DE102014208989A1 - Verfahren zum Direktverschrauben von Bauteilen, insbesondere zum Fließlochschrauben sowie Vorrichtung zum Direktverschrauben von Bauteilen - Google Patents

Abstract

Bei dem Verfahren zum Direktverschrauben, insbesondere zum Fließlochschrauben, wird in einem ersten Prozessabschnitt (I) in einem Bauteil (6) ein Loch spanlos erzeugt und in einem zweiten Prozessabschnitt (II) wird ein Gewinde mit Hilfe einer Fließlochschraube (4) eingebracht. Hierzu wird mit Hilfe eines Vorschubantriebs (16) ein Vorschub sowie eine Vorschubkraft (F) auf eine Schrauberwelle (12) übertragen. Diese wird ergänzend in eine Drehbewegung versetzt, wobei im ersten Prozessabschnitt (I) eine hohe Vorschubkraft (F1) und eine hohe Drehzahl (nw1) eingestellt und bei einem definierten Umschaltpunkt beim Durchdringen des Bauteils (6) auf den zweiten Prozessabschnitt (II) mit geringer Vorschubkraft (F2) und geringer Drehzahl (nw2) umgeschaltet wird. Der Vorschubantrieb (16) ist dabei nicht pneumatisch und weiterhin wird ein zur Vorschubkraft (F) korrelierter Antriebsparameter, insbesondere ein Motorstrom (iv) eines ersten Elektromotors (20) des Vorschubantriebs (16) überwacht und eine charakteristische Änderung dieses Antriebsparameters wird als Umschaltpunkt definiert. Hierdurch ist ein prozesssicheres, schnelles Umschalten erzielt und eine Beschädigung eines Gewindes (32) der Fließlochschraube (4) vermieden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Direktverschrauben von Bauteilen, insbesondere zum Fließlochschrauben, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie weiterhin eine Vorrichtung zum Direktverschrauben von Bauteilen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 13.
• Ein derartiges Verfahren zum Fließlochschrauben ist beispielsweise zu entnehmen aus der DE 103 48 427 A1 . Beim Fließlochschrauben werden zwei Bauteile mittels einer Verschraubung miteinander ohne Vorlochen miteinander verschraubt. In einem ersten Prozessabschnitt wird hierbei in dem Bauteil spanlos ein Loch erzeugt und anschließend wird in einem zweiten Prozessabschnitt in das erzeugte Loch ein Gewinde eingeformt. Beide Prozessabschnitte erfolgen hierbei mit einer Fließlochschraube, mit der also zunächst das Loch spanlos erzeugt wird und anschließend das Gewinde eingeformt wird. Schließlich dient die Fließlochschraube auch gleich dazu, die beiden Bauteile über eine Schraubverbindung in einem dritten Prozessabschnitt miteinander zu verbinden. Für den Fließlochschraubvorgang wird dabei die Fließlochschraube in eine Drehbewegung versetzt und mit Hilfe eines Vorschubantriebs in Axialrichtung mit vorgegebener Vorschubkraft versetzt.
• Die Fließlochschraube weist üblicherweise eine konische Spitze auf. Beim Lochformvorgang im ersten Prozessabschnitt wird durch eine hohe Drehzahl sowie eine hohe Vorschubkraft das Bauteil durch die Fließlochschraube an der vorgesehenen Lochposition zunächst erwärmt und anschließend plastisch verformt. Nach dem Lochformvorgang dringt die Fließlochschraube weiter ein und formt mit ihrem Schraubengewinde das Gewinde in das zuvor geformte Loch ein. Für den Gewindeformvorgang im zweiten Prozessabschnitt wird üblicherweise die Drehzahl der Fließlochschraube verringert. Im ersten Prozessabschnitt, bei dem durch die Erwärmung eine plastische Verformung der Bauteile erfolgt, werden gemäß der DE 103 48 427 A1 Drehzahlen im Bereich von 1000 bis 5000 1/min und Vorschub- bzw. Andruckkräfte im Bereich zwischen 0,3 bis 1,5 kN realisiert.
• Bei der DE 103 48 427 A1 ist darüber hinaus vorgesehen, dass die Bauteile während des Verschraubens durch eine Niederhaltekraft aneinander gedrückt werden, welche beispielsweise pneumatisch oder auch durch Federn aufgebracht wird. Zusätzlich wirkt mittels einer Schraubspindel eine Vorschubkraft auf die Fließlochschraube.
• Aus der DE 199 11 308 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum Fließlochfurchen beschrieben. Hierbei wird ein einziges Werkzeug eingesetzt, welches für die Lochoperation auf einen langsameren Vorschub gesteuert ist im Vergleich zum anschließenden Gewindeformen. Mittels einer wendelförmigen Druckfeder wird hierbei ein Anpressdruck erzeugt.
• Auf dem Markt befindliche Systeme zeichnen sich im Hinblick auf die Erzeugung der Vorschubkraft durch pneumatische Systeme aus, mittels derer die Vorschubkraft pneumatisch erzeugt und auf die Schrauberwelle übertragen wird.
• Das Fließlochschrauben findet zusehends Verwendung auch in der Kraftfahrzeugindustrie. Hierbei ist insbesondere eine hohe Taktrate bei gleichzeitig hoher Prozesssicherheit gefordert. Als problematisch hat sich insbesondere das Umschalten zwischen dem ersten Prozessabschnitt der Lochformung auf den zweiten Prozessabschnitt des Gewindeformens herausgestellt.
