DE102017205464A1

DE102017205464A1 - Verfahren zum Setzen einer umformtechnisch gefügten Verbindung

Info

Publication number: DE102017205464A1
Application number: DE102017205464.6A
Authority: DE
Inventors: Normen FUCHS; Thomas Nehls
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2018-10-04
Also published as: EP3600715A1; WO2018178186A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer umformtechnisch gefügten Verbindung von wenigstens zwei Bauteilen (2, 24, 25, 31, 32) oder von einem Bauteil mit einem Hilfsfügeteil (1, 33) oder Funktionselement, bei dem durch eine stetige Krafteinwirkung eines Setzgerätes (10, 26, 29, 34, 37) ein Hilfsfügeteil (1, 33) und/oder ein Bauteilwerkstoff eines oder mehrerer der Bauteile (2, 24, 25, 31, 32) umgeformt wird, wobei beim Setzvorgang die ausgeübte Kraft sowie der Setzweg erfasst werden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass wiederholt Differenzenquotienten aus einer Differenz von nacheinander ausgeübten Kräften F und einer Differenz von zurückgelegten Setzwegen S gebildet und mit wenigstens einem Referenzwert verglichen werden und dass der Setzvorgang abgebrochen wird, sobald der Differenzenquotient einen vorgegebenen Referenzwert erreicht oder überschreitet.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und speziell auf dem Gebiet der Fügetechnik. Sie ist mit besonderem Vorteil bei Nietverbindungen einsetzbar.
Umformtechnisch zu fügende mechanische Hilfsfügeteile sind im Stand der Technik seit langem bekannt. So ist das Fügen von Metallteilen, insbesondere Blechen, vor der Einführung der Schweißtechnik überwiegend mit Schraub-und Niettechnik durchgeführt worden. Bei einer Nietverbindung ist in vielen Fällen ein Niet vorgesehen mit einem Nietschaft, der eine Öffnung durchsetzt und auf einer Seite einen Setzkopf sowie auf der gegenüberliegenden Seite einen Schließkopf aufweist. Die Verbindung wird durch Bearbeiten des Schließkopfes und seine Verformung hergestellt und ist üblicherweise nicht zerstörungsfrei zu lösen.
Sonderformen von Nieten sind beispielsweise durch genannte Blindnietmuttern gebildet, die die Bearbeitung und das Setzen von nur einer Arbeitsseite erlauben. Eine Blindnietmutter wird üblicherweise durch eine Öffnung der zu fügenden Bauteile gesteckt und darauf wird das durchgesteckte Ende durch Aufbringen einer Zugkraft gestaucht und unter Ausbildung eines Schließkopfes verformt.
Zu den betrachteten umformtechnischen Fügeverfahren gehört auch das sogenannte Clinchen/Durchsetzfügen, der Schließringbolzen und das Stanznieten (Halbhohlstanznieten, Vollstanznieten).
Es sind aus dem Stand der Technik verschiedene Arten der Blindniettechnik bekannt, wobei beispielsweise aus der DE 602004 000 246 T2 die Anwendung von Blindnietmuttern hervorgeht, bei denen die Zugkraft mittels eines Gewindebolzens aufgebracht wird, der in den Schließkopf eingeschraubt und nach der Stauchbewegung üblicherweise wieder entfernt wird.
Für die Durchführung eines Setzvorgangs sind grundsätzlich Setzgeräte, beispielsweise aus der DE 33 06 827 A1 bekannt, die durch mechanische Anschläge sowie unter Überwachung der Setzkraft und des Setzweges den Fügeprozess steuern. Es kann dabei ein bestimmter Setzweg oder eine Setzkraft vorgegeben werden, bei deren Erreichen der Setzvorgang beendet wird und bei der auf Grund von Erfahrungswerten davon auszugegangen wird, dass eine zuverlässige Verbindung zustande gekommen ist.
Aus der DE 10 2007 059 422 A1 ist ein Verfahren zum Setzen von Nietelementen bekannt, wobei ein von einem Motor angetriebenes Nietgerät verwendet wird, mit einem Elektromotor, dessen Strom zur Überwachung der Setzkraft erfasst wird. Zudem wird der Weg, den das Nietelement während des Setzvorgangs zurücklegt, anhand der Bewegung der Setzeinrichtung wiederholt gemessen. Es werden verschiedene Messpunkte bezüglich des Weges und der bei jedem Messpunkt aufgebrachten Setzkraft überprüft und mit Referenzwerten verglichen, wobei der Setzvorgang des Nietelementes qualitativ nicht akzeptiert wird, wenn an einem Messpunkt die dort aufgebrachte Setzkraft außerhalb des Referenzkraftwertebereiches für diesen Messpunkt liegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Setzen einer umformtechnisch gefügten Verbindung mit oder ohne ein Hilfsfügeteil sowie ein Setzgerät zum Setzen einer solchen Verbindung zu schaffen, die das Zustandekommen einer tragfähigen Verbindung auch bei Schwankungen von Eingangsgrößen wie beispielsweise Fertigungstoleranzen der Hilfsfügeteile oder Bauteile gewährleisten.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Die Patentansprüche 2 bis 11 beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens. Der Patentanspruch 12 bezieht sich auf ein Setzgerät zum Setzen eines Hilfsfügeteiles und die Patentansprüche 13 bis 18 beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen Setzgerätes.
Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf ein Verfahren zum Erzeugen einer umformtechnisch gefügten Verbindung von wenigstens zwei Bauteilen oder von einem Bauteil mit einem Hilfsfügeteil, bei dem durch eine stetige Krafteinwirkung eines Setzgerätes ein Hilfsfügeteil und/oder ein Bauteilwerkstoff eines oder mehrerer der Bauteile umgeformt wird, wobei beim Setzvorgang die ausgeübte Kraft sowie der Setzweg erfasst werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass wiederholt Differenzenquotienten aus einer Differenz von nacheinander ausgeübten Kräften F und einer Differenz des zurückgelegten Setzweges S gebildet und mit wenigstens einem Referenzwert verglichen werden und dass der Setzvorgang abgebrochen wird, sobald der Differenzenquotient einen vorgegebenen Referenzwert erreicht oder überschreitet.
Der auf diese Weise laufend oder regelmäßig ermittelte Differenzenquotient setzt die Prozessgrößen Setzweg und Setzkraft während des Setzprozesses in Verbindung und ermöglicht die individuelle Bewertung des Fügeprozesses und die Einschätzung der Zuverlässigkeit der Fügeverbindung unter Berücksichtigung von Schwankungen der Eingangsgrößen wie beispielsweise in Fertigungstoleranzen der Niete, Toleranzen von Bohrungen in den zu fügenden Bauteilen und Toleranzen des Setzgerätes. Die Prozesskurve, die die Änderung der Setzkraft mit dem Setzweg beschreibt, zeigt, dass die Setzkraft zunächst ansteigt bis eine plastische Verformung des Hilfsfügeteils/Niets oder der zu fügenden Bauteile beginnt, dass danach die Setzkraft nur wenig weiter ansteigt und teilweise sogar geringfügig sinkt und dass zum Ende des Fügeprozesses ein starker und deutlicher Anstieg der Setzkraft erfolgt. Der Bereich einer relativ gleichbleibenden Setzkraft beim Setzen eines Blindniets kennzeichnet den Abschnitt des Installationsprozesses, auf dem der Umformbereich am Schaft des Hilfsfügeteils (Blindnietmutter) einknickt und verformt wird, bis die Stauchung beendet ist. Eine weitergehende Verformung ist durch eine Stauchung des Niets nicht mehr möglich. An diesem Punkt des steilen Anstieges der Prozesskraft kann üblicherweise der Setzvorgang abgebrochen werden. Analoges gilt für das Clinchen, den Schließringbolzen und das Stanznieten (Halbhohlstanznieten, Vollstanznieten). Eine optimierte Überwachung des Setzvorgangs ist mittels der genannten Differenzenquotienten möglich, die über bestimmte Intervalle die Unterschiede der Setzkraft und des Setzweges in Beziehung zueinander setzen. Weiter unten werden die Prozesskurve und der Verlauf des Differenzen- bzw. Differentialquotienten noch gezeigt und näher erläutert.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind lediglich die Erfassung von Prozessgrößen mittels zweier Sensoreinrichtungen sowie die laufende Bildung von Differenzenquotienten notwendig. Der Differenzenquotient muss mit einem einzigen hinterlegten Referenzwert verglichen werden, um das Eintreten des Abbruchskriteriums zu prüfen. Es ist damit auch keine aufwendige Ermittlung von Referenzwerten entlang der Prozesskurve zur Vorbereitung des Setzweges oder zur Referenzmessung für einzelne Typen von Nieten notwendig. Es muss für jede Art der Fügeverbindung nur eine einzige Referenzgröße als Abbruchkriterium in Form eines vorgegebenen Differenzenquotienten ermittelt werden.
Die Anforderungen an gespeicherte Referenzwerte und an die Qualität und den Aufwand des Bewertungsvorganges sind damit niedrig gehalten.
