DE102013000388B4 - Setzwerkzeug mit einem magnetisierbaren Setzstempel zum vorlochfreien Fügen von Bauteilen mittels Fügeelement, sowie Fügevorrichtung mit solchem Setzwerkzeug und Verfahren zum Betrieb - Google Patents

Setzwerkzeug mit einem magnetisierbaren Setzstempel zum vorlochfreien Fügen von Bauteilen mittels Fügeelement, sowie Fügevorrichtung mit solchem Setzwerkzeug und Verfahren zum Betrieb Download PDF

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Abstract

Setzwerkzeug (130) zum vorlochfreien Fügen von wenigstens zwei Bauteilen (210, 220) mittels Fügeelement (300), das an einer Fügestelle in einer axialen Fügerichtung (D) mit einem stoßartigen Fügeimpuls in die zu fügenden Bauteile (210, 220) eingetrieben wird, wozu dieses Setzwerkzeug (130) einen in der Fügerichtung (D) bewegbaren Setzstempel (132) zur Beaufschlagung des Fügeelements (300) und ein Mundstück (131), durch das hindurch das Fügeelement (300) der Fügestelle zugeführt wird, aufweist, wobei das Mundstück (131) und der Setzstempel (132) derart ausgebildet sind, dass das Fügeelement (300) direkt mit dem Setzstempel (132) durch das Mundstück (131) der Fügestelle zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Magnetisierungseinrichtung (133) für die vorübergehende Magnetisierung des Setzstempels (132) vorgesehen ist, so dass das Fügeelement (300) während des Zuführens zur Fügestelle mittels Magnetkraft direkt an der Stirnfläche des Setzstempels (132) festgehalten werden kann und dass ferner auch eine Entmagnetisierungseinrichtung zur Entmagnetisierung des Setzstempels (132) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Setzwerkzeug zum vorlochfreien Fügen von wenigstens zwei Bauteilen mittels Fügeelement das an einer Fügestelle in einer axialen Fügerichtung mit einem stoßartigen Fügeimpuls in die zu fügenden Bauteile eingetrieben wird, wozu dieses Setzwerkzeug einen in der Fügerichtung bzw. entlang einer Fügeachse bewegbaren Setzstempel zur Beaufschlagung des Fügeelements und ein Mundstück, durch das hindurch das Fügeelement der Fügestelle zugeführt wird, aufweist.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Setzwerkzeugs und eine Fügevorrichtung mit einem solchen Setzwerkzeug.
  • Ein Setzwerkzeug bzw. Setzgerät der eingangs genannten Art dient dem mechanischen Verbinden bzw. Fügen von Bauteilen mit Hilfe wenigstens eines Fügeelements bzw. Fügehilfsteils. Hierzu ist das Setzwerkzeug an einem ersten Rahmenschenkel eines C-förmigen Rahmens befestigt. Am zweiten Rahmenschenkel des C-förmigen Rahmens ist eine dem Setzwerkzeug gegenüberliegende Matrize (auch als Gegenhalter bezeichnet) befestigt. Der C-förmige Rahmen selbst kann an einem Fertigungsroboter angebunden sein. Das Fügen der Bauteile erfolgt an einer vorgesehenen Fügestelle ohne Vorlochen. Hierzu werden die Bauteile sich überlappend zwischen den Rahmenschenkeln des C-förmigen Rahmens positioniert, was eine zweiseitige Fügestellenzugänglichkeit voraussetzt. Anschließend wird das Fügeelement mit dem Setzwerkzeug gegen die Matrize in die zu fügenden Bauteile eingetrieben, wodurch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Fügeverbindung zwischen den Bauteilen herbeigeführt wird.
  • Ist eines der zu fügenden Bauteile aus einem höherfesten Werkstoff gebildet sind hohe Fügekräfte erforderlich, die vom Setzwerkzeug gegen die Matrize aufgebracht werden müssen. Auch andere Randbedingungen können zu hohen Fügekräften führen. Um hohe Fügekräfte erzeugen und aufnehmen zu können, müssen sowohl das Setzwerkzeug als auch der C-förmige Rahmen entsprechend ausgestaltet sein, was sich insbesondere in einem hohen Anlagengewicht bemerkbar macht. Abhilfe bieten hier Fügeverfahren bei denen das Fügeelement mit einem vom Setzwerkzeug erzeugten Fügeimpuls an der Fügestelle mit einer hohen Geschwindigkeit bzw. Auftreffgeschwindigkeit in die zu fügenden Bauteile eindringt, wobei die Fügeverbindung innerhalb weniger Millisekunden ausgebildet wird. Zum Stand der Technik wird auf die Patentschriften DE 10 2005 054 242 A1 und DE 10 2005 038 973 A1 derselben Anmelderin verwiesen.
  • Für einen zuverlässigen Fügevorgang ist es erforderlich, dass das Fügeelement sicher durch das Mundstück hindurch der Fügestelle zugeführt wird. Ein Herausfallen, Verkippen oder andere störende Einflüsse müssen vermieden und ein raumlageunabhängiger (bezüglich der Raumausrichtung) Einsatz des Setzwerkzeugs muss ermöglicht werden. Um dies zu bewerkstelligen sind aus dem Stand der Technik verschiedene Vorgehensweisen bekannt, mit denen jedoch stets Nachteile einhergehen. Bspw. ist es bekannt, im Mundstück und/oder am Fügeelement Führungseinrichtungen vorzusehen. Solche Führungseinrichtungen können zum Abbremsen des Fügeelements vor dem Auftreffen auf die zu fügenden Bauteile oder zum Abrieb einer Elementbeschichtung führen. Ferner werden solche Führungseinrichtungen auf Grund der hohen Setzgeschwindigkeiten stark belastet und unterliegen einem hohen Verschleiß. Des Weiteren erfordern solche Führungseinrichtungen zwangsläufig Bauraum.
  • Aus der Patentschrift DE 195 81 624 C2 und aus der Gebrauchsmusterschrift DE 297 02 834 U1 sind Setzwerkzeuge bekannt, die einen magnetischen oder magnetisierbaren Setzstempel aufweisen, wodurch das Fügeelement am Stempel gehalten und dadurch nicht kippen oder verkanten kann. Diese Setzwerkzeuge sind jedoch prinzipiell nicht zum Fügen mittels stoßartigem Fügeimpuls ausgebildet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Setzwerkzeug der eingangs genannten Art anzugeben, das wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Setzwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit den nebengeordneten Ansprüchen erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf andere mit dem erfindungsgemäßen Setzwerkzeug in Zusammenhang stehende Erfindungsgegenstände, wie nachfolgend noch näher erläutert. Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
  • Das erfindungsgemäße Setzwerkzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mundstück und der Setzstempel derart ausgebildet sind, dass das Fügeelement direkt mit dem Setzstempel durch das Mundstück der Fügestelle zugeführt wird bzw. zugeführt werden kann (bzw. zuführbar ist), und dass ferner wenigstens eine zum Setzwerkzeug gehörende Magnetisierungseinrichtung für die vorübergehende bzw. temporäre Magnetisierung des Setzstempels vorgesehen bzw. umfasst ist, so dass das Fügeelement während des Zuführens zur Fügestelle (durch das Mundstück) mittels Magnetkraft direkt an der Stirnfläche des Setzstempels festgehalten wird bzw. festgehalten werden kann (bzw. festhaltbar ist). Der Setzstempel ist vorzugsweise aus einem magnetisierbaren Werkstoff und insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, wie bspw. einem Stahlwerkstoff, gebildet. Das erfindungsgemäße Setzwerkzeug weist ferner auch eine Entmagnetisierungseinrichtung zur Entmagnetisierung des Setzstempels auf.
