Möglichkeiten der Prozessüberwachung an automatischen Crimp-Pressen

Beim Konfektionieren von Verbindungelementen an Leitungen mittels Crimp-Automaten sind die Crimpwerkzeuge und ein konstanter Hub wichtige Bestandteile. Ein korrekter Crimp ist nicht in allen Fällen erreichbar, weil viele Einflussfaktoren die Crimpkraft stören können, weshalb Crimp-Automaten mit einer automatisch arbeitenden Überwachungseinrichtung zur Beurteilung der Zuverlässigkeit der Crimp-Verbindungen ausgerüstet werden.

Üblicherweise kommen Crimpprozess-Überwachungseinrichtungen (crimp force analysis, CFA) zum Einsatz, die kraftabhängig erfassende Überwachungssysteme zum Beispiel auf Piezo-Quarz-Basis aufweisen. Die entstehenden Kräfte werden von einem Piezo-Quarz erfasst, als Kraft-/Zeit- oder Kraft-/Weg-Verlauf aufgezeichnet und mit einer zuvor erzeugten Referenzkurve verglichen.

Wie die Crimpkraft-Überwachung Crimpfehler vermeidet 

Die aus einer eingestellten Toleranz herauslaufenden Kräfte werden von einem Auswertgerät erkannt, das eine entsprechende Fehlermeldung ausgibt. Ziel dieses Überwachungssystems ist es, die bei der Produktion auftretenden, die elektrische Qualität der Crimpverbindung beeinträchtigenden Crimpfehler zu erkennen und damit die Möglichkeit zur Aussortierung von fehlerhaft produzierten Produkten zu ermöglichen.

Warum die Crimpkraft schwanken kann

Aufgrund der Kraftschwankungsbreite eines Crimpprozesses und der davon abhängig einzustellenden Toleranzbreite können jedoch auch Crimpfehler vorkommen, die nicht erkannt werden können. Dies wird im Wesentlichen nicht durch das Auswertesystem beschränkt, sondern durch die Kraftschwankungen des Crimpprozesses selbst verursacht.

Kraftschwankungen, die durch die Leiterdrähte verursacht werden können:

• Schwankungen des Leiterquerschnittes
• Werkstoff bzw. Zusammensetzung (z.B. Legierung)
• Anzahl der Drähte der zu verbindenden Ader
• Verteilung der Drähte im Draht-Crimp-Bereich
• Oberfläche der Drähte (beschichtet, z.B. Sn)

Kraftschwankungen, die durch die Crimphülse verursacht werden können:

• Materialhärte bzw. Materialzusammensetzung
• Ausbildung der Rillenprägung, beziehungsweise Sicken oder Perforationen in der Crimphülse
• Schwankungen der Materialdicke
• Ausbildung der Stanzfasen der Crimp-flanken auf den Crimpbereich
• Oberflächenbeschaffenheit (z.B. Beschichtung)
• Schmierfähigkeit (z.B. des Werkstoffs, oder der Beschichtung)
• Länge des Draht-Crimp-Bereichs
• Länge der Draht-Crimp-Flanken (besonders, wenn diese nach dem Einrollen auf dem Boden aufstoßen)

Kraftschwankungen, die durch das Werkzeug verursacht werden können:

• Ungleichmäßiger Transport
• Ausbildung der Stempelfasen (für den Eingangs- und eventuell den Ausgangs-Trichter)
• Stempel-Profil
• Stempel-Oberfläche
• Führungsqualität der oberen Stempeleinheit
• Mechanischer oder pneumatischer Vorschubtransport
• Umformgeschwindigkeit

Kraftschwankungen, die durch das Umfeld verursacht werden können:

• Crimppresse und deren Verschleiß sowie nicht ordnungsgemäß befestigte Führungen und Befestigungsplatten
• Externe Erschütterungen
• Verschmutzungen
• Fehlerhafte Bauteile bzw. Einstellungen
• Temperaturunterschiede

Es gibt unterschiedliche Methoden zur Crimpprozessüberwachung, resultierend aus vielen verschiedenen Patentanmeldungen für Überwachungsverfahren.

Messung des Kraftverlaufs beim Crimpvorgang

Diese Methode misst mit Kraftsensoren die Crimpkraft zwischen Oberstempel und Amboss und gegebenenfalls auch noch den Crimpkraftverlauf während des Crimpvorganges. Dabei werden Über- und Untercrimpungen als Sollwertabweichungen erfasst. Diese Methode erfordert einen erheblichen apparativen Aufwand und ist außerdem anfällig gegen Kraftschwankungen, wie oben beschrieben.

Messung der Sollwertabweichung von einer bestimmten Crimphöhe

Bei dieser Methode werden Sollwertabweichungen von einer vorbestimmten Crimphöhe mit einem Weg-Messsystem festgestellt. Die Erkennung durch dieses System muss im µm-Bereich erfolgen, da nur die Aufbiegung des Pressenkörpers unter Last gemessen wird.

