EP0876861A1

EP0876861A1 - Apparatus and method for joining metal sheets

Info

Publication number: EP0876861A1
Application number: EP98108032A
Authority: EP
Inventors: Prof. Dr.-Ing.; Hahn Ortwin; Dipl.-Ing.; Schulte Axel
Original assignee: Hahn Ortwin Prof Dr-Ing
Current assignee: Hahn Ortwin Prof Dr-Ing
Priority date: 1997-05-05
Filing date: 1998-05-02
Publication date: 1998-11-11
Also published as: DE19718576A1

Abstract

The arrangement has a stamp (6), a holder (8) and/or stripper, a matrix (10) and a drive for moving the stamp and holder. One or more jointing stamps, holders and/or matrixes are controlled and/or regulated in their movement and/or force in at least one direction via an actuator (50) with regulating devices (70,72). The movement and/or the force of the actuator are monitored by a sensor arrangement (60,74), which also monitors the holder. The sensor data are evaluated electronically (80) to produce a control signal for the actuator.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für mechanische Fügetechniken.The invention relates to a device for mechanical joining techniques.

Mechanische Fügetechniken wie beispielsweise die Stanzniet- und Durchsetzfügetechnik gewinnen im Leichtbau von Karosserien, Maschinen und sonstigen aus Einzelteilen zusammengesetzten Geräten und Gegenständen gegenüber dem bisher weit verbreiteten Widerstandspunktschweißen immer mehr an Bedeutung, denn sie erfüllen die Anforderungen hinsichltlich Reproduzierbarkeit der Verbindungsqualität, einfacher Handhabung und Automatisierbarkeit.Mechanical joining techniques such as punch riveting and clinching win in the lightweight construction of car bodies, machines and other components Devices and objects compared to the previously widely used resistance welding more and more important because they meet the requirements Regarding reproducibility of the connection quality, simple handling and automatability.

Das Durchsetzfügen gewinnt zunehmend an Bedeutung, da es mit diesem Verfahren möglich ist, Bleche ohne die Verwendung zusätzlicher Hilfsfügeteile zu verbinden. Beim Durchsetzfügen werden die Fügeelemente unmittelbar aus dem Werkstoff bzw. den Werkstoffen der zu verbindenden Bleche gebildet. Durch einen lokalen Umformgang mit einem genau aufeinander abgestimmten Stempel- und Matrizenpaar entsteht eine kraft- und formschlüssige Verbindung. Bei den Durchsetzfügeverfahren kann man unterscheiden zwischen Durchsetzfügen mit Schneidanteil und ohne Schneidanteil und Fügevorgängen mit einstufigen oder mehrstufigen Schritten. Beispielhafte Fachbegriffe für Durchsetzfügeverfahren sind S- oder H-druckfügen, stitchen, punktfügen, Lance-N-loc, clinchen, O- oder R-druckfügen, Tog-L-loc, toxen, oder Spot-clinchen.Enforcement joining is becoming increasingly important because it is possible with this method is to connect sheets without the use of additional auxiliary joining parts. When enforcing the joining elements are made directly from the material or materials of the sheets to be joined. Through a local forming process with a precise a matched pair of punches and dies creates a positive and positive fit Connection. A distinction can be made between clinching methods with cutting portion and without cutting portion and joining processes with one-step or multilevel steps. Exemplary technical terms for clinching methods are S or H-pressure joining, stitching, point joining, Lance-N-loc, clinching, O- or R-pressure joining, Tog-L-loc, toxen, or spot-clinching.

Das Stanznieten eignet sich für Anwendungen in für das Widerstandspunktschweißen schwierigen Materialien wie beispielsweise lackierten oder beschichteten Blechen oder für Verbindungen von unterschiedlichen Materialien, wie Stahl/Aluminium. Weitere Vorteile des Stanznietens sind geringe schädliche Emissionen wie Qualm oder Lärm sowie der prozeßbedingt geringe Energieverbrauch. Beim Stanznieten wird ein Hilfsfügeteil, wie beispielsweise ein Vollniet oder Halbhohlniet, gleichzeitig als Schneidstempel verwendet. Somit können Bleche ohne vorheriges Vorlochen miteinander verbunden werden. Im Verfahrensablauf des Stanznietens erhält das Hilfsfügeteil typischerweise im plastisch durch die Matrize umgeformten Werkstoff der zu vernietenden Teile über eine Kragenbildung seinen Schließkopf. Der aus dem oberen Blech ausgestanzte Butzen füllt dabei den hohlen Nietschaft auf und wird dort so umgeformt, daß er dicht herausfallen kann.Punch riveting is suitable for applications in difficult for spot welding Materials such as painted or coated sheet metal or for connections of different materials, such as steel / aluminum. Other advantages of Punch rivets are low harmful emissions such as smoke or noise as well as process-related low energy consumption. In punch riveting, an auxiliary joining part, such as a full rivet or semi-hollow rivet, also used as a cutting punch. So you can Sheets can be connected without pre-punching. In the course of the Punch riveting typically receives the auxiliary joining part plastically formed by the die Material of the parts to be riveted through a collar forming its closing head. Of the Slug punched out of the upper sheet fills the hollow rivet shaft and becomes reshaped there so that it can fall out tightly.

