Stöbern Sie in der
Publikationsliste »

0 Dokumente
auf der Merkliste »

EFB-Forschungsbericht Nr. 177

Entwicklung eines einstufig mechanisch gefügten Flachpunktes

efb177

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Klaus-Jürgen Matthes, Dr.-Ing. Frank Riedel, Dipl.-Ing Marcel Todtermuschke, Institut für Fertigungstechnik/Schweißtechnik der Technischen Universität Chemnitz

73 Seiten (Sw 50 Abb., 2 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-078-2

Preis (Digital) EUR 37,00

Preis (Print) EUR 41,70

Zusammenfassung

Das Clinchen hat sich seit einigen Jahren auf dem Markt etabliert. Es ist ein, im Vergleich zu anderen Fügeverfahren, sehr wirtschaftliches Verfahren. Weitere Vorteile sind u. a. die Vielfalt der fügbaren Werkstoffe und -kombinationen sowie, dass kein Wärmeintrag aus dem Prozess in die Fügeteile stattfindet. Auch eine gute Recyclingfähigkeit wird durch das Fehlen eines artfremden Werkstoffes, wie z. B. eines Verbindungselementes, begünstigt.

Neben den Vorteilen der mechanischen Fügeverfahren besteht ein Nachteil darin, dass es kein mechanisches Fügeverfahren gibt, welches einseitig vollkommen ebene Verbindungen ausbildet. Das schränkt die Anwendung dieser sehr wirtschaftlich herstellbaren Verbindungen ein, z. B. im Vergleich zu Widerstandspunktschweißverbindungen, die beidseitig nahezu ebene Oberflächen im Bereich der Verbindungen erzeugen können. Benötigt werden solche ebenen Oberflächen z. B. in Sichtbereichen von Bauteilen oder an Flächen, die noch andere funktionelle Forderungen, wie z. B. Gleiten und Dichten, erfüllen müssen. Die Entwicklung einer einseitig ebenen, mechanisch einstufig gefügten Verbindung kann das Anwendungspotential der mechanischen Fügetechnik weiter vergrößern.

Untersuchungen haben gezeigt, dass es möglich ist, neben dem für das Clinchen typischen Kraft- und Formschluss, ohne größeren fertigungstechnischen oder maschinellen Aufwand zusätzlich Stoffschluss, in Form einer Kaltpressverschweißung zu erzeugen. Dies führte zu einer Steigerung der Verbindungsfestigkeit von Clinchverbindungen.

Aufbauend auf den Erkenntnissen über die Steigerung der Verbindungsfestigkeit von Clinchverbindungen und der Technologie des Kaltpressschweißens können diese Erkenntnisse für eine Entwicklung zur Herstellung einer einseitig ebenen, einstufig mechanisch gefügten Verbindung genutzt werden. So konnte unter Verwendung eines flachen Ambosses eine solche Verbindung in einem einstufigen Prozess hergestellt werden.

Ziel des Forschungsprojektes war die systematische Untersuchung zur Fügbarkeit einer einseitig ebenen, einstufig mechanisch gefügten Verbindung. Als Untersuchungswerkstoffe wurden verschiedene Aluminiumlegierungen (Al99,5; AlMg3; AlMg4,5Mn und AlMg0,4Si1,2), mit unterschiedliche Oberflächenzuständen und in verschiedenen Blechdicken und -kombinationen (zwischen 1,0 mm und 2,0 mm) ausgewählt. Es wurde der Einfluss der typischen Kennwerte des Fügeprozesses, einschließlich der Verwendung unterschiedlichster Fügewerkzeuge, auf die mechanischen und geometrischen Eigenschaften der Flachpunktverbindungen untersucht.

