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EFB-Forschungsbericht Nr. 085

Untersuchungen zur Optimierung des Stanznietens mit Halbhohlniet als universelles Fügeverfahren zum Verbinden von Blechen und Profilen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Voelkner, Dipl.-Ing. Fritz Liebrecht, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden, Lehrstuhl für Urform- und Umformtechnik, Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Axel Schulte, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität-GH Paderborn

224 Seiten (Sw 143 Abb., 44 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-011-9

Preis (Digital) EUR 78,00

Preis (Print) EUR 87,70

Schlagworte: Fertigungseinflüss, Festigkeit, Querschnitt

Zusammenfassung

Der sich ständig erweiternde Einsatz neuer Werkstoffe und Werkstoffkombinationen, besonders von Leichtbauwerkstoffen erfordert die äquivalente Entwicklung von geeigneten Fügetechnologien zum Verbinden von Blechen und Profilen.

Dem Stanznieten als mechanischem Blechfügeverfahren wird im großes Entwicklungspotential zugeschrieben. Die bei eigenen Forschungsarbeiten erzielten Fortschritte beim Verbinden von Aluminiumblechen und -profilen bestätigen diese Aussage.

Um die Vorteile der Stanzniettechnik für das Anwendungsgebiet der Feinblechverarbeitung nutzbar zu machen, sind weiterführende Untersuchungen zur Prozeßgestaltung durchzuführen.
Innerhalb des für das Vorhaben definierten Fügeteilspektrums sind Optimierungsuntersuchungen zur verbindungstypischen Fügeelementausbildung, zu Fügeparametern, Fertigungseinflüssen und zur Prozeßsicherheit absolviert worden.

Es wurden Feinbleche unterschiedlicher Dicke und Festigkeit aus Stahl und Aluminium im Dickenbereich 0,8 mm - 2,0 mm untersucht, ergänzt wurde ein Aluminiumstrangpreßprofil.
Die durchgeführten Optimierungsuntersuchungen zur Abstimmung von Hilfsfügeteil, Matrize und Prozeßparameter auf die Dicke und Festigkeit der Fügeteile aus Stahl- und Aluminiumwerkstoff haben für alle auftretenden Fügeaufgaben zu optimalen und alternativen Lösungen geführt.
Unter Berücksichtigung einer fehlerfreien Fügeelementausbildung wurden die Stanznietverbindungen so ausgelegt, daß die unter Scher- und Schälzugprüfung übertragbaren Streck- und Bruchlasten Maximalwerte erreichen und die für das Setzen der Stanzniete erforderlichen Fügekräfte möglichst kleine Werte annehmen.

Das Vorhandensein alternativer Varianten, bei denen mit reduzierten Prozeßkräften gefügt werden kann, verringert die Beanspruchung der Aktivelemente und schafft die Möglichkeit, die Setzeinrichtung (C-Rahmen) vor dem Hintergrund von Gewichtseinsparung und Vergrößerung des Arbeitsraumes neu zu dimensionieren. Mit der ausgehend von der umformtechnischen Vorgangsanalyse erstellten Berechnungsvorschrift zur Vorausbestimmung der maximalen Fügekraft werden für die Konstruktion wichtige Eingangsdaten zur Auslegung von Krafterzeugungs- und Nietsetzeinrichtung geliefert.

Im Ergebnis der praktischen Untersuchungen konnte die Anzahl der für die Fügeaufgaben erforderlichen Hilfsfügeteile und Matrizen erheblich verringert werden.
Für das Stanznieten aller 13 untersuchten (unterschiedlichen) Fügeteilpaarungen sind unter Anwendung zulässiger Alternativvarianten insgesamt nur 3 Typen von Stanznieten und Matrizen erforderlich.

Dies führt unmittelbar zur Aufwandsminimierung und Effektivierung beim Fügen unterschiedlicher Fügeteilqualitäten. Die erarbeiteten Lösungsvarianten wurden m Datenblättern so geordnet und zusammengefaßt, daß sie alle wesentlichen Angaben für die Auswahl und Auslegung des Stanznietprozesses und die zu erwartende Fügeelementausbildung und -festigkeit enthalten.
Untersuchungen zur Prozeßsicherheit belegen die relative Unempfindlichkeit des Stanznietens gegenüber fertigungstechnisch bedingten Abweichungen der Fügeteileigenschaften.
Die abschließende Abfassung von Hinweisblättern zum Stanznieten von Stahl- und Aluminiumfeinblechen sollen zur zielgerichteten und nachvollziehbaren Lösung von Fügeproblemen in der praktischen Anwendung dienen.