Bei beiden beschriebenen Verfahren, ist es bekannt, neben dem Stempel zum Stanznieten und Durchsetzfügen einen mit Federkraft beaufschlagten Niederhalter einzusetzen. Der Niederhalter wird zusammen mit dem Stempel auf die Fügeteile zugefahren, aufgesetzt, durch die Federkraft auf dem Fügeteil gehalten und zusammen mit dem zurückfahrenden Stempel wieder abgehoben. Bei zu geringen Niederhalterkräften kann beispielsweise ein Verzug der Fügeteile auftreten, zu hohe Niederhalterkräfte können im Extremfall aber auch Fügeteile und Werkzeuge beschädigen. Da die Niederhalter regelmäßig durch Federn kraftbeaufschlagt sind, unterliegt ihre Kraft, die sie auf das oder die Fügeteile aufbringen, einer linearen Beziehung oder zumindest einer Beziehung, die durch eine einzige mathematische Beziehung beschreibbar ist. Während des Fügevorgangs besteht keine Möglichkeit, einen Einfluß auf die Niederhaltekraft auszuüben. Durch den Austausch von Federn kann das Kraftverhalten des Niederhalters verändert werden, es bleibt jedoch bei einem linearen Kraftverlauf der Federkennlinie. Auch ist es bekannt, eine Setzeinheit für ein Fügesystem mit einem hydraulischen Antrieb für die Niederhalterkraft zu vesehen, wobei die Antriebskraft jedoch zeitlich konstant ohne jede Regelung aufgebracht wird.In both methods described, it is known, in addition to the punch for punch riveting and Assert a hold-down device loaded with spring force. The hold-down is moved together with the stamp on the parts to be joined, placed by the Spring force is held on the part to be joined and together with the retracting punch lifted off again. If the hold-down forces are too low, a delay in the Joined parts occur, but in extreme cases, hold-down forces that are too high can also be joined parts and damage tools. Because the hold-down device is regularly acted upon by springs are, their force, which they exert on the joining part or parts, is subject to a linear one Relationship or at least a relationship created by a single mathematical relationship is writable. During the joining process there is no way to influence the Hold down force. By exchanging springs, the force behavior of the Hold-down device can be changed, but it remains with a linear force curve of the spring characteristic. It is also known to have a setting unit for a joining system with a hydraulic To provide drive for the hold-down force, but the driving force is constant over time is applied without any regulation.

Bei den mechanischen Fügetechniken ergibt sich insbesondere im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen der Nachteil, daß die mechanischen Fügetechniken nicht in alle Belastungsrichtungen eine ausreichende Festigkeit aufweisen. Wünschenswert ist es insbesondere, die Werte für die Halsdicke und den Hinterschnitt der mechanischen Fügeverbindungen zu verbessern. Je nach Ausgestaltung der mechanischen Fügeverbindung, den zusammengefügten Teilen, der Geometrie der Fügeverbindung und der Teile, der eingesetzten Werkstoffe, der Aufnahme von Belastungen der Fügeteile oder anderen Einflußgrößen kann diese in einzelnen Belastungsrichtungen, wie beispielsweise Kopfzug, Schwächen aufweisen. Bisher wurde versucht, die Festigkeitroptimierung durch Variation der Werkzeuggeometrien beim Durchsetzfügen und Stanznieten und der Nietgeometrie und -härte beim Stanznieten voranzutreiben. Die diesbezüglichen Optimierungen haben jedoch nicht in vollem Umfang ausgereicht, für alle Anwendungen eine ausreichende Festigkeit von mechanischen Fügeverbindungen sicherzustellen.Mechanical joining techniques result in particular in comparison to resistance spot welding the disadvantage that the mechanical joining techniques are not in all Load directions have sufficient strength. It is particularly desirable the values for the neck thickness and the undercut of the mechanical joint connections to improve. Depending on the design of the mechanical joint connection, the assembled parts, the geometry of the joint and the parts, the used Materials, the absorption of loads on the parts to be joined or other influencing factors can weaknesses in individual load directions, such as pulling the head exhibit. So far, attempts have been made to optimize the strength by varying the tool geometries when pushing through and punch riveting and the rivet geometry and hardness when To drive punch rivets. However, the optimizations in this regard have not been fully Sufficiently sufficient, sufficient strength of mechanical for all applications Ensure joint connections.

Es ist deshalb Aufgabe der Vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zu schaffen, die es bei mechanischen Fügetechniken ermöglicht, die Festigkeit der Fügeverbindung in bestimmten Belastungsrichtungen zu erhöhen.It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and a method create the strength of the joint connection in mechanical joining techniques to increase in certain load directions.

