DE102010051978B3 - Device for determination of retaining force while producing joint connection by joining device, has male-die and down-holder, where device is formed on female die of joining device - Google Patents

Device for determination of retaining force while producing joint connection by joining device, has male-die and down-holder, where device is formed on female die of joining device Download PDF

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Abstract

The device has a male-die (4) and a down-holder (5), where the device is formed on a female die (2) of a joining device (1) and impinges on the opposite side of the male-die and the down-holder. A centrally arranged force absorption pin (12) is provided for receiving the punching force (F-S). The male-die is encased by multiple cylinder pins (18) for incorporation of the retaining force.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung von Niederhaltekräften nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a device for determining hold-down forces according to the preamble of claim 1.

Das Herstellen von Fügeverbindungen unter Verwendung eines Stempels und mindestens eines der zu fügenden Bauteile beaufschlagenden Niederhalters ist bekannt, beispielsweise in Gestalt des Nietsetzens oder des Durchsetzfügeverfahrens (Clinchen), wobei beide genannte Verfahren in der Automobiltechnik, nämlich im Karosseriebau, vielfältige Anwendungen finden. Während beim Durchsetzfügen der Stempel unmittelbar die zu fügenden Bauteile beaufschlagt, sorgt er beim Stanznieten für das Eindringen eines die Fügeverbindung herstellenden Fügeelementes in die Bauteile.The production of joint connections using a stamp and at least one of the components to be joined acting downholder is known, for example in the form of Nietsetzens or the clinching process, both said methods in automotive engineering, namely in the body shop, find a variety of applications. While the punch acts directly on the components to be joined during the clinching, it provides the punch riveting for the penetration of a joining compound producing joining element in the components.

Verschiedene Verfahrensweisen und Vorrichtungen zum Verbinden von Werkstoffen durch Stanznieten sind beispielsweise in den Dokumenten DE 103 35 085 A1 , DE 199 05 528 B4 , DE 198 47 980 A1 und DE 10 2005 031 917 A1 beschrieben, wobei insbesondere das erstgenannte Dokument ein typisches Setzwerkzeug, nämlich eine sogenannte C-Zange, zum Verarbeiten von Halbhohl-Stanznieten aufzeigt. Wie weiterhin aus EP 0 675 774 B2 hervorgeht ist die Klemmkraft bzw. Niederhalterkraft um die Nieteindringstelle herum ein die Qualität der Nietverbindung wesentlich mitbestimmendes Kriterium.Various procedures and devices for joining materials by punch riveting are, for example, in the documents DE 103 35 085 A1 . DE 199 05 528 B4 . DE 198 47 980 A1 and DE 10 2005 031 917 A1 in particular, the former document shows a typical setting tool, namely a so-called C-forceps, for processing semi-hollow punch rivets. How to continue EP 0 675 774 B2 shows the clamping force or hold-down force around the Nieteindringstelle around a quality of the rivet connection substantially mitbestimmendes criterion.

Da also das Arbeitsergebnis beim Fügen durch Umformen in fast allen Fällen stark von der Niederhalterkraft abhängig ist, muss diese sehr sorgfältig bestimmt und dann auch exakt gemessen werden können. Bei konventionellen Setzsystemen, wie die bereits erwähnten Stanznietzangen, wird der Stempelvorschub über einen elektromotorischen oder hydraulischen Antrieb gesteuert. Der Niederhalter bzw. die Niederhalterkraft wird dabei über eine mechanische Feder mit dem Stempelantrieb bzw. der Stempelkraft gekoppelt.Since, in most cases, the result of the joining process by reshaping is strongly dependent on the holding force, it must be able to be determined very carefully and then measured exactly. In conventional setting systems, such as the aforementioned punched rivet tongs, the punch feed is controlled by an electromotive or hydraulic drive. The hold-down or the hold-down force is coupled via a mechanical spring with the punch drive or the punch force.

