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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein System zum mechanischen Fügen von Fügeteilen.
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Im Karosseriebau, in dem verschiedene Materialien miteinander gefügt werden müssen, werden bevorzugt mechanische Fügeverfahren eingesetzt. Jedoch sind mechanischen Fügeverfahren wie dem Nieten bzw. dem Clinchen bezogen auf die zu verarbeitenden Werkstoffe Grenzen gesetzt. So können in der Regel keine hochfesten Materialien, wie beispielsweise 7000er Aluminiumlegierungen oder hochfeste Stähle verarbeitet werden, da hierbei entweder der Werkstoff reißt oder die als Verbindungsmittel vorgesehenen Niete unzulässig gestaucht werden.
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Um eine verbesserte Verarbeitung auch von festen Materialien zu ermöglichen, ist aus dem Stand der Technik bekannt, den Fügebereich von Fügeteilen lokal mittels eines vorher durchgeführten Prozessschrittes zu erweichen, indem der Bereich mit einem Laser oder per Induktion erwärmt wird. Hierbei wird in der Regel nicht direkt im Umformbereich, sondern über Wärmeleitung in Blechdickenrichtung erwärmt.
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Aus der Druckschrift
DE 196 30 488 A1 ist es bekannt, eine partielle Erwärmung der Fügeteile durch beheizte Fügewerkzeuge, wie Stempel und/oder Matrize und/oder Niederhalter einzubringen und eine Erwärmung durch Kontaktierung der Fügeteile mit den Werkzeugteilen oder auch berührungslos durch induktive Erwärmung herbeizuführen.
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Ebenfalls bekannt ist es, auf den gegenüberliegenden Seiten von miteinander zu fügenden Fügeteilen Elektroden anzuordnen und über diese einen Stromfluss in dem Fügebereich zu bewirken, um den Fügebereich aufzuwärmen.
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Die
DE 10 2010 024 000 A1 betrifft ein Verfahren zum Setzen von spanlos selbstlochformenden Verbindungselementen wie Schrauben oder Blindnieten in ein oder mehrere Bleche, wobei das oder die Bleche kurz vor Beginn des Setzvorganges durch elektrische Energie erhitzt werden, wobei die Erhitzung über eine Induktionsspule erfolgt, die in der Nähe einer Verbindungsstelle auf dem oder den Blechen angeordnet wird.
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Die
DE 196 344 17 A1 betrifft ein Verfahren zur Verbindung mindestens zweier dünnwendiger Werkstücke, bei dem eine Festigkeitserhöhung der Verbindung erreicht wird, indem an den Stellen, an denen die Werkstücke miteinander verbunden werden sollen, jeweils eine sich durch beide Werkstücke hindurch erstreckende Bohrung mittels eines Fließformwerkzeuges eingebracht wird, wodurch erreicht wird, dass im Übergangsbereich zwischen den beiden Werkstücken aufgrund der durch das Fließbohren erzeugten Hitze eine lokale Verschweißung der Werkstücke auftritt.
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Die
CN 101890564 A betrifft eine spezielle Metallwiderstandsniet-Schweißvorrichtung, für den Bereich des Automobilbaus. Mittels der vorgenannten Vorrichtung wird auf Grundlage einer Kombination eines Widerstandsschweißverfahrens und eines Stanznietverfahrens durch die Reduzierung einer aufzubringenden Fügekraft eine bessere Verbindung zwischen miteinander zu verbindenden Fügeteilen erzielt.
