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EFB-Forschungsbericht Nr. 297

Ermittlung wahrer Kennwerte für geschraubte und stanzgenietete Blechverbindungen unter schlagartiger Belastung

EFB297.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dr.-Ing. Matthias Wißling, Dipl.-Wirt.-Ing. Frederik Klokkers, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF), Universität Paderborn

210 Seiten (sw, 155 teils farbige Abb., 70 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-332-5

Preis (Digital) EUR 69,00

Preis (Print) EUR 77,00

Zusammenfassung

Vor dem Hintergrund des zunehmenden Einsatzes verschiedener Werkstoffe im Rahmen der Mischbauweise haben die mechanischen Fügeverfahren gegenüber den wärmeintensiven thermischen Fügeverfahren an Bedeutung gewonnen. Mit ihnen können artverschiedene Werkstoffe in Mischbauweise gefügt werden, ohne die spezifischen Eigenschaften der Fügeteile zu verändern. Von der Industrie wird hier der Einsatz innovativer Fügeverfahren wie Schrauben mittels loch- und gewindeformender Schrauben oder Stanznieten angestrebt. Mit Hilfe dieser Fügeverfahren wird eine kraft- und formschlüssige Verbindung ohne aufwendige Vorlochoperation realisiert. Loch- und gewindeformende Schrauben haben zudem den Vorteil, dass eine einseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle ausreicht.

Für den effektiven Einsatz dieser innovativen Fügeverfahren auch in crashbelasteten Blechstrukturen fehlen jedoch die notwendigen Kennwerte zur Bewertung der Verbindung. Im Sinne der Wirtschaftlichkeit erfordert eine immer genauere Auslegung von Bauteilen, die Über- und Unterdimensionierungen verhindert, präzise Informationen über das geschwindigkeitsabhängige Verhalten der Fügestellen. Diese Informationen in Form von verifizierten Verbindungskennwerten sind außerdem als Eingangsdaten für die Simulation gefügter Blechstrukturen unter schlagartiger Belastung erforderlich, jedoch für geschraubte und stanzgenietete Verbindungen unter schlagartiger Belastung bisher nicht vorhanden.

Im Rahmen des Projektes wurden umfangreiche Verbindungskennwerte für verschiedene Fügepaarungen unter hohen Belastungsgeschwindigkeiten ermittelt. Dabei wurden die Verformungen der Probe lokal in unmittelbarer Nähe der Fügezone mittels eines optischen Wegmesssystems bestimmt, wodurch die wahre Probenverformung ohne Messwertbeeinflussung durch Maschinensteifigkeit oder Einspannbedingungen ermittelt werden konnte. Die Kraftmessung erfolgte im Rahmen der entwickelten Vorgehensweise ebenfalls lokal in unmittelbarer Nähe der Probe unter Reduzierung von bewegten Massen, wodurch negative dynamische Einflüsse auf das Messsignal entscheidend reduziert werden konnten. Durch diese Vorgehensweise konnte eine Methode zur Bewertung geschraubter und stanzgenieteter Blechverbindungen unter schlagartiger Belastung entwickelt werden, mittels derer das wahre Kraft-Verformungsverhalten und somit wahre und aussagekräftige Verbindungskennwerte ermittelt werden können. Unter Kenntnis des realen Verhaltens der Verbindung in Bezug auf die Bruchkraft, den Bruchweg, die Steifigkeit und die Arbeitsaufnahme werden insbesondere kleine und mittlere Unternehmen in die Lage versetzt, mechanisch gefügte Verbindungen unter schlagartiger Belastung auszulegen bzw. abzuschätzen.

Durch die Vielzahl der ermittelten wahren Kennwerte und deren Einordnung in eine Matrix können die Anwender verschiedene Fügeverfahren (Schraubverbindungen, Stanznietverbindungen) hinsichtlich des Verhaltens unter Stoß- bzw. Crashbelastung bewerten und einordnen, so dass eine gezielte Auswahl des Fügeverfahrens vorgenommen werden kann. Die bereitgestellten Kennwerte ermöglichen eine genaue Auslegung der Blechverbindung und können zusätzlich als Eingangsdaten für die Simulation verwendet werden.

