EP3281721B1 - Verfahren zum verbinden wenigstens zweier bauteile mittels einer stanznietvorrichtung und fertigungseinrichtung - Google Patents

Verfahren zum verbinden wenigstens zweier bauteile mittels einer stanznietvorrichtung und fertigungseinrichtung Download PDF

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EP3281721B1
EP3281721B1 EP17177574.5A EP17177574A EP3281721B1 EP 3281721 B1 EP3281721 B1 EP 3281721B1 EP 17177574 A EP17177574 A EP 17177574A EP 3281721 B1 EP3281721 B1 EP 3281721B1
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EP
European Patent Office
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punch
force
rivet
components
component parts
Prior art date
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EP17177574.5A
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English (en)
French (fr)
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EP3281721A1 (de
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Florian Woelke
Oliver Ebinger
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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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
    • B21J15/10—Riveting machines
    • B21J15/28—Control devices specially adapted to riveting machines not restricted to one of the preceding subgroups
    • B21J15/285—Control devices specially adapted to riveting machines not restricted to one of the preceding subgroups for controlling the rivet upset cycle
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for connecting at least two components by means of a punch riveting device, a computing unit for carrying it out, and a manufacturing device with a punch riveting device.
  • Methods for punch riveting are used to connect at least two components (joining partners) that are particularly flat in a connection area.
  • a punch riveting process is characterized in that it is not necessary to pre-punch the components to be connected to one another. Rather, a rivet is pressed into the at least two components by means of a punch or a punch tool, with a correspondingly shaped counterholder, for example in the form of a die, which interacts with the punch tool, ensuring that the rivet or the components are in a specific position Deform in a way to create a positive and positive connection between the components.
  • EP 2 318 161 B1 a so-called ultrasonic self-piercing riveting process is known in which a vibration generator, such as an ultrasonic generator, is used to set one or more components vibrating when connecting the components. This oscillation reduces, for example, the force required to press in the rivet.
  • a vibration generator such as an ultrasonic generator
  • a method according to the invention is used to connect at least two components by means of a punch riveting device.
  • the at least two components are arranged between a punch and a counter-holder, a rivet arranged between the punch and a component of the at least two components facing the punch is pressed into the at least two components by means of the punch by applying a force to the punch.
  • a force gradient is determined at least at times. It is a time gradient, i.e. force per time.
  • a force as a function of the position or the path of the punch can be used to assess the quality of the punch riveting process. In doing so, it can be examined, for example, whether the force profile is within certain limit values, for example a so-called envelope curve.
  • envelope curve When connecting components made of brittle material by means of a punch riveting process, the application of the force can lead to defects, for example cracks, in one or more of the components, but also in the rivet. The occurrence of such a defect leads to certain short-term fluctuations in the force that is exerted on the stamp or the components, since, for example, one of the components yields.
  • defects, in particular cracks, in the components or the rivet can be identified particularly advantageously and in a very simple manner, since such a defect is a brief jerky movement of the Stamp causes, which can be recognized as a rapid change in force and thus a steep gradient.
  • Brittle materials for which the proposed method can be used particularly advantageously include, for example, cast aluminum-magnesium, carbon fiber reinforced plastic (CFRP), glass fiber reinforced plastic (GFRP), 7xxx aluminum sheet, magnesium sheet or titanium sheet .
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • GFRP glass fiber reinforced plastic
  • 7xxx aluminum sheet magnesium sheet or titanium sheet .
  • the defect is identified based on a comparison of the gradient of the force with at least one threshold value, which is specified in particular as a function of the at least two components and / or the rivet and / or the anvil.
  • threshold values can, for example, be selected on the basis of test or empirical values.
  • a defect can then be recognized, for example, when the gradient (in terms of amount) exceeds the threshold value. It can be taken into account that, for example, a defect can only be assumed from a certain value of the gradient.
  • threshold values are dependent on the material and can therefore also be predefined or set anew each time the punch riveting device is used, and thus can be predefined by a user.
  • the thickness of the components to be connected can also be relevant. It is also conceivable that a distinction is made between different types of defects and / or defects on different components, for example a component and the rivet, by using different threshold values.
  • the gradient of the force is advantageously linked to an associated punch riveting process and, in particular, is stored on a storage medium.
  • This enables documentation of the riveting process and its quality ("log book function"). For example, defects can easily be found or explained later in this way. In addition, such documentation is often required for industrial applications. It can also be useful to link and save only if a defect has been recognized. This avoids unnecessary generation of data. In this way, it is also possible to determine a total number of defects occurring during a certain period of time, whereby, for example, conclusions can be drawn about the quality of the components or rivets used.
  • the relevant punch riveting process is terminated as soon as possible after the defect has been recognized, so that the components or the rivet can be sorted out. This is accompanied by a slight loss of time.