Die umformtechnisch gefügte Verbindung kann mit oder auch ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils wie beispielsweise eines Niets, einer Blindnietmutter, eines Schließringbolzens oder Stanzniets (Halbhohlstanzniet, Vollstanzniet) erhalten werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass während des Setzvorganges laufend der zurückgelegte Setzweg erfasst wird und dass in bestimmten Weginterwallen des zurückgelegten Setzweges oder an festgelegten Wegpunkten die ausgeübte Kraft sowie der zurückgelegte Setzweg gemessen, Differenzen der Kraft und des Setzweges zur jeweils letzten zurückliegenden Messung ermittelt und ein Quotient aus der Differenz der aufgewandten Kräfte und der Differenz der zurückgelegten Setzwege ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen wird.
Die Zwischenräume/Intervalle, in denen die Differenzenquotienten gebildet werden, orientieren sich in diesem Fall an dem zurückgelegten Setzweg. Dabei können die Punkte äquidistant sein oder sie können zu Beginn des Setzvorgangs weitere Abstände voneinander aufweisen, als zum Ende des Setzvorganges, wenn der Abbruch zu erwarten ist. Die Dichte der Wegpunkte, an denen der Differenzenquotient gebildet wird, kann auch über den Setzweg gleichmäßig zunehmen.
Es kann dabei vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Kraft und der Setzweg in Intervallen des Setzweges von höchstens 0,1 mm oder in Zeitintervallen, die kleiner oder gleich 2 Millisekunden sind, erfasst werden.
Es kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass während des Setzvorganges laufend die ausgeübte Kraft erfasst und nach bestimmten Setzkrafterhöhungen oder zu bestimmten erreichten Kraftwerten die ausgeübte Kraft sowie der zurückgelegte Setzweg gemessen, Differenzen der Kraft und des Setzweges zur jeweils letzten zurückliegenden Messung ermittelt und ein Quotient aus der Differenz der aufgewandten Kräfte und der Differenz der zurückgelegten Setzwege ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen wird.
In diesem Fall orientieren sich die Intervalle in denen die Differenzenquotienten gebildet werden an der sich fortschreitend verändernden Setzkraft. Dies ist insbesondere in solchen Fällen sinnvoll, in denen die Setzkraft sich mit der Umformung stetig ändert, insbesondere sich stetig und monoton vergrößert.
Letztlich kann es auch vorgesehen sein, dass während des Setzvorganges zu vorbestimmten Zeiten oder in vorbestimmten Zeitintervallen die ausgeübte Kraft sowie der zurückgelegte Setzweg gemessen, Differenzen der Kraft und des Setzweges zur jeweils letzten zurückliegenden Messung ermittelt und ein Quotient aus der Differenz der aufgewandten Kräfte und der Differenz der zurückgelegten Setzwege ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen wird.
Dabei kann davon ausgegangen werden, dass ein Setzgerät den Setzprozess kontinuierlich durch Erhöhung der Setzkraft und Zurücklegen des Setzweges durchführt, wobei dann in zeitlich gleichbleibenden oder sich verdichtenden Abständen des Setzvorgangs die Differenzenquotienten gebildet und mit dem Referenzwert verglichen werden können.
In einer weiteren Ausführungsform kann zudem vorgesehen sein, dass zunächst ein Kraftübertragungselement, insbesondere eine Klemmvorrichtung, ein Stempel oder eine Schraube mit der Setzseite eines Hilfsfügeteils, insbesondere Niets verbunden und darauf mittels des Kraftübertragungselements eine Kraft auf das Hilfsfügeteil ausgeübt wird, die ausreichend ist, um das Hilfsfügeteil umzuformen.
Es ist sinnvoll, mittels eines Stifts oder einer Schraube die Setzkraft auf der Setzseite des Hilfsfügeteils auf den Schließkopf des Niets auszuüben und den Stift oder die Schraube vorteilhaft nach dem Setzvorgang auch zu entfernen. Hierzu ist es grundsätzlich bekannt, an dem Ende eines Niets, insbesondere einer Blindnietmutter, an dem der Schließkopf ausgebildet wird, ein Innengewinde zur Verbindung mit einem Gewindestift vorzusehen. Dieser wird vor dem Setzvorgang eingeschraubt, danach wird mittels des Gewindestifts die notwendige Kraft auf den Niet ausgeübt und nach dem Herstellen der Verbindung kann der Gewindestift wieder ausgeschraubt werden. Andere Ausführungsformen sehen vor, dass mit dem Ende des Niets, an dem der Setzkopf ausgebildet wird, ein Stift dauerhaft verbunden ist, der nach dem Aufbringen der Kraft abgetrennt wird. Es kann, wie oben beispielhaft erwähnt, auch vorgesehen sein, dass nach einer Verformung des Hilfsfügeteiles, insbesondere Niets der Stift oder die Schraube von der Setzseite des Hilfsfügeteiles, insbesondere Niets rückstandsfrei und zerstörungsfrei entfernt wird, insbesondere durch Ausschrauben.
