Hochgeschwindigkeitsfügen mit Vollstanzniet
Verfasser:
PD Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel, Dipl.-Ing. Christian Kraus, Dipl.-Ing. Mathias Jäckel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Dresden
136 Seiten - 69,00 EUR (sw, 33 teils farbige Abb., 21 Tab.)
ISBN 978-3-86776-412-4
Zusammenfassung
Die Zielstellung des Projektes bestand darin, bisher bestehende Verfahrensbeschränkungen beim Vollstanznieten von Mischverbindungen aus Stahlblechen hoher Festigkeiten mit weicheren Aluminiumblechen unter Einsatz des Hochgeschwindigkeitsfügens aufzuheben und nutzbare Geschwindigkeitseffekte beim elementaren und Hybridfügen aufzuzeigen.
An einigen der untersuchten Blechkombinationen konnten durch das Hochgeschwindigkeitsfügen deutliche Verbesserungen der Verbindungseigenschaften hinsichtlich Schaftnutfüllung erzielt werden,
wodurch auch das Tragverhalten verbessert werden konnte.
Die für eine ausreichende Verbindungsqualität erforderliche Prägeringbreite auf der Matrizenseite konnte in einigen Fällen verringert werden. Daraus resultierten reduzierte Verformungen in der den Fügepunkt umgebenden Zone. Bei der Anwendung des Hochgeschwindigkeitsfügens als Hybridfügeverfahren in Kombination mit dem Kleben ergab sich dabei folglich eine verbesserte Anbindung des Klebstoffs an die zu verbindenden Bauteile.
Insbesondere bei den untersuchten Dreiblechverbindungen aus Stahl und Aluminium, bei denen auf den Einsatz von Klebstoff zwischen den Fügepartnern aus Korrosionsgründen meist nicht verzichtet werden kann, wurde das hohe Verfahrenspotential deutlich. Hier konnte gezeigt werden, dass besonders schwierige Verbindungsvarianten nur durch das Hochgeschwindigkeitsfügen qualitätsgerecht gefügt werden konnten.
Eine detaillierte Prozessanalyse zeigte, dass in erster Linie ein verändertes Schneidverhalten der Stahlbleche zu den Einsatzvorteilen des Verfahrens beiträgt, während die Problematik des Voreinprägens des Prägeringes im unteren Bauteil prinzipiell auch beim Hochgeschwindigkeitsfügen auftreten kann. Diese wirkte sich beim Hochgeschwindigkeitsfügen letztlich dennoch weniger nachteilig aus als beim konventionellen Vollstanznieten.
Die Schallemission des betrachteten Verfahrens kann derzeit ein Hemmnis für dessen Einsatz darstellen, da es infolge der schlagartigen Einbringung der Setzenergie zur starken Anregung von Werkzeug und Bauteilen kommt. Eine Umsetzung des Verfahrens im industriellen Bereich setzt weitere, tiefer gehende Arbeiten zu robusten, praxistauglichen Methoden der Prozessüberwachung voraus. Zudem sind die bisher für den Laborbetrieb entwickelten Versuchsanlagen vergleichsweise groß ausgeführt, was die Flexibilität beim Einsatz solcher Verfahren begrenzt.
Zusammenfassend konnte ein hohes Potenzial des Hochgeschwindigkeitsfügens für die Lösung von Fügeaufgaben aufgedeckt werden, bei denen moderne hoch- und höchstfeste Stähle mit deutlich weicheren Aluminiumwerkstoffen durch Vollstanznieten bzw. Vollstanznietkleben gefügt werden sollen.
Das Ziel des Projektes wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Hochgeschwindigkeitsfügen mit Vollstanzniet“ wurde unter der Fördernummer AiF 16960BR 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 und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 370 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Abstract
Aim of the project was to show the capability of increased tool velocities in riveting with self-piercing solid rivets. The focus was on joints of high-strength steels with aluminum sheets. Also the combination of adhesive bonding with the high-speed riveting process was investigated.At some of the investigated sheet combinations a better joint quality, in terms of shaft groove filling, could be achieved by the high-speed joining process, whereby significant improvements in the connection strength properties could be reached.