  • a recognized defect is displayed on display means, for example a display. In this way, a defect can be identified quickly and the corresponding components or rivets can be sorted out.
  • An acoustic signal that indicates the detection of a defect is also conceivable.
  • a further method and / or a further quality parameter is used for a quality assessment of an associated punch riveting process and / or a connection of the at least two components produced in this punch riveting process.
  • the method or the quality parameter can, for example, be a force-displacement or force-time curve, as mentioned at the beginning.
  • a quality assessment of the entire punch riveting process can take place, which in particular also allows other or additional factors of the punch riveting process to be assessed in addition to the detection of defects.
  • at least partially redundant evaluation criteria are possible in this way. Two redundant evaluation criteria are often even required for reasons of process reliability.
  • use can then be made of the fact that the force has to be recorded anyway for the gradient of the force.
  • the gradient of the force is preferably determined during at least a selected time and / or distance range during the pressing in of the rivet.
  • the time or travel ranges can be selected in which experience has shown that defects or cracks are to be expected. This means that there is no need to monitor the entire punch riveting process.
  • the gradient of the force is determined over the entire period of time or over the entire path of the pressing in of the rivet. This makes it possible to achieve a higher probability of recognizing a defect, in particular if, for example, a defect occurs in an unusual position or at an unusual time.
  • the gradient of the force is advantageously determined by means of a time-dependent sampling.
  • the force can, for example, be recorded with a specific frequency so that the gradient can be determined.
  • a suitable frequency for example 50 or 100 kHz, so that the amount of data is not too high, but a sufficiently accurate detection of a gradient and thus detection of a defect is still possible.
  • At least one component involved in pressing in the rivet is caused to vibrate by means of a vibration generator.
  • a vibration generator In this way, a particularly simple production of the rivet connection is possible, while at the same time less force is required to press in the rivet. It should be noted, however, that the detection of a defect can be used both in a conventional punch riveting process without vibration coupling and in a punch riveting process with vibration coupling.
  • This component can in particular be the rivet, the punch, the counter holder and / or at least one of the at least two components.
  • a vibration By coupling a vibration via various components, both heat can be generated, which simplifies the riveting process, and the force required on the rivet for pressing into the components can be reduced.
  • the stamp it is useful to set the stamp in vibration.
  • the stamp can be coupled directly to the vibration generator or even be part of the vibration generator. Nonetheless, in addition or as an alternative, other of the components mentioned can also be made to vibrate in order to improve the riveting process.
  • An ultrasonic generator is used as the vibration generator. This is a simple method of generating vibration.
  • a manufacturing device has a self-piercing riveting device with a punch, a counter holder, a vibration generator, and a computing unit, such as a control unit or a control device, which is set up, in particular in terms of programming, to carry out the method according to the invention.
  • the production facility preferably also has display means which are set up in particular to display the gradient of the force and / or a detection of a defect.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc.
  • a program can also be downloaded via computer networks (Internet, intranet, etc.).
  • FIG. 1 a production device 100 according to the invention is shown in a simplified and schematic manner in a preferred embodiment.
  • the production facility 100 can be, for example, an industrial robot in a production hall, for example for an automobile body shop.
  • the manufacturing device 100 has a support structure 3 arranged on a floor and two mutually connected and movable arms 4 and 5 arranged thereon. At the end of the arm 5, a punch riveting device 10 according to the invention is arranged, which is described in more detail below.
  • a computing unit 80 is shown, which is, for example, a control unit for the punch riveting device 10.
  • the computing unit 80 can also be provided as a control unit for the entire production facility, ie in addition to the self-piercing riveting device, in particular also for controlling the movable arms.
  • display means 90 for example a display, are provided on which, for example, current operating parameters of the punch riveting device can be displayed.
  • the element 90 can also be a combined display / input means, for example a touch screen.
  • a punch riveting device 10 is shown schematically.
  • the punch riveting device 10 has a frame 60, which is preferably in the form of a C-frame or C-bracket, on which the individual components in a punch riveting device are usually arranged in order to be able to assume the desired position relative to one another.
  • the punch riveting device 10 can, for example, be attached to an arm as in FIG Figure 1 shown attached.
  • the punch riveting device 10 has a punch (or a sonotrode) 15, for example with a round cross section.
  • the punch 15 is surrounded radially by a (sleeve-shaped) hold-down device 16 and is arranged to be movable relative to it in the longitudinal direction.
  • the hold-down device is preferably attached by means of a spring to a so-called zero amplitude passage of the ram, i.e. a position of the ram at which the oscillation amplitudes are zero or at least as low as possible.
  • the punch 15 is coupled to a drive 50, which serves to apply a force F required to press the rivet 20 into the two components 11, 12.
  • the drive 50 can be controlled, for example, by means of the computing unit 80.
  • the force F can, for example, be specified via a setpoint value and recorded as an actual value.
