EP1034055A2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer stanznietverbindung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer stanznietverbindung

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EP1034055A2
EP1034055A2 EP98966245A EP98966245A EP1034055A2 EP 1034055 A2 EP1034055 A2 EP 1034055A2 EP 98966245 A EP98966245 A EP 98966245A EP 98966245 A EP98966245 A EP 98966245A EP 1034055 A2 EP1034055 A2 EP 1034055A2
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EP
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stamp
hold
down device
punch
path
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EP98966245A
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Dirk Hermann
Dieter Mauer
Reinhold Opper
Joachim Möser
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Newfrey LLC
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Publication date
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Definitions

  • the subject matter of the invention relates to a method and to an apparatus for producing a punch rivet connection.
  • riveted joints are becoming increasingly important as they can be an alternative to welded joints.
  • riveted joints are a suitable alternative d-ar.
  • the parts to be connected are connected by punch rivets without pre-punching.
  • the pre-punching of the parts to be joined, which is necessary with conventional riveting, is replaced by a corresponding cutting process of the punch rivet.
  • the components to be connected are placed on a die. These are fixed on the die by a hold-down device.
  • the semi-tubular rivet cuts through the layer facing the semi-tubular rivet.
  • the semi-hollow rivet is then plastically deformed in or in the lower layers to form a closing head.
  • the shape of the closing head is essentially determined by the shape of a die.
  • the material punched out from the upper layer and possibly from other layers fills the hollow rivet shank of the semi-hollow rivet and is captively enclosed.
  • the semi-hollow rivet is then compressed, so that, on the one hand, the closing head is further developed and, on the other hand, the head of the semi-hollow rivet is essentially flush with the upper layer.
  • CONFIRMATION HEADS Crucial for a high-quality punch rivet connection with a semi-tubular rivet is the perfect hold of the positioned components on the one hand, so that the position of the components relative to one another is not changed due to a flow movement during punching, and on the other hand the choice of a suitable punch rivet for the material-specific composition and its rivet geometry.
  • WO 94/14554 proposes a device which has a die, a hold-down device and a punch. At least two layers of components can be clamped between the hold-down device and the die.
  • the hold-down device can be moved via a first piston-cylinder unit.
  • a second piston-cylinder unit is provided as the drive unit for the stamp. The first and the second piston-cylinder unit can be actuated independently of one another.
  • a similar embodiment of a device for producing a self-piercing rivet connection is known from WO 93/24258.
  • This device also has a piston-cylinder unit, by means of which the necessary clamping force of the hold-down device can be generated. Different clamping forces can be generated by appropriate pressure control.
  • the device according to WO 93/24258 has a second piston-cylinder unit as the drive unit of the stamp.
  • the mechanical properties of a punch rivet connection in particular the strength behavior of the punch rivet connection, depend on the design of the closing head. The strength behavior is also influenced by the configuration of the area of the components between the head and the closing head of the punch rivet.
  • the present invention is based on the object of developing the known method for producing a punch rivet connection in such a way that on the one hand a material-friendly production of a punch rivet connection and on the other hand a punch rivet connection with higher strength is achieved.
  • Another object of the invention is to provide a device for producing a punch rivet connection which is suitable for producing a punch rivet connection in a manner that is gentle on the material. The device is also intended to ensure that the punch rivet connection produced by the device achieves high strength values.
  • the method according to the invention for producing a punch rivet connection ensures that a clamping force exerted by the hold-down device on the at least two layers can be varied according to a predetermined course during a punch riveting process.
  • a variation of the clamping force exerted by the hold-down device on the at least two layers is achieved in that the hold-down device can be connected to the stamp via a coupling unit in such a way that during a punch riveting process a coupling of the hold-down device to the stamp is made between an essentially rigid coupling state and a decoupled state can be changed.
  • This procedure according to the invention ensures that the hold-down device can be moved synchronously with the punch, in particular in the direction of the die, in the rigid coupling state. In the decoupled state, the stamp can be moved while maintaining or varying the clamping force acting on the components from the hold-down device.
  • the clamping force acting on the components from the hold-down device is variable, since this depends on the movement of the punch, it is also achieved that the sufficiently necessary clamping force is always applied for individual sections of the punch riveting process.
  • the extent to which the clamping force is changed depends on the coupling state. In particular, it is proposed that the coupling state be changed depending on the stamp path or a parameter derived from the stamp path.
  • the layers are first pressed against the die with a reduced clamping force.
  • the layers can then be pressed against the die with a varying clamping force compared to the reduced clamping force.
  • the clamping force should be increased during the upsetting process. This has the advantage that when a bulge at least partially surrounding the head of the hollow rivet is formed, it is compressed by the hold-down device in such a way that the head of the hollow rivet is flush with the layer.
  • the clamping force can also be significantly higher than the usual clamping force.
  • the coupling state can be varied continuously or discontinuously depending on the stamp path.
  • a continuous change in the coupling state is preferred since this does not result in an abrupt change in the Clamping force occurs.
  • the jumps in the clamping force can be selected such that there is no markedly sudden change in the process parameters.
  • the hold-down device By rigidly coupling the hold-down device to the stamp, the hold-down device performs the same movement as the stamp.
  • the hold-down device exerts essentially the same force as the stamp.
  • the hold-down device can be decoupled from the punch by controlling the coupling unit.
  • the further clamping force of the hold-down device is controlled via the coupling unit. If the hold-down device is to exert a higher force on the layers after a predetermined stamp path, the hold-down device can be coupled to the stamp again via the coupling unit.
  • the holding-down device with the punch is moved to the layers to be connected such that the holding-down device presses the layers against the die with a predetermined clamping force.
  • the hold-down device is decoupled from the punch and the punch for severing at least the position facing the semi-hollow rivet, forming a closing head for upsetting the semi-hollow rivet, the holder being coupled to the punch according to a predetermined punch path.
  • a variation of the clamping force depending on the stamp path is preferably carried out according to a predetermined course of the clamping force depending on the stamp path.
  • the predetermined clamping force-stamp path curve is a target curve, which is preferably continuously compared with the actual curve of the clamping force as a function of the stamp path.
  • a stamp path measured or one of the parameters derived from the stamp path be compared with a predetermined target value.
  • the hold-down device is preferably decoupled from the stamp or coupled to the stamp
  • the procedure according to the invention also ensures a gentle plastic deformation of the punch rivet in at least one layer without this layer or layers being excessively weakened. Excessive weakening of the layer or layers can lead to an unwanted punching of this layer or layers Punching through the layer or layers, depending on the material pairings, would lead to corrosion. However, this problem does not occur with the method according to the invention
  • the coupling state be changed as a function of the material properties, in particular the strength, of at least one layer.
  • This advantageous development is based on the idea that the layers can have different flow behavior or deformation behavior.
  • a clamping force-stamp path curve is changed depending on the properties of the pairing of the layers of different materials. For example, if a layer made of aluminum or an aluminum alloy is to be connected to a second layer made of aluminum or an aluminum alloy by means of a punch rivet, the coupling state will be changed differently than for a connection aluminum steel
  • the coupling state can also depend on which material properties the layer to be punched or di e has the position to be formed
  • the coupling state be dependent on a thickness at least one position, in particular the position facing the punch rivet, is changed. This should take into account the fact that the flow behavior of the layer (s) also depends on the thickness of the layer (s). In the case of a relatively thin layer, there is a greater risk that the layer in the region of the head of the punch rivet will be overstressed, as a result of which textures or cracks can occur. This can be avoided by allowing a flow movement of this layer towards the semi-tubular rivet at least during part of the punch riveting process, the coupling state being changed from a rigid to a less rigid connection between the hold-down device and the punch.
  • the clamping force can be chosen to be higher than layers with a relatively small thickness, since thick layers have a different stress behavior. Overloading of the thick layer occurs much later than a thin layer, since there is enough material for a flow movement into the die and towards the semi-tubular rivet.
  • the coupling state be changed depending on the material properties of the punch rivet.
  • the hardness of the punch rivet is proposed as a criterion for changing the coupling state.
  • the geometry of the punch rivet in particular the design of the free end face of the punch rivet, and the recess of the semi-hollow rivet also play a role in the design of the rivet connection.
  • the geometry of the punch rivet influences the punching and forming process. It is therefore proposed that the coupling state be changed depending on a geometry of the punch rivet.
  • individual geometric sizes of the punch rivet can also be used as a criterion.
  • the cross section of the punch rivet the length of the punch rivet can be used as factors.
  • the other geometrical ones too Sizes of a punch rivet can be used as criteria for the selection of a suitable coupling state course.
  • the coupling state can be reduced at least during at least part of an upsetting process to such an extent that a movement of at least one layer which is essentially transverse to the semi-hollow rivet is made possible. This ensures that a flow of material occurs during the formation of the closing head, so that the layers in the area of the punch rivet connection are exposed to less mechanical stress, in particular tensile stress.
  • a stamp force of the stamp can be determined and compared with a predetermined target size, the hold-down device preferably being decoupled from the stamp or coupled to the stamp depending on the stamp force and / or the stamp path.
  • the clamping force of the hold-down device can be determined during the riveting process and compared with a predetermined target size. Through the comparison, the clamping force can be varied depending on the stamp path.
  • a target characteristic curve of a clamping force-stamp path course can be determined by experiments. It must first be assumed that such a target characteristic curve is valid for the particular punch rivet connection formed during the test. For punch rivet connections that change with regard to the material properties of the layers, their geometry, etc., corresponding further target characteristics have to be determined. In a first approximation, the Determination of a target characteristic curve for a given punch riveting task by extrapolation of the known target characteristic curves, an assumed target characteristic curve can be determined, which can serve as the basis for the comparison with the clamping force-punch path curve.
  • the hold-down device be coupled to the stamp as a function of a stamp force.
  • the hold-down device can also be coupled to the stamp if the stamp force and the travel path of the stamp are within a certain tolerance range.
  • a clamping force of the hold-down device be measured directly or indirectly.
  • the hold-down device can be decoupled from the stamp or coupled to the stamp depending on the clamping force and / or the stamping force and or the travel path of the stamp.
  • the hold-down device has a piston and the plunger has a pressure piston, the piston and the pressure piston being movable relative to one another within a common chamber, a fluid, preferably a, between the piston and the pressure piston essentially incompressible fluid is provided, the distance between the piston and the pressure piston relative to one another being essentially changed by the fluid, in particular the fluid volume.
  • the chamber with the fluid and the piston and the pressure piston form the coupling unit.
  • the stamp and the hold-down device have a rigid connection.
  • the hold-down device performs a change in position that corresponds to the stamp travel with a corresponding change in the fluid volume, be stationary, the force with which the holding-down device acts on the components can be changed in a variable or constant manner as a function of the fluid volume.
  • the coupling state can be influenced by the fluid pressure
  • At least a portion of the fluid is passed from the chamber into an equalizing chamber, thereby changing the relative position of the piston and the pressure piston relative to one another.