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Die
DE 198 52 809 A1 betrifft ein Verfahren zum thermisch unterstützten mechanischen Fügen mittels Stanznieten, wobei in einer künftigen Umformzone eine lokal und zeitlich begrenzte Erwärmung der Fügeteile durch elektrische Widerstandserwärmung erfolgt, wobei die Erwärmung mit Beginn des Fügeprozesses oder unmittelbar davor ausgelöst wird und vor dem Beginn des Umformprozesses abgeschlossen ist.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weisen eine Vielzahl von Nachteilen auf. So sind vorgelagerte Erwärmungsprozesse nachteilig, da hierbei sichergestellt werden muss, dass die vorbehandelte Fügezone auch in einem bestimmten Zeitfenster bearbeitet wird, was insbesondere zu geringeren Lagetoleranzen führt. Eine Erwärmung der Fügeteile über eine Erwärmung der Fügewerkzeuge ist ferner insbesondere nachteilig, da sich aufgrund der erforderlichen Wärmeleitung über die Werkzeuge die Prozesszeiten erhöhen. Ferner ist eine häufige Erwärmung der Werkzeuge nachteilig für die Haltbarkeit der betreffenden Werkzeuge.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben, insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein System zum mechanischen Fügen von Fügeteilen zur Verfügung zu stellen, die auf möglichst werkzeug- und werkstoffschonende Weise qualitativ hochwertige Verbindungen zwischen Fügeteilen generieren und dabei insbesondere hinsichtlich der Materialauswahl besonders vielseitig und flexibel einsetzbar sind.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 sowie ein System gemäß Anspruch 10. Weitere Merkmale und Details ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Technische Merkmale, die zu dem erfindungsgemäßen Verfahren offenbart werden gelten dabei auch in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen System und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum mechanischen Fügen von Fügeteilen umfasst die Schritte eines Anordnens zumindest zweier Fügeteile zwischen einem ersten und einem zweiten Fügewerkzeug sowie eines Umformens der Fügeteile in einem Umformbereich durch Einführen eines Fügemittels in die Fügeteile in dem Umformbereich. Hierbei zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass der Umformbereich während des Umformens zumindest zeitweilig mittels konduktiver Erwärmung erwärmt wird, wobei die notwendige Dauer der konduktiven Erwärmung in Abhängigkeit von während der Umformung erfassten Daten bestimmt wird.
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Unter einem mechanischen Fügen wird im Rahmen der Erfindung ein Verfahren zum kraftschlüssigen oder formschlüssigen Verbinden von Fügeteilen gleichen oder unterschiedlichen Materials verstanden. Hierbei kann es sich bei dem erfindungsgemäßen mechanischen Fügeverfahren insbesondere um ein Umformfügeverfahren mit dem Einsatz von Zusatzelementen, vorzugsweise um ein Nietverfahren oder ein Clinchverfahren oder dergleichen handeln. Neben lediglich zwei zu fügenden Fügeteilen können erfindungsgemäß auch mehr als zwei, beispielsweise drei oder vier Fügeteile gleichzeitig gefügt werden. Die Fügeteile können hierbei vorzugsweise in Form von Flachteilen, insbesondere in Form von Blechen oder dergleichen gebildet sein. Bei einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Stanznietverfahren können die Fügewerkzeuge vorzugsweise in Form eines Stempels und einer Matrize gebildet sein, die dann insbesondere gegenüberliegend voneinander angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Fügemittel kann hierbei in Form eines Niets, insbesondere in Form eines Stanzniets gebildet sein. Unter einem Umformbereich wird im Rahmen der Erfindung der Bereich verstanden, der bei dem erfindungsgemäßen mechanischen Fügeprozess umgeformt wird bzw. einer mehr oder weniger starken Materialumformung unterliegt. Der Umformbereich erstreckt sich hierbei in der Regel auf im Wesentlichen gleich große übereinander angeordnete Flächenabschnitte auf den Fügeteilen, die bei einer erfindungsgemäßen Anordnung der Fügeteile zwischen den Fügewerkzeugen angeordnet sind und regelmäßig eine größere Fläche einnehmen als das einzuführende Fügemittel.
