Fügen durch Knickbauchen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger, Dr.-Ing. Alexander Sviridov, Lehrstuhl für Konstruktion und Fertigung, Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg - Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dr.-Ing. Matthias Kammler, M. Sc. Amer Almohallami, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover
146 Seiten - 76,00 EUR (sw, 110 teils farbige Abb., 10 Tab.)
ISBN 978-3-86776-439-1
Zusammenfassung
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden umfangreiche Erkenntnisse zum grundlegenden Prozess, zu realisierbaren Verbindungen und bezüglich ihrer Güte gesammelt. Die Ergebnisse bestätigen das große Potenzial des Knickbauchens als Fügetechnologie und zeigen auf, dass dieses Verfahren eine sinnvolle Möglichkeit zum Verbinden von Rohren und Blechen darstellt. Im direkten Vergleich mit konventionellen, insbesondere thermischen Fügeverfahren, können hierdurch in vielen Fällen technologische und wirtschaftliche Vorteile erzielt werden.
Anhand einer umfangreichen Prozessanalyse wurden für das Knickbauchen geometrische und physikalische Einflussgrößen identifiziert und deren Auswirkung auf das Prozessergebnis bewertet. Durch systematische numerische, experimentelle und analytische Untersuchungen der Haupteinflussparameter wurde ein umfangreiches Prozessverständnis erarbeitet. Für den Werkstoff E235+N konnten hierbei Prozessgrenzen und Prozesskräfte ermittelt und grundlegende Zusammenhänge mathematisch beschrieben werden. Die Verwendung bezogener Größen ermöglichte eine Übertragung auf weite Abmessungsbereiche.
Aufbauend auf den umfangreichen Erkenntnissen der Prozessanalyse für das Knickbauchen wurde für das Fügen durch Knickbauchen eine anwendungsgerechte Methode entwickelt und durch die Herstellung von Demonstratoren verifiziert. Anhand von Bauteilprüfungen mit einer Referenzgeometrie wurden für wichtige statische Lastfälle Verbindungsfestigkeiten ermittelt und hierbei die Einflüsse geometrischer Parameter, insbesondere der Knicklänge bewertet. Anhand umfangreicher dynamischer Bauteilprüfungen wurde für die gewählte Referenzabmessung eine Bauteilwöhlerlinie erstellt.
Um die Schädigung der durch Knickbauchen umgeformten Proben näher zu untersuchen, wurden metallographische Untersuchungen durchgeführt, durch welche charakteristische Risse im Bereich der inneren Überfaltung des Flansches bestätigt wurden. Durch Stadienversuche und anschließende weitere metallographische Auswertungen konnten außerdem grundlegende Hinweise auf die Mechanismen der Rissentstehung beim Knickbauchen erlangt werden.
Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse wurden abschließende Untersuchungen zur Prozesstechnik durchgeführt. Hierbei wurden praxisrelevante Aspekte für eine industrielle Anwendung des Fügens durch Knickbauchen berücksichtigt. Abgeleitet von der zuvor entwickelten Fügemethode wurde ein Werkzeugkonzept erstellt. In Anbetracht des bislang geringen Wissensstandes wurden durch die erlangten Erkenntnisse wichtige Grundlagen für die industrielle Nutzung des Fügens durch Knickbauchen geschaffen.
Somit wurde das Ziel des Vorhabens erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Fügen durch Knickbauchen“ wurde unter der Fördernummer AiF 17312BG 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 Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 395 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Within the research project “Joining with beading a bulge” extensive information were basically gathered on the process of beading a bulge to produce practically feasible joints regarding the quality of the workpiece. The results confirm the great potential of this joining technology as a useful joining method to connect tubes and sheets. In direct comparison with conventional, in particular thermal, joining methods, the joining with beading a bulge has many technological and economic advantages.
Based on an extensive process analysis, geometrical and physical factors were identified and their impacts on the results of the joining process were evaluated. A comprehensive understanding of this process was developed through systematic numerical, experimental and analytical investigations of the main influencing parameters. For the material E235 + N the joining process limits and forces were analyzed and their basic correlations were specified mathematically. In addition, the uses of the determined functional parameters allow transferring the obtained process information to a wide range of dimensions.
