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EFB-Forschungsbericht Nr. 143

Kennwertermittlung an selbst stanzenden Funktionselementen sowie Niet-/ Einpressmuttern und -bolzen

EFB143.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Jörg Jendrny, Werkstoff- und Fügetechnik der Universität-Gesamthochschule Paderborn, Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Voelkner, Dipl.-Ing. Monika Timm, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden

197 Seiten (Sw 224 Abb., 73 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-140-6

Preis (Digital) EUR 88,00

Preis (Print) EUR 98,40

Zusammenfassung

Aufgrund der zunehmenden Verwendung von Funktionselementen zur Herstellung von lösbaren Dünnblech- und Bauteilverbindungen mittels Gewinden gewinnt diese Fügetechnologie im Rahmen der Blechteilefertigung eine immer größere Bedeutung. Zur Zeit existieren für das Fügen mit Funktionselementen jedoch noch keine einheitlichen Prüfmethoden. Bisher sind sowohl die verwendeten Probengeometrien als auch die verfolgten Prüfkonzepte zur Ermittlung von Festigkeiten, Steifigkeiten und Verfahrensgrenzen abhängig vom jeweiligen Systemhersteller bzw . Kunden, die aufgrund fehlender Standards zur experimentellen Kennwertermittlung jeweils eigene Werksnormen entwickelt haben.

Um eine sinnvolle Ausgangsbasis für eine einheitliche Ermittlung der qualitätsrelevanten Größen zu schaffen, war es nötig, eine Analyse des Iststandes bezüglich Kennwertermittlung vorzunehmen und hieraus Anforderun-gen an die Prüfung von Funktionselementen zu definieren. Insbesondere wurde durch Vereinheitlichung von Prüfungsrandbedingungen ein Konzept zur Kennwertermittlung für die Anbindung des Funktionselementes an das Bauteil, sowie der montierten Verbindung entwickelt.

Durch die Erstellung einer Kennwertmatrix am Beispiel repräsentativer Funktionselemente konnten die Einsatzmöglichkeiten und die Beanspruchbarkeit der einzelnen Systeme aufgezeigt werden. Die Auswahl der untersuchten Funktionselemente, der Blechwerkstoffe und der Fügeteilkombinationen wurde von den ForschungsteIlen und den beteiligten Industriepartnern gemeinsam durchgeführt.

Für die Prüfung des Durchzug- und Auszugwiderstandes, für einen Scherzugversuch und für die Verdrehfestigkeitsprüfung wurden einheitliche Versuchsrandbedingungen sowie die Versuchsdurchführung in Abhängigkeit vom Gewindeinnendurchmesser definiert und für verschiedene Kombinationen der untersuchten Blechwerkstoffe und Funktionselemente angewendet. Geprüft wurden Funktionselemente in den Gewindegrößen M6, M8 und MI0 in Kombination mit den Stahlwerkstoffen DC04+ZE und H340+ZE in einer Blechdicke von 1,5 mm und den Aluminiumwerkstoffen AIMgO.8SiO.9 und AIMg5Mn in einer Blechdicke von 2 mm. Schwerpunkt der Untersuchungen waren Funktionselemente in der Gewindegröße M8 in Kombination mit den Blechwerkstoffen DC04+ZE und AIMgO,.8SiO.9. Die Untersuchungsergebnisse der quasistatischen Prüfung wurden zusammengefaßt und ein Kennwertkatalog erstellt.

Für die Schwingfestigkeitsprüfung von Funktionselementen wurden in Abhängigkeit vom Blechwerkstoff zwei geometrisch ähnliche und steife Einelementproben definiert und fllr die untersuchten Fügeverfahren auf ihre Anwendbarkeit hin geprüft. Da es bei der Prüfung mit der LWF-KS-II Probe zu einem Mischversagen der Verschraubungselemente kam, je nach Lasthorizont knöpfte das Funktionselement oder die Mutter/Schraube aus dem Blech aus, wurden ergänzend Prüfungen mit nur einer Hälfte der LWF-KS-II-Probe durchgeführt.

