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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Verbinden eines ersten Blechelementes mit wenigstens einem zweiten Blechelement durch Clinchen oder Halbholstanznieten, aufweisend einen im Wesentlichen C-förmigen Bügelkörper, an dem wenigstens mittelbar ein Stempel in einer Hubachse beweglich aufgenommen ist, und wobei ein Gegenstempel am Bügelkörper aufgenommen ist, sodass die Blechelemente zwischen Stempel und Gegenstempel anordbar sind und sodass mit dem Gegenstempel eine vom Stempel in die Blechelemente einleitbare Fügekraft wenigstens teilweise aufnehmbar ist.
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Stand der Technik
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Das Verbinden von Blechteilen durch Clinchen oder Halbhohlstanznieten erfordert die Verwendung einer geeigneten Kombination aus einem Stempel und aus einer Matrize, die in der Regel keinen Gegenstempel umfasst, und einteilig und nicht verstellbar ausgeführt ist. Werden beispielsweise mit einem Werkzeug verschiedene Material-Blechdickenkombinationen miteinander gefügt, so sind gewöhnlich für jede Material-Blechdickenkombination angepasste Matrizen notwendig. Das Potential, verschiedene Kombinationen aus Materialien und Blechdicken mit immer der gleichen Matrize zu clinchen oder zu nieten, ist damit relativ gering. In den Fügefolgen aktueller Fahrzeugkonzepte bei Automobilherstellern sind meist mehrere, verschiedene Kombinationen aus Materialien und Blechdicken zu verbinden, woraus die Notwendigkeit mehrerer Betriebsmittel mit entsprechenden Werkzeugkombinationen resultiert. Um möglichst mehrere Kombinationen mit einem einzigen Betriebsmittel verarbeiten zu können, wodurch insbesondere die Investitionskosten reduziert werden, bedarf es flexibler Werkzeuge. Verstellbare Matrizen, welche die Matrize in ein Aufnahmeelement und einen Gegenstempel teilen, sind eine Flexibilisierungsmöglichkeit.
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Mit der
US 4,208,776 A ist eine verstellbare Matrize bekannt geworden, die eine variable Tiefe aufweist, wobei der Matrizenboden durch eine Verstellung von Hand über eine Stellschraube manuell verändert werden kann.
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Die
US 4,569,111 A zeigt eine weitere Möglichkeit, einen Matrizenboden mittels einer Stellschraube zu verändern, um die Einpresstiefe der Blechelemente in die Matrize anzupassen.
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Die
WO 2012/063022 A2 offenbart ein Verfahren zum Nieten unter Verwendung eines Stempels, um einen Niet so durch ein Werkstück zu drücken, dass ein Schaft des Niets in einer Matrize aufgenommen wird, wobei ein Materialstück durch den Niet von dem Werkstück entfernt und in der Matrize aufgenommen wird, wobei das Verfahren das Schließen der Matrize mit einer Stange und Verwenden der Stange zum Stauchen des Schafts des Niets umfasst.
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Aus der
DE 10 2012 102 860 A1 ist ein Halbhohlstanzniet bekannt, mit einem Kopf und einem Schaft sowie einem vorgelochten flächigen Element, das auf dem Schaft angeordnet ist und sich radial bezogen auf den Kopf zumindest teilweise über einen Kopfradius hinaus erstreckt. Es wird ein Herstellungsverfahren und ein Fügeverfahren für diesen Stanzniet mit vorgelochtem flächigem Element beschrieben.
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Schließlich zeigt die
DE 10 2012 005 491 A1 eine Matrize für ein Clinch-Werkzeug, die einen hydraulisch bewegten Gegenstempel umfasst. Dabei dient die hydraulische Aktivierung des Gegenstempels in der Regel zur Erzeugung der Gegenkraft über einen variablen Fluiddruck, wobei eine hinreichend genaue Einstellung der Tiefe der Matrize über eine Position des Gegenstempels in der Hubachse aufgrund einer einfachen Fluidbeaufschlagung nicht gegeben ist.