Da Stempel und Niederhalter über den selben Antrieb verfahren werden, ist mit herkömmlichen Kraftmesseinrichtungen die Ermittlung der Niederhaltekraft ohne den Einfluss der Stempelkraft nicht möglich. Niederhaltekräfte können derzeit nur näherungsweise über eine Berechnung ermittelt werden. Alternativ wird die Niederhaltekraft durch den Ausbau des Fügestempels ermittelt. Die Kraftmessung kann in diesem Falle jedoch nur ohne Fügeelement erfolgen. Gleichermaßen ist bei Anlagen mit getrennten Antrieben für Stempel und Niederhalter eine Messung der Niederhaltekraft während des Setzprozesses (mit Fügeelement) nicht möglich.Since punches and hold-downs are moved by the same drive, the determination of the holding force without the influence of the punch force is not possible with conventional force measuring devices. Holding down forces can currently only be approximated through a calculation. Alternatively, the hold-down force is determined by removing the joining punch. The force measurement can be done in this case, however, only without joining element. Likewise, in systems with separate drives for punches and hold-downs, it is not possible to measure the hold-down force during the setting process (with joining element).

Durch die DE 44 01 155 C2 und die DE 198 12 133 A1 sind zwar z. B. Verfahren zur Ermittlung von Kraftverläufen beim Nieten dünnwandiger Bauteile bzw. ein Verfahren zum Steuern, Überwachen und Überprüfen eines Umformvorganges einer Umformmaschine, insbesondere Nietmaschine, bekannt geworden, die allerdings bei der vorstehend beschriebenen Problematik nicht weiterhelfen.By the DE 44 01 155 C2 and the DE 198 12 133 A1 are z. B. A method for determining force gradients in the riveting of thin-walled components or a method for controlling, monitoring and checking a forming process of a forming machine, in particular riveting machine, become known, however, do not help in the above-described problem.

Aus DE 298 24 739 U1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Stanz-Nietverbindung bekannt geworden, die eine Kopplungseinheit aufweist, die den Niederhalter und den Stempel so verbindet, dass während eines Stanz-Nietvorganges eine Kopplung des Niederhalters mit dem Stempel zwischen einem Kupplungszustand und einem entkoppelten Zustand verändert werden kann. So kann in gewisser Weise eine Stempelkraft des Stempels bestimmt und mit einer vorgegebenen Soll-Größe verglichen werden, während des Weiteren die Klemmkraft des Niederhalters während des Stanz-Nietvorganges bestimmt und mit einer vorgegebenen Soll-Größe verglichen werden kann.Out DE 298 24 739 U1 a device has been disclosed for producing a punched-riveted joint having a coupling unit connecting the blank holder and the punch so that during a punching-riveting operation, a coupling of the blank holder with the punch can be changed between a coupling state and a decoupled state. Thus, in some way, a punching force of the punch can be determined and compared with a predetermined target size, while further the clamping force of the blank holder during the punching-riveting process can be determined and compared with a predetermined target size.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit aufzuzeigen, um eine exakte Ermittlung der Niederhaltekraft bei der Herstellung einer Fügeverbindung von Bauteilen unter Verwendung eines Stempels und eines separaten Niederhalters durchführen zu können.It is therefore an object of the present invention to provide an improved possibility of being able to carry out an exact determination of the hold-down force in the production of a joining connection of components using a punch and a separate hold-down device.

Dies gelingt erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind mit den weiteren Unteransprüchen beansprucht.This is achieved according to the invention with a device according to claim 1. Advantageous embodiments and further developments of this device are claimed with the further subclaims.

Gemäß der erfindungsgemäßen Vorgehensweise wird die Messung der Niederhaltekraft durch die Entkopplung derselben von der Stempelkraft möglich. Damit ist ein aufwendiger Stempelausbau für die Messung der Niederhaltekraft bei konventionellen Anlagen mit nur einem Antrieb nicht mehr erforderlich. Bei Anlagen mit nur einem Antrieb und bei solchen mit getrennten Antrieben für Stempel und Niederhalter kann die Niederhaltekraftmessung nun auch beim Setzprozess mit Fügeelement erfolgen. Der Einfluss des Setzprozesses auf die Niederhaltekraft kann dadurch mitberücksichtigt werden. Durch die erfassten Messwerte können mit einem veränderten Niederhaltedruck bzw. einer neuen Federkennlinie die Prozessbedingungen optimiert werden.According to the procedure of the invention, the measurement of the hold-down force by decoupling the same of the punch force is possible. This eliminates the need for a complex stamp removal for measuring the hold-down force in conventional systems with only one drive. For systems with only one drive and those with separate drives for punches and hold-downs, hold-down force measurement can now also be performed during the setting process with the joining element. The influence of the setting process on the holding force can be taken into account. The acquired measured values can be used to optimize the process conditions with a modified hold-down pressure or a new spring characteristic.

Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass z. B. Mehrkomponenten-Kraftmessvorrichtungen oder solche mit einer Entkopplung von störenden Querkräften bereits bekannter Stand der Technik sind, siehe DE 1 171 637 B , DE 42 14 291 A1 , DE 102 43 043 A1 , DE 103 12 288 A1 und EP 1 983 323 A2 . Zur Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe konnte dieser Stand der Technik allerdings nicht beitragen.For completeness, it should be noted that z. B. multi-component force measuring devices or those with a decoupling of disturbing shear forces already known prior art, see DE 1 171 637 B . DE 42 14 291 A1 . DE 102 43 043 A1 . DE 103 12 288 A1 and EP 1 983 323 A2 , To solve the problem underlying the present invention, however, this prior art could not contribute.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:

1 eine schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer Fügeverbindung mit angeschlossener Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 a schematic representation of an apparatus for producing a joint connection with connected device for carrying out the method according to the invention,

2 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung zur Verfahrensdurchführung, 2 a sectional view of the device for carrying out the method,

3 eine der 2 im Wesentlichen entsprechende Darstellung, allerdings mit getrenntem Antrieb von Stempel und Niederhalter und 3 one of the 2 essentially corresponding representation, but with separate drive of stamp and hold-down and

4 den jeweiligen Kraftfluss von Stempelkraft und Niederhaltekraft innerhalb der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. 4 the respective power flow of punch force and hold-down force within the apparatus for performing the method.

1 zeigt in schematisierter Darstellung einen an sich bekannten grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zum Setzen von Nieten, beispielsweise Halbhohl-Stanznieten. Sie besteht im Wesentlichen aus einem C-förmigen Bügel 1 mit einer Matrizenaufnahme 2 und einer dieser zugeordneten weiteren Aufnahme 3 für Stempel 4 und Niederhalter 5 (sh. 2). An diese Aufnahme 3 ist auch eine Fügeelement-Zuführung 6 angeschlossen. Ebenfalls vom Bügel 1 aufgenommen und der Aufnahme 3 zugeordnet ist eine Antriebseinheit 7 vorhanden, die auf elektromotorischer oder hydraulischer Basis arbeitet und dazu dient, den Stempel 4 bzw. den Niederhalter 5 in Richtung Matrizenaufnahme 2 zu bewegen, um die Fügeverbindung herstellen zu können. 1 shows a schematic representation of a known per se basic structure of a device for setting rivets, such as semi-hollow punch rivets. It consists essentially of a C-shaped bracket 1 with a matrix holder 2 and one of these associated further recording 3 for stamps 4 and hold down 5 (Sh. 2 ). To this recording 3 is also a joining element feeder 6 connected. Also from the temple 1 taken and the recording 3 assigned is a drive unit 7 present, which works on an electromotive or hydraulic base and serves to stamp 4 or the hold-down 5 in the direction of the matrix holder 2 to move to make the joint connection can.

Zur Bestimmung der Niederhalterkraft FN (sh. 4) ist die in den 2 bis 4 im Einzelnen gezeigte Vorrichtung 8 vorgesehen und zwischen Stempel 4 bzw. Niederhalter 5 und der Matrizenaufnahme 2 angeordnet. Ein über Leitung 9 angeschlossener Rechner 10 mit Monitor 11 dient der Verarbeitung und Anzeige der Messergebnisse.To determine the holding force F N (sh. 4 ) is in the 2 to 4 shown in detail device 8th provided and between stamp 4 or hold down 5 and the matrix holder 2 arranged. One over line 9 connected computer 10 with monitor 11 serves to process and display the measurement results.