• Neben dem Fließlochschrauben ist als weitere Direktverschraubung noch ein Bohrschrauben bekannt, bei dem das Loch im ersten Prozessabschnitt mit Hilfe einer Bohrschraube durch Bohren, also spanend erzeugt wird und anschließend im zweiten Prozessabschnitt – wie beim Fließlochschrauben auch – ein Gewinde eingeformt wird. Unter Direktverschraubung wird allgemein ein Prozess verstanden, bei dem der Lochformvorgang und der Schraubvorgang in einem gemeinsamen Schraubvorgang mit einem Schraubelement erfolgt, welches auch zur Erzeugung des Durchzugs im Bauteil mit Einformung des Gewindes ausgebildet ist.
• Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein prozesssicheres Direktverschrauben, insbesondere Fließlochschrauben mit hoher Taktrate zuverlässig zu gewährleisten.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Direktverschrauben, insbesondere zum Fließlochschrauben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung zum Direktverschrauben, insbesondere zum Fließlochschrauben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.
• Bei dem Verfahren wird in einem ersten Prozessabschnitt in einem Bauteil ein Loch mit Hilfe eines Schraubelements, nämlich eine Fließlochschraube oder eine Bohrschraube, erzeugt und in einem zweiten Prozessabschnitt wird in das erzeugte Loch mit Hilfe der Fließlochschraube bzw. der Bohrschraube ein Gewinde eingeformt. Hierzu wird allgemein mit Hilfe eines Vorschubantriebs ein Vorschub sowie eine Vorschubkraft oder auch Anpresskraft erzeugt und auf eine Schrauberwelle übertragen. Am vorderen Ende der Schrauberwelle ist das Schraubelement gehalten. Im ersten Prozessabschnitt des Lochformens wird für die Drehbewegung der Schrauberwelle eine hohe Drehzahl und mittels des Vorschubantriebs eine hohe Vorschubkraft eingestellt. Bei einem definierten Umschaltpunkt beim Durchdringen des Bauteils wird anschließend in den zweiten Prozessabschnitt umgeschaltet und dabei eine geringere Vorschubkraft und eine geringere Drehzahl eingestellt. Um eine möglichst schnelle Umschaltung prozesssicher zu gewährleisten, ist nunmehr vorgesehen, dass die Vorschubkraft mittels eines nicht pneumatischen Vorschubantriebs erzeugt wird und dass weiterhin ein zur Vorschubkraft korrelierter Antriebsparameter des Vorschubantriebs überwacht wird und eine charakteristische Änderung des Werts dieses Antriebsparameters den Umschaltpunkt definiert, ab dem also auf die geringere Vorschubkraft und die geringere Drehzahl umgeschalten wird.
• Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass das Umschalten extrem zeitkritisch ist, da nach dem Ende des Lochformvorgangs noch die – insbesondere beim Fließlochformen – hohe Drehzahl sowie die hohe Vorschubkraft anliegt und dass bei Beibehaltung dieser Prozessparameter die Gefahr des Beschädigens der Gewindegänge des Schraubelements, insbesondere der Fließlochschraube besteht, wenn diese also mit hoher Kraft und/oder hoher Vorschubgeschwindigkeit gegen das Bauteil verfährt. Dies kann schließlich dazu führen, dass das Gewinde nicht oder nur unzureichend ausgeformt wird und insgesamt die Bauteilverbindung nicht den geforderten Qualitätsansprüchen genügt. Durch den abrupten Wegfall der Gegenkraft nach dem Durchdringen des Bauteils steigt nämlich üblicherweise die Vorschubgeschwindigkeit nicht kontrollierbar an. Das Gewinde des Schraubelements prallt daher häufig mit hoher Geschwindigkeit auf das zuvor geformte Loch.
• Um ein zuverlässiges Umschalten zu gewährleisten ist nunmehr eine Überwachung der auf das Schraubelement aufgebrachten Vorschubkraft vorgesehen. Hierzu wird ein mit der Vorschubkraft zumindest korrelierter Parameter erfasst und überwacht. Der Parameter kann grundsätzlich auch die Vorschubkraft selbst sein, die also in diesem Fall direkt überwacht wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem Parameter jedoch lediglich um einen zur Vorschubkraft korrelierten Parameter, also um eine Größe, die mittelbar die Vorschubkraft definiert. Durch die zumindest mittelbare Überwachung der Vorschubkraft ist ein genau definiertes und zuverlässiges Umschaltkriterium gegeben, das ein ausreichend schnelles Umschalten erlaubt.
• Hierbei geht die Erfindung weiterhin von der Überlegung aus, dass bei der Verwendung von heute üblicherweise eingesetzten pneumatischen Vorschubantrieben diese eine ausreichend schnelle Umschaltung nicht erlauben. Aufgrund der Kompressibilität der Luft bei einem Pneumatikantrieb ist mit einem derartigen Pneumatikantrieb keine definierte schnelle Absenkung der Vorschubkraft und der Vorschubgeschwindigkeit, also kein ausreichend schnelles Umschalten ermöglicht.
