DE102019211273A1

DE102019211273A1 - Verfahren zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil

Info

Publication number: DE102019211273A1
Application number: DE102019211273.0A
Authority: DE
Inventors: Florian Woelke; Reiner Ramsayer; Andre Philipskoetter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil, der einen Nagelkopf, eine Nagelspitze und einen Nagelschaft aufweist, bestehend aus den Schritten:- Anordnen des wenigstens einen Bauteils- Positionieren des Nagels- Eintreiben des Nagels, wobei der Nagel mit einer Kraft in Richtung des Bauteils beaufschlagt wird, sodass dieser in das wenigstens eine Bauteil eingedrückt wird.Dabei erfolgt zusätzlich zur Kraftbeaufschlagung eine Einkopplung von Schwingungen auf den Nagel und es wird ein Nagel verwendet, dessen Nagelschaft mit einer Oberflächenstruktur aus einer Abfolge von umlaufenden Rillen und/oder Erhebungen ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Bauteilanordnung zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil.
Stand der Technik
Nagelverfahren dienen zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil. Ein Nagelverfahren zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass ein Vorlochen des oder der Bauteile nicht erforderlich ist. Die Nagel-Technik bzw. das Einpressen oder Einbringen von Nägeln in ein Bauteil ist im Besonderen für schwer und insbesondere nur einseitig zugängliche Bauteile geeignet. Beim Einpressen des Nagels trifft dieser, in der Regel angetrieben durch eine über Druckluftentladung beschleunigte Masse bzw. einen Stößel, impulsartig mit hoher Geschwindigkeit auf das wenigstens eine Bauteil und durchdringt dieses mit seinem Schaft. Die sehr hohen Geschwindigkeiten und die Bauteilträgheit führen während des Eintreibens des Nagels zu geringen Bauteildeformationen. Gleichzeitig wird insbesondere bei höher- bzw. hochfesten Stahlwerkstoffen aufgrund der Verpressung und Stauchung des Werkstoffs bzw. des mindestens einen Bauteils ein Kraftschluss erreicht.
Die DE 10 2010 006 404 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Nagelverbindung zwischen zwei nicht vorgelochten Bauteilen in einem Fügebereich mittels eines von einem Setzgerät im Wesentlichen drehungsfrei in die Bauteile eingebrachten Nagels. Der Nagel wird in zwei Schritten eingedrückt, indem dieser in einem ersten Verfahrensschritt mit einer schlagartigen Bewegung mit hoher Geschwindigkeit im Fügebereich nur teilweise in die Bauteile eingetrieben und in einem zweiten Verfahrensschritt vollständig in die Bauteile in eine Endstellung gebracht wird.
Bei solchen Verfahren zum Einpressen oder Einbringen von Nägeln in ein Bauteil erfordern es die hohen Fügekräfte, dass das Bauteil sehr steif ausgelegt ist, um ungewünschte und bleibende Deformation des Bauteils zu vermeiden. Durch eine steife Auslegung können die Fügekräfte ohne zu große Deformation abgefangen werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Bauteilanordnung zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Einbringen bzw. Einpressen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil, der einen Nagelkopf, eine Nagelspitze und einen Nagelschaft aufweist, bestehend aus den Schritten:

- Anordnen des wenigstens einen Bauteils
- Positionieren des Nagels
- Eintreiben des Nagels, wobei der Nagel mit einer Kraft in Richtung des Bauteils beaufschlagt wird, sodass dieser in das wenigstens eine Bauteil eingedrückt wird. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass zusätzlich zur Kraftbeaufschlagung eine Einkopplung von Schwingungen auf den Nagel erfolgt und dass ein Nagel verwendet wird, dessen Nagelschaft mit einer Oberflächenstruktur aus einer Abfolge von umlaufenden Rillen und/oder Erhebungen ausgebildet ist.

Durch die Einkopplung von Schwingungen in den Nagel kann die Kraft, mit der der Nagel in Richtung des Bauteils beaufschlagt wird, reduziert werden. Statt mit kontinuierlich ansteigender Kraft wird der Nagel mit den feinen Bewegungen der eingekoppelten Schwingungen durch das Bauteil getrieben. Hierdurch kann der Nagel mit reduzierten Fügekräften in Fügerichtung auf den Nagel in das Bauteil eingedrückt werden, die Prozesskräfte können erheblich reduziert werden und als wesentlicher Nebeneffekt hierdurch geht eine Reduzierung der Geräuschemission einher. Hohe Geräuschemissionen durch den bisher üblichen, impulsförmigen Setzprozess (Auftreffen des Nagels auf das Bauteil mit Schalldruckpegeln mitunter größer als 105 dB(A)) können vermieden oder zumindest reduziert werden. Entsprechend sind damit verbundene Maßnahmen zur Schallschutzisolierung mitunter einer kompletten Anlage (d.h. Einhausung der Anlagentechnik) nicht mehr oder zumindest nur noch in reduziertem Umfang nötig. Auch ist eine aufwändige Auslegung der Fügestellen bzw. der Bauteile zur Vermeidung von Bauteildeformationen nicht mehr oder nur noch in geringerem Umfang nötig, was insbesondere auf die durch die Schwingungseinkopplung reduzierte Kraft bzw. Fügekraft zurückzuführen ist. Gleichzeitig wird die Anpress- bzw. Haltekraft zwischen Nagel und Bauteil positiv beeinflusst, indem der Nagelschaft mit einer Oberflächenstruktur aus einer Abfolge von umlaufenden Rillen und/oder Erhebungen versehen ist.
