Numerische und experimentelle Untersuchung von Setzprozessunregelmäßigkeiten bei Schließringbolzensystemen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dipl. Wirt.-Ing. (EWE) Normen Fuchs, M.Sc. Thomas Nehls, Fraunhofer-Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik – Prof. Dr.-Ing. Dirk Landgrebe, Dipl.-Ing. Thomas Kropp, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz
146 Seiten - 73,00 EUR (sw, 127 teils farbige Abb., 26 Tab.)
ISBN 978-3-86776-473-5
Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde ein Konzept zur Qualitätssicherung von Schließringbolzenverbindungen durch Überwachung des Setzprozesses anhand der Kenngrößen Setzweg und Setzkraft erarbeitet.
Hierzu wurde zunächst die Prozessfähigkeit ausgewählter Schließringbolzen-Systeme durch eine analytische Betrachtung der natürlichen Streubreite der Prozesskurven untersucht. Im nächsten Schritt wurden die Auswirkungen typischer Setzprozessunregelmäßigkeiten sowohl auf die Prozesskurve als auch auf das Tragverhalten der Verbindung numerisch ermittelt und mit experimentellen Daten abgeglichen. Hierbei konnten für typische Unregelmäßigkeiten charakteristische Bereiche der Prozesskurve identifiziert und spezifische Auswertungsfenster vorgeschlagen werden. Deren Implementierung ermöglicht eine über den derzeitigen Stand der Technik hinausgehende, erweiterte On-Line-Prozessüberwachung. Eine erweiterte Prozessüberwachung kann zusätzlich zu der bislang üblichen einfache Plausibilitätsprüfung zur gezielten Fehlerdiagnose eingesetzt werden. Weiterhin ist es durch die Kenntnis des charakteristischen Einflusses der Unregelmäßigkeiten auf das Tragverhalten möglich, den Produktionsprozess nur bei tatsächlich kritischen Fehlern zu unterbrechen und so zeit- und kostenintensive Nacharbeit zu verringern.
Hierbei lag zur Verringerung des experimentellen Aufwands ein besonderes Augenmerk auf dem Einsatz der numerischen Simulation zur automatisierten Generierung der Prozesskurven, die die realen Schwankungsbreiten des natürlichen Setzprozesses widerspiegeln sollen. In Verbindung mit einer Sensitivitätsanalyse sollten die wichtigsten Einflussgrößen auf die Verbindungsqualität ermittelt werden. Hierdurch können die Abläufe zur Einrichtung einer Fügeaufgabe in kmU optimiert werden, da lediglich die Verifizierung der numerisch ermittelten Setzprozesskurve durchgeführt werden muss.
Anforderungen an Verbindungselemente, Verarbeitungsgeräte und Setzprozessüberwachung zur Vermeidung und Identifizierung von Setzprozessfehlern wurden im Rahmen eines Fallklassenkonzepts zusammengefasst, das dem Anwender eine qualitätsgerechte Konzeptionierung von SRB-Montageprozessen ermöglicht.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Numerische und experimentelle Untersuchung von Setzprozessunregelmäßigkeiten bei Schließringbolzensystemen" wurde unter der Fördernummer AiF 17703BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 426 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Abstract
In the context of this research project a concept for quality assurance of lockbolts connec-tions by monitoring the installation process was developed using the parameters installation path and installation force.
For this purpose, initially the process capability of selected lockbolt systems was examined by an analytical consideration of the natural scatter of the installation curves. Next, the effects of typical installation process irregularities were compared both to the process curve as well as on the bearing behavior of the joined connection determined numerically and with experimental data. From this it was possible to identify some ranges of the installation curve which were effected by installation process irregularities and specific evaluation window are derived. Their implementation enables advanced On-Line - Process monitoring. An advanced process monitoring can be used in addition to the previously customary simple plausibility check for the specific failure diagnosis. Furthermore it is possible by knowledge of the characteristic influence of the irregularities on the bearing behavior, to interrupt the manufacturing process only on the occurrence of critical errors, thus reducing time and cost intensive rework.
