EP0890397A1

EP0890397A1 - Vorrichtung und Verfahren zum mechanischen Fügen von Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen

Info

Publication number: EP0890397A1
Application number: EP98112439A
Authority: EP
Inventors: Ortwin Prof.Dr.-Ing. Hahn; Volker Schulte
Original assignee: Hahn Ortwin Prof Dr-Ing
Current assignee: Hahn Ortwin Prof Dr-Ing
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1998-07-06
Publication date: 1999-01-13
Anticipated expiration: 2018-07-06
Also published as: DE19729368A1; EP0890397B1; US20010002506A1; US6199271B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanischen Fügen von aufeinanderliegenden Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, wobei Fügewerkzeuge mit Kraftmitteln auf die Fügeteile zu bewegt werden und durch die Kraftwirkung der Fügewerkzeuge eine Fügeverbindung zwischen den Fügeteilen hergestellt wird. Um die Fügewerkzeuge leichter handhabbar zu machen und das Anwendungsspektrum für Fügeverbindungen auszuweiten, wird vorgeschlagen, die Reaktionskräfte des Fügevorgangs zu verringern, indem ein Fügewerkzeug die Fügekraft in einer Erregerfrequenz in die Fügeverbindung einbringt, die über der Eigenfrequenz des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs liegt und die Lagerung zumindest eines Fügewerkzeugs schwingungsisoliert ist. Die Schwingungsisolierung kann auch ausschließlich oder ergänzend im erregten Fügewerkzeug oder den Fügeteilen angeordnet sein. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanischen Fügen von aufeinanderliegenden Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, wobei Fügewerkzeuge mit Kraftmitteln auf die Fügeteile zu bewegt werden und durch die Krafteinwirkung der Fügewerkzeuge eine Fügeverbindung zwischen den Fügeteilen hergestellt wird.

Die mechanischen Fügetechniken zum Verbinden von Fügeteilen wie beispielsweise Blechen gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie einige verfahrensspezifische Vorteile aufweisen. In der DE 197 01 252.3 ist ein Verfahren sowie Verbindungsmittel zum Fügen von Blechen mittels des Stanznietens beschrieben. Dazu ist u.a. erläutert, daß das Stanznieten von 1 mm Blechen des Materials ZSTE 420 Kräfte von 74 kN erfordert, die mit gewöhnlichen Nietmaschinen nicht erreichbar sind. Die dort vorgeschlagene Lösung, den Niet mit einer stumpfen Weis- oder ringförmigen Frontfläche zu versehen, mit der die Bleche durchschossen werden, ermöglicht gegenüber dem damals bekannten Stand der Technik eine Verringerung der erforderlichen Arbeitskräfte. Auch wird der Lateral- oder Winkelversatz der Werkzeuge bzw. Werkzeugteile, welcher die Verbindungsqualität mindern oder eine Verbindung völlig unmöglich machen würde, durch die schußartige Arbeitsweise verringert. Wahrend dieses Verfahren den Lateral- oder Winkelversatz der Werkzeuge durchaus verringert, ist der Nachteil der schußartigen Arbeitsweise darin zu sehen, daß erhebliche Vorkehrungen getroffen werden müssen, um es sicher in der Anwendung zu machen. Die Treibladungen, die für die schußartige Arbeitsweise eingesetzt werden, sind potentiell bei unsachgemäßer Handhabung nicht ganz ungefährlich.

In der DE 197 18 576 ist eine Vorrichtung und eine Verfahren für mechanische Fügetechniken beschrieben. Insbesondere ist in den Figuren 4 und 5 ein typisches Kraft/Weg-Diagramm für die Arbeitsbewegung des Stempels gezeigt. Die DE 197 18 576 lehrt jedoch nur, einzelne oder mehrere Arbeitsorgane zur Herstellung einer mechanischen Fügeverbindung in ihrer Bewegung und/oder Kraft zu steuern oder zu regeln, ohne jedoch auf das grundsätzliche Problem der Verringerung der hohen Kräfte zur Herstellung einer mechanischen Fügeverbindung einzugehen. Nach dem dort beschriebenen Stand der Technik wird die benötigte Umformenergie durch Hydraulikzylinder aufgebracht, die in einer einzigen quasikontinuierlichen Hubbewegung die jeweilige Fügeverbindung herstellen. In dieser Schrift sind keine Hinweise enthalten, auf welche Weise durch geringere Fügekräfte das Verfahren und die Vorrichtung zur Herstellung von Fügeverbindungen verbessert werden kann.

Dementsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanischen Fügen zu schaffen, welche geringere Reaktionskräfte bei der Herstellung der mechanischen Fügeverbindung bewirken und eine entsprechend leichtere Auslegung und Handhabbarkeit der Fügewerkzeuge ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst, indem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die benötigte Umformenergie bzw. Fügekraft durch mehrere kurzfristig aufeinanderfolgende Stöße eines Fügewerkzeuges oder pulsierend in einer Erregerfrequenz in die herzustellende Fügeverbindung eingebracht wird, wobei das gegenüberliegenden Fügewerkzeug, das erregte Fügewerkzeug und/oder die Fügeteile elastisch gelagert sind und die Eigenfrequenz des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs, des erregten Fügewerkzeugs und/oder der Fügeteile niedriger ist als die Erregerfrequenz.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zumindest einen Schlagmechanismus auf, der zur Herstellung einer mechanischen Fügeverbindung kurzzeitig mehrere aufeinanderfolgende Stöße oder eine pulsierende Kraft auf eines der Fügewerkzeuge aufbringt, wobei das gegenüberliegende Fügewerkzeug, das erregte Fügewerkzeug und/oder die Fügeteile elastisch gelagert sind und die Erregerfrequenz, mit der das Fügewerkzeug erregbar ist, höher ist als die Eigenfrequenz des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs, des erregten Fügewerkzeugs und/oder der Fügeteile. Als Fügewerkzeuge kommen primär ein- oder mehrteilige Stempel und Matrizen und sekundär auch Abstreifer und Niederhalter in Betracht.

