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Die
Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für die Halterung von Bauteilen,
insbesondere von Karosserieblechen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie ein Verfahren zum lagegenauen Fixieren eines Bauteils relativ
zu einem zweiten Bauteil mit Hilfe der Spannvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7.
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Im
Automobilbau werden vermehrt Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verbinden von
Karosseriebauteilen eingesetzt. Um dabei eine gute Nahtqualität zu erreichen,
müssen
die Bauteile gleichmäßig und
fest gegeneinander gepresst werden können. Dies stellt hohe Anforderungen
an die Spanntechnik. Das gilt insbesondere dann, wenn eines der beiden
Bauteile einen geschlossenen Querschnitt aufweist, an dem Spannelemente
nicht von außen befestigt
werden können.
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Eine
Spannvorrichtung, mit der zwei Bauteile zum Laserschweißen miteinander
verspannt werden können,
ist aus der gattungsbildenden
DE 198 16 014 A1 bekannt. Dort umfasst die
Spannvorrichtung eine Teileaufnahme mit einer Anlagefläche mit
einer dreidimensionalen Kontur, an der die Bauteile anliegen, sowie
eine zweite Teileaufnahme, welche durch Spannelemente die Karosseriebauteile
gegeneinander sowie gegen die Anlagefläche drückt. Diese Spannelemente sind
gegenüber
der Anlagefläche um
ein Drehgelenk verschwenkbar angeordnet. Nachteilig an dieser Konstruktion
ist der relativ hohe Platzbedarf und apparative Aufwand für die Spanntechnik,
da die Spannelemente mit Hilfe einer pneumatischen oder hydraulischen
Druckmembran betätigt
werden, und ein zusätzliches
Spannbauteil vorgesehen ist, welches gegenüber der Anlagefläche verschwenkbar
angeordnet ist.
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Weiterhin
können
mit der gattungsgemäßen Spannvorrichtung
keine Bauteile mit unterschiedlichen dreidimensionalen Konturen
eingespannt werden. Ferner ist es schwierig, mit dieser Spannvorrichtung
Bauteile über
die gesamte Nahtlänge
in einer exakten Lage zueinander zu fixieren. Diese exakte Fixierung
ist aber für
die Durchführung
von Laserschweißverfahren
unbedingt notwendig, da die Bauteile bis auf geringe Toleranzen
dicht zusammengepresst werden müssen.
Dies ist insbesondere bei großformatigen,
dreidimensionalen Bauteilen sowie bei Bauteilen mit einem geschlossenen
Querschnitt schlecht zu gewährleisten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung sowie
ein Verfahren zum lagegenauen Fixieren eines Bauteils relativ zu
einem zweiten Bauteil vorzuschlagen, bei dem mit geringem Aufwand
und Platzbedarf dreidimensionale Bauteile in einer exakten Lage
zueinander eingespannt werden können.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1 und 7 gelöst.
Danach wird eine Spannvorrichtung vorgeschlagen, bei der die Spannelemente
als in die Teileaufnahmen integrierte Magnete ausgeführt sind.
Ferner sind die Teileaufnahmen beweglich zueinander angeordnet,
so dass die Spannvorrichtung zwei Stellungen einnehmen kann, eine
Positionierstellung, in der die Bauteile in die jeweilige Teileauf nahme
eingelegt werden können,
und eine Bearbeitungsstellung, in der die Bauteile in einer definierten
Raumlage zueinander angeordnet sind.
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Mit
dieser Spannvorrichtung kann jedes Bauteil zunächst einzeln in jeweils einer
Teileaufnahme lagegenau positioniert und darin fixiert werden. In
einem zweiten Schritt können
die beiden Bauteile lagegenau zueinander bewegt werden. Dadurch,
dass die magnetischen Spannelemente in die Teileaufnahmen integriert
sind, wird ferner eine besonders kompakte Bauweise der Spannvorrichtung
erzielt.
