EP3117924B1 - Verfahren zum verbinden wenigstens zweier bauteile mittels einer stanznietvorrichtung und fertigungseinrichtung - Google Patents

Verfahren zum verbinden wenigstens zweier bauteile mittels einer stanznietvorrichtung und fertigungseinrichtung Download PDF

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EP3117924B1
EP3117924B1 EP16172785.4A EP16172785A EP3117924B1 EP 3117924 B1 EP3117924 B1 EP 3117924B1 EP 16172785 A EP16172785 A EP 16172785A EP 3117924 B1 EP3117924 B1 EP 3117924B1
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EP
European Patent Office
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punch
rivet
power
component parts
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Prior art date
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EP16172785.4A
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English (en)
French (fr)
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EP3117924A1 (de
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Florian Woelke
Martin Dieterle
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J15/00—Riveting
    • B21J15/02—Riveting procedures
    • B21J15/025—Setting self-piercing rivets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J15/00—Riveting
    • B21J15/10—Riveting machines
    • B21J15/12—Riveting machines with tools or tool parts having a movement additional to the feed movement, e.g. spin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J15/00—Riveting
    • B21J15/10—Riveting machines
    • B21J15/28—Control devices specially adapted to riveting machines not restricted to one of the preceding subgroups
    • B21J15/285—Control devices specially adapted to riveting machines not restricted to one of the preceding subgroups for controlling the rivet upset cycle

Definitions

  • the present invention relates to a method for connecting at least two components by means of a punch riveting device, as well as a production device with a punch riveting and a computing unit for performing the method.
  • Punching riveting methods are used to connect at least two components that are particularly flat in a connection region (joining partner).
  • a punch riveting method is characterized in that a pre-punching of the components to be joined together is not required. Rather, a rivet is pressed by means of a punch or a punch tool in the at least two components, being ensured by a correspondingly shaped counter-holder, for example.
  • a die which cooperates with the punch tool, that the rivet in a certain way deformed within the components to be joined together to produce a positive and positive connection between the components while avoiding penetration of the component facing away from the rivet.
  • Such methods are known from DE 10 2013 000 388 A1 or the EP 0 893 179 A2 known.
  • Ultrasonic punch riveting known, in which a vibration generator, such as.
  • An ultrasonic generator is used to enable one or more components when connecting the components in vibration. By this oscillation, for example, the force to be expended for pressing in the rivet is reduced,
  • a method according to the invention serves for connecting at least two components by means of a punch riveting device.
  • the at least two components are arranged between a punch and a counter-holder, a rivet arranged between the punch and a component of the at least two components arranged rivet is pressed by means of the punch in the at least two components by the punch is acted upon by a force and at least one component involved in pressing in the rivet is vibrated when pressed in by means of a vibration generator.
  • a profile of a power of the vibrator is determined during the indentation of the rivet.
  • a course of the performance in particular a temporal course and / or a local course can be determined, e.g. the power as a function of time and / or the power as a function of a position of the punch.
  • a so-called semi-tubular rivet and a so-called solid rivet can be used.
  • a force as a function of the position of the punch can be used for a quality evaluation of the punch riveting process.
  • it can be examined whether the force course moves within certain limit values, for example a so-called envelope curve.
  • a force curve can usually no longer be used so easily for a quality evaluation, since the force on the stamp oscillates due to the oscillation.
  • the force curve can oscillate more or less strongly. This avoids a quality assessment necessary for many applications in industry, since the commonly used limit values are not meaningful here.
  • the course of the performance is preferably displayed on display means, in particular graphically.
  • This may preferably be, for example, a display on which the course is displayed graphically. This allows a particularly simple and clear representation of the course, for example, for an operator of the punch riveting device, which can thus assess the riveting process very quickly.
  • the course of the power is associated with an associated punch riveting process and stored on a storage medium.
  • the course of the power is used for a quality evaluation of an associated stamped riveting operation and / or a connection of the at least two components produced in this stamped riveting operation.
  • simple quality assessment is possible by determining the course of performance.
  • Such a quality assessment can, for example, also be carried out at least partially automatically, for example
  • the punch riveter operator is automatically alerted when a bad or faulty rivet connection has been generated.
  • the power of the vibration generator is compared with limit values which are specified in particular as a function of the at least two components.
  • limit values can be present, for example, as a so-called envelope, within which the function should run.
  • the limits can be specified accordingly.
  • These limit values can be based, for example, on test measurements.
  • a work of the vibration generator required during the indentation of the rivet is determined and in particular displayed on display means, in particular graphically.
  • the work corresponds, for example, to the temporal integral over the performance from the beginning of the rivet to the rivet end. This allows a simple check and evaluation of the energy consumption of the riveting process.
  • a total thickness of the at least two components and a length of the rivet are further detected.
  • the process can be stopped before the riveting process begins, for example if the rivet is too long.
  • it can also be detected, for example, in connection with the course of the power, at which relative position of the components the rivet or its tip is currently located.
  • the total thickness of the at least two components and / or the length of the rivet are determined on the basis of the course of the power. While this could hitherto be done, for example, on the basis of the force as a function of the position of the punch, this is now very easily possible also via an increase in output, which already manifests itself in the first contact of the punch with the rivet element.
