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EFB-Forschungsbericht Nr. 458

Entwicklung von Funktionsbolzen nach dem Setzbolzenprinzip

efb458

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Dipl.-Wirt.-Ing. Philipp Nagel, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

148 Seiten (sw, 99 teils farbige Abb., 32 Tab.)

ISBN: ISBN 978-3-86776-508-4

Preis (Digital) EUR 66,54

Preis (Print) EUR 83,00

Zusammenfassung

Der zunehmende Trend zur Misch- und Profilbauweise stellt die einzusetzenden Fügetechnologien vor große Herausforderungen. Da eine kosten- und energieeffiziente Produktion für Industrieunternehmen aufgrund der wirtschaftlichen Lage zunehmend wichtiger wird, ist die Zusammenlegung von mehreren Arbeitsschritten und somit eine Verkürzung der Fertigungsprozesskette bzw. der Fertigungszeit anzustreben. Eine Verknüpfung von mehreren Funktionen ist durch ein entsprechendes Funktionselement realisierbar, welches einerseits eine mechanische Verbindung zwischen zwei Fügeteilen herstellt sowie darüber hinaus weitere Funktionen zur Anbindung von zusätzlichen Bauteilen bietet.

Hierfür bietet sich das Bolzensetzen als Fügetechnik an, wobei der Setzbolzenkopf- bzw. -schaft derart optimiert wird, dass neben der Verbindungsherstellung eine weitere Funktion, wie z.B. die eines Gewindebolzens oder einer Clipsverbindung, erfüllt wird. Dies ermöglicht eine mechanische Verbindung von Bauteilen bei nur einseitiger Zugänglichkeit und ohne vorherige Vorlochoperation bei gleichzeitiger Bereitstellung einer zusätzlichen Funktion des Fügeelements.

Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung eines kombinierten mechanischen Funktions- und Verbindungselements, welches auf dem Prinzip des Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzens das wirtschaftliche Einbringen von Funktionsträgern ermöglicht. Aufgrund der hohen Prozessgeschwindigkeit stellt das Bolzensetzen eine wirtschaftliche Lösung zum Fügen von Mischbaustrukturen und durch die angestrebte Weiterentwicklung für die Einbringung von Funktionselementen im Karosserierohbau dar. Neben der hohen Prozessgeschwindigkeit benötigt das neu zu entwickelnde Element lediglich eine einseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle und kann daher ebenfalls in einer Profilbauweise und in Gussstrukturen eingesetzt werden. Es wird ein flexibles, mischbautaugliches Hilfsfügeteil entwickelt, welches das Fügen verschiedener Werkstoffe bei gleichzeitiger Funktionseinbringung ermöglicht und hierdurch zu einer Reduzierung der Fertigungskosten führt.

Im Projekt wurden anhand einer Anforderungsanalyse die im Betrieb von Funktionselementen und Verbindungselementen auftretenden Lasten analysiert. Auf Basis der Analyse wurden Lösungsansätze zur Gestaltung eines möglichen Funktionselements generiert. Hierauf aufbauend wurden Funktionsbolzengeometrien entwickelt, welche den ermittelten möglichen Belastungen eines kombinierten Funktions- und Verbindungselements einen hohen Widerstand entgegen bringen. Es folgte eine experimentelle sowie simulative Elemententwicklung und Optimierung. Anschließend wurde der optimierte Funktionsbolzen für die Ermittlung der Kennwerte des Funktionselements und des Verbindungselements im Vergleich zu den Referenzverfahren untersucht. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurden abschließend Fertigungs- und Anwendungshinweise abgeleitet.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass mit den Untersuchungen gezeigt werden konnte, dass das neu entwickelte Funktions- und Verbindungselement ein hohes Anwendungspotential besitzt und es die Aufgaben der als Referenzelemente herangezogenen Funktions- und Verbindungselemente ersetzen kann. Die Herausforderung für die am Projekt beteiligten Unternehmen liegt in der kaltschlagenden Elementherstellung sowie der Weiterentwicklung bestehender Anlagentechnik.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Entwicklung von Funktionsbolzen nach dem Setzbolzenprinzip" wurde unter der Fördernummer AiF 17807N 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. 458 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The growing trend for multi-material design and a profile-intensive design in the car body shop face the joining technology with great challenges. As a cost- and energy-efficient production is becoming increasingly important for industrial enterprises due to the economic situation. The merge of several work steps and thereby a reduction in the production time must be reached. A combination of several functions can be realized by means of a corresponding functional element, which in one side has the possibility to make a mechanical connection between two joined parts, and as further function to make additional connections for components.

For this purpose, the high-speed joining is a suitable joining technique. The setting bolt head or shaft has to be optimized in such a way that, in addition to the joining connection, a further function, such as a threaded bolt or a clip connection could be integrated. This allows a mechanical connection of components with only one-sided accessibility to the joint and without pilot hole operation and at the same time providing an additional function of the joining element.

The aim of the research project was the development of a combined mechanical functional and connecting element, which is based on the principle of high-speed joining and enables the economical introduction of functional carriers. Due to the high process speed of high-speed joining the process is an economical solution for the joining of multi-material structures and due to the desired further development for the introduction of functional elements in automotive body shop construction. In addition to the high process speed, the element to be developed requires only one-sided accessibility to the joint and therefore it can be used in profile intensive construction and in aluminum casting. A flexible, multi-material compatible joining element will be developed which enables the joining of different materials with a simultaneous application of the function and this will reduce production costs.

In the project, the requirements arising due the operation of functional elements and joining elements were analyzed by means of a requirement analysis. On the base of a stress analysis different ideas for the design of a possible functional element were generated. Based on this, functional bolt geometries are constructed which provide a high resistance to the determined possible loads of a combined functional and connecting element. This was followed by an experimental and simulative element development and its optimization. The optimized function bolt was used for the determination of the characteristic values of the functional and of the connecting element in comparison to different reference methods. Finally, manufacturing and application instructions were derived from the findings.