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Weiterhin
ist eine gute Zugänglichkeit
des Verbindungsbereichs, in dem die Bauteile miteinander verbunden
werden sollen, für
die anschließende Bearbeitung,
insbesondere die Verbindung der beiden Bauteile gewährleistet.
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Vorteilhafterweise
ist wenigstens einer der mechanischen Anschläge als Anlagefläche gestaltet, welche
eine dreidimensionale Kontur aufweist, die bereichsweise an die
Kontur eines Bauteils angepasst ist. So können Bauteile mit geschlossenen
Profilen mit Hilfe der Spannvorrichtung besonders einfach eingespannt
werden. Diese Gestaltung der Teileaufnahme ist außerdem für die Serienfertigung
mit hohen Stückzahlen
besonders geeignet (Anspruch 2).
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Weiterhin
können
als mechanische Anschläge
wenigstens zwei aus der Ebene der Teileaufnahme hervortretende Stifte
vorgesehen werden, die entsprechende Ausnehmungen in dem zugehörigen Bauteil
durchdringen können.
So wird das Problem der Positionierung der Bauteile auf der Anlagefläche auf
sehr einfache und reproduzierbare Weise gelöst (Anspruch 3).
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Zweckmäßigerweise
weisen diese Ausnehmungen die Form eines Langlochs und einer Bohrung
auf. Auf diese Weise können
bei der Positionierung Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden und
es ergibt sich eine gute Handhabbarkeit der Bauteile bei der Positionierung
(Anspruch 4).
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Vorteilhafterweise
sind die Teileaufnahmen relativ zueinander um ein Drehgelenk schwenkbar. So
wird die Überführung der
Spannvorrichtung in die Bearbeitungsstellung durch eine sehr einfache
Maßnahme
erreicht (Anspruch 5).
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Alternativ
ist eine Teileaufnahme hydraulisch oder pneumatisch gegenüber der
zweiten Teileaufnahme absenkbar. Diese Ausgestaltung ist vor allem in
der Serienfertigung durch die Möglichkeit
der Automatisierung sowie den geringeren Platzbedarf vorteilhaft
(Anspruch 6).
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Weiterhin
wird ein Verfahren zur lagegenauen Fixierung eines Bauteils relativ
zu einem zweiten Bauteil mit Hilfe der oben beschriebenen Spannvorrichtung
vorgeschlagen. Mit diesem Verfahren ist man schnell und einfach
in der Lage, großformatige Bauteile
präzise
miteinander zu verspannen (Anspruch 7).
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die magnetischen Spannelemente
durch einen elektrischen Strom ein- und ausschaltbar. Diese Anordnung
bietet den Vorteil, dass die Bauteile zunächst auf der Anlagefläche positioniert
werden und anschließend
durch einfaches Aktivieren der Spannelemente fixiert werden können (Anspruch
8).
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Das
beschriebene Verfahren kann auch zum Einstellen eines Entgasungsspalts
verwendet werden. Dieser Spalt ist insbesondere dann notwendig, wenn
beschichtete Bauteile durch Laserschweißen miteinander verbunden werden
sollen. Beim Schweißen verdampft
die Beschichtung und führt
zu einer unzureichenden Qualität
der Schweißnaht,
wenn nicht ein Spalt zwischen den beiden Bauteilen vorgesehen wird,
durch den der sich entwickelnde Dampf entweichen kann. Dieser Spalt
kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
sehr einfach auf die Weise hergestellt werden, dass die mechanischen
Anschläge
so angeordnet werden, dass ein definierter Spalt zwischen den Bauteilen
erzeugt wird. Diese Methode gewährleistet
eine hohe Sicherheit und Reproduzierbarkeit des Spannverfahrens
(Anspruch 11).
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Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und
der Beschreibung hervor.