• Zur Bestimmung des Umschaltpunktes wird wahlweise ein Umschalt-Wert des Parameters vorgegeben, bei dessen Erreichen (bzw. Unter- oder Überschreitung) die Umschaltung erfolgt Alternativ oder ergänzend wird eine charakteristische Änderung des Werts als Umschaltkriterium herangezogen.
• Durch die hier beschriebene Lösung ist daher zuverlässig und prozesssicher ein sofortiges Umschalten am Ende des Lochformvorgangs und vor Beginn des Gewindeformvorgangs gewährleistet.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird als Parameter ein zur Vorschubkraft korrelierter Parameter, insbesondere ein Antriebsparameter des Vorschubantriebs überwacht. Diese Ausgestaltung geht von der Überlegung aus, einen Antriebsparameter des Vorschubantriebs zu überwachen, da anhand eines solchen frühzeitig und zugleich zuverlässig Zustandsänderungen beim Lochformvorgang erkannt werden.
• Unter dem Begriff „zur Vorschubkraft korrelierter Antriebsparameter“ wird dabei insbesondere ein eingangsseitiger Parameter des Vorschubantriebs verstanden, mit dem dieser versorgt wird und über den mittelbar die aktuell erzeugte Vorschubkraft definiert ist. Der eingangsseitige Antriebsparameter ist dabei üblicherweise eine Kenngröße für die Leistungsaufnahme des Antriebs. Bei dem Parameter handelt es sich daher üblicherweise nicht um einen abtriebsseitigen Parameter. Insbesondere handelt es sich dabei nicht um die den Vorschub direkt charakterisierenden Größen, nämlich die erzeugte Vorschubkraft oder die erzeugte Vorschubgeschwindigkeit. Es erfolgt daher insbesondere keine direkte Kraftmessung der erzeugten Vorschubkraft. Durch die Verwendung von eingangsseitigen Parametern werden Zustandsänderungen frühzeitig erkannt.
• In besonders zweckdienlicher Ausgestaltung weist der Vorschubantrieb dabei einen Elektromotor, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor auf. Über den Elektromotor wird also der Vorschub sowie die Vorschubkraft erzeugt. Im Vergleich zu einem pneumatischen Antrieb weist ein derartiger Elektromotor eine gute Steuerbarkeit und eine hohe Umschaltgeschwindigkeit zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen auf.
• Alternativ zu einem Elektromotor wird in vorteilhafter Weise ein Hydraulikmotor zur Erzeugung der Vorschubkraft und des Vorschubs eingesetzt. Aufgrund der Inkompressibilität der eingesetzten Hydraulikflüssigkeit ist – anders als bei einem Pneumatikantrieb – auch bei diesem ein sehr schnelles Umschalten ermöglicht.
• In beiden Fällen wird als charakteristische Änderung insbesondere ein Abfall des Werts eines Antriebsparameters ausgewertet. Dies beruht grundsätzlich auf der Überlegung, dass für den Lochformvorgang hohe Kräfte aufgrund des Widerstands des Bauteils ausgeübt werden. Nach dem Durchdringen der Bauteile lässt die Gegenkraft vergleichsweise abrupt nach, was sich eben in einem charakteristischen Abfall des eingangsseitigen Antriebsparameters des Vorschubantriebs äußert. Alternativ kann der Parameter auch auf ein Unterschreiten eines vorgegebenen Grenz- oder Umschaltwertes überwacht werden.
• Als Antriebsparameter, welcher überwacht wird, wird im Falle des Elektromotors vorzugsweise eine Motorkenngröße, insbesondere der Motorstrom oder eine zum Motorstrom korrelierte Größe überwacht. Dies könnte beispielsweise auch die Drehzahl oder das Drehmoment des Elektromotors des Vorschubantriebs sein.
• Im Falle eines Hydraulikmotors wird der Druck innerhalb einer Hydraulikeinheit als Antriebsparameter überwacht, über den die Vorschubkraft erzeugt wird.
• Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung eines Elektromotors und der Überwachung des Motorstroms ist die frühzeitige Erkennung einer Änderung des Motorstroms. Insbesondere wurde festgestellt, dass bereits zum Ende des Lochformvorgangs, nämlich beim Ein- und Durchdringen der Fließlochschraube durch die Bauteile nach Abschluss des Erwärmvorgangs ein charakteristischer Abfall des Motorstroms detektierbar ist, welcher also bereits das endgültige Durchdringen ankündigt.
• Um zuverlässig eine Beschädigung des Gewindes nach dem Lochformvorgang zu vermeiden, ist in zweckdienlicher Ausgestaltung für den Vorschubantrieb eine maximale Vorschubgeschwindigkeit als Begrenzung vorgegeben. Dadurch ist gewährleistet, dass – unabhängig von einem Umschalten – der Vorschubantrieb mit einer maximalen Geschwindigkeit verfährt. Selbst wenn also der Lochformvorgang beendet ist und damit die Gegenkraft entfällt, was üblicherweise zu einem abrupten Geschwindigkeitsanstieg der Vorschubbewegung führen würde, läuft der Vorschubantrieb sofort in eine Geschwindigkeitsbegrenzung. Auch hier ist wieder von entscheidender Bedeutung, dass es sich um einen nicht pneumatischen Antrieb handelt, da andernfalls eine derartige Begrenzung für den vorgesehenen Anwendungsfall nicht möglich wäre.