Den Eigenschaften der Stanznietverbindungen unter quasistatischer Belastung sollten die widerstandspunktgeschweißter Verbindungen gegenübergestellt werden. Aus dem breiten Spektrum der Versuchswerkstoffe wurde ein repräsentativer Querschnitt unterschiedlicher Stahl- und Aluminiumwerkstoffe in verschiedenen Blechdickenabstufungen für die Referenzuntersuchungen ausgewählt. Für alle Punktschweißverbindungen wurde die Festigkeit unter quasistatischer Scher- und Schälzugbelastung ermittelt. Darüber hinaus wurde die Tragfähigkeit der widerstandspunktgeschweißten und der stanzgenieteten Verbindungen der Werkstoffe FeP04 in der Blechdickes = 1,5 mm, A1Mg0,4Si1,2 in der Blechdickes = 1,1 mm und AlMg5Mn in der Blechdicke s = 1,0 mm im Einstufendauerschwingversuch ermittelt.
Hierbei kamen H-Proben für Scherzugbelastung zum Einsatz. Die Schwingfestigkeit der stanzgenieteten Verbindungen war bei allen untersuchten Werkstoffen höher als die der punktgeschweißten Verbindungen.

In bisherigen Untersuchungen wurde der geometrische Einfluß der Umgebung des Stanznietprozesses weitestgehend als notwendige Randbedingung angesehen, obwohl gerade hier wichtige Fertigungsrandbedingungen und Fertigungsstörgrößen zu finden sind. Stanznietprozesse werden beispielsweise durch die Fertigungsstörgröße Versatz beeinflußt. Der Versatz tritt im Prozeßverlauf bedingt durch die Aufbiegung der weit verbreiteten endlich steifen C-Rahmen unter der Fügekraft auf. Ferner führen Spiel in Führungen und Lagern, Justagefehler und Crash-Ereignisse im Betrieb zu Versatz. Über den Einfluß der Fertigungsstörgröße Versatz auf die Qualitätsmerkmale der Stanznietverbindung lagen bisher noch keine Kenntnisse vor.

Durch die Konstruktion und den Aufbau einer Fügevorrichtung für die Simulation definierter Winkel- und Lateralversatzbeträge in umformtechnischen Fügeprozessen wurde ein Werkzeug für die Untersuchung der Einflüsse der Fertigungsstörgröße Versatz geschaffen. Die Vorrichtung basiert auf einem Viersäulenführungsgestell, in dem die Aufnahme der Stanznietmatrizen orthogonal zur Matrizenachse drehbar und verschiebbar gelagert ist. Die Vorrichtung ist in den Arbeitsraum einer Fügepresse eingebaut.

Im Rahmen des Projektes wurde der Einfluß von Winkelversatz bis zu 3° und Lateralversatz bis zu 2,5 mm auf die Fügeelementausbildung und die Festigkeit von Stanznietverbindungen untersucht. Die Versuche wurden an den Blechwerkstoffen FeP04 in s = 1,5 mm, AlMg0,4Si1,2 in s =1,1 mm und AlMg5Mn in s = 1,0 mm durchgeführt. Die Verbindungen wurden unter quasistatischer und unter schwingender Belastung geprüft. Mit zunehmendem Versatz verschlechtern sich die geometrisch-optischen Eigenschaften der Verbindungen gravierend. Die Verbindungen der Aluminiumwerkstoffe reagierten insbesondere wegen der geringeren Blechdicke sensibler auf Winkelversatz bis zu 3° als die der dickeren Stahlbleche.

Es bilden sich Hohlräume und die matrizenseitige Blechlage wird sehr dünn. Ferner ist eine deutlich asymmetrische Fügeelementausbildung zu erkennen. Die Stanzniete durchstoßen in den Verbindungen der Stahlbleche bereits bei einem Lateralversatz von 1,0 mm die matrizenseitige Blechlage. Dies ist hinsichtlich der geometrisch-optischen Eigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit der Verbindungen als Versagen zu werten. Bei den Verbindungen des aushärtbaren Aluminiumwerkstoffes tritt dieses Versagen bei einem Versatz von 2,0 mm, bei denen der naturharten Aluminiumlegierung ab 1,5 mm auf.

