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EFB-Forschungsbericht Nr. 387

Verfahren zum Clinchen dünner Bleche und Folien

efb387

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Claus-Peter Eckold, M. Sc. Ilya Peshekhodov, Dipl.-Ing. Deniz Yilkiran, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr. rer.nat. Klaus D. Jandt, PD Dr. rer.nat. Jörg Bossert , Dr. rer.nat. Anja Hunger, Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena

132 Seiten (sw, 138 teils farbige Abb., 12 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-430-8

Preis (Digital) EUR 66,18

Preis (Print) EUR 82,43

Zusammenfassung

Als Verbindungstechnik für Bleche aus Aluminium, Stahl und andere gut umformbare Metalle ist das Clinchen ein etabliertes und anerkanntes Verfahren. Erste Patentansprüche wurden bereits 1897 vom kaiserlichen Patentamt in Berlin erteilt. Eingesetzt wird diese Verbindungstechnik seit den 1980er Jahren in der gesamten blechverarbeitenden Industrie von der Lüftungstechnik über die Haushaltsgeräteindustrie, die Elektrotechnik bis zur Automobil- und Automobilzulieferindustrie.

Für Gesamtblechdicken von sges ≤ 0,8 mm bis 6,0 mm werden bei den Clinchsystemanbietern geeignete Werkzeuge zum Clinchen angeboten, die im Allgemeinen den Anforderungen der Anwender genügen. Für das Verbinden von Blechen und Folien mit Gesamtblechdicken von sges ≤ 0,8 mm stößt das Clinchen in der heute bekannten Form teilweise an seine Grenzen.

Das vorliegende Forschungsvorhaben hat sich mit der Herausforderung des Clinchens von Dünnblechen und Folien mit einer Gesamtblechdicke unterhalb von 0,8 mm beschäftigt. Im Fokus der experimentellen Untersuchungen stand der Werkstoff DC03 in der Blechdicke von 0,3 mm.
Primär galt es im Vorhaben ein neuartiges, möglichst einstufiges Dünnblech-Clinchverfahren zu entwickeln und dessen Verfahrensgrenzen zu bestimmen.

Dazu wurden mögliche Werkzeugkonzepte erarbeitet und selektiert. Im Rahmen der Konzeptionsphase wurden umfangreiche FEM- Simulationen durchgeführt. Dabei war nach der Konzeptionsphase eine Teilung der Matrizen und ggf. des Niederhalters vorgesehen, um schließlich durch Sickenbildung den erwünschten Hinterschnitt in den Clinchpunkten zu erzeugen.

Die Teilung der einzelnen Werkzeugelemente zeigte bereits in den Simulationen, dass unterschiedliche Versagensarten während des Clinchverfahrens auftreten können, wie z.B. Quetschstellen und Faltenbildung unterschiedlicher Größe um den Clinchpunkt herum. Aufgrund der vorhersehbaren Versagensarten in den geplanten einstufigen Fügekonzepten wurde ein zweistufiger Prozess zum Clinchen dünner Bleche mit einer Gesamtblechdicke von 0,6 mm aus zwei Blechlagen à 0,3 mm als ideal erachtet.

Dabei wurde die erste Prozessstufe - und somit die Durchsetzphase - auf einer Clinchpresse (des Systemherstellers Tox Pressotechnik) durchgeführt. Die zweite Prozessstufe - also die Hinterschnittphase - fand anschließend auf dem im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelten Werkzeug in einer Zug- und Druckprüfmaschine statt. Die Zweiteilung des Prozesses zeigte, dass mögliche Fehlerarten unterbunden werden.

Die mit dem entwickelten Werkzeug hergestellten Clinchpunkte wurden anhand von Zugversuchen auf ihre Verbindungsfestigkeit überprüft. Abschließend wurden die Werkzeuge anhand von Gebrauchstauglichkeitstests untersucht. Das in dem Forschungsvorhaben entwickelte Werkzeug und die Konzepte haben gezeigt, dass das Clinchen dünner Bleche und Folien möglich ist. Die geschaffenen Konzepte können miniaturisiert und mit entsprechenden Kinematiken auf Clinchpressen übertragen werden.

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Verfahren zum Clinchen dünner Bleche und Folien“ wurde unter der Fördernummer AiF 16646BG von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 387 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Abstract

Clinching is a well-established and approved technology for joining of aluminium, steel and sheets considering of other metals with good forming properties. In 1897 first claims were issued by the Imperial Patent Office in Berlin. Since the years 1980s this technology is used in the whole sheet metal industry from the ventilation technology through the household appliances industry, the electrical engineering to the automotive and auto-motive supply industry.