  • In anderen Worten heißt dies, dass das erfindungsgemäße Setzwerkzeug wenigstens eine Magnetisierungseinrichtung für die vorübergehende bzw. temporäre Magnetisierung des Setzstempels während eines Fügevorgangs aufweist, wobei ferner der Setzstempel und das Mundstück derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass das Fügeelement direkt mit dem Setzstempel durch das Mundstück der Fügestelle zugeführt werden kann und hierbei zumindest zeitweise und nur mittels Magnetkraft an der Stirnfläche bzw. Stempelstirnfläche des Setzstempels gehalten bzw. festgehalten wird.
  • Das erfindungsgemäße Setzwerkzeug ermöglicht, dass sich das in die Bauteile einzubringende Fügeelement während eines Fügevorgangs und zwar in der Phase vor dem Auftreffen auf die fügenden Bauteile, also beim Zubewegen auf die zu fügenden Bauteile und während des Durchlaufens des insbesondere rohrartig ausgebildeten Mundstücks, an die Stirnfläche des Setzstempels anlegt und aufgrund der zumindest während dieser Zeitspanne bzw. Phase gegebenen Magnetwirkung an der Stirnfläche festgehalten und quasi daran fixiert wird. Währenddessen wird der Setzstempel durch das Mundstück in der axialen Fügerichtung vorwärtsbewegt, wobei der Setzstempel zusammen mit dem Fügeelement ausgehend von einer Ausgangsposition von einem zum Setzwerkzeug gehörenden Stempelantrieb auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird. Der Setzstempel eilt somit nicht voraus, um auf das Fügeelement aufzuschlagen. Dies hat den Vorteil, dass sich auch bei kleinen Beschleunigungsstrecken (bspw. bei kurzen Mundstücken und/oder insgesamt bauraumkleinen Setzwerkzeugen) hohe Fügeimpulse erzeugen lassen. Ferner kann die insgesamt zu beschleunigende Masse gering gehalten werden.
  • Beim Auftreffen auf die zu fügenden Bauteile (genau genommen auf das oberste der zu fügenden Bauteile) weist die gemeinsam beschleunigte Masse eine ausreichende Energie auf, um das Fügeelement mit einem stoßartigen Fügeimpuls in zu fügenden Bauteile einzutreiben. Bevorzugt liegt die Auftreffgeschwindigkeit des Fügeelements im Bereich von 7 m/s [Meter pro Sekunde] bis 100 m/s. Auf diese Weise können insbesondere auch Bauteile aus höherfesten Werkstoffen ohne Vorlochen miteinander gefügt werden, wie nachfolgend noch näher dargelegt. Die zu fügenden Bauteile können, je nach Verfahrensvariante, an der Fügestelle von dem Fügeelement durchdrungen oder nur teilweise durchdrungen werden. Durch den Auftreffstoß wird der Setzstempel abgebremst. Alternativ oder ergänzend hierzu können dämpfende Anschlagmittel (bspw. Elastomerdämpfer) am Setzwerkzeug vorgesehen sein, die den Setzstempel, insbesondere schon vor dem Auftreffen des Fügeelements auf die zu fügenden Bauteile, abbremsen können, um bspw. eine Bauteilbeschädigung zu vermeiden und Schlaggeräusche zu minimieren. Der mit der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung ausführbare Fügevorgang ist einstufig. Ein Nageln (bspw. ein Stanznageln oder dergleichen) mit mehreren aufeinanderfolgenden Stößen (mittels Hammer- oder Schlagmechanismus oder dergleichen) ist nicht vorgesehen, sondern eine quasi schussartige Arbeitsweise.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Magnetisierung des Setzstempels bzw. die Stempelmagnetisierung beginnt, bevor der Setzstempel beschleunigt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Magnetisierung des Setzstempels beim Beschleunigen durch das Mundstück aufrecht erhalten bleibt, insbesondere bis zum Eindringen des Fügeelements in die zu fügenden Bauteile. Alternativ kann die Stempelmagnetisierung während der Stempelbeschleunigung auch ausgeschaltet oder zumindest zeitweise ausgeschaltet werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Stempelmagnetisierung beim Auftreffen des Fügeelements auf die zu fügenden Bauteile oder danach ausgeschaltet wird. Dies kann z. B. über eine in geeigneter Weise positionierte Sensorik (umfassend einen oder mehrere Messsensoren) erfasst und von einer Steuereinrichtung eingeleitet werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Stempelmagnetisierung beim Zurückbewegen des Setzstempels ausgeschaltet und der Setzstempel somit nicht mehr magnetisch ist. Letzteres ist vorteilig, um bspw. keine Metallspäne, Metallabrieb oder dergleichen in das Mundstück einzuziehen.
  • Das erfindungsgemäße Setzwerkzeug kommt ohne Führungseinrichtungen aus, womit die damit einhergehenden Nachteile entfallen. Besonders vorteilig ist die Einsparung von Bauraum. Durch den Entfall von Führungseinrichtungen kann das Mundstück klein und verhältnismäßig dünn, d. h. mit geringem Durchmesser, ausgestaltet werden, wodurch die Zugänglichkeit des Setzwerkzeugs oder auch der gesamten Fügevorrichtung zur Fügestelle, insbesondere an oder in Fahrzeugkarosserien, verbessert oder überhaupt erst ermöglicht wird. Die Fügestelle ist somit einfacher zu erreichen oder es können Fügestellen erreicht werden, die mit Setzwerkzeugen aus dem Stand der Technik nicht erreichbar sind.
  • Das erfindungsgemäße Setzwerkzeug kann mit verschiedenen Fügeelementarten betrieben werden, wobei das Setzwerkzeug dementsprechend ausgestaltet ist. Bei einem Fügeelement handelt es sich insbesondere um einen Niet, insbesondere einen Vollstanzniet oder Hohlstanzniet, ein Widerstandsschweißelement, ein nagelähnliches Fügeelement oder dergleichen. Das Fügeelement ist aus einem magnetisierbaren Werkstoff und insbesondere aus einem Stahlwerkstoff gebildet.