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Gegenständlich ist erkannt worden, dass mittels einer konduktiven Erwärmung während einer Umformung ein mechanisches Fügen in einem Warmumformprozess geschaffen werden kann. Eine Warmumformung zeichnet sich durch eine niedrigere Fließspannung und damit durch niedrigere Umformkräfte sowie ein hohes Formänderungsvermögen der Werkstoffe aus. Bei Werkstoffen, wie beispielsweise Magnesium, werden bei höheren Temperaturen zusätzliche Gleitebenen aktiviert, die damit einen höheren Umformgrad ermöglichen. Dies ermöglicht insbesondere ein größeres Anwendungsspektrum für neue Werkstoffe, sodass durch die Absenkung der Prozesskräfte selbst hochfeste Materialien, wie 7000er Aluminium, Magnesium und hochfeste Stahlgüter ohne zu reißen bzw. ohne Verbindungsmittel zu stauchen gefügt werden können. Durch eine Absenkung der Prozesskräfte sind nicht nur ganz andere Materialien bearbeitbar, sondern es können auch andere Geräte, wie kleinere, weniger steife Zangen und/oder Widerstandsschweißzangen oder dergleichen für den mechanischen Fügeprozess verwendet werden. Die auf diese Weise zugänglichen Werkstoffe können insbesondere in Mischbaustrukturen verwendet werden. Durch die geringeren Prozesskräfte können auch weichere Nietwerkstoffe, wie beispielsweise Aluminiumniete oder dergleichen verwendet werden. Eine erfindungsgemäße Bestimmung der Dauer einer notwendigen konduktiven Erwärmung erlaubt neben einem möglichst materialschonenden Verfahren insbesondere eine größtmögliche Anpassbarkeit hinsichtlich der zu verarbeitenden Materialien und Materialstärken. So wird durch die erfindungsgemäße Bestimmung der notwendigen Dauer bzw. der notwendigen Stromhöhe einer konduktiven Erwärmung vorteilhafterweise insbesondere der exakte Zeitpunkt zur Unterbrechung der Erwärmung bestimmt, wodurch die betreffenden Materialien nicht länger als unbedingt nötig beansprucht werden. Regelgröße sind der gemessen Weg des Setz- oder Clinchwerkzeugs, die aufgebrachte Kraft und u.U. die gemessene Temperatur im Fügebereich.
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Im Hinblick auf eine Erfassung besonders aussagekräftiger Daten zur Bestimmung des korrekten Zeitpunkts einer Beendigung einer konduktiven Erwärmung kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Daten eine aktuell aufgewendete Kraft und/oder eine zurückgelegte Weglänge umfassen. Eine Kraft kann hierbei insbesondere die Setzkraft eines Fügemittels, wie beispielsweise eines Stanzniets oder dergleichen sein. Eine zurückgelegte Weglänge kann beispielsweise die Weglänge der Führung eines Stanzniets durch einen Stempel sein. Über eine Erfassung einer aktuell aufgewendeten Kraft und/oder einer zurückgelegten Weglänge ist hierbei nicht nur eine zuverlässige, sondern gleichzeitig auch eine besonders einfache Bestimmung für den korrekten Zeitpunkt einer Beendigung einer konduktiven Erwärmung möglich.
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Im Rahmen einer konstruktiv einfachen Möglichkeit der Einkopplung des Heizstroms in den Fügebereich kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass der zur konduktiven Erwärmung verwendete Heizstrom über zumindest eins der Fügewerkzeug in den Umformbereich eingekoppelt wird. Hierbei kann der Heizstrom im Rahmen einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Stanznietverfahrens beispielsweise über den Stempel und/oder die Matrize eingekoppelt werden. Andererseits können aber alternativ oder kumulativ auch den Fügewerkzeugen zugeordnete Teile als Pole zur Einkopplung des Heizstroms in den Fügebereich dienen.
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Im Hinblick auf ein besonders materialschonendes und energieeffizientes Verfahren zum Fügen von Fügeteilen kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die konduktive Erwärmung des Umformbereichs bereits vor dem Umformen beginnt und vor Beendigung des Umformens beendet wird. So wird eine Erwärmung nur so lange und so intensiv durchgeführt, dass die zu fügenden Fügeteile mittels der zur Verfügung stehenden Fügewerkzeuge gefügt werden können. Auf diese Weise werden nicht nur die Fügeteile und Fügemittel, sondern auch die Fügewerkzeuge geschont, die infolge häufiger Erwärmungsprozesse Materialermüdungen erleiden.