Ein üblicher Vorbehalt gegen eine strukturierte Oberfläche des Nagelschaftes ist es, dass dadurch die notwendige Fügekraft erhöht sein kann. Dies wird durch die erfindungsgemäße Aufbringung der Schwingungen auf den Nagel jedoch mehr als kompensiert. Daher ist die Kombination der Merkmale Oberflächenstruktur des Nagelschaftes und der Einkopplung von Schwingungen auch so besonders vorteilhaft, weil sie eine hohe Festigkeit der Verbindung mit einer niedrigen Fügekraft kombiniert.
Es sei angemerkt, dass grundsätzlich auf diese Weise zwar ein Nagel auch in nur ein Bauteil eingebracht werden kann, besonders bevorzugt ist aber das Einbringen eines Nagels in zwei oder mehr Bauteile, um diese miteinander zu verbinden.
Das vorgeschlagene Verfahren bietet weiterhin die Vorteile der herkömmlichen Nagel-Technik, d.h. es wird beispielsweise das Fügen ohne Vorlochen bei (nur) einseitiger Zugänglichkeit ermöglicht. Das Verfahren eignet sich insbesondere auch zum Fügen von hochfesten Werkstoffen wie Stählen und auch Faserverbundwerkstoffen. Es ist auch für einen Einsatz für Misch-, Mehrlagen- und Hybridverbindungen geeignet. Auch kann es in Kombination mit einer Klebetechnik verwendet werden, d.h. zwei oder ggf. mehr Bauteile werden miteinander verklebt und zusätzlich mit Nägeln verbunden bzw. fixiert. Oftmals dienen die Nägel dann nur der temporären Fixierung, während die Klebeverbindung aushärtet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Schwingungen als Ultraschallschwingungen, insbesondere durch einen Ultraschallgenerator erzeugt. Hierbei handelt es sich um eine einfache Methode zur Schwingungserzeugung. Ultraschallgeneratoren erzeugen Frequenzen, die oberhalb des Hörbereiches des menschlichen Gehörs liegen. Für die Nagel-technik sind Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 15 kHz und 50 kHz zweckmäßig. Hierzu kann ein Ultraschallgenerator verwendet werden, der - im Sinne eines Funktionsgenerators - mit einem beispielsweise elektromechanischen Schwingungskonverter, beispielsweise einem Piezokonverter, eines Schwingsystems verbunden wird. Ein Schwingsystem weist typischerweise einen Schwingungskonverter, eine Sonotrode und ggf. einen Amplitudenverstärker auf, ist einfach bereitzustellen und zudem ausreichend für eine Reduzierung der nötigen Kraft zum Eindrücken des Niets.
Wenn die Schwingungen in longitudinaler Richtung d.h. mit Schwingung in Fügerichtung in den Nagel und/oder wenigstens das eine Bauteil eingekoppelt werden, werden insgesamt geringere Eindrück- bzw. Einpresskräfte für den Nagel benötigt.
Besonders bevorzugt ist es auch, wenn der Nagel mittels eines in Schwingung versetzten Werkzeugs, wie beispielsweise des schon erwähnten Schwingsystems bzw. eines Teils davon, beispielsweise der Sonotrode oder eines Stempels, hämmernd in das Bauteil eingedrückt wird. Unter einem hämmernden Eindrücken soll dabei ein Eindrücken mittels sehr hoher Anzahl, beispielsweise mehrere Tausend innerhalb kurzer Zeit wie einer Sekunde an Schlägen bzw. Impulsen des Werkzeugs auf den Nagel verstanden werden. Die Schläge werden dabei durch die Schwingungen der Sonotrode bzw. des Stempels erzeugt und auf den Nagel aufgebracht. Hierzu kann die Frequenz der Schwingung unter Berücksichtigung einer typischen Eigenfrequenz des Bauteilsystems ausgewählt werden. Dabei sollte die Anregungsfrequenz der Schwingung ungleich der Eigenfrequenz des Bauteilsystems sein.
