Erweiterung der Verfahrensgrenzen des Clinchens durch Voreinprägen
Verfasser:
Dipl.-Math. Tobias Falk, Dipl.-Ing. Thomas Kropp, Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel,
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)
Seiten - (Print, sw, teils farbige Abb., Tab.) (Digital, durchgehend farbig)
ISBN 978-3-86776-692-0
Zusammenfassung
Das Voreinprägen kann beim Clinchen unter zwei Voraussetzungen zu einer deutlichen Steigerung der Scherfläche und damit der Scherfestigkeit führen. Zum einen muss eine Ausgangsverbindung vorliegen, die bei maximal zulässiger Stempelkraft über einen Hinterschnitt von deutlich über 0,3 mm verfügt (im untersuchten Blechdickenbereich von max. 5 mm Gesamtblechdicke), zum anderen muss die Matrize eine Volumenreserve für das zusätzlich eingeprägte Werkstoffvolumen bereitstellen, öffnende Matrizensysteme bieten diese Reserve in der Regel durch die radial verschiebbaren Lamellen.
Mit dem zusätzlichen Voreinprägen können die geometrischen Verbindungskennwerte bei identischer Fügekraft (bezogen auf dieselbe Verbindung ohne Voreinprägen) ausschließlich in Richtung einer größeren Halsdicke verschoben werden, wobei dabei in der Regel der Hinterschnitt absinkt. Einschnittig überlappende Scherzugproben werden infolge des Blechversatzes bei der Prüfung einer zusätzlichen Biegebeanspruchung ausgesetzt, die zu einem Verdrehen des Fügepunktes und einer kombinierten Beanspruchung mit Kopf- und Schälzuganteilen führt. Aus diesem Grunde kann durch das Voreinprägen die maximal erzielbare Scherkraft nur insoweit gesteigert werden, bis das Versagen des Fügepunktes ausgehend vom erwünschten Mischversagen (mit hauptsächlichem Halsabriss) hin zum Ausknöpfen auf geringere Lastniveaus verschoben wird.
Mittels des Clinchens durch Voreinprägen kann (bei identischen Fügekräften) über den maximalen Prägeweg stufenlos zwischen der Referenzverbindung mit maximalem Hinterschnitt und geringster Halsdicke hin zu maximaler Halsdicke und geringem Hinterschnitt verfahren werden. Dadurch ist in Stufenversuchen das optimale Verhältnis von Scher- und Kopfzugkraft einstellbar, ohne dass ein Wechsel von Stempel oder Matrize erforderlich ist. Die numerischen und experimentellen Untersuchungen haben gezeigt, dass ausschließlich durch Variation des maximalen Prägeweges, der gesamte Lösungsraum mit nur einem Werkzeugsatz dargestellt werden kann.
Neben einem stufenlosen Herantasten an die maximale Scherzugkraft kann das variable Voreinprägen auch dazu verwendet werden, in einer Abfolge von Fügeoperationen die Eigenschaften jedes einzelnen Fügepunktes zu verändern. So können Randpunkte mit hoher Kopfzugfestigkeit gefolgt von Fügepunkten mit maximaler Scherfestigkeit erzeugt werden. Auch ist ein Wechsel der Fügerichtung möglich, sodass ein Fügen „dick in dünn" ohne Voreinprägen erfolgt und bei Wechsel der Fügerichtung die Scherfestigkeit durch Voreinprägen erhöht oder ein Halsriss vermieden wird.
Das Anwendungspotential des Clinchens durch Voreinprägen ist insbesondere für starre Matrizensysteme gegeben. Bei öffnenden Matrizensystemen ist aufgrund der geringen Durchmesserunterschiede zwischen Stempel und noch geschlossener Matrize die Integration eines zusätzlichen Prägestempels schwierig, bei Verwendung konischer Stempel nahezu unmöglich. Öffnende Systeme können über individuell abgestimmte Stufenstempel zusätzliches Material in den Halsbereich formen, da die öffnenden Lamellen einen radialen Werkstofffluss unterhalb der unteren Blechebene ermöglichen.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Erweiterung der Verfahrensgrenzen des Clinchens durch Voreinprägen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer EFB/IGF 01IF22329N 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. 623 erschienen und im EFB-Shop https://shop.efb.de und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Pre-embossing can lead to a significant increase in the shear cross-sectional area and therefore the shear strength during clinching under two conditions. Firstly, the initial joint must have an undercut of well over 0.3 mm (in the tested sheet thickness range of max. 5 mm total sheet thickness), and secondly, the die must provide a volume reserve for the additional embossed material volume.
