DE102017200087A1

DE102017200087A1 - Mundstück

Info

Publication number: DE102017200087A1
Application number: DE102017200087.2A
Authority: DE
Inventors: Florian Woelke; Martin Dieterle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2018-07-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mundstück 9 für eine Stanznietvorrichtung mit elektrisch leitfähigem Niederhalter 6 zum Ausüben einer Kraft auf Bauteile, welcher auch zum Führen und Zentrieren eines Nietelementes vorgesehen ist und welcher derart eingerichtet ist, dass während des Nietvorgangs eine Führung und Zentrierung des Nietelementes elektrisch isoliert zum Niederhalter erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mundstück für eine Nietvorrichtung sowie eine Stanznietvorrichtung, eine Fertigungsvorrichtung und ein Verfahren für einen Stanznietvorgang.
Stand der Technik
Unter einer Nietvorrichtung im Sinne der Erfindung wird insbesondere eine Stanznietvorrichtung, speziell eine Ultraschallstanznietvorrichtung verstanden.
Bei herkömmlichen Stanznietverfahren kann eine Kraft als Funktion einer Position des Stempels für eine Qualitätsbewertung des Stanznietprozesses herangezogen werden. Dabei kann bspw. untersucht werden, ob sich der Kraftverlauf innerhalb gewisser Grenzwerte, bspw. einer sog. Hüllkurve, bewegt. Bei einem Stanznietverfahren, bei dem eine Schwingung in den Verbindungsbereich einbracht wird, bspw. indem der Stempel in Schwingung versetzt wird, kann ein solcher Kraftverlauf meist nicht mehr für eine Qualitätsbewertung herangezogen werden, da die Kraft auf den Stempel durch die Schwingung oszilliert. Je nach Messposition für die Kraft, der Art der Messung und der Abtastrate bzw. Sensibilität der Messeinrichtung, kann der Kraftverlauf dabei mehr oder weniger stark oszillieren. Dies verhindert eine für viele Anwendungen in der Industrie nötige Qualitätsbewertung, da die üblicherweise verwendeten Grenzwerte (wie z.B. für Hüllkurven oder für Hüllfenster) hier nicht sinnvoll sind.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden daher Vorrichtungen und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Mundstück dient zur Realisierung einer Verbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen mittels einer Stanznietvorrichtung. Das Mundstück ist geeignet für eine Stanznietvorrichtung und umfasst einen elektrisch leitfähigen Niederhalter zum Ausüben einer Kraft auf ein Bauteil, welcher auch zum Führen und Zentrieren eines Nietelementes vorgesehen ist. Der Niederhalter ist derart realisiert, dass während des Nietvorgangs eine Führung und Zentrierung des Nietelementes elektrisch isoliert zum Niederhalter erfolgt. Bevorzugt ist der Niederhalter zylindrisch ausgebildet und umfasst eine koaxiale zylindrische Ausnehmung zum Führen und Zentrieren des Nietelementes, welche zumindest abschnittsweise derart ausgebildet ist, dass beim Führen und Zentrieren des Nietelementes ein elektrisch nichtleitender Kontakt zwischen Nietelement und Niederhalter zustande kommt.
Das Mundstück gewährleistet die Zentrierung und Führung für den Niet, um die Koaxialität der Rotationsachse des Hohlnietes zur Rotationsachse der Matrize sicher zu stellen, so dass ein Verrutschen des Niet in Folge der beim Stanznieten üblichen Schwingungsanregung vermieden wird. Die Qualität der Nietverbindung wird verbessert. Die Nietzentrierung, welche über das Mundstück erfolgt lässt sich erfindungsgemäß ohne direkten, berührenden Führungskontakt zwischen Niederhalter und Nietelement realisieren. Damit besteht kein elektrisch leitender Kontakt zwischen Mundstück und Niet.
Bei der Realisierung der Verbindung werden üblicherweise z.B. zwei Bauteile zwischen einem Stempel und einem Gegenhalter angeordnet. Der zwischen dem Stempel und einem dem Stempel zugewandten Bauteil angeordneter Niet kann nun mittels des Stempels in die wenigstens zwei Bauteile präzise geführt eingedrückt werden, indem der Stempel mit einer Kraft beaufschlagt wird. Dabei wird wenigstens eine beim Eindrücken des Niets beteiligte Komponente, insbesondere der Stempel, mittels eines Schwingungserzeugers in Schwingung versetzt. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung kann nun ein Verlauf, insbesondere ein zeitlicher Verlauf, eines elektrischen Kontakts zwischen dem Stempel und dem Niet während des Eindrückens ermittelt werden, während Stempel und Niet gegenüber dem führenden Mundstück selbst elektrisch isoliert ausgeführt sind. Als Niet kann hierbei sowohl ein sog. Halbhohlniet als auch ein sog. Vollniet verwendet werden.
