DE102018205101A1

DE102018205101A1 - Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Stanznietvorrichtung und Stanznietvorrichtung

Info

Publication number: DE102018205101A1
Application number: DE102018205101.1A
Authority: DE
Inventors: Florian Woelke; Armin Karle; Steven Maul; Reiner Ramsayer; Christoph Kauth; Martin Dieterle; Andre Philipskoetter; Patrick Nickel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile (11, 12) mittels einer Stanznietvorrichtung (10), bei dem die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) zwischen einem Stempel (15) und einem Gegenhalter (18) angeordnet sind, wobei ein zwischen dem Stempel (15) und einem dem Stempel zugewandten Bauteil (11) der wenigstens zwei Bauteile angeordneter Niet (20) mittels des Stempels (15) in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) eingedrückt wird, indem der Stempel (15) mit einer Kraft (F) beaufschlagt wird, wobei wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) beteiligte Komponente (11, 12, 15, 18, 20) beim Eindrücken mittels eines Schwingungserzeugers (32), durch den mittels eines von dem Schwingungserzeuger (32) ausgegebenen Signals (S) ein Schwingungskonverter (30) angeregt wird, in Schwingung versetzt wird, und wobei wenigstens zeitweise während des Eindrückens des Niets (20) eine für eine Amplitude der Schwingung charakteristische und auf dem von dem Schwingungserzeuger (32) ausgegebenen Signal (S) basierende Ersatzgröße (A) ermittelt wird, sowie eine solche Stanznietvorrichtung (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Stanznietvorrichtung, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie eine Stanznietvorrichtung.
Stand der Technik
Verfahren zum Stanznieten dienen zum Verbinden wenigstens zweier in einem Verbindungsbereich insbesondere eben ausgebildeter Bauteile (Fügepartner). Ein Stanznietverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Vorlochen der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht erforderlich ist. Vielmehr wird ein Niet mittels eines Stempels oder eines Stempelwerkzeugs in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, wobei durch einen entsprechend geformten Gegenhalter, beispielsweise in Form einer Matrize, der mit dem Stempelwerkzeug zusammenwirkt, sichergestellt ist, dass der Niet oder die Bauteile sich in einer bestimmten Art und Weise verformen, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen.
Weiterhin ist beispielsweise aus der EP 2 318 161 B1 ein sog. Ultraschall-Stanznietverfahren bekannt, bei dem 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.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Stanznietvorrichtung, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie eine Fertigungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Stanznietvorrichtung, bei dem die wenigstens zwei Bauteile zwischen einem Stempel und einem Gegenhalter angeordnet sind bzw. werden. Dabei wird ein zwischen dem Stempel und einem dem Stempel zugewandten Bauteil der wenigstens zwei Bauteile angeordneter Niet mittels des Stempels in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, indem der Stempel mit einer Kraft beaufschlagt wird. Hierzu kann ein entsprechender Antrieb verwendet werden. Zudem wird wenigstens eine beim Eindrücken des Niets beteiligte Komponente, die insbesondere den Stempel umfasst, beim Eindrücken mittels eines Schwingungserzeugers in Schwingung versetzt, indem durch den Schwingungserzeugers mittels eines von dem Schwingungserzeuger ausgegebenen Signals ein Schwingungskonverter angeregt wird. Die Schwingungen können dann mit dem Schwingungskonverter auf die Komponente übertragen bzw. eingekoppelt werden. Als Schwingungserzeuger kommt dabei insbesondere ein Frequenz- bzw. Schall-Generator, insbesondere ein Ultraschall-Generator, in Frage, als Schwingungskonverter ein elektromechanischer Wandler wie beispielsweise ein Piezo-Konverter. Bei der Verwendung des Ultraschall-Generators wird dann auch vom sog. Ultraschall-Stanznieten gesprochen. Im Vergleich zu konventionellem Stanznieten ermöglicht eine Einkopplung von Schwingungen eine Reduzierung der nötigen Kraft, die durch den Antrieb aufgebracht werden muss, sowie eine bessere Verbindung der Bauteile durch den Niet.
