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EFB-Forschungsbericht Nr. 329

Vorbereitung des matrizenlosen Clinchens für den Praxiseinsatz

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing.(FH) Markus Israel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Chemnitz

120 Seiten (sw, 87 teils farbige Abb., 7 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-366-0

Preis (Digital) EUR 61,00

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Das Clinchen ohne konturierte Matrize stellt eine für industrielle Anwendungen lukrative Verfahrensvariante der Clinchtechnologie dar, welche durch wenige Anpassungen leicht an bestehende Aufnahmen und Systeme für Clinchwerkzeuge adaptierbar ist. Aufgrund der Substitution einer konturierten oder mehrteiligen Matrize durch einen flachen Amboss können spezifische Vorteile gegenüber konventionellen Verfahrensvarianten erzielt werden.

Hierzu sind ein universeller Werkzeugeinsatz, geringere Anforderungen an die Koaxialität von Stempel und Matrize, die prinzipielle Vermeidung von Matrizenbruch und Verklemmung der erzeugten Verbindung in der Matrize sowie eine gute Eignung für Clinchkleben und das Verbinden matrizenseitig spröder Werkstoffe zu nennen.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen zugleich auch die Grenzen des Verfahrens auf. So existiert ein im Vergleich zum konventionellen Clinchen eingeschränkter Applikationsbereich hinsichtlich der Blechdicken und Werkstoffkombinationen. Das Fügen von weniger festen in festere Werkstoffe und/oder das Fügen von dicken Blechen in dünne Bleche ist mit dem matrizenlosen Clinchen nur eingeschränkt oder überhaupt nicht möglich. Durch das Fehlen einer Matrizengravur muss zudem die Bodendicke im Vergleich zum konventionellen Clinchen stärker reduziert werden, um die geforderten Hinterschnittwerte zu erzielen. Dies bedingt eine vergleichsweise stärkere Beanspruchung der Werkzeuge und größere Prozesskräfte. Sehr kleine Flanschbreiten können mit dem Matrizenlosen Clinchen nicht prozesssicher gefügt werden.

Im Vergleich mit dem konventionellen Clinchen werden die spezifischen Vor- und Nachteile der Technologie deutlich. Die geometrische Ausprägung unterscheidet sich vor allem hinsichtlich der Hinterschnittausbildung, der ambossseitigen Bodendicke und der Punkthöhe von Verbindungen konventioneller Clinchwerkzeuge. Die Auswirkung dieser Unterschiede in der Punktausprägung auf die Festigkeit ist stark von der Belastungsrichtung abhängig. Vergleichbaren oder zum Teil höheren ertragbaren Kräften matrizenlos geclinchter Verbindungen bei Scherzugbelastung stehen deutlich geringere Kräfte bei Schälbelastung gegenüber.

Neben der Abgrenzung relevanter Einsatzgebiete konnte durch die umfangreichen numerischen Simulationen, zusammen mit der experimentellen Verifizierung, ein breites Prozessverständnis beim matrizenlosen Clinchen generiert werden. Die Einflüsse verschiedener Prozessparameter auf die Fügepunktausprägung sind an exemplarischen Fügeverbindungen qualitativ erarbeitet worden. Demnach sind vor allem die Wahl eines geeigneten Stempeldurchmessers, Niederhalteranschlages und der Niederhalterkraft relevant für eine gute Fügepunktausprägung.

Ein wesentliches Ergebnis des Projektes ist die Evaluierung der Prozesssensitivität, also der Beeinflussung der Fügepunktausprägung durch schwankende Prozessparameter. Im Serienprozess unterliegen vor allem die Bleche herstellbedingten Schwankungen zuzüglich eventueller Werkstoffveränderungen durch dem Fügen vorgelagerte Umformprozesse. Der Einfluss dieser und weiterer Prozessparameter auf die Ausbildung des Fügepunktes wurde herausgearbeitet. Im Ergebnis kann festgehalten werden, dass vor allem die Schwankung der Blechdicke eine signifikante Beeinflussung der Punktqualität bewirkt. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Vorbereitung des matrizenlosen Clinchens für den Praxiseinsatz“ wurde unter der Fördernummer AiF 16122BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 329 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Formelverzeichnis
Kurzzeichenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1Einleitung
2Stand der Technik
2.1Begriffe und Definitionen
2.2Clinchen mit Formmatrize
2.2.1Clinchen mit starrer Matrize
2.2.2Clinchen mit geteilter Matrize
2.3Clinchen mit flachem Amboss
2.3.1Flachpunktclinchen
2.3.2Matrizenloses Clinchen
3Problemstellung und Zielsetzung
3.1Beschränkungen und Optimierungspotential beim konventionellen Clinchen
3.2Kenntnisstand beim Clinchen mit flachem Amboss
3.3Angestrebte Forschungsergebnisse und Vorgehensweise
4Parameterstudie beim matrizenlosen Clinchen mit Niederhalteranschlag
4.1Parameterdefinition
4.1.1Prozessparameter
4.1.2Ergebnisgrößen
4.2Aufbau des FEM-Modelles
4.3Parameterwahl
4.3.1Niederhalterkonfiguration
4.3.2Bodendicke
4.3.3Stempelgeometrie
4.4Vollfaktorielle Parameteruntersuchung
4.4.1Parameterwahl für die vollfaktorielle Betrachtung
4.4.2Paarung DC04 (1,0 mm) + AlMg3 (1,5 mm)
4.4.3Paarung AlMg3 (1,5 mm) + AlMg3 (1,5 mm)
4.4.4Paarung AlMg4.5Mn (1,0 mm) + AlMg4.5Mn (2,0 mm)
4.5Einfluss weiterer Prozessparameter
4.6Auswertung der Parameterstudien
4.7Lösungsfelder
5Prozesssensitivität
5.1Blechdicken
5.2Werkstofffestigkeit
5.3Werkstoff-Vorverfestigung
5.4Randabstand
5.5Klebstoffeinsatz
6Vergleich mit dem konventionellen Clinchen
6.1Parametervergleich
6.2Festigkeitsvergleich
6.2.1Festigkeit bei quasistatischer Belastung
6.2.2Festigkeit bei zyklischer Belastung
7Möglicher Verfahrenseinsatz
7.1Werkzeugkonzept
7.2Empfehlungszusammenstellung und Beurteilung der Prozessstabilität
7.3Fügen einer fiktiven Baugruppe
8Projektergebnisse und Ausblick
9Projektauswertung
9.1Verwendung der Zuwendungen
9.2Personaleinsatz
9.3Verwendung der Zuwendungen
9.4Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU, innovativen Beitrag und industriellen Anwendungsmöglichkeit
9.5Fortgeschriebener Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft
9.5.1Sitzungen des PbA
9.5.2Veröffentlichungen
9.5.3Angaben über gewerbliche Schutzrechte
9.5.4Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten Transferkonzepts
10Literatur
11Anlagen