In diesem Fall wird an dem Stift oder der Schraube von der Setzseite des Hilfsfügeteiles hergezogen, um die Schließseite zu stauchen und darauf kann auf der Setzseite der Stift oder die Schraube entweder abgeschnitten oder anderweitig abgetrennt oder ausgeschraubt werden.
Es kann auch eine Implementierung vorgesehen sein, bei der zunächst ein Kraftübertragungselement, insbesondere ein Stempel, Kontakt mit der Bauteiloberfläche aufnimmt, insbesondere beim Clinchen/Durchsetzfügen, und darauf mittels des Kraftübertragungselements eine Kraft auf den Bauteilwerkstoff ausgeübt wird, die ausreichend ist, um in den Bauteilen ein Verbindungselement, insbesondere in Form einer formschlüssigen Verbindung, zu formen.
Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Verfahren der oben erläuterten Art auch auf ein Setzgerät zum Erzeugen einer umformtechnisch gefügten Verbindung von wenigstens zwei Bauteilen, bei dem durch eine stetige Krafteinwirkung eines Setzgeräts ein Hilfsfügeteil und/oder ein Bauteilwerkstoff eines oder mehrerer der Bauteile umgeformt wird, mit einer ersten Erfassungseinrichtung, die beim Setzvorgang den Setzweg erfasst sowie mit einer zweiten Erfassungseinrichtung, die beim Setzvorgang die ausgeübte Kraft erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, Differenzen von nacheinander erfassten Werten der ausgeübten Kraft F und Differenzen der jeweils erfassten zurückgelegten Setzwege S zu ermitteln, aus diesen Differenzen einen Differenzenquotient Delta F/Delta S zu ermitteln und diesen mit wenigstens einem gespeicherten Referenzwert zu vergleichen. Die Aufgabe wird hierbei dadurch gelöst, dass eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, Differenzen von nacheinander erfassten Werten der ausgeübten Kraft F und Differenzen der jeweils erfassten zurückgelegten Setzwege S zu ermitteln, aus diesen Differenzen einen Differenzenquotient Delta F/Delta S zu ermitteln und diesen mit wenigstens einem gespeicherten Referenzwert zu vergleichen.
Die Verarbeitungseinrichtung kann beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein, in dem Messwerte des Setzweges und der Setzkraft verarbeitet werden. Differenzen zu zurückliegenden Messungen können durch den Mikrocontroller ebenfalls ermittelt und in Form eines Differenzenquotienten zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Es ist in dem Mikrocontroller eine Speichereinrichtung vorgesehen, in der ein oder mehrere Referenzwerte gespeichert werden, wobei zu einem festgelegten Niet oder einer bestimmten Art der umformenden Fügeverbindung die Differenzenquotienten mit einem entsprechend diesem zugeordneten Referenzwert als Abbruchkriterium verglichen werden. Hierzu ist dann vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, den Setzvorgang abzubrechen, sobald der Differenzenquotient einen vorgegebenen Referenzwert erreicht oder überschreitet.
Es ist vorteilhaft weiter vorgesehen, dass eine Vorrichtung zum Verbinden des Setzgerätes mit einem Teil eines Hilfsfügeteils in Form einer Blindnietmutter oder eines Schließringbolzens vorgesehen ist, wobei insbesondere das Setzgerät von dem Teil des Hilfsfügeteiles wieder lösbar ist.
Diese Vorrichtung kann beispielsweise durch ein Setzgerät mit eigenem Schraubantrieb verwirklicht sein, der eine Schraube mit der Blindnietmutter verbindet und diese Verbindung durch Ausschrauben nach dem Setzvorgang wieder löst.
Es kann im Rahmen der Erfindung auch ein Setzgerät vorgesehen sein, bei dem die Vorrichtung zum Verbinden des Setzgerätes mit einem Teil des Hilfsfügeteils, insbesondere Schließringbolzen, eine Klemmvorrichtung aufweist, das den Schließringbolzen während des Setzprozesses bis zum vollständigen Umformen des Schließringes greift, wobei insbesondere das Setzgerät von dem Teil des Hilfsfügeteils wieder lösbar ist.
Weiter kann ein Setzgerät vorgesehen sein, bei dem eine Vorrichtung zum Kontakt des Setzgerätes mit einem Teil eines Hilfsfügeteils in Form eines Halbhohlstanznietes oder Vollstanznietes vorgesehen ist, wobei insbesondere das Setzgerät von dem Teil des Hilfsfügeteils wieder lösbar ist.
Schließlich kann auch ein Setzgerät vorgesehen sein, bei dem eine Vorrichtung zum Kontakt des Setzgerätes mit einem Teil eines Bauteils zum Clinchen/Durchsetzfügen vorgesehen ist, wobei insbesondere das Setzgerät von dem Teil des Bauteils wieder lösbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert.
