STANZNIETVORRICHTUNG UND FERTIGUNGSEINRICHTUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Stanznietvorrichtung (10) zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile (11, 12) mittels eines Niets (20), mit einem Rahmen (60), an dem ein Fügewerkzeug (70) und ein Gegenhalter (18) derart angeordnet sind, dass die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) während des Eindrückens des Niets (20) mittels des Fügewerkzeugs (70) zwischen dem Fügewerkzeug (70) und dem Gegenhalter (18) anordenbar sind, und mit einem Schwingungserzeuger (32), der dazu eingerichtet ist, während wenigstens einer Betriebsphase wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) beteiligte Komponente (11, 12, 15, 18, 20) beim Eindrücken in Schwingung zu versetzen, wobei zwischen wenigstens einer der beim Eindrücken des Niets (20) in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) beteiligten und am Rahmen (60) angeordneten Komponenten (15) und dem Rahmen (60) ein Dämpfungsmaterial (61) zur Dämpfung von Schwingungen vorgesehen ist, sowie ein Fertigungseinrichtung mit einer solchen Stanznietvorrichtung (10).

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stanznietvorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile, sowie eine Fertigungseinrichtung mit einer solchen Stanznietvorrichtung.

Stand der Technik

[0002] Nietverfahren dienen zum Verbinden wenigstens zweier in einem Verbindungsbereich insbesondere eben ausgebildeter Bauteile (Fügepartner). Ein Stanznietverfahren zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass ein Vorlochen der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht erforderlich ist. Vielmehr wird ein Niet mittels eines Fügewerkzeugs, das einen Stempel umfasst, in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, wobei durch einen entsprechend geformten Gegenhalter, bspw. in Form einer Matrize, der mit dem Fügewerkzeug zusammenwirkt, sichergestellt werden kann, dass der Niet oder die Bauteile sich in einer bestimmten Art und Weise verformen, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen.

[0003] Weiterhin ist beispielsweise aus der EP 2 318 161 B1 ein sog. Ultraschall-Stanznietverfahren bekannt, bei dem ein Schwingungserzeuger, wie beispielsweise ein Ultraschall-Generator verwendet wird, um ein oder mehrere Komponenten beim Verbinden der Bauteile in Schwingung zu versetzen. Durch diese Schwingung wird beispielsweise die aufzuwendende Kraft zum Eindrücken des Niets reduziert.

Offenbarung der Erfindung

[0004] Erfindungsgemäß werden eine Stanznietvorrichtung und eine Fertigungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

[0005] Eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung dient zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Niets und weist einen Rahmen auf, an dem ein Fügewerkzeug und ein Gegenhalter derart angeordnet sind, dass die wenigstens zwei Bauteile während des Eindrückens des Niets mittels des Fügewerkzeugs zwischen dem Fügewerkzeug und dem Gegenhalter anordenbar sind. Weiterhin weist die Stanznietvorrichtung einen Schwingungserzeuger auf, der dazu eingerichtet ist, während wenigstens einer Betriebsphase wenigstens eine beim Eindrücken des Niets in die wenigstens zwei Bauteile beteiligte Komponente beim Eindrücken in Schwingung zu versetzen. Zum Eindrücken des Niets kann dabei insbesondere ein Stempel als Teil des Fügewerkzeugs verwendet werden. Der Gegenhalter kann beispielsweise in Form einer Matrize auf der dem Stempel gegenüberliegenden Seite der wenigstens zwei Bauteile vorgesehen sein. Als Schwingungserzeuger kommt dabei insbesondere ein Schall-Generator, insbesondere ein Ultraschall-Generator, in Betracht. Als die wenigstens eine beim Eindrücken des Niets beteiligte Komponente, die in Schwingung versetzt wird, kommen insbesondere der Niet und/oder der Stempel und/oder der Gegenhalter und/oder wenigstens eines der wenigstens zwei Bauteile in Betracht. Denkbar ist im Falle des Stempels als derjenigen Komponente, die in Schwingung versetzt wird, dass der Stempel gleichzeitig als Sonotrode dient bzw. ausgebildet ist und über einen Booster mit einem Schwingungskonverter, jeweils als Teil einer Setzeinheit, verbunden ist, welcher wiederum an den Schwingungserzeuger angebunden ist.

