DE102024128564A1

DE102024128564A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Durchsetzfügen

Info

Publication number: DE102024128564A1
Application number: DE102024128564.8A
Authority: DE
Inventors: Pavel Khrebtov
Original assignee: Eckold Technics & Co Kg GmbH
Current assignee: Eckold Technics & Co Kg De GmbH
Priority date: 2024-10-02
Filing date: 2024-10-02
Publication date: 2026-04-02
Also published as: EP4721893A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchsetzfügen von mindestens zwei aufeinander liegenden Fügeteilen (B1, B2) mit einem Stempel (11) in einer Fügerichtung (A) in eine Matrize (12) zu einem Clinchelement, mit folgenden Schritten:
(a) Erfassen einer Kraft, die zwischen dem Stempel (11) und mindestens einem der Fügeteile (B1, B2) wirkt,
(b) Erfassen eines von dem Stempel (11) entlang der Fügerichtung (A) zurückgelegten Wegs,
(c) Erstellen mindestens einer Zuordnung der Wegmessdaten zu den Kraftmessdaten in Form eines ersten Messergebnisses,
(d) Ermitteln einer Anfangs-Gesamtdicke (D1) der Fügeteile (B1, B2) vor dem Eindringen des Stempels (11) in die Fügeteile (B1, B2),
(e) Bereitstellen einer Referenz-Kraft-Weg-Kurve mit einer Obergrenze-Kurve (H1) und einer Untergrenze-Kurve (H2),
(f) Bereitstellen eines Zielwerts (Z) für die End-Gesamtdicke des Clinchelementes,
wobei das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist:
(g) Erstellen einer normierten Referenz-Kraft-Weg-Kurve mit einer Obergrenze-Kurve (H1) und einer Untergrenze-Kurve (H2) aus einer Mehrzahl von Kraft-Weg-Kurven, die für unterschiedliche Materialstärken ermittelt wurden,
(h) Transformieren des ersten Messergebnisses zu einer normierten Kraft-Weg-Kurve,
(i) Feststellen, ob die normierte Kraft-Weg-Kurve an mindestens einer Stelle außerhalb der Grenzkurven (H1, H2) liegt,
(j) Ausgeben eines ersten Fehlersignals, wenn die normierte Kraft-Weg-Kurve an mindestens einer Stelle die Obergrenze-Kurve (H1) überschreitet und/oder die Untergrenze-Kurve (H2) unterschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchsetzfügen von mindestens zwei aufeinander liegenden Fügeteilen mittels Eindrücken der Fügeteile mit einem Stempel in einer Fügerichtung in eine Matrize zu einem Clinchelement, wobei das Verfahren das Erfassen von Kraftmessdaten einer Kraft, die zwischen dem Stempel und mindestens einem der Fügeteile wirkt, das Erfassen von Wegmessdaten eines von dem Stempel entlang der Fügerichtung zurückgelegten Weges, eine Zuordnung der erfassten Wegmessdaten zu den erfassten Kraftmessdaten in Form eines ersten Messergebnisses, das Ermitteln einer Anfangs-Gesamtdicke der Fügeteile vor dem Eindringen des Stempels in die Fügeteile zu einem ersten Zeitpunkt, das Bereitstellen einer Referenz-Kraft-Wege-Kurve, wobei die Referenz-Kraft-Weg-Kurve eine Obergrenze-Kurve und ein Untergrenze-Kurve aufweist, und das Bereitstellen eines Zielwertes für die End-Gesamtdicke des Clinchelementes aufweist.
Um zwei aufeinander liegenden Fügeteile, zum Beispiel Bleche, durch Umformung miteinander zu verbinden, werden diese aufeinander liegend zwischen einen Stempel und eine Matrize gelegt. Der Stempel wird auf die Fügeteile herabgefahren und aufgedrückt und drückt das Material der Fügeteile in die Matrize, wobei in der Matrize über einen Amboss eine Matrizenkavität gebildet werden kann. Die anfängliche Gesamtdicke der beiden aufeinander liegenden Fügeteile ergibt sich aus der Summe der Dicken der beiden Fügeteile, sodass die anfängliche Gesamtdicke von Fügevorgang zu Fügevorgang veränderlich ist.
Ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier aufeinander aufliegender Bleche mit einer variablen Gesamtdicke mittels einer Clinchvorrichtung, bei der die zum Fügen der Bleche notwendige Durchsetztiefe einstellbar ist, wobei vor dem Fügen der Bleche mithilfe der Steuerung die aktuelle Gesamtdicke ermittelt und in Abhängigkeit von der Gesamtdicke die Durchsetztiefe eingestellt wird, ist aus der EP 3 020 489 B1 bekannt.
Aus der US 2001/0002506 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanischen Verbinden von Metallblechen bekannt, die zur Automatisierung der Produktion verwendet werden und Sensoren und Aktuatoren aufweisen, mit denen Prozessparameter, beispielsweise verschiedene Blechdicken, gespeichert werden können.
