DE102012021836A1 - Heißstempelnietvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Bei einer Heißstempelnietvorrichtung ist eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen einer verformten Niete (7) vorgesehen. Die Kühlvorrichtung umfasst ein flüssigkeitsgekühltes Kühlelement (28), das zwischen einer Kontaktstellung, in der das Kühlelement (28) mit dem Stempelkopf (4) in wärmeleitendem Kontakt ist, und einer Nicht-Kontaktstellung verfahrbar ist, in der das Kühlelement (28) vom Stempelkopf (4) beabstandet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Heißstempelnietvorrichtung mit einem temperierbaren Stempel gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
- Heißstempelnietvorrichtungen dieser Art werden verwendet, um eine aus schmelzbarem Material, insbesondere Kunststoff, bestehende Niete mit Wärme und Druck so zu verformen, dass die zu vernietenden Materialien aneinander gehalten werden. Beim Nietvorgang wird der Stempel üblicherweise mittels einer Heizpatrone über die Schmelztemperatur der Niete erwärmt, wobei nach dem Aufsetzen des Stempelkopfs auf die Niete der Stempel zu den zu vernietenden Materialien hin (oder umgekehrt) in Abhängigkeit der Schmelzgeschwindigkeit, d. h. druckgeregelt bewegt wird. Ein Stempelkopf mit einer beispielsweise kalottenförmigen Kontaktfläche formt dabei den Nietkopf.
- Nach dem fertigen Formen der Niete wird die Heizung des Stempels abgeschaltet und eine üblicherweise mit Kühlluft arbeitende Kühlvorrichtung in Gang gesetzt, um den Erstarrungsprozess der Niete zu beschleunigen. Derartige Kühlluftanlagen benötigen jedoch sehr viel Luft. Weiterhin sind derartige Anlagen sehr laut, so dass sie teilweise mit Schallschutzelementen ausgestattet werden müssen. Ferner lässt die Prozesssicherheit zu wünschen übrig, da der Rückkühlwirkungsgrad stark von der Umgebungstemperatur abhängig ist. Weiterhin werden durch die bekannten Luftkühlungen hohe Zykluszeiten verursacht, da die Luft den üblicherweise aus Metall bestehenden Stempel nur relativ langsam abkühlen kann. Insbesondere bei Serienfertigungen, die beispielsweise im Automobilbau vorkommen, sind jedoch kurze Zykluszeiten (Taktzeiten) von größter Bedeutung.
- Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei Heißstempelnietvorrichtungen, die mit Kühlluftanlagen arbeiten, besondere Probleme auftreten, wenn Nieten, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, gleichzeitig aufgeschmolzen und verformt werden müssen, da unterschiedliche Materialien unterschiedliche Schmelzgeschwindigkeiten haben.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heißstempelnietvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der Nietvorgänge auf besonders schnelle und effektive Weise durchgeführt werden können.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Heißstempelnietvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
- Bei der erfindungsgemäßen Heißstempelnietvorrichtung umfasst die Kühlvorrichtung ein flüssigkeitsgekühltes Kühlelement, das zwischen einer Kontaktstellung, in der das Kühlelement mit dem Stempelkopf in wärmeleitendem Kontakt ist, und einer Nichtkontaktstellung verfahrbar ist, in der das Kühlelement zum Stempelkopf beabstandet ist.
- Mittels des erfindungsgemäßen, flüssigkeitsgekühlten Kühlelements kann der Stempelkopf nach dem Aufschmelzen der Niete auf sehr schnelle und wirkungsvolle Weise abgekühlt werden, so dass die Erstarrungszeiten für das geschmolzene Material stark verkürzt werden können. Dies erfolgt durch direkte Wärmeleitung, d. h. durch einen Wärmeabfluss vom Stempelkopf zum Kühlelement, von dem die Wärme mittels der Kühlflüssigkeit abgeführt wird. Die Zyklus- oder Taktzeiten für die Nietvorgänge können dadurch bedeutend verkürzt werden. Weiterhin kann auch die Geräuschentwicklung der Heißstempelnietvorrichtung bedeutend reduziert werden. Großvolumige Kühlluftversorgungsaggregate sind nicht erforderlich. Die Abkühlgeschwindigkeit ist ganz überwiegend unabhängig von den Umgebungstemperaturen, so dass eine sehr hohe Prozesssicherheit erreicht werden kann. Weiterhin kann die Kühlung der einzelnen Stempel auf einfache und genaue Weise an das jeweilige Nietmaterial und damit an die jeweilige Schmelzgeschwindigkeit der Niete angepasst werden. Es ist daher ohne weiteres möglich, die Nieten nacheinander einzeln oder in kleineren Gruppen zu vernieten und dabei den jeweiligen Nietprozess optimal auf die jeweiligen Erfordernisse anzupassen.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Kühlelement als Kühlhülse ausgebildet, die den Stempel umgibt und relativ zu diesem in dessen Längsrichtung verfahrbar ist. Hierdurch kann der Stempelkopf von allen Seiten her gleichmäßig und sehr effektiv gekühlt werden.
