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EFB-Forschungsbericht Nr. 498

Einbringen von Funktionselementen während der Warmumformung von 22MnB5

efb498

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Sebastian Meyer, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn - Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. André Neumann, Dipl.-Ing. Hendrik Vogt, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover

124 Seiten (sw, 108 Abb., 7 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-550-3

Preis (Print) EUR 74,00

Preis (Digital) EUR 65,00

Zusammenfassung

Warmumgeformte Stähle werden im Automobilkarosseriebau aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeiten insbesondere für Strukturbauteile im Bereich der Fahrgastzelle eingesetzt. Durch diese hohe Festigkeit kann im Crashfall ein Kollabieren der Fahrgastzelle vermieden werden.

Eine Voraussetzung für den Einsatz dieser Stahlbauteile ist eine geeignete Verbindungstechnologie mittels Funktionselementen, die lösbare Schraubverbindungen für die Montage von Anbauteilen ermöglichen. Bei der Verwendung von Schweißmuttern sind zusätzliche Vorlochoperationen und somit ein weiterer Prozessschritt am gehärteten Bauteil erforderlich.

Zudem resultiert ausgehend von der Wärmeeinflusszone eine herabgesetzte Dauerfestigkeit. Während bei kalt umgeformten Stahlwerkstoffen ein Einbringen von Stanzmuttern prozesssicher möglich ist, besteht bei formgehärteten Stählen, wie dem 22MnB5, infolge der hohen Fügeteilhärte ein erhöhtes Risiko von Mikrorissbildungen ausgehend von der Schnittkante. Durch die Integration des Setzprozesses der Stanzmuttern in den kombinierten Umform- und Härteprozess, kann das Fügen während des duktilen Zustands des 22MnB5 erfolgen, sodass eine tragfähige Verbindungsausbildung ermöglicht wird.

Das Ziel des Projektes bestand darin, eine prozesssichere Integration des Fügeprozesses von Funktionselementen in die Warmumformung von Bauteilen aus 22MnB5 zu ermöglichen. Hierdurch folgt ein Potenzial zur Verkürzung der Prozesskette durch den Entfall nachgeschalteter Vorloch- und Fügeoperationen.
Zu Beginn wurden Referenzverfahren charakterisiert, die für das Setzen von Funktionselementen bei formgehärteten Bauteilen geeignet sind. Anschließend wurde eine Simulation des Setzprozesses bei erhöhten Temperaturen durchgeführt.

Zudem wurde der Einfluss der Temperatur der für das Formhärten des austenitisierten 22MnB5 auf die Beschichtung der Stanzmutter untersucht. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen wurde eine geeignete Stanzmutterbeschichtung sowie Parameter zum Setzen der Funktionselemente während des Formhärtens abgeleitet.

Zur Erreichung der Ziele wurde ein Werkzeugsystem zum simultanen Formhärten und Setzen von Stanzmuttern mit dem Stahlwerkstoff 22MnB5 entwickelt. Mithilfe dieses Werkzeuges ist es möglich, die Stanzmutter während des Formhärtens in das Fügeteil einzubringen. Zur Abbildung verschiedener Bauteilbereiche ist es ebenfalls möglich, das Funktionselement dem eigentlichen Formhärtevorgang nacheilend zu setzen.

Das Tragverhalten der hergestellten Verbindungen wurden in quasistatischen und zyklischen Prüfungen geprüft und mit den Ergebnissen der Referenzverbindungen gegenübergestellt. Ebenso wurde das erfolgreiche Formhärten des Bauteils anhand von metallografischen Schliffbildern und Härteprüfungen im Bereich der Fügezone nachgewiesen.

Die erzielten Ergebnisse wurden zum Schluss auf ein Bauteilkonzept im industriellen Maßstab übertragen. Weiterhin wurden Empfehlungen zur Werkzeugauslegung getroffen, die auf den im Projekt gewonnenen Erkenntnissen basieren. Abschließend wurde eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des kombinierten Prozesses durchgeführt.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Summary

Press-hardened steels are used in automotive body construction due to their high specific strength, especially for structural components in the passenger compartment area. Due to the very high strength, collapsing of the passenger cell can be avoided in case of a crash. A requirement for the use of these steel components is a suitable joining technology using functional elements that enable detachable screw connections for the assembly of add-on parts.

When welding nuts are used, additional pre-hole operations and thus a further process step on the hardened component are required. In addition, the fatigue strength is reduced based on the heat-affected zone. While it is practically possible to insert self-piercing nuts in cold-formed steel materials, there is an increased risk of micro-cracks starting from the cutting edge in press-hardened steels such as 22MnB5 due to the high hardness of the joined parts. By integrating the application of the self-piercing nut into the combined forming and hardening process, joining can take place during the ductile state of the blank, thus facilitating the bearable mounting point.