Aus der DE 10 2019 207 885 B3 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prozessüberwachung bei einem mechanischen Fügeverfahren bekannt, wobei eine Vielzahl von Messwerten bei der Durchführung des Fügeverfahrens empfangen werden. Die Messwerte setzen jeweils mindestens zwei Prozessgrößen zueinander in Beziehung. Mit einer Fouriertransformation wird zu den Messwerten eine Anzahl von Fourierkoeffizienten ermittelt, deren Anzahl auf einen 2-dimensionalen Unterraum reduziert wird. Dadurch soll eine genauere Prozessüberwachung ermöglicht werden.
Die WO 2018/178186 A1 betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer umformtechnisch gefügten Verbindung von wenigstens zwei Bauteilen, bei dem durch eine stetige Krafteinwirkung ein Hilfsfügeteil und/oder ein Bauteilwerkstoff eines oder mehrerer der Bauteile umgeformt wird, wobei bei dem Setzvorgang die ausgeübte Kraft sowie der Setzweg erfasst werden. Es werden wiederholt Differenzenquotienten aus einer Differenz von nacheinander ausgeübten Kräften und einer Differenz von zurückgelegten Setzwegen gebildet und mit wenigstens einem Referenzwert verglichen. Der Setzvorgang wird im Bereich eines Anstieges der Prozesskraft abgebrochen, sobald der Differenzenquotient einen vorgegebenen Referenzwert erreicht oder überschreitet.
Beim Durchsetzfügen oder Clinchen von Fügeteilen werden einzelne Parameter des Fügeverfahrens überwacht. Insbesondere werden die Kraft, die durch den Stempel aufgebracht wird, und der zurückgelegte Weg des Stempels erfasst, um daraus Rückschlüsse auf die Qualität des durchgeführten Verfahrens zu ziehen. Für eine bestimmte Materialpaarung mit definierten Werkstoffeigenschaften und definierten Materialdicken wird herkömmlich jeweils eine Referenzkurve ermittelt, wie die Kraft-Weg-Kurve als Messergebnis auszusehen hat, damit das damit hergestellte Produkt bzw. das hergestellte Clinchelement die vorgegebenen Qualitätsanforderungen erfüllt. Um eine solche Referenzkurve wird eine Hüll-Kurve gelegt und als Referenzwert in der Steuerung als Prozessüberwachung hinterlegt. Wenn sich die gemessenen Größen von Kraft und Weg außerhalb der Hüll-Kurve befinden, wird eine Meldung ausgegeben, dass sich die Parameterwerte außerhalb der vorgegebenen Toleranzen befinden, gegebenenfalls wird das Verfahren abgebrochen. Voraussetzung hierfür ist, dass für jede Materialpaarung und für jeden Stempel mit einer entsprechenden Matrize für jeden Fügeprozess eine Referenzkurve und eine Hüll-Kurve angelegt und hinterlegt werden und die Prozessüberwachung jeweils für die Materialpaarung eingestellt wird. Problematisch ist es aber, wenn mit Material-Paarungen gearbeitet wird, deren Eigenschaften nicht ausreichend präzise definiert sind oder deren Materialeigenschaften vergleichsweise großen Schwankungen unterliegen, was beispielsweise bei Gusswerkstoffen, insbesondere Aluminium-Gusswerkstoffen, der Fall sein kann. Die Materialstärke von Gussteilen schwankt, sodass sich ein Endwert beispielsweise für die Gesamtdicke des Clinchelementes nach dem Fügen, insbesondere die Ziel-Bodendicke für jeden Fügevorgang ändern kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen ein Fügeprozess mit einer hohen Schwankungsbreite an Eingangsparametern auf kleine Abweichungen hin überwacht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruches und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offenbart.
Das Verfahren zum Durchsetzfügen von zumindest zwei aufeinander liegenden Fügeteilen mittels Eindrücken der Fügeteile mit einem Stempel in einer Fügerichtung in eine Matrize zu einem Clinchelement, wobei das Verfahren das Erfassen von Kraftmessdaten einer Kraft, die zwischen dem Stempel und mindestens einem Fügeteil wirkt, das Erfassen von Messdaten eines von dem Stempel entlang der Fügerichtung zurückgelegten Wegs, das Erstellen mindestens einer Zuordnung der erfassten Wegmessdaten zu den erfassten Kraftmessdaten in Form eines ersten Messergebnisses, das Ermitteln einer Anfangs-Gesamtdicke der Fügeteile vor dem Eindringen des Stempels in die Fügeteile zu einem ersten Zeitpunkt, das Bereitstellen einer Referenz-Kraft-Weg-Kurve, wobei die Referenz-Kraft-Weg-Kurve eine Obergrenze-Kurve und ein Untergrenze-Kurve aufweist, und das Bereitstellen eines Zielwertes für die End-Gesamtdicke des Clinchelementes aufweist, sieht vor, dass eine normierte Referenz-Kraft-Weg-Kurve mit einer Obergrenze-Kurve und einer Untergrenze-Kurve aus einer Mehrzahl von Kraft-Weg-Kurven, die für unterschiedliche Materialstärken ermittelt wurden, erstellt