der hydraulische Antrieb eingesetzt.
  • Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist der Werkzeugkopf mit einem Setzkopf und einem in diesem verschieblich angeordneten Druckelement ausgebildet. Mit einem derartigen Werkzeugkopf werden insbesondere Füge- oder Befestigungselemente in Werkstücke eingesetzt. Vorzugweise ist hierbei der Setzkopf an der Zustellstange und das Druckelement an der inneren Arbeitsstange angeordnet. Durch diese Ausgestaltung ist daher auch der Setzkopf platzsparend Bestandteil der Hohlkolbenstange, wird daher mit dieser verfahren.
  • Bevorzugt ist innerhalb des Setzkopfes bei zurückgezogenem Druckelement ein Aufnahmeraum für ein Fügeelement gebildet. Das Fügeelement wird insbesondere in der rückgezogenen Position des Hohlkolbenstange dem Setzkopf vor der Zustellbewegung zugeführt und anschließend gemeinsam mit der Hohlkolbenstange zum Werkstück zugestellt und in das Werkstück eingefügt Im Kraftzylinder mit dem vorderseitig angeordneten Werkzeugkopf sind daher in äußerst kompakter Bauweise die drei Funktionen Bevorraten – Zustellen – Setzen integriert. Damit eignet sich der Kraftzylinder besonders für den Einsatz in beengten Arbeitsräumen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum axialen Verschieben eines Werkzeugkopfs mit einer derartigen Werkzeugeinheit gemäß Anspruch 12.
  • Die im Hinblick auf die Werkzeugeinheit angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Die 1 bis 3 der Zeichnung zeigen in einer schematischen Querschnittsdarstellung eine Werkzeugeinheit in drei unterschiedlichen Betriebspositionen.
  • Gemäß 1 ist die Werkzeugeinheit in der Grund- oder Ausgangsstellung, in 2 in der zugestellten Position und in 3 in einer Position nach Beendigung des Arbeitsvorgangs (Setzvorgang) dargestellt.
  • Die Werkzeugeinheit 2 umfasst einen hydraulischen Kraftzylinder 4, der sich in Axialrichtung 6 erstreckt und einen inneren Hohlraum dicht umschließt. Der Kraftzylinder 4 ist rotationssymmetrisch mit kreisrunder Querschnittsfläche ausgebildet. Am rückwärtigen Ende ist ein Deckel 8 mit einem Anschluss 10 für eine hier nicht näher dargestellte Hydraulikleitung vorgesehen. An seinem vorderen Ende ist der Kraftzylinder 4 durch ein nach Art eines Stopfens ausgebildetes Führungselement 12 abgedichtet. Durch das Führungselement 12 ist eine Hohlkolbenstange 14 geführt. Die Hohlkolbenstange 14 umfasst eine innere, als Arbeitsstange 16 bezeichnete Kolbenstange sowie eine diese konzentrisch und weitgehend spielfrei umgebende äußere und als Zustellstange 18 bezeichnete weitere Kolbenstange. Die Zustellstange 18 ist hierbei als ein Rohr ausgebildet, in dem die Arbeitsstange 16, die ebenfalls rohrförmig sein kann, gleitend geführt ist. Insgesamt ist die Hohlkolbenstange 14 im Führungselement 12 ebenfalls gleitend geführt. Um hier eine sichere und stabile Führung zu gewährleisten, erstreckt sich das Führungselement in Axialrichtung 6 über eine ausreichende Länge der Hohlkolbenstange 14, beispielsweise über etwa 20 bis 40 % der Länge der Hohlkolbenstange 14.
  • Die Hohlkolbenstange 14 ist mit Hilfe von Gleitdichtungen 20 zum Führungselement 12 abgedichtet.
  • Die Hohlkolbenstange 14 ragt in den vom Kraftzylinder 4 gebildeten Hohlraum rückwärtig hinein. Die Arbeitsstange 16 erstreckt sich hierbei weiter in den Hohlraum hinein als die Zustellstange 18. Rückwärtig ist an der Arbeitsstange 16 ein erster, oberer Kolben 22 über eine Schraubverbindung befestigt. Das rückwärtige Ende der Zustellstange 18 ist mit einem zweiten, unteren Kolben 24 verbunden. Die beiden Kolben 22, 24 sind mit den Stangen 16, 18 jeweils mechanisch fest verbunden und innerhalb des Kraftzylinders 4 gleitend geführt. Zu der zylindrischen Innenwandung des Kraftzylinders 4 sind die Kolben 22, 24 mit Gleitdichtungen 20 abgedichtet, so dass die Kolben 22, 24 jeweils Druckräume 26, 28, 30 begrenzen, in denen sich im Betrieb eine Hydraulikflüssigkeit befindet. Die einzelnen Druckräume 2630 sind hierbei ein oberer Druckraum 26, der zwischen der Oberseite des oberen Kolbens 22 und dem Deckel 8 begrenzt ist. Weiterhin ist ein mittlerer Druckraum 28 zwischen der Unterseite des ersten Kolbens 22 und der Oberseite des zweiten Kolbens 24 gebildet. Schließlich ist zwischen der Unterseite des zweiten Kolbens 24 und der Oberseite des Führungselements 12 ein unterer Druckraum 30 gebildet. Der mittlere und untere Druckraum 28, 30 sind hierbei als Ringräume ausgebildet, in denen zentral die Arbeitsstange 16 bzw. die Zustellstange 18 geführt ist.
