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EFB-Forschungsbericht Nr. 504

Fügen durch Form-Knickbauchen. Verfahrenserweiterung zur Erhöhung der Verbindungsfestigkeit und Erweiterung des Anwendungsspektrums

efb504

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing.habil. Markus Bambach, Dr.-Ing. Alexander Sviridov, M. Sc. Eric Horn, M. Eng. Markus Garlich, Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung, Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg - Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Alexander Chugreev, Dipl.-Ing. Matthäus Dykiert, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover

94 Seiten (sw, 79 teils farbige Abb.)

ISBN: 978-3-86776-557-2

Preis (Digital) EUR 56,47

Preis (Print) EUR 70,65

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens "Fügen durch Form-Knickbauchen. Verfahrenserweiterung zur Erhöhung der Verbindungsfestigkeit und Erweiterung des Anwendungsspektrums" wurde das Verfahren sowohl numerisch als auch experimentell untersucht. Folgende noch ungeklärte technische und wissenschaftliche Fragestellungen sind näher betrachtet worden:

1. Schädigung/Rissbildung.
Bislang wurden überwiegend voll ausgeformte Knicke untersucht. Diese weisen durch das vollständige Zusammendrücken des Knicks eine Schädigung in Form von Rissen auf. In diesem Projekt wurde der Einfluss neuer Knickgeometrien auf die Rissentstehung untersucht. Diese wurden ohne vollständiges Zusammenpressen des Knicks gefertigt, wobei ein Radius am Innenknick eine Rissinitiierung verhindert.

2. Lastaufnahme.
Die bisher bekannten Knicke sind für viele Belastungsfälle nicht optimal. In diesem Vorhaben wurden Knickgeometrien entwickelt, die im Vergleich zum konventionellen Knick eine höhere Widerstandsfähigkeit für die Lastfälle Torsion, Zug und Biegung aufweisen. Für die Aufnahme von Torsionslasten oder zur Verdrehsicherung wurden der V-Knick und der Schrägknick untersucht. Der Winkelknick ist in Hinsicht auf erhöhte Biege- und Zugsteifigkeit betrachtet worden.

3. Anwendungsspektrum.
Um das Verfahren des Knickbauchens auf weitere Anwendungen auszuweiten, wurde das Fügen von zwei Rohren (axial, T-Stoß und Schrägstoß) mittels Knickbauchen untersucht.

Es galt zunächst geeignete Knickgeometrien zu suchen, welche eine Reduktion der Schädigung beinhalten, eine verbesserte Lasteinleitung aufweisen und ein breiteres Anwendungsspektrum erlauben. Anhand dieser Geometrien wurden parametrisierte CAD-Modelle erstellt. Auf Basis dieser Modelle konnten numerische Belastungssimulationen erstellt werden, wodurch für die jeweilige Knickform die optimalen geometrischen Parameter bestimmt wurden.

Mithilfe einer Charakterisierung des Versagensverhaltens und eines im Anschluss parametrisierten spannungsbasierten Schädigungsmodells wurden die ausgewählten Knickformen bezüglich des Umform- und des Schädigungsverhaltens untersucht.

Hieraus ließen sich zahlreiche Aussagen hinsichtlich der zu erwartenden Prozessparameter (z. B. Umformkraft) und der Schädigungswahrscheinlichkeit ableiten. Um den Prozess abschließend auch unter realen Bedingungen zu validieren, wurden für jede Knickform entsprechende Werkzeuge konstruiert und gefertigt, so dass die vorgesehenen experimentellen Untersuchungen durchgeführt werden konnten.

Neben der Validierung der numerischen Prozesssimulation mittels gemessener experimenteller Versuchsdaten, gelang es den positiven Einfluss alternativer Knickformen auf die Schädigung im Knickbereich nachzuweisen. Des Weiteren konnte die Anwendbarkeit des Verfahrens für spezielle Lastfälle als auch für komplexe Knickgeometrien gezeigt werden. Abschließend wurden Bauteilprüfungen durchgeführt.

Es zeigte sich hier ein positiver Einfluss auf das Verhalten bei statischer Zug-, Biege- und Torsionsbelastung sowie dynamischer Zugbelastung. Um das Verfahren dem Einsatz in der Praxis näher zu bringen, wurde ein Konzept einer mobilen Umformeinheit zum Knickbauchen entwickelt. Für den Anwender in der Praxis wurden ein Excel-basiertes Tool zur Auslegung von Knickbauchverbindungen sowie ein Richtlinienkatalog in Form eines Merkblatts entwickelt.

