DE10327886A1

DE10327886A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Bodendicke von Clinchpunkten einer Clinchverbindung

Info

Publication number: DE10327886A1
Application number: DE2003127886
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Terzyk; Timm Kühne
Original assignee: PROKOS PRODUKTIONS KONTROLL SY; PROKOS PRODUKTIONS-KONTROLL-SYSTEM GmbH; Eckold GmbH and Co KG; Walter Eckold GmbH and Co KG Vorrichtungs und Geraetebau
Current assignee: PROKOS PRODUKTIONS KONTROLL SY; PROKOS PRODUKTIONS-KONTROLL-SYSTEM GmbH; Eckold GmbH and Co KG; Walter Eckold GmbH and Co KG Vorrichtungs und Geraetebau
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-21
Also published as: DE10327886B4

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Bodendicke von Clinchpunkten einer Clinchverbindung beschrieben. Dazu werden Prozesssignale des Clinchprozesses erfasst und aus den Prozesssignalen wird über einen Berechnungsalgorithmus die Bodendicke errechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Bodendicke von Clinchpunkten einer Clinchverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Bodendicke von Clinchpunkten einer Clinchverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Clinchen ist mechanisches Fügen von Blech-, Rohr- oder Profilteilen durch gemeinsames, punktuelles Durchsetzen und anschließendes Stauchen der Fügeteilwerkstoffe. Unter der Wirkung eines Stempels und einer Matrize entstehen aus den Fügeteilwerkstoffen formschlüssige Clinchpunkte, die auch Kraftschlussanteile enthalten. Beim Clinchen wird durch einen Umformvorgang u. a. die Ausgangsblechdicke auf etwa 1/4 reduziert. Die erreichte Materialdicke im Zentrum des Clinchpunktes wird als Bodendicke bezeichnet. Sie wird in der industriellen Praxis als Kontrollmaß für die Qualität der Verbin dung verwendet. Mit entsprechenden Messmitteln kann die Bodendicke im Anschluss an den Clinchvorgang an jedem einzelnen Punkt manuell gemessen werden.

Um die Qualität der Clinchverbindung zu prüfen, werden deshalb oft stichprobenartig Teile aus der Fertigung entnommen, um manuell die Bodendicke zu messen. Automatische Messverfahren für die Bodendicke sind nicht bekannt, weder für das Messen nach dem Clinchvorgang (off-line) noch für das Messen während des Clinchvorgangs (on-line).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Ermittlung der Bodendicke aus während des Clinchvorgangsvorgangs (on-line) gemessenen Signalen anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale dieses Anspruchs und bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 durch die Merkmale jenes Anspruchs gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Da eine direkte Zugänglichkeit des Clinchpunktes während des Clinchprozesses grundsätzlich nicht und nach dem Clinchprozess wegen komplizierter Lage des Messortes oft nur schwer möglich ist, wird mit der Erfindung der Weg beschritten, durch Auswertung geeigneter Ersatzgrößen, im vorliegend Fall durch Auswertung von Prozesssignalen, auf die Bodendicke zu schließen. Dadurch ist eine lückenlose Bodendickenprüfung aller Clinchpunkte noch während der Produktion möglich. Fehler können sofort erkannt und gegebenenfalls Abhilfemaßnahmen getroffen werden. Der Ausschuß an fehlerhaften Teilen wird so erheblich reduziert und die sonst erforderliche zeitaufwendige Nachprüfung entfällt.

Gemäß einer Weiterbildung sind hierfür z. B. Kraft- oder Drucksignale in Verbindung mit Weg- und/oder Winkelsignalen oder der Zeit während des Clinchvorgangs geeignet, die Rückschlüsse über die erreichte Bodendicke zulassen. Derartige Signale lassen sich ohne Eingriff in den Clinchprozess gewinnen.

Wenn eine Überwachung des Clinchprozesses zur Erkennung von Prozessstörungen bereits durch die Erfassung und Auswertung prozessbedingter Kraft- bzw. Drucksignale erfolgt, die vorzugsweise über dem Umformweg oder zeitabhängig erfasst werden, können die hierfür benötigten Sensoren mitbenutzt werden. Die Sensoren werden an geeigneten Messorten der Clinchanlage befestigt, die Sensorsignale über Messverstärker aufbereitet und einer rechnergesteuerten Auswerteeinheit zugeführt. Dort können mit geeigneten Auswertealgorithmen Störungen des Clinchvorgangs erfasst und eine geeignete Reaktorik angesteuert werden.