wird und dass das erste Messergebnis zu einer normierten Kraft-Weg-Kurve verschoben wird, dass festgestellt wird, ob die normierte Kraft-Weg-Kurve an mindestens einer Stelle der normierten Referenz-Kraft-Weg Kurve die Obergrenze Kurve überschreitet und/oder die Untergrenze-Kurve der normierten Referenz-Kraft-Weg-Kurve unterschreitet und dass ein erstes Fehler Signal ausgegeben wird, wenn die normierte Kraft-Weg-Kurve an mindestens einer Stelle die Obergrenze-Kurve überschreitet und/oder die Untergrenze-Kurve unterschreitet. Die Erstellung des ersten Messergebnisses aus den erfassten Wegmessdaten und den erfassten Kraftmessdaten und deren Zuordnung erfolgt insbesondere in Form einer Kraft-Weg-Kurve, wobei diese Zuordnung vorteilhafterweise durch eine Analyseeinheit in Gestalt eines Rechners oder einer Datenverarbeitungseinrichtung erfolgt. Ebenso kann das Transformieren, insbesondere Verschieben, Strecken, Stauchen oder Drehen, der Kurve des ersten Messergebnisses zu einer normierten Kraft-Weg-Kurve über die Analyseeinheit erfolgen. Auch die Feststellung, ob die normierte Kraft-Weg-Kurve die normierte Referenz-Kraft-Weg-Kurve jenseits der Obergrenze-Kurve und/oder der Untergrenze-Kurve verläuft, erfolgt durch die Analyseeinheit, die eine Datenverarbeitungseinrichtung, z.B. ein Mikroprozessor, mit den üblichen Komponenten ist und ebenfalls dafür sorgt, dass die Ausgabe eines ersten Fehlersignals veranlasst wird. Das Fehlersignal kann akustisch und/oder optisch und/oder taktil ausgegeben werden, um eine Bedienperson über die Abweichung zu informieren. Das Fehlersignal kann ebenfalls dergestalt ausgegeben werden, dass das Verfahren, was auf einer entsprechenden Vorrichtung ausgeführt wird, unterbrochen wird, um weitere Maßnahmen einzuleiten, beispielsweise eine Überprüfung der Fügestelle oder eine Änderung der Prozessparameter.
Zunächst wird die Gesamtdicke der aufeinander liegenden Fügeteile ermittelt, bevor ein Stempel in eines der Fügeteile oder in beide Fügeteile verformend eindringt bzw. wenn die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Fügeteile aufeinander aufliegen. Dadurch wird die tatsächliche Materialstärke der Fügeteilpaarung bestimmt und zur Grundlage des weiteren Verfahrens gemacht. Dabei wird darauf geachtet, dass eventuell vorhandene Freiräume zwischen den Teilen nicht mehr vorhanden sind, also bei flächigen Fügeteilen diese plan aufeinander aufliegen. Eventuell vorhandener Klebstoff wird vor der Bestimmung der Gesamtdicke teilweise oder vollständig verdrängt. Dabei kann es vorkommen, dass die die Fügeteile, insbesondere Bleche, bereits plastisch verformt werden oder sich leichte Vertiefungen herausbilden. Diese Veränderungen durch den herunterfahrenden Stempel werden bei der Ermittlung der Gesamtdicke herausgerechnet, bspw. indem auf der Grundlage von Messwerten oder Erfahrungswerten Kompensationsfaktoren oder Zuschläge hinzugefügt werden, um die Materialdicke festzustellen. Die festgestellte Materialdicke im Fügebereich wird dem weiteren Verfahren zugrunde gelegt und wurde durch die Prozessüberwachung erfasst. Sofern es zu Veränderungen in den eingesetzten Materialien, insbesondere der Materialstärke der Fügeteile, entweder im Verlauf des Fügeverfahrens oder während der Abfolge mehrerer Fügeverfahren hintereinander und zu großen Schwankungen in dem Verhältnis zwischen den Kraftmessdaten und den Weg-Messdaten kommt, sind kleine Abweichungen für den vorliegenden spezifischen Prozess von dem gewünschten Zielwert oder der Referenz-Kraft-Weg-Kurve schwer zu erfassen. Durch das Erstellen einer normierten Referenz-Kraft-Weg-Kurve mit den dazugehörigen Toleranzbereichen und das Transformieren oder Verschieben, Strecken und/oder Drehen des ersten Messergebnisses, das insbesondere als Kraft-Weg-Kurve vorliegt, zu einer normierten Kraft-Weg-Kurve, erfolgt eine Annäherung der Kurven, deren Form oder Verlauf grundsätzlich einander ähneln, jedoch unterschiedliche Steigungen oder Positionen auf dem Diagramm einer Referenz-Kraft-Weg-Kurve haben können. Durch das Transformieren, insbesondere Verschieben und das Überlagern der ersten Messergebnisse und deren Zuordnung zu der normierten Kraft-Weg-Kurve und dem Vergleich mit der normierten Referenz-Kraft-Weg-Kurve werden Fehlinterpretationen vermieden, sodass auch bei einem großen Spektrum von Ausgangsmaterialien, insbesondere verschiedene Blechdicken, sich nur auf eine Referenzkurve für die Prozessüberwachung bezogen werden muss. Dies vereinfacht die Einrichtung der Maschinen und das Herstellverfahren.