- Vorteilhafterweise ist das Kühlelement am Stempel verschiebbar gelagert. Dies bedeutet, dass der Stempel selbst als Lagerteil für das Kühlelement dient. Alternativ ist es jedoch auch möglich, das Kühlelement an einem anderen Teil, beispielsweise an einer Außenhülse zu lagern, welche das Kühlelement umgibt.
- Vorteilhafterweise ist zwischen einer Innenumfangswand der Kühlhülse und dem Stempel eine temperaturbeständige Isolier- und Führungsbuchse angeordnet. Hierdurch kann ein unerwünschter Wärmeaustausch zwischen dem Stempelschaft und der Kühlhülse vermieden werden, so dass der gewünschte Wärmeaustausch zumindest ganz überwiegend im Bereich des Stempelkopfs stattfindet. Gleichzeitig ermöglicht die Isolier- und Führungsbuchse ein leichtgängiges Verschieben der Kühlhülse auf dem Stempel.
- Das Kühlelement kann auf einfache Weise mittels eines Pneumatikzylinders verschoben werden, der am Stempel befestigt ist und eine mit dem Kühlelement in Wirkverbindung stehende Kolbenstange aufweist. Andere Kühlelementantriebe sind ebenfalls möglich, beispielsweise Hydraulikzylinder oder elektromechanische Antriebe.
- Vorteilhafterweise weist das Kühlelement mindestens eine innenliegende Flüssigkeitsleitung zum Hindurchführen von Kühlflüssigkeit auf. Diese Flüssigkeitsleitung kann beispielsweise durch Quer- und Längsbohrungen im Kühlelement gebildet werden oder auch spiral- oder schraubenförmig, vorzugsweise mit geringer Steigung, um das Kühlelement herumgeführt sein, um eine möglichst effektive Wärmeübertragung vom Stempelkopf auf das Kühlelement und damit auf die Kühlflüssigkeit zu erreichen. Weiterhin kann das Kühlelement auch doppelwandig ausgebildet sein, wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Wänden zum Hindurchführen der Kühlflüssigkeit verwendet wird.
- Vorteilhafterweise weist der Stempel einen radial nach außen vorstehenden Bund auf, mit dem eine Stirnfläche des Kühlelements in wärmeleitenden Kontakt bringbar ist. In diesem Fall erfolgt die Wärmeübertragung vom Stempelkopf auf das Kühlelement gezielt über dessen Stirnfläche.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 : eine räumliche Darstellung der erfindungsgemäßen Heißstempelnietvorrichtung, und -
2 : einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Heißstempelnietvorrichtung, wobei einige in1 dargestellte Teile der Übersichtlichkeit halber weg gelassen worden sind. - Wie aus den
1 und2 ersichtlich, umfasst die Heißstempelnietvorrichtung einen Stempel1 in der Form einer länglichen, zylindrischen Buchse aus Metall. Der Stempel1 umfasst einen Stempelschaft2 , der mit einem fluchtend zum Stempelschaft2 angeordneten, hülsenförmigen Adapter3 fest verbunden ist, der eine Verlängerung des Stempels1 darstellt. - An seinem Endbereich, der in den Figuren unten liegt, trägt der Stempel
1 einen Stempelkopf4 mit einer stirnseitigen Kontaktfläche5 und einem radial über den Stempelschaft2 vorspringenden Bund6 , der in relativ geringem axialen Abstand zur Kontaktfläche5 angeordnet ist. - Wie in
2 dargestellt, ist der Stempel1 mit seiner unteren Kontaktfläche5 auf eine Niete7 aufsetzbar, die sich von einer ersten Materiallage8 durch eine zweite Materiallage9 hindurch erstreckt und über diese übersteht. Die Niete7 besteht aus einem schmelzbaren Material, insbesondere aus Kunststoff. Wird, wie nachfolgend noch näher beschrieben, der Stempelkopf4 an die Materiallagen8 ,9 angenähert und dabei der Stempelkopf4 mindestens bis zum Schmelzpunkt der Niete7 erwärmt, führt dies zu einem Aufschmelzen, Verformen und gleichzeitigen Stauchen der Niete7 , wobei die Kontaktfläche5 des Stempelkopfs4 den Nietkopf formt. - Alternativ ist es auch möglich, dass nicht der Stempelkopf
