-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Bodendicke von
Clinchpunkten einer Clinchverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Bodendicke von Clinchpunkten
einer Clinchverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
-
Clinchen
ist mechanisches Fügen
von Blech-, Rohr- oder Profilteilen durch gemeinsames, punktuelles
Durchsetzen und anschließendes
Stauchen der Fügeteilwerkstoffe.
Unter der Wirkung eines Stempels und einer Matrize entstehen aus
den Fügeteilwerkstoffen
formschlüssige
Clinchpunkte, die auch Kraftschlussanteile enthalten. Beim Clinchen wird
durch einen Umformvorgang u. a. die Ausgangsblechdicke auf etwa
1/4 reduziert. Die erreichte Materialdicke im Zentrum des Clinchpunktes
wird als Bodendicke bezeichnet. Sie wird in der industriellen Praxis
als Kontrollmaß für die Qualität der Verbin dung
verwendet. Mit entsprechenden Messmitteln kann die Bodendicke im
Anschluss an den Clinchvorgang an jedem einzelnen Punkt manuell
gemessen werden.
-
Um
die Qualität
der Clinchverbindung zu prüfen,
werden deshalb oft stichprobenartig Teile aus der Fertigung entnommen,
um manuell die Bodendicke zu messen. Automatische Messverfahren
für die
Bodendicke sind nicht bekannt, weder für das Messen nach dem Clinchvorgang
(off-line) noch für
das Messen während
des Clinchvorgangs (on-line).
-
Aus
der
DE 43 31 403 A1 ist
ein Verfahren zum Verbinden dünner
Platten und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt.
Dazu wird mittels eines Stempels eine Preßkraft auf die auf einer Matrize
liegenden Platten ausgeübt.
Die Preßkraft
wird bei wenigstens einer Stellung des Stempels gemessen und ausgewertet,
indem sie z. B. mit vorgegebenen Minimal- und Maximalwerten verglichen wird
oder gleichzeitig ein Arbeitshub ausgewertet wird.
-
Aus
der
DE 199 01 015
A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum umformtechnischen
Fügen von
Teilen bekannt. Auch hier werden prozeßrelevante Parameter erfasst
und zur Steuerung, Regelung, Überwachung
und Auswertung verwendet.
-
Aus
BODMER, Peter: Integration der Prüftechnik in die Fertigung beim
Nieten und Fügen.
In: Maschinenmarkt, 1997, Bd. 103, S. 50–54 ist es ebenfalls bekannt
prozeßrelevante
Parameter zu erfassen und auszuwerten, um reproduzierbare Fertigungsergebnisse
zu erzielen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur automatischen Ermittlung der Bodendicke aus während des Clinchvorgangsvorgangs
(on-line) gemessenen Signalen anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 durch die Merkmale dieses Anspruchs und bei einer Vorrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5 durch die Merkmale jenes Anspruchs
gelöst.
-
Weiterbildungen
und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen
Unteransprüchen.
-
Da
eine direkte Zugänglichkeit
des Clinchpunktes während
des Clinchprozesses grundsätzlich nicht
und nach dem Clinchprozess wegen komplizierter Lage des Messortes
oft nur schwer möglich
ist, wird mit der Erfindung der Weg beschritten, durch Auswertung
geeigneter Ersatzgrößen, im
vorliegend Fall durch Auswertung von Prozesssignalen, auf die Bodendicke
zu schließen.
Dadurch ist eine lückenlose
Bodendickenprüfung
aller Clinchpunkte noch während
der Produktion möglich.
Fehler können
sofort erkannt und gegebenenfalls Abhilfemaßnahmen getroffen werden. Der
Ausschuß an
fehlerhaften Teilen wird so erheblich reduziert und die sonst erforderliche
zeitaufwendige Nachprüfung
entfällt.
-
Der
Berechnungsalgorithmus umfasst wenigstens zwei Summanden, von denen
der eine Summand aus dem Produkt aus einem Federungskoeffizienten
einer Clinchanlage und der Differenz aus einer aktuellen Maximalkraft
und einer Maximalkraft eines Referenzhubes gebildet ist und der
andere Summand aus dem Produkt aus einem Federungskoeffizienten
einer Fügeteil-Gesamtblechdicke
und der Differenz aus einer aktuell ermittelten Gesamtblechdicke
und einer Gesamtblechdicke eines Referenzhubes gebildet ist.
