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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stanznietvorrichtung mit einem Schwingsystem zur Erzeugung von Schwingungen und ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mit einer solchen Stanznietvorrichtung.
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Stand der Technik
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Verfahren und Vorrichtungen zum Fügen dienen zum Verbinden wenigstens zweier in einem Verbindungsbereich insbesondere eben ausgebildeter Bauteile. Ein Stanznietverfahren als ein Fügeverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Vorlochen der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht erforderlich ist. Vielmehr wird ein Niet als Fügeelement 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 sich in einer bestimmten Art und Weise innerhalb der miteinander zu verbindenden Bauteile verformt, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen und gleichzeitig ein Durchdringen des dem Niet abgewandten Bauteils zu vermeiden.
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Weiterhin sind bspw. aus der
EP 2 318 161 B1 oder der
DE 10 2014 203 757 A1 sog. Ultraschall-Stanznietverfahren bzw. -vorrichtungen bekannt, bei denen ein Schwingungserzeuger, wie beispielsweise ein Ultraschall-Generator verwendet wird, um ein oder mehrere Komponenten beim Verbinden der Bauteile in Schwingung zu versetzen. Durch diese Schwingung wird beispielsweise die aufzuwendende Kraft zum Eindrücken des Niets reduziert.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Stanznietvorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung geht aus von einer Stanznietvorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Fügeelements, insbesondere eines Niets, die einen Stempel und einen Gegenhalter aufweist, zwischen welchen die wenigstens zwei Bauteile und das Fügeelement anordenbar sind. Die Stanznietvorrichtung weist dazu einen Antrieb auf, mittels dessen eine Kraft auf den Stempel zum Eindrücken eines angeordneten Fügeelements in die wenigstens zwei Bauteile in Fügerichtung ausübbar ist. Der Antrieb und auch der Gegenhalter können hierzu an einem Rahmen, der beispielsweise in Form eines C-Rahmens oder X-Rahmens vorliegen kann, angeordnet sein. Es versteht sich zudem, dass der Stempel auf geeignete Weise mit dem Antrieb verbunden bzw. mit diesem gekoppelt sein muss. Der Stempel kann vorzugsweise zudem von einem Niederhalter umgeben sein. Zudem ist ein Schwingsystem vorgesehen, das mit einem Schwingungserzeuger verbunden ist oder verbindbar ist, und mittels dessen wenigstens eine bei Eindrücken des Niets in die wenigstens zwei Bauteile beteiligte Komponente in Schwingung versetzbar ist. Als solche Komponente kommt bei üblichen Stanznietvorrichtungen mit Schwingsystem insbesondere der Stempel in Betracht. Der Schwingungserzeuger kann zudem als Schallgenerator, insbesondere als Ultraschallgenerator, ausgebildet sein. Damit handelt es sich dann um eine sog. Ultraschall-Stanznietvorrichtung. Bei dem einen Schwingsystem kann zudem insbesondere ein sog. Booster (Amplitudenverstärker) vorgesehen sein. Ein solcher Booster dient dabei der Verstärkung der von einem Schwingungskonverter, an den der Schwingungserzeuger angebunden sein kann, bereitgestellten Schwingungsamplitude.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das Schwingsystem einen ersten Schwingungskonverter, der zur Erzeugung von in Bezug auf die Fügerichtung translatorischen Schwingungen eingerichtet ist, und wenigstens einen zweiten Schwingungskonverter, der zur Erzeugung von in Bezug auf die Fügerichtung rotatorischen Schwingungen eingerichtet ist, aufweist. Der erste Schwingungskonverter ist hierzu vorzugsweise in Fügerichtung ausgerichtet. Der wenigstens eine zweite Schwingungskonverter hingegen ist vorzugsweise senkrecht zur Fügerichtung und auch von einer zentralen Achse beispielsweise des Niets oder des Stempels beabstandet ausgerichtet. Zweckmäßig sind zudem zwei zweite Schwingungskonverter, um insbesondere in Überlagerung erwünschte rotatorische Schwingungen zu erzeugen.
