Erweiterung des Clinchens von Druckgussbauteilen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M. Sc. Sinan Yarcu, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover - Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger, Dipl.-Ing. Torsten Schuchardt, Institut für Füge- und Schweißtechnik der Technischen Universität Braunschweig
170 Seiten - 96,00 EUR (sw, 115 teils farbige Abb., 28 Tab.)
ISBN 978-3-86776-625-8
Zusammenfassung
Es wurde das Fügen von Aluminiumdruckgussbauteilen, die im Projekt hergestellt wurden, mit verschiedenen Blechwerkstoffen mit Hilfe des Clinchens erforscht.
Aufgrund der geringen Bruchdehnung von Druckgussbauteilen weisen diese im Vergleich zu gewalztem Blechmaterial eine höhere Anfälligkeit gegenüber Rissen auf. Die hierdurch entstehenden Schädigungen können bei einer KTL unter Umständen zu einer unvollständigen Benetzung des Lacks führen und somit Angriffsfläche für Korrosion bieten. Des Weiteren besteht der Anspruch auf hohe ästhetische Anforderungen an die Verbindung.
Die Druckgussbauteile wurden in verschiedenen Qualitäten und Wärmebehandlungszuständen hergestellt, um den Einfluss der Herstellungsparameter auf die Clincheignung genauer zu analysieren. Die Qualitäten wurden durch die Variation dreier Herstellungsparameter eingestellt.
Diese waren das Vorhandensein eines Formvakuums, der Wasserstoffgehalt in der Schmelze sowie den Einsatz eines Formtrennstoffes. Je nach Dosierung und Einsatz sollte damit die Porosität des Druckgusses beeinflusst werden.
Die durch die Clinchsystemhersteller durchgeführten Clinch-Bemusterungen der Bauteile zeigten jedoch, dass das Clinchergebnis bei allen Qualitäten gleich geblieben ist. Nur die Wärmebehandlung hatte einen positiven Einfluss auf das Rissverhalten.
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden verschiedene Erwärmungsverfahren untersucht, um das Clinchen von Aluminiumdruckgussbauteilen rissfrei zu ermöglichen. Hierzu zählten das Heizen von Werkstoff und Werkzeug mittels Heizplatte sowie konduktiver und induktiver Erwärmung.
Durch die Erwärmung konnten die Eigenspannungen im Druckgusswerkstoff reduziert und somit das Rissverhalten vermieden werden. Im Hinblick auf die spätere Anwendbarkeit konnte sich das induktive Erwärmungsverfahren aufgrund seiner kurzen Erwärmungszeiten (10 s) und der rissfreien Ausprägung der Clinchpunkte durchsetzen.
Daraufhin wurden zwei neue Induktoren gefertigt, die optimiert und miniaturisiert wurden, und an die bestehenden Clinchpressen integriert. Die Anpassung der Induktoren hatte zur Folge, dass die Gesamtleistung des Generators effektiver genutzt und somit die Heizzeit auf 5,6 Sekunden reduziert werden konnte.
Bei der Anwendung auf Realbauteile, die eine 0,5 mm geringere Dicke im Vergleich zu den im Projekt hergestellten Bauteilen besitzen, konnten bei Heizzeiten von 3 Sekunden rissfreie Fügepunkt realisiert werden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Erweiterung des Clinchens von Druckgussbauteileng" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20279N 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. 568 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The joining of aluminum die cast components produced in the project with various sheet materials was researched using clinching. Due to the low elongation at break of die-cast components, they are more susceptible to cracking than rolled sheet material.
The resulting damage can, under certain circumstances, lead to incomplete wetting of the paint during cathodic dip painting and thus provide an attack surface for corrosion. Furthermore, there is the requirement for high aesthetic demands on the joint.
The die cast components were manufactured in different grades and heat treatment conditions in order to analyze the influence of the manufacturing parameters on the clinching properties in more detail. The grades were adjusted by varying three manufacturing parameters.
These were the presence of a mold vacuum, the hydrogen content in the melt and the use of a mold release agent. Depending on the dosage and use, this was intended to influence the porosity of the die casting.
However, clinch sampling of the components carried out by the clinching system manufacturers showed that the clinching result remained the same for all grades. Only the heat treatment had a positive influence on the cracking behavior.
Within the scope of this research project, various heating processes were investigated in order to ensure crack-free clinching of die-cast aluminum components. These included heating the material and the die by means of a heating plate as well as conductive and inductive heating.
The heating reduced the residual stresses in the die-cast material and thus suppressed the cracking behavior. In terms of subsequent applicability, the inductive heating process was able to prevail due to its short heating times (10 s) and the clear crack-free develop-ment of the clinch points. Two new inductors were then manufactured, which were opti-mized and miniaturized and could also be easily integrated into the existing clinching presses.
The adaptation of the inductors meant that the total power of the generator could be used more effectively and thus the heating time reduced to 5.6 seconds. When applied to real components, which have a thickness 0.5 mm less than the components produced in this project, crack-free joining points could be realized with heating times of 3 seconds.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Ermittlung mechanischer Kennwerte
2.2 Aluminium-Druckgusslegierungen
2.2.1 Druckgusslegierungen
2.2.2 Mechanischen Kennwerte von Aluminium-Silizium-Legierungen bei erhöhten Einsatztemperaturen
2.2.3 Einfluss der Mikrostruktur auf die mechanischen Eigenschaften
2.3 Fügeverfahren
2.3.1 Clinchen
2.3.2 Temperiertes Clinchen
2.4 Klebstoffeinsatz im Automobilbereich
2.4.1 Epoxidharz Klebstoff Betamate 1480
2.4.2 Kleben von Aluminiumdruckguss Bauteilen
2.4.3 Schnellaushärtung von Klebstoffen durch Kurzzeiterwärmung
2.5 Schlussfolgerung zum Stand der Technik
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
3.1 Forschungsziele
3.2 Vorgehensweise
4 Durchgeführte Arbeiten
4.1 Verwendete Werkstoffe
4.1.1 Stahlblechwerkstoff
4.1.2 Aluminiumblechwerkstoff
4.1.3 Aluminiumdruckgusslegierungen
4.2 Gießversuche und Bauteilherstellung
4.2.1 Bauteilegeometrie und Anlagentechnik
4.2.2 Gießversuche und Wärmebehandlung
4.2.3 Charakterisierung des eigenen Gussbauteils
4.3 Simulative Optimierung
4.4 Charakterisierung der Industriebauteile
4.5 Bemusterung durch Systemhersteller
4.6 Untersuchung dreier Werkzeugerwärmungsstrategien für das Clinchen von Druckgussbauteilen
4.6.1 Kontakterwärmung
4.6.2 Konduktive Werkzeugerwärmung
4.6.3 Induktive Werkzeug- und Werkstofferwärmung
4.6.4 Bewertung der Erwärmungskonzepte
4.7 Entwicklung einer serientauglichen Erwärmungsstrategie
4.8 Versuchsdurchführung mit serientauglichem Erwärmungskonzept
4.9 Hybridclinchen
4.9.1 Thermische Analyse des Klebstoffs Betamate 1480V203
4.9.2 Ermittlung der Temperaturverteilung
4.9.3 Hybridclinchen
4.10 Anwendung des induktiven Erwärmungskonzepts auf Realbauteile der Industrie
5 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
6 Projektergebnisse
6.1 Ausblick
6.2 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
7 Literatur
7.1 Normen und Merkblätter
