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EFB-Forschungsbericht Nr. 243

Entwicklung einer einseitig ebenen Verbindung durch Radialfügen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Matthes, Dipl.-Ing. Marcel Todtermuschke, Institut für Fertigungstechnik / Schweißtechnik der Technischen Universität Chemnitz, Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Sven Bräunling, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden

100 Seiten (sw 58 Abb., 11Tab.)

ISBN: 978-3-86776-202-1

Preis (Digital) EUR 49,00

Preis (Print) EUR 55,60

Zusammenfassung

Das mechanische Fügen besitzt seit einigen Jahren einen festen Stellenwert unter allen Fügetechnologien. Neben vielen Vorteilen des Clinchens besteht ein wesentlicher Nachteil in der geometrischen Ausbildung der Verbindung, die keine einseitig ebene Verbindungsseite aufweist und deshalb für das Fügen an Funktionsflächen, wie z. B. zum Anlegen, Gleiten oder Abdichten sowie an Sichtflächen nur einen beschränkten Einsatz findet. Ziel des Projektes war daher die Entwicklung und systematische Untersuchung einer Technologie zur Herstellung von Flachpunktverbindungen durch Einsatz einer radial überlagerten Vorschubbewegung, welche die Nachteile der bestehenden Verfahren Radialclinchen (matrizenseitige Erhabenheit) und linear gefügter Flachpunkt (hohe Fügekräfte) beseitigen soll.

Zunächst wurden die maschinentechnischen Versuchseinrichtungen aufgebaut sowie die Prozessparameter dieser neuen Technologie theoretisch analysiert. Eine große Anzahl von Einflussgrößen wurde determiniert, die eine multifaktorielle Wirkung auf den Fügeprozess zeigen, d. h. einzelne Einflussgrößen können nur bedingt unabhängig voneinander betrachtet und deren separate Auswirkungen auf die Herstellung der Flachpunktverbindungen untersucht werden. Vielmehr muss ein stetiger Optimierungsprozess erfolgen, der abhängig von der jeweiligen Fügeaufgabe (Werkstoffe und Blechdicken) ist. Wesentliche Einflussgrößen auf den Prozess sind dabei die Bodendicke der Verbindung, die Stempelfüge- und die Niederhalterkraft sowie die Stempel- und Niederhaltergeometrien. Besonders letztere ermöglicht durch eine gezielte Behinderung des Werkstoffflusses mit ringförmigen Konturen auf der Stirnfläche des Niederhalters die Ausbildung von Hinterschneidungen im Werkstoff.

Es wurden die Fügbarkeitsregeln „hart in weich“ und „dünn in dick“ für dieses Verfahren aufgestellt, bei denen der Werkstoff mit geringerer Fließgrenze und größerer Blechdicke ambossseitig anzuordnen sind, um den Werkstofffluss innerhalb der Verbindung zu begünstigen. Die Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften der Flachpunktverbindung zeigen bei Ausbildung einer überwiegend form- und kraftschlüssigen Verbindungscharakteristik gute Festigkeitswerte unter Scherzugbeanspruchung. Für Schälzugbeanspruchungen treten aufgrund des kleiner ausgebildeten Hinterschnitts geringere Festigkeiten auf.

Der wesentlichste Vorteil bei Anwendung der radial überlagerten Bewegung gegenüber dem Fügen mit linearer Kinematik ist in einem deutlich reduzierten Kraftaufwand (um durchschnittlich 50 %) bei der Herstellung der Flachpunktverbindungen messbar. Eine gegenüber dem linearen Fügen deutlich verbesserte Werkstoffflusssteuerung durch die radial überlagerte Fügekinematik konnte nicht festgestellt werden. Es haben sich aber deutliche Vorteile zur Herstellung von Kaltpressschweißbereichen ermitteln lassen, deren Ursache in der inkrementellen Umformung des Werkstoffes liegt. Diese bewirkt ein starkes Aufreißen und Zerkleinern der Oxidschichten und damit eine großflächige Metallbindung insbesondere im Bodenbereich der Verbindung.

Mit den durchgeführten Untersuchungen erfolgte der Nachweis, dass einseitig ebene, mechanisch gefügte Verbindungen für verschiedene Aluminium- sowie Stahlfeinbleche bei artgleicher und artungleicher Werkstoffkombination mit diesem Verfahren herstellbar sind. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die untersuchte Fügekinematik mit radial überlagerter Vorschubbewegung des Stempels sich für Herstellung von Flachpunktverbindungen eignet.