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Die vorgeschlagene Stanznietvorrichtung bietet also die Möglichkeit, translatorische und rotatorische Schwingungen zu erzeugen und beim Einbringen des Niets in die wenigstens zwei Bauteile entsprechend einzukoppeln. Insbesondere ist also die Stanznietvorrichtung dazu eingerichtet, wahlweise nur die translatorischen Schwingungen oder nur die rotatorischen Schwingungen oder gleichzeitig die translatorischen Schwingungen und die rotatorischen Schwingungen zu erzeugen und damit Vorteile im Hinblick auf die Fügepunktausbildung und Fügepunktstabilität zu generieren..
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Translatorische Schwingungen, oftmals auch als longitudinale Schwingungen bezeichnet, sind also Schwingungen in Fügerichtung und unterstützen dabei das Eindrücken des Niets in Richtung der durch den Antrieb aufgebrachten Kraft. Damit kann also beispielsweise die vom Antrieb bereitzustellende Kraft reduziert werden, während weiterhin ein schnelles und effektives Eindrücken des Niets möglich ist.
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Rotatorische Schwingungen, also insbesondere solche in Umfangsrichtung bezüglich eines (rotationssymmetrischen) Niets, können eine Fügepunktausbildung unterstützen und so die Stabilität der Nietverbindung erhöhen. Durch die Möglichkeit, beide Arten von Schwingungen bei einem Nietvorgang einzusetzen, kann daher insgesamt die Qualität der Nietverbindungen verbessert werden. Es werden sozusagen die Technologiegrenzen erweitert. Zudem können Synergieeffekte der beiden Arten von Schwingungen genutzt werden. Zudem kann der gesamte Energieeintrag erhöht werden, was einen insgesamt schnelleren Nietvorgang ermöglicht.
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Es ist bevorzugt, wenn das Schwingsystem kann auch den Stempel umfasst. Der Stempel kann auch hier als Sonotrode dienen bzw. Teil einer Sonotrode sein. Hier können dann alle Schwingungskonverter auf geeignete Weise an einen Booster angebunden sein, sodass beide Arten von Schwingungen über den Booster auf den Stempel und dann den Niet eingekoppelt werden können.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Fügeelements, insbesondere eines Niets, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung. Hier können dann insbesondere während des Einbringens des Fügeelements in die wenigstens zwei Bauteile zeitweise nur die translatorischen Schwingungen und zeitweise nur die rotatorischen Schwingungen erzeugt werden. Es können also beispielsweise in einer ersten Phase des Nietvorgangs nur die translatorischen Schwingungen verwendet werden, um beispielsweise den Niet zunächst möglichst schnell möglichst weit in die Bauteile einzudrücken. In einer zweiten Phase kann dann, wenn der Niet beispielsweise schon fast oder auch ganz bis zur gewünschten Tiefe in die Bauteile eingebracht ist, mittels der rotatorischen Schwingungen, ein Stoffschluss zwischen Bauteilen und Niet hergestellt werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn wenigstens zeitweise gleichzeitig die translatorischen Schwingungen und die rotatorischen Schwingungen erzeugt werden. Hier können dann besonders effektiv Synergieeffekte genutzt werden, insbesondere kann der gesamte Energieeintrag erhöht werden. Insgesamt können also insbesondere Phasen des Nietvorgangs mit nur den translatorischen Schwingungen, Phasen mit nur den rotatorischen Schwingungen und Phasen mit beiden Arten von Schwingungen vorgesehen sein. Es ist insbesondere möglich, je nach Bedarf während des Füge- bzw. Nietvorgangs die gewünschte Art von Schwingungen oder beide zu wählen. Denkbar ist auch eine Wahl der Art der Schwingung oder ein Zeitpunkt hierfür in Abhängigkeit vom Verlauf des Nietvorgangs. Auf diese Weise ist ein zusätzlicher Stoffschluss möglich, sowie ein erhöhter Energieeintrag. Ebenso kann die nötige Fügekraft reduziert werden.