The aim of the project was to enable a reliable integration of the joining process of functional elements into the press-hardening of 22MnB5 components. This has the potential to reduce the process chain by eliminating the pre-hole and joining operations.

At first, reference methods suitable for setting functional elements in press-hardened components were characterized. After this the setting process was simulated at elevated temperatures. In addition, the influence of the temperature of the blank austenitized for die hardening on the coating of the self-piercing nut was investigated. From the results of these investigations, a suitable self-piercing nut coating and parameters for the application of functional elements during die hardening were derived.

To achieve these aims, a tool system for simultaneous press-hardening and setting of self-piercing nuts with the 22MnB5 was developed. With this it is possible to insert the self-piercing nut into the joining part during the press-hardening process. For the representation of different component areas it is also possible to apply the functional element after the actual press-hardening process.

The joints produced were tested for strength in quasistatic and cyclic tests and compared with the reference joints. The successful form hardening of the component was also examined using metallographic microsections and hardness tests in the joining zone.

The results obtained were finally transferred to a component concept on an industrial scale. Furthermore, recommendations for tool design were made based on the experience gained in the project. Finally, a profitability analysis of the combined process was carried out.
The objective of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

    Zusammenfassung
    Abbildungsverzeichnis
    Tabellenverzeichnis
    Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
    Abkürzungsverzeichnis
    Formelzeichen
1    Einleitung
2    Stand der Forschung
2.1    Funktionselemente
2.1.1    Mechanische Funktionselemente – Selbststanzende Funktionselemente
2.2    Formhärten von 22MnB5
2.2.1    Verfahrensvarianten des Formhärtens
3    Forschungsziel und Lösungsweg
4    Versuchswerkstoffe, Funktionselemente und Fügeanlagen
4.1    22MnB5
4.2    Thermische Funktionselemente
4.2.1    Schweißmutter DIN 929
4.2.2    Lichtbogenschweißmutter ETN 546.10 F10
4.3    Mechanische Funktionselemente
4.3.1    RSE08
4.3.2    RIFAST® STM M8/20
4.4    Fügeanlagentechnik
4.4.1    Schweißanlage mit Kondensatorentladung
4.4.2    Nutfast-Schweißkopf LM 245 mit Steuer- und Energiequelle DCE 1500
4.4.3    Exzenterpresse EBU E50U
4.4.4    Hydraulische Presse Hydrap HPDZb 63
5    Prüfkörper, -einrichtungen, und -verfahren
5.1    Prüfkörper zur mechanischen Charakterisierung von Funktionselementen
5.1.1    Prüfkörper für quasi-statische und zyklische Scherzugprüfung
5.1.2    Prüfkörper für Durchzugs- und Auszugswiderstandsprüfung sowie zur Bestimmung der Verdrehfestigkeit
5.2    Prüfeinrichtungen zur mechanischen Charakterisierung von Funktionselementen
5.2.1    Schatz-Schraubenprüfstand
5.2.2    Universalprüfmaschine Zwick 1484
5.2.3    Universalprüfmaschine Zwick 1486
5.2.4    Schenk Hydropuls PSA
5.2.5    Bühler Microment
5.2.6    Qness Q10 A+
6    Charakterisierung der Referenzverbindungen
6.1    Makroskopische Bewertung in der Schliffebene
6.2    Verdrehfestigkeitsprüfung
6.3    Durchzugswiderstandsprüfung
6.4    Auszugswiderstandsprüfung
6.5    Quasistatische Scherzugprüfung
6.6    Zyklische Scherzugprüfung
7    Simulation des kombinierten Prozesses
8    Untersuchung des Temperatureinflusses am Funktionselement
9    Werkzeug- und Prozessentwicklung
9.1    Werkzeugauslegung und -konstruktion
9.1.1    Verfahrensablauf Werkzeugmodus I / Robuste Variante
9.1.2    Verfahrensablauf Werkzeugmodus II / Nacheilendes Funktionselement
9.1.3    Verfahrensablauf Werkzeugmodus III / Sequentielles Fügen
9.2    Inbetriebnahme des Kühlplattenwerkzeuges
10    Charakterisierung der im kombinierten Prozess hergestellten Verbindungen
10.1    Makroskopische Bewertung in der Schliffebene
10.2    Metallografische Untersuchungen in der Fügezone
10.3    Auszugswiderstandsprüfung
10.4    Verdrehfestigkeitsprüfung
10.5    Bestimmung des Prozessfensters
10.6    Quasistatische Scherzugprüfung
10.7    Zyklische Scherzugprüfung
10.8    Qualitative Bewertung des Verschleißes an der Fügematrize
11    Bauteilkonzept für den kombinierten Prozess
11.1    Hinweise zur Werkzeugauslegung
12    Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des kombinierten Prozesses
13    Ergebnisse und Ausblick
13.1    Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für kleine und mittelständische Unternehmen
14    Literaturverzeichnis
15    Normen und Richtlinien
16    Anhang