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EFB-Forschungsbericht Nr. 514

Qualifizierung des Stanzstauchnietens zum Fügen von Leichtbaustrukturen

efb514

Verfasser:
Dipl.-Ing. Thomas Grimm, Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

156 Seiten (sw, 123 teils farbige Abb., 14 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-568-8

Preis (Digital) EUR 74,00

Preis (Print) EUR 83,00

Zusammenfassung

Stanznietverfahren wie das Halbhohlstanznieten oder Vollstanznieten sind Standardtechniken zum Verbinden von Aluminium- und Stahlblechen im automobilen Multimaterialbau.

Dennoch gibt es nach wie vor verfahrensspezifisch verschiedene Herausforderungen beim mechanischen Fügen von Aluminium- und Stahlblechen sowie Magnesium- oder Aluminiumdruckgussteilen. Diese sind unter anderem das Fügen spröder Werkstoffe, die verzögerte Rissbildung hochfester Aluminiumwerkstoffe, das Fügen dünner Materialstärken sowie die Butzenabfuhr und Bauteildeformation speziell beim Fügen höchstfester Stahlwerkstoffe.

Eine neue Methode, diese Materialien zuverlässig und qualitativ hochwertig zu fügen, ist das Stanzstauchnieten. Wesentliche Vorteile dieses Verfahrens sind unter anderem die Möglichkeit der beidseitigen Bündigkeit der Verbindung, die Flexibilität des Prozesses in Bezug auf die Fügerichtung sowie eine geringere Umformung der Fügeteile. Dieses Verfahren bedingt jedoch die Realisierung eines zweistufigen Fügeprozesses.

Auf der Grundlage konventioneller Vollstanznietbemusterungen wurden Simulationsmodelle aufgebaut und validiert. Anschließend wurden mithilfe von verschiedenen numerischen Sensitivitäts- und Prozessanalysen signifikante Einflussgrößen und Konstruktionsparameter für das Stanzstauchnieten ermittelt.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen sind folglich experimentelle Fügeverbindungen erzeugt, quasistatische und zyklische Festigkeitskennwerte mit und ohne Klebstoffeinsatz ermittelt, sowie die Klebstofftaschenbildung und Bauteildeformation analysiert worden. Die Ergebnisse zeigen deutlich das Potenzial des Verfahrens in Bezug auf Verbindungsqualität und Festigkeit.
Die Projektziele wurden erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Qualifizierung des Stanzstauchnietens zum Fügen von Leichtbaustrukturen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19249BR 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. 514 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Self-pierce riveting with semi-tubular rivets and self-pierce riveting with solid rivets are standard techniques for joining aluminum and steel sheets in automotive multi-material construction.

Nevertheless, there are still various process-specific challenges in the mechanical joining of aluminum and steel sheets as well as magnesium or aluminum die-cast parts. These include joining brittle materials with limited ductility, delayed cracking of high-strength aluminum materials, joining of thin material thicknesses, and slug removal and component deformation, especially when joining high-strength steel materials.

Self-pierce riveting with solid formable rivet is a new method of joining these materials reliably and with high quality. The main advantages of this process include the possibility of double-sided flatness of joint, the flexibility of the process with regard to the joining direction and reduced forming of the parts to be joined. But this process requires the realization of a two-stage joining process.

Now on the basis of conventional self-pierce riveting with solid rivet simulation models were developed and validated. After that, various numerical sensitivity and process analyses were used to determine significant influencing variables and design parameters for self-pierce riveting with formable rivet.

Based on these results, experimental joining joints were produced, quasi-static shear and top tensile strengths as well as dynamic shear tensile strength values with and without adhesive were determined, and the formation of adhesive pockets and component deformation were analyzed. The results clearly show the potential of the process in terms of joint quality and strength.
The project objectives were achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Halbhohlstanznieten
2.2 Vollstanznieten
2.3 Kombinierte Fügeverfahren
2.4 Herausforderungen der mechanischen Fügetechnik
2.4.1 Stanznieten spröder Werkstoffe
2.4.2 Stanznieten in Fügerichtung „weich in hart"
2.4.3 Stanznieten dünner Bleche
2.5 Stanzstauchnieten
2.5.1 Patentsituation und ähnliche Fügeverfahren
2.6 FEM in der mechanischen Fügetechnik
2.7 Prozessanalyse mithilfe statistischer Versuchsplanung – Sensitivitätsanalyse und Metamodellbildung
3 Problemstellung, Zielstellung und Methodik
4 Technologische Vorbetrachtungen
4.1 Fügewerkstoffe und -kombinationen
4.2 Fügeprozessparameter – Vollstanznieten
4.3 Fügeprozessparameter – Stanzstauchnieten
4.4 Nietwerkstoffe
4.5 Hybridfügen
4.6 Numerische Simulation und Nietentwicklung
4.6.1 Simulationsmodelle
4.6.2 Numerische Sensitivitätsanalysen
4.7 Versuchsstand – Fügeeinrichtung
4.8 Prüfmethoden und Anlagen
5 Nietentwicklung
5.1 Referenzverfahren Vollstanznieten
5.2 Untersuchung der Nietgeometrieparameter beim freien und lokal begrenzten Stauchen
5.3 Untersuchung der Nietparameter beim Stauchprozess unter Einsatz von unterschiedlichen Blechwerkstoffeigenschaften
5.4 Untersuchung der Nietgeometrie- und Nietfließkurvenparameter beim Stauchprozess unter Einsatz von Blechwerkstoffeigenschaften
5.5 Nietauslegung
6 Bemusterung des Stanzstauchnietens und Vergleich zum Referenzverfahren Vollstanznieten
6.1 Konventionelles Stanzstauchnieten
6.2 Stanzstauchnietkleben – Hybridfügen
6.3 Einfluss der Allgemeintoleranzen einer Fertigung auf die Fügepunktausbildung
7 Bauteildeformation und Klebstofftaschenbildung
7.1 Bauteildeformation
7.2 Klebstofftaschenbildung
8 Untersuchung der Verbindungsfestigkeiten
8.1 Quasistatische Verbindungsfestigkeit
8.2 Zyklische Verbindungsfestigkeit
9 Anlagenkonzepte
10 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
11 Ergebnisse und Ausblick
11.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU, innovativer Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeit
12 Literatur
13 Anlagen