EP3117925B1 - Stanznietvorrichtung und fertigungsvorrichtung - Google Patents

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EP3117925B1
EP3117925B1 EP16172796.1A EP16172796A EP3117925B1 EP 3117925 B1 EP3117925 B1 EP 3117925B1 EP 16172796 A EP16172796 A EP 16172796A EP 3117925 B1 EP3117925 B1 EP 3117925B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
punch
riveting apparatus
punch riveting
rivet
hold
Prior art date
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Active
Application number
EP16172796.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3117925A1 (de
Inventor
Sebastian Engler
Florian Woelke
Rainer Heinrich Hoerlein
Andreas Scharfenberg
Christian Diessner
Karl-Heinz Pfrommer
Ingo Kesel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3117925A1 publication Critical patent/EP3117925A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3117925B1 publication Critical patent/EP3117925B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J15/00—Riveting
    • B21J15/02—Riveting procedures
    • B21J15/025—Setting self-piercing rivets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J15/00—Riveting
    • B21J15/10—Riveting machines
    • B21J15/12—Riveting machines with tools or tool parts having a movement additional to the feed movement, e.g. spin

Definitions

  • the present invention relates to a punch riveting apparatus for connecting at least two components and to a production apparatus having such a punch riveting apparatus.
  • Methods and devices for punch riveting serve for connecting at least two in a connection region in particular flat trained components (joint partners).
  • a punch riveting method is characterized in that a pre-punching of the components to be joined together is not required. Rather, a rivet is pressed by means of a punch or a punch tool in the at least two components, being ensured by a correspondingly shaped counter-holder, for example.
  • a die which cooperates with the punch tool, that the rivet in a certain way deformed within the components to be joined together to produce a positive and positive connection between the components while avoiding penetration of the component facing away from the rivet.
  • ultrasonic punch riveting methods or devices are known in which a vibration generator, such as.
  • An ultrasonic generator is used to enable one or more components in the connection of the components in vibration. By this vibration, for example, the expended force is reduced to push the rivet.
  • a punch riveting device serves for connecting at least two components and has a punch, a counter-holder, a holding-down device and a vibration generator.
  • the punch and the counter-holder are arranged to each other such that the at least two components between the punch and the counter-holder can be arranged and the punch is set into vibration by means of the vibration generator.
  • the hold-down surrounds the stamp at least partially and is adapted for pressing the at least two components to the counter-holder.
  • mutually facing surfaces of the punch and hold-down are spaced apart, so that the surfaces are formed as a boundary of a gap.
  • a so-called semi-tubular rivet and a so-called solid rivet can be used.
  • the punch can be in contact with the outside of it with the inside of the blank holder surrounding it.
  • the punch slides along the inside of the hold-down. Occurring frictional forces are negligible or at least acceptable.
  • the punch is set during the depression of the rivet in vibration, resulting in an additional, usually high-frequency, relative movement between the punch and the hold-down. The friction between punch and hold-down can lead, for example, to undesired signs of wear and / or cold welding. This can further result in a reduced tool life.
  • the gap is at least partially filled with a hydraulic fluid.
  • the stamp may be hydrostatically supported in the hold-down device, and more particularly, a circuit for the hydraulic fluid may be provided.
  • a corresponding pump may be provided for the circuit.
  • the gap should be limited especially at the other boundary surfaces that are not covered by the surfaces of stamp and hold-down. This is, for example, possible by the hold-down has a corresponding projection in the direction of the punch. A resulting, possible friction between the projection on the hold-down and the punch is usually negligible.
  • the projection may be formed of low friction material on the stamp.
  • such hydrostatic bearing also provides stability for the stamp, i.
  • the punch can be guided in the hold-down.
  • the hydraulic fluid can be exchanged and thus heat dissipated.
  • a cooling of the punch and the blank holder can be provided simultaneously.
  • the intermediate space is at least partially filled with a solid material, in particular with a low adhesion tendency, further in particular having plastic, ceramic and / or carbon.
  • a plastic for example, polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used here.
  • the carbon may, for example, be present as a synthetic and / or natural diamond or diamond-like layer.
  • the material allows a stable guidance for the punch in the hold-down. By a suitable choice of material, the friction can also be kept low, in particular less than this would be the case between punch and hold-down, which are usually made of steel.
  • the solid material is designed as an exchangeable element, in particular as a sleeve, which surrounds the stamp at least partially and is in contact with both surfaces.
  • the punch riveting apparatus should then be designed so that the element remains in position during a riveting operation.
  • a projection may be formed on the element with which the element rests against the hold-down.
  • a projection may also be formed on the hold-down, on which the element rests. The ability to replace the element avoids a more expensive and costly replacement of the punch or blank if the material is worn. Such an element can be provided as a spare part.
  • a PTFE sleeve can, for example, a ceramic sleeve, for example. Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiC or TiN, are used. It is also conceivable to use another wear-resistant, hard material which has been suitably treated on the surface, for example by grinding and / or mechanical and / or thermal polishing.
  • introduction means are provided which are adapted to introduce a lubricant into the intermediate space.
  • a lubricating film between the mutually facing surfaces are formed, which leads to a significant reduction in friction.