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Im Übrigen sei zu weiteren Vorteilen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch auf obige Ausführungen zur Stanznietvorrichtung verwiesen, die hier entsprechend gelten.
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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 von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine nicht erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung.
- 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt schematisch eine Fertigungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine nicht erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10 mit Schwingsystem, wie sie herkömmlicher Weise ausgebildet sein kann, schematisch dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Rahmen 60 auf, der vorzugsweise in Form eines C-Rahmens oder X-Rahmens vorliegt, an welchem die einzelnen Komponenten bei einer Stanznietvorrichtung in der Regel angeordnet sind, um die gewünschte Position zueinander einnehmen zu können. Über den Rahmen 60 kann die Stanznietvorrichtung 10 beispielsweise an einem Arm einer Fertigungseinrichtung befestigt sein.
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Die Stanznietvorrichtung 10 weist eine Sonotrode bzw. einen Stempel 15 auf, beispielhaft mit einem runden Querschnitt. Die Sonotrode15 ist hier beispielhaft zudem von einem (hülsenförmigen) Niederhalter 16 radial umgeben und relativ zu diesem in Längsrichtung beweglich angeordnet. Der Niederhalter ist beispielhaft mittels einer Feder an der Sonotrode 15 befestigt.
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Auf der der Sonotrode 15 (und dem Niederhalter 16) gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist ein Gegenhalter in Form einer Matrize 18 angeordnet. Die Sonotrode 15 und die Matrize 18 sind in vertikaler Richtung, in der auch der Niederhalter 16 beweglich ist, 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 bzw. die Sonotrode 15 einzuspannen bzw. zusammenzudrücken.
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Ein Niet 20 als Fügeelement, der zwischen dem Bauteil 11 und der Sonotrode bzw. dem Stempel 15 angeordnet werden kann, hier beispielhaft ein Halbhohlniet, besteht bevorzugt aus einem gegenüber den Werkstoffen der beiden Bauteile 11, 12 härteren Material, zumindest im Bereich eines Nietschafts. Die dem Bauteil 11 abgewandte, ebene Oberseite des Niets ist in Wirkverbindung mit dem Stempel (Sonotrode) 15 angeordnet, der an der Oberseite des Niets 20 flächig anliegt.
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Die Sonotrode 15 ist mit einem (elektro-mechanischen) Schwingungskonverter 30, der über einen Schwingungserzeuger 32, insbesondere einen Ultraschallgenerator, zur Erzeugung von Schwingungen bzw. Vibrationen anregbar ist, verbunden. Insbesondere kann es sich bei dem Schwingungskonverter 30 dabei um einen Piezokonverter handeln. Insbesondere werden dabei Ultraschallschwingungen mit einer Schwingweite (Abstand zwischen maximaler positiver und negativer Amplitude einer Schwingung) zwischen 10 µm und 110 µm (entspricht einer Amplitude von 5 µm bis 55 µm) und einer Frequenz zwischen 15 kHz und 35 kHz oder ggf. auch höher erzeugt. Diese Schwingungen werden von dem Schwingungskonverter 30 über einen Booster 31 und die Sonotrode bzw. den Stempel 15 in den Niet 20 eingekoppelt. Der Schwingungskonverter 30 bildet dabei zusammen mit dem Booster 31 und der Sonotrode 15 ein Schwingsystem 39.
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Weiterhin ist das Schwingsystem 39 und an einem Antrieb 50, insbesondere an einer Spindel 51 des Antriebs 50, befestigt, der dazu dient, eine zum Eindrücken des Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F in Fügerichtung aufzubringen. Der Antrieb 50 kann beispielsweise mittels einer Recheneinheit 80 gesteuert werden, welche dabei als Steuereinheit für die Stanznietvorrichtung 10 dient.