To reduce the experimental effort special attention was payed to the use of numerical simulation for the automated generation of installation curves to reflect the natural scatter ranges of the real installation process. In conjunction with a sensitivity analysis, the most important influencing variables on the bearing capacities of the joined connection should be identified. Thereby, the procedures for setting up a joining task in SMEs can be optimized, as only the verification of numerically determined installation curves needs to be performed.
Requirements for fasteners, installation equipment and installation process monitoring for the prevention and identification of installation process irregularities have been summarized in the context of a case class concept, which allows the user quality-oriented conception of lockbolt installation processes.
The aim of the project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Zielstellung des Forschungsvorhabens
3 Stand der Technik
3.1 Prozessüberwachung mechanischer Fügeverfahren
3.1.1 Schraubenüberwachungssysteme
3.1.2 Prozessüberwachung des Schließringbolzensetzprozesses
3.1.3 Prinzip der On-Line-Prozessüberwachung
3.2 FEM-Simulation und Sensitivitätsanalyse
3.2.1 Numerische Simulation von Schließringbolzensetzprozessen
3.2.2 Sensitivitätsanalyse
3.3 Zusammenfassende Bewertung des Stands der Technik
4 Betrachtungsgegenstand
5 Prozesskurvengenerierung
5.1 Ermittlung der charakteristischen Prozesskurve durch experimentelle Versuche
5.1.1 Gegenüberstellung der Messmethoden zur Erfassung der Prozessgrößen
5.1.2 Einrichtung einer Prozessüberwachung
5.1.3 Experimentelle Prozesskurvencharakteristik
5.2 Ermittlung der charakteristischen Prozesskurve mit Hilfe der FEM
5.2.1 Werkstoffcharakterisierung
5.2.2 Optische Geometrieermittlung
5.2.3 Simulationsmodelle
5.2.4 Sensitivitätsanalyse
6 Prozessunregelmäßigkeiten bei Schließringbolzensystemen
6.1 Charakteristische Auswirkungen von Setzprozessunregelmäßigkeiten
6.1.1 Variation des Klemmbereichs
6.1.2 Variation des Vorlochdurchmessers
6.1.3 Verdrehtes Aufsetzen des Schließrings
6.1.4 Verwendung eines falschen Mundstücks
6.1.5 Kombination von Systemelementen verschiedener Hersteller
6.2 Vergleich mit der numerischen Simulation
6.3 Definition von Bewertungsfenstern für eine gezielte Fehlerdiagnose
7 Fallklassenkonzept für Schließringbolzensysteme
7.1 Definition der Verbindungsklassen
7.2 Anforderungen an Setzgeräte
7.2.1 Klasse I: Sicherheitskritische Verbindung
7.2.2 Klasse II: Funktionskritische Verbindungen
7.2.3 Klasse III: Ästhetische / Kundenkritische Verbindungen
7.2.4 Definition der erforderlichen Messsensorik
7.2.5 Kalibrier- und Wartungsintervalle
7.3 Anforderungen an SRB-Systeme
7.3.1 Allgemeine Hinweise zur Bewertung von SRB-Setzprozessen
7.3.2 Ermittlung der charakteristischen Prozessstreubreite
7.3.3 Möglichkeiten zur Überwachung von SRB-Setzprozessen
7.3.4 Einordnung von SRB-Systemen in die Verbindungsklassen
7.3.5 Zulässige Streuung der Parameter
8 Ergebnisse
9 Literaturverzeichnis
10 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen
11 Anhangverzeichnis
Anhang 1 - Geometrievermessung Schließringbolzen
Anhang 2 - Geometrievermessung Schließringe
Anhang 3 - Einfluss SPU auf Tragverhalten
Anhang 4 - Setzprozesskurven
