DE10208304C1 - Verfahren zur Überwachung und gegebenenfalls Steuerung des Fügeprozesses beim Durchsetzfügen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und gegebenenfalls Steuerung des Fügeprozesses beim Durchsetzfügen von Bauteilen mittels eines Stempels und einer Matrize, bei dem sowohl über den Stempel als auch über die Matrize während des Fügeprozesses wiederholt Ultraschallimpulse in die zu fügenden Bauteile eingekoppelt und Laufzeiten der an einer Grenzfläche zwischen den Bauteilen reflektierten Ultraschallimpulse gemessen werden. Die gemessenen Laufzeiten werden mit Solllaufzeiten verglichen, die für jedes der Bauteile vorab unter Berücksichtigung einer durch plastische Verformung der Bauteile bei Erreichen einer Soll-Fügedicke gegenüber einem Anfangszustand geänderten materialspezifischen Schallgeschwindigkeit für die Soll-Fügedicke ermittelt oder vorgegeben werden. Die Erfindung betrifft auch eine Durchsetzfüge-Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. DOLLAR A Mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung lässt sich der Fügeprozess, bezogen auf die Dicke der zu fügenden Bauteile am Fügepunkt, in Echtzeit überwachen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und gegebenenfalls Steuerung des Füge­ prozesses beim Durchsetzfügen von Bauteilen mittels eines Stempels und einer Matrize sowie eine Durchsetzfüge-Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim Durchsetzfügen mittels Clinchen wird eine formschlüssige Verbindung der zu verbindenden Bauteile, in der Regel Bleche oder Platten, aus dem Bauteil­ material selbst gebildet. Hierfür werden die zu verbindenden Bauteile mit Hilfe eines Stempels in eine als Gegenwerkzeug dienende Matrize gedrückt. Durch den aufgebrachten Druck fließt das Bauteilmaterial in die eigentliche Fügezone, die durch die Form der Matrize eine Hinterschneidung bildet. Dabei reduzieren sich die ursprünglichen Dicken der beiden Bauteile in der Füge­ zone unterschiedlich stark. Der Massenanteil in der Fügezone korreliert hierbei mit der Abnahme der Dicke der beiden gefügten Bauteile im Fügepunkt. Die resul­ tierende Bodendicke der beiden Bauteile im Fügepunkt ist beim Clinchen ein Qualitätsmerkmal für die Clinch­ verbindung.

Für die Qualitätskontrolle der Fügeverbindung bzw. des Fügepunktes sind der Anmelderin derzeit zwei unterschiedliche Techniken bekannt. Bei einer aus der Praxis bekannten Technik wird die Dicke des Bodenbereiches des Fügepunktes nach der Durchführung des Fügeprozesses mit einem Ultraschall-Dicken- Messgerät manuell bestimmt. Eine derartige nachträg­ liche manuelle Kontrolle ist zeitaufwendig und wird daher lediglich stichprobenweise zur Überprüfung der bereits produzierten Fügeverbindungen eingesetzt.

Die Überprüfung der Materialdicke durch Ultra­ schall wird auch in anderen Bereichen eingesetzt. So ist beispielsweise aus der DE 35 28 967 C1 ein Verfahren zum Einwalzen von Rohren in Rohrböden bekannt, bei dem während des Einwalzens die Haftaufweitung durch Ultra­ schallmessung der sich ändernden Dicke der Rohrwand gemessen wird.

Bei der anderen Technik, wie sie beispielsweise aus der DE 42 14 475 A1 bekannt ist, handelt es sich um eine automatische Überwachung des Fügeprozesses in Echtzeit. Dabei werden die Fügekraft sowie der Werkzeugweg während des Fügens gemessen und anhand einer Referenzkurve, die die Abhängigkeit der Fügekraft vom Werkzeugweg bei einer optimalen Fügeverbindung angibt, verglichen. Bei Abweichungen kann die Fügekraft reduziert oder erhöht werden, um zu einem der Referenzkurve entsprechenden Kraft-Weg-Verlauf des Fügeprozesses zurück zu kommen. Bei diesem Verfahren werden jedoch keine Informationen über die erzielte Bodendicke erhalten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Überwachung und gegebenenfalls Steuerung des Füge­ prozesses beim Durchsetzfügen sowie eine Durchsetzfüge- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die eine unmittelbare Überwachung des Fügeprozesses gewährleisten und zudem eine Information über die erreichte Bodendicke im Fügepunkt liefern.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung der Patentansprüche 1 bzw. 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder können der nachfolgenden Beschreibung, den Ausfüh­ rungsbeispielen und den Zeichnungen entnommen werden.

