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Die Erfindung betrifft ein Verarbeitungswerkzeug sowie ein Verfahren zum Überführen eines Bauteils aus einer Bereitstellungsposition in eine Verarbeitungsposition, insbesondere zum Einpressen eines Einpresselements in ein Werkstück.
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Bei dem Einbringen von Bauteilen in Werkstücken, insbesondere Blechen, ist regelmäßig eine genaue Führung der Bauteile beim Bearbeitungsvorgang erforderlich.
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Insbesondere bei Verarbeitungswerkzeugen und Verfahren, bei dem das Bauteil mit Hilfe eines Umformvorgangs form- und/oder kraftschlüssig eingebracht wird, ist für eine qualitativ hochwertige Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Werkstück ein definiertes Einbringen des Bauteils in das Werkstück erforderlich. Dies gilt insbesondere bei solchen Verfahren, bei denen die Bauteile mit Hilfe eines Einpresswerkzeugs in das Werkstück eingebracht werden. Bei den Bauteilen handelt es sich hierbei insbesondere um Stanz- oder Einpressteile, die bei ihrem Einpressen selbst umgeformt werden bzw. die bei ihrem Einpressen das Werkstück umformen. Bei dem Einpressvorgang werden diese Bauteile oftmals gegen eine Matrize als Gegenhaltelement gepresst. Für die Umformung ist dabei eine möglichst genaue Ausrichtung und Führung des Bauteils in Bezug auf diese Matrize erforderlich.
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Unter Bauteilen werden hierbei insbesondere so genannte Einpressmuttern verstanden, also Fügeelemente, die durch Verpressen in ein vorgelochtes Blech eingebracht werden, und die ein Gewindeloch mit Gewinde zur Befestigung einer Schraube aufweisen. Gleiches gilt für Stanzmuttern, die durch einen Stanzvorgang in ein nicht vorgelochtes Blech eingebracht werden. Neben den Mutter können auch so genannte Einpressbolzen oder sonstige Fügeelemente vorgesehen sein. Die Einpressbolzen weisen üblicherweise ein Außengewinde auf.
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Diese Bauteile werden heutzutage, insbesondere im Bereich der Automobilindustrie automatisiert dem Verarbeitungswerkzeug zugeführt. Bei der Verarbeitung werden die Bauteile typischerweise aus einem Magazin oder Vorrat vereinzelt dem Verarbeitungswerkzeug in eine Bereitstellungsposition zugeführt. Aus dieser Bereitstellungsposition heraus wird das Bauteil in eine Verarbeitungsposition gebracht, bevor der eigentliche Setzvorgang erfolgt, bei dem das Bauteil in das Blech eingebracht wird. In der Verarbeitungsposition liegt das Bauteil beispielsweise am Blech und/oder der Matrize an, bevor der Setz- und/oder Umformvorgang beginnt. Sowohl die Überführung von der Bereitstellungsposition in die Verarbeitungsposition als auch das eigentliche Einpressen erfolgt hierbei typischerweise mit Hilfe eines Einpressstempels. Zur genauen Führung der Bauteile können beispielsweise Greifer vorgesehen sein, die das Fügeelement in der auch als Übergabeposition bezeichneten Bereitstellungsposition klemmend halten.
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Beim Bearbeitungsvorgang verfährt das Verarbeitungswerkzeug üblicherweise gegen das Werkstück und drückt dies mit dem Fügeelement oder mit Hilfe eines sogenannten Niederhalters gegen eine Auflage (Matrize). Das Bauteil selbst wird hierbei durch den Niederhalter hindurch aus der Bereitstellungsposition in die Verarbeitungsposition geführt. Um ein Durchfallen der Mutter zu verhindern sind beispielsweise endseitig am Stempel seitliche Greiferfinger angebracht, die das Bauteil zwischen sich klemmend halten. Zusätzlich kann auch ein Permanentmagnet zum Halten des Bauteils am Stempel vorgesehen sein.
