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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fügevorrichtung und ein Verfahren zum Fügen mindestens eines Bauteils unter Verwendung einer X-Zange, bei welcher eine Versatzkompensation vorgesehen ist.
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Zum Verbinden oder Fügen von mindestens einem Bauteil ist beispielsweise eine Stanznietvorrichtung verwendbar, die das mindestens eine Bauteil mit einem Stanzniet als Fügeelement verbindet. Hierbei werden entweder die beiden Enden eines Bauteils, insbesondere an einem Flansch, mit Hilfe eines Stanzniets oder mehrerer Stanznieten aneinander befestigt. Alternativ können mit einem Stanzniet auch zwei oder mehr Bauteile aneinander befestigt werden.
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Beim Stanznieten mit Ultraschall können die für den konventionellen Nietprozess erforderlichen, in der Regel sehr hohen, Prozesskräfte erheblich reduziert werden. Dadurch ist eine kleinere, schlankere und leichtere Stanznietvorrichtung mit besserer Zugänglichkeit zum Bauteilflansch/Fügestelle möglich. Außerdem resultieren daraus Prozessvorteile, wie beispielsweise eine Verbesserung des Einschneid-/Trennprozess, eine Reduktion von Delaminationen beim Stanznieten, konkret beim Durchtrennen, von Faserverbund/Werkstoffen, eine Erweiterung des nietbaren Werkstoff-/Materialspektrums. Noch dazu kann beim Stanznieten mit Ultraschall von mindestens einem Bauteil aus einem spröden Material eine rissfreie Verbindung mittels eines Stanzniets erzeugt werden. Hierbei ist bei der Herstellung der Verbindung gleichzeitig eine deutliche Reduktion der Fügekraft möglich. Außerdem resultieren daraus Kostenvorteile für den Betreiber der Anlage, wie beispielsweise geringere Verbrauchskosten, da ein Verbau von kostengünstigeren Hilfsfügeelementen aus Edelstahl möglich ist, durch Entfall einer zusätzlichen Wärmebehandlung und nachgelagerten Beschichtung, und auch geringere Anlagenkosten, da eine Verwendung von Robotern mit geringerer Traglast von Standardrobotertraglastklassen möglich ist.
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Für die ultraschallunterstützte Stanznietvorrichtung kann eine X-Zange zur Anwendung kommen, um gegenüber einer C-Rahmen-Bauweise die Zugänglichkeit des Fügewerkzeugs zu den Fügestellen/-flanschen noch weiter zu erhöhen. Bei einer X-Zange sind zwei Zangenarme um einen gemeinsamen mittleren Drehpunkt beweglich angeordnet. Hierfür wird die X-Zange von einem Antriebszylinder angetrieben, der zwischen zwei benachbarten Enden der X-Zange angeordnet ist und der die Öffnungs- und Schließbewegung der X-Zange realisiert. Bei einer X-Zange als Fügezange ist der Antrieb prinzipbedingt auf der fügewerkzeugabgewandten Seite angeordnet.
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Problematisch ist jedoch, dass die Öffnungs- und Schließbewegung des Fügewerkzeugs in der X-Zange entlang/auf einer Kreisbahn erfolgt. Während des Fügeprozesses wird bei einer Stanznietvorrichtung der Niet beispielsweise um bis zu 8 mm in die Bauteile eingedrückt. Dies hat rein geometrisch bedingt einen Winkel- und Lateralversatz zwischen Fügestempel/Ultraschallsonotrode und Matrize zur Folge. Die genannten Winkel- und Lateralversätze können unter anderem zu einer asymmetrischen Fügepunktausbildung führen. Dadurch kann die geforderte Verbindungsqualität nicht erzielt werden, bei welcher eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Verbindungsausprägung ohne Richtungsabhängigkeit der Tragfähigkeit der gesetzten Nietverbindung vorhanden sein soll. Als weitere Folge oder Nebeneffekt kann es durch die Kreisbewegung beim Schließen der Fügewerkzeuge zu einem Ausweichen des Bauteilniederhalters während der verschiedenen Phasen des Stanznietens kommen, wobei (1. Schritt) der Niederhalter die erforderliche Fixierkraft der Bauteile aufbringt bzw. der eigentliche Nietsetzvorgang beim (2. Schritt) Einschneiden/Trennen des stempelseitigen Bleches bzw. (3. Schritt) Verspreizen bzw. (4. Schritt) Aufstauchen des Nietes des Nietvorganges bis zum Aufbringen der maximalen Füge-/Stempelkraft, d.h. dem Erreichen der Nietkopfendlage stattfindet. Dies hat eine asymmetrische Aufbringung der Niederhaltekraft zur Fixierung der Fügepartner zur Folge und resultiert in einer qualitativ schlechten Fügeverbindung.