Die Niederhalterkräfte wirken statisch aufdie Fügeteile. Diese statische Last bleibt unverändert, auch wenn die Fügewerkzeuge nicht einen Arbeitshub, sondern mehrere aufeinanderfolgende Stöße ausüben, und diese statische Last muß vom Rahmen und der dem Niederhalter gegenüberliegenden aufgefangen werden. Wenn ein gegenüberliegendes Fügewerkzeug weich gelagert ist, um schwingungsisoliert zu sein, kann die statische Last des Niederhalters eine große Auslenkung des schwingungsisolierten gegenüberliegenden Fügewerkszeugs bewirken. Um diese durch die statische Last bewirkte Auslenkung und Belastung des Rahmens zumindest zu verringern, wird vorgeschlagen, die Bewegung des Niederhalters über Koppelmittel, wie beispielsweise eine mechanische Antriebsverbindung über eine Mitnehmerlasche oder eine hydraulische ventilgesteuerte Folgesteuerung, mit der Bewegung des Fügewerkzeuges zu synchronisieren. Entsprechendes gilt für Abstreifer. Wenn die Niederhalterkraft nicht dynamisch wie vorstehend beschrieben oder durch Magnete geregelt aufgebracht wird, kann die durch die statischen Kräfte verursachte Auslenkung durch eine aktive Positionsregelung an einem oder beiden Fügewerkzeugen zumindest teilweise kompensiert werden, indem diese durch Stellmittel in eine der statischen Auslenkung entgegengerichteten Richtung verfahrbar sind.

Die mehreren aufeinanderfolgenden Stöße des Schlagmechanismusses erlauben es, bei einer elastischen Lagerung des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs und einer großen Masse und/oder weichen Federn des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs mit geringeren Kraftspitzen in der Unterkonstruktion zu arbeiten, da die für die Herstellung der mechanischen Fügeverbindung benötigte Fügekraft nun nicht mehr in einem einzelnen Hub eingebracht wird, sondern die die Eigenfrequenz des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs übersteigende Erregerfrequenz des einen Fügewerkzeugs eine schwingungstechnische Isolierung des elastisch gelagerten gegenüberliegenden Fügewerkzeugs erlaubt. Dabei ist es wichtig, ein Schwingsystem zu bilden, das optimal auf die herzustellende Fügeverbindung abgestimmt ist. So ist es vorteilhaft, mit einer möglichst großen Masse des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs und einer möglichst weichen Federung dafür zu sorgen, daß diese Baueinheit eine möglichst geringe Eigenfrequenz aufweist, da sich dann bei einer demgegenüber möglichst hohen Frequenz, auf die das andere Fügewerkzeug erregt wird, die Reaktionskräfte aufein Minimum verringern. Die Unterkonstruktion wird also schwingungstechnisch von der eingebrachten Fügekraft entkoppelt, und auf die Unterkonstruktion wirken nur noch Bruchteile der eingebrachten Fügekraft ein. Kurz aufeinanderfolgende, hochfrequente Stöße erlauben es, den größten Teil der Fügekraft für die plastische Verformung der an der Fügeverbindung beteiligten Partien der Fügeteile sowie eventueller Hilfsfügeteile wie Nieten zu nutzen.

Dabei gilt die Regel, daß der Isolationsgrad umso mehr zunimmt, je größer die Erregerfrequenz im Verhältnis zur Eigenfrequenz der Fügeteile und des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs ist. Denn die vorliegende Erfindung läßt sich nicht nur dann nutzen, wenn mindestens zwei Fügewerkzeuge an der Herstellung der Fügeverbindung beteiligt sind, sondern auch, wenn die zu fügenden Teile über eine ausreichende Eigenstabilität verfügen, um bei Einsatz nur eines in einer Frequenz erregten Fügewerkzeugs in einer noch akzeptablen Form zu bleiben. Insofern kann der Begriff des "gegenüberliegenden Fügewerkzeugs", wie er im Rahmen dieser Beschreibung benutzt wird, auch durch "Bauteil" ersetzt werden, wenn ein "gegenüberliegendes Fügewerkzeug" fehlt. In solchen Fällen genügt es, anstelle des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs die Fügeteile so zu lagern, daß ihre Eigenfrequenz möglichst niedrig liegt. Eine zusätzliche Verringerung der Reaktionskräfte ergibt sich, wenn nicht nur das gegenüberliegende, sondern auch das erregte Fügewerkzeug gegenüber der Unterkonstruktion schwingungsisoliert sind. Eine solche Schwingungsisolation kann beispielsweise über das Druckmedium, der Zustelleinheit bewirkt werden. So wirkt bei einem pneumatischen Mechanismus das Gas wie eine Feder, die eine Schwingungsisolation bewirkt. Natürlich kann die Schwingungsisolation auch über Bauteile mit einer bevorzugt größeren Masse wie beispielsweise Trägerplatten und mit einer elastischen Lagerung erfolgen, die dann beispielsweise die Schlageinheit und/oder die Zustelleinheit schwingungsisolieren.