The clinch system providers offer suitable tools for clinching sheets with total thicknesses of stot = 0.8 mm to 6.0 mm, which generally comply with the requirements of the users. For joining metal sheets and foils with total thicknesses of stot = 0.8 mm clinching comes in the currently known form partly to its limits.

This research project has dealt with the challenge of clinching of thin sheets and foils with a total thickness below 0.8 mm. The steel DC03 with sheet thickness of 0.3 mm was in the focus of the experiments. The main target of the project was to develop a new, possibly one-step process for thin sheet clinching process and determine its limitations. Therefore possible tool concepts were developed and selected. As a part of the design phase, comprehensive FEM simulations were carried out.

For creating the desired undercut in the clinching point a segmentation of the dies and possibly of the blank holder was planned from the beginning of the conception phase. The segmentation of the tool items has already shown in the simulations that different failure modes, such as squeezing and wrinkling of different sizes around the clinch point, can occur. Due to the foreseeable failure modes in the planned one-step joining concepts, a two-step process for clinching of thin sheets with a sheet thickness of 0.3 mm was considered as ideal. The first step of the process where a cylindrical button is stretched out of the sheet plane was performed on a clinching press from the system manufacturer Tox Pressotechnik.

The second step where the undercut was generated took place on the tool developed in the research project. The splitting of the process in two steps has shown that potential failure modes are suppressed and furthermore nearly any influence like folds around the clinch point is prevented.

The clinching points produced by using the developed tool were investigated in tensile tests on their joint strength. Finally merchantability tests were performed on the tools. The tool and concepts developed in this research project have shown that clinching of thin sheets and foils is possible. The designed concepts can be miniaturized and transferred with appropriate kinematics to clinch presses.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen
Zusammenfassung
Abstract

1     Einleitung
2     Stand der Forschung
2.1     Clinchen
2.1.1     Historische Entwicklung des Verfahrens
2.1.2     Einordnung, Definition und Einteilung des Clinchens
2.1.3     Prozessablauf
2.1.4     Geometrische Kenngrößen des Fügepunktes
2.1.5     Verbindungsfestigkeit und Fehlermodi der Clinchverbindung
2.1.6     Prüfmethoden zur Verbindungsfestigkeit
2.1.7     Maschinen und Anlagen zum Clinchen
2.1.8     Anwendungsgebiete
2.2     Clinchen dünner Werkstoffe
3     Problemstellung und Zielsetzung
4     Durchgeführte Arbeiten
4.1     Materialcharakterisierungen der Blechwerkstoffe
4.1.1     Herstellung der Flachzugproben
4.1.2     Ermittlung der mechanischen Kennwerte
4.1.3     Ergebnisse der Werkstoffcharakterisierung
4.2     Abbildung und Simulation möglicher Verfahrenskonzepte
4.2.1     Verfahrenskonzept mit zweigeteilten Werkzeugen
4.2.1.1     Materialverhalten
4.2.1.2     Geometrie und Vernetzung
4.2.1.3     Randbedingungen
4.2.1.4     Simulationsergebnisse
4.2.1.5     Schlussfolgerungen
4.2.2     Verfahrenskonzept mit dreigeteilten Werkzeugen
4.2.2.1     Materialverhalten
4.2.2.2     Geometrie und Vernetzung
4.2.2.3     Randbedingungen
4.2.2.4     Simulationsergebnisse
4.2.2.5     Schlussfolgerungen
4.2.3     Ergebnisse und Folgerung der numerischen Abbildungen
4.3     Konzeptionen geeigneter Werkzeuge nach verschiedenen Wirkprinzipien
4.3.1     Stempelseitige Wirkprinzipien
4.3.2     Matrizenseitige Wirkprinzipien
4.3.3     Alternative Wirkprinzipien
4.3.4     Ergebnisse und Schlussfolgerung der Konzeptionen
4.4     Konstruktion und Herstellung von Werkzeugen für Clinchversuche
4.5     Durchführung von Clinchversuchen mit neuentwickelten Werkzeugen
4.6     Untersuchung der hergestellten Fügepunktqualität
4.6.1     Einschnittig überlappte Scherzugproben
4.6.2     Einschnittig überlappte Kopfzugproben
4.6.3     Auswertung der Zugversuche
4.6.4     Mikroskopische Untersuchung des Fügepunktes
4.7     Gebrauchstauglichkeitsuntersuchung der Clinchwerkzeuge
5     Ergebnisse
6     Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der Ergebnisse für KMU
6.1     Im Zusammenhang mit diesem Vorhaben veröffentliche Arbeiten
7     Literatur
8     Normen und Merkblätter