  • the distance between the facing surfaces should be very small, but greater than zero.
  • the introduction means can, for example, have one or more injection nozzles at a suitable point, which have a corresponding feed for the lubricant.
  • the lubricant has a lubricant, in particular based on graphite, wax and / or oil, or a release agent, in particular on a ceramic and / or polymeric basis. These are lubricants for the effective reduction of friction, which are also easily introduced.
  • the introduction means are further adapted to introduce the lubricant continuously or repeatedly, in particular at predetermined time intervals, in the intermediate space.
  • a continuous sliding or lubricating film can be formed between the facing surfaces.
  • viscous lubricants such as those based on wax
  • a repeated introduction may be sufficient.
  • the punch is replaceable directly or indirectly attached to the vibrator.
  • a stamp can be attached, for example, by screwing or plugging to the vibrator or a sonotrode coupled thereto.
  • a positioning device for a rivet that can be used with the punch riveting device is provided on an inner side of the hold-down device. This makes it very easy to hold a rivet in place for and during a riveting operation. This is particularly useful when the hold-down is spaced from the punch, since the hold-down then, depending on the diameter of the rivet, often can provide no guidance for the rivet. It is understood that such a positioning device should then be mounted at an appropriate height in order to support the rivet for as long as possible during the depression of the rivet in the components can.
  • the positioning device has a, in particular by means of spring force, centering device.
  • a, in particular by means of spring force, centering device In this way, an optimal position of the rivet can be achieved, since it is known that the rivet is exactly in the center of the hold-down, while it is not visible from the outside.
  • the vibration generator is designed as a sound generator, in particular as an ultrasound generator. This is a simple method for vibration generation.
  • a production device has a punch riveting device according to the invention.
  • FIG. 1 is simplified and schematically shown a manufacturing device 100 according to the invention in a preferred embodiment.
  • the production device 100 may be, for example, an industrial robot in a production hall, for example for an automobile body shop.
  • the production device 100 has a carrier structure 3 arranged on a base and two arms 4 and 5 arranged thereon and connected to one another and movable. At the end of the arm 5, a punch rivet 10 'according to the invention is arranged, which in the FIGS. 3a to 3d will be described in more detail.
  • a computing unit 80 is shown, which is, for example, a control unit for the punch riveting apparatus 10 '.
  • the arithmetic unit 80 can also as Control unit for the entire manufacturing facility, ie, be provided in addition to the punch riveting especially for the control of the movable arms.
  • display means 90 for example a display, are provided on which, for example, current operating parameters of the punch riveting apparatus can be displayed.
  • FIGS. 2a to 2d a punch rivet 10 not according to the invention is shown at different stages of a punch riveting process.
  • the punch riveting apparatus 10 has a punch 15, which for example has a round cross section.
  • the punch 15 is radially surrounded by a sleeve-shaped hold-down 16 and arranged movable relative to this in the longitudinal direction.
  • the punch 15 is coupled to a drive, not shown here, for example a hydraulic or pneumatic drive, which serves to apply a force F required to press a rivet 20 into the two components 11, 12.
  • the hold-down 16 is adapted to press against the surface of the die 15 facing member 11 with a hold-down force.
  • a separate drive can be provided.
  • the hold-down can also be coupled to the drive of the punch 15, for example by means of a spring.
  • a counter-acting die 18 is arranged on the stamp 15 and the hold-down 16 opposite side of the two components 11, 12 .
  • the die 18 is also in the direction of a longitudinal axis 19, in the direction of which also the punch 15 and the hold-16 are arranged movable, raised and lowered.
  • the hold-down 16 and the die 18 serve to clamp or compress the two components 11, 12 between the hold-down 16 and the die 18 during processing by the punch 15.
  • the die 18 has, on the side facing the component 12, a planar upper side 21, from which, for example, a trough-shaped or recess 22 extends.
  • the rivet 20 here by way of example a half-tubular rivet, preferably consists of a material that is harder than the materials of the two components 11, 12, at least in the region of the rivet shank 24.
  • the flat top side facing away from the component 11 is arranged in operative connection with the ram 15. which rests flat on the upper side 26 of the rivet 20.
  • the top 26 of the rivet is a contact point 27 between the rivet and the punch.
  • the punch 15 is operatively connected to a vibration generator 30 for generating vibrations.
  • a vibration generator 30 for generating vibrations.
  • ultrasonic vibrations having an amplitude (distance between maximum positive and negative amplitude of a vibration) between 10 ⁇ m and 110 ⁇ m (or an amplitude between 5 ⁇ m and 55 ⁇ m) and a frequency between 15 kHz and 35 kHz are generated.
  • vibrations 15 are coupled by the vibrator 30 via the punch 15 in the rivet 20.
  • the coupling-in direction of the vibrations of the vibration generator 30 can take place, for example, parallel to the longitudinal axis 19, that is to say parallel to the joining direction (longitudinal) of the rivet 20 into the components 11, 12 or torsional (torsional vibration system).
  • the vibration generator 30 is connected to the computing unit 80, and can be controlled by the latter.
  • FIG. 2a Phase shown represents a beginning of the Stanzniethabilits in which the rivet shank 24 come into operative connection with the top of the component 11. In this case, the punch 15 is pressed with the force F against the stamp 15 facing member 11.
