Stechnieten bei einseitiger und beidseitiger Zugänglichkeit
Verfasser:
Dipl.-Ing. Christian Kraus, Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Dresden - Dr.-Ing. Jörg Gehrke, Dr.-Ing. Susanne Friedrich, Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH
198 Seiten - 96,00 EUR (sw, 157 teils farbige Abb., 24 Tab.)
ISBN 978-3-86776-624-1
Zusammenfassung
Bei der Umsetzung innovativer Leichtbaukonzepte spielen Technologien für die Herstellung von Mischverbindungen eine Schlüsselrolle. Es werden dabei möglichst einfache, flexible und damit kostengünstige Verfahren benötigt, um die Wettbewerbsfähigkeit der produzierenden, kleinen und mittelständischen Unternehmen im Bereich der Zulieferindustrie zu stärken.
Anwendungsbereiche für solche Verfahren erstrecken sich dabei über den Fahrzeugleichtbau mit metallischen und auch nicht-metallischen Werkstoffkombinationen bis hin zur Herstellung von Gehäusen und Haushaltgeräten.
Im Forschungsprojekt wurde das Stechnietverfahren entwickelt, bei welchem durch Ein-satz eines selbstspreizenden Nietelements auf komplexe Werkzeugkonzepte verzichtet werden kann. Stattdessen kommt bei beidseitiger Zugänglichkeit ein einfacher Gegenhalter zum Einsatz, der die Fügeteile gegen die Fügekraft abstützt.
Die notwendigen Fügekräfte sind beim Stechnieten gegenüber konventionellen, selbststanzenden Nietverfahren deutlich geringer, was den anlagenseitigen Aufwand reduziert. Bei ausreichender Steifigkeit der Fügestelle konnte das Verfahren bei einseitiger Zugänglichkeit angewendet werden.
Mittels FEM-Simulationen des Setzprozesses wurde eine Nietgeometrie entwickelt, welche insbesondere für den Einsatz bei Fügeteilen hoher Festigkeit geeignet ist.
Die Abhängigkeiten zwischen Fügeteil- sowie Verfahrensparametern und den mechanischen Eigenschaften der Verbindung wurden im Projekt herausgearbeitet. Die Endkraft des Fügeprozesses sollte etwa 80 % der Kraft beim Durchstoßen der Fügepartner betragen und diese nicht überschreiten, um eine unerwünschte plastische Deformation der erzeugten Verbindung zu vermeiden.
Es konnte nachgewiesen werden, dass eine Erhöhung der Reibung zwischen dem Niet und den Fügeteilen die erreichbaren maximalen Zugkräfte bei der Verbindungsprüfung signifikant vergrößern kann. Dies kann beispielsweise durch Auswahl eines entsprechenden Top Coats erreicht werden.
Es zeigte sich, dass ein vollständiges Durchstechen der Fügeteile vorteilhaft hinsichtlich der Verfahrensflexibilität und der erreichbaren Verbindungseigenschaften ist. Die damit einhergehenden Konsequenzen hinsichtlich des Korrosionsschutzes wurden analysiert.
Untersuchungen einzelner, beschichteter Nietelemente sowie elementar und mit Klebstoff hybridgefügter Verbindungen zeigen, dass die drei untersuchten Nietbeschichtungen mehr oder weniger stark zur Weißrostbildung neigten, aber nur in Einzelfällen mäßige Grundwerkstoffkorrosion vor allem im Randbereich des Nietelements auftrat.
Abgesehen von geringfügigen Unterschieden in der Korrosionsneigung bei unterschiedlichen Belastungen lässt sich feststellen, dass alle drei Nietbeschichtungen ein hohes Korrosionsschutzvermögen aufweisen.
Die Ergebnisse sprechen für die gute Qualität und Verschleißfestigkeit aller Nietbeschichtungen, wobei leichte Vorteile für die Zink-Nickel-Beschichtung aufgrund der Schichteigenschaften wie Härte und Abriebfestigkeit gesehen werden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Stechnieten bei einseitiger und beidseitiger Zugänglichkeit" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19763BR 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. 567 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Technologies for the production of mixed joints play a key role in the implementation of innovative lightweight construction concepts. Processes that are as simple, flexible and cost-effective as possible are needed to strengthen the competitiveness of small and medium-sized manufacturing companies in the supplier industry.