Die Aufgabe wird gelöst, indem ein oder mehrere Fügestempel, Niederhalter und/oder Matrizen in ihrer Bewegung und/oder Kraft in zumindest einer Richtung über einen Aktor mittels Regelvorrichtungen steuer- und/oder regelbar sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Merkmalen der Unteransprüche beschrieben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das entsprechende Verfahren erlauben es, eine Fügestempel-, eine Niederhalter- und/oder Matrizenkraft nach beliebig vielen mathematischen Beziehungen aufzubringen. Durch eine Steuerung und Regelung des Fügestempels, der Niederhalter und/oder Matrizenkraft kann die Materialbewegung der Füge- und Hilfsfügeteile positiv beeinflußt und dadurch eine Vergrößerung der Halsdicke und des Hinterschnitts als wichtige Einflußgrößen für die erzielte Festigkeit einer mechanischen Fügeverbindung erreicht werden. Durch eine gesteuerte oder geregelte Fügestempel-, Niederhalter- bzw. Matrizenkraft kann zudem das stempel- oder matrizenseitige Nachführen von Material beeinflußt und dadurch zusätzlich die Qualität der Festigkeit einer mechanischen Fügeverbindung positiv beeinflußt werden. Auch ist es möglich, die Aufgabe durch Werkzeuge zu lösen, die während des Fügevorgangs einen Bewegungsimpuls erzeugen und dadurch gezielt Material in den Bereich der Fügestelle nachführen.The object is achieved by one or more joining dies, hold-down devices and / or Matrices in their movement and / or force in at least one direction via an actuator can be controlled and / or regulated by means of regulating devices. Further advantageous configurations the invention are described in the features of the subclaims. The invention Apparatus and the corresponding method allow a die, a Hold-down and / or die force after any number of mathematical relationships to apply. By controlling and regulating the die, the hold-down and / or die force, the material movement of the joining and auxiliary joining parts can be positive influenced and thereby an increase in the neck thickness and the undercut as important Influencing factors for the strength achieved of a mechanical joint connection achieved will. Through a controlled or regulated joining punch, hold-down or die force can also affect the stamp or die-side tracking of material and thereby additionally the quality of the strength of a mechanical joint connection positive to be influenced. It is also possible to solve the task using tools that during of the joining process generate a movement impulse and thereby targeted material in the Adjust the area of the joint.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: eine vereinfachte Darstellung einer dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtung zum Durchsetzfügen sowie deren Arbeitsablauf,
Figur 2: eine vereinfachte Darstellung einer dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtung zum Stanznieten sowie deren Arbeitsablauf,
Figur 3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchsetzfügen,
Figur 4: eine vorteilhafte Ausgestaltung der Niederhalter- und Stempelkräfte beim Durchsetzfügen,
Figur 5: eine vorteilhafte Ausgestaltung der Niederhalter- und Stempelkraft beim Stanznieten,

The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. Show it:

Figure 1: a simplified representation of a device according to the prior art for clinching and its workflow,
Figure 2: a simplified representation of a prior art device for punch riveting and its workflow,
Figure 3: 1 shows a schematic representation of a device for clinching according to the invention,
Figure 4: an advantageous embodiment of the hold-down and punch forces during clinching,
Figure 5: an advantageous embodiment of the hold-down and punch force during punch riveting,

In Figur 1 a) ist ein oberes Fügeteil 2 und ein unteres Fügeteil 4 zu erkennen, die zur Herstellung einer mechanischen Fügeverbindung, im gezeigten Beispiel für eine Durchsetzfügeverbindung, aufeinander in einer Vorrichtung zum Durchsetzfügen liegen. Ein Fügestempel 6 befindet sich zusammen mit einem zugehörigen Niederhalter 8 in seiner Ausgangsposition oberhalb der Fügeteile 2, 4. Unter den Fügeteilen 2, 4 befindet sich eine Matrize 10 in der Ausgangsstellung. Der Matrize 10 ist außerdem ein Abstreifer 12 zugeordnet. Beim Durchsetzfügevorgang (1 b) - d)) fährt der Fügestempel 6 nach unten, nimmt dabei den Niederhalter 8 mit, setzt auf die Oberfläche des oberen Fügeteils 2 auf, drückt dieses in seinem Wirkbereich zusammen mit dem unteren Fügeteil 4 nach unten in den Freiraum der Matrize 10 hinein (Figur 1 b)), drückt das Material des unteren Fügeteils 4 in den Ringkanal 14 hinein (Figur 1c)), um dann zusammen mit dem Niederhalter 8 wieder hochzufahren in die Ausgangsposition (Figur 1d)). Die Matrize 10 wird entweder nach unten bewegt oder die nun verbundenen Fügeteile 2, 4 werden aus der Matrize 10 ausgehoben. Die Durchsetzfügeverbindung ist fertig hergestellt. Insbesondere beim Vergleich der Figuren 1 b) und 1 c) ist zu erkennen, daß die aus dem Stand der Technik bekannten Federn zur Übertragung der Niederhaltekraft auf den Niederhalter 8 zu Beginn des Durchsetzfügevorgangs (Figur 1 b)) nur eine relativ geringe Kraft auf den Niederhalter 8 aufbringen, während die von den Federn 16 aufgebrachte Niederhaltekraft zum Ende des Durchsetzfügevorgangs ihr Maximum erreichen. In Figure 1 a), an upper joining part 2 and a lower joining part 4 can be seen, which are used for the production a mechanical joining connection, in the example shown for a clinching connection, lie one on top of the other in a device for clinching. A die 6 is in its starting position together with an associated hold-down 8 Above the joining parts 2, 4. Below the joining parts 2, 4 there is a die 10 in the Starting position. A stripper 12 is also assigned to the die 10. During the clinching process (1 b) - d)) the die 6 moves down, taking the hold-down 8 with, sits on the surface of the upper joining part 2, presses it into his Area of action together with the lower joining part 4 down into the free space of the die 10 (Figure 1 b)), presses the material of the lower joining part 4 into the annular channel 14 into (Figure 1c)), in order to then move up together with the hold-down 8 in the Starting position (Figure 1d)). The die 10 is either moved down or the now connected joining parts 2, 4 are lifted out of the die 10. The clinching connection is finished. Especially when comparing Figures 1 b) and 1 c) is too recognize that the springs known from the prior art for transmitting the Hold-down force on the hold-down 8 at the start of the clinching process (FIG. 1 b)) apply only a relatively small force to the hold-down 8, while that of the Springs 16 applied hold-down force at the end of the clinching process its maximum to reach.

