Volker Thoms Livres

Clinchverfahren sind geeignet für das prozesssichere Verbinden von zwischenstufenvergüteten Stahldünnblechen mit Stahlblechen in Tiefziehqualität oder höherfesten Stahlblechen. Das untersuchte Clinchsystem A (Rundpunkt mit geschlossener Matrize) zeigt bessere Ergebnisse bei der Verarbeitung von PT120 im Vergleich zu Clinchsystem B mit sich öffnender Matrize, was auf den unterschiedlichen Werkstofffluss bei der Punktausbildung zurückzuführen ist. Das empfohlene Blechdickenverhältnis (t1/t2>0,5) wurde bei den getesteten Werkstoffkombinationen deutlich unterschritten. Es wurde nachgewiesen, dass Materialien mit einer Zugfestigkeit >700MPa clinchbar sind, wobei das dünnere und festere Material stempelseitig angeordnet werden sollte. Zwischenstufenvergütete Stahldünnbleche sollten eine Bruchdehnung von 9% aufweisen, um eine prozesssichere Verbindung zu gewährleisten. Bei der praktischen Anwendung von PT120 in Seriensetzeinrichtungen sollten die Fügeteile beölt verarbeitet werden, um eine Selbstzentrierung der Setzwerkzeuge und rissfreie Punktausbildung zu erreichen. Radialclinchen zeigt, dass die Fügekraft um ca. 50% geringer ist. Die Anwendbarkeit alternativer Fügeverfahren wie Stanznieten wurde ebenfalls nachgewiesen. Untersuchungen zum Clinchen-Kleben zeigen, dass der Klebstoff die Punktausbildung nicht negativ beeinflusst, was sich in den Verbindungsfestigkeiten der geclinchten Kleb-Proben im unausgehärteten Zustand widerspiege

Der Werkstofffluss im Flanschbereich von Umformwerkzeugen kann durch die lokale Beeinflussung mit Piezoaktoren aktiv gesteuert werden. Dabei wird nicht die gesamte erforderliche Niederhalterkraft durch die Piezoaktoren aufgebracht, sondern nur in ausgewählten Bereichen der Gesamtniederhalterkraft lokal überlagert. Die Wirksamkeit der Piezoaktoren ist erst bei höheren Flächenpressungen und damit verbundener geringerer Faltenbildung prinzipiell nachweisbar. Die Auswertung der Flanschkonturen und der Aktor-Verfahrwege bzw. -kräfte zeigt wiederum die Abhängigkeit der Wirksamkeit der Piezoaktoren von der Gesamtniederhalterkraft und der damit verbundenen Faltenbildung. Im Gegensatz zum untersuchten Modell-Rechteckwerkzeug ist im Praxis-Tankschalenwerkzeug eine systematische Beeinflussung des Werkstoffflusses durch die Variation der überlagerten Niederhalterkräfte feststellbar.

Mehrbereichsvollstanzniete bieten im Vergleich zu Standardvollstanznieten Vorteile hinsichtlich des Arbeitsaufnahmevermögens, insbesondere bei quasistatischer Scherzugbelastung von Überlappverbindungen. Unter stoßartiger Belastung zeigen die geprüften Proben ein ähnliches Verhalten. Verbindungen mit Mehrbereichsvollstanznieten weisen jedoch unter dynamisch schwellender Belastung eine geringere Zeitstandfestigkeit im Wöhlerdiagramm auf als solche mit Standardvollstanznieten. Durch die Anordnung mehrerer Nuten entlang des Nietschaftes wird eine definierte Formschlussausbildung für verschiedene Fügeteile und -dicken sowie Fügeteilfestigkeiten gewährleistet. Die Fügeparameter und Matrizengeometrie bleiben unverändert, was den logistischen Aufwand reduziert (nur 1 Vollstanzniet, 1 Matrize und 1 Fügeparametersatz). Dieses Merkmal ermöglicht den Ausgleich unterschiedlicher Fügeteildicken, wie sie bei Aluminium-Druckgussteilen und stark umgeformten Teilen typisch sind. Auch bei ungünstigen Umformeigenschaften treten keine Schädigungen an Niet oder Fügeteilwerkstoff auf. Bei Aluminium-Mehrbereichsvollstanznieten wurde deren alternative Anwendbarkeit für Aluminium-Fügeteile nachgewiesen, wobei die materialbedingten Verfahrensgrenzen enger sind als bei Stahl-Varianten. Nach korrosiver Belastung bleibt die quasistatische Verbindungsfestigkeit aller untersuchten Verbindungstypen unverändert.