• In zweckdienlicher Weiterbildung ist weiterhin für den Vorschubantrieb eine maximale Vorschubkraft als Begrenzung vorgegeben. Dies ist insbesondere beim Lochformvorgang von Bedeutung, um also insgesamt die ausgeübte Kraft zu begrenzen. Im Falle der Verwendung eines Elektromotors für den Vorschubantrieb erfolgt dies durch eine Begrenzung der Stromaufnahme des Elektromotors.
• Diese maximale Vorschubkraft oder auch die maximale Vorschubgeschwindigkeit sind dabei vorzugsweise parametrierbar, d.h. sie sind durch den Benutzer einstellbar, welcher die Vorrichtung für das Fließlochschrauben beispielsweise am Produktionsband steuert. Diese Einstellung erfolgt dabei vorzugsweise durch eine softwaretechnische Ansteuerung. Alternativ können auch andere Einstellelemente, wie Einstellknöpfe etc. vorgesehen sein.
• In besonders zweckdienlicher Weiterbildung wird während eines Fließlochschraubvorgangs unter definierten Voraussetzungen mehrfach zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessabschnitt umgeschaltet. Dieser Ausgestaltung liegt dabei die Überlegung zugrunde, dass zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen häufig Spalte oder auch Zwischenschichten, beispielsweise Klebschichten vorliegen. Beim Lochformvorgang führt dies schließlich dazu, dass nach dem Durchdringen des ersten Bauteils die Gegenkraft abrupt abnimmt, ohne dass jedoch der Prozess beendet ist, da noch das zweite Bauteil durchdrungen werden muss. Die entsprechende Ansteuerlogik ist daher derart ausgebildet, dass sie eine anschließende Zunahme des Werts des überwachten Parameters wieder erkennt, wenn also die Fließlochschraube auf das zweite Bauteil auftrifft. In diesem Fall wird wieder auf die hohe Vorschubkraft und die hohe Drehzahl umgeschaltet.
• Als weiterer Umschaltpunkt für das erneute Umschalten in den ersten Prozessabschnitt wird dabei zweckdienlicherweise ein charakteristischer Anstieg der Vorschubkraft herangezogen. Hierzu wird wiederum bevorzugt der zur Vorschubkraft korrelierte Parameter, insbesondere der Motorstrom überwacht und ausgewertet. Insgesamt ist dadurch der gesamte Prozessvorgang an eine jeweilige vorliegende aktuelle Situation adaptiv angepasst. Über die hinterlegte Steuerlogik werden derartige besondere Situationen, wie eben beispielsweise über eine Klebeschicht miteinander verbundene Bauteile, ebenfalls zuverlässig, prozesssicher und mit hoher Geschwindigkeit bearbeitet.
• Für die Erzeugung der Drehbewegung der Schrauberwelle ist in zweckdienlicher Ausgestaltung ein zusätzlicher Schrauberantrieb vorgesehen, welcher also neben dem Vorschubantrieb angeordnet ist. Über den Schrauberantrieb wird dabei die Rotationsbewegung der Schrauberwelle erzeugt und in geeigneter Weise auf diese übertragen. Demgegenüber wird über den Vorschubantrieb alleine der axiale Vorschub der Schrauberwelle sowie die auf die Schrauberwelle und damit auch auf das Schraubelement, insbesondere auf die Fließlochschraube übertragene Vorschubkraft erzeugt und übertragen.
• Zweckdienlicherweise handelt es sich bei dem Schrauberantrieb dabei um einen zweiten Elektromotor, welcher zusätzlich für einen gesteuerten Schraubvorgang ausgebildet ist. Bei dem Schrauberantrieb handelt es sich daher insgesamt um einen ansteuerbaren, spezialisierten Schraubantrieb. Dieser umfasst in an sich bekannter Weise wahlweise oder auch in Kombination eine Drehmomentsteuerung, eine Drehwinkelsteuerung sowie verschiedene hinterlegte Prozessalgorithmen, um unterschiedliche Schraub- und Anzugsverfahren mit dem gleichen Elektromotor ausüben zu können. Dieser Elektromotor im Schrauberantrieb ist dabei wiederum vorzugsweise parametrierbar Eine Überwachung der Antriebsparameter des Schrauberantriebs im Hinblick auf den Umschaltpunkt erfolgt vorzugsweise nicht. Über den Schrauberantrieb wird lediglich zwischen der hohen Drehzahl beim Lochformvorgang und der niedrigen Drehzahl beim Gewindeformen umgeschaltet. Die Überwachung des Schraubantriebs ist insbesondere für den nach dem Gewindeformvorgang sich noch anschließenden dritten Prozessabschnitt, dem sogenannten Endanzug des Schraubelements erforderlich. Bei diesem wird das Schraubelement zum Verschrauben der beiden Bauteile in das zuvor geformte Gewinde ein- und festgeschraubt. Der Festsitz des Schraubelements und damit das Ende des Schraubvorgangs wird in diesem Fall beispielsweise durch eine Drehmomentüberwachung realisiert.