4 an die Materiallagen8 ,9 angenähert wird, sondern dass umgekehrt die Materiallagen8 ,9 zusammen mit der Niete7 gegen den Stempelkopf4 gefahren werden. - Der Adapter
3 verbinden den Stempel1 mit einer Kolbenstange10 eines Pneumatikzylinders11 . Der Pneumatikzylinder11 bildet einen druckregelbaren pneumatischen Antrieb für den Stempel1 , um diesen in Axialrichtung zu verschieben. Der Pneumatikzylinder11 ist über ein Befestigungsteil12 an einer Adaptereinheit13 befestigt, die wiederum über Schrauben14 an einem lediglich angedeuteten Gestellteil15 der Heißstempelnietvorrichtung befestigt ist. - Zweckmäßigerweise ist das Befestigungsteil
12 längsverstellbar an der Adaptereinheit13 befestigt. - Die Kolbenstange
10 ist mittels eines Kolbens16 in Axialrichtung bewegbar, wie durch den Doppelpfeil17 angedeutet. Der Kolben16 ist in einem Zylinderraum42 mittels Druckluft bewegbar, die über Druckluftleitungen18 ,19 zu- und abgeführt wird, wie durch die Doppelpfeile20 angedeutet. Weiterhin ist dasjenige Ende der Kolbenstange10 , das rückseitig über den Pneumatikzylinder11 übersteht, an einem Schlitten21 befestigt, der längsverschiebbar an der Adaptereinheit13 geführt ist. Der Schlitten21 stabilisiert die Kolbenstange10 und damit den Stempel1 zusätzlich und bildet gleichzeitig eine Verdrehsicherung. Weiterhin kann der Schlitten21 benutzt werden, um, wie in1 dargestellt, einerseits mit einem ersten Anschlag22 und andererseits mit einem zweiten Anschlag23 derart zusammen zu wirken, dass die Axialbewegung des Stempels1 in beiden Richtungen an den gewünschten Stellen gestoppt wird. Der erste Anschlag22 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Anschlagbolzen ausgebildet, der längsverstellbar in einer am Pneumatikzylinder11 befestigten Halteklammer24 befestigt ist. Der zweite Anschlag23 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel direkt an der Adaptereinheit13 befestigt. - Die Befestigung des Adapters
3 an der Kolbenstange10 erfolgt über eine Schraubverbindung25 , wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel der Endbereich der Kolbenstange10 in den Adapter3 eingeschraubt ist. - Das Aufheizen des Stempelkopfs
4 erfolgt auf elektrische Weise mittels einer Heizpatrone26 , die innerhalb des Stempels1 angeordnet und über elektrische Leitungen27 mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden ist. Wie aus2 ersichtlich, umgibt der Stempel1 die Heizpatrone26 hülsenförmig. Weiterhin erstreckt sich die Heizpatrone26 vom Stempelkopf4 über etwa die Hälfte der Länge des Stempelschafts2 , um insbesondere den Stempelkopf4 auf schnelle und effektive Weise auf eine die Niete7 schmelzende Temperatur erwärmen zu können. - Um nach dem Aufschmelzen und Stauchen der Niete
7 den Nietkopf möglichst schnell erstarren lassen zu können, ist eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die mit Kühlflüssigkeit arbeitet und den Stempelkopf4 auf sehr schnelle Weise abkühlen kann. Diese Kühlvorrichtung umfasst ein Kühlelement28 in Form einer Hülse, die den Stempel1 im Bereich des Stempelschafts2 umgibt. Innerhalb dieses Kühlelements28 ist mindestens ein Flüssigkeitskanal vorgesehen, der in2 lediglich schematisch dargestellt und mit29 bezeichnet ist. Dieser Flüssigkeitskanal29 ist mit nach außen geführten Flüssigkeitsleitungen30 ,31 verbunden, über welche Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, dem Kühlelement28 zu- bzw. abgeführt werden kann. Anstelle von Wasser können auch andere Kühlflüssigkeiten verwendet werden. Der Flüssigkeitskanal29 ist derart angeordnet, dass insbesondere derjenige Bereich des Kühlelements28 , der dem Stempelkopf4 benachbart ist, intensiv gekühlt werden kann. Dementsprechend besteht das Kühlelement28 aus einem gut wärmeleitenden Material, insbesondere Metall. - Wie durch den Doppelpfeil
