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EP3505270B1 - Setzeinheit für eine stanznietvorrichtung, stanznietvorrichtung und verfahren zum herstellen einer solchen - Google Patents

Setzeinheit für eine stanznietvorrichtung, stanznietvorrichtung und verfahren zum herstellen einer solchen Download PDF

Info

Publication number
EP3505270B1
EP3505270B1 EP18215455.9A EP18215455A EP3505270B1 EP 3505270 B1 EP3505270 B1 EP 3505270B1 EP 18215455 A EP18215455 A EP 18215455A EP 3505270 B1 EP3505270 B1 EP 3505270B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sonotrode
setting unit
booster
punch
rivet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP18215455.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3505270A1 (de
Inventor
Florian Woelke
Steven Maul
Ingo Kesel
Andre Philipskoetter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3505270A1 publication Critical patent/EP3505270A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3505270B1 publication Critical patent/EP3505270B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a setting unit for a punch riveting device, a punch riveting device with such a setting unit, and a method for producing a setting unit or a punch riveting device.
  • Joining processes serve to connect at least two components (joining partners) that are particularly flat in a connection area.
  • a punch riveting process is characterized, for example, by the fact that pre-punching of the components to be connected to one another is not necessary. Rather, a rivet as a joining element is pressed into the at least two components by means of a joining tool or a setting unit comprising a punch, it being possible to ensure that by means of a correspondingly shaped counterholder, for example in the form of a die, which interacts with the joining tool the rivet or the components are deformed in a certain way in order to produce a non-positive and positive connection between the components.
  • EP 2 318 161 B1 a so-called ultrasonic self-piercing riveting method is known in which a vibration generator, such as an ultrasonic generator, is used to set one or more components vibrating when the components are connected. This oscillation reduces, for example, the force to be used to press in the rivet.
  • a vibration generator such as an ultrasonic generator
  • the EP 3 120 951 A1 Ultrasonic punch riveting devices are known in which a booster is used to amplify vibration amplitudes for a sonotrode attached to it.
  • a setting unit, a punch riveting device, a method for connecting components and a method for producing a setting unit or a Self-piercing riveting device proposed with the features of the independent claims.
  • Advantageous configurations are the subject of the subclaims and the description below.
  • the invention is based on a setting unit for a self-piercing riveting device, in which setting unit a rivet can be inserted, and which includes a vibration system comprising an (electromechanical) vibration converter which can be connected to an (electrical) vibration generator, a booster (amplitude amplifier) and a sonotrode as well as a Stamp, by means of which (usually using a suitable drive) the rivet can be subjected to force in one joining direction and can be introduced into at least two components during a riveting process.
  • the oscillating system is held in a housing unit and in particular, at least partially, is also surrounded by it.
  • the booster is typically provided between the vibration converter (for example in the form of a piezo converter) and the sonotrode.
  • vibrations can be generated by the vibration system and coupled into the rivet via the punch.
  • the vibration converter is connected to a vibration generator, for example an ultrasonic generator (usually in the form of a function generator).
  • a vibration generator for example an ultrasonic generator (usually in the form of a function generator).
  • the three components vibration converter, booster and sonotrode should be firmly connected to one another. This can be done, for example, by means of a threaded pin, once between the vibration converter and booster and once between the booster and sonotrode.
  • the tightening torques required for this are typically precisely defined in order to ensure proper function, i.e. transmission and amplification of the vibration, and the longest possible service life.
  • a force range for ultrasonic self-piercing riveting i.e. a possible range in which the forces that occur can lie, can be up to 50 kN depending on the material combination. With these forces there is the possibility or the risk that the sonotrode experiences an offset due to transverse forces, which in extreme cases can also lead to damage and breakage of the sonotrode.
  • the booster and the sonotrode are designed as one component, i.e. are made in one piece and made of one material.
  • Steel preferably hardened steel, is particularly suitable as a material. This eliminates the disadvantages mentioned above and which have occurred up to now, at least for the interface between booster and sonotrode, since a connection no longer has to be established here.
  • the oscillating systems or ultrasonic oscillating systems When used in series production, the oscillating systems or ultrasonic oscillating systems usually have to be exchanged regularly, as already mentioned, or at least the sonotrode has to be exchanged for rework.
  • the effort required for this can be significantly reduced with the proposed, combined booster sonotrode.
  • a minimization of possible sources of error is also achieved.
  • the combined booster sonotrode When changing the vibration system, the combined booster sonotrode only needs to be screwed or fastened to the vibration converter.
  • this one-piece sonotrode is manufactured or manufactured from one piece (ie from one material), which also reduces the effort involved in the initial manufacture of the booster and sonotrode - or then the combined booster-sonotrode.
  • the sonotrode and booster usually consist of different materials. This results in different length tolerances when the components are changed, which in extreme cases can be several millimeters. With the proposed one-piece solution, however, this length tolerance can be reduced to a few tenths of a millimeter.
  • the oscillating system is fixedly mounted in the first section of the housing unit via the booster, i.e. that point of the oscillating system with which it rests on the housing unit or the bearing means cannot move in any direction relative to the housing unit (fixed bearing). Effective power transmission can thus be achieved from a drive of a punch riveting device to the oscillating system and via it to the rivet.
  • the oscillating system is mounted via the sonotrode in a second section of the housing unit, specifically in addition to the aforementioned mounting in the first section.