• In zweckdienlicher Ausgestaltung wird bei dem Fließlochschraubvorgang im ersten Prozessabschnitt eine Vorschubkraft von größer 1000N und eine Drehzahl für die Schrauberwelle im Bereich von 5000 U/min bis 8000 U/min erzeugt. Im zweiten Prozessabschnitt wird dann zweckdienlicherweise eine Vorschubkraft im Bereich von lediglich bis 500N sowie eine Drehzahl im Bereich von etwa 500 bis 2500 U/min eingestellt.
• Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zu übertragen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
• 1 in einer schematischen und stark vereinfachten Darstellung eine Vorrichtung zum Fließlochschrauben,
• 2A den schematisierten Verlauf von Drehzahl und Drehmoment des Schrauberantriebs während des Fließlochschraubvorgangs sowie
• 2B den schematisierten Verlauf der Drehzahl und des Motorstroms des Vorschubantriebs während des Fließlochschraubvorgangs.
• Die in 1 dargestellte Vorrichtung 2 dient zur Durchführung eines Fließlochschraubvorgangs. Bei diesem wird eine so genannte Fließlochschraube 4 in zumindest ein Bauteil 6 eingefügt. Im Ausführungsbeispiel sind zwei miteinander über die Fließlochschraube 4 zu verbindende Bauteile 6 dargestellt, welche ergänzend über eine Klebschicht 8 miteinander verbunden sind.
• Die Vorrichtung 2 umfasst eine Halterung 10, die beispielsweise nach Art eines Gehäuses ausgebildet ist. Innerhalb der Halterung 10 ist eine Schrauberwelle 12 um eine Drehachse 14 drehbar gelagert. Die Vorrichtung 2 umfasst weiterhin einen Vorschubantrieb 16 zur Erzeugung einer Vorschubbewegung in Axialrichtung 18 sowie zur Erzeugung einer Vorschubkraft F. Die Vorschubkraft F sowie die Vorschubbewegung werden dabei auf die Schrauberwelle 12 übertragen. Über den Vorschubantrieb 16 wird eine Vorschubgeschwindigkeit v auf die Schrauberwelle 12 übertragen, mit der diese also in Axialrichtung 18 versetzt wird.
• Der Vorschubantrieb 16 weist einen ersten Elektromotor 20 auf, mit Hilfe dessen die Vorschubkraft F sowie die Vorschubgeschwindigkeit v erzeugt werden. Über geeignete weitere, hier nicht näher dargestellte Antriebskomponenten werden diese Antriebsgrößen auf die Schrauberwelle 12 übertragen.
• Die Vorrichtung 2 umfasst weiterhin einen Schrauberantrieb 22, welcher die Schrauberwelle 12 in Drehbewegung um die Drehachse 14 versetzt. Der Schrauberantrieb 22 weist dabei einen zweiten Elektromotor 24 auf, dessen Abtrieb wiederum über hier nicht näher dargestellte Komponenten des Schrauberantriebs 22 zur Erzeugung der Drehbewegung mit der Schrauberwelle 12 verbunden sind.
• Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit 26 zur Steuerung des Fließlochschraubvorgangs. Die Steuereinheit 26 gibt dabei Steuersignale an die beiden Antriebe 16, 22 ab.
• Beim Fließlochschraubvorgang wird in einem ersten Prozessabschnitt I in den Bauteilen 6 ein hier nicht näher dargestelltes Loch geformt. Hierzu wird die Schrauberwelle 12 mittels des Schrauberantriebs 22 mit hoher Drehzahl n_w1 angetrieben. Der Index w steht hierbei für die Drehzahl n_w der Schrauberwelle 12. Gleichzeitig wird mittels des Vorschubantriebs 16 eine hohe Vorschubkraft F₁ ausgeübt. Diese liegt beispielsweise in einem Bereich von oberhalb von 1000N.
• Die hohe Drehzahl n_w1 liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 5000 U/min bis 8000 U/min. Nach Beendigung des Lochformvorgangs wird die Drehzahl n_w auf eine niedrige Drehzahl n_w2 umgeschalten, welche lediglich noch bei 1000 bis 2500 U/min liegt. Auch wird gleichzeitig eine geringe Vorschubkraft F₂ eingestellt, die lediglich noch im Bereich bis 500N liegt. Zur rechtzeitigen Erkennung und schnellen Umschaltung wird im Ausführungsbeispiel der Motorstrom i überwacht. Bei einer charakteristischen Änderung des Werts des Motorstroms i wird dies als Ende des Lochformvorgangs und damit als Ende des ersten Prozessabschnitts I identifiziert und als Umschaltpunkt zum Umschalten herangezogen.
• Die Fließlochschraube 4 ist hierfür speziell ausgebildet. Sie weist einen Schraubenkopf 30, einen daran anschließenden Gewindeschaft mit Gewinde 32 sowie eine endseitige, üblicherweise konische Spitze 34 auf. Die Spitze 34 ist dabei derart ausgebildet, dass bei der Lochformung lediglich ein plastisches Verformen und kein Zerspanungsvorgang erfolgt.
• Die Verläufe von verschiedenen Antriebsparametern sowohl des Schrauberantriebs 22 als auch des Vorschubantriebs 16 sind in den 2A und 2B dargestellt, wobei die 2A die Antriebsparameter des Schrauberantriebs 22, also insbesondere des zweiten Elektromotors 24, und 2B wesentliche Antriebsparameter des Vorschubantriebs 16 und insbesondere des ersten Elektromotors 20 angeben. Die einzelnen Parameter des Vorschubantriebs 16 sind dabei mit dem Index „v“ und die des Schrauberantriebs 22 mit dem Index „s“ versehen. Der gesamte Fließlochschraubvorgang lässt sich in unterschiedliche Teilstufen wie folgt unterteilen:

