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EFB-Forschungsbericht Nr. 537

Innovative Mischbauweisen mit dünnwandigen Aluminiumdruckguss-Strukturen mittels Bolzensetzen und fließlochformenden Schrauben

efb537

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Stefan Neumann, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn - Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, M. Sc. Andreas Fromm, Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover

160 Seiten (sw, 116 teils farbige Abb., 27 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-593-0

Preis (Digital) EUR 72,00

Preis (Print) EUR 90,00

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine Methodik entwickelt, die es ermöglicht, Fügestellen von Aluminiumdruckgussstrukturen qualitativ zu bewerten. Die Bewertung erfolgte in Abhängigkeit verschiedener Steifigkeitssituationen, welche über verschiedene Matrizendurchmesser eingestellt wurden. Mittels dem Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen und dem fließlochformenden Schrauben erfolgten zunächst Vorversuche an Aluminiumstrangpresslegierungen.

Dabei wurde durch die Bewertung von Klebverbindungsbruchflächen sowie die Ermittlung von Prozessfenstergrößen ein deutlicher Steifigkeitseinfluss für das Bolzensetzen nachgewiesen. Zur Übertragung der Erkenntnisse wurde ein bauteilähnlicher Prüfkörper entwickelt, welcher gieß- und fügetechnische Anforderungen berücksichtigt.

Mittels einer Gießprozesssimulation wurden Geometrieanpassungen vorgenommen und schließlich ein Druckgusswerkzeug konstruiert. Dieses Werkzeug ermöglichte den Abguss von Bauteilen in der entwickelten Probenform.

Auf Basis des Musterbauteils wurde ein Ersatzmodel entwickelt, mit dessen Hilfe Deformationen und Spaltbildungen infolge von einseitigen Fügeverfahren – speziell das Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen – abgeschätzt werden können. Dazu wurde ein bereits bestehendes Modell an die neu gewonnenen Erkenntnisse angepasst.

Im nächsten Schritt war zunächst die Ermittlung von Materialparametern für die Fügeprozesssimulation notwendig. Nachfolgend wurden Methodiken zur Bewertung der Fügestellensteifigkeit an ebenen Bauteilen auf die reale Struktur übertragen. Es konnte gezeigt werden, dass bei gleicher Fügestellensteifigkeit identische Prozessfenstergrößen erzielt werden.

Abschließend wurde der Einfluss von serienbedingten Störgrößen am Musterbauteil aufgezeigt. Für das fließlochformende Schrauben wurde, infolge eines geringen Einflusses der Fügestellensteifigkeit, die Fügeeignung von Druckgusswerkstoffen in Abhängigkeit von der Schraubengeometrie und Schraubparametern dargestellt.

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Innovative Mischbauweisen mit dünnwandigen Aluminiumdruckguss-Strukturen mittels Bolzensetzen und fließlochformenden Schrauben" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19247N 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. 537 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Within the framework of the research project, a methodology was developed that allows the qualitative evaluation of joints in die-cast aluminum structures. The evaluation was carried out in dependence of different stiffness situations, which were adjusted over different die diameters. Initially, preliminary tests on aluminum extrusion alloys were carried out using high-speed bolt setting and flow hole forming bolts. The evaluation of bonded joint fracture surfaces and the determination of process window sizes proved a clear stiffness influence for bolt setting.

To transfer the findings, a component-like test specimen was developed, which takes into account casting and joining technology requirements. By means of a casting process simulation, geometry adjustments were made and finally a die-casting tool was designed. This tool made it possible to cast components in the developed specimen mould.

On the basis of the sample component, a substitute model was developed, with the help of which deformations and gap formations as a result of one-sided joining processes - especially high-speed bolting - can be estimated.