  • the hold-down device 16 is also set up to press against the surface of the component 11 facing the punch 15 with a hold-down force.
  • a separate drive can be provided for this purpose, for example.
  • the hold-down device can also (as shown here) be coupled to the drive of the punch or to the punch itself, for example by means of a spring.
  • a counterholder in the form of a die 18 is arranged on the side of the two components 11, 12 opposite the punch 15 and the hold-down device 16.
  • the punch 15 and the die 18 are arranged to be movable in the vertical direction, as is the hold-down device 16, and are movable relative to one another.
  • 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 rivet 20 here by way of example a semi-tubular rivet, preferably consists of a material that is harder than the materials of the two components 11, 12, at least in the area of a rivet shank.
  • the flat upper side of the rivet facing away from the component 11 is shown in FIG Operational connection with the punch 15 is arranged, which rests flat on the top of the rivet 20.
  • the stamp 15 is operatively connected to a (mechanical) vibration generator 30 for generating oscillations or vibrations, e.g. a converter or piezo converter.
  • a vibration generator 30 for generating oscillations or vibrations, e.g. a converter or piezo converter.
  • ultrasonic vibrations with an amplitude (distance between the maximum positive and negative amplitude of an oscillation) between 10 ⁇ m and 110 ⁇ m (corresponds to an amplitude of 5 ⁇ m to 55 ⁇ m) and a frequency between 15 kHz and 35 kHz or possibly also generated higher.
  • the vibration generator 30 is connected to the computing unit 80 and can be controlled by it.
  • the computing unit has an electrical vibration generator, e.g. a function generator.
  • the drive 50 can be, for example, a drive with a ball, roller or planetary screw drive or the like, which is suitable for applying a force F for pressing the rivet 20 into the components 11, 12.
  • a holding device 35 for example in the form of a frame or a rack, is attached to the drive 50.
  • An oscillation system 39 which in the present case comprises the oscillation generator 30, a booster 31 and the stamp or the sonotrode 15, is arranged on the holding device 35.
  • a position sensor 40 is shown as an example, which is set up to detect a position or a path x of the stamp 15. This position x can be transmitted to the computing unit 80.
  • the position of the ram can also be determined, for example, via the drive of the ram, for example in the case of a ball screw drive via a pitch of the thread and a number of revolutions.
  • the phase shown in the method according to the invention represents a start of the punch riveting method, in which the rivet shaft 24 comes into operative connection with the upper side of the component 11. In this case, the punch 15 is pressed with the force F against the component 11 facing the punch 15.
  • FIG 4 an exemplary force-position curve is shown in a punch riveting process.
  • a force F is plotted against a position or a path x.
  • F (x) a course of a force F, which is exerted on the punch to press the rivet in, is indicated as a function of the position x of the punch during the pressing. It should be noted that only a relative position x, ie the path covered by the stamp, is relevant here.
  • an envelope curve with the threshold or limit values G 11 and G 21 is shown, which characterize the maximum and minimum permissible values for the force F or the function F (x). For example, riveting processes in which the function F (x) falls below or exceeds the limit values can be rejected as being of insufficient quality.
  • threshold values G 12 and G 22 are shown which lie within the envelope curve with the limit values G 11 and G 21 . These threshold values can serve, for example, as a warning curve, so that, for example, if these threshold values are fallen short of or exceeded, a corrective measure can be initiated or the associated riveted connection can be classified as problematic.
  • a window 301 is shown which, for example, indicates a process-relevant point, here an end position.
  • a process-relevant point here an end position.
  • further threshold values to be observed can be specified.
  • path segment ⁇ x 1 and ⁇ x 2 are shown, during which the gradient of the force F can be determined, which in the present example is determined as a local gradient.
  • the path segment ⁇ x 1 covers only part of the entire path in which, for example, a defect is most likely to occur.
  • the path segment ⁇ x 2 covers the entire path from the start of the punch riveting process to the end.
  • a decrease dF ' is shown which, for example, can correspond to a threshold value dF' / dx of the gradient. If this threshold value dF '/ dx is exceeded in terms of amount, a defect can be assumed, for example.
  • the gradient is determined as a function of time.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Stanznietvorrichtung, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie eine Fertigungseinrichtung mit einer Stanznietvorrichtung.
    • Stand der Technik
  • Verfahren zum Stanznieten dienen zum Verbinden wenigstens 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 oder die Bauteile sich in einer bestimmten Art und Weise verformen, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen.
  • Weiterhin ist bspw. aus der EP 2 318 161 B1 ein sog. Ultraschall-Stanznietverfahren bekannt, bei dem 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 2 623 952 A1 ist bspw. bekannt, dass bei verschiedenen Materialien Risse in der Oberfläche auftreten können und es werden Möglichkeiten vorgeschlagen, solche Risse zu erkennen.