Bei dem vorliegenden Verfahren werden sowohl über den Stempel als auch über die Matrize der Füge-Vor­ richtung während des Fügeprozesses wiederholt Ultra­ schallimpulse in die zu fügenden Bauteile eingekoppelt und Laufzeiten t1, t2 der an einer Grenzfläche zwischen den Bauteilen reflektierten Ultraschallimpulse in jedem der Bauteile gemessen. Da die Ausgangs-Bauteildicken sowie die gewünschte Bodendicke im Fügepunkt nach dem Prozess bekannt sind, kann aus dem Unterschied der Dicke vorher und der Dicke nachher der Grad der plastischen Verformung ermittelt werden. Aus den bekannten Abhängigkeiten der Schallgeschwindigkeit von der plastischen Verformung und der gewünschten Dicke im Fügepunkt nach dem Prozess ergeben sich die Soll­ laufzeiten tS1, t52, die als Ergebnis des Prozesses erreicht werden müssen. Die gemessenen Laufzeiten t1, t2 werden permanent mit diesen Solllaufzeiten tS1, t52 verglichen. Der Prozess wird bei Erreichen der Soll­ laufzeiten gestoppt. Aus den Solllaufzeiten und den bekannten Schallgeschwindigkeiten kann dann die Dicke im Fügepunkt berechnet und dem Anwender zur Kenntnis gegeben werden.

Mit dem vorliegenden Verfahren werden somit während des Fügeprozesses kontinuierlich die mit der Dicke der jeweiligen Bauteile korrelierten Schall­ laufzeiten der Ultraschallwellen gemessen, die an der Grenzfläche zwischen den beiden Bauteilen im Fügepunkt reflektiert und von den Ultraschallwandlern wieder empfangen werden. Für jedes der Bauteile bzw. Bauteil­ materialien werden vorab die materialtypischen Schall­ geschwindigkeiten ermittelt. Aufgrund der plastischen Verformung verändern sich die Schallgeschwindigkeiten in den Materialien gegenüber den Werten für den unverformten Zustand. Die entsprechend geänderte Schallgeschwindigkeit für die jeweils zu erreichende Dicke bzw. plastische Verformung wird einem Speicher oder einer Skala entnommen, die entsprechend experimen­ tell ermittelte Werte für die Schallgeschwindigkeit des jeweiligen Materials in Abhängigkeit von der plas­ tischen Verformung enthalten. Aus der Dicke der Bau­ teile vor dem Fügeprozess und der, vom Anwender fest­ gelegten Dicke der Bauteile im Fügepunkt nach dem Prozess ist der Grad der plastischen Verformung schon im Vorhinein bekannt. Damit wird der Wert für die Schallgeschwindigkeit aus bestehenden Tabellen und Messkurven entsprechend bestimmt und der Laufzeitwert (Solllaufzeit) für die gewünschte Dicke der Bauteile vorherberechnet. Durch ständigen Vergleich der gemessenen Laufzeiten mit den entsprechenden Soll­ laufzeiten kann das Erreichen der Sollbodendicke für jedes der beiden Bauteile getrennt erkannt werden.

Mit dem vorliegenden Verfahren wird somit während des Fügeprozesses die Schalllaufzeit bzw. deren Änderung für jedes der beiden zu verbindenden Bauteile getrennt gemessen. Durch entsprechende Rückinformation an die Steuerung des Antriebs oder der Antriebe der Füge-Vorrichtung kann die Fügekraft in Abhängigkeit vom Ergebnis des jeweiligen Vergleichs verändert werden, um beispielsweise schneller oder langsamer die gewünschte Fügedicke zu erreichen. Besonders vorteilhaft ist die getrennte Laufzeitmessung durch die beiden Bauteile, da dadurch eine individuelle Belastung von Stempel und Matrize erreicht werden kann, um beispielsweise die gewünschte Dicke der jeweiligen Bauteile gleichzeitig zu erreichen oder die Massenanteile der jeweiligen Bauteilmaterialien in der eigentlichen Fügezone gezielt zu beeinflussen. Die gezielte Steuerung des Füge­ prozesses in Abhängigkeit vom Ergebnis der Laufzeit­ messung erhöht zudem die Standzeit des Füge-Werkzeuges, weil nur die tatsächlich benötigte Fügekraft aufge­ bracht wird.