  • a vibration generator As a vibration generator, a sound generator, in particular an ultrasonic generator is used. This is a simple method for vibration generation. In addition, a simple detection of the power is possible with a sonic or ultrasonic generator.
  • the at least one component of the punch riveting device involved in pressing in the rivet comprises the rivet, the punch, the counterholder and / or at least one of the at least two components.
  • a vibration By coupling a vibration over various components, both heat can be generated, which simplifies the riveting process, as well as a necessary force on the rivet to be pressed into the components are reduced.
  • the stamp can be coupled directly to the vibrator or even be part of the vibrator. Nevertheless, in addition or alternatively, other of said components may be vibrated to enhance the riveting process.
  • a production device has a punch riveting device with a punch, a counterholder, a drive and a sound generator, and a computing unit.
  • the arithmetic unit e.g. a control unit or a control unit for a punch riveting apparatus is, according to the invention, in particular program-wise, designed to carry out a method according to the invention.
  • the production device preferably also has display means which are set up to display the course of the performance, in particular graphically.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are in particular magnetic, optical and electrical memories, such as e.g. Hard drives, flash memory, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
  • FIG. 1 is simplified and schematically shown a manufacturing device 100 according to the invention in a preferred embodiment.
  • the manufacturing device 100 it can For example, to an industrial robot in a production hall, for example, for an automotive body shop, act.
  • the production device 100 has a carrier structure 3 arranged on a base and two arms 4 and 5 arranged thereon and connected to one another and movable. At the end of the arm 5, a punch rivet 10 is arranged, which in the Figures 2a to 2d will be described in more detail.
  • a computing unit 80 is shown, which is, for example, a control unit for the punch riveting apparatus 10.
  • the arithmetic unit 80 may also be used as a control unit for the entire manufacturing facility, i. be provided in addition to the punch riveting especially for the control of the movable arms.
  • display means 90 for example a display, are provided on which, for example, current operating parameters of the punch riveting apparatus can be displayed.
  • the punch riveting apparatus 10 is shown in various phases of carrying out a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • the punch riveting apparatus 10 has a punch 15, which for example has a round cross section.
  • the punch 15 is radially surrounded by a sleeve-shaped hold-down 16 and arranged movable relative to this in the longitudinal direction.
  • the punch 15 is coupled to a drive, not shown here, for example a hydraulic or pneumatic drive, which serves to apply a force F required to press a rivet 20 into the two components 11, 12.
  • the hold-down 16 is adapted to press against the surface of the die 15 facing member 11 with a hold-down force.
  • a separate drive can be provided.
  • the hold-down can also be coupled to the drive of the punch 15, for example by means of a spring.
  • a counter-acting die 18 is arranged on the stamp 15 and the hold-down 16 opposite side of the two components 11, 12 .
  • the die 18 is also in the direction of a longitudinal axis 19, in the direction of the punch 15 and the Hold-down 16 are arranged movable, raised and lowered.
  • the hold-down 16 and the die 18 serve to clamp or compress the two components 11, 12 between the hold-down 16 and the die 18 during processing by the punch 15.
  • the die 18 has, on the side facing the component 12, a planar upper side 21 from which a trough-shaped or recess 22 extends.
  • the rivet 20 here by way of example a half-tubular rivet, preferably consists of a material which is harder than the materials of the two components 11, 12, at least in the region of the rivet shank 24.
  • the flat top 26 facing away from the component 11 is arranged in operative connection with the ram 15, which rests flat on the upper side 26 of the rivet 20.
  • the punch 15 is operatively connected to a vibration generator 30 for generating vibrations.
  • a vibration generator 30 for generating vibrations.
  • ultrasonic vibrations with an amplitude (distance between maximum positive and negative amplitude of a vibration) between 10 .mu.m and 110 .mu.m (or an amplitude between 5 .mu.m and 55 .mu.m) and a frequency between 15 kHz and 35 kHz are generated.
  • vibrations 15 are coupled by the vibrator 30 via the punch 15 in the rivet 20.
  • the coupling-in direction of the vibrations of the vibration generator 30 can take place, for example, parallel to the longitudinal axis 19, that is to say parallel to the joining direction of the rivet 20 into the components 11, 12.
  • the vibration generator 30 is connected to the computing unit 80, so that a power of the vibration generator 30 can be transmitted to the computing unit 80 or that the power can be detected by the computing unit 80.
  • a position sensor 40 which is adapted to detect a position x of the punch 15, is shown by way of example. This position x can be transmitted to the arithmetic unit 80.
  • Phase of the inventive method shown represents a beginning of the Stanznietvons in which the rivet shank 24 come into operative connection with the top of the component 11.
  • the punch 15 is pressed with the force F against the stamp 15 facing member 11.
  • the rivet shank 24 initially cuts or punches into the component 11.
  • the two components 11, 12 are plastically deformed, wherein the recess 22 facing the component 12 is pressed in the corresponding areas in the recess 22.
  • FIG. 3 an exemplary force-position curve is shown in a punch rivet method without vibration coupling.
  • a force F is plotted against a time t.
  • F (x) is a course of a force F, which is applied to press the rivet on the punch, indicated as a function against the position x of the punch during pressing. It should be noted that here only a relative position x of the stamp is relevant.