Dadurch dass der Nagelschaft mit einer Oberflächenstruktur versehen ist, die sich beim Einbringen des Nagels in das Bauteil in diesem verankert, ergibt sich eine größere Kontaktfläche zwischen Nagel und Bauteil und damit eine höhere Auspress- bzw. Haltekraft. In die Oberflächenstruktur, z.B. in ihre Rillen oder zwischen den Erhebungen liegenden Bereichen bzw. Vertiefungen, dringt beim Einpressvorgang des Nagels das verdrängte Material des Bauteils ein und hintergreift den Nagelschaft. Damit ist die Haltekraft höher als bei einem herkömmlichen Nagel ohne Oberflächenstruktur. Die Oberflächenstruktur kann ein wellenförmiges, kantenförmiges oder widerhakenförmiges Profil aufweisen. In Abhängigkeit der Anwendung wird die Oberflächenstruktur wellenförmig sein, wenn der Nagel besonders einfach in das Bauteil gleiten soll. Die Oberflächenstruktur wird eher kantenförmig sein, wenn diese beispielsweise ein Gewinde bilden soll, sodass der Nagel aus dem Bauteil wieder herausgeschraubt werden kann. Jedoch wird die Oberflächenstruktur eher widerhakenförmig sein, wenn das Herausziehen des Nagels verhindert werden soll.
Die Oberflächenstruktur dient vorteilhaft auch als Energierichtungsgeber für die Ultraschallenergie. Der Energierichtungsgeber bewirkt eine gezielte und konzentrierte Energieeinleitung. Mithilfe der definierten Kontaktfläche gelingt eine gezielte, lokale Einleitung der Ultraschallenergie in die Fügezone. Das bedeutet, dass die Oberflächenstruktur als Energierichtungsgeber und lokaler Energieverstärker des Ultraschalls wirkt.
Vorteilhaft weist die Oberflächenstruktur eine Abfolge von mehreren umlaufenden Rillen und/oder Erhebungen auf, die zu einer Nagelschaftachse senkrecht verlaufen. Senkrecht zur Nagelschaftachse verlaufende Rillen oder Erhebungen sind besonders einfach in den Nagelschaft einbringbar. Beispielsweise können Rillen in Form von länglichen Vertiefungen bzw. Nuten quer zur Schaftachse in Umfangsrichtung des Nagelschafts gebildet werden. Erhebungen können beispielsweise durch die Aufbringung von wulstförmigem Material entstehen. Es ist auch möglich, diese durch Aufbringen eines Materials über eine Breite der auszugestaltenden Oberflächenstruktur herzustellen, um dann in einem zweiten Schritt Vertiefungen in Umfangsrichtung einzuarbeiten. Beim Einpressvorgang dringt das verdrängte Material zwischen die Erhebungen bzw. in die Rillen, sodass eine erhöhte Haltekraft erreicht wird.
Erfindungsgemäß weist die Oberflächenstruktur eine Abfolge von umlaufenden Rillen und/oder Erhebungen auf, die zu einer Nagelschaftachse verkippt und/oder parallel verlaufen. Die zur Nagelschaftachse verkippt und/oder parallel verlaufenden Rillen und/oder Erhebungen dienen als Energierichtungsgeber für die Ultraschallenergie. Der Ultraschalleffekt findet an den Stellen mit Energierichtungsgeber konzentrierter statt. Durch den Energierichtungsgeber wird eine gezielte und konzentrierte Energieeinleitung der Ultraschallenergie in die Fügezone erreicht. Hierdurch kann die Einpresskraft deutlich reduziert werden, da das Hineingleiten in das Bauteil deutlich einfacher erfolgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Nagelschaftachse verkippt verlaufende Rillen ein Gewinde bilden, sodass der Nagel wieder durch Herausdrehen aus dem Bauteil entfernt werden kann. Damit wird beispielsweise eine Reparatur ermöglicht.
Rillen können beispielsweise axial oder verkippt verlaufend in die Oberfläche des Nagelschafts eingefräst sein. Erhebungen können beispielsweise durch die Aufbringung von wulstförmigem Material entstehen. Es ist auch möglich, diese durch Aufbringen eines Materials über eine Breite der auszugestaltenden Oberflächenstruktur herzustellen, um dann in einem zweiten Schritt Vertiefungen in Umfangsrichtung einzuarbeiten. Besonders einfach sind zur Bildung der Rillen bzw. der Erhebungen Nuten in die Oberfläche eingedreht, deren Tiefe so gewählt ist, dass sich das Bauteilmaterial in den Nuten verhaken kann, bzw. die Nuten hintergreifen kann, um eine hohe Haltekraft zu erreichen. Die Nuten lassen sich mit einem scharf definierten Rand bzw. einer Kante oder mit einem abgerundeten Rand herstellen.
Bevorzugt besitzen die Rillen und/oder Erhebungen einen Anfangs- und Endabschnitt. Die Rillen und/oder Erhebungen sind dann nicht vollständig geschlossen ausgeführt. Dies betrifft im Besonderen die axial oder verkippt axial verlaufenden Rillen entlang des Nagelschafts. Die Rillen und/oder Erhebungen mit Anfangs- und Endabschnitt dienen besonders vorteilhaft als Energierichtungsgeber für die Ultraschallenergie. Durch den Energierichtungsgeber wird eine gezielte und konzentrierte Energieeinleitung der Ultraschallenergie in die Fügezone erreicht. Hierdurch kann die Einpresskraft deutlich reduziert werden, da das Hineingleiten in das Bauteil deutlich einfacher erfolgt.