Ähnlich ist die in Figur 2 gezeigte Vorrichtung zum Stanznieten. Auch hier finden sich ein oberes Fügeteil 2, ein unteres Fügeteil 4, ein Fügestempel 6, ein Niederhalter 8, eine Matrize 10 und zusätzlich ein Nietelement 18. Das Nietelement 18 wird vom Stempel 6 zunächst in das obere Fügeteil 2 hineingedrückt (Figur 2b)), bis es dieses durchschnitten hat und in das Material des unteren Fügeteils 4 eindringt (Figur 2 c)). Im Verlauf des Eindringens in die Fügeteile 2, 4 weitet sich der Schaft des Nietelements 18 auf und hinterschneidet das zuvor durchdrungene Material der oberen und unteren Fügeteile 2, 4. In Figur 2 d) ist die fertige Stanznietverbindung zu sehen. Während des Stanznietvorganges wird der Niederhalter 8 auf nicht näher dargestellte Weise von der Kraft F(NH) auf die Oberfläche des oberen Fügeteils 2 gedrückt.The device for punch riveting shown in FIG. 2 is similar. There are also here upper joining part 2, a lower joining part 4, a joining punch 6, a hold-down 8, one Die 10 and additionally a rivet element 18. The rivet element 18 is removed from the punch 6 first pressed into the upper joining part 2 (FIG. 2b)) until it has cut through it and penetrates into the material of the lower joining part 4 (FIG. 2 c)). In the course of penetration into the joining parts 2, 4 the shaft of the rivet element 18 widens and undercuts the previously penetrated material of the upper and lower joining parts 2, 4. In figure 2 d) the finished punch rivet connection can be seen. During the punch riveting process Hold-down 8 in a manner not shown from the force F (NH) to the surface of the upper joining part 2 pressed.

In Figur 3 ist nun eine Vorrichtung zum Durchsetzfügen zu sehen, die in erfinderischer Weise verbessert ist. Sie kann aber in leicht abgewandelter Weise auch zum Stanznieten eingesetzt oder an sonstige mechanische Fügetechniken angepaßt werden. In der beschriebenen Ausführung ist als Aktor 50 ein hydraulischer Antrieb mit zwei Zylinderräumen 52 und 54, bei dem beispielsweise eine Kolbenstange 56 die Niederhalterbewegung und eine Kolbenstange 58 die Stempelbewegung bewirkt, vorhanden. Als Aktor 50 können erfindungsgemäß aber auch elektromotorische, pneumatische oder andere Antriebsmittel eingesetzt werden. Auch kann die Ausgestaltung des hydraulischen Antriebs von der beschriebenen Ausführung abweichen. Die Erläuterung anhand des beschriebenen hydraulischen Antriebs ist also nur als beispielhaft zu verstehen. Durch die voneinander getrennten Zylinderräume 52, 54 des Aktors 50 können die Bewegungen de Niederhalters 8 und des Fügestempels 6 unabhängig voneinander gesteuert werden. Die Bewegung der Kolbenstangen 56, 58 wird von einer geeigneten Sensorik 60, beispielsweise Wegsensoren, unabhängig voneinander gemessen. Die Bewegung des Niederhalters 8 wird durch die Befüllung und Entleerung des Druckraumes im Zylinderraum 54 mit einer hydraulisch wirkenden Flüssigkeit, wie einem Hydrauliköl, bewirkt. Die Befüllung und Entleerung des Zylinderraums 54 wird über die Leitungen 62 vom Hydraulikventil 64 gesteuert. In gleicher Weise wird die Bewegung des Fügestempels 6 über die Befüllung und Entleerung des Zylinderraums 52 über die Leitungen 66 und das Hydraulikventil 68 bewirkt. Die Hydraulikventile 64, 68 können als einfache Ventile oder auch als Broportionalventile ausgebildet sein. Die Hydraulikventile 64, 68 verfügen über jeweils eine integrierte oder separate Regelungsvorrichtung 70, 72, die mittels einer integrierten Sensorik 74 die Druckverhältnisse ermitteln und die Zufuhr der hydraulisch wirkenden Flüssigkeit zu den Zylinderräumen 52, 54 über die Hydraulikventile 64, 68 regeln. Wenn die Regelungsvorrichtungen nicht über eine Sensorik 74 verfügen und auch nicht an eine Auswertelektronik 80 angeschlossen sind, so ist es möglich, die Hydraulikventile 64, 68 über reine Memory-Programme ohne begleitende Kontrolle des Fügeprozesses durch die Regelungsvorrichtungen 70, 72 zu steuern. Für einfachere Anwendungen, die nicht eine höchste Verbindungsqualität verlangen, kann auch schon eine solch vergleichsweise einfache Vorrichtung durchaus zufriedenstellende Resulte liefern. Für Fügeverbindungen, die höhere Ansprüche erfüllen sollen, kann die Zufuhr der hydraulisch wirkenden Flüssigkeit für die Verfahrwege und Kräfte des Niederhalter 8 und des Fügestempels 6 unabhängig voneinander geregelt werden. Die Regelungsvorrichtungen 70, 72 sind dann neben der wahlweisen Sensorik 74 an eine Auswerteelektronik 80 angeschlossen, die die Sensordaten der Sensoren 60 und eventuell auch 74 abfragt, mittels einer geeigneten Software auswertet und daraus unmittelbar oder unter Rückgriff auf abgespeicherte Kennfelder ein Sollsignal ableitet, das die Auswerteelektronik 80 dann als Soll-Stellsignal an die Regelungsvorrichtungen 70, 72 zurückübermittelt. Die Steuerung und Regelung der Kraft und/oder Bewegung der Niederhalter 8 oder des Fügestempels 6 kann jedoch erfindungsgemäß auch erfolgen, wenn die Auswerteelektronik 80 nur die Daten der Sensoren 60 oder 74 allein auswertet und die Steuerungssoftware entsprechend angepaßt ist. Diese Beschreibung der in Figur 3 gezeigten Steuerungs- und Regelvorrichtung bezieht sich auf die Steuerung und Regelung von Fügestempel 6 und Niederhalter 8. Diese Vorrichtung kann in gleicher Weise zur alternativen oder additiven Steuerung und/oder Regelung einer Matrize 10 und/oder den zugehörigen Abstreifern 12 eingesetzt werden.In Figure 3, a device for clinching can now be seen, the inventive Way is improved. However, it can also be used for punch riveting in a slightly modified manner used or adapted to other mechanical joining techniques. In the described Execution as actuator 50 is a hydraulic drive with two cylinder chambers 52 and 54, in which, for example, a piston rod 56 the hold-down movement and a piston rod 58 causes the stamp movement, available. According to the invention, 50 can be used as actuator but also electromotive, pneumatic or other drive means can be used. The design of the hydraulic drive can also be of the design described differ. The explanation based on the hydraulic drive described is therefore only as exemplary to understand. Due to the separate cylinder spaces 52, 54 of the Actuator 50 can independently control the movements of the hold-down 8 and the die 6 can be controlled from each other. The movement of the piston rods 56, 58 is controlled by a suitable sensors 60, for example displacement sensors, are measured independently of one another. The Movement of the hold-down 8 is due to the filling and emptying of the pressure chamber in the Cylinder chamber 54 with a hydraulically acting liquid, such as a hydraulic oil, causes. The filling and emptying of the cylinder space 54 is carried out via the lines 62 controlled by hydraulic valve 64. In the same way, the movement of the die 6 about the filling and emptying of the cylinder space 52 via the lines 66 and that Hydraulic valve 68 causes. The hydraulic valves 64, 68 can be used as simple valves or also be designed as a proportional valve. The hydraulic valves 64, 68 have in each case an integrated or separate control device 70, 72, which by means of an integrated Sensor 74 determine the pressure conditions and the supply of the hydraulically acting Regulate fluid to the cylinder chambers 52, 54 via the hydraulic valves 64, 68. If the Control devices do not have sensors 74 and also do not have evaluation electronics 80 are connected, so it is possible to over the hydraulic valves 64, 68 pure memory programs without accompanying control of the joining process by the control devices 70, 72 to control. For simpler applications that are not the highest Such a comparatively simple device can also demand connection quality deliver quite satisfactory results. For joint connections, the higher Should meet the requirements, the supply of the hydraulically acting liquid for the Travel paths and forces of the hold-down 8 and the die 6 independently of each other be managed. The control devices 70, 72 are then in addition to the optional ones Sensor system 74 is connected to evaluation electronics 80, which contain the sensor data of the sensors 60 and possibly also 74 queries, evaluated using suitable software and directly from it or using a stored characteristic map to derive a target signal that the Evaluation electronics 80 then as a setpoint control signal to the control devices 70, 72 sent back. The control and regulation of the force and / or movement of the hold-down device 8 or the die 6 can, however, also take place according to the invention if the Evaluation electronics 80 only evaluates the data from sensors 60 or 74 and that Control software is adapted accordingly. This description of that shown in Figure 3 Control and regulating device relates to the control and regulation of joining stamps 6 and hold-down 8. This device can be used in the same way as an alternative or additive control and / or regulation of a die 10 and / or the associated Wipers 12 are used.