Weiterhin wird wenigstens zeitweise während des Eindrückens des Niets eine für eine Amplitude der mechanischen Schwingung charakteristische und auf dem von dem Schwingungserzeuger ausgegebenen elektrischen Signal basierende Ersatzgröße ermittelt. Eine solche Ersatzgröße wird in diesem Zusammenhang auch als Amplituden-Ersatzsignal bezeichnet. Zweckmäßig ist auch, diese Ersatzgröße während der gesamten Zeitdauer des Eindrückens, also während des gesamten Stanznietvorgangs, wiederholt zu ermitteln.
Bei herkömmlichen Stanznietverfahren kann eine Kraft als Funktion der Position des Stempels für eine Qualitätsbewertung des Stanznietprozesses herangezogen werden. Dabei kann beispielsweise untersucht werden, ob sich der Kraftverlauf innerhalb gewisser Grenzwerte, beispielsweise einer sog. Hüllkurve, bewegt. Ebenso kann dort die sog. Prozessfenstertechnik verwendet werden, bei der Prozessfenster an prozessrelevanten Stellen mit zugehörigen maximalen und minimalen zulässigen Kraft-Weg-Abweichungen in diesem Fensterbereich definiert werden können. Als geeignetes Prozessfenster wird häufig die Position der Materialtrennung (diese ist definiert anhand der Stempelkraft) oder die Endposition mit der zugehörigen Endstempelkraft gewählt.
Zusätzlich können neben dem Kraft-Weg-Verlauf auch die Blechdicke und die Nietlänge mittels Hüllkurve bzw. als Prozesswert erfasst werden. Eine Fehleranzeige kann dann warnen, wenn eingegebene Toleranzen überschritten werden oder die Anlage kann bereits vor Nietbeginn abbrechen (z.B. wenn die Blechdicke oder die Nietlänge außerhalb der Toleranzen liegen). Dadurch kann teurer Ausschuss (z.B. beim Fügen von PKW-Karosserien) verhindert werden.
Beim schwingungs- bzw. schallunterstützten Stanznieten kommen durch den schwingenden Fügestempel weitere Effekte zum Tragen, welche mittels reiner Hüllkurventechnik nicht ausreichend abgesichert werden können. Weiterhin kann die konventionelle Hüllkurventechnik durch mittleres bis sehr starkes Oszillieren der Fügekraft schnell an Ihre Grenzen gelangen. Dies verhindert eine für viele Anwendungen in der Industrie nötige Qualitätsbewertung, da die üblicherweise verwendeten Grenzwerte hier nicht geeignet sind.
Die im Rahmen der Erfindung vorgeschlagene Ermittlung einer für die Amplitude der mechanischen Schwingung charakteristische Ersatzgröße im Sinne einer Prozessmessgröße hingegen ermöglicht auch bei schwingungs- bzw. schallunterstütztem Stanznieten eine Qualitätsbewertung bzw. Absicherung des Prozessverlaufs, vorzugsweise sogar auch eine bessere bzw. genauere Steuerung oder Regelung des Stanznietvorgangs bzw. der Stanznietvorrichtung. Die reale mechanische Amplitude - wie sie letztlich durch den Schwingungskonverter bereitgestellt wird - ist in aller Regel einer Messung nicht zugänglich.