  • Innerhalb des zweiten Kolbens 24 ist sowohl ein Druckbegrenzungsventü 34 als auch ein Rückschlagventil 36 angeordnet. Das Druckbegrenzungsventil 34 verbindet den mittleren Druckraum 28 mit dem unteren Druckraum 30 bzw. mit einem hier nicht dargestellten Strömungsweg im Führungselement 12, beispielsweise ein Kanal, welcher nach außen zu einem Speicher führt. Sobald die Hydraulikflüssigkeit im mittleren Druckraum 28 einen über das Druckbegrenzungsventil 34 einstellbaren Druckwert übersteigt, fließt die Hydraulikflüssigkeit 32 über das Druckbegrenzungsventil 34 aus dem mittleren Druckraum 28 aus.
  • Auch das Rückschlagventil 36 verbindet die beiden Druckräume 28, 30 miteinander. Das Rückschlagventil 36 erlaubt lediglich das Einströmen der Hydraulikflüssigkeit in den mittleren Druckraum 28. Auch das Rückschlagventil 36 ist vorzugsweise mit einem in das Führungselement 12 an dessen Oberseite eingearbeiteten Strömungsweg verbunden (vgl. die in 2 dargestellte Position des zweiten Kolbens 24).
  • Am vorderen, äußeren Ende der Hohlkolbenstange 14 ist schließlich ein Werkzeugkopf 38 befestigt, der einen Setzkopf 40 sowie ein Druckelement 42 umfasst. Das Druckelement 42 ist im Ausführungsbeispiel mittels einer Schraubverbindung am vorderen Ende der Arbeitsstange 16 befestigt. Der Setzkopf 40, in dem das Druckelement 42 weitgehend spielfrei axial verschieblich geführt ist, ist an der äußeren Zustellstange 18 befestigt.
  • In der in den 1 und 2 dargestellten Situation, in der sich das Druckelement 42 in der rückgezogenen Stellung befindet, ist im Setzkopf 40 ein Aufnahmeraum 43 für ein Fügelement 44, im Ausführungsbeispiel eine Einpressmutter, gebildet. Das Fügelement wir bevorzugt in der in 1 dargestellten Grundstellung mit Hilfe einer Zuführeinrichtung dem Setzkopf 40 zugeführt.
  • Das Druckelement 42 weist einen etwas größeren Durchmesser als die Arbeitsstange 16 auf und bildet hierdurch einen Anschlag 46. Gleichzeitig weist die Zustellstange 18 an ihrem Vorderende eine topfförmige Aufnahme auf, in die zum einen der Setzkopf 40 eingesetzt ist. Zum anderen bildet die ringartige Basisfläche dieser topfförmigen Aufnahme einen Gegenanschlag 48 für den Anschlag 46.
  • Die Funktion der Werkzeugeinheit 2 im Betrieb ist wie folgt: In der in 1 dargestellten Grundstellung ist der obere Kolben 22 in seiner rückbezogenen Position und liegt am Deckel 8 an. In dieser Grundstellung ist daher der obere Druckraum 26 auf die Trennfläche zwischen der oberen Kolbenfläche des ersten Kolbens 22 und der unteren Fläche des Deckels 8 reduziert.
  • In der Grundstellung sind die beiden Kolben 22, 24 um eine Höhe h voneinander beabstandet. Diese Höhe h ist zugleich die Höhe des mittleren Druckraums 28 im Normalzustand und entspricht einem Hub- oder Setzweg, den das Druckelement 42 bei einem Setzvorgang zurücklegt.
  • Für eine Arbeitsoperation wird zunächst der Setzkopf 40 an die Werkstückoberfläche zugestellt. Im Anschluss an diese Zustellbewegung wird das in der Aufnah me 43 befindliche Fügeelement 44 mit dem Werkstück verbunden. Üblicherweise wird hierbei das Fügeelement durch ein Loch im Werkstück hindurchgeführt und gegen eine gegenüberliegende Matrize gepresst und dabei verformt.