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fügevorrichtung und ein Verfahren zum Fügen mindestens eines Bauteils unter Verwendung einer X-Zange bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen eine Fügevorrichtung und ein Verfahren zum Fügen mindestens eines Bauteils unter Verwendung einer X-Zange bereitgestellt werden, bei welchen bei geringem Platzbedarf qualitativ hochwertige Fügeverbindungen herstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Fügevorrichtung zum Fügen mindestens eines Bauteils unter Verwendung einer X-Zange nach Patentanspruch 1 gelöst. Die Fügevorrichtung hat eine X-Zangenanordnung bzw. X-Zange, an der ein Werkzeug zum Fügen oder Verbinden von mindestens einem Bauteil montiert ist, eine erste Antriebseinrichtung zum Antrieb der X-Zange zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand, wobei das Werkzeug im geöffneten Zustand in einer Ruhestellung angeordnet ist, in welcher die Fügevorrichtung an dem mindestens einen Bauteil zum Fügen oder Verbinden positionierbar ist, und wobei das Werkzeug im geschlossenen Zustand in einer Endstellung eines Fügevorgangs zum Fügen oder Verbinden des mindestens einen Bauteils angeordnet ist, eine zweite Antriebseinrichtung zum Antrieb des Werkzeugs quer zu einer Bewegungsbahn, in welcher das Werkzeug zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand bewegbar ist, wobei ein Antrieb der zweiten Antriebseinrichtung mit einem Antrieb der ersten Antriebseinrichtung gekoppelt angesteuert ist, um einen Versatz des Werkzeugs relativ zu einer vorbestimmten Fügerichtung zu minimieren, wobei der Versatz aufgrund der Bewegungsbahn auftritt, in welcher das Werkzeug zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand bewegbar ist.
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Mit der beschriebenen Fügevorrichtung können die zuvor beschriebenen Nachteile der X-Zange ganz oder teilweise kompensiert werden bzw. sind auf ein sinnvolles/akzeptables Maß reduziert/eingeschränkt. Somit können die Vorteile der X-Zange in Bezug auf eine verbesserte Zugänglichkeit von Fügestellen am Bauteil in vollem Umfang ausgenutzt werden.
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Somit kann die X-Zange für eine kompakte Fügevorrichtung verwendet werden, die insbesondere eine Schweißvorrichtung oder eine Stanznietvorrichtung mit einem Schwingsystem bestehend aus Konverter, Booster, Sonotrode ist, welches die vom Antriebssystem erzeugte Stempelkraft zum Stanznieten unterstützt.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Fügevorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Fügevorrichtung zudem eine dritte Antriebseinrichtung auf zum Antrieb des Werkzeugs in einer weiteren Richtung quer zu der Bewegungsbahn, in welcher die X-Zange zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand bewegbar ist, wobei ein Antrieb der dritten Antriebseinrichtung das Werkzeug senkrecht zu mindestens einer Richtung bewegt, in welcher die zweite Antriebseinrichtung das Werkzeug abhängig von einem Antrieb der ersten Antriebseinrichtung bewegt, um einen Versatz des Werkzeugs relativ zu einer vorbestimmten Fügerichtung zu minimieren.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Fügevorrichtung eine Kopplungseinrichtung zum Koppeln des Werkzeugs mit einem Zangenarm der X-Zange auf, wobei die Kopplungseinrichtung aufweist: einen ersten Exzenter, der an dem Zangenarm drehbar gelagert ist und von der zweiten Antriebseinrichtung in eine Drehbewegung antreibbar ist, eine erste Stange, die sowohl an dem Werkzeug als auch dem ersten Exzenter drehbar gelagert ist, einen zweiten Exzenter, der an dem Zangenarm drehbar gelagert ist und von der dritten Antriebseinrichtung in eine Drehbewegung antreibbar ist, eine zweite Stange, die sowohl an dem Werkzeug als auch dem zweiten Exzenter drehbar gelagert ist, wobei die erste Stange und die zweite Stange an dem Werkzeug beabstandet gelagert sind.
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Möglicherweise ist der Versatz ein Winkelversatz des Werkzeugs relativ zu dem mindestens einen Bauteil. Zusätzlich oder alternativ ist der Versatz ein Lateralversatz einer Achse des Werkzeugs relativ zu einer Fügestelle oder einer Achse eines Fügeelements.
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Die Fügevorrichtung kann zudem einer Steuereinrichtung aufweisen, welche zum Steuern der zweiten und/oder dritten Antriebseinrichtung auf der Grundlage einer Bewegungseigenschaft der X-Zange und einem von der ersten Antriebseinrichtung bewirkten Antrieb in einen vorbestimmten Arbeitspunkt ausgestaltet ist, um einen Versatz des Werkzeugs relativ zu einer vorbestimmten Fügerichtung zu minimieren.