By summarizing the investigations it could be shown that the newly developed functional and connecting elements have a high application potential and can replace the functions of the functional and connecting elements used as reference elements. The challenge for the companies involved in the project now lies in the cold-forming element production as well as the further development of existing plant engineering.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Forschung
2.1 Mechanische Funktionselemente
2.2 Blindnietschraube/Blindnietmutter
2.3 Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen
2.4 Bolzenschweißen
2.4.1 Bolzenschweißen mit Spitzenzündung
2.4.2 Kurzzeitbolzenschweißen mit Hubzündung
2.5 Grundlagen der FEM
2.5.1 Plastizitätsbeschreibung
2.5.2 Schädigungsmodellierung
2.5.3 Reibmodelle
3 Forschungsziel und Lösungsweg
4 Fügeteilwerkstoffe, Hilfsfügeteile und Fügeanlage
4.1 Fügeteilwerkstoffe und Hilfsstoffe
4.1.1 EN AW-6060
4.1.2 HC340LA
4.1.3 HC340XD
4.1.4 Betamate 1630
4.2 Hilfsfügeteile
4.2.1 Soyer Gewindebolzen Typ PT
4.2.2 Titgemeyer Blindnietschraube
4.2.3 Rivtac FK16-8-3
4.3 Fügeanlagen
4.3.1 Rivtac Tape- und Magazine-Feed
4.3.2 Setzwerkzeug für Blindnietmuttern und –schrauben
4.3.3 Soyer Bolzenschweißgerät Soyer BMS-10NV
5 Prüfeinrichtungen, -körper und -verfahren
5.1 Prüfeinrichtungen
5.1.1 Schatz Schraubenprüfstand
5.1.2 Zwick Z 100
5.1.3 Rumul Mikroton 20 kN
5.1.4 HG-Prüfmaschine Instron VHS 25/20
5.1.5 Korrosions- und Klimakammer
5.2 Versuche zur Ermittlung von Verbindungskennwerte
5.2.1 Kreuzkopfzugversuch
5.2.2 Ausdrückversuch
5.2.3 Scherzugversuch
5.2.4 Zyklischer Scherzugversuch
5.2.5 Bauteilähnlicher Scher- und Kopfzugversuch
5.3 Versuche zur Kennwertermittlung des Funktionselements
5.3.1 Prüfung der Auszugskraft am Funktionselement
5.3.2 Prüfung der Verdrehfestigkeit des Funktionselements
5.3.3 Prüfung zweier Montagefälle
5.3.4 Prüfung der Scherzugfestigkeit des Funktionselements
5.3.5 Zyklischer Elementscherzugversuch
5.3.6 Weitere Prüfungen für Schweißbolzen
5.4 Korrosionsuntersuchungen
6 Entwicklung von Funktionsbolzen
6.1 Belastungen am Funktionsbolzen und Auswahl eines Funktionsabschnitts
6.2 Festlegung geeigneter Schaftgeometrien
6.3 Funktionsbolzen mit geschweißtem Gewindeabschnitt
6.3.1 Herstellung
6.3.2 Drehmomentprüfung A, B, C
6.4 Funktionsbolzen mit gedrehtem Gewindeabschnitt
6.4.1 Herstellung
6.4.2 Zugversuche am Drahtwerkstoff
6.4.3 Drehmomentprüfung A
6.4.4 Ausdrückversuch
6.4.5 Einfluss der Schaftgeometrie auf die statische Scherzugfestigkeit
7 Simulative Elemententwicklung und -optimierung
7.1 Simulatives Vorgehen
7.2 Simulationsmodell zur Ermittlung der Torsionsbruchmomente
7.2.1 Modellaufbau
7.2.2 Einflussgrößenanalyse
7.2.3 Zusammenfassung der wichtigsten Simulationsparameter
7.3 Simulationsmodell zur Ermittlung der Durchdrehmomente
7.3.1 Modellaufbau
7.3.2 Fließkurvenvariation des Aluminiums EN AW-6060
7.3.3 Einflussgrößenanalyse
7.3.4 Zusammenfassung der wichtigsten Simulationsparameter
7.3.5 Einfluss Blechdicke auf das Drehmoment
7.4 Ergebnis der Optimierungsrechnung
8 Bemusterung
8.1 Blindnietschrauben
8.2 Bolzenschweißen Aluminium
8.3 Bolzenschweißen Stahl
8.4 Funktionsbolzen / Bolzensetzen
9 Kennwerteermittlung Funktionselemente
9.1 Drehmomentprüfung A,B,C
9.2 Elementkopfzugfestigkeit
9.3 Statische und schlagartige Elementscherzugfestigkeit
9.4 Zyklische Scherzugversuche
9.5 Zyklische Kopfzugversuche
10 Kennwertermittlung Verbindungselemente
10.1 Statische und schlagartige Scherzugfestigkeit
10.2 Untersuchungen zum Hybridfügen
10.3 Ausdrück- und Kopfzugfestigkeit
10.4 Prüfung bauteilähnlicher Probengeometrien
10.5 Zyklische Scherzugfestigkeit
11 Korrosionsuntersuchungen
11.1 Beurteilung der Korrosionserscheinungen
11.2 Drehmomentprüfung A nach korrosiver Belastung
11.3 Scherzugfestigkeit nach korrosiver Belastung
12 Fertigungs- und Anwendungshinweise
12.1 Fertigungshinweise
12.2 Anwendungsgebiete
12.3 Wirtschaftlicher Einsatz von Funktionsbolzen
13 Ergebnisse und Ausblick
14 Literaturverzeichnis