Aus den ermittelten Einzeldicken der beiden Bau­ teile kann zu jedem Zeitpunkt auch die momentane Gesamt-Bodendicke im Fügepunkt berechnet werden.

Die bisher bekannten oder experimentell ermit­ telten Korrelationen der Schallgeschwindigkeit mit der plastischen Verformung von Probekörpern aus Stahl und Aluminiumlegierungen werden durch laufende Unter­ suchungen ständig ergänzt und gespeichert. Damit ist für eine Vielzahl von Materialien die material- und zustandsspezifische Schallgeschwindigkeit bereits bekannt, so dass aus der beim vorliegenden Verfahren gemessenen Schalllaufzeit und der bekannten Schall­ geschwindigkeit der Schallweg, also die Dicke des durchschallten Fügeteiles berechnet werden kann. Bei Einsatz neuer Materialien können die erforderlichen Werte, d. h. die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der plastischen Verformung im jeweiligen Material, zunächst experimentell ermittelt werden.

Vorzugsweise wird die Durchführung des Verfahrens für den Bediener einer Füge-Vorrichtung dadurch erleichtert, dass die Solllaufzeiten tS1, tS2 für jedes der Bauteile nach Vorgabe einer Anfangsdicke d1, d2 der zu verbindenden Bauteile sowie der gewünschten End- Fügedicken dS1, dS2 und der jeweiligen Bauteil­ materialien durch Rückgriff auf abgespeicherte Schallgeschwindigkeiten in Abhängigkeit vom Material und der plastischen Verformung automatisch berechnet wird. Die plastische Verformung lässt sich bei Kenntnis der Anfangs- und der Enddicke (= Solldicke) sehr einfach berechnen. Selbstverständlich können beim vorliegenden Verfahren auch mehrere Soll-Fügedicken für jedes der Bauteile vorgegeben werden, die während des Fügeprozesses nacheinander erreicht werden. Auf diese Weise ist eine stufenweise Kontrolle des Fügeprozesses möglich, bevor die Endfügedicke, die der geringsten vorgegebenen Soll-Fügedicke entspricht, erreicht wird.

Beim vorliegenden Verfahren werden die Schall­ laufzeiten der Ultraschallimpulse ständig gemessen und mit den entsprechenden Solllaufzeiten verglichen. Vorzugsweise werden in Abhängigkeit von diesem Vergleich die Antriebe für den Stempel und die Matrize der Füge-Vorrichtung unabhängig voneinander und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis für das jeweilige Bauteil angesteuert, um die Soll-Fügedicken jedes einzelnen Bauteils, gegebenenfalls in einer vorgebbaren Zeit, zu erreichen.

Die Ultraschallimpulse werden mit Ultraschall­ wandlern erzeugt und empfangen, die vorzugsweise in den Stempel und die Matrize der Füge-Vorrichtung integriert sind. Hierbei werden angepasste Ultraschallwandler eingesetzt, die breitbandige longitudinale und/oder transversale Ultraschallwellenimpulse senden bzw. empfangen, die hinsichtlich ihrer Mittenfrequenz, der Impulslänge, des Schallfeldes und hinsichtlich der Schallübertragung für diese Anwendung optimiert sind. Der Fachmann ist in der Lage, die Ultraschallwandler entsprechend der jeweiligen Anwendung, insbesondere der Geometrien des Stempels und der Matrize sowie dem Durchmesser des Fügepunktes, geeignet zu wählen und anzusteuern. Um eine ausreichende Genauigkeit auch bei sehr dünnen Bauteilen zu erhalten, werden vorzugsweise Ultraschallimpulse mit einer Mittenfrequenz oberhalb von 5 MHz eingesetzt. Von besonderem Vorteil ist die Integration der Ultraschallwandler in den Werkzeug­ teilen außerhalb des eigentlichen Stempels und der eigentlichen Matrize, so dass die eigentlichen Werk­ zeuge Stempel und Matrize ausgetauscht werden können.