  • an envelope is drawn with the limit values G 11 and G 21 , which characterize maximum or minimum permissible values for the force F or the function F (x). For example. For example, riveting operations in which the function F (x) exceeds or exceeds the limit values can be rejected as being too low quality.
  • limit values G 12 and G 22 are shown which lie within the envelope with the limit values G 11 and G 21 .
  • These limit values can, for example, serve as a warning curve, so that, for example, if these limit values are exceeded or exceeded, a corrective action can be initiated or the associated riveted connection can be classified as problematic.
  • a window 301 is shown, which indicates by way of example a process-relevant location, here an end position. In such a window, further limit values to be observed can be defined.
  • FIG. 4 Force-position curves and power-position curves are shown in a punch rivet method without oscillation coupling and in a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • a force F or a power P are plotted against a position x in the diagrams shown on the left.
  • F (x) is a course of a force F, which is applied to press the rivet on the punch, indicated as a function against the position x of the punch during pressing in a Stanzniethabilit without vibration coupling.
  • P (x) is a curve of a power P of a vibration generator, which occurs when the rivet is pressed in, as a function of the position x of the punch when pressed in a punch riveting method without vibration coupling.
  • F '(x) is a course of a force F, which is applied to press the rivet on the punch, as a function of the position x of the punch when pressed in a method according to the invention indicated in a preferred embodiment.
  • P '(x) a curve of a power P of a vibration generator, which occurs when the rivet is pressed in, is indicated as a function with respect to the position x of the punch during pressing in a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • the power curve P '(x) has a barely oscillating course. This can be seen particularly clearly in the enlarged section 402.
  • FIG. 5 further force-position curves and power-position curves are shown in a punch rivet method without vibration coupling and in a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • a force F or a power P are plotted against a position x.
  • a plurality of comparable force profiles with Fs (x) are designated for a conventional punch riveting method and Fs' (x) for a method according to the invention.
  • Fs (x) a plurality of comparable force profiles with Fs (x) are designated for a conventional punch riveting method and Fs' (x) for a method according to the invention.
  • a number of comparable performance curves with P S (x) for a conventional punch riveting method and P S '(x) for a method according to the invention are designated for a conventional punch riveting method and Fs' (x) for a method according to the invention.
  • a transient point of the stamp which can be used, for example, as a sonotrode, and designated 502 a material separation.
  • a material separation is usually the point at which the rivet cuts through the punch side arranged component or punched called.
  • the performance curve can thus also be used for a quality assessment with regard to relevant process points and, in addition, the quality of the joining partner can be checked. Windows can also be used for a more detailed analysis of the performance, eg comparable to the one in FIG. 3 shown windows, with additional limits.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Insertion Pins And Rivets (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Stanznietvorrichtung, sowie eine Fertigungseinrichtung mit einer Stanznietvorrichtung und einer Recheneinheit zur Durchführung des Verfahrens.
    • Stand der Technik
  • Verfahren zum Stanznieten dienen zum Verbinden mindestens zweier in einem Verbindungsbereich insbesondere eben ausgebildeter Bauteile (Fügepartner). Ein Stanznietverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Vorlochen der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht erforderlich ist. Vielmehr wird ein Niet mittels eines Stempels oder eines Stempelwerkzeugs in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, wobei durch einen entsprechend geformten Gegenhalter, bspw. in Form einer Matrize, der mit dem Stempelwerkzeug zusammenwirkt, sichergestellt ist, dass der Niet sich in einer bestimmten Art und Weise innerhalb der miteinander zu verbindenden Bauteile verformt, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen und gleichzeitig ein Durchdringen des dem Niet abgewandten Bauteils zu vermeiden. Solche Verfahren sind aus der DE 10 2013 000 388 A1 oder der EP 0 893 179 A2 bekannt.
  • Weiterhin sind bspw. aus der EP 2 318 161 B1 , die die Basis für den Oberbegriff der Ansprüche 1 und 11 bildet, oder der DE 10 2014 203 357 A1 sog. Ultraschall-Stanznietverfahren bekannt, bei denen ein Schwingungserzeuger, wie bspw. ein Ultraschall-Generator verwendet wird, um ein oder mehrere Komponenten beim Verbinden der Bauteile in Schwingung zu versetzen. Durch diese Schwingung wird bspw. die aufzuwendende Kraft zum Eindrücken des Niets reduziert,
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Stanznietvorrichtung, sowie eine Fertigungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
    • Vorteile der Erfindung
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Stanznietvorrichtung. Dabei werden die wenigstens zwei Bauteile zwischen einem Stempel und einem Gegenhalter angeordnet, ein zwischen dem Stempel und einem dem Stempel zugewandten Bauteil der wenigstens zwei Bauteile angeordneter Niet wird mittels des Stempels in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, indem der Stempel mit einer Kraft beaufschlagt wird und es wird wenigstens eine beim Eindrücken des Niets beteiligte Komponente beim Eindrücken mittels eines Schwingungserzeugers in Schwingung versetzt. Dabei wird ein Verlauf einer Leistung des Schwingungserzeugers während des Eindrückens des Niets ermittelt. Als Verlauf der Leistung kann dabei insbesondere ein zeitlicher Verlauf und/oder ein örtlicher Verlauf ermittelt werden, z.B. die Leistung als Funktion der Zeit und/oder die Leistung als Funktion einer Position des Stempels. Als Niet kann hierbei sowohl ein sog. Halbhohlniet als auch ein sog. Vollniet verwendet werden.
