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EFB-Forschungsbericht Nr. 284

Untersuchung technologischer Grundlagen zum Fügen durch Querdurchsetzen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Matthes, Dipl.-Ing. André Hälsig, Institut für Fertigungstechnik/Schweißtechnik, Technische Universität Chemnitz

110 Seiten (sw 79 Abb., 8 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-318-9

Preis (Digital) EUR 52,00

Preis (Print) EUR 59,00

Zusammenfassung

Das im Rahmen dieses Forschungsvorhabens zu untersuchende Verfahren des „Querdurchsetzens“ bietet eine einfache Möglichkeit, Profile und profilierte Bleche einseitig zu fügen. Es wird ohne Verwendung eines zusätzlichen Verbindungselementes sowie ohne thermische Beeinflussung der Bauteile durchgeführt. Das Fügen von beschichteten Bauteilen ist prinzipiell ohne Beschädigung der Oberfläche möglich. Das Querdurchsetzen besitzt eine kraft- und formschlüssige Verbindungscharakteristik. Durch die Ausbildung eines Hinterschnittes werden die Freiheitsgrade der zu verbindenden Bauteile eingeschränkt.

In diesem Projekt wurden die konstruktiven, werkstofflichen und verfahrenstechnischen Voraussetzungen und Grenzen ermittelt sowie wesentliche Qualitätsmerkmale herausgearbeitet, um dieses Verfahren prozesssicher einsetzen zu können. In einem Anwendermerkblatt werden die technologischen Parameter des Querdurchsetzens für die untersuchten Werkstoffe, Werkstück- und Werkzeuggeometrien zusammengefasst.

Es musste jedoch bei der Analyse handelsüblicher Profile festgestellt werden, dass eine Anwendung auf Grund deren Geometrie und Bruchdehnung nicht möglich ist, weshalb eine vereinfachte Nutgeometrie genutzt wurde. Dazu wurden zunächst verschiedene Formen per FEM-Analyse untersucht, wobei sich eine Nut der Breite b=10 mm und Tiefe l=14 mm als vorteilhaft herausstellte.

Dazu wurden verschiedene Werkstoffe (DC01+ZE; DX 51D+PE, AlMg3 und X5CrNi1810) und Materialstärken (t=0,75 mm bis t=1,25 mm), sowie deren Kombinationen untersucht. Als Ergebnis dessen konnten Scherzugfestigkeiten bis F=7300 N (DC01+ZE; 4 Fügepunkte Abstand 30 mm), mit Klebstoff sogar bis knapp F=19000 N, sicher übertragen werden. In Kopfzugrichtung ist es bei den verwendeten Profilen möglich bis zu F=1300 N (AlMg3 in DC01+ZE; 2 Fügepunkte Abstand 50 mm), mit Klebstoff F=3800 N, ohne Versagen der Verbindung zu erzielen.

Die erreichbaren Festigkeiten sind stark von der Steifigkeit des Profils abhängig, wodurch die Profillänge, der Werkstoff und die Materialstärke einen großen Einfluss ausüben. Das heißt die Nut eines längeren Profils wird beim Fügen weniger aufgeweitet, wodurch die bleibende plastische Verformung um den Fügepunkt höher ist. In ähnlichem Maße kann durch ein Werkzeug mit größerer Exzentrizität, verbesserter Geometrie und Oberfläche die Festigkeit gesteigert werden. Aber auch die Fügepunktanzahl und deren Abstand bewirken große Unterschiede bei der Untersuchung der Belastungsfähigkeit der Verbindungen.

Als werkstoffliche Grenze konnte ermittelt werden, dass eine Mindestbruchdehnung von 10% (A80) nötig ist, um den Fügepunkt ohne Schneidanteil ausprägen zu können.