Vorzugsweise werden neben longitudinalen auch transversale Ultraschallwellen in die beiden Bauteile eingekoppelt. Transversale Ultraschallwellen eignen sich hierbei besonders durch die damit erhöhte Erkennbarkeit der Grenzfläche zwischen den beiden Bauteilen. Weiterhin ist die Schallgeschwindigkeit der Transversalwellen gegenüber den Longitudinalwellen um etwa den Faktor 2 geringer, so dass auch sehr dünne Bauteile bzw. Bleche noch mit hoher Genauigkeit vermessen werden können.

Die Schallübertragung in die Bauteile kann über den Anpressdruck, d. h. ohne ein Koppelmittel, oder auch unter Einsatz eines geeigneten Koppelmittels vorge­ nommen werden. Für die Einkopplung von longitudinalen Ultraschallwellen eignen sich insbesondere wasser­ haltige Flüssigkeiten, während für Transversalwellen dem Fachmann geläufige viskose Pasten eingesetzt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungs­ form wird zur Schallübertragung vom Prüfkopf in das Werkzeug eine Kunststofffolie gelegt, die sowohl die Einkopplung von Longitudinal- als auch von Transversal­ wellen verbessert.

Zur Durchführung der automatischen Ultraschall- Laufzeitmessungen kann beispielsweise eine Technik eingesetzt werden, wie sie aus der DE 39 05 95 C2 bekannt ist. Diese Technik macht eine ausreichend genaue Laufzeitmessung mit bis zu 100 Messungen pro Sekunde möglich. Selbstverständlich sind auch andere Techniken für die Laufzeitmessung einsetzbar. Insbesondere lässt sich der Messfehler in bekannter Weise auch durch Mittelung über mehrere Laufzeit­ messungen verringern.

Das vorliegende Verfahren hat den weiteren besonderen Vorteil, dass die gleichen Ultraschall­ wandler, die für die Laufzeitmessungen während des Fügeprozesses eingesetzt werden, nach Beendigung des Fügeprozesses und Entfernen der verbundenen Bauteile auch für eine Überprüfung der Fügewerkzeuge Stempel und Matrize einsetzbar sind. Hierfür werden diese Ultra­ schallwandler gezielt niederfreguent angesteuert, um eine volumenfüllende Schalleinprägung in Stempel und Matrize zu erreichen. Die entsprechend empfangenen Schallwellen werden einer Signalanalyse unterzogen. Aus einem Vergleich des empfangenen Schallspektrums mit einem Referenzspektrum einer intakten Matrize bzw. eines intakten Stempels lassen sich auf diese Weise frühzeitig beginnende Materialermüdungen oder Schädigungen dieser Werkzeuge erkennen. Insbesondere Werkzeugfehler wie Anrisse, Ausbrüche und Material­ einklemmungen sind hierdurch noch vor dem Ausfall des Werkzeuges feststellbar. Die Früherkennung eines Schadens der Fügewerkzeuge hat offensichtliche Vorteile bezüglich der Qualitätssicherungsmaßnahmen und Qualitätskosten.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht in bekannter Weise aus einer üblichen Füge- Vorrichtung, wobei jedoch im Stempel und in der Matrize jeweils zumindest ein Ultraschallwandler integriert ist. Die Ultraschallwandler sind mit einer Steuer­ einrichtung zur Ansteuerung der Ultraschallwandler zum Aussenden und zum Empfang von Ultraschallimpulsen sowie zur Messung der Laufzeit von reflektierten Ultraschall­ impulsen und zum Vergleich der gemessenen Laufzeiten mit Solllaufzeiten verbunden.