In addition, some investigations showed the ability to reduce the required width of the die forming ring by the usage of an elevated tool speed to reach a sufficient connection quality. Resulting benefits such as reduced deformation in the zone surrounding the joining point could also be demonstrated. By application of high-speed joining with self-piercing solid rivets as a hybrid joining technique (mechanical joining and adhesive bonding), an improved connectivity between the adhesive and the component was determined.
A detailed process analysis showed that the different cutting behavior of the steel sheets at the high speed process is responsible for the advantages of the process in the first place, while the problem of early indentation of the forming ring in the die-sided sheet can also occur in the high-speed joining process. The impact of the early die indentation on the joint quality is less detrimental at the high speed process than at the conventional joining with self-piercing solid rivets.
The sound emission of high speed process may represent a barrier to the use, as it comes due to sudden introduction of strong excitation energy of tools and components during the setting process. An implementation of the process in an industrial area requires further, more detailed studies about robust methods for the process control. Moreover, the test equipment developed for use in laboratory is relatively large, which limits the flexibility in the use of the investigated process. A high potential of high-speed joining as one solution for joining tasks could be revealed, where modern high and ultra-high strength steels are to be joined with significantly softer aluminum materials by
self-piercing solid rivets.
The goal of the research project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abstract
Kurzzeichenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Vollstanznieten
2.1.1 Einordnung des Vollstanznietens
2.1.2 Vollstanznieten mit konventioneller Setzgeschwindigkeit
2.2 Hochgeschwindigkeitsfügeverfahren
2.2.1 Hochgeschwindigkeitssetzen stanznietartiger Elemente
2.2.2 Hochgeschwindigkeitssetzen bolzenartiger Elemente
2.3 Hybridfügen
2.4 Problemstellungen
2.4.1 Voreinprägen des Matrizenprägeringes
2.4.2 Gratbildung infolge konischer Butzenformen
3 Versuchseinrichtungen, Probenherstellung und Auswertungsverfahren
3.1 Versuchseinrichtungen für das Fügen
3.1.1 Pneumatische Setzanlage mit Schlagzylinder
3.1.2 Fallprüfstand
3.2 Verwendete Vollstanzniete, Matrizen und Blechwerkstoffe
3.2.1 Vollstanzniete und Matrizen
3.2.2 Blechwerkstoffe und Kombinationen
3.3 Verwendete Klebstoffe
3.4 Vorgehensweise bei der Probenherstellung
3.5 Verwendete Prüfmaschinen und -methoden
3.5.1 Auswertung im Querschliff
3.5.2 Prüfung des Tragverhaltens der Verbindungen
3.5.3 Untersuchung der Bauteildeformation durch den Fügeprozess
3.6 Prozessanalyse
3.6.1 Versuchsaufbau zum Lochen mit unterschiedlichen Lochstempelgeschwindigkeiten
3.6.2 Messungen zur Prozessdynamik
3.6.3 Verschleißuntersuchung an der Vollstanznietmatrize
3.7 Messung der Schallemission
4 Ergebnisse
4.1 Anwendungsuntersuchungen zum Fügen mit erhöhter Fügegeschwindigkeit
4.1.1 Elementares Hochgeschwindigkeitsvollstanznieten ohne Klebstoff
4.1.2 Hybridfügen durch Vollstanznieten und Kleben
4.1.3 Probenverformung beim Hochgeschwindigkeitsvollstanznietkleben
4.1.4 Prüfung des Tragverhaltens der vollstanzgenieteten und Hybridverbindungen
4.2 Ergebnisse der Prozessanalyse
4.2.1 Lochen bei unterschiedlichen Werkzeuggeschwindigkeiten
4.2.2 Fügen bei unterschiedlichen Werkzeuggeschwindigkeiten
4.2.3 Messergebnisse zur Prozessdynamik
4.2.4 Ergebnisse der Verschleißuntersuchung an der Vollstanznietmatrize
4.2.5 Ergebnisse der Schallemissionsmessung
5 Anwendungsrichtlinien des Verfahrens
6 Projektergebnisse und Ausblick
7 Literatur
Anlagen
