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EFB-Forschungsbericht Nr. 433

Clinchen von Druckguss-Bauteilen

efb433

Verfasser:
Prof. Dr. Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Deniz Yilkiran, M. Sc. Ilya Peshekhodov, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover

118 Seiten (sw, 87 teils farbige Abb., 19 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-481-0

Preis (Digital) EUR 52,15

Preis (Print) EUR 65,00

Zusammenfassung

Im Forschungsprojekt 16819 N „Clinchen von Druckguss-Bauteilen" wurde das Fügen von Aluminiumdruckguss mit diversen Blechwerkstoffen mittels des Fügeverfahrens Clinchen untersucht. Aluminiumdruckguss-Bauteile haben gegenüber gewalzten Blechwerkstoffen eine geringere Bruchdehnung, was diese Werkstoffe anfällig für Risse in der Oberfläche im Fügeprozess macht. In Abhängigkeit der so entstehenden Schädigung können auftretende Risse im Clinchpunkt ggf. nicht in der nachfolgenden kathodischen Tauchlackierung (KTL) vollständig mit Tauchlack aufgefüllt werden. Insbesondere in Bezug auf Korrosion stellen derartige Oberflächen, die nicht durchweg beschichtet sind, Problemstellen dar. Ferner sind in der Automobilindustrie neben Funktionalität auch hohe ästhetische Ansprüche an Fügestellen üblich, sodass Risse und ähnliche Oberflächenfehler an Fügestellen nicht akzeptiert werden.

In diesem Forschungsprojekt wurden Referenzwerkzeuge derart optimiert, dass die Formänderung des Druckgusswerkstoffs bei zugdominierten Spannungszuständen minimiert und bei druckdominierten Spannungszuständen maximiert wird. Dadurch wurde die Schädigungswahrscheinlichkeit infolge des Fügeprozesses verringert. Es wurden zwei Werkzeugsysteme - zum einen ein Werkzeugsystem mit geschlossener Matrize und zum anderen ein Werkzeugsystem mit öffnender Matrize - betrachtet.

Beide Werkzeugsysteme wurden mithilfe von Prozesssimulationen optimiert. Dabei ist ein Schädigungsmodell zur Beschreibung des Versagensverhaltens im Druckgusswerkstoff zum Einsatz gekommen. Das Ziel der numerischen Optimierungen bestand darin, den maximalen Wert der Schädigungsvariable C im Druckguss, unter Aufrechterhaltung eines ausgewogenen Verhältnisses der Schliffparameter im Clinchpunkt, möglichst stark zu reduzieren.

Nachdem die numerischen Optimierungen abgeschlossen waren, wurden die Werkzeuge gemäß den Ergebnissen der Simulationen gefertigt. In experimentellen Untersuchungen konnte erfolgreich gezeigt werden, dass infolge der Werkzeugoptimierungen bei beiden Systemen signifikante Verbesserungen bis hin zum rissfreien Clinchergebnis erreicht wurden. Neben den schädigungsreduzierten Druckgussoberflächen konnten auch die geometrischen Kenngrößen im Schliffbild der Clinchpunkte teilweise verbessert werden.

Zur Sicherstellung einer guten Verbindungsfestigkeit wurden abschließend Kopfzugversuche durchgeführt. Dabei wurden sowohl mit den Referenzwerkzeugen als auch mit den optimierten Werkzeugen Kopfzugproben erstellt und in quasistatischen Zugversuchen auf ihre Verbindungsfestigkeiten überprüft. Bei beiden Werkzeugsystemen konnte nachgewiesen werden, dass die Optimierung keine signifikanten Verluste in der Verbindungsfestigkeit zur Folge hat. Demensprechend sind im Rahmen der Entwicklungen Werkzeuge entstanden, durch welche die druckgussseitige Schädigung im Clinchprozess reduziert und zeitgleich gute Verbindungsfestigkeiten der Clinchverbindung erreicht werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Clinchen von Druckguss-Bauteilen" wurde unter der Fördernummer AiF 16819N 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 (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 433 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Within the research project 16819 N "Clinching of Die Castings" the joining of aluminium die cast aluminium with various sheet materials was investigated by the joining method clinching. Compared to rolled sheet materials, aluminium die castings have a low elongation at break which makes these materials susceptible to surface damage during the joining process. Due to the resulting damage, cracks in the die cast may not filled up completely with dipping varnish through the cathodic dip coating process. With regards to corrosion, surfaces which are not entirely coated causes problems. In addition to functionality, high aesthetic demands on joints are common in the automotive industry. Hence, cracks and similar surface defects on joints are not accepted.