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Allerdings besteht hierbei das Problem, dass durch Verschmutzungen, Verschleiß oder auch durch Erschütterungen die Bauteile nicht zuverlässig gehalten werden, was beim automatisierten Ablauf zu schwerwiegenden Folgefehlern führen kann. Auch besteht die Gefahr, dass das jeweilige Bauteil in der Bereitstellungsposition nur ungenau positioniert und im Hinblick auf die Matrize nur ungenau zentriert ist, so dass die Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Blech die geforderte Qualität nicht erreicht und als Ausschuss zu betrachten ist.
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Auch aus der
DE 10 2005 056 378 A1 ist ein derartiges Verarbeitungswerkzeug zu entnehmen. Bei diesem wird eine zu setzende Mutter mit Hilfe eines Magneten stirnseitig an einem Pressstempel gehalten.
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Aus der
DE 197 00 271 A1 ist eine Setzeinrichtung zu entnehmen, bei der innerhalb eines hohlen Führungsstücks eine axial verschieblich geführte Trägereinrichtung vorgesehen ist, die endseitig Haltenasen aufweist, an denen das zu setzende Element anschlägt. Nach einem axialen Verschieben der Trägereinrichtung in eine Verarbeitungsposition können die Haltenasen in dieser Position radial nach außen ausweichen und geben damit das zu setzende Element für den eigentlichen Setzvorgang frei.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen prozesssicheren Transport eines derartigen Bauteils von einer Bereitstellungsposition in eine Verarbeitungsposition in einem Verarbeitungswerkzeug zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verarbeitungswerkzeug sowie durch ein Verfahren zum Überführen eines Bauteils aus der Bereitstellungsposition in die Verarbeitungsposition, wobei das Verarbeitungswerkzeug einen Stempel umfasst, der das Bauteil von der Bereitstellungsposition in die Verarbeitungsposition überführt. Das Verarbeitungswerkzeug umfasst ein Führungselement, durch das das Bauteil von der Bereitstellungsposition in die Verarbeitungsposition geführt wird. Das Führungselement ist derart ausgebildet, dass es eine elastische Haltekraft auf das Bauteil ausübt, derart, dass beim Verarbeitungsvorgang der Stempel das Bauteil entgegen der elastischen Haltekraft durch das Führungselement hindurchpresst.
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Das Führungselement dabei als eine Buchse mit einem elastischen Wandbereich ausgebildet. Durch die buchsenförmige Ausgestaltung ist eine zuverlässige Führung gewährleistet. Der freie Innendurchmesser der Buchse zumindest im unteren Bereich zur Verarbeitungsposition hin, ist hierbei kleiner als der Außendurchmesser des Bauteils, so dass dieses nicht durchfallen kann.
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Um eine möglichst einfache konstruktive Ausgestaltung zu erzielen, ist die Buchse an ihrer der Verarbeitungsposition zugewandten Endseite mit Längsschlitzen versehen, so dass die Buchsenwand gebildet ist durch mehrere streifenförmige Wandbereiche, die insoweit elastisch sind, als dass sie in radialer Richtung nach außen beim Durchpressen des Bauteils weggedrückt werden können.
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Das Führungselement ist weiterhin als ein Einsatz in einem Niederhalter angeordnet. Durch diese Ausgestaltung sind die beiden Funktionen, nämlich sicheres Führen des Bauteils auf der einen Seite sowie Niederhalten des Werkstücks auf der anderen Seite getrennt, so dass die beiden Bauteile für ihre jeweilige Funktion optimiert ausgelegt werden können. Vorzugsweise ist der Niederhalter hierzu aus einem ausreichend festem Werkstoff, insbesondere Stahl, um die notwenigen Niederhaltekräfte übertragen zu können, bzw. um wenig verschleißanfällig zu sein. Zweckdienlicherweise ist weiterhin vorgesehen, dass das Führungselement einen insbesondere umlaufenden Kragen aufweist, der zwischen dem Niederhalter und einer weiteren Montageplatte geklemmt ist. Das Führungselement ist insgesamt konzentrisch im Niederhalter gehalten.