  • the rate at which the position of the piston and the pressure piston changes can be determined by the flow rate of the fluid from the chamber
  • the rate of change of the clamping force is thus also influenced by the flow rate
  • the hold-down device be connected to a piston which is arranged in a double-acting cylinder through which the stamp extends.
  • the stamp has a pressure piston which is in one with, preferably incompressible , Fluid actable chamber is guided
  • the chamber is connected to a volumetrically variable reservoir Chamber is rigidly connected to the cylinder and slidably guided in a housing.
  • the fluid pressure is preferably changed as a function of the stamp travel and / or the travel path of the hold-down device and / or the clamping force and / or the stamp force.
  • a fluid pressure is preferably determined as a function of the stamp path and the fluid pressure-stamp path profile is compared with a predetermined target profile. Depending on the comparison, a pressure control valve that is fluidly connected to the chamber is activated. The fluid pressure in the chamber is controlled by the pressure control valve.
  • the fluid removal is preferably controlled as a function of the clamping force and / or the punch force and / or the travel path of the punch and / or the travel path of the hold-down device.
  • the pressure piston causes the fluid in the chamber to build up pressure, as a result of which the fluid exerts pressure on the piston of the hold-down device and the hold-down device is moved in the direction of the layers. If the holding-down device has provided the force necessary for clamping the layers between the holding-down device and the die, the punch can be moved further, for example, by suitable fluid removal from the chamber, the clamping force between the hold-down device and the die being retained. If there is a greater volume change due to fluid removal from the chamber than the conditioned volume change due to the change in the punch travel, the clamping force of the hold-down device decreases, the punch performing the actual punch riveting process.
  • a device for producing a punch rivet connection with a die, a hold-down device and a punch is proposed.
  • the punch and the hold-down device can be moved towards and away from the die.
  • At least two layers of components can be clamped between the hold-down device and a die.
  • a punch rivet which can be, for example, a semi-hollow rivet, a full rivet, is driven through the punch for connecting the layers at least through the position of the components adjacent to the hold-down device.
  • Punch riveting a coupling of the holding-down device with the punch can be changed between an essentially rigid coupling state and a decoupled state.
  • the stamp is driven by a drive unit.
  • the hold-down device have a piston head and the plunger has a pressure piston.
  • the piston and the pressure piston can be moved relative to one another in a, preferably incompressible, fluid-filled chamber of the coupling unit, the fluid pressure in the chamber being variable.
  • a control device is provided which is used to control the coupling unit. The control unit can be used to achieve that a clamping force exerted by the hold-down device on the at least two layers is varied via the coupling unit during a punch riveting operation in accordance with a predetermined course depending on at least the stamp path or a characteristic variable derived from the stamp path.
  • the fluid pressure can be controlled by withdrawing fluid from the chamber so that the relative position of the piston with respect to the pressure piston is dependent on the volume of the fluid withdrawn.
  • the device preferably has a compensation chamber, into which at least a portion of the fluid can be conducted from the chamber during a punch riveting process and can be returned to the chamber for a renewed punch riveting process via at least one line.
  • At least one line is preferably provided between the compensation chamber and the chamber in which a pressure control valve is arranged.
  • the fluid pressure in the chamber can be controlled by the pressure control valve.
  • a pressure sensor for measuring the fluid pressure is provided, which is connected to the control device.
  • the pressure control valve is also connected to the control device.
  • a fluid pressure is preferably determined as a function of the stamp path and a fluid pressure stamp path curve or a characteristic curve is determined, the latter is compared with a predetermined target curve by means of the control device and the pressure valve is activated accordingly as a function of the comparison. This ensures that the clamping force is essentially controlled via the fluid pressure control.
  • the hold-down device be connected to a piston which is arranged in a double-acting cylinder.
  • the stamp extends through the cylinder.
  • the stamp has a pressure piston which is guided in a chamber to which an incompressible fluid can be applied.
  • the chamber is connected to a variable-volume reservoir.
  • the chamber is rigidly connected to the cylinder and slidably guided in a housing.
  • the device decouple a path measuring device by means of which at least one path of travel of the stamp is measured, and the hold-down device is decoupled as a function of the path of travel of the stamp or is coupled to the stamp.
  • the course of the path change of the stamp can be used to make a quality statement about the punch rivet connection to be achieved.
  • a quality check of the punch rivet connection can already take place during the formation of the
  • Punch rivet connection can be made.
  • the displacement measuring device is preferably arranged on the stamp.
  • the device have a measuring device by means of which a stamp force of the stamp is measured or determined, the hold-down device being decoupled from the stamp or coupled to the stamp depending on the stamp force and or the stamp path.
  • the measurement of the clamping force of the hold-down device can also be used for quality assurance.
  • the suitable time for decoupling or coupling the hold-down device to the punch can be determined.
  • the path of the hold-down device can also be measured with suitable means.
  • the distance measurement of the hold-down device can be used to make a statement about the thickness of the layers of the components to be connected, so that the path of the stamp can be determined knowing the thickness of the layers. This is particularly important if the thickness of the layers is within a tolerance range due to manufacturing tolerances. This also prevents the bottom layer from being cut through by the punch rivet, for example in the case of a punch rivet connection by means of self-piercing punch rivets.
  • the layers can also be pressed against each other by the hold-down device in such a way that they lie against each other before the actual punch riveting process is triggered.
  • the stamp can be driven by means of a hydraulic drive unit.
  • a hydraulic drive unit it is also proposed that the punch be driven by means of a motor, in particular an electromotive, drive unit.
  • the punch performs an essentially linear movement through the drive unit. Further details and advantages of the method and the device are explained on the basis of a preferred exemplary embodiment. Show it:
  • Fig. 9 schematically shows a diagram of a clamping force as a function of the travel of the stamp.
  • Figure 1 shows schematically and in section a device for producing a punch rivet connection.
  • the device has a hold-down device 1, a punch 2 and a die 3.
  • the hold-down device 1 can be moved toward and away from the die 3.
  • two layers 4, 5 of components are shown between the die 3 and the holding-down device 1.
  • the layers 4, 5 are clamped between the hold-down device 1 and the die 3.
  • a punch rivet 8, which rests on the layer 4, is shown schematically.
  • the hold-down device 1 surrounds the punch 2.
  • the punch 2 can also be moved towards and away from the die 3.
  • the device has a coupling unit 6 which connects the hold-down device 1 and the punch 2 in such a way that a coupling of the hold-down device 1 to the punch 2 can be changed between a substantially rigid coupling state and a decoupled state during a punch riveting operation.
  • the coupling unit 6 has a piston 9 connected to the hold-down device 1.
  • a pressure piston 10 is connected to the stamp 2.
  • the piston 9 and the pressure piston 10 are displaceable relative to one another within a chamber 11.
  • the chamber 11 is delimited by a housing 12.
  • the chamber 11 is filled with a, preferably substantially incompressible, fluid 7.
  • the fluid pressure within the variable-volume chamber 11, which is limited by the housing 12, the piston 9 and the pressure piston 10, is variable.
  • the piston 9 has a circumferential groove 13 in which a sealing ring 14 is arranged. As a result, the piston 9 is sealed off from the inner jacket of the housing 12.
  • a through opening 15 is formed within the piston 9, through which the stamp 2 extends.
  • a housing part 18 is provided, in which a return spring 19 is arranged.
  • the housing part 18 is connected to the housing 12.
  • the housing part 18 is preferably screwed to the housing 12.
  • the return spring 19 is connected at one end to the hold-down device 1 and at the opposite end to the housing 12.
  • the hold-down device 1 can be retracted by prestressing the return spring 19.
  • a compensation chamber 20 is formed on the end face of the pressure piston 10 opposite the chamber 11.
  • the compensation chamber 20 has a connection 22 through which an elastic compensation element 21 can be pressurized.
  • the stamp 2 extends through an end plate 23. In the end plate 23, a sealing element 24 is arranged, which rests sealingly on the outer jacket of the stamp 2.
  • FIG. 1 shows a path measuring device 26 through which the stamp path can be measured.
  • the displacement measuring device 26 is connected to a control device 27.
  • the control device 27 is connected to a pressure sensor 28 via a sensor line 36.
  • the pressure sensor 28 is arranged in a line 29 which is connected to the chamber 11 via a connection 30.
  • a line 35 leads to the compensation chamber 20.
  • a pressure control valve 31 which is connected to the control device 27 via a control line 32.
  • the punch 2 and thus also the pressure piston 10 can be moved in the direction of the die 3 and away from it via a drive unit (not shown). If the pressure control valve 31 is closed and the chamber 11 is filled with an essentially incompressible fluid, there is an essentially rigid coupling between the plunger 2 and the hold-down device 1.
  • the hold-down device 1 Due to the rigid coupling and the movement of the punch 2, the hold-down device 1 also moves in the direction of the die 3.
  • the hold-down device 1 is rigidly coupled to the punch 2 until the hold-down device 1 applies a predetermined clamping force to the layers 4, 5.
  • the clamping force is determined as a function of the pressure of the fluid in the chamber 11 by the pressure sensor 28.
  • the stamp 2 with the rivet 8 is positioned on the layer 4. This position forms, for example, a reference position from which a path measurement of the stamp 2 takes place. Then the punch 2 drives the punch rivet 8 into at least the position 4.
  • the path of the stamp 2 is measured by the path measuring device 26.
  • the path measuring device 26 transmits an output signal to the
  • Control device 27 Has it been specified that after holding at least the layer 4, the hold-down device 1 ate with a reduced clamping force on the
  • the fluid flowing out of the chamber 11 is fed to the compensation chamber 20.
  • the pressure sensor 28 measures the pressure within the chamber 11 during the entire process and transmits it to the control device 27. If the holding-down device first clamps the layers with a reduced clamping force and then presses against the die with a higher clamping force compared to the current clamping force, then the control device 27 at least partially closed the pressure regulating valve 31. When the pressure control valve 31 is closed, a quasi-rigid connection is again established between the plunger 2 and the hold-down device 1.
  • a punch riveting process During a punch riveting process, at least some of the fluid flows from the chamber 11 into the compensation chamber 20. It is for a new punch riveting process necessary that the fluid flows back from the compensation chamber 20 into the chamber 11. This can be done via line 35.
  • a channel 33 is provided within the piston 10, in which a check valve 34 is arranged.
  • the check valve 34 is designed so that this allows the fluid from the compensation chamber 20 to flow back into the chamber 11. This prevents possible foaming if the fluid is a pneumatic oil.
  • a compensating element 21 can compensate for a change in volume of the fluid due to the foaming of the fluid in the reservoir.
  • the drive unit of the device is preferably an electric motor.
  • the electromotive drive unit is connected to the stamp via a transmission unit. This ensures that a rotational movement of the electromotive drive unit is achieved via the transmission unit in a translational movement of the stamp. This prevents the device from being subjected to sudden loads, as is the case, for example, with known hydraulic devices.
  • the transmission unit is preferably at least one gear.
  • the gear is preferably a reduction gear. This has the advantage that a drive unit with a relatively low torque can be used.