Durch eine weitere Abwandlung ist es möglich, die jeweiligen Werkzeuge Niederhalter 8, Matrize 10 und Abstreifer 12 ganz oder bei geteilten Werkzeugen teilweise in weiteren Bewegungsrichtungen zu bewegen, beispielsweise neben der vertikalen auch in eine horizontale Richtung.Die Sensorik 60, 72 kann auch ausgelegt sein zur Überwachung der Arbeitsgeschwindigkeit der Werkzeuge 6, 8, 10 und 12. Bei bestimmten mechanischen Fügetechniken und bei der Verwendung bestimmter Werkstoffe oder Werstoffkombinationen kann es vorteilhaft sein, mit variablen Arbeitsgeschwindigkeiten zu arbeiten. So kann beispielsweise ein Stanzniet zunächst mit hoher Geschwindigkeit in das obere Fügeteil 2 eingetrieben werden, um schnell und ohne großen Materialeinzug das obere Fügeteil zu durchstoßen, und anschließend mit niedrigerer Geschwindigkeit aufgespreizt werden, um ein hohes Maß an Hinterschnitt zu erzielen.A further modification makes it possible to hold down the respective tools 8, Die 10 and stripper 12 completely or partially in split tools To move directions of movement, for example in addition to the vertical also in a horizontal Direction. The sensors 60, 72 can also be designed to monitor the working speed of tools 6, 8, 10 and 12. With certain mechanical joining techniques and when using certain materials or combinations of materials it can be advantageous to work with variable working speeds. For example a punch rivet is first driven into the upper joining part 2 at high speed in order to penetrate the upper joining part quickly and without a large amount of material, and then spread at a slower rate to a high degree Achieve undercut.

