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EFB-Forschungsbericht Nr. 340

Grundlagenuntersuchungen zum neuen Fügeverfahren Fließbohrfügen (x-tack)

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Mario Rabe, Dipl.-Ing. Fred Jesche Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

76 Seiten (sw, 49 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-377-6

Preis (Digital) EUR 50,00

Preis (Print) EUR 56,00

Zusammenfassung

Ziel des Projektes war es, ein neues Fertigungsverfahren zu entwickeln, mit dem bei einseitiger Werkzeugzugänglichkeit durch gemeinsames Fließbohren zweier Fügeteile eine hinterschnittige Verbindung erzeugt werden kann. Das Verfahren läuft in zwei wesentlichen Prozessschritten ab:
- Erster Schritt: Formen eines doppelten Durchzuges
- Zweiter Schritt: Formen des Hinterschnittes.
Das Verfahren wurde als Fließbohrfügen bezeichnet. Erreicht wurde das Projektziel durch Simulation und Experiment:

Mit Hilfe vereinfachter FEM-Simulationen, im Programmsystem DEFORM 2D, wurde der Prozess des gemeinsamen Fließbohrens überlappt angeordneter Bauteile im Detail analysiert. Ansätze für Optimierungen der Werkzeuggeometrie wurden abgeleitet und in weiteren Simulationen auf ihre Wirksamkeit hin überprüft. Die Ausgangsform für die geometrische Optimierung lieferten Standard-Fließbohrer. Des Weiteren lieferten die Simulationen Abschätzungen zur resultierenden Temperaturverteilungen im Bauteil und ermöglichten das Festlegen bestimmter Einflussgrößen, wie Werkzeugdurchmesser, Werkstoffdicke, Bauteilsteifigkeit.

Im Experiment wurde zunächst der Einfluss der Prozessparameter Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit bzw. Vorschubkraft auf die Qualität der Verbindung ermittelt. Zwei modifizierte Werkzeuggeometrien wurden entwickelt und hinsichtlich ihrer Eignung für den ersten Prozessschritt „Formen des doppelten Durchzuges“ miteinander verglichen. Die Qualität der Durchzüge war bei beiden Werkzeugkonturen gleich, jedoch verlängerte sich bei der Variante II (Ellipse) die Prozesszeit erheblich. Die exemplarische Verbindung wurde daher mit Werkzeugen der Konturvariante I (standard-konisch) gefertigt. Für den zweiten Prozessschritt „Formen des Hinterschnittes“ wurden zwei Varianten zur Werkzeughandhabung untersucht. Bei der ersten Variante kam eine NC-gesteuerte Werkzeugmaschine, bei der zweiten kamen Standard-Industrieroboter zum Einsatz. Die zweite Variante scheiterte an der Nachgiebigkeit der verwendeten Roboter. Die Fertigung der exemplarischen Verbindung erfolgte daher ausschließlich auf der NC-gesteuerten Werkzeugmaschine. Alternative Konzepte zur Werkzeughandhabung wurden vorgestellt.

Das Fertigungsverfahren Fließbohrfügen wurde an einer exemplarischen Verbindung (Stahl: HC340LA, t = 2,0 mm, unbeschichtet auf Aluminium AlMgSi0,5, t= 2,0 mm) untersucht. Die Verbindungsfestigkeit wurde durch quasistatische Zugversuche und  Dauerschwingversuche nachgewiesen. Ebenso wurden Korrosionsuntersuchungen durchgeführt.

Im Projekt wurde die prinzipielle technische Realisierung des neuen Fertigungsverfahrens „Fließbohrfügen“ gezeigt. Für die industrielle Anwendung des Verfahrens fehlen derzeit noch verschleißbeständige Fließbohrwerkzeuge. Dieses Problem ist aber im Hinblick auf die stetige Weiterentwicklung in der Zerspanungstechnik lösbar. Für die Weiterentwicklung der Fließbohrer wurden entsprechende Lösungen dargestellt. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Grundlagenuntersuchungen zum neuen Fügeverfahren Fließbohrfügen (x-tack)“ wurde unter der Fördernummer AiF 15874BR 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 Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 340 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Fügeverfahren im Überblick
2.2 Fließbohren
2.2.1 Der Fließbohrprozess
2.2.2 Einflussgrößen beim Fließbohren
3 Zielsetzung
4 Projektbearbeitung
4.1 Festlegen von Einflussgrößen
4.1.1 Werkstoffauswahl für die Verbindung
4.1.2 Werkstückdicken und Werkzeugdurchmesser
4.1.3 Werkzeugkonturen
4.1.4 Zusammenfassung festgelegter Einflussgrößen
4.2 Simulation
4.3 Formen doppelter Durchzüge
4.3.1 Weggesteuerte Prozessführung
4.3.2 Kraftgesteuerte Prozessführung
4.4 Vergleich der Werkzeugkonturvarianten
4.5 Werkzeugverschleiß
4.6 Formen des Hinterschnittes
4.6.1 Variante NC-gesteuerte Werkzeugmaschine
4.6.2 Variante Industrieroboter
4.7 Fertigung der exemplarischen Verbindung
4.8 Untersuchungen an einer Exemplarische Verbindung
4.8.1 Quasistatische Zugversuche
4.8.2 Dauerschwingversuch
4.8.3 Korrosionsuntersuchungen
5 Zusammenfassung und Ausblick
6 Literaturverzeichnis
Anlage: Merkblattentwurf Fließbohrfügen