Dabei zeigt

1 schematisch einer Blindnietmutter vor dem Setzvorgang,
2 die Blindnietmutter aus 1 nach dem Setzvorgang,
3 schematische Elemente eines Setzgerätes sowie
4 den Verlauf von Prozessgrößen während des Setzvorganges.
5 schematisch eine Darstellung eines Clinch-Vorganges, sowie
6 und 7 in schematischer Form des Prozesses des Halbhohlstanznietes.

Die 1 zeigt eine Blindnietmutter als Beispiel eines umformtechnisch gefügten Hilfsfügeteiles 1, die beispielhaft an ein Blech 2 oder mittels der eine Schichtung aus mehreren Blechen gefügt wird. Dazu ist in dem Blech 2 eine Öffnung 3 vorgesehen, in die die Blindnietmutter 1 eingeschoben ist. Die Blindnietmutter 1 weist einen Setzkopf 4 in Form eines radial nach außen ragenden Flansches auf und im Bereich des Schließkopfes, der bei der gezeigten Blindnietmutter erst im Zuge des Setzprozesses gebildet wird, ein Innengewinde 5.
Von der Seite des Setzkopfes 4 her wird zur Einleitung des Setzvorgangs ein Gewindestift 11 (vgl. 3) eingeführt und in dem Gewinde 5 verschraubt und darauf in die Richtung des Pfeils 6 gezogen.
Die 2 zeigt den verformten Zustand des Niets 1 nachdem das Setzende 7 des Niets nach oben in Richtung des Pfeils 6 gezogen worden ist. Der Schaft 8 des Niets weist einen Längenabschnitt mit dem Gewinde 5, sowie einen glatten, üblicherweise dünnwandigeren Abschnitt 9 (Umformbereich) auf, der im Rahmen der Zugbewegung einknickt, so dass der Niet 1 sich in Richtung der Zugbewegung 6 verkürzt. Dabei formt sich der Bereich 9 des Schaftes 8 zu einer radial nach außen ragenden Wulst 9a aus, die sich an das Blech 2 anlegt. Der Niet 1 ist damit mit dem Flansch 4 einerseits und dem Wulst 9a andererseits am Rand der Öffnung 3 in dem Blech oder dem Blechstapel 2 festgelegt.
Allgemein besitzt jedes Setzgerät für das umformtechnische Fügen eine Vorrichtung, um eine translatorische Bewegung auf das Hilfsfügeteil und/oder den Bauteilwerkstoff aufzuprägen. Dies können Zug- oder Druckkräfte sein. Dabei werden sowohl die übertragene Kraft als auch der zurückgelegte translatorische Weg der Vorrichtung getrennt erfasst.
Die 3 zeigt beispielhaft schematisch Teile eines Setzgerätes 10 für eine Blindnietmutter. In der Figur ist zunächst der Gewindestift 11 mit dem Außengewinde 12 dargestellt, das in das Innengewinde 5 der Blindnietmutter 1 eingreift. Hierzu ist ein Antriebselement 13 in Form eines Antriebsstiftes gezeigt, der in den Gewindestift 11 an seinem oberen Ende zur Übertragung einer Drehbewegung eingreift. Das Antriebselement 13 ist somit in beiden Drehrichtungen um seine Längsachse 14 drehbar.
Zu Beginn eines Setzvorganges wird der Gewindestift 11 durch den Antrieb des Antriebselementes 13 in das Gewinde 5 eingeschraubt. Der Gewindestift 11 durchsetzt dabei die Längsöffnung des Niets 1. An dem Setzgerät ist eine Auflageplatte 15 vorgesehen, die auf den Niet 1 oder auf das zu nietende Material 2 aufgesetzt wird. Diese Auflageplatte 15 dient als Widerlager für das Setzgerät während des Setzvorgangs, wenn mittels eines Zugrohres 16 der Gewindestift 11 an seinem Kopf 17 in Richtung des Pfeils 18 gezogen wird, um den Niet 1 zu stauchen. Hierzu ist ein Zugantrieb vorgesehen, der in der 3 nicht näher dargestellt ist und der das Zugrohr 16 in Richtung des Pfeils 18 zieht. Das Zugrohr weist an seinem dem Niet zugewandten Ende einen Innenflansch 16a auf, der sich an den Kopf 17 des Gewindestifts 11 anlegt. Die Zugkraft, die in Richtung des Pfeils 18 auf das Zugrohr und auf den Gewindestift 11 und somit auf das Schließende des Niets wirkt, wird mittels eines Kraftsensors 19 erfasst.