Zur Steuerung und Regelung der Vorrichtung und des Verfahrens für mechanisches Fügen können je nach Art der mechanischen Fügetechnik und den gewünschten Parametern der Fügeverbindung individuelle Steuerungs- und Regelungsstrategien in den Softwareprogrammen. bzw. durch eine entsprechende Auslegung der Regelungsvorrichtungen 70, 72 mit beispielsweise mechanischen Komponenten, die ein vergleichbares Arbeitsergebnis liefern, verfolgt werden.To control and regulate the device and the method for mechanical joining can, depending on the type of mechanical joining technology and the desired parameters of the Joining individual control and regulation strategies in the software programs. or by a corresponding design of the control devices 70, 72 with for example mechanical components that deliver a comparable work result, be followed.

So ist es beispielsweise für mechanische Fügeverbindungen, die mittels Durchsetzfügen hergestellt werden, vorteilhaft, wenn zunächst nur eine geringe Niederhalterkraft auf die Fügeteile aufgebracht wird, die lediglich Aufwerfungen verhindern soll und einen möglichst ungebremsten stempelseitigen Werkstofffluß in die Matrize 10 ermöglicht bzw. diesen unterstützt. Im letzten Prozeßstadium, vorzugsweise während der letzten 10 % des Arbeitshubes, sollte die Niederhalterkraft deutlich erhöht werden, um so einen Planiereffekt zu erzielen und das Nachfließen des matrizenseitigen Werkstoffes vollständig zu unterdrücken. Figur 4 zeigt den hier vorgeschlagenen Verlauf der Stempel- und Niederhalterkräfte über den Stempelweg, wobei mit X der Stempelweg und Y die eingesetzte Kraft darstellen. Die Kurve 100 zeigt den Verlauf der Niederhaltekraft, die Kurve 102 die Stempelkraft.This is the case, for example, for mechanical joint connections that are made by means of clinching be produced, advantageous if initially only a small hold-down force on the Joining parts is applied, which should only prevent throwing up and one if possible allows unrestrained stamp-side material flow into the die 10 or this supported. In the last stage of the process, preferably during the last 10% of the stroke, the hold-down force should be increased significantly in order to create a leveling effect achieve and completely suppress the flow of material on the die side. Figure 4 shows the course of the punch and hold-down forces proposed here over the Stamp path, where X represents the stamp path and Y the force used. The curve 100 shows the profile of the hold-down force, curve 102 the punch force.

Für Stanznietverbindungen ist es vorteilhaft, wenn zunächst sehr hohe Niederhalterkräfte von beispielsweise größer 12 kN eingesetzt werden, bis die Schneidphase abgeschlossen ist. Durch die hohen Niederhalterkräfte im Schneidvorgang wird der Einzug des matrizenseitigen Bleches minimiert. Auf diese Weise steht mehr Matrizenvolumen für die Füllung durch den Niet und den matrizenseitigen Werkstoff zur Verfügung. Danach ist eine Reduzierung der Kraft bis auf einen Wert von bis zu 0 kN und eine abschließende Erhöhung im allerletzten Bereich der Stauchphase zum Planieren vorteilhaft. Dieser vorgeschlagene Verlauf ist in Figur 5 dargestellt.For punch rivet connections it is advantageous if initially very high hold-down forces of For example, greater than 12 kN can be used until the cutting phase is complete. Due to the high hold-down forces in the cutting process, the retraction of the die side is made easier Sheet minimized. In this way, more die volume stands for the filling through the Rivet and the material on the die side are available. After that there is a reduction in Force up to a value of up to 0 kN and a final increase in the very last Area of the upsetting phase is advantageous for leveling. This suggested course is in Figure 5 shown.

Diese beispielhaften Erläuterungen der Steuerungs- und Regelungsstrategien in den Softwareprogrammen bzw. in den Regelungsvorrichtungen 70, 72 sollen einem Fachmann als Hilfe dienen, für seinen Anwendungsfall nach Bedarf eine eigene Steuerungs- und Regelungsstrategie zu entwickeln, die optimale Resultate der mechanischen Fügeverbindung gewährleistet und je nach individuellen Anforderungen an die Fügeverbindung auch von den vorgeschlagenen Parametern abweichen kann.These exemplary explanations of the control and regulation strategies in the software programs or in the control devices 70, 72 are intended to assist an expert serve his own control strategy for his application to develop the optimal results of the mechanical joint connection and depending on the individual requirements for the joint connection also from the proposed parameters may differ.