a

Zustellbewegung

b

Erwärmung

c

Durchdringen

d

Formen eines Durchzugs

e

Gewindeformen

f

Ein- und Durchschrauben der Fließlochschraube 4

g

Anziehen der Fließlochschraube 4

• Die Teilstufen b und c bilden dabei den ersten Prozessabschnitt I, die Teilstufen d, e den zweiten Prozessabschnitt II. Die vorgelagerte Teilstufe des Zustellens sowie die nachgelagerten Teilstufen des Durchschraubens und Anziehens sind daher zusätzliche Prozessabschnitte im Laufe des gesamten Fließlochschraubvorgangs. Die Teilstufen f und g definieren dabei einen dritten Prozessabschnitt III des eigentlichen Verschraubens.
• In der 2A ist die Drehzahl n_s sowie das Drehmoment m_s des zweiten Elektromotors 24 angetragen. In der 2B sind die Verläufe der Drehzahl n_v sowie des Motorstroms i_v des ersten Elektromotors 20 angetragen.
• Betrachtet man zunächst den Verlauf der Antriebsparameter n_v, i_v des Vorschubantriebs 16, so ist folgendes erkennbar:
  Während der Zustellbewegung erfolgt die Zustellung und damit die Vorschubgeschwindigkeit v mit konstanter Drehzahl n_v. Da keine wesentlichen Gegenkräfte zu überwinden sind, ist die Stromaufnahme vergleichsweise gering. Sobald die Fließlochschraube 4 auf das oberste Bauteil 6 auftrifft, ist die Vorschubgeschwindigkeit v null und entsprechend fällt die Drehzahl n_v auf null ab. Gleichzeitig springt die Stromaufnahme stufenartig auf einen Maximalwert I_vmax, welcher als Strombegrenzung hinterlegt ist. Über diesen Maximalwert i_vmax wird zugleich eine maximale Vorschubkraft Fmax definiert.
• Seitens des Schrauberantriebs 22 wird zunächst die Drehzahl n_s kontinuierlich auf eine hohe Drehzahl n_s1 hochgefahren, die zu Beginn der Teilstufe b erreicht ist. Zu Beginn der Teilstufe b, wenn also die Fließlochschraube 4 auf dem Bauteil 6 aufsitzt, steigt das Drehmoment m_s bis auf einen konstanten Wert an, aufgrund des Widerstandes durch das Blech. Hierbei handelt es sich um einen reinen Reibwiderstand. Die hohe Drehzahl n_s1 sowie die hohe Vorschubkraft Fmax führen nun zu einem Erwärmen des Bauteils 6. Nach einer ausreichenden Erwärmung zum Ende der Teilstufe b verformt sich das Bauteil 6 plastisch und die Fließlochschraube 4 dringt in das Bauteil 6 ein. Es erfolgt also wieder eine Vorschubbewegung, so dass die Drehzahl n_v kontinuierlich ansteigt. Während dieser Teilstufe c des Durchdringens des Bauteils 6 bleibt der Motorstrom i_v auf einem hohen Niveau und die Drehzahl n_s sowie auch das Drehmoment m_s bleiben ebenfalls auf konstantem Niveau.
• Gegen Ende der Teilstufe c erfolgt dann eine charakteristische Änderung des Motorstroms i, welche als Indiz für das endgültige Durchdringen gewertet wird. Und zwar fällt der Motorstrom i_v abrupt ab. Dieser Abfall wird von der Steuereinheit 26 erfasst und ausgewertet. Gemäß einer ersten Variante wird dabei als Indiz für das Durchdringen die Veränderung des Motorstroms Δi_v/Δt erfasst und ausgewertet. Überschreitet die Veränderung Δi_v/Δt einen vorgegebenen Schwellwert, so wird dies als Umschaltkriterium gewertet zum Umschalten in den Prozessabschnitt II. Alternativ oder auch parallel hierzu wird als Umschaltkriterium eine Umschaltwert i_{v U} vorgegeben, bei dessen Erreichen oder Unterschreiten das Umschalten veranlasst wird. Die Überwachung und Auswertung des Motorstroms i_v ist beispielsweise in den Vorschubantrieb 16 integriert, in diesen ist also beispielsweise ein Teil der Steuereinheit 26 integriert.
• Beim Erreichen des Umschaltkriteriums wird ein Umschaltsignal S beispielsweise vom Vorschubantrieb 16 abgegeben, welches – aufgrund von Signallaufzeiten unter Umständen etwas zeitverzögert – an den Schrauberantrieb 22 übermittelt wird.
• Die Steuereinheit 26 veranlasst also zu einem Umschaltzeitpunkt ein Umschalten der Drehzahl des Schrauberantriebs 22 auf eine reduzierte Drehzahl n_s2, die vorzugsweise über die Teilstufen d, e konstant ist. Hierbei wird durch ein plastisches Verformen ein Durchzug ausgebildet. In der Teilstufe e des Gewindeformens wird anschließend in diesen Durchzug ein Gewinde mit Hilfe der Fließlochschraube 4 eingeformt.