Der Weg, den das Zugrohr 16 während des Setzvorganges zurücklegt, wird laufend durch den Wegsensor 20 erfasst. Die Information über die augenblicklich ausgeübte Kraft wird vom Sensor 19 zu der Verarbeitungseinrichtung 21 geleitet, ebenso wie durch den Sensor 20 der Wert des jeweils momentan zurückgelegten Wegs des Gewindestifts 11. In festgelegten Zeitabständen, Kraftintervallen oder Setzwegintervallen bildet die Verarbeitungseinrichtung 21 eine Differenz der jeweils erfassten Setzkraft zu der bei der vorangegangenen Messung erfassten Setzkraft und eine Differenz des erfassten Setzweges zu dem bei der vorangegangenen Messung erfassten Setzweg und bildet aus diesen Differenzen einen Differenzenquotienten. Dieser jeweils aktualisierte Differenzenquotient wird laufend mit einem Referenzwert verglichen und bei Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Referenzwertes durch den Differenzenquotienten wird der Setzvorgang abgebrochen bzw. beendet.
Die 4 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der horizontalen Achse der zurücklegte Setzweg S und auf der vertikalen Achse die Setzkraft F dargestellt ist. Die entsprechende Prozesskurve 22 zeigt den Verlauf der Setzkraft F über den fortschreitenden Setzweg S. Es zeigt sich, dass zunächst bei einem Komprimieren des Niets von einem Weg 0 bis zu einem Weg S1 keine Kraft aufzuwenden ist, da hier lediglich das mechanische Spiel überwunden wird. Daraufhin steigt die für einen Setzweg erforderliche Kraft F stark an, um dann auf einem Plateau bis zu einem Punkt S2 relativ konstant zu bleiben. Am Punkt S2 verändert sich die Steigung der Prozesskurve deutlich.
Die Kurve 23 zeigt für jeden Punkt des Setzweges S die Steigung der Prozesskurve 22 als Grenzwert des Differenzenquotienten $\frac{Δ F}{Δ S}$
an. Am Punkt S1 zeigt sich ein Maximum der Steigung, die zum Punkt S3 bis fast auf 0 absinkt. Danach ergeben sich gewisse Schwankungen in der Steigung, jedoch steigt die Steigung erst ab dem Punkt S2 stark und deutlich an. Es kann ein Grenzwert ${(\frac{Δ F}{Δ S})}_{R} = Referenzwert$
festgelegt sein, mit dem die jeweils gemessenen Differenzenquotienten verglichen werden. Bei Erreichen des Wertes ${(\frac{Δ F}{Δ S})}_{R}$
am Punkt S4 wird dann der Setzvorgang abgebrochen. Der Graph, der in der Darstellung den Verlauf der Differenzenquotienten angibt, bildet somit ein sehr viel deutlicheres Differenzierungskriterium für den Abbruch des Setzvorgangs als beispielsweise der reine Kraftverlauf über den Setzweg.
Somit ist durch die laufende Übermittlung und Überwachung der Differenzenquotienten aus Setzkraft und Setzweg eine zuverlässige Methode gegeben, in einfacher und reproduzierbarer Weise eine zuverlässige und dauerhafte Verbindung mit einem umformtechnisch gefügten Verbindungselement zu schaffen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf zwei zu verbindende Bleche sowie ein Hilfsfügeteil in Form eines Schließringbolzens ohne Abrissteil, bestehend aus Bolzen und Schließring. Der Schließringbolzen wird durch eine Klemmvorrichtung gefasst und in Bolzenlängsachse gezogen. Das Mundstück des Setzgerätes stützt sich an der Oberseite des Schließringes ab. Dadurch werden die zu verbindenden Bauteile zusammengepresst, mit zunehmender Setzkraft beginnt das Mundstück des Setzgerätes mit der Umformung des Schließringes, indem es über die Außenseite des Schließringes gleitet. Zum Abschluss des Setzprozesses ist der Schließring so umgeformt, dass sich das Material des Schließringes in die Rillengeometrie des Bolzens eingeformt hat und ein Formschluss entstanden ist.
Der Setzweg ist der Weg, den die an einem Zugdorn befestigte Klemmvorrichtung während des Setzprozesses zurücklegt. Die Setzkraft ist die durch den Zugdorn ausgeübte Kraft.
Die 5 zeigt zwei gefügte Bleche 24, 25, die mittels Clinchen, auch Durchsetzfügen, also durch Umformung ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils, zusammengefügt sind. Dies geschieht durch Druckausübung mittels eines Pressstempels 26, der in Richtung des Pfeils 27 gegen die Bleche gedrückt wird, so dass diese sich in die gegenüberliegende und mit einer topfartigen Ausnehmung 28 versehene Matrize 29 hinein verformen.
