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EFB-Forschungsbericht Nr. 111

Korrelation zwischen Form- und Kraftschluss und Bauteileigenschaften an Blindnietverbindungen

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Verfasser:
Dr.-Ing. Herbert Zorn, Dr.-Ing. Klaus Dehlke, Institut für Fertigungstechnik der Universität Rostock

138 Seiten (Sw 70, teils farbige Abb., 29 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-243-4

Preis (Digital) EUR 59,00

Preis (Print) EUR 66,30

Schlagworte: entgraten, Nietverbindung, Fertigungseinflüss, Blindniet

Zusammenfassung

Mit der Blindniettechnik können unterschiedlichste Fügeaufgaben auch an lediglich einseitig zugänglichen Verbindungsstellen gelöst werden. Dem Anwender steht dazu eine breite Palette unterschiedlichster Blindniete zur Verfügung. Mit der Wahl des Blindnietes entscheidet er nicht nur über die Eigenschaften seiner Fügestellen (und damit letztendlich über die Bauteileigenschaften), er bestimmt auch den Aufwand für die Bauteilvorbereitung (Positionierung, Fixierung, Art und Weise des Vorlochens usw.), um die erforderlichen Verbindungseigenschaften zu erreichen.

Mittels der Blindniettechnik können heute einfache Befestigungsaufgaben bis hin zu hochbeanspruchten Fügestellen in Tragwerken und Leichtbaukonstruktionen realisiert werden. In der Regel müssen dafür applikations- und blindnietabhängige Bauteilprüfungen durchgeführt werden, da u.a. das Vielparameterproblem Tragverhalten durch die Vielzahl unterschiedlichster Blindniete mit differenzierten Eigenschaften noch komplexer wird. Eine Aufwandsminimierung könnte durch eine anforderungsbezogene Vorauswahl von Blindnieten erreicht werden. Dazu sind jedoch zunächst die Zusammenhänge zwischen Applikation und Blindnietumformverhalten beim Setzen (applikationsabhängige Eigenschaftsausprägungen) sowie Korrelationen zwischen Eigenschaften gesetzter Blindniete und Bauteilen mit Tragverhaltenskenngrößen zu untersuchen.

Blindnietverbindungen sind form- und kraftschlüssige Verbindungen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens "Korrelation zwischen Form- und Kraftschluß und Bauteileigenschaften an Blindnietverbindungen" wurden daher Korrelationen zwischen Blindnieteigenschaften und Form- und Kraftschluß sowie zwischen Form- und Kraftschluß und Tragverhaltenseigenschaften untersucht mit dem Ziel, Zusammenhänge zwischen Blindniet- und Tragverhaltenseigenschaften abzuleiten.
Die Ableitung von Zusammenhängen zwischen geometrischen Kenngrößen gesetzter Blindniete und Tragverhaltenskenngrößen erfordert detaillierte Kenntnisse über Versagens- bzw. Tragverhaltensmechanismen von Blindnietverbindungen. Durchgeführt wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen.

Die Tragverhaltenseigenschaften von Blindnietverbindungen werden durch Form- und Kraftschluß bestimmt. Form- und Kraftschluß treten an Blindnietverbindungen zwischen Niethülse und den Bauteilen sowie zwischen Restdorn und Niethülse auf. Sie müssen stets im Zusammenhang mit der Betriebsbelastung (Belastungsart und -richtung, Belastungsgeschichte, resultierende Beanspruchung) betrachtet werden. Für Form- und Kraftschluß sind sowohl Blindniet als auch Bauteileigenschaften maßgeblich. Anhand von geometrischen Größen an Blindnietverbindungen können Relativaussagen zu ausgewählten Tragverhaltenseigenschaften bei quasistatischer Belastung getroffen werden.