Natürlich können die Effekte der Erfindung auch genutzt werden, wenn nur das erregte Fügewerkzeug beziehungsweise die Zustelleinheit und/oder der Schlagmechanismus schwingungsisoliert ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird nicht nur mit bloß aufeinanderfolgenden Stößen gearbeitet, sondern die Fügekraft wird pulsierend eingebracht. Unter "pulsierend" ist hier zu verstehen, daß über einem Zeitintervall die Kraft wellenförmig ansteigend und abnehmend in die Fügeverbindung eingebracht wird. Es wird dann also eine statische Grundlast aufrecht erhalten. Dabei kann die Frequenz bzw. Amplitude der Kraftwelle moduliert werden.

Auch der C-Rahmen der Vorrichtung wird trotz Schwingungsisolation der Fügewerkzeuge in einem vom jeweiligen Einzelfall abhängigen Maß in Schwingungen versetzt. Er bildet damit zusammen mit den schwingenden Werkzeugen oder Bauteilen ein gekoppeltes Schwingsystem. Der Rahmen muß schwingungstechnisch als Kontinuum angesehen werden und weist daher theoretisch eine unendliche Vielzahl von Eigenfrequenzen auf. Um dieses Potential vorteilhaft zu nutzen, ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der Rahmen der Vorrichtung in seinem Schwingverhalten beeinflußbar. Das kann beispielsweise über verschiebbare Zusatzmassen oder variabel einsetzbare und/oder anpassbare Aussteifungen erreicht werden.

Bei einer hohen Erregerfrequenz der Stöße des Fügewerkzeugs ergeben sich hohe Spitzenkräfte durch die kurze Einwirkzeit. Dementsprechend kann die Anpreßkraft des in der Erregerfrequenz schwingenden Fügewerkzeugs verringert werden, und es ist im Verhältnis zu den bisher bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Fügeverbindung nur ein verhältnismäßig geringer Einsatz von Primärkräften erforderlich. Abhängig von den Randbedingungen des Fügeprozesses ist es vorstellbar, daß das erregte Fügewerkzeug nicht mehr angepreßt, sondern sogar nur noch nachgeführt zu werden braucht. Auch die Reaktionskräfte, die beim Vorgang des mechanischen Fügens entstehen, fallen dementsprechend geringer aus, was wiederum leichter handhabbare Vorrichtungen und Werkzeuge ermöglicht, die den Anwendungsbereich des umformtechnischen Blechfügens stark erweitern oder neue Anwendungen für mechanische Fügeverbindungen erschließen. Insbesondere sind nun mit weitreichenderen C-Rahmenzangen Verbindungspunkte erreichbar, die sich nicht mehr nur in unmittelbarer Randnähe der Bauteile befinden. Die C-Rahmenkonstruktionen werden leichter und die umformtechnischen Fügeverfahren werden flexibler durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise. Es ist sogar möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren in Handwerkzeugen zu integrieren, welche bei entsprechend niedrigen Investitionskosten dem mechanischen Fügen viel breitere Anwendungsmöglichkeiten bis hinein in den Werkstatt- und Hobbywerkerbereich ermöglichen. Anwendbar erscheinen die erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren für nahezu alle punktförmigen umformtechnischen Fügeverfahren.

Die Erfindung läßt sich auch entsprechend in einer Vorrichtung realisieren, die keinen gemeinsamen Rahmen aufweist und bei der der Stößel und die Matrize jeweils in einer separaten Halterung geführt sind.

Auch für den Einsatz in der Blindniettechnik, beispielsweise auch für das in der DE 197 01 252.3 beschriebene Verfahren, beziehungsweise beim zweiseitigen Verbinden mit Funktionsträgern mit oder ohne Vorlochen der Stelle der Fügeverbindung erscheint die erfindungsgemäße Lösung geeignet. Stanzmuttern und -bolzen als selbststanzende Funktionsteile benötigen kein Vorlochen der Verbindungsstelle und ersparen somit einen Fertigungsschritt. Beim einstufigen Verfahren mit Stanzmutter wird das zu fügende Formteil gleichzeitig mit der Stanzmutter im Werkzeug positioniert. Das Verbindungselement durchstanzt das Blechformteil und erzeugt im Zusammenwirken mit der Matrize eine formschlüssige Verbindung mit dem Material des Blechformteils. Dabei fließt Material in eine Ringnut. Ein Stanzbolzen wird in einem ähnlichen einstufigen Verfahren montiert. Der zweistufige Montagevorgang erzwingt eine Umformung des Verbindungselementes und des Blechformteils. Dazu wird das Blechformteil über einer Matrize positioniert und durch den Stanz- und Nietabschnitt des Verbindungselementes vorgeformt, an- und durchgeschnitten. Der Stanz- und Nietabschnitt drückt gegen einen Schneid- und Rollstempel der Matrize und wird, sich dabei aufweitend, angerollt. In Fortführung des Montageverfahrens umfaßt das angerollte Ende des Stanz- und Nietabschnitts den Lochrand des Blechformteils vollständig und erzeugt eine geschlossene, umlaufende, U-förmige Verhakung mit diesem. Sodann wird der Nietkopf planiert.

