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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Bauteilanordnung zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil.
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Stand der Technik
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Nagelverfahren dienen zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil. Ein Nagelverfahren zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass ein Vorlochen des wenigstens einen Bauteils nicht erforderlich ist. Die Nagel-Technik bzw. das Einpressen oder Einbringen von Nägeln in wenigstens ein Bauteil ist im Besonderen für schwer und insbesondere nur einseitig zugängliche Bauteile geeignet. Beim Einpressen des Nagels trifft dieser, in der Regel angetrieben durch eine über Druckluftentladung beschleunigte Masse bzw. einen Stößel, impulsartig als Einfach-Impuls mit hoher Geschwindigkeit auf das wenigstens eine Bauteil und durchdringt dieses mit seinem Schaft. Die sehr hohen Geschwindigkeiten und die Bauteilträgheit führen während des Eintreibens des Nagels zu geringen Bauteildeformationen. Gleichzeitig wird insbesondere bei höher- bzw. hochfesten Stahlwerkstoffen aufgrund der Verpressung und Stauchung des Werkstoffs bzw. des mindestens einen Bauteils ein Kraftschluss erreicht.
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Die
DE 10 2010 006 404 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen wenigstens zwei nicht vorgelochten Bauteilen in einem Fügebereich mittels eines von einem Setzgerät im Wesentlichen drehungsfrei in die Bauteile eingebrachten Nagels. Der Nagel wird in zwei Schritten eingedrückt, indem dieser in einem ersten Verfahrensschritt mit einer schlagartigen Bewegung mit hoher Geschwindigkeit im Fügebereich nur teilweise in die Bauteile eingetrieben und in einem zweiten Verfahrensschritt vollständig in die Bauteile in eine Endstellung gebracht wird.
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Bei solchen Verfahren zum Einpressen oder Einbringen von Nägeln in ein Bauteil erfordern es die hohen Fügekräfte, dass das Bauteil sehr steif ausgelegt ist, um ungewünschte und bleibende Deformation des wenigstens einen Bauteils zu vermeiden. Durch eine steife Auslegung können die Fügekräfte ohne zu große Deformation abgefangen werden. Zudem sind solche Verfahren nur bei Blechen mit geschlossenem Profil und/oder bei Blech-Profilverbindungen anwendbar, denn der Nagel muss in Toträume in den geschlossenen Profilen gefügt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Bauteilanordnung zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Einbringen bzw. Einpressen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil, der einen Nagelkopf, eine Nagelspitze und einen Nagelschaft aufweist, bestehend aus den Schritten:
- - Anordnen des wenigstens einen Bauteils
- - Positionieren des Nagels
- - Eintreiben des Nagels, wobei der Nagel mit einer Kraft in Richtung des Bauteils beaufschlagt wird, sodass dieser in das wenigstens eine Bauteil eingedrückt wird. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass zusätzlich zur Kraftbeaufschlagung eine Einkopplung von Schwingungen auf den Nagel erfolgt und dass ein Nagel verwendet wird, der mehrgliedrig ausgebildet ist.
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Durch die Einkopplung von Schwingungen in Form von Mehrfach-Impulsen in den Nagel ist die Kraft, mit der der Nagel in Richtung des Bauteils beaufschlagt wird, reduziert. Statt mit kontinuierlich ansteigender Kraft wird der Nagel mit feinen Bewegungen durch das Bauteil getrieben. Hierdurch kann der Nagel mit reduzierten Fügekräften in Fügerichtung auf den Nagel in das wenigstens eine Bauteil eingedrückt werden, die Prozesskräfte können erheblich reduziert werden und als wesentlicher Nebeneffekt hierdurch geht eine Reduzierung der Geräuschemission einher. Hohe Geräuschemissionen durch den bisher üblichen Setzprozess mit Einfach-Impuls (Auftreffen des Nagels auf das Bauteil mit Schalldruckpegeln mitunter größer als 105 dB(A)) können vermieden oder zumindest reduziert werden. Entsprechend sind damit verbundene Maßnahmen zur Schallschutzisolierung mitunter einer kompletten Anlage (d.h. Einhausung der Anlagentechnik) nicht mehr oder zumindest nur noch in reduziertem Umfang nötig. Auch ist eine aufwändige Auslegung der Fügestellen bzw. der Bauteile zur Vermeidung von Bauteildeformationen nicht mehr oder nur noch in geringerem Umfang nötig, was insbesondere auf die durch die Schwingungseinkopplung reduzierte Kraft bzw. Fügekraft zurückzuführen ist. Eine Mehrteiligkeit des Nagels hat den Vorteil, dass unnötige Nagelüberstände vermieden werden können, indem der Nagel auf die Profildicke des Bauteils bzw. die Verbindungsdicke mehrerer Bauteile mit geschlossenem Profil angepasst werden kann, bzw. dass auch einfache Bauteile ohne Profil gefügt werden können ohne dass ein Nagelüberstand bleibt. Durch die Mehrteiligkeit des Nagels können die Einsatzgebiete des Verfahrens auch auf offene Profilstrukturen ausgeweitet werden. Der mehrteilige Nagel kann sich positiv auf die Verbindungszone auswirken, da in Abhängigkeit der Nagelgeometrie Rissbildung und unerwünschte Verformung reduziert werden kann.