-
Dieser
Berechnungsalgorithmus beruht auf folgenden Überlegungen. Die beim fehlerfreien
Clinchvorgang erreichte Bodendicke ist von einer Reihe von Fertigungsparametern
abhängig.
Diese können in
unterschiedliche Einflussgrößen eingeteilt
werden:
- – elastische
Deformation der Werkzeuge z. B. Stempel und Matrize)
- – elastische
Deformation der Clinchanlage (z. B. Auffederung eines C-Bügels, elastische
Deformation der Werkzeughalter und des Antriebsstößels)
- – elastisches
und plastisches Verhalten der Fügeteilwerkstoffe
- – Materialkennwerte
der Fügeteilwerkstoffe (Blechwerkstoffe)
- – tribologische
Bedingungen zwischen Fügeteilwerkstoff
und Werkzeugwirkflächen
- – tribologische
Bedingungen zwischen den Fügeteiloberflächen
- – Umformgeschwindigkeit
- – Umformtemperatur
-
Die
Federkonstante der Clinchanlage kann unter der Voraussetzung, dass
keine plastischen Verformungen an einem der Anlagen- oder Werkzeugbauteile,
z. B. bei Überlastung,
auftreten als linear angesehen werden. Sie setzt sich aus den Federkonstanten
des Clinchwerkzeugs, der Werkzeughalter, des Stößels sowie des Clinchrahmens,
z. B. C-Gestells oder Zangenschenkel, zusammen. Damit ist die bei
einer bestimmten Fügekraft
auftretende Auffederung des Gesamtsystems proportional zum Kraftbedarf.
Dies gilt im Besonderen für
die maximale Fügekraft,
die die am Clinchpunkt auftretende Bodendicke wesentlich beeinflusst.
-
Sollten
Veränderungen
in der Federsteifigkeit der Clinchanlage auftreten, z. B. Reißen des C-Gestells,
plastische Verformung von Systemkomponenten, können diese Veränderungen
durch einen Kalibrierhub erkannt werden. Beim Aufsetzen auf einen
Kalibrierkörper
mit festgelegten geometrischen Abmessungen und einer definierten
Kraft, muss die Gesamtanlage um einen bestimmten Betrag auffedern.
Liegen größere Auffederungen
als zum Produktionsbeginn vor, haben sich die Federeigenschaften der
Anlage verändert.
Dies kann als neue Federkoeffizienten dann entsprechend in die Berechnung
einbezogen werden oder die Anlage wird z. B. durch Reparatur wieder
in den Ausgangszustand gebracht.
-
Der
Berechnungsalgorithmus zur Ermittlung der Bodendicke geht von einem
Referenzarbeitshub oder mehreren Referenzarbeitshüben aus,
wobei die Prozesssignale erfasst, geeignete Kennwer te ermittelt
und die zugehörigen
Federungskoeffizienten derart bestimmt werden, dass der Zusammenhang
zwischen der Bodendicke und den erfassten Prozesssignalen für diese
Clinchaufgabe exakt bestimmt wird. Alternativ könnten die Federungskoeffizienten
auch mittels FEM-Rechnungen vorausberechnet oder aus Erfahrungen
mit baugleichen Bügeln übertragen
werden.
-
Für die Auffederung
der Clinchanlage wird ein Koeffizient K bestimmt, der bei größeren Clinchkräften zu
größerer Auffederung
führt und
damit eine größere Bodendicke
ergibt. Der Koeffizient K2 korrigiert die
Bodendicke in Abhängigkeit
von der Ausgangsblechdicke. Diese kann z. B. aus dem Wegpunkt des
ersten Kraftanstiegs ermittelt werden. Entsprechend größere Bodendicken
werden bei größeren Blechdicken
auftreten. Weitere Koeffizienten könnten z. B. für die Festigkeit
des Werkstoffs eingeführt
werden, der z.B. über
die Steilheit des Kraftanstiegs während der Umformung ermittelt
werden kann.
