DE202016008661U1 - Vorrichtung zur Herstellung eines Spulenkörpers und mittels dieser hergestellter Spulenkörper - Google Patents

Vorrichtung zur Herstellung eines Spulenkörpers und mittels dieser hergestellter Spulenkörper Download PDF

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Abstract

Vorrichtung mit einem Ultraschallgenerator (32) und einer mit diesem verbundenen Resonanzeinheit (31) zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in hochfrequente mechanische Schwingungen, an deren vorderen Ende ein Werkzeughalter (40) zur Aufnahme eines Werkzeugs (42) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (40) senkrecht zur Ebene der Schwingungen angeordnet ist und das Werkzeug (42) einen Formstempel (44) zur Erzeugung eines Niets aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Spulenkörpers und einen mittels dieser hergestellten Spulenkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für die Vorrichtung und gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 für einen mittels einer derartigen Vorrichtung hergestellten Spulenkörpers.
  • Ein der Anmelderin als interner Stand der Technik bekannter Spulenkörper weist einen aus einem thermoplastisch verformbaren Kunststoffmaterial bestehenden Spulenkern mit an einer Stirnseite vorspringenden Domen auf. Die Dome werden durch Bohrungen in einem aus Metall bestehenden Deckel hindurchgeführt, mit Hilfe von pulsgeheizten Stempeln auf Schmelztemperatur erhitzt und anschließend durch Andrücken verformt, so dass dabei sich über die obere Deckfläche des Deckels hinaus erstreckende linsenförmige Nietköpfe gebildet werden. Aufgrund der Heißverformung weisen die Nietköpfe häufig eine schlechte Oberflächenqualität auf. Das Werkzeug neigt zum Verkleben mit geschmolzenem Kunststoffmaterial und muss daher häufiger gereinigt werden. Der Energieaufwand zum Erzeugen der Schmelzwärme ist bei diesem bekannten Verfahren beträchtlich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und einen durch diese hergestellten Spulenkörper anzugeben, mittels denen eine saubere, prozesssichere und kostengünstige Verbindung zwischen Spulenkern und Deckel erzielbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 5 und für den Spulenkörper durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils darauf bezogenen Unteransprüchen angegeben.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird eine äußerst prozesssichere Herstellung mit deutlich kürzeren Taktzeiten ermöglicht. Hierfür ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der wenigstens eine Dom mittels wenigstens eines durch einen Ultraschallgenerator in Schwingungen versetzbaren Werkzeugs in einen plastisch verformbaren Zustand gebracht und anschließend durch Aufbringen eines Drucks mittels desselben Werkzeugs zu einem Niet verformt wird. Das Werkzeug erzeugt erfindungsgemäß eine gleichmäßige glatte Oberfläche des Nietkopfes. Durch das nicht erforderliche Aufheizen des Werkzeugs wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine erhebliche Energieeinsparung erzielt. Aufgrund der relativ kalten Verformung des Nietkopfes bleibt kein Kunststoffmaterial am Werkzeug hängen, so dass auch dessen Reinigungszeiten wegfallen.
  • Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass das relativ kalte Werkzeug den Niet beim Aufbringen des Drucks und in der Phase danach rasch abgekühlt und dadurch den Nietkopf schnell in einen stabilen festen Zustand überführt. Es entsteht dabei eine qualitativ äußerst hochwertige Verbindung, die nahezu spaltfrei und spielfrei ist, da das kalte Nietwerkzeug den verschmolzenen Nietkopf unter Druck abkühlen lässt. Zusätzlich werden die Taktzeiten gegenüber einer Heißverformung erheblich verkürzt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die vom Ultraschallgenerator erzeugten Schwingungen und die Richtung des Aufbringens des Drucks auf das Werkzeug senkrecht zueinander angeordnet. Die Schwingungen können dabei in einer Ebene oszillierend, rotierend oder durch eine Überlagerung beider Bewegungsformen, d. h. oszillierend und rotierend, ausgeführt werden.
