Analyse anlagenseitiger Einflüsse beim mechanischen Fügen
Verfasser:
Dipl.-Ing. Thomas Grimm, Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Dresden
138 Seiten - 86,00 EUR (sw, 112 teils farbige Abb., 20 Tab.)
ISBN 978-3-86776-638-8
Zusammenfassung
In der mechanischen Fügetechnik kommen je nach Anwendungsfall bzw. Fügesystem verschiedene Maschinenformen, Antriebs- und Regelungsarten sowie andere systemspezifische Eigenschaften zum Einsatz. Die aus den Anlageneigenschaften resultierenden Werkzeugkinematiken, bewegten Massen sowie Systemsteifigkeiten können bei gleichbleibenden Randbedingungen das Fügeergebnis beeinflussen, wodurch die Übertragbarkeit von Prozessparametern von einem Anlagensystem auf ein anderes nur eingeschränkt möglich ist.
Diese Unterschiede sind beispielsweise bei der Übertragung von im Labor erstellten Bemusterungsergebnissen in die Produktion relevant und können zu zusätzlichen Aufwänden beim Serienanlauf führen.
Aus diesem Grund wurden in diesem Forschungsvorhaben die Einflüsse (Werkzeugkinematik, Maschinensteifigkeit) verschiedener konventioneller Fügeanlagen auf die Verbindungsausbildung und Tragfähigkeit beim Halbhohlstanznieten und Clinchen untersucht. Die Einflüsse der Anlagensysteme wurden hierbei zunächst anhand einer experimentellen Prozessanalyse für eine Stahl-Stahl-, eine Stahl-Aluminium- und eine Aluminium-Aluminium-Verbindungskombination ermittelt.
Ausgewertet wurden die Kennwerte im Schliff sowie die quasistatischen Verbindungsfestigkeiten im Scherzug. Gleichzeitig erfolgte die messtechnische Analyse der Fügeanlagen hinsichtlich der elastischen Verformung im Fügeprozess sowie die Erfassung der realen Fügegeschwindigkeitsprofile. Anschließend wurden numerische 3D-Simulationsmodelle aufgebaut und validiert, die den Fügeprozess samt Anlageneinfluss abbilden können.
Zur Beschreibung der Werkstoffeigenschaften hinsichtlich Dehnraten- und Temperaturabhängigkeit der gefügten Bleche wurden JOHNSON-COOK-Materialmodelle auf Basis von Zugversuchen validiert. Mithilfe der Simulationsmodelle erfolgte anschließend die Generierung einer Datenbasis zur Erstellung datenbasierter Übertragungsfunktionen, welche die Veränderung der Fügepunktausbildung bei Veränderung der Anlageneigenschaften prognostizieren können.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Analyse anlagenseitiger Einflüsse beim mechanischen Fügen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20482BR 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. 580 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
In mechanical joining technology, different machine designs, drive and control types as well as other system-specific properties are used depending on the application or joining system. The tool kinematics, moving masses and system stiffnesses resulting from the system properties can influence the joining result under constant boundary conditions, which means that the transferability of process parameters from one system to another is only possible to a limited extent.
These differences are relevant, for example, when transferring sampling results obtained in the laboratory to production and can lead to additional expenses during the start-up of series production. For this reason, the analysis of the influences of tool kinematics and machine stiffness of conventional joining systems on joint formation and joint strength in semi-tubular self-pierce riveting and clinching was investigated in this research project. The influences of the plant systems were first determined by means of an experimental process analysis for a steel-steel, a steel-aluminum, and an aluminum-aluminum joint combination.
The characteristic values in the cross-section and the quasi-static joint shear strengths of the joints were evaluated. At the same time, the joining systems were analyzed metrologically with regard to elastic deformation in the joining process and the real joining speed profiles were recorded. Subsequently, numerical 3D simulation models were developed and validated, which can represent the joining process including the influence of the equipment.
JOHNSON- COOK material models based on tensile tests were validated to describe the material properties in terms of strain rate and temperature dependence of the joined sheets. The simulation models were then used to generate a database for the creation of data-based transfer functions which can predict the change in the formation of the joining points when the system properties change.