Vorzugsweise kann dabei ein Verlauf der Ersatzgröße während des Eindrückens des Niets, insbesondere ein örtlicher Verlauf und/oder ein zeitlicher Verlauf, ermittelt werden. Der Verlauf der Ersatzgröße kann dann insbesondere für eine Qualitätsbewertung eines zugehörigen Stanznietvorgangs und/oder einer in diesem Stanznietvorgang erzeugten Verbindung der wenigstens zwei Bauteile verwendet werden. Ebenso ist es bevorzugt, wenn der Verlauf der Ersatzgröße graphisch ausgegeben (beispielsweise auf geeigneten Anzeigemitteln) und/oder abgespeichert wird, insbesondere in Verknüpfung mit dem zugehörigen Stanznietvorgang.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn für verschiedene Phasen (bzw. Prozessstufen) eines Stanznietvorgangs eine Qualitätsbewertung des Stanznietvorgangs anhand der Ersatzgröße unterschiedlich vorgenommen wird. Dies kann insbesondere auch die erwähnte Qualitätsbewertung betreffen. Für das Nietergebnis ist es zweckmäßig, den Stanznietvorgang in mehrere Prozessstufen bzw. Phasen zu unterteilen, zwischen welchen Phasen Parameter für den Betrieb der Stanznietvorrichtung wie beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit oder die Amplitude und/oder die Frequenz der Schwingung variabel bzw. unterschiedlich vorgegeben werden. Je nach Art der zu fügenden bzw. zu verbindenden Bauteile bzw. Werkstoffe ist beispielsweise für eine Phase „Schneiden bzw. Stanzen“ eine deutlich höhere Energie erforderlich als für die Phase „Einformen und Nietspreizen“. Somit kann auch die Bewertung differenziert vorgenommen werden. Denkbar ist dabei auch, die Vorgabe der Amplitude in den Phasen basierend auf der Ersatzgröße vorzunehmen.
Bei einem bevorzugten Schwingungserzeuger bzw. Schall-Generator kann die Ersatzgröße direkt ausgegeben werden, d.h. der Schwingungserzeuger ist dazu eingerichtet, bei Kenntnis des angeschlossenen Schwingsystems bzw. dessen Parametern die Ersatzgröße zu berechnen und auszugeben. Andernfalls ist es bevorzugt, wenn die Ersatzgröße separat ermittelt wird, insbesondere anhand von Werten eines Stromes und/oder einer Spannung und/oder einer Phasenlage des elektrischen Signals. Hierzu können der Strom und/oder die Spannung und/oder die Phasenlage des elektrischen Signals vorzugsweise durch Abgriff zwischen dem Schwingungserzeuger und dem Schwingungskonverter erfasst werden. Diese Werte können dann in einer geeigneten (insbesondere schnellen) Recheneinheit - hierzu kann auch ein Steuergerät der Stanznietvorrichtung verwendet werden - zur Ersatzgröße weiterverarbeitet werden. Hierbei können insbesondere auch elektrische und/oder mechanische Parameter bzw. Koeffizienten, wie z.B. geometrische Abmessungen, piezoelektrische Koeffizienten usw. des Schwingungskonverters berücksichtigt werden, um die Größen des elektrischen Signals in Beziehung zu einer Amplitude der letztlich erzeugten mechanischen Schwingung zu setzen. Hierzu kann beispielsweise auf ein elektrisches Ersatzschaltbild basierend auf den Grundparametern des Schwingsystems und den jeweiligen Strom-, Spannungswerten und deren Phasenverschiebung zurückgegriffen werden. Zu berücksichtigen ist dabei insbesondere, dass ein solches Signal in Echtzeit berechnet und zur Verfügung gestellt werden sollte. Es handelt sich dabei dann um die Aufzeichnung, Auswertung und Dokumentation eines aus dem elektrischen Ersatzschaltbild des Schwingungserzeugers bzw. des Schwingsystems (dann auch mit Schwingungskonverter, Sonotrode und ggf. Booster bzw. Amplitudenverstärker) ergebenden Signals.
Mit dieser Ersatzgröße können zudem bevorzugt auch Rückschlüsse auf ein Verhalten des Schwingsystems unter Last (z.B. das sog. „Stallen“ bzw. „Festfahren“) gezogen werden, sodass in diesem Fall eine gezielte weitere Prozessführung oder z.B. ein Prozessabbruch erfolgen kann. Dies ist insbesondere in Kombination mit weiteren Prozesssignalen (z.B. die vom Antrieb aufgebrachte Kraft oder eine Leistung des Schwingungserzeugers) möglich.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer Stanznietvorrichtung, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Stanznietvorrichtung mit einem Stempel, einem Gegenhalter, einem Schwingungserzeuger und einer erfindungsgemäßen Recheneinheit. Eine solche Stanznietvorrichtung ist also auch dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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.
