EFB-Forschungsbericht Nr. 573

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Methodenentwicklung für die Simulation mechanischer Fügeprozesse mit besonderer Berücksichtigung fügespezifischer Reibverhältnisse

efb-573-prov

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Moritz Rossel, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

180 Seiten - 98,00 EUR (sw, 167 teils farbige Abb., 38 Tab.)
ISBN 978-3-86776-631-9


Zusammenfassung

Bedingt durch den Multimaterial-Mix in modernen Karosseriekonzepten ist die mechanische Fügetechnik zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden, artverschiedene Materialien miteinander zu fügen. Das Bestreben der OEMs in der Automobilindustrie, die Entwicklungsprozesse in der Fahrzeugentwicklung auf numerischem Wege weiter zu beschleunigen, wird maßgeblich durch eine fehlende Prognosefähigkeit der Fügeprozesssimulationen beschränkt.

Daraus leitet sich ab, dass aktuell die Verbindungsqualifizierung auf experimenteller Ebene stattfindet. Zur Umstellung auf effiziente und schnelle numerische Bemusterungsverfahren leistet dieses Vorhaben einen Beitrag.

Neben der Abbildung der plastischen Verformungen der Fügeteile in der Fügeprozesssimulation, ist die Darstellung der Reibverhältnisse relevant für eine realitätsnähe Prognose der Fügeverbindung. Aus diesem Grund wird neben einer umfassenden experimentellen Charakterisierung der Fließeigenschaften die Reibungsproblematik im Forschungsvorhaben intensiv thematisiert.

Infolgedessen wird eine experimentelle Reibprüfmethodik eruiert, welche anschließend konzeptionell und konstruktiv in einem Reibprüfstand umgesetzt wird. Basierend auf diesem Reibprüfstand erfolgt eine experimentelle Kennwertermittlung hinsichtlich der Reibung in den relevanten Kontakten der mechanischen Fügeverfahren Halbhohlstanznieten und Clinchen. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf die lokalen Fügeprozessparameter gelegt, welche analog zu den Fügeprozessen auch im Reibprüfstand abgebildet werden.

Auf Grundlage der experimentellen Datenbasis werden mathematische Formulierungen für die Reibung in Abhängigkeit der lokalen Fügeprozessparameter, wie z.B. Relativgeschwindigkeit oder Kontaktnormalspannung, identifiziert.

Die daraus entstehenden mathematischen Reibmodelle werden im Anschluss in Rahmen von einfachen experimentellen Versuchen verifiziert. Im Zuge dieser Arbeiten werden die einfachen Reibexperimente numerisch nachgerechnet und anhand von Prozessgrößen wie z.B. dem Reibmoment invers verifiziert.

Final erfolgt die Validierung der Reibmodellierung, indem die verifizierten Reibmodelle in der numerischen Fügeprozesssimulation des Halbhohlstanznietens und des Clinchens eingesetzt werden. Die Güte der Reibmodellierung wird in Form von einem numerischen und experimentellen Vergleich von Prozessgrößenverläufen, charakteristischen Verbindungskenngrößen sowie dem lokalen Werkstofffluss bewertet.


Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Methodenentwicklung für die Simulation mechanischer Fügeprozesse mit besonderer Berücksichtigung fügespezifischer Reibverhältnisse" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20235N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 573 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.


Summary

Due to the multi-material mix in modern car body concepts, mechanical joining technology has become an integral way of joining different materials.
The efforts of OEMs in the automotive industry to further accelerate the development processes in automotive engineering by numerical means are significantly limited by the lack of predictive capability of joining process simulations.

As a result, joint qualification currently takes place on an experimental level. This project makes a contribution to the shift to efficient and fast numerical sampling methods.

In addition to the modelling of the plastic deformation of the joining parts in the joining process simulation, the modeling of the friction conditions is relevant for a realistic prediction of the joint. Therefore, in addition to a comprehensive experimental characterization of the flow properties, the friction analysis is intensively investigated in the research project.

As a result, an experimental friction test method will be formulated, which will then be implemented conceptually and constructively in a friction test bed.

Based on this friction test bed, experimental friction values are determined in the relevant contacts of the mechanical joining processes of semi-tubular self-piercing riveting and clinching. Particular attention is paid to the local joining process parameters, which are also mapped in the friction test bed in analogy to the joining processes.

Based on the experimental data, mathematical formulations for the friction are identified as a function of the local joining process parameters, such as relative speed or contact normal stress.

The resulting mathematical friction models are then verified in simplified experimental tests. In the course of this work, the simplified friction experiments are numerically recalculated and inversely verified on the basis of process variables such as the frictional torque.