Trotz der gravierenden Auswirkungen auf die Fügeelementausbildung, die in Schliffbildern offenkundig wurde, waren alle Verbindungen mechanisch belastbar. So wurde neben dem Einfluß der Beträge von Winkel- und Lateralversatz auf die quasistatische Verbindungsfestigkeit auch der Einfluß ihrer Richtung untersucht. Auf diese Weise konnten für Scher- und Schälzugbelastungen Versatzrichtungen ermittelt werden, die sich besonders ungünstig auf die Festigkeit der Verbindungen auswirkten, andere hatten dagegen eine Festigkeitssteigerung zur Folge. So war bei den Verbindungen der FeP04-Bleche bei einem Winkelversatzbetrag von 3° eine Festigkeitseinbuße um 6% der Scherzugfestigkeit der versatzfrei gefügten Referenzverbindung zu verzeichnen. Der gleiche Versatzbetrag in entgegengesetzter Richtung bewirkte jedoch eine Festigkeitssteigerung um 2% der Referenzfestigkeit Unter Schälzugbelastung wurden für den Stahlwerkstoff Festigkeitssteigerungen um bis zu 12% der Festigkeit versatzfreier Verbindungen ermittelt, während sich selbst ungünstige Versatzrichtungen nur marginal auswirkten. Die Festigkeit der Verbindungen der Aluminiumbleche wurde stärker negativ beeinflußt. Dieses Verhalten ist sowohl in den Werkstoffeigenschaften als auch in den geringeren Blechdicken beg1ündet. Lateralversatz beeinflußt die quasistatische Festigkeit der Stanznietverbindungen der AlMg0,4Si1,2-Bleche nur sehr geringfügig. Die Festigkeitseinbußen bei einem Versatzbetrag von 2,0 mm betragen maximal 7% der Maximalkraft der versatzfreien Verbindung. Die Verbindungen der Stahlbleche ertragen bei Lateralversatz von 2,5 mm nur noch 91% und die der AlMg5MnBleche bei einem Lateralversatz von 1,5 mm nur noch 82% der Belastung, der die versatzfreien Verbindungen standhalten.

Der Einfluß des Versatzes auf die Verbindungsfestigkeit unter schwingender Belastung wurde im Einstufendauerschwingversuch an H-Proben geprüft, die versatzfrei, sowie mit einem Winkelversatzbetrag von 2° und einem Lateralversatzbetrag von 0,5 mm gefügt wurden. Die Wählerlinie der lateralversatzbehafteten Stanznietverbindungen liegt bei allen Werkstoffen nur sehr wenig unterhalb der Wählerlinie der versatzfreien Verbindungen. Die Meßwerte der lateralversatzbehafteten Verbindungen bewegen sich im Bereich der Streuung der Werte versatzfreier Verbindungen. Ein Winkelversatz von 2° führt zu einer Verminderung der Zeitfestigkeit um bis zu 35% der entsprechenden Festigkeit der versatzfreien Verbindungen.

Die unter quasistatischer Belastung bei bestimmten Versatzrichtungen auftretenden Festigkeitssteigerungen werden unter schwingender Belastung nicht beobachtet. Hier erreichen die mit Versatz in der günstigeren Richtung gefügten Verbindungen nur annähernd die Zeitfestigkeit versatzfreier Verbindungen. Sowohl Winkel- als auch Lateralversatz führen insbesondere bei den Verbindungen der Aluminiumwerkstoffe zu einer Erhöhung der Streuung der Lebensdauer.

Auch wenn die Festigkeit der Stanznietverbindungen unter quasistatischer und schwingender Belastung durch Winkel- und Lateralversatz nur wenig negativ beeinflußt wird, muß jeglicher Versatz im Interesse kalkulierbarer Verbindungen vermieden werden. Dies gilt insbesondere, weil der Versatz gravierende Qualitätseinbußen hinsichtlich der geometrisch-optischen und damit auch der Korrosionseigenschaften zur Folge hat.