Die sonstige konstruktive, insbesondere mecha­ nische Ausgestaltung der Füge-Vorrichtung unterscheidet sich nicht von bekannten Vorrichtungen des Standes der Technik. Vorzugsweise wird jedoch die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Antriebes des Stempels mit den Vergleichswerten der Steuereinrichtung für die Ultraschallwandler versorgt und steuert den Fügeprozess in Abhängigkeit von den Vergleichswerten. In einer weiteren Ausführungsform ist auch die Matrize mit einem eigenen Antrieb ausgestattet, der von der Steuerein­ richtung in Abhängigkeit von den Vergleichswerten angesteuert wird.

Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Aus­ führungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 stark schematisiert ein Beispiel für eine Füge-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Beispiel für die Anwendung der Füge- Vorrichtung in einem Zustand vor der Verformung der Bauteile;

Fig. 3 ein Beispiel für die Anwendung der Füge- Vorrichtung in einem Zustand während der Verformung der Bauteile; und

Fig. 4 schematisch einen Überblick über einzelne Verfahrensschritte des vorliegenden Verfahrens.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter und schematisierter Darstellung eine Füge-Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Die wesentlichen Elemente dieser Füge-Vorrichtung bestehen aus dem Stempel 1 sowie der als Gegenwerkzeug dienenden Matrize 2. Der Stempel 1 ist über eine Halterung an einem Antrieb 3 befestigt, der diesen mit einer vorgebbaren Kraft gegen die Matrize 2 drücken kann. In gleicher Weise kann die Matrize 2 mit einem Antrieb 4 verbunden sein, der sie gegen den Stempel 1 bewegen kann. Die Antriebe von Stempel 1 und Matrize 2 werden über eine Steuereinrichtung 5 gesteuert.

Selbstverständlich läßt sich das vorliegende Verfahren auch bei Füge-Vorrichtungen einsetzen, bei denen die Matrize 2 keinen eigenen Antrieb 4 aufweist, wie dies bei den bekannten Füge-Vorrichtungen des Standes der Technik der Fall ist. Die Dicke des matrizenseitigen Bleches ergibt sich dabei aus der Einwirkung der Stempelkraft. Die Anwendung des vorliegenden Verfahrens ermöglicht die Bestimmung der Dicke des matrizenseitigen Bleches und eröffnet damit die neue Möglichkeit, die Matrize über einen eigenen Antrieb bis zum Erreichen der geforderten Dicke des matrizenseitigen Bleches zu steuern.

Sowohl im Stempel 1 als auch in der Matrize 2 ist im vorliegenden Beispiel jeweils ein Ultraschallwandler 7 bzw. 8 integriert. Beide Ultraschallwandler sind mit einer entsprechenden Steuereinrichtung 6 zur Ansteuerung der Wandler zur Emission von Ultraschall­ impulsen sowie zum Empfang von reflektierten Ultra­ schallimpulsen ausgebildet. Die Steuerung 6 übernimmt weiterhin die Ermittlung der Laufzeiten der Ultra­ schallimpulse sowie den Vergleich dieser Laufzeiten mit entsprechenden Vorgabewerten.

Die in den Stempel 1 und die Matrize 2 inte­ grierten Ultraschallwandler bzw. Ultraschallsensoren 7, 8 senden bzw. empfangen Ultraschallwellen mit einer Wiederholfrequenz von ca. 1 kHz. Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Vorrichtung gemäß Fig. 1, bei der lediglich die Matrize 2 sowie der Stempel 1 mit den entsprechenden Ultraschallsensoren 7, 8 zu erkennen sind, die gerade auf den beiden zu verbindenden Bauteilen 9, 10 aufliegen. Sobald der Stempel 1 Druck auf das obere Fügeteil 9 ausübt, breitet sich die Schallwelle in diesem stempelseitigen Fügeteil 9 aus. Der Schallimpuls wird an der Grenzfläche 11 zwischen stempelseitigem 9 und matrizenseitigem Fügeteil 10 reflektiert und vom Ultraschallsensor 7 wieder empfangen. Die hierfür erforderliche Schallaufzeit t1 wird gemessen. Unter Nutzung der für die betreffenden Materialien der Bauteile 9, 10, beispielsweise Stahl, Aluminium oder Kupfer, in Voruntersuchungen experimen­ tell ermittelten Werte der Schallgeschwindigkeit und deren Veränderung mit der plastischen Verformung kann aus der Laufzeit t1 die Dicke des stempelseitigen Fügeteiles 9 berechnet werden. Der gemessene Wert der Laufzeit oder der aus der Laufzeit berechnete Wert der Dicke wird mit einem zuvor festgelegten und im Rechner bzw. der Steuerung 6 der Ultraschallwandler abgelegten Sollwert verglichen. Vom Rechner wird ein Steuersignal erzeugt, um die durch den Antrieb 3 des Stempels 1 erzeugte Maschinenkraft erst zu stoppen, wenn die festgelegte Dicke des stempelseitigen Fügeteiles 9 erreicht ist. Aus der zeitlichen Veränderung der Laufzeiten bzw. der Dickenreduktion können weitere Signale zur Maschinensteuerung und zur Optimierung des Fügeprozesses abgeleitet werden. Insbesondere kann die relative Änderung der Dicke bzw. Laufzeit auch zur Steuerung weiterer den Fügeprozess beeinflussender Prozessparameter genutzt werden.

