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EFB-Forschungsbericht Nr. 294

Erweiterung der Anwendungsgrenzen des Vollstanznietens mit zweiteiligen Matrizen

EFB294.jpg

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

140 Seiten (sw 117 Abb., 28 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-329-5

Preis (Digital) EUR 52,00

Preis (Print) EUR 59,00

Zusammenfassung

Das Vollstanznieten ist ein anerkanntes und eingeführtes, mechanisches Fügeverfahren. Beim konventionellen Vollstanznieten wird mit starren einteiligen Nietmatrizen gearbeitet. Nachteil dabei ist, dass für jede Fügeaufgabe die Größe des Prägeringes der Matrize dimensioniert werden muss, um ein Einformen des Prägeringes während der Stanzphase zu vermeiden. Der Einsatzbereich des Vollstanznietens ist wegen der wirkenden Prozesskräfte, den werkstoffspezifischen Anforderungen an die zu verbindenden Bleche sowie durch prozessbedingte Deformationen der zu fügenden Bleche eingeschränkt.

Ansatzpunkt für eine Verbesserung bzw. Beseitigung dieser negativen Eigenschaften des Verfahrens ist die zweiteilige, axial verschiebbare Ausführung von Prägering und Matrizenring, wodurch eine ebene Auflagefläche beim Stanzen realisiert wird und somit für alle Paarungen mit einer einheitlichen und geringen Prägeringbreite gearbeitet werden kann. Die Eigenschaften dieser geteilten Matrizen im Vergleich mit der konventionellen Matrize wurden in diesem Forschungsvorhaben für die Ausführungen M-Matrize (Absenken des Matrizenringes nach der Stanzphase) und P-Matrize (vorgespannter Matrizenring) erörtert.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen deutlich die Vorteile der geteilten Matrizen vor allem beim Verbinden von verschiedenen Werkstoffen mit deutlichen Festigkeitsunterschieden. Die konventionelle Fügerichtung „weich in fest“ ist vor allem bezüglich der erforderlichen Prozesskräfte ungünstig. Durch die Realisierung kleinerer Prägeringbreiten bei den geteilten Matrizen können für die Fügerichtung „fest in weich“ klare Vorteile bezüglich der Fügekraft und des Deformationsverhaltens der Bleche gegenüber der konventionellen Matrize bei vergleichbaren Verbindungsfestigkeiten generiert werden. Ein weiterer wesentlicher Vorzug der geteilten Matrizen ist der universelle Einsatz, welcher durch die Verwendung von Mehrbereichsnieten noch verstärkt wird. Diesbezüglich sollten jedoch die Nietformen in Hinblick auf gleiche erforderliche Prägetiefen noch angepasst sowie die Abrissbreite des stempelseitigen Butzens minimiert werden.

Durch den Einsatz geteilter Matrizen ergeben sich somit wesentlich günstigere technologische Bedingungen und erweiterte Anwendungsbereiche für das Vollstanznieten, wobei vor allem die M-Matrize mit ihrer großen Fügekraftreduzierung hervorzuheben ist. Die höheren Aufwendungen bei der Beschaffung einer zweiteiligen Matrize relativieren sich dabei durch die technologischen Vorzüge des Verfahrens.

Das Forschungsvorhaben „Erweiterung der Anwendungsgrenzen des Vollstanznietens mit zweiteiligen Matrizen“ wurde unter der Fördernummer AiF 14885BR 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. 294 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Punch riveting with solid rivets is an admitted technology in joining by forming of metallic workpieces. Conventional this technology workes with a rigid anvil. This causes the disadvantage of dimensioning the width of the coining ring separately for every single joining task to avoid a prematurely coining during the stamping stage. Additional the operating range of solid punch riveting is restricted by the process forces, the specific material requirements and the deformation of the sheets due to the joining process.

The starting point for improvement respectively for the removal of these negative properties is the two-parted design of the anvil.

Thus there can be realized a plane surface of coining ring and anvil ring during the stamping process. So an equal coining ring can be used for all joining tasks. In this research project the attributes of partitioned anvils in comparison with the state-of-the-art anvil were investigated. For that the M-Anvil (lower the anvil ring after stamping) and the P-Anvil (pre-tensioned anvil ring) were tested.

The analyses show the advantages of the partitioned anvils especially in joining of different materials with distinct differences in strength. Referring to the process forces the conventional joining direction “soft in firm” is adverse. Through the realisation of distinctly smaller coining rings by using the partioned anvils clear benefits in process forces and deformation with the joining direction „firm in soft“ can be generated. The strength of the joints made with the two-parted anvils and the conventional anvil are equal. Another advantage ist the universal use of the new anvils above all by the use of multi-zone punch rivets. Regarding this the geometry of the rivets should be improved particularly for equal required coining depth and the avoidance of the described demolition problem.

The use of two-parted anvils effects essential convenient technological conditions and an extended range of application of solid punch riveting. Especially the M-Anvil is characterized by a huge reduction of process forces. The more expansive tools of the system „two-parted anvil“ will be relativized by the technological benefit of this technology.

Inhalt

1 Abkürzungsverzeichnis
2 Verzeichnis der Formelzeichen
3 Einleitung und Zielsetzung
4 Stand der Technik
4.1 Fügen durch Umformen
4.2 Stanznieten
4.2.1 Halbhohlstanznieten
4.2.2 Vollstanznieten
5 Vollstanznieten mit geteilter Matrize
5.1 Optimierungsbedarf beim konventionellen Vollstanznieten
5.2 Verfahrensprinzip Vollstanznieten mit geteilter Matrize
5.3 Technische Realisierung der geteilten Matrize
5.3.1 Matrizenbezeichnung
5.3.2 M-Matrize – Matrizenring absenken
5.3.3 P-Matrize – Prägering anheben
6 Versuchsrandbedingungen
6.1 Blechwerkstoffe
6.2 Vorgehensweise und Versuchsprogramm
6.3 Niete
6.4 Matrizengeometrie
6.5 Probenformen
6.6 Setz- und Prüfeinrichtungen
7 Prozessparameter Blechdickenpaarung 1 (2,0 mm + 2,0 mm)
7.1 Allgemeine Hinweise Kraft- / Druckeinstellung
7.2 Stanzkräfte
7.3 Prägeringdimensionierung starre Matrize
7.4 Prägeringdimensionierung geteilte Matrizen
7.5 Dimensionierung des Federpaketes der P-Matrize
7.6 Fügekräfte
7.6.1 Vorgehensweise
7.6.2 Fügekräfte Starre Matrize
7.6.3 Fügekräfte M-Matrize
7.6.4 Fügekräfte P-Matrize
7.7 Vergleich der Fügekräfte
8 Prozessparameter Blechdickenpaarung 2 (1,5 mm + 1,5 mm)
8.1 Allgemeine Hinweise
8.2 Stanzkräfte
8.3 Prägeringdimensionierung starre Matrize
8.4 Dimensionierung geteilte Matrizen
8.5 Fügekräfte
8.5.1 Fügekräfte Starre Matrize
8.5.2 Fügekräfte M-Matrize
8.5.3 Fügekräfte P-Matrize
8.6 Vergleich der Fügekräfte
9 Prozessparameter Mehrbereichsniete
10 Festigkeitsuntersuchungen
10.1 Quasistatische Zugversuche
10.2 Ermüdungsversuche
11 Deformation
12 Vergleich Starre und Geteilte Matrize
13 Zusammenfassung und Ausblick
14 Literatur- und Quellenverzeichnis
15 Abbildungsverzeichnis
16 Tabellenverzeichnis
17 Anlagen