  • the oscillation system is or will be supported in the second section of the housing unit by means of a bearing means that engages in an area of a oscillation node of the sonotrode, in particular a slide bearing, in particular loosely (e.g. slidingly), i.e. that point of the oscillation system with which it rests on the housing unit or the bearing means, can only move in the joining direction relative to the housing unit (floating bearing). Effective stability against transverse forces can thus be achieved.
  • this additional mounting is expediently also arranged in the area of a vibration node of the sonotrode.
  • Such an area is understood to mean that an exact mounting in the vibration node is typically not possible, since the sonotrode can easily move up and down at the level of the second area in the joining direction, especially with a fixed mounting in the mentioned first area.
  • a plastic plain bearing for example, can be used for the second bearing or bearing point.
  • Such plain bearings consist, for example, of a base polymer with additions of glass fibers, various filling materials and solid lubricants.
  • Such a mounting in a vibration node of the sonotrode also has the advantage that no, or at least almost no longitudinal vibration amplitudes occur at this point, and the load on the sliding bearing is therefore very low. Due to the double storage, the sonotrode is also better protected against damage and breakage, which results in a longer service life.
  • the booster and the sonotrode or the component forming them are designed as a lambda sonotrode.
  • a lambda sonotrode is to be understood as meaning that the length of the combined booster sonotrode corresponds exactly or at least as precisely as possible to a wavelength of the vibrations in question. A particularly effective transmission of the vibrations is possible with a lambda sonotrode.
  • the booster and the sonotrode each have half a wavelength or half a lambda, but due to the one-piece design of the booster and sonotrode, such a distinction is no longer necessary or sometimes no longer desired. It is possible, however, that different areas of the combined booster sonotrode can be distinguished on the basis of their shape or diameter.
  • the stamp (of the setting unit) is preferably designed as part of the sonotrode.
  • the sonotrode is also used as a stamp so that the sonotrode is brought into direct contact with the rivet. A separate stamp is therefore not necessary.
  • the stamp is designed as a component separate from the sonotrode, and in particular is then also arranged and optionally held in the setting unit in such a way that it is in operative connection with the sonotrode or can be brought.
  • An additional component is required here, but the accessibility of the setting unit to the components to be joined can sometimes be significantly increased by a typically thin punch, since the sonotrode is typically relatively thick or has a large diameter, but at most a short, thin tip.
  • the invention also relates to a punch riveting device for connecting at least two components by means of a rivet, in which a setting unit according to the invention and a counter holder are arranged in such a way that the at least two components are positioned between the setting unit, there in particular the punch, while the rivet is being pressed in by means of the setting unit. and the counter holder can be arranged, and with a drive by means of which the punch and above the rivet can be acted upon with the force (in the joining direction).
  • the invention also relates to a method for manufacturing a setting unit for a punch riveting device or for manufacturing a punch riveting device with a) a setting unit, into which setting unit a rivet can be or should be introduced and which has a vibration system comprising a vibration converter which can be connected to a vibration generator , a booster and a sonotrode, and a stamp, by means of which the rivet can be acted upon with force in one joining direction and can be introduced into at least two components during a riveting process, and c) a housing unit for the oscillating system.
  • a component that (at the same time) forms the booster and the sonotrode is used for the oscillating system or is introduced into the oscillating system.
  • booster and sonotrode can take place in particular during an initial production of the setting unit or punch riveting device, but also as part of maintenance in which the oscillating system or at least booster and sonotrode are replaced.
  • previous two-part systems for booster and sonotrode can also be replaced in this way by a component proposed within the scope of the invention, which (at the same time) forms booster and sonotrode.
  • a setting unit according to the invention or a punch riveting device according to the invention is expediently used or manufactured in the method.
  • the punch riveting device and the method reference is made at this point to the above statements on the setting unit in order to avoid repetition, which apply here accordingly.
  • a punch riveting device 10 according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment, here as an ultrasonic punch riveting device which can also be used for a method according to the invention.
  • the punch riveting device 10 has a frame 60, which is preferably in the form of a C-frame or C-bracket, on which the individual components of a punch riveting device can be arranged in order to be able to assume the desired position relative to one another.
  • the punch riveting device 10 can, for example, be attached to an arm for movement in space.
  • two possible flange points 61 on the frame 60 are shown as an example, namely at the top right of the frame and on the side in the middle or lower area on the right. It goes without saying that one of these flange points is sufficient, but there can also be several of them so that a desired one can be selected when attaching.
  • the punch riveting device 10 has a joining tool or a setting unit 70, which in turn has an oscillating system 39.
  • the oscillation system 39 here comprises a sonotrode 32 which is operatively connected to an electromechanical oscillation converter 30 via an amplitude amplifier 31 (so-called booster).
  • the vibration converter 30 is in turn connected to a vibration generator 35, here an ultrasonic generator (in the sense of a signal generator), so that the vibration system 39 can be excited to vibrate.
  • the oscillating system 39 is movably arranged in the longitudinal direction, which here corresponds to the joining direction R.
  • the sonotrode 32 and the booster or amplitude amplifier 31 are in this case designed as one component or in one piece, as will be explained in more detail later.
  • a housing unit 40 is provided in which the oscillating system 39 is held and which is fastened to a drive 50. While the oscillating system is mounted in a first or upper section of the housing unit 40 via the booster 31, in particular by means of a clamping ring 41, the oscillating system is mounted in a second or lower section of the housing unit 40 via the sonotrode 32, in particular sliding by means of a plain bearing 42
  • a flange 64 is attached to the housing unit 40, via which the housing unit and thus the oscillating system 39 are connected to the frame 60 such that they can be moved and guided in the joining direction via a guide rail 65.
