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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkzeughalter mit einem bügelartigen Rahmen, der einen ersten Funktionsabschnitt und einen zweiten Funktionsabschnitt verbindet, die einander gegenüber liegen. Der erste und der zweite Funktionsabschnitt sind zur Aufnahme von Komponenten einer Werkzeugeinrichtung ausgebildet. Die Werkzeugeinrichtung erzeugt bei Gebrauch eine zwischen den Funktionsabschnitten wirkende, den Rahmen aufspreizende Kraft.
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Derartige Werkzeughalter, die oft einen Rahmen mit einer Grundform eines C aufweisen und daher auch „C-Frame“ genannt werden, finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung, insbesondere im Automobilbau. Ein zu bearbeitendes Werkstück wird in einen Bereich zwischen den beiden Funktionsabschnitten eingebracht, so dass die dort angeordneten Werkzeugkomponenten auf das Werkstück einwirken können. Dabei wird in der Regel eine große Kraft aufgebracht, die von dem Werkzeughalter aufgenommen werden muss. An den Werkzeughalter und insbesondere an dessen Rahmen werden daher hohe Anforderungen hinsichtlich der Aspekte „Steifigkeit“ und „strukturelle Stärke“ gestellt. Auch bei einer sehr steifen Ausgestaltung des Rahmens lässt es sich nicht vermeiden, dass dieser aufgrund der auftretenden Kräfte aufgespreizt wird. Dies führt wiederum dazu, dass sich die Geometrie des Werkzeughalters insgesamt verändert. Die Lage der beiden Funktionsabschnitte zueinander ändert sich somit aufgrund des Aufspreizens des Rahmens, was insbesondere bei hochpräzisen Anwendungen problematisch ist. In der Regel ist ein Verkippen der Funktionsabschnitte zu beobachten, so dass die im unbelasteten Zustand präzise ausgerichteten Werkzeugkomponenten nicht mehr in optimaler Weise auf das Werkstück einwirken können.
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Es besteht demnach ein Bedarf für Werkzeughalter, mit denen auch bei großen auftretenden Kräften eine präzise Bearbeitung der Werkstücke möglich ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Werkzeughalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß weist der Werkzeughalter elastische Kompensationsabschnitte auf, die die Funktionsabschnitte jeweils mit dem Rahmen verbinden. Es liegen also zumindest zwei Kompensationsabschnitte vor. Bei einer geeigneten Ausgestaltung der Kompensationsabschnitte kompensieren diese das Aufspreizen des Rahmens bei einem Betrieb der Werkzeugeinrichtung zumindest teilweise. Beispielsweise wird das vorstehend beschriebene Verkippen der Funktionsabschnitte (teilweise) kompensiert. Zwar mögen sich die Funktionsabschnitte bei einem Betrieb der Werkzeugeinrichtung geringfügig voneinander entfernen, die Kompensationsabschnitte sorgen jedenfalls dafür, dass eine relative Winkellage der Funktionsabschnitte konstant bleibt oder sich nur innerhalb eines akzeptablen Rahmens bewegt.
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Von entscheidender Bedeutung sind die elastischen Eigenschaften der Kompensationsabschnitte. Sie sind verantwortlich für das Maß der relativen Bewegung zwischen den Funktionsabschnitten und dem Rahmen bei einer Kraftbeaufschlagung des Werkzeughalters bei Betrieb der Werkzeugeinrichtung.
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Durch die Maßnahme, sowohl dem ersten als auch dem zweiten Funktionsabschnitt jeweils zumindest einen Kompensationsabschnitt zuzuordnen, kann die durch das Aufspreizen des Rahmens erzeugte Geometrieänderung optimal kompensiert werden, ohne dass hierfür ein größerer konstruktiver Aufwand von Nöten wäre. Unter Umständen ist es sogar möglich, den Rahmen weniger aufwändig zu gestalten als herkömmlicherweise. Die Kompensationsabschnitte sind nämlich bei einer geeigneten Ausgestaltung in der Lage, vergleichsweise große Geometrieänderungen aufzunehmen, so dass die präzise Bearbeitung der Werkstücke sichergestellt ist.
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Es muss nicht zwingend eine möglichst vollständige Kompensation der Aufspreizung des Rahmens angestrebt werden. Es kann auch beispielsweise vorgesehen sein, mittels der Kompensationsabschnitte ganz bewusst ein bestimmtes Verkippen der Funktionsabschnitte in Abhängigkeit der auftretenden Kräfte „einzustellen“.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Kompensationsabschnitte im Wesentlichen gleichen elastischen Eigenschaften auf, was sich auch konstruktiv einfach umsetzen lässt. In bestimmten Fällen, insbesondere wenn die Geometrie des Rahmens asymmetrisch ist und/oder wenn besondere Belastungsprofile vorliegen, können auch Kompensationsabschnitte vorgesehen sein, die unterschiedliche elastische Eigenschaften aufweisen.
