Lösungsstrategien für das Halbhohlstanznieten von höchstfesten und ultrahöchstfesten Stählen mit Aluminiumwerkstoffen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Benedikt Uhe, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn
110 Seiten - 92,00 EUR (sw, 77 teils farbige Abb., 16 Tab.) 
ISBN 978-3-86776-651-7
Zusammenfassung
Aufgrund der Leichtbauweise von Fahrzeugkarosserien werden konventionelle Stahlgüten durch ultrahöchstfeste Stahlwerkstoffe ersetzt. Die hohe Festigkeit dieser Werkstoffe stellt eine Herausforderung für das mechanische Fügen dar.
Weil diese Stahlwerkstoffe zunehmend in erhöhter Dicke eingesetzt werden, wird die Leistungsfähigkeit konventioneller Halbhohlstanzniete überschritten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein Stanzniet erarbeitet, welcher eine Erweiterung des Einsatzbereichs des Halbhohlstanznietens auf stempelseitige Fügeteile aus höchstfesten und ultrahöchstfesten Stahlwerkstoffen bei großer Materialdicke ermöglicht.
Zunächst wurden Referenzverbindungen mit handelsüblichen Stanznieten erstellt und analysiert. Durch die simulationsgestützte Ermittlung der Spannungs- und Dehnungsverhältnisse im Stanzniet wurden Ansätze für die Modifizierung der Stanzniete erarbeitet.
Ebenso wurde der Einfluss der einzelnen Geometrieparameter des Stanzniets auf die Verformung des Stanzniets und die Verbindungsausbildung untersucht. Parallel dazu, wurden die mechanischen Eigenschaften potenzieller Stanznietwerkstoffe charakterisiert und eine angepasste Wärmebehandlungsstrategie erarbeitet. Durch die Modifizierung der Werkstofflegierung und der Wärmebehandlung kann eine Erhöhung der Festigkeit des Stanznietwerkstoffs um ca. 20 % gegenüber der bisher üblichen Härteklasse H6 erreicht werden.
Daher kann eine Stanznietgeometrie mit einem bisher üblichen Nenndurchmesser von 5,5 mm verwendet werden. Die neuen Stanzniete wurden experimentell in einem zweistufigen Kaltumformprozess hergestellt. Abschließend wurde die erarbeitete Lösung basierend auf experimentellen Versuchen analysiert.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Lösungsstrategien für das Halbhohlstanznieten von höchstfesten und ultrahöchstfesten Stählen mit Aluminiumwerkstoffen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21012N 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. 592 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Due to the lightweight design of car bodies, conventional steel grades are substituted by ultra-high-strength steel. Due to the high material strength, the mechanical joining of these materials is challenging.
As these materials are increasingly used in higher thickness, the capability of conventional self-piercing rivets is exceeded. Within this research project, a new self-piercing rivet was developed, which enables the enhancement of the process limits of self-piercing riveting to punch-sided sheets made of high-strength and ultra-high-strength steels with large thicknesses.
This was achieved by an optimisation of the rivet geometry and the rivet material. Within this research project, a new self-piercing rivet was developed, which enables the enhancement of the process limits of self-piercing riveting to punch-sided sheets made of high-strength and ultra-high-strength steels with large thicknesses.
First of all, reference joints with commercially available self-piercing rivets were created and analysed. A simulation based determination of the stress and strain within the rivet was used to identify approaches for the modification of the rivets. The influence of the different geometry parameters of the rivet on the deformation of the rivet and the joint formation was also investigated.
In addition, the mechanical properties of potential rivet materials were characterized and an adapted heat treatment strategy was designed. By modifying the material alloy and the heat treatment, an increase in the strength of the rivet material of approx. 20 % can be achieved compared with the previously common hardness class H6.
Consequently, a rivet geometry with a common nominal diameter of 5.5 mm can be used. The new rivets were produced experimentally in a two-stage cold forming process. Finally, the developed solution was analysed on the basis of experimental tests.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Mechanische Fügetechnik
2.2 Halbhohlstanznieten
2.2.1 Verfahrensablauf und Verbindungsqualität
2.2.2 Eigenschaften von Halbhohlstanznieten
2.2.3 Halbhohlstanznieten von höchstfesten und ultrahöchstfesten Stählen
2.2.4 Wärmebehandlung von Halbhohlstanznieten
3 Versuchsrandbedingungen
3.1 Materialdickenkombinationen
3.2 Fügeteilwerkstoffe
3.2.1 22MnB5
3.2.2 37MnB5
3.2.3 DP800
3.2.4 EN AW-5182
3.2.5 Weitere Werkstoffe
3.3 Drahtwerkstoffe
3.4 Halbhohlstanzniete
3.5 Klebstoff
3.6 Prüfverfahren und Probengeometrien
3.6.1 Werkstoffcharakterisierung
3.6.2 Charakterisierung der Verbindungsfestigkeit
3.7 Verwendete Anlagentechnik
3.7.1 TOX® TE-X
3.7.2 Universalprüfmaschine Z1484
3.7.3 Universalprüfmaschine Z100
3.7.4 Schwingversuche
3.7.5 Hydraulikpresse Stenhøj LPA 60/40 T
4 Erstellung und Analyse von Referenzverbindungen
4.1 Bemusterung
4.2 Charakterisierung der Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe
4.2.1 Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe
4.2.2 Stanzversuche
4.3 Simulationsgestützte Analyse der Referenzverbindungen
5 Charakterisierung alternativer Stanznietwerkstoffe
5.1 Eigenschaften der potenziellen Stanznietwerkstoffe
5.2 Ermittlung der mechanischen Eigenschaften
5.3 Nietdruckversuche
6 Optimierung der Stanznietgeometrie
6.1 Untersuchung des Einflusses der Geometrieparameter
6.2 Geometrieparameter des neuen Stanzniets
6.3 Experimentelle Erprobung des neuen Stanzniets
7 Umformtechnische Herstellung der Stanzniete
7.1 Auslegung der Stadienfolge und der Aktivteile
7.2 Werkzeugkonzept und experimentelle Herstellung
8 Experimentelle Anwendung der erarbeiteten Lösung
8.1 Fügeversuche mit dem neuen Stanzniet
8.1.1 Gegenüberstellung der Fügeergebnisse bei Referenzverbindungen
8.1.2 Verhalten des neuen Stanzniets bei verschiedenen Randbedingungen
8.2 Charakterisierung der Verbindungsfestigkeit
8.2.1 Ermittlung der Tragfähigkeit unter quasistatischer Belastung
8.2.2 Ermittlung der Tragfähigkeit unter zyklischer Belastung
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literaturverzeichnis
10.1 Normen und Richtlinien
10.2 Patente und Offenlegungsschriften