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Es sei angemerkt, dass grundsätzlich auf diese Weise zwar ein Nagel auch in nur ein Bauteil eingebracht werden kann, besonders bevorzugt ist aber das Einbringen eines Nagels in zwei oder mehr Bauteile, um diese miteinander zu verbinden.
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Das vorgeschlagene Verfahren bietet weiterhin die Vorteile der herkömmlichen Nagel-Technik, d.h. es wird beispielsweise das Fügen ohne Vorlochen bei (nur) einseitiger Zugänglichkeit ermöglicht. Das Verfahren eignet sich insbesondere auch zum Fügen von hochfesten Werkstoffen wie Stählen und auch Faserverbundwerkstoffen. Es ist auch für einen Einsatz für Misch-, Mehrlagen- und Hybridverbindungen geeignet. Auch kann es in Kombination mit einer Klebetechnik verwendet werden, d.h. zwei oder ggf. mehr Bauteile werden miteinander verklebt und zusätzlich mit Nägeln verbunden bzw. fixiert. Oftmals dienen die Nägel dann nur der temporären Fixierung, während die Klebeverbindung aushärtet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Schwingungen als Ultraschallschwingungen, insbesondere durch einen Ultraschallgenerator erzeugt. Hierbei handelt es sich um eine einfache Methode zur Schwingungserzeugung. Ultraschallgeneratoren erzeugen Frequenzen, die oberhalb des Hörbereiches des menschlichen Gehörs liegen. Für die Nagel-technik sind Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 15 kHz und 50 kHz zweckmäßig. Hierzu kann ein Ultraschallgenerator verwendet werden, der - im Sinne eines Funktionsgenerators - mit einem (elektro-mechanischen) Schwingungskonverter (z.B. Piezokonverter) eines Schwingsystems verbunden wird. Ein Schwingsystem weist typischerweise einen Schwingungskonverter, eine Sonotrode und ggf. einen Booster (Amplitudenverstärker) auf, ist einfach bereitzustellen und zudem ausreichend für eine Reduzierung der nötigen Kraft zum Eindrücken des Niets.
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Wenn die Schwingungen in longitudinaler Richtung (d.h. mit Schwingung in Fügerichtung) in den Nagel eingekoppelt werden, wird die Einpresskraft in Fügerichtung verstärkt. Dadurch, dass die Schwingungen im Wesentlichen parallel zur Fügerichtung des Nagels in den Nagel und/oder wenigstens das eine Bauteil eingekoppelt werden, werden insgesamt geringere Eindrück- bzw. Einpresskräfte für den Nagel benötigt.
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Besonders bevorzugt ist es auch, wenn der Nagel mittels eines in Schwingung versetzten Werkzeugs, wie beispielsweise des schon erwähnten Schwingsystems bzw. eines Teils davon, beispielsweise der Sonotrode oder eines vor der Sonotrode angeordneten Stempels, hämmernd in das wenigstens eine Bauteil eingedrückt wird. Unter einem hämmernden Eindrücken soll dabei ein Eindrücken mittels sehr hoher Anzahl (beispielsweise mehrere Tausend innerhalb kurzer Zeit wie einer Sekunde) an Schlägen bzw. Mehrfach-Impulsen des Werkzeugs auf den Nagel verstanden werden. Hierzu kann die Frequenz der Schwingung geeignet an eine typische Eigenfrequenz des Systems angepasst werden.