  • Aus der KR 2016 001106 A ist ein herkömmliches Stanznietverfahren bekannt, bei dem eine Steigung eines Kraft-Weg-Verlaufs ermittelt und mit Grenzwerten verglichen wird, um einen Stanznietvorgang zu beurteilen
  • Aus der gattungsgemäßen DE 199 05 527 A1 ist ein Ultraschall-Stanznietverfahren bekannt, bei dem Kraft und Weg erfasst werden.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Stanznietvorrichtung, sowie eine Fertigungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Stanznietvorrichtung. Dabei werden die wenigstens zwei Bauteile zwischen einem Stempel und einem Gegenhalter angeordnet, ein zwischen dem Stempel und einem dem Stempel zugewandten Bauteil der wenigstens zwei Bauteile angeordneter Niet wird mittels des Stempels in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, indem der Stempel mit einer Kraft beaufschlagt wird. Während des Eindrückens des Niets wird dabei zumindest zeitweise ein Gradient der Kraft ermittelt. Es handelt sich dabei um einen zeitlichen Gradienten, d.h. Kraft pro Zeit.
  • Bei Stanznietverfahren kann eine Kraft als Funktion der Position bzw. des Wegs des Stempels für eine Qualitätsbewertung des Stanznietprozesses herangezogen werden. Dabei kann bspw. untersucht werden, ob sich der Kraftverlauf innerhalb gewisser Grenzwerte, bspw. einer sog. Hüllkurve, bewegt. Bei der Verbindung von Bauteilen aus sprödem Material mittels eines Stanznietverfahrens kann es aufgrund der Ausübung der Kraft zu Defekten, bspw. Rissen, in einem oder mehreren der Bauteile, aber auch in dem Niet, kommen. Das Auftreten eines solchen Defekts führt dabei zu gewissen kurzzeitigen Schwankungen in der Kraft, die auf den Stempel bzw. die Bauteile ausgeübt wird, da bspw. eines der Bauteile nachgibt. Solche Schwankungen sind jedoch in aller Regel verhältnismäßig klein, so dass solche Schwankungen im Rahmen einer Überwachung des Kraftverlaufs bezüglich der erwähnten Grenzwerte in der Regel nicht erkannt werden. Dies liegt daran, dass solche Grenzwerte eine gewisse Schwankung zulassen sollen, innerhalb derer ein Stanznietvorgang noch als für in Ordnung befunden werden soll.
  • Wird nun jedoch, wie vorgeschlagen, der Gradient der Kraft ermittelt, so können besonders vorteilhaft und auf sehr einfache Weise Defekte, insbesondere Risse, in den Bauteilen bzw. dem Niet erkannt werden, da ein solcher Defekt eine kurze ruckartige Bewegung des Stempels hervorruft, die als schnelle Änderung der Kraft und damit steiler Gradient erkennbar ist.
  • Als spröde Materialien, bei denen das vorgeschlagene Verfahren besonders vorteilhaft anwendbar ist, kommen bspw. Aluminium-Magnesium-Guss, kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK), glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), 7xxx-Alumnium-Blech, Magnesium-Blech oder Titan-Blech in Frage.
  • Erfindungsgemäß wird die Erkennung des Defekts anhand eines Vergleichs des Gradienten der Kraft mit wenigstens einem Schwellwert, der insbesondere in Abhängigkeit von den wenigstens zwei Bauteilen und/oder des Niets und/oder des Gegenhalters vorgegeben wird, vorgenommen. Solche Schwellwerte können bspw. aufgrund von Test- bzw. Erfahrungswerten gewählt werden. Es kann dann bspw. auf einen Defekt erkannt werden, wenn der Gradient (betragsmäßig) den Schwellwert überschreitet. Dabei kann berücksichtigt werden, dass bspw. erst ab einem bestimmten Wert des Gradienten überhaupt von einem Defekt ausgegangen werden kann. Es versteht sich auch, dass solche Schwellwerte materialabhängig sind und daher auch bspw. bei jeder neuen Verwendung des Stanznietgeräts neu vorgegeben bzw. eingestellt werden können, somit als von einem Benutzer vorgebbar sind. Neben der Art des Materials kann aber bspw. auch die Dicke der zu verbindenden Bauteile relevant sein. Denkbar ist dabei auch, dass über die Verwendung verschiedener Schwellwerte eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Arten von Defekten und/oder Defekten an verschiedenen Komponenten, also bspw. einem Bauteil und dem Niet, getroffen wird.