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Als Werkzeuge für das Herstellen einer Verbindung basierend auf dem Prinzip des Clinchens oder des Halbhohlstanznietens sind C-förmige Bügelkörper bekannt, die beide Blechelemente umgreifen können. Bei auftretenden Fügekräften von in der Regel bis zu 50 kN oder mitunter mehr muss der Bügelkörper entsprechend steif ausgeführt sein, um einen Lateral- oder Winkelversatz von Stempel und Matrize unter Last zu vermeiden und es ist weiterhin bekannt, dass der Bügelkörper an einem Handhabungssystem, insbesondere an einem Roboter angeordnet wird, um an die entsprechende Verbindungsstelle der Blechelemente geführt zu werden. Dabei ist eine schlanke Ausgestaltung des Bügelkörpers ohne Störstellen unabdingbar, um die Zugänglichkeit des Bügelkörpers an die entsprechenden Verbindungsstellen nicht negativ zu beeinträchtigen. Außenseitige Anbauten an den Bügelkörper sind folglich zu vermeiden, vor allem im vorderen Bügelbereich. Auch die Anordnung eines Fluidsystems in einem C-förmigen Bügelkörper ist nur bedingt möglich, zudem muss der Gegenstempel auf beispielsweise etwa 0,1 mm genau eingestellt werden, sodass auch bei hohen auftretenden Fügekräften die eingestellte Position des Gegenstempels möglichst unverändert bleibt. Ein Fluidsystem zur Veränderung der Hublage des Gegenstempels ist daher in der Regel ungeeignet.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Werkzeugs zum Verbinden eines ersten Blechelementes mit wenigstens einem zweiten Blechelement durch Clinchen oder Halbhohlstanznieten, wobei das Werkzeug für verschiedene Kombinationen aus Materialien und Blechdicken geeignet sein soll. Insbesondere soll die Flexibilität des Werkzeugs unter Anpassung an verschiedene Kombinationen erhöht werden. Dabei ist die grundsätzliche Bauform des Werkzeugs mit einem C-förmigen Bügelkörper unter Meidung von Störkonturen unverändert beizubehalten.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Werkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung sieht eine im Bügelkörper aufgenommene Verstelleinheit vor, mit der der Gegenstempel entlang der Hubachse verstellbar ist.
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Kern der Erfindung ist die integrierte Anordnung einer Verstelleinheit in den Bügelkörper. Dabei muss die Verstelleinheit nicht vollständig im Bügelkörper aufgenommen sein, sodass die Außenkontur des Bügelkörpers auch wenigstens abschnittsweise von der Verstelleinheit bestimmt sein kann. Die wesentlichen Bestandteile der Verstelleinheit sind erfindungsgemäß jedoch im Bügelkörper integriert, um kritische Störkonturen am Bügelkörper zu vermeiden. Die Verstelleinheit dient dabei zur Verstellung des Gegenstempels entlang der Hubachse, sodass das Werkzeug durch eine einfache elektrische Ansteuerung der Verstelleinheit an verschiedene Material- und Blechdickenkombinationen von zu fügenden Blechelementen angepasst werden kann. Der besondere Vorteil besteht auch darin, dass an dem C-förmigen Bügelkörper keine Störstellen angeordnet werden müssen, beispielsweise keine externen Fluiddruckzylinder oder dergleichen. Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Hubposition des Gegenstempels nicht von Hand verstellt werden muss, was im laufenden Betrieb des Werkzeugs insbesondere im Automobilbau von besonderem Vorteil ist.
