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EFB-Forschungsbericht Nr. 223

Stanznieten gegen ein Hochdruckfluid

efb223.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. (FH) Raik Grützner, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

24 Seiten (Sw 15, 1 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-180-2

Preis (Digital) EUR 13,00

Preis (Print) EUR 15,00

Zusammenfassung

Für die Fertigung komplexer Hohlteile wird verstärkt auf wirkmedienbasierte Umformverfahren zurückgegriffen. Das Fügen von Anbauteilen nach der Umformung ist wegen der Unzugänglichkeit des Innenraumes nur mit zusätzlichen Prozessschritten und aufwändigen Teilehandling möglich, was zusätzlich den konstruktiven Freiraum einschränkt.

Inhalt des Projektes „Stanznieten gegen ein Hochdruckfluid“ ist die Entwicklung eines neuen Hybridverfahrens das die Hydroumformung und das Fügen mit Halbhohlniet kombiniert. Das Hochdruckfluid übernimmt hierbei die aktive Rolle der Matrize. Das Projekt ist in zwei Phasen gegliedert.

Im ersten Teilprojekt wurde die generelle Realisierbarkeit dieses Verfahrens durch Vorversuche nachgewiesen. Dazu wurden durch den Aufbau einer Versuchseinrichtungen zum Fügen von Rohren und einem Laborwerkzeug für Blechwerkstoffe die Voraussetzungen für experimentellen Untersuchungen geschaffen. In der Versuchsdurchführung wurden definierte Prozessgrößen systematisch für die jeweilige Materialpaarung bis zum Versagensfall verändert und deren Verfahrensgrenzen aufgezeigt. Die Parameterstreuung beinhaltet zum einen die geometrischen Einflüsse der Fügepartner (Blechstärke) und des Verbinders (Länge, Wandstärke, Fußfase), zum anderen die werkstofflichen Eigenschaften (Fließspannung, Formänderungsvermögen, Härte) sowie die Prozessparameter (Innendruck, Stempelkinematik, Fügedauer und Fügezeitpunkt).

In einer Reihe von Fügeversuchen konnte nachgewiesen werden, dass das Verfahren Hydrostanznieten für das Verbinden der untersuchten Werkstoffkombinationen (AA5083, t=1,5mm mit AA5754, t=3,0mm bzw. AA5754, t=1,5mm mit AA6181A, t=4,0mm) geeignet ist. Es entsteht eine kraft- und formschlüssige Verbindung. Dabei konnten als verfahrensspezifische Parameter mit signifikantem Einfluss auf das Fügeergebnis vor allem die Härte und Geometrie des Verbinders (Wandstärke, Vorspreizung des Nietschaftes), die Festigkeit der Fügepartner sowie der notwendige Innendruck bei der Nieteinformung identifiziert werden. Es wurde prinzipiell nachgewiesen, dass das Fügen mit Halbhohlstanzniet bereits im Prozess der Hydroumformung möglich ist. Die Verbindungsqualität ist hinsichtlich ihrer geometrischen Verbindungsmerkmale, der Verbindungsfestigkeit sowie dem Versagensverhalten mit konventionell gesetzten Stanznietverbindungen vergleichbar.

Das Forschungsvorhaben „Stanznieten gegen ein Hochdruckfluid“ wurde unter der Fördernummer AiF 13741BR von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 223 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Summary

The manufacture of complex hollow parts requires more and more the use of workmediumbased forming process. Because of the inaccessibility of the interior of the parts, the joining of attachments after the deformation is only possible with additional process steps as well as complicated part handling which further limit the design space.

The objective of the project "punching rivets against a high pressure fluid" is to develop a new hybrid procedure that combines the hydro-forming and joining with selfpiercing rivets. The high pressure fluid replaces the die. The project is divided into two phases:

In the first phase of the project the general feasibility of this process was proven by pretests. In addition, the tool for joining tubes and the tool for joining sheet materials were created. In the tests, the specified process variables were for each material pair systematically pushed to their maximum until failure, and thus the parameter limits were pointed out. The parameter dispersion is influenced, on the one hand by the geometrical characteristics of the joining materials (thickness) and of the link (length, wall thickness, base-shape), and on the other hand by the material characteristics (yield stress, deformability, hardness) as well as the process parameters (internal
pressure, stamp kinematics, joining duration and joining time).

In a set of joining tests it could be proven that the tested material combinations (AA5083, t=1,5mm with AA5754, t=3,0mm and/or AA5754, t=1,5mm with AA6181A, t=4,0mm) is suitable. A fixed connection develops. The most important parameters could be identified as well as their influence on the joining results, above all the hardness and geometry of the link (wall thickness, interior radius), the strength of the joining materials and the necessary internal pressure. It was proven in principle that joining with half hollow punching rivets is already possible with hydraulic deformation.

The connection quality given by the geometrical connection characteristics, the strength of the joining as well as the failure behavior is comparable with conventionally settled punching rivet joints.

The project aim was achieved.

Inhalt

1 Zusammenfassung
2 Summary
3 Inhalt
4 Einleitung
5 Zielsetzung
6 Stand der Technik
6.1 Hydroumformung
6.2 Fügeverfahren für hydrogeformte Bleche
6.3 Standard- und partiell umformende Fügeverfahren
7 Experimentelle Untersuchungen
7.1 Versuchsplanung
7.2 Untersuchte Werkstoffe
7.3 Versuchseinrichtung Rohr
7.4 Versuchseinrichtung Blech
7.5 Versuchsdurchführung und Ergebnisse
7.6 Prüfung der Verbindungsfestigkeit
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Literatur