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In
den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 Eine Ausführungsform
einer Spannvorrichtung
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2 Eine alternative Ausführungsform
der Spannvorrichtung 3 Eine
Verwendung der Spannvorrichtung zum Erzeugen eines Entgasungsspaltes
zwischen zwei Bauteilen
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1 zeigt eine Spannvorrichtung
1 zum Einspannen zweier Bauteile 2,3. In diesem
Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem ersten Bauteil 2 um einen Längsträger 4 eines
Kraftfahrzeugs und bei dem zweiten Bauteil 3 um ein Bodenblech 5,
welches mit dem Längsträger 4 in
einem Verbindungsbereich 6 durch eine Schweißnaht 7,
in diesem Fall eine Kehlnaht 8 im Überlappstoß 9, verbunden werden soll.
Der Längsträger 4 ist
hier ein durch Innenhochdruckumformen hergestelltes Profil und weist
einen rechteckigen, geschlossenen Querschnitt auf. Daher ist er
für herkömmliche
Spannmethoden nur schwer zugänglich.
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Die
Spannvorrichtung 1 umfasst zwei Teileaufnahmen 10 und 11.
Diese Teileaufnahmen 10,11 sind relativ zueinander
bewegbar angeordnet, in diesem Fall erfolgt die Relativbewegung,
indem die zweite Teileaufnahme 11 um ein Drehgelenk 12 geschwenkt
wird.
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Beide
Teileaufnahmen 10,11 umfassen sowohl mechanische
Anschläge 13,14 als
auch Spannelemente 15. Die mechanischen Anschlägen 13,14 weisen
zwei unterschiedliche Formen auf: Der erste mechanische Anschlag 13 in
der ersten Teileaufnahme 10 ist als dreidimensionale Anlagefläche 16 gestaltet.
Diese Anlagefläche 16 weist
eine Kontur auf, die bereichsweise an die Kontur des Bauteils 2 angepasst
ist, so dass das Bauteil 2 alleine durch Formschluss lagegenau
in der Teileaufnahme 10 positioniert ist. Diese Form des
mechanischen Anschlags 13 wird beispielsweise immer dann
gewählt,
wenn das Bauteil 2, wie hier der Längsträger 4, ein geschlossenes
Profil aufweist oder wenn es eine komplexe geometrische Form besitzt.
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Der
zweite mechanische Anschlag 14 in der zweiten Teileaufnahme 11 weist
eine andere Form auf: Er wird durch zwei Stifte 17 gebildet,
die aus der Ebene der Teileaufnahme 11 herausragen. Diese Stifte 17 durchdringen
entsprechende deckungsgleiche Ausnehmungen 18, die im Bauteil 3 vorgesehen sind.
Diese Ausnehmungen 18 können,
wie hier dargestellt, die Form einer Bohrung 19 und eines
Langlochs 20 besitzen. So können die Bauteile 3 in
der Richtung quer zur Schweißnaht 7 lagegenau
positioniert werden, wobei das Langloch 20 zusätzlich noch die
Möglichkeit
des Toleranzausgleichs in der Richtung parallel zur Schweißnaht 7 bietet.
Diese Form des mechanischen Anschlags 14 bietet sich vor
allem für
flache, blechartige Bauteile an, wie auch in der Zeichnung am Beispiel
des Bodenblechs 5 dargestellt. Neben den hier gezeigten
zwei Stiften 17 könnten
auch mehrere Stifte 17 vorgesehen werden. Weiterhin können die
Ausnehmungen 18 je nach Anwendungsfall eine andere Geometrie
aufweisen.
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Die
Spannelemente 15, die als Magnete 21 ausgeführt sind,
sind in die jeweiligen Teileaufnahmen 10,11 integriert.
Durch Drehung der zweiten Teileaufnahme 11 um das Drehgelenk 12 sind
die beiden Teileaufnahmen 10,11 gegeneinander
bewegbar. So kann die Spannvorrichtung 1 in zwei Stellungen
gebracht werden. In 1 ist
eine dieser Stellungen, die Bearbeitungsstellung 22 dargestellt.