Einem Verrutschen des Niets während der Ermittlung des Kontaktverlaufes zwischen Niederhalter und Stempel, insbesondere mittels einer Kontaktstrom-/Kontaktspannungsmessung, sowie einem ungewünschten Stromfluss über den Niederhalter, welcher eine fehlerhafte Kontaktdetektion zur Folge hätte, wird somit vorgebeugt und die Kontaktverlaufsermittlung dadurch erst ermöglicht. Durch das Erfassen des Verlaufs des Kontakts zwischen dem Stempel und dem Niet während des Eindrückens wird nun außerdem eine Möglichkeit zur Qualitätsbewertung der Nietverbindung zur Verfügung gestellt. Der Grund hierfür liegt darin, dass durch diesen Verlauf des Kontakts eine Aussage über den Nietvorgang getroffen werden kann, da bei einem ordnungsgemäßen Nietvorgang ein definierter Kontaktverlauf vorausgesetzt wird, was durch Ermittlung des Verlaufs des Kontakts erkennbar ist. Bspw. kann damit ein effektiver Nietprozess gewährleistet werden, indem der Kontaktverlauf auf einen möglichst optimalen Verlauf hin überprüft wird. Ist dies nicht der Fall, können bspw. Gegenmaßnahmen getroffen werden. Weiterhin kann auch erkannt werden, ob eine Frequenz, mit der der Kontakt geschlossen und geöffnet wird, der Frequenz der Schwingung entspricht oder ob bspw. Oberschwingungen vorhanden sind. Weiterhin können auch verschiedene relevante Punkte im Verlauf des Nietvorgangs erkannt werden. Zweckmäßig ist dabei, wenn die Ermittlung des Verlaufs online bzw. in Echtzeit erfolgt, da dann sogar während des Nietvorgangs ggf. Maßnahmen zur Behebung eines Fehlers erfolgen können.
Allgemein gültige Prozess- und Qualitätsbewertungskriterien, wie sie mit einer erfindungsgemäßen Lösung zur Verfügung gestellt werden können, sind zudem oftmals eine Grundvoraussetzung für eine Einführung einer neuen Technologie in eine Serienanwendung.
Vorteilhafterweise ist das Mundstück zweiteilig aufgebaut und ein äußerer Bereich ist für die Niederhaltefunktion vorgesehen, wobei ein innerer Bereich für die Nietführung und Nietzentrierung vorgesehen ist. Dies erleichtert die Herstellung des Mundstückes, da ein zweiteiliger Aufbau beispielsweise ein Ineinanderfügen eines ersten Bauteils in ein zweites Bauteil ermöglicht. Das erste Bauteil könnte hierbei ein zylindrisches Mundstück aus Stahl sein, während das zweite Bauteil die innere isolierende Führung realisiert, nachdem es mit dem ersten Bauteil zusammengefügt wurde.
Bevorzugt ist im inneren Bereich des Mundstückes eine elektrisch isolierende Hülse zum Führen und Zentrieren vorgesehen, bevorzugt eine Keramikhülse. Eine elektrisch isolierende Hülse ist zum Führen und Zentrieren sehr gut geeignet, wenn der Innendurchmesser der Hülse auf den Außendurchmesser des Niet abgestimmt ist. Eine solche Hülse ist als sägbare Stangenware preiswert herstellbar. Bevorzugt kommt als Material Keramik zum Einsatz. Wesentlich für das Material ist, dass es verschleißbeständig und elektrisch isolierend ist. Je höher die Verschleißbeständigkeit ist, desto mehr Nietvorgänge können ohne Unterbrechungen durchgeführt werden. Ein Kontakt zwischen dem Stempel und dem Niet lässt sich somit leicht durch Erfassen einer Kontaktspannung und/oder einen Strom ermitteln, ohne dass ein elektrischer Kontakt zum Mundstück eine solche Spannung oder einen solchen Strom fehlerhaft beeinflussen könnte.