  • the relatively low torque of the drive unit is transmitted by the reduction gear as a function of the reduction ratio to a correspondingly higher torque or force on the punch.
  • the electromotive drive unit is preferably connected to the control device.
  • the course of the clamping force of the hold-down device can be specified via the control device 27.
  • the control device 27 preferably comprises at least one electronic data processing device.
  • Figure 2 shows a second embodiment of a device for producing a punch rivet connection.
  • the device has an essentially cylindrical housing 12.
  • a stamp 2 is arranged in the housing.
  • the punch 2 is connected at one end to a setting spindle 53.
  • the setting spindle 53 is connected to a drive, not shown.
  • the setting spindle 53 extends through a spindle nut 38.
  • An axial bearing 37 is arranged between an end face of the housing 12 and the spindle nut 38.
  • a cylinder 39 is arranged inside the housing 12.
  • the cylinder 39 is preferably a hydraulic synchronous cylinder.
  • the cylinder 39 has a chamber 40 and a chamber 11.
  • the chambers 11, 40 are separated from one another by a pressure piston 10. This is connected to the stamp 2.
  • a further cylinder 41 is arranged in the housing 12 and is firmly connected to the cylinder 39.
  • the cylinders 39 and 40 are slidably mounted within the housing 12 in the axial direction of the housing.
  • the cylinder 41 delimits a chamber 42 in which a piston 9 is arranged.
  • the piston 9 is connected to a hold-down device 1.
  • the stamp 2 extends through the piston 9 and through the hold-down 1, which preferably the stamp 2 all around. In the exemplary embodiment it is shown that a punch rivet 8 is arranged within the hold-down device 1.
  • the cylinder 39 has two connections 30, 43.
  • the connection 30 is connected to a compensation unit 45 via a line 44.
  • the compensation unit 45 has a reservoir 46, into which the line 44 opens.
  • a piston 47 is arranged within the reservoir 46.
  • the piston 47 is connected to a drive 50 via a spindle 48.
  • the spindle 48 and the piston 47 are designed so that the piston 47 can be at least partially moved out of the reservoir 46 or into it, so that the volume of the chamber 46 changes depending on the position of the piston 47.
  • the chamber 40 can be charged with air via the connection 43.
  • the cylinder 41 has two connections 51, 52 through which air can preferably be introduced into the chamber 42 of the cylinder 41, so that the piston 9 and thus also the hold-down device 1 can be moved to the layers 4, 5 and away from them.
  • Figure 3 shows the device 2 in an initial position.
  • the piston 10 is in a central position within the cylinder 39.
  • the piston 47 of the compensating unit 45 has assumed an end position in which the volume of the chamber 46 is at its lowest.
  • the piston 9 has reached an end position in which the hold-down device 1 can be equipped with a punch rivet 8.
  • a punch rivet 8 is introduced into the hold-down device 1.
  • the chamber 42 is pressurized with compressed air via the connection 52, so that the piston 9 is moved into its second end position. With this, the hold-down device 1 also moves away from the layers 4, 5.
  • the stamp 2 has not changed its position, so that the punch rivet 8 is brought into a joining position within the hold-down device 1.
  • FIG. 4 shows the position of the punch rivet 8 described above within the hold-down device 1.
  • the hold-down device 1 with the punch rivet are spaced apart from the components to be connected, as can be seen from FIG. 4.
  • the ram 2 is moved in the direction of the components by the interaction of the setting spindle 53 with the spindle nut 38.
  • the volume of the chamber 11 remains unchanged.
  • the cylinder 39 and the cylinder 41 are moved with the hold-down device 1 in the direction of the layers 4, 5.
  • the hold-down device 1 exerts a clamping force on the layers 4, 5.
  • the punch 2 exerts a force on the punch rivet 8, as a result of which a punch rivet connection is formed.
  • the piston 50 of the compensation unit 45 is moved via the drive 50 in such a way that the volume of the chamber 46 is increased so that the fluid can flow from the chamber 42 into the chamber 46. (Fig. 6).
  • the hold-down device 1 and the punch 8 are lifted off the layers 4, 5.
  • the lifting takes place via the setting spindle 53, the pressure of the fluid in the chamber 40 preferably being kept constant, so that the cylinders 39, 41 are moved simultaneously with the movement of the stamp, as shown in FIG.
  • the punch is moved further into its end position.
  • the volume of fluid passed from chamber 11 into chamber 46 during the formation of the punch rivet connection is returned from chamber 46 to chamber 11. This is done by introducing the piston 47 into the chamber 46 via the drive 50.
  • the chamber 42 is acted upon by a fluid, so that the piston 9 is moved into its lower end position.
  • Another punch rivet can be inserted into the hold-down.
  • the punching device is provided for a new punch riveting process. A new punch riveting process can be carried out accordingly.
  • FIG. 1 A clamping force-stamp path diagram is shown schematically in FIG.
  • the production of a punch rivet connection with a hollow rivet can be divided into the sections cutting, spreading and upsetting.
  • the characteristics of the individual sections can vary in strength.
  • the clamping force-stamp path diagram shows that shortly before the end of the upsetting process, the clamping force of the hold-down device increases compared to the reduced clamping force. This should allow any training of beads or Warps that rise above the head of the punch rivet are pressed into the upper layer.
  • the course of the clamping force as a function of the stamp path is shown schematically in FIG. 2. It can be adapted to different punch riveting tasks. In particular, the course of the clamping force can be selected depending on the components to be connected and the punch rivet.
  • a further course of a clamping force as a function of the stamp path is shown in dashed lines.
  • the course shows that the clamping force initially rises to a predetermined value and is held at this value.
  • the clamping force is increased for a given stamp travel and then reduced again.
  • the device according to the invention is also suitable for other designs of rivet connections, in particular by means of hollow rivets, solid rivets and the like. It is not imperative that self-perforation be carried out by a rivet.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer Stanznietverbindung, bei dem mindestens zwei Lagen (4, 5) durch einen Niederhalter (1) gegen die Matrize (3) gedrückt werden und ein Niet, insbesondere ein Halbhohlniet (8), zur Verbindung der Lagen (4, 5) mittels eines Stempels (2) wenigstens die dem Halbhohlniet (8) zugewandte Lage (4) durchtrennt, in der bzw. den unteren Lagen (5) unter Ausbildung eines Schließkopfes verformt und danach gestaucht wird. Der Niederhalter ist über eine Kopplungseinheit (6) mit dem Stempel (2) so verbunden, daß während eines Stanznietvorgangs eine Kopplung des Niederhalters (1) mit dem Stempel (2) zwischen einem in wesentlichen starren Kopplungszustand und einem entkoppelten Zustand verändert werden kann.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Stanznietverbindung
Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, sowie auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer Stanznietverbindung.
Insbesondere in der Automobilindustrie gewinnen Nietverbindungen eine immer größere Bedeutung, da sie eine Alternative zur Schweißverbindung bilden können. Bei schlecht schweißb.aren Werkstoöpaarungen stellen Nietverbindungen eine geeignete Alternative d-ar. Durch Stanznieten werden die zu verbindenden Teile ohne Vörlochen verbunden. Das beim konventionellen Nieten erforderliche Vorlochen der Fügeteile wird durch einen entsprechenden Schneidvorgang des Stanznietes ersetzt.
Beim Stanznieten mit einem Halbhohlniet werden die zu verbindenden Bauteile auf eine Matrize gelegt. Diese werden durch einen Niederhalter auf der Matrize fixiert. Der Halbhohlniet durchtrennt die dem Halbhohlniet zugewandte Lage durch. Danach wird der Halbhohlniet in der bzw. in den unteren Lagen unter Ausbildung eines Schließkopfes plastisch verformt. Die Gestalt des Schließkopfes wird im wesentlichen durch die Form einer Matrize beistimmt. Das aus der oberen Lage und unter Umständen aus weiteren Lagen ausgestanzte Material füllt den hohlen Nietschaft des Halbhohlniets aus und wird unverlierbar eingeschlossen. Danach wird das Halbhohlniet gestaucht, so daß zum einen eine weitere Ausbildung des Schließkopfes erfolgt und zum anderen der Kopf des Halbhohlniets im wesentlichen mit der oberen Lage bündig abschließt.
Durch den Aufsatz von L. Budde und W. Lappe "Nieten ohne Vorlochen - Stanznieten i.st zukunftsträchtig in der Blechverarbeitung", erschienen in der Zeitschrift Bänder Bleche Rohre 5-1991, Seiten 95 - 100, ist bekannt, daß von
BESTÄTIGUWGSKOPfE entscheidender Bedeutung für eine qualitativ hochwertige Stanznietverbindung mit einem Halbhohlniet einerseits das einwandfreie Festhalten der positionierten Bauteile, so daß aufgrund einer Nachfließbewegung beim Stanzen die Position der Bauteile zueinander nicht verändert wird, und andererseits die fügespezifische Wahl eines geeigneten Stanznietes hinsichtlich werkstoffsspezifischer Zusammensetzung und seiner Nietgeometrie ist.
Um sicherzustellen, daß eine Nachfließbewegung beim Stanzen nicht eintritt, ist durch die WO 94/14554 bekannt, daß die Klemmkraft des Niederhalters, durch den die Bauteile auf der Matrize fixiert werden, gegen Ende des Stanznietvorgangs erheblich ansteigt. Durch diese Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung einer Stanznietverbindung soll auch erreicht werden, daß im Bereich des Kopfes des Stanznietes keine ringförmige Vertiefungen oder Verwerf ngen entstehen.
Zur Durchfuhrung des Verfahrens schlägt die WO 94/14554 eine Vorrichtung vor, die eine Matrize, einen Niederhalter und einen Stempel aufweist. Zwischen dem Niederhalter und der Matrize sind wenigstens zwei Lagen von Bauteilen klemmbar. Der Niederhalter ist über eine erste Kolben-Zylinder-Einheit bewegbar. Eine zweite Kolben-Zylinder-Einheit ist als Antriebseinheit für den Stempel vorgesehen. Die erste und die zweite Kolben-Zylinder-Einheit sind unabhängig voneinander betätigbar.
Eine ähnliche Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Herstellung einer St.anznietverbindung ist durch die WO 93/24258 bekannt. Auch diese Vorrichtung weist eine Kolben-Zylinder-Einheit, durch die die notwendige Klemmkraft des Niederhalters erzeugt werden kann, auf. Durch entsprechende Drucksteuerung können unterschiedliche Klemmkräfte erzeugt werden. Die Vorrichtung nach der WO 93/24258 weist eine zweite Kolben-Zylinder-Einheit als Antriebseinheit des Stempels auf. Die mechanischen Eigenschaften einer Stanznietverbindung, insbesondere das Festigkeitsverhalten der Stanznietverbindung sind abhängig von der Ausbildung des Schließkopfes. Das Festigkeitsverhalten wird auch durch die Ausgestaltung des Bereichs der Bauteile zwischen dem Kopf und dem Schließkopf des Stanznietes beeinflußt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zur Herstellung einer Stanznietverbindung so weiterzubilden, d-aß einerseits eine materialschonende Herstellung einer Stanznietverbindung und anderseits eine Stanznietverbindung mit höherer Festigkeit erreicht wird. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, eine Vorrichtung zur Herstellung einer Stanznietverbindung anzugeben, die dazu geeignet ist materialschonend eine Stanznietverbindung herzustellen. Durch die Vorrichtung soll auch erreicht werden, daß die mittels der Vorrichtung hergestellte Stanznietverbindung hohe Festigkeitswerte erreicht.