Das Forschungsvorhaben "Entwicklung einer einseitig ebenen Verbindung durch Radialfügen" wurde unter der Fördernummer AiF 13740BR von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) gefördert. Der Abschlußbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 243 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Grundlagen der mechanischen Fügetechnik
2.2 Clinchen
2.3 Herstellung einseitig ebener, mechanisch gefügter Verbindungen
2.4 Radialfügen
3 Zielstellung des Forschungsprojektes
4 Problemanalyse und Lösungsansatz
4.1 Einflussgrößen auf die Fügbarkeit von Flachpunktverbindungen
4.1.1 Überblick
4.1.2 Verbindungscharakteristik
4.1.2.1 Grundlagen
4.1.2.2 Ausbildung von Stoffschluss durch Kaltpressschweißen
4.1.2.3 Prognose zur Versagenscharakteristik von Flachpunktverbindungen
4.1.3 Fügeprozess
4.1.3.1 Werkzeuge
4.1.3.2 Technologische Parameter
4.1.4 Werkstoffe und Werkstoffkombinationen
4.1.4.1 Artgleiche Werkstoffkombinationen
4.1.4.2 Artungleiche Werkstoffkombinationen
4.1.5 Oberflächenzustand der Werkstücke
4.1.5.1 Entfetten
4.1.5.2 Beizen von Aluminiumwerkstoffen
5 Versuchsaufbau und -bedingungen
5.1.1 Vergleichsuntersuchungen mit linearer Fügekinematik
5.1.2 Untersuchungen mit einer Radial-Nietmaschine
5.2 Steuerung und Prozessüberwachung
5.3 Konzeption und Aufbau der Versuchsvorrichtung   
5.3.1 Lastenheft
5.3.2 Realisierung der Niederhalterkraft
5.4 Fügewerkzeuge und deren Herstellung
5.4.1 Stempel
5.4.2 Niederhalter
5.4.3 Gegenwerkzeug
5.5 Untersuchungswerkstoffe und -oberflächen   
5.6 Fügeparameter
5.7 Probenformen und -fertigung
5.7.1 Einfach überlappte Scherzugprobe
5.7.2 Einfach überlappte Schälzugprobe
5.8 Prüfverfahren und -einrichtungen
5.8.1 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften
5.8.1.1 Statische Festigkeit
5.8.1.2 Schwingfestigkeit
5.8.2 Geometrische Verbindungsausbildung und Verbindungscharakteristik
5.8.2.1 Sichtprüfung
5.8.2.2 Metallografische Untersuchung
5.8.2.3 Bestimmung der Ebenheit mittels Tastschnittverfahren
6 Untersuchungen zur technologischen Umsetzung
6.1 Systematische Iteration der Werkzeuggeometrien mit Hilfe von FEMSimulationen
6.1.1 Ausgangspunkt und Zweck
6.1.2 FEM- System und getroffene Annahmen
6.1.3 Ergebnisse der FEM-Simulationen
6.1.4 Schlussfolgerungen aus den FEM-Simulationen
6.2 Einfluss der Prozesssteuerung
6.2.1 Vollständig radial überlagerte Vorschubbewegung
6.2.2 Kombinierte translatorische und radial überlagerte Vorschubbewegung
6.3 Einfluss der Fügezeit
6.4 Einfluss der Fügekraft
6.5 Einfluss der Bodendicke
6.6 Einfluss der Werkzeuggeometrie
6.7 Einfluss des Oberflächenzustandes
6.8 Einfluss des Werkstoffes und Bestimmung der Verfahrensgrenzen
7 Qualitative und quantitative Beurteilung der Fügeverbindungen
7.1 Ermittlung der Verbindungscharakteristik
7.2 Ermittlung der äußeren geometrischen Verbindungseigenschaften
7.2.1 Ambossseitige Ebenheit
7.2.2 Beeinflussung der Blechoberfläche
7.2.3 Bauteilverzug bei Mehrpunktfügungen
7.3 Verbindungsfestigkeit
7.3.1 Quasistatische Scher- und Schälzugbeanspruchung
7.3.2 Schwingfestigkeit unter Scherzugbeanspruchung
8 Vergleichende Bewertung des Entwicklungsstandes
9 Zusammenfassung
10 Literaturverzeichnis