  • ultrasonic vibrations with an amplitude (distance between the maximum positive and negative amplitude of an oscillation) between 10 ⁇ m and 110 ⁇ m (corresponds to an amplitude of 5 ⁇ m to 55 ⁇ m) and a frequency between 15 kHz and 35 kHz or possibly also higher generated.
  • the ultrasonic generator 35 as a vibration generator can be connected to a computing unit 95 and controlled by it.
  • the oscillating system 39 comprises a stamp 33, for example - like the sonotrode 32 at its free end (in the figure below) - with a round cross section.
  • the punch 33 is designed here as a separate component from the sonotrode 32, i.e. it is not in one piece with the sonotrode 32 or the sonotrode does not assume the function of the punch.
  • the stamp is held on the sonotrode, for example magnetically.
  • the punch 33 is per se a loose component and is mounted within a component 16, which also serves as a guide for the punch 33, and can be guided in the joining direction R.
  • the component 16 serves as a hold-down device that can be pressed against the components 11, 12.
  • the punch 33 can be moved together with the sonotrode 32 upwards or away from the components 11, 12.
  • the drive 50 is coupled to the oscillating system 39, the drive not only serving to push one in of the rivet 20 to apply the force F required in the two components 11, 12, but also to move the oscillating system 39 away again.
  • the drive 50 can be controlled, for example, by means of the computing unit 95.
  • the drive 50 can be, for example, a drive with a ball, roller or planetary screw drive or the like, which is suitable for applying a force F for pressing a rivet 20 as a joining element into the components 11, 12.
  • a counter holder 18 in the form of a die is arranged on the side of the two components 11, 12 opposite the setting unit 70.
  • the setting unit 70 is arranged to be movable in the vertical direction and is movable relative to the die 18.
  • the setting unit or the holding-down device 16 and the die 18 serve to clamp or compress the two components 11, 12 between the setting unit 70 and the die 18 during processing by the punch 33.
  • a spring element 48 is used here to apply a pressure force to the components.
  • the rivet 20 here by way of example a semi-tubular rivet, preferably consists of a material that is harder than the materials of the two components 11, 12, at least in the area of a rivet shank.
  • the flat upper side of the rivet facing away from the component 11 is arranged in operative connection with the punch 33, which rests flat against the upper side of the rivet 20.
  • a feed unit 90 with a profile hose is attached to the setting unit 70, in particular in the area of the hold-down device 16, which is used to feed the rivets. Rivets can be individually inserted into the setting unit 70 via the profile tube if it is not in contact with the components, so that a new rivet is available for each new riveting process.
  • FIGS 2a and 2b oscillating systems of a setting unit not according to the invention and a setting unit according to the invention are shown in a preferred embodiment in comparison.
  • an oscillating system 39 'of a setting unit not according to the invention is shown in FIG Figure 2b on the other hand, an oscillating system 39 of a setting unit according to the invention in a preferred embodiment, as shown for example in FIG Figure 1 is shown.
  • the vibration converter - as it is for example in Figure 1 is designated by 30 - is not shown.
  • an interface 43 for the clamping ring as shown, for example, in FIG Figure 1 is shown, provided.
  • the clamping ring surrounds this interface in a particularly non-positive manner and can thus hold the booster on the housing unit.
  • the booster 31 and the sonotrode 32 are two separate and then joined together, for example screwed, components
  • the booster 31 and the sonotrode 32 in the oscillating system 39 in FIG Figure 2b executed as one component and thus in one piece and from one material.
  • the booster and sonotrode do not each have to be half a wavelength long or have to be designed for it, but that overall only the combined component has to be a wavelength ⁇ long, if it is a lambda sonotrode should act. This simplifies design and manufacture. For further advantages of such a combined booster sonotrode, reference is made at this point to the statements made above.
  • FIG 2b an amplitude A of a longitudinal oscillation which forms in the booster or the sonotrode or the entire oscillation system is plotted. It can be seen here that in the combined booster sonotrode or the lambda sonotrode, two vibration nodes, ie points or areas with no or almost no amplitude, are formed, once in the booster and once in the sonotrode. While the interface 43 for the clamping ring is provided in the vibration account of the booster, the area 44 in which the vibration node of the sonotrode is located is provided for mounting on the aforementioned slide bearing.
  • a production system 100 with a punch riveting device 10 is shown in a simplified and schematic manner in a preferred embodiment as an example of a use of the punch riveting device.
  • the production plant can be, for example, an industrial robot, for example for an automobile body shop.
  • the production plant 100 has a support structure 3 arranged on a floor and two movable arms 4 and 5 arranged thereon, connected to one another.
  • an ultrasonic self-piercing riveting device 10 such as that shown in FIG Figure 1 is shown in more detail, arranged.

Landscapes

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Setzeinheit für eine Stanznietvorrichtung, eine Stanznietvorrichtung mit einer solchen Setzeinheit sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Setzeinheit bzw. einer Stanznietvorrichtung.
    • Stand der Technik
  • Fügeverfahren, wie 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 als Fügeelement mittels eines Fügewerkzeugs bzw. einer Setzeinheit, das einen Stempel umfasst, in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, wobei durch einen entsprechend geformten Gegenhalter, beispielsweise 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.
