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EFB-Forschungsbericht Nr. 258

Grundlagenuntersuchungen zum neuen Fügeverfahren matrizenloses Nietclinchen mit überlagerter Bewegung

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

117 Seiten (sw 91 Abb., 6 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-218-2

Preis (Digital) EUR 52,00

Preis (Print) EUR 58,90

Zusammenfassung

Das neue Fügeverfahren Matrizenloses Nietclinchen wird mit einem flachen Amboss als Gegenwerkzeug durchgeführt. Das Fügen erfolgt ohne Vorloch und ohne Einrichtaufwand. Durch die Überlagerung der linearen Stempelbewegung mit einer Taumelbewegung können die Fügekräfte deutlich reduziert werden.

Potentielle Einsatzgebiete, in denen die Anwendung des Matrizenlosen Nietclinchens im Vergleich zu den bisher eingesetzten matrizenbasierten Verfahren besondere Vorteile bietet, liegen überall dort, wo bei herkömmlichen Umformfügeverfahren durch die Anwendung einer konturierten Matrize Probleme bestehen. So weist das Verfahren beispielsweise besonders für Verbindungen Vorteile auf, deren Herstellung C-Bügel mit großen Ausladungen erfordern und die mit der herkömmlichen Technologie nur mit unverhältnismäßigem Aufwand fügbar sind. Vorteilhaft ist auch, dass beim Matrizenlosen Nietclinchen beim Wechsel der Fügeaufgabe kein Wechsel der Werkzeuge (Stempel, Niederhalter, Amboss) notwendig ist, so dass durch den Einsatz dieses neuen Verfahrens im Vergleich zu herkömmlichen Fügetechnologien große Einsparungspotentiale bezüglich der Senkung des Aufwandes für Matrizenverwaltung, Matrizenwechsel und Maschineneinrichtung erschlossen werden können.

In Untersuchungen an ausgewählten Fügepaarungen wurde der Einfluss relevanter Prozessparameter und nietspezifischer Größen auf die Verbindungsherausbildung beim Matrizenlosen Nietclinchen untersucht. Mit Hilfe von umfangreichen Versuchsreihen und unterstützenden FEM-Simulationsrechnungen gelang es die Herausbildung der Fügestellen zu durchdringen und die Einflüsse wichtiger Parameter zu analysieren. Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse können helfen, auch Niete und Fügeprozesse für Verbindungen bisher noch nicht untersuchter Fügepaarungen auszulegen.

Die Grenzen des Matrizenlosen Nietclinchens bezüglich der fügbaren Paarungen wurden herausgearbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass das Verfahren für das Fügen von Partnern gleicher Dicke und für das Fügen von Partnern ungleicher Dicke mit stempelseitiger Anordnung des dünneren Fügepartners besonders geeignet ist. Es können sowohl Fügepartner gleicher Werkstoffe als auch Fügepartner unterschiedlicher Werkstoffe gefügt werden, wobei beim Fügen unterschiedlicher Werkstoffe die stempelseitige Anordnung des Fügepartners aus dem festeren Werkstoff vorteilhaft ist.

In exemplarischen vergleichenden Festigkeitsuntersuchungen wurde festgestellt, dass die Scherzugfestigkeiten matrizenlos nietgeclinchter Verbindungen sowohl unter quasistatischer als auch unter schwingender Beanspruchung deutlich über den Festigkeiten vergleichbarer Halbhohlstanznietverbindungen liegen. Die Kopfzug- und Schälzugfestigkeiten matrizenlos nietgeclinchter Verbindungen liegen etwas über denen von Clinchverbindungen. Die Werte von Halbhohlstanznietverbindungen werden hier nicht erreicht. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Matrizenlose Nietclinchen unter technologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine Alternative zu herkömmlichen Fügeverfahren mit Matrize sein kann.


Das Forschungsvorhaben „Grundlagenuntersuchungen zum neuen Fügeverfahren matrizenloses Nietclinchen mit überlagerter Bewegung“ wurdeunter der Fördernummer AiF 13967BR 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. 258 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Summary

Dieless rivet clinching is a new joining method working with a flat anvil as a counter tool. The joining process requires neither predrilled holes nor special machinery set-ups. By superimposing the straight movement of the punch with a wobble movement a noticeable reduction of the necessary joining force can be reached.

