B5

Arbeitsgruppe B | Form-/Kraftschluss

 
 

Vorlochfreies umformtechnisches Fügen artungleicher Materialien mittels Schneidclinchverfahren (Schneidclinchen)

Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Universität Erlangen
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Universität Paderborn

 
 

Zusammenfassung:

Aufgrund eines allgemein zunehmenden Umweltbewusstseins steht die Nachhaltigkeit bei der Herstellung und Nutzung von Produkten im Vordergrund. Die Reduzierung des Schadstoffausstoßes von Kraftfahrzeugen erfordert die konsequente Umsetzung von Leichtbaustrategien. Daher erfolgt die Herstellung moderner Automobile in Mischbauweise. Durch geeignete Werkstoffkombinationen können gezielt die Eigenschaften hinsichtlich Funktionserfüllung, Betriebssicherheit und Ressourcenverbrauch eingestellt werden. Voraussetzung hierfür ist die Herstellung zuverlässiger Bauteilverbunde mittels werkstoffadäquater Fügeverfahren. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Fügepartner stellen dabei eine besondere Herausforderung dar, weshalb Techniken für das Fügen artgleicher Werkstoffe oftmals nicht eingesetzt werden können. Mechanische Verfahren, die sich zum Fügen unterschiedlicher Werkstoffe etabliert haben, sind durch deren mechanische Eigenschaften limitiert. So ist beispielsweise das Clinchen ultrahochfester Stähle, wie presshartem 22MnB5, aufgrund ihrer hohen Festigkeit und geringen Duktilität nicht möglich. Großes Potential zum Fügen artungleicher Werkstoffe mit stark unterschiedlichen Eigenschaften, wie hochfesten Stählen mit Aluminium, bietet das Schneidclinchen, welches im Rahmen dieses Projekts durch das Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik und dem Lehrstuhl für Fertigungstechnologie untersucht wird. Das Schneidclinchen ist dem Fügen durch plastische Deformation ohne Hilfsfügeteil zuzuordnen. Anders als beim konventionellen Clinchen, wird der matrizenseitige Werkstoff durch die indirekte Kraftübertragung über den oberen Fügepartner getrennt. Durch das anschließende Fließpressen des stempelseitigen Werkstoffs und dem Hinterfließen des ausgeschnittenen Lochs wird eine kraft- und formschlüssige Verbindung hergestellt.

Für eine grundlegende Analyse des Verfahrens erfolgten in der ersten Phase des Projekts die Modellierung des Prozesses sowie die numerische Untersuchung werkzeug- und prozessseitiger Einflussgrößen. Das Simulationsmodell stellt die durch den Trenn- und Fügeprozess beeinflussten Werkstoffeigenschaften für eine simulationsbasierte Bestimmung der Verbindungsausbildung beim Schneidclinchen bereit. Grundlage hierfür war die umfassende Charakterisierung der stempelseitig zum Einsatz kommenden Aluminiumlegierung AA6016 T4 sowie der matrizenseitig verwendeten Stähle 22MnB5 im pressharten Zustand und HCT780X durch den LFT. Es folgte die Entwicklung einer geeigneten Werkzeugtechnik für das Schneidclinchen in einer C-Gestell-Presse sowie einer O-Gestell-Presse durch den LWF respektive den LFT. Während C-Gestell-Pressen den Vorteil einer guten Zugänglichkeit bieten, verfügen Pressen mit O-Gestell über eine hohe Steifigkeit, wodurch der pressenseitige Einfluss auf den Prozess reduziert wird. Hierauf aufbauend erfolgten die experimentelle Untersuchung verschiedener werkzeug- und prozessseitiger Einflussgrößen sowie die Analyse der Tragfähigkeit schneidgeclinchter Verbindungen sowohl im Kopf- als auch im Scherzug durch die beiden Projektpartner. Dabei wurde die Außenstempelgeometrie als kritisch für die Ausbildung des Fügepunkts eingestuft.

In der zweiten Phase des Projekts wurden am LFT der Werkstofffluss im Prozess und die hierfür ausschlaggebenden Einflussgrößen numerisch analysiert und Möglichkeiten zur Steuerung des Stoffflusses in die Fügezone aufgezeigt. Nach der Weiterentwicklung der Werkzeugkonzepte erfolgten außerdem die Ermittlung der Aufbiegung der Presse und der Prozessstabilität im C-Gestell am LWF sowie Variantenuntersuchungen im O-Gestell am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie. Neben der quasi-statischen Verbindungsfestigkeit schneidgeclinchter Proben, wurde zudem das Verhalten unter einer dynamischen Belastung am LWF untersucht.

