DE102012005491A1

DE102012005491A1 - Fügevorrichtung

Info

Publication number: DE102012005491A1
Application number: DE201210005491
Authority: DE
Inventors: Florian Woelke; Frank Barkhausen
Original assignee: Audi AG; Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: DE102012005491B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern (10, 12) mittels Nieten mit einem Niet (14), unter Einsatz eines oberhalb der Fügepartner (10, 12) vorgesehenen Stempels (16), welcher den Niet (14) in einer Schneidphase so mit einer Stempelkraft (FS) beaufschlagt, dass dieser im Wesentlichen geradlinig in die Fügepartner (10, 12) eindringt, und in einer Umformphase so mit einer Stempelkraft (FS) beaufschlagt, dass dieser sich verformt, und einer unterhalb der Fügepartner (10, 12) vorgesehenen geteilten Matrize (18) mit einer feststehenden Matrizeneinheit (18.1) und einer in der Matrizeneinheit (18.1) geführten beweglichen Gegenstempeleinheit (18.2), welche eine der Stempelkraft (FS) entgegenwirkende Gegenkraft (FM) auf den der Matrize (18) zugewandten Fügepartner (12) ausübt. Erfindungsgemäß beaufschlagt ein Fluidsystem (20) die bewegliche Gegenstempeleinheit (18.2) der geteilten Matrize (18) zur Erzeugung der Gegenkraft (FM) mit einem variablen Fluiddruck.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beim Halbhohlstanznieten werden geteilte Matrizen an spröden Leichtmetall-Werkstoffen und Werkstoffen mit einer Bruchdehnung von kleiner als 10%, wie beispielsweise Aluminium- oder Magnesium-Gusslegierungen, 7000er-Aluminium-Legierungen usw., angewendet. Üblicherweise wird der Matrizenboden federnd gelagert, so dass durch die Federkraft ein Gegendruck während des Fügeprozesses erzeugt werden kann. Dadurch können Druckspannungen in der Fügezone erzeugt werden. Da metallische Werkstoffe unter Druckspannungen generell größere plastische Formänderungen als unter Zugspannungen ertragen, kann dadurch die Rissneigung im matrizenseitigen spröden Werkstoff reduziert werden. Zusätzlich ist eine positive Beeinflussung der Klebstoffverdrängung möglich.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2004 053 224 A1 werden beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stanznieten von mindestens zwei zwischen einer geteilten Matrize und einem Nietstempel angeordneten Fügeteilen aus unterschiedlichen Materialien mit Hilfe eines Halbhohlniets beschrieben. Der Halbhohlniet wird in einer Schneidphase durch den Nietstempel so mit einer Schneidkraft beaufschlagt, dass ein Ausschnitt aus dem dem Nietstempel zugewandten Fügeteil ausgestanzt wird. Um eine stabile Verbindung der Fügeteile zu gewährleisten, wird in der Schneidphase von der Matrizenseite keine oder nur eine kleine Gegenkraft auf den durch den Halbhohlniet beaufschlagten Bereich der Fügeteile ausgeübt. Nach der Schneidphase wir in einer Verformungsphase von der Matrizenseite eine so große Gegenkraft auf das der Matrize zugewandte Fügeteil ausgeübt, dass es sich verformt und der Halbhohlniet gespreizt wird. Die geteilte Matrize umfasst eine feststehende Matrizeneinheit und einen federgelagerten Stempelboden zur Erzeugung des Gegendrucks. Durch die Federn wächst der Gegendruck mit Zunahme des Stempelweges stetig an. In Abhängigkeit des Federtyps erhält man einen linearen, progressiven oder degressiven Federkraftanstieg. Eine Federkraftverringerung bei Zunahme des Stempelweges sowie eine flexible Gestaltung des Federkraft-Weg-Verlaufes sind nicht möglich.
Der Gegendruckeffekt bei konventionellen geteilten Matrizen kann nicht abgeschaltet werden. Dadurch erfordert deren Verwendung unnötige Werkzeugwechsel oder zusätzliche Stanznietanlagen, da die Verwendung von geteilten Matrizen in Fertigungslinien nur an vereinzelten Stellen nötig ist.