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Dadurch, dass der Nagel mehrere ineinandergreifende Funktionsabschnitte aufweist, kann dieser beliebig auf die Dicke des Bauteils bzw. die Verbindungsdicke mehrerer Bauteile abgestimmt werden. Die Funktionsabschnitte werden bestimmt durch die Dicke der Verbindungszone und üben ihre Funktion genau auf die Verbindungszone abgestimmt aus. Durch Variation der Anzahl und Funktion der Abschnitte kann der Nagel für unterschiedliche Bauteile und unterschiedliche Anwendungsbereiche verwendet werden. Je nach Anwendung können die Funktionsabschnitte aus demselben Material bestehen. Denkbar ist auch, dass die Funktionsabschnitte entsprechend der Funktion des Abschnitts aus einem für diese Funktion geeignetem Material bestehen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung greifen die Funktionsabschnitte durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Steckverbindung lösbar ineinander. Lösbare Steckverbindungen haben den Vorteil, dass die Verbindung ohne Beschädigung der Funktionsabschnitte wieder gelöst werden kann. Damit kann der Nagel durch die Verbindung der Funktionsabschnitte einfach auf den aktuellen Anwendungsbereich bzw. das/die zu fügenden Bauteile angepasst werden. Besonders einfach greifen die Funktionsabschnitte formschlüssig ineinander. Eine kraftschlüssige Steckverbindung verhindert eine Verschiebung der Funktionsabschnitte, solange die durch die Haftreibung bewirkte Gegen-Kraft nicht überschritten wird. Eine kraftschlüssige Steckverbindung ist beispielsweise einfach durch die Verwendung magnetisierter Funktionsabschnitte realisierbar. Nach Ineinandergreifen der Funktionsabschnitte werden diese über die magnetische Wirkung angezogen und liegen vollständig aneinander an. Dies erleichtert zudem das Verbinden der Funktionsabschnitte. Denkbar ist auch, dass die Funktionsabschnitte durch Klebstoff aneinanderhaften. Verschiedene Verbindungstechniken der Funktionsabschnitte in Abhängigkeit der Funktion sind besonders vorteilhaft. So kann der befestigende Funktionsabschnitt mit dem verlängernden Funktionsabschnitt unlösbar, bzw. bei mehreren verlängernden Funktionsabschnitten diese miteinander unlösbar, verbunden werden und nur der letzte verlängernde Funktionsabschnitt lösbar mit dem Lochwerkzeug verbunden sein. Auch kann der befestigende Funktionsabschnitt lösbar oder unlösbar direkt mit dem Lochwerkzeug verbunden sein.
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Vorteilhafter Weise hat die Steckverbindung einen männlichen Teil mit nach außen weisender Kontraktgeometrie und einen weiblichen Teil mit nach innen weisender Kontaktöffnung. Die Kontaktgeometrie der Steckverbindung kann so jede ineinanderpassende Form annehmen. Die Kontaktgeometrie kann bspw. zylinderförmig, rautenförmig, vieleckförmig, sternförmig oder schlüssellochförmig ausgeführt sein.
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Wenn der Funktionsabschnitt ein befestigender Funktionsabschnitt, insbesondere ein Teil des Nagelschafts ist, fungiert dieser als Halteabschnitt in einem Durchzugsbereich eines Bauteils bzw. in der Verbindungszone mehrerer Bauteile. Entsprechend der Anwendung und/oder dem zu fügenden Material kann der befestigende Funktionsabschnitt aus einem anderen Material gefertigt sein. Es ist jedoch auch möglich, alle Funktionsabschnitte aus dem gleichen Material herzustellen oder die jeweiligen Funktionsabschnitte der Funktion entsprechend aus einem besonders geeignetem Material zu fertigen.