  • Bei den zu fügenden Bauteilen handelt es sich bspw. um (metallische) Blechbauteile oder blechähnliche Bauteile aus Kunststoff und Kunststoffverbundmaterial (bspw. CFK), metallische und nicht-metallische Profilteile, Metallgussteile, Kunststoffgussteile und dergleichen, in beliebiger Kombination (Mischbau). Insbesondere handelt es sich um Karosseriebauteile für eine Fahrzeugkarosserie. Die Erfindung ermöglicht eine großserientaugliche Mischbaufügetechnik mit kurzen Taktzeiten. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Bauteile zusätzlich miteinander verklebt werden. An einer Fügestelle können zwei oder mehr Bauteile mit einem Fügeelement gefügt werden. Das erfindungsgemäße Setzwerkzeug kann auch zum mechanischen Anbinden eines Fügeelements an einem einzelnen Bauteil verwendet werden, bspw. zum Einstanzen einer Stanzmutter, eines Stanzbolzens oder dergleichen.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass wenigstens eines der zu fügenden Bauteile aus einem höherfesten Werkstoff und insbesondere aus einem höherfesten Stahlblechmaterial, wie bspw. einem pressgehärteten Stahlblech, gebildet ist. Unter einem höherfesten Werkstoff wird vorrangig ein Werkstoff verstanden, der eine Zugfestigkeit von mindestens 800 MPa und insbesondere von mindestens 1000 MPa aufweist. Ein pressgehärtetes Stahlblechmaterial kann eine Zugfestigkeit von bis zu 1500 MPa und mehr aufweisen.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist in der raumlageunabhängigen Fügeelementführung durch den Setzstempel zu sehen. D. h., dass Setzwerkzeug kann beliebig bewegt und verschwenkt und insbesondere auch dynamisch bewegt und verschwenkt werden, ohne dass das Fügeelement den magnetisch erzeugten Berührungskontakt mit der Stempelstirnfläche verliert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist in der gegebenen Unabhängigkeit im Hinblick auf die Werkstoffe der zu fügenden Bauteile und die erzielbaren extrem kurzen Prozesszeiten zu sehen, was zu kurzen Taktzeiten führt. Diese Faktoren begünstigen den bevorzugten Einsatz im Großserienmaßstab.
  • Das Fügeelement wird mit dem Setzstempel beschleunigt und mit Kraft und Geschwindigkeit und mit einem daraus resultierenden Fügeimpuls beaufschlagt. Zur Beschleunigung des Setzstempels weist das Setzwerkzeug eine Krafterzeugungseinrichtung bzw. einen Stempelantrieb auf. Hierbei kann es sich bspw. um einen luftdruckbetriebenen, explosionsbetriebenen, magnetisch und/oder elektromotorisch betriebenen Stempelantrieb handeln. Die Magnetisierungseinrichtung für die vorübergehende Magnetisierung des Setzstempels dient nicht dem Antrieb des Setzstempels und soll den von der Krafterzeugungseinrichtung bewerkstelligten Antrieb auch nicht hemmen. D. h., die Magnetisierungseinrichtung für die vorübergehende Magnetisierung des Setzstempels hat keine Antriebsfunktion bzw. -wirkung. Gleichwohl sind Ausführungsmöglichkeiten denkbar, in denen die Magnetisierungseinrichtung auch eine Antriebsfunktion für den Setzstempel haben kann.
  • Bei der Magnetisierungseinrichtung handelt es sich insbesondere um eine elektromagnetische Einrichtung. Eine elektromagnetische Einrichtung ist verschleißfrei und störungsunanfällig. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Magnetisierungseinrichtung eine Spuleneinrichtung ist, die den Setzstempel entlang eines axialen Abschnitts umgibt, wobei der Setzstempel in axialer Fügerichtung relativbeweglich zu dieser Spuleneinrichtung ist. Eine solche Spuleneinrichtung ist insbesondere eine Zylinderspule mit Luftkern, wobei der Setzstempel relativbeweglich im Luftkern angeordnet ist.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Setzwerkzeug eine Zuführeinrichtung für die vereinzelte Zuführung der Fügeelemente aufweist, mit der jeweils ein Fügelement aus seitlicher Richtung, d. h. quer zur Fügeachse, in das insbesondere rohrartig ausgebildete Mundstück eingeführt und dort direkt und positionsgenau an der Stirnfläche des Setzstempels positioniert wird bzw. positioniert werden kann. Die Zuführung des als nächstes zu verwendenden Fügeelements erfolgt insbesondere dann, wenn sich der Setzstempel in seiner zurückgezogenen Ausgangsposition befindet, wobei die seitliche Zuführung direkt im Bereich der Stirnfläche erfolgt. Insbesondere ist vorgesehen, dass das mit der Zuführeinrichtung zugeführte Fügeelement durch die Stempelmagnetisierung vom Setzstempel magnetisch angezogen wird und sich mit seinem Fügeelementkopf an dessen Stirnfläche bzw. Stirnseite anlegt und daran gehalten bzw. festgehalten wird, sobald sich dieses im Bereich der Stirnfläche befindet.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Setzwerkzeug ein langes rohrartiges Mundstück aufweist. Dementsprechend ist insbesondere auch der durch das lange rohrartige Mundstück längsbewegbare Setzstempel lang ausgebildet. Unter einem „langen” Mundstück wird vorrangig ein rohrartiges Mundstück verstanden, dessen axiale Länge (wobei die Längsachse im Wesentlichen der Fügeachse entspricht) einem Vielfachen der axialen Länge des Fügeelements entspricht. Insbesondere ist vorgesehen, dass die axiale Länge des rohrartigen Mundstücks wenigstens einem 10-fachen, bevorzugt wenigstens einem 20-fachen, besonders bevorzugt wenigstens einem 30-fachen und insbesondere wenigstens einem 50-fachen der axialen Länge des Fügeelements entspricht. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Fügeelement „kurz” ausgebildet ist, womit insbesondere eine axiale Länge von ≤ 10 mm verstanden wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass dieses rohrartige Mundstück führungsmittelfrei bzw. führungseinrichtungsfrei ausgebildet ist.
  • Da das rohrartige Mundstück ohne Führungseinrichtungen für das Fügeelement auskommt, kann dieses mit verhältnismäßig geringem Durchmesser und kleiner Wandstärke ausgebildet werden, wodurch sich Gewichtsvorteile und eine verbesserte Zugänglichkeit zur Fügestelle ergeben. Da kaum Verschleißerscheinungen am rohrartigen Mundstück auftreten, besteht für das Mundstück eine breite Werkstoffauswahl. Somit kann das rohrartige Mundstück insbesondere auch aus einem gewichtsgünstigen Werkstoff gebildet sein.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass das zum Fügen verwendete Fügeelement ein niedriges Längen-Breiten-Verhältnis aufweist, wobei das Längen-Breiten-Verhältnis des Fügeelements vorzugsweise ≤ 1,5 und insbesondere ≤ 1 ist, und wobei ferner insbesondere vorgesehen ist, dass die axiale Länge des Fügeelements 10 mm oder weniger (≤ 10 mm) beträgt. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Fügeelement einen Fügeelementschaft und einen Fügeelementkopf aufweist, wobei sich das Längen-Breiten-Verhältnis auf den Kopfdurchmesser des Fügeelementkopfs und die gesamte axiale Länge des Fügeelements (d. h. Fügeelementkopf und Fügeelementschaft) bezieht. Ein Fügeelement mit einem geringen bzw. niedrigen Längen-Breiten-Verhältnis kann auch als „kurzes” Fügeelement bezeichnet werden.