Energierichtungsgeber können mit und/oder ohne Funktionsfläche ausgebildet sein. Die Funktionsfläche weist eine Geometrie, insbesondere Rillen und/oder Erhebungen zur Erhöhung der Haftung auf. Bevorzugt können Energierichtungsgeber Unterbrechungen ähnlich einer gesteppten Naht aufweisen.
Wenn die Verkippung der Rillen und/oder Erhebungen zur Nagelschaftachse in Richtung Nagelspitze zunimmt, weisen die Rillen und/oder Erhebungen spitzenseitig eine größere Steigung auf. Dadurch sucht sich der Nagel einfacher, d.h. mit weniger Einpresskraft den Weg ins Bauteil. Eine im Prozessverlauf dann abnehmende Steigung führt dazu, dass sich das Bauteil gegen den Nagelkopf oder ein unteres Bauteil gegen ein oberes Bauteil anzieht und dadurch eine Steigerung der Haltekraft erzielt wird. Durch letzte Ausübung einer Kraft und/oder Schwingung wird das Bauteil gegen den dann bereits am Bauteil anliegenden Nagelkopf verspannt. Durch den hämmernden Mehrfachimpuls des Ultraschalls kann sich der Nagel während des Einpressvorgangs durch seine Steigung der Rillen drehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Abfolge aus Rillen und/oder Erhebungen zur Nagelspitze hin in kleiner werdenden Abständen der Rillen und /oder Erhebungen ausgeführt. Dadurch gleitet der Nagel zu Beginn des Einpressvorgangs einfacher in das Bauteil ein. Die zum Ende des Einpressvorgangs größeren Abstände verstärken die Haltekraft.
Über die variable Steigung kann zudem der Prozess überwacht werden, da sich das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems aus Nagel und Bauteil über den Prozessverlauf ändert. Der Fügeprozess kann also beispielsweise durch eine Beobachtung der Generatorleistung und/oder durch eine Beobachtung der Schallemissionen des Fügeprozesses bewertet werden.
Wenn die Abfolge aus Rillen und/oder Erhebungen ein Gewinde bildet, schraubt sich der Nagel in das Bauteil. Ein Nagel mit Gewinde kann mit geläufigen Verfahren einfach hergestellt werden und lässt sich reversibel in das Bauteil einbringen. Denn bei der Schwingungseinkopplung wird der Nagel aufgrund der Oberflächenstruktur in Rotation versetzt. Dadurch schraubt sich der Nagel beim Einpressen in das Bauteil, ohne dass eine Rotationskraft auf den Nagel einwirken braucht. Weil sich der Nagel in das Bauteil schraubt, entsteht eine größere Kontaktfläche zwischen Nagel und Fügepartner, aus der wiederum eine größere Auspress- bzw. Haltekraft resultiert. Der Nagel gleitet, aufgrund seiner Oberflächenstruktur durch die Schwingungseinkopplung in Rotation versetzt, einfacher in das Bauteil. Der Nagel lässt sich wieder herausdrehen, falls beispielsweise eine Reparatur erfolgen müsste.
Durch die Oberflächenstruktur am Nagelschaft kann es beim Eindrehen des Nagels infolge der auf den Nagel eingekoppelten Ultraschallschwingung in Abhängigkeit der Prozessparameter zu einer lokalen Verschweißung des Nagels mit dem Bauteil kommen. Diese lokale Verschweißung erhöht die Festigkeit der Verbindung.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Bauteilanordnung aus mindestens 2 Bauteilen, die durch einen Nagel verbunden sind, welcher durch das vorherig beschriebene Verfahren eingetrieben worden ist.
Das vorgeschlagene Verfahren wie auch die vorgeschlagene Bauteilanordnung, also die neuartige Kombination aus Ultraschallüberlagerung und erfindungsgemäßem Nagel, sind, wie schon erwähnt, vorzugsweise für den Karosseriemischbau zweckmäßig, da dort verschiedenartigste Werkstoffe miteinander zu verbinden sind, bei denen oftmals nur eine einseitige Zugänglichkeit der Fügestellen bzw. Fügeflansche gegeben ist. Mit diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung können das Fließlochformschrauben und/oder das herkömmliche Einbringen von Nägeln durch die verfahrensbedingten und wirtschaftlichen Vorteile substituiert werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet neben der Automobilindustrie sind der Schienenfahrzeugbau und das Transportwesen, da hier profilintensive Bauweisen großflächiger Abmessungen zu verarbeiten und einseitige Zugänglichkeiten zum Fügepunkt gegeben sind.