  • Der gesamte Arbeitsvorgang oder Arbeitstakt bestehend aus Zustellen, Setzen und wieder Rückführen in die Ausgangsposition wird ausschließlich hydraulisch gesteuert. Und zwar erfolgt die hydraulische Steuerung hierbei ausschließlich durch Bereitstellen des Hydraulikdrucks über den Anschluss 10 in Verbindung mit dem Druckbegrenzungsventil 34 und dem Rückschlagventil 36.
  • Zur Ausübung der Zustellbewegung wird über den Anschluss 10 in den oberen Druckraum 26 die Hydraulikflüssigkeit eingepresst. Über den oberen Kolben 22 wird eine in Axialrichtung 6 wirkende Kraft auf die Arbeitsstange 16 überfragen. Da zu diesem Zeitpunkt noch kein oder nur ein geringer Widerstand im Laufe der Zustellbewegung vorliegt, spricht das Druckbegrenzungsventil 34 noch nicht an. Aufgrund der im mittleren Druckraum 28 befindlichen, inkompressiblen Hydraulikflüssigkeit wird zusammen mit der angetriebenen Arbeitsstange 16 auch die Zustellstange 18 über den unteren Kolben 24 in Axialrichtung 6 verschoben.
  • Schließlich erreicht die Zustellstange 18 die vollständig zugestellte Position, die im Ausführungsbeispiel durch ein Anschlagen des unteren Kolbens 24 am Führungselement 12 definiert ist (2). Die Oberseite des Führungselements 12 bildet daher einen Zustellanschlag 50 für die Zustellbewegung. Sobald der untere Kolben 24 angeschlagen ist, steigt der Druck im mittleren Druckraum 28 stark an, so dass das Druckbegrenzungsventil 34 öffnet und der obere Kolben 22 gegen den unteren Kolben 24 verfährt. Nunmehr verfährt ausschließlich die Arbeitsstange 16 und es erfolgt der eigentliche Setzvorgang, bei dem das Fügeelement 44 gesetzt wird. Der Setzvorgang ist spätestens abgeschlossen, wenn die beiden Kolben 22, 24 gegeneinander zum Anliegen kommen, wie dies in 3 dargestellt ist. Im Schritt von der 2 zur der 3 wird das Druckelement 42 relativ zum Setzkopf 40 nach vorne in die gewünschte Endposition verschoben. Das Druckelement 42 wird daher exakt um die Höhe h relativ gegen den Setzkopf 40 verscho ben. Diese Setzhöhe ist daher über den Abstand zwischen den beiden Kolben 22, 24 weggesteuert.
  • Nach erfolgtem Setzvorgang wird die Werkzeugeinheit 2 wieder in die in 1 dargestellte Ausgangsposition zurückgeführt. Hierzu wird durch Anlegen eines Unterdrucks am Anschluss 10 der obere Kolben 22 entgegen der Axialrichtung 6 nach oben gezogen. Hierbei werden zunächst wieder die beiden Kolben 22, 24 auseinandergezogen, bis sie ihren ursprünglichen Abstand h zueinander aufweisen und die in 2 dargestellte Position erreicht wird, in der der Anschlag 46 am Gegenanschlag 48 anschlägt. Beim Auseinanderziehen der beiden Kolben 22, 24 entsteht ein Unterdruck im mittleren Druckraum 28, so dass über das Rückschlagventil 36 die Hydraulikflüssigkeit 32 in den mittleren Druckraum 28 einströmt.
  • Alternativ zu der Beaufschlagung des oberen Druckraums 26 mit einem Unterdruck besteht auch die Möglichkeit, mit Hilfe eines Überdrucks über das Rückschlagventil 36 den mittleren Druckraum 28 zu befüllen und mit Hilfe dieses Überdrucks die Hohlkolbenstange 14 wieder in die Ausgangsposition gemäß 1 zurückzuführen.
  • Beim weitergehenden Zurückziehen des oberen Kolbens 22 wird von 2 zu 1 die Zustellstange 18 zwangsweise mitgezogen.
  • Die hier beschriebene Werkzeugeinheit ist insbesondere als eine kompakte Setzeinheit zum Setzen eines Fügeelements, beispielsweise ein Niet, ein Einpressbolzen oder eine Einpressmutter in ein vorgebohrtes Werkstück vorgesehen. Die Werkstückeinheit 2 zeichnet sich durch eine sehr kompakte und platzsparende Bauweise bei gleichzeitig guter Führung aus. Prinzipiell lässt sich die Werkzeugeinheit 2 in beliebigen technischen Einsatzgebieten einsetzen, bei denen eine zweistufige Axialbewegung mit unterschiedlichen Kräften/unterschiedlichen Wegen erforderlich ist.