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Zudem kann die Steuereinrichtung ausgestaltet sein, die zweite und/oder Antriebseinrichtung derart anzusteuern, dass der Lateralversatz zu jedem Zeitpunkt des Fügevorgangs maximal einen Wert von 0,2 mm hat und insbesondere kleiner als 0,1 mm ist.
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Die Fügevorrichtung kann zum mechanischen oder umformtechnischen Fügen ausgestaltet sein oder zum thermischen Fügen ausgestaltet sein.
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In einer Ausgestaltung hat das Werkzeug eine Schwingungserzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Schwingung, welche die Stempelkraft beim Setzen des Fügeelements in das mindestens eine Bauteil unterstützt, und einen Stempel, über welchen die Stempelkraft und/oder die Schwingung beim Setzen des Fügeelements in das mindestens eine Bauteil eingeleitet und aufgebracht wird.
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Denkbar ist, dass die Stanznietvorrichtung zum Stanznieten bei einer Fertigung von Fahrzeugrohkarossen ausgestaltet ist. Zusätzlich oder alternativ ist die Stanznietvorrichtung zur Verbindung mindestens eines Bauteils ausgestaltet, das in mindestens einem Bereich aus einem spröden Material gefertigt ist. Zusätzlich oder alternativ hat die Fügevorrichtung zudem eine Matrize, die als Gegenhalter gegen eine Stempelkraft und/oder eine Schwingung beim Setzen eines Fügeelements in das mindestens eine Bauteil vorgesehen ist.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Fügen mindestens eines Bauteils unter Verwendung der X-Zange nach Patentanspruch 10 gelöst. An der X-Zange ist ein Werkzeug zum Fügen oder Verbinden von mindestens einem Bauteil montiert. Hierbei weist das Verfahren die Schritte auf: Antreiben der X-Zange, mit einer ersten Antriebseinrichtung, zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand, wobei das Werkzeug im geöffneten Zustand in einer Ruhestellung angeordnet ist, in welcher die Fügevorrichtung an dem mindestens einen Bauteil zum Fügen oder Verbinden positionierbar ist, und wobei das Werkzeug im geschlossenen Zustand in einer Endstellung eines Fügevorgangs zum Fügen oder Verbinden des mindestens einen Bauteils angeordnet ist, und Antreiben des Werkzeugs, mit einer zweiten Antriebseinrichtung, quer zu einer Bewegungsbahn, in welcher das Werkzeug zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand bewegbar ist, wobei ein Antrieb der zweiten Antriebseinrichtung mit einem Antrieb der ersten Antriebseinrichtung gekoppelt angesteuert ist, um einen Versatz des Werkzeugs relativ zu einer vorbestimmten Fügerichtung zu minimieren, wobei der Versatz aufgrund der Bewegungsbahn auftritt, in welcher das Werkzeug zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand bewegbar ist.
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Das Verfahren erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Fügevorrichtung genannt sind.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte Seitenansicht einer Anlage mit einer Fügevorrichtung in X-Zangenbauweise gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Relativbewegung zwischen einem Fügeelement und einem Werkzeug der Fügevorrichtung in X-Zangenbauweise gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 3 bis 6 jeweils eine schematische Ansicht von verschiedenen Fügevorgangszuständen in einer Anlage beim Durchführen eines Stanznietverfahrens mit einer Fügevorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 7 eine schematische Ansicht einer Fügeverbindung, die mit der Fügevorrichtung in X-Zangenbauweise gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gefertigt wurde; und
- 8 eine schematische Ansicht einer X-Zange gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt sehr schematisch eine Anlage 1 mit einer Fügevorrichtung 2, die eine X-Zange 5 aufweist und als Beispiel als Stanznietvorrichtung ausgestaltet ist. Die Anlage 1 kann beispielsweise eine Fertigungsanlage für Gegenstände 3, wie Fahrzeuge, Möbel, Elektrogeräte, usw. sein. Es sind beliebige Gegenstände 3 denkbar.
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Anstelle der Stanznietvorrichtung als Fügevorrichtung 2 ist eine andere Vorrichtung zum mechanischen/umformtechnischen Fügen oder thermischen Fügen verwendbar, die eine X-Zange 5 aufweist. Das mechanische/umformtechnische Fügen ist beispielsweise Stanznieten mit einer eine Stempelkraft unterstützenden Schwingung, die insbesondere eine Ultraschallschwingung ist, oder Stanznieten oder Clinchen/Durchsetzfügen. Alternativ kann das Fügen als thermisches Fügen, wie Schweißen, insbesondere Widerstandspunktschweißen ausgeführt werden.