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Die auftretende Fügekraft, die vom Stempel über die Blechelemente in den Gegenstempel eingeleitet werden, können Werte von bis zu 50 kN oder mehr umfassen. Folglich muss die Verstelleinheit so ausgebildet sein, dass eine möglichst genaue Verstellung des Gegenstempels in der Hubachse ermöglicht ist, wobei die hohe Fügekraft über die Verstelleinheit mit möglichst hoher Steifigkeit aufgenommen werden muss. Hierfür umfasst die Verstelleinheit ein Keilelement, über das der Gegenstempel verstellbar ist und über den die in den Gegenstempel einleitbare Fügekraft aufnehmbar ist. Insbesondere umfasst die Verstelleinheit eine Spindel und einen Elektromotor zum Drehantrieb der Spindel. Das Keilelement ist mit besonderem Vorteil auf der Spindel aufgenommen und umfasst ein Innengewinde, wobei auf der Spindel ein Spindelgewinde aufgebracht ist, das in das Innengewinde im Keilelement eingreift. Wird die Spindel in Drehung um die Spindelachse versetzt, so verfährt das Keilelement linear entlang der Spindelachse. Wird die Spindel in Rotation versetzt und verfährt das Keilelement entlang der Spindelachse, kann über einen Keilwinkel des Keilelementes der Gegenstempel in der Hubachse verfahren werden. Die Hubachse verläuft dabei vorzugsweise senkrecht zur Spindelachse.
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Erfindungsgemäß ist ein Keilauflageelement vorgesehen, an das das Keilelement angrenzt, wobei der Gegenstempel auf dem Keilauflageelement aufsitzt oder einteilig mit diesem ausgebildet ist. Eine Gegenfläche, gegen die das Keilelement abgleitet, ist beispielsweise direkt am Gegenstempel aufgenommen oder es ist ein Keilauflageelement vorgesehen und im Bügelkörper geführt aufgenommen, und der Gegenstempel sitzt wenigstens mittelbar auf dem Keilelement auf, und wird mit dem Keilelement gleichermaßen verstellt.
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Der C-förmige Bügelkörper weist eine maulartige Öffnung auf, in die die Blechelemente eingeführt werden können. Somit besitzt der Bügelkörper einen oberen und einen unteren Bügelschenkel, wobei mit besonderem Vorteil im unteren Bügelschenkel das Aufnahmeelement, der Gegenstempel und die Verstelleinheit aufgenommen sind. Der untere Bügelschenkel weist beispielsweise einen frei endenden vorderen Bereich auf, in dem der Gegenstempel eingebracht ist. Dem vorderen Bereich steht ein hinterer Bereich gegenüber, und der hintere Bereich geht in die C-Form über und diese ragt beispielsweise etwa senkrecht zum vorderen Bereich ab, bis sich ein beabstandeter weiterer vorderer Bereich anschließt, der den Stempel aufnimmt, der gegenüberliegend zum Gegenstempel angeordnet ist. Dadurch können die Blechelemente zwischen Stempel und Gegenstempel angeordnet werden.
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Die Verstelleinheit kann gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ebenfalls im vorderen Bereich des unteren Bügelschenkels aufgenommen sein. Es hat sich aber als besonders vorteilhaft herausgestellt, den Elektromotor im hinteren Bereich des unteren Bügelschenkels aufzunehmen, und die Spindel kann so lang ausgeführt sein, dass diese den Elektromotor im hinteren Bereich mit dem Keilelement im vorderen Bereich in Anordnung angrenzend an den Gegenstempel verbindet. Die Spindel ist dabei mit besonderem Vorteil im unteren Bügelschenkel drehbar gelagert. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass der begrenzte Einbauraum im vorderen Bereich des unteren Bügelschenkels zur Aufnahme des Keilelementes genutzt wird, und der hintere, etwas größere Einbauraum im unteren Bügelschenkel dient zur Aufnahme des Elektromotors. Insbesondere befindet sich im hinteren Bereich des unteren Bügelschenkels ein Aufnahmeraum im Bügelkörper, in dem wenigstens der Elektromotor und beispielsweise zusätzlich eine Getriebeeinheit aufgenommen ist.
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Das Keilelement weist eine Keilfläche mit einem Keilwinkel auf, und der Keilwinkel ist derart bestimmt, dass zwischen dem Keilelement und dem Keilauflageelement eine Selbsthemmung vorherrscht. Dadurch wird der besondere Vorteil erreicht, dass die auftretende Fügekraft im Gegenstempel, die über das Keilauflageelement an das Keilelement übertragen wird, nicht zu einer Axialkraft in der Spindel führt. Ist die Selbsthemmung jedoch nicht gegeben, so kann ebenso vorteilhaft die Spindelachse über ein Axiallager im Bügelkörper abgestützt sein. Beispielsweise kann der Keilwinkel 20° betragen.