Diese Zielsetzung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Stanznietverbindung wird erreicht, daß während eines Stanznietvorgangs eine vom Niederhalter auf die mindestens zwei Lagen ausgeübte Klemmkraft entsprechend einem vorgegebenen Verlauf variiert werden kann. Eine Variation der vom Niederhalter auf die mindestens zwei Lagen ausgeübte Klemmkraft wird dadurch erreicht, daß der Niederhalter über eine Kopplungseinheit mit dem Stempel so verbindbar ist, daß während eines Stanznietvorganges eine Kopplung des Niederhalters mit dem Stempel zwischen einem im wesentlichen starren Kopplungszustand und einem entkoppelten Zustand verändert werden kann. Durch diese erfindungsgemäße Verfahrensführung wird erreicht, daß beim starren Kopplungszustand der Niederhalter synchron mit dem Stempel, insbesondere in Richtung der Matrize verfahrbar ist. Im entkoppelten Zustand kann unter Beibehaltung oder Variation der vom Niederhalter auf die Bauteile einwirkenden Klemmkraft eine Bewegung des Stempels durchgeführt werden.
Dadurch, daß die vom Niederhalter auf die Bauteile einwirkende Klemmkraft veränderlich ist, da diese von der Bewegung des Stempels abhängig ist, wird auch erreicht, daß für einzelne Abschnitte des Stanznietvorgangs stets die hinreichend notwendige Klemmkraft aufgebracht wird. Das Maß, um welches die Klemmkraft verändert wird, ist abhängig vom Kopplungszustand. Insbesondere wird vorgeschlagen, daß der Kopplungszustand in Abhängigkeit vom Stempelweg oder einer aus dem Stempelweg abgeleiteten Kenngröße verändert wird.
In Abhängigkeit von Werkstoffpaarungen, sowie von mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe der Lagen, kann es zweckmäßig sein, daß die Lagen zunächst mit einer verringerten Klemmkraft gegen die Matrize gedrückt werden. Danach können die Lagen mit einer gegenüber der verringerten Klemmkraft variierenden Klemmkraft gegen die Matrize gedrückt werden. Insbesondere sollte die Klemmkraft während des Stauchvorgangs erhöht werden. Dies hat den Vorzug, daß bei einer Ausbildung einer den Kopf des Hohlniets wenigstens teilweise umgebenden Wulst, diese durch den Niederhalter so gestaucht wird, daß der Kopf des Hohlniets bündig mit der Lage abschließt. Die Klemmkraft kann dabei auch wesentlich höher sein, als die übliche Klemmkraft.
Die Variation des Kopplungszustandes in Abhängigkeit vom Stempelweg kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Eine kontinuierliche Änderung des Kopplungszustandes wird bevorzugt, da hierdurch keine schlagartige Änderung der Klemmkraft eintritt. Auch bei einer diskontinuierlichen Änderung des Kopplungszustandes können die Sprünge der Klemmkraft so gewählt werden, daß keine ausgeprägt schlagartige Änderung der Verfahrensparameter eintritt.
Durch eine starre Koppelung des Niederhalters mit dem Stempel, vollzieht der Niederhalter die gleiche Bewegung wie der Stempel. Der Niederhalter bringt im wesentlichen die gleiche Kraft auf, wie der Stempel. Entsprechend einem vorgegebenen Verlauf der Klemmkraft kann durch Steuerung der Kopplungseinheit der Niederhalter vom Stempel entkoppelt werden. Die weitere Klemmkraft- einwirkung des Niederhalters wird über die Kopplungseinheit gesteuert. Soll nach einem vorgegebenen Stempelweg der Niederhalter eine höhere Kraft auf die Lagen ausüben, so kann der Niederhalter über die Kopplungseinheit wieder mit dem Stempel gekoppelt werden.
Insbesondere wird vorgeschlagen, daß der Niederhalter mit dem Stempel zu den zu verbindenden Lagen so verfahren wird, daß der Niederhalter die Lagen mit einer vorgegebenen Klemmkraft gegen die Matrize drückt. Der Niederhalter wird von dem Stempel entkoppelt und der Stempel zur Durchtrennung wenigstens der dem Halbhohlniet zugewandten Lage, einer Ausbildung eines Schließkopfes zur Stauchung des Halbhohlniets weiter verfahren, wobei der Halter gegebenenfalls nach einem vorgegebenen Stempelweg an den Stempel gekoppelt wird.
Eine Variation der Klemmkraft in Abhängigkeit vom Stempelweg erfolgt vorzugsweise entsprechend einem vorgegebenen Verlauf der Klemmkraft in Abhängigkeit vom Stempelweg. Der vorgegebene Klemmkraft-Stempelweg- Verlauf ist dabei ein Soll- Verlauf, der vorzugsweise kontinuierlich mit dem Ist- Verlauf der Klemmkraft in Abhängigkeit vom Stempelweg verglichen wird. Hierzu wird vorgeschlagen, daß ein Stempelweg gemessen der oder eine aus dem Stempelweg abgeleitete Kenngröße mit einer vorgegebenen Soll-Größe verglichen wird. Vorzugsweise wird in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis der Niederhalter vom Stempel entkoppelt bzw an den Stempel gekoppelt
Durch die erfindungsgemaße Verfahrensführung wird auch eine schonende plastische Umformung des Stanznietes in wenigstens einer Lage gewährleistet, ohne das diese Lage bzw diese Lagen übermäßig geschwächt wird bzw werden Eine übermäßige Schwächung der Lage bzw der Lagen kann zu einer ungewollten Durchstanzung dieser Lage bzw dieser Lagen führen Eine Durchstanzung der Lage bzw der Lagen wurde in Abhängigkeit von den Werkstoffpaarungen zu einer Korrosion führen Durch das erfindungsgemaße Verfahren tritt diese Problematik jedoch nicht auf
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird vorgeschlagen, daß der Kopplungszustand in Abhängigkeit von den Werkstoffeigenschaften, insbesondere von der Festigkeit, wenigstens einer Lage verändert wird Dieser vorteilhaften Weiterbildung liegt der Gedanke zugrunde, daß die Lagen ein unterschiedliches Fließverhalten, bzw Deformationsverhalten aufweisen können Insbesondere wird vorgeschlagen, daß ein Klemmkraft-Stempelweg- Verlauf in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Paarung der Lagen aus unterschiedlichen Werkstoffen verändert wird Soll beispielsweise eine Lage aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer zweiten Lage aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mittels eines Stanznietes verbunden werden, so wird der Kopplungszustand anders verändert, als für eine Verbindung Aluminium Stahl Hierbei kann auch berücksichtigt werden, daß der Kopplungszustand auch davon abhangig sein kann, welche Werkstoffeigenschaften die durchzustanzende Lage bzw die umzuformende Lage aufweist
Zu einer weiteren Verbesserung der Ausbildung einer Stanznietverbindung wird vorgeschlagen, daß der Kopplungszustand in Abhängigkeit von einer Dicke wenigstens einer Lage, insbesondere dem Stanzniet zugewandten Lage verändert wird. Hierdurch soll dem Umstand Rechnung getragen werden, daß das Fließverhalten der Lage(n) auch von der Dicke der Lage(n) abhängig ist. Bei einer relativ dünnen Lage besteht eher die Gefahr, daß die Lage im Bereichs des Kopfes des Stanznietes überbeansprucht wird, wodurch Texturen oder Risse auftreten können. Dies kann vermieden werden, indem eine Fließbewegung dieser Lage zum Halbhohlniet hin wenigstens während eines Teils des Stanznietvorgangs, wobei der Kopplungszustand von einer starren zu einer weniger starren Verbindung zwischen dem Niederhalter und dem Stempel verändert wird, zugelassen wird. Bei relativ dicken Lagen kann die Klemmkraft gegenüber Lagen mit relativ geringer Dicke, höher gewählt werden, da dicke Lagen ein andersartiges Beanspruchungsverhalten aufweisen. Eine Überbeanspruchung der dicken Lage tritt gegenüber einer dünnen Lage wesentlich später auf, da genügend Material für eine Fließbewegung in die Matrize und zum Halbhohlniet hin vorhanden ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, daß der Kopplungszustand in Abhängigkeit von den Werkstof eigen-chaften des Stanznietes verändert wird. Insbesondere wird als Kriterium für die Veränderung des Kopplungszustandes die Härte des Stanznietes vorgeschlagen.
Auch die Geometrie des Stanznietes, insbesondere die Ausgestaltung der freien Stirnfläche des Stanznietes, sowie der Ausnehmung des Halbhohlnietes spielt für die Ausgestaltung der Nietverbindung eine Rolle. Die Geometrie des Stanznietes beeinflußt den Stanz- und den Umformvorgang. Es wird daher vorgeschlagen, daß der Kopplungszustand in Abhängigkeit von einer Geometrie des Stanznietes verändert wird. Bei der Geometrie des Stanznietes können auch einzelne geometrische Größen des Stanznietes als ein Kriterium herangezogen werden. Hierbei kann beispielsweise der Querschnitt des Stanznietes, die Länge des Stanznietes als Faktoren herangezogen werden. Auch die weiteren geometrischen Größen eines Stanznietes können als Kriterien für die Wahl eines geeigneten Kopplungszustands- Verlaufes herangezogen werden.
Insbesondere kann der Kopplungszustand wenigstens während mindestens eines Teils eines Stauchvorgangs soweit verringert wird, daß eine im wesentlichen quer zum Halbhohlniet verlaufende Bewegung wenigstens einer Lage ermöglicht wird. Hierdurch wird erreicht, daß ein Materialfluß während der Ausbildung des Schließkopfes eintritt, so daß die Lagen im Bereich der Stanznietverbindung einer geringeren mechanischen Beanspruchung, insbesondere einer Zugbeanspruchung, ausgesetzt werden.
Als ein weiteres Kriterium für die Verfahrensführung kann eine Stempelkraft des Stempels bestimmt und mit einer vorgegebenen Soll-Größe verglichen werden, wobei der Niederhalter vorzugsweise in Abhängigkeit von der Stempelkraft und/oder dem Stempelweg von dem Stempel entkoppelt bzw. mit dem Stempel gekoppelt wird.
Zusätzlich oder alternativ kann die Klemmkraft des Niederhalters während des St-anznietvorgangs bestimmt und mit einer vorgegebenen Soll-Größe verglichen werden. Durch den Vergleich kann die Klemmkraft in Abhängigkeit vom Stempelweg variiert werden.