• Aufgrund der nachlassenden Gegenkraft bereits in Teilstufe c und darüber hinaus in der Teilstufe d nimmt die Drehzahl n_v des Vorschubantriebs 16 zunächst kontinuierlich zu, bis sie einen durch eine Begrenzung vorgegebenen Maximalwert n_vmax erreicht, welcher zu einer maximalen Vorschubgeschwindigkeit v_max führt. Es handelt sich hierbei also um eine Begrenzung der Drehzahl n_v auf einen Maximalwert. Im Ausführungsbeispiel ist dieser identisch zu dem Maximalwert während der Zustellbewegung. Alternativ kann jedoch für die Zustellbewegung auch eine höhere Vorschubgeschwindigkeit v und damit eine höhere Drehzahl n_v zugelassen werden.
• Die Drehzahl n_v verharrt auf diesem Maximalwert in der weiteren Teilstufe e und auch beim eigentlichen Einschraubvorgang während der Teilstufe f. Erst wenn die Fließlochschraube 4 die sogenannte Kopfauflage erreicht, bei der der Schraubenkopf 30 zum Aufliegen auf das Bauteil 6 kommt, fällt die Vorschubgeschwindigkeit v wieder auf null ab, bis also die Fließlochschraube angezogen ist. Während der Teilstufen d, e, f ist der Motorstrom i typischerweise konstant und nimmt erst wieder in der Teilstufe g zu.
• Auf Seiten des Schrauberantriebs 22 wird während der Teilstufen d bis f die Drehzahl auf den konstanten geringeren Wert n_s2 gehalten. Der Schrauberantrieb 22 ist daher insbesondere drehzahlgeregelt und zwar über die beiden Prozessabschnitte I und II sowie ergänzend auch über die Teilstufe f hinweg. Beim Gewindeformen tritt wiederum ein höherer Widerstand für die Drehbewegung auf, so dass das Drehmoment m_s ansteigt. Zum Ende des Gewindeformvorgangs fällt das Drehmoment m_s wieder auf einen Minimalwert ab. In der letzten Teilstufe g, bei der die Fließlochschraube 4 angezogen wird, nimmt das Drehmoment m_s wieder zu. Der Einschraubvorgang wird über die Regelung des Schrauberantriebs 22 geregelt und bei Erreichen eines Abschaltkriteriums, beispielsweise bei Erreichen eines vorbestimmten Drehmoments beendet. Der in der 2A dargestellte Drehmomentverlauf korreliert dabei allgemein zu einer Stromaufnahme des Schrauberantriebs 22.
• Die hier beschriebenen Verläufe der verschiedenen Parameter ergeben sich zumindest in vergleichbarer Form auch bei einem Bohrschraubvorgang. Der charakteristische Verlauf beim Übergang von der Teilstufe c zur Teilstufe d bleibt erhalten, so dass in gleicher Weise ein Umschaltkriterium definierbar ist.
• Alternativ zu der Verwendung eines Elektromotors 20 für den Vorschubantrieb 16 kann grundsätzlich auch ein Hydraulikantrieb herangezogen werden. Als Umschaltkriterium wird in diesem Fall eine charakteristische Veränderung und Abfall eines Drucks der Hydraulikflüssigkeit, insbesondere eines Hydrauliköls herangezogen. Eine Begrenzung der Vorschubgeschwindigkeit wird beispielsweise durch eine hydraulische Begrenzung der Zuflussmenge der Hydraulikflüssigkeit in einen entsprechenden Zylinder geregelt. Dies geschieht beispielsweise über eine hinsichtlich der Durchflussöffnung steuerbare Drossel. Die Begrenzung der maximalen Vorschubkraft wird in diesem Fall beispielsweise durch die Begrenzung des maximalen Öldrucks erreicht.
• In der 1 sind die beiden Bauteile 6 durch die Klebschicht 8 voneinander getrennt. Dies wird dazu führen, dass bereits nach Durchdringen des ersten Bauteils 6 dies von der Steuereinheit 26 als Umschaltzeitpunkt identifiziert wird. Der Verlauf ist vergleichbar wie der in 2 dargestellte zwischen den Teilstufen c und d. Es erfolgt daher zunächst ein Umschalten in den Prozessabschnitt II, wie zuvor beschrieben wurde. In diesem Fall wird jedoch bei Auftreffen der Fließlochschraube 4 auf das zweite, untere Bauteil 6 die Drehzahl n_v wieder auf null abfallen und zudem wird der Motorstrom i_v wieder abrupt zunehmen. Dies erkennt die Steuereinheit 26 wieder als Beginn des ersten Prozessabschnitts I und wird daher wieder in diesen ersten Prozessabschnitt I umschalten. Ergänzend ist dabei in der Steuereinheit 26 weiterhin hinterlegt, dass dieser zweite Umschaltpunkt nur innerhalb eines vorgegebenen Fensters, beispielsweise Zeitintervall oder auch Wegintervall liegen darf. Andernfalls liegt ein Fehler vor.
• Bezugszeichenliste