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Im Betrieb des Werkzeugs wird vor jeder Fügeaufgabe über die Verstelleinheit die Hubposition des Gegenstempels in der Hubachse eingestellt. Hierfür kann der Elektromotor einen Drehgeber umfassen oder am Gegenstempel ist eine Wegaufnahme angeordnet, um eine möglichst genaue Information über die Hublage des Gegenstempels zu erhalten. Insbesondere kann ein Regelkreis eingerichtet sein, über den die Verstelleinheit bei Empfang eines Vorgabewertes die Position des Gegenstempels nachführt, bis die geforderte Hubposition vom Gegenstempel eingenommen wurde.
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Figurenliste
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt die einzige
- Figur eine schematisierte Ansicht eines Werkzeugs im Bereich des unteren Bügelschenkels eines Bügelkörpers mit den Merkmalen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Die Figur zeigt ein Werkzeug 1 zum Verbinden eines ersten Blechelementes 10 mit einem zweiten Blechelement 11 durch Clinchen oder Halbhohlstanznieten, welches Verfahren auf an sich bekannte Weise mit dem vorliegenden Werkzeug ausgeführt werden kann.
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Das Werkzeug 1 umfasst einen C-förmigen Bügelkörper 12, welcher im Bereich des unteren Bügelschenkels 12a gezeigt ist. Der schematisch dargestellte Stempel 13 kann in einer Hubachse 14 bewegt werden, und der Stempel 13 ist an einem oberen Bügelschenkel aufgenommen, der in der Darstellung des Werkzeugs 1 nicht gezeigt ist.
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Gegenüberliegend und koaxial zum Stempel 13 befindet sich ein Gegenstempel 15 am Bügelkörper 12, der in einem vorderen Bereich 22 des unteren Bügelschenkels 12a eingebracht ist. Der Gegenstempel 15 ist in der Hubachse 14 beweglich aufgenommen, wofür ein Aufnahmeelement 32 dient, und das Aufnahmeelement 32 zur Aufnahme des Gegenstempels 15 ist am vorderen Bereich 22 des unteren Bügelschenkels 12a über Zylinderstifte und eine Verschraubung angeordnet.
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Im Bügelkörper 12 ist erfindungsgemäß eine Verstelleinheit 16 angeordnet. Die Verstelleinheit 16 befindet sich im unteren Bügelschenkel 12a und ist mit den wesentlichen Bestandteilen integriert im Bügelkörper 12 aufgenommen. Die Verstelleinheit 16 umfasst einen Elektromotor 19, der über eine Getriebeeinheit 30 eine Spindel 18 um eine Spindelachse 20 rotierend antreiben kann. Die Spindelachse 20 erstreckt sich vom hinteren Bereich 23 in den vorderen Bereich 22 hinein, und verläuft etwa horizontal in Bezug auf die vertikal verlaufende Hubachse 14.
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Am vorderen Bereich der Spindel 18 ist ein Spindelgewinde 31 vorhanden, und das Spindelgewinde 31 ist in ein Keilelement 17 eingedreht. Das Keilelement 17 wirkt mit einem Keilauflageelement 21 zusammen, und das Keilauflageelement 21 befindet sich unterhalb des Gegenstempels 15, der auf nicht näher gezeigte Weise beispielsweise über das Keilauflageelement 21 gegen das Keilelement 17 elastisch vorgespannt sein kann.