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Bei einer weiteren konstruktiv besonders einfachen Ausführungsform ist zumindest einer der Kompensationsabschnitte einstückig mit dem Rahmen und/oder mit dem ersten und/oder dem zweiten Funktionsabschnitt ausgebildet. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Mehrzahl oder alle der Kompensationsabschnitte einstückig mit den genannten Komponenten ausgeführt sind. Die elastischen Eigenschaften der Kompensationsabschnitte ergeben sich dann insbesondere aus der Formgebung der Kompensationsabschnitte.
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Der der erste und/oder der zweite Funktionsabschnitt können in einer seitlichen Ansicht des Werkzeughalters und/oder in einer durch den Rahmen des Werkzeughalters aufgespannten Ebene zumindest teilweise, insbesondere vollständig innerhalb des Rahmens angeordnet sein. Bei einem C-förmigen Rahmen finden sich gemäß dieser Ausführungsform die Funktionsabschnitte demnach zumindest teilweise im Inneren des „C“. Die Funktionsabschnitte sind einander somit näher als ihnen zugeordnete Endabschnitte des Rahmens. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch eine kompakte Bauform aus. Analoges gilt für andere bügelartigen Rahmenformen.
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Zwischen dem Rahmen und dem ersten und/oder dem zweiten Funktionsabschnitt kann in einer seitlich Ansicht des Werkzeughalters und/oder in einer durch den Rahmen des Werkzeughalters aufgespannten Ebene ein Freiraum vorgesehen sein. Dieser Freiraum kann beispielsweise schlitzartig ausgestaltet sein. Der Freiraum kann eine im Wesentlichen konstante Breite aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, lokal Einschnürungen und/oder Aufweitungen vorzusehen, insbesondere bei einem in Längserstreckung einseitig offenen Freiraum eine Aufweitung im Bereich des geschlossenen Endes des Freiraums.
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Der Freiraum kann Bewegungen der Funktionsabschnitte relativ zu dem Rahmen aufnehmen, wenn der Werkzeughalter belastet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest einer der Kompensationsabschnitte bügelartig ausgebildet. Der oder die Kompensationsabschnitte können einen Abschnitt aufweisen, der sich in einer Richtung parallel zu der aufspreizenden Kraft erstreckt, um den jeweiligen Funktionsabschnitt mit einem Endabschnitt des Rahmens zu verbinden.
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Es ist auch denkbar, dass ein einem der Kompensationsabschnitte zugewandter Endabschnitt des Rahmens, der entsprechende Kompensationsabschnitt und der diesem Kompensationsabschnitt zugeordnete Funktionsabschnitt in einer seitlichen Ansicht des Rahmens und/oder in einer durch den Rahmen des Werkzeughalters aufgespannten Ebene die Form eines U bilden. Bildlich gesprochen kann man sich vorstellen, dass ein mit dem Endabschnitt des Rahmens verbundener Abschnitt nach innen, in den Rahmen hinein umgebogen ist. Der Funktionsabschnitt ragt dann in den bügelartigen Rahmen hinein. Dabei kann der vorstehend beschriebene Freiraum ausgebildet werden.
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Der Rahmen kann in einer seitlichen Ansicht des Rahmens und/oder in einer durch den Rahmen des Werkzeughalters aufgespannten Ebene einseitig offen sein. Insbesondere ist die vorstehende beschriebene Form des U in der entgegengesetzten Richtung offen.
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Eine Verbindung zwischen dem Rahmen und zumindest einem der Kompensationsabschnitte und/oder eine Verbindung zwischen zumindest einem der Kompensationsabschnitte und dem ersten und/oder dem zweiten Funktionsabschnitt kann frei von einer gelenkigen Kopplung sein. Insbesondere ist auch der Kompensationsabschnitt frei von einer gelenkigen Verbindung. Diesen Konstruktionen ist gemeinsam, dass sie besonders einfach herzustellen und verschleißarm sind.
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Der Rahmen kann eine Fachwerk- oder Tragrahmenkonstruktion umfassen, um eine größtmögliche Stabilität bei gleichzeitig minimiertem Gewicht bieten zu können.