Der Berechnungsalgorithmus umfasst wenigstens zwei Summanden, von denen der eine Summand aus dem Produkt aus einem Federungskoeffizienten einer Clinchanlage und der Differenz aus einer aktuellen Maximalkraft und einer Maximalkraft eines Referenzhubes gebildet ist und der andere Summand aus dem Produkt aus einem Federungskoeffizienten einer Fügeteil-Gesamtblechdicke und der Differenz aus einer aktuell ermittelten Gesamtblechdicke und einer Gesamtblechdicke eines Referenzhubes gebildet ist.

Dieser Berechnungsalgorithmus beruht auf folgenden Überlegungen. Die beim fehlerfreien Clinchvorgang erreichte Bodendicke ist von einer Reihe von Fertigungsparametern abhängig. Diese können in unterschiedliche Einflussgrößen eingeteilt werden:

– elastische Deformation der Werkzeuge z. B. Stempel und Matrize)
– elastische Deformation der Clinchanlage (z. B. Auffederung eines C-Bügels, elastische Deformation der Werkzeughalter und des Antriebsstößels)
– elastisches und plastisches Verhalten der Fügeteilwerkstoffe
– Materialkennwerte der Fügeteilwerkstoffe (Blechwerkstoffe)
– tribologische Bedingungen zwischen Fügeteilwerkstoff und Werkzeugwirkflächen
– tribologische Bedingungen zwischen den Fügeteiloberflächen
– Umformgeschwindigkeit
– Umformtemperatur

Die Federkonstante der Clinchanlage kann unter der Voraussetzung, dass keine plastischen Verformungen an einem der Anlagen- oder Werkzeugbauteile, z. B. bei Überlastung, auftreten als linear angesehen werden. Sie setzt sich aus den Federkonstanten des Clinchwerkzeugs, der Werkzeughalter, des Stößels sowie des Clinchrahmens, z. B. C-Gestells oder Zangenschenkel, zusammen. Damit ist die bei einer bestimmten Fügekraft auftretende Auffederung des Gesamtsystems proportional zum Kraftbedarf. Dies gilt im Besonderen für die maximale Fügekraft, die die am Clinchpunkt auftretende Bodendicke wesentlich beeinflusst.

Sollten Veränderungen in der Federsteifigkeit der Clinchanlage auftreten, z. B. Reißen des C-Gestells, plastische Verformung von Systemkomponenten, können diese Veränderungen durch einen Kalibrierhub erkannt werden. Beim Aufsetzen auf einen Kalibrierkörper mit festgelegten geometrischen Abmessungen und einer definierten Kraft, muss die Gesamtanlage um einen bestimmten Betrag auffedern. Liegen größere Auffederungen als zum Produktionsbeginn vor, haben sich die Federeigenschaften der Anlage verändert. Dies kann als neue Federkoeffizienten dann entsprechend in die Berechnung einbezogen werden oder die Anlage wird z. B. durch Reparatur wieder in den Ausgangszustand gebracht.

Der Berechnungsalgorithmus zur Ermittlung der Bodendicke geht von einem Referenzarbeitshub oder mehreren Referenzarbeitshüben aus, wobei die Prozesssignale erfasst, geeignete Kennwerte ermittelt und die zugehörigen Federungskoeffizienten derart bestimmt werden, dass der Zusammenhang zwischen der Bo dendicke und den erfassten Prozesssignalen für diese Clinchaufgabe exakt bestimmt wird. Alternativ könnten die Federungskoeffizienten auch mittels FEM-Rechnungen vorausberechnet oder aus Erfahrungen mit baugleichen Bügeln übertragen werden.

Für die Auffederung der Clinchanlage wird ein Koeffizient K bestimmt, der bei größeren Clinchkräften zu größerer Auffederung führt und damit eine größere Bodendicke ergibt. Der Koeffizient K₂ korrigiert die Bodendicke in Abhängigkeit von der Ausgangsblechdicke. Diese kann z. B. aus dem Wegpunkt des ersten Kraftanstiegs ermittelt werden. Entsprechend größere Bodendicken werden bei größeren Blechdicken auftreten. Weitere Koeffizienten könnten z. B. für die Festigkeit des Werkstoffs eingeführt werden, der z.B. über die Steilheit des Kraftanstiegs während der Umformung ermittelt werden kann.