Des Weiteren ist der Gondel- und Seilbahnbau ein mögliches Anwendungsgebiet. Hier können das vorgeschlagene Verfahren bzw. die vorgeschlagene Vorrichtung heutige Blindniet-Verbindungen ersetzen. Das für das Blindnieten erforderliche Vorlochen entfällt, sodass die Prozesskosten reduziert werden können.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und der beiliegenden Zeichnungen. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in folgenden Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt schematisch einen Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Nagel in einer ersten bevorzugten Ausführungsform.
5 zeigt einen erfindungsgemäßen Nagel in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
6 zeigt einen erfindungsgemäßen Nagel in einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
7 zeigt einen erfindungsgemäßen Nagel in einer vierten bevorzugten Ausführungsform.
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Nagel in einer fünften bevorzugten Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist vereinfacht und schematisch eine Vorrichtung 100 zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, mittels welcher auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Bei der Vorrichtung 100 handelt es sich beispielhaft um einen Industrieroboter bzw. eine Fertigungseinrichtung, beispielsweise für einen Einsatz im automobilen Karosseriebau.
Die Vorrichtung 100 weist dabei eine auf einem Boden angeordnete Trägerstruktur 3 und drei daran angeordnete, miteinander verbundene und bewegliche Armglieder bzw. Komponenten 4, 5 und 6 auf, die zusammen einen motorisch bewegbaren Roboterarm bilden. Am Ende des Armes 6 ist eine Setzeinheit 10 angeordnet, wie sie beispielsweise in 2 noch detaillierter gezeigt wird und die hier nur grob schematisch angedeutet ist.
Weiterhin ist ein Schaltschrank 90 vorgesehen, in dem eine Steuer- und Regeleinheit 91 sowie ein als Ultraschallgenerator ausgebildeter Schwingungserzeuger 92 eingebracht sind. Während die Steuer- und Regeleinheit 91 zum Ansteuern sowohl des Roboterarms als auch der Setzeinheit 10 dient, kann der Ultraschallgenerator 92 an einen Schwingungskonverter der Setzeinheit 10 angeschlossen werden, wie später in Bezug auf 2 noch näher erläutert wird.
In 2 ist schematisch ein Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, nämlich insbesondere die Setzeinheit 10 aus 1. Die Setzeinheit 10 weist ein Schwingsystem 39 auf, das vorliegend einen elektro-mechanischen Schwingungskonverter 30, beispielsweise einen Piezo-Konverter, einen sog. Booster 31, auch als Amplitudenverstärker bezeichnet, sowie ein Werkzeug zum Eindrücken in Form einer Sonotrode 32 aufweist.
Der Schwingungskonverter 30 ist dabei an den elektrischen Schwingungserzeuger 92, wie er in 1 gezeigt ist, angebunden bzw. angeschlossen bzw. kann daran angebunden werden. Auf diese Weise kann das Schwingsystem 39 in Schwingung versetzt werden.
Das Schwingsystem 39 ist, hier über den Booster 31, in einer Gehäuseeinheit 35 gehalten. Diese Gehäuseeinheit 35 wiederum ist mit einem Antrieb 50 verbunden, sodass das Schwingsystem 39 derart an den Antrieb 50 angebunden ist, dass darüber eine Kraft F sowie eine Vorschubbewegung auf das Schwingsystem 39 übertragen werden kann, und zwar in eine Fügerichtung R. An dem Antrieb 50, der hier nur grob schematisch dargestellt ist, ist ein Flansch 51 vorgesehen, mittels welchem der Antrieb 50 beispielsweise an dem Roboterarm bzw. dem Armglied 6, wie in 1 gezeigt, angebracht werden kann.
Weiterhin ist an der Gehäuseeinheit 35 mittels Federelementen 17 eine Halterung 16 angebracht, die beispielhaft einen Teil des Schwingsystems 39 umgibt und einen Nagel 20 halten und führen kann. Mittels einer Zuführung 95 kann ein solcher Nagel 20 beispielsweise in die Halterung 16 automatisch eingebracht werden, sodass dieser vor der Sonotrode 32 platziert ist.
Weiterhin sind zwei Bauteile 11, 12 gezeigt, wie sie beispielsweise mittels des Nagels 20 und unter Verwendung der Vorrichtung 100 bzw. der Setzeinheit 10 verbunden werden können. Hierzu kann die Setzeinheit mittels des Roboterarms in die in 2 gezeigte Position gebracht werden, in welcher die Halterung 16 beispielsweise an dem Bauteil 11 anliegt - wobei die Halterung 16 in diesem Sinne auch als Niederhalter dient - und der Nagel 20 in geeigneter Ausrichtung zu den Bauteilen 11, 12 gehalten ist.
Um den Nagel 20 nun in die Bauteile 11, 12 einzubringen und so die Bauteile miteinander zu verbinden, wird das Schwingsystem 39 unter Verwendung des Schwingungserzeugers 92 in Schwingung versetzt und unter Verwendung des Antriebs 50 in Fügerichtung R auf den Nagel 20 zubewegt und so mit diesem in Kontakt gebracht. Durch eine weitere, durch den Antrieb 50 erzeugte gesteuerte bzw. geregelte Vorschubbewegung kann der Nagel 20 somit in die Bauteile eingedrückt werden.