[0006] Es ist nun zwischen wenigstens einer der beim Eindrücken des Niets in die wenigstens zwei Bauteile beteiligten und am Rahmen angeordneten Komponenten und dem Rahmen ein Dämpfungsmaterial zur Dämpfung von Schwingungen vorgesehen. Durch eine solche Schwingungsdämpfung kann der Rahmen, der insbesondere in Form eines sog. C-Rahmens bzw. C-Bügels vorliegen kann, von der betreffenden Komponente hinsichtlich einer Schwingungsübertragung entkoppelt werden. Hierzu kann das Dämpfungsmaterial insbesondere eine Eigenfrequenz aufweisen, die geringer als eine Erregerfrequenz des Schwingungserzeugers ist. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Dämpfungsmaterial höchstens die Hälfte, vorzugsweise höchstens ein Fünftel, besonders bevorzugt höchstens ein Zehntel, der Erregerfrequenz des Schwingungserzeugers beträgt. Auf diese Weise kann die sich im Rahmen ausbildende Schwingungsamplitude um einen Faktor von bis zu 100 reduziert werden.

[0007] Vorzugsweise weist das Dämpfungsmaterial eine Festigkeit von wenigstens 20 MPa und/oder einen Elastizitätsmodul von wenigstens 5000 MPa auf. Zweckmäßigerweise ist der Elastizitätsmodul so zu wählen, dass eine elastische Verformung des Materials unterhalb von 0,02 mm bleibt.

[0008] Als Dämpfungsmaterial kommt vorzugsweise ein elastisches Material, z.B. in Form eines Polymers, insbesondere ein technisches Thermoplast, in Frage. Auf diese Weise werden zudem andere negative Einflüsse wie beispielsweise eine starke Geräuschentwicklung oder eine Übertragung der Schwingungen auf weitere Komponenten oder Geräte wie beispielsweise einen Roboterarm, an dem die Stanznietvorrichtung befestigt ist, vermieden.

[0009] Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine der beim Eindrücken des Niets in die wenigstens zwei Bauteile beteiligten und am Rahmen angeordneten Komponenten, zwischen welcher und dem Rahmen das Dämpfungsmaterial vorgesehen ist, den Gegenhalter. Während bei anderen beim Eindrücken beteiligten Komponenten, wie insbesondere dem Fügewerkzeug bzw. dem Stempel, auch andere Möglichkeiten als Dämpfungsmaterial zur wenigstens teilweisen Entkopplung von Schwingungen denkbar sind, wie z.B. eine Befestigung in einem Schwingungsknoten, ist zwischen dem Gegenhalter und dem Rahmen eine Verbindung nötig, die besonders gut Kräfte, wie sie beim Eindrücken des Niets entstehen, aufnehmen kann. Dies kann durch das Vorsehen des erwähnten Dämpfungsmaterials erfolgen, da hierbei eine großflächige Anbringung möglich ist.

[0010] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn zwischen dem Gegenhalter und dem Dämpfungsmaterial ein Materialblock vorgesehen ist. Dieser Materialblock kann dabei beispielsweise aus demselben Material wie die Matrize bestehen. Dieser zusätzliche Materialblock ermöglicht eine weitere Reduzierung der übertragenen Schwingungen, da dieser Materialblock einen gewissen Teil der Schwingungen aufnehmen kann. Insofern ist es auch besonders bevorzugt, wenn eine Masse des Materialblocks mehr als die Masse des Gegenhalters, vorzugsweise wenigstens das Zehnfache, weiter vorzugsweise wenigstens das Hundertfache, der Masse des Gegenhalters beträgt.

[0011] Eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung weist eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung auf. Zur Vermeidung von Wiederholungen sei bezüglich der Vorteile und weiterer Ausgestaltungen der Fertigungseinrichtung auf obige Ausführungen zur Stanznietvorrichtung verwiesen.

[0012] Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

[0013] 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.

[0014] Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Figurenbeschreibung

[0015] 

Figur 1

zeigt vereinfacht und schematisch eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.

Figur 2

zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.

Figur 3

zeigt einen Ausschnitt aus Figur 2 in detaillierterer Ansicht.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

[0016] In Figur 1 ist vereinfacht und schematisch eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung 100 mit einer erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung 10 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Bei der Fertigungseinrichtung 100 kann es sich beispielsweise um einen Industrieroboter in einer Fertigungshalle, beispielsweise für einen automobilen Karosseriebau, handeln.

[0017] 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 die Stanznietvorrichtung 10 angeordnet, welche nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird.