  • Da das Fügeelement, insbesondere mit seinem Fügeelementkopf, direkt mit dem Setzstempel durch das Mundstück geführt wird und hierbei am Setzstempel gehalten bzw. festgehalten wird, ermöglicht die Erfindung eine Kombination von „langem” Mundstück und „kurzem” Fügeelement. Obwohl weder am bzw. im rohrartigen Mundstück noch am Fügeelement Führungseinrichtungen oder dergleichen vorgesehen sind, kommt es auch bei hohen Stempelgeschwindigkeiten zu keinem Verdrehen, Verkippen oder Verkanten des Fügeelements im Mundstück. Ein solches Verkippen könnte zu einer Fehlfügung, zu einem Ausschuss durch Beschädigung der gefügten Bauteile und/oder zu einer Beschädigung Setzwerkzeugs führen.
  • Das erfindungsgemäße Setzwerkzeug weist auch eine Entmagnetisierungseinrichtung zur Entmagnetisierung des Setzstempels auf. Insbesondere ist vorgesehen, dass es sich bei dieser Entmagnetisierungseinrichtung um die Magnetisierungseinrichtung zur vorübergehenden Magnetisierung des Setzstempels handelt, die mit einer geeigneten Entmagnetisierungsfunktionalität ausgestattet ist. Mit einer solchen Entmagnetisierungseinrichtung kann die Gefahr der magnetischen Verunreinigung des Setzstempels verringert werden, insbesondere dann, wenn der Werkstoff des Setzstempels eine hohe Permeabilität aufweist und der Setzstempel auch noch nach dem Ausschalten der Magnetisierungseinrichtung eine Restmagnetisierung aufzeigt.
  • Besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass der Setzstempel zum Entmagnetisieren einem von der Entmagnetisierungseinrichtung erzeugten Magnetfeld ausgesetzt wird, wobei dieses Magnetfeld ausgehend von der Magnetfeldstärke zum Magnetisieren des Setzstempels stetig schwächer wird und alternierend die Feldrichtung wechselt. Dies kann von einer Steuereinrichtung gesteuert und/oder geregelt werden. Ferner kann die aktuelle Magnetfeldstärke mit einer Sensorik erfasst und der Steuereinrichtung übermittelt werden. Es ist möglich ein Entmagnetisieren nach einer beliebigen Anzahl von Setzvorgängen oder nach jedem Setzvorgang durchzuführen. Ferner kann ein Entmagnetisieren bei Bedarf durchgeführt werden, was bspw. anhand der Sensorik erfasst werden kann. Die Verfahrensweise zum Entmagnetisieren ist Gegenstand eines nebengeordneten Anspruchs.
  • Gegenstand eines weiteren nebengeordneten Anspruchs ist eine erfindungsgemäße Fügevorrichtung zum vorlochfreien Fügen von wenigstens zwei Bauteilen mittels Fügeelement das in einer axialen Fügerichtung mit einem stoßartigen Fügeimpuls in die zu fügenden Bauteile eingetrieben wird. Die Fügvorrichtung ist mit einem C-förmigen Rahmen ausgebildet, der zwei sich gegenüberliegende Rahmenschenkel aufweist, zwischen denen die zu fügenden Bauteile zum Fügen positioniert werden. An einem dieser Rahmenschenkel ist ein erfindungsgemäßes Setzwerkzeug angeordnet. An dem anderen Rahmenschenkel ist eine dem Setzwerkzeug gegenüberliegende und mit dem Setzwerkzeug korrespondierende Matrize angeordnet. Das Setzwerkzeug und die Matrize sind auf einer Fügeachse fluchtend zueinander ausgerichtet.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass diese Fügevorrichtung für die Anbindung an eine Handhabungseinrichtung wie insbesondere einen Mehrachs-Fertigungsroboter vorgesehen ist und ein entsprechendes Anschlusselement bzw. einen Flanschabschnitt oder dergleichen aufweist.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der C-förmige Rahmen der Fügevorrichtung ein Leichtbau-C-Rahmen ist, der bspw. eine besonders leichte Fachwerkkonstruktion bzw. -struktur und/oder Rahmenteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) aufweist. Ferner können bedingt auch „weiche” C-Rahmen bzw. C-Bügel eingesetzt werden.
  • Die Fügevorrichtung kann an einer Handhabungsvorrichtung, wobei es sich insbesondere um einen Mehrachs-Fertigungsroboter handelt, angebunden sein, um diese mit der Vorrichtung bzw. dem Fertigungsroboter im Raum bewegen und zwischen einzelnen Fügestellungen verfahren zu können. Da die Fügevorrichtung leicht und handlich ist, werden schnelle Bewegungen und hohe Beschleunigungen bzw. Verzögerungen ermöglicht. Ferner kann die Handhabungsvorrichtung bzw. der Fertigungsroboter mit verhältnismäßig klein dimensionierten Antriebsaggregaten (hinsichtlich Baugröße und Leistung bzw. Energieaufnahme) ausgestattet sein. Auch der erforderliche Platz- bzw. Raumbedarf fällt verhältnismäßig gering aus.
  • Ferner kann wenigstens eine Steuereinrichtung zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Setzwerkzeugs und/oder einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung vorgesehen sein. Mit dieser Steuereinrichtung können, insbesondere softwarebasiert, einzelne oder alle Vorgänge bzw. Abläufe gesteuert werden, so dass diese Vorgänge automatisiert ausgeführt werden und insbesondere auch überwacht werden können. Insbesondere ist auch eine automatisierte und vorzugsweise von dieser Steuereinrichtung bewerkstelligte Prozessüberwachung und Kontrolle, insbesondere des Fügevorgangs und insbesondere bevorzugt des Setzvorgangs, vorgesehen. Eine Möglichkeit zur Prozessüberwachung und Kontrolle wird nachfolgend noch näher erläutert.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung mit Bezug auf die Figuren. Die hierbei mit Bezug auf die schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren verwendeten Richtungsangaben sind nur beispielhaft und können von realen Gegebenheiten abweichen. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein. Ferner sind die Merkmale der gezeigten und/oder erläuterten Ausführungsmöglichkeiten im Rahmen der Erfindung kombinierbar.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Fügevorrichtung in einer perspektivischen Ansicht.
  • 2 zeigt eine andere Ausführungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung mit Fachwerkrahmen in einer Seitenansicht.
  • 3 zeigt ein an der Fügevorrichtung gemäß 1 oder 2 verbautes erfindungsgemäßes Setzwerkzeug in einer perspektivischen Draufsicht.
  • 4 zeigt das Setzwerkzeug aus 3 in einer Schnittansicht.