  • Vorteilhafterweise wird der Gradient der Kraft mit einem zugehörigen Stanznietvorgang verknüpft und insbesondere auf einem Speichermedium abgespeichert. Damit ist eine Dokumentation des Nietvorgangs und dessen Qualität möglich ("Logbuchfunktion"). Bspw. können auf diese Weise später Defekte leicht aufgefunden oder erklärt werden. Zudem ist eine solche Dokumentation für industrielle Anwendungen oftmals vorgeschrieben. Zweckmäßig kann es auch sein, die Verknüpfung und Abspeicherung nur durchzuführen, wenn ein Defekt erkannt wurde. Damit wird eine unnötige Erzeugung von Daten vermieden. Möglich ist auf diese Weise auch, eine insgesamt während eines bestimmten Zeitraums auftretende Anzahl an Defekten zu ermitteln, wodurch bspw. Rückschlüsse auf eine Qualität der verwendeten Bauteile bzw. Niete möglich ist.
  • Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn nach einem erkannten Defekt der betreffende Stanznietvorgang vor dessen Ende bereits sobald als möglich nach der Erkennung des Defekts abgebrochen wird, sodass die Bauteile bzw. der Niet aussortiert werden können. Damit geht ein geringer Zeitverlust einher.
  • Denkbar ist auch, dass ein erkannter Defekt auf Anzeigemitteln, bspw. einem Display, angezeigt wird. So kann ein Defekt schnell erkannt werden und die entsprechenden Bauteile bzw. der Niet können aussortiert werden. Denkbar ist dabei auch ein akustisches Signal, das die Erkennung eines Defekts angibt.
  • Es ist von Vorteil, wenn zusätzlich zu dem Gradienten der Kraft ein weiteres Verfahren und/oder eine weitere Qualitätskenngröße für eine Qualitätsbewertung eines zugehörigen Stanznietvorgangs und/oder einer in diesem Stanznietvorgang erzeugten Verbindung der wenigstens zwei Bauteile verwendet wird. Bei dem Verfahren bzw. der Qualitätskenngröße kann es sich bspw. um einen Kraft-Weg- oder Kraft-Zeit-Verlauf, wie eingangs erwähnt, handeln. Auf diese Weise kann eine Qualitätsbewertung des gesamten Stanznietvorgangs erfolgen, die insbesondere auch eine Bewertung anderer bzw. zusätzlicher Faktoren des Stanznietvorgangs neben der Erkennung von Defekten erlaubt. Zudem sind auf diese Weise auch, zumindest teilweise, redundante Bewertungskriterien möglich. Zwei redundante Bewertungskriterien sind aus Gründen der Prozesssicherheit oftmals sogar gefordert. Zudem kann sich dann zunutze gemacht werden, dass für den Gradienten der Kraft die Kraft ohnehin erfasst werden muss.
  • Vorzugsweise wird der Gradient der Kraft während wenigstens eines ausgewählten Zeit- und/oder Wegbereiches während des Eindrückens des Niets ermittelt. Damit können bspw. die Zeit- bzw. Wegbereiche ausgewählt werden, in denen erfahrungsgemäß Defekte bzw. Risse zu erwarten sind. Somit ist keine Überwachung des gesamten Stanznietvorgangs nötig.
  • Alternativ ist es auch bevorzugt, wenn der Gradient der Kraft während der gesamten Zeitdauer oder während des gesamten Wegs des Eindrückens des Niets ermittelt wird. Damit kann eine höhere Wahrscheinlichkeit, einen Defekt zu erkennen erreicht werden, insbesondere wenn bspw. ein Defekt an einer unüblichen Position oder zu einer unüblichen Zeit auftritt.
  • Vorteilhafterweise wird der Gradient der Kraft mittels einer zeitabhängigen Abtastung ermittelt. Bei der zeitabhängigen Abtastung kann die Kraft bspw. mit einer bestimmten Frequenz erfasst werden, sodass der Gradient ermittelt werden kann. Bei der zeitabhängigen Abtastung sollte bspw. auf eine geeignete Frequenz, bspw. 50 oder 100 kHz, geachtet werden, sodass keine zu hohe Datenmenge anfällt, aber dennoch eine hinreichend genaue Erfassung eines Gradienten und damit eine Erkennung eines Defekts möglich ist.
  • Erfindungsgemäß wird wenigstens eine beim Eindrücken des Niets beteiligte Komponente beim Eindrücken mittels eines Schwingungserzeugers in Schwingung versetzt. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Herstellung der Niet-Verbindung möglich, wobei gleichzeitig weniger Kraft zum Eindrücken des Niets benötigt wird. Es sei jedoch angemerkt, dass die Erkennung eines Defekts sowohl bei einem herkömmlichen Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung als auch bei einem Stanznietverfahren mit Schwingungseinkopplung verwendet werden kann.
