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EFB-Forschungsbericht Nr. 343

Hydrofügen von Anbauteilen an Profile im IHU-Prozess

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

103 Seiten (sw, 73 teils farbige Abb., 10 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-381-3

Preis (Digital) EUR 55,00

Preis (Print) EUR 62,00

Zusammenfassung

Die wachsenden Forderungen im Schienenfahrzeug- und Automobilbau nach Leichtbau führen zum Einsatz von gewichts- und beanspruchungsoptimierten Bauteilen. Zur Fertigung hohlförmiger Rahmenstrukturen wurde in den letzten Jahrzehnten das Innenhochdruck- Umformen (IHU) weiterentwickelt und stellt heute eine ausgereifte Alternative zu traditionellen Umformverfahren dar. Nachteilig für die Gestaltung von hydrogeformten Bauteilen ist das Schnittstellenproblem für nachfolgende Fügeoperationen. Die Fügestellen verlangen oft eine beidseitige Zugänglichkeit, was den konstruktiven Freiraum einschränkt. Thermische Verfahren, die verhältnismäßig große konstruktive Freiräume lassen, sind bezüglich Dauerund Korrosionsfestigkeit sowie Wärmeverzug problematisch. 

Das erste Projektziel war die Weiterentwicklung des Verfahrens Hydroclinchen für die vom industriellen Betreuerkreis gestellten Fügeaufgaben. Ausgangspunkt der Untersuchungen bildet die numerische Abbildung des Hydrofü-geprozesses und die Optimierung der Clinchverbindung mittels der zweidimensionalen numerischen Simulation. Die Verifizierung der entstandenen FE-Fügepunkte fand an Hand experimentell gefügter Proben statt. Es konnte eine sehr gute Abbildung des Fügeprozesses durch die numerische Simulation festgestellt werden. Anschließend wurden Zugproben, mit den Kennwerten des verifizierten FE-Fügemodelles mit drei unterschiedlichen Clinchpunkt-geometrien für die Kopf- und Scherzugprüfung hergestellt und geprüft. Ein Vergleich der übertragbaren Zugkraft der Langlochproben mit den Zweipunktproben zeigte ein um ca. 30% höheres Tragverhalten der Punktverbindungen. Eine Verwendung der Langlochgeometrie sollte daher nur in geometrisch begrenzten Bauteilen erfolgen. Im Ergebnis der Untersuchungen zur Fügestellenersatzmodellierung konnte ein geeignetes Modell zur Implementierung der experimentellen Verbindungssteifigkeiten entwickelt werden. Der Aufbau mit drei Longitudinalfedern ermöglicht dem Konstrukteur eine einfache Integration der Verbindungssteifigkeiten. Die durchgeführte Verifizierung des Ersatzmodelles an Hand von Zweipunktproben stellte eine gute Übereinstimmung des entwickelten Modells mit dem Versuch dar. Die Integration des Ersatzmodelles in einer Gesamtstruktur mit mehreren Verbindungspunkten zeigte eine deutliche Verbesserung in der Abbildung der Fügestelleneigenschaften gegenüber den bisher verwendeten Modellen mit starren Verbindern.

Die zweite Zielstellung im Projekt war die Entwicklung eines Hybridverfahrens, mit dem Funktionselemente mechanisch an hydrogeformte Bauteile bereits im Umformprozess gefügt werden können. Die Untersuchungen wurden am Beispiel konventioneller Lambdasondenbefestigungen in Abgassystemen durchgeführt. Ausgehend von Geometrieentwürfen und Verfahrenskonzeptionen wurden zugeschnittene Simulationsmodelle numerisch untersucht. Schwerpunkte bildeten dabei die Untersuchung des notwendigen Formschlusses, die konstruktive Gestaltung der Fügeelementgeometrie in Bezug auf günstige Umformbedingungen beim Fügen und die Ermittlung geeigneter Verfahrensparameter zur Prozessführung.

Im Ergebnis der Untersuchungen wurden eine aktive und eine passive Verfahrensvariante für das Einbringen von Funktionselementen im Hydroformprozess erarbeitet. Für eine Gewährleistung der Gasdichtheit der hydrogefügten Verbindungen wurden die Funktionselemente nach dem Fügen mit dem Blech verlötet. Zur Ermittlung von Festigkeitskennwerten der gefügten Verbindungen wurden quasistatische Kopf- und Scherzugversuche durchgeführt. Im Ergebnis konnten gasdichte Verbindungen durch die Kombination von Hydrofügen und Hochtemperaturlöten hergestellt werden. Entsprechende Nachweise über die Festigkeiten und die Dichtheit wurden erfolgreich durchgeführt.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Hydrofügen von Anbauteilen an Profile im IHU-Prozess“ wurde unter der Fördernummer AiF 16183BR 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. 343 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
1Einleitung
2Stand der Technik
2.1Fügen von hydrogeformten Bauteilen
2.2Hydrofügen von Bauteilen
2.3Gewindeträger in Abgassystemen
3Zielstellung
4Versuchswerkstoffe
4.1Bauteilwerkstoffe Hydroclinchen
4.2Bauteilwerkstoff Hydrofügen von Funktionselementen
4.3Werkstoff der Funktionselemente
5Projektergebnisse Hydroclinchen
5.1Numerische Untersuchung zum Fügeprozess
5.1.1FE-Modellierung Hydroclinchen
5.1.2Untersuchung zum Vorlochdurchmesser
5.1.3Untersuchung zum Fasenwinkel
5.2Experimentelle Fügeuntersuchung
5.2.1Versuchswerkzeug
5.2.2Verwendete Probengeometrien
5.2.3Verifikation der FE-Modelle
5.3Festigkeitsermittlung unter quasistatischer Scherzugbelastung
5.3.1Einpunktproben
5.3.2Langlochproben
5.3.3Zweipunktproben
5.3.4Bewertung der Versuchsergebnisse
5.4Festigkeitsermittlung unter quasistatischer Kopfzugbelastung
5.4.1Einpunktproben
5.4.2Langlochproben
5.4.3Zweipunktproben
5.4.4Bewertung der Versuchsergebnisse
5.5Festigkeitsermittlung unter schwingender Belastung
5.6Abbildung der Verbindungssteifigkeit in Ersatzmodellen
5.6.1Modellaufbau
5.6.2Untersuchung des Federmodells
5.6.3Verifizierung des Federmodells
5.7Implementierung des Ersatzmodells
5.7.1Aufbau der Baugruppe
5.7.2Strukturberechnung mit Fügestellenersatzmodell
6Projektergebnisse Hydrofügen von Funktionselementen
6.1Entwicklung von Funktionselementen zur Aufnahme von Lambdasonden
6.1.1Entwurf von Elementgeometrien
6.1.2Lage des Lotdepots im Funktionselement
6.1.3Geometrieoptimierung des Befestigungsabschnittes
6.2Experimentelle Untersuchung
6.2.1Versuchsaufbau und Probengeometrie
6.2.2Hochtemperaturlöten
6.2.3Gasdichtheit der Verbindungen
6.2.4Bewertung der Versuchsergebnisse
6.3Festigkeitsermittlung unter quasistatischer Belastung
6.3.1Prüfvorrichtung für Scher- und Kopfzug
6.3.2Ermittlung der Scherzugfestigkeit
6.3.3Ermittlung der Kopfzugfestigkeit
7Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen
8Literatur
9Anlagen