Aufgrund der Schwingungen, die sich vom Schwingsystem 39 auf den Nagel 20 und darüber ggf. auch auf die Bauteile 11, 12 übertragen, wird die nötige Kraft, um den Nagel in die Bauteile einzudrücken, deutlich reduziert.
In 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind in zwei Abbildungen jeweils Teile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie auch in 1 gezeigt ist, bzw. einer Setzeinheit, wie sie auch in 2 gezeigt ist, zu sehen. Insbesondere sind die Sonotrode 32 und die Halterung 16 sowie ein Nagel 20 gezeigt, ebenso zwei zu verbindende Bauteile 11 und 12.
In der ersten Abbildung links ist eine Situation gezeigt, in welcher ein Bauteil 11,12 angeordnet ist, auf welchem der Nagel 20 mit der Spitze positioniert ist, aber noch nicht eingedrungen ist. Der Nagel 20 hat einen Nagelschaft 21, der mit einer Oberflächenstruktur 22 aus einer Abfolge von umlaufenden Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b ausgebildet ist. Es wird dann begonnen, den Nagel 20 mit einer Kraft in Richtung des Bauteils 11, 12 über die Sonotrode 32 zu beaufschlagen. Die Schwingungen werden als Ultraschallschwingungen auf den Nagel 20 eingekoppelt. Die Ultraschallschwingungen werden durch den elektrischen Schwingungserzeuger 92, insbesondere durch einen Ultraschallgenerator erzeugt. Die Schwingungen werden in longitudinaler Richtung in den Nagel 20 eingekoppelt, sodass die Einpresskraft in Fügerichtung verstärkt werden. Die Schwingungen werden Nageltechnikspezifisch mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 15 kHz und 50 kHz, erzeugt.
In der zweiten Abbildung rechts ist schließlich eine zu erreichende Endposition gezeigt, in welcher der Nagel 20 in die Bauteile 11, 12 eingedrückt ist und der mit der Oberflächenstruktur 22 versehene Nagelschaft 21 in den Bauteilen 11, 12 verankert ist.
In den 4 bis 7 wird näher auf die Ausgestaltung der Oberflächenstruktur 22 auf dem Nagelschaft 21 eingegangen. Der Nagel 20 weist einen Nagelkopf 24, den Nagelschaft 21 und eine Nagelspitze 25 auf. Der Nagelschaft 21 hat einen kopfseitigen Schaftteil 21a, in welchem er zylindrisch und ohne Oberflächenstruktur ausgeführt ist. Ein wesentlich größerer kopfabseitiger Schaftteil 21b ist mit der Oberflächenstruktur 22 versehen. Der mit der Oberflächenstruktur 22 versehene Schaftteil 21b ist leicht kegelig ausgeführt und mündet in der Spitze 25. Der Schaftteil 21b kann beispielsweise auch zylindrisch ausgeführt sein.
Die Oberflächenstruktur 22 weist eine Abfolge von mehreren umlaufenden Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b auf. Die Rillen 22a sind besonders einfach beispielsweise in Form von Nuten eingebracht. Durch die Fertigung einer Abfolge von Rillen 22a können bereits die Erhebungen 22b entstehen. Es ist auch möglich, die Erhebungen 22b beispielsweise durch die Aufbringung von wulstförmigem Material zu fertigen, sodass Rillen 22a durch die Abfolge von Erhebungen 22b entstehen. Die Erhebungen 22b können auch durch Aufbringen eines Materials über den kopfabseitigen Schaftteil 21b erfolgen, in welches anschließend Rillen 22a eingearbeitet werden können. Die Rillen-Tiefe ist so gewählt, dass sich das Bauteilmaterial darin verhaken kann, um eine hohe Haltekraft zu erreichen. Die Rillen 22a sind beispielsweise mit einem scharf definierten Rand bzw. einer Kante oder mit einem abgerundeten Rand herstellbar. Ebenso kann die Erhebung 22b beispielsweise scharfkantig (beispielhaft in 4a gezeigt) oder rund ausgeführt sein. Die Kombination der Oberflächenstruktur des Nagelschaftes und der Eikopplung von Ultraschallschwingungen auf den Nagelkopf bewirken eine hohe Festigkeit der Verbindung bei Aufbringung einer niedrigen Fügekraft.