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Wenn der Funktionsabschnitt ein verlängernder Funktionsabschnitt, insbesondere ein Teil des Nageschafts ist, fungiert dieser als zusätzliches Halteelement, um mit einem ersten Funktionsabschnitt zusammen eine Verlängerung des Nagelschaftes zu bewirken. Insbesondere kann der verlängernde Funktionsabschnitt zur Verlängerung des Halteabschnitts dienen. Die Nagellänge kann somit auf die Verbindungsdicke angepasst werden. Entsprechend der Anwendung und/oder dem zu fügenden Material kann der verlängernde Funktionsabschnitt aus einem anderen Material gefertigt sein. Es ist jedoch auch möglich, alle Funktionsabschnitte aus dem gleichen Material herzustellen oder die jeweiligen Funktionsabschnitte der Funktion entsprechend aus einem besonders geeignetem Material zu fertigen.
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Wenn der Funktionsabschnitt ein Lochwerkzeug, insbesondere mit Nagelspitze ist, bildet dieser den das Bauteil durchbohrenden Funktionsabschnitt des Nagels. Das Lochwerkzeug kann in Abhängigkeit des oder der Bauteile und des Anwendungsfalls unterschiedlich ausgeführt sein. Das Lochwerkzeug kann in Abhängigkeit des Anwendungsfalls beispielsweise spitz oder plateauförmig zulaufen und/oder die Durchmesserdifferenz zum Nagelschaft kann variieren und/oder das Lochwerkzeug kann aus einem speziell für die Anwendung erforderlichen Material gefertigt sein.
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Damit kann auch der Nagel je nach Anwendung unterschiedlich ausgeführt sein, indem dieser nach ein oder mehreren verlängernden Funktionsabschnitten mit dem für die Anwendung passenden Funktionsabschnitt als Lochwerkzeug endet.
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Besonders vorteilhaft ist, dass das Lochwerkzeug nach dem Lochvorgang abtrennbar ist. Das bedeutet, dass nach dem Lochvorgang an dem Bauteil keine störende Nagelspitze vorhanden ist. Damit kann der Nagel auch beim Fügen einfacher Bauteile wie z.B. dünne Bleche oder bei Bauteilen ohne Profilstruktur verwendet werden. Damit erweitert sich der Anwendungsbereich durch das erfindungsgemäße Nagelverfahren erheblich, da der Nagel jetzt bei Anwendungen zum Einsatz kommen kann, wo dieser nach dem Lochvorgang nicht über das Bauteil vorstehen darf bzw. in einem Totraum (z.B. in geschlossenen Profilen oder geschlossenen Gussstrukturen) enden muss. Das herkömmliche Nagelverfahren ist eingeschränkt auf Bauteile mit Profilstruktur bzw. derartigem Material, dass die Nagelspitze im Bauteil oder in einem Totraum endet. Das erfindungsgemäße Nagelverfahren ist aufgrund des Lochwerkzeugs als separater Funktionsabschnitt abtrennbar und stört nicht als aus dem Bauteil herausragende Spitze. Dadurch ist die Überstandslänge auf ein Minimum gekürzt. Die Abtrennung kann auf verschiedene dem Anwendungsfall entsprechende Weise erfolgen. Beispielsweise kann das Lochwerkzeug auf besonders einfache Weise einfach abgenommen werden oder es kann nach dem Lochvorgang abfallen, beispielsweise ausgelöst durch eine bestimmte Einwirkungsdauer der Ultraschallschwingungen oder dem Lochvorgang als solches. Das Lochwerkzeug kann form-und/oder kraftschlüssig auf einen Funktionsabschnitt aufgesteckt und/ oder bspw. aufgeklebt sein, ist aber nach dem Lochvorgang abtrennbar.
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Wenn das Lochwerkzeug wiederverwendbar ist, kann dieses mehrfach als Lochwerkzeug eingesetzt werden. Das führt vorteilhaft zu material- und kostentechnischen Einsparungen, da weniger Lochwerkzeuge benötigt werden. Das Lochwerkzeug kann dann entsprechend der Mehrfachverwendung aus einem hochfesten Material gefertigt sein, wohingegen die Funktionsabschnitte nur für eine einmalige Verwendung ausgelegt sein können. Beispielsweise kann das Lochwerkzeug bei gleichbleibenden Funktionsabschnitten ja nach Anwendungsfall variieren und für den jeweiligen Anwendungsfall wiederverwendet werden.