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Um zu gewährleisten, dass auch hochfeste Materialien mittels mechanischer Fügeverfahren gefügt werden können, ohne dass die zu fügenden Materialien reißen oder die Fügemittel verformt werden, kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass eine Setzkraft zum Einführen eines Fügemittels durch die konduktive Erwärmung des Umformbereichs auf eine Kraft von zumindest weniger als 15 kN, vorzugsweise eine Kraft von zumindest weniger als 10 kN gesenkt wird.
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Um zu erreichen, dass Fügemittel mit einer möglichst geringen Kraft in die zu fügenden Fügeteile eingeführt werden können, kann der Umformbereich während des Umformens zumindest zeitweilig auf eine Temperatur von zumindest 200 °C, vorzugsweise von zumindest 1200 °C erwärmt werden. Bei Magnesium bzw. Aluminium können die Temperaturen bis zu 600°C betragen, wobei man in Abhängigkeit der Legierung in Bereiche des „Tixoforming“ vorstößt, wo bereits schmelzflüssige Anteile zu beobachten sind. Im Bereich von Stahl können kurzzeitig Temperaturen bis 1200°C erreicht werden.
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Im Rahmen eines besonders materialschonenden Verfahrens kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die kollektive Erwärmung des Umformbereichs weniger als 1 Sekunde, vorzugsweise weniger als 500 ms, insbesondere zwischen 200 und 300 ms andauert.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem eine Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Fügeteilen. Hierbei umfasst die Vorrichtung ein erstes und ein zweites Fügewerkzeug zum Einführen eines Fügemittels in zumindest zwei miteinander zu fügende Fügeteile sowie ein Fixierelement zur Fixierung der Fügeteile während der Einführung des Fügemittels. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest ein Sensorelement zur Erfassung von Daten, wobei das erste und/oder das zweite Fügewerkzeug und/oder das Fixierelement als Pole zum konduktiven Erwärmen ausgebildet sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Fügeteilen zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die Fügewerkzeuge, das Fixierelement und das Sensorelement derart ausgebildet und innerhalb der Vorrichtung angeordnet sind, dass der Umformbereich während des Umformens mittels konduktiver Erwärmung erwärmbar ist, wobei die notwendige Dauer der konduktiven Erwärmung in Abhängigkeit von während der Umformung durch das Sensorelement erfassten Daten, wie einer Weg- und Kraftmessung und/oder einer aktuellen Temperatur bestimmbar ist. Ein Stromfluss und ein Widerstandsverlauf kann beispielsweise auch über eine Stromquelle überwacht werden. Damit bringt die erfindungsgemäße Vorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Im Rahmen einer Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Stanzvorrichtung kann ein erfindungsgemäßes Fixiermittel insbesondere in Form eines Niederhalters gebildet sein, der zur Fixierung der Fügeteile während des Einführens eines Fügemittels vorgesehen sein kann. Ein Niederhalter ist vorzugsweise so gestaltet, dass eine Ankopplung der stromführenden Zuleitungen im kA-Bereich möglich ist. Er ist insbesondere derart ausgeformt, dass er eine vorzugsweise zentral angeordnete Ausnehmung zur Durchführung des Fixiermittels und/oder der Fügewerkzeuge aufweist. Der Niederhalter kann dabei vorteilhafterweise zumindest teilweise aus einem gut elektrisch leitfähigen Material gebildet sein, um eine unnötige Erwärmung des Setzwerkzeuges zu vermeiden. Der Niederhalter ist vorzugsweise so kompakt aufgebaut, dass er keine zusätzlichen Störgrößen aufweist gegenüber anderen Verfahren, wie dem Widerstandsschweißen oder dem Standard-Nietprozesses. Das erfindungsgemäße Sensorelement kann ferner vorzugsweise in Form eines Kraft- und/oder Wegsensors gebildet sein, der vorteilhafterweise an der gegenständlichen Vorrichtung, insbesondere an einem der Fügewerkzeuge angeordnet sein kann bzw. an dessen Aufnahme. Über eine Erfassung einer aktuell aufgewendeten Kraft und/oder einer zurückgelegten Weglänge ist nicht nur eine zuverlässige, sondern gleichzeitig auch eine besonders einfache Bestimmung für den korrekten Zeitpunkt einer Beendigung einer konduktiven Erwärmung möglich. Alternativ oder kumulativ zu der Anordnung eines Kraft- und/oder Wegsensors können gegenständlich auch andere Sensoren, beispielsweise Temperatursensoren, Drucksensoren, Bewegungssensoren oder dergleichen vorgesehen sein, über die eine Bestimmung einer notwendigen Dauer einer konduktiven Erwärmung möglich ist.