Inhaltverzeichnis
Zusammenfassung
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung und Problemstellung
1.1 Zielsetzung und Vorgehensweise
1.1.1 AS 1: Projektdetailplanung und Werkstoffcharakterisierung
1.1.2 AS 2: Experimentelle Fügeuntersuchungen
1.1.3 AS 3: Messtechnische Anlagenanalyse
1.1.4 AS 4: Aufbau und Validierung der Simulations- und Ersatzmodelle
1.1.5 AS 5: Metamodellierung und Entwicklung eines Übertragungsalgorithmus
2 Stand der Technik
2.1 Halbhohlstanznieten
2.2 Clinchen
2.3 Anlagentechnik beim mechanischen Fügen
2.4 Einflussgrößen auf die Fügepunktausbildung
2.4.1 Einfluss werkzeug-, werkstück- und ggf. nietseitiger Fertigungs- und Prozessparametereinflüsse beim Halbhohlstanznieten und Clinchen
2.4.2 Einfluss anlagenseitiger Fertigungs- und Prozessparametereinflüsse beim Halbhohlstanznieten und Clinchen
3 Technologische Vorbetrachtungen
3.1 Werkstoffe
3.1.1 EN AW-5182
3.1.2 HC260LAD
3.1.3 HC420LA
3.2 Fügeanlagen
3.2.1 Referenzfügeanlage Promess 70 mit 4-Säulenführungsgestell
3.2.2 Atlas Copco/Henrob Gun
3.2.3 Eckold MFG-005
3.2.4 Eckold DFG500/150
3.2.5 Böllhoff RIVSET®Gen2
3.2.6 Böllhoff RIVSET®Portable
3.2.7 Tucker ERT80
3.3 Prüf- und Analysemethoden
3.3.1 Fügepunktanalyse
3.3.2 Prüfung des Tragverhaltens der Verbindungen
3.3.3 Analyse der Anlagenverformung im Fügeprozess
3.3.4 Analyse des Werkzeuggeschwindigkeitsprofils im Fügeprozess
3.3.5 Ermittlung dehnraten- und temperaturabhängiger Fließkurven
3.4 Aufbau der Simulationsmodelle
3.5 Aufbau der 3D-Simulationsmodelle mit Abbildung der elastischen Anlagenverformung
3.6 Statistische Versuchsplanung/Numerische Sensitivitätsanalysen
4 Experimentelle Prozessanalyse
4.1 Bemusterung
4.2 Auswertung der experimentellen Prozessanalyse
4.2.1 Clinchen: EN AW-5182 in EN AW 5182 mit radial öffnender Matrize
4.2.2 Clinchen: EN AW-5182 in EN AW 5182 mit starrer Matrize
4.2.3 Clinchen: HC260LAD in HC260LAD mit radial öffnender Matrize
4.2.4 Clinchen: HC260LAD in HC260LAD mit starrer Matrize
4.2.5 Clinchen: HC420LA in EN AW 5182 mit radial öffnender Matrize
4.2.6 Clinchen: HC420LA in EN AW 5182 mit starrer Matrize
4.2.7 Halbhohlstanznieten: EN AW-5182 in EN AW-5182
4.2.8 Halbhohlstanznieten: HC260LAD in HC260LAD
4.2.9 Halbhohlstanznieten: HC420LA in EN AW-5182
5 Messtechnische Anlagenanalyse
5.1 Verformungsanalyse
5.1.1 Clinchen mit radial öffnender Matrize der Verbindung HC260LAD in HC260LAD
5.1.2 Clinchen mit starrer Matrize der Verbindung HC260LAD in HC260LAD
5.1.3 Halbhohlstanznieten der Verbindung HC420LA in EN AW-5182
5.2 Analyse der Werkzeuggeschwindigkeitsprofile
5.2.1 Halbhohlstanznieten der Verbindung HC420LA in EN AW-5182
5.2.2 Clinchen mit radial öffnender Matrize der Verbindung HC260LAD in HC260LAD
5.2.3 Clinchen mit starrer Matrize der Verbindung HC260LAD in HC260LAD
6 Validierung der Simulationsmodelle
6.1 Dehnraten- und temperaturabhängige Fließkurven nach JOHNSON-COOK
6.1.1 Studie zur Ermittlung der notwendigen Dehnraten- und Temperaturbereiche
6.1.2 Ergebnisse der dehnraten- und temperaturabhängigen Zugversuche
6.1.3 Validierung der Johnson-Cook-Materialmodelle
6.2 Validierung der 3D-Simulationsmodelle ohne Abbildung des Anlageneinflusses
7 Sensitivitätsanalyse, Metamodellierung und Identifikation von Übertragungsfunktionen
7.1 Clinchen
7.2 Halbhohlstanznieten
7.3 Diskussion der Ergebnisse
8 Ergebnisse und Ausblick
8.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU, innovativer Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeiten
9 Literaturverzeichnis
