DE102012021836A1 - Heißstempelnietvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Bei einer Heißstempelnietvorrichtung ist eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen einer verformten Niete (7) vorgesehen. Die Kühlvorrichtung umfasst ein flüssigkeitsgekühltes Kühlelement (28), das zwischen einer Kontaktstellung, in der das Kühlelement (28) mit dem Stempelkopf (4) in wärmeleitendem Kontakt ist, und einer Nicht-Kontaktstellung verfahrbar ist, in der das Kühlelement (28) vom Stempelkopf (4) beabstandet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Heißstempelnietvorrichtung mit einem temperierbaren Stempel gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Heißstempelnietvorrichtungen dieser Art werden verwendet, um eine aus schmelzbarem Material, insbesondere Kunststoff, bestehende Niete mit Wärme und Druck so zu verformen, dass die zu vernietenden Materialien aneinander gehalten werden. Beim Nietvorgang wird der Stempel üblicherweise mittels einer Heizpatrone über die Schmelztemperatur der Niete erwärmt, wobei nach dem Aufsetzen des Stempelkopfs auf die Niete der Stempel zu den zu vernietenden Materialien hin (oder umgekehrt) in Abhängigkeit der Schmelzgeschwindigkeit, d. h. druckgeregelt bewegt wird. Ein Stempelkopf mit einer beispielsweise kalottenförmigen Kontaktfläche formt dabei den Nietkopf.
  • Nach dem fertigen Formen der Niete wird die Heizung des Stempels abgeschaltet und eine üblicherweise mit Kühlluft arbeitende Kühlvorrichtung in Gang gesetzt, um den Erstarrungsprozess der Niete zu beschleunigen. Derartige Kühlluftanlagen benötigen jedoch sehr viel Luft. Weiterhin sind derartige Anlagen sehr laut, so dass sie teilweise mit Schallschutzelementen ausgestattet werden müssen. Ferner lässt die Prozesssicherheit zu wünschen übrig, da der Rückkühlwirkungsgrad stark von der Umgebungstemperatur abhängig ist. Weiterhin werden durch die bekannten Luftkühlungen hohe Zykluszeiten verursacht, da die Luft den üblicherweise aus Metall bestehenden Stempel nur relativ langsam abkühlen kann. Insbesondere bei Serienfertigungen, die beispielsweise im Automobilbau vorkommen, sind jedoch kurze Zykluszeiten (Taktzeiten) von größter Bedeutung.
  • Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei Heißstempelnietvorrichtungen, die mit Kühlluftanlagen arbeiten, besondere Probleme auftreten, wenn Nieten, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, gleichzeitig aufgeschmolzen und verformt werden müssen, da unterschiedliche Materialien unterschiedliche Schmelzgeschwindigkeiten haben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heißstempelnietvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der Nietvorgänge auf besonders schnelle und effektive Weise durchgeführt werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Heißstempelnietvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Bei der erfindungsgemäßen Heißstempelnietvorrichtung umfasst die Kühlvorrichtung ein flüssigkeitsgekühltes Kühlelement, das zwischen einer Kontaktstellung, in der das Kühlelement mit dem Stempelkopf in wärmeleitendem Kontakt ist, und einer Nichtkontaktstellung verfahrbar ist, in der das Kühlelement zum Stempelkopf beabstandet ist.
  • Mittels des erfindungsgemäßen, flüssigkeitsgekühlten Kühlelements kann der Stempelkopf nach dem Aufschmelzen der Niete auf sehr schnelle und wirkungsvolle Weise abgekühlt werden, so dass die Erstarrungszeiten für das geschmolzene Material stark verkürzt werden können. Dies erfolgt durch direkte Wärmeleitung, d. h. durch einen Wärmeabfluss vom Stempelkopf zum Kühlelement, von dem die Wärme mittels der Kühlflüssigkeit abgeführt wird. Die Zyklus- oder Taktzeiten für die Nietvorgänge können dadurch bedeutend verkürzt werden. Weiterhin kann auch die Geräuschentwicklung der Heißstempelnietvorrichtung bedeutend reduziert werden. Großvolumige Kühlluftversorgungsaggregate sind nicht erforderlich. Die Abkühlgeschwindigkeit ist ganz überwiegend unabhängig von den Umgebungstemperaturen, so dass eine sehr hohe Prozesssicherheit erreicht werden kann. Weiterhin kann die Kühlung der einzelnen Stempel auf einfache und genaue Weise an das jeweilige Nietmaterial und damit an die jeweilige Schmelzgeschwindigkeit der Niete angepasst werden. Es ist daher ohne weiteres möglich, die Nieten nacheinander einzeln oder in kleineren Gruppen zu vernieten und dabei den jeweiligen Nietprozess optimal auf die jeweiligen Erfordernisse anzupassen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Kühlelement als Kühlhülse ausgebildet, die den Stempel umgibt und relativ zu diesem in dessen Längsrichtung verfahrbar ist. Hierdurch kann der Stempelkopf von allen Seiten her gleichmäßig und sehr effektiv gekühlt werden.