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 Fertigungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
3a bis 3d zeigen eine Stanznietvorrichtung bei verschiedenen Phasen der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
4 zeigt einen Kraft-Positions-Verlauf bei einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung.
5 zeigt einen Kraft-Positions-Verlauf und einen Amplituden-Ersatzsignal-Positions-Verlauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform im Vergleich zu einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist vereinfacht und schematisch eine Fertigungseinrichtung 100 gezeigt. Bei der Fertigungseinrichtung 100 kann es sich beispielsweise um einen Industrieroboter in einer Fertigungshalle, beispielsweise für einen automobilen Karosseriebau, handeln.
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 erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10 in einer bevorzugten Ausführungsform angeordnet, welche hier nur schematisch gezeigt und nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird.
Weiterhin ist eine Recheneinheit 80 gezeigt, bei der es sich beispielsweise um eine Steuereinheit der Stanznietvorrichtung 10 handelt. Die Recheneinheit 80 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 90, beispielsweise ein Display, vorgesehen, auf denen beispielsweise aktuelle Betriebsparameter der Stanznietvorrichtung angezeigt werden können. Es kann sich bei dem Element 90 auch um ein kombiniertes Anzeige-/Eingabemittel, z.B. einen Touchscreen, handeln.
In 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Rahmen 60 auf, der vorzugsweise in Form eines C-Rahmens oder C-Bügels 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 wie in 1 gezeigt befestigt sein.
Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Stempel (bzw. eine Sonotrode) 15 auf, beispielhaft mit einem runden Querschnitt. Der Stempel 15 ist von einem (hülsenförmigen) Niederhalter 16 radial umgeben und relativ zu diesem in Längsrichtung beweglich angeordnet. Der Niederhalter 16 ist hierbei vorzugsweise an einem sog. Nullamplitudendurchgang des Stempels 15, d.h. einer Position des Stempels 15, an der Schwingungsamplituden Null oder zumindest möglichst gering sind, mittels einer Feder befestigt. Insbesondere ist der Stempel 15 mit einem Antrieb 50 gekoppelt, der dazu dient, eine zum Eindrücken des Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F aufzubringen. Der Antrieb 50 kann beispielsweise mittels der Recheneinheit 80 gesteuert werden. Dabei kann die Kraft F beispielsweise über einen Sollwert vorgegeben und als Istwert erfasst werden.
Ebenfalls ist der Niederhalter 16 dazu eingerichtet, gegen die Oberfläche des dem Stempel 15 zugewandten Bauteils 11 mit einer Niederhaltekraft zu drücken. Hierzu kann beispielsweise ein eigener Antrieb vorgesehen sein. Jedoch kann der Niederhalter 16 auch (wie hier gezeigt) an den Antrieb 50 des Stempels 15 oder an den Stempel 15 selbst gekoppelt sein, beispielsweise mittels einer Feder.
Auf der dem Stempel 15 und dem Niederhalter 16 gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist ein Gegenhalter in Form einer Matrize 18 angeordnet. Der Stempel 15 und die Matrize 18 sind in vertikaler Richtung, wie auch der Niederhalter 16, beweglich angeordnet und relativ zueinander bewegbar. Der Niederhalter 16 und die Matrize 18 dienen dazu, die beiden Bauteile 11, 12 zwischen dem Niederhalter 16 und der Matrize 18 während der Bearbeitung durch den Stempel 15 einzuspannen bzw. zusammenzudrücken.
Der Niet 20, 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 20 ist in Wirkverbindung mit dem Stempel 15 angeordnet, der an der Oberseite des Niets 20 flächig anliegt.