In der Offenlegungsschrift DE 199 27 103 werden ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Hilfsfügeteil zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten plattenförmigen Fügepartnern, insbesondere von Blechen, mittels Stanznieten mit Halbhohl- oder Vollniet beschrieben. Bei dem beschriebenen Verfahren werden oberhalb und unterhalb der Fügepartner Werkzeuge vorgesehen, wobei der Halbhohl- oder Vollniet geradlinig in die Fügepartner eindringt. Vor Erreichen eines erhöhten Kraftanstiegs im Kraft-Weg-Verlauf werden beim Stanznieten eines Halbhohlniets das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug mit einer taumelnden Zusatzbewegung in radialer und/oder tangentialer Richtung beaufschlagt, und beim Stanznieten eines Vollniets wird vor Erreichen des erhöhten Kraftanstiegs im Kraft-Weg-Verlauf nur das Unterwerkzeug mit einer taumelnden Zusatzbewegung in radialer und/oder tangentialer Richtung beaufschlagt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern zu schaffen, welche eine variable Ansteuerung von geteilten Matrizen beim Nieten und anderen mechanischen Verbindungstechniken erlaubt, um den Gegenkraft-Weg-Verlauf flexibel einstellten zu können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Bereitstellung einer Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern zu schaffen, die eine variable Ansteuerung von geteilten Matrizen beim Nieten und anderen mechanischen Verbindungstechniken erlaubt, um den Gegenkraft-Weg-Verlauf flexibel einstellten zu können, wird ein Fluidsystem zur Erzeugung der Gegenkraft verwendet, welches die bewegliche Gegenstempeleinheit der geteilten Matrize mit einem variablen Fluiddruck beaufschlagt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst als Fluidsystem beispielsweise ein Hydrauliksystem oder ein Pneumatiksystem oder eine Mischform mit Hydraulik- und Pneumatikkomponenten. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung eignen sich vorzugsweise zum Herstellten von Stanznietverbindungen mit einer Halbhohl- und/oder Vollniet und/oder zum Herstellen von Clinchnietverbindungen mit einem Clinchniet.
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern können während des Nietvorgangs dem eigentlichen Setzkraft-Stempelweg-Verlauf des Nietstempels einen Gegenkraft-Gegenstempelweg-Verlauf überlagern, wodurch in vorteilhafter Weise eine rissfreie Verbindungserstellung beim Fügen spröder metallischer Leichtbauwerkstoffe ermöglicht wird. Die flexible Vorgabe und Einstellung des Gegenkraft-Weg-Verlaufs ermöglicht in vorteilhafter Weise die Kombination einer dem heutigen Serienstand entsprechenden starren Matrizengeometrie mit einer geteilten Matrizenform. Auf diese Weise können Synergien beider Matrizenformen genutzt und das Anwendungsspektrum durch Kombination beider Ausführungsformen deutlich erweitert werden. Beispielsweise ist es auf diese Weise möglich Verbindungen mit spröden matrizenseitig angeordneten Aluminium- und Magnesiumgusslegierungen mit der gleichem Matrizengeometrie zu fügen, welche für Verbindungen aus Aluminiumblechwerkstoffen oder deren Kombination mit Stahlwerkstoffen in Mischbauweise eingesetzt werden. Weiterhin können durch den auf die Gegenstempeleinheit wirkenden variablen Fluiddruck, welcher vom Fluidsystem zur Verfügung gestellt wird, gezielt Stanzschläge oder andere abrupte Kraftanstiege und Kraftabfälle kompensiert werden, welche beispielsweise zum Fügen von hochfesten und pressharten Stählen, wie z. B. 22MnB5 erforderlich sind. Das führt in vorteilhafter Weise automatisch zu einer reduzierten Beanspruchung der Setzeinheit sowie zu einer Reduzierung des Schallpegels beim Durchstanzen des Werkstoffes. Zudem ermöglichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern eine Anwendungserweiterung des Verbindungsspektrums beim Nieten (Halbhohlstanznieten, Vollstanznieten, Clinchnieten) auf spröde Leichtmetallwerkstoffe.
Des Weiteren ermöglichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern eine beliebige und flexible Gestaltung des Gegenkraft-Gegenstempelweg-Verlaufs und eine optimale Anpassung des Gegenkraft-Gegenstempelweg-Verlaufs an die verwendeten Materialien der Fügepartner. Über eine Deaktivierung der Gegenkraftfunktion kann die zweiteilige Stanznietmatrize als einteilige Stanznietmatrize wirken, so dass kein zusätzlicher Werkzeugwechsel bzw. keine zusätzliche Stanznietanlage in der Fertigungslinie erforderlich ist. Zudem sind durch die flexible Gestaltung des Gegenkraft-Gegenstempelweg-Verlaufs eine noch stärkere Reduzierung des Risspotentials im matrizenseitigen spröden Leichtmetall-Werkstoff und eine Verbesserung des Schneidvorganges beim Halbhohlstanznieten möglich.