Finally, the friction modeling is validated by using the verified friction models in the numerical joining process simulation of semi-tubular self-piercing riveting and clinching.

The quality of the friction modeling is assessed in the form of a numerical and experimental comparison of process variable curves, characteristic joining parameters and the local material flow.


Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung und Zielsetzung
2 Stand der Technik
2.1 Leichtbau
2.2 Mechanische Fügetechnik
2.2.1 Clinchen
2.2.2 Halbhohlstanznieten
2.3 Tribologie
2.3.1 Reibung
2.3.2 Reibmodellierung in der Blech- und Massivumformung
2.3.3 Tribologische Prüftechnik
2.4 Kontakt und Reibung in der numerischen Simulation
3 Versuchsrandbedingungen
3.1 Verwendete Werkstoffe
3.1.1 EN AW-5182
3.1.2 HX340LAD
3.1.3 38B2
3.2 Verwendete Anlagentechnik
3.2.1 Universalprüfmaschine Zwick Z100
3.2.2 Universalprüfmaschine Zwick Z1484
3.2.3 Schnellzerreißprüfmaschine Instron VHS 65/80-20
3.2.4 Schatz Schraubenprüfstand
3.2.5 Fügeanlage Eckold DFG 500/150
3.2.6 Fügeanlage TOX® TE-X
3.2.7 Konfokalmikroskop Olympus LEXT OLS 4100
3.3 Referenzverbindungen
3.3.1 Clinchen
3.3.2 Halbhohlstanznieten
4 Charakterisierung der Plastizitätseigenschaften
4.1 Dehnraten und temperaturabhängige Zugversuche
4.1.1 Versuchsplan
4.1.2 Probenfertigung
4.1.3 EN AW-5182
4.1.4 HX340LAD
4.1.5 38B2
4.2 Schichtstauch- und Druckversuche
4.2.1 EN AW-5182
4.2.2 HX340LAD
4.2.3 38B2
4.3 Vorreckuntersuchungen
4.3.1 EN AW-5182
4.3.2 HX340LAD
4.3.3 38B2
5 Konstruktion und Entwicklung des Reibprüfstandes
5.1 Randbedingungen der Reibprüfung
5.2 Modularer Prüfstandsaufbau
5.3 Zwei-Säulen-Gestell
5.4 Reibprüfkörper
5.5 Probenaufnehmer
5.6 Beheizungskonzept
5.7 Hochdruckkonzept
6 Randbedingungen der experimentellen Reibprüfung und -modellbildung
6.1 Randbedingungen der Reibmodellierung in der numerischen Fügeprozesssimulation
6.2 Definition des Prüfumfangs
6.3 Versuchsdurchführung und -auswertung
6.4 Kontaktflächenauswertung
6.4.1 Reale Kontaktfläche
6.4.2 Wahre Kontaktfläche
7 Reibprüfung- und -modellierung
7.1 Kontakte Fügeteil zu Fügeteil
7.2 Kontakte Hilfsfügeteil zu Fügeteil
7.3 Kontakte Werkzeugersatzkörper zu Fügeteil
8 Verifizierung und Validierung des Reibmodells
8.1 Verifizierung
8.1.1 Numerischer Modellaufbau
8.1.2 Verifizierung HX340LAD – EN AW-5182
8.1.3 Verifizierung Niet – HX340LAD
8.1.4 Verifizierung 1.021644 (Clinchstempel) – HX340LAD
8.2 Validierung
8.2.1 Numerischer Modellaufbau
8.2.2 Clinchen
8.2.3 Halbhohlstanznieten
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen für KMU der Ergebnisse
10 Literatur
11 Anhang
11.1 Reibmodelle
11.1.1 EN AW-5182 – HX340LAD
11.1.2 HX340LAD – Niet
11.1.3 EN AW-5182 – Clinchstempel 412.501
11.1.4 HX340LAD – Clinchstempel 412.501
11.1.5 EN AW-5182 – Stirnfläche Clinchmatrize
11.1.6 HX340LAD – Stirnfläche Clinchmatrize
11.1.7 EN AW-5182 – Matrizenamboss 594.16960 „rau"
11.1.8 HX340LAD – Matrizenamboss 594.16960 „rau"
11.1.9 EN AW-5182 – Matrizenamboss 591.16960 „glatt"
11.1.10 HX340LAD – Matrizenamboss 591.16960 „glatt"
11.1.11 HX340LAD – Halbhohlstanzniet-Matrize FM0902218


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