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EFB-Forschungsbericht Nr. 201

PC-gestützte Auswahl, Auslegung und Dimensionierung von Clinchwerkzeugen

EFB201.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Lisa Schmid, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik LWF der Universität Paderborn

272 Seiten (sw 153, teils farbige Abb., 10 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-157-4

Preis (Digital) EUR 140,00

Preis (Print) EUR 157,30

Zusammenfassung

Es wurde ein Softwaretool, das sog. Clinchtool, im Rahmen des Projektes für das einstufige nichtschneidende Clinchen entwickelt, das auch ungeübten Benutzern die Auswahl, Auslegung und Dimensionierung der Fügewerkzeuge innerhalb der marktüblichen PC-Arbeitsumgebung ermöglicht.

Das Clinchtool wurde so konzipiert, dass mit Hilfe einer graphischen Oberfläche die Abfrage aller simulationsrelevanten Daten erfolgt. Die entsprechenden Kennwerte und Modelldaten werden direkt in dem Clinchtool gespeichert. Die Generierung der FEM-Eingabedatei, die Lösung des FE-Gleichungssystems sowie die Ergebnisauswertung erfolgt automatisch. Zur Ergebnisauswertung wurde ebenfalls eine graphische Oberfläche generiert, die dem Benutzer den Beanspruchungszustand im Fügeelement sowie qualitätsbeschreibende geometrische Kenngrößen.

Der Verbindung und ausgewählte Verbindungsfestigkeiten visualisiert. Dargestellt werden die Berechnungsergebnisse des Fügeprozesses in Form von Fügeelementgrößen, die als Zahlenwert angezeigt werden. Weiterhin erfolgt die Ausgabe der maximalen Fügekraft als Zahlenwert und in Form eines Stempelkraft-Fügeweg-Diagramms. Das Tragverhalten unter Kopfzugbelastung wird als Zahlenwert und in Form eines Kraft-Traversenweg-Diagramms visualisiert.

Für die Auswahl des geeigneten FEM-Programmes werden marktübliche FEM-Programmsysteme hinsichtlich ihrer Eignung zur Erreichung der Projektziele analysiert. Ausgewählt wurde das System MSC.Superform, das auch zur Speicherung der Werkstoffkenndaten sowie Geometrieangaben der Werkzeuge genutzt wird. Das im Rahmen des Projektes entwickelte Clinchtool wurde zudem an das Informationssystem Clinchen, das im Rahmen eines AiF-Projektes in Zusammenarbeit mit der GFaI (Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik) entwickelt und für das Projekt am LWF überarbeitet wurde, angebunden. Die Vernetzung der Fügeteile im Clinchtool erfolgt mit Hilfe der in MSC.Superform integrierten automatischen Vernetzungsfunktion. Die automatische Generierung der Eingabedatei wurde mit der Programmierung von sogenannten Prozeduren in MSC.Superform umgesetzt.

Das rotationssymmetrische TOX-Clinchsystem wurde mit axialsymmetrischen Elementen modelliert. Unterschiedliche Modellierungsansätze wurden verfolgt, um das nicht rotationssymmetrische Clinchsystem BTM Tog-L-Loc axialsymmetrisch zu modellieren. Auf Grund der guten Ergebnisse wurde ein Modell eingesetzt, bei dem axialsymmetrische Elemente genutzt werden und das „Spreizen“ der Lamellen mittels Federelementen in MSC.Superform modelliert wird. Im Rahmen des Projektes wurde weiterhin die Verbindungsfestigkeit unter Kopfzugbelastung numerisch ermittelt. Hierbei wurden die Ergebnisse des Fügeprozesses als Eingangsgrößen für die Kopfzugsimulation verwendet. Darüber hinaus konnte im Rahmen der FE-Simulation die stempelseitige Abstreiferkraft für beide Clinchprozesse ermittelt werden.

Der Vergleich von Simulation und Experiment zeigt eine sehr gute Übereinstimmung der Simulation der Fügeprozesse beider Clinchsysteme hinsichtlich der Fügeelementkenngrößen und der Kraft-Stempelweg-Verläufe. Auch die durchgeführten Stufensetzversuche weisen im Vergleich zum Experiment sehr gute Ergebnisse über die gesamte Eindringtiefe des Stempels auf. Bei der Verifikation der numerischen Berechnungen des Tragverhaltens unter Kopfzugbelastung mittels KS2-Proben kam es teilweise zu größeren Abweichungen. Dabei wurde festgestellt, dass sich, gerade bei dünnen Fügeteilen, die zur Verifizierung eingesetzte KS2-Probe unter Kopfzug steifer verhält als die in der Simulation benutzte rotationssymmetrische Probenform.

