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EFB-Forschungsbericht Nr. 182

Eignung des Durchsetzfügens zum Erzeugen von Mehrblechverbindungen

efb182

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Carsten Bye Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn, Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Jan Kalich, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden

208 Seiten (sw 160, teils farbige Abb., 32 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-083-6

Preis (Digital) EUR 101,00

Preis (Print) EUR 113,40

Zusammenfassung

Die Untersuchung der Eignung verschiedener Clinchsysteme zum Verbinden von unterschiedlichen Stahl- und Aluminium-drei-Blechanordnungen war Ziel dieses Forschungsvorhabens. Bei der Auswahl der zu untersuchenden Werkstoffkombinationen wurden bewusst kritische Werkstoffanordnungen ausgewählt, um die Grenzen der eingesetzten Clinchverfahren zu ermitteln. Bei den Untersuchungen kamen ausschließlich einstufige Clinchverfahren zum Einsatz.

Nichtschneidende verfahren wie das Tox Clinchen, das Eckold-R-Clinchen und das Tog-L-Loc® Clinchen wurden ebenso wie das schneidende Clinchverfahren Lance-N-Loc® untersucht.

Nach den Festigkeitsuntersuchungen unter Scher- und Schälzugbelastung, erfolgte für ausgewählte Werkstoffkombinationen eine Untersuchung unter quasistatischer und zyklischer Belastung bei definierter Vorgabe der Lasteinleitungswinkel.

Bei allen Untersuchungen wurde der Besonderheit der unterschiedlichen Lasteinleitungsvarianten für Mehrblechverbindungen durch in geeigneter Weise modifizierten Proben Rechnung getragen / berücksichtigt. Sowohl unter quasistatischer als auch unter zyklischer Belastung zeigten sich die besonderen Eigenschaften bzgl. Des Tragverhaltens von Dreiblechverbindungen. Abhängig von den jeweiligen Blechlagen, in die die primäre Lasteinleitung erfolgte, wurden unterschiedliche Verbindungsfestigkeiten für die untersuchten Mehrblechverbindungen ermittelt.

Alle im Rahmen des Projektes untersuchten Clinchverfahren zeigen, dass sie sich bei Berücksichtigung von Gestaltungsempfehlungen für die Anordnung der Fügeteile, grundsätzlich für das Verbinden ungleicher Blechdicken unterschiedlicher Werkstofffestigkeiten in Dreiblechanordnung eignen.

Bei den untersuchten nichtschneidenden Clinchverfahren wurde bei der Auswahl der Werkstoff- und Blechdickenkombinationen der Ermittlung verfahrenstechnischer Grenzen Rechnung getragen. Für die hier untersuchten nichtschneidenden Clinchverfahren war die Anordnung der Blechdicken und bei heterogenen Werkstoffverbindungen auch die Anordnung der Werkstoffe unterschiedlicher Festigkeiten für die Herstellbarkeit von Verbindungen zufrieden stellender Tragfähigkeit von entscheidender Bedeutung. Aufgrund der notwendigen großen Durchsetztiefe des Stempels zur Ausbildung der Hinterschnitte kam es gerade bei dünnen stempelseitigen Blechlagen zum Werkstoffversagen beim Fügevorgang, dem so genannten Halsabriss. Hatte der stempelseitig angeordnete Werkstoff bei der gewählten Werkzeugkombination nicht das zur Verbindungsherstellung notwendige Umformvermögen, kam es während des Fügevorganges ebenfalls zum stempelseitigen Werkstoffversagen.

Das untersuchte schneidende Clinchverfahren mit balkenförmiger Fügeelementausbildung verhielt sich bzgl. der zu verbindenden Werkstoffe und Blechdicken, bzw. deren Anordnung zueinander, toleranter als die untersuchten nichtschneidenden Clinchverfahren. Für alle untersuchten Werkstoff- und Blechdickenkombinationen wurden während der Projektbearbeitung zufrieden stellende Festigkeiten ermittelt. Gilt es allerdings die vorhandenen Werkstofffestigkeiten der Fügeteilpartner in entsprechende Verbindungsfestigkeiten zu übertragen, sollte auch für das schneidende Clinchen den getroffenen Gestaltungsempfehlungen zur Anordnung der einzelnen Blechlagen zueinander entsprochen werden. Bei den Untersuchungen unter quasistatischer und unter zyklischer Belastung war unter einem Lasteinleitungswinkel von 0° der Einschnitt, der während der Verbindungsherstellung erzeugt wird, Ursache für das Versagen der Clinchverbindung.