Eine Soll-Kennlinie eines Klemmkraft-Stempelweg- Verlaufes kann durch Versuche ermittelt werden. Hierbei ist zunächst davon auszugehen, daß eine solche Soll- Kennlinie für die bestimmte, während des Versuchs ausgebildete, Stanznietverbindung gültig ist. Für Stanznietverbindungen, die sich hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften der Lagen, deren Geometrie usw. ändern, sind entsprechende weitere Soll-Kennlinien zu ermitteln. In einer ersten Näherung kann bei der Ermittlung einer Soll-Kennlinie für eine vorgegebene Stanznietaufgabe durch Extrapolation der bekannten Soll-Kennlinien eine angenommene Soll-Kennlinie ermittelt werden, die als Grundlage für den Vergleich mit dem Klemmkraft- Stempelweg- Verlauf dienen kann.
Im Hinblick darauf, daß die Lagen im Rahmen der fertigungstechnischen Toleranzen unterschiedlich dick sein können, wird vorgeschlagen, d-aß der Niederhalter an den Stempel in Abhängigkeit von einer Stempelkraft gekoppelt wird. Es kann auch eine Kopplung des Niederhalters an den Stempel erfolgen, wenn die Stempelkraft und der Verfahrweg des Stempels innerhalb eines bestimmten Toleranzfeldes liegen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, daß eine Klemmkraft des Niederhalters direkt oder indirekt gemessen wird. Der Niederhalter kann in Abhängigkeit von der Klemmkraft und/oder der Stempelkraft und oder dem Verfahrweg des Stempels von dem Stempel entkoppelt bzw. an den Stempel gekoppelt werden.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn bei dem erfindungsgem-äßen Verfahren der Niederhalter einen Kolben und der Stempel einen Druckkolben aufweisen, wobei der Kolben und der Druckkolben relativ zueinander innerhalb einer gemeinsamen Kammer bewegbar sind, wobei zwischen dem Kolben und dem Druckkolben ein Fluid, vorzugsweise ein im wesentlichen inkompressibles Fluid, vorgesehen ist, wobei der Abstand des Kolbens und des Druckkolbens relativ zueinander im wesentlichen durch das Fluid, insbesondere das Fluidvolumen, verändert wird. Die Kammer mit dem Fluid sowie dem Kolben und dem Druckkolben bilden die Kopplungseinheit. Durch Veränderung des Volumens oder des Drucks des Fluids zwischen dem Kolben und dem Druckkolben kann der Kopplungszustand zwischen Niederhalter und Stempel variiert werden. Ist das Fluidvolumen konstant, insbesondere bei einem im wesentlichen inkompressiblen Fluid, so besteht zwischen - lo ¬
dern Stempel und dem Niederhalter eine starre Verbindung Der Niederhalter vollzieht bei einer Bewegung des Stempels eine dem Stempelweg entsprechende Lageveranderung Wird das Fluidvolumen wahrend der Stempelbewegung verändert und zwar derart, daß dieses verringert wird, so vollzieht der Stempel eine größere Stempelbewegung als der Niederhalter Der Niederhalter kann bei entsprechender Veränderung des Fluidvolumens ortsfest sein, wobei die Kraft, mit der der Niederhalter auf die Bauteile einwirkt, veränderlich oder konstant in Abhängigkeit vom Fluidvolumen verändert werden kann In entsprechender Weise kann durch den Fluiddruck der Kopplungszustand beeinflußt werden
Vorzugsweise wird wenigstens ein Teil des Fluids aus der Kammer in eine Ausgleichskammer geleitet, wodurch die relative Lage des Kolbens und des Druckkolbens zueinander verändert wird Die Geschwindigkeit, mit der eine Lageanderung des Kolbens und des Druckkolbens eintritt, kann durch die Stromungsgeschwindigkeit des Fluids aus der Kammer beeinflußt werden Durch die Stromungsgeschwindigkeit wird somit auch die Anderungsgeschwindigkeit der Klemmkraft beeinflußt
Das aus der Kammer in ein Reservoir ausgeströmte Fluid wird zur Ausbildung einer weiteren Stanznietverbindung aus der Ausgleichskammer in die Kammer zurückgeführt, wodurch eine geschlossene Fluidführung erreicht wird
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, daß der Niederhalter mit einem Kolben verbunden ist, der in einem doppelt wirkenden Zylinder angeordnet ist, durch den sich der Stempel hindurch erstreckt Der Stempel weist einen Druckkolben auf, der in einer mit einem, vorzugsweise inkompressiblen, Fluid beaufschlagbaren Kammer geführt ist Die Kammer ist mit einem volumetrisch veränderlichen Reservoir verbunden Die Kammer ist mit dem Zylinder starr verbunden und verschieblich in einem Gehäuse geführt.
Die Änderung des Fluiddrucks erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit vom Stempelweg und/oder dem Verfahrweg des Niederhalters und/oder der Klemmkraft und/oder der Stempelkraft. Vorzugsweise wird ein Fluiddruck in Abhängigkeit vom Stempelweg bestimmt und der Fluiddruck-Stempelweg-Verlauf mit einem vorgegebenen Soll- Verlauf verglichen. In Abhängigkeit von dem Vergleich wird ein mit der Kammer fluidisch in Verbindung Druckregelventil angesteuert. Durch das Druckregelventil wird der Fluiddruck in der Kammer gesteuert.
Vorzugsweise wird die Fluidentnahme in Abhängigkeit von der Klemmkraft und/oder der Stempelkraft und/oder dem Verfahrweg des Stempels und/oder dem Verfahrweg des Niederhalters gesteuert.
Erfolgt aus der Kammer keine Fluidentnahme, so bewirkt der Druckkolben einen Druckaufbau des Fluids in der Kammer, wodurch das Fluid einen Druck auf den Kolben des Niederhalters ausübt und der Niederhalter in Richtung der Lagen bewegt wird. Hat der Niederhalter die zur Klemmung der Lagen zwischen dem Niederhalter und der Matrize notwendige Kraft erbracht, so kann beispielsweise durch geeignete Fluidentnahme aus der Kammer der Stempel weiter bewegt werden, wobei die Klemmkraft zwischen Niederhalter und Matrize erhalten bleibt. Erfolgt eine stärkere Volumenänderung durch Fluidentnahme aus der Kammer als die bedingte Volumenänderung durch die Stempelwegänderung, so nimmt die Klemmkraft des Niederhalters ab, wobei der Stempel den eigentlichen Stanznietvorgang durchführt.
Sollen die Lagen zunächst mit einer verringerten Klemmkraft gegen die Matrize und danach mit einer gegenüber der verringerten Klemmkraft höheren Klemmkraft gegen die Matrize gedrückt werden, so kann dies durch keine oder nur eine geringere Fluidentnahme aus der Kammer erfolgen.
Nach einem weiteren erfinderischen Gedanken wird eine Vorrichtung zur Herstellung einer Stanznietverbindung mit einer Matrize, einem Niederhalter und einem Stempel vorgeschlagen. Der Stempel und der Niederhalter sind zur Matrize hin und von dieser weg bewegbar. Zwischen dem Niederhalter und einer Matrize sind mindestens zwei Lagen von Bauteilen klemmbar. Ein Stanzniet, bei dem es sich beispielsweise um einen Halbhohlniet, einen Vollniet, handeln kann, wird mittels des Stempels zur Verbindung der Lagen mindestens durch die dem Niederhalter benachbarte Lage der Bauteile hindurchgetrieben. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Kopplungseinheit vorgesehen ist, die den Niederhalter und den Stempel so verbindet, daß während eines
Stanznietvorgangs eine Kopplung des Niederhalters mit dem Stempel zwischen einem im wesentlichen starren Kopplungszustand und einem entkoppelten Zustand verändert werden kann. Der Stempel wird über eine Antriebseinheit angetrieben.
Ein Vorteil dieser Ausgestaltung der Vorrichtung kann darin gesehen werden, daß der Niederhalter in Abhängigkeit vom Stempel bewegt wird. Dadurch, daß der Niederhalter mit dem Stempel im wesentlichen starr koppelbar ist, wird auch eine Klemmkraft relativ schnell erreicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, daß der Niederhalter einen Kolbenboden und der Stempel einen Druckkolben aufweisen. Der Kolben und der Druckkolben sind in einer mit einem, vorzugsweise inkompressiblen, Fluid gefüllten Kammer der Kopplungseinheit relativ zueinander bewegbar, wobei der Fluiddruck in der Kammer veränderbar ist. Gem-äß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die zur Ansteuerung der Kopplungseinheit dient. Durch die Steuereinheit kann erreicht werden, daß über die Kopplungseinheit während eines Stanznietvorgangs eine vom Niederhalter auf die mindestens zwei Lagen ausgeübte Klemmkraft entsprechend einem vorgegebenen Verlauf in Abhängigkeit wenigstens vom Stempelweg oder einer aus dem Stempelweg abgeleiteten Kenngröße variiert wird.
Der Fluiddruck kann durch Fluidentnahme aus der Kammer gesteuert werden, so daß die relative Lage des Kolbens bezüglich des Druckkolbens von dem Volumen des entnommenen Fluids abhängig ist.
Wird kein Fluid entnommen, so besteht zwischen dem Kolben und dem Druckkolben eine im wesentlichen starre Verbindung, so daß der Niederhalter synchron mit dem Stempel bewegt wird. Durch geeignete Entnahme des Fluids kann die Klemmkraft aufrechterhalten oder verändert werden, obwohl der Stempel mit dem Druckkolben sich in Richtung der Lagen bewegt. Die Fluidentnahme kann auch derart gesteuert werden, daß geeignete Klemmkraftprofile des Niederhalters verwirklicht werden können.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Ausgleichskammer auf, in das über wenigstens eine Leitung wenigstens ein Teil des Fluids während eines Stanznietvorgangs aus der Kammer leitbar, und für einen erneuten Stanznietvorgang aus der Ausgleichskammer in die Kammer zurückleitbar ist.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Leitung zwischen der Ausgleichskammer und der Kammer vorgesehen, in der ein Druckregelventil angeordnet ist. Durch das Druckregelventil kann der Fluiddruck in der Kammer gesteuert werden. Zur automatischen Steuerung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, daß ein Drucksensor zur Messung des Fluiddrucks vorgesehen ist, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Mit der Steuereinrichtung ist ebenfalls das Druckregelventil verbunden. Vorzugsweise wird ein Fluiddruck in Abhängigkeit vom Stempelweg bestimmt und ein Fluiddruck- Stempel weg- Verlauf oder ein Kenngrößen- Verlauf bestimmt, dieser mittels der Steuereinrichtung mit einem vorgegebenen Soll-Verlauf verglichen und das Druckventil in Abhängigkeit von dem Vergleich entsprechend angesteuert. Hierdurch wird erreicht, daß die Klemmkraft im wesentlichen über die Fluiddruckregelung gesteuert wird.