Besonders bevorzugt ist die Hülse lösbar mit dem Niederhalter verbunden, vorzugsweise mittels einer Schraubverbindung, alternativ auch mittels einer Klemm- oder Pressverbindung oder einer Klebeverbindung. Sollte es dennoch einmal zu einem Verschleiß kommen, so kann die Hülse schnell und einfach durch eine neue Hülse ersetzt werden. Das Mundstück und die Hülse umfassen daher bevorzugt korrespondierende Gewindegänge, so dass die Hülse leicht in das Mundstück einschraubbar ist. Auch können Vorrichtungen vorgehalten werden mittels denen Klemm- oder Klebeverbindungen leicht lösbar sind.
Dies ist Vorteilhaft bei der zuvor erwähnten Kontaktverlaufsmessung. Jetzt kann eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom zwischen dem Stempel und dem Niet, sowie zwischen einem der Bauteile oder dem Gegenhalter angelegt werden. Geeignete Mittel zum Anlegen der Spannung bzw. des Stroms sind bevorzugt zumindest teilweise am Mundstück vorgesehen. In jedem dieser Fälle wird somit die relevante Kontaktstelle zwischen Stempel und Niet erfasst. Die geeignetsten Stellen, um die Spannung bzw. den Strom anzulegen, kann dabei bspw. je nach konkretem Aufbau der Stanznietvorrichtung gewählt werden. Ein Spannungs-/Stromkontakt am Gegenhalter kann bspw. dauerhaft erhalten bleiben, während ein Spannungs-/Stromkontakt an einem Bauteil hingegen möglicherweise einen geringeren Widerstand ermöglicht.
Vorzugsweise wird in einer Stanznietvorrichtung mit einem Stempel, einem Gegenhalter, einem Schwingungserzeuger ein erfindungsgemäßes Mundstück verbaut, wobei das Mundstück zum Andrücken von wenigstens zwei Bauteilen an den Gegenhalter während des Eindrückens des Niets vorgesehen ist und Erfassungsmittel vorgesehen sind, mittels welcher ein Verlauf eines elektrischen Kontakts zwischen dem Stempel und dem Niet während des Eindrückens ermittelbar ist. Vorteilhafterweise wird der Verlauf des Kontakts zwischen dem Stempel und dem Niet mittels in einem wenigstens eine Kontaktstelle zwischen dem Stempel und dem Niet umfassenden Bereich während des Eindrückens elektrisch ermittelt. Bevorzugt kann der Verlauf des Kontakts zwischen dem Stempel und dem Niet dabei durch Erfassen einer über den Bereich abfallenden Kontaktspannung und/oder eines in dem Bereich fließenden Stromes ermittelt werden.
Die Stanznietvorrichtung weist bevorzugt Erfassungsmittel für eine elektrische Spannungs- bzw. eine elektrische Stromquelle und ein Spannungsmessgerät und/oder ein Strommessgerät auf, wobei die Spannungs- bzw. Stromquelle an einem wenigstens eine Kontaktstelle zwischen dem Stempel und dem Niet umfassenden Bereich eine elektrische Spannung bzw. ein elektrischer Strom anlegbar ist.
So kann die elektrische Spannung an dem Bereich bspw. dadurch erzeugt werden, dass eine Spannungsquelle an den Bereich und einen dazu seriellen Widerstand angeschlossen wird. Die über den Bereich abfallende Kontaktspannung entspricht dann bspw. in etwa dem Spannungswert der Spannungsquelle, wenn kein Kontakt zwischen Stempel und Niet vorhanden ist und bemisst sich mit Kontakt zwischen Stempel und Niet nach dem Verhältnis des Widerstands zu dem Widerstand des Bereichs. Wird bspw. zusätzlich ein weiterer Widerstand parallel zu dem Bereich geschaltet, so ist die über den Bereich (und den weiteren Widerstand) abfallende Kontaktspannung in etwa Null, wenn ein Kontakt zwischen Stempel und Niet vorhanden ist und bemisst sich ohne Kontakt zwischen Stempel und Niet nach dem Verhältnis des Widerstands zu dem weiteren Widerstand. Der Strom ist bspw. dann Null, wenn kein Kontakt zwischen Stempel und Niet besteht. Anstatt einer Spannungsquelle kann auch eine Stromquelle, bei der der Strom eingestellt werden kann, verwendet werden. Auf diese Arten kann auf einfache Weise der Verlauf des Kontakts ermittelt werden.
