DE102007007496B3

DE102007007496B3 - Vibrationsnietwerkzeug zum Einpressen und Befestigen von Nieten in Bauteilbohrungen sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102007007496B3
Application number: DE102007007496A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Ing. Kott
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: US8490275B2; WO2008099007A1; CN101641170B; JP2010517788A; BRPI0808137A2; CN101641170A; US20100170078A1; RU2009133239A; EP2111310A1; WO2008099007B1; CA2676068A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vibrationsnietwerkzeug 1,15 zum Einpressen und zum Befestigen von Nieten 3 in Bauteilbohrungen 7 von Bauteilen 8 von Flugzeugen. Das Vibrationsnietwerkzeug 1,15 weist eine Nietaufnahme 2,14 sowie eine Antriebseinheit 4,16 zur Erzeugung einer hohen statischen Einpresskraft 5 auf. Erfindungsgemäß wird die statische Einpresskraft 5 von einer mechanischen Schwingung 11,19 überlagert, deren Amplitude im Wesentlichen in Richtung einer Nietlängsachse 6 wirkt. Hierdurch wird die zum Einpressen und zur Befestigung des Niets 3 in eine Bauteilbohrung 7 erforderliche Kraft reduziert, so dass die Baugröße und die Masse des erfindungsgemäßen Vibrationsnietwerkzeugs 1,15 im Vergleich zu konventionellen Nietwerkzeugen geringer ist. Infolge der geringen Baugröße und des geringen Gewichts kann das Vibrationsnietwerkzeug 1,15 leichter in automatisierte Nietprozesse integriert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vibrationsnietwerkzeug zum Einpressen und zum Befestigen von Nieten in Bauteilbohrungen von Bauteilen, insbesondere von Flugzeugbauteilen, mit einer Nietaufnahme und einer Antriebseinheit, wobei die Antriebseinheit eine statische Einpresskraft in Richtung einer Nietlängsachse erzeugt.
Bekannte Ausführungsformen von Nietwerkzeugen bzw. Niethämmern im Flugzeugbau pressen den Niet mit hohen, vor allem in axialer Richtung des Nietes wirkenden mechanischen Kräften in das Nietloch. Hierbei muss das Nietwerkzeug eine Kraft von bis zu einer Tonne (ca. 10 kN) aufbringen. Aufgrund der zum Einpressen der Niete erforderlichen hohen Kraft müssen die Nietwerkzeuge entsprechend massiv und schwer ausgebildet werden. Für das automatisierte Nieten von Verbindungen zwischen Bauteilen werden daher Nietautomaten benötigt, die eine Masse von bis zu einer Tonne aufweisen.
Hierdurch wird eine weitergehende Automatisierung von Nietprozessen, beispielsweise unter Verwendung von konventionellen Industrie-Knickarmrobotern, um auch ein automatisches Vernieten von Bauteilen in schwer zugänglichen Arbeitspositionen zu ermöglichen, erschwert.
Aus der US 5 027 490 ist eine Vorrichtung zum Einsetzen von Nieten in übereinanderliegenden Werkstücken bekannt. Die komplexe und schwere Vorrichtung um fasst unter anderem eine Antriebs- und eine Vibrationseinheit. Mittels einer Antriebseinheit wird zunächst eine statische Kraft zum Einpressen der Nieten aufgebracht, während die Vibrationseinheit nach dem Abschluss des eigentlichen Nietsetzvorgangs zum Abbau von mechanischen Spannungen in den Werkstücken dient.
Die DE 197 29 368 A1 betrifft ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanischen Fügen von Blechen, Profilen und/oder Mehrblechverbindungen. Bei dieser Nietvorrichtung wird das Niet mit hochfrequenten Stößen mit einer relativ geringen Schlagenergie in die Werkstücke eingetrieben, wobei die Matrize als Wiederlager für den Stößel federnd gedämpft gelagert ist. In Abhängigkeit von den Eigenfrequenzen der zu fügenden Bleche erfolgt eine Adaption der Federhärte und/oder der Dämpfung der Matrize. Ein separater Generator zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen ist nicht vorgesehen.