Der Stempel 15 ist mit einem (elektro-mechanischen) Schwingungskonverter 30, beispielsweise einem Piezokonverter, wirkverbunden. Der Schwingungskonverter 30 wiederum ist mit einem (elektrischen) Schwingungserzeuger 32, beispielsweise einem Ultraschallgenerator, verbunden. Auf diese Weise können mechanische Schwingungen bzw. Vibrationen erzeugt und auf den Stempel 15, und damit auf den Niet 20 eingekoppelt werden. Insbesondere werden mittels des Schwingungserzeugers 32 und Schwingungskonverters 30 mechanische 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. Der Schwingungserzeuger 32 ist an die Recheneinheit 80 angebunden (oder kann auch Teil der Recheneinheit sein) und kann von dieser angesteuert werden.
Bei dem Antrieb 50 kann es sich beispielsweise um einen Antrieb mit Kugel-, Rollen-, Planetengewinde- oder Gewinderollenschraubtrieb oder dergleichen handeln, der dazu geeignet ist, eine Kraft F zum Eindrücken des Niets 20 in die Bauteile 11, 12 aufzubringen. An dem Antrieb 50 ist eine Haltevorrichtung 35, beispielsweise in Form eines Rahmens oder eines Gestells, angebracht. An der Haltevorrichtung 35 ist ein Schwingsystem 39, das vorliegend den Schwingungskonverter 30, einen Booster 31 sowie den Stempel bzw. die Sonotrode 15 umfasst, angeordnet.
Weiterhin ist gezeigt, dass an einer Leitung 34, über welche ein von dem Schwingungserzeuger 30 erzeugtes elektrisches Signal S an den Schwingungskonverter 30 übertragen wird, um diesen zum mechanischen Schwingen anzuregen, die Größen Strom I, Spannung U und Phasenlage φ abgegriffen werden. Die Phasenlage kann ggf. auch berechnet werden. Anhand dieser Größen kann dann ein Ersatzsignal A, das für die Amplitude der erzeugten mechanischen Schwingung charakteristisch ist, ermittelt bzw. berechnet werden.
In den 3a bis 3d ist die Stanznietvorrichtung 10, wie sie in 2 detaillierter beschrieben wurde, bei verschiedenen Phasen der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt.
Weiterhin ist beispielhaft ein Positionssensor 40 gezeigt, der dazu eingerichtet ist, eine Position oder einen Weg x des Stempels 15 zu erfassen. Diese Position x kann dabei an die Recheneinheit 80 übermittelt werden. Die Position des Stempels 15 kann jedoch beispielsweise auch über den Antrieb 50 des Stempels 15 ermittelt werden, beispielsweise bei einem Kugelgewindetrieb über eine Steigung des Gewindes und einer Anzahl an Umdrehungen.
Die in 3a gezeigte Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt einen Beginn des Stanznietverfahrens dar, bei dem der Nietschaft 24 in Wirkverbindung mit der Oberseite des Bauteils 11 gelangt. Dabei wird der Stempel 15 mit der Kraft F gegen das dem Stempel 15 zugewandte Bauteil 11 gedrückt.
In einer in 3b gezeigten weiteren Phase, d.h. während des weiteren Verlaufs des Nietvorgangs und unter Unterstützung der in die Bauteile 11, 12 eingekoppelten Schwingungen schneidet bzw. stanzt der Nietschaft 24 sich zunächst in das Bauteil 11 ein. Diese Phase wird damit auch als Phase „Schneiden bzw. Stanzen“ bezeichnet. Dabei werden die beiden Bauteile 11, 12 plastisch verformt, wobei das einer Ausnehmung 22 der Matrize 18 zugewandte Bauteil 12 in den entsprechenden Bereichen in die Ausnehmung 22 eingedrückt wird.
Während des weiteren Bewegungswegs bzw. der weiteren Abwärtsbewegung des Niets 20 entsprechend der 3c wird der Nietschaft 24 im Bereich der Ausnehmung 22 nach außen gespreizt, wodurch die beiden Bauteile 11, 12 in Axialrichtung sicher form- und kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Diese Phase wird demzufolge auch als Phase „Einformen und Nietspreizen“ bezeichnet. Die in dieser Phase nötige Energie zum Eindrücken des Niets ist dabei mitunter deutlich geringer als bei der vorausgehenden Phase.