Zweckmäßigerweise wird als wenigstens eines der wenigstens zwei Bauteile ein elektrisch leitfähiges Bauteil verwendet. Es versteht sich, dass dabei je nach Position, an welcher die Spannung bzw. der Strom angelegt wird, keines, eines oder auch alle Bauteile elektrisch leitfähig sein müssen. Bei Anlegen der Spannung bzw. des Stroms zwischen Stempel und Niet muss bspw. keines der Bauteile elektrisch leitfähig sein, bei Anlegen der Spannung bzw. des Stroms zwischen Stempel und Gegenhalter hingegen müssen alle Bauteile elektrisch leitfähig sein. Bei Anlegen der Spannung bzw. des Stroms zwischen Stempel und dem dem Niet zugewandten Bauteil muss bspw. nur dieses Bauteil elektrisch leitfähig sein. Je nach Art des Anlegens der Spannung bzw. des Stroms können also auch nicht elektrisch leitfähige Bauteile mittels des vorliegenden Verfahrens verbunden und dabei der Nietvorgang überwacht werden. Als Materialien der Bauteile kommen hier bspw. Aluminium-Blech, Aluminium-Guss, Stahl-Blech, warmumgeformter Stahl, Magnesium-Werkstoffe aber auch kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff in Frage. Hierzu sei angemerkt, dass auch eine geringe elektrische Leitfähigkeit (wie es beispielsweise bei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen der Fall ist) ausreichend sein kann.
Vorteilhafterweise wird der Verlauf des Kontakts zwischen dem Stempel und dem Niet mittels Erfassen einer optischen Durchlässigkeit einer Kontaktstelle zwischen dem Stempel und dem Niet während des Eindrückens ermittelt werden. Insbesondere kann dabei die optische Durchlässigkeit mittels Erfassen eines optischen Signals, das auf einen die Kontaktstelle umfassenden Bereich gerichtet ist, ermittelt werden. Ein solches optisches Erfassen kann alternativ oder zusätzlich zu einem elektrischen Erfassen des Verlaufs des Kontakts herangezogen werden. Hierbei kann auch sehr einfach der Kontaktverlauf erfasst werden. Insbesondere ist auf diese Weise auch eine qualitative Auswertung möglich, da bspw. eine detektierte Lichtmenge ein Maß für einen Abstand zwischen Stempel und Niet darstellt. Zudem können auch nicht elektrisch leitende Bauteile verbunden werden.
Eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung weist eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung und eine erfindungsgemäße Recheneinheit auf, und vorzugsweise weiterhin Anzeigemittel, die dazu eingerichtet sind, den Verlauf des Kontakts zwischen dem Stempel und dem Niet, insbesondere graphisch, darzustellen.
Zur Vermeidung von Wiederholungen sei bezüglich weiterer Vorteile einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Mundstück und der erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung verwiesen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich sowie der Upload der Messwerte auf einen Server zur Datenauswertung und Datenanalyse von unterschiedlichen Zugriffsorten (z.B. Daten-Cloud oder Daten-Lake).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt vereinfacht und schematisch eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Mundstück in einer bevorzugten Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist vereinfacht und schematisch eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Bei der Fertigungseinrichtung 100 kann es sich bspw. um einen Industrieroboter in einer Fertigungshalle, bspw. für einen automobilen Karosseriebau, handeln. Es ist aber auch eine stationäre Fertigungseinrichtung, z.B. mit einem stationären Rahmengestell ohne bewegliche oder verstellbare Roboterarme denkbar.
Die Fertigungseinrichtung 100 weist dabei eine auf einem Boden angeordnete Trägerstruktur 3 und zwei daran angeordnete, miteinander verbundene und bewegliche Arme 4 und 5 auf. Am Ende des Armes 5 ist eine Stanznietvorrichtung 10 angeordnet, welche in 2 detaillierter beschrieben wird.
Weiterhin ist eine Recheneinheit 17 gezeigt, bei der es sich bspw. um eine Steuereinheit für die Stanznietvorrichtung 10 handelt. Die Recheneinheit 17 kann zudem auch als Steuereinheit für die gesamte Fertigungseinrichtung, d.h. neben der Stanznietvorrichtung insbesondere auch für die Ansteuerung der beweglichen Arme vorgesehen sein. Weiterhin sind Anzeigemittel 19, bspw. ein Display, vorgesehen, auf denen bspw. aktuelle Betriebsparameter der Stanznietvorrichtung angezeigt werden können.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10 in einer bevorzugten Ausführungsform mit Kontaktspannungsmessung. Das in 3 detaillierter beschriebene Mundstück wird hier verwendet. Es ist eine Schaltungsanordnung 18 gezeigt, die eine Spannungsquelle 15 aufweist, die an den Stempel 11 und die Matrize 12 angeschlossen ist. Dabei ist zwischen dem Stempel 11 und der Spannungsquelle 15 ein Widerstand R₁ in Reihe zu dem den Stempel 11, den Niet 13, die Bauteile 1, 2 und die Matrize 12 umfassenden Bereich angeordnet. Dieser Bereich umfasst dabei auch die Kontaktstelle zwischen dem Stempel 11 und Niet 13. Diese Kontaktstelle bildet einen Widerstand, der mit R₃ bezeichnet ist. Weiterhin ist ein Widerstand R₂ parallel zu dem Widerstand R₃ angeordnet. Mittels eines Spannungsmessgeräts 16 kann die über den Bereich bzw. R₃ und den dazu parallelen Widerstand R₂ abfallende Spannung ermittelt werden.