In einer Weiterbildung wird das Ermitteln einer Anfangs-Gesamtdicke der Fügeteile vor dem Eindringen des Stempels in die Fügeteile zu einem ersten Zeitpunkt durchgeführt, ein Zielwert für eine End-Gesamtdicke des Clinchelementes bereitgestellt, ein Weg-Messpunkt der Fügeteile nach dem Eindrücken des Stempels in die Matrize zu einem zweiten Zeitpunkt ermittelt und anschließend festgestellt, ob der Weg-Messpunkt zu dem zweiten Zeitpunkt von dem vorgegebenen Zielwert der End-Gesamtdicke um mehr als einen vorgegebenen Toleranzwert abweicht und gegebenenfalls eine zweites Fehlersignal ausgegeben, wenn eine solche Abweichung festgestellt wird. Das Bereitstellen eines Zielwertes für eine End-Gesamtdicke des Clinchelementes definiert einen Parameter, anhand dessen die Qualität der Fügeverbindung beurteilt werden kann. Sofern nach dem Eindrücken des Stempels in die Matrize zu einem zweiten Zeitpunkt, insbesondere zum Ende der Fügebewegung des Stempels, festgestellt wird, dass ein vorgegebener Zielwert nicht erreicht wird und jenseits eines vorgegebenen Toleranzwertes liegt, kann ein zweites Fehlersignal ausgegeben werden, wobei die Art und Weise der Ausgabe und die Konsequenzen des zweiten Fehlersignals wie bei der Abweichung von der Kraft-Weg-Kurve erfolgen kann. Neben der Abweichung während des Fügens und der Kontrolle des Fügevorganges wird zusätzlich das Endergebnis des Fügeverfahrens zur Beurteilung der gewünschten Qualität herangezogen. Als Grundlage dafür wird die End-Gesamtdicke des Clinchelementes, also des gefügten Bauteils, herangezogen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass zumindest eines, insbesondere alle Fügeteile ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist, insbesondere Aluminium oder Aluminium-Verbindungen, insbesondere weist ein Fügeteil ein Aluminiumsgussmaterial auf oder besteht daraus.
Die normierte Referenz-Kraft-Weg-Kurve und die normierte Kraft-Weg-Kurve enthält oder wird in einer Weiterbildung um Fügeteildaten ergänzt, wobei die normierte Referenz-Kraft-Weg-Kurve passend zu den Fügeteildaten bereitgestellt wird. Als Fügeteildaten sind insbesondere Werkstoffe, Materialstärke, Oberflächenbeschaffenheit vorgesehen, die wesentliche Einflüsse auf das Kraft-Weg-Diagramm und auf die End-Gesamtdicke haben können.
Die Anfangs-Gesamtdicke der Fügeteile vor dem Eindrücken wird beispielsweise durch die Beobachtung eines Kraftverlaufes während des Bewegens des Stempels in Fügerichtung bestimmt. Durch z.B. die Analyseeinheit wird festgestellt, ob ein festgelegter Schwellwert eines Kraftanstieges vorliegt. Besteht zwischen zwei Fügeteilen ein Freiraum oder ein Spiel, wird sich während des ersten Kontaktes des Stempels mit dem ersten Fügeteil ein geringer Krafteinstieg feststellen lassen, bis beide Fügeteile plan aufeinander aufliegen. Sobald dies der Fall ist, beginnt die gemeinsame Verformung der Fügeteile mit dem Ziel, dass der Stempel das Material beider Fügeteile in die Matrize hinein bewegt. Die gemeinsame Verformung bewirkt einen signifikanten Kraftanstieg. Wird ein signifikanter Krafteinstieg bei der Überwachung der Fügebewegung des Stempels in Fügerichtung festgestellt, wird die festgestellte gemeinsam Fügeteildicke, die aus den Wegmessdaten zu diesem Zeitpunkt und ggf. Zuschlägen aufgrund von geringen Verformungen ermittelt werden kann, als Anfangs-Gesamtdicke festgelegt und dem weiteren Verfahren zugrunde gelegt.
Um die normierte Kraft-Weg-Kurve der aktuellen Fügepaarung zu erhalten, wird in einer Ausgestaltung der erste Messwert in Gestalt der Kraft-Weg-Kurve entlang einer Abszisse um einen ersten Verschiebefaktor verschoben, sodass beispielsweise die Kurve ab einem festgestellten Krafteinstieg als Startpunkt verschoben wird. Alternativ oder ergänzend wird der erste Messwert oder die Kraft-Weg-Kurve entlang einer Ordinate um einen zweiten Verschiebefaktor verschoben, um einen gemeinsamen Startpunkt oder einen Startpunkt festzulegen, der in einem Toleranzbereich um einen Ausgangspunkt der normierten Referenz-Kraft-Weg-Kurve liegt. Die jeweiligen Verschiebefaktoren entlang der Abszisse und bzw. Ordinate werden vorzugsweise von der Anfangs-Gesamtdicke und/oder der End-Gesamtdicke berechnet, wobei die jeweiligen Verschiebefaktoren aufgrund von empirischen Daten festgelegt und in der Prozesssteuerung hinterlegt sind. Die Verschiebefaktoren werden insbesondere durch einen Rechner oder eine Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise in einer Analyseeinheit, für die jeweiligen Messwerte in der Systemsteuerung berechnet.