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern zur Verfügung. Das mechanische Fügen erfolgt mittels Stanznieten mit einem Niet unter Einsatz eines oberhalb der Fügepartner vorgesehenen Stempels, welcher den Niet in einer Schneidphase so mit einer Stempelkraft beaufschlagt, dass dieser im Wesentlichen geradlinig in die Fügepartner eindringt, und in einer Umformphase so mit einer Stempelkraft beaufschlagt, dass dieser sich verformt, und einer unterhalb der Fügepartner vorgesehenen geteilten Matrize mit einer feststehenden Matrizeneinheit und einer in der Matrizeneinheit geführten beweglichen Gegenstempeleinheit, welche eine der Stempelkraft entgegenwirkende Gegenkraft auf den der Matrize zugewandten Fügepartner ausübt. Erfindungsgemäß beaufschlagt ein Fluidsystem die bewegliche Gegenstempeleinheit der geteilten Matrize zur Erzeugung der Gegenkraft mit einem variablen Fluiddruck.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern kann das Fluidsystem eine Auswerte- und Steuereinheit aufweisen, welche über mindestens ein Ventil den Fluiddruck in einer auf die bewegliche Gegenstempeleinheit wirkenden Fluidkammer so einstellen kann, dass die über die Gegenstempeleinheit auf den der Matrize zugewandten Fügepartner wirkende Gegenkraft einen vorgegebenen Verlauf über den Stempelweg der beweglichen Gegenstempeleinheit aufweist. Zur Erzeugung des variablen Fluiddrucks kann das Fluidsystem beispielsweise einen Druckerzeuger und/oder einen Druckspeicher und/oder mindestens ein Druckregelventil und/oder mindestens ein Schaltventil und/oder mindestens eine Druckmessvorrichtung umfassen. Zudem kann die Auswerte- und Steuereinheit die über die Gegenstempeleinheit auf den der Matrize zugewandten Fügepartner wirkende Gegenkraft durch Einstellen des Fluiddrucks in der Fluidkammer mit einem konstanten und/oder einem linearen und/oder einem progressiven und/oder einem degressiven und/oder mit einem kombinierten Verlauf über den Stempelweg der beweglichen Gegenstempeleinheit einstellen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern kann die Auswerte- und Steuereinheit mehrere Gegenkraft-Weg-Verläufe speichern, wobei die Auswerte- und Steuereinheit nach Auswahl eines der Gegenkraft-Weg-Verläufe den auf die bewegliche Gegenstempeleinheit wirkenden Fluiddruck in der Fluidkammer zur Implementierung des ausgewählten Gegenkraft-Weg-Verlaufs entsprechend einstellen kann. Ein Gegenkraft-Weg-Verlauf kann beispielsweise in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien der Fügepartner ausgewählt werden. Durch den anpassbaren Gegenkraft-Weg-Verlauf und können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sinnvoll bei spröden und wenig duktilen Materialien, wie beispielsweise Aluminium-Druckguss, Magnesium-Druckguss, 7xxxer-Aluminium-Legierungen, FVK-Werkstoffe usw. eingesetzt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern kann die Auswerte- und Steuereinheit zur Implementierung eines ersten Gegenkraft-Weg-Verlaufs den Fluiddruck in der Fluidkammer so einstellen, dass während der Schneidphase ein erstes konstantes Kraftniveau und während der Umformphase ein zweites niedrigeres konstantes Kraftniveau über die Gegenstempeleinheit auf den der Matrize zugewandten Fügepartner wirken kann, wobei die Auswerte- und Steuereinheit nach der Schneidphase im Wesentlichen übergangslos vom ersten konstanten Kraftniveau auf das zweite konstante Kraftniveau umschalten kann. Der erste Gegenkraft-Weg-Verlauf ermöglicht durch die konstante Gegenkraft in vorteilhafter Weise eine verbesserte Materialtrennung während des Schneidvorgangs. Zudem ergibt sich durch die Verwendung von nur zwei verschiedenen Gegendruckniveaus in vorteilhafter Weise eine einfachere Regelung des Fluiddrucks in der Fluidkammer zur Einstellung des ersten Gegenkraft-Weg-Verlaufs.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern kann die Auswerte- und Steuereinheit zur Implementierung eines zweiten Gegenkraft-Weg-Verlaufs den Fluiddruck in der Fluidkammer so einstellen, dass während der Schneidphase ein konstantes Kraftniveau über die Gegenstempeleinheit auf den der Matrize zugewandten Fügepartner wirken kann, welches die Auswerte- und Steuereinheit durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer während der Umformphase linear absenken kann. Zusätzlich zur verbesserten Materialtrennung während des Schneidvorgangs, überwiegen während der Umformphase die Druckspannungen, so dass die Neigung zur Rissbildung im matrizenseitigen Werkstoff durch die lineare Absenkung der Gegenkraft im Vergleich zur „Zwei-Stufen-Regelung” weiter reduziert werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern kann die Auswerte- und Steuereinheit zur Implementierung eines dritten Gegenkraft-Weg-Verlaufs den Fluiddruck in der Fluidkammer so einstellen, dass sich die über die Gegenstempeleinheit auf den der Matrize zugewandten Fügepartner wirkende Gegenkraft während der Schneidphase von einem vorgegebenen ersten