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EFB-Forschungsbericht Nr. 037

Untersuchungen zur Technologie des Fügens mittels Stanzen

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Lothar Budde, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität-Gesamthochschule Paderborn

274 Seiten (Sw 138 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-109-3

Preis (Digital) EUR 121,00

Preis (Print) EUR 135,90

Schlagwörter: durchsetzt, stanzen

Zusammenfassung

Technologische und wirtschaftliche Gesichtspunkte sowie die fortschreitende Automatisierung der Fertigungstechnik sind Gründe dafür, daß in jüngerer Zeit in verstärktem Maße die blechverarbeitende Industrie auf innovative Fügetechnologien zum Verbinden von Blechteilen angewiesen ist.

Neue Werkstoffe und Werkstoffkombinationen, die aus fügetechnischer Sicht Probleme aufwerfen, verstärken diesen Trend. Wesentliche Ziele bei Neu- und Weiterentwicklungen sind darin zu sehen, Fügeverfahren fertigungstechnisch einfacher, vielfältiger in ihrem Gebrauch und reproduzierbarer in Bezug auf das Fügeergebnis zu gestalten.

Als Alternative für das Fügen von überlappt angeordneten Dünnblechen bieten sich hier aufgrund ihres günstigen Preis-/Leistungsverhältnisses und ihrer leichten Handhabbarkeit sowohl im Montagebereich als auch in der Großserienfertigung bei fortschreitender Automatisierung der Fertigungstechnik Verfahren an, bei denen eine quasi-formschlüssige Verbindung durch lokale plastische Werkstoffverformung erzeugt wird.

Als vorteilhaft erweist sich in vielen Fällen der kombinierte Einsatz umformtechnischer Fügeverfahren in Verbindung mit dem Kleben.

Anders als beim Punktschweißkleben, bei dem zum Verbinden von dünnwandigen Bauteilen ein Kompromiß zwischen den für das Punktschweißen und den für das Kleben günstigsten Randbedingungen eingegangen werden muß, können bei der Kombination Kleben/Fügen durch Umformen die Randbedingungen stärker auf das Kleben abgestimmt werden.

Die Anwendung des Klebens in Verbindung mit dem Fügen durch Umformen steht noch am Anfang und wird letztlich durch den Erkenntnisstand der umformtechnischen Fügeverfahren bestimmt.
Ausgehend von der Charakterisierung unterschiedlicher Verfahrensvarianten für das Fügen durch Umformen ohne Hilfsfügeteil wird in der vorliegenden Arbeit zunächst für praxisrelevante Verfahrensvarianten der Einfluß der Verfahrensparameter auf den umformtechnischen Fügeprozeßablauf analysiert und die Festigkeitseigenschaften umformtechnisch gefügter Stahl- und Aluminiumverbindungen bei verschiedenartiger Beanspruchung mit dem Ziel untersucht, optimale Randbedingungen aus fertigungstechnischer und aus konstruktiver Sicht für umformtechnisch gefügte und geklebte Verbindungen zu erzielen.

Beim Fügen durch Umformen entsprechend den in der Forschungsarbeit berücksichtigten Verfahren werden die Fügeteile ohne Hilfsfügeteil durch einen Durchsetzvorgang mit oder ohne Einschneiden der Blechteile und einem nachfolgenden Kaltstauchvorgang quasi-formschlüssig miteinander verbunden.

Hinsichtlich der Abgrenzung der Fertigungsparameter besitzt insgesamt gesehen der Scherzugversuch bei quasistatischer Belastung die größte Aussagefähigkeit. Bei blechgleichen Fügeteilen sind als aussagekräftigste, direkt messbaren Fügekenngrößen die Eindringtiefe als Prozeßführungsgröße und die Stegdicke als Maß für die Größe der Stauchung des Steges anzusehen. Für die Fügeelementausbildung ist neben dem Blechwerkstoff und dem Fügewerkzeug insbesondere das Krafterzeugungssystem bestimmend.

Bei Berücksichtigung der Problemstellung 'umformtechnisches Fügen eines Metall-Klebstoff-Verbundes' ist als wesentliche Erkenntnis aus den vorliegenden Untersuchungen festzustellen, daß die Oberflächenbeschaffenheit der Fügeteile als wichtige Einflußgröße im Hinblick auf die Fügeelementausbildung und das Tragverhalten umformtechnisch hergestellter Verbindungen aus Stahl- und Aluminiumblechen angesehen werden muß.