Aus der US 3 483 611 ist weiterhin eine Vorrichtung zum Zusammenfügen von zwei Bauteilen mittels Druck und Ultraschall bekannt. Ein erstes Bauteil aus beispielsweise einem textilen Nylongewebe weist eine scheibenförmige Gestalt auf, während das hiermit zu verbindende zweite Bauteil aus Metall oder Kunststoff bestehen kann und zwei kleine nach oben weisende Dorne, Spitzen bzw. Stacheln aufweist. Beide Bauteile werden in der einer herkömmlichen Presse ähnlichen Vorrichtung miteinander verschweißt. Durch die gleichzeitige Anwendung von Druck und Ultraschall in einem Bereich zwischen 1 kHz und 100 kHz und einer Schwingungsamplitude bis zu 0,635 mm durchdringen die Dorne des unten liegenden zweiten Bauteils das darüber liegende erste Bauteil, wobei die durch Druck und Ultraschall zumindest teilweise plastifizierten Dorne pilzförmig umgeformt werden. Die Schaffung einer herkömmlichen Nietverbindung zwischen zwei Blechen mittels dieser Vorrichtung ist nicht vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Nietwerkzeug zu schaffen, das bei gleicher Nietleistung im Vergleich zu konventionellen Niethämmern ein deutlich reduziertes Gewicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Nietwerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass mindestens ein Schwingungsgeber zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung vorgesehen ist, wobei eine Amplitude der mechanischen Schwingung der statischen Einpresskraft überlagert ist,
können mittels des erfindungsgemäßen Vibrationsnietwerkzeugs Nieten mit einer relativ geringen Einpresskraft in ein Nietloch eingesetzt bzw. eingepresst werden. Hierdurch kann das Gewicht des Vibrationsnietwerkzeugs im Verhältnis zu konventionellen Niethämmern erheblich verringert werden. Infolge des verringerten Gewichts des Vibrationsnietwerkzeugs können Nietprozesse automatisiert werden, die bislang aufgrund des hohen Gewichts der Niethämmer einer Automatisierung nicht zugänglich waren.
Die Amplitude der mechanischen Schwingung kann unter einem beliebigen Winkel zwischen 0° und 90° auf die Nietlängsachse wirken. Gegebenenfalls kann dieser Winkel während des Betriebs verstellbar sein, was beispielsweise durch schwenkbare Vibrationsgeber erreichbar ist.
Der mindestens eine Schwingungsgeber arbeitet bevorzugt im Ultraschallbereich, in einem Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 1 MHz.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Amplitude der mechanischen Schwingung parallel und/oder quer zur Nietlängsachse verläuft.
Hierdurch ergibt sich ein konstruktiv einfacherer und kompakterer Aufbau des Vibrationsnietwerkzeugs. Bevorzugt verläuft die Amplitude der mechanischen Schwingung parallel zur Nietlängsachse.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Vibrationsnietwerkzeugs sieht vor, dass eine Frequenz der mechanischen Schwingung bevorzugt stufenlos einstellbar ist.
Hierdurch kann die Frequenz der mechanischen Schwingung beispielsweise so eingestellt werden, dass sie mit der eigenen Frequenz der zu verbindenden Bauteile übereinstimmt. Infolge der hierdurch erzielten Resonanzwirkung kann die für das Einpressen erforderliche Einpresskraft weiter reduziert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Fortbildung des Vibrationsnietwerkzeugs ist die Stärke der mechanischen Schwingung, insbesondere deren Amplitude bevorzugt stufenlos einstellbar.
Hierdurch kann die Wirkung der die mechanischen Einpresskraft überlagernden Schwingung in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften der zu fügenden Bauteile variiert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Frequenz der mechanischen Schwingung in einem Frequenzintervall von bis zu 10 kHz mit einer Steuerfrequenz von bis zu 1 kHz variierbar ist.
Hierdurch kann eine das Einpressen des Niets in eine Bauteilbohrung noch effizienter unterstützende mechanische Schwingung erzeugt werden.
Beträgt beispielsweise die (Grund-)Frequenz des mindestens einen Schwingungsgebers 100 kHz, so bedeutet ein Frequenzbereich bzw. ein Frequenzintervall von 10 kHz, dass die Variation dieser mechanischen Schwingung von 100 kHz in einem Frequenzbereich zwischen 95 kHz bis zu 105 kHz (= 100 kHz ± 5 kHz) mit einer Steuerfrequenz ("Wobbelfrequenz") von beispielsweise 1 kHz veränderbar ist. Besonders bevorzugt wird die Frequenz des mindestens einen Schwingungsgebers um einen Resonanzpunkt herum variiert.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einpressen und zur Befestigung von Nieten in Bauteilbohrungen von Bauteilen von Flugzeugen.