Kraftniveau linear auf ein vorgegebenes zweites Kraftniveau erhöhen kann, wobei die Auswerte- und Steuereinheit die über die Gegenstempeleinheit auf den der Matrize zugewandten Fügepartner wirkende Gegenkraft durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer nach der Schneidphase im Wesentlichen übergangslos vom zweiten Kraftniveau auf ein vorgegebenes niedrigeres drittes Kraftniveau umschalten und während der Umformphase ausgehend vom dritten Kraftniveau kontinuierlich erhöhen kann. Da die Stempelkraft des Setzgerätes, beispielsweise einer Nietzange, von einem Ausgangswert von 0N bis zu einem maximalen Kraftniveaus stetig ansteigt, muss auch die Gegenkraft der Matrize nicht von Anfang an ihren Maximalwert aufweisen, um den Schneidvorgang optimieren zu können, da zur Optimierung des Schneidvorgangs das Maximum an Gegenkraft theoretisch erst zum Zeitpunkt der Materialtrennung erforderlich ist. Durch das Ansteigen der Gegenkraft zum Ende des Umformvorgangs kann in vorteilhafter Weise eine Hinterschnitterhöhung des Nietelements erzeugt werden. Dadurch können Verbindungen, in welchen der Niet beim konventionellen Halbhohlstanznieten keinen ausreichenden Hinterschnitt erzeugt, problemlos gefügt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern kann die Auswerte- und Steuereinheit zur Implementierung eines vierten Gegenkraft-Weg-Verlaufs den Fluiddruck in der Fluidkammer so einstellen, dass während der Schneidphase ein konstantes Kraftniveau über die Gegenstempeleinheit auf den der Matrize zugewandten Fügepartner wirken, welches die Auswerte- und Steuereinheit durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer während der Umformphase zunächst kontinuierlich absenkt und zum Ende der Umformphase hin wieder linear erhöht. Da zwischen dem Schneidvorgang und dem Umformvorgang die Gegenkraft nicht sprunghaft abfällt, kann der gesamte Fügeprozess noch homogener gestaltet werden. Dadurch treten keine Spannungsspitzen während des Nietprozesses auf. Daher ist dieser Gegendruckverlauf besonders für sehr spröde Materialien geeignet. Es wird jedoch hohe Anforderung an die Regelung des Gegenkraft-Weg-Verlaufes gestellt. Durch das Ansteigen der Gegenkraft zum Ende des Umformvorgangs kann der Hinterschnitt des Nietelements erhöht werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern kann die Auswerte- und Steuereinheit zur Implementierung eines fünften Gegenkraft-Weg-Verlaufs den Fluiddruck in der Fluidkammer so einstellen, dass sich die über die Gegenstempeleinheit auf den der Matrize zugewandten Fügepartner wirkende Gegenkraft während der Schneidphase von einem Ausgangswert „Null” linear auf ein vorgegebenes erstes Kraftniveau erhöhen kann, wobei die Auswerte- und Steuereinheit die auf den der Matrize zugewandten Fügepartner wirkende Gegenkraft durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer nach der Schneidphase im Wesentlichen übergangslos vom ersten Kraftniveau auf ein vorgegebenes niedrigeres konstantes zweites Kraftniveau umschalten und während der Umformphase im Wesentlichen übergangslos vom zweiten Kraftniveau auf den Ausgangswert „Null” umschalten kann. Der fünfte Gegendruckverlauf eignet sich zur Dämpfung des Stanzschlages beim Stanznieten von höchstfesten Stahl bzw. Presshart-Stahl (z. B. 22MnB5) mit spröden Werkstoffen. Der Presshart-Stahl ist dabei auf der Stempelseite angeordnet und wird vom Nietelement durchstanzt. Durch den bleibenden Gegendruck nach der Materialtrennung bzw. nach dem Schneidvorgang kann der Stanzschlag in vorteilhafter Weise gedämpft werden. Eine Beschädigung des matrizenseitigen Fügepartners durch den Stanzschlag bleibt aus. Im Gegensatz dazu führt beim konventionellen Stanznieten von Presshart-Stahl der Stanzschlag dazu, dass der matrizenseitige Fügepartner die volle ungedämpfte Energie des Stanzschlages aufnehmen muss und dadurch beschädigt werden kann. Besonders beim Fügen von Presshart-Stahl stellt dies ein Problem dar.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Dabei zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern,
2 eine schematische Darstellung eines von der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung aus 1 erzeugten ersten Gegenkraft-Weg-Verlaufs,
3 eine schematische Darstellung eines von der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung aus 1 erzeugten zweiten Gegenkraft-Weg-Verlaufs,
4 eine schematische Darstellung eines von der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung aus 1 erzeugten dritten Gegenkraft-Weg-Verlaufs,
5 eine schematische Darstellung eines von der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung aus 1 erzeugten vierten Gegenkraft-Weg-Verlaufs, und
6 eine schematische Darstellung eines von der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung aus 1 erzeugten fünften Gegenkraft-Weg-Verlaufs.