Wesentlich kann dabei sein, dass entsprechend der 3d, die die Endposition des Niets 20 zeigt, der Nietschaft 24 nicht aus dem Bauteil 12 herausragt bzw. dieses nicht vollständig durchdringt.
Nachdem der Niet 20 die in der 3d dargestellte Endposition erreicht hat, bei der die Oberseite 26 des Niets 20 zumindest in etwa bündig mit der Oberseite des Bauteils 11 abschließt, wird anschließend der Stempel 15 wieder von den Bauteilen 11, 12 in entgegengesetzte Richtung nach oben bewegt.
In 4 ist ein beispielhafter Kraft-Positions-Verlauf bei einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung gezeigt. Dabei ist eine Kraft F über der Zeit t aufgetragen. Mit F(x) ist dabei ein Verlauf einer Kraft F, die zum Eindrücken des Niets auf den Stempel ausgeübt wird, als Funktion der Position x des Stempels beim Eindrücken angegeben. Hierzu sei angemerkt, dass hierbei lediglich eine relative Position x des Stempels relevant ist.
Weiterhin ist eine Hüllkurve mit den Grenzwerten G₁₁ und G₂₁ eingezeichnet, die maximal bzw. minimal zulässige Werte für die Kraft F bzw. die Funktion F(x) kennzeichnen.
Beispielsweise können Nietvorgänge, bei denen die Funktion F(x) die Grenzwerte unter- bzw. überschreitet, als von zu geringer Qualität aussortiert werden.
Weiterhin sind weitere Grenzwerte G₁₂ und G₂₂ gezeigt, die innerhalb der Hüllkurve mit den Grenzwerten G₁₁ und G₂₁ liegen. Diese Grenzwerte können bspw. als Warnkurve dienen, so dass bspw., wenn diese Grenzwerte unter- bzw. überschritten werden, eine Korrekturmaßnahme eingeleitet werden kann oder aber die zugehörige Nietverbindung als problematisch eingestuft werden kann.
Weiterhin ist ein Fenster 301 gezeigt, das beispielhaft eine prozessrelevante Stelle, hier eine Endposition, angibt. In einem solchen Fenster können weitere, einzuhaltende Grenzwerte festgelegt werden.
Bei schwingungs- bzw. ultraschallunterstütztem Stanznieten ist eine Qualitätsbewertung anhand eines Kraft-Positions-Verlaufs jedoch nicht oder kaum möglich, wie nachfolgend gezeigt werden soll.
In 5 sind ein Kraft-Positions-Verlauf und ein Amplituden-Ersatzsignal-Positions-Verlauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform im Vergleich zu einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung gezeigt. Hierzu sind in den links gezeigten Diagrammen eine Kraft F bzw. ein Amplituden-Ersatzsignal A (auch nur als Ersatzgröße bezeichnet) über der Position x aufgetragen.
Mit F(x) ist dabei ein Verlauf einer Kraft F, die zum Eindrücken des Niets auf den Stempel ausgeübt wird, als Funktion der Position x des Stempels beim Eindrücken bei einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung angegeben. Ein entsprechendes Amplituden-Ersatzsignal gibt es nicht, da keine Schwingung eingekoppelt wird.
Mit F'(x) ist ein Verlauf einer Kraft F, die zum Eindrücken des Niets auf den Stempel ausgeübt wird, als Funktion der Position x des Stempels beim Eindrücken bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform angegeben. Mit A(x) ist ein Verlauf des Amplituden-Ersatzsignals, das also einer Amplitude einer durch den Schwingungserzeuger hervorgerufenen mechanischen Schwingung zumindest annähernd entspricht, als Funktion der Position x des Stempels beim Eindrücken bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform angegeben.
Im oberen Diagramm mit den Kraftverläufen ist deutlich zu sehen, dass bei einem konventionellen Stanznietverfahren die Kraft deutlich über der bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform, hier mit einem Ultraschall-Generator, liegt. Insbesondere gegen Ende des Nietvorgangs, d.h. in dem oberen, linken Diagramm am rechten Ende, ist der Unterschied zwischen F(x) und F'(x) sehr deutlich.