  • the rivet shank 24 initially cuts or punches into the component 11.
  • the two components 11, 12 are plastically deformed, wherein the recess 22 facing the component 12 is pressed in the corresponding areas in the recess 22.
  • FIG. 3a Now a punch rivet 10 'is shown.
  • the two surfaces 42 and 43 thus form a boundary of a space 45 having a volume. In this way, a friction between the punch 15 and the hold-down 16 'is avoided.
  • springs 41 are shown, by means of which the hold-down 16 'is fastened to a holder 40.
  • the holder 40 may be attached to the vibrator 30 or to a sonotrode (not shown) connected to the vibrator 30.
  • the punch 15 may be coupled to the vibrator 30.
  • the holder 40 is directly connected to a holder of the entire punch rivet 10 '.
  • a positioning device 55 is shown, which is arranged on the inside of the blank holder 16 'approximately at the level of the center of the rivet 20.
  • the positioning device 55 may, for example, be a plurality of springs, which are arranged at a uniform distance in a circular manner on the inside of the hold-down 16 '. In this respect, it may, for example, be a centering device.
  • the springs can also be introduced into blind holes in the hold-down device.
  • FIG. 3b a punch rivet 10 'is shown.
  • the space 45 between the surfaces 42 and 43 is filled with a hydraulic fluid 50.
  • suitable limitations for the hydraulic fluid 50 such as protrusions on the inside of the blank holder 16 ', may be provided.
  • openings 60 for example. Holes, provided in the hold-down 16 ', via which the gap 45 to a hydraulic circuit, eg. With a corresponding pump, can be connected and via which thus the hydraulic fluid 50 can be pumped through the gap 45.
  • a punch rivet 10 ' accordinging to the invention is shown. Opposite the in FIG. 3a As shown, a solid material 51 is introduced into the space 45 between the surfaces 42 and 43.
  • This material may, for example, be plastic, for example PTFE.
  • the solid material 51 is formed as an exchangeable element, for example a sleeve, which, as in FIG Figure 3c shown by means of a projection on the top of the hold-16 'rests.
  • Shaping means 61 are provided at the upper end of the blank holder 16 '.
  • These introduction means 61 may be, for example, nozzles or the like, which are introduced, for example, into a bore in the hold-down 16 '. However, it is also conceivable that such nozzles, for example.
  • a lubricant can be introduced into the intermediate space 45 between the surfaces 42 and 43. It is understood that the Einbringkar 61 for this purpose to a suitable supply of lubricant, for example. Via corresponding hoses, are connected. In a suitable embodiment, for example, continuously or at certain time intervals lubricant between the punch 15 and the hold-16 'are introduced, whereby a lubricant film in the space 45 is formed.
  • FIG. 3a shown positioning device 55 also in the forms according to the Figures 3b to 3d can be used or may be present.
  • a riveting operation by means of a punch rivet 10 ' such as in various forms in the FIGS. 3a to 3d shown to proceed as in the FIGS. 2a to 2d is shown and described with reference to a conventional punch riveting apparatus 10.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Insertion Pins And Rivets (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stanznietvorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile sowie eine Fertigungsvorrichtung mit einer solchen Stanznietvorrichtung.
    • Stand der Technik
  • Verfahren und Vorrichtungen zum Stanznieten dienen zum Verbinden mindestens zweier in einem Verbindungsbereich insbesondere eben ausgebildeter Bauteile (Fügepartner). Ein Stanznietverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Vorlochen der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht erforderlich ist. Vielmehr wird ein Niet mittels eines Stempels oder eines Stempelwerkzeugs in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, wobei durch einen entsprechend geformten Gegenhalter, bspw. in Form einer Matrize, der mit dem Stempelwerkzeug zusammenwirkt, sichergestellt ist, dass der Niet sich in einer bestimmten Art und Weise innerhalb der miteinander zu verbindenden Bauteile verformt, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen und gleichzeitig ein Durchdringen des dem Niet abgewandten Bauteils zu vermeiden.
  • Weiterhin sind bspw. aus der EP 2 318 161 B1 oder der DE 10 2014 203 357 A1 sog. Ultraschall-Stanznietverfahren bzw. -vorrichtungen bekannt, bei denen ein Schwingungserzeuger, wie bspw. ein Ultraschall-Generator verwendet wird, um ein oder mehrere Komponenten beim Verbinden der Bauteile in Schwingung zu versetzen. Durch diese Schwingung wird bspw. die aufzuwendende Kraft zum Eindrücken des Niets reduziert.