Wie aus 1 ersichtlich ist, weist das dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern 10, 12 mittels Nieten mit einem Niet 14 einen oberhalb der Fügepartner 10, 12 angeordneten Stempel 16 und eine unterhalb der Fügepartner 10, 12 angeordnete geteilte Matrize 18 mit einer feststehenden Matrizeneinheit 18.1 und einer in der Matrizeneinheit 18.1 geführten beweglichen Gegenstempeleinheit 18.2 auf. Der oberhalb der Fügepartner 10, 12 angeordneten Stempel 16 beaufschlagt den Niet 14 in einer Schneidphase so mit einer Stempelkraft F_S, dass dieser im Wesentlichen geradlinig in die Fügepartner 10, 12. In einer Umformphase beaufschlagt der oberhalb der Fügepartner 10, 12 angeordneten Stempel 16 den Niet 14 so mit einer Stempelkraft F_S, dass dieser sich verformt. Sowohl während der Schneidphase als auch während der Umformphase übt die bewegliche Gegenstempeleinheit 18.2 der unterhalb der Fügepartner 10, 12 angeordneten geteilten Matrize 18 eine der Stempelkraft F_S entgegenwirkende Gegenkraft F_M auf den der Matrize 18 zugewandten Fügepartner 12 aus. Erfindungsgemäß beaufschlagt ein Fluidsystem 20 zur Erzeugung der Gegenkraft F_M die bewegliche Gegenstempeleinheit 18.2 der geteilten Matrize 18 mit einem variablen Fluiddruck. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Stanznieten von zwei übereinander angeordneten Fügepartnern 10, 12 mit einem Halbhohlniet 14 verwendet. Des Weiteren ist das Fluidsystem 20 zur Erzeugung des variablen Fluiddrucks als Hydrauliksystem ausgeführt. Alternativ kann das Fluidsystem 20 auch als Pneumatiksystem oder als Mischform mit hydraulischen und pneumatischen Komponenten ausgeführt werden.
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfasst das Fluidsystem 20 zur Erzeugung des auf die bewegliche Gegenstempeleinheit 18.2 der geteilten Matrize 18 wirkenden variablen Fluiddrucks im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Druckregelventil 22, eine Auswerte- und Steuereinheit 24, zwei Schaltventile 25.1, 25.2, einen Druckerzeuger 26, einen Druckspeicher 28 und eine unterhalb der Gegenstempeleinheit 18.2 eingeordnete Fluidkammer 29, welche über mindestens einen Fluidanschluss 27 mit dem Druckregelventil 22 verbunden ist. Die Auswerte- und Steuereinheit 24 stellt den Fluiddruck in der auf die bewegliche Gegenstempeleinheit 18.2 wirkenden Fluidkammer 29 so ein bzw. regelt den Fluiddruck in der Fluidkammer 29 so, dass die über die Gegenstempeleinheit 18.2 auf den der Matrize 18 zugewandten Fügepartner 12 wirkende Gegenkraft F_M einen vorgegebenen Verlauf über den Stempelweg der beweglichen Gegenstempeleinheit 18.2 aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Auswerte- und Steuereinheit 24 die auf den der Matrize 18 zugewandten Fügepartner 12 wirkende Gegenkraft F_M durch Einstellen bzw. Regeln des Fluiddrucks in der Fluidkammer 29 mit einem konstanten und/oder einem linearen und/oder einem progressiven und/oder einem degressiven und/oder mit einem kombinierten Verlauf über den Stempelweg der beweglichen Gegenstempeleinheit 18.2 einstellen. Die Auswerte- und Steuereinheit 24 ermittelt über mindestens zwei Druckmessvorrichtungen D1, D2, von welchen zwei Druckmessvorrichtungen D1, D2 dargestellt sind, den Fluiddruck an verschiedenen Bereichen des Fluidsystems 20. So misst beispielsweise eine erste Druckmessvorrichtung D1 den Fluidruck hinter dem Druckregelventil 22, welcher dem Fluiddruck in der Fluidkammer 29 entspricht, und eine zweite Druckmessvorrichtung D1 misst den Fluidruck zwischen dem Druckerzeuger 26 und dem Druckspeicher 28. In Abhängigkeit vom einzustellenden Verlauf der Gegenkraft F_M und den aktuellen Fluiddrücken im Fluidsystem 20 erzeugt die Auswerte- und Steuereinheit 24 den erforderlichen Druckverlauf in der Fluidkammer 29 durch Erzeugen und Ausgeben von entsprechende Ansteuersignalen an den Druckerzeuger 26, das Druckregelventil 22 und die beiden Schaltventile 25.1, 25.2. Zur Erzeugung eines konstanten und/oder einem linearen und/oder einem progressiven und/oder einem degressiven Druckverlaufs in der Fluidkammer 29, welcher einen entsprechenden Verlauf der Gegenkraft F_M bewirkt, erzeugt die Auswerte- und Steuereinheit 24 über den Druckerzeuger 26 ein ausreichend hohes Druckniveau vor dem Druckregelventil 22 und stellt den Fluiddruck in der Fluidkammer 29 über das Druckregelventil 22 ein. Zur Erzeugung von Drucksprüngen, kann die Auswerte- und Steuereinheit 24 beispielsweise über den Druckerzeuger 26 und ein erstes Schaltventil 25.1 ein höheres bzw. niedrigeres Druckniveaus im Druckspeicher 28 als im Restsystem erzeugen und durch Zuschalten des Druckspeichers 28 über ein zweites Schaltventil 25.2 den Fluiddruck in der Fluidkammer 29 sprunghaft erhöhen bzw. absenken.
