Diese Anmeldung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanischen
Fügen von Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen, wobei Fügewerkzeuge mit
Kraftmitteln auf die Fügeteile zu bewegt werden und durch die Kraftwirkung der
Fügewerkzeuge eine Fügeverbindung zwischen den Fügeteilen herstellbar ist, die benötigte
Fügekraft durch mehrere kurzfristig aufeinanderfolgende Stöße eines Fügewerkzeugs oder
pulsierend in einer Erregerfrequenz in die herzustellende Fügeverbindung einbringbar ist,
zumindest ein Fügewerkzeug ist über eine Halterung mit dem Halterahmen der Vorrichtung
verbunden, und Mittel bzw. Verfahrensschritte vorgesehen sind, die Fügekräfte zumindest
teilweise zu schwingungsisolieren und/oder zu schwingungstilgen.
Eine mechanische Fügevorrichtung ist beispielsweise in dem EP 0 890 397 A1 gezeigt. Um
die Fügewerkzeuge leichter handhabbar zu machen und das Anwendungsspektrum für
Fügeverbindungen auszuweiten, wird dort vorgeschlagen, die Reaktionskräfte des
Fügevorgangs zu verringern, indem ein Fügewerkzeug die Fügekraft in einer Erregerfrequenz
in die Fügeverbindung einbringt, die über der Eigenfrequenz des gegenüberliegenden
Fügewerkzeugs liegt und die Lagerung zumindest eines Fügewerkzeugs schwingungsisoliert
ist. Die Schwingungsisolierung kann auch ausschließlich oder ergänzend im erregten
Fügewerkzeug oder den Fügeteilen angeordnet sein. Die Fügekraft wird also in Form von
Impulsen oder Schwingungen eingeleitet, die sowohl ohne als auch mit Überlagerung einer
geringen quasistatischen Grundlast auf die zu fügenden Bauteile wirkt. Durch eine
impulsförmige Kräfteeinleitung allein lassen sich jedoch kaum signifikante Verringerungen
der Setzeinrichtungsmassen erzielen. So werden höchste Anforderungen an die dynamische
Festigkeit der Grundkonstruktionen von Setzeinrichtungen gestellt, und auch im Sinne eines
guten Schlagwirkungsgrades müssen die Massen der gegenhaltenden Matrize groß sein.
Deshalb werden zum anderen die dynamischen Spitzenkräfte durch ein schwingfähiges,
passend abgestimmtes Feder-/Masse-System von der Grundkonstruktion abgeschirmt. Die
Grundkonstruktion wird durch diese Maßnahme nur mit einem Bruchteil der am Fügeort
wirkenden Fügekräfte belastet. Gleichzeitig führt diese Abstimmung dazu, daß die Matrize
gegenläufig zum Stempel schwingt und damit auch bei geringen Matrizenmassen ein hoher
Schlagwirkungsgrad erzielt wird. Die Funktionstüchtigkeit sowohl des Verfahrens als auch
der nach ihm entworfenen Vorrichtungen ist mittlerweile nachgewiesen.
Es sind jedoch auch Nachteile bekannt geworden, die in entsprechenden Vorrichtungen nur
mit einem größeren Aufwand vermieden werden können. So ist der Aufwand für eine exakte
Führung der schwingfähigen Matrizenmasse hoch. Die dafür erforderlichen Bauteile müssen
mit einer entsprechenden Präzision hergestellt werden. Im Laufe des Betriebs können sich die
Reibverhältnisse der relevanten Werkzeugteile verschleißbedingt verändern, was das
Schwingverhalten der Aufhängung und letztlich den Fügeprozess selbst beeinflussen kann.
Die quasistatischen Prozeßkräfte wirken auf die Schwingungsisolierungsfedern der
Fügewerkzeuge und erfordern daher eine Mindeststeifigkeit der Federn. Diese wiederum
bedingt eine Mindestmasse der Fügewerkzeugaufhängung, um das System in einem
wirksamen Eigenfrequenzbereich zu halten. Hieraus folgen relativ große Bauteile mit
ungünstigen Störkonturen, die die Zugänglichkeit beeinträchtigen können. Ist die Aufhängung
des Schlagwerkes und der Matrizenmasse weich, wird es schwierig, die Eindringtiefe zu
überwachen. Damit die Fügewerkzeuge bei jedem Impuls sicher am zu fügenden Bauteil
anliegen, ist insbesondere dann eine sehr exakte Abstimmung des Systems erforderlich, wenn
kleine Isoliermassen große dynamische Auslenkungen erfahren. Weicht das Schwingsystem
von seiner optimalen Eigenfrequenz ab, so verschlechtert sich die Abstützwirkung der
Fügewerkzeuge, was zu geometrischen Abweichungen bei der Ausbildung des Fügeelements
und zu einer entsprechenden Beeinträchtigung von deren Festigkeit führen kann. Alle
genannten Punkte sind technisch beherrschbar, es können sich jedoch ungünstige
Störkonturen und hohe Anforderungen an die Fertigungspräzision ergeben.
Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäße Vorrichtung
sowie das entsprechende Verfahren so zu verbessern, daß die genannten Nachteile den
Fügeprozess weniger beeinträchtigen.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird vorgeschlagen, daß eine Prallmasse auf der Seite der
Halterung eines Fügewerkzeugs angebracht ist, die abgewandt liegt von der Richtung, in der
das Fügewerkzeug angeordnet ist. Wenn nun bei einer solchen Anordnung Kräfte dynamisch,
insbesondere in Form von Impulsen, in die Fügeteile und die Fügewerkzeuge eingebracht
werden, und das Fügewerkzeug selbst starr an der Halterung befestigt ist, so werden die
schädlichen impulsförmigen Kräfte vom Halterahmen der Vorrichtung verringert oder ganz
ferngehalten, indem die Kräfte von der Prallmasse durch eine impulsinduzierte Bewegung
aufgenommen werden. Bei einer solchen Anordnung bleibt die Grundkonstruktion frei von
impulsförmigen Belastungen durch die Fügekräfte. Die von den Kraftmitteln erzeugten
aufeinanderfolgenden Stöße oder pulsierenden Fügekräfte durchlaufen in dieser oder
entgegengesetzer Richtung, je nachdem, wo die Kraftmittel angebracht sind, den Stempel, die
Fügeteile, eventuell vorhandene Fügehilfsteile, die Matrize, den Matrizenhalter und erreicht
schließlich die Halterung, an der die Matrize oder, bei anderer Kraftverlaufsrichtung, der
Stempel mit dem Halterahmen der Vorrichtung befestigt ist. Bevor die Halterung in ihrer
Eigenfrequenz zu schwingen beginnen kann, trifft die Fügekraft auf die Prallmasse und setzt
diese in Bewegung, die Prallmasse wird also durch den Kraftimpuls ausgelenkt. Durch die
Energieaufnahme der Prallmasse bleibt die Vorrichtung im übrigen von schädlichen
impulsförmigen Belastungen befreit, wenn die Prallmasse entsprechend ausgelegt und
angeordnet ist. Lediglich die sehr geringen Reaktionskräfte der Federn, auf die die Prallmasse
sich abstützt, wirken auf die Vorrichtung ein. Die Anforderungen an die Führungsgenauigkeit
der Prallmasse sind nur sehr gering. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung können die eingangs beschriebenen Nachteile weitgehend
vermieden werden.
Weitere Verbesserungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Merkmalen der Unteransprüche.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt die Eigenfrequenz des Schwingsystems etwa in
einem Bereich von 35 - 65 %, vorzugsweise annähernd 50 % der Schlagfrequenz des
Schlagwerkes. Diese Abstimmung der Eigenfrequenz des Schwingsystems mit der
Schlagfrequenz des Schlagwerkes sorgt dafür, daß die Prallmasse zum einen die in ihr
gespeicherte Bewegungsenergie für den nächsten Schlag wieder in die Verbindung einspeist
und zum anderen wieder für die Aufnahme des nächsten Impulses an der Grundkonstruktion
anliegt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Prallmasse über zumindest eine
Biegefeder geführt. Die Biegefeder übernimmt gleichzeitig die Führungs- und
Federungsaufgabe. Weiter ist vorgesehen, daß die Schlagfläche des Pralldämpfers leicht
ballig ausgeführt ist. Außerdem kann die Vorspannung und/oder Einspannlänge einer Isolier-bzw.