Streckkraft

Bei äußerer Belastung kann eine bleibende Verformung sowohl im Blindniet als auch in den Probenblechen auftreten. In Anbetracht der geometrischen Verhältnisse und der Werkstoffe kann davon ausgegangen werden, daß die bleibende Verformung an den Proben mit Stahlnieten, 6,5mm Nenndurchmesser, in den Blechwerkstoffen stattgefunden hat. Bei den Blindnietproben mit 4,8mm Nietnenndurchmesser ist insbesondere bei Nieten aus Aluminium mit einer bleibenden Verformung der Niethülsen zu rechnen. Ein Vergleich der erreichten Streckkräfte der unterschiedlichen Blindnietproben zeigt, daß ein hohes Bohrlochfüllvermögen offensichtlich nicht maßgeblich für die Streckkraft ist. 

Blindniete mit relativ großen Schließköpfen fuhren fast immer zu höheren Streckkräften. Der Einfluß der Schließköpfe käme dann zum Tragen. wenn infolge der Zusatzbiegung bei ein schnittigen Scherzugproben eine Auslenkung aus der Scherebene einsetzt. Bei der Interpretation der Ergebnisse muß jedoch beachtet werden, daß die untersuchten Blindniete mit hohem Bohrlochfüllvermögen Druckspannungen im Probenwerkstoff zur Folge haben /2/. Diese Spannungen können bei Superposition mit den Druckspannungen aus einer Scherbelastung kleinere Streckkräfte bewirken.
Desweiteren führt die Art der Streckkraftermittlung über die Gesamtprobenlängung (Traversenwegmessung) und mit der freien Probenlänge als Bezugslänge zu Streckkraftwerten, die von der Probenlänge abhängen, d.h. größere Probenlängen bewirken auch höhere Streckkraftwerte.
Teilweise werden Werte ermittelt, die nur geringfügig unter den entsprechenden Maximalkraftwerten liegen oder gar gleich groß sind. Eine Auswertung von Versuchsergebnissen zeigt, daß die von der Nietspezifik beeinflußten örtlichen Verformungen nur summarisch mit erfaßt werden.


Maximalkraft 

Die Maximalkraft kann von der Versagensart stark beeinflußt werden. Niete mit vergleichsweise kleinen Schließköpfen bzw. Schließkopf-/Nietlochdurchmesser-Verhältnissen knöpfen beispielsweise bei Einsetzen einer Kopfzugkomponente eher aus den Nietlöchern aus.
An Blindnietverbindungen, die bei Scherbelastung durch Nietbruch versagen, sind die Hülsen und Restdomfestigkeit sowie die Mittragewirkung des Restdomes bei kombinierter Beanspruchung maßgeblich für die erreichbaren Maximalkräfte.


Anstiegswinkel 

Für die Größe des Anstiegswinkels scheint das Bohrlochfüllvermögen einen größeren Einfluß zu haben. Proben mit stark bohrlochfüllenden Nieten erreichen relativ hohe Anstiegswinkelwerte.
Blindniete mit geringerem Bohrlochfüllvermögen (Kenngröße tHo) zeigen folgerichtig kleinere Anstiegswinkel und auch der Bohrlochdurchmessereinfluß weist auf die Dominanz des Bohrlochfüllvermögens hin.


Verformungsarbeit 

Die Verformungsarbeit wird von der Versagensart stark beeinflußt. Niete mit vergleichsweise kleinen Schließköpfen können eher aus den Nietlöchern ausknöpfen, wenn eine Kopfzugkomponente auftritt. Proben mit Nieten, die ein großes Schließkopf-/Nietlochdurchmesser Verhältnis aufweisen, erreichen wesentlich größere Verformungsarbeiten. Da in dieses Verhältnis der Nietlochdurchmesser eingeht, können durch kleine Nietlöcher größere Verformungsarbeiten erreicht werden. Bei Blindnieten mit relativ kleinem Schließkopfdurchmesser (Schließkopfbildung durch Hülsenaufweitung) führt ein maximaler Nietlochdurchmesser zu einer Verringerung des Schließkopf-/Nietlochdurchmesser-Verhältnisses, die einen erheblichen Abfall der Verformungsarbeiten zur Folge haben kann.
Auch bei Blindnieten mit relativ großem Schließkopfdurchmesser müssen geometrische Ernflußgrößen berücksichtigt werden. Bei einer Schließkopfbildung durch Hülsenfaltung wird der Schließkopfdurchmesser von der Klemmlänge, also der Bauteildicke, beeinflußt. Ungünstige Verformungsarbeitswerte können sich somit an Fügestellen einstellen, an denen die Bauteildicke im Maximum des Klemmbereichs des Blindnietes liegt und ein großer Nietlochdurchmesser gewählt wurde.