Die Schaltungsanordnung 18 kann dabei Teil der Recheneinheit 17 sein. Somit können also auch die Spannungsquelle 15, die vorzugsweise eine konstante Spannung bereitstellt, sowie das Spannungsmessgerät 16 Teil der Recheneinheit 17 sein. Die Recheneinheit 17 kann somit bspw. einfach über zwei Leitungen an Stempel 11 und die Matrize 12 angeschlossen sein. Es versteht sich, dass dazu am Stempel 11 und an der Matrize 12 geeignete Kontakt- bzw. Anschlussstellen vorgesehen sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform mit der in 2 gezeigten Stanznietvorrichtung 10 und der Schaltungsanordnung 18 soll nun im Folgenden beschrieben werden.
Während des Nietvorgangs liegt ständig die durch die Spannungsquelle 15 bereitgestellte und hier über dem Widerstand R₂ abfallende Spannung zwischen dem Stempel 11 und der Matrize 12 an.
Wenn ein elektrischer Kontakt zwischen dem Stempel 11, dem Niet 13, den Bauteilen 1, 2 und der Matrize 12 besteht, geht der Wert des Widerstands R₃ gegen Null. Dies bedeutet, dass durch das Spannungsmessgerät 16 keine Spannung gemessen wird, da die Spannung zusammenbricht.
An dieser Stelle sei auch erwähnt, dass die an der Spannungsmessung beteiligten Komponenten zweckmäßigerweise elektrisch leitfähig sind. Dies ist für den Stempel 11, den Niet 13 sowie die Matrize 12 in der Regel ohnehin der Fall. Die zu verbindenden Bauteile, hier die Bauteile 1, 2, sollten bei der hier gezeigten Ausführungsform demnach ebenfalls elektrisch leitfähig sein. Die Höhe der elektrischen Leitfähigkeit der Bauteile muss dabei nicht notwendigerweise sehr hoch sein. Dies ist beispielsweise bei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) der Fall.
Besteht hingegen kein durchgehender elektrischer Kontakt zwischen dem Stempel 11, dem Niet 13, den Bauteilen 1, 2 und der Matrize 12, so geht der Wert des Widerstands R₃ gegen unendlich. Dies bedeutet, dass eine durch das Spannungsmessgerät 16 gemessene Spannung der über dem Widerstand R₂ abfallenden Spannung entspricht. Für den Fall, dass die Widerstände R₁ und R₂ bspw. gleich groß sind, d.h. falls R₁ = R₂, so wird die Hälfte der von der Spannungsquelle 15 bereitgestellten Spannung gemessen.
Im Falle eines nicht vernachlässigbaren Widerstands R₃, d.h. schlecht elektrisch leitfähigen Bauteilen 1, 2, können die Widerstände R₁ und R₂ so gewählt werden, dass die Spannungswerte bei offenem und geschlossenem Kontakt zwischen Stempel und Niet noch unterscheidbar sind.