Eine eine den gewünschten Ergebnissen angepaßte Strukturierung, Beschichtung und/oder Profilierung der Niederhalteflächen beziehungsweise der matrizenseitigen Auflageflächen oder der Abstreifer unterstützt die Wirkung der geregelten Niederhalter maßgeblich. Hierzu sollte etwa beim Durchsetzfügen eine polierte Niederhalterfläche eingesetzt werden, die das Gleiten des stempelseitigen Werkstoffes zuläßt, während die matrizenseitige Auflagefläche so bearbeitet sein sollte, daß ein Nachfließen des matrizenseitigen Werkstoffes behindert wird. Auch teilweise oder vollflächige Beschichtungen der Werkzeugoberflächen können sich vorteilhaft auf das Arbeitsergebnis auswirken. So kann beispielsweise eine Teflonbeschichtung das Nachfließen von Werkstoff erleichtern. Grenzen einer Strukturierung oder Profilierung von Oberflächen, beispielsweise durch Laserstrukturieren, können sich durch das optische Erscheinungsbild der fertigen Fügestelle ergeben. Diese vorgeschlagene Kombination unterstützt die Ausbildung einer Fügestelle mittels Durchsetzfügen, die Anforderungen an eine hohe Festigkeit der Verbindung erfüllen kann. Beim Stanznieten sollte die umgekehrte Ausgestaltung der Bearbeitungsoberflächen gewählt werden. Der Niederhalter sollte strukturiert bzw. profiliert sein, damit das Nachfließen des stempelseitigen Werkstoffes behindert wird. Ein Fließen des matrizenseitigen Werkstoffes wird durch das Polieren der matrizenseitigen Auflageflächen unterstützt. Auch diese Erläuterungen soll dem Fachmann dazu dienen, eine ggfls. von diesen Vorschlägen abweichende, jedoch seinen Anforderungen gerecht werdende Auslegung seiner Werkzeuge zu erzielen.A structuring, coating and / or adapted to the desired results Profiling of the hold-down surfaces or the contact surfaces on the die side or the wiper significantly supports the effect of the regulated hold-down devices. For this a polished hold-down surface should be used for clinching, for example Allows sliding of the stamp-side material while the die-side contact surface should be processed in such a way that the material on the die side cannot flow freely becomes. Partial or full-surface coatings of the tool surfaces can also occur have an advantageous effect on the work result. For example, a Teflon coating facilitate the flow of material. Limits of structuring or profiling of surfaces, for example by laser structuring, can be caused by the result in visual appearance of the finished joint. This proposed combination supports the formation of a joint by means of enforcement, the requirements can meet a high strength of the connection. When punch riveting that should reverse design of the machining surfaces can be selected. The hold-down should be structured or profiled so that the material on the die side continues to flow is hindered. A flow of the material on the die side is achieved by polishing the supporting surfaces on the die side are supported. These explanations are also intended for the person skilled in the art serve a possibly. deviating from these proposals, but its requirements to achieve a fair design of his tools.

Um die Maschinen für die Herstellung der Fügeverbindungen vielfältig einsetzen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Niederhalter 8 und evtl. auch die Matrizen 10 zur Herstellung anderer Fügeverbindungen leicht austauschbar sind. Auch für Reparaturen und verschleißbedingten Ersatz ist eine schnelle Austauschbarkeit vorteilhaft. Die Niederhalter 8 und Matrizen 10 sollten bevorzugt über eine aufgedruckte Kennung verfügen, die es der Auswerteelektronik 80 ermöglicht, automatisch bei einem Werkzeugwechsel die Art der eingesetzten Werkzeuge zu erkennen und das dazu passende Steuerungsprogramm auszuwählen.In order to be able to use the machines for the production of joint connections in a variety of ways, it is advantageous if the holding-down device 8 and possibly also the dies 10 for production other joint connections are easily interchangeable. Also for repairs and wear-related Replacement is a quick interchangeability advantage. The hold-down 8 and dies 10 should preferably have a printed identification, which is the evaluation electronics 80 enables the type of insert to be used automatically when changing tools Recognize tools and select the appropriate control program.

Außerdem ist eine stempel- und/oder matrizenseitige Nachführung von Material in die Fügeverbindung dazu geeignet, die gewünschten Eigenschaften der Fügeverbindung positiv zu beeinflussen. Bei einem gezielten Nachführen von Material beim Durchsetzfügen wird bei geeigneter Werkzeugauswahl eine Vergrößerung der Halsdicke und der Hinterschneidung erzielt, indem mehr Material zur Verfügung steht und sich die durchsetzbedingte Ausdünnung der Fügeteile im Bereich der Fügestelle verringert. Bei einem gezielten Nachführen von Material beim Stanznieten wird das Material matrizenseitig nachgeführt, um hier eine möglichst große Hinterschneidung, also eine Verklammerung des Nietes im matrizenseitigen Blech, zu erzielen. Bei hohen Niederhalterkräften im Schneidvorgang wird der Einzug des matrizenseitigen Bleches minimiert. Dadurch steht dann mehr Matrizenvolumen für die Füllung durch Niet und matrizenseitigen Werkstoff zur Verfügung, was durch das nachgeführte Material ausfüllbar ist und welches die Verbindungseigenschaften verbessern helgfen kann.In addition, a stamp and / or die-side tracking of material in the Joint connection suitable, the desired properties of the joint connection positive to influence. With a targeted tracking of material during clinching, suitable tool selection an increase in the neck thickness and the undercut achieved by more material is available and the thinning caused by enforcement the parts to be joined are reduced in the area of the joint. With a targeted tracking of Material in punch riveting, the material is tracked on the die side, in order here as large an undercut as possible, i.e. a clamping of the rivet in the die side Sheet to achieve. With high hold-down forces in the cutting process, the retraction of the minimized sheet metal on the die side. This then means more die volume for the Filling by rivet and die-side material available, which is due to the tracked Material is fillable and which help to improve the connection properties can.