Zudem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren zur Automatisierung genutzt werden. Bei Einsatz einer Steuerungs- und/oder Regelungselektronik mit zugehöriger Sensorik oder Aktorik kann beispielsweise die Eigenfrequenz des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs und/oder der Fügeteile während des Fügevorgangs durch Modulation der Erregerfrequenz oder durch einen Testimpuls, der dem eigentlichen Fügevorgang vorausgeht, ermittelt werden. Die Frequenzabfrage kann für jeden einzelnen Fügevorgang, aber auch stichprobenartig erfolgen. Die Frequenzabfrage kann zur Qualitätsprüfung der Fügeteile genutzt werden, da Frequenzabweichungen auf Fehler in den Fügeteilen schließen lassen. Auch kann die Steuerungs- und/oder Regelungselektronik den jeweiligen Fügevorgang mit einem integrierten Prüfprogramm überwachen, die Kennwerte auswerten und/oder abspeichern und so ein Element eines produktionsintegrierten Qualitätsprüfsystems der Herstellung sein. Wenn die Steuerungs- und/oder Regelungselektronik die Eigenfrequenz erkennt, kann sie auf abgespeicherte Kennwerte zugreifen, die es erlauben, durch Veränderung der Erregerfrequenz und/oder sonstiger für den Fügevorgang relevanter Parameter diesen positiv in gewünschter Weise zu beeinflussen. Auch ist es vorstellbar, einen Roboter, der Fügeteile mit mehreren mechanischen Fügepunkten aneinander befestigen soll, ein Programm abfahren zu lassen, wobei in dem Programm unterschiedliche Parameter der einzelnen Fügepunkte gespeichert sind und automatisiert umgesetzt werden. So können beispielsweise unterschiedliche Blechdicken, Frequenzen, Stoßwege, - geschwindigkeiten, - stärke, -anzahl und Elastizitätswerte der Lager für jeden einzelnen Fügepunkt individuell gesteuert und/oder geregelt sein. Für eine einfache Steuerung/Regelung können auch nur die Schlag- und/oder Zustellparameter ausgewertet werden. Auch ist es vorstellbar, beispielsweise die Fügekraft zum Ende des Fügevorgangs hin zu einem impulsartigen Stoß zu steigern, um beispielsweise einen eingebrachten Niet oder die Fügefläche flächig zu glätten. Für die bei einem impulsartigen Stoß auftretenden Kräfte brauchen die Werkzeuge wie beispielsweise C-Rahmenzangen nicht für statische Belastung ausgelegt werden, weil die Kraftspitzen ausgefedert werden können. Die Werkzeuge können auf diese Weise leicht bleiben. Auch erlaubt die vorgeschlagene Vorrichtung sowie das Verfahren eine hohe Fertigungsflexibilität, weil bei einer elektronischen Steuerung aufeinanderfolgend völlig unterschiedliche Fügeteile miteinander befestigt werden können, wenn nur das Arbeitsprogramm in dem Befehlsspeicher der elektronischen Steuer- und/oder Regelvorrichtung geladen sind.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest eines der Fügewerkzeuge und/oder ein Niederhalter als Elektromagnet ausgebildet. Alternativ kann auch eines der Fügewerkzeuge oder ein Niederhalter aus einem Material mit ferromagnetischen Eigenschaften bestehen, wobei dann ein im Bereich der Vorrichtung angeordneter Elektromagnet auf diese einwirkt. Durch den Einsatz der Magnetkräfte und ihrer sinnvollen Kombination und Verteilung auf Fügewerkzeuge, Fügeteile und Niederhalter ist es nicht nur möglich, diese auf Fügeverbindungen in ferromagnetischen Fügeteilen zu verwenden, sondern es können auch Bauteile aus nichtmagnetischen Werkstoffen niedergehalten werden, da die magnetischen Feldlinien den Werkstoffdurchdringen und sich so beispielsweise Niederhalter und Matrize anziehen können.

Die dazwischen liegenden nichtmagnetischen Fügeteile werden auf diese Weise aneinander gepreßt. Bei einer Ausbildung des Niederhalters als Magnet kann beim Verbinden oder Stanzen von Fügeteilen, von denen mindestens das unterste ferromagnetische Eigenschaften aufweist, das Gegenwerkzeug auch bei dünnen und instabilen Bauteilen entfallen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche beschrieben, auf die hier verwiesen wird.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: ein Diagramm, das den Verlauf der Fügekraft über dem Fügeweg zum einen nach dem bekannten Stand der Technik, zum anderen beispielhaft für ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei einerseits die Kraft am Fügepunkt und andererseits die Kraft in der Unterkonstruktion dargestellt ist,
Figur 2: eine Prinzipskizze für eine Vorrichtung zur technischen Realisierung,
Figur 3: das Bauprinzip einer C-Rahmenzange mit Schlagmechanismus,
Figur 4: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die keinen gemeinsamen Rahmen aufweist und bei der Haltekräfte durch Magneten bewirkt werden,
Figur 5: eine schematische Darstellung wie in Fig. 4, jedoch ohne Magnete,
Figur 6: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung ohne Matrize.
Figur 7: eine C-Rahmenkonstruktion mit variabler Federung und Dämpfung.

In Figur 1 ist in einem Kraft-/Weg-Diagramm in langgestrichelter Linie 2 der Verlauf einer Fügekraft über dem Fügeweg dargestellt. Im Verlauf eines Fügehubes des Fügewerkzeuges steigt der Kraftbedarf insbesondere zum Ende des Fügehubes hin an. Die Reaktionskräfte müssen hier in der Unterkonstruktion statisch aufgefangen werden. Der dargestellte Verlauf der Fügekraft 2 entspricht dem bekannten Stand der Technik. Demgegenüber stellt sich der Verlauf der Fügekraft über dem Fügeweg bei aufeinanderfolgenden, bevorzugt hochfrequenten Stößen völlig anders dar. Gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt sich der Verlauf der eingesetzten Schlagenergie, die am Fügepunkt meßbar ist, in einer Vielzahl von einzelnen Kraftspitzen, die beispielhaft in vollen Linien 4 in Figur 1 gezeigt sind und deren Anzahl über einen gegebenen Weg von der gewählten Frequenz abhängt. Selbstverständlich kann die Frequenz, die Stoßstärke, die Stoßgeschwindigkeit und oder die Dauer der Stöße innerhalb eines einzelnen oder mehrerer unabhängig voneinander erfolgenden Fügevorgänge variiert werden. Abhängig von der Erreger- und Eigenfrequenz der Fügewerkzeuge, aber auch der Fügeteile und der Dämpfungscharakteristik der elastischen Lagerung des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs kann eine zufriedenstellende Auslegung der Vorrichtung gefunden werden, wobei sich die Reaktionskräfte aufgrund der kurzen Impulse nicht mehr im früheren, bekannten Umfang in der Unterkonstruktion realisieren. Die bei der am Fügepunkt meßbaren Schlagenergie in der Unterkonstruktion meßbare Kraft ist in gestrichelten Linien 4a dargestellt. Es ist klar erkennbar, daß die Kräfte, die bei einer Schwingungsisolierung der Werkzeuge in der Unterkonstruktion aufgefangen werden müssen, viel geringer sind als die Kräfte nach dem bekannten Stand der Technik.