Gem-äß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, daß der Niederhalter mit einem Kolben verbunden ist, der in einem doppelt wirkenden Zylinder angeordnet ist. Durch den Zylinder erstreckt sich der Stempel hindurch. Der Stempel weist einen Druckkolben auf, der in einer mit einem inkompressiblen Fluid beaufschlagbaren Kammer geführt ist. Die Kammer ist mit einem volumenveränderlichen Reservoir verbunden. Die Kammer ist mit dem Zylinder starr verbunden und verschieblich in einem Gehäuse geführt.
Um eine qualitativ hochwertige Stanznietverbindung zu erreichen, wird vorgeschlagen, daß die Vorrichtung eine Wegmeßeinrichtung, durch die wenigstens ein Verfahrweg des Stempels gemessen wird, und der Niederhalter in Abhängigkeit von dem Verfahrweg des Stempels entkoppelt bzw. mit dem Stempel gekoppelt wird.
Der Verlauf der Wegänderung des Stempels kann zu einer Qualitätsaussage über die zu erzielende Stanznietverbindung herangezogen werden. Eine Qualitätsüberprüfüng der Stanznietverbindung kann bereits während der Ausbildung der
Stanznietverbindung vorgenommen werden. Die Wegmeßeinrichtung ist vorzugsweise am Stempel angeordnet. Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, daß die Vorrichtung eine Meßeinrichtung aufweist, durch die eine Stempelkraft des Stempels gemessen oder bestimmt wird, wobei der Niederhalter in Abhängigkeit von der Stempelkraft und oder dem Stempelweg vom Stempel entkoppelt bzw. mit dem Stempel gekoppelt wird.
Auch die Messung der Klemmkraft des Niederhalters kann zur Qualitätssicherung herangezogen werden. Insbesondere kann durch eine Messung des Weges des Stempels, der Kraft des Stempels bzw. der Klemmkraft des Niederhalters der geeignete Zeitpunkt der Entkopplung bzw. Kopplung des Niederhalters mit dem Stempel bestimmt werden.
Es kann auch mit geeigneten Mitteln der Weg des Niederhalters abgemessen werden. Die Wegmessung des Niederhalters kann zu einer Aussage über die Dicke der zu verbindenden Lagen der Bauteile herangezogen werden, so daß der Weg des Stempels in Kenntnis der Dicke der Lagen bestimmt werden kann. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Dicke der Lagen aufgrund fertigungstechnischer Toler-anzen innerhalb eines Toleranzfeldes liegt. Hierdurch wird auch vermieden, d-aß beispielsweise bei einer Stanznietverbindung mittels selbstlochenden Stanznietes nicht die unterste Lage durch das Stanzniet durchtrennt wird. Durch den Niederhalter können auch die Lagen so gegeneinander gedrückt werden, daß diese aneinander liegen, bevor der eigentliche Stanznietvorgang ausgelöst wird.
Der Antrieb des Stempels kann mittels einer hydraulischen Antriebseinheit erfolgen. Statt einer hydraulischen Antriebseinheit wird auch vorgeschlagen, d-aß der Stempel mittels einer motorischen, insbesondere einer elektromotorischen, Antriebseinheit angetrieben wird. Durch die Antriebseinheit vollzieht der Stempel eine im wesentlichen lineare Bewegung. Weitere Einzelheiten und Vorteile des Verfahrens sowie der Vorrichtung werden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch und im Schnitt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung einer Stanznietverbindung,
Fig. 2 schematisch und im Schnitt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung einer Stanznietverbindung ,
Fig. 3 - 8 Momentaufnahmen während eines Stanznietvorgangs der Vorrichtung nach Figur 2 und
Fig. 9 schematisch ein Diagramm einer Klemmkraft in Abhängigkeit vom Verfahrweg des Stempels.
Figur 1 zeigt schematisch und im Schnitt eine Vorrichtung zur Herstellung einer Stanznietverbindung. Die Vorrichtung weist einen Niederhalter 1, einen Stempel 2 und eine Matrize 3 auf. Der Niederhalter 1 ist zur Matrize 3 hin und von dieser weg bewegbar. In der Darstellung nach Figur 1 sind zwischen der Matrize 3 und dem Niederhalter 1 zwei Lagen 4, 5 von Bauteilen dargestellt. Die Lagen 4, 5 werden zwischen den Niederhalter 1 und der Matrize 3 geklemmt. Schematisch ist ein Stanzniet 8 dargestellt, welcher auf der Lage 4 aufliegt.
Der Niederhalter 1 umgibt den Stempel 2. Auch der Stempel 2 ist zur Matrize 3 hin und von dieser weg bewegbar. Die Vorrichtung weist eine Kopplungseinheit 6 auf, die den Niederhalter 1 und den Stempel 2 so verbindet, daß während eines Stanznietvorgangs eine Kopplung des Niederhalters 1 mit dem Stempel 2 zwischen einem im wesentlichen starren Kopplungszustand und einem entkoppelten Zustand verändert werden kann. Hierzu weist die Kopplungseinheit 6 einen mit dem Niederhalter 1 verbundenen Kolben 9 auf. Mit dem Stempel 2 ist ein Druckkolben 10 verbunden. Der Kolben 9 und der Druckkolben 10 sind innerhalb einer Kammer 11 relativ zueinander verschieblich. Die Kammer 11 ist durch ein Gehäuse 12 begrenzt. Die Kammer 11 ist mit einem, vorzugsweise im wesentlichen inkompressiblen, Fluid 7 gefüllt. Der Fluiddruck innerhalb der volumenveränderlichen Kammer 11, die durch das Gehäuse 12, den Kolben 9 und den Druckkolben 10 begrenzt wird, ist veränderbar.
Der Kolben 9 weist eine umlaufende Nut 13 auf, in der ein Dichtring 14 angeordnet ist. Hierdurch wird eine Abdichtung des Kolbens 9 gegenüber dem Innenmantel des Gehäuses 12 erreicht. Innerhalb des Kolbens 9 ist eine Durchgangsöffhung 15 ausgebildet, durch die sich der Stempel 2 hindurcherstreckt. Auch zwischen der Mantelfläche der Durchgangsöffhung 15 und dem Stempel 2 ist eine fluiddichte Verbindung vorgesehen, die durch einen Dichtring 16, der in einer Nut 17 des Kolbens 9 angeordnet ist, gebildet ist.
Am Außenmantel des Gehäuses 12 ist ein Gehäuseteil 18 vorgesehen, in dem eine Rückholfeder 19 angeordnet ist. Das Gehäuseteil 18 ist mit dem Gehäuse 12 verbunden. Vorzugsweise ist das Gehäuseteil 18 mit dem Gehäuse 12 verschraubt. Die Rückholfeder 19 ist mit ihrem einen Ende mit dem Niederhalter 1 und mit dem gegenüberliegenden Ende mit dem Gehäuse 12 verbunden. Bei einer Bewegung des Niederhalters in Richtung der Lagen 4, 5 wird die Rückholfeder 19 gespannt. Durch die Vorspannung der Rückholfeder 19 kann der Niederhalter 1 zurückgezogen werden. Auf der Kammer 11 gegenüberliegenden Stirnfläche des Druckkolbens 10 ist eine Ausgleichskammer 20 ausgebildet. Die Ausgleichskammer 20 weist einen Anschluß 22 auf, durch den ein elastisches Ausgleichselement 21 mit Druck beaufschlagbar ist. Der Stempel 2 erstreckt sich durch eine Abschlußplatte 23 hindurch. In der Abschlußplatte 23 ist ein Dichtungselement 24 angeordnet, welches dichtend an dem Außenmantel des Stempels 2 anliegt.
Das Gehäuse 12 ist mit einem Gestell 25 verbunden. Figur 1 zeigt eine Wegmeßeinrichtung 26, durch die der Stempelweg meßbar ist. Die Wegmeßeinrichtung 26 ist mit einer Steuereinrichtung 27 verbunden. Die Steuereinrichtung 27 ist über eine Sensorleitung 36 mit einem Drucksensor 28 verbunden. Der Drucksensor 28 ist in einer Leitung 29 angeordnet, die über einen Anschluß 30 mit der Kammer 11 verbunden ist. Eine Leitung 35 führt zu der Ausgleichskammer 20. In der Leitung 35 ist ein Druckregelventil 31, das über eine Steuerleitung 32 mit der Steuereinrichtung 27 verbunden ist.
Über eine nicht dargestellte Antriebseinheit ist der Stempel 2 und damit auch der Druckkolben 10 in Richtung der Matrize 3 und von dieser weg bewegbar. Ist das Druckregelventil 31 geschlossen und die Kammer 11 mit einem im wesentlichen inkompressiblen Fluid gefüllt, so besteht zwischen dem Stempel 2 und dem Niederhalter 1 eine im wesentlichen starre Kopplung.
Aufgrund der starren Kopplung und der Bewegung des Stempels 2 bewegt sich auch der Niederhalter 1 in Richtung der Matrize 3. Der Niederhalter 1 ist so lange mit dem Stempel 2 starr gekoppelt, bis der Niederhalter 1 eine vorgegebene Klemmkraft auf die Lagen 4, 5 aufbringt. Die Klemmkraft wird in Abhängigkeit von dem Druck des Fluids in der Kammer 11 durch den Drucksensor 28 bestimmt.
Der Stempel 2 mit dem Niet 8 wird auf der Lage 4 positioniert. Diese Position bildet beispielsweise eine Referenzlage, von der aus eine Wegmessung des Stempels 2 erfolgt. Danach treibt der Stempel 2 das Stanzniet 8 in wenigstens die Lage 4 hinein.
Hierbei wird der Verfahrweg des Stempels 2 durch die Wegmeßeinrichtung 26 gemessen. Die Wegmeßeinrichtung 26 übermittelt ein Ausgangssignal an die
Steuereinrichtung 27. Ist vorgegeben worden, d-aß der Niederhalter 1 nach einem Durchtrennen wenigstens der Lage 4 mit einer verringerten Klemmkraft auf die
Lagen 4, 5 drückt, so wird in Abhängigkeit des Verfahrwegs des Stempels 2 durch die Steuereinrichtung 27 das Druckregelventil 31 angesteuert. Durch das
Druckregelventil 31 wird die Leitung 29 wenigstens teilweise freigegeben, so daß ein Fluid 7 aus der Kammer 11 über die Leitung 29 ausströmen kann. Gleichzeitig bewegt sich der Druckkolben 10 in Richtung der Matrize 3 ohne daß die
Klemmkraft des Niederhalters 1 verändert wird.
Das aus der Kammer 11 ausströmende Fluids wird der Ausgleichsk-ammer 20 zugeführt. Der Drucksensor 28 mißt während des gesamten Vorgangs den Druck innerhalb der Kammer 11 und übermittelt diesen der Steuereinrichtung 27. Soll der Niederhalter zunächst die Lagen mit einer verringerten Klemmkraft klemmen und danach mit einer gegenüber der momentanen Klemmkraft höheren Klemmkraft gegen die Matrize drücken, so wird durch die Steuereinrichtung 27 das Druckregelventil 31 wenigstens teilweise geschlossen. Beim geschlossenen Druckregelventil 31 wird erneut eine quasi starre Verbindung zwischen dem Stempel 2 und dem Niederhalter 1 hergestellt.