Eine Vorrichtung, die ein gezieltes Nachführen von Material in den Bereich der Fügestelle erlaubt, ist beispielhaft in Figur 6 für einen Durchsetzfügevorgang gezeigt. Das Nachführen geschieht, indem gezielt benachbart zur Fügestelle befindliches Material zur Fügestelle hinbewegt wird. Die Bewegung kann durch eine auf die Fügeteile 2,4 übertragene Bewegung der Niederhalter 8, der Matrize 10 oder zusätzlicher Werkzeuge geschehen, oder es wird seitlich eine Kraft F(B) in die Fügeteile eingeleitet, die sich bis zur Fügestelle fortsetzt und so eine Materialbewegung bewirkt. Technisch kann der Vorgang beispielsweise durch Hebelgetriebe 150 nach dem Scherenprinzip, auf das eine Kraft F einwirkt und über die Bewegung in die Kraft F(B) umwandelt, durch Keil-/Konussysteme oder andere Antriebsformen realisiert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung des sog. Kraftformerprinzips. Hier werden in gummielastischer Masse eingebettete kraftübertragende Elemente für gezielte Streck- und Stauchvorgänge eingesetzt. Die Verwendung solcher Elemente als Niederhalter beziehungsweise als matrizenseitige Auflage führt zu dem erwünschten Nachführen des Werkstoffes. In Figur 6 ist beispielhaft eingezeichnet, daß eine Bewegungsenergie F(B) in Niederhalter 8, in die geteilte Matrize 10, in Abstreifer 12 und seitlich in die Fügeteile 2, 4 selbst eingeracht werden kann, um die durch die Pfeile angedeutete Bewegung von Material in den Bereich der Fügestelle zu erzielen. Für die Realisierung des Antriebs zur Erzeugung der Kraft F(B) in den Fügeteilen 2, 4 oder den Werkzeugen 6, 8, 10, 12 stehen dem Fachmann aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von an sich bekannten Möglichkeiten zur Verfügung. Die Erzeugung der Kraft F(B) kann für sich wieder auf die vorstehend beschriebene Art und Weise gesteuert und/oder geregelt oder aber auf ungesteuerte oder ungeregelte Art und Weise erfolgen. Wichtig ist, daß die Fügestelle durch zusätzlich gezielt hinzugeführtes Material aufgabengemäß verbessert ist.A device that allows material to be guided in the area of the joint allowed, is shown by way of example in FIG. 6 for a clinching process. The tracking happens by deliberately adjacent material to the joint to the joint is moved there. The movement can be carried out by a movement transmitted to the joining parts 2, 4 the hold-down 8, the die 10 or additional tools happen, or it will a force F (B) is introduced laterally into the parts to be joined, which continues to the point of joining and such a material movement. Technically, the process can be done, for example Lever gear 150 according to the scissors principle, to which a force F acts and via which Movement into force F (B) converted by wedge / cone systems or other forms of drive will be realized. Another option is to use the so-called force-shaping principle. Here, force-transmitting elements are embedded in rubber-elastic mass for targeted stretching and compression processes used. The use of such elements as Hold-down or as a support on the die side leads to the desired tracking of the material. In Figure 6 it is shown as an example that a kinetic energy F (B) in hold-down 8, in the divided die 10, in stripper 12 and laterally in the Joining parts 2, 4 themselves can be made to the movement indicated by the arrows to achieve material in the area of the joint. For the realization of the drive for Generation of the force F (B) in the joining parts 2, 4 or the tools 6, 8, 10, 12 are a multitude of possibilities known to the person skilled in the art from the prior art to disposal. The generation of the force F (B) can in itself be based on the above described way controlled and / or regulated or in uncontrolled or unregulated way. It is important that the joint is specifically targeted by added material is improved according to the task.

Claims

Device for mechanical joining techniques, consisting of a punch, a hold-down and / or stripper, a die and a drive for moving the punch and hold-down,
characterized,
that one or more joining dies (6), hold-down devices (8) and / or dies (10) can be controlled and / or regulated in their movement and / or force in at least one direction via an actuator (50) by means of regulating devices (70, 72) are.

Device according to claim 1,
characterized,
that the movement and / or the force of the actuator (50) is monitored by a sensor system (60, 74).

Device according to claim 1 or 2,
characterized,
that the movement and / or force of at least one hold-down device (8) is monitored by a sensor system (60, 74), the sensor data determined by the sensor system (60, 74) is transmitted to evaluation electronics (80), and the evaluation electronics (80) monitor the sensor data evaluates and outputs a control signal to an actuator (50) which influences the movement and / or the force of at least one hold-down device (8).

Device according to one or more of claims 1 to 3,
characterized,
that the working surface of at least one hold-down device (8), a die (10) and / or stripper (12) is suitably structured, coated and / or profiled.

Device according to one or more of claims 1 to 4,
characterized,
that the hold-down device (8) and / or the dies (10) are interchangeable.

Device according to claim 5,
characterized,
that the hold-down devices (8) and / or the matrices (10) have an electronically evaluable and / or readable identifier and the evaluation electronics (80) controls and / or regulates the actuators (50) as a function of this identifier.

Device according to one or more of claims 1 to 6,
characterized,
that, in addition to the hold-down device (8) and / or the die (10), the force and / or the movement of the joining die (6) are detected by a sensor system (60, 74) and for the control and regulation of an actuator (50) by the evaluation electronics (80) is evaluated.

Device according to one or more of claims 1 to 6,
characterized,
that at least one of the tools (6, 8, 10, 12) is controlled and / or regulated in its working speed.

Device for mechanical joining techniques, consisting of a punch, a hold-down and / or stripper, a die and a drive for moving the punch and hold-down,
characterized,
that during the joining process by means of tools generating a movement impulse, material can be tracked in the area of the joining point.

Method for mechanically joining parts to be joined, a punch and a hold-down device being moved in the direction of the parts to be joined (2, 4) to produce a joint,
characterized,
that a hold-down device (8) is controlled and / or regulated in relation to the current joining process in its movement and / or its hold-down force by regulating devices (70, 72) and / or evaluation electronics (80).

Method according to claim 9,
characterized,
that the control devices (70, 72) and / or the evaluation electronics (80) by means of sensors (60, 74) monitor the process and from the process data of the sensors (60, 74) setpoint control signals for controlling and / or regulating the movement and / or derive the force of the hold-down device and / or die.