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Die
Erfindung geht aus von einer Preßschweißmaschine zum Verschweißen einer
Mutter mit einem Blech nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie
sie beispielsweise aus der
US
4,020,316 als bekannt hervorgeht.
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Die
gattungsbildende
US 4,020,316 beschreibt
ein Verfahren und eine Preßschweißmaschine
zum Verschweißen
einer Schweißmutter
mit einem Blech. Hierbei müssen
zunächst
Mutter und eine im Verbindungsbereich auf dem Blech vorgesehene Durchgangsöffnung Blech
zueinander und gegenüber
den beiden Schweißelektroden
positioniert werden, bevor eine Verschweißung dieser beiden Teile zwischen
den einander gegenüberliegenden
Elektroden-Schweißflächen der
Preßschweißmaschine
erfolgt. Zur Zentrierung der Durchgangsöffnung des Blechs gegenüber der
Preßschweißmaschine
weist eine der Elektroden einen mittig auf der Schweißfläche angeordneten,
voreilenden und druckfedergelagerten Stempel auf, der die Durchgangsöffnung des Blechs
durchdringt; die gegenüberliegende
Elektrode ist mit einem mittig auf der Schweißfläche angeordneten, voreilenden
und druckfedergelagerten Mutter-Fixierstift
versehen, welcher die Mutter aufnimmt. Beim gegenseitigen Annähern der
beiden Schweißelektroden
werden Blech und Schweißmutter
durch Stempel und Fixierstift in der gewünschten relativen Ausrichtung
zueinander gehalten; Blech und Schweißmutter werden in dieser Relativlage
zwischen den beiden Elektroden-Schweißflächen eingespannt, wobei Mutter-Fixierstift
und Stempel – aufgrund
ihrer Federlagerung – sich
gegenseitig in die Innenräume
der Elektroden zurückdrängen und
so den Schweißprozeß nicht
beeinträchtigen.
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Die
Preßschweißmaschine
der
US 4,020,316 gestattet
eine hochgenaue Ausrichtung von Blech und Mutter während des
Schweißvorgangs;
sie setzt jedoch voraus, daß das
Blech hochgenau gegenüber
der Elektrode positioniert werden kann. Herstellungsbedingte Ungenauigkeiten
in der Position der Durchgangsöffnung
auf dem Blech können
nicht kompensiert werden. Dies bedeutet insbesondere dann einen
erheblichen Nachteil, wenn in einem einzigen Schweißgang – mit Hilfe
mehrerer auf einem gemeinsamen Werkzeug angeordneter Schweißelektroden – mehrere
Muttern synchron zueinander auf ein Blechteil aufgeschweißt werden
sollen. Toleranzen in der Form des Blechs bzw. in der Lage der Durchgangsöffnungen
können
in diesem Fall nicht ausgeglichen werden.
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Aus
der
US 6 008 463 ist
eine Pressschweißmaschine
bekannt, die zur Positionierung der anzuschweißenden Mutter auf dem Blechteil
einen Zentrierstift aufweist, der hochgenau in einem Führungsloch
der Elektrode geführt
wird. Auf diese Weise sollen Kippungen und Exzentrizitäten des
Zentrierstifts vermieden werden. Jedoch ist ein solch hochgenau in
der Elektrode geführter
Zentrierstift nicht geeignet, Ungenauigkeiten der Schweißposition
auf dem Blechteil auszugleichen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Preßschweißmaschine
zum Verschweißen
von Schweißmuttern
mit einem Blech bereitzustellen, mit Hilfe derer Ungenauigkeiten
der Schweißpositionen
auf dem Blech ausgeglichen werden können.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1.
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Danach
ist eine der Elektroden der Preßschweißmaschine
mit einem federgelagerten Zentrierstift versehen, welcher einerseits
einen Mutteraufnahmebereich zur Zentrierung der Mutter, andererseits
einen dem Mutteraufnahmebereich benachbarten Blechaufnahmebereich
zur Zentrierung der Durchgangsöffnung
des Blechs aufweist. Im Unterschied zur Preßschweißmaschine der
US 4 020 316 , in der die Zentrierung
der Mutter und der Blechöffnung
mit Hilfe unterschiedlicher in den gegenüberliegenden Elektroden vorgesehenen
Fixiermittel erfolgt, werden gemäß der vorliegenden
Erfindung nun Mutter und Blech mit Hilfe desselben Zentrierstifts
zueinander ausgerichtet. Erfindungsgemäß ist dieser Zentrierstift
schwimmend gegenüber
der ihn tragenden Elektrode gelagert, so daß der Zentrierstift gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht nur in Vorschubrichtung der Schweißelektrode,
sondern auch in seitlicher Richtung beweglich ist.