Das Forschungsvorhaben „Untersuchung technologischer Grundlagen zum Fügen durch Querdurchsetzen“ wurde unter der Fördernummer AiF 14915BR/1 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. 284 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Kurzfassung
Kurzzeichenverzeichnis
1 Ausgangssituation
2 Zielstellung der Untersuchungen
3 Stand der Forschung und Technik
3.1 Verfahren zum Fügen durch Umformen
3.1.1 Clinchen
3.1.2 Stanznieten
3.1.3 Linienförmiges Fügen
3.2 Kleben
3.3 Hybridverfahren
4 Querdurchsetzen
4.1 Vorstellung des Verfahrens
4.1.1 Verfahrensprinzip Querdurchsetzen
4.1.2 Vorteile des Querdurchsetzens
4.2 Analyse fügbarer Werkstückgeometrien
4.2.1 Analyse verschiedener Profilgeometrien
4.2.2 Beschreibung der verwendeten Profilgeometrie
4.3 Entwicklung eines Werkzeugkonzeptes
4.3.1 Allgemeines
4.3.2 Darstellung und Beschreibung des Werkzeugs
4.4 Prozessbeschreibung mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode
4.5 Verfahrensgrenzen fügbarer Werkstoffe und Werkstückdicken
4.6 Versuchsdurchführung
5 Untersuchung der technologischen Parameter
5.1 Allgemeines
5.2 Einfluss des Drehmomentes
5.2.1 Verdrehwinkel
5.2.2 Fügepunktanzahl
5.2.3 Profillänge
5.2.4 Fügepunktabstand
5.3 Einfluss der Excentergeometrie auf das Drehmoment
5.3.1 Exzentrizität
5.3.2 Form des Excenters
5.4 Einfluss des Werkstoffs auf das Drehmoment
5.4.1 Allgemeines zur Werkstoffauswahl
5.4.2 Werkstoff DX 51D mit einseitiger Polyesterbeschichtung
5.4.3 Werkstoff AlMg3 (EN AW-5754)
5.4.4 Werkstoff Edelstahl (1.4301)
5.5 Einfluss der Werkstoffpaarungen und der Materialstärke auf das Drehmoment
5.5.1 Allgemeines
5.5.2 Werkstoffpaarungen von AlMg3 (t=1,25mm) und DC01+ZE (t=1,25mm)
5.5.3 Werkstoffpaarungen von AlMg3 (t=1,25mm) und DC01+ZE (t=1,00mm)
5.6 Einfluss der Anzahl der profilierten Bleche auf das Drehmoment
5.6.1 Allgemeines
5.6.2 Drei-Blech-Verbindung von DC01+ZE
5.6.3 Drei-Blech-Verbindung von DX 51D+PE-Beschichtung
5.7 Begründung der Steigerung des Drehmoments durch die Fügepunktanzahl
5.8 Einfluss von Schmierpaste auf das Drehmoment
5.9 Hybridverbindungen mit Klebstoff
5.9.1 Allgemeines zur Klebstoffproblematik
5.9.2 Einfluss des Klebstoffs auf das Drehmoment
5.10 Herstellung von Eckverbindungen
5.11 Zusammenfassung der Beeinflussungsfaktoren des Querdurchsetzens
6 Bewertung von Querdurchsetzverbindungen
6.1 Visuelle Bewertung
6.1.1 Allgemeines
6.1.2 Einfluss der Exzentrizität und des Fügepunktabstandes
6.2 Metallographische Untersuchungen
6.2.1 Allgemeines
6.2.2 Einfluss der Exzentrizität
6.2.3 Einfluss der Blechanzahl
6.2.4 Innenseite der Querdurchsetzverbindung
6.2.5 Einfluss von Klebstoff
6.3 Quasistatischer Scherzugversuch
6.3.1 Prüfverfahren und Probenformen
6.3.2 Prüfergebnisse
6.3.2.1 Werkstoff DC01+ZE
a) Einfluss der Fügeparameter
b) Einfluss der Profillänge
6.3.2.2 Werkstoff DX 51D mit einseitiger Polyesterbeschichtung
6.3.2.3 Werkstoff AlMg3
6.3.2.4 Werkstoff Edelstahl (1.4301)
6.3.2.5 Einfluss der Werkstoffpaarungen und der Materialstärke
a) Werkstoffpaarungen von AlMg3 (t=1,25 mm) und DC01+ZE (t=1,25 mm)
b) Werkstoffpaarungen von AlMg3 (t=1,25 mm) und DC01+ZE (t=1,00 mm)
6.3.2.6 Einfluss der Anzahl der profilierten Bleche
a) Drei-Blech-Verbindung von DC01+ZE
b) Drei-Blech-Verbindung von DX 51D+PE-Beschichtung
6.3.2.7 Einfluss von Klebstoff
6.3.3 Prüfergebnisse Scherzug quer der Nut
6.3.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der Scherzugfestigkeit
6.4 Quasistatischer Kopfzugversuch
6.4.1 Prüfverfahren und Probenformen
6.4.2 Prüfergebnisse
6.4.2.1 Werkstoff DC01+ZE
6.4.2.2 Werkstoff DX 51D mit einseitiger Polyesterbeschichtung
6.4.2.3 Werkstoff AlMg3
6.4.2.4 Werkstoff Edelstahl (1.4301)
6.4.2.5 Einfluss der Werkstoffpaarungen und der Materialstärke
a) Werkstoffpaarungen von AlMg3 (t=1,25 mm) und DC01+ZE (t=1,25 mm)
b) Werkstoffpaarungen von AlMg3 (t=1,25 mm) und DC01+ZE (t=1,00 mm)
6.4.2.6 Einfluss der Anzahl der profilierten Bleche
a) Drei-Blech-Verbindung von DC01+ZE
b) Drei-Blech-Verbindung von DX 51D+PE-Beschichtung
6.4.2.7 Einfluss von Klebstoff
6.4.3 Zusammenfassung der Ergebnisse der Kopfzugfestigkeit
6.5 Korrosionsuntersuchung
6.5.1 Allgemeines
6.5.2 Werkstoff DC01+ZE
6.5.3 Werkstoff DX 51D+PE
6.6 Schwingfestigkeitsuntersuchung
7 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Anlagen
Anwendermerkblatt