Damit ergibt sich eine allgemeine Formel zur Berechnung der Bodendicke in Abhängigkeit von den verwendeten Prozesssignalen. Der Berechnungsalgorithmus kann auf beliebige Clinchwerkzeuge mit und ohne bewegliche Werkzeugteile unterschiedlichen Typs angewandt werden. Für Mehrpunktwerkzeuge ist eine Kraftmessung für jeden Clinchpunkt erforderlich. In diesem Fall kann eine gemeinsame Wegmessung an der Clinchanlage ausreichend sein. Weitere Korrekturkoeffizienten z. B. Festigkeitseinfluss können in den Berechnungsalgorithmus eingefügt werden.

Ergänzend kann der Berechnungsalgorithmus Potenzwerte umfassen, mit denen die Differenz aus einer aktuellen Maximalkraft und einer Maximalkraft eines Referenzhubes und die Differenz aus einer aktuell ermittelten Gesamtblechdicke und einer Gesamtblechdicke eines Referenzhubes potenziert werden.

Hierdurch kann ein nicht-lineares Verhalten der Clinchanlage sowie des Fügeteilwerkstoffes berücksichtigt werden.

Weiter kann der Berechnungsalgorithmus einen weiteren Summanden umfassen, der eine Abweichung einer Endlage eines Clinchwerkzeugs der Clinchanlage korrigiert.

Mittels eines geeigneten Aufnehmers wird die Position des Stößels im unteren Umkehrpunkt erfasst. Da derartige Clinchsysteme in der Regel mit einem wegbegrenzten Antriebsstößel arbeiten, kann im Normalfall davon ausgegangen werden, dass der Antriebsstößel immer eine definierte unterste Position erreicht. Nur wenn nicht ausreichend Umformenergie vorhanden ist, z. B. bei einem Defekt im Antriebssystem, wie Druckabfall am Antriebskolben oder fehlerhaften Fügeteilen, die höhere Festigkeit, größere Materialdicke oder zusätzliche Materiallagen aufweisen, kann eine abweichende Stößelposition oberhalb der Stößelwegbegrenzung auftreten. Derartige Veränderungen können z. B. durch eine Wegmessung erfasst und in die Berechnung der Bodendicke einbezogen werden.

Der Widerstand, den das umzuformende Material dem Clinchwerkzeug entgegen bringt, kann durch Kraft- oder Drucksignale erfassende Sensoren z. B. bei hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Anlagen erfasst werden. Für die Hubmessung des Clinchwerkzeugs eignen sich Weg- oder Winkelsensoren. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Zeitmessvorrichtung vorgesehen sein.