  • Vorteilhafterweise ist das Kühlelement am Stempel verschiebbar gelagert. Dies bedeutet, dass der Stempel selbst als Lagerteil für das Kühlelement dient. Alternativ ist es jedoch auch möglich, das Kühlelement an einem anderen Teil, beispielsweise an einer Außenhülse zu lagern, welche das Kühlelement umgibt.
  • Vorteilhafterweise ist zwischen einer Innenumfangswand der Kühlhülse und dem Stempel eine temperaturbeständige Isolier- und Führungsbuchse angeordnet. Hierdurch kann ein unerwünschter Wärmeaustausch zwischen dem Stempelschaft und der Kühlhülse vermieden werden, so dass der gewünschte Wärmeaustausch zumindest ganz überwiegend im Bereich des Stempelkopfs stattfindet. Gleichzeitig ermöglicht die Isolier- und Führungsbuchse ein leichtgängiges Verschieben der Kühlhülse auf dem Stempel.
  • Das Kühlelement kann auf einfache Weise mittels eines Pneumatikzylinders verschoben werden, der am Stempel befestigt ist und eine mit dem Kühlelement in Wirkverbindung stehende Kolbenstange aufweist. Andere Kühlelementantriebe sind ebenfalls möglich, beispielsweise Hydraulikzylinder oder elektromechanische Antriebe.
  • Vorteilhafterweise weist das Kühlelement mindestens eine innenliegende Flüssigkeitsleitung zum Hindurchführen von Kühlflüssigkeit auf. Diese Flüssigkeitsleitung kann beispielsweise durch Quer- und Längsbohrungen im Kühlelement gebildet werden oder auch spiral- oder schraubenförmig, vorzugsweise mit geringer Steigung, um das Kühlelement herumgeführt sein, um eine möglichst effektive Wärmeübertragung vom Stempelkopf auf das Kühlelement und damit auf die Kühlflüssigkeit zu erreichen. Weiterhin kann das Kühlelement auch doppelwandig ausgebildet sein, wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Wänden zum Hindurchführen der Kühlflüssigkeit verwendet wird.
  • Vorteilhafterweise weist der Stempel einen radial nach außen vorstehenden Bund auf, mit dem eine Stirnfläche des Kühlelements in wärmeleitenden Kontakt bringbar ist. In diesem Fall erfolgt die Wärmeübertragung vom Stempelkopf auf das Kühlelement gezielt über dessen Stirnfläche.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1: eine räumliche Darstellung der erfindungsgemäßen Heißstempelnietvorrichtung, und
  • 2: einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Heißstempelnietvorrichtung, wobei einige in 1 dargestellte Teile der Übersichtlichkeit halber weg gelassen worden sind.
  • Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, umfasst die Heißstempelnietvorrichtung einen Stempel 1 in der Form einer länglichen, zylindrischen Buchse aus Metall. Der Stempel 1 umfasst einen Stempelschaft 2, der mit einem fluchtend zum Stempelschaft 2 angeordneten, hülsenförmigen Adapter 3 fest verbunden ist, der eine Verlängerung des Stempels 1 darstellt.
  • An seinem Endbereich, der in den Figuren unten liegt, trägt der Stempel 1 einen Stempelkopf 4 mit einer stirnseitigen Kontaktfläche 5 und einem radial über den Stempelschaft 2 vorspringenden Bund 6, der in relativ geringem axialen Abstand zur Kontaktfläche 5 angeordnet ist.