In der Regel wird beim Niederhalter der elektrische Kontakt zwischen dem Stempel 11 und dem Niet 13 während des Stanznietvorgangs unterbrochen. Diese Unterbrechung des Kontakts rührt dabei von dem durch den Schwingungserzeuger 14 in Schwingung versetzten Stempel 11 her, während der Niet 13 in der Regel fest in wenigstens einem der Bauteile 1, 2 sitzt. Somit kann anhand des zeitlichen Verlaufs der Spannung, die über das Spannungsmessgerät 16 gemessen wird, ein zeitlicher Verlauf des Kontakts zwischen Stempel 11 und Niet 13 ermittelt werden. Für eine Bewertung kann beispielsweise eine Berührfrequenz aus dem Kontaktverlauf abgeleitet werden. Für eine bevorzugte Darstellung kann beispielsweise die Berührfrequenz gegenüber einer Position des Stempels 11 während des Eindrückens des Niets 13 dargestellt werden, wenn diese Position durch geeignete Mittel ebenfalls erfasst wird. Dies ermöglicht eine einfache und schnelle Bewertung des Nietvorgangs. Es sei noch angemerkt, dass bei anderem Anlegen der Spannung, bspw. zwischen dem Niederhalter 6 und dem Bauteil 2, das Bauteil 1 nicht elektrisch leitfähig sein muss. Die Erfindung ermöglicht eine im Wesentlichen fehlerstromfreie Kontaktspannungsmessung.
Anstatt der Schaltungsanordnung mit Spannungsquelle und Spannungsmessgerät könnte auch eine Schaltungsanordnung mit Stromquelle und Strommessgerät vorgesehen sein. Auch diese Schaltungsanordnung kann Teil der Recheneinheit sein. Bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform wird hier nun während des Nietvorgangs ein durch die Stromquelle eingeprägter Strom bereitgestellt. Wird nun zwischen dem Stempel und der Matrize eine leitfähige Verbindung bzw. ein Kontakt hergestellt, beginnt der Strom zu fließen. Ein bestehender Strom kann nun durch eine geeignete elektronische Auswerteschaltung bzw. ein Strommessgerät überwacht werden und als digitales oder analoges Signal der Messtechnik zugeführt werden. Die Erfindung ermöglicht auch eine im Wesentlichen fehlerstromfreie Kontaktstrommessung.
Es ist von Vorteil, wenn eine Abtastrate bei der Erfassung des Verlaufs des Kontakts wenigstens einem fünffachen, insbesondere wenigstens einem zehnfachen einer Frequenz der vom Schwingungserzeuger erzeugten Schwingung, die bspw. zwischen 15 und 35 kHz entspricht, beträgt. Auf diese Weise können bspw. zusätzliche Oberschwingungen erkannt werden, die auch zur Bewertung des Nietvorgangs herangezogen werden können. Vorzugsweise wird aus dem Verlauf des Kontakts zwischen dem Stempel 11 und dem Niet 13 eine Anzahl an Kontakten zwischen dem Stempel 11 und dem Niet 13 während des Eindrückens, eine Dauer der Kontakte, eine Dauer zwischen zwei Kontakten und/oder ein prozentualer Kontaktverlauf ermittelt. Diese Werte ermöglichen eine weitere bzw. bessere Bewertung des Nietvorgangs. Vorteilhafterweise wird der Verlauf des Kontakts auf Anzeigemitteln, insbesondere graphisch, dargestellt. Hierbei kann es sich bevorzugt bspw. um ein Display handeln, auf dem der Verlauf graphisch dargestellt wird. Dies ermöglicht eine besonders einfache und anschauliche Darstellung des Verlaufs bspw. für einen Bediener der Stanznietvorrichtung, der den Nietvorgang somit sehr schnell beurteilen kann. Es ist von Vorteil, wenn der Verlauf des Kontakts mit einem zugehörigen Stanznietvorgang verknüpft und auf einem Speichermedium abgespeichert wird. Damit ist eine Dokumentation des Nietvorgangs und dessen Qualität möglich. Bspw. können auf diese Weise später fehlerhafte Nietverbindungen leicht aufgefunden oder erklärt werden. Zudem ist eine solche Dokumentation für industrielle Anwendungen oftmals vorgeschrieben. Die Dokumentation kann dabei mittels Datenkabel, aber auch kabellose erfolgen, bspw. über WLAN erfolgen. Die erfassten Daten können über einen Daten-Server (z.B. Cloud / Daten-Lake) für Zugriffe von unterschiedlichen Bewertungs- und Analyseorten zur Verfügung gestellt werden.