Beim ultraschallunterstützten Nagelprozess, insbesondere in einem Prozessregime Hämmern, wird der Nagel 20 durch seine Oberflächenstruktur 22 bei der Einkopplung der Schwingungen über die Ultraschallfrequenz in Rotation versetzt. Dadurch arbeitet sich der Nagel 20 schneller in das Bauteil 11,12 als ein Nagel ohne Oberflächenstruktur. Die Oberflächenstruktur 22 bewirkt, dass die Kontaktfläche zwischen Nagelschaftmaterial und Bauteil 11, 12 größer ist, als bei einem Nagel ohne Oberflächenstruktur. Beim Eindrückvorgang dringt das verdrängte Material zwischen die Erhebungen bzw. in die Rillen. Dies führt zu einer verbesserten Auspress- und Haltekraft bei niedriger Fügekraft aufgrund der Unterstützung durch die Einkopplung von Ultraschallschwingungen auf den Nagel 20. Die Oberflächenstruktur 22 wirkt als Energierichtungsgeber für die Ultraschallenergie. Der Energierichtungsgeber bewirkt eine gezielte und konzentrierte Energieeinleitung. Mithilfe der definierten Kontaktfläche durch die Oberflächenstruktur 22 gelingt eine gezielte, lokale Einleitung der Ultraschallenergie in die Fügezone. Energierichtungsgeber können mit einer die Haftung verstärkenden Funktionsfläche ausgeführt sein (siehe 6b und 6c).
In 4 weist die Oberflächenstruktur 22 eine Abfolge von mehreren umlaufenden Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b auf, die zu einer Nagelschaftachse 26 senkrecht verlaufen. Die Rillen 22a bzw. Erhebungen 22b sind einfach in Umfangrichtung des Nagelschafts 21 ein- und/oder aufzubringen.
In 4a ist die Abfolge aus Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b zur Nagelspitze hin (Pfeilrichtung) in kleiner werdenden Abständen zwischen den Rillen 22a und /oder Erhebungen 22b ausgeführt. Dadurch gleitet der Nagelschaft 21 zu Beginn des Einpressvorgangs leichter in das Bauteil 11,12 ein. Die zum Ende des Einpressvorgangs größeren Abstände (kopfseitig) bewirken eine Verstärkung der Haltekraft. Genauso denkbar könnten die Abstände von Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b zur Nagelspitze 25 hin größer zum Nagelkopf 24 hin kleiner werden.
Über die variierenden Abstände kann der Prozessfortschritt überwacht werden, da sich das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems aus Nagel und Bauteil über den Prozessverlauf ändert. Dies kann beispielsweise durch eine Beobachtung der Generatorleistung und/oder durch eine Beobachtung der Schallemissionen des Fügeprozesses beobachtet werden.
In 5 sind die umlaufenden Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b zur Nagelschaftachse 26 verkippt angeordnet. Die Einpresskraft kann deutlich reduziert werden und das Hineingleiten des Nagelschafts 21 in das Bauteil 11,12 erfolgt einfacher. Die verkippt laufenden Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b können dabei die Form eines Gewindes 27 annehmen. Ein Gewinde 27 kann mit geläufigen Verfahren einfach hergestellt werden. Beim ultraschallunterstützten Nagelprozess, insbesondere in einem Prozessregime Hämmern, wird der Nagel 20 durch seine gewindeförmige Oberflächenstruktur 22 bei der Einkopplung der Schwingungen über die Ultraschallfrequenz in Rotation versetzt. Dadurch schraubt sich der Nagel 20 in das Bauteil 11,12. Die Oberflächenstruktur 22 bewirkt, dass die Kontaktfläche zwischen Nagelschaftmaterial und Bauteil 11, 12 größer ist, als bei einem Nagel ohne Oberflächenstruktur. Beim Eindrückvorgang dringt das verdrängte Material zwischen die Erhebungen bzw. in die Rillen. Dies führt zu einer verbesserten Auspress- und Haltekraft. Die gewindeförmige Oberflächenstruktur macht es möglich, dass der Nagel 20 wieder durch Herausdrehen aus dem Bauteil 11, 12 entfernt werden kann. Damit wird beispielsweise eine Reparatur deutlich vereinfacht.
In 5a nimmt die Verkippung der Rillen und/oder Erhebungen zur Nagelschaftachse in Richtung Nagelspitze zu, sodass die Rillen und/oder Erhebungen spitzenseitig eine größere Steigung aufweisen. Zu Beginn der Eindrückvorgangs wird der Nagelschaft 21 leichter in das Bauteil 11,12 gepresst. Eine im Prozessverlauf dann abnehmende Steigung bewirkt, dass das untere Bauteil 12 gegen das obere Bauteil 11 anzieht und durch die Oberflächenstruktur 22 die Fügekraft verstärkt wird. Durch letzte Ausübung einer Kraft und/oder Schwingung wird das Bauteil 11, 12 gegen den Nagelkopf verspannt.
In 6 weisen die Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b einen Anfangs- 28a und Endabschnitt 28b auf. Nicht vollständig geschlossen ausgeführt sind die axial bzw. parallel zur Längsachse 26 (6, 6b, 6c) oder axial verkippt (6a) verlaufenden Rillen 22a und/ oder Erhebungen 22b entlang des Nagelschafts 21.
In 6a sind die Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b axial verkippt ausgeführt. Sie erzeugen bei der Einkopplung von Schwingungen in den Nagel 20 eine Rotation, sodass der Nagel 20 drehend in das Bauteil eindringt.