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Das Bauteil ist hierbei insbesondere ein Einpress-Fügeelement, wie eine Stanz- oder Einpressmutter oder auch ein Einpressbolzen. Die Aufnahme, in die das Zentrierelement eingreift, ist im Falle der Einpressmutter das Gewindeloch oder zumindest die randseitige Senkung des Gewindelochs. Die Aufnahme kann aber auch beispielsweise eine Werkzeugaufnahme einer Schraube sein.
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Durch diese Ausgestaltung ist daher durch die Ausbildung des Führungselements selbst ein Herausfallen oder Durchfallen des Bauteils beim Überführen in die Verarbeitungsposition zuverlässig vermieden. Das Bauteil wird nämlich nicht mehr vom Stempel selbst gehalten sondern vielmehr von dem Führungselement, durch das es mit Hilfe des Stempels aktiv durchgedrückt werden muss.
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Vorzugsweise ist dabei das Führungselement derart ausgebildet, dass es über einen Großteil und insbesondere über seine gesamte Länge eine elastische Haltekraft ausübt, dass also das Bauteil über die gesamte Länge des Führungselements durch dieses kraftbeaufschlagt hindurchgepresst werden muss. Die Ausübung der elastischen Kraft durch das Führungselement ist daher über dessen Länge stetig und vorzugsweise stetig zunehmend.
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Das Führungselement weist zur Ausübung der elastischen Haltekraft vorzugsweise ein Federelement auf und/oder ist aus einem elastischen Werkstoff gebildet, wie beispielsweise ein Federstahl oder ein Kunststoff.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung verjüngt sich das Führungselement in Einpressrichtung konisch. Dadurch wird mit zunehmender Einpressrichtung die in radialer Richtung wirkende elastische Kraft zunehmend größer, so dass in der Verarbeitungsposition eine genaue zentrierte Lage des Fügeelements gewährleistet ist, bevor schließlich der eigentliche Einpressvorgang beginnt.
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Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist am Stempelende ein Zentrierelement vorgesehen, das zum Einführen in eine Aufnahme des Bauteils ausgebildet ist, und zwar derart, dass das Bauteil zentriert in die Verarbeitungsposition überführbar ist. Unter zentrierter Ausrichtung wird hierbei insbesondere eine koaxiale Ausrichtung mit der Stempel- oder Pressrichtung verstanden.
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Durch das Zentrierelement am Stempel wird das Fügeelement in koaxialer Ausrichtung zu der Stempelachse gebracht bzw. während des Verschiebens des Fügeelements zum Blech hin und beim Setzvorgang in dieser zentrierten koaxialen Ausrichtung sicher und zuverlässig gehalten. Das Zentrierelement greift hierzu spielfrei in die Aufnahme und vorzugsweise klemmend ein. Durch das Eingreifen ist in radialer Richtung senkrecht zur Stempel- und Einpressrichtung ein Formschluss zwischen dem Zentrierelement und der Aufnahme ausgebildet, so dass neben der Zentrierung auch ein seitliches Herausfallen des Fügeelements aus der Bereitstellungsposition ausgeschlossen ist. Vorzugsweise wirkt zwischen dem Zentrierelement und der Aufnahme auch noch eine Klemmkraft, so dass auch in Axial- oder Stempelrichtung das Fügeelement gehalten ist.
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Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung verjüngt sich das Zentrierelement in Einpressrichtung. Das Zentrierelement ist hierbei insbesondere als ein Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung ist eine automatische Zentrierung des Bauteils koaxial zur Stempelrichtung beim Einfahren des Zentrierelements in die Aufnahme ermöglicht.