Biegefeder veränderbar sein. Die Eigenfrequenz des Schwingungssystems kann durch
geeignete Regel- und Stelleinrichtungen veränderbar sein. Die matrizenseitige
Prallmassendämpfung ist kombinierbar mit einer stempelseitigen Schwingungsisolierung oder
Schwingungstilgung. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den Merkmalen aus den
Unteransprüchen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung kombiniert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Grundprinzips, Fig. 2 eine Ausführung mit einer Biegefeder, Fig. 3 eine Ausführung mit 2 Biegefedern, Fig. 4 eine Ausführung der schwingungsisolierenden Aufhängung des Schlagwerks, Fig. 5 eine Ausführung der schwingungstilgenden Aufhängung des Schlagswerks.
In Figur 1 sind die Fügeteile 2 zu erkennen, unter denen sich der Matrizenhalter 4 befindet.
Der Matrizenhalter 4 ist über ein Anschlußstück mit der Halterung 6 verbunden. Unter der
Halterung 6 ist eine Prallmasse 8 angeordnet, die in der dargestellten Pfeilrichtung beweglich
ist. Die Bewegung der Prallmasse 8 kann einerseits über Isolierfedern 10 und Isolierdämpfer
12 aufgefangen und abgedämpft werden. Die Prallmasse 8 ist in einem Führungsgehäuse 14
gelagert, in dem die Prallmasse 8, die Isolierfedern 10 und die Isolierdämpfer 12 angeordnet
sind. Wenn nun zur Herstellung einer Fügeverbindung eine Fügekraft in die Fügeteile 2
mittels eines Stempels eingebracht wird, überträgt sich diese Fügekraft auf den Matrizenhalter
4 über die im Matrizenhalter 4 angeordnete und nicht näher dargestellt Matrize. Die Kraft
fließt weiter über das Anschlußstück in die Halterung 6. Von dort würde sie auf den
Halterahmen 16 der Vorrichtung wirken, wenn sie nicht im Bereich der Halterung 6 verringert
oder ganz kompensiert würde. Das erfolgt nun über die Bewegung der Prallmasse 8. Die
impulsförmige Kraft überträgt sich von der Halterung 6 auf die Prallmasse 8 und setzt diese in
Bewegung. Die Prallmasse bewegt sich gegen die Kraft der Isolierfedern 10 und des
Isolierdämpfers 12. Die in den Federn gespeicherte Kraft bremst die Prallmasse 8 ab und
bewegt sie wieder in ihre Ausgangslage zurück. Die Kraft, die für die Bewegung der
Prallmasse erforderlich ist, muß nicht mehr vom Halterahmen 16 aufgefangen werden, der
dann entsprechend leichter ausgeführt werden kann.
Gemäß diesem Basisprinzip kann ein Schwingsystem entwickelt werden, dessen
Komponenten beliebig aufeinander abstimmbar sind. Je nach Größe der Fügekräfte,
Haltekraft des Halterahmens, Eigenfrequenz des Schwingsystems, Masse der Prallmasse und
Stärke der Isolierfedern und Isolierdämpfer kann eine Fügevorrichtung erstellt werden, die
ideal auf die Bedürfnisse des Anwenders abgestimmt ist.
In Figur 2 ist ein Beispiel gezeigt, wie die Prallmasse 8 geführt sein könnte. Die
Anforderungen an die Führungsgenauigkeit der Prallmasse 8 sind nur sehr gering. In einer
sehr einfachen und daher bevorzugten Ausführungsform kann sie ohne gleitende oder rollende
Teile bereits durch entsprechend gestaltete Federn bzw. Biegefedern 18 erreicht werden. Bei
einer impulsinduzierten Auslenkung der Prallmasse 8 in der durch den gebogenen Pfeil
angedeuteten Richtung verbiegt sich die Biegefeder 18. Sie führt dabei die Prallmasse 8
während der Auslenkung und nimmt die Bewegungsenergie in sich auf, die erforderlich ist,
um die Prallmasse 8 wieder in die Ausgangslage zurück zu bewegen. Die Führung und
Federung erfolgt verschleißfrei und ohne Beeinträchtigung der Schwingungseigenschaft über
eine längere Betriebsdauer. Die Biegefeder 18 ist sehr leicht auf eine andere Eigenfrequenz
des Pralldämpfers 8 einstellbar, indem die Einspannlänge der Biegefeder 18 verändert wird.