Dadurch, dass auf eine Nietlängsachse des Niets eine von einer Antriebseinheit erzeugte statische Einpresskraft wirkt, wobei der statischen Einpresskraft eine von mindestens einem Schwingungsgeber erzeugte mechanische Schwingung überlagert wird, um den Einpressvorgang der Nieten in die Bauteilbohrungen zu erleichtern,
können Bauteile mit einer schnelleren Nietfolge vernietet werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein Schwingungsvektor der mechanischen Schwingung im Wesentlichen parallel und/oder quer zur Nietlängsachse wirkt.
Hierdurch wird eine stärkere Verminderung der erforderlichen Einpresskraft erzielt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Nietwerkzeugs sowie des Verfahrens sind in weiteren Patentansprüchen niedergelegt.
In der Zeichnung zeigt:
1 Eine erste Ausführungsvariante des Vibrationsnietwerkzeugs, und
2 eine zweite Ausführungsvariante des Vibrationsnietwerkzeugs.
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente die gleichen Bezugsziffern auf.
Die 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante des Vibrationsnietwerkzeugs.
Ein Vibrationsnietwerkzeug 1 umfasst unter anderem eine Nietaufnahme 2 zur Aufnahme eines Niets 3 und eine Antriebseinheit 4. Mittels der Antriebseinheit 4 lässt sich eine hohe mechanische, rein statische Einpresskraft 5 erzeugen, die im Wesentlichen parallel zu einer Nietlängsachse 6 wirkt. Um den Einpressvorgang des Niets 3 in eine Bauteilbohrung 7 in einem Bauteil 8 zu erleichtern, sind im Bereich der Nietaufnahme 2 die Schwingungsgeber 9, 10 zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung 11 angeordnet, deren Amplitude der statischen Einpresskraft 5 überlagert ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 sind die Schwingungsgeber 9, 10 diametral gegenüberliegend im Bereich der Nietaufnahme 2 angeordnet. Grundsätzlich ist es auch möglich; einen Schwingungsgeber 9 oder 10 nur einseitig an der Nietaufnahme 2 anzuordnen. Darüber hinaus können mehr als zwei Schwingungsgeber vorgesehen sein, die bevorzugt gleichmäßig zueinander beabstandet umfangsseitig im Bereich der Nietaufnahme 2 und/oder im Bereich der Antriebseinheit 4 angeordnet sind.
Mittels der beiden Schwingungsgeber 9, 10 wird eine mechanische Schwingung 11 erzeugt, deren Amplitude im Wesentlichen parallel zu den Doppelpfeilen 12, 13 ver läuft. Durch die der Einpresskraft 5 überlagerte mechanische Schwingung 11 wird der Einpressvorgang und damit der Befestigungsvorgang des Niets 3 in die Bauteilbohrung 7 des Bauteils 8 erleichtert. Im Ergebnis reicht im Vergleich zu konventionellen Nietwerkzeugen bzw. Niethämmern eine erheblich verringerte Einpresskraft 5 aus, so dass das erfindungsgemäße Vibrationsnietwerkzeug 1 bei einer vergleichbaren oder höheren Nietleistung konstruktiv leichter ausgebildet sein kann. Aufgrund der geringeren Eigenmasse im Vergleich zu konventionellen Nietköpfen kann das erfindungsgemäße Vibrationsnietwerkzeug 1 beispielsweise leichter an herkömmlichen Industrie-Knickarmrobotern zur automatisierten Vernietung von Bauteilen eingesetzt werden.
Die Frequenz und/oder die Amplitude der von den Schwingungsgebern 9, 10 abgegebenen mechanischen Schwingung 11 ist mittels einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung vorzugsweise stufenlos einstellbar.
Wird die Frequenz in der mechanischen Schwingung 11 derart eingestellt, dass sie im Wesentlichen einer Resonanzfrequenz der zu vernietenden Bauteile entspricht, kann die Einpresskraft 5 weiter verringert werden. Infolge einer Variation der Amplitude der mechanischen Schwingung 11 ist es möglich, die Stärke der der Einpresskraft 5 überlagerten mechanischen Schwingung 11 im Bedarfsfall zu erhöhen, um den Einpressvorgang des Niets 3 zu erleichtern.