-
Damit
ergibt sich eine allgemeine Formel zur Berechnung der Bodendicke
in Abhängigkeit
von den verwendeten Prozesssignalen. Der Berechnungsalgorithmus
kann auf beliebige Clinchwerkzeuge mit und ohne bewegliche Werkzeugteile
unterschied lichen Typs angewandt werden. Für Mehrpunktwerkzeuge ist eine
Kraftmessung für
jeden Clinchpunkt erforderlich. In diesem Fall kann eine gemeinsame Wegmessung
an der Clinchanlage ausreichend sein. Weitere Korrekturkoeffizienten
z. B. Festigkeitseinfluss können
in den Berechnungsalgorithmus eingefügt werden.
-
Zur
Fehlererkennung sind z. B. Kraft- oder Drucksignale in Verbindung
mit Weg- und/oder Winkelsignalen oder der Zeit während des Clinchvorgangs geeignet,
die Rückschlüsse über die
erreichte Bodendicke zulassen. Derartige Signale lassen sich ohne
Eingriff in den Clinchprozess gewinnen.
-
Wenn
eine Überwachung
des Clinchprozesses zur Erkennung von Prozessstörungen bereits durch die Erfassung
und Auswertung prozessbedingter Kraft- bzw. Drucksignale erfolgt,
die vorzugsweise über
dem Umformweg oder zeitabhängig
erfasst werden, können
die hierfür
benötigten
Sensoren mitbenutzt werden. Die Sensoren werden an geeigneten Messorten
der Clinchanlage befestigt, die Sensorsignale über Messverstärker aufbereitet
und einer rechnergesteuerten Auswerteeinheit zugeführt. Dort
können
mit geeigneten Auswertealgorithmen Störun gen des Clinchvorgangs erfasst
und eine geeignete Reaktorik angesteuert werden.
-
Ergänzend kann
der Berechnungsalgorithmus Potenzwerte umfassen, mit denen die Differenz aus
einer aktuellen Maximalkraft und einer Maximalkraft eines Referenzhubes
und die Differenz aus einer aktuell ermittelten Gesamtblechdicke
und einer Gesamtblechdicke eines Referenzhubes potenziert werden.
-
Hierdurch
kann ein nicht-lineares Verhalten der Clinchanlage sowie des Fügeteilwerkstoffes
berücksichtigt
werden.
-
Weiter
kann der Berechnungsalgorithmus einen weiteren Summanden umfassen,
der eine Abweichung einer Endlage eines Clinchwerkzeugs der Clinchanlage
korrigiert.
-
Mittels
eines geeigneten Aufnehmers wird die Position des Stößels im
unteren Umkehrpunkt erfasst. Da derartige Clinchsysteme in der Regel
mit einem wegbegrenzten Antriebsstößel arbeiten, kann im Normalfall
davon ausgegangen werden, dass der Antriebsstößel immer eine definierte unterste
Position erreicht. Nur wenn nicht ausreichend Umformenergie vorhanden
ist, z. B. bei einem Defekt im Antriebssystem, wie Druckab fall am
Antriebskolben oder fehlerhaften Fügeteilen, die höhere Festigkeit, größere Materialdicke
oder zusätzliche
Materiallagen aufweisen, kann eine abweichende Stößelposition oberhalb
der Stößelwegbegrenzung
auftreten. Derartige Veränderungen
können
z. B. durch eine Wegmessung erfasst und in die Berechnung der Bodendicke
einbezogen werden.
-
Der
Widerstand, den das umzuformende Material dem Clinchwerkzeug entgegen
bringt, kann durch Kraft- oder Drucksignale erfassende Sensoren z.
B. bei hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Anlagen erfasst
werden. Für
die Hubmessung des Clinchwerkzeugs eignen sich Weg- oder Winkelsensoren.
Alternativ oder ergänzend
kann auch eine Zeitmessvorrichtung vorgesehen sein.
-
Vorzugsweise
bestehen die Kraft- oder Drucksignale erfassende Sensoren aus piezoelektrischen
Sensoren oder aus DMS-Aufnehmern.