  • Wie in 2 dargestellt, ist der Stempel 1 mit seiner unteren Kontaktfläche 5 auf eine Niete 7 aufsetzbar, die sich von einer ersten Materiallage 8 durch eine zweite Materiallage 9 hindurch erstreckt und über diese übersteht. Die Niete 7 besteht aus einem schmelzbaren Material, insbesondere aus Kunststoff. Wird, wie nachfolgend noch näher beschrieben, der Stempelkopf 4 an die Materiallagen 8, 9 angenähert und dabei der Stempelkopf 4 mindestens bis zum Schmelzpunkt der Niete 7 erwärmt, führt dies zu einem Aufschmelzen, Verformen und gleichzeitigen Stauchen der Niete 7, wobei die Kontaktfläche 5 des Stempelkopfs 4 den Nietkopf formt.
  • Alternativ ist es auch möglich, dass nicht der Stempelkopf 4 an die Materiallagen 8, 9 angenähert wird, sondern dass umgekehrt die Materiallagen 8, 9 zusammen mit der Niete 7 gegen den Stempelkopf 4 gefahren werden.
  • Der Adapter 3 verbinden den Stempel 1 mit einer Kolbenstange 10 eines Pneumatikzylinders 11. Der Pneumatikzylinder 11 bildet einen druckregelbaren pneumatischen Antrieb für den Stempel 1, um diesen in Axialrichtung zu verschieben. Der Pneumatikzylinder 11 ist über ein Befestigungsteil 12 an einer Adaptereinheit 13 befestigt, die wiederum über Schrauben 14 an einem lediglich angedeuteten Gestellteil 15 der Heißstempelnietvorrichtung befestigt ist.
  • Zweckmäßigerweise ist das Befestigungsteil 12 längsverstellbar an der Adaptereinheit 13 befestigt.
  • Die Kolbenstange 10 ist mittels eines Kolbens 16 in Axialrichtung bewegbar, wie durch den Doppelpfeil 17 angedeutet. Der Kolben 16 ist in einem Zylinderraum 42 mittels Druckluft bewegbar, die über Druckluftleitungen 18, 19 zu- und abgeführt wird, wie durch die Doppelpfeile 20 angedeutet. Weiterhin ist dasjenige Ende der Kolbenstange 10, das rückseitig über den Pneumatikzylinder 11 übersteht, an einem Schlitten 21 befestigt, der längsverschiebbar an der Adaptereinheit 13 geführt ist. Der Schlitten 21 stabilisiert die Kolbenstange 10 und damit den Stempel 1 zusätzlich und bildet gleichzeitig eine Verdrehsicherung. Weiterhin kann der Schlitten 21 benutzt werden, um, wie in 1 dargestellt, einerseits mit einem ersten Anschlag 22 und andererseits mit einem zweiten Anschlag 23 derart zusammen zu wirken, dass die Axialbewegung des Stempels 1 in beiden Richtungen an den gewünschten Stellen gestoppt wird. Der erste Anschlag 22 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Anschlagbolzen ausgebildet, der längsverstellbar in einer am Pneumatikzylinder 11 befestigten Halteklammer 24 befestigt ist. Der zweite Anschlag 23 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel direkt an der Adaptereinheit 13 befestigt.
  • Die Befestigung des Adapters 3 an der Kolbenstange 10 erfolgt über eine Schraubverbindung 25, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel der Endbereich der Kolbenstange 10 in den Adapter 3 eingeschraubt ist.
  • Das Aufheizen des Stempelkopfs 4 erfolgt auf elektrische Weise mittels einer Heizpatrone 26, die innerhalb des Stempels 1 angeordnet und über elektrische Leitungen 27 mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden ist. Wie aus 2 ersichtlich, umgibt der Stempel 1 die Heizpatrone 26 hülsenförmig. Weiterhin erstreckt sich die Heizpatrone 26 vom Stempelkopf 4 über etwa die Hälfte der Länge des Stempelschafts 2, um insbesondere den Stempelkopf 4 auf schnelle und effektive Weise auf eine die Niete 7 schmelzende Temperatur erwärmen zu können.
  • Um nach dem Aufschmelzen und Stauchen der Niete 7 den Nietkopf möglichst schnell erstarren lassen zu können, ist eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die mit Kühlflüssigkeit arbeitet und den Stempelkopf 4 auf sehr schnelle Weise abkühlen kann. Diese Kühlvorrichtung umfasst ein Kühlelement 28 in Form einer Hülse, die den Stempel 1 im Bereich des Stempelschafts 2 umgibt. Innerhalb dieses Kühlelements 28 ist mindestens ein Flüssigkeitskanal vorgesehen, der in 2 lediglich schematisch dargestellt und mit 29 bezeichnet ist. Dieser Flüssigkeitskanal 29 ist mit nach außen geführten Flüssigkeitsleitungen 30, 31 verbunden, über welche Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, dem Kühlelement 28 zu- bzw. abgeführt werden kann. Anstelle von Wasser können auch andere Kühlflüssigkeiten verwendet werden. Der Flüssigkeitskanal 29 ist derart angeordnet, dass insbesondere derjenige Bereich des Kühlelements 28, der dem Stempelkopf 4 benachbart ist, intensiv gekühlt werden kann. Dementsprechend besteht das Kühlelement 28 aus einem gut wärmeleitenden Material, insbesondere Metall.