  • Bei herkömmlichen Stanznietverfahren kann eine Kraft als Funktion der Position des Stempels für eine Qualitätsbewertung des Stanznietprozesses herangezogen werden. Dabei kann bspw. untersucht werden, ob sich der Kraftverlauf innerhalb gewisser Grenzwerte, bspw. einer sog. Hüllkurve, bewegt. Bei einem Stanznietverfahren, bei dem eine Schwingung in den Verbindungsbereich einbracht wird, bspw. indem der Stempel in Schwingung versetzt wird, kann ein solcher Kraftverlauf meist nicht mehr so einfach für eine Qualitätsbewertung herangezogen werden, da die Kraft auf den Stempel durch die Schwingung oszilliert. Je nach Messposition für die Kraft, der Art der Messung und der Abtastrate bzw. Sensibilität der Messeinrichtung kann der Kraftverlauf dabei mehr oder weniger stark oszillieren. Dies verhindert eine für viele Anwendungen in der Industrie nötige Qualitätsbewertung, da die üblicherweise verwendeten Grenzwerte hier nicht sinnvoll sind.
  • Durch die Erfassung des Verlaufs der Leistung des Schwingungserzeugers und insbesondere dem Ermitteln eines Zusammenhangs dieser Leistung mit der Position des Stempels und/oder der Zeit hingegen kann auch für Stanznietverfahren mit Schwingungseinkopplungen eine Möglichkeit zur Qualitätsbewertung zur Verfügung gestellt werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass - im Gegensatz zur Kraft - die Leistung des Schwingungserzeugers keine bzw. nur geringe Oszillationen aufweist. Verschiedene relevante Punkte im Verlauf des Nietvorgangs sind dabei ebenso gut, teilweise sogar besser, erkennbar wie bei einem Kraftverlauf bei einem konventionellen Stanznietverfahren. Zweckmäßig ist dabei, wenn die Ermittlung des Verlaufs online bzw. in Echtzeit erfolgt, da dann sogar während des Nietvorgangs ggf. Maßnahmen zur Behebung eines Fehlers erfolgen können.
  • Allgemein gültige Prozess- und Qualitätsbewertungskriterien, wie sie mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verfügung gestellt werden können, sind zudem oftmals eine Grundvoraussetzung für eine Einführung einer neuen Technologie in eine Serienanwendung.
  • Vorzugsweise wird der Verlauf der Leistung auf Anzeigemitteln, insbesondere graphisch, dargestellt. Hierbei kann es sich bevorzugt bspw. um ein Display handeln, auf dem der Verlauf graphisch dargestellt wird. Dies ermöglicht eine besonders einfache und anschauliche Darstellung des Verlaufs bspw. für einen Bediener der Stanznietvorrichtung, der den Nietvorgang somit sehr schnell beurteilen kann.
  • Vorteilhafterweise wird der Verlauf der Leistung mit einem zugehörigen Stanznietvorgang verknüpft und auf einem Speichermedium abgespeichert. Damit ist eine Dokumentation des Nietvorgangs und dessen Qualität möglich ("Logbuchfunktion"). Bspw. können auf diese Weise später fehlerhafte Nietverbindungen leicht aufgefunden oder erklärt werden. Zudem ist eine solche Dokumentation für industrielle Anwendungen oftmals vorgeschrieben.
  • Erfindungsgemäß wird der Verlauf der Leistung für eine Qualitätsbewertung eines zugehörigen Stanznietvorgangs und/oder einer in diesem Stanznietvorgang erzeugten Verbindung der wenigstens zwei Bauteile verwendet. Wie bereits erwähnt, ist durch die Ermittlung des Verlaufs der Leistung einfache Qualitätsbewertung möglich. Eine solche Qualitätsbewertung kann dabei bspw. auch wenigstens zum Teil automatisch erfolgen, so
  • Bediener der Stanznietvorrichtung automatisch darauf hingewiesen wird, wenn eine schlechte oder fehlerhafte Nietverbindung erzeugt worden ist.
  • Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn für die Qualitätsbewertung die Leistung des Schwingungserzeugers mit Grenzwerten, die insbesondere in Abhängigkeit von den wenigstens zwei Bauteilen vorgegeben werden, verglichen wird. Diese Grenzwerte können bspw. als sog. Hüllkurve vorliegen, innerhalb welcher die Funktion verlaufen soll. Je nach zu verbindenden Bauteilen, insbesondere deren Material, und/oder je nach verwendetem Niet können die Grenzwerte dabei entsprechend vorgegeben werden. Diese Grenzwerte können dabei bspw. auf Testmessungen beruhen.
  • Es ist von Vorteil, wenn eine während des Eindrückens des Niets benötigte Arbeit des Schwingungserzeugers ermittelt und insbesondere auf Anzeigemitteln, insbesondere graphisch, dargestellt wird. Die Arbeit entspricht dabei bspw. dem zeitlichen Integral über die Leistung vom Nietbeginn bis zum Nietende. Damit ist eine einfache Überprüfung und Beurteilung des Energieverbrauchs des Nietvorgangs möglich.
