Klinczowanie jako proces produkcyjny często potrafi być niezastąpiony. Mechaniczne połączenie wytworzone za pomocą stempla i matrycy, jest trwałe, odporne na korozję, a zarazem bardzo czyste. Szybkość procesu oraz jego płynność jest ceniona przez wielu specjalistów. Czy zatem warto rozważyć modyfikację produktów pod kątem implementacji takiego rozwiązania w naszym przedsiębiorstwie? Czy z punktu widzenia procesu i ryzyka z nim związanego, opłacalne jest wdrożenie technologii której nie znamy? W ramach mojego segregatora wiedzy, postaram się jasno i klarownie przedstawić wszystkie wady i zalety, które są mi znane, abyście sami mogli zdecydować!

źródło obrazka: www.machinesales.com

No dobrze, to na początek standardowo posłużymy się definicją z Wikipedii którą znaleźć można tutaj:

Toxowanie (ang. clinching) – metoda stałego (nierozłącznego) łączenia blach oraz spajanie metali z innymi materiałami nietłocznymi. Jest to system łączenia blach poprzez przetłaczanie na zimno (DIN 8593), znane także jako technika nitowania bez nitów przy użyciu stempla oraz okrągłej matrycy. Dzięki obniżeniu kosztów produkcji, trwałości oraz solidności połączenia toxowane znalazły zastosowanie w całym przemyśle metalowym (AGD, motoryzacyjny, wentylacja, budowlany). Połączenie jest realizowane poprzez jednorazowe przetłoczenie materiałów przez stempel w nieruchomą matrycę. Cały proces jest wysoce powtarzalny, bardzo szybki i porównywalny czasowo ze zgrzewaniem. W jego wyniku powstaje estetyczne połączenie w formie punktu. Stosuje się również narzędzia wielopunktowe zwiększające efektywność technologii.

Co ciekawe, polska wersja Wikipedii nie znajduje hasła „klinczowanie” natomiast przypisuje ów proces nazwie „toxowanie”. Nie będę mówił skąd się wzięła nazwa toxowanie ponieważ nie chciałbym zostać posądzony o reklamę, ale podejrzewam że sami się domyślacie.

Osobiście jako osoba z branży produkcyjnej która miała do czynienia z procesem klinczowania chciałbym dorzucić swoje dwa grosze do w/w definicji:

Po pierwsze, norma na którą powołuje się artykuł, faktycznie jest poprawna. DIN 8593 jest dokumentem opisującym proces klinczowania, jeżeli mielibyście ochotę na implementację procesu klinczowania u siebie w produkcji, jest to dokument który jest niezbędny!

Po drugie, ani stempel ani matryca nie muszą być okrągłe w procesie klinczowania. Nadzorowałem procesom w których i stempel i matryca miały profil prostokątny. Co więcej, takie wykonanie narzędzi niesie za sobą bardzo dużo korzyści (o tym później).

Joining Systems clinch | esp engineering group (espclinch.com)

Po trzecie, “Dzięki obniżeniu kosztów produkcji”. Ekhm… Obniżenie kosztów produkcji w stosunku do czego? Każdy kto miał styczność z tym procesem od strony R&D, doskonale zdaje sobie sprawę z tego jaki koszt niesie za sobą proces klinczownia. Oczywiście jeżeli proces który chcemy zmienić na klinczowanie jest wyjątkowo kosztowny, a zakup nowych maszyn/narzędzi i kompletu matryc ze stemplami nas nie przeraża, na dodatek postrzegamy to jako optymalizację finansową to śmiało! W każdym innym przypadku należy zweryfikować na podstawie danych i faktów czy wdrożenie tego procesu przyniesie nam obniżkę kosztów.

Kolejny punkt, „Połączenie jest realizowane poprzez jednorazowe przetłoczenie materiałów przez stempel w nieruchomą matrycę”. Połączenie faktycznie jest realizowane podczas jednego ciągłego przejazdu stempla przez materiały, natomiast matryca może być zarówno o stałym kształcie jak i o kształcie zmiennym w trakcie procesu (otwierać się i zamykać). No chyba, że autorowi wpisu chodziło o fakt, że matryca nie porusza się w górę i w dół zgodnie z działaniem siły nacisku, wtedy ma rację, matryca jest nieruchoma względem podłoża.