Diese können
ohne Veränderung
der mechanischen und dynamischen Eigenschaften der Clinchanlage
angebracht werden.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
-
1 einen
Querschnitt durch einen Clinchpunkt,
-
2a–d eine
schematische Darstellung eines Clinchvorganges mit einem Clinchwerkzeug
in vier Phasen des Clinchvorganges,
-
3 eine
Bildschirmdarstellung eines Kraft- und Wegverlaufs eines Clinchwerkzeugs über der
Zeit und
-
4 eine
Bildschirmdarstellung eines Kraftverlaufs von aktueller und gemessener
Kraft eines Clinchwerkzeugs über
dem Weg.
-
1 zeigt
einen Querschnitt durch einen Clinchpunkt 10 bei zwei miteinander
verbundenen Blechen 12 und 14. Beim Clinchen wird
durch einen Umformvorgang u. a. die Ausgangsblechdicke auf etwa
1/4 reduziert und ein Hinterschnitt 16 erzielt. Die erreichte
Materialdicke im Zentrum 18 des Clinchpunktes 10 wird
als Bodendicke bezeichnet.
-
2a–d zeigt
schematische Darstellung eines Clinchvorganges mit einem Clinchwerkzeug
in vier Phasen des Clinchvorganges. Das Clinchwerkzeug besteht aus
einem Stempel 20 und einer Matrize 22, zwischen
denen sich mindestens zwei miteinander zu verbindende Bleche 12 und 14 befinden. Die
Matrize 22 umfasst mindestens zwei bewegliche Matrizenteile 24,
die über
Federn 26 an den Amboß gedrückt werden
und zur Unterstützung
der Ausformung eines Hinterschnitts der Bleche 12 und 14 beim Umformvorgang
dienen.
-
2a zeigt als Phase 1 die Ausgangsposition
von Stempel 20 und Matrize 22. 2b zeigt
als Phase 2 (Beginn der Durchsetzphase) das Aufsetzen von Stempel 20 und
Matrize 22 auf die Bleche 12 und 14. 2c zeigt als Phase 3 (Durchsetz-/Stauchphase) das
Umformen der Bleche 12 und 14 durch Zusammenfahren
von Stempel 20 und Matrize 22. 2c zeigt
als Phase 4 das Zurückfahren
von Stempel 20 und Matrize 22 in die Ausgangsposition und
den fertigen Clinchpunkt 10.
-
3 zeigt
eine Bildschirmdarstellung eines Kraft- und Wegverlaufs eines Clinchwerkzeugs über der
Zeit. Dabei sind die vier Phasen des Clinchvorganges entsprechend 2a–d
zur Veranschaulichung eingezeichnet. Der eigentliche Clinchvor gang findet
in den Phasen 2 und 3 statt und der in diesen Phasen ausgeführte Hub
entspricht der Differenz zwischen Anfang der Phase 2 und Ende der
Phase 3. Um aus dem Hub die Bodendicke zu errechnen, wird ein Berechnungsalgorithmus
angewandt, der wenigstens zwei Summanden umfasst. Der eine Summand
ist aus dem Produkt aus einem Federungskoeffizienten einer Clinchanlage
und der Differenz aus einer aktuellen Maximalkraft und einer Maximalkraft eines
Referenzhubes gebildet. Der andere Summand ist aus dem Produkt aus
einem Federungskoeffizienten einer Fügeteil-Gesamtblechdicke und
der Differenz aus einer aktuell ermittelten Gesamtblechdicke und
einer Gesamtblechdicke eines Referenzhubes gebildet.
-
4 zeigt
eine Bildschirmdarstellung eines Kraftverlaufs von aktueller und
gemittelter Kraft eines Clinchwerkzeugs über dem Weg. Auch hier sind
wieder die vier Phasen des Clinchvorganges entsprechend 2a–d
zur Veranschaulichung eingezeichnet. In Phase 3 ist erkennbar, dass
der Kraftverlauf aufgrund der zunehmenden Verfestigung des Fügeteilmaterials
während
des Clinchvorganges ansteigt.