Um mit der gleichen Vorrichtung 1 beliebige Materialkombinationen als Fügepartner 10, 12 durch Stanznieten fügen zu können, sind in der Auswerte- und Steuereinheit 24 bzw. in einer nicht dargestellten Speichereinheit mehrere Gegenkraft-Weg-Verläufe gespeichert. Nach Auswahl eines der Gegenkraft-Weg-Verläufe stellt die Auswerte- und Steuereinheit 24 den auf die bewegliche Gegenstempeleinheit 18.2 wirkenden Fluiddruck in der Fluidkammer 29 zur Implementierung des ausgewählten Gegenkraft-Weg-Verlaufs entsprechend ein.
Unter Bezugnahme auf 2 bis 6 werden nachfolgend beispielhaft fünf verschiedene Gegenkraft-Weg-Verläufe F1 bis F5 beschrieben.
Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, stellt die Auswerte- und Steuereinheit 24 zur Implementierung eines ersten Gegenkraft-Weg-Verlaufs F1 den Fluiddruck in der Fluidkammer 29 so ein, dass während der Schneidphase ein erstes konstantes Kraftniveau und während der Umformphase ein zweites niedrigeres konstantes Kraftniveau über die Gegenstempeleinheit 18.2 auf den der Matrize 18 zugewandten Fügepartner 12 wirkt. Nach der Schneidphase 24 springt die Gegenkraft F_M im Wesentlichen übergangslos vom ersten konstanten Kraftniveau auf das niedrigere konstante zweite Kraftniveau. Durch die konstante Gegenkraft F_M während der Schneidphase ergibt sich eine verbesserte Materialtrennung. Durch die nur zwei verschiedenen Gegenkraftniveaus ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Regelung des Fluiddrucks in der Fluidkammer 29.
Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, stellt die Auswerte- und Steuereinheit 24 zur Implementierung eines zweiten Gegenkraft-Weg-Verlaufs F2 den Fluiddruck in der Fluidkammer 29 so ein, dass während der Schneidphase, analog zum ersten Gegenkraft-Weg-Verlauf F1, ein konstantes Kraftniveau über die Gegenstempeleinheit 18.2 auf den der Matrize 18 zugewandten Fügepartner 12 wirkt, welches die Auswerte- und Steuereinheit 24 durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer 29 während der Umformphase linear absenkt. Zusätzlich zur verbesserten Materialtrennung durch die konstante Gegenkraft FM während des Schneidvorgangs, kann durch die lineare Absenkung der Gegenkraft F_M im Vergleich zur „Zwei-Stufen-Regelung” des ersten Gegenkraft-Weg-Verlaufs F1 das Potential zur Rissbildung im matrizenseitigen Werkstoff 12 weiter reduziert werden, da beim Umformvorgang die Druckspannungen noch stärker überwiegen.
Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, stellt die Auswerte- und Steuereinheit 24 zur Implementierung eines dritten Gegenkraft-Weg-Verlaufs F3 den Fluiddruck in der Fluidkammer 29 so ein, dass sich die über die Gegenstempeleinheit 18.2 auf den der Matrize 18 zugewandten Fügepartner 12 wirkende Gegenkraft F_M während der Schneidphase von einem vorgegebenen ersten Kraftniveau linear auf ein vorgegebenes zweites Kraftniveau erhöht. Nach der Schneidphase schaltet die Auswerte- und Steuereinheit 24 die über die Gegenstempeleinheit 18.2 auf den der Matrize 18 zugewandten Fügepartner 12 wirkende Gegenkraft F_M durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer 29 im Wesentlichen übergangslos vom zweiten Kraftniveau auf ein vorgegebenes niedrigeres drittes Kraftniveau um. Ausgehend vom dritten Kraftniveau erhöht die Auswerte- und Steuereinheit 24 während der Umformphase die wirksame Gegenkraft F_M kontinuierlich. Da auch die Stempelkraft F_S des Setzgerätes ausgehend von Null bis zu einem maximalen Kraftwert stetig ansteigt, muss die Gegenkraft F_M der Matrize 18 nicht von Anfang an ihren Maximalwert aufweisen, um den Schneidvorgang optimieren zu können. Daher kann auch die Gegenkraft F_M ausgehend von einem Startwert kontinuierlich erhöht werden und erst zum Zeitpunkt der Materialtrennung den erforderlich maximalen Kraftwert aufweisen. Durch das Erhöhen der Gegenkraft F_M zum Ende der Umformphase, kann in vorteilhafter Weise eine Hinterschnitterhöhung des Nietelements 14 erzeugt werden. Dadurch können Verbindungen, in welchen der Niet 14 beim konventionellen Halbhohlstanznieten keinen ausreichenden Hinterschnitt erzeugt, problemlos gefügt werden
Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, stellt die Auswerte- und Steuereinheit 24 zur Implementierung eines vierten Gegenkraft-Weg-Verlaufs F4 den Fluiddruck in der Fluidkammer 29 so ein, dass analog zum ersten und zweiten Gegenkraft-Weg-Verlauf F1, F2 während der Schneidphase ein konstantes Kraftniveau über die Gegenstempeleinheit 18.2 auf den der Matrize 18 zugewandten Fügepartner 12 wirkt, welches die Auswerte- und Steuereinheit 24 durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer 29 während der Umformphase zunächst kontinuierlich absenkt und zum Ende der Umformphase hin wieder linear erhöht. Da zwischen dem Schneidvorgang und dem Umformvorgang die Gegenkraft F_M nicht sprunghaft abfällt, kann der gesamte Fügeprozess noch homogener gestaltet werden. Dadurch treten keine Spannungsspitzen während des Nietprozesses auf. Daher ist der vierte Gegendruckverlauf besonders für sehr spröde Materialien geeignet. Es werden hohe Anforderung an die Regelung des vierten Gegenkraft-Weg-Verlaufs F4 gestellt. Durch das Erhöhen der Gegenkraft F_M zum Ende des Umformvorgangs kann der Hinterschnitt des Nietelements 14 analog zum dritten Gegenkraft-Weg-Verlauf F3 erhöht werden.
Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, stellt die Auswerte- und Steuereinheit 24 zur Implementierung eines fünften Gegenkraft-Weg-Verlaufs F5 den Fluiddruck in der Fluidkammer 29 so ein, dass sich die über die Gegenstempeleinheit 18.2 auf den der Matrize 18 zugewandten Fügepartner 12 wirkende Gegenkraft F_M während der Schneidphase analog zum dritten Gegenkraft-Weg-Verlaufs F1 von einem Ausgangswert „Null” linear auf ein vorgegebenes erstes Kraftniveau erhöht. Nach der Schneidphase schaltet die Auswerte- und Steuereinheit 24 die auf den der Matrize 18 zugewandten Fügepartner 12 wirkende Gegenkraft F_M durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer 29 im Wesentlichen übergangslos vom ersten Kraftniveau auf ein vorgegebenes niedrigeres konstantes zweites Kraftniveau um. Während der Umformphase schaltet die Auswerte- und Steuereinheit 24 dann die wirksame Gegenkraft F_M im Wesentlichen übergangslos vom zweiten Kraftniveau auf den Ausgangswert „Null” um. Der fünfte Gegenkraft-Weg-Verlauf F5 eignet sich in vorteilhafter Weise zum Stanznieten von höchstfestem Stahl bzw. Presshart-Stahl (z. B. 22MnB5). Dabei ist der Presshart-Stahl als erster Fügepartner 10 auf der Stempelseite angeordnet und wird vom Nietelement 14 durchstanzt. Durch den bleibenden Gegendruck nach der Materialtrennung bzw. nach dem Schneidvorgang kann der Stanzschlag gedämpft werden, so dass eine Beschädigung des matrizenseitigen Materials als zweiter Fügepartner 12 verhindert werden kann.
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern eignen sich in vorteilhafter Weise zum Fügen von spröden wenig duktilen Materialien, wie beispielsweise Aluminium-Druckguss, Magnesium-Druckguss, 7xxxer-Aluminium-Legierungen, FVK-Werkstoffe usw.
Bezugszeichenliste

1: Fügevorrichtung
10, 12: Fügepartner
14: Niet
16: Stempel
18: Matrize
18.1: Matrizeneinheit
18.2: Gegenstempeleinheit
20: Fluidsystem
22: Druckregelventil
24: Auswerte- und Steuereinheit
25.1, 25.2: Schaltventil
26: Druckerzeuger
27: Fluidanschluss (Einlass und/oder Auslass)
28: Druckspeicher
29: Fluidkammer
D1, D2: Druckmessvorrichtung
F1 bis F5: Kraft-Weg-Verlauf
F_S: Stempelkraft
F_M: Gegenkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004053224 A1 [0003]
DE 19927103 A [0005]

Claims

Vorrichtung zum mechanischen Fügen von übereinander angeordneten Fügepartnern (10, 12) mittels Nieten mit einem Niet (14), unter Einsatz eines oberhalb der Fügepartner (10, 12) vorgesehenen Stempels (16), welcher den Niet (14) in einer Schneidphase so mit einer Stempelkraft (FS) beaufschlagt, dass dieser im Wesentlichen geradlinig in die Fügepartner (10, 12) eindringt, und in einer Umformphase so mit einer Stempelkraft (F_S) beaufschlagt, dass dieser sich verformt, und einer unterhalb der Fügepartner (10, 12) vorgesehenen geteilten Matrize (18) mit einer feststehenden Matrizeneinheit (18.1) und einer in der Matrizeneinheit (18.1) geführten beweglichen Gegenstempeleinheit (18.2), welche eine der Stempelkraft (F_S) entgegenwirkende Gegenkraft (F_M) auf den der Matrize (18) zugewandten Fügepartner (12) ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluidsystem (20) zur Erzeugung der Gegenkraft (F_M) die bewegliche Gegenstempeleinheit (18.2) der geteilten Matrize (18) mit einem variablen Fluiddruck beaufschlagt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidsystem (20) eine Auswerte- und Steuereinheit (24) aufweist, welche über mindestens ein Ventil (22, 25.1, 25.2) den Fluiddruck in einer auf die bewegliche Gegenstempeleinheit (18.2) wirkenden Fluidkammer (29) so einstellt, dass die über die Gegenstempeleinheit (18.2) auf den der Matrize (18) zugewandten Fügepartner (12) wirkende Gegenkraft (F_M) einen vorgegebenen Verlauf (F1 bis F5) über den Stempelweg der beweglichen Gegenstempeleinheit (18.2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidsystem (20) zur Erzeugung des variablen Fluiddrucks einen Druckerzeuger 26 und/oder einen Druckspeicher (28) und/oder mindestens ein Druckregelventil (22) und/oder mindestens ein Schaltventil (25.1, 25.2) und/oder mindestens eine Druckmessvorrichtung (D1, D2) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (24) die