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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Stanznietvorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile.
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Stand der Technik
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Verfahren zum Stanznieten dienen zum Verbinden mindestens zweier in einem Verbindungsbereich insbesondere eben ausgebildeter Bauteile (Fügepartner). Ein Stanznietverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Vorlochen der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht erforderlich ist. Vielmehr wird ein Stanzniet mittels eines Stempels oder eines Stempelwerkzeugs in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, wobei durch einen entsprechend geformten Gegenhalter, bspw. in Form einer Matrize, der mit dem Stempelwerkzeug zusammenwirkt, sichergestellt ist, dass der Niet oder die Bauteile sich in einer bestimmten Art und Weise verformen, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen.
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Weiterhin sind bspw. aus der
EP 2 318 161 B1 oder der
DE 10 2014 203 357 A1 sog. Ultraschall-Stanznietverfahren bekannt, bei denen ein Schwingungserzeuger, wie bspw. ein Ultraschall-Generator verwendet wird, um ein oder mehrere Komponenten beim Verbinden der Bauteile in Schwingung zu versetzen. Durch diese Schwingung wird bspw. die aufzuwendende Kraft zum Eindrücken des Niets reduziert.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Stanznietvorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wird bei einem Stanznietvorgang zwischen den Gegenhalter und ein dem Gegenhalter zugewandtes Bauteil zur Vermeidung eines direkten Kontaktes zwischen Gegenhalter und Bauteil eine Folie eingebracht. Die verwendete Folie wirkt insbesondere als Gleit- oder Schutzfolie und ist insbesondere ausreichend duktil oder elastisch verformbar, um sich bei dem Stanznietvorgang an den Gegenhalter anzuschmiegen.
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Ein Gegenhalter für eine Stanznietvorrichtung wird in der Regel gefräst oder gedreht, gehärtet und ggf. mechanisch poliert oder geschliffen. Der Gegenhalter weist somit eine relativ raue Oberfläche auf, an welcher Material von einem beim Stanznietvorgang anliegenden Bauteil anhaften kann. Dies ist insbesondere bspw. beim Stanznieten von weichen Materialien wie bspw. Aluminium der Fall. Durch die eingebrachte Folie wird nun ein direkter Kontakt zwischen Bauteil und Gegenhalter verhindert, so dass Material nicht mehr anhaften kann. Die Standzeit des Gegenhalters wird erhöht (dadurch Verlängerung der Gegenhalterwechselintervalle) und die Reproduzierbarkeit der Nietverbindungen wird durch die Vermeidung von Anhaftungen im Gegenhalter verbessert.
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Besonders vorteilhaft ist das Einbringen einer Folie für Stanznietvorrichtungen mit einem Schwingungserzeuger, bspw. einem Ultraschallgenerator. Bei solchen Stanznietvorrichtungen wird während des Stanznietvorgangs ein Bereich der Stanznietvorrichtung in Schwingung versetzt, so dass sich der Niet leichter in die zu verbindenden Bauteile eindrücken lässt. Gerade durch die Schwingungen bzw. den Ultraschall kann zwischen dem Gegenhalter und dem daran anliegenden Bauteil eine Relativbewegung entstehen, durch welche bei herkömmlichen Gegenhaltern nicht nur Anhaftungen von Material, sondern bspw. auch Anlegierungen entstehen können. Bei der Erfindung ist dies nicht mehr oder zumindest kaum mehr der Fall. Solche Stanznietvorrichtungen haben besondere Vorteile im automobilen Karosserieleichtbau, da das Vibrations- bzw. Ultraschallstanznieten mit der entsprechend ausgelegten Anlagentechnik viele Fügeaufgaben im Bereich Materialmischbau erleichtert und neue Materialdickenkombinationen ermöglicht. Jedoch kann eine Stanznietvorrichtung mit Vibrationsunterstützung auch in anderen Bereichen (wie beispielsweise in der Luftfahrtindustrie oder im Seilbahn- und Gondelbau) und/oder zum Fügen anderer Materialein vorteilhaft verwendet werden. Mittels Vibrationen beim Stanznieten werden die für den Nietprozess erforderlichen, i.d.R. sehr hohen, Prozesskräfte erheblich reduziert. Daraus resultieren vor allem Prozessvorteile (wie beispielsweise die Verbesserung des Schnittprozess bzw. der Materialtrennung beim Stanzen, die Veränderung, des plastischen Formänderungsvermögens von Werkstoff (z.B. Al/Mg-Blech oder -Druckguss) und die Vermeidung kollabierender Nietelemente), wodurch das nietbare Materialspektrum erweitert werden kann. Vorzugsweise wird die Folie als Bogenware (d.h. vereinzelte Stücke) oder als Rollenware (d.h. endlose Bahn) bereitgestellt. Eine bevorzugte Stanznietvorrichtung weist eine zugehörige Folieneinbringeinrichtung auf, um die Folienbögen bzw. Folienbahn zwischen Bauteil und Gegenhalter einzubringen.