Ostatni punkt do którego chciałbym się odnieść to porównanie do zgrzewania. Klinczowanie ma dwie podstawowe przewagi nad zgrzewaniem, na pewno nie jest to czas procesu. Odpowiedzią jest… Aluminium oraz lakierowanie. Klinczowanie bije na głowę zgrzewanie w przypadku łączenia aluminium, tak samo w przypadku materiałów polakierowanych. Nie ma najmniejszych szans na zgrzanie komponentu wstępnie pomalowanego, natomiast proces klinczowania można przeprowadzić na takim elemencie bez wpływu na jakość powłoki!

Jak więc ja zdefiniowałbym klinczowanie?

Klinczowanie to proces wytwarzający bezpośrednie mechaniczne połączenie, w którym materiały poddawane są lokalnej deformacji plastycznej z miejscowym nacięciem lub bez.

Szybko i zwięźle, do brzegu.

Najpierw chciałbym posłużyć się spisem wad i zalet proponowany przez, a jakżeby inaczej! Handlowców, którzy procesy te sprzedają, lub handlowców którzy są bezpośrednimi konkurentami klinczowania.

Przeciw:

Powyższa lista jest skomponowana na podstawie różnych źródeł internetowych (Jeżeli ktoś posiada doświadczenie w tej technologii, bardzo proszę o zaprezentowanie swojego punktu widzenia w komentarzu!). Jakie jest moje doświadczenie z tym procesem?

Jestem nim zachwycony! Klinczowanie to jeden z moich ulubionych procesów. Łatwość obsługi procesu, jego faktyczna czystość, łatwość jego implementacji w produkcji, oraz naprawdę wysoka powtarzalność, czyni go naprawdę wysokiej jakości technologią. Cpk tego procesu jest niewiarygodnie wysokie przy poprawnym doborze narzędzi do materiałów łączonych. Jedyną wadą którą ja osobiście widzę, jest faktyczny koszt produkcji. Składać się na niego będzie zakup specjalistycznej maszyny, zaprojektowanie oraz zakup narzędzia, oraz zakup wielu sztuk matryc i stempli. Komplet stempel + matryca wystarcza na około 50 do 70 tysięcy uderzeń, w zależności od zaleceń producenta. Łatwo obliczyć ile kompletów będzie nam potrzebne do produkcji 200 tysięcy, 500 tysięcy lub 2 milionów sztuk rocznie. Zwłaszcza gdy połączeń klinczowanych w produkcie mamy więcej niż jedno.

https://us.tox-pressotechnik.com/applications/clinching/overview/

Powyższy obrazek przedstawia nam przebieg procesu technologicznego jakim jest klinczowanie. Łopatologiczne tłumacząc, co widzimy na obrazku: Przetłoczenie materiału w drugi materiał tak aby materiał wewnętrzny „zachodził” za materiał zewnętrzny. Dzięki takiemu przetłoczeniu uzyskujemy mechaniczne połączenia które jest naprawdę niesamowicie wytrzymałe. Mówiąc to, odnoszę się do siły ścinającej jak i do połączenia elektrycznego (w przypadku dwóch przewodników). Warto w tym miejscu zaznaczyć jedną rzecz. Połączenie wykonane za pomocą procesu klinczowania jest w nikłym stopniu odporne na siły skręcające oraz rozciągające. Istnieje natomiast możliwość zwiększenia odporności na te siły, tworzy się to poprzez zmianę kształtu połączenia z okrągłego na prostokątny (odsyłam do drugiego obrazka w artykule), lub poprzez dodanie drugiego punktu łączącego (oczywiście wiąże się to ze zwiększeniem kosztów narzędzia oraz podwojeniem ilości stempli i matryc):

No dobrze, co zatem dzieje się w czasie trwania klinczowania?

W pierwszej fazie stempel przetłacza dwa metalowe arkusze do wgłębienia matrycy, proces ten stricte przypomina proces łączenia przez przetłaczanie na zimno. W fazie przetłaczania, ze względu na wystąpienie koncentracji silnych odkształceń w strefie naroża stempla mogą pojawić się pęknięcia leja. Jest to świetnie pokazane na grafice poniżej:

Symulacja stworzona przez SORPAS Clinching Simulation by SORPAS 2D – YouTube

W drugiej fazie, dwa metalowe arkusze prasowane są we wnęce matrycy, przez co materiał rozchodzi się po promieniu, a średnica wybrzuszonego dna zaczyna się powiększać. Ostatnia faza procesu trwa aż do uzyskania finalnej pozycji stempla (pełne wysunięcie siłownika na którym zainstalowane jest narzędzie). Ze względu na łatwość płynięcia materiału w drugiej fazie, na końcu trzeciej fazy kształtuje nam się piękny w pełni uformowany kształt „clinch pointu”.