In Figur 2 wirken auf die Fügeteile 50 die Fügewerkzeuge Matrize 52 und Stößel 54 zur Herstellung einer Fügeverbindung ein. Die Matrize 52 ist beweglich und weist eine größere Masse auf. Der Stößel 54 arbeitet durch eine entsprechende Bohrung oder Öffnung im Niederhalter 56 hindurch, wobei der Stößel 54 erfindungsgemäß eine Art hämmernder Bewegung ausführt. Die hämmernde Bewegung wird erzeugt durch einen Schlagmechanismus 58, in dem die verschiedenen Antriebe untergebracht sein können. Der Schlagmechanismus 58 bewegt den Stößel 54, der eine bevorzugt geringere Masse aufweist, mit großer Schlagfrequenz und vergleichsweise kleinen Schlagenergien. Der Schlagmechanismus 58 kann pneumatisch wie beispielsweise in einem Preßluftmeißel oder einem Preßlufthammer, elektrisch wie beispielsweise mit einem Kurbelumlaufantrieb, Unwuchtmotoren oder elektromagnetisch, elektropneumatisch wie in einem Bohrhammer oder servohydraulisch oder auf sonstige an sich bekannte Weisen angetrieben werden. Der Schlagmechanismus 58 kann angesichts der erfindungsgemäß möglichen kleinen Schlagenergien sehr leicht ausgeführt sein und wird während des Fügeprozesses mit nur leichtem Anpreßdruck von der Zustelleinheit 60 nachgeführt, die gleichzeitig auch über Niederhalterfedern 62 die erforderliche Niederhalterkraft auf diese übertragen. Die Zustelleinheit 60 wird dabei bevorzugt, aber nicht notwendigerweise gleichzeitig auch für das Andrücken des Niederhalters verwendet. Zwischen Zustelleinheit 60 und dem Schlagmechanismus 58 kann in weiterer bevorzugter Ausgestaltung eine bewegte Grundplatte 64 mit großer Masse und elastischer Lagerung angeordnet sein, die ebenfalls der Schwingungsisolation dient. Abgesehen vom konkreten Ausführungsbeispiel können hier auch andere konstruktive Ausgestaltungen einer Schwingungsisolation realisiert werden. Die dazu ebenfalls erforderliche Darstellung einer elastischen Lagerung ist in Figur 2 nicht näher dargestellt. Technisch kann die Zustelleinheit 60 mit jeder der obengenannten oder sonstigen bekannten Antriebsformen realisiert werden. Die Matrize 52 weist eine wesentlich größere Masse aufals der Stößel 54 und ist federnd gelagert mittels der Federn 66. Diese Federung kann separat ausgeführt sein oder bei Verwendung eines C-Rahmens auch durch eine flexible Auslegung desselben erreicht werden. Gegebenenfalls ist eine Dämpfung 68 vorzusehen. Auch kann die Federung mit einem Gas erfolgen.

Eine Vorrichtungs- oder Verfahrensvariante könnte mit einer synchronisierten gegensinnigen Arbeitsweise mit im Gleichtakt bewegter Matrize 52 und Stößel 54 zum Massenausgleich realisiert werden. Auch ein aktives Ausregeln der Bewegungen der Fügewerkzeuge bzw. der Fügeteile wäre technisch denkbar. Auch die benötigten Anpreßkräfte des Schlagmechanismusses 58, die man als quasistatische Kräfte bezeichnen könnte, erreichen nur geringe Werte. Sie sind nur unwesentlich größer als die für den Niederhalter 56 benötigten Kräfte.

Weiter ist in Figur 2 eine elektronische Steuer- und/oder Regelvorrichtung 70 gezeigt, die über elektrische Leitungen 72 mit den Aktoren 76 a, b beziehungsweise Sensoren 74 verbunden ist. Die Aktoren 76 a, b und Sensoren 74 sind nur symbolisch mit ihrer elektronischen Schnittstelle dargestellt. Die elektronische Steuer- und/oder Regelvorrichtung 70 ist mit zumindest einem Mikroprozessor ausgestattet, der über eine geeignete Software die Vorrichtung steuert. So kann die Steuer- und/oder Regelvorrichtung 70 beispielsweise über einen Sensor 74 die Eigenfrequenz der Fügeteile 50 ermitteln, indem sie über einen Stellbefehl an die Zustelleinheit 60 und/oder den Schlagmechanismus 58 als Beispiele für Aktoren 76 a einen Testimpuls auslöst und die Eigenfrequenz der Fügeteile 50 mißt. Sodann kann sie je nach ermittelter Eigenfrequenz der Fügeteile 50 über einen Aktor 76 b beispielsweise die Federhärte der Feder 66 verändern oder über einen Aktor 76 b die aktive Dämpfung der Matrize 52 durch Gegenschwingungen steuern. Die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 70 kann über eigene Speicherkapazitäten verfügen, um von dort gespeicherte Abläufe, Kennfelder oder ähnliches abzurufen oder Daten abzulegen, oder die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 70 tauscht Daten über eine Kommunikationsschnittstelle mit anderen Mikroprozessoren aus.