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Vorzugsweise weist die Folie Metall auf. Eine Metallfolie ist relativ robust und reißfest und kann einen direkten Kontakt zwischen Bauteil und Gegenhalter sicher verhindern. Alternativ oder zusätzlich kann die Folie Kunststoff (z.B. PTFE (Teflon))) aufweisen. Kunststoff ist üblicherweise kostengünstiger als Metall und aufgrund seiner geringen Dichte leichter in der Handhabung.
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Besonders geeignet ist die Verwendung einer trennmittelbehafteten Folie, wie z.B. eine auf keramischer oder polymerer Basis (z.B. PTFE) beschichtete (Metall-)Folie), welche die Funktion einer beständigen Trennung der ursprünglichen Kontaktpaarung 'Gegenhalter-Bauteil' übernimmt. Durch die Isolation der Kontaktpaarung zwischen Gegenhalter und Bauteil werden Anhaftungen in dem Gegenhalter vermieden.
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Weiterhin können geeignete Schmierstofffolien (beispielsweise (Metall-)Foliensysteme mit Graphit-, Wachs- oder Öl-Beschichtung) an der Kontaktpaarung zwischen Gegenhalter und Bauteil eine zusätzliche Gleithilfe schaffen und dadurch eine Reibungsreduktion, gekoppelt mit einer Fügekraftreduktion, erreichen.
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Vorzugsweise wird jeder Folienabschnitt (d.h. während des Verbindens der wenigstens zwei Bauteile mit dem Gegenhalter in Kontakt stehender Abschnitt der Folie) nur für einen einzigen Stanznietvorgang verwendet. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass ein durch einen Stanznietvorgang möglicherweise beschädigter bzw. verunreinigter Folienabschnitt erneut verwendet wird und zu einer Schädigung oder Verunreinigung des Bauteils und/oder des Gegenhalters führt.
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In einer weiteren Ausführung ist die Folie auch als Korrosionsschutz am Produkt einsetzbar, d.h. der Abschnitt der Folie verbleibt an dem Bauteil. Als Beispiel könnte eine dünne Edelstahlfolie (z.B. WNr. 1.4301 oder 1.4303 oder 1.4567), mit ca. 25μm Foliendicke) oder eine andere korrosionsbeständige Folie verwendet werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1a bis 1d zeigen eine Stanznietvorrichtung bei verschiedenen Phasen eines Stanznietvorgangs.
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2 zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Ausschnitt einer Stanznietvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Folienbogen.
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3 zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Ausschnitt einer Stanznietvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer Folienrolle.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In den 1a bis 1d ist eine Stanznietvorrichtung 10 bei verschiedenen Phasen der Durchführung eines Stanznietverfahrens dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Stempel 15 auf, der beispielhaft einen runden Querschnitt aufweist.