  • Aus der EP 0 890 397 B1 (D1), welche die Basis für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, ist es bekannt, zwischen Stempel und Niederhalter bei einer Stanznietvorrichtung mit Schwingungseinkopplung einen Abstand bzw. Zwischenraum vorzusehen. Aus der EP 1 177 844 A1 (D3) es bekannt, dass die Matrize und/oder der Stempel mit DLC beschichtet werden.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden eine Stanznietvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Fertigungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
    • Vorteile der Erfindung
  • Eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung dient zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile und weist einen Stempel, einen Gegenhalter, einen Niederhalter und einen Schwingungserzeuger auf. Dabei sind der Stempel und der Gegenhalter derart zueinander angeordnet, dass die wenigstens zwei Bauteile zwischen dem Stempel und dem Gegenhalter anordenbar sind und der Stempel ist mittels des Schwingungserzeugers in Schwingung versetzbar. Der Niederhalter umgibt den Stempel wenigstens teilweise und ist zum Andrücken der wenigstens zwei Bauteile an den Gegenhalter eingerichtet. Dabei sind einander zugewandte Oberflächen von Stempel und Niederhalter voneinander beabstandet, sodass die Oberflächen als eine Begrenzung eines Zwischenraums ausgebildet sind. Als Niet kann hierbei sowohl ein sog. Halbhohlniet als auch ein sog. Vollniet verwendet werden.
  • Bei herkömmlichen Stanznietvorrichtungen ohne Schwingungserzeuger kann der Stempel mit seiner Außenseite mit der Innenseite des ihn umgebenen Niederhalters in Kontakt stehen. Bei einer Beaufschlagung des Stempels mit Kraft zum Einrücken eines Niets gleitet der Stempel dabei an der Innenseite des Niederhalters entlang. Auftretende Reibungskräfte sind hierbei vernachlässigbar oder zumindest hinnehmbar. Bei einer Stanznietvorrichtung mit Schwingungserzeuger hingegen wird der Stempel während des Eindrückens des Niets in Schwingung versetzt, was zu einer zusätzlichen, in der Regel hochfrequenten, Relativbewegung zwischen dem Stempel und dem Niederhalter führt. Die Reibung zwischen Stempel und Niederhalter kann dabei bspw. zu unerwünschten Verschleißerscheinungen und/oder Kaltverschweißungen führen. Daraus kann weiterhin eine verringerte Werkzeugstandzeit resultieren. Bei einer erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung mit einer Beabstandung zwischen den einander zugewandten Oberflächen von Stempel und Niederhalter hingegen wird eine Reibung deutlich verringert oder gar verhindert. Die erwähnten Nachteile wie Verschleißerscheinungen bzw. Kaltverschweißungen können damit verhindert werden, was somit zu einer erhöhten Werkzeugstandzeit, weniger Wartungsaufwand und geringeren Kosten führt. Ebenso wird damit ein sog. Stick-Slip-Effekt, d.h. ein Wechsel zwischen Haft- und Gleitreibung vermieden, was zu einer ungehinderten und somit effektiveren Oszillationsbewegung des Stempels führt.
  • Vorzugsweise ist der Zwischenraum wenigstens teilweise mit einem Hydraulikfluid gefüllt. Insbesondere kann der Stempel in dem Niederhalter hydrostatisch gelagert sein, und weiter insbesondere kann ein Kreislauf für das Hydraulikfluid vorgesehen sein. Für den Kreislauf kann bspw. eine entsprechende Pumpe vorgesehen sein. Es versteht sich, dass hierzu der Zwischenraum insbesondere an den weiteren Begrenzungsflächen, die nicht von den Oberflächen von Stempel und Niederhalter umfasst sind, begrenzt werden sollte. Dies ist bspw. möglich, indem der Niederhalter einen entsprechenden Vorsprung in Richtung Stempel aufweist. Eine dadurch entstehende, mögliche Reibung zwischen dem Vorsprung an dem Niederhalter und dem Stempel ist dabei in der Regel vernachlässigbar. Insbesondere kann der Vorsprung dabei aus Material mit geringer Reibung auf dem Stempel ausgebildet sein. Durch eine solche hydrostatische Lagerung wird eine besonders reibungsarme Relativbewegung zwischen Stempel und Niederhalter ermöglicht. Zudem bietet eine solche hydrostatische Lagerung auch Stabilität für den Stempel, d.h. der Stempel kann in dem Niederhalter geführt werden. Im Falle eines Kreislaufs kann zudem die Hydraulikflüssigkeit ausgetauscht und damit Wärme abgeführt werden. Somit kann gleichzeitig eine Kühlung des Stempels und des Niederhalters bereitgestellt werden.
  • Erfindungsgemäß ist der Zwischenraum wenigstens teilweise mit einem festen Material, insbesondere mit geringer Adhäsionsneigung, weitere insbesondere aufweisend Kunststoff, Keramik und/oder Kohlenstoff, gefüllt. Als Kunststoff kann hier bspw. Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet werden. Der Kohlenstoff kann bspw. als synthetische und/oder natürliche Diamant- oder diamantähnliche Schicht vorliegen. Durch das Material kann eine stabile Führung für den Stempel in dem Niederhalter ermöglicht werden. Durch geeignete Wahl des Materials kann zudem die Reibung gering gehalten werden, insbesondere geringer als dies zwischen Stempel und Niederhalter, die in der Regel aus Stahl bestehen, der Fall wäre. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das feste Material als austauschbares Element, insbesondere als Hülse, ausgebildet ist, das den Stempel wenigstens teilweise umgibt und mit beiden Oberflächen in Kontakt steht. Es versteht sich, dass die Stanznietvorrichtung dann so ausgebildet sein sollte, dass das Element während eines Nietvorgangs in Position bleibt. Bspw. kann hier ein Vorsprung an dem Element ausgebildet sein, mit dem das Element an dem Niederhalter aufliegt. Ebenso kann auch an dem Niederhalter ein Vorsprung ausgebildet sein, an dem das Element aufliegt. Durch die Möglichkeit, das Element auszutauschen, kann ein teureres und aufwändigeres Austauschen des Stempels oder des Niederhalters vermieden werden, wenn das Material verschlissen sein sollte. Ein solches Element kann dabei als Ersatzteil bereitgestellt werden. Neben bspw. einer PTFE-Hülse kann bspw. auch eine Keramikhülse, bspw. aus Al2O3, ZrO2, SiC oder TiN, verwendet werden. Ebenso ist es denkbar, ein anderes verschleißbeständiges, hartes Material zu verwenden, das auf geeignete Weise an der Oberfläche behandelt wurde, bspw. durch Schleifen und/oder mechanisches und/oder thermisches Polieren.