Mit einem einfachen Versuchsaufbau - bestehend aus einem Bohrständer, handelsüblichem Bohrhammer mit einer Schlagenergie von lediglich 2,3 J, einer Schlagzahl von 4200 l/min., Matrize 52 und Stößel 54, jedoch noch ohne Niederhalter 56 - konnte nachgewiesen werden, daß ein Stanzniet, der ansonsten Fügekräfte von 40.000 N benötigt, mit Hilfe deutlich niedrigerer Anpreßkräfte gefügt werden kann. Der energetische Wirkungsgrad für den Fügevorgang dürfte ebenfalls deutlich besser als beim bisher üblichen Einsatz von Hydraulikzylindern ausfallen. Um speziell beim Fügen von Aluminium die Anfreßneigung der Werkzeuge zu vermindern, bietet es sich bei rotationssymmetrischen Hilfsfügeelementen oder Fügewerkzeugen an, der Stoßbewegung des Stößels 54 eine Drehbewegung zu überlagern. Diese Bewegungskombination läßt sich nach bekannten Konstruktionsprinzipien einfach realisieren.

Um auch die quasistatischen Kräfte des Niederhalters 56 zu eliminieren, wird als Variante beim Fügen von Stahlwerkstoffen vorgeschlagen, die Matrize 52 als starken Elektromagneten auszubilden, der in der Lage ist, die zu fügenden Bleche reaktionskräftefrei an die Matrize zu drücken.

In Figur 3 ist eine C-Rahmenzange 100 zu sehen, deren C-Rahmen 102 endseitig jeweils eine Lagereinheit 104, 106 aufweist. In der Lagereinheit 104 ist eine Zustelleinheit 60 gelagert, die mit geringen Anpreßdrücken betätigbar ist. Die Zustelleinheit 60 bewegt eine Trägerplatte 108, an der ein Schlagmechanismus 58 befestigt ist, die einen Stößel 54 mit einer kleinen Stößelmasse und einer hohen Schlagfrequenz betreibt. Außen um den Schlagmechanismus 58 herumgeführt ist die Niederhalterfeder 62, die den Anpreßdruck der Zustelleinheit 60 aufden Niederhalter 56 überträgt. In der Lagereinheit 106 ist die Matrize 52 mit einer großen Masse auf einer Auflagefeder 66 gelagert, die auch aus einem elastomeren Werkstoff, einer Gasfeder oder einem sonstigen Feder-Dämpfersystem bestehen kann. Die C-Rahmenzange 100 kann mit den beschriebenen Vorrichtungen Bleche 50 durch mechanisches Fügen dauerhaft miteinander verbinden. Aufgrund der nun sehr geringen Anpreßdrücke ist es möglich, die C-Rahmenzange als Handwerkzeug oder Werkzeug für schnell arbeitende Roboter auszuführen, aber auch die oberen und unteren Arme länger als in Figur 3 dargestellt auszuführen, ohne daß dadurch unzulässige und nicht mehr oder nur unter unverhältnismäßigem Aufwand beherrschbare Biegemomente und Versatz aufträten.

In Figur 4 und 5 ist jeweils eine Vorrichtung gezeigt, bei der der Stößel 54 und die Matrize 52 nicht durch einen gemeinsamen Rahmen 102 gehalten sind. Auch mit der gezeigten Vorrichtung kann zuverlässig eine Fügeverbindung geschaffen werden. In einem ersten Führungsgehäuse 150 wird der Stößel 54, in einem zweiten Führungsgehäuse 152 die Matrize 52 geführt. In Figur 4 sind seitlich an beiden Führungsgehäusen 150, 152 Magnetspulen 154 zur Erzeugung eines Magnetfeldes angebracht. Während das Führungsgehäuse 150 aktiv von einer Positioniereinheit in die Position gesteuert wird, in der der Stößel 54 eine Fügeverbindung herstellen soll, wird das Führungsgehäuse 152 über die verbindende Magnetkraft mitgezogen. Die Positioniereinheit ist in Figur 4 durch zwei seitlich angebrachte Verfahreinheiten 156 angedeutet, welche aus einem Hubzylinder 158 zur Höhenführung und einem Fahrwerk 160 zur rollenden Bewegung des Führungsgehäuses 150 bestehen. Zur Bewegung des Führungsgehäuses 150 wird durch Ausfahren des Fahrwerkes 160 das Führungsgehäuse 150 von der Oberfläche der Fügeteile 50 abgehoben und kann sich von einer nicht näher dargestellten Steuerung geführt über die Fügeteile 50 bewegen. Ist die neue Soll-Position erreicht, wird das Fahrwerk eingezogen, und das Führungsgehäuse sitzt wieder fest aufder Oberfläche des oberen Fügeteils 50 auf. Durch die durch die Fügeteile 50 hindurch zwischen den Magnetspulen 154 wirkende Magnetkraft wird dabei das Führungsgehäuse 152 mit in die neue Position gezogen. Um dabei die auftretenden Reibungskräfte zwischen der Oberfläche des unteren Fügeteils 50 und den Kontaktflächen des Führungsgehäuses 152 nicht zu hoch werden zu lassen, wird vorgeschlagen, die Magnetkraft zwischen den Magnetspulen 154 zu verringern, um sie dann für den nächsten Fügevorgang wieder zu erhöhen. Dabei sollte die Magnetkraft während des Fügeprozesses so hoch sein, daß sie ausreicht, um eine relative Bewegung zwischen den beiden Führungsgehäusen 150, 152 zu verhindern. Je nachdem, welches der Führungsgehäuse 150, 152 oben liegt, kann das jeweils oben liegende Führungsgehäuse 150, 152 auch anstelle eines Fahrwerks vom Magnetfeld des anderen Führungsgehäuses angehoben und mitgezogen werden, um eine Reibung zwischen den Kontaktflächen des Führungsgehäuses 150, 152 und der Oberfläche der Fügeteile 50 zu vermeiden. An der Fügestelle kann das Magnetfeld von abstoßend auf anziehend umgeschaltet werden. Alternativ kann die Führung auch über ein Luftkissen kombiniert mit einem Magnetfeld erfolgen. In Figuren 4, 5 und 6 ist auch der Stößel 54 schwingungsisoliert über eine Feder 162 gelagert.