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Üblicherweise umfassen die Aufnahmen eine Einführschräge, d. h. sie sind an ihrem Rand mit einem leichten Einführkonus versehen. Im Falle einer Einpressmutter dient dies zum leichteren Einführen einer Schraube. Zweckdienlicherweise ist vorgesehen, dass das Zentrierelement derart ausgebildet ist, das es lediglich mit der Einführschräge zusammenwirkt. Insbesondere sind daher die Konizität des Zentrierelements und die der Einführschräge aneinander angepasst, d. h. Einführschräge und Zentrierelement weisen zumindest annähernd die gleiche Konizität auf. Dadurch wird beispielsweise ein Verletzen des Innengewindes der Einpressmutter vermieden.
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Das Bauteil wird in der Bereitstellungsposition von einer Haltevorrichtung gehalten. Um zuverlässig eine automatische Zentrierung zu erreichen ist die Haltevorrichtung zweckdienlicherweise derart ausgebildet, dass das Bauteil elastisch gehalten ist, und insbesondere mit einer feder – oder elastischen Kraft in Richtung auf das Zentrierelement gedrückt wird. Beim Verstellen des Stempels in Axialrichtung taucht das Zentrierelement in die Aufnahme ein. Bei einer zunächst außermittigen Orientierung wird das Fügeelement automatisch durch das zwangsgeführte Zentrierelement in die zentrierte Lage gegen die elastische Haltekraft gedrückt. Die elastische Lagerung des Fügeelements ermöglicht daher eine Ausgleichsbewegung des Fügeelements. Zweckdienlicherweise wird allgemein nicht nur eine in Radialrichtung sondern auch eine in Axialrichtung wirkende federelastische Kraft auf das Bauteil ausgeübt.
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Die Haltevorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest einen elastisch gelagerten Klinken- oder Greifarm. Der Klinkenarm ist hierzu vorzugsweise entgegen einer Federkraft schwenkbar gelagert. Der Klinkenarm weist eine spezielle Kontur auf, mit der das Fügeelement zumindest in Teilbereichen umgriffen wird, so dass eine spielfreie Positionierung des Bauteils in der Bereitstellungsposition gewährleistet ist.
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Zur Detektion, ob sich in dem Halteraum ein Fügeelement befindet, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung seitlich im Halteraum ein Sensor, beispielsweise ein Drucksensor vorgesehen, gegen den das Fügeelement gepresst ist. Der Sensor ist hierbei Teil einer Steuerungseinrichtung, die den automatisierten Einpressvorgang steuert, und die mit Hilfe des Sensors erkennt, ob sich ein Fügeelement in der Bereitstellungsposition für den Setzvorgang befindet.
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Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
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1 einen ersten Schnitt durch ein als Einpresswerkzeug ausgebildetes Verarbeitungswerkzeug,
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2 einen zweiten, um 90° gedrehten Schnitt durch das Einpresswerkzeug gemäß 1 und
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3 eine Aufsicht gemäß den Pfeilen III-III in 1 auf eine plattenartige Baugruppe mit einem Zuführkanal und einem Klinkensystem.
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In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in den 1 und 2 dargestellte Einpresswerkzeug 2 dient zum Einpressen von Bauteilen, nämlich insbesondere Einpressmuttern M, in ein hier nicht näher dargestelltes vorgelochtes Blech. Das Einpresswerkzeug 2 umfasst hierbei einen in einem Zylinder 4 in Einpress- oder Axialrichtung 6 verfahrbaren Stempel 8. Dieser ist in seiner oberen Ausgangsposition im Ausführungsbeispiel federkraftbeaufschlagt gehalten. Der Zylinder 4 ist auf einer plattenförmigen Zuführeinheit 10 befestigt. An deren Unterseite ist ein Niederhalter 12 mit darin eingesetztem buchsenförmigem Führungselement 14 befestigt.