Werden höhere Qualitätsanforderungen gestellt, so ist - ebenso wie beim Punktschweißen und beim Metallkleben - ein definierter Oberflächenzustand erforderlich. Bei Gewährleistung eines gleichmäßigen Nachfließens des Fügeteilwerkstoffes im lokal verformten Fügebereich sind Ausgangsoberflächen mit einer großen Rauheit anzustreben, die einen Anstieg des elastischen Kraftschlußanteils und damit der Verbindungsfestigkeit bewirken.

Für die Funktion des umformtechnisch hergestellten Fügeelementes, zur Verbindungsfestigkeit eines Blechbauteils beizutragen sind neben den tribologischen Verhältnissen in den Grenzflächen des Fügeelementes in erster Linie seine Geometrie, seine geometrische Lage relativ zur Belastungsrichtung bei nicht rotationssymmetrischen Fügeelementen sowie die Art der Beanspruchung maßgebend.

Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zum Tragverhalten von umformtechnisch hergestellten Stahl- und Aluminiumverbindungen zeigen, daß sowohl bei quasistatischer Scherzug-, Kopfzugund Torsionsbeanspruchung als auch bei Schlagscherzugbeanspruchung umformtechnisch gefügte Verbindungen nicht die Verbundfestigkeit einer entsprechenden Punktschweißverbindung erreichen.

Diese grundsätzliche Aussage gilt auch dann noch, wenn man berücksichtigt, daß das Tragverhalten einer umformtechnisch hergestellten Verbindung durch Verwendung von "mehrachsigen" Fügegeometrien (d.h. durch Vergrößerug der Scherfläche) und/oder durch Verminderung des Schneidanteils zugunsten des Umformanteils verbessert werden kann.

Den Nachteilen von umformtechnisch gefügten Verbindungen hinsichtlich einer geringeren Festigkeit im Vergleich zu Punktschweißverbindungen bei quasistatischer und schlagartiger Belastung steht ein nahezu gleiches bzw. günstigeres Verhalten bei dynamischer Belastung entgegen. Die Schwingfestigkeit einer umformtechnisch hergestellten Verbindung wird außer durch die lokale plastische Fügeteilverformung, die zur Ausbildung von Eigenspannungen führt, vor allem durch die Kerbwirkung im Bereich des Fügeelementes bestimmt.

Wo die Verbindungsfestigkeit einer umformtechnischen Verbindung nicht ausreicht, können die Eigenschaften und das Verhalten der Verbindung durch die Kombination mit dem Kleben verbessert werden.
Beim Einsatz von Konstruktionsklebstoffen wirkt das umformtechnische Fügeelement als Fixierhilfe und entlastet die Klebschicht während der Fertigung.

Bei Berücksichtigung der verschiedenen umformtechnischen Fügeverfahren können bei einer Kombination mit dem Kleben nicht nur pastöse Klebstoffe (Einsatz von umformtechnischen Fügeverfahren ohne Schneidanteil), sondern auch Klebstofffolien und Klebebänder (Einsatz von Durchsetzfügeverfahren) verwendet werden, was verarbeitungstechnisch und aus hygienischen Gesichtspunkten heraus besondere Vorteile bietet. Die beim Einsatz des Punktschweißklebens auftretenden besonderen Arbeitsschutzprobleme ergeben sich beim Einsatz der Klebtechnik in Kombination mit dem Fügen durch Umformen nicht.

Bei den in der vorliegenden Untersuchung angewandten Verfahrensvarianten wurde der Klebstoff zunächst auf die Fügeflächen gebracht und anschließend durch den Klebstoff hindurch umformtechnisch gefügt.