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Die Fügevorrichtung 2 dient zum Fügen von mindestens einem Bauteil 6, 7 mittels Stanznieten unter Verwendung der X-Zange 5. Das von der Fügevorrichtung 2 hierfür ausgeführte Stanznietverfahren wird mit Hilfe einer Matrize 10 als Gegenhalter eines Werkzeugs 20, 21, das einen Stempel 20 und eine Schwingungserzeugungseinrichtung 21 aufweist, einer ersten Antriebseinrichtung 40 zur Erzeugung einer Stempelkraft F in Fügerichtung, die auch als Fügekraft bezeichnet werden kann, einer zweiten Antriebseinrichtung 45 zur Winkelversatzkompensation, sowie einem Konverter 60 durchgeführt, welcher in Verbindung mit einem nicht dargestellten Booster Schwingungen S erzeugt. Die Schwingungserzeugungseinrichtung 21 kann beispielsweise durch ein Leistungsultraschall-Schwingsystem, bestehend aus Piezokonverter sowie gegebenenfalls Booster bzw. Amplitudentransformationsstück und Sonotrode, aufgebaut sein. Die Sonotrode bildet mit dem Stempel 20 das eigentliche Fügewerkzeug. Das Schwingsystem erzeugt als die Stempelkraft F unterstützende Schwingung S Ultraschall. Das Stanznietverfahren als Fügeverfahren ist in Bezug auf 3 bis 6 noch genauer beschrieben.
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Gemäß 1 hat die X-Zange 5 und damit die Fügevorrichtung 2 einen ersten Zangenarm 51 und einen zweiten Zangenarm 52, die an einem gemeinsamen Gelenk 53 relativ zueinander drehbar sind. Bei der in 1 gezeigten Variante, ist der erste Zangenarm 51 am zweiten Zangenarm 52 drehbar über das Gelenk 53 gelagert. Die Schwingungserzeugungseinrichtung 21 ist von einer Halterung 54 an der X-Zange 5 gehalten und wird von einer Linearführung 55 an der X-Zange 5 geführt.
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Der zweite Zangenarm 52 bildet in 1 das untere Ende der X-Zange 5. Die X-Zange kann beispielsweise an dem zweiten Zangenarm 52 von einer Bewegungseinrichtung, wie insbesondere einem Roboter, usw. gehalten werden.
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Die Bewegung der Zangenarme 51, 52 relativ zueinander zwischen einer nicht dargestellten geöffneten Stellung und der in 1 dargestellten geschlossenen Stellung wird von der Antriebseinrichtung 40 bewirkt, deren Kolben 41 in den Richtungen eines zweiseitigen Pfeils AR1 hin und her bewegbar ist. Der Kolben 41 ist an seinem freien Ende mit einem Kopplungsanschluss 511 des ersten Zangenarms 51 gekoppelt. Die Antriebseinrichtung 40 ist mit ihrem Hubzylinder mit einem Kopplungsanschluss 521 des zweiten Zangenarms 52 gekoppelt. An den Kopplungsanschlüssen 511, 521 ist jeweils eine drehbare, insbesondere schwenkbare, Lagerung der genannten Elemente der Antriebseinrichtungen 40, 45 realisiert. Die Antriebseinrichtung 40 ist zwischen dem ersten und zweiten Zangenarm 51, 52 angeordnet.
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An dem ersten Zangenarm 51 ist außerdem die zweite Antriebseinrichtung 45 angeordnet. Hierfür hat der erste Zangenarm 51 einen zweiten Kopplungsanschluss 512, mit welchem ein Hubzylinder der Antriebseinrichtung 45 gekoppelt ist. Der Kolben 46 ist an seinem freien Ende mit der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 gekoppelt. Zudem hat der erste Zangenarm 51 einen dritten Kopplungsanschluss 513, der zur Kopplung der Halterung 54 und der Führung 55 mit dem ersten Zangenarm 51 vorgesehen ist. Auch an den Kopplungsanschlüssen 512, 513 ist jeweils eine drehbare, insbesondere schwenkbare, Lagerung der Antriebseinrichtung 45 oder der Halterung 54 und/oder der Führung 55 realisiert.
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Die Antriebseinrichtung 45 bildet einen Sekundärantrieb für die X-Zange 5. Die Antriebseinrichtung 45 kann insbesondere servoelektrisch und/oder hydraulisch und/oder als eine beliebige andere Antriebseinrichtung ausgestaltet sein.