  • Vorzugweise werden weiterhin eine Gesamtdicke der wenigstens zwei Bauteile und eine Länge des Niets erfasst. Damit kann zum einen bereits vor Beginn des Nietvorgangs der Vorgang gestoppt werden, wenn bspw. der Niet zu lang ist. Zum anderen kann jedoch bspw. auch im Zusammenhang mit dem Verlauf der Leistung erkannt werden, an welcher relativen Stelle der Bauteile sich der Niet bzw. dessen Spitze gerade befindet.
  • Vorteilhafterweise werden die Gesamtdicke der wenigstens zwei Bauteile und/oder die Länge des Niets anhand des Verlaufs der Leistung ermittelt. Während dies bislang bspw. anhand der Kraft als Funktion der Position des Stempels erfolgen konnte, ist dies nunmehr sehr einfach auch über einen Leistungsanstieg, welcher sich bereits beim ersten Kontakt des Stempels mit dem Nietelement zeigt, möglich.
  • Als Schwingungserzeuger wird ein Schall-Generator, insbesondere ein Ultraschall-Generator, verwendet. Hierbei handelt es sich um eine einfache Methode zur Schwingungserzeugung. Zudem ist bei einem Schall- bzw. Ultraschall-Generator eine einfache Erfassung der Leistung möglich.
  • Vorteilhafterweise umfasst die wenigstens eine beim Eindrücken des Niets beteiligte Komponente der Stanznietvorrichtung den Niet, den Stempel, den Gegenhalter und/oder wenigstens eines der wenigstens zwei Bauteile. Durch die Einkopplung einer Schwingung über verschiedene Komponenten kann sowohl Wärme erzeugt werden, die den Nietvorgang vereinfacht, als auch eine nötige Kraft auf den Niet zum Eindrücken in die Bauteile verringert werden. Insbesondere für letzteres ist es zweckmäßig, den Stempel in Schwingung zu versetzen. Hierzu kann bspw. der Stempel direkt an den Schwingungserzeuger angekoppelt sein bzw. sogar Teil des Schwingungserzeugers sein. Nichtsdestotrotz können auch zusätzlich oder alternativ andere der genannten Komponenten in Schwingung versetzt werden, um den Nietvorgang zu verbessern.
  • Eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung weist eine Stanznietvorrichtung mit einem Stempel, einem Gegenhalter, einem Antrieb und einem Schall-Generator, und eine Recheneinheit auf. Die Recheneinheit, z.B. eine Steuereinheit oder ein Steuergerät für eine Stanznietvorrichtung, ist, erfindungsgemäß, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Vorzugsweise weist die Fertigungseinrichtung auch Anzeigemittel auf, die dazu eingerichtet sind, den Verlauf der Leistung, insbesondere graphisch, darzustellen.
  • Bezüglich der Vorteile einer erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung sei an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Figurenbeschreibung
    • Figur 1
    zeigt vereinfacht und schematisch eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Figuren 2a bis 2d
    zeigen eine Stanznietvorrichtung bei verschiedenen Phasen der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Figur 3
    zeigt einen Kraft-Positions-Verlauf bei einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung.
    Figur 4
    zeigt Kraft-Positions-Verläufe und Leistungs-Positions-Verläufe bei einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung und bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Figur 5
    zeigt weitere Kraft-Positions-Verläufe und Leistungs-Positions-Verläufe bei einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung und bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
  • In Figur 1 ist vereinfacht und schematisch eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Bei der Fertigungseinrichtung 100 kann es sich bspw. um einen Industrieroboter in einer Fertigungshalle, bspw. für einen automobilen Karosseriebau, handeln.
  • Die Fertigungseinrichtung 100 weist dabei eine auf einem Boden angeordnete Trägerstruktur 3 und zwei daran angeordnete, miteinander verbundene und bewegliche Arme 4 und 5 auf. Am Ende des Armes 5 ist eine Stanznietvorrichtung 10 angeordnet, welche in den Figuren2a bis 2d detaillierter beschrieben wird.
  • Weiterhin ist eine Recheneinheit 80 gezeigt, bei der es sich bspw. um eine Steuereinheit für die Stanznietvorrichtung 10 handelt. Die Recheneinheit 80 kann zudem auch als Steuereinheit für die gesamte Fertigungseinrichtung, d.h. neben der Stanznietvorrichtung insbesondere auch für die Ansteuerung der beweglichen Arme vorgesehen sein. Weiterhin sind Anzeigemittel 90, bspw. ein Display, vorgesehen, auf denen bspw. aktuelle Betriebsparameter der Stanznietvorrichtung angezeigt werden können.
  • In den Figuren 2a bis 2d ist die Stanznietvorrichtung 10 bei verschiedenen Phasen der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Stempel 15 auf, der beispielhaft einen runden Querschnitt aufweist.
  • Der Stempel 15 ist von einem hülsenförmigen Niederhalter 16 radial umgeben und relativ zu diesem in Längsrichtung beweglich angeordnet. Insbesondere ist der Stempel 15 mit einem hier nicht dargestellten Antrieb, bspw. einem hydraulischen oder pneumatischen Antrieb, gekoppelt, der dazu dient, eine zum Eindrücken eines Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F aufzubringen.