Aufgrund der Untersuchungsergebnisse wurden nach deren Auswertung in einem gesonderten Kapitel Gestaltungsempfehlungen für den Einsatz der untersuchten Clinchverfahren zum Verbinden von Mehrblechverbindungen formuliert. Parameter wie die Lasteinleitungsvariante, der Lasteinleitungswinkel , das Verhältnis der Einzel- zur Gesamtblechdicke des Mehrblechverbundes und die Werkstofffestigkeiten werden dort erläutert und in ihrem Einfluss auf die Verbindungsfestigkeit bewertet. Die Ergebnisse können direkt in allen Bereichen der Clinchtechnologie verwendet werden. Sowohl die Herstellerhäuser von Clinchwerkzeugen und Clincheinrichtungen als auch die Anwender der Clinchtechnologie aus Handwerk und Industrie können die Ergebnisse direkt umsetzen.

Das Forschungsvorhaben „Eignung des Durchsetzfügens zum Erzeugen von Mehrblechverbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF. 12204BG 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. 182 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Inhaltsverzeichnis
2 Abkürzungen und Formelzeichen
3 Einleitung (LWF)
4 Zielsetzung des Forschungsprojektes (LWF)
5 Stand der Technik (LWF)
6 Versuchs- und Prüfbedingungen
6.1 Fügeteilwerkstoffe (IPT/LWF)
6.2 Clinchverfahren (LWF)
6.2.1 Einstufig nichtschneidende Clinchverfahren
6.2.2 Einstufig schneidende Clinchverfahren
6.3 Probenformen und Probenfertigung (LWF)
6.3.1 Probengeometrien für quasistatische Scher- und Schälzugbelastung26
6.3.2 Probengeometrien zur Untersuchung unter verschiedenen Lasteinleitungswinkeln
6.3.3 Probenvorbehandlung
6.3.4 Probenfertigung
6.4 Prüfverfahren und Prüfeinrichtungen (LWF)
6.4.1 Metallographische Untersuchungen
6.4.2 Prüfung unter quasistatischer Belastung
6.4.3 Prüfung unter zyklischer Belastung
7 Untersuchungen unter quasistatischer Belastung (LWF)
7.1 Festigkeitsuntersuchungen der Stahlwerkstoffkombinationen
7.1.1 Ergebnisse unter Scher- und Schälzugbelastung
7.1.2 Ergebnisse unter verschiedenen Lasteinleitungswinkeln
7.2 Festigkeitsuntersuchungen der Aluminiumwerkstoffkombinationen
7.2.1 Ergebnisse unter Scher- und Schälzugbelastung
7.2.2 Ergebnisse unter verschiedenen Lasteinleitungswinkeln
8 Untersuchungen unter zyklischer Belastung bei unterschiedlichen Lasteinleitungswinkeln (LWF)
8.1 Ergebnisse der Stahlmehrblechverbindungen
8.1.1 Einstufig nichtschneidende Clinchverfahren
8.1.2 Einstufig schneidende Clinchverfahren
8.2 Ergebnisse der Aluminiummehrblechverbindungen
8.2.1 Einstufig nichtschneidende Clinchverfahren
8.2.2 Einstufig schneidende Clinchverfahren
9 Besonderheiten zum Werkstofffließverhalten beim Clinchen von Mehrblechverbindungen (IPT)
9.1 Stahlwerkstoffe
9.1.1 Vergleich zweilagig / dreilagig
9.1.2 Einfluß Oberflächenzustand
9.1.3 Fügeergebnis bei Umkehr der Fügerichtung
9.2 Aluminiumwerkstoffe
9.2.1 Vergleich zweilagig / dreilagig
9.2.2 Betrachtungen zum Kaltverschweißen
9.3 Theoretische Betrachtungen zur Stempelgestaltung
10 Werkzeugmodifikationen und Variation der Verfahrensparameter zum Optimierten Verbinden von Mehrblechverbindungen (IPT)
11 Zusammenfassung und Ausblick
12 Gestaltungsempfehlungen für das Clinchen von Mehrblechverbindungen
13 Literaturverzeichnis
Anhang