  • Es ist von Vorteil, wenn Einbringmittel vorgesehen sind, die dazu eingerichtet sind, ein Gleitmittel in den Zwischenraum einzubringen. Auf diese Weise kann bspw. ein Schmierfilm zwischen den einander zugewandten Oberflächen gebildet werden, was zu einer deutlichen Reduktion der Reibung führt. Es versteht sich, dass in diesem Falle der Abstand zwischen den einander zugewandten Oberflächen sehr gering sein sollte, jedoch größer als Null. Die Einbringmittel können dabei bspw. eine oder mehrere Einspritzdüsen an geeigneter Stelle aufweisen, die über eine entsprechende Zuführung für das Gleitmittel verfügen.
  • Zweckmäßigerweise weist das Gleitmittel einen Schmierstoff, insbesondere auf Graphit-, Wachs- und/oder Ölbasis, oder ein Trennmittel, insbesondere auf keramischer- und/oder polymerer Basis, auf. Hierbei handelt es sich um Gleitmittel zur effektiven Reibungsreduktion, die zudem auf einfache Weise einbringbar sind.
  • Vorzugsweise sind die Einbringmittel weiterhin dazu eingerichtet, das Gleitmittel kontinuierlich oder wiederholt, insbesondere in vorgegebenen zeitlichen Abständen, in den Zwischenraum einzubringen. Damit kann ein kontinuierlicher Gleit- bzw. Schmierfilm zwischen den einander zugewandten Oberflächen gebildet werden. Im Falle von bspw. zähflüssigen Gleitmitteln, wie bspw. solcher auf Wachsbasis, kann auch ein wiederholtes Einbringen ausreichend sein.
  • Es ist von Vorteil, wenn der Stempel auswechselbar unmittelbar oder mittelbar an dem Schwingungserzeuger angebracht ist. Damit kann ein Stempel, wenn dieser bspw. Verschleißerscheinungen zeigt und/oder wenn dessen Funktionsfähigkeit gemindert ist, auf einfache Weise durch einen neuen Stempel ersetzt werden. Ein Stempel kann dabei bspw. mittels Verschrauben oder Einstecken an dem Schwingungserzeuger oder eine daran angekoppelte Sonotrode angebracht werden.
  • Vorzugsweise ist an einer Innenseite des Niederhalters eine Positioniereinrichtung für einen mit der Stanznietvorrichtung verwendbaren Niet vorgesehen. Damit kann ein Niet für und während eines Nietvorgangs sehr einfach in Position gehalten werden. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Niederhalter von dem Stempel beabstandet ist, da der Niederhalter dann, je nach Durchmesser des Niets, oftmals keine Führung für den Niet bieten kann. Es versteht sich, dass eine solche Positioniereinrichtung dann auf geeigneter Höhe angebracht werden sollte, um den Niet während möglichst langer Zeit während des Eindrückens des Niets in die Bauteile stützen zu können.
  • Vorteilhafterweise weist die Positioniereinrichtung eine, insbesondere mittels Federkraft arbeitende, Zentriereinrichtung auf. Auf diese Weise kann eine optimale Position des Niets erreicht werden, da bekannt ist, dass sich der Niet genau im Zentrum des Niederhalters befindet, während er von außen nicht zu sehen ist.
  • Es ist von Vorteil, wenn der Schwingungserzeuger als Schall-Generator, insbesondere als Ultraschall-Generator, ausgebildet ist. Hierbei handelt es sich um eine einfache Methode zur Schwingungserzeugung.
  • Eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung weist eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung auf.
  • Zur Vermeidung von Wiederholungen sei bezüglich weiterer Vorteile einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung auf die obigen Ausführungen zur erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung verwiesen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
    • Figurenbeschreibung
    • Figur 1
    zeigt vereinfacht und schematisch eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Figuren 2a bis 2d
    zeigen eine Stanznietvorrichtung bei verschiedenen Phasen der Durchführung eines Stanznietverfahrens.
    Figuren 3a, 3b und 3d
    zeigen schematisch Stanznietvorrichtungen in verschiedenen Formen.
    Figur 3c
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung.
    Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
  • In Figur 1 ist vereinfacht und schematisch eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Bei der Fertigungseinrichtung 100 kann es sich bspw. um einen Industrieroboter in einer Fertigungshalle, bspw. für einen automobilen Karosseriebau, handeln.
  • Die Fertigungseinrichtung 100 weist dabei eine auf einem Boden angeordnete Trägerstruktur 3 und zwei daran angeordnete, miteinander verbundene und bewegliche Arme 4 und 5 auf. Am Ende des Armes 5 ist eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10' angeordnet, welche in den Figuren 3a bis 3d detaillierter beschrieben wird.
  • Weiterhin ist eine Recheneinheit 80 gezeigt, bei der es sich bspw. um eine Steuereinheit für die Stanznietvorrichtung 10' handelt. Die Recheneinheit 80 kann zudem auch als Steuereinheit für die gesamte Fertigungseinrichtung, d.h. neben der Stanznietvorrichtung insbesondere auch für die Ansteuerung der beweglichen Arme vorgesehen sein. Weiterhin sind Anzeigemittel 90, bspw. ein Display, vorgesehen, auf denen bspw. aktuelle Betriebsparameter der Stanznietvorrichtung angezeigt werden können.
  • In den Figuren 2a bis 2d ist eine nicht erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10 bei verschiedenen Phasen eines Stanznietverfahrens dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Stempel 15 auf, der beispielhaft einen runden Querschnitt aufweist.
  • Der Stempel 15 ist von einem hülsenförmigen Niederhalter 16 radial umgeben und relativ zu diesem in Längsrichtung beweglich angeordnet. Insbesondere ist der Stempel 15 mit einem hier nicht dargestellten Antrieb, bspw. einem hydraulischen oder pneumatischen Antrieb, gekoppelt, der dazu dient, eine zum Eindrücken eines Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F aufzubringen.
  • Ebenfalls ist der Niederhalter 16 dazu eingerichtet, gegen die Oberfläche des dem Stempel 15 zugewandten Bauteils 11 mit einer Niederhaltekraft zu drücken. Hierzu kann bspw. ein eigener Antrieb vorgesehen sein. Jedoch kann der Niederhalter auch an den Antrieb des Stempels 15 gekoppelt sein, bspw. mittels einer Feder.
  • Auf der dem Stempel 15 und dem Niederhalter 16 gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist eine als Gegenhalter wirkende Matrize 18 angeordnet. Die Matrize 18 ist ebenfalls in Richtung einer Längsachse 19, in deren Richtung auch der Stempel 15 und der Niederhalter 16 beweglich angeordnet sind, heb- und senkbar. Der Niederhalter 16 und die Matrize 18 dienen dazu, die beiden Bauteile 11, 12 zwischen dem Niederhalter 16 und der Matrize 18 während der Bearbeitung durch den Stempel 15 einzuspannen bzw. zusammenzudrücken. Die Matrize 18 weist auf der dem Bauteil 12 zugewandten Seite eine ebene Oberseite 21 auf, von der beispielhaft eine mulden- bzw. kuhlenförmige Ausnehmung 22 ausgeht.
  • Der Niet 20, hier beispielhaft ein Halbhohlniet, besteht bevorzugt aus einem gegenüber den Werkstoffen der beiden Bauteile 11, 12 härteren Material, zumindest im Bereich des Nietschafts 24. Die dem Bauteil 11 abgewandte, ebene Oberseite 26 ist in Wirkverbindung mit dem Stempel 15 angeordnet, der an der Oberseite 26 des Niets 20 flächig anliegt. Somit stellt die Oberseite 26 des Niets eine Kontaktstelle 27 zwischen dem Niet und dem Stempel dar.
  • Der Stempel 15 ist mit einem Schwingungserzeuger 30 zur Erzeugung von Schwingungen bzw. Vibrationen wirkverbunden. Insbesondere werden mittels des Schwingungserzeugers 30 Ultraschallschwingungen mit einer Schwingweite (Abstand zwischen maximaler positiver und negativer Amplitude einer Schwingung) zwischen 10 µm und 110 µm (bzw. einer Amplitude zwischen 5 µm und 55 µm) und einer Frequenz zwischen 15kHz und 35 kHz erzeugt.
  • Diese Schwingungen 15 werden von dem Schwingungserzeuger 30 über den Stempel 15 in den Niet 20 eingekoppelt. Die Einkopplungsrichtung der Vibrationen des Schwingungserzeugers 30 kann dabei bspw. parallel zur Längsachse 19, das heißt parallel zur Fügerichtung (longitudinal) des Niets 20 in die Bauteile 11, 12 oder torsional (torsionales Schwingsystem) erfolgen. Der Schwingungserzeuger 30 ist an die Recheneinheit 80 angebunden, und kann von dieser angesteuert werden.
  • Die in Figur 2a gezeigte Phase stellt einen Beginn des Stanznietverfahrens dar, bei dem der Nietschaft 24 in Wirkverbindung mit der Oberseite des Bauteils 11 gelangen. Dabei wird der Stempel 15 mit der Kraft F gegen das dem Stempel 15 zugewandte Bauteil 11 gedrückt.