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Gemäß einer Ausführungsform sind der Rahmen und/oder der Werkzeughalter symmetrisch ausgestaltet. Insbesondere sind sie symmetrisch bezüglich einer Mittelebene, die senkrecht zu einer durch den Rahmen des Werkzeughalters aufgespannten Ebene angeordnet ist.
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Der Rahmen kann zumindest abschnittsweise zumindest zwei Rahmensegmente umfassen, die in einer Richtung senkrecht zu einer durch den Rahmen des Werkzeughalters aufgespannten Ebene versetzt, insbesondere parallel versetzt oder schräg zueinander angeordnet sind. Beispielsweise umfasst der Rahmen zwei Segmente, die im Wesentlichen gleicher Bauart sind und die durch Querverstrebungen miteinander verbunden sind. Eine derartige Konstruktion ist sehr belastbar und doch nicht übermäßig schwer.
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Der erste und/oder der zweite Funktionsabschnitt können zumindest eine im Wesentlichen ebene Montagefläche zur Befestigung einer Werkzeugkomponente aufweisen. In einem unbelasteten Zustand des Werkzeughalters können die Montageflächen im Wesentlichen parallel angeordnet sein. Bei einer geeigneten Ausgestaltung der Kompensationsabschnitte kann sichergestellt werden, dass die Flächen auch bei einer Belastung des Werkzeughalters im Wesentlichen parallel angeordnet bleiben oder nur wenig verkippen, so dass das Werkstück präzise bearbeitet werden kann. Es kann auch bewusst eine bestimmte Verkippungscharakteristik in Abhängigkeit der von dem Werkzeughalter aufgenommenen Kraft angestrebt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Setzeinrichtung zum Befestigen eines Befestigungselements an einem Werkstück, insbesondere an einem Blechteil, mit einem Werkzeughalter gemäß zumindest einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Solche Befestigungselemente können beispielsweise Mutter- und/oder Bolzenelemente sein, die unter anderem im Automobilbau an Blechteilen befestigt werden und die beispielsweise wiederum als Befestigungspunkte für weitere Komponenten fungieren.
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Bei einer solchen Setzeinrichtung kann an dem ersten Funktionsabschnitt ein Setzkopf befestigt sein. An dem zweiten Funktionsabschnitt ist beispielsweise eine bei Gebrauch der Setzeinrichtung mit dem Setzkopf zusammenwirkende Matrize befestigt.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Setzeinrichtung,
- 2 einen Ausschnitt einer Seitenansicht der Setzeinrichtung der 1,
- 3 eine Seitenansicht des Werkzeughalters der Setzeinrichtung der 1,
- 4 eine Frontansicht des Werkzeughalters gemäß 3,
- 5 eine weitere Ausführungsform des Werkzeughalters,
- 6 eine Perspektivansicht des Werkzeughalters der Setzeinrichtung der 1,
- 7 eine weitere Ausführungsform des Werkzeughalters und
- 8 einen Vergleich von unterschiedlich dimensionierten Werkzeughaltern in einer Seitenansicht.
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1 zeigt eine Setzeinrichtung 10 mit einem Setzkopf 12 und einer Matrize 14. Die Setzeinrichtung 10 wird verwendet, um Befestigungselemente, beispielsweise Nietelemente, an einem Blechstück (nicht gezeigt) zu befestigen. Mit dem Setzkopf 12 werden die Elemente in das Blechstück eingebracht, so dass sie dieses durchdringen. Auf der dem Setzkopf 12 abgewandten Seite des Blechteils sorgt die Matrize 14 für eine Umformung eines Nietabschnitts des Nietelements, um dieses sicher an dem Blechstück zu befestigen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Setzeinrichtung 10 beschrieben. Es versteht sich dabei, dass das Erfindungskonzept auch in Zusammenhang mit anderen Werkzeugeinrichtungen Verwendung finden kann.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Befestigungsprozess treten zwischen dem Setzkopf 12 und der Matrize 14 sehr hohe Kräfte auf. Diese sind erforderlich, um die Befestigungselemente - die auch selbststanzend sein können (in diesem Fall ist das Werkstück nicht vorgelocht) - in das Werkstück einzubringen und um die zur Herstellung der Nietverbindung erforderliche Umformung des Nietabschnitts zu bewirken. Bei einigen Befestigungsprozessen werden Presskräfte von über 20 t aufgewandt.