Durch die Oberflächenstruktur 22 am Nagelschaft 21 kann es beim Eindrehen des Nagels 20 infolge der auf den Nagel 20 eingekoppelten Ultraschallschwingung in Abhängigkeit der Prozessparameter zu einer lokalen Verschweißung des Nagels 20 mit dem Bauteil 11,12 kommen. Diese lokale Verschweißung erhöht die Festigkeit der Verbindung.
Gemäß 6b können Energierichtungsgeber mit einer die Haftung verstärkenden Funktionsfläche ausgeführt sein. Die Funktionsfläche 29 weist eine Geometrie 29a, insbesondere Rillen und/oder Erhebungen zur Erhöhung der Haftung auf.
Energierichtungsgeber können auch Unterbrechungen in Form einer gesteppten Naht 29b, wie in 6c gezeigt, aufweisen.
In 7 ist der Nagelschaft 21 beispielsweise mit einer Oberflächenstruktur 22 versehen, die senkrecht und parallel zur Nagelschaftachse 26 verlaufende Rillen 22a und/oder Erhebungen 22b aufweist. Die Oberflächenstruktur 22 kann aber auch alle vorherig beschriebenen Varianten beliebig enthalten und beispielsweise in verschiedenen Abschnitten des Nagelschafts 21 variieren, um diese vorteilhaft für den Einpressprozess nutzen zu können.
Neben der Erfordernis einer geringeren Einpresskraft und der geringeren Verformung der Bauteile bei höherer Haltekraft führt das vorgeschlagene Verfahren zu einer signifikanten Geräuschreduzierung, insbesondere aufgrund des Entfalls des bisher nötigen, massiven Einfach-Impulses mit Spitzenschalldruckpegeln von bis zu 180dB und aufgrund der Oberflächenstruktur des Nagelschafts.
Das vorgeschlagene Verfahren führt, wie schon erwähnt, zu einem erweiterten Anwendungsbereich, z.B. Fügen dünnwandigerer Bauteile sowie dickwandigere und/oder höherfeste Bauteile, durch geringere Deformation der gefügten Bauteilflansche (Leichtbaupotential) bzw. Reduktion des Fügekraftbedarfes. Ebenso führt es zu einer Kosteneinsparung durch Verzicht auf Druckluft beim eigentlichen Fügeprozess.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010006404 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Einbringen eines Nagels (20) in wenigstens ein Bauteil (11,12), der einen Nagelkopf (24), eine Nagelspitze (25) und einen Nagelschaft (21) aufweist, bestehend aus den Schritten: - Anordnen des wenigstens einen Bauteils (11,12) - Positionieren des Nagels (20) - Eintreiben des Nagels (20), wobei der Nagel (20) mit einer Kraft in Richtung des Bauteils (11,12) beaufschlagt wird, sodass dieser in das wenigstens eine Bauteil (11,12) eingedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Kraftbeaufschlagung eine Einkopplung von Schwingungen auf den Nagel (20) erfolgt und dass ein Nagel (20) verwendet wird, dessen Nagelschaft (21) mit einer Oberflächenstruktur (22) aus einer Abfolge von umlaufenden Rillen (22a) und/oder Erhebungen (22b) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen als Ultraschallschwingungen, insbesondere durch einen Ultraschallgenerator (92) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen in longitudinaler Richtung in den Nagel (20) eingekoppelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 15 kHz und 50 kHz, erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (20) mittels eines den Nagel (20) mit einer Kraft beaufschlagenden und in Schwingung versetzenden Werkzeugs (32) in das wenigstens eine Bauteil (11,12) eingedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (21) mit einer Oberflächenstruktur (22) versehen ist, die sich beim Einbringen des Nagels (20) in das wenigstens eine Bauteil (11,12) in dem wenigstens einen Bauteil (11,12) verankert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (22) als Energierichtungsgeber und lokaler Energieverstärker des Ultraschalls wirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (22) eine Abfolge von mehreren umlaufenden Rillen (22a) und/oder Erhebungen (22b) aufweist, die zu einer Nagelschaftachse (26) senkrecht verlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (22) eine Abfolge von umlaufenden Rillen (22a) und/oder Erhebungen (22b) aufweist, die zu einer Nagelschaftachse (26) verkippt und/oder dazu parallel verlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (22a) und/oder Erhebungen (22b) einen Anfangs- (28a) und Endabschnitt (28b) besitzen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkippung der Rillen (22a) und/oder Erhebungen (22b) zur Nagelschaftachse (26) in Richtung Nagelspitze (25) zunimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge aus Rillen (22a) und/oder Erhebungen (22b) zur Nagelspitze (25) hin in kleiner werdenden Abständen der Rillen (22a) und /oder Erhebungen (22b) ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge aus Rillen (22a) und/oder Erhebungen (22b) ein Gewinde (27) bildet.
Bauteilanordnung aus mindestens 2 Bauteilen (11,12), die durch einen Nagel (20) verbunden sind, welcher durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingetrieben worden ist.