  • 2
    Werkzeugeinheit
    4
    Kraftzylinder
    6
    Axialrichtung
    8
    Deckel
    10
    Anschluss
    12
    Führungselement
    14
    Hohlkolbenstange
    16
    Arbeitsstange
    18
    Zustellstange
    20
    Gleitdichtung
    22
    erster Kolben
    24
    zweiter Kolben
    26
    oberer Druckraum
    28
    mittlerer Druckraum
    30
    unterer Druckraum
    32
    Hydraulikflüssigkeit
    34
    Druckbegrenzungsventil
    36
    Rückschlagventil
    38
    Werkzeugkopf
    40
    Setzkopf
    42
    Druckelement
    43
    Aufnahmeraum
    44
    Fügeelement
    46
    Anschlag
    48
    Gegenanschlag
    50
    Zustellanschlag
    h
    Höhe

Claims (12)

  1. Werkzeugeinheit (2) mit einem Werkzeugkopf (38) zur Ausübung sowohl einer axialen Zustellbewegung als auch einer weitergehenden axialen Arbeitsbewegung des Werkzeugkopfes (38), bei der ein Kraftzylinder (4) mit einer darin axial geführten Hohlkolbenstange (14) vorgesehen ist, die an ihrem vorderen Ende mit dem Werkzeugkopf (38) verbunden ist und die zwei ineinander geführte und als Zustellstange (18) und Arbeitsstange (16) vorgesehene Kolbenstangen umfasst, wobei ausschließlich auf die Arbeitsstange (16) eine externe Kraft ausübbar ist und beide Stangen (16, 18) für eine gemeinsame Zustellbewegung miteinander gekoppelt sind und hierzu die Arbeitsstange (16) mit einem ersten Kolben (22) und die Zustellstange (18) mit einem zweiten Kolben (24) verbunden ist und die Kolben (22, 24) im Kraftzylinder (4) axial verschieblich angeordnet sind und zwischen sich einen mit einer Hydraulikflüssigkeit angefüllten Druckraum (28) einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Kolben (24) ein Druckbegrenzungsventil (34) angeordnet ist, das derart ausgebildet ist, dass bei Überschreiten eines Zustelldrucks im Druckraum (28) die Hydraulikflüssigkeit aus dem Druckraum (28) ausströmt und die Kopplung zwischen den Stangen (16, 18) aufgehoben ist.
  2. Werkzeugeinheit (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Kolben (22, 24) ein Rückschlagventil (36) vorgesehen ist, das in Ausströmrichtung aus dem Druckraum (28) sperrt und ein Einströmen in den Druckraum (28) erlaubt.
  3. Werkzeugeinheit (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstange (16) im Kraftzylinder (4) derart geführt ist, dass bei der Arbeitsbewegung auftretende Radialkräfte ohne äußere Führungen aufgenommen werden.
  4. Werkzeugeinheit (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsstange (16) bei der Ausführung der Arbeitsbewegung über ihre gesamte Länge geführt ist und hierzu in ihrem rückseitigen Bereich durch die Kolben (22, 24) und ansonsten in der Zustellstange (18) geführt ist.
  5. Werkzeugeinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustellanschlag (50) vorgesehen ist, der die Zustellbewegung der Zustellstange (18) begrenzt.
  6. Werkzeugeinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückholmitnehmer (46, 48) vorgesehen ist, der derart ausgebildet ist, dass bei einer Rückholbewegung entgegen der Zustellrichtung die Zustellstange (18) von der Arbeitsstange (16) mitgenommen wird.
  7. Werkzeugeinheit (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückholmitnehmer (46, 48) derart ausgebildet ist, dass ausgehend von einer Endposition der Arbeitsstange (16) diese zunächst um einen definierten Hub (h) ohne Mitnahme der Zustellstange (18) zurückfährt.
  8. Werkzeugeinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des ersten Kolbens (22) ein weiterer Druckraum (26) mit einem Anschluss (10) für eine Hydraulikleitung vorgesehen ist.
  9. Werkzeugeinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkopf (38) zweiteilig mit einem Setzkopf (40) und einem in diesem verschieblich angeordneten Druckelement (42) ausgebildet ist.
  10. Werkzeugeinheit (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Setzkopf (40) an der Zustellstange (18) und das Druckelement (42) an der Arbeitsstange (16) angeordnet sind.
  11. Werkzeugeinheit (2) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei zurückgezogenem Druckelement (42) innerhalb des Setzkopfes (40) ein Aufnahmeraum (43) für ein Fügeelement (44) gebildet ist.
  12. Verfahren zum axialen Verschieben eines Werkzeugkopfs (38) mit einer Werkzeugeinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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