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Bei der Variante von 1 ist die Antriebseinrichtung 45 am oberen Ende des Schwingsystems aus Schwingungserzeugungseinrichtung 21, Konverter 60 und Booster angeordnet. Die Antriebseinrichtung 45 hat einen Kolben 46, welcher das Schwingsystem aus Schwingungserzeugungseinrichtung 21 und Konverter 60 je nach Bedarf in den Richtungen eines zweiseitigen Pfeils AR2 hin und her bewegen kann. Somit bewegt ein Antrieb der Antriebseinrichtung 45 das Werkzeug 20, 21 quer zu der Bewegungsbahn, in welcher die X-Zange zwischen ihrem geöffneten Zustand und ihrem geschlossenen Zustand bewegbar ist. Im geöffneten Zustand ist das Werkzeug 20, 21 in einer Ruhestellung angeordnet, in welcher die Fügevorrichtung an dem mindestens einen Bauteil 6, 7 zum Fügen oder Verbinden positionierbar ist. Im geschlossenen Zustand ist das Werkzeug 20, 21 in einer Endstellung eines Fügevorgangs zum Fügen oder Verbinden des mindestens einen Bauteils 6, 7 angeordnet. Die Endstellung ist in 1 dargestellt.
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Wird nun die X-Zange 5 durch die Antriebseinrichtung 40 angetrieben, führen der Stempel 20 und die Schwingungserzeugungseinrichtung 21 als Bewegungsbahn eine Kreisbewegung aus. Dadurch ergibt sich der genannte Winkelversatz, bei dem das Werkzeug 20, 21 von seiner vorbestimmten Winkelstellung relativ zu dem mindestens einen Bauteil 6, 7 abweicht.
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Der Winkelversatz kann durch den Antrieb des Stempels 20 und der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 durch die Antriebseinrichtung 45 ausgeglichen werden. Dadurch kann die Winkelstellung der Fügevorrichtung 2 infolge der durch die X-Zange 5 bewirkten Kreisbewegung des Stempels 20 und der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 aktiv nachgestellt werden, so dass der Stempel 20 und die Schwingungserzeugungseinrichtung 21 im Ergebnis während des gesamten Fügevorgangs in möglichst der optimalen Stellung angeordnet sind, nämlich senkrecht zu dem mindestens einen Bauteil 6, 7 und koaxial zu einem Fügeelement 4 gehalten werden, das in 2 als Stanzniet ausgestaltet ist. In dieser Stellung sind die einander zugewandten Seiten des Fügeelements 4 und/oder des Bauteils 6, 7 parallel und damit ohne Winkelversatz zueinander angeordnet.
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In 2 ist auch veranschaulicht, dass eine Relativbewegung zwischen Stempel 20 und Fügeelement 4, die einen seitlichen oder axialen Versatz oder Lateralversatz zwischen Stempel 20 und Fügeelement 4 erzeugen kann, durch die Nachstellbewegung der zweiten Antriebseinrichtung 45 gering gehalten und möglichst vollständig kompensiert wird. Bei einem Lateralversatz würde die Achse 25 des Werkzeugs 20, 21 von der Achse 40 des Fügeelements 4 oder einer Fügestelle 65 abweichen bzw. zu ihr nach rechts oder links in 2 versetzt angeordnet sein. Die Nachstellbewegung ist nachfolgend noch genauer beschrieben.
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Für die Winkelkompensation wird die Bewegung des Stempels 20 und der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 aufgrund der zweiten Antriebseinrichtung 45 als sekundärer Hubzylinder mit der ersten Antriebseinrichtung 40 als primärer Hubzylinder synchronisiert und abgestimmt. Hierfür ist in einer Steuereinrichtung 58 mindestens eine Bewegungseigenschaft 581 gespeichert, wie beispielsweise das mechanische Verhalten der Zange/Armstruktur der X-Zange 5 in Abhängigkeit der Belastung/Bewegung beim Stanznieten. Insbesondere ist als Bewegungseigenschaft 581 eine Federsteifigkeit der X-Zange 5 gespeichert, welche eine Aufbiegung der X-Zange 5 unter Kraft widergibt.
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Zudem ergibt sich zusätzlich zu dem Winkelversatz aufgrund der Kreisbewegung beim Öffnen und Schließen der X-Zange 5 der axiale Versatz, der auch Lateralversatz genannt wird, zwischen Fügewerkzeug bzw. dem Stempel 20 und der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 auf der einen Seite und der Matrize 10 auf der anderen Seite. Daher wird bei der Auslegung der Zangenarmgeometrie im Vorfeld ein Arbeitspunkt definiert, an dem im Fügevorgang kein Lateralversatz zwischen Fügewerkzeug bzw. dem Stempel 20 und der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 auf der einen Seite und der Matrize 10 auf der anderen Seite entsteht oder dieser minimal ist, ohne dass negative Auswirkungen auf das Fügeergebnis erkennbar sind. Der sich so in Abhängigkeit der Fügeteildicke einstellende Lateralversatz sollte vorteilhaft zu jedem Zeitpunkt kleiner als 0,1 mm sein, jedoch maximal einen Wert von 0,2 mm haben.