[0018] Weiterhin ist eine Recheneinheit 80 gezeigt, bei der es sich beispielsweise 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, beispielsweise ein Display, vorgesehen, auf denen aktuelle Betriebsparameter der Stanznietvorrichtung angezeigt werden können. Es kann sich bei dem Element 90 auch um ein kombiniertes Anzeige-/Eingabemittel, beispielsweise einen Touchscreen, handeln.

[0019] In Figur 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Rahmen 60 auf, der vorzugsweise in Form eines C-Rahmens oder C-Bügels vorliegt, an welchem die einzelnen Komponenten bei einer Stanznietvorrichtung in der Regel angeordnet sind, um die gewünschte Position zueinander einnehmen zu können. Über den Rahmen 60 kann die Stanznietvorrichtung 10 beispielsweise an einem Arm wie in Figur 1 gezeigt befestigt sein.

[0020] Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Stempel 15 auf, beispielhaft mit einem runden Querschnitt. Der Stempel 15 ist von einem (hülsenförmigen) Niederhalter 16 radial umgeben und relativ zu diesem in Längsrichtung beweglich angeordnet. Der Niederhalter ist mittels einer Feder am Stempel 15 befestigt. Der Stempel 15 und der Niederhalter 16 bilden hierbei ein Fügewerkzeug 70. Weiterhin ist der Stempel 15 mit einem Antrieb 50 gekoppelt, der dazu dient, eine zum Eindrücken des Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F aufzubringen. Der Antrieb 50 kann beispielsweise mittels der Recheneinheit 80 gesteuert werden. Ebenfalls ist der Niederhalter 16 dazu eingerichtet, gegen die Oberfläche des dem Stempel 15 zugewandten Bauteils 11 mit einer Niederhaltekraft zu drücken.

[0021] Auf der dem Stempel 15 und dem Niederhalter 16 gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist ein Gegenhalter in Form einer Matrize 18 angeordnet. Der Stempel 15 ist in vertikaler Richtung, wie auch der Niederhalter 16, beweglich angeordnet und relativ zu der Matrize 18 bewegbar. 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.

[0022] Der Niet 20, hier beispielhaft ein Halbhohlniet, besteht bevorzugt aus einem gegenüber den Werkstoffen der beiden Bauteile 11, 12 härteren Material, zumindest im Bereich eines Nietschafts. Die dem Bauteil 11 abgewandte, ebene Oberseite des Niets ist in Wirkverbindung mit dem Stempel 15 angeordnet, der an der Oberseite des Niets 20 flächig anliegt.

[0023] Der Stempel 15 ist mit einem (mechanischen) Schwingungskonverter 30, der über einen Schwingungserzeuger 32, insbesondere einen Ultraschallgenerator, zur Erzeugung von Schwingungen bzw. Vibrationen anregbar ist, verbunden. Insbesondere werden dabei Ultraschallschwingungen mit einer Schwingweite (Abstand zwischen maximaler positiver und negativer Amplitude einer Schwingung) zwischen 10 µm und 110 µm (entspricht einer Amplitude von 5 µm bis 55 µm) und einer Frequenz zwischen 15 kHz und 35 kHz oder ggf. auch höher erzeugt. Diese Schwingungen werden von dem Schwingungskonverter 30 über einen Booster 31 und den Stempel 15, der auch als Sonotrode dient, in den Niet 20 eingekoppelt. das Fügewerkzeug 70, der Booster 31 sowie der Schwingungskonverter 30 bilden hierbei eine Setzeinheit 71.

[0024] Bei dem Antrieb 50 kann es sich beispielsweise um einen Antrieb mit Kugel-, Rollen- oder Planetengewindetrieb oder dergleichen handeln, der dazu geeignet ist, eine Kraft F zum Eindrücken des Niets 20 in die Bauteile 11, 12 aufzubringen. An dem Antrieb 50 sind der Booster 31 und darüber der Schwingungskonverter 32 mit der Stempel 15 und der Niederhalter 16 mittels einer Haltevorrichtung 35 angebracht.

[0025] Zwischen dem Gegenhalter 18 und dem Rahmen 60 sind ein Dämpfungsmaterial 61 sowie ein (optionaler) Materialblock 62 zur Schwingungsdämpfung vorgesehen, welche nun in Bezug auf Figur 3 näher erläutert werden sollen. Der Gegenhalter 18, der hier in Form einer Matrize ausgebildet ist, ist auf bzw. in dem Materialblock 62 befestigt. Hierzu wird vorliegend beispielsweise ein Zapfen am unteren Ende des Gegenhalters 18 in dem Materialblock 62 eingebracht. Es versteht sich, dass alternativ oder zusätzlich andere Befestigungsmittel verwendet werden können.