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Im Hinblick auf die Gewährleistung eines effektiven und gleichzeitig materialschonenden Fügeverfahrens kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass das erste und/oder das zweite Fügewerkzeug und/oder das Fixierelement separierte Teilbereiche aufweisen, die als Pole zum konduktiven Erwärmen ausgebildet sind, wobei die Teilbereiche vorzugsweise durch Isolationsmittel gegenüber den restlichen Teilen des ersten und/oder zweiten Fügewerkzeugs und/oder des Fixierelementes isoliert sein können. Die Teilbereiche können hierbei vorzugsweise aus Materialien mit einer hohen elektrischen und hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet sein, weshalb sich insbesondere Kupfer, Wolfram und/oder Aluminium bzw. einer ihrer Legierungen als mögliche Materialien für diese Bereiche anbieten. Im Rahmen einer Ausführung der gegenständlichen Vorrichtung in Form einer Stanzvorrichtung können die Teilbereiche hinsichtlich einer besonders effektiven konduktiven Wärmeleitung insbesondere zumindest teilweise kreisförmig gebildet und vorzugsweise derart angeordnet sein, dass sie zumindest kurzzeitig unmittelbar an den Fügestellen der Fügeteile anordenbar sind. So können beispielsweise zumindest teilweise ringförmige Teilbereiche innerhalb eines in Form eines Niederhalters gebildeten Fixiermittels vorgesehen sein. Die Teilbereiche können vorteilhafterweise einen ersten Pol zu konduktiven Erwärmung darstellen und vorzugsweise unmittelbar an einer Ausnehmung zur Durchführung eines Fügemittels angeordnet sein. Ein gegenüberliegend von dem Fixiermittel angeordnetes, vorzugsweise in Form einer Matrize gebildetes Fügewerkzeug kann dann vorteilhafterweise ebenfalls einen ringförmigen Teilbereich aufweisen, der dann vorzugsweise den korrespondierenden Gegenpol bildet und hierbei bevorzugt an der Öffnung der Matrize angeordnet ist. Auf diese Weise können zwischen einem Fixiermittel und einem Fügewerkzeug angeordnete Fügemittel äußerst effektiv nur an der Fügestelle erwärmt werden, wobei die konduktive Erwärmung vorteilhafterweise bei einem ersten elektrischen Kontakt zwischen Fixiermittel, Fügeteilen und Fügewerkzeug startet und vorteilhafterweise während des Umformens gestoppt wird, sobald registriert wird, dass eine Erwärmung nicht mehr benötigt wird. Zur Schonung der Materialien, insbesondere der Fügewerkzeuge können erfindungsgemäß insbesondere Isolationsmittel vorgesehen sein, welche die restlichen Teile des ersten und/oder zweiten Fügewerkzeugs und/oder des Fixierelementes von dem separierten Teilbereich trennen. Die Isolationsmittel können vorteilhafterweise aus Materialien mit einer niedrigen elektrischen und einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit gebildet sein, um die Materialien, insbesondere die Fügewerkzeuge effektiv vor einem Stromfluss bzw. vor einer unzulässig hohen Erwärmung zu schützen. Auf diese Weise wird vermieden, dass der Strom zur konduktiven Erwärmung über die Fügewerkzeuge fließt, sodass die Mechanik der Fügewerkzeuge vor einem Schaden durch Stromfluss geschützt ist.