Messung Kraftverlauf und Sollwertabweichung der Crimphöhe

Bei dieser Methode handelt es sich um eine Kombination der zuvor genannten Verfahren. Auch hier ist ein erheblicher apparativer Aufwand erforderlich, weil die Kraft-, insbesondere aber die Höhenunterschiede bei mangelhaften Crimpungen sehr gering sind.

Diese bekannten Methoden sorgen zudem für keine zufriedenstellende Qualitätsüberwachung bei einer sogenannten Überpressung des Crimps für besonders hochwertige Kontaktierungen. Bei einer derartigen bewussten Überpressung sollen die normalerweise auf den Litzendrahtoberflächen stets vorhandenen Oxydschichten, die eine geringere elek-trische Leitfähigkeit aufweisen als das reine Litzendrahtmetall, aufgerissen werden, sodass die Crimpflanken und die Litzendrähte untereinander Zugang zum reinen Litzendrahtmetall haben, wodurch für eine optimale elektrische Leitfähigkeit gesorgt werden kann.

Nach Einsetzen des Fließprozesses ist der Kraftbedarf annähernd gleich. Aus diesem Zusammenhang ergibt sich, dass eine Spitzenkraft- oder kraftabhängige Wegmessung eine geringe Querschnittsreduzierung nicht erkennen kann, da der Kraftwert in jedem Fall erreicht wird, jedoch die axiale Längung nur unzureichend stattfindet. Bei einer Kraftverlauf-Auswertung (Kraft über Zeit oder Weg) ist dies eher erkennbar, da sich eine kürzere Kurve ergibt. Die Unterschiede sind aber relativ klein und somit schlecht auswertbar.

Messung der Längenänderung an der Crimphülse

Aufgrund des Pressenaufbaus wird ein definierter unterer Totpunkt durchfahren. Bei einer ideal steifen Presse bleibt dadurch als einzige veränderliche Größe eine reproduzierbare Längung des Crimps, wenn eine bestimmte Crimphöhe für einen ordnungsgemäßen Crimp verwendet wird. Im überpressten Bereich sind alle Litzendrähte und das Kontaktmaterial so weit verpresst, dass keine weitere Komprimierung vorgenommen werden kann. Eine weitere Abnahme der Crimphöhe wird also unmittelbar in Längung umgesetzt, bei der sich die Kraftschwankungen nicht so stark auswirken. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Umformgeschwindigkeit keine große Rolle spielt. Im Vergleich zu den obigen Methoden ist die Auswertgenauigkeit bis sechsmal so groß.

Messung der Absiolierfehler

Bei dieser Methode werden durch Metalldetektoren Fehler beim Abisolieren untersucht, die die Crimpqualität nachteilig beeinflussen können.

Die Sensibilität einer Crimpkraft-Überwachung ist so einzustellen, dass ein Fehler gemeldet wird, wenn der Leiterquerschnitt durch abgetrennte Drähte um mehr als 5% reduziert ist; zudem, wenn sich Isolationsmaterial im Draht-Crimpbereich befindet.

Die Crimpkraft-Überwachung ist eine Kraft-/Weg-Messung beim Arbeitshub des Crimp-Werkzeuges: Die Kraft-Weg-Kurve eines ordnungsgemäßen Crimps bewegt sich innerhalb eines Soll-Verlaufs.

Diese Soll-Kurve (Headroom) wird durch Anlernen ermittelt:

• nach jedem Ändern der Werkzeugeinstellung,
• nach jeder Werkzeugaufspannung und jedem Werkzeugwechsel,
• nach jedem Wechsel der Crimp-Kontakt-Rolle.

Um die Qualität der gefertigten Crimpverbindungen sicherzustellen, sollte der Lern-Crimp anhand eines Schliffbildes und den damit messbaren Crimpmaßen beurteilt werden.

Der Headroom ist der Bereich, der als Hub zwischen der Leer-Crimpung und der Voll-Crimpung mit den Litzen-Leiter-drähten zu erkennen ist. Im Normalfall sollten ca. 35% Headroom verbleiben, um eine gute Auswertung zu erreichen. Je nach Anzahl der Drähte wird sich nun die Erkennung der Überwachung unterscheiden. Bleiben nur wenige Kraftanteile für die Erkennung eines Fehlers übrig, so kann die Crimpkraft-Überwachung nicht mehr die notwendige Sicherheit liefern.

Sinkt der prozentuale Anteil des Headroom oder steigt die Anzahl der einzelnen Drähte (z.B. IEC 60228 KL 6) deutlich an, so bleibt für die Erkennung eines Fehlers nicht mehr genügend Spielraum. Das kann dazu führen, dass, obwohl einzelne Drähte fehlen, zurückgefaltet sind oder Isolationsreste sich im Draht-Crimpbereich befinden, die Überwachung dies nicht mehr erkennt.