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EFB-Forschungsbericht Nr. 299

Clinchen mit Keramikwerkzeugen zur Verminderung der Oberflächenbeschädigung beim Fügen von endlackierten Aluminiumblechen

EFB299.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Claus-Peter Eckold, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) Leibniz Universität Hannover - PD Dr.-Ing. habil. Jürgen Dieter Schnapp, Dr. Anja Hunger, Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie (IMT) Friedrich-Schiller-Universität Jena

142 Seiten (sw, 107 teils farbige Abb., 27 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-334-9

Preis (Digital) EUR 55,00

Preis (Print) EUR 62,00

Zusammenfassung

Clinchen wird als Verfahren zum Verbinden von Blechen in der blechverarbeitenden Industrie inzwischen in den unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Ziel dieses Forschungsprojekts ist durch den Einsatz von Keramikclinchwerkzeugen die Oberflächenschädigung beim Clinchen zu reduzieren. Hierdurch kann in Verbindung mit dem Einsatz von vor- und möglichst endlackiertem Aluminiumblech die Prozesskette auf die Operationen Umformen und Fügen beschränkt werden. Untersuchungsziel ist insofern das Clinchwerkzeug zur Vermeidung von Oberflächenbeschädigungen dem Blechzustand anzupassen.

Zunächst wurde am IMT neben dem Standardwerkzeugstahl der Firma Eckold eine Keramik (Zirkonoxid) und ein Hartmetall (GM20F) als alternative Werkzeugwerkstoffe zum Clinchen ausgewählt. Die Teilkeramik- und Teilhartmetallwerkzeuge wurden am IMT zusammengefügt.

Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde eine geeignete Presspassung und die Ausdrückkraft zum Entfernen des Stifts bestimmt. Die drei verschiedenen Werkzeugwerkstoffe wurden in bis zu vier unterschiedlichen Stempelgeometrien und bis zu drei unterschiedlichen Rauhigkeiten auf ihre Auswirkung auf die Lackschädigung sowie auf die Verbindungseigenschaften der Clinchpunkte hin untersucht.

Die Fügeversuche zur Bestimmung der günstigsten Werkzeugvariante bezüglich Lackschädigungsreduzierung wurden am IFUM mit der AlMgSi Legierung Ac-170 in einer Blechdicke von s0 = 1,0 mm einseitig beschichtet mit PE 134 und unbeschichtet durchgeführt.

Es stellte sich heraus, dass die günstigste Werkzeugvariante bezüglich Lackschädigung zu geringe quasistatische Schälzugkräfte aushält, so dass die eigentlich zweitbeste Variante Geometrie V1, aus Zirkonoxid mit einer Rauhigkeit von Ra = 0,03 ?m als Grundlage für die Versuche zur Bestimmung der besten Beschichtung und des besten (selbstverflüchtigen) Trennmittel genutzt wurde. Als beste Beschichtungen in diesem Projekt haben sich PE 134 und BASF 0734 herausgestellt. Die eingesetzten Trennmittel konnten bei PE 134 keine Verbesserung der Lackschädigung gegenüber dem Clinchen ohne Trennmittel liefern Exemplarisch wurden noch Dauerschwing- und Schlagscherzugversuche für Scherzugproben durchgeführt sowie Korrosionsuntersuchungen und Dauerfügeversuche durchgeführt.

Den Gebrauchstauglichkeitstest mit 2.000 Clinchpunkten haben die gewählten Werkzeuge ohne äußerlich sichtbare Verschleißerscheinungen überstanden.

Das Forschungsvorhaben „Clinchen mit Keramikwerkzeugen zur Verminderung der Oberflächenbeschädigung beim Fügen von endlackierten Aluminiumblechen“ wurde unter der Fördernummer AiF 14843BG 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. 299 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich

Inhalt

1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation und Problemstellung.
1.2 Ziel des Forschungsvorhabens
2 Stand der Technik
2.1 Clinchen
2.2 Clinchen von beschichtetem Aluminiumblech
2.2.1 Beschichtetes Blech
2.2.2 Herstellung, Aufbau und Einsatz von Lackschichten auf Aluminiumsubstrat nach dem Coil Coating Verfahren
2.2.3 Bewertung von Lackschäden .
2.2.4 Reduzierung der Lackschädigung beim Clinchen
3 Angestrebte Forschungsergebnisse und Arbeitsschritte zur Problemlösung
3.1 Angestrebte Forschungsergebnisse .
3.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse .
3.3 Zeitplan mit Arbeitspunkten
3.3.1 Werkzeuggestaltung unter Einsatz von Keramik .
3.3.2 Reibwertermittlung Keramik – Blech
3.3.3 Fertigung der keramischen Fügewerkzeuge
3.3.4 Fügeversuche
3.3.5 Untersuchung der Fügepunktqualität .
3.3.6 Korrosionsuntersuchungen .
3.3.7 Ausgewählte Werkzeugherstellung und Oberflächencharakterisierung für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit im Dauerfügeversuch
3.3.8 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit.
3.3.9 Schadensanalyse an den Werkzeugen.
3.3.10 Dokumentation der Ergebnisse.
4 Forschungsarbeiten und Ergebnisse.
4.1 Werkzeuggestaltung unter Einsatz von Keramik
4.2 Fertigung der keramischen Fügewerkzeuge.
4.2.1 Auswahl der Passungen
4.2.2 Bestimmung des Innendurchmessers der metallischen Grundkörper
4.2.3 Bestimmung des Durchmessers der Keramik- sowie Hartmetallstifte
4.2.4 Stempelstiftformen
4.2.5 Rauhigkeit
4.2.6 Gefügte Paarungen .
4.2.7 Lichtmikroskopische Aufnahmen hergestellter Teilkeramikwerkzeuge .
4.2.8 Gefügte Paarungen .
4.2.9 Lichtmikroskopische Aufnahmen hergestellter Hartmetallwerkzeuge
4.2.10 Ausdrückversuche
4.3 Fügeversuche
4.4 Untersuchung der Fügepunktqualität
4.5 Korrosionsuntersuchungen .
4.6 Gebrauchstauglichkeitstest und Schadensanalyse an den Werkzeugen
5 Zusammenfassung und Ausblick
6 Literaturverzeichnis
7 Abbildungsverzeichnis
8 Tabellenverzeichnis