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Der Stempel 15 ist von einem hülsenförmigen Niederhalter 16 radial umgeben und relativ zu diesem in Längsrichtung beweglich angeordnet. Insbesondere ist der Stempel 15 mit einem hier nicht dargestellten Antrieb, bspw. einem hydraulischen oder pneumatischen Antrieb, gekoppelt, der dazu dient, eine zum Eindrücken eines Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F aufzubringen.
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Ebenfalls ist der Niederhalter 16 dazu eingerichtet, gegen die Oberfläche des dem Stempel 15 zugewandten Bauteils 11 mit einer Niederhaltekraft zu drücken. Hierzu kann bspw. ein eigener Antrieb vorgesehen sein. Jedoch kann der Niederhalter auch an den Antrieb des Stempels 15 gekoppelt sein, bspw. mittels einer Feder.
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Auf der dem Stempel 15 und dem Niederhalter 16 gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist ein erfindungsgemäßer Gegenhalter 18, der hier als Matrize wirkt, angeordnet. Der Stempel 15 und die Matrize 18 sind in Richtung einer Längsachse 19, in deren Richtung auch der Niederhalter 16 beweglich angeordnet sind, relativ zueinander bewegbar. Der Niederhalter 16 und die Matrize 18 dienen dazu, die beiden Bauteile 11, 12 zwischen dem Niederhalter 16 und der Matrize 18 während der Bearbeitung durch den Stempel 15 einzuspannen bzw. zusammenzudrücken. Die Matrize 18 weist auf der dem Bauteil 12 zugewandten Seite eine einen Bereich 21 mit einer ebenen Oberfläche auf, von der eine mulden- bzw. kuhlenförmige Ausnehmung 22 ausgeht.
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In den 2 und 3 ist eine zwischen das Bauteil 12 und die Matrize 18 eingebrachte Folie dargestellt.
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Der Niet 20 besteht bevorzugt aus einem gegenüber den Werkstoffen der beiden Bauteile 11, 12 härteren Material, zumindest im Bereich des Nietschaftes 24. Die dem Bauteil 11 abgewandte, ebene Oberseite 26 ist in Wirkverbindung mit dem Stempel 15 angeordnet, der an der Oberseite 26 des Niets 20 flächig anliegt.
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Der Stempel 15 ist mit einem Schwingungserzeuger 30 zur Erzeugung von Schwingungen bzw. Vibrationen wirkverbunden. Insbesondere werden mittels des Schwingungserzeugers 30 Ultraschallschwingungen mit einer Schwingweite (Abstand zwischen maximaler positiver und negativer Amplitude einer Schwingung) zwischen 10 μm und 110 μm (bzw. einer Amplitude zwischen 5 μm und 55 μm) und einer Frequenz zwischen 15 kHz und 35 kHz erzeugt.
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Diese Schwingungen werden von dem Schwingungserzeuger 30 über den Stempel 15 in den Niet 20 eingekoppelt. Die Einkopplungsrichtung der Vibrationen des Schwingungserzeugers 30 kann dabei bspw. parallel zur Längsachse 19, das heißt parallel zur Fügerichtung des Niets 20 in die Bauteile 11, 12 erfolgen
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Die in 1a gezeigte Phase stellt einen Beginn des Stanznietverfahrens dar, bei dem der Nietschaft 24 in Wirkverbindung mit der Oberseite des Bauteils 11 gelangt. Dabei wird der Stempel 15 mit der Kraft F gegen das dem Stempel 15 zugewandte Bauteil 11 gedrückt.
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In einer in 1b gezeigten weiteren Phase, d.h. während des weiteren Verlaufs des Nietvorgangs und unter Unterstützung der in die Bauteile 11, 12 eingekoppelten Schwingungen schneidet bzw. stanzt der Nietschaft 24 sich zunächst in das Bauteil 11 ein. Dabei werden die beiden Bauteile 11, 12 plastisch verformt, wobei das der Ausnehmung 22 zugewandte Bauteil 12 in den entsprechenden Bereichen in die Ausnehmung 22 eingedrückt wird.