  • 5 veranschaulicht in einem Diagramm die Entmagnetisierung des zum Setzwerkzeug gemäß 3 und 4 gehörenden Setzstempels.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Fügevorrichtung 100, die einen C-förmigen Rahmen 110 mit zwei sich gegenüberliegenden Rahmenschenkeln 112 und 114 aufweist. Mit 120 ist ein Flanschabschnitt zur Anbindung der Fügevorrichtung 100 an einen nicht gezeigten Fertigungsroboter bezeichnet. Ein solcher Flanschabschnitt kann auch an einem der Rahmenschenkel 112 oder 114 vorgesehen sein. Am oberen Rahmenschenkel 114 ist ein Setzwerkzeug bzw. Setzgerät 130 mit einem rohrartigen Mundstück bzw. Setzstempelmantel 131 angeordnet. Am gegenüberliegenden unteren Rahmenschenkel 112 ist eine mit dem Setzwerkzeug 130 korrespondierende Matrize 150 angeordnet. Die Fügeachse ist mit L bezeichnet. Die axiale Fügerichtung ist mit D angegeben.
  • Die Fügevorrichtung 100 dient dem mechanischen Fügen bzw. Verbinden von zwei (oder mehr) sich überlappenden Bauteilen 210 und 220 mit dem Fügeelement 300. Das Fügeelement 300 ist in axialer Richtung L „kurz” (gemäß oben genannter Definition) ausgebildet und weist einen Fügeelementschaft und einen hiervon in radialer Richtung überstehenden Fügeelementkopf 310 auf. Zum Fügen werden die zu fügenden Bauteile 210 und 220 zwischen den Rahmenschenkeln 112 und 114 positioniert und an der Fügestelle mit dem Mundstück 131 des Setzwerkzeugs 130 gegen die Matrize 150 fixiert, was eine zweiseitige Fügestellenzugänglichkeit voraussetzt. Bei der Verwendung von Klebstoffen wird dieser dabei verpresst. Das rohrartige Mundstück 131 dient quasi als Niederhalter. Gegebenenfalls kann ein separater Niederhalter zum Fixieren der Bauteile 210 und 220 an der Fügestelle vorgesehen sein.
  • Anschließend, d. h. erst nach dem das Mundstück 131 mit seiner Mundstücköffnung 131a (siehe 3) auf dem oberen der zu fügenden Bauteile 210 aufsitzt, wird im Setzwerkzeug 130 das Fügeelement 300 mit einem Setzstempel 132 (siehe 4) in der Fügerichtung D durch das Mundstück 131 hindurch beschleunigt und dringt mit hoher Geschwindigkeit und einem damit einhergehenden hohen Fügeimpuls in die zu fügenden Bauteile 210 und 220 ein, wobei innerhalb weniger Millisekunden, gegebenenfalls auch in weniger als einer Millisekunde, eine formschlüssige Fügeverbindung herbeigeführt wird. Durch Verfahren der Fügevorrichtung 100 können auf gleiche Weise an anderen Fügestellen weitere Fügeverbindungen zwischen den Bauteilen 210 und 220 erzeugt werden.
  • Das Fügen mit einem kraftimpulsbeaufschlagtem Fügeelement 300 ermöglicht es, die Fügevorrichtung 100 mit einem verhältnismäßig leichten Rahmen 110 auszustatten. Der C-förmige Rahmen 110 muss im Mindesten so konzipiert sein, dass dieser die beim Aufsetzen des Mundstücks 131 zum Fixieren der Bauteile 210 und 220 gegen die Matrize 150 wirkende statische Fixierkraft, die verhältnismäßig gering ist und bspw. im Bereich bis zu 9 kN liegen kann, weitgehend verformungsfrei aufnehmen kann. Der Rahmen 110 muss jedoch keine statischen Fügekräfte aufnehmen, die sehr hoch sein können. Der Rahmen 110 kann daher auch als Leichtbau-C-Rahmen ausgebildet sein. Ein solcher Leichtbaurahmen kann zumindest teilweise aus Leichtbauwerkstoffen, wie bspw. Aluminium oder faserverstärkten Kunststoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK), gebildet sein. Auch Gusslegierungen, die zuweilen sehr gute schwingungsdämpfende Eigenschaften aufweisen, können verwendet werden. D. h., der C-förmige Rahmen könnte z. B. zumindest teilweise auch aus einer Aluminium- und/oder Magnesiumgusslegierung gebildet sein.
  • 2 zeigt einen C-förmigen Rahmen 110 mit einer Fachwerkstruktur der sich für die Erfindung besonders gut eignet. Der Fachwerkrahmen 110 ist sehr leicht und dennoch ausreichend steif. Bei dem Fachwerkrahmen 110 sind die Rahmenschenkel 112 und 114 jeweils aus zwei Streben gebildet. Das Setzwerkzeug 130 ist mit einem Linearstellantrieb bzw. einer verfahrbaren Zustelleinheit 140 am oberen Rahmenschenkel 114 befestigt. Mit der Zustelleinheit 140 kann das Setzwerkzeug 130 in axialer Richtung L bewegt werden, um das rohrartige Mundstück 131 auf die zwischen den Rahmenschenkeln 112 und 114 befindlichen und zu fügenden Bauteile 210/220 aufzusetzen und an der Fügestelle eine Fixierkraft bzw. Niederhalterkraft zu erzeugen, um eine Vorfixierung der Bauteile 210/220 für den nachfolgenden Fügevorgang herbeizuführen. Mit 160 ist eine Matrizenhalterung bzw. -aufnahme zur mittelbaren Anordnung bzw. Befestigung der Matrize 150 am matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 bezeichnet. Die Matrize 150 kann einstückig mit dem Matrizenhalter 160 ausgebildet sein. Ein bedeutender Vorteil der in 2 gezeigten Fügevorrichtung ist deren geringes Gewicht, was zu einem geringen Anlagengewicht (umfassend Fertigungsroboter, Fügevorrichtung und gegebenenfalls Zusatzkomponenten) beiträgt. Weiterhin wird eine gute und insbesondere auch flinke Handhabung, insbesondere an einem Fertigungsroboter, ermöglicht.
