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EFB-Forschungsbericht Nr. 352

Clinchen von Stahl- und Aluminiumblechen größerer Dicke

efb352

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

140 Seiten (sw, 64 teils farbige Abb., 48 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-390-5

Preis (Digital) EUR 61,50

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Das Forschungsprojekt fokussiert auf die Erarbeitung von Grundlagen, welche den industriellen Einsatz des Fügeverfahrens Clinchen im Dickblechbereich ermöglichen. Dies beinhaltet vordergründig die Ermittlung von Verfahrenseigenschaften für eine wirtschaftliche und prozesssichere Herstellung von Clinchverbindungen im Gesamt-blechdickenbereich von 8,0 mm bis 16,0 mm, welcher typisch für perspektivische Anwendungen im Stahlbau sowie Schienen- und Nutzfahrzeugbau ist.

Das Clinchen in diesem Blechdickenbereich, die Potentiale und Einsatzgrenzen sowie die erforderliche Werkzeug- und Prozessgestaltung werden systematisch untersucht. Die für das Fügen großer Blechdicken benötigten Werkzeuggeometrien werden unter Berücksichtigung limitierender Faktoren und erforderlicher Prozesseigenschaften mittels FEM-Berechnung entwickelt. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf Stahlverbindungen, wobei auch Erkenntnisse für Stahl-Aluminium-Mischverbindungen und reine Aluminiumverbindungen erarbeitet werden. Neben dem Einfluss der Werkzeugdimensionen (Stempel- und Matrizengeometrie) auf die Punktausprägung sind Festigkeitsuntersuchungen, die Bewertung der numerischen Prozessabbildung, der fügeinduzierte Bauteilverzug und eine Kostenbewertung im Vergleich Clinchen vs. Schweißen Schwerpunkte des Projektes.

Im Hinblick auf die Bestimmung geeigneter Werkzeugsätze beschränken starke Umformung und Ausdünnung des Halses bei kleinen Werkzeugdimensionen sowie hohe Fügekräfte bei großen Werkzeugdimensionen das Zielgebiet für die Verbindungsauslegung. Da die Werkzeugdimension bei steigender Gesamtblechdicke zumindest tendenziell ebenfalls größer werden muss, sind beim Fügen Kräfte von deutlich mehr als 100 kN erforderlich. Je nach Punktgröße, Blechdicke und Blechfes-tigkeit kann diese Kraft durchaus auch 1.000 kN betragen. Der Quotient aus erforder-licher Fügekraft und der maximalen Scherzugkraft liegt dabei etwa in der gleichen Dimension wie bei Feinblech-Clinchverbindungen. Die Projektergebnisse belegen neben der prinzipiellen Clinchbarkeit von Dickblech die Übertragbarkeit der aus dem Feinblechbereich bekannten, positiven Verfahrenseigenschaften: hohe zyklische Festigkeit, geringer Bauteilverzug und Kosteneffizienz bei Massenproduktion. Somit sind die wichtigen Vorteile des Clinchens im Vergleich zu thermischen Fügeverfahren auch für die Dickblech verarbeitenden Industriezweige nutzbar.

Das IGF-Vorhaben „Clinchen von Stahl- und Aluminiumblechen größerer Dicke“ wurde unter der Fördernummer AiF 16290BR 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. 352 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The research project focuses on the development of basic principles, which allow the industrial use of clinching in thick sheet applications. Ostensible this includes the determination of performance characteristics for an economic and reliable production of clinched joints using an overall sheet thickness range of 8.0 mm to 16.0 mm, which is typical for perspective applications in structural steelwork or railway and commercial vehicles.

The clinching process, the potentials and limits as well as the required tooling and process design are investigated systematically for this thickness range. The needed tool geometries are developed using experiment and FEM calculation taking into account the limiting factors and process characteristics required. The focus of research is on steel connections, but also knowledge of steel-aluminum compounds and pure aluminum compounds is worked out. Besides the influence of tool dimensions (punch and die geometries) to the joint geometry, relevant knowledge is carried out by strength tests and a cost assessment compared clinching and welding. Additional an evaluation of the numerical process description and of the joining induced warping is done.

With regard to the determination of appropriate tool sets, strong deformation and thinning of the neck using small tool dimensions as well as high joining forces using large tool dimensions limit the target area for the connection design. Since the dimension of the tools for increasing total sheet thickness must be at least tend to also be larger, joining force significantly exceeding 100 kN is required. Depending on the point size, sheet thickness and sheet strength, this force can even reach 1.000 kN. The ratio of the required joining force and the maximum shear strength of the joints is approximately in the same dimension as in thin sheet metal clinching applications. In addition to the basic possibility of clinching thick sheets the project prove the transferability of known positive process characteristics: high cyclic stability, low warpage and component cost in mass production. Thus, the major advantages of clinching compared to thermal joining processes for the thick sheet processing industries are available.

Inhalt

Formelverzeichnis
Kurzzeichenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Clinchen
2.1.1 Definition und Einordnung
2.1.2 Einstufiges, nicht schneidendes Rundpunktclinchen
2.1.3 Merkmale und Eigenschaften von Clinchverbindungen
2.1.4 Numerische Beschreibung des Clinchens
3 Problemstellung und Zielsetzung
3.1 Problemstellung
3.2 Angestrebte Forschungsergebnisse und Vorgehensweise
4 Randbedingungen für Experiment und Simulation
4.1 Versuchswerkstoffe und deren Kennwerte
4.2 Randbedingungen der Probenherstellung
4.2.1 Probenformen
4.2.2 Werkzeuge und Versuchseinrichtung
4.2.3 Probenfertigung
5 FEM-basierte Werkzeugdimensionierung für die Paarung S380MC (6,0 mm in 4,0 mm)
5.1 Randbedingungen, Parameter und Durchführung
5.2 Simulationsbasis und Werkzeugparametrisierung
5.3 Bestimmung geeigneter Werte für die Werkzeugparameter
5.4 Verifizierung der FEM-Modelle
5.4.1 Punktausprägung
5.4.2 Maximale Fügekraft und Kraft-Weg-Verlauf
5.4.3 Stempelrückhubkraft
6 Erweiterung der Erkenntnisse auf verschiedene Werkstoff- und Blechdickenpaarungen
6.1 Überblick
6.2 Paarungen mit Gesamtblechdicke 10 mm
6.2.1 Stahl-Stahl-Verbindungen
6.2.2 Stahl-Aluminium-Mischverbindungen
6.3 Paarungen mit Gesamtblechdicke von 12 mm – 16 mm
6.4 Resümee
7 Eignung geteilter Matrizen für Dickblech-Clinchverbindungen
7.1 Experimentelle Untersuchungen
7.2 Numerische Abbildung des Systems der geteilten Matrize
7.2.1 Modellierung als 2D-Modell
7.2.2 Modellierung als 3D-Modell
7.3 Resümee
8 Prozesssensitivität
8.1 Blechdicke und Blechfestigkeit
8.2 Werkzeuggeometrie
9 Festigkeitsuntersuchungen
9.1 Quasistatische Belastung
9.1.1 Scherzug
9.1.2 Schälzug
9.2 Zyklische Belastung
9.3 Resümee
10 Wirtschaftliche und technologische Grundlagen für einen Verfahrenseinsatz
10.1 Verzugsbetrachtung an einem Fachwerkausschnitt
10.2 Wirtschaftlicher Vergleich mit dem MIG/MAG-Schweißen
10.3 Grenznahtfestigkeit beim Dickblechclinchen
11 Projektergebnisse und Ausblick
12 Literatur
Anlagen