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EFB-Forschungsbericht Nr. 214

Standmengenerhöhung bei Clinchwerkzeugen durch Verwendung von Keramikkomponenten

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Eckart Doege, Dipl.-Ing. Sven Hübner, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Universität Hannover, Prof. Dr.-Ing. habil. Hanns Peter Liebig, Dr.-Ing. Jan Bober, Arbeitsbereich Produktionstechnik / Fertigungstechnik (PTHH) der Technischen Universität Hamburg-Harburg, Prof. Dr.-Ing. Harald Knake, Dr.-Ing. Jürgen Dieter Schnapp, Dipl.-Ing. Heike Weber, Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie (IMT) der Friedrich-Schiller-Universität Jena

160 Seiten (sw 120 teils farbige Abb., 7 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-170-3

Preis (Digital) EUR 98,00

Preis (Print) EUR 110,20

Zusammenfassung

Im Karosseriebau kommen höherfeste Stähle und Aluminiumlegierungen sowie alternative Fügeverfahren wie das Clinchen zum Einsatz. Es soll der Fahrzeuggewichtserhöhung und der Erhöhung des damit verbundenen Energieverbrauchs ent-gegengewirkt werden. Verfahrensbedingt sind beim Durchsetzfügen von höherfesten Stählen größere Fügekräfte erforderlich, was zu höheren Pressungen an den Werkzeugaktivflächen führt. Bei der Verarbeitung von Aluminiumlegierungen kommt es zur Anhaftung des Blechwerkstoffs an den Aktivflächen der Fügewerkzeuge. Für das Clinchen hat dies einen erhöhten Werkzeugverschleiß zur Folge.

Forschungsziel dieses Projektes ist es, die Einsatzmöglichkeit von Keramik in hochbelasteten Bereichen von Durchsetzfügewerkzeugen nachzuweisen, um die Werkzeugstandmenge zu erhöhen. Die ausgewählten Keramiken sind Zirkonoxid und eine Mischkeramik. Dabei wurden neben geometrischen Verhältnissen die zu erwartenden Werkzeugbelastungen mit einbezogen.

Dafür wurde ein numerisches Modell erstellt, mit dem neben den Belastungen der zu fügenden Bleche insbesondere die Spannungs- und Formänderungsverteilung in den zu untersuchenden keramischen Werkzeugkomponenten Stempel und Amboss berechnet werden kann. Weiterhin wurde darauf geachtet, dass die Keramiken unter Industriebedingungen herstellbar sind. Die Integration der Keramiken ins Werkzeug erfolgte durch Einschrumpfen. Als Blechwerkstoffe kamen die Aluminiumlegierung AA6016 T4 und der hochfeste Stahl DP600+Z zum Einsatz. Es wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens Verfahrenshinweise für das Clinchen dieser Blechwerkstoffe mit Standard- und mit Keramikwerkzeugen angegeben.

Im Rahmen der Standmengenprüfung ist bei dem Blechwerkstoff AA6016 T4 keine Auswirkung des Werkzeugverschleisses, welcher sich in Form von Anhaftungen des Blechwerkstoffs an die Fügewerkzeuge äußerte, auf die Fügeelementqualität festgestellt worden. Es erfolgte entgegen der Erfahrungen bei Standardfügewerkzeugen ein prozesssicheres zyklisches Anhaften und Lösen des Blechwerkstoffs.

Keramische Wirkkomponenten in Stempeln und Ambossen von Clinchwerkzeugen eignen sich auf Grund der unzureichenden Dauerfestigkeit und der zu hohen mechanischen Beanspruchungen nicht für das Fügen von Blechen aus Stahlwerkstoffen, insbesondere, wenn es sich um höherfeste Bleche handelt (DP 600+Z). Die Weiterentwicklung solcher keramisch bestückter Werkzeuge für den Einsatz bei Aluminiumblechwerkstoffen (AA6016 T4) verspricht dagegen erfolgreich zu sein. Durch den Einsatz von Keramikfügewerkzeugen konnte bei Aluminiumblech die Standmenge von 250.000 / 300.000 Fügepunkten, wie sie bei Standardfügewerkzeugen üblich ist, auf ³ 500.000 Fügepunkte erhöht werden.