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Die zu verpressenden Mutter M werden dem Einpresswerkzeug 2 aus einem Vorratsbehälter über die Zuführeinheit 10 einzelweise in eine Bereitstellungsposition 16 zugeführt. Im Ausführungsbeispiel umfasst die Zuführeinheit 10 hierzu einen Zuführkanal 18, in dem die Einpressmuttern M aufgereiht werden und anschließend einzelweise in die Bereitstellungsposition 16 geschoben werden.
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Beim Setz- oder Bearbeitungsvorgang wird das gesamte Einpresswerkzeug 2 in Axlalrichtung 6 gegen das Blech verfahren, so dass der Niederhalter 12 das Blech gegen eine Auflage, insbesondere Matrize drückt. Der Stempel 8 wird zum Einpressen der Mutter M in das Blech in Axialrichtung 6 zwangsangetrieben gesteuert verfahren, beispielsweise hydraulisch, pneumatisch oder auch elektrisch. Hierbei drückt der Stempel 8 die Einpressmutter M aus der Bereitstellungsposition 16 heraus und durch das Führungselement 14 hindurch, bis die Einpressmutter M die eigentliche Verarbeitungsposition am Ende des Niederhalters 12 erreicht. Zum anschließenden Einpressen übt der Stempel 8 auf die Einpressmutter M eine definierte Einpresskraft aus, die üblicherweise zu einer Verformung der Einpressmutter M und/oder des Bleches führt.
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Das Einpresswerkzeug 2 ist Bestandteil einer automatisierten Vorrichtung, so dass das sukzessive Einpressen einer Vielzahl von Bauteilen automatisch erfolgt. Hierzu werden die einzelnen Bauteile automatisch dem Einpresswerkzeug 2 zugeführt, dieses wird automatisch mit Hilfe einer Steuereinrichtung betätigt und gegebenenfalls an eine definierte Position zum Einbringen des Bauteils in das Blech verfahren.
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Um bei diesem automatisierten Prozess einen kontinuierlichen, unterbrechungsfreien Betrieb sowie die Ausbildung von qualitativ hochwertig und gleichbleibend guten Fügeverbindungen zwischen den Bauteilen und dem Blech zu gewährleisten, sind bei dem Einpresswerkzeug 2 spezielle Maßnahmen getroffen, um die Einpressmutter M in dem Einpresswerkzeug 2 sicher und definiert zu führen.
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Wie aus 1 zu entnehmen ist, ist im Ausführungsbeispiel am unteren Ende des Stempels 8 ein zylinderstumpfförmiges Zentrierelement 20 angeordnet. Der Zylinderstumpf ist hierbei derart ausgebildet, dass er in eine als Gewindeloch ausgebildete Aufnahme 22 der Einpressmutter M eingreift. Das Zentrierelement 20 kommt dabei vorzugsweise lediglich mit einer Einführschräge 24 oder Senkung des Gewindelochs in Kontakt, um das Innengewinde nicht zu verletzen.
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Durch diese Ausgestaltung erfolgt eine Selbstzentrierung der Einpressmutter M koaxial zu der Axialrichtung 6 des Stempels 8. Bei der Stempelbewegung 8 in Axialrichtung 6 nach unten wird über den gesamten Verstellweg hinweg die Einpressmutter in der zentrierten Lage definiert geführt.
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Beim Überführen der Einpressmutter M in die Verarbeitungsposition wird diese durch das Führungselement 14 gepresst. Dieses ist nach Art einer Führungsbuchse ausgebildet, wobei diese fluchtend mit dem Stempel 8 ausgerichtet ist. Das Führungselement 14 selbst ist nunmehr derart ausgebildet, dass es auf die Einpressmutter M vorzugsweise über seine gesamte axiale Länge eine elastische Haltekraft ausübt. Hierzu sind im Ausführungsbeispiel Längsschlitze in die Wand des Führungselements 14 eingebracht, so dass einzelne streifenförmige und in Radialrichtung elastisch zurückfedernde Wandbereiche 26 ausgebildet sind.