Dies wird möglich, indem die Biegefeder 18 von einer verschiebbaren Einspannung 20 und
einer festen Einspannung 22 gehalten ist. Durch Verschieben der verschiebbaren Einspannung
20 kann die Vorrichtung an Schlagwerke mit unterschiedlichen Schlagfrequenzen angepaßt
werden.Damit sind nach diesem Prinzip aufgebaute Schlagwerke sehr universell. Durch eine
Kombination mit geeigneten Regel- und Stelleinrichtungen kann die Variation der
Eigenfrequenz des Prallmassedämpfers auf einfache Weise auch während des Fügeprozesses
erfolgen, was neue Möglichkeiten in der Prozeßführung eröffnet.
Quasistatische Kräfte, wie die Andruckkraft des Schlagwerkes oder die Niederhaltekraft
werden durch die Grundkonstruktion aufgenommen und belasten nicht das
schwingungsfähige System. Die Federkonstante kann daher unabhängig von einschränkenden
quasistatischen Anforderungen gewählt werden. Zudem sind große dynamische
Auslenkungen der Prallmasse ohne Einfluß auf den Fügeprozeß. Daher kann die Prallmasse
klein gewählt werden, wenn man große Auslenkungen zuläßt. In Figur 3 ist eine Ausführung
mit zwei Biegefedern 18 gezeigt.
Die Schlagfläche der Prallmasse 8 kann alternativ zur Darstellung 2 auch leicht ballig
ausgeführt sein, um immer eine sichere Impulsübertragung auf die Masse zu gewährleisten.
Die Schlagfläche sollte jedoch nicht kleiner sein als der untere Querschnitt des
Matrizenhalters, da ansonsten unerwünschte Reflexionen auftreten können und der Impuls
nicht vollständig auf die Prallmasse übertragen werden kann, was zu dynamischen
Belastungen der Grundkonstruktion führt.
Die gewählten Ausführungsbeispiele sollen keinesfalls die Erfindung hierauf beschränken.
Sie dienen nur der Erläuterung der Erfindung und setzen den Fachmann in die Lage, die
Erfindung für seinen Anwendungsfall bedarfsgerecht abzuwandeln. Dazu kann er die
vorgeschlagenen Lösungselemente miteinander beliebig kombinieren und/oder sie mit an sich
bekannten Elementen ergänzen. Auch bereit es dem Fachmann keinerlei Schwierigkeiten, die
für die Herstellung von Nietverbindungen beschriebenen Vorrichtungen und
Verfahrensweisen auf andere Arten von mechanischen Fügeverbindungen wie beispielsweise
dem Durchsetzfügen, dem Blindnieten mit oder ohne Vorlochen oder dem Einbringen von
Funktionsträgern anzupassen. Auch kann der Kraftfluß anstelle von dem Stempel in Richtung
der Matrize auch andersherum erfolgen, wobei die erfindungsgemäße Prallmasse dann an der
Halterung des Stempels befestigt ist. Auch können Prallmassen erfindungsgemäß sowohl an
der stempel- wie auch der matrizenseitigen Halterung angebracht sein.
Da jedoch die Anregung des stempelseitig angeordneten Schlagwerkes weit weniger
ausgeprägt ist als die Anregung der Matrize, ist der analoge stempelseitige Einsatz einer
schwingungsfähigen Prallmasse weniger vorteilhaft als die Aufhängung des Schlagwerkes
nach dem vorbekannten Prinzip der Schwingungsisolierung oder alternativ der
Schwingungstilgung. Entsprechende, in Kombination mit dem Einsatz eines matrizenseitig
angeordneten Pralldämpfers vorteilhafte Ausgestaltungen der Aufhängung des Schlagwerkes
sind in den Figuren 4 und 5 gezeigt. Eine Zustelleinheit 24 bewegt den Stempel 34 auf die
Fügeverbindungsstelle zu. Während der Zustellbewegung erzeugt das Schlagwerk 30
impulsförmige Kräfte, die über den Stempelhalter 32 auf den Stempel 34 übertragen werden.
Im Falle der in Figur 4 gezeigten Schwingungsisolierung werden die impulsförmigen Kräfte
über die Isoliermasse 36, die über Isolierfedern 26 und Dämpfer 28 gegenüber dem Rahmen
isoliert ist, von der Krafteinleitung in den Rahmen abgehalten, während im Falle der in Figur
5 gezeigten Schwingungstilgung die Schwingungen aus dem Schlagwerk 30 durch eine in
einer bestimmten Frequenz schwingenden Tilgermasse 38, die ebenfalls über Federn 26 und
Dämpfer 28 abgestützt ist, vom Rahmen ferngehalten wird.