For this purpose an already existing model was adapted to the newly gained knowledge. In the next step, it was first necessary to determine material parameters for the joining process simulation. Subsequently, methods for the evaluation of the joint stiffness on plane components were transferred tothe real structure. It could be shown that identical process window sizes are achieved with the same joint stiffness. Finally, the influence of series-related disturbance variables on the sample component was shown. For the flow punch forming screw, the suitability of die casting materials for joining was shown as a function of the screw geometry and screwing parameters, due to the low influence of joint stiffness.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Aluminiumguss
2.1.1 Sandgussverfahren
2.1.2 Kokillenguss
2.1.3 Druckguss
2.2 Fügetechnologien
2.2.1 Direktverschrauben
2.2.2 Bolzensetzen
2.2.3 Hybridfügen
2.2.4 Mechanisches Fügen von Gusslegierungen
2.2.5 Vorbetrachtungen zum Steifigkeitseinfluss auf die Verbindungsqualität des Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen
3 Versuchsrandbedingungen
3.1 Versuchswerkstoffe
3.1.1 EN AC-AlSi10MnMg (Silafont-36)
3.1.2 EN AC-AlSi9Mn
3.1.3 EN AW-6060 (AlMgSi)
3.1.4 EN AW-6016 (AlSi1,4Mg0,4)
3.1.5 Mikrolegierter Feinkornstahl HC340LA
3.1.6 Dualphasenstahl HCT600X (DP 600)
3.2 Versuchsanlagen
3.2.1 Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzeinrichtung
3.2.2 Fließlochschraubeinrichtung
3.2.3 Universalprüfmaschine Zwick Z100, Z1484 und Z1486
3.2.4 Klebstoffapplikationsportal
3.2.5 DAK 350-40
3.2.6 Robamat Thermocast 4212
3.2.7 Xradia 520 Versa
3.2.8 Aluminium Vakuum Dosiereinheit (AVD)
3.2.9 ProVac PLC-350
3.3 Hilfsfügeteile und Klebstoff
3.3.1 RIVTAC® Setzbolzen
3.3.2 Arnold Flowform®
3.3.3 Klebstoff BETAMATE™ 1630
3.4 Probekörper
3.4.1 Scherzugprobe
3.4.2 Einpunktprobe
3.4.3 Schälzugprobe
3.4.4 Kopfzugprobe
3.4.5 Flachzugprobe
3.4.6 Stabprobe
4 Experimentelle Voruntersuchungen an ebenen Bauteilen
4.1 Herstellung von Gussplatten
4.2 Charakterisierung der Druckgussplatten
4.3 Definition der statischen Steifigkeit
4.4 Analytisch berechnete Plattensteifigkeit
4.5 Experimentell ermittelte Plattensteifigkeit
4.6 Ermittlung der Prozessfenstergrößen in Abhängigkeit der Fügestellensteifigkeit beim Fügen mittels Bolzensetzen
4.6.1 Vorversuche zur Ermittlung des Steifigkeitseinflusses an Strangpressprofilen
4.6.2 Prozessfenstergrößen EN AC-AlSi9Mn
4.6.3 Prozessfenstergrößen EN AC-AlSi10MnMg
4.7 Einflussdarstellung der Fügestellensteifigkeit auf die Klebschichtausbildung beim Fügen mittels Bolzensetzen
4.8 Einflussdarstellung der Fügestellensteifigkeit beim Fügen mittels fließlochformenden Schrauben
4.8.1 Einfluss der Fügestellensteifigkeit auf die Deformations- und Spaltausbildung
4.8.2 Klebschichtausbildung in Abhängigkeit der Fügestellensteifigkeit
5 Werkstoffcharakterisierung für die Fügeprozesssimulation
6 Entwicklung eines bauteilähnlichen Prüfkörpers
6.1 Definition der Anforderungen
6.2 Entwicklung der Basisgeometrie
6.3 Anordnung der Verstärkungsrippen mittels FEM-Simulation
6.3.1 Anordnung der Verstärkungsrippen
6.3.2 Werkstoffeigenschaften
6.3.3 Lagerbedingungen
6.3.4 Krafteinleitung
6.3.5 Vernetzungsparameter
6.3.6 Analyse des Simulationsergebnisses und dessen Verarbeitung
6.4 Herstellung des Druckgusswerkzeugs
6.4.1 Gießsimulation
6.4.2 Kennwertermittlung
7 Entwicklung eines 3D-Prozesssimulationsmodells
7.1 Modellaufbau
7.1.1 Geometrie und Vernetzung
7.1.2 Modelllagerung
7.1.3 Kontaktbedingungen
7.1.4 Materialmodelle
7.2 Verifizierung des Modells durch experimentelle Voruntersuchungen
7.2.1 Ermittlung der Steifigkeit
7.2.2 Simulation zur Steifigkeitsuntersuchungen
7.2.3 Anpassung des Ersatzmodells für die Deformations- und Spaltbildungsanalyse
7.3 Validierung des Ersatzmodells über die Deformations- und Spaltbildungsanalyse
7.3.1 Ableitung einer Ersatzprozessgröße aus den experimentellen Fügeuntersuchungen
7.3.2 Deformationsanalyse mittels experimenteller und simulativer Überprüfung
7.3.3 Spaltbildung
8 Ermittlung von Prozessfenstern unter idealen Randbedingungen am Prüfkörper
9 Auswirkungen von serienbedingten Störgrößen
9.1 Einflussdarstellung von serienbedingten Störgrößen auf das Bolzensetzen
9.2 Untersuchung der Fügeeignung von Druckgusswerkstoffen FLS
10 Ergebnisse und Ausblick
10.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
11 Literaturverzeichnis
11.1 Normen und Richtlinien