  • Die Amplitude der Ultraschall-Schwingungen beträgt vorteilhaft etwa zwischen 10 und 40 µm. Die Frequenz der Ultraschall-Schwingungen beträgt vorteilhaft etwa 20 kHz.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Ultraschallgenerator und eine mit diesem verbundene Resonanzeinheit zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in hochfrequente mechanische Schwingungen auf, an deren vorderen Ende ein Werkzeughalter zur Aufnahme eines Werkzeugs angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Werkzeughalter senkrecht zur Ebene der Schwingungen angeordnet ist und das Werkzeug einen Formstempel zur Erzeugung eines Niets aufweist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit nur ein einziges Werkzeug für das Aufweichen des Kunststoffmaterials in einen plastisch verformbaren Zustand und für das Umformen vorgesehen.
  • Besonders vorteilhaft ist dabei eine Vorrichtung, bei der senkrecht zur Ebene der Ultraschall-Schwingungen eine auf die Resonanzeinheit einwirkende Vorrichtung zur Druckerzeugung angeordnet ist. Mittels dieser Vorrichtung kann der auf den Kunststoff-Dom wirkende Druck während der Aufweichung mittels der Ultraschall-Schwingungen sowie beim anschließenden Verformen zu einem Niet und beim Abkühlen des fertigen Niets in einer unterschiedlichen Intensität gesteuert werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der Vorrichtung sieht vor, dass senkrecht zur Ebene der Schwingungen ein um eine Achse drehbar gelagerter Amboss zur drehfesten Aufnahme eines Spulenkörpers vorgesehen ist. Der Spulenkörper wird von einem Spulenkern und einem als Rückschlusskörper dienenden Deckel gebildet. Der Spulenkern weist wenigstens einen vorspringenden Dom auf, der in eine dazu passende Bohrung des Deckels einführbar ist. Durch das Drehen des Amboss können nacheinander mehrere, konzentrisch zur Achse angeordnete Dome mittels des Werkzeugs zu einem Niet verformt werden.
  • Ein erfindungsgemäßer Spulenkörper, der insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt ist, weist einen Spulenkern aus thermoplastisch verformbaren Kunststoffmaterial und einen Deckel aus einem anderen Material, beispielsweise aus einem Metall, auf. Der Spulenkern hat wenigstens einen an einer Stirnseite vorspringenden Dom und der Deckel hat wenigstens eine Bohrung zur wenigstens teilweisen Aufnahme des Doms. Der Dom wird in einen plastisch verformbaren Zustand gebracht und anschließend durch Aufbringen eines Drucks zu einem Niet verformt. Beim erfindungsgemäßen Spulenkörper wird der Dom energiesparend durch von einem Ultraschallgenerator erzeugte Schwingungen in den plastisch verformbaren Zustand gebracht und mittels eines mit dem Ultraschallgenerator verbundenen Werkzeugs senkrecht zur Ebene der Schwingungen zu einem Niet verformt.
  • Der Niet weist bevorzugt einen ringförmig aufgewölbten Rand und eine zentrale Vertiefung auf. Die Vertiefung korrespondiert dabei zu einer vorspringenden Kuppe am Werkzeug und der aufgewölbte Rand korrespondiert zu einer die Kuppe umgebenden Ringmulde am Werkzeug.
  • Besonders bevorzugt ist der Niet beim erfindungsgemäßen Spulenkörper bündig zur äußeren Oberfläche des Deckels angeordnet, so dass der Spulenkörper keine vorspringenden Teile aufweist.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Dichtelements näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    • 2 eine Draufsicht auf einen Deckel der Spule mit fertig geformten Nieten, und
    • 3 eine perspektivische Ansicht eines für die Herstellung besonders geeigneten Werkzeugs.
  • Ein in der 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 weist einen Ultraschall-Generator 32 und eine Resonanzeinheit 31 auf. Die Resonanzeinheit 31 wird gebildet von einem Konverter 34, einem von einem Gehäuse 37 umgebenen Booster 36 und einer Sonotrode 38, die auf einer gemeinsamen Achse 39 angeordnet sind.
  • Der Ultraschall-Generator 32 generiert aus einer eingehenden Netzspannung UE eine hochfrequente elektrische Hochspannung mit einer Spannung von beispielsweise 1000 V und einer Frequenz von beispielsweise 20 kHz.