  • Weiterhin ist bspw. 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. Aus der DE 10 2014 224 600 A1 , welche die Basis für den Oberbegriff der Ansprüche 1 und 12 bildet, and der EP 3 120 951 A1 sind Ultraschall-Stanznietvorrichtungen bekannt, bei denen ein Booster verwendet wird, um Schwingungsamplituden für eine daran angebrachte Sonotrode zu verstärken.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden eine Setzeinheit, eine Stanznietvorrichtung, ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen sowie ein Verfahren zu Herstellen einer Setzeinheit bzw. einer Stanznietvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung geht aus von einer Setzeinheit für eine Stanznietvorrichtung, in welche Setzeinheit ein Niet einbringbar ist, und die ein Schwingsystem umfassend einen (elektromechanischen) Schwingungskonverter, der mit einem (elektrischen) Schwingungserzeuger verbindbar ist, einen Booster (Amplitudenverstärker) und eine Sonotrode sowie einen Stempel, mittels welchem (in der Regel unter Verwendung eines geeigneten Antriebs) der Niet in eine Fügerichtung mit Kraft beaufschlagbar und während eines Nietvorgangs in wenigstens zwei Bauteile einbringbar ist, aufweist. Das Schwingsystem ist in einer Gehäuseeinheit gehalten und insbesondere, zumindest teilweise, auch von dieser umgeben. Typischerweise ist bei einem solchen Schwingsystem der Booster zwischen dem Schwingungskonverter (beispielsweise in Form eines Piezo-Konverters) und der Sonotrode vorgesehen.
  • Bei solchen Setzeinheiten bzw. bei deren Verwendung in einer Stanznietvorrichtung können durch das Schwingsystem Schwingungen erzeugt und über den Stempel in den Niet eingekoppelt werden. Dazu wird der Schwingungskonverter mit einem Schwingungserzeuger, beispielsweise einem Ultraschallgenerator (meist in Form eines Funktionsgenerators) verbunden. Auf diese Weise wird nicht nur die zum Eindrücken des Niets benötigte Kraft reduziert, sondern durch die Schwingungen kann auch die Nietverbindung an sich verbessert werden, beispielsweise durch verbesserten Formschluss oder Hinterschnitt, was zu einer verbesserten Fügepunktausbildung führt.
  • Dabei sollten die drei Komponenten Schwingungskonverter, Booster und Sonotrode fest miteinander verbunden sein. Dies kann beispielsweise mittels eines Gewindestifts, einmal zwischen Schwingungskonverter und Booster und einmal zwischen Booster und Sonotrode erfolgen. Die jeweils nötigen Anzugsmomente hierfür sind typischerweise genau definiert, um eine ordentliche Funktion, also Übertragung und Verstärkung der Schwingung, und eine möglichst lange Lebensdauer zu gewährleisten.
  • Außerdem sollte darauf geachtet werden, dass die Koppelflächen absolut plan und sauber sind. Anschließend sollten die Flächen vor dem Zusammenbau auch leicht mit Öl benetzt werden.
  • Dies führt allerdings zu einem hohen Herstellungs- bzw. Montageaufwand, insbesondere auch bei nachträglichem Austausch solcher Komponenten des Schwingsystems bzw. Austausch des gesamten Schwingsystems. Auch bei einem Tausch der Komponenten müssen nämlich die einzelnen Arbeitsschritte eingehalten werden, damit das Schwingsystem in der vom Generator erzeugten Frequenz mitschwingen kann.
  • Ein Kraftbereich beim Ultraschall-Stanznieten, d.h. ein möglicher Bereich, in dem auftretende Kräfte liegen können, kann je nach Werkstoffkombination mitunter bis zu 50 kN betragen. Bei diesen Kräften besteht die Möglichkeit bzw. die Gefahr, dass die Sonotrode aufgrund von Querkräften einen Versatz erfährt, der im Extremfall auch zur Beschädigung und zum Bruch der Sonotrode führen kann.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Booster und die Sonotrode als ein Bauteil ausgebildet, d.h. einstückig und aus einem Werkstoff hergestellt, sind. Als Werkstoff kommt insbesondere Stahl, bevorzugt gehärteter Stahl, in Betracht. Damit werden die oben erwähnten und bisher auftretenden Nachteile zumindest für die Schnittstelle zwischen Booster und Sonotrode beseitigt, da hier keine Verbindung mehr hergestellt werden muss.
  • Beim Einsatz in einer Serienfertigung müssen die Schwingsysteme bzw. Ultraschall-Schwingsysteme, wie schon erwähnt, meist regelmäßig getauscht werden oder es muss zumindest die Sonotrode zur Nacharbeit getauscht werden. Der hierfür erforderliche Aufwand kann mit der vorgeschlagenen, kombinierten Booster-Sonotrode deutlich reduziert werden. Ebenso wird eine Minimierung möglicher Fehlerquellen erreicht. Bei einem Wechsel im Schwingsystem muss die kombinierte Booster-Sonotrode nur noch am Schwingungskonverter angeschraubt bzw. befestigt werden.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese einteilige Sonotrode aus einem Stück (d.h. aus einem Werkstoff) gefertigt bzw. hergestellt wird, wodurch auch der Aufwand bei der initialen Herstellung von Booster und Sonotrode - bzw. dann der kombinierten Booster-Sonotrode - reduziert wird. Bei einem herkömmlichen, zweiteiligen System bestehen Sonotrode und Booster hingegen in der Regel aus unterschiedlichen Werkstoffen. Dadurch ergeben sich bei einem Wechsel der Komponenten unterschiedliche Längentoleranzen, die im Extremfall mehrere Millimeter betragen können. Bei der vorgeschlagenen einteiligen Lösung hingegen kann diese Längentoleranz auf wenige zehntel Millimeter reduziert werden.