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Vorteilhafter Weise ist das Lochwerkzeug nageschaftabseitig geschlitzt ausgeführt. Dann kann der Nagel sich am Ende eines Fügeprozesses infolge der Ultraschallschwingung auf spreizen und so die Auspresskraft des Nagels steigern. Typischerweise wird mindestens ein Schlitz in die Nagelspitze eingebracht. Vorteilhaft kann der Nagel mit einem geschlitzten Lochwerkzeug auch zur Prozessüberwachung verwendet werden, da sich das Schwingungsverhalten des Nagels im Prozessverlauf und insbesondere beim Lochvorgang infolge der freien Enden erheblich ändert. Diese Änderung kann dann bspw. im Schwingungsverhalten und/ oder an der Schallemission detektiert werden und zur Prozesssicherung herangezogen werden.
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Dadurch dass der Nagelschaft mit einer Oberflächenstruktur versehen ist, die sich beim Einbringen des Nagels in das Bauteil in diesem verankert, ergibt sich eine größere Kontaktfläche zwischen Nagel und Bauteil und damit eine höhere Auspress- bzw. Haltekraft. In die Oberflächenstruktur dringt beim Einpressvorgang des Nagels das verdrängte Material des Bauteils und hintergreift den Nagelschaft. Damit ist die Haltekraft höher als bei einem herkömmlichen Nagel ohne Oberflächenstruktur. Die Oberflächenstruktur kann ein wellenförmiges, kantenförmiges oder widerhakenförmiges Profil aufweisen. In Abhängigkeit der Anwendung wird die Oberflächenstruktur wellenförmig sein, wenn der Nagel besonders einfach in das Bauteil gleiten soll. Die Oberflächenstruktur wird eher kantenförmig sein, wenn diese beispielsweise ein Gewinde bilden soll, sodass der Nagel aus dem Bauteil wieder herausgeschraubt werden kann. Jedoch wird die Oberflächenstruktur eher widerhakenförmig sein, wenn das Herausziehen des Nagels verhindert werden soll.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Bauteilanordnung aus mindestens 2 Bauteilen, die durch einen Nagel verbunden sind, welcher durch das vorherig beschriebene Verfahren eingetrieben worden ist.
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Das vorgeschlagene Verfahren wie auch die vorgeschlagene Bauteilanordnung, also die neuartige Kombination aus Ultraschallüberlagerung und erfindungsgemäßem Nagel, sind, wie schon erwähnt, vorzugsweise für den Karosseriemischbau zweckmäßig, da dort verschiedenartigste Werkstoffe miteinander zu verbinden sind, bei denen oftmals nur eine einseitige Zugänglichkeit der Fügestellen bzw. Fügeflansche gegeben ist. Mit diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung ist es denkbar, das Fließlochformschrauben und/oder das herkömmliche Einbringen von Nägeln durch die verfahrensbedingten und wirtschaftlichen Vorteile zu substituieren. t werden.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet neben der Automobilindustrie sind der Schienenfahrzeugbau und das Transportwesen. Des Weiteren ist der Gondel- und Seilbahnbau ein mögliches Anwendungsgebiet. Hier können das vorgeschlagene Verfahren bzw. die vorgeschlagene Vorrichtung heutige Blindniet-Verbindungen ersetzen. Das für das Blindnieten erforderliche Vorlochen entfällt, sodass die Prozesskosten reduziert werden können.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und der beiliegenden Zeichnungen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in folgenden Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 2 zeigt schematisch einen Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Nagel in einer ersten bevorzugten Ausführungsform.
- 4a zeigt einen erfindungsgemäßen Nagel in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
- 5 zeigt Kontaktgeometrien einer Steckverbindung eines erfindungsgemäßen Nagels
- 6 zeigt verschiedene Formen einer Nagelspitze eines erfindungsgemäßen Nagels .
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist vereinfacht und schematisch eine Vorrichtung 100 zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, mittels welcher auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Bei der Vorrichtung 100 handelt es sich beispielhaft um einen Industrieroboter bzw. eine Fertigungseinrichtung, beispielsweise für einen Einsatz im automobilen Karosseriebau.
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Die Vorrichtung 100 weist dabei eine auf einem Boden angeordnete Trägerstruktur 3 und drei daran angeordnete, miteinander verbundene und bewegliche Armglieder bzw. Komponenten 4, 5 und 6 auf, die zusammen einen motorisch bewegbaren Roboterarm bilden. Am Ende des Armes 6 ist eine Setzeinheit 10 angeordnet, wie sie beispielsweise in 2 noch detaillierter gezeigt wird und die hier nur grob schematisch angedeutet ist.