In einer Weiterbildung des Verfahrens werden für die Referenz-Kraft-Weg-Kurve mindestens zwei, insbesondere drei oder mehr Fügeteilkombinationen aus jeweils insbesondere zwei Fügeteilen zugrunde gelegt, wobei die Summe der einzelnen Materialdicken unterschiedlich zu den Materialdicken der anderen Materialkombinationen ist. Für jede Fügeteilkombination werden Kraftmessdaten einer Kraft erfasst, die zwischen einem Stempel und mindestens einem Fügeteil auftritt. Es werden Weg-Messdaten für den Stempel entlang der Fügerichtung erfasst, um den zurückgelegten Weg des Stempels entlang der Fügerichtung zu messen. Die erfassten Weg-Messdaten werden zu den erfassten Kraft-Messdaten in Form einer ersten Kraft-Weg-Kurve zugeordnet und eine entsprechende Kurve erstellt, insbesondere durch eine Analyseeinheit. Es werden die Anfangs-Gesamtdicke in der Fügeteile vor dem Eindringen des Stempels in die Fügeteile durch Erfassen eines Kraftanstieges zu einem ersten Zeitpunkt ermittelt und eine End-Gesamtdicke des Clinchelementes mittels des Stempels zu einem zweiten Zeitpunkt ermittelt. Die erste Kraft-Weg-Kurve wird zur einer normierten Kraft-Weg-Kurve verschoben; dieser normierten Kraft-Weg-Kurve wird eine Obergrenze-Kurve und eine Untergrenze-Gruppe zugeordnet, um einen Toleranzbereich zu definieren. Der solcherart erstellten Referenz-Kraft-Weg-Kurve wird in einer Weiterbildung ein Zielwert der End-Gesamtdicke des Clinchelementes zugeordnet, der erreicht werden muss, damit die vorgegebenen Qualitätsanforderungen der Prozessüberwachung erfüllt sind.
Die Vorrichtung zum Durchsetzfügen zumindest zweier Fügeteile zu einem Clinchelement mit einem Stempel und einer Matrizen, einer Kraftmesseinrichtung zur Erfassung der durch den Stempel aufgebrachten Kraft und einer Wegmesseinrichtung zur Erfassung des durch den Stempel zurückgelegten Weges, die zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist, weist eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe einer Fehlermeldung auf, wenn die normierte Kraft-Weg-Kurve und/oder die End-Gesamtdicke außerhalb festgelegter Grenzwerte liegen. Die Ausgabeeinrichtung kann eine optische, haptische und/oder akustische Fehlermeldung ausgeben und/oder eine Unterbrechung des Betriebes der Vorrichtung zur Folge haben, damit die Vorrichtung überprüft und gegebenenfalls neu eingerichtet werden kann.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 - ein Kraft-Weg-Diagramm für drei Fügeteilpaarungen;
2 - eine schematische Darstellung einer Normierung;
3 - normierte Kraft-Weg-Diagramme;
4 - eine schematische Darstellung des Verfahrens;
5 - eine Kraft-Weg-Kurve mit Zielwertbereich;
6 - eine Teildarstellung einer Durchsetzfügevorrichtung in Ausgangsstellung im Längsschnitt; sowie
7 - eine Darstellung nach 6 nach dem erfolgten Durchsetzfügen.

In der 6 ist in einer schematischen Darstellung im Längsschnitt eine Vorrichtung 10 zum Durchsetzfügen dargestellt. In einem oberen Werkzeugträger 10.1 ist ein Stempel 11 in und entgegen der Fügerichtung A verschieblich gelagert. Dem oberen Werkzeugträger 10.1 gegenüberliegend ist ein unterer Werkzeugträger 10.2 positioniert, in dem eine Matrize 12 mit einem konzentrisch zu der Matrize 12 angeordneten Amboss 12.1 angeordnet ist. Sowohl der Stempel 11 als auch der Amboss 12.1 sind mit einer nicht dargestellten elektronischen Steuerung gekoppelt, über die die Vorrichtung 10 gesteuert wird. Beispielsweise werden Antriebe für den Stempel 11 und den Amboss 12.1 entlang und entgegen der Fügerichtung A verschoben, sodass dem Stempel 11 während des Fügevorganges ein definierter Widerstand entgegengesetzt werden kann bzw. der Formprozess der Fügeteile gesteuert werden kann. Zwischen der Matrize 12 und dem Stempel 11 sind 2 Teile B1, B2 eingelegt, der Stempel 11 findet sich in einer Stellung, in der er bereits Kontakt mit dem oberen Teil B1 aufweist. Zwischen dem Werkzeugträger 10.1 und der Oberseite der Matrize 12 befindet sich ein Freiraum, sodass der Stempel 11 bereits die beiden Fügeteile B1, B2 aufeinander drückt. Ein Fügevorgang und ein gemeinsames Umformen der beiden Fügeteile B1, B2 hat noch nicht stattgefunden. Der Stempel 11 liegt an der Oberseite B10 des oberen Fügeteils B1 an, während die Matrize 12 an der Unterseite B20 des zweiten Teils B2 anliegt. In dieser Stellung, in der die beiden Fügeteile B1, B2 plan aufeinander aufliegen, ist der Abstand des Stempels 11 zu der Matrize 12 gleich der Anfangs-Gesamtdicke D1 der Fügepaarung. Die Anfangs-Gesamtdicke D1 wird über Wegmessdaten bestimmt, die den zurückgelegten Weg des Stempels 11 in Richtung auf die Matrize 12 erfassen. Dazu wird beispielsweise von einem fest vorgegebenen Abstand zwischen Stempel 11 und Matrize 12 in einer Null-Lage der zurückgelegte Weg des Stempels 11 bis zu einem gemessenen, signifikanten Kraftanstieg abgezogen und damit die Anfangs-Gesamtdicke D1 errechnet, wobei der Kraftanstieg über Sensoren ermittelt wird. Der Kraftanstieg erfolgt dann, wenn der Stempel 11 das obere Fügeteil B1 flach auf das untere Fügeteil B2 drückt und eventuell vorhandenes Spiel zwischen den beiden Fügeteilen B1, B2 aufgehoben worden ist. Es beginnt dann die gemeinsame Verformung, wobei der Stempel 11 noch nicht in die beiden Fügeteile B1, B2 eingedrungen ist. Die Ermittlung der Anfangs-Gesamtdicke D1 erfolgt vor jedem Fügevorgang der neu eingelegten Fügeteile B1, B2 und dient der Prozessüberwachung.