  • 3 zeigt das Setzwerkzeug 130. Das Setzwerkzeug 130 weist ein Mundstück 131 mit einer Mundstücköffnung 131a auf, durch das hindurch das an der Fügestelle in die zu fügenden Bauteile 210/220 einzubringende Fügeelement 300 der Fügestelle zugeführt wird, nachdem das Mundstück 131 kraftbeaufschlagt direkt gegen das obere Bauteil 210 gedrückt wird, um die Fixierung der Bauteile 210/220 für den nachfolgenden Setzvorgang (Phase des Einbringens des Fügeelements in die Bauteile) herbeizuführen. Anschließend wird das Fügeelement 300 direkt, d. h. ohne dazwischen angeordneten Schlagbolzen oder dergleichen, mit einem in axialer Fügerichtung L beweglichen Setzstempel (siehe 4) in der Fügerichtung D durch das Mundstück 131 hindurch beschleunigt und dringt mit hoher Geschwindigkeit und einem damit einhergehenden hohen Fügeimpuls in die zu fügenden Bauteile 210/220 ein. Abhängig vom konkreten Anwendungsfall und insbesondere im Hinblick auf eine erforderliche Zugänglichkeit zur Fügestelle kann das rohrartige Mundstück 131 in axialer Richtung L lang (gemäß oben genannter Definition) ausgebildet sein, wobei dann der Setzstempel korrespondierend hierzu ebenfalls lang ausgebildet ist.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich das Fügeelement 300 beim Durchlaufen des Mundstücks 131 in der Fügerichtung D aufgrund einer vorübergehenden Magnetisierung des Setzstempels mit seinem Fügeelementkopf 310 an die Stirnfläche des Setzstempels anlegt und auf diese Weise zuverlässig an der Stirnfläche festgehalten und quasi daran fixiert wird. Hierdurch kann auf Führungseinrichtungen im Setzwerkzeug 130 und insbesondere im Mundstück 131 und/oder am Fügeelement 300 verzichtet werden. Ferner ergibt sich eine Unabhängigkeit sowohl gegenüber der momentanen Raumausrichtung des Setzwerkzeugs 130 als auch gegenüber Beschleunigungen und Verzögerungen bei zeitgleichen Verfahrbewegungen der Fügevorrichtung 100. Um eine vorübergehende Magnetisierung des Setzstempels zu erreichen, ist das Setzwerkzeug 130 mit wenigstens einer Magnetisierungseinrichtung ausgestattet. Dies wird nachfolgend anhand der 4 erläutert.
  • 4 zeigt einen Schnitt durch das Setzwerkzeug 130. Mit 132 ist der axialbewegliche Setzstempel bezeichnet. Der Setzstempel 132 ist entlang eines axialen Abschnitts von einer als Zylinderspule 133 ausgebildeten Magnetisierungseinrichtung umgeben und kann sich in axialer Richtung L kolbenartig in dieser Zylinderspule 133 (auf- und abwärts) bewegen. Die Bewegung und Kraftbeaufschlagung des Setzstempels 132 erfolgt mit einem Stempelantrieb 136 (konstruktive Details sind nicht dargestellt). Mit 134 ist ein Spulenhalter bezeichnet. Der Setzstempel 132 ist aus einem metallischen Werkstoff und insbesondere aus einem Stahlwerkstoff gebildet. Der Spulenhalter 134 kann aus einem Edelstahl oder aus einem Kunststoff gebildet sein. Zwischen Spulenhalter 134 und Setzstempel 132 befindet sich ein Luftspalt 135. Mit 137 sind Gehäuse- und Lagerteile bezeichnet. Das rohrartige Mundstück 131 ist unbeweglich am Gehäuse 137 befestigt.
  • Durch Bestromen der Zylinderspule 133 wird der durch die Zylinderspule 133 beweglich geführte Setzstempel 132 magnetisiert. Die Magnetisierung des Setzstempels 132 bleibt solange aufrecht erhalten, wie Strom durch die Zylinderspule 133 fließt, auch dann, wenn sich der axial bewegliche Setzstempel 132 relativ zur feststehenden Spuleneinrichtung bzw. Zylinderspule 133 bewegt. Die mit der Zylinderspule 133 herbeigeführte Magnetisierung hat keinen nennenswerten Einfluss auf die vom Stempelantrieb 136 bewerkstelligte axiale Bewegung und/oder Kraftbeaufschlagung des Setzstempels 132.
  • Die mit der Zylinderspule 133 herbeigeführte Magnetisierung des Setzstempels 132 führt dazu, dass ein im Mundstück 131 befindliches Fügeelement 300 durch die wirksame Magnetkraft mit seinem Kopf bzw. Kopfabschnitt 310 an der vom Stempelantrieb 136 wegweisenden unteren Stirnfläche des Setzstempels 132 festgehalten und quasi daran fixiert wird, auch dann, wenn sich der Setzstempel 132 in axialer Richtung L durch das Mundstück 131 bewegt, um das Fügeelement 300 in die zu fügenden Bauteile 210/220 einzutreiben. Die Führung des Fügeelements 300 wird dann quasi direkt durch den Setzstempel 132 bewerkstelligt, so dass gesonderte Führungseinrichtungen bzw. -elemente, insbesondere im Mundstück 131, nicht erforderlich sind. Das rohrartige Mundstück 131 kann daher mit einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser ausgebildet sein.
  • Bei der in 4 gezeigten Darstellung befindet sich der Setzstempel 132 in einer Ausgangsposition bzw. Ausgangslage, aus der heraus dieser, durch den Antrieb 136 beaufschlagt, entlang der Fügeachse L in der Fügerichtung D (nach unten) bewegt werden kann, um ein Fügeelement 300 in die zu fügenden Bauteile 210/220 einzutreiben bzw. einzustoßen, wie vorausgehend erläutert. Die vereinzelte Zuführung bzw. Elementzuführung eines in die Bauteile 210/220 einzutreibenden Fügeelements 300 erfolgt in seitlicher Richtung, d. h. quer zur Fügeachse L, was bspw. mit einem Drehrad oder Drehteller 138 (siehe 3) bewerkstelligt werden kann. Alternativ kann auch ein Querschieber oder eine sonstige Zuführeinrichtung eingesetzt werden.
  • Mit der Zuführeinrichtung 138 wird das als nächstes zu verwendende Fügeelement 300 aus seitlicher Richtung direkt und positionsgenau an der Stirnfläche des Setzstempels 132, d. h. gemäß Darstellung in 4 exakt unter dem Setzstempel 132, positioniert, wenn sich der Setzstempel in der Ausgangsposition befindet. Hierbei kommt das Fügeelement 300 sofort mit der Stirnfläche des Setzstempels 132 in Berührungskontakt. Die Zylinderspule 133 wird exakt dann eingeschaltet bzw. bestromt, wenn sich das Fügeelement 300 an der Stirnfläche des Setzstempels 132 befindet (gegebenenfalls auch kurz vorher). Ein Sperrmechanismus oder dergleichen, der das Fügeelement 300 am Einfallen in das Mundstückrohr 131 hindert, ist somit nicht erforderlich. Der über die Zylinderspule 133 magnetisierte Setzstempel 132 zieht das zugeführte Fügeelement 300 an, wodurch sich dieses mit seinem Kopfabschnitt 310 an die Stempelstirnfläche anlegt und über die wirksame Magnetkraft daran festgehalten wird. Nun kann die Fügevorrichtung 100 beliebig geschwenkt werden, ohne dass das Fügeelement 300 den Kontakt zur Stempelstirnfläche verliert.
  • Durch das seitliche Zuführen des Fügeelements 300 am gehäuseseitigen oberen Ende (bzw. an dem von der Mundstücköffnung 131a abgewandten oberen axialen Ende) des rohrartigen Mundstücks 131 befindet sich das zugeführte und am Setzstempel 132 festgehaltene Fügeelement 300 in einer von der Mundstücköffnung 131a entfernten Position, was vorteilig ist, solange das Mundstück 131 noch nicht mit dem oberen der zu fügenden Bauteile 210 in Kontakt gebracht wurde.