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Weiterhin ist ein Schaltschrank 90 vorgesehen, in dem eine Steuer- und Regeleinheit 91 sowie ein als Ultraschallgenerator ausgebildeter Schwingungserzeuger 92 eingebracht sind. Während die Steuer- und Regeleinheit 91 zum Ansteuern sowohl des Roboterarms als auch der Setzeinheit 10 dient, kann der Ultraschallgenerator 92 an einen Schwingungskonverter der Setzeinheit 10 angeschlossen werden, wie später in Bezug auf 2 noch näher erläutert wird.
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In 2 ist schematisch ein Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, nämlich insbesondere die Setzeinheit 10 aus 1. Die Setzeinheit 10 weist ein Schwingsystem 39 auf, das vorliegend einen elektro-mechanischen Schwingungskonverter 30, beispielsweise einen Piezo-Konverter, einen sog. Booster 31 (auch als Amplitudenverstärker bezeichnet) sowie ein Werkzeug zum Eindrücken in Form einer Sonotrode 32 aufweist.
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Der Schwingungskonverter 30 ist dabei an den elektrischen Schwingungserzeuger 92, wie er in 1 gezeigt ist, angebunden bzw. angeschlossen bzw. kann daran angebunden werden. Auf diese Weise kann das Schwingsystem 39 in Schwingung versetzt werden.
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Das Schwingsystem 39 ist, hier über den Booster 31, in einer Gehäuseeinheit 35 gehalten. Diese Gehäuseeinheit 35 wiederum ist mit einem Antrieb 50 verbunden, sodass das Schwingsystem 39 derart an den Antrieb 50 angebunden ist, dass darüber eine Kraft F sowie eine Vorschubbewegung auf das Schwingsystem 39 übertragen werden kann, und zwar in eine Fügerichtung R. An dem Antrieb 50, der hier nur grob schematisch dargestellt ist, ist ein Flansch 51 vorgesehen, mittels welchem der Antrieb 50 beispielsweise an dem Roboterarm bzw. dem Armglied 6, wie in 1 gezeigt, angebracht werden kann.
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Weiterhin ist an der Gehäuseeinheit 35 mittels Federelementen 17 eine Halterung 16 angebracht, die beispielhaft einen Teil des Schwingsystems 39 umgibt und einen Nagel 20 halten und führen kann. Mittels einer Zuführung 95 kann ein solcher Nagel 20 beispielsweise in die Halterung 16 automatisch eingebracht werden, sodass dieser vor der Sonotrode 32 platziert ist.
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Weiterhin sind zwei Bauteile 11, 12 gezeigt, wie sie beispielsweise mittels des Nagels 20 und unter Verwendung der Vorrichtung 100 bzw. der Setzeinheit 10 verbunden werden können. Hierzu kann die Setzeinheit mittels des Roboterarms in die in 2 gezeigte Position gebracht werden, in welcher die Halterung 16 beispielsweise an dem Bauteil 11 anliegt - wobei die Halterung 16 in diesem Sinne auch als Niederhalter dient - und der Nagel 20 in geeigneter Ausrichtung zu den Bauteilen 11, 12 gehalten ist.
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Um den Nagel 20 nun in die Bauteile 11, 12 einzubringen und so die Bauteile miteinander zu verbinden, wird das Schwingsystem 39 unter Verwendung des Schwingungserzeugers 92 in Schwingung versetzt und unter Verwendung des Antriebs 50 in Fügerichtung R auf den Nagel 20 zubewegt und so mit diesem in Kontakt gebracht. Durch eine weitere, durch den Antrieb 50 erzeugte gesteuerte bzw. geregelte Vorschubbewegung kann der Nagel 20 somit in die Bauteile eingedrückt werden.
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Aufgrund der Schwingungen, die sich vom Schwingsystem 39 auf den Nagel 20 und darüber ggf. auch auf die Bauteile 11, 12 übertragen, wird die nötige Kraft, um den Nagel in die Bauteile einzudrücken, deutlich reduziert.