Potential application areas, where the use of the dieless rivet clinching is of special advantage compared to conventional joining methods, are those where the contoured die used in the conventional joining methods is causing problems. For example in tasks where joining equipment with a wide outreach is required, the realization of a proper alignment between the contoured die and the punch in conventional joining methods is very costly. As the counter tool in dieless rivet clinching is a flat anvil misalignments do not affect the formation of the joint. Also advantageous in dieless rivet clinching is the fact, that a change of the joining task does not require a change of the joining tools for all possible joining operations are done with the same flat anvil. Thus huge savings can be made as there are no or only little costs for purchasing, storing, changing and aligning the joining tools.

For selected joining tasks the influence of relevant process parameters and characteristics of the rivet on the formation of the joint in dieless rivet clinching was investigated. Through extensive experiments and supporting FEM-calculations the principle of the formation of the joint and the effects of important parameters have been analyzed in detail. The general knowledge acquired in the research project can help to choose the right rivets and process parameters even for joining tasks, that have not been researched yet.

The limits concerning the tasks that can be joined with the dieless rivet clinching have been profoundly researched. It was found that the joining of sheets with a similar thickness is feasible. The same is true for the joining of sheets with a different thickness as long as the thinner sheet is positioned on the rivet side and the thicker sheet is positioned on the anvil side. It is possible to join sheets of the same material as well as sheets of different materials. If sheets of different materials are to be joined the positioning of the sheet with the higher strength on the rivet side has proven to be advantageous.

For a selected joining task the strength values of dieless rivet clinched joints where tested and compared to the strength values of joints similar in size, that where made by conventional joining methods using a contoured die. The results show, that dieless rivet clinched joints under both static and cyclic shear tension load have considerably higher strength values than self-pierce riveted joints. On the other hand the peel tension strength and the head tension strength values of dieless rivet clinched joints are only slightly higher than the values of clinched joints. The peel tension strength and the head tension strength values of self-pierce riveted joints are noticeably higher. It could be shown, that the dieless rivet clinching is a joining method that in respect to both technological and economical aspects can be a substitution for conventional joining methods using a contoured die.

Inhalt

Kurzzeichenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Verfahrensprinzipe vorlochfreier Umformfügeverfahren mit Matrize
2.1.1 Clinchen
2.1.2 Nietclinchen
2.1.3 Stanznieten
2.1.4 Vergleich der vorlochfreien Umformfügeverfahren mit Matrize
2.2 Bekannte matrizenlose Umformfügeverfahren
2.2.1 Einstufig erzeugte Flachpunkte
2.2.2 Halbhohlstanznieten mit flachem Gegenwerkzeug
2.2.3 Vorteile und Restriktionen der bekannten matrizenlosen Verfahren
3 Problemstellung und Zielsetzung
4 Matrizenloses Nietclinchen
4.1 Vorstellung des Verfahrens
4.1.1 Verfahrensprinzip
4.1.2 Vorteile
4.2 Versuchseinrichtung
4.2.1 Maschinen und Werkzeuge
4.2.2 Verwendete Niete und Nietherstellung
4.3 Prozessbeschreibung mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode
4.3.1 Simulationsmodell
4.3.2 Analyse der Verbindungsherausbildung
5 Einflussfaktoren auf die Herausbildung der Verbindung
5.1 Einfluss von Nietgeometrie und Niethärte
5.1.1 Versuche mit taillierten Nieten
5.1.2 Versuche mit Nieten mit konturierter Stirnfläche
5.1.3 Vergleichende FEM-Simulationsrechnungen
5.1.4 Einfluss der Kantengestaltung
5.1.5 Optimale Nietgeometrie
5.2 Einfluss der Prozessparameter
5.2.1 Niederhalterkraft
5.2.2 Fügekraft und Anteil der Bewegungsüberlagerung
5.2.3 Anzahl der Überwalzungen
6 Mögliche Einsatzbereiche und Grenzen
6.1 Festigkeit fügbarer Bleche
6.2 Dicke fügbarer Bleche
6.3 Empfehlungen zur vorteilhaften Verbindungsauslegung
7 Technischer und wirtschaftlicher Vergleich
7.1 Technischer Vergleich
7.1.1 Vergleich der Verbindungsherausbildung
7.1.2 Vergleich der Verbindungsfestigkeiten
7.2 Wirtschaftlicher Vergleich
7.3 Zusammenfassende Bewertung
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Literatur
10 Anlagen