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Die Presskräfte müssen wiederum von einem Werkzeughalter 16 aufgenommen werden, der sowohl den Setzkopf 12 als auch die Matrize 14 trägt. Da diese Kräfte - wie bereits erläutert - in der Regel sehr groß sind und da Setzeinrichtungen für eine große Zahl von Arbeitszyklen ausgelegt sein müssen, muss der Werkzeughalter 16 sehr stabil ausgelegt sein. Eine stabile Ausgestaltung des Werkzeughalters wiederum zieht ein hohes Gewicht nach sich, was gerade dann nachteilig ist, wenn der Werkzeughalter bewegbar sein soll und daher beispielsweise an einem Roboterarm - und nicht wie im vorliegenden Beispiel stationär - angeordnet ist.
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Zwar werden Gewichtsreduktionen erzielt, wenn der Werkzeughalter 16, wie im vorliegenden Fall, eine Fachwerk- oder Tragwerkkonstruktion umfasst und aus zwei parallel angeordneten Rahmensegmenten 18A und 18B besteht, die durch Querverbindungen 20 miteinander verbunden sind. Trotz dieser stabilen Konstruktion kann ein Aufspreizen des durch die Rahmensegmente 18A, 18B und Querverbindungen 20 gebildeten Rahmens bei einem Betrieb der Setzeinrichtung nicht vollkommen verhindert werden. Daher sind Funktionsabschnitte 24 und 26, die zur Aufnahme des Setzkopfs 12 bzw. der Matrize 14 dienen, über Kompensationsabschnitte 24K bzw. 26K mit Endabschnitten 22E des Rahmens 22 verbunden. Im vorliegenden Beispiel sind die Kompensationsabschnitte 24K, 26K einstückig mit den Endabschnitten 22E und den Funktionsabschnitten 24 und 26 ausgebildet. Mit anderen Worten: Die Rahmensegmente 18A, 18B gehen über die jeweiligen Segmente der Kompensationsabschnitte 24K, 26K in zugeordnete Segmente der Funktionsabschnitte 24, 26 über. Insgesamt umfasst der Werkzeughalter 16 im vorliegenden Ausführungsbeispiel somit - abgesehen von den Querverbindungen 20 und Montageplatten 24M, 26M, die die einzelnen Segmente der Funktionsabschnitte 24, 26 verbinden und die zur Aufnahme der entsprechenden Werkzeugkomponente dienen - im Wesentlichen aus zwei Bauteilen, die gleichartig ausgestaltet sind, was die Herstellungskosten verringert.
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2 zeigt einen Ausschnitt der Setzeinrichtung 10 in einer Seitenansicht. Es ist gut zu sehen, dass der Rahmen 22 die Grundform eines C aufweist. Die bügelartige Form ermöglicht das Einbringen eines Werkstücks (z.B. von rechts) in den Bereich zwischen dem Setzkopf 12 und der Matrize 14. Diese Komponenten sind - wie bereits erwähnt - auf im Wesentlichen ebenen und parallel zueinander ausgerichteten Montageplatten 24M bzw. 26M montiert. Die Montageplatten 24M, 26M verbinden parallele Segmente der Funktionsabschnitte 24, 26.
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Bei einem Betrieb des Setzkopfs wirkt eine Kraft, die bestrebt ist, die Funktionsabschnitte 24, 26 voneinander weg zu drücken. Durch die elastische Kopplung der Abschnitte 24, 26 mit den Endabschnitten 22E des Rahmens 22 mittels der Kompensationsabschnitte 24K, 26K wird ein Teil der Kraft an den Rahmen 22 weitergegeben, der dadurch etwas aufgespreizt wird. Im Ergebnis bleibt die parallele Anordnung der Montageplatten 24M, 26M der Funktionsabschnitte 24 bzw. 26 erhalten, da sich deren Auslenkung und die Aufspreizung des Rahmens 22 kompensieren, wenn die Kompensationsabschnitte 24K, 26K entsprechend dimensioniert sind. Dies erfolgt beispielsweise durch eine entsprechende Formgebung der genannten Abschnitte 24K, 26K. Grundsätzlich ist es auch denkbar, die Kompensationsabschnitte 24K, 26K nicht einstückig mit dem Rahmen 22 bzw. den Funktionsabschnitten 24, 26 auszubilden. Die einstückige Ausgestaltung hat sich allerdings als besonders kostengünstig und praktisch wartungsfrei erwiesen.