  • Bei dieser Komponente kann es sich insbesondere um den Niet, den Stempel, den Gegenhalter und/oder wenigstens eines der wenigstens zwei Bauteile handeln. Durch eine Einkopplung einer Schwingung über verschiedene Komponenten kann sowohl Wärme erzeugt werden, die den Nietvorgang vereinfacht, als auch eine nötige Kraft auf den Niet zum Eindrücken in die Bauteile verringert werden. Insbesondere für letzteres ist es zweckmäßig, den Stempel in Schwingung zu versetzen. Hierzu kann bspw. der Stempel direkt an den Schwingungserzeuger angekoppelt sein bzw. sogar Teil des Schwingungserzeugers sein. Nichtsdestotrotz können auch zusätzlich oder alternativ andere der genannten Komponenten in Schwingung versetzt werden, um den Nietvorgang zu verbessern.
  • Als Schwingungserzeuger wird dabei ein Ultraschall-Generator verwendet. Hierbei handelt es sich um eine einfache Methode zur Schwingungserzeugung.
  • Eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung weist eine Stanznietvorrichtung mit einem Stempel, einem Gegenhalter, einem Schwingungserzeuger, und eine Recheneinheit auf, wie z.B. eine Steuereinheit oder ein Steuergerät, welche dazu eingerichtet ist, insbesondere programmtechnisch, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Vorzugsweise weist die Fertigungseinrichtung auch Anzeigemittel auf, die insbesondere dazu eingerichtet sind, den Gradienten der Kraft und/oder eine Erkennung eines Defekts anzuzeigen.
  • Bezüglich der Vorteile einer erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung sei an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • 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 Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels 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.
    Figur 2
    zeigt schematisch eine Stanznietvorrichtung mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
    Figuren
    3a bis 3d zeigen eine Stanznietvorrichtung bei verschiedenen Phasen der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Figur 4
    zeigt einen Kraft-Positions-Verlauf bei einem Stanznietverfahren.
    Figur 5
    zeigt einen Ausschnitt aus Figur 4 vergrößert.
    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 nachfolgend noch 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. Es kann sich bei dem Element 90 auch um ein kombiniertes Anzeige-/Eingabemittel, z.B. einen Touchscreen, handeln.
  • In Figur 2 ist schematisch eine Stanznietvorrichtung 10 dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Rahmen 60 auf, der vorzugsweise in Form eines C-Rahmens oder C-Bügels vorliegt, an welchem die einzelnen Komponenten bei einer Stanznietvorrichtung in der Regel angeordnet sind, um die gewünschte Position zueinander einnehmen zu können. Über den Rahmen 60 kann die Stanznietvorrichtung 10 bspw. an einem Arm wie in Figur 1 gezeigt befestigt sein.
  • Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Stempel (bzw. eine Sonotrode) 15 auf, beispielhaft mit einem runden Querschnitt. Der Stempel 15 ist von einem (hülsenförmigen) Niederhalter 16 radial umgeben und relativ zu diesem in Längsrichtung beweglich angeordnet. Der Niederhalter ist hierbei vorzugsweise an einem sog. Nullamplitudendurchgang des Stempels, d.h. einer Position des Stempels, an der Schwingungsamplituden Null oder zumindest möglichst gering sind, mittels einer Feder befestigt. Insbesondere ist der Stempel 15 mit einem Antrieb 50 gekoppelt, der dazu dient, eine zum Eindrücken des Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F aufzubringen. Der Antrieb 50 kann bspw. mittels der Recheneinheit 80 gesteuert werden. Dabei kann die Kraft F bspw. über einen Sollwert vorgegeben und als Istwert erfasst werden.
  • 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 (wie hier gezeigt) an den Antrieb des Stempels oder an den Stempel selbst gekoppelt sein, bspw. mittels einer Feder.
  • Auf der dem Stempel 15 und dem Niederhalter 16 gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist ein Gegenhalter in Form einer Matrize 18 angeordnet. Der Stempel 15 und die Matrize 18 sind in vertikaler Richtung, wie auch der Niederhalter 16, beweglich angeordnet und relativ zueinander bewegbar. 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.
  • Der Niet 20, hier beispielhaft ein Halbhohlniet, besteht bevorzugt aus einem gegenüber den Werkstoffen der beiden Bauteile 11, 12 härteren Material, zumindest im Bereich eines Nietschafts. Die dem Bauteil 11 abgewandte, ebene Oberseite des Niets ist in Wirkverbindung mit dem Stempel 15 angeordnet, der an der Oberseite des Niets 20 flächig anliegt.
  • Der Stempel 15 ist mit einem (mechanischen) Schwingungserzeuger 30 zur Erzeugung von Schwingungen bzw. Vibrationen, z.B. einem Konverter bzw. Piezokonverter, 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 (entspricht einer Amplitude von 5 µm bis 55 µm) und einer Frequenz zwischen 15 kHz und 35 kHz oder ggf. auch höher erzeugt. Diese Schwingungen werden von dem Schwingungserzeuger 30 über den Stempel 15 in den Niet 20 eingekoppelt. Der Schwingungserzeuger 30 ist an die Recheneinheit 80 angebunden und kann von dieser angesteuert werden. Die Recheneinheit weist dazu einen elektrischen Schwingungserzeuger, z.B. Funktionsgenerator, auf.