In der 7 ist das Ende des Fügeverfahrens dargestellt, der Stempel 11 ist in die Endposition verfahren, ebenfalls ist der Amboss 12.1 in die Fügerichtung A nach unten in den unteren Werkzeugträger 10.2 verfahren, sodass sich das Material der beiden Fügeteile B1, B2 in den Hohlraum innerhalb der Matrize hinein bewegt hat. Der Weg, den der Stempel 11 von dem Zustand der 6 bis zu dem Zustand gemäß 7 zurückgelegt hat, ist die sogenannte Durchsetztiefe DTi. Aus der Differenz zwischen der Anfangs-Gesamtdicke D1 und der Durchsetztiefe DTi ergibt sich die End-Gesamtdicke in dem Bodenbereich der Clinchverbindung.
In der 1 sind auf der X-Achse oder Abszisse der Weg und auf der Y-Achse oder Ordinate die Kraft aufgetragen, die bei dem Fügen zweier Fügeteile B1, B2 auftreten. Die Kraft-Weg-Kurven sind exemplarisch; dargestellt sind drei Kurven für Materialpaarungen mit maximaler Materialstärke K1, mit nominaler Materialstärke K2 und minimaler Materialstärke K3. Die zwischen dem maximalen Materialstärkewert K1 und minimalen Materialstärkewert K3 liegenden Kurven von Wegmessdaten und Kraftmessdaten liegen alle innerhalb eines Toleranzbereiches, in dem eine Fertigung stattfinden kann. Problematisch bei dem Clinchen von Fügeteilen B1, B2 mit schwankenden Materialstärken ist, dass die Zielvorgaben während des Fügeprozesses dynamisch angepasst werden müssen. Insbesondere bei der Verarbeitung von Gussteilen schwanken in die Materialstärken von Charge zu Charge erheblich, gegebenenfalls auch innerhalb eines einzelnen Bauteiles, sodass die tatsächliche Anfangs-Gesamtdicke D1 vor jedem Fügeprozess ermittelt wird. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Qualität wird die Ziel-Bodendicke oder die End-Gesamtdicke in dem Bodenbereich der Fügestelle in Abhängigkeit von der Ausgangs-Materialstärke jeweils neu berechnet. Dabei sind sowohl die zum Ende aufgebrachte Kraft als auch die Endposition des Stempels 11 und gegebenenfalls des Amboss 12.1 abhängig von der jeweils aktuellen, tatsächlichen Anfangs-Gesamtdicke D1 der Materialpaarung. Die Prozesssteuerung für die Antriebe des Stempels 11 und des Amboss 12.1 sind darauf ausgelegt möglichst geringe Abweichungen von der vorgegebenen Kraft-Weg-Verlauf aufzuweisen bzw. innerhalb eines möglichst engen Toleranzbereiches an der jeweils vorgegebenen Kurve, also der Referenz-Kraft-Weg-Kurve, zu liegen. Die Maschinen oder die Vorrichtungen 10 zum Durchsetzfügen weisen dabei eine sehr hohe Genauigkeit auf, sodass die Prozessüberwachung entsprechend empfindlich eingestellt werden kann. Sind die Schwankungen innerhalb der Materialpaarungen hinsichtlich der Materialdicke vergleichsweise groß, schwanken die Ausgangsparameter hinsichtlich der Materialpaarung größer als die Empfindlichkeit der Prozessabweichung für den Kraft-Weg-Verlauf der Maschine, sodass es bei der Zugrundelegung nur einer Referenzkurve zu fehlerhaften Fehlermeldungen kommen kann.
Um die Prozessüberwachung weniger fehleranfällig und dennoch weiterhin möglichst präzise ausführen zu können, wird eine Transformation durchgeführt, die in der 2 schematisch dargestellt ist. Die gemessene Kraft-Weg-Kurve als erster Messwert wird mit der gemessenen Materialstärke in eine normierte oder normalisierte Kurve transformiert. Dabei können weitere Daten in den Transformationsvorgang eingearbeitet werden, beispielsweise die eingesetzten Materialien, die Oberflächengüte, die Oberflächenbehandlung, Temperaturen oder andere Materialeigenschaften. Aus diesen Werten wird eine Transformation durchgeführt, sodass aus der gemessenen Kraft-Weg-Gruppe F(x) die normierte Kraft-Weg-Kurve F'(x') errechnet wird.