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In 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind in zwei Abbildungen jeweils Teile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie auch in 1 gezeigt ist, bzw. einer Setzeinheit, wie sie auch in 2 gezeigt ist, zu sehen. Insbesondere sind die Sonotrode 32 und die Halterung 16 sowie ein Nagel 20 gezeigt, ebenso zwei zu verbindende Bauteile 11 und 12. In der ersten Abbildung links ist eine Situation gezeigt, in welcher ein Bauteil 11,12 angeordnet ist, auf welchem der Nagel 20 mit der Spitze positioniert ist, aber noch nicht eingedrungen ist. Es wird dann begonnen, den Nagel 20 mit einer Kraft in Richtung des Bauteils 11, 12 über die Sonotrode 32 zu beaufschlagen. Die Schwingungen werden als Ultraschallschwingungen auf den Nagel 20 eingekoppelt. Die Ultraschallschwingungen werden durch den elektrischen Schwingungserzeuger 92, insbesondere durch einen Ultraschallgenerator erzeugt. Die Schwingungen werden in longitudinaler Richtung in den Nagel 20 eingekoppelt, sodass die Einpresskraft in Fügerichtung verstärkt wird. Die Schwingungen werden Nagel-technik-spezifisch mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 15 kHz und 50 kHz, erzeugt.
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In der zweiten Abbildung rechts ist schließlich eine zu erreichende Endposition gezeigt, in welcher der Nagel 20 in die Bauteile 11, 12 eingedrückt ist und der Nagelschaft 21 in den Bauteilen 11, 12 verankert ist.
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In den 4 bis 6 wird näher auf die Ausgestaltung des Nagels 20 eingegangen.
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Der Nagel 20 hat gemäß 4 einen Nagelkopf 24, einen Nagelschaft 21 und eine Nagelspitze 28. Der Nagel 20 weist ineinandergreifende Funktionsabschnitte 25 auf. Die Funktionsabschnitte 25 greifen durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Steckverbindung 26 lösbar ineinander.
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In 4 bildet der Nagelschaft 21 samt Nagelkopf 24 einen Funktionsabschnitt 25a und ein weiterer Funktionsabschnitt 25c ist von der Nagelspitze 28 gebildet. Der Funktionsabschnitt 25a dient als ein befestigender Funktionsabschnitt. Der Funktionsabschnitt 25c ist eine Nagelspitze. Die Nagelspitze funkgiert als Lochwerkzeug.
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Die formschlüssige und/ oder kraftschlüssige Steckverbindung 26 ist mit einem männlichen Teil mit nach außen weisender Kontaktgeometrie und einem weiblichen Teil mit nach innen weisender Kontaktöffnung ausgeführt.
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In 4a weist der Nagelschaft 21 die Funktionsabschnitte 25a, 25b und 25c auf. Der Nagelschaft 21 ist durch Funktionsabschnitt 25b verlängert. Der Funktionsabschnitt 25b dient als weiterer befestigender Funktionsabschnitt. Der Nagelschaft 21 ist dadurch in der Länge an die Dicke der Bauteile 11,12 anpassbar. Die Länge der Funktionsabschnitte 25a und 25b ist abhängig vom Durchzugsbereich eines oder mehrerer Bauteile 11, 12 bzw. der Dicke der Verbindungszone der Bauteile 11, 12. Die Funktionsabschnitte 25a und 25b können anwendungsbedingt unterschiedlich lang ausgeführt sein. Die den Nagelschaft 21 bildenden Funktionsabschnitte 25a, 25b sind in Abhängigkeit der Bauteildicke und des Bauteilmaterials durchgängig oder zumindest teilweise mit einer Oberflächenstruktur 22 versehen.
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Die formschlüssige und/ oder kraftschlüssige Steckverbindung 26 ist mit einem männlichen Teil mit nach außen weisender Kontaktgeometrie und einem weiblichen Teil mit nach innen weisender Kontaktöffnung ausgeführt.
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Die Kontaktgeometrie kann gemäß 5 beispielsweise schlüsselloch- zylinder- stern- oder rautenförmig ausgeführt sein.