The geometric joint characteristics can only be shifted towards a larger neck thickness with pre-embossing, whereby the undercut decreases at the same time. Single lap shear tensile specimens are subjected to additional bending stress as a result of the sheet offset during testing, which leads to a twisting of the joining point and a combined stress with head and peel tensile components. For this reason, the maximum achievable shear force can only be increased to that point, where the failure of the joining point is shifting from the desired neck crack to mixed failure or unbuttoning at lower load levels.
By means of clinching by pre-embossing, the maximum embossing path can be infinitely varied between the reference connection with maximum undercut and minimum neck thickness to maximum neck thickness and low undercut. This allows the optimum ratio of shear and head tensile force to be set in step tests without the need to change the punch or die. The numerical and experimental investigations have shown, that the entire solution area can be realised with just one tool set by varying the maximum embossing path.
In addition pre-embossing can also be used to change the properties of each individual joining point in a sequence of joining operations. In this way, edge points with high head tensile strength can be produced followed by joining points with maximum shear strength. It is also possible to change the direction of joining so that a 'thick into thin' joint can be created without pre-embossing and, when the joining direction is changed, the shear strength is increased by pre-embossing or a neck crack is avoided.
The application potential of clinching by pre-embossing is unfortunately only given for rigid die systems, as the installation space for opening die systems is too small due to the small differences in diameter between the punch and the closed die. By means of opening die systems, additional material can be formed into the neck area using individually adapted stepped punches, as the opening lamellae enable a radial material flow below the lower sheet level.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Clinchen
2.2 Patentsituation
2.3 Simulation des Clinchens
2.4 Automatisierung der Simulation und Kopplung mit Statistiksoftware
3 Problemstellung, Zielstellung und Lösungsansatz
3.1 Problemstellung
3.2 Zielstellung und Lösungsansatz
4 Verbindungen und Kennwerte
4.1 Versuchsmatrix
4.2 Verwendete Anlagen für das Fügen und Prüfen
4.3 Werkstoffkennwerte für die numerische Simulation
4.4 Geometrieparameter für die numerische Simulation
5 Referenzverbindungen
5.1 Referenzverbindungen mit starrem Matrizensystem
5.2 Referenzverbindungen mit öffnendem Matrizensystem
5.3 Validierung der Simulationsmodelle
6 Numerische Prozessauslegung des Clinchens mit Voreinprägen
6.1 Analyse des Lösungsgebietes für das konventionelle Clinche
6.2 Lösungsgebiete für das konventionelle Clinchen mit starrem Matrizensystem
6.3 Lösungsgebiete für das konventionelle Clinchen mit öffnendem Matrizensystem
6.4 Lösungsgebiete für das Clinchen mit Voreinprägen (starres Matrizensystem)
6.5 Parameterstudie zum Clinchen mit Voreinprägen
6.6 Verfestigung des Werkstoffes im Halsbereich beim Clinchen mit Voreinprägen
6.7 Lösungsgebiete für das Clinchen mit Voreinprägen (öffnendes Matrizensystem)
7 Experimentelle Untersuchung zur Tragfähigkeit
7.1 Tragfähigkeit Scherzug
7.2 Tragfähigkeit Kopfzug
8 Anlagenkonzepte zum Clinchen mit Voreinprägen
8.1 Bestimmen der erforderlichen Kräfte für das Voreinprägen
8.2 Hydraulischer Prägestempel
8.3 Niederhalterintegration
8.4 Schaltbarer Prägestempel
9 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literaturverzeichnis