  • Zweckmäßigerweise ist das Schwingsystem über den Booster in einem ersten Abschnitt der Gehäuseeinheit gelagert, insbesondere mittels eines zumindest im Wesentlichen in einem Schwingungsknoten des Boosters (bevorzugt im bzw. möglichst genau im Schwingungsknoten) angreifenden Lagermittels, insbesondere eines Klemmrings, d.h. eines den Booster kraftschlüssig umgebenden (=einklemmenden) Rings. Besonders bevorzugt ist das Schwingsystem über den Booster dabei fest in dem ersten Abschnitt der Gehäuseeinheit gelagert, d.h. diejenige Stelle des Schwingsystems, mit der es an der Gehäuseeinheit bzw. dem Lagermittel anliegt, kann sich in keiner Richtung relativ zur Gehäuseeinheit bewegen (Festlager). Damit kann eine effektive Kraftübertragung von einem Antrieb einer Stanznietvorrichtung auf das Schwingsystem und darüber auf den Niet erreicht werden.
  • Besonders bevorzugt ist es auch, wenn das Schwingsystem über die Sonotrode in einem zweiten Abschnitt der Gehäuseeinheit gelagert ist, und zwar insbesondere zusätzlich zu der erwähnten Lagerung im ersten Abschnitt. Das Schwingsystem ist bzw. wird hierbei insbesondere mittels eines in einem Bereich eines Schwingungsknotens der Sonotrode angreifenden Lagermittels, insbesondere eines Gleitlagers, in dem zweiten Abschnitt der Gehäuseeinheit gelagert, und zwar insbesondere lose (z.B. gleitend), d.h. diejenige Stelle des Schwingsystems, mit der es an der Gehäuseeinheit bzw. dem Lagermittel anliegt, kann sich nur in Fügerichtung relativ zur Gehäuseeinheit bewegen (Loslager). Damit kann eine effektive Stabilität gegenüber Querkräften erreicht werden.
  • Auf diese Weise kann die Quer-Auslenkung der Sonotrode (bzw. der kombinierten Booster-Sonotrode) bei den typischerweise sehr hohen Kräften besonders gut reduziert werden. Diese zusätzliche Lagerung ist, wie erwähnt, zweckmäßigerweise ebenfalls im Bereich eines Schwingungsknotens der Sonotrode angeordnet. Unter einem solchen Bereich ist dabei zu verstehen, dass eine exakte Lagerung im Schwingungsknoten typischerweise nicht möglich ist, da sich die Sonotrode, zumal bei einer festen Lagerung im erwähnten ersten Bereich, auf Höhe des zweiten Bereichs in Fügerichtung gesehen leicht auf und ab bewegen kann. Für die zweite Lagerung bzw. Lagerstelle kann z.B. ein Kunststoff-Gleitlager verwendet werden. Solche Gleitlager bestehen beispielsweise aus einem Basis-Polymer mit Zusätzen von Glasfasern, unterschiedlichen Füllmaterialien und Festschmierstoffen.
  • Eine solche Lagerung in einem Schwingungsknoten der Sonotrode hat zudem den Vorteil, dass an dieser Stelle keine oder zumindest fast keine longitudinalen Schwingungsamplituden auftreten und dadurch eine Belastung für das Gleitlager sehr gering ist. Aufgrund der zweifachen Lagerung ist die Sonotrode außerdem besser gegen Beschädigung und Bruch geschützt, wodurch sich höhere Standzeiten ergeben.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn der Booster und die Sonotrode bzw. das sie bildendende Bauteil als eine Lambda-Sonotrode ausgebildet sind. Unter eine Lambda-Sonotrode ist zu verstehen, dass die Länge der kombinierten Booster-Sonotrode genau bzw. zumindest möglichst genau einer Wellenlänge der betreffenden Schwingungen entspricht. Mit einer Lambda-Sonotrode ist dabei eine besonders effektive Übertragung der Schwingungen möglich.
  • Anzumerken ist hierbei, dass theoretisch zwar auf den Booster und die Sonotrode jeweils eine halbe Wellenlänge bzw. Lambda-Halbe entfällt, aufgrund der einstückigen Ausführung von Booster und Sonotrode eine solche Unterscheidung allerdings nicht mehr nötig bzw. mitunter auch gar nicht mehr gewünscht ist. Möglicherweise lassen sich aber unterschiedliche Bereiche der kombinierten Booster-Sonotrode anhand ihrer Form oder Durchmesser unterscheiden.
  • Vorzugsweise ist der Stempel (der Setzeinheit) als Teil der Sonotrode ausgebildet. Mit anderen Worten wird also die Sonotrode zugleich als Stempel verwendet, sodass die Sonotrode direkt mit dem Niet in Kontakt gebracht. Ein separater Stempel ist damit nicht nötig.
