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EFB-Forschungsbericht Nr. 321

Fertigungsgestaltung beim Clinchen mit Leistungsultraschall

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin Christoph Wanner, Dr.-Ing. Knuth-Michael Henkel, Dipl.-Wirt. Ing. Christoph Blunk, Lehrstuhl Fertigungstechnik an der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock, Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Sven Bräunling, Professur für Umform- und Urformtechnik (LUT) am Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden

108 Seiten (sw, 64 teils farbige Abb., 8 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-357-8

Preis (Digital) EUR 61,00

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Das Projekt baut auf den Erkenntnissen des vorangegangenen AiF-Vorhabens 13497BR (EFB-Forschungsbericht Nr. 240) auf. In diesem konnten bereits durch die stempelseitige Anregung mit  Ultraschallschwingungen während des Fügeprozesses positive Effekte auf die Reduzierung der Fügekräfte (zwischen 15% und 20%) beim Clinchen von Stahl- und Aluminiumwerkstoffen nachgewiesen werden.

Ziel des Forschungsvorhabens war es, die positiven Effekte durch eine verbesserte Ultraschallanlage weiter zu verstärken. Dazu wurde eine neue und dem Anwendungsfall angepasste Leistungsultraschallanlage (1 kW) eingesetzt. Die realisierbare Amplitude konnte durch eine geänderte Krafteinleitung und der Verwendung eines neuen Boosters somit auf ca. 30 µm gesteigert werden, welche eine Fügekraftreduzierung von 30% bis 50% erwarten ließ. Weiterhin sollte die Clinchanlage auf ihre Einsatzfähigkeit in Serienclinchanlagen überprüft werden.

Dazu wurde zunächst ein Versuchsstand entwickelt, mit welchem die notwendigen Optimierungsmaßnahmen durchgeführt und deren Auswirkungen auf den Clinchprozess untersucht werden konnten. Anhand von Schliffbildern wurde die Fügepunktausbildung bei unterschiedlichen Ultraschallamplituden verglichen und mittels Zugversuchen die Auswirkungen auf die Tragfähigkeiten bei Scher- und Schälzugbeanspruchung untersucht. Weiterhin wurden für ausgewählte Werkstoff-/Werkzeugkombinationen Dauerschwingversuche durchgeführt.

Die Versuche zeigen, dass im Vergleich zum klassischen Rundpunkt-Clinchen durch das Clinchen mit Leistungsultraschall mindestens gleichwertige Verbindungen mit identischer Fügepunktausbildung hergestellt werden können. Dieser Sachverhalt bestätigt sich in den Ergebnissen der Zugversuche. Für mit und ohne Leistungsultraschall gefertigte Proben konnten vergleichbare Maximaltragfähigkeiten festgestellt werden. In den Dauerschwingversuchen ist ein Trend zu einer geringfügig erhöhten Zeitfestigkeit zu beobachten.

Die Ultraschallanlage konnte erfolgreich in einen Hohlzylinder integriert werden. Dies war Voraussetzung für die Verwendung eines in der Serienfertigung eingesetzten C-Bügels. Zudem wurde eine Steuerungssoftware entwickelt, mit denen der gesamte Fügeprozess zentral bedient werden kann. Die Software ermöglicht dem Benutzer das Einstellen sämtlicher den LUS-Clinchprozess betreffender Parameter sowie die Durchführung und Überwachung des Fügevorgangs.

Der letzte Arbeitspunkt beinhaltete die Forderung, die durch den Ultraschall versuchte Lärmemission für den Einsatz in industriellen Umgebungen auf ein zulässiges Maß zu senken. Dies gelang insbesondere durch die Überarbeitung der Matrizenhalterung, um ein unerwünschtes Anregen und Mitschwingen der am Fügevorgang beteiligten Bauteile durch Ultraschall zu verhindern. Die Anlage wurde darüber hinaus mit einer kostengünstigen Einhausung aus Polycarbonatscheiben und Aluminiumprofilen versehen. Dadurch wurde die Lärmbelastung auf ein angemessenes Niveau gesenkt und liegt nun unterhalb des gesetzlich festgelegten Grenzwertes. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das Forschungsvorhaben „Fertigungsgestaltung beim Clinchen mit Leistungsultraschall“ wurde unter der Fördernummer AiF 15541BR 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. 321 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Zusammenfassung
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
2 Stand der Technik
2.1 Clinchen - Technische Grundlagen
2.2 Einteilung der Clinchverfahren
2.3 Eigenschaften von Clinchverbindungen
2.4 Ultraschall
2.4.1 Physikalische Eigenschaften
2.4.2 Anwendungsbeispiele von Ultraschall in der Fertigung
3 Fügetechnische Randbedingungen und Versuchsstand
3.1 Fügeteilwerkstoffe
3.2 Eingesetzte Fügewerkzeuge
3.3 Auswahl der Fügeparameter
3.4 Probenformen und –fertigung
3.5 Prüfverfahren und -einrichtungen
3.6 Aufbau und Optimierung des Testversuchsstands
4 Zusammenhang zwischen LUS-Amplitude und Fügekraftreduzierung
4.1 Bestimmung der LUS-Amplitude im Leerlauf
4.2 Bestimmung der LUS-Amplitude beim Clinchen
4.3 Einfluss der LUS-Amplitude auf die Fügekräfte
5 Konstruktion und Erprobung eines Clinchbügels zum LUS-Clinchen
5.1 Konstruktionskonzept
5.2 Aufbau der Serienclinchanlage
5.3 Software und Instrumentierung
6 Auswirkungen von LUS auf die Fügepunktausbildung und Verbindungsfestigkeit
6.1 Fügepunktausbildung beim Clinchen mit Ultraschall
6.2 Quasistatische Verbindungsfestigkeit beim Clinchen mit Ultraschall
6.3 Dynamische Verbindungsfestigkeit beim Clinchen mit Ultraschall
6.4 Korrelation der Verbindungsfestigkeit mit LUS-Parametern
7 Prozessüberwachung u. Qualitätskontrolle beim LUS-Clinchen
7.1 Pulsweite in der Prozessüberwachung
7.2 FBS in der Prozessüberwachung
8 Reduzierung der Schallemissionen von LUS-Clinchsystemen
8.1 Schallemissionen beim Clinchen mit LUS
8.2 Schallschutz und schwingungstechnische Optimierung
9 Zusammenfassung
Literaturverzeichnis
Anhang