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Zweckdienlicherweise ist hierbei vorgesehen, dass sich der durch die elastischen Wandbereiche 26 definierte Innenraum in Axialrichtung 6 konisch verjüngt.
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Im Ausführungsbeispiel ist das Führungselement 14 als ein Einsatz aus Federstahl ausgebildet, der am oberen Ende einen Befestigungsring 28 oder Flansch umfasst, von dem ausgehend sich um den Umfang verteilt mehrere die Wandungsbereiche 16 bildende Federzungen in Axialrichtung 6 nach unten erstrecken. Das Führungselement 14 ist mit dem Befestigungsring 28 zwischen dem Niederhalter 12 und der Zuführeinheit 10 eingeklemmt.
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Die 1 und 2 zeigen die Position des Stempels 8, bevor dieser von oben mit seinem Zentrierelement 20 voraus in die Aufnahme des Einpresselements M einfährt. Dieses befindet sich unmittetbar unterhalb des Zentrierelements 20 in der Bereitstellungsposition 16, in der es von einer Haltevorrichtung 30 elastisch gehalten wird (in den 1 und 2 ist befindet sich keine Mutter M in der Bereitstellungsposition 16). Die Haltevorrichtung 30 ist Teil der Zuführeinheit 12. Das Einpresselement M wird in diese Bereitstellungsposition 16 seitlich, also senkrecht zur Axialrichtung 6 über den Zuführkanal 18 zugeführt. Beim Einfahren des Stempels 8 in das Einpresselement M richtet sich dieses automatisch koaxial zum Stempel 8 aus.
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Die Ausgestaltung der Haltevorrichtung 30 geht insbesondere aus 2 hervor, die eine Aufsicht auf eine Boden-Baugruppe der Zuführeinheit 12 zeigt. Auf diese Boden-Baugruppe ist zusätzlich noch eine Montageplatte befestigt Die Boden-Baugruppe der Zuführeinheit 12 weist den Zuführkanal 22 auf, der in die Bereitstellungsposition 16 mündet. Die Einpresselemente M können in die Bereitstellungsposition 16 durch ein pneumatisches einzelweises Einschießen oder durch sukzessives Einschieben gebracht werden. Die Haltevorrichtung 30 umfasst zwei seitliche Klinkenarme 32, die die Bereitstellungposition 16 definieren und die jeweils um eine Schwenkachse 34 drehbar gelagert sind. Die Klinkenarme 32 lassen eine Zuführöffnung zum Zuführen der Einpresselemente M frei. Die Schwenkbewegung erfolgt hierbei gegen eine beispielsweise durch eine Feder ausgeübte Rückstellkraft. Die beiden Klinkenarme 32 weisen jeweils sich konisch verjüngende und bogenartig geformte Haltebacken auf, zwischen denen das Einpresselement M geklemmt ist.
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An der dem Zuführkanal 22 gegenüberliegenden Seite ist ein Sensor 36 vorgesehen, aber den erfasst wird, ob in dem Halteraum 24 ein Einpresselement vorliegt.
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Insbesondere durch das Zusammenspiel der Komponenten Führungselement 14, Haltevorrichtung 30 und Zentrierelement 20 ist eine prozesssichere, hochgenaue Zuführung der Einpresselemente insbesondere Einpressmuttern M in die Verarbeitungsposition gewährleistet, so dass der Einpressvorgang reproduzierbar und in definierter Qualität zuverlässig ausgeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Einpresswerkzeug
- 4
- Zylinder
- 6
- Axialrichtung
- 8
- Stempel
- 10
- Zuführeinheit
- 12
- Niederhalter
- 14
- Führungselement
- 16
- Bereitstellungsposition
- 18
- Zuführkanal
- 20
- Zentrierelement
- 22
- Aufnahme
- 24
- Einführschräge
- 26
- Wandbereich
- 28
- Befestigungsring
- 30
- Haltevorrichtung
- 32
- Klinkenarm
- 34
- Schwenkachse
- 36
- Sensor
- M
- Einpressmutter