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Wird die Spindel 18 in Rotation um die Spindelachse 20 versetzt, so verändert sich die Einschraubposition des Spindelgewindes 31 im Keilelement 17, wodurch eine Bewegung des Keilelementes 17 entlang der Spindelachse 20 bei ansonsten ruhender, jedoch rotierender Spindel 18 erzeugt wird. Das Keilelement 17 weist eine zum Keilauflageelement 21 weisende Keilfläche mit einem Keilwinkel α auf, und das Keilauflageelement 21 umfasst eine zur Keilfläche des Keilelementes 17 komplementär gegenüberliegende Keilfläche. Wird das Keilelement 17 entlang der Spindelachse 20 verfahren, so führt das Keilauflageelement 21 eine Bewegung entlang der Hubachse 14 aus, wobei durch den anliegenden Gegenstempel 15 die Hubbewegung in den Gegenstempel 15 ebenfalls eingeleitet wird, wobei der Gegenstempel 15 in dem Aufnahmeelement 32 (Matrize) axial geführt wird. Das Ausführungsbeispiel zeigt das Keilauflageelement 21 in angrenzender Anordnung an den Gegenstempel 15, wobei das Keilauflageelement 21 und der Gegenstempel 15 auch baueinheitlich und insbesondere einteilig ausgeführt sein können.
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Durch eine Drehung der Spindel 18 mittels Bestromung des Elektromotors 19 wird folglich eine Hubbewegung in den Gegenstempel 15 eingeleitet, wie mit dem Doppelpfeil angedeutet. Folgerichtig kann eine nicht näher gezeigte Matrizenkontur durch unterschiedliche Einfahrtiefen des Gegenstempels 15 verändert werden, um das Werkzeug 1 an verschiedene Material- und Blechdickenkombinationen von zu fügenden Blechelementen 10 und 11 anzupassen.
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Durch die eingeleitete Fügekraft in das Keilelement 17 wird diese auf die Spindel 18 in der Richtung der Spindelachse 20 eingeleitet, und um die Spindel 18 axial abzustützen, weist diese ein Axiallager 26 auf, das in einer Lageraufnahme 25 eingebracht ist. Die Verbindung zwischen der Spindel 18 und dem Elektromotor 19 umfasst eine Kupplung 28, und beispielhaft ist zwischen der Kupplung 28 und dem Elektromotor 19 eine Getriebeeinheit 30 gezeigt, um eine langsame Drehbewegung in die Spindel einleiten zu können. Der Elektromotor 19 ist in einer Motoraufnahme 29 aufgenommen.
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Im unteren Bügelschenkel 12a ist ein Aufnahmeraum 24 eingebracht, in dem der Elektromotor 19, die Motoraufnahme 29, die Getriebeeinheit 30, die Kupplung 28, die Lageraufnahme 25 und das Axiallager 26 aufgenommen sind. Aus dem Aufnahmeraum 24 erstreckt sich die Spindel 18 heraus und durchwandert den unteren Bügelschenkel 12a vom hinteren Bereich 23 in den vorderen Bereich 22. Am vorderen Ende der Spindel 18 befindet sich das Spindelgewinde 31, das mit dem Keilelement 17 zusammenwirkt.
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Die Aufteilung der Anordnung von Elektromotor 19, Getriebeeinheit 30 und Kupplung 28 im hinteren Bereich des Bügelschenkels 12a führt zu dem Vorteil, dass die elektrische Verstelleinheit 16 auf einfache Weise im unteren Bügelschenkel 12a integriert werden kann, da insbesondere im hinteren Bereich 23 mehr Bauraum zur Verfügung steht. Die Spindel 18 ist dementsprechend lang ausgeführt und über zwei Radiallager 27 und das bereits beschriebene Axiallager 26 gelagert.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeug
- 10
- erstes Blechelement
- 11
- zweites Blechelement
- 12
- Bügelkörper
- 12a
- unterer Bügelschenkel
- 13
- Stempel
- 14
- Hubachse
- 15
- Gegenstempel
- 16
- Verstelleinheit
- 17
- Keilelement
- 18
- Spindel
- 19
- Elektromotor
- 20
- Spindelachse
- 21
- Keilauflageelement
- 22
- vorderer Bereich
- 23
- hinterer Bereich
- 24
- Aufnahmeraum
- 25
- Lageraufnahme
- 26
- Axiallager
- 27
- Radiallager
- 28
- Kupplung
- 29
- Motoraufnahme
- 30
- Getriebeeinheit
- 31
- Spindelgetriebe
- 32
- Aufnahmeelement
- α
- Keilwinkel