  • In einer in Figur 2b gezeigten weiteren Phase, d.h. während des weiteren Verlaufs des Nietvorgangs und unter Unterstützung der in die Bauteile 11, 12 eingekoppelten Schwingungen schneidet bzw. stanzt der Nietschaft 24 sich zunächst in das Bauteil 11 ein. Dabei werden die beiden Bauteile 11, 12 plastisch verformt, wobei das der Ausnehmung 22 zugewandte Bauteil 12 in den entsprechenden Bereichen in die Ausnehmung 22 eingedrückt wird.
  • Während des weiteren Bewegungswegs bzw. der weiteren Abwärtsbewegung des Niets 20 entsprechend der Figur 2c wird der Nietschaft 24 im Bereich der Ausnehmung 22 nach außen gespreizt, wodurch die beiden Bauteile 11, 12 in Axialrichtung sicher form- und kraftschlüssig miteinander verbunden werden.
  • Wesentlich dabei ist, dass entsprechend der Figur 2d, die die Endposition des Niets 20 zeigt, der Nietschaft 24 nicht aus dem Bauteil 12 herausragt bzw. dieses nicht vollständig durchdringt.
  • Nachdem der Niet 20 die in der Figur 2d dargestellte Endposition erreicht hat, bei der die Oberseite 26 des Niets 20 zumindest in etwa bündig mit der Oberseite des Bauteils 11 abschließt, wird anschließend der Stempel 15 wieder von den Bauteilen 11, 12 in entgegengesetzter Richtung nach oben bewegt.
  • In Figur 3a ist nun eine Stanznietvorrichtung 10' gezeigt. Die Stanznietvorrichtung 10' unterscheidet sich von der in den Figuren 2a bis 2d gezeigten Stanznietvorrichtung 10 darin, dass eine dem Stempel 15 zugewandte Oberfläche 42, hier die Innenseite, des Niederhalters 16' von einer dem Niederhalter 16' zugewandten Oberfläche 43, hier der Außenseite, des Stempels 15 beabstandet ist. Die beiden Oberflächen 42 und 43 bilden somit eine Begrenzung eines ein Volumen habenden Zwischenraums 45. Auf diese Weise wird eine Reibung zwischen dem Stempel 15 und dem Niederhalter 16' vermieden.
  • Weiterhin sind Federn 41 gezeigt, mittels welcher der Niederhalter 16' an einer Halterung 40 befestigt ist. Die Halterung 40 wiederum kann an dem Schwingungserzeuger 30 oder einer mit dem Schwingungserzeuger 30 verbundenen (und hier nicht dargestellten) Sonotrode befestigt sein. Über eine solche Sonotrode kann der Stempel 15 an den Schwingungserzeuger 30 gekoppelt sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Halterung 40 direkt mit einer Halterung der gesamten Stanznietvorrichtung 10' verbunden ist. Durch die Federn 41 wird der Niederhalter 16' während eines Eindrückens des Niets 20 in die Bauteile 11, 12 gegen die Bauteile gedrückt, wodurch die Bauteile in Position gehalten werden.
  • Weiterhin ist eine Positioniereinrichtung 55 gezeigt, die an der Innenseite des Niederhalters 16' in etwa in Höhe der Mitte des Niets 20 angeordnet ist. Bei der Positioniereinrichtung 55 kann es sich bspw. um mehrere Federn handeln, die in gleichmäßigem Abstand kreisförmig an der Innenseite des Niederhalters 16' angeordnet sind. Insofern kann es sich bspw. um eine Zentriereinrichtung handeln. Die Federn können hierzu bspw. auch in Sacklöcher in dem Niederhalter eingebracht sein.
  • In Figur 3b ist eine Stanznietvorrichtung 10' gezeigt. Gegenüber der in Figur 3a gezeigten Form ist der Zwischenraum 45 zwischen den Oberflächen 42 und 43 mit einem Hydraulikfluid 50 gefüllt. An der Oberseite und der Unterseite können hier geeignete Begrenzungen für das Hydraulikfluid 50 wie bspw. Vorsprünge an der Innenseite des Niederhalters 16' vorgesehen sein. Weiterhin sind Öffnungen 60, bspw. Bohrungen, in dem Niederhalter 16' vorgesehen, über welche der Zwischenraum 45 an einen Hydraulikkreislauf, bspw. mit einer entsprechenden Pumpe, angebunden sein kann und über welche somit das Hydraulikfluid 50 durch den Zwischenraum 45 gepumpt werden kann.
  • In Figur 3c ist eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10' gezeigt. Gegenüber der in Figur 3a gezeigten Form ist in den Zwischenraum 45 zwischen den Oberflächen 42 und 43 ein festes Material 51 eingebracht. Bei diesem Material kann es sich bspw. um Kunststoff, bspw. PTFE handeln. Erfindungsgemäß ist das feste Material 51 als austauschbares Element, bspw. eine Hülse, ausgebildet, das, wie in Figur 3c gezeigt, mittels eines Vorsprungs an der Oberseite an dem Niederhalter 16' aufliegt.