2

Vorrichtung

4

Fließlochschraube

6

Bauteil

8

Klebschicht

10

Halterung

12

Schrauberwelle

14

Drehachse

16

Vorschubantrieb

18

Axialrichtung

20

erster Elektromotor

22

Schrauberantrieb

24

zweiter Elektromotor

26

Steuereinheit

30

Schraubenkopf

32

Gewinde

34

Spitze

F

Vorschubkraft

F_max

maximale Vorschubkraft

v

Vorschubgeschwindigkeit

v_max

maximale Vorschubgeschwindigkeit

n_w1

hohe Drehzahl der Schrauberwelle

n_w2

niedrige Drehzahl der Schrauberwelle

F₁

hohe Vorschubkraft

F₂

niedrige Vorschubkraft

i_v

Motorstrom des ersten Elektromotors

i_vmax

maximaler Motorstrom

(i_{v U})

Umschaltwert

n_v

Drehzahl des ersten Elektromotors

n_vmax

maximale Drehzahl des ersten Elektromotors

n_v

Drehzahl des ersten Elektromotors

n_s

Drehzahl des zweiten Elektromotors

m_s

Drehmoment des zweiten Elektromotors

n_s1

hohe Drehzahl des zweiten Elektromotors

n_s2

reduzierte Drehzahl des zweiten Elektromotors

S

Umschaltsignal

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 10348427 A1 [0002, 0003, 0004]
• DE 19911308 A1 [0005]

Claims (13)

1. Verfahren zum Direktverschrauben von Bauteilen (6), insbesondere zum Fließlochschrauben, bei dem in einem ersten Prozessabschnitt (I) in einem Bauteil (6) ein Loch erzeugt wird und bei dem in einem zweiten Prozessabschnitt (II) in das erzeugte Loch ein Gewinde eingeformt wird und hierzu – mit Hilfe eines Vorschubantriebs (16) ein Vorschub sowie eine Vorschubkraft (F) erzeugt und auf eine Schrauberwelle (12) übertragen werden, – die Schrauberwelle (12) in eine Drehbewegung versetzt wird, wobei – in dem ersten Prozessabschnitt (I) eine hohe Drehzahl der Drehbewegung und mittels des Vorschubantriebs (16) eine hohe Vorschubkraft (F1) eingestellt und bei einem definierten Umschaltpunkt beim Durchdringen des Bauteils für den zweiten Prozessabschnitt (II) auf eine geringere Vorschubkraft (F2) und eine geringere Drehzahl (n_w2) umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorschubkraft (F) mittels eines nicht pneumatischen Vorschubantriebs (16) erzeugt wird und – dass ein mit der Vorschubkraft (F) zumindest korrelierter Parameter (i_v) überwacht wird und ein charakteristischer Wert (i_{v U}) oder eine charakteristische Änderung des Werts des Parameters (i_v) den Umschaltpunkt definiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter (i_v) ein Antriebsparameter des Vorschubantriebs (16) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschubantrieb (16) einen ersten Elektromotor (20) umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter (i_v) eine Motorkenngröße überwacht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter (i_v) der Motorstrom des ersten Elektromotors (20) überwacht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Vorschubantrieb (16) eine maximale Vorschubgeschwindigkeit (v_max) als Begrenzung vorgegeben ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Vorschubantrieb (16) eine maximale Vorschubkraft (F_max) als Begrenzung vorgegeben ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die maximale Vorschubkraft (F_max) und/oder die maximale Vorschubgeschwindigkeit (v_max) parametrierbar sind.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Fließlochschraubvorgangs unter vorgegebenen Bedingungen automatisch mehrfach zwischen erstem Prozessabschnitt (I) und zweitem Prozessabschnitt (II) umgeschaltet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem bei einem charakteristischen Anstieg der Vorschubkraft (F) beim zweiten Prozessabschnitt (II) ein weiterer Umschaltpunkt definiert ist und wieder in den ersten Prozessabschnitt (I) mit der hohen Vorschubkraft (F1) umgeschaltet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrauberwelle (12) mit Hilfe eines zusätzlichen Schrauberantriebs (22) in die Drehbewegung versetzt wird, wobei der Schrauberantrieb (22) einen zweiten Elektromotor (24) mit Steuerung für einen gesteuerten Schraubvorgang aufweist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Prozessabschnitt (I) eine Vorschubkraft (F) von größer 1000N und eine Drehzahl (n_s) für die Schrauberwelle (12) im Bereich von 5000 U/min bis 8000 U/min erzeugt wird und im zweiten Prozessabschnitt (II) eine Vorschubkraft (F) im Bereich bis 500N sowie eine Drehzahl (n_s) im Bereich von 500 bis 2500 U/min eingestellt wird.
13. Vorrichtung zum Direktverschrauben von Bauteilen (6), insbesondere zum Fließlochschrauben mit – einer rotatorisch antreibbaren Schraubwelle (12), die in einer Axialrichtung (18) zur Ausübung eines Vorschubs versetzbar ist, – einem Vorschubantrieb (16) zur Erzeugung eines Vorschubs und einer Vorschubkraft (F) sowie zu deren Übertragung auf die Schrauberwelle (12), – einer Steuereinheit (26) zur Steuerung des Fließlochschraubvorgangs, die derart ausgebildet ist, dass in einem ersten Prozessabschnitt (I) eine hohe Drehzahl der Schrauberwelle (12) und mittels des Vorschubantriebs (16) eine hohe Vorschubkraft (F1) eingestellt werden und bei einem definierten Umschaltpunkt für einen zweiten Prozessabschnitt (II) auf eine geringere Vorschubkraft (F2) und eine geringere Drehzahl (n_w2) umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschubantrieb (16) nicht pneumatisch ist und dass die Steuereinheit (26) derart ausgebildet ist, dass sie einen mit der Vorschubkraft (F) zumindest korrelierten Parameter (i_v) überwacht und bei Erreichen eines charakteristischen Werts (i_{v U}) oder bei einer charakteristischen Änderung des Werts des Parameters (i_v) den Umschaltpunkt definiert.

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