Entwicklung eines einstufig, mechanisch gefügten Flachpunktes 54 Die Ergebnisse zeigen, dass zur Herstellung einer Flachpunktverbindung an Al99,5 nur geringe Anforderungen an die Oberflächenzustände gestellt werden müssen, aber bei höherfesten Werkstoffen der Oberflächenzustand ein entscheidendes Kriterium der Fügbarkeit einer Flachpunktverbindung ist. Es konnten an Al99,5 ähnliche Festigkeitseigenschaften wie an konventionellen Clinchverbindungen nachgewiesen werden. Die Verbindungsfestigkeiten an höherfesten Werkstoffen betragen dagegen nur etwa 50% bis 70% der an Clinchverbindungen erreichten Werte. Die ermittelte geometrische Abweichung der Verbindungen von der Blechebene beträgt etwa 50 μm. Bei Verbindungen an höherfesten Werkstoffen wurde vereinzelt eine Erhabenheit von max. 200 μm gegenüber der Blechebene festgestellt.

Neben unterschiedlichen Werkstofffestigkeiten wurde auch der Einfluss verschiedener Blechdicken der Fügeteile auf die Ausbildung und mechanisch-technologischen Eigenschaften der Flachpunktverbindung untersucht. Es kann zusammenfassend gesagt werden, dass alle Einzelblechdicken zwischen 1,0 mm und 2,0 mm fügbar sind. Dabei zeigte sich aber, dass mit Blechdicken zwischen 1,5 mm und 2,0 mm an weicheren Werkstoffen eine besser innere Ausbildung der Verbindung erreicht wird. Dies ist zurückzuführen auf das größere Umformvolumen bei der Herstellung der Flachpunktverbindung.
Für die Bildung von Kaltpressverschweißungen im Bodenbereich der Flachpunktverbindung ist u. a. auch das umgeformte Volumen ein wichtiges Kriterium.
Ein größeres umgeformtes Volumen bewirkt eine Erhöhung des Anteils an Kaltpressverschweißung innerhalb der Verbindung.

Untersuchungen zum Einfluss der verbleibenden Bodendicken in der Verbindung ergaben mit abnehmender Bodendicke eine Zunahme der Verbindungsfestigkeit und des Kaltpressschweißanteils, was aber zu einer Vergrößerung der erforderlichen Fügekraft führt. Aber auch auf die Ausbildung von Hinterschneidungen innerhalb der Flachpunktverbindungen hat die Bodendicke maßgeblichen Einfluss. Die Bildung von Hinterschneidungen wird mit geringer werdender Bodendicke begünstigt.

Für die Untersuchungen wurden weiterhin verschiedene Stempelformen und -geometrien entwickelt, hergestellt und erprobt. Die Untersuchungen an Al99,5 W7 zeigten, dass es möglich ist, den Werkstofffluss derart zu beeinflussen, dass auch in einseitig, ebenen Verbindungen ein Hinterschnitt erzeugt werden kann. Für diese Verbindungen ist damit der Form- und Kraftschluss charakteristisch. Die Anforderungen an den Oberflächenzustand der zu fügenden Bleche verringern sich dementsprechend.

Stichprobenartige Schwingfestigkeitsuntersuchungen an Flachpunktverbindungen zeigten, dass im Vergleich zu konventionellen Clinchverbindungen die ertragbaren Beanspruchungen von Flachpunktverbindungen unter denen konventioneller Clinchverbindungen liegen, aber die Wöhlerlinien nahezu parallel verlaufen. Damit besitzen Flachpunktverbindungen für geringere Beanspruchungen ein ähnlich gutes Dauerfestigkeitsverhalten, wie Clinchverbindungen.

Das Forschungsziel, erste systematische Untersuchungen sowohl zur Herstellungstechnologie, als auch zu den mechanisch-technologischen Eigenschaften dieser Verbindung durchzuführen, wurde erreicht. Es konnte gezeigt werden, dass einseitig ebene und in einem einstufigen mechanischen Prozess gefügte Verbindungen technisch einsetzbar sind. Verbindungen dieser Art können, statistisch abgesichert, ähnliche Festigkeitseigenschaften wie konventionelle Clinchverbindungen erreichen.
Anwendungsgebiete für Flachpunktverbindungen bieten sich zahlreich. Die Verbindungen können insbesondere an Funktionsflächen, wie Dicht- oder Gleitflächen eingesetzt werden, wofür sich weder Clinch-, Stanzniet-, noch Blindnietverbindungen eignen. Ebenso können Flachpunktverbindungen an Sichtflächen Einsatz finden, hierfür sind aber in Abhängigkeit von den gestellten Ansprüchen an die Oberfläche, z. B. Textur, weiterführende Entwicklungen notwendig.