Weiterhin ist auch zu sehen, dass bei einem Verfahren mit Ultraschall-Generator der Kraftverlauf F'(x) sehr stark oszilliert. Dies ist in dem vergrößert dargestellten Ausschnitt 401 noch deutlicher zu erkennen. Eine Qualitätsbewertung anhand einer Hüllkurve ist hier kaum zuverlässig möglich.
Im unteren Diagramm mit dem Verlauf des Amplituden-Ersatzsignals ist zu sehen, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform der Verlauf dieser Ersatzgröße kaum oszilliert. Dies ist besonders deutlich in dem vergrößert dargestellten Ausschnitt 402 zu erkennen.
In dem Ausschnitt 402 sind zudem beispielhaft zwei Grenzwerte G'₁₁ und G'_12' im Sinne einer Hüllkurve eingezeichnet, die zur Bewertung des Verlaufs A(x) herangezogen werden können.
Anhand bzw. mittels des Verlaufs A(x) oder auch nur der Ersatzgröße A können nun Qualitätsbewertungen des zugehörigen Nietvorgangs vorgenommen werden. Beispielsweise kann auch hier eine Hüllkurve mit Grenzwerten, vergleichbar zu der Hüllkurve in 4 bei dem Kraftverlauf, festgelegt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2318161 B1 [0003]

Claims

Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile (11, 12) mittels einer Stanznietvorrichtung (10), bei dem die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) zwischen einem Stempel (15) und einem Gegenhalter (18) angeordnet sind, wobei ein zwischen dem Stempel (15) und einem dem Stempel zugewandten Bauteil (11) der wenigstens zwei Bauteile angeordneter Niet (20) mittels des Stempels (15) in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) eingedrückt wird, indem der Stempel (15) mit einer Kraft (F) beaufschlagt wird, und wobei wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) beteiligte Komponente (11, 12, 15, 18, 20) beim Eindrücken mittels eines Schwingungserzeugers (32), durch den mittels eines von dem Schwingungserzeuger (32) ausgegebenen Signals (S) ein Schwingungskonverter (30) angeregt wird, in mechanische Schwingung versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zeitweise während des Eindrückens des Niets (20) eine für eine Amplitude der mechanischen Schwingung charakteristische und auf dem von dem Schwingungserzeuger (32) ausgegebenen Signal (S) basierende Ersatzgröße (A) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Verlauf der Ersatzgröße (A) während des Eindrückens des Niets (20), insbesondere ein örtlicher Verlauf und/oder ein zeitlicher Verlauf, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Verlauf der Ersatzgröße (A) für eine Qualitätsbewertung eines zugehörigen Stanznietvorgangs und/oder einer in diesem Stanznietvorgang erzeugten Verbindung der wenigstens zwei Bauteile (11, 12) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Verlauf der Ersatzgröße (A) graphisch ausgegeben und/oder abgespeichert wird, insbesondere in Verknüpfung mit dem zugehörigen Stanznietvorgang.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei für verschiedene Phasen eines Stanznietvorgangs eine Qualitätsbewertung des Stanznietvorgangs anhand der Ersatzgröße (A) unterschiedlich vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ersatzgröße (A) anhand von Werten eines Stromes (I) und/oder einer Spannung (U) und/oder einer Phasenlage (φ) des Signals (S) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Strom (I) und/oder die Spannung (U) und/oder die Phasenlage (φ) des Signals (S) durch Abgriff zwischen dem Schwingungserzeuger (32) und dem Schwingungskonverter (30) erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Schwingungserzeuger (30) ein Frequenz-Generator, insbesondere ein Schall-Generator, insbesondere ein Ultraschall-Generator, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) beteiligte Komponente der Stanznietvorrichtung den Stempel (15) umfasst.
Recheneinheit (80), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Stanznietvorrichtung (10) mit einem Stempel (15), einem Gegenhalter (18), einem Schwingungserzeuger (32), einem Schwingungskonverter (30) und einer Recheneinheit (80) nach Anspruch 10.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (80) veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (80) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.