  • Wie durch den Doppelpfeil 32 angedeutet, ist das Kühlelement 28 längsverschiebbar auf dem Stempel 1 angeordnet. Hierbei ist zwischen der Innenumfangswand des Kühlelements 28 und dem Stempel 1 eine insbesondere aus Kunststoff bestehende Isolier- und Führungsbuchse 33 vorgesehen, die einerseits eine Wärmeleitung vom heißen Stempel 1 zum Kühlelement 28 verhindert oder zumindest hemmt und andererseits ein leichtgängiges Verschieben des Kühlelements 28 auf dem Stempel 1 ermöglicht.
  • Das Kühlelement 28 ist zwischen einer Nichtkontaktstellung, die in den 1 und 2 dargestellt ist und in der sich die Stirnfläche 34 des Kühlelements 28 in einem bestimmten Abstand zum Bund 6 des Stempelkopfs 4 befindet, und einer Kontaktstellung verschiebbar, in welcher die Stirnfläche 34 den Bund 6 derart kontaktiert, dass ein guter Wärmeübergang zwischen Kühlelement 28 und Stempelkopf 4 möglich ist. In der vorgeschobenen Kontaktstellung wird der Stempelkopf 4 somit über die Stirnfläche 34 des Kühlelements 28 gekühlt, wobei die Wärme über die Kühlflüssigkeit abgeleitet wird.
  • Das axiale Verschieben des Kühlelements 28 zwischen der Nichtkontaktstellung und der Kontaktstellung erfolgt mittels eines pneumatischen Antriebs 35. Dieser Pneumatikantrieb 35 umfasst eine Kolbenstange 36, die mittels Druckluft parallel zur Längsachse des Stempels 1 und relativ zu diesem bewegt werden kann. Die Druckluft wird über Druckluftleitungen 37, 38 zu- und abgeführt, wie durch die Doppelpfeile 39 angedeutet. Die Kolbenstange 36 ist in einem Pneumatikgehäuse verschiebbar gelagert, das mittels eines Befestigungsteils 40 fest mit dem Adapter 3 verbunden ist.
  • Das in 2 unten liegende Ende der Kolbenstange 36 ist mit einem Flansch 41 des Kühlelements 28 fest verbunden. Aufgrund dieser Anordnung wird, wenn die Kolbenstange 36 aus dem Pneumatikantriebsgehäuse ausgefahren wird, das Kühlelement 28 auf dem Stempel 1 so weit verschoben, bis die Stirnfläche 34 des Kühlelements 28 am Bund 6 des Stempelkopfs 4 anliegt und dadurch in wärmeleitenden Kontakt mit dem Stempelkopf 4 gelangt.