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Bei dem Antrieb 50 kann es sich beispielsweise um einen Antrieb mit Kugel-, Rollen- oder Planetengewindetrieb oder dergleichen handeln, der dazu geeignet ist, eine Kraft F zum Eindrücken des Niets 20 in die Bauteile 11, 12 aufzubringen.
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In 2 ist nun eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10" in einer bevorzugten Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10" weist im Grunde alle Komponenten auf, wie sie auch bei der Stanznietvorrichtung 10 gemäß 1 vorgesehen sind. Gleiche Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Insofern sei zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf dortige Ausführungen verwiesen. Es versteht sich, dass aufgrund der nachfolgend noch zu erläuternden, abweichenden Anordnung einiger Komponenten zueinander geringfügige Anpassungen nötig sein können.
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Der Schwingungskonverter 30 dient hier nun als erster Schwingungskonverter im Sinne der Erfindung und ist dazu eingerichtet, translatorische Schwingungen zu erzeugen, was mit durch den dem Bezugszeichen AT bezeichneten Doppelpfeil angedeutet ist. Dies wird durch eine Anordnung bzw. Ausrichtung des ersten Schwingungskonverters 30, der insbesondere rotationssymmetrisch zu der Achse A sein kann, in Fügerichtung R erreicht.
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Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Stanznietvorrichtung 10 weist bei der hier gezeigten Stanznietvorrichtung 10" das Schwingsystem 39 zusätzlich zwei zweite Schwingungskonverter 40 aufweist, die an den Booster 31 gekoppelt sind. Die zwei zweiten Schwingungskonverter 40 sind hier, wie auch der erste Schwingungskonverter 30, an den Schwingungserzeuger bzw. Ultraschallgenerator 32 angebunden. Denkbar ist auch, einen weiteren oder ggf. zwei weitere Schwingungserzeuger für die zweiten Schwingungskonverter 40 vorzusehen. Es versteht sich, dass der Booster 31 gegenüber der Stanznietvorrichtung gemäß 1 ggf. einer entsprechenden Anpassung bedarf. Denkbar ist jedoch auch das Vorsehen eines geeigneten Zwischenstücks oder dergleichen.
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Beim Betrieb der Stanznietvorrichtung 10" während eines Nietvorgangs können nun, beispielsweise unter Verwendung der Recheneinheit 80, je nach Bedarf bzw. je nach Situation, die transversalen und/oder die rotatorischen Schwingungen erzeugt und damit in den Niet und damit in die Bauteile eingekoppelt werden, wie dies oben bereits ausführlich erläutert wurde.
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Die rotatorischen Schwingungen AR werden hier nun - wie auch die translatorischen Schwingungen AT - in dem Booster 31 verstärkt. Auf diese Weise können beide Arten von Schwingungen direkt in den Stempel 15 und darüber in den Niet eingekoppelt werden. Im Übrigen sei auch auf die Beschreibung zu 1 und 2 verwiesen.
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In 3 ist schematisch eine Fertigungseinrichtung 100 mit einer erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung in bevorzugter Ausführungsform, hier beispielshaft der Stanznietvorrichtung 10", wie sie in 2 gezeigt ist, dargestellt. Bei der Fertigungseinrichtung 100 kann es sich bspw. um einen Industrieroboter in einer Fertigungshalle, beispielsweise für einen automobilen Karosseriebau, handeln.
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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 die Stanznietvorrichtung 10 angeordnet.
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Weiterhin ist die Recheneinheit 80 gezeigt, die nicht nur als Steuereinheit für die Stanznietvorrichtung 10", sondern zudem auch als Steuereinheit für die gesamte Fertigungseinrichtung, d.h. neben der Stanznietvorrichtung insbesondere auch für die Ansteuerung der beweglichen Arme vorgesehen sein kann. Weiterhin sind Anzeigemittel 90, bspw. ein Display, vorgesehen, auf denen bspw. aktuelle Betriebsparameter der Stanznietvorrichtung 10' angezeigt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2318161 B1 [0003]
- DE 102014203757 A1 [0003]