  • Eine Zuführung des Fügeelements 300 in axialer Richtung L durch die Mundstücksöffnung 131a wäre insbesondere bei einem „langen” Mundstück 131 unmöglich oder mit einem erheblichen Aufwand und/oder langen Taktzeiten verbunden. Dass das Fügeelement 300 aus einer seitlichen Richtung bzw. quer zur Fügeachse L und direkt an bzw. in unmittelbarer Nähe zur Stirnfläche des in Ausgangsposition befindlichen Setzstempels 132 in das Mundstück 131 eingeführt bzw. diesem zugeführt wird, begünstigt eine „lange” Ausführung des rohrartigen Mundstücks 131. Die seitliche Zuführung begünstigt oder ermöglicht somit den Einsatz bzw. die Verwendung eines langen Mundstücks 131, insbesondere in Kombination mit „kurzen” Fügeelementen 300, wobei das Mundstück 131, insbesondere wegen der nicht erforderlichen Führungseinrichtungen für das Fügeelement 300, dünn ausgebildet bzw. einen kleinen Durchmesser aufweisen kann, was außer einem Gewichtsvorteil auch den Vorteil eines guten Zugangs zu verbauten oder verwinkelten Fügestellen mit enger Zugänglichkeit mit sich bringt.
  • Indem das Fügeelement 300 seitlich in das Mundstück 131 eingeführt und direkt an die Stirnfläche des Setzstempels 132 herangeführt wird, kann ferner, ausgehend von der Ausgangslage des Setzstempels 132, eine direkte Führung des Fügeelements 300 mit dem Setzstempel 132 durch das gesamte Mundstück 131 hindurch bewerkstelligt werden, bis das Fügeelement 300 an der Mundstücköffnung 131a mit hoher Auftreffgeschwindigkeit auf das obere der zu fügenden Bauteile 210 auftrifft. Wegen der direkten Führung des Fügeelements 300 mit dem magnetisierten Setzstempel 132 ist die Innenwandung des Mundstücks 131 keinem nennenswerten Verschleiß ausgesetzt, so dass das Mundstück 131 bspw. auch aus Leichtmetall oder Kunststoff gebildet sein kann. Damit kann, insbesondere bei einem langen Mundstück 131, die Masse bzw. das Gewicht gering gehalten werden.
  • Aufgrund der direkten Führung des Fügeelements 300 mit dem magnetisierten Setzstempel 132 sind auch hohe Stempelgeschwindigkeiten bzw. Bewegungsgeschwindigkeiten des Fügeelements 300 durch das Mundstück 131 unproblematisch. Insbesondere bei einem langen Mundstück 131 und einem damit einhergehenden langen Stempel 132 sind hohe Stempelgeschwindigkeiten von Vorteil, vor allem im Hinblick auf kurze Taktzeiten.
  • Das Ein- und Ausschalten der Zylinderspule 133 kann von einer Steuereinrichtung (wie bspw. einem Computer, einer NC-Steuerung oder dergleichen) bewerkstelligt werden, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Steuerung durch eine Sensorik, die bspw. die momentane Position des Setzstempels 132 oder eine momentane Feldstärke des von der Zylinderspule 133 erzeugten Magnetfelds erfasst, unterstützt wird. Die Magnetisierung des Setzstempels 132 kann bis zum Auftreffen des Fügeelements 300 auf die zu fügenden Bauteile 210/220 oder auch länger aufrecht erhalten werden. Alternativ kann die Stempelmagnetisierung während der Stempelbeschleunigung bzw. während der Bewegung des Setzstempels 132 durch das Mundstück 131 auch ausgeschaltet oder zeitweise ausgeschaltet werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Stempelmagnetisierung beim Zurückbewegen des Setzstempels 132 (nach oben) in die Ausgangsposition ausgeschaltet wird. Letzteres ist vorteilig, um Energie zu sparen und das Einziehen von Metallspäne, Metallabrieb oder dergleichen in das Mundstück 131 zu verhindern.
  • Insbesondere dann, wenn der Werkstoff des Setzstempels 132 eine hohe Permeabilität aufweist, kann dessen Magnetisierung auch nach dem Ausschalten der Zylinderspule 133 erhalten bleiben. Um diesen Effekt und die damit einhergehende Gefahr von Verunreinigungen des Setzwerkzeugs 130 und insbesondere des Setzstempels 132 durch angezogene Späne (Abrieb von den Bauteilen und/oder den Fügeelementen) und andere magnetisierbare Verschmutzungen abzustellen, kann der Setzstempel 132 zur Entmagnetisierung einem schwächer werdenden Magnetfeld mit wechselnder Feldrichtung (Wechselfeld) ausgesetzt werden. Zur Erzeugung des Wechselfelds und der damit bewirkten Entmagnetisierung des Setzstempels 132 (Stempelentmagnetisierung) kann die Zylinderspule 133 als Entmagnetisierungseinrichtung genutzt werden. Die Spuleneinrichtung bzw. Zylinderspule 133 fungiert somit auch als Entmagnetisierungseinrichtung. Ebenso kann eine separate Entmagnetisierungseinrichtung eingesetzt werden.
  • Das mit der Zylinderspule 133 zur Entmagnetisierung des Setzstempels 132 erzeugte magnetische Wechselfeld ist in 5 veranschaulicht. 5 zeigt den Verlauf E(t) der Magnetfeldstärke E über der Zeit t. Zu Beginn der Entmagnetisierung sollte die Magnetfeldstärke zumindest annähernd der Magnetfeldstärke E0 für die Magnetisierung des Setzstempels 132 entsprechen und dann stetig oder sukzessive abnehmen (d. h. E(t) gegen 0), was mit der Hüllkurve H veranschaulicht ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine solche Entmagnetisierung des Setzstempels 132 nach dem Setzvorgang und insbesondere vor oder während des Zurückbewegens des Setzstempels 132 in die Ausgangsposition erfolgt. Eine Entmagnetisierung des Setzstempels 132 kann nach Bedarf (bspw. anhand von Sensormessung), nach jedem Setzvorgang, nach einer bestimmten Anzahl von Setzvorgängen (bspw. nach jedem dritten, fünften oder zehnten Setzvorgang) oder nach einer unbestimmten bzw. zufälligen Anzahl von Setzvorgängen erfolgen. Zur Innenreinigung des Mundstücks 131 kann ferner eine insbesondere mit Druckluft betriebene Ausblaseinrichtung vorgesehen sein. Die Steuerung der Entmagnetisierung und/oder das Ausblasen kann mit der Steuereinrichtung bewerkstelligt werden.
  • Wie vorausgehend erläutert, können einzelne Vorgänge bzw. Abläufe oder alle Vorgänge von einer Steuereinrichtung gesteuert und/oder geregelt und insbesondere auch überwacht werden. Dies betrifft insbesondere die Magnetisierung und Entmagnetisierung des Setzstempels sowie die Zuführung der Fügeelemente mit der Zuführeinrichtung und die Betätigung einer Ausblaseinrichtung. Ferner kann mit der Steuereinrichtung das Anfahren der Fügevorrichtung zur Fügestelle (mittels Roboter), das Zustellen des Mundstückes auf die Bauteile mit der Zustelleinheit (Antrieb bspw. mit Pneumatikzylinder oder elektromotorisch), das Aufbringung der Fixier- bzw. Niederhaltekraft zur Fixierung der Bauteile (Kraftaufbringung über Zustelleinheit), das Auslösen des Setzprozesses im Setzwerkzeug und dergleichen mehr bewerkstelligt werden. Die Steuereinrichtung kann auch der Prozessüberwachung und Kontrolle dienen, wobei dies insbesondere in Echtzeit bewerkstelligbar ist.