Die untersuchten Werkstoffe und Blechdickenbereiche stellen noch nicht die technologischen Anwendungsgrenzen dar. Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes verwendete Maschinentechnik ist ursprünglich zur Herstellung von Clinchverbindungen ausgelegt. Durch eine Optimierung der Technologie hinsichtlich Maschinentechnik, Werkzeugabmessungen und Prozesssteuerung lassen sich die Grenzen der Herstellung von Flachpunktverbindungen noch stark erweitern.

Das Forschungsvorhaben „Entwicklung eines einstufig mechanisch gefügten Flachpunktes“ wurde unter der Fördernummer AiF. 12153BR 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. 177 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

0 Formelzeichen, Abkürzungen, Symbole
1 Einleitung
2 Einseitig ebene Verbindungen
3 Zielstellung des Projektes
4 Theoretische Vorbetrachtungen zur Herstellung einseitig ebener, einstufig mechanisch gefügter Verbindungen
4.1 Herstellungsprinzip
4.2 Einflussgrößen auf den Fügeprozess und die Verbindung
4.2.1 Fügewerkzeuge
4.2.1.1 Stempel
4.2.1.2 Niederhalter
4.2.1.3 Amboss
4.2.2 Fügeteilwerkstoff
4.2.2.1 Oberflächenzustand der Fügeteile
4.2.2.2 Festigkeit und Umformbarkeit der Fügeteile
5 Versuchsplanung, Versuchsdurchführung, Auswerte- und Prüfmethoden
5.1 Versuchsplanung
5.1.1 Auswahl signifikanter Einflussgrößen
5.1.2 Versuchswerkstoffe
5.1.2.1 Arten
5.1.2.2 Oberflächenzustände
5.1.3 Technologie zur Herstellung einseitig ebener, mechanisch gefügter Verbindungen
5.1.3.1 Werkzeuge
5.1.3.2 Prozessparameter
5.2 Versuchsdurchführung
5.2.1 Herstellung der Werkzeuge
5.2.2 Herstellung der Verbindungen
5.2.2.1 Probenformen
5.2.2.2 Oberflächenvorbereitung der Proben
5.2.2.3 Fügen der Proben
5.3 Auswerte- und Prüfmethoden
5.3.1 Charakterisierung des Fügeprozesses
5.3.2 Geometrische Eigenschaften der Verbindung
5.3.2.1 Sichtprüfung
5.3.2.2 Geometrische Bestimmung der Ebenheit
5.3.2.3 Innere Verbindungsausbildung
5.3.3 Mechanische Eigenschaften der Verbindung
5.3.3.1 Statische Festigkeit
5.3.3.2 Schwingfestigkeit
6 Versuchsergebnisse
6.1 Graphische Darstellung der Versuchsergebnisse
6.2 Einfluss des Fügeteilwerkstoffes
6.2.1 Oberflächenzustand
6.2.2 Werkstofffestigkeit
6.2.3 Blechdicke
6.3 Einfluss der Stempelgeometrie
6.4 Einfluss der Bodendicke
7 Auswertung der Versuchsergebnisse
7.1 Herstellbarkeit von Flachpunktverbindungen
7.2 Oberflächenzustand, Werkstofffestigkeit und Blechdicke
7.3 Stempelweg, Fügekraft und Bodendicke
7.4 Stempelgeometrie und schematischer Werkstofffluss
8 Zusammenfassung
9 Literatur
Anlage 1 Bezeichnungen und mechanische Kennwerte der Versuchswerkstoffe
Anlage 2 Technische Zeichnungen der hergestellten Stempelgeometrien