Fügen Umrüsten vorhandener Nietanlagen auf das Taumelclinchen erhöht die Flexibilität

Autor / Redakteur: Achim Breckweg / Rüdiger Kroh

Beim Clinchen treten hohe Fügekräfte auf, die sich aber mit einer überlagerten Bewegung des Stempels reduzieren lassen. Entsprechende Systeme gibt es bereits für das Nieten und Bördeln, sie können auch zum Taumel- und Radialclinchen nachgerüstet werden. Der Einsatz der neuen Verbindungstechnik erfordert nur den Austausch von Werkzeugen und die Einstellung der neuen Restbodendicke.

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Kostendruck und Möglichkeiten, höhere Produktivität zu erreichen, führen zur Automatisierung in Fertigung und Montage. Gepaart mit besserer Sensor- und Steuerungstechnik, sowie höheren Anforderungen an die Dokumentation der Prozessergebnisse können Montageaufgaben vielfach durchgängig automatisiert werden. Dies gilt insbesondere für die mechanische Fügetechnik.

Clinchen bietet Vorteile bei Automatisierbarkeit und Kosten

Gute Automatisierbarkeit und preiswerte Verbindungselemente zeichnen das Clinchen aus. Die Qualität wird meist mit einer einfachen Kraft-Weg-Überwachung kontrolliert. Allerdings treten beim Clinchen hohe Fügekräfte bis 100 kN auf. Diese lassen sich mit einer überlagerterten Bewegung des Stempels deutlich reduzieren.

Der Stempel wird dabei auf einer 3-dimensionalen Bahn auf einem Kegelmantel (Taumelclinchen) oder auf einer Rosettenbahn (Radialclinchen) geführt. Durch die Reduzierung der Fügekräfte lassen sich Materialien und Blechdicken verbinden, die mit einer konventionellen, linearen Fügebewegung des Stempels nicht gefügt werden können. Selbst kleine Anlagen können so große Aufgaben bewältigen.

Clinch-Systeme mit überlagerter Stempelbewegung im Kommen

Systeme mit überlagerter Stempelbewegung sind vom Nieten und Bördeln bekannt. Diese werden bisher für das Clinchen in stationären Systemen nicht eingesetzt, weil der Nachweis von Haltekräften, insbesondere für die radial überlagerte Bewegung des Stempels, für die Verbindungen fehlte. Damit bisher brachliegendes Potenzial genutzt wird, können auch bestehende Anlagen zum Taumel- und Radialclinchen, Bördeln und Verstemmen nachgerüstet werden: alte Anlagen werden flexibler.

Voraussetzung für die Nachrüstung von bestehenden Anlagen ist zum einen die einfache Machbarkeit und zum anderen das Erreichen einer dem konventionellen Clinchen entsprechenden Verbindungsfestigkeit. Diese Verbindungsfestigkeiten liegen zum Beispiel für AlMg3 mit einer Einzelblechdicke von 1 mm bei 1 bis 1,5 kN im Scherzug. Am Fraunhofer IPA wurden daher Entwicklungen auf dem Gebiet des Clinchens mit radial überlagerter Stempelbewegung durchgeführt.

Bei der Entwicklung des Taumel- und Radialclinchens (Bild 1) wurde darauf geachtet, dass die bestehenden Anlagen mit möglichst geringen Einschränkungen hinsichtlich Werkzeugeinsatz und Verbindungsfestigkeiten sowohl anlagen- als auch prozessseitig verwendbar sind. Das bedeutet, dass die Stempel- und Matrizenaufnahmen beim Wechsel, beispielsweise vom Nieten zum Clinchen, anlagenseitig nicht geändert werden müssen.

Zum anderen sollten prozessseitig die beim konventionellen Clinchen standardmäßig verwendeten Werkzeuge, insbesondere die Matrizen, verwendbar sein. Neue Matrizenarten würden den Einführungsaufwand und somit die Kosten beim Wechsel erhöhen.

Standardmatritzen aus dem konventionellen Clinchen verwendbar

Die Anpassung des Stempeldurchmessers an die Anlage ist aufnahmeseitig fertigungstechnisch einfach realisierbar. Matrizenseitig können Standardmatrizen aus dem konventionellen Clinchen verwendet werden. Die einzige Anpassung ist somit die Abstimmung der Geometrie der Stempelspitze auf die neuen Anforderungen der Stempelbahn. Dafür wurden vom Fraunhofer IPA drei Stempelspitzengeometrien entwickelt und getestet (Bild 2). Diese sind hinterschnitten, zylindrisch oder konisch.

Diese Stempelgeometrien wurden mit verschiedenen Durchmessern systematisch untersucht. Für jede Geometrie wurden Versuche zur Scherzugfestigkeit und Kopfzugfestigkeit mit einer Fügebewegung des Stempels auf einer Rosettenbahn durchgeführt, um die optimale Verbindungsfestigkeit zu finden (Bild 3).

Weil die Geometrie der Verbindungen insbesondere durch die Matrize bestimmt wird, sind die Ausprägungen der Fügeelemente bei der Verwendung von Standardmatrizen ähnlich dem konventionellen Clinchen. Die Ergebnisse in Bild 4 zeigen die Verbindungsfestigkeiten für die Aluminiumlegierung AlMg3 mit einer Restbodendicke von 0,5 mm. Im Vergleich zu konventionell angefertigten Clinchverbindungen werden für Scherzug und Kopfzug ähnliche Werte erreicht.

Die Untersuchungen zeigen weiterhin, dass akzeptable Verbindungsfestigkeiten für einen großen Bereich an Stempeldurchmessern erreicht werden. Dies bedeutet, dass selbst wenn die optimale Stempel-Matrizenkombination nicht gewählt wird, die Verbindungsfestigkeit gut ist. Die Verbindungseigenschaften für höherwertige Blechmaterialien werden in dem jetzt angelaufenen EFB-Forschungsprojekt „Clinchen höher und hochfester Bleche mit überlagerter Bewegung“ an der Universität Stuttgart ermittelt, um das Einsatzspektrum der Clinchverfahren weiter auszubauen.

Durch die Kombination von bestehender Anlagentechnik mit neuartigen Fügeverfahren können Optimierungspotenziale genutzt werden. Selbst schon im Einsatz befindliche Taumel- und Radialnietanlagen können zum Taumel- und Radialclinchen nachgerüstet werden. Dafür müssen keine aufwändigen Änderungen an der Anlagentechnik durchgeführt werden. Der Einsatz der neuen Verbindungstechnik erfordert lediglich den Austausch von Werkzeugen und die Einstellung der neuen Restbodendicke. Die Flexibilität von bestehenden Montagesystemen mit mechanischer Fügetechnik kann somit deutlich erhöht werden. MM

Dr.-Ing. Achim Breckweg ist Gruppenleiter Robotersysteme am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, 70569 Stuttgart

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