Die im Forschungsprojekt erarbeiteten Ergebnisse sind durch die Sitzungen des Projekt begleitenden Ausschusses, durch Vorträge und Veröffentlichungen ständig der industriellen Gemeinschaftsforschung zur Verfügung gestellt worden. Die Ergebnisse konnten dadurch in industrielle Anwendungen vieler klein- und mittelständischer Unternehmen der Messtechnik und des Prüfmaschinenbaus, aber auch der Softwarehäuser, der Stahl-, Klebstoff- und Automobilfirmen, einfließen.

Das Forschungsvorhaben „Ermittlung wahrer Kennwerte für geschraubte und stanzgenietete Blechverbindungen unter schlagartiger Belastung“ wurde unter der Fördernummer AiF 15184N 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. 297 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1. Einleitung
2. Stand der Technik
2.1. Mechanische Fügeverfahren
2.1.1. Einordnung der Verfahren
2.2. Verarbeitung von Hilfsfügeteilen
2.3. Verbindungstechnologie Schrauben
2.3.1. Metrische Schraube-Mutter-Verbindung
2.3.2. Blechschraube
2.3.3. Direktverschrauben
2.3.4. Bohrschrauben
2.3.5. Gewindeformende Dünnblechschrauben
2.3.6. Loch- und gewindeformende Dünnblechschrauben
2.3.7. Kaltlochformende Dünnblechschrauben (KFS)
2.3.8. Schraubenherstellung
2.3.9. Schraubenbeschichtung
2.3.10. Schraubenmaterial
2.4. Verbindungstechnologie Stanzniet
2.4.1. Halbhohlstanznieten
2.4.2. Vollstanznieten
2.5. Dehnratenabhängiges Materialverhalten
2.6. Grundlagen der plastischen Verformung
2.6.1. Kristallographische Gleitung
2.6.2. Mechanische Zwillingsbildung
2.7. Grundlagen der Verfestigung
2.7.1. Verfestigung von Stahlwerkstoffen
2.7.2. Verfestigung bei Aluminiumwerkstoffen
2.8. Walzrichtungsabhängiges Werkstoffverhalten
3. Zielstellung des Projektes
4. Experimentelle Randbedingungen
4.1. Eingesetzte Hilfsfügeteile
4.2. Versuchswerkstoffe
4.2.1. AlMg0,8Si0,9 in der Blechdicke 1,2mm
4.2.2. AlMg0,8Si0,9 in der Blechdicke 2,0mm
4.2.3. DX52D + Z100 M-A-C
4.2.4. H 340 LAD
4.2.5. DX 54 D
4.3. Probenformen
4.3.1. LWF KS-II Probe
4.3.2. Zugprobe
4.4. Versuchseinrichtung zum Verschrauben
4.4.1. Prozessparameter für die Verschraubung
4.5. Prüfeinrichtungen
4.5.1. Universalprüfmaschine Zwick Z100
4.5.2. Universal Prüfmaschine Nene M 3000
4.5.3. Hochgeschwindigkeitsprüfmaschine Instron VHS 25/20
5. Ergebnisse der experimentellen Voruntersuchungen
5.1. Die lokale und die globale Wegmessung im Vergleich
5.2. Einfluss der Wärmebehandlung auf die Verbindungseigenschaften
5.3. Einfluss des klemmteilseitigen Vorlochens auf den Kraft-Weg-Verlauf unter quasistatischer und schlagartiger Belastung
5.4. Ergebnisse der Dehnratenuntersuchungen
5.4.1. Niedrige Dehnraten im quasistatischen Zugversuch
5.4.2. Höhere Dehnraten im schlagartigen Zugversuch
5.4.3. Diskussion der Ergebnisse
6. Ergebnisse unter quasistatischer Belastung
6.1. Versuchsergebnisse der KS-II Proben mit der Werkstoffkombination AlMg0,8Si0,9 1,2mm x 1,2mm unter quasistatischer Belastung
6.1.1. Vollstanzniet