Wie sich aus der Zusammenschau der 2 bis 4 ergibt wird die Stempelkraft FS mittels eines Kraftaufnahmestiftes 12 über dessen Anlagefläche 13 an einer Führungsplatte 14 von dieser auf eine Kraftmessdosenaufnahme 15 übertragen (Anlageschulter 16) so dass sie letztendlich vom Bügel 1 aufgenommen werden kann. Die Kraftmessdosenaufnahme 15 ist über einen Zapfen 17 mit der Matrizenaufnahme 2 verbunden und dadurch auf dem Bügel 1 gelagert. Der Kraftfluss der Stempelkraft FS ist in 4 strichpunktiert dargestellt.As can be seen from the synopsis of 2 to 4 results in the punch force F S by means of a force-receiving pin 12 over its contact surface 13 on a guide plate 14 from this to a load cell socket 15 transferred (contact shoulder 16 ) so that they are finally from the hanger 1 can be included. The load cell socket 15 is over a cone 17 with the matrix holder 2 connected and thereby on the hanger 1 stored. The force flow of the punch force F S is in 4 shown in phantom.

Über eine Säulenführung, bestehend aus einer Kreisringscheibe 32 und einer Anzahl von Zylinderstiften 18, die, wie auch der Kraftaufnahmestift 12, in einer abgestuften Ausnehmung 19 der Führungsplatte 14 aufgenommen sind, wird die Niederhaltekraft FN von der Stempelkraft FS entkoppelt. Die Zylinderstifte 18 stützen sich auf einer Übertragungsscheibe 20 ab, von wo aus die Niederhalterkraft FN auf einen Druckkraftsensor 21 bzw. dessen Messmembran 22 übertragen wird. Ein erfasstes Messsignal 23 wird zur weiteren Bearbeitung in den Rechner 10 geleitet. Zur Weiterleitung des Messsignales 23 ist der Druckkraftsensor 21 mit einem Leitungsanschluss 24 versehen, der durch eine Aussparung 25 in der Kraftmessdosenaufnahme 15 hindurch ragt. Da sich der Druckkraftsensor 21 über Bodenteile 26 auf der Kraftmessdosenaufnahme 15 abstützt, ergibt sich der in 4 gestrichelt dargestellte Kraftfluss der Niederhaltekraft FN innerhalb der Vorrichtung 8.About a column guide, consisting of a circular disk 32 and a number of cylindrical pins 18 , as well as the force pin 12 in a stepped recess 19 the guide plate 14 are received, the hold-down force F N is decoupled from the punch force F S. The cylindrical pins 18 rely on a transfer disc 20 From where the hold-down force F N on a pressure force sensor 21 or its measuring membrane 22 is transmitted. A detected measurement signal 23 is for further processing in the calculator 10 directed. For forwarding the measurement signal 23 is the pressure force sensor 21 with a line connection 24 provided by a recess 25 in the load cell socket 15 protrudes through. Since the pressure force sensor 21 over soil parts 26 on the load cell socket 15 supported, results in the 4 shown in dashed lines power flow of the hold-down force F N within the device 8th ,

Gemäß 2 findet die Vorrichtung 8 beim Setzen von Halbhohlstanznieten 27 Anwendung. Über die Antriebseinheit 7 wird die Stempelkraft FS über den Stempel 4 unmittelbar auf den Nietkopf übertragen. Eine an einer Anlageschulter 28 des abgestuften Stempels 4 sich abstützende Druckfeder 29 beaufschlagt den unteren Bereich des hülsenförmig ausgebildeten und den Stempel 4 aufnehmenden Niederhalters 5, so dass sich die letztendlich auf dem oberen der zu fügenden Bauteile wirksam werdende Niederhaltekraft FN über die Druckfeder 29 aus der Stempelkraft FS ableitet.According to 2 finds the device 8th when setting semi-hollow punch rivets 27 Application. About the drive unit 7 the punch force F S is applied via the punch 4 transferred directly to the rivet head. One at a contact shoulder 28 the graduated stamp 4 self-supporting compression spring 29 acts on the lower portion of the sleeve-shaped and the punch 4 receiving hold-down 5 , so that the finally acting on the upper of the components to be joined holding-down force F N on the compression spring 29 derived from the stamping force F S.