Während eines Stanznietvorgangs strömt wenigstens ein Teil des Fluids aus der Kammer 11 in die Ausgleichskammer 20. Für einen erneuten Stanznietvorgang ist es notwendig, d-aß das Fluid aus der Ausgleichskammer 20 in die Kammer 11 zurückfließt. Dies kann über die Leitung 35 erfolgen. Um ein möglichst schnelles Rückfließen des Fluids aus der Ausgleichskammer 20 in die Kammer 11 zu erreichen, ist innerhalb des Kolbens 10 ein Kanal 33 vorgesehen, in dem ein Rückschlagventil 34 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 34 ist so ausgebildet, daß dieses einen Rückfluß des Fluids aus der Ausgleichskammer 20 in die Kammer 11 ermöglicht. Hierdurch wird ein mögliches Aufschäumen, wenn es sich bei dem Fluid um ein Pneumatiköl handelt, verhindert.
Durch das Ausgleichselement 21 kann eine Volumenänderung des Fluids aufgrund eines Aufschäumens des Fluids im Reservoir kompensiert werden.
Die Antriebseinheit der Vorrichtung ist vorzugsweise elektromotorisch wirkend. Die elektromotorische Antriebseinheit ist über eine Übertragungseinheit mit dem Stempel verbunden. Hierdurch wird erreicht, daß eine Rotationsbewegung der elektromotrischen Antriebseinheit über die Übertragungseinheit in eine Translationsbewegung des Stempels erreicht wird. Hierdurch wird vermieden, daß eine stoßartige Beanspruchung der Vorrichtung eintritt, wie dies beispielsweise bei bekannten hydraulischen Vorrichtungen der Fall ist. Bei der Übertragungseinheit handelt es sich vorzugsweise wenigstens um ein Getriebe. Das Getriebe ist vorzugsweise ein Untersetzgetriebe. Dies hat den Vorteil, daß eine Antriebseinheit mit einem relativ geringen Drehmoment verwendet werden kann. Das relativ geringe Drehmoment der Antriebseinheit durch das Untersetzgetriebe in Abhängigkeit von Untersetzverhältnis in ein entsprechend höheres Drehmoment bzw. Kraft auf den Stempel übertragen.
Die elektromotorische Antriebseinheit ist vorzugsweise mit der Steuereinrichtung verbunden. Der Verlauf der Klemmkraft des Niederhalters kann über die Steuereinrichtung 27 vorgegeben werden. Vorzugsweise umfaßt die Steuereinrichtung 27 wenigstens ein elektronisches Datenverarbeitungsgerät.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung einer Stanznietverbindung.
Die Vorrichtung weist ein im wesentliches zylinderfbrmiges Gehäuse 12 auf. In dem Gehäuse ist ein Stempel 2 angeordnet. Der Stempel 2 ist an seinem einem Ende mit einer Setzspindel 53 verbunden. Die Setzspindel 53 ist mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden. Durch eine Spindelmutter 38 erstreckt sich die Setzspindel 53. Zwischen einer Stirnfläche des Gehäuses 12 und der Spindelmutter 38 ist ein Axiallager 37 angeordnet.
Innerhalb des Gehäuses 12 ist ein Zylinder 39 angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Zylinder 39 um einen hydraulischen Gleichgangzylinder. Der Zylinder 39 weist eine Kammer 40 und eine Kammer 11 auf. Die Kammern 11, 40 sind durch einen Druckkolben 10 voneinander getrennt. Dieser ist mit dem Stempel 2 verbunden.
In dem Gehäuse 12 ist ein weiterer Zylinder 41 .angeordnet, der mit dem Zylinder 39 fest verbunden ist. Die Zylinder 39 und 40 sind innerhalb des Gehäuses 12 in axialer Richtung des Gehäuses verschieblich gelagert.
Der Zylinder 41 begrenzt eine Kammer 42, in der ein Kolben 9 angeordnet ist. Der Kolben 9 ist mit einem Niederhalter 1 verbunden. Der Stempel 2 erstreckt sich durch den Kolben 9 sowie durch den Niederhalter 1, der den Stempel 2 vorzugsweise rundherum umgibt. In dem Ausführungsbeispiel ist dargestellt, daß ein Stanzniet 8 innerhalb des Niederhalters 1 angeordnet ist.
Der Zylinder 39 weist zwei Anschlüsse 30, 43 auf. Der Anschluß 30 ist über eine Leitung 44 mit einer Ausgleichseinheit 45 verbunden. Die Ausgleichseinheit 45 weist ein Reservoir 46 auf, in die die Leitung 44 mündet. Innerhalb des Reservoirs 46 ist ein Kolben 47 angeordnet. Der Kolben 47 ist über eine Spindel 48 mit einem Antrieb 50 verbunden. Die Spindel 48 sowie der Kolben 47 sind so ausgebildet, daß der Kolben 47 wenigstens teilweise aus dem Reservoir 46 herausgefahren beziehungsweise in diese hineingefahren werden kann, so daß sich das Volumen der Kammer 46 in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 47 ändert. Die Kammer 40 ist über den Anschluß 43 mit Luft beaufschlagbar.
Der Zylinder 41 weist zwei Anschlüsse 51, 52 auf, durch die vorzugsweise Luft in die Kammer 42 des Zylinders 41 einleitbar ist, so daß der Kolben 9 und somit auch der Niederhalter 1 zu den Lagen 4, 5 und von diesen weg bewegbar ist.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Figur 2 wird nachfolgend anhand der in den Figuren 3 bis 8 dargestellten Momentaufnahmen erläutert.
Figur 3 zeigt die Vorrichtung 2 in einer Anfangsstellung. Der Kolben 10 befindet sich in einer mittleren Lage innerhalb des Zylinders 39. Der Kolben 47 der Ausgleichseinheit 45 hat eine Endposition eingenommen, in der das Volumen der Kammer 46 am geringsten ist. Der Kolben 9 hat eine Endstellung eingenommen, in der der Niederhalter 1 mit einem Stanzniet 8 bestückbar ist. In den Niederhalter 1 ist ein Stanzniet 8 eingebracht. Die Kammer 42 wird über den Anschluß 52 mit Druckluft beaufschlagt, so daß der Kolben 9 in seine zweite Endstellung verfahren wird. Hiermit bewegt sich auch der Niederhalter 1 von den Lagen 4, 5 weg. Der Stempel 2 hat seine Lage nicht verändert, so daß der Stanzniet 8 in eine Fügeposition innerhalb des Niederhalters 1 gebracht wird. Die Figur 4 zeigt die vorstehend beschriebene Stellung des Stanzniet 8 innerhalb des Niederhalters 1.
Der Niederhalter 1 mit dem Stanzniet sind beabstandet zu den zu verbindenden Bauteilen, wie dies aus der Figur 4 ersichtlich ist. Durch Zusammenwirken der Setzspindel 53 mit der Spindelmutter 38 wird der Stempel 2 in Richtung der Bauteile verfahren. Das Volumen der Kammer 11 bleibt unverändert. Der Zylinder 39 und der Zylinder 41 werden mit dem Niederhalter 1 in Richtung der Lagen 4, 5 verfahren. Der Niederhalter 1 übt eine Klemmkraft auf die Lagen 4, 5 aus.
Bei einer weiteren Bewegung des Stempels 2 in Richtung der Lagen 4, 5 übt der Stempel 2 eine Kraft auf das Stanzniet 8 aus, wodurch eine Ausbildung einer Stanznietverbindung erfolgt. Während der Bewegung des Stempels zur Ausbildung der Stanzmetverbindung wird über den Antrieb 50 der Kolben 47 der Ausgleichseinheit 45 so verfahren, daß das Volumen der Kammer 46 vergrößert wird, so daß das Fluid aus der Kammer 42 in die Kammer 46 strömen kann. (Fig. 6).
Nach der erfolgten Ausbildung einer Stanznietverbindung wird der Niederhalter 1 und der Stempel 8 von den Lagen 4, 5 abgehoben. Das Abheben erfolgt über die Setzspindel 53, wobei der Druck des Fluids in der Kammer 40 vorzugsweise konstant gehalten wird, so daß die Zylinder 39, 41 gleichzeitig mit der Bewegung des Stempels bewegt werden, wie in der Figur 7 dargestellt ist. Zur erneuten Bestückung der Vorrichtung mit einem Stanzniet wird der Stempel in seine Endlage weiter verfahren. Das aus der Kammer 11 in die Kammer 46 geleitete Fluidvolumen während der Ausbildung der Stanznietverbindung wird aus der Kammer 46 in die Kammer 11 zurückgeführt. Dies erfolgt dadurch, daß über den Antrieb 50 der Kolben 47 in die Kammer 46 eingeführt wird. Die Kammer 42 wird mit einem Fluid beaufschlagt, so daß der Kolben 9 in seine untere Endstellung verfahren wird. Ein weiterer Stanzniet kann in den Niederhalter eingeführt werden. Die Stanzvorrichtung ist für einen erneuten Stanznietvorgang bereitgestellt. Es kann ein neuer Stanznietvorgang entsprechend durchgeführt werden.
In der Figur 9 ist schematisch ein Klemmkraft-Stempelweg-Diagramm dargestellt.
Die Herstellung einer Stanznietverbindung mit einem Hohlniet kann in die Abschnitte Schneiden, Spreizen und Stauchen unterteilt werden. Die Ausprägung der einzelnen Abschnitte kann unterschiedlich stark sein.
Aus dem Verlauf der Klemmkraft über dem Stempelweg ist erkennbar, daß die Klemmkraft relativ schnell ansteigt und im wesentlichen während des gesamten Schneidvorgangs konstant gehalten wird. Der Verlauf zeigt, daß die Klemmkraft während des Spreizvorgangs und im wesentlichen während des Stauchvorgangs gegenüber der Klemmkraft während des Schneidvorgangs geringer ist. Durch die Verringerung der Klemmkraft wird erreicht, daß eine zum Halbhohlniet hin gerichtete Bewegung wenigstens einer Lage ermöglicht wird.
Das Klemmkraft-Stempelweg-Diagramm stellt dar, daß kurz vor dem Ende des Stauchvorgangs die Klemmkraft des Niederhalters gegenüber der verringerten Klemmkraft ansteigt. Hierdurch sollen etwaige Ausbildungen von Wülsten oder Verwerfüngen, die sich über den Kopf des Stanznietes erheben, in die obere Lage eingedrückt werden.
Der Verlauf der Klemmkraft in Abhängigkeit vom Stempelweg ist in der Figur 2 schematisch dargestellt. Er kann an unterschiedliche Stanznietaufgaben angepaßt werden. Insbesondere kann der Klemmkraftverlauf in Abhängigkeit von den zu verbindenden Bauteilen, sowie des Stanznietes gewählt werden.