  • Die Funktionsweise der beschriebenen Heißstempelnietvorrichtung ist folgendermaßen:
    Nachdem der Stempelkopf 4 über der zunächst noch unverformten Niete 7 mit geringem Abstand angeordnet worden ist, wird die Heizpatrone 26 eingeschaltet und dadurch der Stempel 1 insbesondere im Bereich des Stempelkopfs 4 erhitzt. Die Temperatur wird dabei auf einen bestimmten Wert geregelt, wobei hierzu ein in der Heizpatrone 26 integrierter Fühler, insbesondere ein NiCr-Fühler, verwendet wird. Anschließend wird über die Druckluftleitung 18 dem Pneumatikzylinder 11 Druckluft zugeführt, wodurch die Kolbenstange 10 und damit der gesamte Stempel 1 zur Niete 7 bzw. zu den Materiallagen 8, 9 hin verschoben wird. Dabei wird die Niete 7 unter Aufschmelzen gestaucht, bis der Nietkopf die Materiallage 9 erreicht hat. Die Vorwärtsbewegung des Stempels 1 erfolgt zweckmäßigerweise mittels Druckregelung. Ist die Niete 7 fertig verformt, wird die Heizung der Heizpatrone 26 abgeschaltet. Anschließend wird das hülsenförmige Kühlelement 28 relativ zum Stempel 1 verfahren, bis deren untere Stirnfläche 34 am Bund 6 des Stempelkopfs 4 anliegt. Dies erfolgt durch Druckluftzufuhr über die Druckluftleitung 37 und entsprechendes Ausfahren der Kolbenstange 36. Die Wärme des aufgeheizten Stempelkopfs 4 kann nunmehr über die Stirnfläche 34 auf das Kühlelement 28 übertragen und von dort über die Kühlflüssigkeit abgeführt werden, die über die Kuhlflüssigkeitsleitungen 29, 30, 31 im Kreislauf geführt wird. Hierdurch wird der Stempelkopf 4 sehr schnell abgekühlt, was zu einem entsprechend schnellen Erstarren der geschmolzenen Niete 7 führt. Anschließend können sowohl die Kühlelement-Kolbenstange 36 als auch die Pneumatikzylinder-Kolbenstange 10 zurückgefahren werden, was durch entsprechende Druckluftzufuhr über die Druckluftleitungen 38 bzw. 19 erfolgt.
  • Es ist ersichtlich, dass mittels der erfindungsgemäßen Heißstempelnietvorrichtung der Stempelkopf 4 auf sehr schnelle, effektive und gezielte Weise abgekühlt werden kann. Dadurch, dass das Kühlelement 28 den Stempel 1 im Bereich der Heizpatrone 26 umgibt, kann auch der Wärmeverlust an die Umgebung gering gehalten werden. Im Gegensatz zu luftgekühlten Stempeln, bei denen die Stempel 1 mit Luft angeblasen werden und die Luft in die Umgebung entweichen kann, handelt es sich bei der flüssigkeitsgekühlten Heißstempelnietvorrichtung um ein geschlossenes, relativ leises Kühlsystem mit geringem Wärmeverlust an die Umgebung. Zweckmäßigerweise umfasst die erfindungsgemäße Heißstempelnietvorrichtung auch eine Vielzahl nebeneinander liegender Stempel, die individuell angesteuert und auf zugeordnete Niete aufgesetzt werden können. Hierbei ist für jeden Stempel 1 eine individuelle, an die jeweilige Niete 7 optimal angepasste Regelung des Vorschubdrucks und der Temperatur möglich. Die Nietvorgänge können daher auch mit einer hohen Prozesssicherheit weitgehend unabhängig von den herrschenden Umgebungstemperaturen durchgeführt werden.

Claims (7)

  1. Heißstempelnietvorrichtung mit einem temperierbaren Stempel (1), der einen Stempelkopf (4) aufweist, der mit einer aus schmelzbarem Material bestehenden Niete (7) in Druckkontakt bringbar ist, um diese mit Wärme und Druck zu verformen, und mit einer Kühlvorrichtung zum Abkühlen der verformten Niete (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung ein flüssigkeitsgekühltes Kühlelement (28) umfasst, das zwischen einer Kontaktstellung, in der das Kühlelement (28) mit dem Stempelkopf (4) in wärmeleitendem Kontakt ist, und einer Nicht-Kontaktstellung verfahrbar ist, in der das Kühlelement (28) vom Stempelkopf (4) beabstandet ist.
  2. Heißstempelnietvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (28) als Kühlhülse ausgebildet ist, die den Stempel (1) umgibt und relativ zu diesem in dessen Längsrichtung verfahrbar ist.
  3. Heißstempelnietvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (28) am Stempel (1) verschiebbar gelagert ist.
  4. Heißstempelnietvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Innenumfangswand der Kühlhülse und dem Stempel (1) eine temperaturbeständige Isolier- und Führungsbuchse (33) angeordnet ist.
  5. Heißstempelnietvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Stempel (1) ein Pneumatikantrieb (35) vorgesehen ist, der eine mit dem Kühlelement (28) in Wirkverbindung stehende Kolbenstange (36) aufweist.
  6. Heißstempelnietvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (28) mindestens eine innenliegende Flüssigkeitsleitung (29) zum Hindurchführen von Kühlflüssigkeit aufweist.
  7. Heißstempelnietvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (1) einen radial nach außen vorstehenden Bund (6) aufweist, mit dem eine Stirnfläche (34) des Kühlelements (28) in wärmeleitenden Kontakt bringbar ist.
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