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Zwischen
der Innenwand des für
den Fixierstift in der Elektrode vorgesehenen Hohlraums und der
Außenwandung
des Zentrierstifts liegt demnach ein Spalt vor, so daß der Zentrierstift
seitlich verschiebbar ist. Diese schwimmende Lagerung des Zentrierstifts
ermöglicht
eine Kompensation von Bauteiltoleranzen, da der Zentrierstift durch
seitliches Ausweichen auch dann in die Durchgangsöffnung des
Blechs eindringen kann, wenn die Lage dieser Durchgangsöffnung von
der Soll-Lage abweicht. Da der Mutteraufnahmebereich auf dem Zentrierstift starr
mit dem Blechaufnahmebereich verbunden ist, bleibt dabei die relative
Position der Mutter erhalten, so daß die Mutter – unabhängig von
den Toleranzen des Blechbauteils – hochgenau gegenüber der Durchgangsöffnung positioniert
und in dieser Lage mit dem Blech verschweißt wird.
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Neben
der Möglichkeit
des Toleranzausgleichs führt
die schwimmende Lagerung des Zentrierstifts gegenüber der
Elektrode zu einer wesentlichen Vereinfachung beim Ausheben des
Blechteils nach dem Verschweißprozeß: Durch
das Spiel zwischen dem Zentrierstift und dem Elektrodenhohlraum wird
nämlich
ein – bei
starrer Führung
des Zentrierstifts häufig
auftretendes – Verklemmen
des Blechteils auf dem Werkzeug unterbunden. Daher kann das Ausheben
des Blechteils aus der Preßschweißmaschine
kraftarm (z.B. über
Magnetgreifer) erfolgen, so daß werkzeugseitig
auf aufwendige (kraftausübende)
Aushebevorrichtungen verzichtet werden kann.
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Diese
schwimmende Lagerung des Zentrierstifts bringt besondere Vorteile,
wenn das Blechteil mit Hilfe mehrerer auf einem gemeinsamen Werkzeug
angeordneter Preßschweißelektroden
mit mehreren Muttern versehen werden soll: In diesem Fall sind die
den einzelnen Muttern zugeordneten Zentrierstifte alle schwimmend
gegenüber
dem Werkzeug angeordnet, so daß Fertigungstoleranzen
bezüglich
der Relativlage der Durchgangslöcher
zueinander ausgeglichen werden können.
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Die
Breite des Spalts zwischen der Hohlraumwand der Elektrode und der
Außenwand
des Zentrierstifts beträgt
vorteilhafterweise zwischen 0,2 mm und 0,5 mm (siehe Anspruch 2).
Dadurch können einerseits
Lageabweichungen der Durchgangsöffnungen
bis zu 0,5 mm kompensiert werden, andererseits ist eine ausreichend
gute Führung
des Zentrierstifts durch den Elektrodenhohlraum gewährleistet.
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Der
Mutteraufnahmebereich des Zentrierstifts weist einen kegelstumpfförmigen Abschnitt
auf, mit Hilfe dessen die Schweißmutter zentriert und parallel
zum Blech ausgerichtet wird. Der Böschungswinkel dieses kegelstumpfförmigen Abschnitts
beträgt
zweckmäßigerweise
zwischen 115° und
140° (siehe
Anspruch 3). Eine solche Wahl des Böschungswinkels stellt einerseits
sicher, daß die Schweißmutter
prozeßsicher
zentriert und ausgerichtet wird; andererseits bewirkt ein solcher
Böschungswinkel,
daß das
Gewinde der Schweißmutter
während
der Schweißung
abgeschirmt und somit vor jeglichen Schweißspritzern geschützt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Zentrierstift einstückig
ausgebildet und besteht aus einem nichtleitenden keramischen Werkstoff (siehe
Anspruch 4). Durch die Wahl eines elektrisch isolierenden Materials
wird vermieden, daß der
Zentrierstift einen elektrischen Kurzschluß zwischen der Mutter und dem
(auf dem Zentrierstift aufgefädelten) Blech
verursacht. Keramische Materialien haben dabei den Vorteil hoher
Verschleißfestigkeit.
Die aufgrund der hohen Sprödigkeit
von Keramiken ansonsten bestehende Gefahr eines Verklemmens oder
Abbrechens des Zentrierstifts wird hierbei durch die erfindungsgemäße schwimmende
Lagerung des Zentrierstifts gebannt.