Die Matrize 29 kann bewegliche Teile 29a, 29b aufweisen, die durch Nachgeben während der Verformung eine Verbreitung der Ausformung des ausgestülpten Teils 30 der Bleche ermöglichen. Hierdurch kann in einem Ausführungsfall eine Hinterschneidung des Bleches 25 entstehen, in die das Blech 24 hineingedrückt wird, so dass die Bleche 24, 25 kraft- und formschlüssig gefügt sind.
Als Setzweg wird während des Setzvorgangs der Weg erfasst, den der Pressstempel 26 zurücklegt. Die Setzkraft ist die durch den Pressstempel ausgeübte Kraft.
6 zeigt zwei zu verbindende Bleche 31, 32 sowie ein Hilfsfügeteil in Form eines Halbhohlstanzniets 33 und eine unter den Blechen angeordnete Matrizen 34 mit einer topfartigen Ausnehmung 35. Der Halbhohlstanzniet wird durch einen Stempel (37) in Richtung des Pfeils 36 in die Bleche 31, 32 hineingedrückt, wobei er das obere Blech 31 durchstößt und sich, wie in 7 gezeigt, in das Material des unteren Blechs 32 hinein spreizt. Beide Bleche werden dabei in die topfartige Ausnehmung 35 hineingedrückt.
Das untere Blech 32 wird von dem Niet 33 nicht durchstoßen.
Der Setzweg ist der Weg, den der Stempel 37 während des Setzprozesses zurücklegt. Die Setzkraft ist die durch den Stempel ausgeübte Kraft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf zwei zu verbindende Bleche sowie ein Hilfsfügeteil in Form eines Vollstanzniets und eine unter den Blechen angeordnete Matrize, bestehend aus Schneid- und Prägering. Der Vollstanzniet wird durch einen Stempel in die Bleche hineingedrückt, wobei er das obere und untere Blech durchstößt. Zum Abschluss des Setzprozesses prägt sich der Prägering der Matrize in den Bauteilwerkstoff des unteren Bauteils ein, das Hilfsfügeteil wird höchstens minimal verformt und der durch den Prägering umgeformt Bauteilwerkstoff fließt in die Rillengeometrie des Nietelementes und erzeugt einen Formschluss. Im matrizenseitigen Bauteilwerkstoff bildet sich ein Prägering aus.
Der Setzweg ist dabei der Weg, den der Stempel während des Setzprozesses zurücklegt. Die Setzkraft ist die durch den Stempel ausgeübte Kraft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 602004000246 T2 [0005]
DE 3306827 A1 [0006]
DE 102007059422 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer umformtechnisch gefügten Verbindung von wenigstens zwei Bauteilen (2, 24, 25, 31, 32) oder von einem Bauteil mit einem Hilfsfügeteil (1, 33) oder Funktionselement, bei dem durch eine stetige Krafteinwirkung eines Setzgerätes (10, 26, 29, 34, 37) ein Hilfsfügeteil (1, 33) und/oder ein Bauteilwerkstoff eines oder mehrerer der Bauteile (2, 24, 25, 31, 32) umgeformt wird, wobei beim Setzvorgang die ausgeübte Kraft sowie der Setzweg erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass wiederholt Differenzenquotienten aus einer Differenz von nacheinander ausgeübten Kräften F und einer Differenz von zurückgelegten Setzwegen S gebildet und mit wenigstens einem Referenzwert verglichen werden und dass der Setzvorgang abgebrochen wird, sobald der Differenzenquotient einen vorgegebenen Referenzwert erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umformtechnisch gefügte Verbindung ohne die Verwendung eines Hilfsfügeteils (1, 33) durch Clinchen/Durchsetzfügen geschieht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umformtechnisch gefügte Verbindung unter Verwendung eines Hilfsfügeteils (1, 33; x1, x2) geschieht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsfügeteil (1, 33, x1, x2) ein Halbhohlstanzniet (33), ein Vollstanzniet (x1), ein Schließringbolzen ohne Abrissteil (x2) oder eine Blindnietmutter (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Setzvorganges laufend der zurückgelegte Setzweg erfasst wird und dass in bestimmten Weginterwallen des zurückgelegten Setzweges oder an festgelegten Wegpunkten die ausgeübte Kraft sowie der zurückgelegte Setzweg gemessen, Differenzen der Kraft und des Setzweges zur jeweils letzten zurückliegenden Messung ermittelt und ein Quotient aus der Differenz der aufgewandten Kräfte und der Differenz der zurückgelegten Setzwege ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft und der Setzweg in Intervallen des Setzweges von höchstens 0,1 mm oder on Zeitintervallen, die kleiner oder gleich 2 Millisekunden sind, erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Setzvorganges laufend die ausgeübte Kraft erfasst und nach bestimmten Setzkrafterhöhungen oder zu bestimmten