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Die Steuereinrichtung 58 steuert die zweite Antriebseinrichtung 45 auf der Grundlage der gespeicherten Bewegungseigenschaft 581 und dem von der ersten Antriebseinrichtung 40 bewirkten Antrieb in den zuvor bestimmten und somit vorbestimmten Arbeitspunkt, um den sonst vorhandenen Winkelversatz und gegebenenfalls Lateralversatz zu minimieren. Der vorbestimmte Arbeitspunkt kann beim Stanznieten beispielsweise bei einer Stellung angeordnet sein, bei welcher der Stanzniet in etwa zur Hälfte in das mindestens eine Bauteil 6, 7 eingeschnitten bzw. eingestanzt ist. Somit ist der Antrieb der zweiten Antriebseinrichtung 45 mit dem Antrieb der ersten Antriebseinrichtung 40 gekoppelt.
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Dadurch ist zu jedem Zeitpunkt des zuvor beschriebenen Fügevorgangs ein paralleles Anliegen des Fügeelements 4 an dem Stempel 20 als Fügewerkzeug gegeben.
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Somit hat die X-Zange 5 eine aktive oder passive Winkel- und/oder Lateralkompensation, welche zu jedem Zeitpunkt die Ausrichtung der Fügeflächen des Stempels 20 als Werkzeug nachstellt bzw. gewährleistet. Diese aktive oder passive Winkelkompensation wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der zweiten Antriebseinrichtung 45 realisiert.
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Wie in 3 bis 6 gezeigt, wird bei einem Stanznietverfahren mit der Fügevorrichtung 2 von 1 ein Stanzniet als Fügeelement 4 in beispielsweise ein erstes Bauteil 6 und ein zweites Bauteil 7 gesetzt, die auf einer Matrize 10 aneinander anliegen. In 3 ist nur ein Stanzniet als Fügeelement 4 gezeigt, der im Wesentlichen wie ein herkömmlicher Stanzniet, insbesondere ein Halbhohlstanzniet, ausgestaltet ist. Anstelle des Stanzniets kann zum Stanznieten jedoch ein beliebiger anderer Stanzniet zum Einsatz kommen.
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Nach dem Setzen des Fügeelements 4 in das erste und zweite Bauteil 6, 7 gemäß den Schritten, wie in 3 bis 6 gezeigt, verbindet das verwendete Fügeelement 4 das erste und zweite Bauteil 6, 7. Das Fügeelement 4 erzeugt eine Fügeverbindung, insbesondere Nietverbindung, des ersten und zweiten Bauteils 6, 7. Das erste und zweite Bauteil 6, 7 können Bauteile des Gegenstands 3 sein. Wie zuvor beschrieben, können aber auch nur zwei Ränder ein und desselben Bauteils 6 mit mindestens einem Fügeelement 4 miteinander verbunden werden.
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Beispielsweise ist mit dem ersten und zweiten Bauteil 6, 7 eine Kombination zu fügen, von dem mindestens ein Bauteil 6, 7 ein Metall ist, wie insbesondere duktiler Stahl, oder Aluminium oder Magnesium sowie Legierungen dieser Werkstoffe. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens ein Bauteil 6, 7 aus einem spröden Material gefertigt sein, wie insbesondere ein spröder Leichtmetallwerkstoff. Möglicherweise ist mindestens ein Bauteil 6, 7 aus einem Faserverbundwerkstoff oder faserverstärktem Kunststoff, vorzugsweise kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), gefertigt. Zusätzlich oder alternativ hat mindestens ein Bauteil 6, 7 ein sehr sprödes bzw. extrem sprödes Material, wie beispielsweise naturharter Aluminium-Druckguss, Aluminiumlegierungen, höchstfestes Aluminiumblech AW7075, usw., Magnesiumlegierungen, insbesondere AM50, AZ91, AE44, usw.. Es sind jedoch beliebige andere Materialien für das erste und/oder zweite Bauteil 6, 7 verwendbar. Ein Bauteil 6, 7 aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ist vorzugsweise stempelseitig angeordnet. Ein Bauteil 6, 7 aus sprödem oder sehr sprödem Werkstoff bzw. Material kann stempelseitig oder matrizenseitig angeordnet sein.