Die Frequenz der mittels der beiden Schwingungsgeber 9, 10 erzeugten mechanischen Schwingung 11 beträgt bevorzugt zwischen 10 Hz und 1 MHz und liegt bevorzugt im Ultraschallbereich. In einer Ausführungsvariante ist die mechanische Schwingung 11 in einem Frequenzintervall von bis zu 10 kHz variierbar. Hierbei beträgt die Steuerfrequenz, mit der die mechanische Schwingung 11 verändert wird, bevorzugt bis zu 1 kHz ("Wobbelfrequenz"). Hierdurch lässt sich die den Einpressvorgang erleichternde Wirkung der mechanischen Schwingung 11 weiter steigern.
Die Amplitude der mechanischen Schwingung 11 kann abweichend von der Darstellung der 1 anstatt längs auch quer zur Nietlängsachse 6 auf die Nietaufnahme 2 bzw. das Niet 3 wirken. Weiterhin ist es möglich, dass die Amplitude der mechanischen Schwingung 11 mit der Nietlängsachse 6 einen beliebigen Winkel zwischen 0° und 90° einschließt. Darüber hinaus können die Schwingungsgeber 9, 10 verschwenkbar angeordnet sein, so dass während des Betriebs der Vibrationsnietvorrichtung eine Anpassung der räumlichen Orientierung des Schwingungsvektors der überlagerten mechanischen Schwingung in Relation zur Nietlängsachse 6 erfolgen kann.
Die von den beiden Schwingungsgebern 9, 10 abgegebene mechanische Schwingung 11 kann mit piezoelektrischen Elementen, mit entsprechend angesteuerten Elektromagneten, pneumatischen und/oder hydraulischen Schwingungsgeneratoren erzeugt werden. Die von der Antriebseinheit 4 erzeugte mechanische Einpresskraft 5 (Einpresskraft F) kann beispielsweise auf elektrischem, elektro-magnetischem, hydraulischem, pneumatischem Wege oder einer Kombination dieser Antriebsarten generiert werden.
Die 2 zeigt eine Ausführungsvariante eines Vibrationsnietwerkzeugs.
Das Niet 3 ist in einer Nietaufnahme 14 eines Vibrationsnietwerkzeugs 15 aufgenommen und wird mittels der entlang der Nietlängsachse 6 wirkenden Einpresskraft 5 in die Bauteilbohrung 7 des Bauteils 8 eingepresst und befestigt. Eine Antriebseinheit 16 dient wiederum zur Erzeugung der Einpresskraft 5. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsvariante des Vibrationsnietwerkzeugs befindet sich in einem hinteren Gehäusebereich 17 des Vibrationsnietwerkzeugs 15 ein Schwingungsgeber 18 zur Erzeugung der mechanischen Schwingung 19, deren Amplitude in Richtung der Pfeile 20, 21, im Wesentlichen parallel zur Nietlängsachse 6 zur Unterstützung des Nieteinpressvorgangs wirkt. Die Übertragung der vom Schwingungsgeber 18 generierten mechanischen Schwingung 19 auf die Nietaufnahme 14 erfolgt durch einen Stößel 22. Der Stößel 22 weist im Bereich der Nietaufnahme 14 ein glockenförmig bzw. hohlzylindrisch ausgebildetes Endstück 23 auf. Das Endstück 23 des Stößels 22 kann abweichend von der Darstellung der 2 auch gabelförmig mit mindestens zwei oder mehr Schenkeln ausgebildet sein, die sich jeweils auf der Nietaufnahme 14 abstützen.
Der Vorteil der Ausführungsvariante nach Maßgabe der 2 liegt zum einen darin, dass der Schwingungsgeber 18 im hinteren Bereich des Gehäuses des Vibrationsnietwerkzeugs 15 integrierbar ist, wodurch sich eine schlankere Bauform der Nietaufnahme 14 ergibt, so dass das Vibrationsnietwerkzeug 15 auch an schlecht zugänglichen Nietstellen, insbesondere zur Vernietung von Bauteilen in beengten Einbauräumen, verwendet werden kann. Zum anderen erfordert die Bauform nach Maßgabe der 2 lediglich einen Schwingungsgeber 18, erreicht aber dennoch einen hohen Symmetriegrad, das heißt die Schwingung 19 wirkt im Wesentlichen direkt auf und parallel zur Nietlängsachse 6.