  • Ebenfalls ist der Niederhalter 16 dazu eingerichtet, gegen die Oberfläche des dem Stempel 15 zugewandten Bauteils 11 mit einer Niederhaltekraft zu drücken. Hierzu kann bspw. ein eigener Antrieb vorgesehen sein. Jedoch kann der Niederhalter auch an den Antrieb des Stempels 15 gekoppelt sein, bspw. mittels einer Feder.
  • Auf der dem Stempel 15 und dem Niederhalter 16 gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist eine als Gegenhalter wirkende Matrize 18 angeordnet. Die Matrize 18 ist ebenfalls in Richtung einer Längsachse 19, in deren Richtung auch der Stempel 15 und der Niederhalter 16 beweglich angeordnet sind, heb- und senkbar. Der Niederhalter 16 und die Matrize 18 dienen dazu, die beiden Bauteile 11, 12 zwischen dem Niederhalter 16 und der Matrize 18 während der Bearbeitung durch den Stempel 15 einzuspannen bzw. zusammenzudrücken. Die Matrize 18 weist auf der dem Bauteil 12 zugewandten Seite eine ebene Oberseite 21 auf, von der eine mulden- bzw. kuhlenförmige Ausnehmung 22 ausgeht.
  • Der Niet 20, hier beispielhaft ein Halbhohlniet, besteht bevorzugt aus einem gegenüber den Werkstoffen der beiden Bauteile 11, 12 härteren Material, zumindest im Bereich des Nietschaftes 24. Die dem Bauteil 11 abgewandte, ebene Oberseite 26 ist in Wirkverbindung mit dem Stempel 15 angeordnet, der an der Oberseite 26 der Niet 20 flächig anliegt.
  • Der Stempel 15 ist mit einem Schwingungserzeuger 30 zur Erzeugung von Schwingungen bzw. Vibrationen wirkverbunden. Insbesondere werden mittels des Schwingungserzeugers 30 Ultraschallschwingungen mit einer Schwingweite (Abstand zwischen maximaler positiver und negativer Amplitude einer Schwingung) zwischen 10 µm und 110 µm (bzw. einer Amplitude zwischen 5 µm und 55 µm) und einer Frequenz zwischen 15 kHz und 35 kHz erzeugt.
  • Diese Schwingungen 15 werden von dem Schwingungserzeuger 30 über den Stempel 15 in den Niet 20 eingekoppelt. Die Einkopplungsrichtung der Vibrationen des Schwingungserzeugers 30 kann dabei bspw. parallel zur Längsachse 19, das heißt parallel zur Fügerichtung der Niet 20 in die Bauteile 11, 12 erfolgen. Der Schwingungserzeuger 30 ist an die Recheneinheit 80 angebunden, so dass eine Leistung des Schwingungserzeugers 30 an die Recheneinheit 80 übermittelt werden kann bzw. dass die Leistung von der Recheneinheit 80 erfasst werden kann.
  • Weiterhin ist beispielhaft ein Positionssensor 40 gezeigt, der dazu eingerichtet ist, eine Position x des Stempels 15 zu erfassen. Diese Position x kann dabei an die Recheneinheit 80 übermittelt werden.
  • Die in Figur 2a gezeigte Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt einen Beginn des Stanznietverfahrens dar, bei dem der Nietschaft 24 in Wirkverbindung mit der Oberseite des Bauteils 11 gelangen. Dabei wird der Stempel 15 mit der Kraft F gegen das dem Stempel 15 zugewandte Bauteil 11 gedrückt.
  • In einer in Figur 2b gezeigten weiteren Phase, d.h. während des weiteren Verlaufs des Nietvorgangs und unter Unterstützung der in die Bauteile 11, 12 eingekoppelten Schwingungen schneidet bzw. stanzt der Nietschaft 24 sich zunächst in das Bauteil 11 ein. Dabei werden die beiden Bauteile 11, 12 plastisch verformt, wobei das der Ausnehmung 22 zugewandte Bauteil 12 in den entsprechenden Bereichen in die Ausnehmung 22 eingedrückt wird.
  • Während des weiteren Bewegungswegs bzw. der weiteren Abwärtsbewegung des Niets 20 entsprechend der Figur 2c wird der Nietschaft 24 im Bereich der Ausnehmung 22 nach außen gespreizt, wodurch die beiden Bauteile 11, 12 in Axialrichtung sicher form- und kraftschlüssig miteinander verbunden werden.
  • Wesentlich dabei ist, dass entsprechend der Figur 2d, die die Endposition des Niets 20 zeigt, der Nietschaft 24 nicht aus dem Bauteil 12 herausragt bzw. dieses nicht vollständig durchdringt.
  • Nachdem der Niet 20 die in der Figur 2d dargestellte Endposition erreicht hat, bei der die Oberseite 26 des Niets 20 zumindest in etwa bündig mit der Oberseite des Bauteils 11 abschließt, wird anschließend der Stempel 15 wieder von den Bauteilen 11, 12 in entgegengesetzter Richtung nach oben bewegt.