[0026] Der Materialblock 62 weist eine deutlich größere Masse als der Gegenhalter 18 auf, wodurch bereits ein großer Teil der Schwingungen, die beim Eindrücken des Niets vom Fügewerkzeug 70 über die Bauteile auf dem Gegenhalter übertragen werden, aufgenommen wird.

[0027] Der Materialblock 62 wiederum ist auf einem Dämpfungsmaterial 61 angebracht, welches wiederum auf dem Rahmen 60 angebracht ist. Damit bildet das Dämpfungsmaterial 61 eine Art Zwischenschicht zwischen dem Materialblock 62 und dem Rahmen 60. Die Anbringung des Materialblocks 62 auf dem Dämpfungsmaterial 61 kann, ebenso wie diejenige des Dämpfungsmaterials 61 auf dem Rahmen 60, beispielsweise durch Kleben oder andere geeignete Befestigungsarten erfolgen.

[0028] Durch geeignete Wahl des Dämpfungsmaterials, beispielsweise ein Polymer, insbesondere ein technisches Thermoplast, mit geeigneten Werten für den Elastizitätsmodul sowie die Festigkeit und insbesondere einer Eigenfrequenz, die deutlich geringer ist als die Erregerfrequenz des Schwingungserzeugers, kann eine weitere Entkopplung des Gegenhalters 18 vom Rahmen 60 hinsichtlich einer Schwingungsübertragung erfolgen. Eine Anregung des Dämpfungsmaterials zu Schwingungen ist durch die geringe Eigenfrequenz kaum möglich, wodurch die Entkopplung erreicht wird.

[0029] Es sei angemerkt, dass der Materialblock 62 auch weggelassen werden kann, wobei dann der Gegenhalter 18 auf geeignete Weise an dem Dämpfungsmaterial 61 zu befestigen ist.

Ansprüche

1. Stanznietvorrichtung (10) zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile (11, 12) mittels eines Niets (20), mit einem Rahmen (60), an dem ein Fügewerkzeug (70) und ein Gegenhalter (18) derart angeordnet sind, dass die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) während des Eindrückens des Niets (20) mittels des Fügewerkzeugs (70) zwischen dem Fügewerkzeug (70) und dem Gegenhalter (18) anordenbar sind, und mit einem Schwingungserzeuger (32), der dazu eingerichtet ist, während wenigstens einer Betriebsphase wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) beteiligte Komponente (11, 12, 15, 18, 20) beim Eindrücken in Schwingung zu versetzen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einer der beim Eindrücken des Niets (20) in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) beteiligten und am Rahmen (60) angeordneten Komponenten (15) und dem Rahmen (60) ein Dämpfungsmaterial (61) zur Dämpfung von Schwingungen vorgesehen ist.

2. Stanznietvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das Dämpfungsmaterial (61) eine Eigenfrequenz aufweist, die geringer als eine Erregerfrequenz des Schwingungserzeugers (32) ist.

3. Stanznietvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei die Eigenfrequenz des Dämpfungsmaterials (61) höchstens die Hälfte, vorzugsweise höchstens ein Fünftel, weiter vorzugsweise höchstens ein Zehntel, der Erregerfrequenz des Schwingungserzeugers (32) beträgt.

4. Stanznietvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine der beim Eindrücken des Niets (20) in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) beteiligten und am Rahmen (60) angeordneten Komponenten, zwischen welcher und dem Rahmen (60) das Dämpfungsmaterial (61) vorgesehen ist, den Gegenhalter (18) umfasst.

5. Stanznietvorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei zwischen dem Gegenhalter (18) und dem Dämpfungsmaterial (61) ein Materialblock (62) vorgesehen ist.

6. Stanznietvorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei eine Masse des Materialblocks (62) mehr als die Masse des Gegenhalters (18), vorzugsweise wenigstens das Zehnfache, weiter vorzugsweise wenigstens das Hundertfache, der Masse des Gegenhalters (18) beträgt.

7. Stanznietvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Dämpfungsmaterial (61) eine Festigkeit von wenigstens 20 MPa aufweist.

8. Stanznietvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Dämpfungsmaterial (61) einen Elastizitätsmodul von wenigstens 5.000 MPa aufweist.

9. Stanznietvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Dämpfungsmaterial (61) ein Polymer, insbesondere ein technisches Thermoplast, umfasst.

10. Fertigungseinrichtung (100) mit einer Stanznietvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.

Zeichnung