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Anwendung kann das nachfolgend beschriebene Verfahren im Flugzeugbau, im allgemeinen Fahrzeugbau, im Karosserieleichtbau, usw. finden, speziell für den Industriezweig der Elektromobilität. Hier sind mit dem nachfolgenden Verfahren qualitativ hochwertige Fügeverbindungen, insbesondere zwischen ungleichen Leichtbauwerkstoffen herstellbar.
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Der Stanzniet kann bei den genannten Werkstoffen vorzugsweise aus Edelstahl oder aus V2A-Stahl oder aus V4A-Stahl gefertigt sein. Alternativ sind als Werkstoffe für den Stanzniet, wie beispielsweise Vergütungsstahl, insbesondere 38B2, 35B2, usw., mit einer Beschichtung aus ZnNi, SnZnAl, usw. möglich.
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Gemäß 3 wird zum Setzen des Fügeelements 4 in das erste und zweite Bauteil 6, 7 der Stempel 20 in einem Niederhalter 30 der Fügevorrichtung 2 geführt. Der Stempel 20 wird mittels einer Antriebseinrichtung 40 angetrieben, so dass auf den Stempel 20 die Stempelkraft F wirkt, die insbesondere eine Stempeldruckkraft ist. Die Antriebseinrichtung 40 kann ein Elektroantrieb und eine Spindel mit Kugel-, Rollen- oder Planetengewindetrieb sein. Zudem ist der Konverter 60 vorgesehen, welcher eine die Stempelkraft F unterstützende Schwingung S initiiert. Die Schwingung S wird mit Hilfe der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 zum Setzen des Fügeelements 4 in das mindestens eine Bauteil 6, 7 bereitgestellt.
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In 3 ist ein Zustand eines von der Fügevorrichtung 2 ausgeführten Stanznietverfahrens gezeigt, bei welchem der Stanzniet als Fügeelement 4 zwischen dem Stempel 20 und dem ersten Bauteil 6 angeordnet ist. 3 kennzeichnet den Fügevorgangsschritt des Ansetzens des Niederhalters 30 an den Bauteilen 6, 7. Dadurch erfolgt eine Fixierung der Bauteile 6, 7 zwischen Niederhalter 30 und Matrize 10. Anschließend kann mit dem Stempel 20 die Stempelkraft F in Richtung auf den Stanzniet und mit der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 die die Stempelkraft F unterstützende Schwingung S in einem Bereich von beispielsweise 15 kHz bis 35 kHz und einer Amplitude von beispielsweise 5 bis 60 µm, jedoch je nach Bedarf auch mehr als 60 µm, auf den Stanzniet als Fügeelement 4 aufgebracht werden. Im Folgenden wird zum Setzen des Stanzniets zunächst in das stempelseitige Bauteil 6 durchstanzt und das matrizenseitige Bauteil 7 geschnitten und nicht vollständig durchstanzt, wie in 4 veranschaulicht. Bei weiter andauernder Stempelkraft F und der die Stempelkraft F unterstützenden Schwingung S spreizt sich der Stanzniet in den Bauteilen 6, 7 durch den Gegendruck von der Matrize 10 auf, wie in 5 gezeigt, insoweit es sich nicht um ein sehr sprödes Material handelt, wie zuvor beschrieben. Zudem formt sich an dem Stanzniet aus den Bauteilen 6, 7 ein Butzen 8 aus. Durch das Aufspreizen des Stanzniets als Fügeelement 4 im matrizenseitigen Bauteil 7 mit Hilfe des Gegenhalters/Matrize wird eine kraft- und formschlüssige Fügeverbindung erzielt.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden, wenn der Stanzniet als Fügeelement 4 in die Bauteile 6, 7 gesetzt ist, wie in 6 gezeigt, die Stempelkraft F und die die Stempelkraft F unterstützende Schwingung S abgeschaltet.
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Die Fügevorrichtung 2 kann dann wieder in die Ausgangsposition zum Stanznieten verfahren werden, welcher der Schritt des Niederhaltens der Bauteile 6, 7 von 3 folgt. Danach kann ein nächster Stanzniet als Fügeelement 4 in die Bauteile 6, 7 oder in mindestens ein anderes Bauteil gesetzt werden.
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Die Fügevorrichtung 2 führt demzufolge ein Stanznietverfahren zum Setzen eines Stanzniets als Fügeelement 4 aus. Das Ergebnis ist eine kraft- und formschlüssige Fügeverbindung in dem mindestens einen Bauteil 6, 7, wie in 7 veranschaulicht.