Jak pokazano na rysunku poniżej, istnieją dwa ważne parametry w przekroju połączenia klinczowanego. Jest to grubość szyjki (parametr X) oraz wytworzone podcięcie (parametr Y). Aby nasze połączenie klinczowane było jak najsilniejsze, należy zmaksymalizować wielkość obu tych parametrów.

W tym punkcie nie chciałbym się specjalnie rozwodzić. Proces klinczowania dla procesowca jest standardowym procesem specjalnym, który należy zabezpieczyć przed wystąpieniem potencjalnych błędów. Potencjalnymi błędami mogą być:

1. Brak klinczowania
2. Zbyt mocne sklinczowanie
3. Zbyt słabe sklinczowanie
4. Zaburzenie podczas procesu klinczowania (zabrudzenie pomiędzy materiałami itd.)
5. Odwrotne sklinczowanie (zmiana materiałów góra/dół)

Pierwszy błąd proponowałbym wykluczyć (w zależności od linii produkcyjnej oczywiście!), systemem wizyjnym na jednym z kolejnych stanowisk. W innym przypadku musielibyśmy założyć swego rodzaju interlocking, poprzez dodanie QR kodu na produkcie i wdrożenie pełnego traceability tak aby sprawdzać na kolejnym stanowisku czy klinczowanie faktycznie miało miejsce.

Jeżeli chodzi o zbyt mocne sklinczowanie, tutaj należy odpowiednio zaprojektować narzędzie, tak aby finalna pozycja zawsze była określana fizycznym hard stopem.

Zbyt słabe sklinczowanie powinno zostać wyeliminowane poprzez zainstalowanie tensometrów pod matrycami, a następnie odczyt siły w odpowiednich miejscach procesu i skontrolowanie go za pomocą okienek siły:

W przypadku gdy klinczowanie odbywa się tylko w jednym miejscu za pomocą jednego stempla i matrycy, najłatwiej będzie zastosować serwoprasę.

Zaburzenie podczas procesu klinczowania rozpoznajemy dokładnie w taki sam sposób jak zbyt słabe sklinczowanie.

Odwrotne sklinczowanie. To jest wyjątkowy problem, ze względu na specyfikę procesu należy mieć na uwadze, że stempel i matryca są projektowane specyficznie pod materiał wykorzystywany w procesie. Jeżeli zamienimy materiały podczas procesu, może się okazać że połączenie będzie na tyle słabe że wydarzy się to:

Należy więc mieć na uwadze i podczas zwolnienia procesu, zwłaszcza u dostawcy (Pozdrawiam sam siebie i wszystkich którym się to zdarzyło 😊), zwrócić uwagę na kolejność materiałów! Problem ten powinien zostać wykluczony za pomocą designu elementu obrabianego i nigdy nie powinien wystąpić w produkcji seryjnej.

W ciągu mojej „kariery” miałem sposobność pracować przy dwóch rodzajach maszyn do klinczowania. Jedna wyglądała jak standardowa prasa:

Druga natomiast wyglądała jak duży półksiężyc:

Żadne ze zdjęć nie przedstawia faktycznych maszyn na których pracowałem, natomiast daje pewien obraz.

Generalnie nie wspominałbym o tym, że maszyny mogą być różne gdyby nie jeden istotny fakt. Narzędzia projektowane na pierwszy rodzaj maszyny, nie powinny być używane ( w przypadku gdy jest więcej niż jeden stempel i matryca na narzędziu), na drugim rodzaju maszyn. Ze względu na specyfikę kształtu „C”. Podczas klinczowania, siła używana do przetłoczenia jest na tyle duża, że nasze „C” może zacząć się rozwierać. Wtedy przetłoczenia wykonane od zewnątrz maszyny będą słabsze niż te od wewnątrz maszyny.

Zaznaczam, jest to drobna uwaga na podstawie własnego doświadczenia. Nie traktujcie tego jako poradę, a bardziej jako potencjalny punkt do weryfikacji w przypadku przeprowadzania analizy ryzyka.

Podsumowując artykuł chciałbym zaznaczyć jedną rzecz. Klinczowanie jest procesem który nie jest zbyt często spotykany w firmach produkcyjnych. Być może czynnikiem blokującym jest koszt wejścia w ten proces. Wiem natomiast jedno, coraz więcej OEMów zaczyna korzystać z klinczowania zastępując nim zgrzewanie oporowe. Czy jest to dobry kierunek? Niech każdy z was sam wyciągnie wnioski na podstawie zarówno mojego artykułu, jak i literatury dostępnej w internecie. Bardzo polecam przyjrzeniu się bliżej tej technologii, bo niewątpliwie skrywa ona wiele ciekawostek!