In vergleichbarer Weise wird die Dicke des matrizenseitigen Fügeteiles 9 bestimmt. Auch hier können aus den gemessenen Laufzeiten t2 bzw. Dicken und deren zeitlicher Änderungen Signale für die Kraft­ steuerung des Antriebes 4 der Matrize abgeleitet werden. Die Fig. 3 zeigt einen Zustand, bei dem die Laufzeitmessung durch das matrizenseitige Bauteil 10 durchgeführt wird, in einem Zustand, in dem die Endfügedicke bereits beinahe erreicht ist.

Nach dem Erreichen der Enddicke werden die Antriebe 3, 4 gestoppt und in umgekehrter Richtung angesteuert, um Stempel 1 und Matrize 2 von den verbundenen Bauteilen 9, 10 abzuheben. Die verbundenen Bauteile werden anschließend aus der Vorrichtung entfernt. Anschließend werden der Ultraschallwandler 8 in der Matrize 2 und der Ultraschallwandler 7 im Stempel 1 mit einem niederfrequenten elektrischen Signal von einigen kHz, beispielsweise im Bereich von 300 kHz bis 600 kHz, beaufschlagt. Die daraufhin empfangenen Ultraschallsignale werden spektral analysiert und Unterschiede zu den im Neuzustand der Matrize 2 bzw. des Stempels 1 auf vergleichbare Weise ermittelten Referenzsignalen zur Feststellung eines Werkzeugschadens herangezogen. Das Ergebnis dieser Untersuchung kann optisch und/oder akustisch angezeigt werden. Insbesondere sollte bei signifikanten Abweichungen von den Referenzsignalen ein ent­ sprechender akustischer Signalton abgegeben werden, der auf einen Werkzeugschaden hinweist.

Fig. 4 zeigt im Überblick nochmals die einzelnen Verfahrensschritte der Einkopplung von Ultraschall­ impulsen, der Messung der Laufzeit, des Vergleichs mit einem Sollwert sowie der Fortsetzung der Messung sowie des Fügeprozesses oder dem Anhalten des jeweiligen Antriebs in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs. Weiterhin ist eine optionale Ansteuerung des jeweiligen Antriebs zur Erhöhung oder Reduzierung der Kraft in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs angedeutet.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Stempel

2

Matrize

3

Antrieb des Stempels

4

Antrieb der Matrize

5

Steuerung der Antriebe

6

Steuerung der Ultraschallwandler

7

Ultraschallwandler im Stempel

8

Ultraschallwandler in der Matrize

9

Stempelseitiges Bauteil

10

Matrizenseitiges Bauteil

11

Grenzfläche

Claims (16)