  • Alternativ ist es jedoch bevorzugt, wenn der Stempel als eine von der Sonotrode getrennte Komponente ausgebildet ist, und insbesondere dann auch in der Setzeinheit derart angeordnet und ggf. gehalten ist, dass er mit der Sonotrode in Wirkverbindung steht oder bringbar ist. Hierbei ist zwar ein zusätzliches Bauteil nötig, allerdings kann durch einen typischerweise dünnen Stempel die Zugänglichkeit der Setzeinheit zu zu fügenden Bauteilen mitunter deutlich erhöht werden, da die Sonotrode typischerweise verhältnismäßig dick ist bzw. einen großen Durchmesser aufweist, hingegen allenfalls eine kurze, dünne Spitze.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Stanznietvorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Niets, bei der eine erfindungsgemäße Setzeinheit und ein Gegenhalter derart angeordnet sind, dass die wenigstens zwei Bauteile während des Eindrückens des Niets mittels der Setzeinheit zwischen der Setzeinheit, dort insbesondere dem Stempel, und dem Gegenhalter anordenbar sind, und mit einem Antrieb, mittels dessen der Stempel und darüber der Niet mit der Kraft (in Fügerichtung) beaufschlagbar sind.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin Verfahren zum Herstellen einer Setzeinheit für eine Stanznietvorrichtung oder zum Herstellen einer Stanznietvorrichtung mit a) einer Setzeinheit, in welche Setzeinheit ein Niet einbringbar ist bzw. einbringbar sein soll und die ein Schwingsystem umfassend einen Schwingungskonverter, der mit einem Schwingungserzeuger verbindbar ist, einen Booster und eine Sonotrode, und einen Stempel, mittels welchem der Niet in eine Fügerichtung mit Kraft beaufschlagbar und während eines Nietvorgangs in wenigstens zwei Bauteile einbringbar ist, aufweist, und c) einer Gehäuseeinheit für das Schwingsystem. Hierbei wird ein Bauteil, das (zugleich) den Booster und die Sonotrode bildet, für das Schwingsystem verwendet oder in das Schwingsystem eingebracht.
  • Dies kann insbesondere bei einer initialen Herstellung der Setzeinheit bzw. Stanznietvorrichtung erfolgen, genauso aber auch im Rahmen einer Wartung, bei welcher das Schwingsystem oder zumindest Booster und Sonotrode getauscht werden. Insbesondere können auf diese Weise auch bisherige, zweiteilige Systeme für Booster und Sonotrode durch ein im Rahmen der Erfindung vorgeschlagenes Bauteil, das (zugleich) Booster und Sonotrode bildet, ersetzt werden.
  • Zweckmäßigerweise wird bei dem Verfahren eine erfindungsgemäße Setzeinheit oder eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung verwendet bzw. hergestellt. Hinsichtlich der Vorteile und weiterer Ausgestaltungen der Stanznietvorrichtung sowie des Verfahrens sei an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen zur Setzeinheit verwiesen, die hier entsprechend gelten.
  • 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 schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
    Figuren 2a und 2b
    zeigen Schwingsysteme einer nicht erfindungsgemäßen und einer erfindungsgemäßen Setzeinheit in einer bevorzugten Ausführungsform im Vergleich.
    Figur 3
    zeigt schematisch eine Fertigungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung.
    Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
  • In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, hier als Ultraschall-Stanznietvorrichtung, die auch für ein erfindungsgemäßes Verfahren verwendet werden kann. 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 angeordnet sein können, um die gewünschte Position zueinander einnehmen zu können.
  • Über den Rahmen 60 kann die Stanznietvorrichtung 10 beispielsweise an einem Arm zur Bewegung im Raum befestigt sein. Hierzu sind beispielhaft zwei mögliche Anflanschstellen 61 am Rahmen 60 gezeigt, und zwar oben rechts am Rahmen sowie auf der Seite im mittleren bzw. unteren Bereich rechts. Es versteht sich, dass eine dieser Anflanschstellen ausreicht, es können jedoch auch mehrere davon vorhanden sein, sodass beim Anbringen eine gewünschte ausgewählt werden kann.
  • Die Stanznietvorrichtung 10 weist ein Fügewerkzeug bzw. eine Setzeinheit 70 auf, welche wiederum ein Schwingsystem 39 aufweist. Das Schwingsystem 39 umfasst hier eine Sonotrode 32, die über einen Amplitudenverstärker 31 (sog. Booster) mit einem elektromechanischen Schwingungskonverter 30 wirkverbunden ist. Der Schwingungskonverter 30 wiederum ist an einen Schwingungserzeuger 35, hier einen Ultraschallgenerator (im Sinne eines Signalgenerators), angeschlossen, sodass das Schwingsystem 39 zum Schwingen angeregt werden kann. Das Schwingsystem 39 ist in Längsrichtung, die hier der Fügerichtung R entspricht, beweglich angeordnet. Die Sonotrode 32 und der Booster bzw. Amplitudenverstärker 31 sind hierbei als ein Bauteil bzw. einstückig ausgebildet, wie später noch näher erläutert wird.
  • Weiterhin ist eine Gehäuseeinheit 40 vorgesehen, in der das Schwingsystem 39 gehalten ist und die an einem Antrieb 50 befestigt ist. Während das Schwingsystem über den Booster 31 in einem ersten bzw. oberen Abschnitt der Gehäuseeinheit 40 gelagert ist, und zwar insbesondere mittels eines Klemmrings 41, ist das Schwingsystem über die Sonotrode 32 in einem zweiten bzw. unteren Abschnitt der Gehäuseeinheit 40 gelagert, und zwar insbesondere gleitend mittels eines Gleitlagers 42
  • An der Gehäuseeinheit 40 ist ein Flansch 64 angebracht, über den die Gehäuseeinheit und damit das Schwingsystem 39 über eine Führungsschiene 65 in Fügerichtung beweglich und führbar mit dem Rahmen 60 verbunden ist.
