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EFB-Forschungsbericht Nr. 183

Verfahrenssimulation des Durchsetzfügens kaltverfestigter Aluminiumwerkstoffe zur rechnergestützten Werkzeugentwicklung

efb183

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dr.-Ing. Norbert Dölle, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn, Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Sven Bräunling, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden

214 Seiten (Sw 168, teils farbige Abb., 10 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-084-3

Preis (Digital) EUR 105,00

Preis (Print) EUR 117,70

Zusammenfassung

Auch heute noch führt die dreidimensionale Simulation des Fügeprozesses und der Belastung selbst einfacher Probengeometrien an die Grenzen üblicher Software und Hardware. Die Berechnungen erfolgten schwerpunktmäßig mit PAM CRASH und stichprobenweise mit MSC.Autoforge. Die aus einem Modellversuch gewonnenen versagensbeschreibenden Werkstoffkenngrößen der plastischen Vergleichsdehnung sind für die Fügeprozessanalyse unter bestimmten Randbedingungen anwendbar, jedoch nicht direkt auf die Belastungsanalyse übertragbar.

Die Fügeprozesssimulationen lieferten gute Übereinstimmungen mit den experimentellen Befunden hinsichtlich der maximalen Fügekraft. Bei allen Fügekombinationen und Fügesystemen wurde die Halsdicke in der Berechnung unterschätzt. Hier führt der Einsatz eines Neuvernetzungsalgorithmus zu Verbesserungen. Beim Fügesystem TOX wurde der Hinterschnitt im wesentlichen gut abgebildet. Beim Fügesystem Eckold R-DF traten bezogen auf die Halsdicke und den Hinterschnitt z. T. erhebliche Unterschiede zwischen Experiment und Simulation auf, die partiell bis zu 30% betrugen. Bei der Belastungssimulation lag eine gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Maximalkräften und dem Versagensverhalten, jedoch nicht mit den bei der Maximalkraft erreichten Wegen vor.

Anhand der Projektergebnisse wird eine Handlungsanweisung gegeben, wie Clinchprozess- und Belastungssimulationen mit Hilfe der FE-Methode durchgeführt werden können. Die im Rahmen dieses Projektes vorgestellte Methode zur Simulation des Clinchprozesses ermöglicht die rechnerische Abschätzung der Fügeelementgeometrie, der Spannungen und Verformungen in den Fügeteilen sowie der Kontaktspannungen. Die Abschätzung der Gefahr eines Halsabrisses beim Fügen ist möglich. Die Simulation der Verbindungsbelastung erlaubt die Abschätzung der Verbindungsfestigkeit und des Versagensverhaltens.

Das Forschungsvorhaben „Verfahrenssimulation des Durchsetzfügens kaltverfestigter Aluminiumwerkstoffe zur rechnergestützten Werkzeugentwicklung“ wurde unter der Fördernummer AiF. 12208BG 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. 183 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Verwendete Formelzeichen
Verwendete Abkürzungen
1. Einleitung
2. Ziel und Inhalt des Forschungsprojektes
3. Stand der Erkenntnisse
3.1. Clinchen
3.1.1. Verfahrenseinordnung
3.1.2. Verfahrensbeschreibungen
3.1.3. Eigenschaften umformtechnisch gefügter Verbindungen
3.2. Numerische Simulation von Clinchverbindungen
3.2.1. Simulation des Fügeprozesses
3.2.2. Simulation der Verbindungseigenschaften
4. Verwendete Versuchswerkstoffe, Hilfsfügeteile und Werkzeuggeometrien
4.1. Versuchswerkstoffe
4.2. Probenformen und –herstellung
4.2.1. Probe zum Einbringen der Kaltverfestigungen
4.2.2. Probe zur Untersuchung der Verbindungsfestigkeit
5. Grundlagen und mathematische Beschreibung von Werkstoffversagen
5.1. Modellbildung des Grenzverhaltens von Werkstoffen
5.1.1. Stoffgleichungen
5.1.2. Werkstoffmodelle
5.1.3. Methodische Ansätze zur Formulierung werkstoffabhängiger Gleichungen
5.1.4. Grenzverhalten bei quasistatischer Belastung
5.2. Schädigungsverlauf und Bruchmechanismen
5.2.1. Spaltbruch
5.2.2. Gleitbruch
6. Bruchkriterien zur Beschreibung der duktilen Materialtrennung
6.1. Bruchkriterien für duktiles Versagen bei Blechumformvorgängen
6.1.1. Geometrische Bruchkriterien
6.1.2. Makromechanische Bruchkriterien
6.1.3. Mikromechanische Bruchkriterien
6.2. Bruchkriterien für duktiles Versagen bei Massivumformvorgängen
6.2.1. Geometrische Bruchkriterien
6.2.2. Makromechanische Bruchkriterien
6.2.3. Mikromechanische Bruchkriterien
6.3. Anwendbarkeit der Kriterien auf die Simulation der Verfahrensgrenzen beim Clinchprozeß und der Verbindungsbelastung
7. Experimentelle Untersuchungen
7.1. Einbringen der Kaltverfestigungen
7.2. Analyse des Clinchprozesses
7.2.1. Bestimmung der Fügeteildeformationen
7.2.2. Analyse der Stempelkraft-Stempelweg-Kurven
7.2.3. Analyse der geometrischen Ausbildung des Fügeelements
7.3. Verbindungseigenschaften unter quasistatischer Belastung
7.4. Fließkurvenermittlung
7.4.1. Einleitung – Notwendigkeit der Fließkurve
7.4.2. Zugversuch:
7.4.3. Stauchversuch:
7.4.4. Auswertung
7.5. Untersuchung der tribologischen Verhältnisse
7.6. Ermittlung der Versagenskennwerte im Modellversuch
8. Numerische Untersuchungen
8.1. Grundlegendes zur Simulation des Clinchprozesses und der Verbindungsbelastung
8.1.1. Lösungsalgorithmus
8.1.2. Elementtypen und Materialverhalten
8.1.3. Kontakt und Reibung
8.1.4. Werkstofftrennung
8.2. Analyse der FEM-Systeme
8.3. Simulation des Modellversuchs
8.4. Simulation des Clinchprozesses
8.4.1. Modellaufbau für die Berechnungen mit PAM CRASH
8.4.2. Modellaufbau für die Berechnungen mit MSC.Autoforge
8.4.3. Vergleich der berechneten und der experimentell ermittelten Fügeelementausbildung für das Fügesystem TOX
8.4.4. Vergleich der berechneten und der experimentell ermittelten Fügeelementausbildung für das Fügesystem Eckold R-DF
8.4.5. Simulation des Einflusses der Reibung auf die Fügeelementausbildung am Beispiel des Fügesystems TOX
8.4.6. Simulation der Verfahrensgrenzen am Beispiel des Fügesystems TOX
8.5. Simulation der Verbindungsbelastung
8.5.1. Modellaufbau für die Berechnungen mit PAM CRASH
8.5.2. Vergleich der berechneten und der experimentell ermittelten Verbindungseigenschaften für das Fügesystem TOX
8.5.3. Vergleich der berechneten und der experimentell ermittelten Verbindungseigenschaften für das Fügesystem Eckold R-DF
9. Empfehlung zur Vorgehensweise bei der Simulation des Clinchprozesses und der Verbindungsbelastung
10. Zusammenfassung
11. Literatur
Anhang