Application areas for such processes extend beyond lightweight vehicle construction with metallic and non-metallic material combinations to the manufacture of housings and household appliances.
The riveting process developed in the research project uses a self-flaring riveting element to eliminate the need for complex tooling concepts. Instead, a simple counter tool is used with accessibility on both sides, which supports the parts to be joined against the joining force.
The joining forces required for riveting are significantly lower than for conventional self-piercing riveting processes, which reduces the cost of the equipment. If the joining com-ponent is sufficiently rigid, the process can be carried out with one-sided accessibility.
FEM simulations of the setting process were used to develop a rivet geometry that is particularly suitable for use with high-strength parts.
The dependencies between joining part and process parameters and the mechanical properties of the joint were carried out in the project. The final force of the joining process should be about 80% of the force when the joining partners are pierced and should not exceed this value in order to avoid undesirable plastic deformation of the joint produced.
It was shown that an increase in friction between the rivet and the joining parts can significantly increase the maximum tensile forces achievable in joint testing. This can be realized by selecting an appropriate top coat.
It was found that full piercing of the parts to be joined is advantageous in terms of the joint properties that can be achieved. The associated consequences in terms of corrosion protection were analyzed.
Investigations of individual coated rivet elements and of elemental and adhesive bonded hybrid joints showed that the three rivet coatings investigated had a greater or lesser ten-dency to white rust formation, but that moderate base material corrosion occurred only in individual cases, especially in the edge region of the rivet element.
Apart from minor differences in the tendency to corrode under different loads, it can be concluded that all three rivet coatings exhibit a high corrosion protection capacity. The results speak for the good quality and wear resistance of all rivet coatings, with slight advantages seen for the zinc-nickel coating due to coating properties such as hardness and abrasion resistance.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Normseitige Einordnung der Fügeverfahren
2.2 Stanznieten mit Halbhohlstanzniet
2.3 Verfahren zum Fügen bei einseitiger Zugänglichkeit
2.4 Fügen faserverstärkter Kunststoffe
3 Vorstellung des Stechnietverfahrens
3.1 Verfahrensprinzip
3.2 Einordnung und Abgrenzung gegenüber etablierten Verfahren
3.3 Basisgeometrie des Stechnietes
3.4 Bestimmung der Nietspreizung der Stechnietverbindung
4 Versuchseinrichtungen und Werkstoffe
4.1 Anlagentechnik für das Fügen
4.2 Maschinen und Werkzeuge für die Nietherstellung
4.3 Prüfmaschinen
4.4 Bestimmung der Werkstoffkennwerte und Fließkurven
4.4.1 Vorbetrachtung zur Kennwertermittlung
4.4.2 Mechanisch-technologische Kennwerte der Versuchswerkstoffe
4.4.3 Fließkurven aus dem Schichtstauchversuch für die FEM-Simulation
5 FEM-Simulation des Fügeprozesses
5.1 Vergleich der verwendeten Modellvarianten
5.2 Modellierung des Durchstechens des Bleches mittels nietdornartigem Stempel
5.3 Einfluss des Nietdornquerschnitts
5.4 Einfluss der Spitzengeometrie der Nietdorne
5.5 Kombinierter Einfluss von Nietdornquerschnitt und Nietdornendgeometrie