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Ebenfalls Gegenstand Erfindung ist ferner ein System zum mechanischen Fügen von Fügeteilen. Hierbei umfasst das gegenständliche System eine voranstehend beschriebene Vorrichtung sowie eine Stromquelle zur Stromversorgung für eine konduktive Erwärmung eines Umformbereichs. Dadurch bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben worden sind. Neben einer voranstehend beschriebenen Vorrichtung und einer Stromquelle zur Stromversorgung für eine konduktive Erwärmung eines Umformbereichs umfasst das erfindungsgemäße System vorteilhafterweise ferner eine Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung der von zumindest einem Sensorelement erfassten Daten sowie eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Stromquelle in Abhängigkeit der erfassten Daten. Im Rahmen einer besonders einfachen und flexiblen Anordnung sowie einer unkomplizierten Kommunikation der einzelnen Komponenten können diese insbesondere drahtlos miteinander, beispielsweise über Bluetooth, WLAN, NFC, Zigbee oder dergleichen miteinander in Kommunikationsverbindung stehen.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem eine Verwendung einer voranstehend beschriebenen Vorrichtung zum Fügen von hochfesten Materialien, insbesondere von hochfestem Aluminium, Magnesium und/oder hochfestem Stahl.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnt Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zum mechanischen Fügen von Fügeteilen, umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum mechanischen Fügen von Fügeteilen gemäß einer Schnittdarstellung,
- 2 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum mechanischen Fügen von Fügeteilen gemäß einer Schnittdarstellung.
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In den Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale identische Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum mechanischen Fügen von Fügeteilen 4, umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zum mechanischen Fügen von Fügeteilen 4.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 weist hierbei ein erstes und ein zweites Fügewerkzeug 6, 8 zum Einführen eines Fügemittels 10 in zumindest zwei miteinander zu fügende Fügeteile 4 auf. Das erste Fügewerkzeug 6 ist hierbei in Form eines Stempels gebildet, wohingegen das zweite Fügewerkzeug 8 vorliegend in Form einer Matrize 8 ausgebildet ist. Die beiden zu fügenden Fügeteile 4a, 4b sind hierbei im Wesentlichen zentral zwischen den als Stempel und Matrize gebildeten Fügewerkzeugen 6, 8 angeordnet. Ferner umfasst die Vorrichtung 2 noch ein Fixierelement 16 zur Fixierung der Fügeteile 4 während des Einführens eines Fügemittels 10, das vorliegend in Form eines Niederhalters gebildet ist, der die Fügeteile 4 während des Einführens des Fügemittels 10 fixieren soll. Das Fixiermittel 16 ist hierbei vorzugsweise aus einem gut leitenden und festen Werkstoff, beispielsweise aus CuCrZr oder dergleichen gebildet. An der Oberseite der Vorrichtung 2 ist ferner eine Isolation 22 zum Schutz beweglicher Teile des Fügewerkzeugs 6 vorgesehen, die verhindern soll, dass Strom über die beweglichen Teile geführt wird. Innerhalb des ersten Fügewerkzeugs 6 ist ferner ein Sensorelement 18 zur Erfassung von Daten 14 angeordnet. Das Fixiermittel 16 sowie auch das zweite Fügewerkzeug 8 weisen vorliegend einen Kontaktaufsatz 20 auf, der jeweils als Pol zum konduktiven Erwärmen ausgebildet ist und bei Bedarf bzw. bei Verschleiß gewechselt werden kann. Die Kontaktaufsätze 20 können hierbei vorzugsweise aus Materialien mit einer hohen elektrischen und hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet sein, weshalb sich insbesondere Kupfer oder Aluminium als mögliche Materialien für