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Gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels kann eine dritte Antriebseinrichtung vorgesehen sein, welche derart angeordnet und angesteuert wird, dass kein axialer Versatz bzw. Lateralversatz zwischen Fügewerkzeug/Sonotrode bzw. dem Stempel 20 und der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 auf der einen Seite und der Matrize 10 auf der anderen Seite auftritt. Die dritte Antriebseinrichtung bewegt den Zangenarm 51, an dem das Schwingsystem bzw. die Schwingungserzeugungseinrichtung 21 montiert ist, je nach Bedarf in axialer Richtung. Der Zangenarm 51 ist dabei modular ausgeführt. Außerdem wird der Zangenarm 51 in einer Führung innerhalb einer festen Zangenkonsole geführt.
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Dadurch bewegt ein Antrieb der dritten Antriebseinrichtung das Werkzeug 20, 21 senkrecht zu mindestens einer Richtung, in welcher die zweite Antriebseinrichtung 45 abhängig von einem Antrieb der ersten Antriebseinrichtung 40 das Werkzeug 20, 21 bewegt, um einen Versatz des Werkzeugs 20, 21 relativ zu einer vorbestimmten Fügerichtung zu minimieren. Zudem bewegt ein Antrieb der dritten Antriebseinrichtung das Werkzeug 20, 21 senkrecht zu der Fügerichtung. Hierbei dient die zweite Antriebseinrichtung 45 vornehmlich der Winkelkompensation. Die dritte Antriebseinrichtung als dritter alternativer Antrieb dient zur Bewegung des modular aufgebauten ersten Zangenarms 51 und dient der weiteren Kompensation des Lateralversatzes.
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Der Antrieb der dritten Antriebseinrichtung ist also mit dem Antrieb der ersten Antriebseinrichtung 40 und optional auch mit dem Antrieb der zweiten Antriebseinrichtung 45 synchronisiert angesteuert bzw. gekoppelt.
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8 zeigt sehr schematisch einen Teil einer Fügevorrichtung 9 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Fügevorrichtung 9 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede gleich der Fügevorrichtung 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut.
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Die Fügevorrichtung 9 ist ebenfalls für den Fall konzipiert, bei welchem weder ein Winkelversatz noch ein axialer Versatz bzw. Lateralversatz zwischen Fügewerkzeug/Sonotrode bzw. dem Stempel 20 und der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 auf der einen Seite und der Matrize 10 auf der anderen Seite auftreten darf.
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Für diesen Fall sind bei einer X-Zange 50 der Fügevorrichtung 9 Kopplungseinrichtungen 512, 513 vorgesehen. Die Kopplungseinrichtung 512 hat zwei drehbare Gelenke 512A, 512B, die über einen Stab 512C voneinander beabstandet sind. Das Gelenk 512B ist mit einem Exzenter 512D verbunden. Der Exzenter 512D ist von der zweiten Antriebseinrichtung 45 in eine Drehbewegung antreibbar.
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Die Kopplungseinrichtung 513 hat zwei drehbare Gelenke 513A, 513B, die über einen Stab 513C voneinander beabstandet sind. Das Gelenk 513B ist mit einem Exzenter 513D verbunden. Der Exzenter 513D ist von einer dritten Antriebseinrichtung 47, die einen in die beiden Richtungen des Pfeils AR3 verfahrbaren Kolben 48 aufweist, in eine Drehbewegung antreibbar.
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Wie in 8 dargestellt, sind die erste Stange 512C und die zweite Stange 513C an dem Werkzeug 20, 21 beabstandet gelagert.
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Auch auf diese Weise kann zu jedem Zeitpunkt des Fügevorgangs ein Werkzeugversatz vermieden werden, wobei ein Werkzeugversatz sowohl einen Winkel- als auch Lateralversatz umfasst.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Anlage 1, der Fügevorrichtungen 2, 9 und des Verfahrens zum Fügen mindestens eines Bauteils unter Verwendung der X-Zange können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert sein oder werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
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Alternativ können die Fügevorrichtungen 2, 9 jeweils als stationäre Anlage ausgeführt sein.
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Die Fügevorrichtungen 2, 9 können jeweils alternativ eine Fügevorrichtung mit Aufhängung sein, die von dem Benutzer manövrierbar ist, um insbesondere eine horizontale Lage der Fügevorrichtungen 2, 9 im Raum je nach Bedarf variieren zu können. Die Aufhängung kann die jeweilige Fügevorrichtungen 2, 9 zusätzlich oder alternativ vertikal oder in der Höhe verstellbar machen. Ganz allgemein kann die Lage der Fügevorrichtungen 2, 9 für ein Setzen mindestens eines Fügeelements 4 im Raum variierbar sein.
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Die in Bezug auf das Stanznieten mit der Schwingung S, insbesondere Ultraschall, beschriebenen Prinzipien der Versatzkompensation sind selbstverständlich nicht nur auf ein mechanisches oder umformtechnisches Fügen anwendbar sondern gelten auch für das thermische Fügen, wie Schweißen, usw..