  • In Figur 3 ist ein beispielhafter Kraft-Positions-Verlauf bei einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung gezeigt. Dabei ist eine Kraft F gegenüber einer Zeit t aufgetragen. Mit F(x) ist dabei ein Verlauf einer Kraft F, die zum Eindrücken des Niets auf den Stempel ausgeübt wird, als Funktion gegenüber der Position x des Stempels beim Eindrücken angegeben. Hierzu sein angemerkt, dass hierbei lediglich eine relative Position x des Stempels relevant ist.
  • Weiterhin ist eine Hüllkurve mit den Grenzwerten G11 und G21 eingezeichnet, die maximal bzw. minimal zulässige Werte für die Kraft F bzw. die Funktion F(x) kennzeichnen. Bspw. können Nietvorgänge, bei denen die Funktion F(x) die Grenzwerte unter- bzw. überschreitet, als von zu geringer Qualität aussortiert werden.
  • Weiterhin sind weitere Grenzwerte G12 und G22 gezeigt, die innerhalb der Hüllkurve mit den Grenzwerten G11 und G21 liegen. Diese Grenzwerte können bspw. als Warnkurve dienen, so dass bspw., wenn diese Grenzwerte unter- bzw. überschritten werden, eine Korrekturmaßnahme eingeleitet werden kann oder aber die zugehörige Nietverbindung als problematisch eingestuft werden kann.
  • Weiterhin ist ein Fenster 301 gezeigt, das beispielhaft eine prozessrelevante Stelle, hier eine Endposition, angibt. In einem solchen Fenster können weitere, einzuhaltende Grenzwerte festgelegt werden.
  • In Figur 4 sind Kraft-Positions-Verläufe und Leistungs-Positions-Verläufe bei einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung und bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Dabei sind in den links gezeigten Diagrammen eine Kraft F bzw. eine Leistung P gegenüber einer Position x aufgetragen.
  • Mit F(x) ist dabei ein Verlauf einer Kraft F, die zum Eindrücken des Niets auf den Stempel ausgeübt wird, als Funktion gegenüber der Position x des Stempels beim Eindrücken bei einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung angegeben. Mit P(x) ist dabei ein Verlauf einer Leistung P eines Schwingungserzeugers, die beim Eindrücken des Niets auftritt, als Funktion gegenüber der Position x des Stempels beim Eindrücken bei einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung angegeben.
  • Mit F'(x) ist dabei ein Verlauf einer Kraft F, die zum Eindrücken des Niets auf den Stempel ausgeübt wird, als Funktion gegenüber der Position x des Stempels beim Eindrücken bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform angegeben. Mit P'(x) ist dabei ein Verlauf einer Leistung P eines Schwingungserzeugers, die beim Eindrücken des Niets auftritt, als Funktion gegenüber der Position x des Stempels beim Eindrücken bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform angegeben.
  • Im oberen Diagramm mit den Kraftverläufen ist deutlich zu sehen, dass bei einem konventionellen Stanznietverfahren die Kraft deutlich über der bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform, hier mit einem Ultraschall-Generator, liegt.
  • Insbesondere gegen Ende des Nietvorgangs, d.h. in dem oberen, linken Diagramm am rechten Ende, ist der Unterschied zwischen F(x) und F'(x) sehr deutlich.
  • Weiterhin ist auch zu sehen, dass bei einem Verfahren mit Ultraschall-Generator der Kraftverlauf F'(x) sehr stark oszilliert. Dies ist in dem vergrößert dargestellten Ausschnitt 401 noch deutlicher zu erkennen. Eine Qualitätsbewertung anhand einer Hüllkurve ist hier kaum zuverlässig möglich.
  • Im unteren Diagramm mit den Leistungsverläufen ist zu sehen, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform der Leistungsverlauf P'(x) einen kaum oszillierenden Verlauf aufweist. Dies ist besonders deutlich in dem vergrößert dargestellten Ausschnitt 402 zu erkennen.
  • In dem Ausschnitt 402 sind zudem beispielhaft zwei Grenzwerte G'11 und G'12' im Sinne einer Hüllkurve eingezeichnet, die zur Bewertung des Verlaufs P'(x) herangezogen werden können.
  • Der Vollständigkeit halber sei noch angemerkt, dass der ebenfalls gezeigte Leistungsverlauf P(x) bei einem konventionellen Stanznietverfahren verständlicherweise immer gleich Null ist, da kein Schwingungserzeuger vorhanden ist.
  • Anhand bzw. mittels des Leistungsverlaufs P'(x) können nun Qualitätsbewertungen des zugehörigen Nietvorgangs vorgenommen werden. Bspw. kann auch hier eine Hüllkurve mit Grenzwerten, vergleichbar zu der Hüllkurve in Figur 3 bei dem Kraftverlauf, festgelegt werden.
  • In Figur 5 sind weitere Kraft-Positions-Verläufe und Leistungs-Positions-Verläufe bei einem Stanznietverfahren ohne Schwingungseinkopplung und bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Dabei sind eine Kraft F bzw. eine Leistung P gegenüber einer Position x aufgetragen.