1. Verfahren zur Überwachung und gegebenenfalls Steuerung des Fügeprozesses beim Durchsetzfügen von Bauteilen (9, 10) mittels eines Stempels (1) und einer Matrize (2), bei dem
sowohl über den Stempel (1) als auch über die Matrize (2) während des Fügeprozesses wiederholt Ultraschallimpulse in die zu fügenden Bauteile (9, 10) eingekoppelt,
Laufzeiten der an einer Grenzfläche (11) zwischen den Bauteilen (9, 10) reflektierten Ultraschall­ impulse in den Bauteilen (9, 10) gemessen,
und die gemessenen Laufzeiten mit Solllaufzeiten verglichen werden, die für jedes der Bauteile (9, 10) vorab unter Berücksichtigung einer, durch plastische Verformung der Bauteile (9, 10) bei Erreichen einer Soll-Fügedicke gegenüber einem Anfangszustand geänderten materialspezifischen Schallgeschwindigkeit für die Soll-Fügedicke ermittelt oder vorgegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geänderte materialspezifische Schall­ geschwindigkeit aus experimentellen Vor­ untersuchungen erhalten wird, bei denen die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Grad der plastischen Verformung für unterschiedliche Materialien gemessen und abgespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Solllaufzeit für jedes der Bauteile (9, 10) nach Vorgabe einer Anfangsdicke, der Soll- Fügedicke und des Bauteilmaterials durch Rückgriff auf die abgespeicherten Schallgeschwindigkeiten automatisch berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein beim Fügeprozess eingesetzter Antrieb (3) für den Stempel (1) und gegebenenfalls ein weiterer Antrieb (4) für die Matrize (2) in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs unabhängig voneinander angesteuert werden, um die Soll-Fügedicken der Bauteile (9, 10), gegebenenfalls in einer vorgeb­ baren Zeit, zu erreichen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallimpulse mit Ultraschallwandlern (7, 8) erzeugt und empfangen werden, die in den Stempel (1) und die Matrize (2) integriert sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Ultraschallwandlern (7, 8) nach Beendigung des Fügeprozesses niederfrequente Ultraschallwellen im Stempel (1) und der Matrize (2) erzeugt und empfangen werden, um durch einen . Vergleich einer spektralen Verteilung empfangener Ultraschallwellen mit Referenzspektren Material­ ermüdungen oder -zerstörungen im Stempel (1) und der Matrize (2) zu erkennen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallimpulse mit einer Mittenfrequenz < 5 MHz eingesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass longitudinale und transversale Ultraschall­ impulse eingesetzt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallimpulse über eine zwischen den Ultraschallwandlern im Stempel (7) und in der Matrize (8) und dem jeweiligen Werkzeug angeordnete Kunststofffolie eingeschallt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes der Bauteile (9, 10) mehrere Solllaufzeiten mit zugehörigen Soll-Fügedicken vorgegeben werden, deren aufeinander folgendes Erreichen während des Fügeprozesses überwacht wird.

11. Durchsetzfüge-Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Stempel (1) und einer Matrize (2), einem Antrieb (3) für den Stempel (1) sowie einer ersten Steuereinrichtung (5) zur Ansteuerung des Antriebs (3), dadurch gekennzeichnet, dass im Stempel (1) und in der Matrize (2) jeweils zumindest ein Ultraschallwandler (7, 8) integriert und mit einer zweiten Steuereinrichtung (6) zur Ansteuerung der Ultraschallwandler (7, 8) zum Aussenden und zum Empfang von Ultraschallimpulsen sowie zur Messung der Laufzeit von reflektierten Ultraschallimpulsen und zum Vergleich der gemessenen Laufzeiten mit Solllaufzeiten verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Antrieb (4) für die Matrize (2) vorgesehen ist, der von der ersten Steuerein­ richtung (5) angesteuert wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuereinrichtung (5) zur Erhöhung oder Erniedrigung einer mit dem Antrieb (3) oder den Antrieben (3, 4) erzeugten Kraft in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (7, 8) sowie die zweite Steuereinrichtung (6) zur Aussendung von Ultraschallimpulsen mit einer Mittenfrequenz < 5 MHz ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallwandler (7, 8) mit einer zweiten Steuereinrichtung (6) zur Aussendung von trans­ versalen und Ultraschallwandler (7, 8) mit einer zweiten Steuereinrichtung (6) zur Aussendung von longitudinalen Ultraschallimpulsen vorgesehen sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuereinrichtung (6) zur nieder­ frequenten Anregung der Ultraschallwandler (7, 8) sowie zum Vergleich empfangener Ultraschallspektren mit Referenzspektren ausgebildet ist.