  • Insbesondere werden bei dem Schwingsystem 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. Der Ultraschallgenerator 35 als Schwingungserzeuger kann an eine Recheneinheit 95 angebunden und von dieser angesteuert werden.
  • Weiterhin umfasst das Schwingsystem 39 einen Stempel 33, beispielhaft - wie auch die Sonotrode 32 an ihrem freien Ende (in der Figur unten) - mit einem runden Querschnitt. Der Stempel 33 ist hier als von der Sonotrode 32 getrennte Komponente ausgebildet, d.h. er ist nicht einstückig mit der Sonotrode 32 bzw. die Sonotrode übernimmt nicht die Funktion des Stempels. Der Stempel ist jedoch an der Sonotrode gehalten, beispielsweise magnetisch.
  • Der Stempel 33 ist an sich eine lose Komponente und ist innerhalb einer Komponente 16, die auch als Führung für den Stempel 33 dient, gelagert und in Fügerichtung R führbar. Außerdem dient die Komponente 16 als Niederhalter, der gegen die Bauteile 11, 12 gedrückt werden kann.
  • Zudem kann der Stempel 33 auf diese Weise zusammen mit der Sonotrode 32 nach oben bzw. von den Bauteilen 11, 12 wegbewegt werden. Hierzu ist der Antrieb 50 mit dem Schwingsystem 39 gekoppelt, wobei der Antrieb nicht nur dazu dient, eine zum Eindrücken des Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F aufzubringen, sondern auch das Schwingsystem 39 wieder wegzubewegen. Der Antrieb 50 kann beispielsweise mittels der Recheneinheit 95 gesteuert werden.
  • 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 eines Niets 20 als Fügeelement in die Bauteile 11, 12 aufzubringen.
  • Auf der der Setzeinheit 70 gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist ein Gegenhalter 18 in Form einer Matrize angeordnet. Die Setzeinheit 70 ist in vertikaler Richtung beweglich angeordnet und relativ zur Matrize 18 bewegbar. Die Setzeinheit bzw. der Niederhalter 16 und die Matrize 18 dienen dazu, die beiden Bauteile 11, 12 zwischen der Setzeinheit 70 und der Matrize 18 während der Bearbeitung durch den Stempel 33 einzuspannen bzw. zusammenzudrücken. Ein Federelement 48 dient hier zum Aufbringen einer Andrücckraft auf die Bauteile.
  • 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 33 angeordnet, der an der Oberseite des Niets 20 flächig anliegt.
  • Weiterhin ist an der Setzeinheit 70, insbesondere im Bereich des Niederhalters 16, eine Zuführeinheit 90 mit einem Profilschlauch angebracht, die der Zuführung der Niete dient. Über den Profilschlauch können Niete einzeln in die Setzeinheit 70 eingebracht werden, wenn diese nicht an den Bauteilen anliegt, sodass für jeden neuen Nietvorgang ein neuer Niet zur Verfügung steht.
  • In Figuren 2a und 2b sind Schwingsysteme einer nicht erfindungsgemäßen und einer erfindungsgemäßen Setzeinheit in einer bevorzugten Ausführungsform im Vergleich dargestellt. In Figur 2a ist ein Schwingsystem 39' einer nicht erfindungsgemäßen Setzeinheit gezeigt, in Figur 2b hingegen ein Schwingsystem 39 einer erfindungsgemäßen Setzeinheit in einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie beispielsweise in Figur 1 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass in beiden Fällen der Schwingungskonverter - wie er beispielsweise in Figur 1 mit 30 bezeichnet ist - nicht dargestellt ist.
  • An dem Booster 31 ist - in beiden Fällen - in etwa mittig jeweils eine Schnittstelle 43 für den Klemmring, wie er beispielsweise in Figur 1 gezeigt ist, vorgesehen. Der Klemmring umgibt diese Schnittstelle im eingebauten Zustand insbesondere kraftschlüssig und kann so den Booster an der Gehäuseeinheit halten.
  • Während bei dem Schwingsystem 39' in Figur 2a der Booster 31 und die Sonotrode 32 zwei getrennte und dann zusammengefügte, beispielsweise verschraubte, Bauteile sind, sind der Booster 31 und die Sonotrode 32 beim Schwingsystem 39 in Figur 2b als ein Bauteil und damit einstückig und aus einem Werkstoff ausgeführt.
  • Der Vorteil des Schwingsystems 39 in Figur 2b ist dabei, von der nicht nötigen Verbindung zweier einzelner Bauteile abgesehen, dass Booster und Sonotrode nicht jeweils eine halbe Wellenlänge lang sein müssen bzw. darauf ausgelegt werden müssen, sondern dass insgesamt nur das kombinierte Bauteil eine Wellenlänge λ lang sein muss, sofern es sich um eine Lambda-Sonotrode handeln soll. Dies erleichtert die Auslegung und die Herstellung. Für weitere Vorteile einer solchen kombinierten Booster-Sonotrode sei an dieser Stelle auf die Ausführungen weiter oben verwiesen.