  • Die Resonanzeinheit 31 dient zur Umwandlung der im Ultraschall-Generator 32 erzeugten elektrischen Schwingungen in hochfrequente mechanische Schwingungen gleicher Frequenz. Die Amplitude A der parallel zur Achse 39 oszillierenden Schwingungen beträgt bevorzugt etwa 10 bis 40 µm. Alternativ oder ergänzend zu den Schwingungen parallel zur Achse 39 können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 30 auch rotierende oder durch Überlagerung einer Rotation und einer oszillierenden Bewegung erzeugte Schwingungen erzeugt werden.
  • An der Sonotrode 38 ist ein Werkzeughalter 40 vorgesehen, der zur Aufnahme eines Werkzeugs 42 dient. Werkzeughalter 40 und Werkzeug 42 sind senkrecht zur Achse 39 der Resonanzeinheit 31 angeordnet.
  • Zur Vorrichtung 30 gehört weiterhin eine Vorrichtung zur Druckerzeugung 50, die beispielsweise als Pneumatik-Stempel ausgebildet ist und senkrecht zur Achse 39 beispielsweise auf das Gehäuse 37 des Booster 36 einwirkt.
  • Auf Höhe des Werkzeughalters als 40 ist ein Amboss 60 vorgesehen, der zur drehfesten Aufnahme eines Spulenkörpers 18 dient. Der Spulenkörper 18 wird von einem Spulenkern 11 und einem Deckel 16 gebildet. Der Amboss 60 weist eine Achse 22 auf, die senkrecht zur Achse 39 der Resonanzeinheit 31 angeordnet ist. Der Amboss ist mittels eines nicht dargestellten Antriebs um die Achse 22 drehbar.
  • Das Werkzeug 42 ist im Detail in 3 dargestellt. Es weist an seinem hinteren Ende eine besonders bevorzugt in Form eines Konus ausgebildete Werkzeugaufnahme 48 zur Fixierung am Werkzeughalter 40 auf. Daran schließt sich im Mittelteil ein Schaft 46 an, der im vorderen Bereich in einen Formstempel 44 übergeht.
  • Der Formstempel 44 weist einen außen liegenden kragenförmigen Rand 441, eine zentral angeordnete erhabene Kuppe 443 und dazwischen liegend eine vertiefte Ringmulde 442 auf.
  • In 2 ist eine Stirnseite einer Spule 10 mit einem Spulenkörper 18 dargestellt. Der Spulenkörper 18 wird, wie besser aus 1 ersichtlich, von einem Spulenkern 11 und einem Deckel 16 gebildet. Der Deckel 16 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 2 drei Bohrungen 17 auf, in welche drei vorspringende zylindrische Dome 12 des Spulenkerns 11 eingeführt sind.
  • Es versteht sich für den Fachmann, dass die Dome 12 und die Bohrungen 17 hierzu auf konzentrischen Kreisbahnen in einem gleichmäßigen Abstand von beispielsweise 120° angeordnet sind und einen Durchmesser aufweisen, der eine Aufnahme der Dome 12 in die Bohrungen 17 erlaubt.
  • Der Deckel 16 weist ferner Aussparungen für zwei Anschlüsse 20 auf, die als Klemme, Buchse oder Stecker ausgebildet sind und zur elektrischen Kontaktierung der Spule 10 dienen.
  • Zum Zusammenfügen des Spulenkerns 11 mit dem Deckel 16 werden die Dome 12 in die Bohrungen 17 eingeführt und der Spulenkern 11 mit dem Deckel 16 in die Aufnahme am Amboss 60 eingelegt.
  • Der Amboss 60 wird dann längs der Achse 22 soweit auf das Werkzeug 42 zugefahren, dass einer der Dome 12 in Kontakt mit dem Werkzeug 42 gerät.
  • Anschließend wird der Ultraschall-Generator 32 betätigt, wobei über die Sonotrode 38 das Werkzeug 42 auf der Oberfläche des Doms 12 eine oszillierende Bewegung erzeugt. Die hochfrequenten mechanischen Schwingungen der Sonotrode 38 bewirken, dass mittels des Werkzeugs 42 im thermoplastisch verformbaren Werkstoff des Doms 12 eine Molekular- und Grenzflächenreibung im Bereich der Fügezone entsteht. Dabei entsteht die für eine Umformung des Doms 12 zu einem Niet 14 erforderliche Wärme und das Material wird dadurch plastifiziert.