Vorzugsweise bestehen die Kraft- oder Drucksignale erfassende Sensoren aus piezoelektrischen Sensoren oder aus DMS-Aufnehmern. Diese können ohne Veränderung der mechanischen und dynamischen Eigenschaften der Clinchanlage angebracht werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Clinchpunkt,
2a-2d eine schematische Darstellung eines Clinchvorganges mit einem Clinchwerkzeug in vier Phasen des Clinchvorganges,
3 eine Bildschirmdarstellung eines Kraft- und Wegverlaufs eines Clinchwerkzeugs über der Zeit und
4 eine Bildschirmdarstellung eines Kraftverlaufs von aktueller und gemessener Kraft eines Clinchwerkzeugs über dem Weg.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Clinchpunkt 10 bei zwei miteinander verbundenen Blechen 12 und 14. Beim Clinchen wird durch einen Umformvorgang u. a. die Ausgangsblechdicke auf etwa 1/4 reduziert und ein Hinterschnitt 16 erzielt. Die erreichte Materialdicke im Zentrum 18 des Clinchpunktes 10 wird als Bodendicke bezeichnet.
2a-2d zeigt schematische Darstellung eines Clinchvorganges mit einem Clinchwerkzeug in vier Phasen des Clinchvorganges. Das Clinchwerkzeug besteht aus einem Stempel 20 und einer Matrize 22, zwischen denen sich mindestens zwei miteinander zu verbindende Bleche 12 und 14 befinden. Die Matrize 22 umfasst mindestens zwei bewegliche Matrizenteile 24, die über Federn 26 an den Amboß gedrückt werden und zur Unterstützung der Ausformung eines Hinterschnitts der Bleche 12 und 14 beim Umformvorgang dienen.
2a zeigt als Phase 1 die Ausgangsposition von Stempel 20 und Matrize 22. 2b zeigt als Phase 2 (Beginn der Durchsetzphase) das Aufsetzen von Stempel 20 und Matrize 22 auf die Bleche 12 und 14. 2c zeigt als Phase 3 (Durchsetz/Stauchphase) das Umformen der Bleche 12 und 14 durch Zusammenfahren von Stempel 20 und Matrize 22. 2c zeigt als Phase 4 das Zurückfahren von Stempel 20 und Matrize 22 in die Ausgangsposition und den fertigen Clinchpunkt 10.
3 zeigt eine Bildschirmdarstellung eines Kraft- und Wegverlaufs eines Clinchwerkzeugs über der Zeit. Dabei sind die vier Phasen des Clinchvorganges entsprechend 2a-2d zur Veranschaulichung eingezeichnet. Der eigentliche Clinchvor gang findet in den Phasen 2 und 3 statt und der in diesen Phasen ausgeführte Hub entspricht der Differenz zwischen Anfang der Phase 2 und Ende der Phase 3. Um aus dem Hub die Bodendicke zu errechnen, wird ein Berechnungsalgorithmus angewandt, der wenigstens zwei Summanden umfasst. Der eine Summand ist aus dem Produkt aus einem Federungskoeffizienten einer Clinchanlage und der Differenz aus einer aktuellen Maximalkraft und einer Maximalkraft eines Referenzhubes gebildet. Der andere Summand ist aus dem Produkt aus einem Federungskoeffizienten einer Fügeteil-Gesamtblechdicke und der Differenz aus einer aktuell ermittelten Gesamtblechdicke und einer Gesamtblechdicke eines Referenzhubes gebildet.
4 zeigt eine Bildschirmdarstellung eines Kraftverlaufs von aktueller und gemittelter Kraft eines Clinchwerkzeugs über dem Weg. Auch hier sind wieder die vier Phasen des Clinchvorganges entsprechend 2a-2d zur Veranschaulichung eingezeichnet. In Phase 3 ist erkennbar, dass der Kraftverlauf aufgrund der zunehmenden Verfestigung des Fügeteilmaterials während des Clinchvorganges ansteigt.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Bodendicke von Clinchpunkten einer Clinchverbindung, dadurch gekennzeichnet, dass Prozesssignale des Clinchprozesses erfasst und aus den Prozesssignalen über einen Berechnungsalgorithmus die Bodendicke errechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die prozeßbedingten Prozesssignale durch Kraft- und/oder Drucksignale über dem Umformweg, dem Umformwinkel und/oder der Umformzeit gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Berechnungsalgorithmus wenigstens zwei Summanden umfasst, von denen der eine Summand aus dem Produkt aus einem Federungskoeffizienten einer Clinchanlage und der Differenz aus einer aktuellen Maximalkraft und einer Maximalkraft eines Referenzhubes gebildet ist und der andere Summand aus dem Pro dukt aus einem Federungskoeffizienten einer Fügeteil-Gesamtblechdicke und der Differenz aus einer aktuell ermittelten Gesamtblechdicke und einer Gesamtblechdicke eines Referenzhubes gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Berechnungsalgorithmus Potenzwerte umfasst, mit denen die Differenz aus einer aktuellen Maximalkraft und einer Maximalkraft eines Referenzhubes und die Differenz aus einer aktuell ermittelten Gesamtblechdicke und einer Gesamtblechdicke eines Referenzhubes potenziert werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Berechnungsalgorithmus einen weiteren Summanden umfasst, der eine Abweichung einer Endlage eines Clinchwerkzeugs der Clinchanlage korrigiert.
Vorrichtung zur Ermittlung der Bodendicke von Clinchpunkten einer Clinchverbindung, die mittels einer Fugeanlage durch einen Umformhub eines Clinchwerkzeugs herstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Sensoren der Fugeanlage prozeßbedingte Umformsignale des Clinchvorganges erfassbar sind und mittels einer rechnergesteuerten Auswertevorrichtung aus den Umformsignalen über einen Berechnungsalgorithmus die Bodendicke errechenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren Kraft- und/oder Drucksignale erfassende Sensoren sowie Weg- und/oder Winkelsensoren und/oder eine Zeitmessvorrichtung umfassen und aus den Signalen der Sensoren mittels der rechnergesteuerten Auswertevorrichtung Kraft- und/oder Drucksignale über dem Umformweg, dem Umformwinkel und/oder der Umformzeit ermittelbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- und/oder Drucksignale erfassende Sensoren aus piezoelektrischen Sensoren oder aus DMS-Aufnehmern bestehen.