Based on the information gathered from analyzing the “beading a bulge” process, an applicable method of joining has been developed and verified by producing demonstrators. Moreover, these demonstrators were mechanically tested with reference geometries in order to determine the joint strength under different static loads and to evaluate the influence of geometrical parameters, in particular the beading length. The demonstrators were then subjected to dynamic loads to generate the SN curve for the selected reference dimensions.
Metallographic examinations were performed in order to investigate the material damage caused to the bulge in the process of beading, which was confirmed by characteristic cracks in the inner fold of the bulge. In addition, fundamental information on the mechanisms of crack initiation have been obtained by stage studies and subsequent further metallographic analyzes.
Based on the information gathered in the course of this research, final examinations were performed on the beading process in order to determine practice-relevant aspects for an industrial application of joining by beading a bulge. Derived from the previously developed method of this joining technology, the concept of a joining tool was created as well. Concerning the previous lack of knowledge about this joining technique important foundations for its industrial use were obtained. Thus, the aim of the project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
1 Abkürzungsverzeichnis
2 Zusammenfassung
3 Einleitung und Ziele des Projektes
4 Stand der Forschung
4.1 Knickbauchen als Umformverfahren
4.2 Knickbauchen als Fügeverfahren
5 Lösungsweg zur Erreichung des Projektziels
5.1 Lösungsweg und Vorgehensweise
5.2 Arbeitspakete
6 Festlegung der zu untersuchenden Werkstoffe und Abmessungen
7 Halbzeuguntersuchung und Materialcharakterisierung
7.1 Aufnahme der Fließkurven
7.2 Extrapolation der Fließkurven
8 Umformsimulation und Prozesscharakterisierung des Knickbauchens
8.1 Konstruktion und Fertigung der Werkzeuge zum Knickbauchen
8.2 Umformsimulation des Knickbauchens
8.2.1 Modellaufbau
8.3 Validierung der Simulationsergebnisse
8.3.1 Validierung durch Kraft-Weg-Verläufe
8.3.2 Validierung durch optische Vermessung der Bauteile
8.4 Prozesscharakterisierung des Knickbauchens
8.4.1 Bestimmung signifikanter Prozessgrößen und Einflussfaktoren
8.4.2 Einführung bezogener Größen
8.5 Parameterstudie zur Ermittlung der grundlegenden Parameter und Abhängigkeiten
8.5.1 Ermittlung von Prozessgrenzen
8.5.2 Ermittlung der Prozesskräfte
8.6 Metallographische Voruntersuchungen
8.7 Zusammenfassung der Prozesscharakterisierung
9 Prozessentwicklung des Fügens durch Knickbauchen
9.1 Entwicklung einer fertigungsgerechten Fügemethode für das Knickbauchen
9.2 Numerische Abbildung der Fügemethode durch Knickbauchen
9.3 Herstellung von Knickbauchverbindungen
9.4 Bauteilprüfung
9.4.1 Numerische Betrachtung der Materialschädigung
9.4.2 Festlegung der Prüfungen
9.4.3 Simulation der Verbindungsfestigkeit
9.4.4 Herstellung von Proben
9.4.5 Ermittlung statischer Festigkeit
9.4.6 Ermittlung dynamischer Festigkeit
9.5 Bauteilqualität
9.5.1 Toleranzen, Form- und Maßabweichungen
9.5.2 Materialversagen / Metallographische Untersuchungen
9.6 Korrosionsverhalten
10 Fertigung von Demonstratoren
11 Gestaltungsrichtlinien für Werkzeug- und Anlagenauslegung
11.1 Prozesstechnik
11.2 Werkzeugkonzept beim Fügen durch Knickbauchen
11.3 Anlagenaufbau
11.4 Prozessüberwachung und –steuerung
12 Wirtschaftlichkeitsanalyse
12.1 Richtlinien für industrielle Anwender
13 Diskussion der Ergebnisse
13.1 Ausblick
14 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen
15 Verzeichnisse
15.1 Literaturverzeichnis
15.2 Abbildungsverzeichnis
15.3 Tabellenverzeichnis