Im vorliegenden Bericht wurden die Methoden zur experimentellen Ermittlung der Grenzformänderungskurve für Bleche mit Dicken von 2,5 bis 5,0 mm entwickelt. Der Fokus lag auf der Anpassung der Versuchsparameter, der Festlegung eines praktikablen Abbruchkriteriums zur Bestimmung des Versagensbeginns bei der in-process-Auswertung sowie auf der Untersuchung der Verschiebung der Grenzformänderungskurven zu höheren Werten der Formänderung bei zunehmender Blechdicke. Die gängigste Methode zur Ermittlung der Grenzformänderungskurve besteht im Ziehen unterschiedlich taillierter Probenformen über einen halbkugelförmigen Stempel (Durchmesser 100 mm). Wichtige Versuchsparameter wie Tribologie und Probenform wurden angepasst, um den Werkstofffluss zu beeinflussen. Vorgaben wurden erarbeitet, um eine erfolgreiche Versuchsdurchführung zu gewährleisten. Das vorgestellte Versagenskriterium ermöglicht eine unkomplizierte und reproduzierbare Auswertung der Versuchsreihen, ist jedoch nicht vollständig mathematisch beschreibbar. Die Untersuchung des Einflusses der Blechdicke auf die Grenzformänderungskurve erfolgte durch Tests mit Stempeln unterschiedlicher Durchmesser (58 mm, 100 mm und 200 mm). Ein spezielles Ziehwerkzeug wurde für den Stempeldurchmesser 200 mm konstruiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Bleche bis zu einer Dicke von 3 mm mit dem halbkugelförmigen Stempel geprüft werden können, wobei die Formänderungswerte bei kleinerem Verhältnis

Das Forschungsvorhaben zielte darauf ab, flächenhafte Vergleiche und die Analyse von Geometriedaten bei der Umformung großer Blechbauteile durchzuführen. Hierfür wurde eine Messmaschine zur dreidimensionalen Vermessung von Ziehteilen bis zu 900x500x200 mm3 entwickelt. Die erzielten Genauigkeiten betragen ca. 0,1 mm in horizontaler und ca. 0,2 mm in vertikaler Richtung. Die Messmethode basiert auf der segmentweisen Abtastung der Oberfläche des Ziehteils mit einem photogrammetrischen Messkopf, wobei die aufgenommenen Bilder zu einem Gesamtprojekt zusammengefügt werden. Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist die Möglichkeit, nicht zusammenhängende Bereiche zu vermessen, ohne die dazwischen liegenden Segmente erfassen zu müssen, was die Bearbeitungs- und Rechenzeit erheblich reduziert. Das Konzept ermöglicht es kleinen und mittelständischen Unternehmen, in der Werkzeugerprobung und während der Produktion Blechformteile schnell und flächenhaft dreidimensional zu vermessen, ohne spezielle Messlehren zu benötigen. Zudem können mit der gleichen Messeinrichtung lokale Formänderungen zur Beurteilung von Ziehreserven, Werkstofffluss und Versagensanalysen an umgeformten Teilen ermittelt werden, was sowohl im Werkzeug-Tryout als auch während des Produktionsprozesses bei großen Chargenschwankungen oder Werkzeugverschleiß von Bedeutung ist.

Für die Ermittlung des Grenzziehverhältnisses als ein Kriterium für die Urformbarkeit bestehen für den Feinblechbereich jahrzehntelange umfangreiche Erfahrungen. Die Untersuchung der Übertragbarkeit auf den Dünnblechbereich (Blechdicke zwischen 0,1 und 0,5 mm) sowohl auf dem experimentellen Gebiet als auch für die Berechnung und Voraussage war die Aufgabe des vorliegenden Forschungsvorhabens. Die Projektziele lassen sich wie folgt zusammenfassen : • Experimentelle Ermittlung der Grenzziehverhältnisse für typische Materialklassen (Tiefziehstähle, Edelstähle, Aluminium) im Dünnblechbereich (0,1 bis 0,5 mm) • Untersuchung von Ansätzen aus dem Schrifttum zur Vorausbestimmung des Grenzziehverhältnisses; Dabei sollen insbesondere der Ansatz nach Chakrabarty und die Lösung nach Herold/Doege Berücksichtigung finden. • Weiterentwicklung/Anpassung eines Ansatzes auf Basis der beiden o. g. und den Besonderheiten im Dünnblechbereich • Verifikation und Kontrolle Vorausberechnung mit Hilfe exemplarischer FEM-Simulationen • Erarbeitung von Optimierungsmöglichkeiten zur Erhöhung des Grenzziehverhältnisses