 
 
Projektschwerpunkte der dritten Förderphase
Projektschwerpunkte der dritten Förderphase
 
 

Nach den grundlegenden Untersuchungen des Prozesses innerhalb der ersten beiden Phasen, erfolgt in der dritten Förderphase die Analyse der Werkzeugbeanspruchung während des Schneidclinchens am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie. Hierfür wird das Simulationsmodell, das in den vorangegangenen Phasen aufgebaut wurde, um den Aspekt der Werkzeugbeanspruchung erweitert. Darüber hinaus erfolgt die experimentelle Untersuchung des Einlaufverhaltens der Werkzeugaktivelemente. Dies beinhaltet die Analyse des Einflusses des Werkzeugverschleißes auf die Prozessstabilität. Hierdurch wird es möglich Werkzeuge mit hoher Standzeit und geringem Verschleiß zu konstruieren. In der dritten Phase des Projekts werden zudem werkzeug- und prozessseitige Einflussgrößen auf das Aufbiegen der Proben beim Fügen von Mehrelementproben durch das Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik untersucht. Dabei werden unter anderem der Fügepunktabstand und die Fügereihenfolge variiert. Weiterhin wird die Übertragbarkeit der bisher gesammelten Erkenntnisse auf eine neue Fügeaufgabe durch die Verwendung eines weiteren stempelseitigen Fügepartners durch den LWF und den LFT überprüft. Hierzu erfolgen die numerische Vorhersage der Fügepunktausprägung und die Validierung des Simulationsmodells für die neue Werkstoffkombination. Im Hinblick auf die Anwendung des Verfahrens im Karosseriebau werden zudem das Korrosionsverhalten schneidgeclinchter Verbindungen, die Auswirkung von Korrosion auf die Verbindungsfestigkeit und Möglichkeiten zum Korrosionsschutz am LWF untersucht, um so übertragbare Erkenntnisse hinsichtlich des Einsatzverhaltens zu erzielen.

 
 

Veröffentlichungen:

2018   
  Investigation of the influence of tool-sided parameters on deformation and occurring tool loads in shear-clinching processes Han, D.; Hörhold, R.; Wiesenmayer, S.; Merklein, M.; Meschut, G.:
In: Procedia Manufacturing 15(2018), S. 1346–1353
  Numerical Investigation of the Tool Load in Joining by Forming of Dissimilar Materials Using Shear-Clinching Technology Wiesenmayer, S.; Müller, M.; Dornberger, P.; Han, D.; Hörhold, R.; Meschut, G.; Merklein, M.:
In: Key Engineering Materials 767(2018), S. 397–404
  Shear-Clinching of Multi-Element Specimens of Aluminium Alloy and Ultra-High-Strength Steel Han, D.; Hörhold, R.; Müller, M.; Wiesenmayer, S.; Merklein, M.; Meschut, G.:
Key Engineering Materials 767(2018), S. 389–396
2017   
  Specimen´s Geometry Related Influences on Load-Bearing Capacity of Joining Aluminium and UHSS by Innovative Shear-Clinching Hörhold, R.; Müller, M.; Merklein, M.; Meschut, G.:
In: Journal of Materials Science Research 6(2017)4, published online
2016   
  Mechanical properties of an innovative shear-clinching technology for ultra-high-strength steel and aluminium in lightweight car body structures Hörhold, R.; Müller, M.; Merklein, M.; Meschut, G.:
In: Welding in the World 60(2016)3, S. 613–620
  Fundamental Studies on a Novel Die Concept for Round-Point Shear-Clinching Hörhold, R.; Müller, M.; Merklein, M.; Meschut, G.:
In: AIP Conference Proceedings 1769(2016)100003, S. 1–6
  Numerische Untersuchung des Werkstoffflusses beim Fügen artungleicher Werkstoffe mittels Schneidclinchen Müller, M.; Hörhold, R.; Meschut, G.; Merklein, M.:
In: Brosius, A. (Hrsg.): Tagungsband SFU 2016, 2016, S. 158–165
2015   
  Development of a testing method for the identification of friction coefficients for numerical modeling of the shear-clinching process Müller, M.; Vierzigmann, U.; Hörhold, R.; Meschut, G.; Merklein, M.
In: Key Eng. Mater. 639, 2015, S. 469–476
  FE-based study of the cutting operation within joining by forming of dissimilar materials using shear-clinching technology Müller, M.; Hörhold, R.; Meschut, G.; Merklein, M.
In: Adv. Mater. Res. 794, 2015, S. 304–311
2014   
  Basic Investigations of Non-Pre-Punched Joining by Forming of Aluminium Alloy and High Strength Steel with Shear-Clinching Technology Merklein, M.; Meschut, G.; Müller, M.; Hörhold, R.
In: Key Eng. Mater. 611–612, 2014, S. 1413–1420
  Analysis of material behaviour in experimental and simulative setup of joining by forming of aluminium alloy and high strength steel with shear-clinching technology Müller, M.; Hörhold, R.; Merklein, M.; Meschut, G.
In: Adv. Mater. Res. 966–967, 2014, S. 549–556
  Adaption des Ringstauchversuchs für die Untersuchung der tribologischen Bedingungen beim Fügen warmumgeformter Stähle mittels Schneidclinchen Müller, M.; Vierzigmann, U.; Hörhold, R.; Meschut, G.; Merklein, M.
In: M. Merklein (Hrsg.): 9. Erlanger Workshop Warmblechumformung, Meisenbach, 2014, S. 163–174
2013  
  Grundlegende Untersuchungen zur Verbindung von pressgehärtetem Stahl und Aluminium mittels Schneidclinchen Merklein, M.; Meschut, G.; Müller, M.; Hörhold, R.
In: A. Brosius (Hrsg.): Tagungsband – 20. Sächsiche Fachtagung Umformtechnik, 2013, S. 63–72
 
 

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