  • Bei dem Antrieb 50 kann es sich bspw. um einen Antrieb mit Kugel-, Rollen- oder Planetengewindetrieb oder dergleichen handeln, der dazu geeignet ist, eine Kraft F zum Eindrücken des Niets 20 in die Bauteile 11, 12 aufzubringen. An dem Antrieb 50 ist eine Haltevorrichtung 35, bspw. in Form eines Rahmens oder eines Gestells, angebracht. An der Haltevorrichtung 35 ist ein Schwingsystem 39, das vorliegend den Schwingungserzeuger 30, einen Booster 31 sowie den Stempel bzw. die Sonotrode 15 umfasst, angeordnet.
  • In den Figuren 3a bis 3d ist die Stanznietvorrichtung 10, wie sie in Figur 2 detaillierter beschrieben wurde, bei verschiedenen Phasen der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt.
  • Weiterhin ist beispielhaft ein Positionssensor 40 gezeigt, der dazu eingerichtet ist, eine Position oder einen Weg x des Stempels 15 zu erfassen. Diese Position x kann dabei an die Recheneinheit 80 übermittelt werden. Die Position des Stempels kann jedoch bspw. auch über den Antrieb des Stempels ermittelt werden, bspw. bei einem Kugelgewindetrieb über eine Steigung des Gewindes und einer Anzahl an Umdrehungen.
  • Die in Figur 3a gezeigte Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt einen Beginn des Stanznietverfahrens dar, bei dem der Nietschaft 24 in Wirkverbindung mit der Oberseite des Bauteils 11 gelangt. Dabei wird der Stempel 15 mit der Kraft F gegen das dem Stempel 15 zugewandte Bauteil 11 gedrückt.
  • In einer in Figur 3b 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 einer Ausnehmung 22 der Matrize 18 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 3c 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 kann dabei sein, dass entsprechend der Figur 3d, 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 3d 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 entgegengesetzte Richtung nach oben bewegt.
  • In Figur 4 ist ein beispielhafter Kraft-Positions-Verlauf bei einem Stanznietverfahren gezeigt. Dabei ist eine Kraft F gegenüber einer Position bzw. einem Weg x aufgetragen. Mit F(x) ist dabei ein Verlauf einer Kraft F, die zum Eindrücken des Niets auf den Stempel ausgeübt wird, als Funktion gegenüber der Position x des Stempels beim Eindrücken angegeben. Es sei angemerkt, dass hierbei lediglich eine relative Position x, d.h. der zurückgelegte Weg des Stempels relevant ist.
  • Weiterhin ist eine Hüllkurve mit den Schwell- bzw. Grenzwerten G11 und G21 eingezeichnet, die maximal bzw. minimal zulässige Werte für die Kraft F bzw. die Funktion F(x) kennzeichnen. Bspw. können Nietvorgänge, bei denen die Funktion F(x) die Grenzwerte unter- bzw. überschreitet, als von zu geringer Qualität aussortiert werden.
  • Weiterhin sind weitere Schwellwerte G12 und G22 gezeigt, die innerhalb der Hüllkurve mit den Grenzwerten G11 und G21 liegen. Diese Schwellwerte können bspw. als Warnkurve dienen, so dass bspw., wenn diese Schwellwerte unter- bzw. überschritten werden, eine Korrekturmaßnahme eingeleitet werden kann oder aber die zugehörige Nietverbindung als problematisch eingestuft werden kann.
  • Weiterhin ist ein Fenster 301 gezeigt, das beispielhaft eine prozessrelevante Stelle, hier eine Endposition, angibt. In einem solchen Fenster können weitere, einzuhaltende Schwellwerte festgelegt werden.
  • Am Verlauf F(x) ist weiterhin zu erkennen, dass in etwa nach zwei Drittel des Wegs eine Unregelmäßigkeit in Form einer kurzen Schwankung der Kraft F auftritt, wie sie bspw. von einem Riss oder einem anderen Defekt verursacht wird. Der Wert der Kraft F über- oder unterschreitet jedoch weder die Warn- noch die Hüllkurve, wie sie anhand der Schwellwerte G11 und G21 bzw. G12 und G22 festgelegt sind. Der Riss bzw. der Defekt ist allein durch die Überwachung des Kraft-Weg-Verlaufs damit in aller Regel nicht erkennbar.