32 angedeutet, ist das Kühlelement28 längsverschiebbar auf dem Stempel1 angeordnet. Hierbei ist zwischen der Innenumfangswand des Kühlelements28 und dem Stempel1 eine insbesondere aus Kunststoff bestehende Isolier- und Führungsbuchse33 vorgesehen, die einerseits eine Wärmeleitung vom heißen Stempel1 zum Kühlelement28 verhindert oder zumindest hemmt und andererseits ein leichtgängiges Verschieben des Kühlelements28 auf dem Stempel1 ermöglicht. - Das Kühlelement
28 ist zwischen einer Nichtkontaktstellung, die in den1 und2 dargestellt ist und in der sich die Stirnfläche34 des Kühlelements28 in einem bestimmten Abstand zum Bund6 des Stempelkopfs4 befindet, und einer Kontaktstellung verschiebbar, in welcher die Stirnfläche34 den Bund6 derart kontaktiert, dass ein guter Wärmeübergang zwischen Kühlelement28 und Stempelkopf4 möglich ist. In der vorgeschobenen Kontaktstellung wird der Stempelkopf4 somit über die Stirnfläche34 des Kühlelements28 gekühlt, wobei die Wärme über die Kühlflüssigkeit abgeleitet wird. - Das axiale Verschieben des Kühlelements
28 zwischen der Nichtkontaktstellung und der Kontaktstellung erfolgt mittels eines pneumatischen Antriebs35 . Dieser Pneumatikantrieb35 umfasst eine Kolbenstange36 , die mittels Druckluft parallel zur Längsachse des Stempels1 und relativ zu diesem bewegt werden kann. Die Druckluft wird über Druckluftleitungen37 ,38 zu- und abgeführt, wie durch die Doppelpfeile39 angedeutet. Die Kolbenstange36 ist in einem Pneumatikgehäuse verschiebbar gelagert, das mittels eines Befestigungsteils40 fest mit dem Adapter3 verbunden ist. - Das in
2 unten liegende Ende der Kolbenstange36 ist mit einem Flansch41 des Kühlelements28 fest verbunden. Aufgrund dieser Anordnung wird, wenn die Kolbenstange36 aus dem Pneumatikantriebsgehäuse ausgefahren wird, das Kühlelement28 auf dem Stempel1 so weit verschoben, bis die Stirnfläche34 des Kühlelements28 am Bund6 des Stempelkopfs4 anliegt und dadurch in wärmeleitenden Kontakt mit dem Stempelkopf4 gelangt. - Die Funktionsweise der beschriebenen Heißstempelnietvorrichtung ist folgendermaßen:
Nachdem der Stempelkopf4 über der zunächst noch unverformten Niete7 mit geringem Abstand angeordnet worden ist, wird die Heizpatrone26 eingeschaltet und dadurch der Stempel1 insbesondere im Bereich des Stempelkopfs4 erhitzt. Die Temperatur wird dabei auf einen bestimmten Wert geregelt, wobei hierzu ein in der Heizpatrone26 integrierter Fühler, insbesondere ein NiCr-Fühler, verwendet wird. Anschließend wird über die Druckluftleitung18 dem Pneumatikzylinder11 Druckluft zugeführt, wodurch die Kolbenstange10 und damit der gesamte Stempel1 zur Niete7 bzw. zu den Materiallagen8 ,9 hin verschoben wird. Dabei wird die Niete7 unter Aufschmelzen gestaucht, bis der Nietkopf die Materiallage9 erreicht hat. Die Vorwärtsbewegung des Stempels1 erfolgt zweckmäßigerweise mittels Druckregelung. Ist die Niete7 fertig verformt, wird die Heizung der Heizpatrone26 abgeschaltet. Anschließend wird das hülsenförmige Kühlelement28 relativ zum Stempel1 verfahren, bis deren untere Stirnfläche34 am Bund6 des Stempelkopfs4 anliegt. Dies erfolgt durch Druckluftzufuhr über die Druckluftleitung37 und entsprechendes Ausfahren der Kolbenstange36 . Die Wärme des