  • Dabei sind jeweils mehrere, vergleichbare Kraftverläufe mit Fs(x) für ein konventionelles Stanznietverfahren und mit Fs'(x) für ein erfindungsgemäßes Verfahren bezeichnet. Ebenso sind jeweils mehrere, vergleichbare Leistungsverläufe mit PS(x) für ein konventionelles Stanznietverfahren und mit PS'(x) für ein erfindungsgemäßes Verfahren bezeichnet.
  • An den Verläufen PS'(x) ist zu erkennen, dass relevante Prozesspunkte sich in dem Leistungsverlauf bemerkbar machen. So ist mit 501 ein Einschwingpunkt des Stempels, der bspw. auch als Sonotrode verwendet werden kann, und mit 502 eine Materialtrennung bezeichnet. Als Materialtrennung wird in der Regel die Stelle, an der der Niet das stempelseitig angeordnete Bauteil durchtrennt bzw. durchstanzt, bezeichnet. Des Weiteren ist es möglich, über die Auswertung der Generatorleistung Risse, Brüche oder andere Unstetigkeitsstellen im Fügepartner zu erkennen. Solche können beispielsweise bei spröden Werkstoffen (z.B. Mg-Druckguss) auftreten. Der Leistungsverlauf kann somit auch für eine Qualitätsbewertung hinsichtlich relevanter Prozesspunkte verwendet werden und zusätzlich kann die Qualität des Fügepartners überprüft werden. Hierzu können auch Fenster für eine detailliertere Analyse der Leistung, bspw. vergleichbar zu dem in Figur 3 gezeigten Fenster, mit zusätzlichen Grenzwerten verwendet werden.
  • Im Vergleich der Kraft- und Leistungsverläufe ist auch zu sehen, dass die genannten relevanten Prozesspunkte im Kraftverlauf - im Gegensatz zum Leistungsverlauf - nicht oder nur kaum zu erkennen sind.
  • Weiterhin sei erwähnt, dass die Erfassung der Leistung bzw. die Ermittlung des Leistungsverlauf auch eine Überprüfung und Absicherung einer Funktionsfähigkeit des Schwingungserzeugers und des Schwingsystems, d.h. aller in Schwingung versetzten Komponenten, ermöglicht.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile (11, 12) mittels einer Stanznietvorrichtung (10),
    wobei ein zwischen einem Stempel (15) und einem dem Stempel zugewandten Bauteil (11) von wenigstens zwei zwischen dem Stempel (15) und einem Gegenhalter (18) angeordneten Bauteilen angeordneter Niet (20) mittels des Stempels (15) in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) eingedrückt wird, indem der Stempel (15) mittels eines mit dem Stempel gekoppelten Antriebs mit einer Kraft (F) beaufschlagt wird,
    wobei wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) beteiligte Komponente (11, 12, 15, 18, 20) beim Eindrücken mittels eines Schwingungserzeugers (30) in Schwingung versetzt wird, wobei als Schwingungserzeugers (30) ein Schall-Generator verwendet wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf einer Leistung (P) des Schwingungserzeugers (30) während des Eindrückens des Niets (20) ermittelt wird, wobei der Verlauf der Leistung (P) für eine Qualitätsbewertung eines zugehörigen Stanznietvorgangs und /oder einer in diesem Stanznietvorgang erzeugten Verbindung der wenigstens zwei Bauteile (11, 12) verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein örtlicher Verlauf und/oder ein zeitlicher Verlauf der Leistung (P) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 3, wobei für die Qualitätsbewertung die Leistung (P) des Schwingungserzeugers mit Grenzwerten (G'11, G'12), die insbesondere in Abhängigkeit von einer Beschaffenheit der wenigstens zwei Bauteile (11, 12) vorgegeben werden, verglichen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine während des Eindrückens des Niets (20) benötigte Arbeit des Schwingungserzeugers (30) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei weiterhin eine Gesamtdicke der wenigstens zwei Bauteile (11, 12) und eine Länge des Niets (20) ermittelt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Gesamtdicke der wenigstens zwei Bauteile (11, 12) und/oder die Länge des Niets (20) anhand des Verlaufs der Leistung (P) ermittelt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verlauf der Leistung (P) und/oder, in Rückbezug auf Anspruch 4, die benötigte Arbeit auf Anzeigemitteln (90), insbesondere graphisch, dargestellt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verlauf der Leistung (P) und/oder, in Rückbezug auf Anspruch 4, die benötigte Arbeit mit einem zugehörigen Stanznietvorgang verknüpft und auf einem Speichermedium abgespeichert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Schall-Generator (30) ein Ultraschall-Generator verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) beteiligte Komponente der Stanznietvorrichtung den Niet (20), den Stempel (15), der Gegenhalter (18) und/oder wenigstens eines der wenigstens zwei Bauteile (11, 12) umfasst.
  11. Fertigungseinrichtung (100) aufweisend eine Stanznietvorrichtung (10) mit einem Stempel (15), einem Gegenhalter (18), einem Antrieb und einem Schall-Generator (30), vorzugsweise weiterhin aufweisend Anzeigemittel (90), dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigungseinrichtung eine Recheneinheit (80) aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  12. Computerprogramm, das die Recheneinheit (80) der Fertigungseinrichtung nach Anspruch 11 veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (80) ausgeführt wird.
  13. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.
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