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Alternativ
kann der Zentrierstift mehrstückig ausgebildet
sein, wobei die Werkstoffe der einzelnen Teilstücke dezidiert der jeweiligen
Funktion angepaßt sind:
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Zentrierstift aus
einer (die Spitze des Mutteraufnahmebereichs enthaltenden) Aufnahmehülse, einer (den
Mutterauflagebereich sowie den Blechaufnahmebereich enthalten den)
Aufnahmescheibe und einem (im Hohlraum der Elektrode befindlichen)
Schaft aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff, wobei lediglich
die Aufnahmescheibe aus einem Keramik-Werkstoff besteht, während Aufnahmehülse und Schaft
aus anderen – preiswerteren – Werkstoffen bestehen
können
(siehe Anspruch 5). Ein solcher mehrteiliger Zentrierstift ist aufgrund
der geometrisch einfachen Form der keramischen Aufnahmescheibe erheblich
kostengünstiger
als ein Vollkeramik-Zentrierstift.
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Zweckmäßigerweise
ist weiterhin die Schweißelektrode
mit einem Gasanschluß versehen, über den
ein Gas (z.B. Druckluft) in den Hohlraum der Elektrode eingeleitet
werden kann (siehe Anspruch 6). Während des Preßschweißvorgangs
wird das Gas am Zentrierstift vorbei in den Schweißbereich
geleitet, wodurch ein Eindringen von Schweißrückständen in den Spalt zwischen
Zentrierstift und Elektrode vermieden wird. So kann eine verschmutzungsfreie
Führung
des Zentrierstifts in der Elektrode sichergestellt werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen
dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert; dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Ausschnitts einer Preßschweißmaschine
während
des Beladens;
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2 den
Ausschnitt der 1 während des Schweißens;
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3a einen
einteiligen Zentrierstift;
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3b einen
aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzten Zentrierstift.
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1 zeigt
in einer schematischen Schnittansicht einen Ausschnitt einer Preßschweißmaschine 1,
mit Hilfe derer eine Schweißmutter 2 mit
einem Blech 3 verschweißt werden soll.
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Hierzu
sind an der Preßschweißmaschine 1 zwei
Elektroden 4, 5 vorgesehen, deren Schweißflächen 6, 7 einander
gegenüberliegen.
Die obere Schweißelektrode 4 ist
beweglich gegenüber
der unteren Schweißelektrode 5 gelagert,
so daß die Schweißfläche 6 der
oberen Elektrode 4 auf die untere Elektrode 5 abgesenkt
werden kann; dies ist in 1 durch einen Pfeil 8 angedeutet.
(Alternativ kann auch die untere Schweißelektrode 5 beweglich gelagert
sein, oder beide Schweißelektroden 4, 5 können aufeinander
zu bewegt werden). Die Schweißelektroden 4, 5 sind
auf einem (in 1 schematisch angedeuteten)
Werkzeug 9 montiert, welches weitere Schweißelektrodenpaare
enthalten kann.
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Das
Blech 3 weist im Verbindungsbereich eine Durchgangsöffnung 10 auf.
Die Schweißmutter 2 soll
auf eine solche Weise mit dem Blech 3 verschweißt werden,
daß das
Innengewinde 11 der Schweißmutter 2 an der Durchgangsöffnung 10 ausgerichtet
ist; dies bedeutet, daß die
Symmetrieachse des Innengewindes 11 mit der Symmetrieachse
der Durchgangsöffnung 10 übereinstimmen
soll. Um diese Ausrichtung der Mutter 2 zur Durchgangsöffnung 10 zu
erreichen, ist die untere Elektrode 5 mit einem Zentrierstift 12 versehen,
welcher verschiebbar in einem Hohlraum 13 in der Elektrode 5 geführt ist.
Der Zentrierstift 12 weist in seinem der oberen Elektrode 4 zugewandten
Bereich 14 einen Mutteraufnahmebereich 15 auf,
an welchen sich ein zylinderförmiger Blechaufnahmebereich 16 und
ein im Inneren der Elektrode 5 geführter Schaft 17 anschließt (siehe
Detaildarstellungen der 3a und 3b).
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Der
Mutteraufnahmebereich 15 des Zentrierstifts 12 umfaßt einen
in Richtung der oberen Elektrode abragenden Vorsprung 18,
der ein Abfallen der auf den Zentrierstift 12 aufgelegten
Schweißmutter 2 verhindert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
besteht dieser Vorsprung 18 aus einem zylindrischen Abschnitt 19 mit
einem kegelstumpfartigen bzw. abgerundeten Ende 20, welches
das Auffädeln
der Mutter 2 auf den Zentrierstift 12 erleichtert.