Durch das optimierte Fügeverfahren kann insbesondere die mittelständische Industrie eine Steigerung der Effizienz, Qualität und Produktivität bei der Fertigung von Bauteilen und Konstruktionen aus Stahl- und Aluminiumwerkstoffen erreichen. Die Systemanbieter können ein verbessertes Nietverfahren, angepaßt an konkrete Anwendervorgaben, zur Verfügung stellen. Das Verfahren wird neuen Anwendungsbereichen zugeführt, was ebenfalls die Marktposition der Systemhersteller verbessert.

Das Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur Optimierung des Stanznietens mit Halbhohlniet als universelles Fügeverfahren zum Verbinden von Blechen und Profilen“ wurde unter der Fördernummer AiF 9485B 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. 85 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Stanznieten und alternative Fügetechniken
2.1.1 Widerstandspunktschweißen
2.1.2 Unmittelbare Verbindungen - Durchsetzfügen
2.1.3 Mittelbare Verbindungen - Stanzniettechniken
2.2 Möglichkeiten der Prozeßüberwachung
2.3 Einflüsse auf die Fügeelementausbildung beim Stanznieten
2.3.1 Prozeßrelevante Einflußgrößen
2.3.2 Fügeteilfestigkeit
2.3.3 Oberflächenzustand
2.3.4 Blechdickenabweichungen
2.4 Einfluß der Fertigungsstörgröße Versatz
3 Ziel der Untersuchungen
4 Fügeteilwerkstoffe und Probenformen
4.1 Werkstoffauswahl
4.2 Probenformen
5 Fügeeinrichtungen und Probenherstellung
5.1 Fügemaschinen zum Stanznieten und Widerstandspunktschweißen
5.2 Vorrichtung zum Stanznieten mit definierten Versatz
5.3 Hilfsfügeteile und Matrizen zum Stanznieten
5.4 Probenherstellung
5.4.1 Probenvorbereitung
5.4.2 Fügen durch Stanznieten
5.4.3 Fügen durch Widerstandspunktschweißen
6 Einrichtungen und Methoden zur Prüfung und Charakterisierung der Verbindungen
6.1 Metallographische Untersuchungen
6.2 Prüfung unter quasistatischer Belastung
6.3 Prüfung unter schwingender Belastung
7 Umformspezifische Analyse des Stanznietprozesses
7.1 Beschreibung des Fügeprozesses durch Umformverfahren
7.2 Bestimmung der Fügekraft
8 Optimierung des Stanznietprozesses
8.1 Vorbemerkungen
8.2 Vorgehensweise
8.3 Resultate der Optimierungsuntersuchungen
8.3.1 Stanzniete und Matrizen für Stahl- und Aluminiumblech I Dicke 0,8 mm
8.3.2 Stanzniete und Matrizen für Aluminiumblech I Dicke 1,1 mm I 1,2 mm
8.3.3 Stanzniete und Matrizen für Stahlblech I Dicke 1,5 mm
8.3.4 Stanzniete und Matrizen für Aluminiumblech I Dicke 1,8 mm I 2,0 mm
8.3.5 Stanzniete und Matrizen für Stahlblech I Dicke 2,0 mm
8.3.6 Stanzniete und Matrizen für Aluminiumprofil I Dicke 2,0 mm
9 Referenzuntersuchungen zu den Widerstandspunktschweißen
10 Einfluß der Fertigungsstörgröße Versatz auf die Qualität stanzgenieteter Verbindungen
10.1 Einfluß von Winkel- und Lateralversatz auf die Fügeelementausbildung
10.1.1 Winkelversatz
10.1.2 Lateralversatz
10.2 Einfluß von Winkel- und Lateralversatz auf die Festigkeit der Verbindungen unter quasistatischer Belastung
10.2.1 Winkelversatz
10.2.2 Lateralversatz
10.3 Einfluß von Winkel- und Lateralversatz auf die Festigkeit der Verbindungen unter schwingender Belastung
10.3.1 Winkelversatz
10.3.2 Lateralversatz
11 Anwendungsrichtlinien zum Fügen von Aluminium- und Stahlfeinblechen durch Stanznieten mit Halbhohlniet
12 Zusammenfassung
Literaturverzeichnis
Anhang A
Anhang B
Anhang C
Anhang D
Anhang E