  • Weiterhin ist in Figur 2b eine Amplitude A einer longitudinalen Schwingung, die sich in dem Booster bzw. der Sonotrode bzw. dem gesamten Schwingsystem ausbildet, aufgetragen. Hierbei ist zu sehen, dass sich in der kombinierten Booster-Sonotrode bzw. der Lambda-Sonotrode zwei Schwingungsknoten, d.h. Punkte oder Bereiche mit keiner bzw. fast keiner Amplitude, ausbilden, einmal im Booster und einmal in der Sonotrode. Während die Schnittstelle 43 für den Klemmring in dem Schwingungskonten des Boosters vorgesehen ist, ist der Bereich 44, in dem der Schwingungsknoten der Sonotrode liegt, für die Lagerung an dem schon erwähnten Gleitlager vorgesehen.
  • In Figur 3 ist vereinfacht und schematisch eine Fertigungsanlage 100 mit einer Stanznietvorrichtung 10 in einer bevorzugten Ausführungsform als Beispiel für eine Verwendung der Stanznietvorrichtung dargestellt. Bei der Fertigungsanlage kann es sich beispielsweise um einen Industrieroboter, beispielsweise für einen automobilen Karosseriebau, handeln.
  • Die Fertigungsanlage 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 Ultraschall-Stanznietvorrichtung 10, wie sie beispielsweise in Figur 1 detaillierter gezeigt ist, angeordnet.

Claims (12)

  1. Setzeinheit (70) für eine Stanznietvorrichtung (10), in welche Setzeinheit (70) ein Niet (20) einbringbar ist, mit einem Schwingsystem (39) umfassend einen Schwingungskonverter (30), der mit einem Schwingungserzeuger (35) verbindbar ist, einen Booster (31) und eine Sonotrode (32), und einen Stempel (33), mittels welchem der Niet (20) in eine Fügerichtung mit Kraft (F) beaufschlagbar und während eines Nietvorgangs in wenigstens zwei Bauteile (11, 12) einbringbar ist, und mit einer Gehäuseeinheit (40) für das Schwingsystem (39),
    dadurch gekennzeichnet, dass der Booster (31) und die Sonotrode (32) als ein einteiliges, aus einem Stück hergestelltes Bauteil ausgebildet sind.
  2. Setzeinheit (70) nach Anspruch 1, wobei das Schwingsystem (39) über den Booster (31) in einem ersten Abschnitt der Gehäuseeinheit (40) gelagert ist.
  3. Setzeinheit (70) nach Anspruch 2, wobei das Schwingsystem (39) mittels eines zumindest im Wesentlichen in einem Schwingungsknoten des Boosters (31) angreifenden Lagermittels (41), insbesondere Klemmrings, in dem ersten Abschnitt der Gehäuseeinheit (40) gelagert ist
  4. Setzeinheit (70) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Schwingsystem (39) über den Booster (31) fest in dem ersten Abschnitt der Gehäuseeinheit (40) gelagert ist.
  5. Setzeinheit (70) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Schwingsystem (39) über die Sonotrode (32) in einem zweiten Abschnitt der Gehäuseeinheit (40) gelagert ist.
  6. Setzeinheit (70) nach Anspruch 5, wobei das Schwingsystem (39) mittels eines in einem Bereich eines Schwingungsknotens der Sonotrode (32) angreifenden Lagermittels (42), insbesondere Gleitlagers, in dem zweiten Abschnitt der Gehäuseeinheit (40) gelagert ist.
  7. Setzeinheit (70) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Schwingsystem (39) über die Sonotrode (32) lose in dem zweiten Abschnitt der Gehäuseeinheit (40) gelagert ist.
  8. Setzeinheit (70) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Booster (31) und die Sonotrode (32) als eine Lambda-Sonotrode ausgebildet sind.
  9. Setzeinheit (70) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stempel als Teil der Sonotrode (32) ausgebildet ist.
  10. Setzeinheit (70) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Stempel (33) als eine von der Sonotrode (32) getrennte Komponente ausgebildet und insbesondere in der Setzeinheit (70) derart angeordnet ist, dass er mit der Sonotrode (32) in Wirkverbindung steht oder bringbar ist.
  11. Stanznietvorrichtung (10) zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile (11, 12) mittels eines Niets (20), bei der eine Setzeinheit (70) nach einem der vorstehenden Ansprüche und ein Gegenhalter (18) derart angeordnet sind, dass die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) während des Eindrückens des Niets (20) mittels der Setzeinheit (70) zwischen der Setzeinheit (70) und dem Gegenhalter (18) anordenbar sind, und
    mit einem Antrieb (50), mittels dessen der Stempel (33) und darüber der Niet (20) mit der Kraft (F) beaufschlagbar sind.
  12. Verfahren zum Herstellen einer Setzeinheit (70) für eine Stanznietvorrichtung (10) oder einer Stanznietvorrichtung (10) mit einer Setzeinheit (70),
    in welche Setzeinheit (70) ein Niet (20) einbringbar ist und welche
    a) ein Schwingsystem (39) umfassend
    - einen Schwingungskonverter (30), der mit einem Schwingungserzeuger (35) verbindbar ist,
    - einen Booster (31) und eine Sonotrode (32), und
    - einen Stempel (33), mittels welchem der Niet (20) in eine Fügerichtung mit Kraft (F) beaufschlagbar und während eines Nietvorgangs in wenigstens zwei Bauteile (11, 12) einbringbar ist, und
    b) eine Gehäuseeinheit (40) für das Schwingsystem (39) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein einteiliges, aus einem Stück hergestelltes Bauteil, das den Booster (31) und die Sonotrode (32) bildet, für das Schwingsystem (39) verwendet oder in das Schwingsystem (39) eingebracht wird.
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