Im Übergang zum
Blechaufnahmebereich 16 weist der Mutteraufnahmebereich 15 einen
kegelstumpfartigen Abschnitt 21 auf, der eine Mittigkeitszentrierung
der auf den Zentrierstift 12 aufgelegten Mutter 2 bewirkt.
Der Böschungswinkel 22 dieses
kegelstumpfartigen Abschnitts 21 liegt für Blechstärken 23 bis
zu 1,5 mm bei etwa 120°,
bei Blechstärken 23 oberhalb
1,5 mm bei bis zu 135°.
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Der
sich an den Mutteraufnahmebereich 15 anschließende Blechaufnahmebereich 16 ist
zylinderförmig
ausgestaltet; der Außendurchmesser 24 ist dem
Durchmesser der Durchgangsöffnung 10 auf dem
Blech 3 angepaßt,
so daß das
Blech 3 anhand der Durchgangsöffnung 10 hochgenau
auf dem Zentrierstift 12 aufgenommen und ausgerichtet wird.
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Der
sich an den Blechaufnahmebereich 16 anschließende Schaft 17 des
Zentrierstifts 12 verläuft vollständig im
Inneren 13 der Elektrode 5; endseitig ist der
Schaft 17 mit einer Aufwölbung 25 versehen, deren
Außendurchmesser 26 größer als
der Innendurchmesser 27 eines Führungsbereichs 28 des Elektroden-Hohlraums 13 ist;
diese Aufwölbung 25 sichert
den Zentrierstift 12 gegen ein Hinausgleiten aus dem Hohlraum 13 der
Elektrode 5. Eine Druckfeder 29 im Inneren 13 der
Elektrode 5 übt
auf den Zentrierstift 12 einen Druck in Richtung der Gegenelektrode 4 aus.
Der Hohlraum 13 der Elektrode 5 ist an eine Druckluftversorgung 30 angeschlossen.
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Der
Zentrierstift 12 ist schwimmend im Führungsbereich 28 des
Elektroden-Hohlraums 13 gelagert. Das bedeutet, daß zwischen
der Innenwand 31 des Führungsbereichs 28 und
der Außenwand 32 des
Zentrierstifts 12 ein Spalt 33 vorgesehen ist,
der einige Zehntel Millimeter beträgt. Dieser Spalt 33 bewirkt,
daß der
Zentrierstift 12 im Führungsbereich 28 der
Elektrode 5 seitlich verschoben werden kann.
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Zum
Verschweißen
der Schweißmutter 2 mit dem
Blech 3 wird zunächst
das Blech 3 in einer solchen Weise auf die untere Elektrode 5 aufgelegt,
daß die
Durchgangsöffnung 10 auf
den Blechaufnahmebereich 16 des Zentrierstifts 12 aufgefädelt ist.
Falls die Durchgangsöffnung 10 – z.B. aufgrund
von Fertigungstoleranzen des Blechs 3, welches in einem
anderen Bereich (z.B. an einer anderen Durchgangsöffnung,
welche ebenso mit einer Schweißmutter
versehen werden soll) gegenüber
dem Schweißwerkzeug 9 ausgerichtet
wird – dabei
in einer von der genauen (Mitten-)Lage
des Zentrierstifts 12 abweichenden Lage auf die Elektrode 5 trifft,
weicht der Zentrierstift 12 – aufgrund seiner schwimmenden
Lagerung – seitlich
aus; die konische Gestaltung des Vorsprungs 20 des Mutteraufnahmebereichs 15 stellt
dabei sicher, daß die
Durchgangsöffnung 10 prozeßsicher auf
den Zentrierstift 12 aufgefädelt wird. Anschließend wird
die Mutter 3 auf den Mutteraufnahmebereich 15 des
Zentrierstifts 12 aufgelegt; dies kann manuell oder mit
Hilfe einer automatischen Zuführungsvorrichtung
erfolgen. Der kegelstumpfförmige Abschnitt 21 bewirkt
eine Ausrichtung der Schweißmutter 2 parallel
zum Blech 3 (siehe 1).
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Nachdem
das Blech 3 und die zu verschweißende Mutter 2 auf
den Zentrierstift 12 aufgelegt wurde, wird die Oberelektrode 4 abgesenkt
(Pfeil 8). Dabei übt
diese Elektrode 4 eine Kraft auf die Schweißmutter 2 und
somit auf den die Mutter 2 haltenden Zentrierstift 12 aus,
die ein Zurückweichen
des federgelagerten Zentrierstifts 12 in den Innenraum 13 der unteren
Elektrode 5 bewirkt (siehe 2). Die Schweißmutter 2 wird
hierbei in der gewünschten Ausrichtung
auf das Blech 3 gedrückt.