Deutlich hervorgehoben werden muß jedoch, daß ein Wechsel der Versagensart den Einfluß geometrischer Kenngrößen überdeckt.
Ergänzende Untersuchungen zu ausgewählten Eigenschaften von Blindnietverbindungen zeigen, daß für eine umfassende Bewertung von Tragverhaltenseigenschaften bei quasistatischer Belastung neben den geometrischen Größen, das Zusammenwirken von Restdom und Niethülse bei Betriebsbelastung, deren Festigkeitseigenschaften und die Bauteilwerkstoffeigenschaften in Abhängigkeit von der Versagensart zu berücksichtigen sind.
Diese Einflußgrößen sind auch für die Bewertung der Eignung von Blindnieten beim Einsatz in dynamisch belasteten Strukturen maßgeblich. Die Art und Weise der Beeinflussung kann sich bei dynamischer jedoch erheblich von der bei quasistatischer Belastung unterscheiden. Hier sind weitere Differenzierungen erforderlich.

Die Ermittlung der Versagensarten und der Schwingfestigkeitseigenschaften muß nach wie vor im Bauteilversuch erfolgen.
Das Forschungsvorhaben „Korrelation zwischen Form- und Kraftschluss und Bauteileigenschaften an Blindnietverbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 10429B 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. 111 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

1 Problemstellung
2 Kenntnisstand und Lösungsweg
3 Theoretische Untersuchungen
3.1 Form- und Kraftschluß zwischen Niethülse und Bauteilen
3.2 Form- und Kraftschluß zwischen Restdorn und Niethülse
4 Untersuchungsprogramm
5 Geometrische Kenngrößen gesetzter Blindniete
5.1 Festlegung geometrischer Kenngrößen
5.2 Ermittlung geometrischer Kenngrößen
5.2.1 Anfertigung von Makroschliffen
5.2.2 Ermittelte geometrische Kenngrößen
5.2.2.1 Geometrische Kenngrößen an REMLOK-Verbindungen
5.2.2.2 Geometrische Kenngrößen an MAGNA-BULB-Verbindungen
5.2.2.3 Geometrische Kenngrößen an BOM-R8-Verbindungen
5.2.2.4 Geometrische Kenngrößen an MAGNA-LOK-MGLP-R8-6-Verbindungen
5.2.2.5 Geometrische Kenngrößen an MONOBOL T -2771-0817-Verbindungen
5.2.2.6 Geometrische Kenngrößen an 4,8x8 F St/St-Verbindungen
5.2.2.7 Geometrische Kenngrößen an 4,8x8 F Al/St-Verbindungen
5.2.2.8 Geometrische Kenngrößen an PolyGrip 4,8xl 0 Al/St-Verbindungen
6 Tragverhaltenseigenschaften von Blindnietverbindungen
6.1 Streckkraftvergleich
6.2 Maximalkraftvergleich
6.3 Anstiegswinkelvergleich
6.4 Vergleich der Verformungsarbeiten
6.5 Ausgewählte Untersuchungen zur Differenzierung von Tragverhaltenseigenschaften
6.5.1 Bohrungsdurchmessereinfluß auf das Steifigkeitsverhalten
6.5.2 Tragverhaltensuntersuchungen an einschnittigen Blindnietscherzugproben mit reduziertem Setzkopfdurchmesser
6.5.3 Tragverhaltensuntersuchungen an einschnittigen Blindnietscherzugproben ohne Restdom
6.5.4 Zeitfestigkeitsuntersuchungen an einschnittigen Blindnietscherzugproben mit und ohne Restdom
6.5.5 Klemmkraftuntersuchungen
6.5.6 Restdornauspreßkräfte
7 Zusammenfassung
Literatur- und Quellenverzeichnis
Anlage