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Während des weiteren Bewegungswegs bzw. der weiteren Abwärtsbewegung des Niets 20 entsprechend der 1c wird der Nietschaft 24 im Bereich der Ausnehmung 22 nach außen gespreizt, wodurch die beiden Bauteile 11, 12 in Axialrichtung sicher form- und kraft schlüssig miteinander verbunden werden.
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Dabei ist zu erkennen, dass entsprechend der 1d, die die Endposition des Niets 20 zeigt, der Nietschaft 24 nicht aus dem Bauteil 12 herausragt bzw. dieses nicht vollständig durchdringt.
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Nachdem der Niet 20 die in der 1d dargestellte Endposition erreicht hat, bei der die Oberseite 26 des Niets 20 zumindest in etwa bündig mit der Oberseite des Bauteils 11 abschließt, wird anschließend der Stempel 15 wieder von den Bauteilen 11, 12 in entgegengesetzte Richtung nach oben bewegt.
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In den 2 und 3 sind zwei bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung in einer schematischen Seiten- bzw. Schnittansicht ausschnittsweise dargestellt und mit 101 bzw. 102 bezeichnet. Die Elemente, die denen der Stanznietvorrichtung 10 aus 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen und werden an dieser Stelle nicht erneut erläutert.
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Die Stanznietvorrichtungen 101 und 102 sind in einem Zustand dargestellt, in welchem die Matrize 18 jeweils von den zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 nach unten abgerückt dargestellt ist. Üblicherweise jedoch ist die Matrize relativ zu einem Gestell (z.B. Zange) der Stanznietvorrichtung nicht beweglich, sondern der Stempel und der Niederhalter.
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Jeweils zwischen dem der Matrize 18 zugewandten Bauteil 12 und der Matrize 18 ist eine Folie 41 bzw. 42 eingebracht. Bei der Stanznietvorrichtung 101 ist die Folie 41 als Bogenware bereitgestellt, wohingegen bei der Stanznietvorrichtung 102 die Folie 42 als Rollenware bereitgestellt ist.
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Bei der Stanznietvorrichtung 101 werden demnach vereinzelte Folienbögen 41 zwischen Bauteil 12 und Matrize 18 eingebracht, um einen direkten Kontakt zwischen Bauteil 12 und Matrize 18 beim Stanznietvorgang zu vermeiden. Für die Folienbögen 41 ist eine Folieneinbringeinrichtung 411 vorgesehen, die die vereinzelten Folienbögen beispielsweise mittels Rollen oder Greifarmen zwischen das Bauteil 12 und die Matrize 18 einbringt.
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Im Unterschied hierzu weist die Stanznietvorrichtung 102 eine Folieneinbringeinrichtung 421 auf, die im gezeigten Beispiel mehrere Walzen aufweist, über die die bahnförmige Folie (Folienbahn) 42 geführt wird. Im Einzelnen sind eine Abwickelwalze 422, zwei Umlenkwalzen 423 und eine Aufwickelwalze 424 gezeigt.
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Den dargestellten Ausführungsformen ist gemein, dass ein jeweiliger Folienabschnitt, der bei einem Stanznietvorgang mit der Matrize 18 in Kontakt kommt, nur für einen einzigen Stanznietvorgang verwendet und nach diesem Stanznietvorgang der Folienabschnitt zwischen dem Bauteil 12 und der Matrize 18 wieder entfernt wird. Bei der Stanznietvorrichtung 101 kann der Abschnitt A jeweils einen gesamten Folienbogen 41 umfassen, bei der Stanznietvorrichtung 102 umfasst der Abschnitt jeweils einen Abschnitt A auf der Folienbahn 42.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2318161 B1 [0003]
- DE 102014203357 A1 [0003]