Dabei gilt ergänzend folgender Zusammenhang: FN = FF + S × D, mit

FF
= Vorspannkraft der Druckfeder
s
= Stempelweg
D
= Federkonstante
In addition, the following relationship applies: F N = F F + S × D, With
F F
= Preload force of the compression spring
s
= Stamp path
D
= Spring constant

Aus der schematisierten, abschnittsweisen Darstellung der Vorrichtung 8 gemäß 3 wird ersichtlich, dass diese auch bei getrennten Antrieben für Stempelkraft FS und Niederhaltekraft FN verwendbar ist. Auch hier umgibt ein zylinderförmig ausgestalteter Niederhalter 30 einen den Halbhohlstanzniet 27 unmittelbar beaufschlagenden Stempel 31. Die Antriebseinheit 7 ist dabei konstruktiv dergestalt modifiziert, dass Niederhalter 30 und Stempel 31 separat beaufschlagbar sind.From the schematic, sectional representation of the device 8th according to 3 It can be seen that this can also be used with separate drives for punch force F S and hold-down force F N. Here, too, surrounds a cylindrical shaped hold-down 30 a semi-hollow punch rivet 27 Immediately applying stamp 31 , The drive unit 7 is structurally modified in such a way that hold down 30 and stamp 31 be acted upon separately.

Claims (4)

Vorrichtung zur Bestimmung von Niederhaltekräften FN bei der Herstellung einer Fügeverbindung mittels einer Fügevorrichtung (1, 7), bestehend aus einem Stempel (4, 31) und einem eines der zu fügenden Bauteile beaufschlagenden Niederhalter (5, 30), wobei im Zuge eines Messvorganges die Niederhaltekraft FN von einer Stempelkraft FS mechanisch entkoppelt und danach messtechnisch ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als auf eine Matrizenaufnahme (2) der Fügevorrichtung (1, 7) aufsetzbar und auf ihrer gegenüberliegenden Seite von Stempel (4, 31) und Niederhalter (5, 30) beaufschlagbar ausgebildet ist, im Wesentlichen bestehend aus einem mittig angeordneten Kraftaufnahmestift (12) zur Aufnahme der Stempelkraft FS und aus einer Anzahl von den Stempel (4, 31) umgebenden Zylinderstiften (18) zur Aufnahme der Niederhalterkraft FN.Device for determining hold-down forces F N in the manufacture of a joint connection by means of a joining device ( 1 . 7 ), consisting of a stamp ( 4 . 31 ) and one of the components to be joined acting hold-down ( 5 . 30 ), wherein in the course of a measuring operation, the hold-down force F N mechanically decoupled from a punch force F S and then determined by measurement, characterized in that the device as a die receiving ( 2 ) of the joining device ( 1 . 7 ) and on its opposite side of stamp ( 4 . 31 ) and hold-downs ( 5 . 30 ) can be acted upon, consisting essentially of a centrally arranged force-receiving pin ( 12 ) for receiving the stamping force F S and a number of the stamp ( 4 . 31 ) surrounding cylindrical pins ( 18 ) for receiving the holding force F N. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kraftaufnahmestift (12) über eine Anlagefläche (13) an einer Führungsplatte (14) abstützt, die wiederum auf einer mit der Matrizenaufnahme (2) verbundenen Kraftmessdosenaufnahme (15) aufliegt.Device according to claim 1, characterized in that the force-absorbing pin ( 12 ) over a contact surface ( 13 ) on a guide plate ( 14 ), which in turn on one with the Matrizenaufnahme ( 2 ) connected load cell receptacle ( 15 ) rests. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderstifte (18), in einer abgestuften Ausnehmung (19) einer Führungsplatte (14) aufgenommen sind und sich auf einer Übertragungsscheibe (20) abstützen, die die Niederhaltekraft FN auf eine Messmembran (22) eines Druckkraftsensors (21) überträgt.Device according to claim 1, characterized in that the cylindrical pins ( 18 ), in a stepped recess ( 19 ) a guide plate ( 14 ) and are located on a transmission disk ( 20 ) supporting the holding force F N on a measuring diaphragm ( 22 ) of a pressure force sensor ( 21 ) transmits. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Weiterleitung eines Messsignales (23) der Druckkraftsensor (21) mit einem Leitungsanschluss (24) versehen ist, der durch eine Aussparung (25) einer Kraftmessdosenaufnahme (15) hindurch ragt und über Leitung (9) mit einem angeschlossenen Rechner (10) mit Monitor (11) verbunden ist.Apparatus according to claim 3, characterized in that for forwarding a measuring signal ( 23 ) the pressure force sensor ( 21 ) with a line connection ( 24 ) provided by a recess ( 25 ) of a load cell receptacle ( 15 ) and via line ( 9 ) with a connected computer ( 10 ) with monitor ( 11 ) connected is.
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