In 3 ist ein erfindungsgemäßes Mundstück gezeigt. Das Mundstück 9 umfasst einen elektrisch leitfähigen äußeren Niederhalter 6 zum Ausüben einer Kraft auf die Bauteile 1,2. Dieser Niederhalter 6 dient auch zum Führen und Zentrieren des Nietelementes 13. Der Niederhalter 6 ist bei dieser Ausführungsform zylindrisch ausgebildet und weist eine koaxiale, zylindrische Ausnehmung 7 zum Führen und Zentrieren des Nietelementes 13 auf. Der Niederhalter 6 ist bevorzugt aus gehärtetem Werkzeugstahl hergestellt. Wesentlich bei der Erfindung ist, dass diese Ausnehmung 7 zum Führen und Zentrieren des gezeigten Nietelementes 13 (hier z.B. Halbhohlniet) zumindest abschnittsweise derart ausgebildet ist, dass beim Führen und Zentrieren des Nietelementes 13 kein elektrisch leitender Kontakt zwischen dem Nietelement 13 und dem Niederhalter 6 zustande kommt. Das hier gezeigte Mundstück 9 ist zweiteilig aufgebaut, zur Sicherstellung einer fehlerfreien Kontaktdetektion und zusätzlich zur verschleißbeständigen Zentrierung des Nietelementes 13.
Der innere Bereich 8 des Mundstückes 9, welcher die Funktion der Nietführung und Nietzentrierung hat, wird aus einer verschleißbeständigen, elektrisch nicht leitfähigen Masse 8 aufgebaut. Die Masse 8 wird derartig positioniert, so dass der Kraftfluss (axiale Niederhaltekraft) ausschließlich über den äußeren Mundstückbereich, d.h. den Niederhalter 9 verläuft. Bei dieser Ausführung des Mundstückes 9 ist der innere Bereich 8 des Mundstückes 9 mittels einer elektrisch isolierenden Keramikhülse 8 zum Führen und Zentrieren realisiert. Diese Keramikhülse 8 kann eingeschraubt, eingepresst oder eingeklebt sein.
Vorteilhafterweise wird im inneren Bereich 8 des Mundstückes, auf der Führungslänge des Nietelementes, eine Zirkonoxid-Keramikhülse 8 eingebracht. Zirkonoxid (Zr02) weist gegenüber anderen keramischen Werkstoffen einen sehr hohen Widerstand gegen die Ausbreitung von Rissen auf. Des Weiteren besitzt Zr02 gegenüber anderen keramischen Werkstoffen eine sehr hohe Wärmedehnung und eignet sich daher besonders bei der Realisierung von Verbindungen zwischen Keramik und Stahl. Alternativ oder ergänzend kann auch eine keramische oder keramikähnliche Beschichtung (z.B. über Sol-Gel-Verfahren oder CVD) in die Innenausnehmung 7 des Mundstückes 9 aufgebracht werden.
Als Alternativen zur bevorzugenden Oxidkeramik Zr02 können auch andere Keramiken / oder keramikähnliche Beschichtungen dienen, zum Beispiel aus weiteren Oxidkeramiken (wie z.B. Al2O3, Al2TiO5) aber auch nicht Oxid-Keramiken auf Karbidbasis (z.B. SiC, SSiC, SiSiC, B4C) oder Nitridbasis (z.B. Si3N4, AIN, BN, SiAlON) sowie vereinzelt Silikat-Keramiken sind mögliche Alternativen.
Als Gegenhalter 12 dient eine sogenannte Matrize. Die zu fügenden Bauteile 1,2 sind der Matrize 12 und dem Niederhalter 6 zugewandt. Der Halbhohlniet 13 wird mittels eines Stempels (nicht gezeigt) in die wenigstens zwei Bauteile unter Einbringung von Ultraschall auf den Stempel eingedrückt, wobei der Gegenhalter 12 mit dem Stempelwerkzeug derart zusammenwirkt, dass der Niet 13 innerhalb der miteinander zu verbindenden Bauteile 1,2 verformt wird, so dass eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen 1,2 realisiert und gleichzeitig ein Durchdringen des dem Niet 13 abgewandten Bauteils 1 vermieden wird.
Die hier gezeigte Ausführungsform ermöglicht anschließend oder während dieses Fügevorgangs eine Qualitätsanalyse mittels der weiter oben vorgestellten Kontaktmessungen bei deutlich reduzierten Fehlerströmen. Die Erfindung liefert in dieser Ausführungsform ein Zwei-Material-Mundstück 9 mit einer verschleißbeständiger, elektrisch isolierender Nietführung- und Nietzentrierung und gewährleistet eine fehlerfreie Kontaktdetektion für die Fügeprozessbewertung und die Fügeprozessabsicherung beim ultraschallunterstützten Stanznieten. Zusätzlich wird eine Koaxialität zwischen Nietelement 13 und Matrize 12 sichergestellt, was sich ebenfalls positiv auf die Kontaktqualität auswirkt.