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Zwischen den Funktionsabschnitten 24, 26 und dem Rahmen 22 liegt jeweils ein Freiraum 28, 30 vor. Dieser ermöglicht Relativbewegungen zwischen den Abschnitten 24, 26 und dem Rahmen 22. Die Freiräume 28, 30 sind in einer Seitenansicht des Werkzeughalters 16 zu dem Inneren des bügelartigen Rahmens hin geöffnet. Ein jeweiliges geschlossenes Ende der Freiräume 28, 30 weist eine Aufweitung 28A, 30A auf. Die Ausgestaltung der Aufweitung 28A, 30A hat Auswirkungen auf die elastischen Eigenschaften der Kompensationsabschnitte 24K, 26K.
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3 zeigt den Werkzeughalter 16 in einer Seitenansicht ohne den Setzkopf 12 und die Matrize 14. Dadurch ist u.a. deutlicher zu erkennen, dass die Funktionsabschnitte 24, 26 - bildlich gesprochen - wie nach innen umgeklappte Enden des Rahmens 22 wirken. Ihre elastische Verbindung mit dem Rahmen 22 erlaubt eine Auslenkung bei einer Belastung des Werkzeughalters 16, die das Aufspreizen des Rahmens 22 kompensiert.
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4 zeigt eine Frontansicht des Werkzeughalters 16 bzw. Rahmens 22, um die parallele Anordnung der Rahmensegmente 18A, 18B zu verdeutlichen, die durch die Querverbindungen 20 miteinander verbunden sind.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform 16' des Werkzeughalters, die zwar ebenfalls zwei separate Rahmensegmente 18A, 18B umfasst. Anders als bei dem Werkzeughalter 16 gemäß den 1 bis 4 sind diese jedoch nicht durchgehend eben. Ein in 5 oberer Bereich des Werkzeughalters 16' umfasst Rahmensegmentabschnitte 18A', 18B', die bezüglich einer Mittenebene M' parallel versetzt angeordnet sind, wie die Rahmensegmente 18A, 18B des Rahmens 22 der 1 bis 4. Im unteren Bereich liegen Rahmensegmentabschnitte 18A'' und 18B'' jedoch aneinander an.
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Den 3 und 4 ist zu entnehmen, dass der entsprechende Werkzeughalter 16 bzw. Rahmen 22 symmetrisch zu einer Mittenebene M ausgestaltet ist, die sich senkrecht zu der Bildebene der 3 und parallel zu beim Betrieb des Setzkopfs 12 auftretenden Kräfte K angeordnet ist. Die Ausführungsform gemäß 5 ist dies nicht. Hinsichtlich der Mittenebene M', die senkrecht zu der Mittenebene M steht und die parallel zu den Kräften K ausgerichtet ist, sind sowohl der Werkzeughalter 16 bzw. der Rahmen 22 der 1 bis 4 als auch der Werkzeughalter 16' der 5 symmetrisch.
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6 zeigt nochmals den Werkzeughalter 16 in einer Perspektivdarstellung um die konstruktive Ausgestaltung einer weiteren Ausführungsform 16" des Werkzeughalters hervorzuheben, der neben 6 in 7 dargestellt ist. Anders als bei dem Werkzeughalter 16 sind die Rahmensegmente 18A, 18B hier schräg zueinander angeordnet, so dass sich in einer Frontalansicht eine V-Form ergeben würde. Der Werkzeughalter 16" kann vorteilhaft sein, wenn für die untere Werkzeugkomponente weniger Platzbedarf von Nöten ist als für die obere.
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8 verdeutlich, dass der Werkzeughalter 16 hinsichtlich seiner Dimensionierung beliebig an die jeweils vorliegende Situation angepasst werden kann. Links ist der Werkzeughalter 16 gezeigt. Eine Ausführungsform 16''' des Werkzeughalters ist in vertikaler Richtung „gestaucht“. Es versteht sich, dass eine Änderung der Dimensionierung des Werkzeughalters zu veränderten Kraftverhältnissen führt, die durch entsprechende konstruktive Maßnahmen bei der Fachwerk- oder Tragwerkskonstruktion und/oder der Auslegung der Kompensationsabschnitte 24K, 26K berücksichtigt werden müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Setzeinrichtung
- 12
- Setzkopf
- 14
- Matrize
- 16, 16', 16'', 16'''
- Werkzeughalter
- 18A, 18B
- Rahmensegment
- 18A', 18A'', 18B', 18B''
- Rahmensegmentabschnitt
- 20
- Querverbindung
- 22
- Rahmen
- 22E
- Rahmenendabschnitt
- 24, 26
- Funktionsabschnitt
- 24K, 26K
- Kompensationsabschnitt
- 24M, 26M
- Montageplatte
- 28, 30
- Freiraum
- 28A, 30A
- Aufweitung
- M, M'
- Mittenebene
- K
- Kraft