  • In Figur 3d ist eine Stanznietvorrichtung 10' gezeigt. Gegenüber der in Figur 3a gezeigten Form sind Einbringmittel 61 am oberen Ende des Niederhalters 16' vorgesehen. Bei diesen Einbringmitteln 61 kann es sich bspw. um Düsen oder dergleichen handeln, die bspw. in eine Bohrung in den Niederhalter 16' eingebracht sind. Es ist jedoch auch denkbar, dass solche Düsen bspw. an der Oberseite des Niederhalters 16' angebracht sind.
  • Mittels der Einbringmittel 61 kann ein Gleitmittel in den Zwischenraum 45 zwischen den Oberflächen 42 und 43 eingebracht werden. Es versteht sich, dass die Einbringmittel 61 hierzu an eine geeignete Versorgung mit Gleitmittel, bspw. über entsprechende Schläuche, angebunden sind. Bei geeigneter Ausgestaltung kann so bspw. kontinuierlich oder in bestimmten zeitlichen Abständen Gleitmittel zwischen den Stempel 15 und den Niederhalter 16' eingebracht werden, wodurch ein Gleitmittelfilm in dem Zwischenraum 45 entsteht.
  • Der Vollständigkeit halber sei noch angemerkt, dass die in Figur 3a gezeigte Positioniervorrichtung 55 auch in den Formen gemäß den Figuren 3b bis 3d verwendet werden bzw. vorhanden sein kann. Im Übrigen kann ein Nietvorgang mittels einer Stanznietvorrichtung 10' wie bspw. in verschiedenen Formen in den Figuren 3a bis 3d gezeigt, so ablaufen, wie dies in den Figuren 2a bis 2d anhand einer herkömmlichen Stanznietvorrichtung 10 gezeigt und beschrieben ist.

Claims (13)

  1. Stanznietvorrichtung (10') zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile (11, 12), mit einem Stempel (15), einem Gegenhalter (18), einem Niederhalter (16') und einem Schwingungserzeuger (30),
    wobei der Stempel (15) und der Gegenhalter (18) derart zueinander angeordnet sind, dass die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) zwischen dem Stempel (15) und dem Gegenhalter (18) anordenbar sind,
    wobei der Stempel (15) mittels des Schwingungserzeugers (30) in Schwingung versetzbar ist,
    wobei der Niederhalter (16') den Stempel (15) wenigstens teilweise umgibt und zum Andrücken der wenigstens zwei Bauteile (11, 12) an den Gegenhalter (18) eingerichtet ist,
    wobei einander zugewandte Oberflächen (42, 43) von Stempel (15) und Niederhalter (16') voneinander beabstandet sind, sodass die Oberflächen (42, 43) als eine Begrenzung eines Zwischenraums (45) ausgebildet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (45) wenigstens teilweise mit einem festen Material (51) gefüllt ist, wobei das feste Material (51) als austauschbares Element ausgebildet ist, das den Stempel wenigstens teilweise umgibt und mit beiden Oberflächen in Kontakt steht.
  2. Stanznietvorrichtung (10') nach Anspruch 1, wobei der Zwischenraum (45) teilweise mit einem Hydraulikfluid (50) gefüllt ist.
  3. Stanznietvorrichtung (10') nach Anspruch 2, wobei der Stempel (15) in dem Niederhalter (16') hydrostatisch gelagert ist, und wobei insbesondere ein Kreislauf für das Hydraulikfluid (50) vorgesehen ist.
  4. Stanznietvorrichtung (10') nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das feste Material (51) ein Material mit geringer Adhäsionsneigung, insbesondere aufweisend Kunststoff, Keramik und/oder Kohlenstoff, ist.
  5. Stanznietvorrichtung (10') nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das austauschbare Element als Hülse ausgebildet ist.
  6. Stanznietvorrichtung (10') nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Einbringmittel (61) vorgesehen sind, die dazu eingerichtet sind, ein Gleitmittel in den Zwischenraum (45) einzubringen.
  7. Stanznietvorrichtung (10') nach Anspruch 6, wobei das Gleitmittel einen Schmierstoff, insbesondere auf Graphit-, Wachs- und/oder Ölbasis, oder ein Trennmittel, insbesondere auf keramischer- und/oder polymerer Basis, aufweist.
  8. Stanznietvorrichtung (10') nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Einbringmittel (61) weiterhin dazu eingerichtet sind, das Gleitmittel kontinuierlich oder wiederholt, insbesondere in vorgegebenen zeitlichen Abständen, in den Zwischenraum (45) einzubringen.
  9. Stanznietvorrichtung (10') nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stempel (15) auswechselbar unmittelbar oder mittelbar an dem Schwingungserzeuger (30) angebracht ist.
  10. Stanznietvorrichtung (10') nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an einer Innenseite des Niederhalters (16') eine Positioniereinrichtung (55) für einen mit der Stanznietvorrichtung (10) verwendbaren Niet (20) vorgesehen ist.
  11. Stanznietvorrichtung (10') nach Anspruch 10, wobei die Positioniereinrichtung (55) eine, insbesondere mittels Federkraft arbeitende, Zentriereinrichtung aufweist.
  12. Stanznietvorrichtung (10') nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schwingungserzeuger (30) als Schall-Generator, insbesondere als Ultraschall-Generator, ausgebildet ist.
  13. Fertigungseinrichtung (100) mit einer Stanznietvorrichtung (10') nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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