Hierzu wurde diese Hälfte der LWF-KS-II-Probe mit einem starren Gegenpart verschraubt und eingespannt. Im Rahmen der Untersuchungen zum Einfluß einer korrosiven Belastung auf die Qualitätsmerkmale von gefügten Funktionselementverbindungen wurden diese einer korrosiven Belastung nach DIN 50 021-SS für die Dauer von 196 Stunden ausgesetzt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, das sich bei der Prüfung der Verdrehfestigkeit korrrodierter Funktionselemente kein signifikanter Unterschied in der Verdrehfestigkeit zu unkorrodierten Funktionselementverbindungen für die untersuchten Funktionselemente zeigt.

Im Rahmen der Untersuchungen konnte insgesamt aufgezeigt werden, daß das Fügen mit Funktionselementen sowohl ft1r quasistatisch als auch für schwingend belastete Bauteile aus Stahl- und Aluminiumwerkstoffen ein hohes Innovationspotential aufweist. Die gemeinsam mit der Industrie entwickelte Prüfsystematik bietet die Basis ft1r eine Vergleichbarkeit unterschiedlicher Funktionselementverbindungen sowie deren praxisgerechten Auswahl und Anwendung.

Das Forschungsvorhaben „Kennwertermittlung an selbststanzenden Funktionselementen sowie Niet-/ Einpressmuttern und -bolzen“ wurde unter der Fördernummer AiF 10895B 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. 143 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen
1 Einleitung
2 Stand der Technik und gegenwärtige Vorgehensweise bei der Kennwertermittlung
2.1 Begriffe, Einteilung
2.2 Stand der Technik
2.2.1 Verfahrenscharakterisierung
2.2.2 Einstufige Fügeverfahren
2.2.3 Mehrstufige Fügeverfahren
2.3 Kennwertermittlung
3 Zielsetzung
4 Versuchswerkstoffe und Versuchseinrichtungen
4.1 Versuchswerkstoffe
4.2 Versuchseinrichtungen, Probengeametrien und Kennwertermittlung
4.2.1 Kennwertermittlung unter quasistatischer Belastung
4.2.2 Schwingfestigkeitsprüfung
4.2.3 Korrosionsbeaufschlagung
4.2.4 Metallographische Untersuchungen
5 Funktionselemente
5.1 Einstufige Verfahren
5.1.1 Stanzn1utter PIAS
5.1.2 Stanzn1utter RSU
5.1.3 Stanzbolzen SBF
5.2 Zweistufige Verfahren
5.2.1 Nietmutter Anchor
5.2.2 Nietbolzen SBK
5.2.3 Einpreßmutter Clifa
5.2.4 Einpreßmutter Captive
5.2.5 Einpreßbolzen Clifa
5.2.6 Einpreßbolzen EBF
6 Festigkeitskennwerte unter quasistatischer Belastung
6.1 Auszugswiderstand
6.2 Verdrehfestigkeit
6.3 Durchzugswiderstand
6.4 Scherzugwiderstand
6.5 Einfluß des Auflagerdurchmessers
7 Kennwertermittlung unter schwingender Belastung
7.1 Untersuchungen an LWF-KS II Proben
7.1.1 Einstufige Verfahren
7.1.2 Mehrstufige Verfahren
7.2 Untersuchungen an L WF-KS II Probenhälften
7.2.1 Einstufige Verfahren
7.2.2 Mehrstufige Verfahren
8 Einfluß einer korrosiven Belastung auf die Qualitätsmerkmale von gefügten Funktionselementen
9 Zusammenfassung
10 Literatur
Anhang
Al: Festigkeitskennwerte unter quasistatischer Belastung
A2: Darstellung der Ergebnisse aus den Schwingfestigkeitsuntersuchungenan KS-IIProben unter den Belastungsrichtungen 0°, 45° und 90°
A3: Darstellung der Ergebnisse aus den Schwingfestigkeitsuntersuchungenan KS-IIProbenhälften unter den Belastungsrichtungen 0°, 45° und 90°
A4: Zusammenfassende darstellung der Ergebnisse aus den Schwingfestigkeitsuntersuchungen an KS-II-Proben und Probenhälften unter den Belastungsrichtungen 0°, 45°und 90°