In der Bearbeitungsstellung sind die Teileaufnahmen 10,11 so
zueinander angeordnet, dass die Bauteile 2,3 in dem
Verbindungsbereich 6, in dem die Schweißnaht 7 erzeugt werden
soll, aufeinander treffen. Dabei sind beim Laserschweißen hohe
Anforderungen an die Positioniergenauigkeit gestellt: Die Bauteile 2,3 müssen sehr
exakt zueinander positioniert werden, damit eine gute Nahtqualität erzielt
werden kann.
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Die
zweite Stellung, in welche die Spannvorrichtung 1 gebracht
werden kann, ist in 2 an
einem zweiten Ausführungsbeispiel
dargestellt. Dabei handelt es sich um die Positionierstellung 23.
In dieser Stellung sind die Teileaufnahmen 10,11 soweit voneinander
entfernt, dass beide Bauteile 2,3 separat in die
jeweilige Teileaufnahme 10 bzw. 11 eingelegt werden können. Dies
ist besonders wichtig, wenn das Einlegen der Bauteile 2,3 automatisiert
erfolgt. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die relative Bewegung der Teileaufnahmen 10,11 durch
eine andere mögliche
Maßnahme
gewährleistet:
Die zweite Teileaufnahme 11 kann durch Hubzylinder 24 entlang einer
Hubachse 25 nach oben und unten bewegt werden. Diese Hubzylinder 24 können je
nach Anwendungsfall pneumatisch oder hydraulisch ausgeführt werden.
Vorstellbar ist auch ein elektrisches Heben und Senken der Teileaufnahme 11.
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Das
Verfahren zum Bearbeiten der beiden Bauteile 2,3 mit
Hilfe der Spannvorrichtung 1 läuft nun in den folgenden Verfahrensschritten
ab:
Zunächst
wird die Spannvorrichtung 1 durch Bewegen der beiden Teileaufnahmen 10,11 relativ
zueinander bzw. der zweiten Teileaufnahme 11 um das Drehgelenk 12 in
die Positionierstellung 23 gebracht. Anschließend wird
das erste Bauteil durch Einlegen an die Anlagefläche 16 auf der ersten
Teileaufnahme 10 lagegenau ausgerichtet. Anschließend wird
das zweite Bauteil 3 auf der zweiten Teileaufnahme 11 mit Hilfe
von Bohrung 19 und Langloch 20 auf den Stiften 17 ausgerichtet.
Nach der Positionierung der Bauteile 2,3 erfolgt
deren Fixierung: Die Magnete 21 werden durch einen elektrischen
Strom eingeschaltet, so dass die Bauteile 2,3 unverschiebbar
auf den Teileaufnahmen 10,11 fixiert sind.
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Daraufhin
wird die Spannvorrichtung 1 durch einen der beiden oben
beschriebenen Mechanismen, durch Einschwenken oder vertikale Bewegung
der zweiten Teileaufnahme 11, in die Bearbeitungsstellung 22 gebracht.
Jetzt berühren
sich die Bauteile 2,3 im Verbindungsbereich 6 im Überlappstoß 9.
Im letzten Verfahrensschritt werden die Bauteile 2,3 durch einen
Laser 26 entlang einer Kehlnaht 8 miteinander verbunden.
Nach Beendigung des Schweißvorgangs können die
Magneten 21 durch Abstellen des Stroms wieder ausgeschaltet
werden und die Bauteile 2,3 können aus ihren Teileaufnahmen 10,11 entnommen und
weiter bearbeitet werden. Danach wird die Spannvorrichtung 1 wieder
in die Positionierstellung 23 gebracht und die nächsten Bauteile
können
eingelegt werden. So ist diese Spannvorrichtung 1 besonders
für die
Serienfertigung geeignet, bei der viele gleichartige Bauteile mit
hoher Präzision
zueinander positioniert und miteinander verbunden werden müssen.