6.1.2. Fließlochformende Schraube FDS M5 x 20
6.1.3. Kaltlochformende Schraube pfl M5 x 17
6.2. Versuchsergebnisse der KS-II Proben mit der Werkstoffkombination AlMg0,8Si0,9 1,2mm - 2,0mm unter quasistatischer Belastungen
6.2.1. Vollstanzniet
6.2.2. Fließlochformende Schraube FDS M5 x 20
6.3. Versuchsergebnisse der KS-II Proben mit der Werkstoffkombination AlMg0,8Si0,9 2,0mm - 2,0mm unter quasistatischer Belastungen
6.3.1. Vollstanzniet
6.3.2. Fließlochformende Schraube FDS M5 x 20
6.4. Versuchsergebnisse der KS-II Proben mit der Werkstoffkombination DX52D +Z100 M-A-C, t = 0,5mm – 0,5mm unter quasistatischer Belastung
6.4.1. Kaltlochformende Schraube pfl M5 x17
6.4.2. Kaltlochformende Schraube pfl M4 / 2 Gang x 16
6.4.3. Blechschraube ST 4,2 mm DIN ISO 7049
7. Ergebnisse unter schlagartiger Belastung
7.1. Versuchsergebnisse der LWF-KS-II Proben mit der Werkstoffkombination AlMg0,8Si0,9 1,2 mm - 1,2 mm unter schlagartiger Belastung
7.1.1. Vollstanzniet
7.1.2. Kaltlochformende Schraube pfl M5 x 17
7.1.3. Fließlochformende Schraube FDS M5 x 20
7.2. Versuchsergebnisse der LWF-KS-II Proben mit der Werkstoffkombination AlMg0,8Si0,9 in der Dickenpaarung 1,2 mm - 2,0 mm unter schlagartiger Belastung
7.2.1. Vollstanzniet
7.2.2. Fließlochformende Schraube FDS M5 x 20
7.3. Versuchsergebnisse der LWF-KS-II Proben mit der Werkstoffkombination AlMg0,8Si0,9 2,0mm - 2,0mm unter schlagartiger Belastung
7.3.1. Vollstanzniet
7.3.2. Fließlochformende Schraube FDS M5 x 20
7.4. Versuchsergebnisse der LWF-KS-II Proben mit der Werkstoffkombination DX52D +Z100 M-A-C, 0,5mm - 0,5mm unter schlagartiger Belastung
7.4.1. Kaltlochformende Schraube pfl M5 x 17
7.4.2. Kaltlochformende Schraube pfl M4 / 2 Gang x 16 ; t= 1,2 mm - 1,2 mm
8. Zusammenfassung der Ergebnisse
8.1. Vergleich der Versuchsergebnisse bei quasistatischer Belastung für den
Werkstoff AlMg0,08Si0,9
8.1.1. Vergleich der Ergebnisse von vollstanzgenieteten Fügeteilen unterschiedlicher Werkstoffdicke
8.1.2. Vergleich der Ergebnisse mit geschraubten Fügeteilen
8.2. Vergleich der unter schlagartiger Belastung durchgeführten Versuche für den Werkstoff AlMg0,08Si0,9
8.2.1. Vergleich der durch Vollstanzniet gefügten Werkstoffdickepaarungen
8.2.2. Vergleich der Hilfsfügeteile Schrauben
8.3. Vergleich der unter quasistatischer Belastung durchgeführten Versuche für den Stahlwerkstoff DX52D +Z100 M-A-C
8.3.1. Vergleich Hilfsfügteil Schrauben
8.4. Vergleich der unter schlagartiger Belastung durchgeführten Versuche
für den Stahlwerkstoff DX52D +Z100 M-A-C
8.4.1. Vergleich der Hilfsfügeteile Schrauben
8.5. Einfluss der Prüfgeschwindigkeit auf die Kennwerte geschraubter KSII-Proben aus dem Stahlwerkstoff DX52D
8.6. Vergleich statischer und schlagartiger Belastungen der am Aluminiumwerkstoff AlMg0,8Si09 durchgeführten Versuche
8.6.1. Versuche an geschraubten KSII-Proben aus Aluminium
8.6.2. Versuche an stanzgenieteten KSII-Proben aus Aluminium
9. Literaturverzeichnis