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Der Nagel 20 wird anwendungsbedingt mittels der form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbundenen Funktionsabschnitte 25a, 25b, 25c auf die erforderliche Länge angepasst. Nach dem Positionieren des Nagels 20 mit der Spitze 28 auf dem Bauteil 11, 12 wird begonnen, den Nagel 20 mit einer Kraft in Richtung des Bauteils 11, 12 über die Sonotrode zu beaufschlagen. Die durch den Ultraschallgenerator erzeugten Ultraschallschwingungen werden in longitudinaler Richtung in den Nagel 20 eingekoppelt, sodass die Einpresskraft in Fügerichtung verstärkt wird. Beim Einpressvorgang wird der Nagel 20 in die Bauteile 11, 12 eingedrückt. Der Nagelschaft 21, bestehend aus den Funktionsabschnitten 25a und 25c oder 25a, 25b, 25c verankert sich in den Bauteilen 11, 12. Durch die Oberflächenstruktur 22 ist die Haltekraft erhöht. Die den befestigenden Bereich des Nagelschafts 21 bildenden Funktionsabschnitte 25a, 25b sind dabei form- und/oder kraftschlüssig oder unlösbar miteinander verbunden. Der das Lochwerkzeug 25c, 28 bildende Funktionsabschnitt 25c hingegen ist lösbar mit dem Funktionsabschnitt 25a, 25b verbunden. Dadurch ist das Lochwerkzeug 25c, 28 nach dem Einpressvorgang abtrennbar. Nach Abtrennung des Lochwerzeugs 25c, 28 steht der Nagel 20 nicht mit der Spitze 25c, 28 über die Bauteilverbindung vor. In Abhängigkeit des Anwendungsfalls kann das Lochwerkzeug 25c, 28 aus unterschiedlichen Materialien verwendet werden. Das Lochwerkzeug 25c, 28 kann wiederverwendet werden, wenn es aus einem dem Anwendungsfall entsprechend hartem Material hergestellt wurde.
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In 6 ist die Nagelspitze 28 nagelschaftabseitig geschlitzt ausgeführt. Es ist mindestens ein Schlitz eingebracht. Durch die Schlitzung kann sich Nagelspitze nach dem Einpressvorgang aufspreizen. Durch die Schlitzung ändert sich das Schwingungsverhalten des Nagels im Prozessverlauf und insbesondere beim Durchstechen der Bauteile infolge der freien Enden erheblich, sodass diese Änderung im Schwingungsverhalten, an der Schallemission, detektiert werden und zur Prozesssicherung herangezogen werden kann. Der Nagel 20 kann Funktionsabschnitte 25 (6 rechts) aufweisen, kann aber auch einstückig (6 links) ausgeführt sein.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Bauteilanordnung aus mindestens 2 Bauteilen 11, 12, die durch einen Nagel 20 verbunden sind, welcher durch das vorherig beschriebene Verfahren eingetrieben worden ist.
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Durch die Oberflächenstruktur 22 am Nagelschaft 21 kann es beim Eindrücken des Nagels 20 infolge der auf den Nagel 20 eingekoppelten Ultraschallschwingung in Abhängigkeit der Prozessparameter insbesondere zu Prozessende hin, zu einer lokalen Verschweißung des Nagels 20 mit dem Bauteil 11,12 kommen. Diese lokale Verschweißung erhöht die Festigkeit der Verbindung.
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Neben der geringeren nötigen Kraft und der geringeren Verformung der Bauteile führt das vorgeschlagene Verfahren zu einer signifikanten Geräuschreduzierung, insbesondere aufgrund des Entfalls des bisher nötigen, massiven Einfach-Impulses mit Spitzenschalldruckpegeln von bis zu 180dB und aufgrund der Verwendung von Ultraschall und die daraus resultierenden tausenden kleinen Mehrfach-Impulse sowie der Oberflächenstruktur des Nagelschafts.
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Das vorgeschlagene Verfahren führt, wie schon erwähnt, zu einem erweiterten Anwendungsbereich, z.B. Fügen dünnwandigerer Bauteile sowie dickwandigere und/oder höherfeste Bauteile, durch geringeren Verzug der gefügten Bauteilflansche (Leichtbaupotential) bzw. Reduktion des Fügekraftbedarfes. Ebenso führt es zu einer Kosteneinsparung durch Verzicht auf Druckluft beim eigentlichen Fügeprozess sowie durch Verzicht einer Schallschutz- umhausung der kompletten Fertigungszelle, welche derzeit beim konventionellen Nagelsetzen im Druckluftverfahren mit Einfach-Impuls unumgänglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010006404 A1 [0003]