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In 3 ist in einer Schnittansicht
eine weitere mögliche
Verwendung der Spannvorrichtung 1 dargestellt. Hier ist
eine alternative Ausführungsform der
Spannvorrichtung 1 in der Bearbeitungsstellung 22 dargestellt.
Die erste Teileaufnahme 10 ist gegenüber der zweiten Teileaufnahme 11 wiederum
durch Hubzylinder 24 entlang der Hubachse 25 absenkbar. Diesmal
ist die Spannvorrichtung 1 beziehungsweise die mechanischen
Anschläge 13,14 im
Unterschied zu den beiden vorausgegangen Beispielen derart dimensioniert,
dass in der Bearbeitungsstellung 22 die beiden Bauteile 2,3 in
ihrem Verbindungsbereich 6 einen Spalt 27 aufweisen
mit einer bestimmten Breite 28. Auch in diesem Beispiel
werden die Bauteile 2,3 anschließend mit
Hilfe eines Lasers 26 im Verbindungsbereich 6 miteinander
verbunden. Ein solcher Spalt 27 wird dann benötigt, wenn
wenigstens eines der beiden Bauteile 2,3 eine
Beschichtung 29 aus einem Zinkwerkstoff aufweist. Der Spalt 27 dient
dann dazu, die beim Laserschweißen
entstehenden Dämpfe
abzuführen,
ohne dass die Qualität
der Schweißnaht 7 beeinträchtigt wird.
Um beide Bauteile 2,3 über den Spalt 27 hinweg
verbinden zu können,
beträgt
seine Breite 28 dabei zwischen 0,1 und 0,3 mm, abhängig von
der Blechdicke. Der Spalt 27 kann auch erzeugt werden,
indem die Bauteile 2,3 durch die Magnetkraft der
Spannelemente 15 gegen zwei Festanschläge gezogen werden, deren Abstand genau
der gewünschten
Breite 28 des Spaltes 27 zuzüglich der Dicke der beiden
Bauteile 2,3 im Verbindungsbereich 6 entspricht.
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Das
Verfahren und die Spannvorrichtung sind nicht beschränkt auf
die dargestellten Ausführungsbeispiele.
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So
kann beispielsweise neben Stiften 17 und Anlageflächen 16 eine
andere Form der mechanischen Anschläge 13,14 gewählt werden,
beispielsweise eine dreidimensionale Formaufnahme oder eine zweidimensionale
linienförmige
Aufnahme.
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Neben
der vorgestellten Kehlnaht 8 im Überlappstoß 9 kann
für die
Schweißnaht 7 auch
eine andere Nahtgeometrie vorgesehen werden. Denkbar wäre beispielsweise
eine I-Naht am Überlappstoß.
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Ferner
kann die Relativbewegung zwischen den Teileaufnahmen 10,11 neben
den beiden oben vorgestellten auch durch andere Maßnahmen
erreicht werden. Möglich
sind hier z.B. Linearantriebe, Kniehebel, Schrittmotorantriebe sowie
mechanische Spindelantriebe.
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Das
Verfahren ist weiterhin nicht beschränkt auf die dargestellten Bauteilgeometrien.
Es können beliebige,
auch komplex geformte Bauteile mit der Spannvorrichtung 1 eingespannt
und miteinander verbunden werden.
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Neben
den beiden oben vorgestellten Stellungen 22,23 kann
die Spannvorrichtung 1 auch durchaus weitere Stellungen
einnehmen. Weiterhin ist es möglich,
mit der Spannvorrichtung 1 und dem Verfahren auch mehr
als zwei Bauteile einzuspannen und miteinander zu verbinden.
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Neben
dem dargestellten Verbinden der beiden Bauteile mittels Laserschweißen können das Verfahren
und die Spannvorrichtung auch eingesetzt werden, um die Bauteile
zu anderen Zwecken lagegenau zueinander zu fixieren. Denkbar wären da beispielsweise
Messverfahren oder eine gemeinsame spanende Bearbeitung beider Bauteile.