aufgeheizten Stempelkopfs4 kann nunmehr über die Stirnfläche34 auf das Kühlelement28 übertragen und von dort über die Kühlflüssigkeit abgeführt werden, die über die Kuhlflüssigkeitsleitungen29 ,30 ,31 im Kreislauf geführt wird. Hierdurch wird der Stempelkopf4 sehr schnell abgekühlt, was zu einem entsprechend schnellen Erstarren der geschmolzenen Niete7 führt. Anschließend können sowohl die Kühlelement-Kolbenstange36 als auch die Pneumatikzylinder-Kolbenstange10 zurückgefahren werden, was durch entsprechende Druckluftzufuhr über die Druckluftleitungen38 bzw.19 erfolgt. - Es ist ersichtlich, dass mittels der erfindungsgemäßen Heißstempelnietvorrichtung der Stempelkopf
4 auf sehr schnelle, effektive und gezielte Weise abgekühlt werden kann. Dadurch, dass das Kühlelement28 den Stempel1 im Bereich der Heizpatrone26 umgibt, kann auch der Wärmeverlust an die Umgebung gering gehalten werden. Im Gegensatz zu luftgekühlten Stempeln, bei denen die Stempel1 mit Luft angeblasen werden und die Luft in die Umgebung entweichen kann, handelt es sich bei der flüssigkeitsgekühlten Heißstempelnietvorrichtung um ein geschlossenes, relativ leises Kühlsystem mit geringem Wärmeverlust an die Umgebung. Zweckmäßigerweise umfasst die erfindungsgemäße Heißstempelnietvorrichtung auch eine Vielzahl nebeneinander liegender Stempel, die individuell angesteuert und auf zugeordnete Niete aufgesetzt werden können. Hierbei ist für jeden Stempel1 eine individuelle, an die jeweilige Niete7 optimal angepasste Regelung des Vorschubdrucks und der Temperatur möglich. Die Nietvorgänge können daher auch mit einer hohen Prozesssicherheit weitgehend unabhängig von den herrschenden Umgebungstemperaturen durchgeführt werden.
Claims (7)
- Heißstempelnietvorrichtung mit einem temperierbaren Stempel (
1 ), der einen Stempelkopf (4 ) aufweist, der mit einer aus schmelzbarem Material bestehenden Niete (7 ) in Druckkontakt bringbar ist, um diese mit Wärme und Druck zu verformen, und mit einer Kühlvorrichtung zum Abkühlen der verformten Niete (7 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung ein flüssigkeitsgekühltes Kühlelement (28 ) umfasst, das zwischen einer Kontaktstellung, in der das Kühlelement (28 ) mit dem Stempelkopf (4 ) in wärmeleitendem Kontakt ist, und einer Nicht-Kontaktstellung verfahrbar ist, in der das Kühlelement (28 ) vom Stempelkopf (4 ) beabstandet ist. - Heißstempelnietvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (
28 ) als Kühlhülse ausgebildet ist, die den Stempel (1 ) umgibt und relativ zu diesem in dessen Längsrichtung verfahrbar ist. - Heißstempelnietvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (
28 ) am Stempel (1 ) verschiebbar gelagert ist. - Heißstempelnietvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Innenumfangswand der Kühlhülse und dem Stempel (
1 ) eine temperaturbeständige Isolier- und Führungsbuchse (33 ) angeordnet ist. - Heißstempelnietvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Stempel (
1 ) ein Pneumatikantrieb (35 ) vorgesehen ist, der eine mit dem Kühlelement (28 ) in Wirkverbindung stehende Kolbenstange (36 ) aufweist. - Heißstempelnietvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (
28 ) mindestens eine innenliegende Flüssigkeitsleitung (29 ) zum Hindurchführen von Kühlflüssigkeit aufweist. - Heißstempelnietvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (
1 ) einen radial nach außen vorstehenden Bund (6 ) aufweist, mit dem eine Stirnfläche (34 ) des Kühlelements (28 ) in wärmeleitenden Kontakt bringbar ist.
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