Das Forschungsvorhaben „Standmengenerhöhung bei Clinchwerkzeugen durch Verwendung von Keramikkomponenten“ wurde unter der Fördernummer AiF 30ZBG 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. 214 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation und Problemstellung
1.2 Ziel des Forschungsvorhabens
2 Stand der Technik
2.1 Clinchen
2.2 Schädigungsverhalten beim Clinchen mit Standardwerkzeugen
2.3 Vorteile von Keramik in der Umform- und Fügetechnik
3 Eingesetzte Blechwerkstoffe und Fügesysteme
4 Simulation der Füge-Werkzeugbelastung
4.1 Vorgehensweise bei der Bearbeitung der Berechnungsaufgabe
4.2 Verwendete Software
4.3 Modellbildung
4.4 Finite-Elemente-Netz
4.5 Mechanische Randbedingungen
4.6 Werkstoffmodell
4.7 Kontakt- und Reibmodell
4.8 Steuerung der Simulation
4.9 Durchführung der Berechnung
4.10 Berechnungsergebnisse
4.10.1 Auf dem Wege der Simulation erzielte Fügeelementgeometrie
4.10.2 Spannungsverteilung in Stempel und Amboß
4.10.3 Formänderungsverteilung in Stempel und Amboß
4.10.4 Ermittelter Kraft-Weg-Verlauf des Fügeprozesses
4.11 Variantenrechnungen
4.11.1 Werkzeugstoff Keramik 1 und Blechwerkstoff DP 600
4.11.2 Werkzeugstoff Keramik 2 und Blechwerkstoff DP 600
4.11.3 Werkzeugstoff Keramik 3 und Blechwerkstoff DP 600
4.11.4 Werkzeugstoff Keramik 1 und Blechwerkstoff AA6016 T4
4.12 Fazit
5 Auswahl geeigneter Keramikwerkstoffe und Fertigung der Werkzeuge
5.1 Auswahl, Herstellung und Charakterisierung der Keramik
5.2 Fertigung der keramischen Clinchwerkzeuge
5.2.1 Untersuchungen zur Werkzeugentwicklung
5.2.2 Werkzeugfertigung
6 Beurteilung der Fügepunktausbildung
7 Untersuchungen zur Tragfähigkeit der Fügepunkte
7.1 Quasistatische Belastung
7.2 Dynamische Belastung
8 Ermittlung der Abstreif- und Fügekräfte
8.1 Ermittlung der Abstreifkräfte
8.2 Ermittlung der Fügekräfte
9 Standmengenprüfung
9.1 Standmengenprüfanlage
9.2 Durchführung der Standmengenprüfung
9.3 Auswertung der Standmengenprüfungen
9.4 Clinchen von Band aus DP 600+Z unter Verwendung von Eckold-Standard-Clinchwerkzeugen (Standmengenprüfung 1)
9.5 Clinchen von Band aus DP 600 unter Verwendung von Eckold-Clinchwerkzeugen mit keramischen Komponenten aus Zirkonoxid (Standmengenprüfung 2)
9.6 Clinchen von Band aus AA6016 T4 unter Verwendung von Eckold-Standard-Matrizen und Stempeln mit keramischen Komponenten aus Zirkonoxid und Mischkeramik (Standmengenprüfung 3)
9.7 Clinchen von Band aus AA6016 T4 unter Verwendung von Eckold-Clinchwerkzeugen mit keramischen Komponenten aus Zirkonoxid und Mischkeramik (Standmengenprüfung 4)
9.8 Fazit
10 Untersuchung der Keramikfügewerkzeuge unter Winkel- und Lateralversatz
11 Schadensanalyse an den Werkzeugen
11.1 Untersuchungsprogramm
11.2 Ergebnisse
11.2.1 Clinchen von Aluminiumblech AA 6016-T4
11.2.2 Clinchen von hochfestem Stahlblech DP600+Z
11.3 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
12 Zusammenfassung
13 Literaturverzeichnis
14 Anhang (Bilder und Tabellen)
14.1 Bilder
14.2 Tabellen