5.5.1 Modellaufbau
5.5.2 Parameterbereich und DOE
5.5.3 Ergebnis und Auswahl der Vorzugsvariante
6 Herstellung der Stechnietelemente
6.1 Umformende Nietherstellung
6.2 Nietvarianten
7 Experimentelle Untersuchung zum Stechnieten
7.1 Untersuchung grundlegender Werkzeug- und Prozessparameter
7.1.1 Einfluss des Stützdurchmessers und der Überdrückung des Nietkopfes
7.1.2 Prozesskraftverlauf und kraftbasiertes Endkriterium
7.2 Einfluss der Nietgeometrie
7.2.1 Einfluss der Nietlänge
7.2.2 Einfluss des Nietdurchmessers
7.3 Einfluss von Fügeteileigenschaften und Fügerichtung
7.3.1 Einfluss der Fügeteilfestigkeiten und Dickenkombinationen
7.3.2 Fügen von Mischverbindungen mit FVK
7.3.3 Fügekräfte und Verbindungseigenschaften verschiedener Mischverbindungen
7.3.4 Verbindungseigenschaften beim Hybridfügen vor und nach VDA-Belastung
7.4 Einfluss von Beschichtungen auf der Nietoberfläche
7.4.1 Einfluss der Korrosionsschutzüberzüge auf den Prozessverlauf
7.4.2 Einfluss der Reibverhältnisse auf die Verbindungseigenschaften
7.5 Mögliche Versagensarten während des Fügeprozesses
7.5.1 Stauchen der Nietdorne
7.5.2 Ausbrechen eines Butzens im unteren Fügeteil
7.6 Fügen bei einseitiger Zugänglichkeit
7.6.1 Versuchsaufbau und Vorgehensweise
7.6.2 Profildeformation nach dem Stechnieten ohne Gegenhalter
8 Beschichtungen und Überzüge auf Nietelementen
8.1 ALMAC-Überzug
8.2 Zink-Aluminium-Lamellen-Beschichtung
8.3 Zink-Nickel-Überzug
9 Belastungsversuche an Einzelnietelementen
9.1 Korrosive Belastungsversuche an Einzelnietelementen
9.1.1 Ergebnisse nach Salzsprühnebelbelastung
9.1.2 Ergebnisse nach Kondenswasserkonstantklimabelastung
9.1.3 Ergebnisse nach Kondenswasserwechselklimabelastung
9.2 Mechanische Belastung beschichteter Nietelemente in einem Probenschüttler
10 Untersuchungen zum Korrosionsverhalten von Nietverbindungen
10.1 Erscheinungsbild der Stechnietelemente nach dem Fügen
10.1.1 Mikroskopische Aufnahmen von Stechnietverbindungen mit ALMAC-Überzug
10.1.2 Querschliffaufnahmen von Stechnietverbindungen mit ALMAC-Überzug
10.1.3 Analytischer Nachweis des ALMAC-Überzugs auf den Nietdornen
10.1.4 Mikroskopische Aufnahmen von Stechnietverbindungen mit Zink-Aluminium-Lamellen-Beschichtung
10.1.5 Querschliffaufnahmen von Stechnietverbindungen mit Zink-Aluminium-Lamellen-Beschichtung
10.1.6 Analytischer Nachweis der Zink-Aluminium-Lamellen-Beschichtung auf den Nietdornen
10.1.7 Mikroskopische Aufnahmen von Stechnietverbindungen mit Zink-Nickel-Überzug
10.1.8 Querschliffaufnahmen von Stechnietverbindungen mit Zink-Nickel- Überzug
10.1.9 Analytischer Nachweis des Zink-Nickel-Überzugs auf den Nietdornen
10.2 Elektrochemische Rauschmessungen an Nietverbindungen
10.3 Verhalten der Nietverbindungen nach korrosiver Belastung im neuen VDA-Wechseltest VDA 233-102
10.3.1 Belastungsbedingungen und Versuchsplan
10.3.2 Visuelle Beurteilung von Stechnietverbindungen nach VDA-Wechseltest
10.3.3 Stechnietverbindungen nach VDA-Wechseltest im Querschliff
10.3.4 Visuelle Beurteilung von Bruchbildern der nach VDA-Wechseltest mechanisch geprüften Proben
10.4 Verhalten der Nietverbindungen nach Freibewitterung
11 Ergebnisse
11.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
12 Literatur
13 Anlagen
13.1 Anlage 1: Ergebnisse von REM-EDX-Untersuchungen
13.2 Anlage 2: Gemessene Rauschsignale an Stechnietverbindungen
13.3 Anlage 3: Probenübersicht der VDA-Belastung
13.4 Anlage 4: Gefügte Proben vor VDA-Belastung
13.5 Anlage 5: Gefügte Proben nach VDA-Belastung