Dabei zeigte sich, daß bei den verwendeten Fügeteilen und Klebstoffen Fügekenngrößen, die sich beim umformtechnischen Fügen als günstig erwiesen, auch beim umformtechnischen Fügen eines Metall- Klebstoff-Verbundes zu vergleichbar guten umformtechnischen Fügeergebnissen führen.
Im Vergleich zu umformtechnisch gefügten Verbindungen kann durch das zusätzliche Kleben der umformtechnisch gefügten Verbindung sowohl die Festigkeit bei zügiger Belastung als auch die Festigkeit bei schwingender und stoßartiger Belastung deutlich gesteigert werden. Hierbei ergibt sich hinsichtlich der Bindefestigkeit der Klebung einer kombiniert gefügten Verbindung durchaus eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus den Versuchen mit den Klebverbindungen. Es darf jedoch nicht darüber hinweggesehen werden, daß sich speziell bei den Dauerschwingversuchen mit umformtechnisch gefügten Metallklebverbindugen das umformtechnisch hergestellte Fügeelement als bruchauslösende Schwachstelle erwies.

Aus den vorgestellten Ergebnissen ist abzuleiten, daß im Zusammenhang mit der Kombination der Technologien Fügen durch Umformen und Kleben der Gewährleistung einer ausreichenden Alterungsbeständigkeit der kombiniert gefügten Verbindung eine zentrale Bedeutung zukommt. Die insbesondere bei den geklebten und umformtechnisch gefügten Verbindungen vorhandenen Vorteile im Vergleich zu umformtechnisch gefügten Verbindungen stehen in einem engen Zusammenhang mit der Tragfähigkeit des Klebstoffes und seiner Haftung an den Fügeteiloberflächen.

Werden aus fertigungstechnischen und konstruktiven Gesichtspunkten heraus Verbindungseigenschaften gefordert, die durch das 'Fügen durch Umformen' oder das 'Kleben' allein nicht erfüllt werden können, so bietet die Kombination beider Verbindungstechnologien oftmals eine hervorragende Alternative. Durch sinnvolle Kombination der verschiedenen verfahrensspezifischen Eigenschaften der Verbindungstechnologien 'Fügen durch Umformen' und 'Kleben' lassen sich sehr gute Ergebnisse erzielen, wenn Faktoren, wie z.B. Eigenschaftsprofil und Verarbeitungseigenschaften des Klebstoffes berücksichtigt werden und das Tragverhalten der Verbindungen unter Last- und Medieneinfluß im Vordergrund steht.

Obwohl der Einsatz umformtechnischer Fügeverfahren in Kombination mit dem Kleben fertigungstechnisch aufwendiger ist, kann davon ausgegangen werden, daß sich verstärkt Einsatzmöglichkeiten des Klebens insbesondere mit dem unmittelbaren Fügen durch Umformen ergeben werden. Es versteht sich dabei von selbst, daß es in jedem Einzelfall erforderlich sein wird, eine sorgfältige Klebstoffauswahl und auch, wenn möglich, eine anwendungsbezogene Fügeteilvorbehandlung durchzuführen, um einen bestmöglichen Kompromiss zwischen den fertigungstechnischen und konstruktiven Forderungen zu finden. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit stellen aber in jedem Falle die Grundlage für die Problemlösung dar.

Im Hinblick auf die Übertragbarkeit der in der vorliegenden Forschungsarbeit vorgestellten Ergebnisse auf reale Bauteile bzw. bauteilähnlicher Prüfkörper unter praxisrelevanten Belastungsfällen ist es für weiterführende Forschungsarbeiten notwendig, die an sog. "Einpunkt-Verbindungen" durchgeführten Untersuchungen an geometrisch und prüftechnisch optimierten Probekörpern unter betriebsnaher Beanspruchung und bei Berücksichtigung neuartiger Kleb- und Dichtstoffsysteme sowie der Weiterentwicklung umformtechnischer Fügeverfahren fortzuführen.

Das Forschungsvorhaben "Untersuchungen zur Technologie des Fügens mittels Stanzen" enthält die Ergebnisse des Gemeinschaftsforschungsvorhabens DFB/ AiF-Nr: 6330. Das Vorhaben wurde von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V., Köln, (AiF) aus Mitteln des Bundeswirtschaftsministeriums über die DFB gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 37 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