diese Bereiche anbieten. Die vorliegend kreisförmig gebildeten Kontaktaufsätze 20 an dem Fixiermittel 16 und dem zweiten Fügewerkzeug 8 sind über eine stromführende Leitung 26 jeweils mit einem Pol einer Stromquelle 24 verbunden. Die Stromquelle 24 ist ferner über eine Kommunikationsleitung 28 mit einer Steuereinheit 32 sowie über die Steuereinheit 32 mit einer Verarbeitungseinheit 30 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 30 steht ferner über eine Kommunikationsleitung 28 mit dem Sensorelement 18 in Verbindung. Alternativ zu der vorliegend dargestellten Verbindung über eine Kommunikationsleitung 28 können die einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Systems 1 auch drahtlos miteinander verbunden sein.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Systems 1 zum mechanischen Fügen von Fügeteilen 4 kann ein Umformbereich 12 während des Umformen mittels konduktiver Erwärmung erwärmt werden, wobei die notwendige Dauer der konduktiven Erwärmung in Abhängigkeit von während der Umformung durch das Sensorelement 18 erfassten Daten bestimmbar ist. Als Daten zur Bestimmung der notwendigen Dauer der konduktiven Erwärmung können insbesondere eine aktuell aufgewendete Kraft und/oder eine zurückgelegte Weglänge verwendet werden. So kann beispielsweise eine konduktive Erwärmung des Umformbereichs 12 bereits vor einem Umformvorgang beginnen und bereits vor Beendigung des Umformvorgangs beendet werden, sobald das Sensorelement 18 entsprechende Daten bezüglich einer aktuell aufgewendeten Kraft und/oder einer zurückgelegten Weglänge erfasst. Diese Daten werden erfindungsgemäß vorzugsweise von der Verarbeitungseinheit 30 verarbeitet, die in Folge einer für eine Beendigung positiven Bestimmung, ein Signal an die Steuereinheit 32 sendet, die daraufhin eine Trennung der Stromversorgung 24 von den an dem Niederhalter und der Matrize angeordneten Polen bewirkt. Eine Beendigung einer konduktiven Erwärmung kann beispielsweise erfolgen, wenn eine Setzkraft von zumindest weniger als 15 kN, vorzugsweise von zumindest weniger als 10 kN gemessen wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum mechanischen Fügen von Fügeteilen 4.
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In einem ersten Schritt a des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zunächst ein Anordnen zumindest zweier Fügeteile 4a, 4b zwischen einem ersten und einem zweiten Fügewerkzeug 6, 8, die vorliegend wieder in Form eines Stempels und einer Matrize gebildet sind. Die Anordnung erfolgt hierbei erfindungsgemäß derart, dass ein Umformbereich 12 der Fügeteile 4a, 4b im Wesentlichen zentral zwischen den Fügewerkzeugen 6 ,8 angeordnet ist.
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In einem zweiten Schritt b liegen die Fügeteile 4a und 4b durch eine Bewegung der Fügewerkzeuge 6, 8 bzw. des Fixiermittels 16, zwischen dem Fixiermittel 16 und dem in Form einer Matrize gebildeten Fügewerkzeug 8 an, wobei das in Form eines Niederhalters gebildete Fixiermittel 16 die Fügeteile 4a, 4b in ihrer Position fixiert. Bereits in Schritt b beginnt eine koduktive Erwärmung des Umformbereichs 12, was vorliegend durch den Bereich der Widerstandserwärmung 12a angedeutet wird, dessen Größe in erster Linie von den betreffenden Kontakt- und Materialwiderständen abhängt. Steuerbar ist die Erwärmung somit in gewissem Maße über die Materialauswahl von Niederhalter und Matrize, sodass bei der Verwendung einer Stahlmatrize mit vergleichsweise hohem Widerstand die matrizenseitige Erwärmung erhöht wird. Eingeleitet wird die konduktive Erwärmung hierbei über die als Pole gebildeten Kontaktaufsätze 20 des Fixiermittels 16 und der Matrize, die mit jeweils einem Pol einer vorliegend nicht dargestellten Stromquelle 24 verbunden sind.