über die Gegenstempeleinheit (18.2) auf den der Matrize (18) zugewandten Fügepartner (12) wirkende Gegenkraft (F_M) durch Einstellen des Fluiddrucks in der Fluidkammer (29) mit einem konstanten und/oder einem linearen und/oder einem progressiven und/oder einem degressiven und/oder mit einem kombinierten Verlauf über den Stempelweg der beweglichen Gegenstempeleinheit (18.2) einstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (24) mehrere Gegenkraft-Weg-Verläufe (K1 bis K5) speichert, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (24) nach Auswahl eines der Gegenkraft-Weg-Verläufe (F1 bis F5) den auf die bewegliche Gegenstempeleinheit (18.2) wirkenden Fluiddruck in der Fluidkammer (29) zur Implementierung des ausgewählten Gegenkraft-Weg-Verlaufs (F1 bis F5) entsprechend einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (24) zur Implementierung eines ersten Gegenkraft-Weg-Verlaufs (F1) den Fluiddruck in der Fluidkammer (29) so einstellt, dass während der Schneidphase ein erstes konstantes Kraftniveau und während der Umformphase ein zweites niedrigeres konstantes Kraftniveau über die Gegenstempeleinheit (18.2) auf den der Matrize (18) zugewandten Fügepartner (12) wirkt, wobei die Auswerte- und Steuereinheit nach der Schneidphase (24) im Wesentlichen übergangslos vom ersten konstanten Kraftniveau auf das zweite konstante Kraftniveau umschaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (24) zur Implementierung eines zweiten Gegenkraft-Weg-Verlaufs (F2) den Fluiddruck in der Fluidkammer (29) so einstellt, dass während der Schneidphase ein konstantes Kraftniveau über die Gegenstempeleinheit (18.2) auf den der Matrize (18) zugewandten Fügepartner (12) wirkt, welches die Auswerte- und Steuereinheit (24) durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer (29) während der Umformphase linear absenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (24) zur Implementierung eines dritten Gegenkraft-Weg-Verlaufs (F3) den Fluiddruck in der Fluidkammer (29) so einstellt, dass sich die über die Gegenstempeleinheit (18.2) auf den der Matrize (18) zugewandten Fügepartner (12) wirkende Gegenkraft (F_M) während der Schneidphase von einem vorgegebenen ersten Kraftniveau linear auf ein vorgegebenes zweites Kraftniveau erhöht, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (24) die über die Gegenstempeleinheit (18.2) auf den der Matrize (18) zugewandten Fügepartner (12) wirkende Gegenkraft (F_M) durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer (29) nach der Schneidphase im Wesentlichen übergangslos vom zweiten Kraftniveau auf ein vorgegebenes niedrigeres drittes Kraftniveau umschaltet und während der Umformphase ausgehend vom dritten Kraftniveau kontinuierlich erhöht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (24) zur Implementierung eines vierten Gegenkraft-Weg-Verlaufs (F4) den Fluiddruck in der Fluidkammer (29) so einstellt, dass während der Schneidphase ein konstantes Kraftniveau über die Gegenstempeleinheit (18.2) auf den der Matrize (18) zugewandten Fügepartner (12) wirkt, welches die Auswerte- und Steuereinheit (24) durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer (29) während der Umformphase zunächst kontinuierlich absenkt und zum Ende der Umformphase hin wieder linear erhöht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (24) zur Implementierung eines fünften Gegenkraft-Weg-Verlaufs (F5) den Fluiddruck in der Fluidkammer (29) so einstellt, dass sich die über die Gegenstempeleinheit (18.2) auf den der Matrize (18) zugewandten Fügepartner (12) wirkende Gegenkraft (F_M) während der Schneidphase von einem Ausgangswert „Null” linear auf ein vorgegebenes erstes Kraftniveau erhöht, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (24) die auf den der Matrize (18) zugewandten Fügepartner (12) wirkende Gegenkraft (F_M) durch Verändern des Fluiddrucks in der Fluidkammer (29) nach der Schneidphase im Wesentlichen übergangslos vom ersten Kraftniveau auf ein vorgegebenes niedrigeres konstantes zweites Kraftniveau umschaltet und während der Umformphase im Wesentlichen übergangslos vom zweiten Kraftniveau auf den Ausgangswert „Null” umschaltet.