0. Nomenklatur
1. Einleitung
2. Verfahrenstechnische Charakterisierung des Fügens mit lokaler plastischer Werkstoffumformung ohne Hilfsfügeteil
3. Stand der Erkenntnisse
3.1 Fügen von Blechteilen mittels lokaler plastischer Werkstoffverformung ohne Hilfsfügeteil
3.2 Fügen durch Umformen in Kombination mit dem Kleben
4. Aufgabenstellung und Versuchsumfang
5. Versuchswerkstoffe
5.1 Fügeteilwerkstoffe
5.2 Klebstoffe
6. Herstellung der Verbindungen
6.1 Allgemeine Bemerkungen
6.2 Fügeteilvorbehandlung
6.3 Fügen durch Umformen
6.4 Metallkleben
6.5 Herstellung geklebter und umformtechnisch gefügter Verbindungen
6.5.1 Verfahrensvarianten
6.5.2 Probenherstellung
6.6 Punktschweißen als Referenzfügeverfahren
7. Untersuchungsmethoden und Auswertungsverfahren
7.1 Allgemeine Bemerkungen
7.2 Messung der einstellbaren Prozeßparameter
7.3 Bestimmung der Fügeelementausbildung
7.4 Metallographische Untersuchungen und Härtemessungen
7.5 Mechanisch-technologische Untersuchungen
7.5.1 Scherzugversuch an einschnittig überlappter Verbindung
7.5.2 Kopfzug-, Winkelschäl-und Torsionsversuch
7.5.3 Dauerschwingversuch
7.5.4 Schlagscherzugversuch
7.6 Untersuchungen zum Verhalten der Verbindung bei Medieneinwirkung
8. Festlegung und Berücksichtigung verschiedener Einflußgrößen beim Fügen mittels lokaler plastischer Werkstoffverformung ohne Hilfsfügeteil
8.1 Analyse des umformtechnischen Fertigungsvorganges
8.2 Festigkeits- und Verformungsverhalten umformtechnisch hergestellter Verbindungen bei quasistatischer Belastung
8.2.1 Prüfung unter Scherzugbeanspruchung
8.2.2 Prüfung unter Kopfzug-, Winkelschäl- und Torsionsbeanspruchung
8.3 Festigkeitsverhalten umformtechnisch hergestellter Scherzugverbindungen bei schwingender Belastung
8.4 Festigkeitsverhalten umformtechnisch hergestellter Scherzugverbindungen bei schlagartiger Belastung
8.5 Fügen mittels lokaler plastischer Werkstoffverformung unter besonderer Berücksichtigung der Oberflächenbeschaffenheit der Fügeteile
8.5.1 Einfluß des Oberflächenzustandes auf die Fügeelementausbildung
8.5.2 Beeinflussung des Festigkeits- und Verformungsverhaltens umformtechnisch hergestellter Verbindungen durch den Oberflächenzustand der Fügeteile
8.6 Schlußfolgerungen für die Beurteilung von umformtechnisch hergestellten Fügeverbindungen bei verschiedenartiger Beanspruchung
9. Herstellung geklebter und umformtechnisch gefügter Verbindungen
9.1 Allgemeine Bemerkungen
9.2 Herstellung kombiniert gefügter Klebverbindungen mit pastösen Klebstoffen
9.3 Herstellung kombiniert gefügter Klebverbindungen mit Klebstofffolien und Klebebändern
9.4 Auswahl geeigneter Fügeparameter für das Fügen durch Umformen in Kombination mit dem Kleben
9.5 Einsatz mobiler Fertigungseinrichtungen zur Herstellung geklebter und umformtechnisch gefügter Verbindungen
10. Tragverhalten geklebter und umformtechnisch gefügter Verbindungen bei verschiedenartiger Beanspruchung
10.1 Festigkeitsverhalten bei quasistatischer Belastung
10.1.1 Scherzugbeanspruchung
10.1.2 Winkelschälbeanspruchung
10.2 Festigkeitsverhalten bei schwingender Belastung
10.3 Festigkeitsverhalten bei schlagartiger Belastung
10.4 Schlußfolgerungen für die Beurteilung der Tragfähigkeit von geklebten und umformtechnisch gefügten Verbindungen
11. Verhalten geklebter und umformtechnisch gefügter Verbindungen unter Medieneinwirkung
11.1 Alterung im Salzsprüh-und Wechselklimatest
11.1.1 Alterungsverhalten umformtechnisch hergestellter Verbindungen
11.1.2 Alterungsverhalten geklebter und umformtechnisch gefügter Verbindungen
11.2 Einfluß der Prüftemperatur
12. Zusammenfassung und Ausblick
13. Literatur
14. Bildanhang