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Im dritten Schritt c des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bereits eine Verformung der Fügeteile 4a und 4b durch das Einführen eines in Form eines Stanzniets gebildeten Fügemittels 10. Während dieses Umformvorgangs werden nun mittels des Sensorelementes 18 Daten, wie beispielsweise eine aktuelle Setzkraft und/oder ein bereits zurückgelegter Weg des Fügemittels 10 bestimmt, anhand denen erkannt werden kann, wann eine konduktive Erwärmung beendet werden kann, ohne dass ein Fügeprozess negativ beeinträchtigt wird. So kann eine konduktive Erwärmung in der Regel bereits vor Beendigung eines Umformprozesses beendet werden, ohne diesen dadurch negativ zu beeinflussen.
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2d zeigt nun die fertig gestellte Verbindung zwischen den mittels eines Fügemittels 10 verbundenen Fügeteilen 4a, 4b, die durch eine entsprechende Bewegung des Fixermittels 16 und des Stempels bzw. der Matrize in entgegengesetzte Richtungen freigegeben wird.
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Durch Anwendung des gegenständlichen Verfahrens bzw. der gegenständlichen Vorrichtung 2 und des gegenständlichen Systems 1 ist es insbesondere möglich, mittels einer konduktiven Erwärmung während einer Umformung ein mechanisches Fügen in einem Warmumformprozess zu schaffen, der sich insbesondere durch eine niedrigere Fließspannung und damit niedrigere Umformkräfte sowie ein hohes Formänderungsvermögen der umzuformenden Werkstoffe auszeichnet. Dies ermöglicht insbesondere ein größeres Anwendungsspektrum für neue Werkstoffe, sodass durch die Absenkung von aufzuwendenden Prozesskräften selbst hochfeste Materialien, wie 7000er Aluminium und hochfeste Stahlgüter ohne zu reißen bzw. ohne Verbindungsmittel zu stauchen gefügt werden können. Durch eine Absenkung der Prozesskräfte sind nicht nur ganz andere Materialien bearbeitbar, sondern es können auch andere Geräte, wie kleinere Zangen und/oder Widerstandsschweißzangen oder dergleichen für Umformprozesse verwendet werden. Die auf diese Weise zugänglichen Werkstoffe können insbesondere in Mischbaustrukturen verwendet werden. Durch die geringeren Prozesskräfte können auch weichere Nietwerkstoffe oder dergleichen verwendet werden. Eine erfindungsgemäße Bestimmung der Dauer einer notwendigen konduktiven Erwärmung erlaubt neben einem möglichst materialschonenden Verfahren insbesondere eine größtmögliche Anpassbarkeit hinsichtlich der zu verarbeitenden Materialien und Materialstärken. So wird durch die erfindungsgemäße Bestimmung der notwendigen Dauer einer konduktiven Erwärmung vorteilhafterweise insbesondere der exakte Zeitpunkt zur Unterbrechung der Erwärmung bestimmt, wodurch die betreffenden Materialien nicht länger als unbedingt nötig beansprucht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System zum mechanischen Fügen
- 2
- Vorrichtung zum mechanischen Fügen
- 4
- Fügeteile
- 4a
- erstes Fügeteil
- 4b
- zweites Fügeteil
- 6
- erstes Fügewerkzeug
- 8
- zweites Fügewerkzeug
- 10
- Fügemittel
- 12
- Umformbereich
- 12a
- Bereich der Widerstandserwärmung
- 14
- Daten
- 16
- Fixierelement
- 18
- Sensorelement
- 20
- Teilbereiche
- 22
- Isolationsmittel
- 24
- Stromquelle
- 26
- Stromverbindung
- 28
- Datenverbindung
- 30
- Verarbeitungseinheit
- 32
- Steuereinheit