Figur 5 zeigt eine vereinfachte Ausführung der in Figur 4 gezeigten Vorrichtung. Anstelle einer Positioniereinheit mit Hubzylindern 158 und Fahrwerken 160, Magnetspulen 154 oder Luftkissen wird hier die Positionierung der Fügewerkzeuge 52, 54 über an sich bekannte Portalverfahreinheiten oder Industrieroboter mit großer Reichweite erfolgen. Allerdings muß hier hinsichtlich der Steuerung der Portalverfahreinheiten oder Industrieroboter ein höherer Aufwand getrieben werden, da die Matrize 52 und der Stößel 54 für eine optimale Fügeverbindung möglichst paßgenau übereinander positioniert werden müssen. Als Ausrichthilfe können in einem solchen Fall Lasermeßverfahren, Ultraschall oder der Einsatz von Magneten in Verbindung mit induktiven Aufnehmern eingesetzt werden.

In Figur 6 ist eine Vorrichtung gezeigt, in der am Führungsgehäuse 150 Magnetspulen 154 angeordnet sind, die mit ihrer Magnetkraft auf die Fügeteile 50 wirken. Wenn zumindest das untere Fügeteil 50 ferromagnetische Eigenschaften aufweist, können die Fügeteile 50 und das Führungsgehäuse 150 fest aneinander haften. Bei der gezeigten magnetischen Verbindung zwischen den Fügeteilen 50 und dem Führungsgehäuse 150 kann nun eine Fügeverbindung hergestellt werden. Durch die erfindungsgemäße Schwingungsisolierung sind die Fügekräfte so gering, daß die magnetischen Haltekräfte auch noch die Fügeteile 50 in Position halten, wenn im Verlauf des Fügevorganges Stanzoperationen ohne Vorlochen und ohne Gegenhalter vorgenommen werden. Die in Figur 6 gezeigte Vorrichtung ist auch vorteilhaft einsetzbar bei dünnen, instabilen Bauteilen oder wenn die Fügestelle nur einseitig gut zugänglich ist.

In Figur 7 findet sich eine Zustelleinheit 60, die in einem C-Rahmen 102 angeordnet ist. Die Zustelleinheit 60 wirkt auf eine Trägerplatte 108, unter der ein Schlagmechanismus 58 angeordnet ist. Die von dem Schlagmechanismus 58 erzeugten Stöße werden auf den Stößel 54 übertragen. Die Niederhalterfedern 62 halten den Niederhalter 56, der mit dem daran angebrachten Stößel auf die Bleche 50 einwirkt.Die Bleche 50 liegen auf einer Matrize 52 auf, die beweglich ist und eine größere Masse aufweist.Sowohl die Zustelleinheit 60 wie auch die Matrize 52 sind im C-Rahmen 102 durch Isolierfedern 66a gehalten, die in diesem Fall variabel sind in ihrer Federhärte. Den Isolierfedern 66a sind Isolierdämpfer 68a zugeordnet, die ebenfalls variabel ausgebildet sind. Die Variation läßt sich beispielsweise bei pneumatischen oder hydrostatischen Federn und Dämpfern durch eine unterschiedliche Druckregelung des Gaspolsters bewirken. Die Variation der Federung und Dämpfung erlaubt sowohl eine individuelle Anpassung der Vorrichtung auf unterschiedliche Fügeprozesse und Fügeteile wie auch eine Variation des Feder- und Dämpfungsverhaltens der Vorrichtung während eines Fügeprozesses.

Die hier erläuterten Ausführungsbeispiele sind nur als beispielhaft und keinesfalls auf das jeweilige Ausführungsbeispiel beschränkt zu verstehen. Die Ausführungsbeispiele sollen den Fachmann dazu anregen, die vorgeschlagenen technischen Lösungselemente miteinander vorteilhaft zu kombinieren oder mit zusätzlichen, an sich bekannten Elementen zu ergänzen. Auch bereitet es dem Fachmann keinerlei Schwierigkeiten, die für die Herstellung von Nietverbindungen beschriebenen Vorrichtungen und Verfahrensweisen auf andere Arten von mechanischen Fügeverbindungen wie beispielsweise dem Durchsetzfügen, dem Blindnieten mit oder ohne Vorlochen oder dem Einbringen von Funktionsträgern anzupassen.