Gestrichelt ist ein weiterer Verlauf einer Klemmkraft in Abhängigkeit vom Stempelweg dargestellt. Der Verlauf zeigt, daß die Klemmkraft zunächst bis zu einem vorgegebenen Wert steigt und auf diesen Wert gehalten wird. Insbesondere während eines Stauchvorgangs wird die Klemmkraft für einen vorgegebenen Stempelweg erhöht und danach wieder verringert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch für andere Ausbildungen von Nietverbindungen geeignet, insbesondere mittels Hohlnieten, Vollnieten und dergleichen. Es ist nicht zwingend, daß eine Selbstlochung durch ein Niet erfolgt.
Bezugszeichenliste
Niederhalter Stempel Matrize Lage Lage Kopplungseinheit Fluid Stanzniet Kolben Druckkolben Kammer Gehäuse Nut Dichtring Durchgangsöffnung Dichtring Nut Gehäuse Rückholfeder Ausgleichskammer Ausgleichselement Anschluß Abschlußplatte Dichtungselement Gestell
Wegmeßeinrichtung
Steuereinrichtung
Drucksensor
Leitung
Anschluß
Stellorgan
Steuerleitung
Kanal
Rückschlagventil
Leitung
Sensorleitung
Lager
Spindelmutter
Zylinder
Kammer
Zylinder
Kammer
Anschluß
Leitung
Ausgleichseinheit
Reservoir Kolben
Spindel
Lager
Antrieb Anschluß Anschluß Setzspindel

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Stanznietverbindung, bei dem mindestens zwei Lagen (4, 5) durch einen Niederhalter (1) gegen die Matrize (3) gedrückt werden und ein Niet, insbesondere ein Halbhohlniet (8), zur Verbindung der Lagen (4, 5) mittels eines Stempels (2) wenigstens die dem Halbhohlniet (8) zugewandte Lage (4) durchtrennt, in der bzw. den unteren Lagen (5) unter Ausbildung eines Schließkopfes verformt und danach gestaucht wird, dadurch gekennzeichnet, d-aß der Niederhalter (1) über eine Kopplungseinheit (6) mit dem Stempel (2) so verbunden ist, daß während eines Stanznietvorgangs eine Kopplung des Niederhalters (1) mit dem Stempel (2) zwischen einem im wesentlichen starren Kopplungszustand und einem entkoppelten Zustand verändert werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungszust.and in Abhängigkeit vom Stempelweg oder einer aus dem Stempelweg abgeleiteten Kenngröße verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, d-aß der Kopplungszust.and in Abhängigkeit von Werkstoffeigenschaften, insbesondere von einer Festigkeit, wenigstens einer Lage verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungszustand in Abhängigkeit von den Eigenschaften einer Paarung der
Lagen (4, 5) aus unterschiedlichen Werkstoffen verändert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungszustand in Abhängigkeit von einer Anzahl der Lagen (4, 5) verändert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungszustand in Abhängigkeit von einer Dicke wenigstens einer Lage (4, 5), insbesondere der dem Stanzniet (8) zugewandten Lage (4, 5), verändert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungszustand in Abhängigkeit von den Werkstofteigenschaften des Stanznietes (8) verändert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungszustand in Abhängigkeit von der Härte des Stanznietes (8) verändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, d-aß der Kopplungszustand in Abhängigkeit von der Geometrie des Stanznietes (8) verändert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, d-aß der Kopplungszustand wenigstens in einem Endabschnitt des Stauchvorgangs so verändert wird, daß die vom Niederhalter (1) ausgeübte Klemmkraft erhöht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungszustand des Niederhalter (1) derart verändert wird, daß die Klemmkraft so erhöht wird, daß der Kopf mit der dem Stanzniet (8) zugewandten Lage (4) im wesentlichen bündig abschließt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, d.aß der Niederhalter (1) mit dem Stempel (2) zu den Lagen (4, 5) verfahren wird und der Niederhalter (1) die Lagen (4, 5) mit einer vorgegebenen Klemmkraft gegen eine Matrize (3) drückt, d-aß der Niederhalter (1) von dem Stempel (2) wenigstens teilweise entkoppelt und der Stempel (2) zur Durchtrennung wenigstens der dem Halbhohlniet (8) zugewandten Lage (4) zur Ausbildung eines Schließkopfes und zur Stauchung des Halbhohlnietes (8) weiter verfahren wird, wobei der Niederhalter (1) gegebenenfalls nach einem vorgegebenem Stempelweg oder einer aus dem Stempelweg abgeleiteten Kenngröße an den Stempel (2) gekoppelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stempelweg gemessen und der Stempelweg oder eine aus dem Stempelweg abgeleitete Kenngröße und mit einer vorgegebenen Sollgröße verglichen wird, wobei der Kopplungszustand in Abhängigkeit vom Vergleichsergebniss vom Stempel (2) verändert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem eine Stempelkraft des Stempels (2) bestimmt und mit einer vorgegebenen Sollgröße verglichen wird, wobei der Kopplungszustand in Abhängigkeit von der Stempelkraft und/oder dem
Stempelweg (2) ver-ändert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, bei dem eine Klemmkraft des Niederhalters (1) bestimmt und mit einer vorgegebenen Sollgröße verglichen wird, wobei der Kopplungszustand in Abhängigkeit von der Klemmkraft und/oder der Stempelkraft und/oder dem Stempelweg (2) verändert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem der Niederhalter (1) einen Kolben (9) und der Stempel (2) einen Druckkolben (10) aufweisen, der Kolben (9) und der Druckkolben (10) sind in einer mit einem, vorzugsweise inkompressiblen, Fluid gefüllten Kammer (11) der Kopplungseinheit (6) relativ zueinander bewegbar, wobei der Fluiddruck in der Kammer (11) verändert wird und der Stempel (2) durch eine Antriebseinheit angetrieben wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem der Niederhalter (1) mit einem Kolben (9) verbunden ist, der in einem Zylinder (41) angeordnet ist, durch den sich der Stempel (2) hindurcherstreckt, der Stempel (2) weist einen einen Druckkolben (10) auf, der in einem mit einem inkompressiblen Fluid beaufschlagbaren Zylinder (39) geführt ist, der mit einer Ausgleichskammer (46) verbunden ist, wobei die Zylinder (39, 41) starr verbunden sind und verschieblich in einem Gehäuse (12) geführt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem ein Fluiddruck in Abhängigkeit von der Klemmkraft und/oder der Stempelkraft und/oder dem Stempelweg und/oder dem Verfahrweg des Niederhalters (1) geregelt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem in Abhängigkeit von der Klemmkraft und/oder der Stempelkraft und/oder dem Stempelweg und/oder dem Verfahrweg des Niederhalters (1) oder in Abhängigkeit von einem Soll-Ist- Vergleich ein mit der K-ammer (11) fluidisch in Verbindung stehendes Stellorgan (31) angesteuert wird.
20. Vorrichtung zur Herstellung einer Stanznietverbindung mit einer Matrize (3), einem Niederhalter (1) und einem Stempel (2), wobei der Stempel (2) und der Niederhalter (1) zur Matrize (3) hin und von dieser weg bewegbar sind, wobei zwischen dem Niederhalter (1) und der Matrize (3) mindestens zwei Lagen (4, 5) von Bauteilen klemmbar sind, und ein Stanzniet (8) zur Verbindung der Lagen
(4, 5) mittels des Stempels (2) wenigstens die dem Niederhalter (1) benachbarte Lage (4) eintreibbar ist, gekennzeichnet durch eine Kopplungseinheit (6) , die den Niederhalter (1) und den Stempel (2) so verbindet, daß während eines Stanznietvorgangs eine Kopplung des Niederhalters (1) mit dem Stempel (2) zwischen einem im wesentlichen starren Kopplungszustand und einem entkoppelten Zustand verändert werden kann, und durch eine Antriebseinheit, die den Stempel (2) antreibt.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, d-aß der Niederhalter (1) einen Kolben (9) und der Stempel (2) einen Druckkolben (10) aufweisen, daß der Kolben (9) und der Druckkolben (10) sind in einer mit einem, vorzugsweise inkompressiblen, Fluid gefüllten Kammer (11) der Kopplungseinheit (6) relativ zueinander bewegbar, wobei der Fluiddruck in der Kammer (11) veränderbar ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (27), zur Ansteuerung der Kopplungseinheit (6) vorgesehen ist, wobei während eines Stanznietvorgangs eine vom Niederhalter (1) auf die mindestens zwei Lagen (4, 5) ausgeübte Klemmkraft entsprechend einem vorgegebenem Verlauf in Abhängigkeit wenigstens vom Stempelweg oder einer aus dem Stempelweg abgeleiteten Kenngröße variiert wird.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Ausgleichskammer (20) vorgesehen ist, in das über wenigstens eine Leitung (29, 35) wenigstens ein Teil des Fluid aus der Kammer (11) leitbar und aus diesem zurückleitbar ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer Leitung (29) ein Druckregelventil (31) oder ein Proportionalregel ventil vorgesehen ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 22, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor (28) zur Messung eines Fluiddrucks vorgesehen ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (27) mit dem Drucksensor (28) und mit wenigstens einem Druckregelventil (31) verbunden ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fluiddruck in Abhängigkeit vom Stempelweg bestimmt und ein Fluiddruck-Stempelweg- Verlauf oder ein Kenngrößen- Verlauf abgeleitet wird, dieser mittels der Steuereinrichtung (27) mit einem vorgegebenen Sollverlauf verglichen und das Druckregelventil (31) in Abhängigkeit von dem Vergleich entsprechend angesteuert wird.
28. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederhalter (1) mit einem Kolben (9) verbunden ist, der in einem Zylinder (41) angeordnet ist, durch den sich der Stempel (2) hindurcherstreckt, d-aß der Stempel (2) einen Druckkolben (10) aufweist, der in einem mit einem inkompressiblen Fluid beaufschlagbaren Zylinder (39) geführt ist, und daß der Zylinder (39) mit einem Reservoir (46) verbunden ist, dessen Volumen veränderlich ist, wobei die Zylinder (39, 41) starr miteinander verbunden sind und in einem Gehäuse (12) verschieblich geführt sind.
29. Vorrichtung nach der Ansprüche 20 bis 28, gekennzeichnet durch eine Wegmeßeinrichtung (26) zur Messung eines Stempelweges des Stempels (2), wobei der Kopplungszustand in Abhängigkeit vom Stempelweg verändert wird wird.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 29, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung, durch die eine Stempelkraft des Stempels (2) gemessen oder bestimmt wird, wobei der Kopplungszustand in Abhängigkeit von der Stempelkraft und/oder dem Stempelweg verändert wird.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 30, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung, durch die eine Klemmkraft des Niederhalters (1) gemessen oder bestimmt wird, wobei der Kopplungszustand in Abhängigkeit von der Klemmkraft und/oder der Stempelkraft und/oder dem Stempelweg verändert wird.
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