Besonders Vorteilhaft ist beim Einsatz des Zwei-Material-Mundstückes 9 mit Einschraub-Hülse 6 ist zudem eine Wartung mit vergleichsweise geringem Zeit- und Kostenaufwand, da bei einer Hülse 8 (Verschleißteil) mit Einschraublösung im Wartungsfall nicht das ganze Mundstück 9 getauscht werden muss, sondern lediglich die Hülse 8. Das Mundstück 9 muss in diesem Falle ggf. nicht einmal ausgebaut werden.
Bezugszeichenliste

Bauteile	1,2
Trägerstruktur	3
Arm	4,5
Niederhalter	6
Ausnehmung	7
Keramikhülse	8
Mundstück	9
Stanznietvorrichtung	10
Stempel	11
Gegenhalter	12
Niet	13
Schwingungserzeuger	14
Spannungsquelle	15
Spannungsmessgerät	16
Recheneinheit	17
Schaltungsanordnung	18
Anzeigemittel	19
Fertigungseinrichtung	100

Claims

Mundstück für eine Nietvorrichtung, insbesondere für eine Stanznietvorrichtung, insbesondere eine Ultraschalleinpressvorrichtung, mit elektrisch leitfähigem Niederhalter (6) zum Ausüben einer Kraft auf ein Bauteil (1,2), welcher auch zum Führen und Zentrieren eines Nietelementes (13) vorgesehen ist und welcher derart eingerichtet ist, dass während des Nietvorgangs eine Führung und Zentrierung des Nietelementes (13) elektrisch isoliert zum Niederhalter (6) erfolgt.
Mundstück gemäß Anspruch 1, wobei der Niederhalter (6) zylindrisch ausgebildet ist und eine koaxiale zylindrische Ausnehmung (7) zum Führen und Zentrieren des Nietelementes (13) umfasst, welche zumindest abschnittsweise derart ausgebildet ist, dass beim Führen und Zentrieren des Nietelementes ein elektrisch nichtleitender Kontakt zwischen Nietelement (13) und Niederhalter (6) zustande kommt.
Mundstück gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieses zweiteilig aufgebaut ist und ein äußerer Bereich (6) für die Niederhaltefunktion vorgesehen ist und ein innerer Bereich (8) für die Nietführung und Nietzentrierung vorgesehen ist.
Mundstück gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im inneren Bereich (8) des Mundstückes (9) eine elektrisch isolierende Hülse zum Führen und Zentrieren vorgesehen ist, bevorzugt eine Keramikhülse(8).
Mundstück gemäß Anspruch 4, wobei vorgesehen ist, dass die Hülse (8) lösbar mit dem Niederhalter (9) verbunden ist, vorzugsweise mittels einer Schraubverbindung, alternativ auch mittels einer Klemm- und/oder Pressverbindung oder einer Klebeverbindung.
Stanznietvorrichtung (10) mit einem Stempel (11), einem Gegenhalter (12), einem Schwingungserzeuger (14) und einem Mundstück (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Stanznietvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das Mundstück zum Andrücken von wenigstens zwei Bauteilen (1,2) an den Gegenhalter (12) während des Eindrückens des Nietelementes (13) vorgesehen ist und wobei Erfassungsmittel vorgesehen sind, mittels welcher ein Verlauf eines elektrischen Kontakts zwischen dem Stempel (11) und dem Nietelement (13) während des Eindrückens ermittelbar ist.
Stanznietvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Erfassungsmittel eine elektrische Spannungs- bzw. Stromquelle (15) und ein Spannungsmessgerät (16) und/oder ein Strommessgerät aufweisen, wobei mittels der Spannungs- bzw. Stromquelle (15) an einem wenigstens eine Kontaktstelle zwischen dem Stempel (11) und dem Nietelement (13) umfassenden Bereich eine elektrische Spannung bzw. ein elektrischer Strom anlegbar ist.
Stanznietvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei der Niederhalter (6) und/oder der Gegenhalter (12) gegen eine Haltevorrichtung der Stanznietvorrichtung elektrisch isoliert sind.
Fertigungseinrichtung (100) aufweisend eine Stanznietvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 und eine Recheneinheit (17), die dazu eingerichtet ist, den Verlauf des Kontakts zwischen dem Stempel (11) und dem Nietelement (13) unter Verwendung des Mundstückes (9) zu erfassen.
Verfahren zur Erfassung des Kontaktverlaufes zwischen einem Stempel (11) und einem Nietelement (13) während des Einpressens des Nietelementes (13) in ein Bauelement (1,2) unter Verwendung des Mundstückes (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5.