In der 3 sind eine Vielzahl solcher normierter Kraft-Weg-Kurven für unterschiedliche Materialdickenpaarungen und gegebenenfalls unterschiedliche Materialien dargestellt. Die jeweils gemessenen Kraft-Weg-Kurven F(x) wurden entlang der Abszisse und/oder Ordinate verschoben, wobei sich die jeweiligen Verschiebeparameter entlang der Abszisse und der Ordinate durch vorab durchgeführte Analyseverfahren ermitteln lassen. Die Verschiebeparameter sind beispielsweise abhängig von den Materialdicken, den eingesetzten Materialien und dergleichen. Wie in der 3 gezeigt, ist nach dem Beginn des eigentlichen Eindringens des Stempels 11 in das Material, was durch den steilen Kraftanstieg gekennzeichnet ist, ein ähnlicher Verlauf für die jeweiligen Kurven gegeben. Aus dieser Vielzahl der normierten Kurven wird eine Referenzkurve für die Prozessüberwachung erstellt, um eine Vorrichtung zum Durchführen des Durchsetzfügens einzurichten. Dieser Vorgang ist in der 4 schematisch dargestellt.
Zum Einrichten der Vorrichtung werden eine Vielzahl von Materialpaarungen bei dem Fügen gemessen und für jedes Fügen wird eine Kraft-Weg-Kurve erstellt, wobei diejenigen Kurven verwendet werden, die den Qualitätsanforderungen genügen. Diese Kurven werden normiert und zu einer Referenzkurve für die Prozessüberwachung zusammengeführt. Diese Referenzkurve wird der Prozessüberwachung zugrunde gelegt, sodass beim anschließenden Produzieren von Fügeteilen das in dem unteren Kasten der 4 dargestellte Verfahren ablaufen kann. Auch hier werden sowohl die Anfangs-Gesamtdicke D1 als auch der Kraft-Weg-Verlauf während des Fügens gemessen. Das Messergebnis wird normiert und mit der Referenzkurve der Prozessüberwachung verglichen. Ergibt sich, dass die Referenzkurve bzw. der Toleranzbereich, der um die Referenzkurve herum gelegt worden ist, verlassen worden ist, wird eine Fehlermeldung ausgegeben, gegebenenfalls wird eine positive Meldung ausgegeben, dass kein Fehler vorliegt. Ergänzend und alternativ wird die End-Gesamtdicke als Qualitätskriterium herangezogen, wobei dieser als Zielwert am Ende der Kraft-Weg-Kurve angezeigt wird.
Ein Beispiel für eine Referenz-Kraft-Weg-Kurve ist in der 5 dargestellt, mit einer Obergrenze-Kurve H1 und eine Untergrenze-Kurve H2 als Hüllkurve, die um die einzelnen normierten Kraft-Weg-Kurven herumgelegt wurden, die gemäß der 3 möglichst deckend zueinander verschoben worden sind. Entweder wird aus diesem Kurven eine einzelne Referenz-Kraft-Weg-Kurve als normierte Referenz-Kraft-Weg-Kurve errechnet oder die Kurven H1, H2 werden um die Kurvenschar herum angeordnet. Oben rechts in der 5 ist der End-Gesamtdickenwert als Zielwert Z eingetragen, ebenso wie als Zielwert für die aufzubringen Kraft. Sobald die tatsächlichen Kraft-Weg-Kurven während des Fügens innerhalb des Zielbereiches Z liegen, kann davon ausgegangen werden, dass der Fügeprozess keiner Korrektur bedarf; sobald die Kraft-Weg-Kurven während des Fügens außerhalb der Obergrenze-Kurve H1 bzw. der Untergrenze-Kurve H2 liegen und/oder der Zielbereich Z nicht erreicht wird, wird eine Fehlermeldung ausgegeben, sodass der Prozess überprüft und gegebenenfalls korrigiert werden kann. Mögliche Fehler innerhalb des Prozesses sind beispielsweise Änderungen in dem Material, ein Bruch des Stempels 11, ein Bruch der Matrize 12, zwischen den Fügeteilen B1, B2 vorhandene Störstoffe oder dergleichen. Die Überprüfung des Prozesses erfolgt dann durch die Bedienperson.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3 020 489 B1 [0003]
US 2001/0002506 A1 [0004]
DE 10 2019 207 885 B3 [0005]
WO 2018/178186 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Durchsetzfügen von mindestens zwei aufeinander liegenden Fügeteilen (B1, B2) mittels Eindrücken der Fügeteile (B1, B2) mit einem Stempel (11) in einer Fügerichtung (A) in eine Matrize (12) zu einem Clinchelement, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Erfassen von Kraftmessdaten einer Kraft, die zwischen dem Stempel (11) und mindestens einem der Fügeteile (B1, B2) wirkt, (b) Erfassen von Wegmessdaten eines von dem Stempel (11) entlang der Fügerichtung (A) zurückgelegten Wegs, (c) Erstellen mindestens einer Zuordnung der erfassten Wegmessdaten zu den erfassten Kraftmessdaten in Form eines ersten Messergebnisses, (d) Ermitteln einer Anfangs-Gesamtdicke (D1) der Fügeteile (B1, B2) vor dem Eindringen des Stempels (11) in die Fügeteile (B1, B2) zu einem ersten Zeitpunkt, (e) Bereitstellen einer Referenz-Kraft-Weg-Kurve, wobei die Referenz-Kraft-Weg-Kurve eine Obergrenze-Kurve (H1) und eine Untergrenze-Kurve (H2) aufweist, (f) Bereitstellen eines Zielwerts (Z) für die End-Gesamtdicke des Clinchelementes, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist: (g) Erstellen einer normierten Referenz-Kraft-Weg-Kurve mit einer Obergrenze-Kurve (H1) und einer Untergrenze-Kurve (H2) aus einer Mehrzahl von Kraft-Weg-Kurven, die für unterschiedliche Materialstärken ermittelt wurden, (h) Transformieren des ersten Messergebnisses zu einer normierten Kraft-Weg-Kurve, (i) Feststellen, ob die normierte Kraft-Weg-Kurve an mindestens einer Stelle der normierten Referenz-Kraft-Weg-Kurve die Obergrenze-Kurve (H1) überschreitet und/oder die Untergrenze-Kurve (H2) unterschreitet, (j) Ausgeben eines ersten Fehlersignals, wenn die normierte Kraft-Weg-Kurve an mindestens einer Stelle die Obergrenze-Kurve (H1) überschreitet und/oder die Untergrenze-Kurve (H2) unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner aufweist: (a) Ermitteln eines Weg-Messpunktes der Fügeteile (B1, B2) nach dem Eindrücken des Stempels (11) in die Matrize (12) zu einem zweiten Zeitpunkt, (b) Feststellen, ob der Weg-Messpunkt zu dem zweiten Zeitpunkt von dem vorgegebenen Zielwert (Z) der End-Gesamtdicke um mehr als einen vorgegebenen Toleranzwert abweicht und (c) Ausgeben eines zweiten Fehlersignals, wenn eine solche Abweichung festgestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines, insbesondere jedes, der Fügeteile (B1, B2) ein Metall oder eine Metalllegierung, insbesondere Aluminium oder Aluminiumverbindungen, insbesondere Aluminiumguss aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die normierte Referenz-Kraft-Weg-Kurve und die normierte Kraft-Weg-Kurve Fügeteildaten enthalten und die normierte Referenz-Kraft-Weg-Kurve passend zu den Fügeteildaten bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangs-Gesamtdicke der Fügeteile (B1, B2) vor dem Eindrücken durch die Analyseeinheit durch Überschreiten eines festgelegten Schwellwertes eines Kraftanstieges bestimmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformieren durch Verschieben der ersten Kraft-Weg-Kurve entlang einer Abszisse um einen ersten Verschiebefaktor und/oder entlang einer Ordinate um einen zweiten Verschiebefaktor erfolgt, wobei insbesondere der erste und/oder zweite Verschiebefaktor von der Anfangs-Gesamtdicke (D1) und/oder End-Gesamtdicke abhängig berechnet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erstellen der Referenz-Kraft-Weg-Kurve mindestens für zwei Fügeteilkombinationen, bei denen die Summe der einzelnen Materialdicken unterschiedlich zu den Materialdicken der anderen Fügeteilkombinationen ist, folgende Schritte durchgeführt werden: i. Erfassen von Kraftmessdaten einer Kraft, die zwischen einem Stempel (11) und mindestens einem der Fügeteile (B1, B2) wirkt, ii. Erfassen von Wegmessdaten eines von dem Stempel (11) entlang der Fügerichtung zurückgelegten Wegs, iii. Erstellen mindestens einer Zuordnung der erfassten Wegmessdaten zu den erfassten Kraftmessdaten in Form einer ersten Kraft-Weg-Kurve; iv. Ermitteln einer Anfangs-Gesamtdicke der Fügeteile (B1, B2) vor dem Eindringen des Stempels (11) in die Fügeteile (B1, B2) durch Erfassen eines Kraftanstieges zu einem ersten Zeitpunkt, v. Ermitteln einer End-Gesamtdicke des Clinchelementes mittels des Stempels (11) zu einem zweiten Zeitpunkt, vi. Transformieren der ersten Kraft-Weg-Kurve zu einer normierten Kraft-Weg-Kurve, vii. Zuordnen einer Obergrenze-Kurve (H1) und einer Untergrenze-Kurve (H2).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenz-Kraft-Weg-Kurve ein Zielwert (Z) der End-Gesamtdicke des Clinchelementes zugeordnet wird.
Vorrichtung zum Durchsetzfügen zumindest zweier Fügeteile (B1, B2) zu einem Clinchelement mit einem Stempel (11) und einer Matrize (12), einer Kraftmesseinrichtung zur Erfassung der durch den Stempel (11) aufgebrachten Kraft und einer Wegmesseinrichtung zur Erfassung des durch den Stempel (11) zurückgelegten Weges, die zum Durchführen des Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche eingerichtet ist, und einer Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe einer Fehlermeldung, wenn die normierte Kraft-Weg-Kurve und/oder die End-Gesamtdicke außerhalb festgelegter Grenzwerte liegen.