erreichten Kraftwerten die ausgeübte Kraft sowie der zurückgelegte Setzweg gemessen, Differenzen der Kraft und des Setzweges zur jeweils letzten zurückliegenden Messung ermittelt und ein Quotient aus der Differenz der aufgewandten Kräfte und der Differenz der zurückgelegten Setzwege ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass während des Setzvorganges zu vorbestimmten Zeiten oder in vorbestimmten Zeitintervallen die ausgeübte Kraft sowie der zurückgelegte Setzweg gemessen, Differenzen der Kraft und des Setzweges zur jeweils letzten zurückliegenden Messung ermittelt und ein Quotient aus der Differenz der aufgewandten Kräfte und der Differenz der zurückgelegten Setzwege ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Kraftübertragungselement, insbesondere eine Klemmvorrichtung, ein Stempel oder eine Schraube (11) mit der Setzseite eines Hilfsfügeteils, insbesondere Niets (1, 33) verbunden und darauf mittels des Kraftübertragungselements eine Kraft auf das Hilfsfügeteil ausgeübt wird, die ausreichend ist, um das Hilfsfügeteil umzuformen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Kraftübertragungselement, insbesondere ein Stempel (28), Kontakt mit der Bauteiloberfläche aufnimmt, insbesondere beim Clinchen/Durchsetzfügen, und darauf mittels des Kraftübertragungselements eine Kraft auf den Bauteilwerkstoff ausgeübt wird, die ausreichend ist, um in den Bauteilen ein Verbindungselement, insbesondere in Form einer formschlüssigen Verbindung, zu formen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Verformung des Hilfsfügeteils, insbesondere Niets (1, 33) die Klemmvorrichtung, der Stempel oder die Schraube (11) von der Setzseite des Hilfsfügeteils, insbesondere Niets rückstandsfrei und zerstörungsfrei entfernt wird.
Setzgerät (10) zum Erzeugen einer umformtechnisch gefügten Verbindung von wenigstens zwei Bauteilen oder von einem Bauteil mit einem Hilfsfügeteil oder Funktionselement, bei dem durch eine stetige Krafteinwirkung eines Setzgeräts ein Hilfsfügeteil (1, 33) und/oder ein Bauteilwerkstoff eines oder mehrerer der Bauteile umgeformt wird, mit einer ersten Erfassungseinrichtung (19), die beim Setzvorgang den Setzweg erfasst sowie mit einer zweiten Erfassungseinrichtung (20), die beim Setzvorgang die ausgeübte Kraft erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verarbeitungseinrichtung (21) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, Differenzen von nacheinander erfassten Werten der ausgeübten Kraft F und Differenzen der jeweils erfassten zurückgelegten Setzwege zu ermitteln, aus diesen Differenzen einen Differenzenquotient Delta F/Delta S zu ermitteln und diesen mit wenigstens einem gespeicherten Referenzwert zu vergleichen.
Setzgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, den Setzvorgang abzubrechen, sobald der Differenzenquotient einen vorgegebenen Referenzwert erreicht oder überschreitet.
Setzgerät nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (11, 13) zum Verbinden des Setzgerätes mit einem Teil eines Hilfsfügeteils in Form einer Blindnietmutter (1) vorgesehen ist, wobei insbesondere das Setzgerät von dem Teil des Hilfsfügeteils wieder lösbar ist.
Setzgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11, 13) zum Verbinden des Setzgerätes mit einem Teil eines Hilfsfügeteils, insbesondere einer Blindnietmutter (1) ein Schraubgewinde (12) aufweist, dass in ein Gewinde des Hilfsfügeteils einschraubbar und aus diesem ausschraubbar ist.
Setzgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11, 13,) zum Verbinden des Setzgerätes mit einem Teil des Hilfsfügeteils, insbesondere Schließringbolzen, eine Klemmvorrichtung aufweist, das den Schließringbolzen während des Setzprozesses bis zum vollständigen Umformen des Schließringes greift, wobei insbesondere das Setzgerät von dem Teil des Hilfsfügeteils wieder lösbar ist.
Setzgerät nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (11, 13) zum Kontakt des Setzgerätes mit einem Teil eines Hilfsfügeteils in Form eines Halbhohlstanznietes (33) oder Vollstanznietes vorgesehen ist, wobei insbesondere das Setzgerät von dem Teil des Hilfsfügeteils wieder lösbar ist.
Setzgerät nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (11, 13) zum Kontakt des Setzgerätes mit einem Teil eines Bauteils zum Clinchen/Durchsetzfügen (26) vorgesehen ist, wobei insbesondere das Setzgerät von dem Teil des Bauteils wieder lösbar ist.