  • Für die Prozessüberwachung und Kontrolle bietet sich die z. B. die Aufzeichnung und Verarbeitung von gemessenen Reaktionskräften (oder dergleichen, wie bspw. Reaktionsschwingungen etc.) an. Die Messung von Reaktionskräften kann bspw. mittels Sensoren im Setzwerkzeug, an der Matrize oder dem Matrizenhalter und/oder mittels am Rahmen der Fügevorrichtung befestigter Sensoren (Kraftmesssensoren, Dehnungsmessstreifen, Beschleunigungsaufnehmer oder dergleichen) erfolgen. Die gemessenen bzw. erfassten Reaktionskräfte können als Verlauf über dem Stempelweg bzw. Setzweg und/oder über der Zeit gespeichert und/oder dargestellt werden. Diese Verläufe können dann in einzelne Phasen unterteilt werden. Anhand von Vergleichsverläufen für eine in-Ordnung-Verbindung kann mit einem Ist-Soll-Vergleich eine Einschätzung oder Beurteilung des aktuellen Verlaufs erfolgen und Rückschluss auf die Qualität der erzeugten Verbindung gezogen werden. Hierbei können einzelne Phase bzw. Bereiche des jeweiligen Verlaufs oder der gesamte Verlauf für den Ist-Soll-Vergleich genutzt werden. Dies erfolgt insbesondere in Echtzeit, so dass direkt nach dem Fügevorgang eine Einschätzung bzw. Beurteilung der erzeugten Fügeverbindung vorliegt.
  • Bezugszeichenliste
  • 100
    Fügevorrichtung
    110
    Rahmen (C-Bogen)
    112
    Rahmenschenkel
    114
    Rahmenschenkel
    120
    Flansch
    130
    Setzwerkzeug
    131
    Mundstück
    131a
    Mundstücköffnung, -mündung
    132
    Setzstempel
    133
    Zylinderspule (Spuleneinrichtung)
    134
    Spulenhalter
    135
    Luftspalt
    136
    Stempelantrieb
    137
    Gehäuse, Führung
    138
    Drehrad; Drehteller
    140
    Zustelleinheit (Stellantrieb)
    150
    Matrize
    160
    Matrizenhalter
    210
    oberes Bauteil
    220
    unteres Bauteil
    300
    Fügeelement
    310
    Fügeelementkopf
    D
    Fügerichtung
    E
    Magnetfeldstärke
    H
    Hüllkurve
    L
    Fügeachse
    t
    Zeit

Claims (9)

  1. Setzwerkzeug (130) zum vorlochfreien Fügen von wenigstens zwei Bauteilen (210, 220) mittels Fügeelement (300), das an einer Fügestelle in einer axialen Fügerichtung (D) mit einem stoßartigen Fügeimpuls in die zu fügenden Bauteile (210, 220) eingetrieben wird, wozu dieses Setzwerkzeug (130) einen in der Fügerichtung (D) bewegbaren Setzstempel (132) zur Beaufschlagung des Fügeelements (300) und ein Mundstück (131), durch das hindurch das Fügeelement (300) der Fügestelle zugeführt wird, aufweist, wobei das Mundstück (131) und der Setzstempel (132) derart ausgebildet sind, dass das Fügeelement (300) direkt mit dem Setzstempel (132) durch das Mundstück (131) der Fügestelle zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Magnetisierungseinrichtung (133) für die vorübergehende Magnetisierung des Setzstempels (132) vorgesehen ist, so dass das Fügeelement (300) während des Zuführens zur Fügestelle mittels Magnetkraft direkt an der Stirnfläche des Setzstempels (132) festgehalten werden kann und dass ferner auch eine Entmagnetisierungseinrichtung zur Entmagnetisierung des Setzstempels (132) vorgesehen ist.
  2. Setzwerkzeug (130) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Zuführeinrichtung (138) für die vereinzelte Zuführung der Fügeelemente (300) aufweist, mit der jeweils ein Fügelement (300) aus seitlicher Richtung in das Mundstück (131) eingeführt und dort direkt und positionsgenau an der Stirnfläche des Setzstempels (132) positioniert werden kann.
  3. Setzwerkzeug (130) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein langes rohrartiges Mundstück (131) aufweist, wobei vorgesehen ist, dass dessen axiale Länge wenigstens dem 10-fachen, bevorzugt wenigstens dem 20-fachen, besonders bevorzugt wenigstens dem 30-fachen und insbesondere wenigstens dem 50-fachen der axialen Länge des Fügeelements (300) entspricht.
  4. Setzwerkzeug (130) nach einem der vorausgehenden Ansprüche und insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Fügen verwendete Fügeelement (300) ein niedriges Längen-Breiten-Verhältnis aufweist, wobei das Längen-Breiten-Verhältnis des Fügeelements (300) vorzugsweise ≤ 1,5 und insbesondere ≤ 1 ist, und wobei vorgesehen ist, dass die axiale Länge des Fügeelements (300) 10 mm oder weniger beträgt.
  5. Setzwerkzeug (130) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Entmagnetisierungseinrichtung zur Entmagnetisierung des Setzstempels (132) um die Magnetisierungseinrichtung (133) handelt, die mit einer Entmagnetisierungsfunktionalität ausgestattet ist.
  6. Verfahren zum Betrieb eines Setzwerkzeugs (130) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem der Setzstempel (132) zur Entmagnetisierung einem von der Entmagnetisierungseinrichtung erzeugten Magnetfeld (E) ausgesetzt wird, wobei dieses Magnetfeld (E) ausgehend von der Magnetfeldstärke (E0) zum Magnetisieren des Setzstempels (132) stetig schwächer wird und alternierend die Feldrichtung wechselt.
  7. Fügevorrichtung (100) zum vorlochfreien Fügen von wenigstens zwei Bauteilen (210, 220) mittels Fügeelement (300), das in einer axialen Fügerichtung (L) mit einem stoßartigen Fügeimpuls in die zu fügenden Bauteile (210, 220) eingetrieben wird, mit einem C-förmigen Rahmen (110) der zwei sich gegenüberliegende Rahmenschenkel (112, 114) aufweist, zwischen denen die zu fügenden Bauteile (210, 220) positioniert werden, und mit einem Setzwerkzeug (130) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 5 und einer Matrize (150), die sich gegenüberliegend an den Rahmenschenkeln (112, 114) angeordnet sind.
  8. Fügevorrichtung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der C-förmige Rahmen (110) ein Leichtbau-C-Rahmen ist.
  9. Fügevorrichtung (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der C-förmige Rahmen (110) ein Leichtbau-C-Rahmen mit einer Fachwerkstruktur ist.
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