In this research project reference tools have been optimised for reducing the damage probability. Therefore the compressive stress component in the die cast during forming was increased while the tensile stress component was decreased. For the investigations two tooling systems were used. On the one hand a closed single-part die and on the other hand an open multiple-part die. By the use of process simulations both tooling systems have been optimised. Within the FEA-based optimisations, a damage model to describe the damage behaviour in the die cast material has been employed. The aim of the numerical optimisation was to reduce the maximum value of the damage variable C by maintaining a balance of the geometry parameters of the clinching point.

After completion of the numerical optimisations the tools have been manufactured according to the results of the simulations. For both tooling systems significant improvements in the damage behaviour of the die cast material could be achieved experimentally. In addition to the damage reduction in the surfaces of the die cast material the parameters of the clinch point's microsection could be partially improved.

To ensure a good joint strength, connecting strength tests were carried out. The connection strength was determined with quasi-static cross tension tests. The tests were done with two kind of cross tension specimens for each tooling system, the optimised tooling systems and the reference tooling systems before the optimisation. With both optimised tooling systems have been demonstrated that due to the optimisation no significant losses in the connection strength arising. Accordingly, in this project clinching tools which reduces the damage in the die-cast with a coincident achievement of good connection strengths were developed.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen
Zusammenfassung
Abstract
1 Anlass für das Forschungsvorhaben
2 Stand der Technik
2.1 Fügeverfahren mit Hilfsfügeelement
2.2 Fügeverfahren ohne Hilfsfügeelement
2.3 Prüfung der Verbindungsfestigkeit und Fehlermodi einer Clinchverbindung
2.4 Clinchen und Kleben
2.5 Clinchen von Druckguss-Bauteilen
3 Zielsetzung und Lösungsweg
4 Durchgeführte Arbeiten
4.1 Werkstoff- und Oberflächencharakterisierung
4.1.1 Ermittlung der mechanischen Kennwerte
4.1.2 Probenentnahme der Bauteile
4.1.3 Charakterisierung der Druckgussoberflächen
4.2 Optimierung des Prozesses mit geschlossener Matrize
4.2.1 Bemusterung der Werkzeuge nach Stand der Technik
4.2.2 Numerische Optimierung des Prozesses mit geschlossener Matrize
4.2.2.1 Modell und Plan der ersten Optimierung
4.2.2.2 Validierung des Modells
4.2.2.3 Ergebnisse der ersten Optimierung
4.2.2.4 Modell und Plan der zweiten Optimierung
4.2.2.5 Ergebnisse der zweiten Optimierung
4.2.3 Umsetzung der optimierten Werkzeuge
4.2.4 Durchführung und Auswertung von Clinchversuchen
4.2.5 Prüfung der Verbindungsfestigkeit
4.3 Optimierung des Prozesses mit öffnender Matrize
4.3.1 Bemusterung der Werkzeuge nach Stand der Technik
4.3.2 Numerische Optimierung des Prozesses mit öffnender Matrize
4.3.2.1 Rotationssymmetrisches Modell und Plan der ersten Optimierung
4.3.2.2 Validierung des rotationssymmetrischen Modells
4.3.2.3 Ergebnisse der ersten Optimierung
4.3.2.4 Rotationssymmetrisches Modell und Plan der zweiten Optimierung
4.3.2.5 Ergebnisse der zweiten Optimierung
4.3.2.6 Dreidimensionale numerische Prozessabbildung
4.3.3 Umsetzung der optimierten Werkzeuge
4.3.4 Durchführung und Auswertung von Clinchversuchen
4.3.5 Prüfung der Verbindungsfestigkeit
4.4 Konstruktionsrichtlinien auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse
5 Ergebnisse
6 Ergebnistransfer in die Wirtschaft
6.1 Einschätzung zur industriellen Umsetzbarkeit
6.2 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der Ergebnisse für KMU
7 Literatur
7.1 Normen und Merkblätter