Das IGF-Vorhaben „Fügen durch Form-Knickbauchen. Verfahrenserweiterung zur Erhöhung der Verbindungsfestigkeit und Erweiterung des Anwendungsspektrums" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18243BG 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. 504 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Within the research project joining by upset bulging with new shapes for process extension to increase the connection strength and extend the range of applications, the mechanical joining method was investigated both numerically and experimentally. The following previously unsolved technical and scientific questions were elaborated:

1. Damage / cracking:
So far, predominantly fully formed bulges have been investigated. These are often damaged or contain cracks due to the complete compression of the bulge. In this project, the influence of new bulging geometries on the crack initiation was investigated. These were made without complete compression of the bulges, whereby a radius at the inner bulge prevents crack initiation.

2. Load bearing:
The previously known bulge shapes are not optimal for many load cases. In this project, bulging geometries were developed, which have a higher resistance to the load cases of torsion, tension and bending compared to the conventional bulging. To absorb torsional loads or to prevent rotation between the joined components, the V-bulge and the diagonal bulge were examined. The angular bulge has been considered in terms of increased bending and tensile stiffness.

3. Application spectrum.
In order to make the method attractive for other applications, the joining of two tubes (axial, T-joint and diagonal joint) by using upset bulging has been investigated.

For this purpose, suitable bulging geometries were first sought, which yield a reduction of the damage, have an improved load bearing and allow an extension of the application spectrum. Based on these geometries, parametric CAD models were created. With these models, numerical load simulations were executed, whereby the optimal geometrical parameters for each bulge shape were determined. In the next step, the fracture behavior was characterized in order to parametrize a stress-state dependent damage model.

By this means, the forming behavior of the different bulging geometries was investigated by numerical simulations. Numerous statements regarding the expected process parameters (for example, forming force) and the damage evolution could be derived. Finally, to demonstrate the process under real conditions, appropriate tools were designed and manufactured for each bulging shape so that the intended experimental investigations could be carried out.

In addition to the validation of the numerical process simulation by means of measured experimental data, it was possible to demonstrate the positive influence of alternative bulging shapes on the damage in the bulging area. Furthermore, the applicability of the method for special load cases as well as complex bulging geometries could be shown.

Finally, component samples were tested with appropriate loads. The experiments showed a positive influence on the behavior under static tensile, bending and torsional load as well as dynamic tensile load. In order to bring the process closer to practical use, a concept of a mobile forming unit for upset bulging operations has been developed.

The development of an Excel-based tool for the design of bulging connections and the creation of a catalog of guidelines are intended to help practitioners use technology and the newly developed bulge shapes.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Knickbauchen als Umformverfahren
2.2 Knickbauchen als Fügeverfahren
2.2.1 Lösbare Verbindungen
2.2.2 Unlösbare Verbindungen
2.2.3 Umformtechnisches Fügen von Rohren
2.2.4 Fügen durch Knickbauchen
3 Lösungsweg zur Erreichung des Projektziels
3.1 Lösungsweg und Vorgehensweise
3.2 Arbeitspakete
4 Ergebnisse und Ausblick
4.1 Definition von Werkstoffen und Demonstratorbauteilen
4.2 Identifikation lastangepasster Knickformen
4.2.1 Winkelknick
4.2.2 V-Knick
4.2.3 Schrägknick
4.3 Identifikation geometrieangepasster Knickformen
4.3.1 T- bzw. Schrägstoß
4.4 Entwicklung einer Methodik zur Charakterisierung des Schädigungsverhaltens
4.4.1 Spannungsbasierte Modellansätze zur Versagensbeschreibung
4.5 Parametrisierung des spannungsbasierten Schädigungsmodells und simulative Auslegung
4.5.1 Parametrisierung der Schädigungsmodelle
4.5.2 Numerische Auslegung von Knickbauchprozessen
4.5.3 Auslegung des Winkelknicks
4.5.4 Auslegung von Rohr-Rohr-Verbindungen im Schrägknick
4.5.5 Auslegung von Rohr-Rohr-Verbindungen im T-Stoß bzw. Schrägstoß
4.6 Experimentelle Untersuchung Formknickbauchen und Herstellung von Fügeverbindungen
4.6.1 Herstellung Winkelknick
4.6.2 Herstellung V-Knick
4.6.3 Herstellung Schrägknick
4.6.4 Herstellung T-Stoß
4.7 Bauteilprüfung und Bauteilqualität
4.7.1 Statische Bauteilprüfung (Zug, Biegung)
4.7.2 Dynamische Bauteilprüfung
4.7.3 Torsionsversuche
4.8 Werkzeugkonzepte für den mobilen Einsatz
4.8.1 Variantenausbildung
4.8.2 Nachweis der Machbarkeit per Simulation
4.8.3 Mock-Up
4.8.4 Antriebsmöglichkeiten
5 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
6 Literaturverzeichnis