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EFB-Forschungsbericht Nr. 240

Clinchen von Stahl- und Aluminiumwerkstoffen unter Einwirkung von Ultraschall

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Monika Timm, Dipl.-Ing. Sven Bräunling, Institut für Produktionstechnik, Professur für Umform- und Urformtechnik (LUT) der Technischen Universität Dresden, Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dipl.-Ing. Ben Becker Dr.-Ing. Knuth-Michael Henkel, Lehrstuhl Fertigungstechnik der Universität Rostock

78 Seiten (sw 72 Abb., 5 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-198-7

Preis (Digital) EUR 47,00

Preis (Print) EUR 52,40

Zusammenfassung

Die vorliegende Forschungsarbeit beschäftigt sich mit der Überlagerung des Clinchprozesses durch Leitungsultraschall (LUS), um Fügekräfte und Abstreifkräfte im Fügeprozess zu reduzieren. Es konnte nachgewiesen werden, dass Clinchen mit überlagertem Ultraschall von Stahl- und Aluminiumwerkstoffen prinzipiell möglich ist.

Die Untersuchungen zeigen, dass die erreichbare Fügekraftreduktion von der Ultraschallamplitude, dem eingesetzten Fügeverfahren (Clinchen mit öffnender / geschlossener Matrize) und der Fügeaufgabe abhängig ist. Mit einem Anstieg der Ultraschallamplitude ergibt sich eine höhere Kraftreduzierung. Die maximale Amplitude der verwendeten Pilotanlage von 15 µm ermöglichte für die untersuchten Proben eine Reduzierung der Fügekraft im unteren Totpunkt um 3 bis 6 kN, was ca. 8 bis 20 % der maximalen Fügekraft entspricht. Die notwendige Wirkzeit des Ultraschall zum Erreichen dieser Kraftreduktion beträgt ca. 0,5 s bei Stahl- bzw. ca. 0,1 s bei Aluminiumwerkstoffen, daher ist eine Zuschaltung des Ultraschalls kurz vor Erreichen des unteren Totpunkts ausreichend. Die Anwendung von Ultraschall beim Clinchen erfordert keine Verlängerung der Taktzeiten bei der Verbindungserstellung. Ein Wirken des Ultraschalls über den unteren Totpunkt hinaus, während des Rückhubs, führt zu einer starken Reduzierung der Abstreiferkräfte.

Entsprechende Untersuchungen ergaben beim Clinchen von Aluminium eine Reduzierung der Abstreiferkräfte um ca. 70% bei öffnenden Matrizen und ca. 30 % bei geschlossenen Matrizen. Die versuchsbegleitende Überprüfung der geometrischen Parameter des Fügepunktes und Festigkeitsuntersuchungen an Scher- und Schälzugproben ergaben keine signifikanten Auswirkungen des Ultraschalls auf die Fügepunktausbildung oder die quasistatische Festigkeit der Verbindung. Weiterführende Arbeiten der Forschungsstellen werden auf den Gebieten der Integration von LUS-Einheiten in Serienclinchanlagen und in der Reduzierung von Schallemissionen angestrebt.

Das Forschungsvorhaben "Clinchen von Stahl- und Aluminiumwerkstoffen unter Einwirkung von Ultraschall" wurde  unter der Fördernummer AiF 13497BR 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. 240 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Clinchen
2.1.1 Technische Grundlagen
2.1.2 Einteilung der Clinchverfahren
2.1.3 Eigenschaften von Clinchverbindungen
2.2 Ultraschall
2.2.1 Physikalische Eigenschaften
2.2.2 Anwendungen
3 Zielsetzung
4 Versuchsbedingungen
4.1 Fügeteilwerkstoffe
4.2 Eingesetzte Fügeverfahren
4.3 Auswahl der Fügeparameter
4.4 Probenformen und –fertigung
4.5 Prüfverfahren und –einrichtungen
5 Erstellung einer Anlage zum LUS- Clinchen
5.1 Umformen mit Leistungsultraschall
5.2 Versuchsaufbau
5.3 Optimierung der Werkzeuge
5.4 Untersuchungen zur Prozesssicherheit beim Einsatz von LUS
6 Clinchen mit überlagertem Leistungsultraschall
6.1 Versuchsplan
6.2 Fügekraftbedarf
6.3 Einfluss des Ultraschalls auf die Fügeelementausbildung
6.4 Einfluss des Ultraschalls auf die Abstreifkraft
6.5 Quasistatische Verbindungsfestigkeit
6.6 Einfluss des Zuschaltzeitpunktes und der Einwirkdauer
6.7 Einfluss einer Klebstoffschicht
6.8 Stichversuche mit höherfesten Materialien
7 Untersuchungen zur fertigungsgerechten Gestaltung von LUSClincheinrichtungen
7.1 Einfluss der Steifigkeit von Clincheinrichtungen
7.2 Möglichkeiten zur Integration in Serieneinrichtungen
7.3 Lärmbelastung
8 Zusammenfassung
9 Literaturverzeichnis