Zusätzlich treten bei der Simulation der Kopfzugbelastung numerische Probleme auf, die zu Unstetigkeiten im Kraft-Traversenweg-Verlauf führen können. Bei Anordnung der Fügeteile „Hart in Weich“ und „Dick in Dünn“ mit einer Blechdicke von über 1,3 mm zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Auf Grund dieser Erkenntnisse müssen die Ergebnisse der Kopfzugsimulation kritisch betrachtet werden. Die Kopfzugsimulation bietet allerdings gute Möglichkeiten für Vergleichsrechnungen.

Durchführung und Auswertung numerischer Simulationen des Clinchprozesses und der Belastung der Verbindung unter Kopfzug wird auch Benutzern ohne Kenntnisse von CAE- und Finite-Elementen-Systemen durch das entwickelte Clinchtool möglich.

Das Forschungsvorhaben „PC-gestützte Auswahl, Auslegung und Dimensionierung von Clinchwerkzeugen“ wurde unter der Fördernummer AiF 12599N 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. 201 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich

Inhalt

I Inhaltsverzeichnis
II Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Zielsetzung und Inhalt des Forschungsprojektes
3 Stand der Erkenntnisse
3.1 Clinchen
3.1.1 Verfahrenseinordnung
3.1.2 Verfahrenscharakterisierung
3.1.3 Eigenschaften von Clinchverbindungen
3.2 Numerische Berechnung des Clinchprozesses und der Verbindungscharakteristik
3.2.1 Simulation des Clinchprozesses
3.2.2 Simulation der Verbindungscharakteristik
4 Experimentelle Untersuchungen
4.1 Versuchswerkstoffe
4.2 Werkzeuggeometrien
4.3 Probenformen und -herstellung
4.3.1 Probenformen
4.3.2 Probenherstellung
4.4 Analyse des Clinchprozesses
4.4.1 Analyse der Fügekraft-Stempelweg-Verläufe
4.4.2 Analyse der Fügeelementkenngrößen
4.5 Analyse der Verbindungsfestigkeit
4.6 Ermittlung der Steifigkeit des Elastomer-Ringes des BTM-Clinchsystems
5 Numerische Simulation und Verifikation der Berechnungsergebnisse
5.1 Grundlagen zur Simulation von Clinchverbindungen
5.1.1 Lösungsalgorithmus
5.1.2 Elementtypen und Materialverhalten
5.1.3 Kontakt und Reibung
5.2 Analyse einsetzbarer Softwaresysteme
5.3 Prozesssimulation Clinchen
5.3.1 Clinchsystem TOX
5.3.1.1 Modellaufbau
5.3.1.2 Vergleich Experiment – Simulation
5.3.2 Clinchsystem BTM Tog-L-Loc
5.3.2.1 Modellaufbau
5.3.2.2 Vergleich Experiment – Simulation
5.4 Simulation der Kopfzugbelastung
5.4.1 Modellaufbau
5.4.2 Vergleich Experiment – Simulation
5.4.2.1 Ergebnisse Clinchsystem TOX
5.4.2.2 Ergebnisse Clinchsystem BTM Tog-L-Loc
5.4.2.3 Zusammenfassung und Interpretation der Ergebnisse
5.5 Simulation zur Ermittlung der Abstreiferkraft
5.6 Analyse verschiedener Einflussparameter bei der Clinchsimulation
5.6.1 Reibung
5.6.1.1 Reibung zwischen Stempel und Blech
5.6.1.2 Reibung zwischen Blech und Blech
5.6.1.3 Reibung zwischen Matrize und Blech
5.6.2 Fließkurve
5.6.2.1 Allgemeines zu den eingesetzten Fließkurven
5.6.2.2 Einfluss der Fließkurven auf das Berechnungsergebnis
5.6.3 Elementgröße
6 Anwendung und Pflege des Clinchtools
6.1 Einsatzmöglichkeiten und Geltungsbereich
6.2 Funktion und Anwendung
6.2.1 Installation und Struktur des Clinchtools
6.2.2 Anbindung des Clinchtools an ein Wissensbasiertes System für das Clinchen
6.2.3 Eingabemöglichkeiten und Starten der FE-Analyse
6.2.4 Ergebnisdarstellung
7 Zusammenfassung
8 Literatur
9 Anhang
9.1 Vergleich Prozesssimulation – Experiment
9.1.1 Clinchsystem TOX
9.1.2 Clinchsystem BTM Tog-L-Loc
9.2 Vergleich Kopfzugsimulation – Experiment
9.2.1 Clinchsystem TOX
9.2.2 Clinchsystem BTM Tog-L-Loc
9.3 Eingabe neuer Daten in das Clinchtool
9.3.1 Werkzeuggeometrien
9.3.1.1 Stempelgeometrie
9.3.1.2 Matrizengeometrie
9.3.1.3 Niederhaltergeometrie
9.3.2 Werkstoffe
10 Abbildungsverzeichnis
11 Diagrammverzeichnis
12 Tabellenverzeichnis