Gleichzeitig entsteht beim Absenken des Zentrierstifts 12 ein Spalt 34 zwischen
der Aufwölbung 25 des
Zentrierstiftschafts 17 und dem unteren Rand 35 des
Führungsbereichs 28 der
Elektrode 5; dieser Spalt 34 bewirkt, daß die über die
Druckluftzuführung 30 in
den Hohlraum 13 der Elektrode 5 eingeleitete Druckluft den
Zentrierstift 12 umspült.
In diesem Zustand werden Mutter 2 und Blech 3 miteinander
verschweißt. Dabei
ist der Innenraum 36 der Mutter 2 zwischen der Oberelektrode 4 und
dem kegelstumpfförmigen
Abschnitt 21 des Mutteraufnahmebereichs 15 eingespannt,
so daß das
Innengewinde 11 der Mutter 2 gegenüber Schweißspritzern
geschützt
wird. Weiterhin verhindert der den Zentrierstift 12 umspülende Druckluftstrom
ein Eindringen von Schweißspritzern bzw.
Schweißrückständen in
den Spalt 33 zwischen dem Führungsbereich 28 der
Elektrode 5 und dem Zentrierstift 12.
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Nach
beendeter Schweißung
wird die Oberelektrode 4 angehoben, und das Blech 3 wird – zusammen
mit der aufgeschweißten
Mutter 2 – aus
der Preßschweißmaschine 1 entnommen.
Treten dabei Verkantungen auf, so weicht der Zentrierstift 12 aufgrund
seiner schwimmenden Lagerung in der Elektrode 5 aus und
paßt sich
der Ausrichtung des Blechs 3 an. Somit erfolgt die Entnahme
des Blechs 3 weitgehend kraftfrei, kann also z.B. mit Hilfe
eines kraftarmen (beispielsweise magnetischen) Aushebers erfolgen.
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3a und 3b zeigt
zwei unterschiedliche Ausgestaltungen des Zentrierstifts 12.
Der Zentrierstift 12 der 3a ist
einstückig
aus einem nichtleitenden keramischen Werkstoff gefertigt. Der Zentrierstift 12' der 3b ist
aus mehreren Einzelteilen 37, 38, 39 zusammengesetzt,
welche durch eine das Innere der Einzelteile 37, 38, 39 durchdringende Schraube 40 verbunden
werden. Die Spitze des Zentrierstifts 12' wird durch eine Aufnahmehülse 37 aus einem
metallischen Werkstoff (z.B. V2A) gebildet, welche den zylindrischen
Abschnitt 19 und den Vorsprung 19 des Mutteraufnahmebereichs 15 enthält; die
Gestaltung dieser Aufnahmehülse 37 aus
einem nichtmagnetischen Werkstoff, insbesondere Edelstahl, hat den
Vorteil, daß ein
Anhaften von Schweißspritzern
an der Aufnahmehülse 37 minimiert
wird. – An
diese Aufnahmehülse 37 schließt sich
eine Aufnahmescheibe 38 aus einem nichtleitenden keramischen
Werkstoff an, welche den kegelstumpfförmigen Abschnitt 21 des
Mutteraufnahmebereiches 15 sowie den Blechaufnahmebereich 16 enthält. An die Aufnahmescheibe 38 schließt sich
eine Führungshülse 39 an,
welche den Schaft 17 des Zentrierstifts 12' bildet und
aus einem temperaturbeständigen
verschleißfesten
Kunststoff besteht, der faserverstärkt sein kann.
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Beide
Ausgestaltungen des Zentrierstifts 12, 12' bestehen im
Blechaufnahmebereich 16 sowie und im Schaftbereich 17 aus
einem nichtleitenden Werkstoff; dies ist wichtig, um zu vermeiden, daß der Zentrierstift 12 während des
Schweißens
einen Kurzschluß zwischen
Mutter 2 und Zentrierstift 12, 12' bzw. zwischen
Blech 3 und Zentrierstift 12, 12' bewirkt. Der
aus mehreren Einzelteilen 37, 38, 39 zusammengesetzte
Zentrierstift 12' ist
zwar aufwendiger zu montieren, jedoch wesentlich preisgünstiger, da
er nur ein kleines, geometrisch einfach gestaltetes Keramikteil
(nämlich
die Aufnahmescheibe 38) umfaßt.