  • Wenn dieser Zustand erreicht ist, wird mittels der Vorrichtung zur Druckerzeugung 50 das Werkzeug 42 in 1 nach rechts gegen den Kopf des Doms 12 gedrückt, wobei der Rand 441, die Ringmulde 442 und die Kuppe 443 am Formstempel 44 den Dom 20 zu einem Niet 14 verformen. Der fertige Niet 14 weist eine zum Formstempel 44 korrespondierende komplementäre Form mit einer von der Kuppe 443 erzeugten zentralen Vertiefung und einer der Ringmulde 442 entsprechenden ringförmigen Wulst auf. Der Niet 14 schließt dabei bevorzugt bündig mit der äußeren Oberfläche des Deckels 16 ab.
  • Nach der Ultraschall-Einwirkung wird der Niet 14 durch das relativ kalte Werkzeug 42 rasch abgekühlt und geht dadurch schnell vom plastischen in den festen Zustand über.
  • Durch zweimaliges Weiterdrehen des Amboss 60 um jeweils 120° können anschließend auch die weiteren beiden Dome 12 mittels der Vorrichtung 30 zu einem Niet 14 verformt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Spule
    11
    Spulenkern
    12
    Dom
    14
    Niet
    16
    Deckel (Rückschlusskörper)
    17
    Bohrung
    18
    Spulenkörper
    20
    Anschluss (Klemme, Buchse oder Stecker)
    22
    Achse
    30
    Vorrichtung
    31
    Resonanzeinheit
    32
    Ultraschall-Generator
    34
    Konverter
    36
    Booster
    37
    Gehäuse
    38
    Sonotrode
    39
    Achse (von 31)
    40
    Werkzeughalter
    42
    Werkzeug
    44
    Formstempel
    441
    Rand
    442
    Ringmulde
    443
    Kuppe
    46
    Schaft
    48
    Werkzeugaufnahme
    50
    Vorrichtung zur Druckerzeugung (Pneumatik-Stempel)
    60
    Amboss (Spulenhalter)
    UE
    Eingangsspannung
    A
    Amplitude

Claims (6)

  1. Vorrichtung mit einem Ultraschallgenerator (32) und einer mit diesem verbundenen Resonanzeinheit (31) zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in hochfrequente mechanische Schwingungen, an deren vorderen Ende ein Werkzeughalter (40) zur Aufnahme eines Werkzeugs (42) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (40) senkrecht zur Ebene der Schwingungen angeordnet ist und das Werkzeug (42) einen Formstempel (44) zur Erzeugung eines Niets aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht zur Ebene der Schwingungen eine auf die Resonanzeinheit (31) einwirkende Vorrichtung zur Druckerzeugung (50) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht zur Ebene der Schwingungen ein um eine Achse (22) drehbar gelagerter Amboss (60) zur Aufnahme eines Spulenkörpers (18) vorgesehen ist.
  4. Spulenkörper (18), insbesondere hergestellt mittels einer Vorrichtung gemäß den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 3, mit einem Spulenkern (11) aus Kunststoffmaterial und einem Deckel (16), wobei der Spulenkern (11) wenigstens einen an einer Stirnseite vorspringenden Dom (12) und der Deckel (16) wenigstens eine Bohrung (17) zur wenigstens teilweisen Aufnahme des Doms (12) aufweist, und wobei der Dom (12) in einen plastisch verformbaren Zustand gebracht und anschließend durch Aufbringen eines Drucks zu einem Niet (14) verformt wird , dadurch gekennzeichnet, dass der Dom (12) durch von einem Ultraschallgenerator (32) erzeugte Schwingungen in den plastisch verformbaren Zustand gebracht und mittels eines mit dem Ultraschallgenerator (32) verbundenen Werkzeugs (42) senkrecht zur Ebene der Schwingungen zu einem Niet (14) verformt wird.
  5. Spulenkörper (18) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Niet (14) einen ringförmig aufgewölbten Rand (441) und eine zentrale Vertiefung aufweist.
  6. Spulenkörper (18) nach Anspruch 5 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Niet (14) in der Bohrung (17) bündig zur Oberfläche des Deckels (16) angeordnet ist
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