Claims

Verfahren zum mechanischen Fügen von aufeinanderliegenden Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, wobei Fügewerkzeuge mit Kraftmitteln auf die Fügeteile zu bewegt werden und durch die Kraftwirkung der Fügewerkzeuge eine Fügeverbindung zwischen den Fügeteilen hergestellt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die benötigte Fügekraft durch mehrere kurzfristig aufeinanderfolgende Stöße eines Fügewerkzeuges (52, 54) oder pulsierend in einer Erregerfrequenz in die herzustellende Fügeverbindung eingebracht wird, wobei das gegenüberliegende Fügewerkzeug (52, 54), das erregte Fügewerkzeug (52, 54) und/oder die Fügeteile (50) elastisch gelagert sind und die Eigenfrequenz des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs (52, 54), des erregten Fügewerkzeugs (52, 54) und/oder der Fügeteile (50) niedriger ist als die Erregerfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verfahren von einer elektronischen Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung (70) über geeignete Sensoren (74) überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung (70) durch Ausgabe von Stellbefehlen an eine Aktorik (76 a, b) den Fügevorgang steuert und/oder regelt.
Vorrichtung zum mechanischen Fügen von aufeinanderliegenden Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, bestehend aus einem Rahmen, darin angeordneten Fügewerkzeugen und Kraftmitteln zum Bewegen der Fügewerkzeuge,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung Gebrauch macht von einem oder mehreren der vorangegangenen Verfahrensansprüche.
Vorrichtung zum mechanischen Fügen von aufeinanderliegenden Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, bestehend aus einem Rahmen, darin angeordneten Fügewerkzeugen und Kraftmitteln zum Bewegen der Fügewerkzeuge,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zumindest einen Schlagmechanismus (58) aufweist, der zur Herstellung einer mechanischen Fügeverbindung kurzzeitig mehrere aufeinanderfolgende Stöße oder eine pulsierende Kraft auf eines der Fügewerkzeuge (52, 54) aufbringen kann, wobei das gegenüberliegende Fügewerkzeug (52, 54), das erregte Fügewerkzeug (52, 54) und/oder die Fügeteile (50) elastisch gelagert sind und die Erregerfrequenz, mit der das Fügewerkzeug (52, 54) erregbar ist, höher ist als die Eigenfrequenz des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs (52, 54), des erregten Fügewerkzeugs (52, 54) und/oder der Fügeteile (50).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß auch die Zustelleinheit (60) und/oder der Schlagmechanismus (58) gegen die Unterkonstruktion schwingungsisoliert sind.
Vorrichtung zum mechanischen Fügen von aufeinanderliegenden Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, bestehend aus einem Rahmen, darin angeordneten Fügewerkzeugen und Kraftmitteln zum Bewegen der Fügewerkzeuge,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erregte Fügewerkzeug (52, 54), die Zustelleinheit (60) und/oder der Schlagmechanismus (58) schwingungsisoliert sind.
Vorrichtung zum mechanischen Fügen von aufeinanderliegenden Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, bestehend aus mindestens einem Führungsgehäuse für die darin angeordneten Fügewerkzeuge und Kraftmitteln zum Bewegen der Fügewerkzeuge,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eines der Fügewerkzeuge (52, 54) elastisch gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Führungsgehäuse (150, 152) mit Magnetspulen (154) ausgestattet sind, durch die die Fügeteile (50) und/oder die gegenüberliegenden Magnetspulen (154) und/oder Führungsgehäuse (150, 152) und oder die Fügewerkzeuge (52, 54) anziehbar sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rahmen der Vorrichtung (102) in seinem Schwingungsverhalten durch variable Zusatzmassen oder variable Aussteifungsmittel beeinflußbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elastizität der elastischen Lagerung (66, 68) mittels manueller, motorischer oder sonstiger Stellmittel veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bewegung eines Fügewerkzeugs (50, 52) mit der Bewegung eines Niederhalters (56) und/oder Abstreifers über ein Koppelmittel synchronisiert ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eines der Fügewerkzeuge (52, 54) über Stellmittel in eine einer statischen Bewegungsrichtung entgegengerichteten Richtung verfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Fügevorgang von einer elektronischen Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung (70) überwacht ist, indem Sensoren (74) fügeprozeßrelevante Daten ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronische Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung (70) über eine Aktorik (76 a, b) und Sensorik (74) die Eigenfrequenz des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs (52, 54) ermittelt und die Frequenz, mit der das andere Fügewerkzeug (52, 54) erregt wird, in Abhängigkeit von der ermittelten Eigenfrequenz durch die Ansteuerung einer Aktorik (76 a, b) verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronische Steuer- und/oder Regelvorrichtung (70) anstelle oder zusätzlich zur Veränderung der Erregerfrequenz über eine Aktorik (74) die Dämpfungscharakteristik der elastischen Lagerung (66, 68) verändert.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronische Steuer- und/oder Regelvorrichtung (70) die Erregerfrequenz und/oder die Dämpfungscharakteristik aus Daten ableitet, die diese direkt gespeichert oder im Zugriff hat.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stoßstärke, Stoßanzahl, Stoßgeschwindigkeit, Stoßweg und/oder Dauer der Stöße eines oder mehrerer Schlagmechanismen (58) variabel einstellbar sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elastische Lagerung (66) des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs (52, 54), des erregten Fügewerkzeugs (52, 54) und/oder der Fügeteile (50) über eine zusätzliche Dämpfung (68) verfügt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fügewerkzeuge (52, 54) in gegensinniger Arbeitsweise arbeiten.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch eine angetriebene Vorrichtung zumindest eines der Fügewerkzeuge (52, 54) in seiner Bewegung ausregelbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eines der Fügewerkzeuge (52, 54) oder ein Niederhalter (56) als Elektromagnet (154) ausgebildet oder mit einem Elektromagneten (154) verbunden ist oder ein im Bereich der Vorrichtung befindlicher Elektromagnet (154) auf zumindest eines der Fügewerkzeuge (52, 54) den Niederhalter (56) oder Fügeteile (50) wirkt, wobei diese ferromagnetische Eigenschaften aufweisen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Vorrichtung Fügehilfsteile wie Stanzmuttern, Stanzbolzen und/oder Stanzniete mit oder ohne Vorlochung verarbeitbar sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung in ein Handwerkzeug integriert ist.