Das erfindungsgemäße Vibrationsnietwerkzeug 1, 15 erlaubt infolge der der statischen Einpresskraft 5 überlagerten mechanischen Schwingung 11, 19 im Vergleich zu vorbekannten Ausführungsformen von Niethämmern eine signifikant reduzierte Einpresskraft 5. Hierdurch kann die Bauform des Vibrationsnietwerkzeugs 1, 15 verkleinert werden, so dass neue Anwendungsfelder, insbesondere im Bereich der Automatisierung von Nietprozessen durch den vermehrten Einsatz von Robotik, erschlossen werden können. Zudem kann die Nietfrequenz bzw. die Nietleistung gesteigert werden.

1: Vibrationsnietwerkzeug
2: Nietaufnahme
3: Niet
4: Antriebseinheit
5: Einpresskraft (F)
6: Nietlängsachse
7: Bauteilbohrung
8: Bauteil
9: Schwingungsgeber
10: Schwingungsgeber
11: mechanische Schwingung
12: Doppelpfeil
13: Doppelpfeil
14: Nietaufnahme
15: Vibrationsnietwerkzeug
16: Antriebseinheit
17: hinterer Gehäusebereich
18: Schwingungsgeber
19: mechanische Schwingung
20: Pfeil
21: Pfeil
22: Stößel
23: Endstück

Claims

Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) zum Einpressen und zum Befestigen von Nieten (3) in Bauteilbohrungen (7) von Bauteilen (8), insbesondere von Flugzeugbauteilen, mit einer Nietaufnahme (2, 14) und einer Antriebseinheit (4, 16), wobei die Antriebseinheit (4, 16) eine statische Einpresskraft (5) in Richtung einer Nietlängsachse (6) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schwingungsgeber (9, 10, 18) zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung (11, 19) vorgesehen ist, wobei eine Amplitude der mechanischen Schwingung (11, 19) der statischen Einpresskraft (5) überlagert ist.
Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der mechanischen Schwingung (11, 19) mit der Nietlängsachse (6) einen Winkel zwischen 0° und 90° einschließt.
Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der mechanischen Schwingung (11, 19) parallel und/oder quer zur Nietlängsachse (6) verläuft.
Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz der mechanischen Schwingung (11, 19) bevorzugt stufenlos einstellbar ist.
Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrag der Amplitude der mechanischen Schwingung (11, 19) bevorzugt stufenlos einstellbar ist.
Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der mechanischen Schwingung (11, 19) zwischen 10 Hz und 1 MHz beträgt.
Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der mechanischen Schwingung (11, 19) in einem Frequenzintervall von bis zu 10 kHz mit einer Steuerfrequenz von bis zu 1 kHz vari ierbar ist.
Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwingungsgeber (9, 10, 18) im Bereich der Nietaufnahme (2, 14) angeordnet ist.
Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwingungsgeber (9, 10, 18) über einen Stößel (22) mit der Nietaufnahme (2, 14) verbunden ist.
Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwingungsgeber (9, 10, 18) ein Piezoelement ist.
Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwingungsgeber (9, 10, 18) elektro-magnetisch wirkt.
Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwingungsgeber (9, 10, 18) pneumatisch und/oder hydraulisch wirkt.
Verfahren zum Einpressen und zur Befestigung von Nieten (3) in Bauteilbohrungen (7) von Bauteilen (8) von Flugzeugen, insbesondere mit einem Vibrationsnietwerkzeug (1, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Nietlängsachse (6) des Niets (3) eine von einer Antriebseinheit (4, 16) erzeugte statische Einpresskraft (5) wirkt, wobei der statischen Einpresskraft (5) eine von mindestens einem Schwingungsgeber (9, 10, 18) erzeugte mechanische Schwingung überlagert wird, um den Einpressvorgang der Nieten (3) in die Bauteilbohrungen (7) zu erleichtern.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude der mechanischen Schwingung parallel und/oder quer zur Nietlängsachse (6) wirkt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der mechanischen Schwingung (11, 19) mit der Nietlängsachse (6) einen Winkel zwischen 0° und 90° einschließt.