  • Weiterhin sind zwei Wegabschnitte Δx1 und Δx2 gezeigt, während welcher die Ermittlung des Gradienten der Kraft F vorgenommen werden kann, welcher im vorliegenden Beispiel als örtlicher Gradient ermittelt wird. Dabei umfasst der Wegabschnitt Δx1 nur einen Teil des gesamten Wegs, in welchem bspw. ein Defekt am wahrscheinlichsten auftreten wird. Der Wegabschnitt Δx2 hingegen umfasst den gesamten Weg vom Beginn des Stanznietvorgangs bis zum Ende.
  • In Figur 5 ist der Ausschnitt aus Figur 4, in welchem die Unregelmäßigkeit im Verlauf F(x) auftritt, vergrößert dargestellt. Hier ist nun deutlich die Schwankung der Kraft F zu sehen. Mit dF ist hierbei der Rückgang der Kraft F während des Wegabschnitts dx bezeichnet. Dies bedeutet, dass hier ein (örtlicher) Gradient dF/dx vorliegt. Es versteht sich, dass die Ermittlung des Gradienten auch mit höherer Auflösung erfolgen kann, wie dies eingangs erläutert wurde, während hier lediglich beispielhaft der Gradient dargestellt ist.
  • Weiterhin ist ein Rückgang dF' gezeigt, der bspw. einem Schwellwert dF'/dx des Gradienten entsprechen kann. Sofern dieser Schwellwert dF'/dx betragsmäßig überschritten wird, kann bspw. von einem Defekt ausgegangen werden.
  • Die Ermittlung dieses Gradienten und der Vergleich mit dem Schwellwert kann nun zusätzlich zur Ermittlung des Verlaufs F(x) während des Stanznietvorgangs (oder eines Abschnitts davon) mittels der Recheneinheit 80 erfolgen. Es versteht sich, dass der Gradient erfindungsgemäß zeitabhängig ermittelt wird.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile (11, 12) mittels einer Stanznietvorrichtung (10),
    wobei die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) zwischen einem Stempel (15) und einem Gegenhalter (18) angeordnet werden, und
    wobei ein zwischen dem Stempel (15) und einem dem Stempel zugewandten Bauteil (11) der wenigstens zwei Bauteile angeordneter Niet (20) mittels des Stempels (15) in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) eingedrückt wird, indem der Stempel (15) mit einer Kraft (F) beaufschlagt wird
    wobei wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) beteiligte Komponente (11, 12, 15, 18, 20) beim Eindrücken mittels eines Ultraschall-Generators (30) in Schwingung versetzt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass während des Eindrückens des Niets (20) zumindest zeitweise ein zeitlicher Gradient der Kraft ermittelt wird,
    wobei der zeitliche Gradient der Kraft für eine Erkennung eines Defekts in wenigstens einem der Bauteile (11, 12) und/oder dem Niet (20) verwendet wird, wobei die Erkennung des Defekts anhand eines Vergleichs des zeitlichen Gradienten der Kraft mit wenigstens einem Schwellwert, der in Abhängigkeit von den wenigstens zwei Bauteilen (11, 12) und/oder dem Niet (20) vorgegeben wird, vorgenommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zeitliche Gradient der Kraft mit einem zugehörigen Stanznietvorgang verknüpft und insbesondere auf einem Speichermedium abgespeichert wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zeitliche Gradient der Kraft mit einem zugehörigen Stanznietvorgang verknüpft und insbesondere auf einem Speichermedium abgespeichert wird, wenn ein Defekt erkannt wurde.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zusätzlich zu dem zeitlichen Gradienten der Kraft ein weiteres Verfahren und/oder eine weitere Qualitätskenngröße, insbesondere ein Kraft-Weg- (F(x)) oder Kraft-Zeit-Verlauf, für eine Qualitätsbewertung eines zugehörigen Stanznietvorgangs und/oder einer in diesem Stanznietvorgang erzeugten Verbindung der wenigstens zwei Bauteile (11, 12) verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zeitliche Gradient der Kraft während wenigstens eines ausgewählten Zeit- und/oder Wegbereiches (Δx1) während des Eindrückens des Niets (20) ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zeitliche Gradient der Kraft während der gesamten Zeitdauer oder während des gesamten Wegs (Δx2) des Eindrückens des Niets (20) ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zeitliche Gradient der Kraft mittels einer zeitabhängigen Abtastung ermittelt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) beteiligte Komponente der Stanznietvorrichtung den Niet (20), den Stempel (15), den Gegenhalter (18) und/oder wenigstens eines der wenigstens zwei Bauteile (11, 12) umfasst.
  9. Fertigungseinrichtung (100) aufweisend eine Stanznietvorrichtung (10) mit einem Stempel (15), einem Gegenhalter (18) und einem Ultraschall-Generator (30), und eine Recheneinheit (80) die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen, und vorzugsweise weiterhin aufweisend Anzeigemittel (90).
  10. Computerprogramm, das die Fertigungseinrichtung (100) gemäß Anspruch 9 veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
  11. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.
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