Im Rahmen dieses Projektes wurde nachgewiesen, dass Radialstanznieten, eine Variante des Stanznietens mit Halbhohlniet, reproduzierbare Verbindungen bei deutlich reduziertem Kraftbedarf (ca. 40 ... 55% weniger als bei konventionellen Stanznietverbindungen) erzeugt. Die Verbindungsausbildung und Verbindungsfestigkeiten von Radialstanznietverbindungen sind mit konventionellen Stanznietverbindungen vergleichbar, vorausgesetzt, der Setzvorgang beginnt mit einer rein translatorischen Stempelbewegung. Wesentliche Einflussparameter wie Stempelgeometrie, maximaler Stempelauslenkwinkel und der Anteil der überlagerten Bewegung am Gesamthub wurden untersucht. Fügekraft, Drehzahl des Radialantriebes und Stempeleingriffszeit beeinflussen sich gegenseitig und sind entscheidend für die Prozessauslegung. Konzepte für Nietzuführung, Nietpositionierung und Niederhalter wurden entwickelt und in einer prototypischen, robotergeführten Radialfügezange umgesetzt, um die Umsetzbarkeit und Funktionsfähigkeit zu demonstrieren. Radialstanznieten stellt somit eine neue Verfahrensweise dar, die sowohl für robotergestützte Anwendungen als auch zur Erweiterung des Einsatzspektrums für stationäre Radialnietmaschinen geeignet ist.

Das Fügen von Blechen mit Rundpunkt ohne Schneidanteil erfolgt durch Radialclinchen mit Rosettenbewegung des Stempels. Mit Prozesszeiten von maximal 1,3 Sekunden können zweilagige, artgleiche Blechverbindungen aus Stahl und Aluminium unterschiedlicher Dicke und Festigkeit hergestellt werden. Der Verfahrensablauf und die geometrische Punktausbildung sind ähnlich wie bei konventionellen Clinchsystemen. Wichtige Einflussparameter sind die Abwälzgeschwindigkeit des Stempels, die axiale Stempelkraft und die Stempeleingriffszeit. Die Verbindungsfestigkeiten und das äußere Erscheinungsbild entsprechen denen konventioneller geclinchter Punkte. Die Rosettenbewegung kann sowohl mit stationären Fügeeinrichtungen als auch mobil mit robotergeführten C-Rahmengestellen umgesetzt werden. Eine neuartige Clincheinheit wurde entwickelt, die mit einem kombinierten radial- und translatorischen Stempelantrieb ausgestattet ist. Durch Anpassungen an Stempel und Niederhalterkonstruktion kann mit der Roboter-Radial-Clinchzange verzugsfrei und reproduzierbar gefügt werden. Eine Herausforderung stellt der größere Arbeitsraum der Stempelantriebseinheit dar. Durch gezielte Optimierung kann das Gesamtgewicht der Roboter-Radial-Clinchzange auf etwa 100 kg gesenkt werden, was einer Reduzierung von ca. 40% im Vergleich zu konventionellen Clinchzangen mit ähnlicher Leistungsfähigkeit entspricht.

Die Verbindung von Bauteilen aus höherfesten Materialien und Edelstählen wird durch Stanznieten mit Halbhohl- und Vollniet innerhalb ihrer Verfahrensgrenzen ermöglicht. Die untersuchten Kombinationen liefern charakteristische und reproduzierbare Fügeergebnisse. Stanznieten von austenitischen Edelstählen und hochfesten Materialien mit größerer Gesamtfügeteildicke führt zu hohen Belastungen, wodurch die Grenzen beider Verfahren erreicht werden. Positive Effekte zeigen sich beim Fügen von austenitischen Edelstählen mit Halbhohlstanznieten und erwärmten Fügeteilen, während dies bei hochfesten Materialien nicht der Fall ist. Auch beim Stanznieten mit Vollniet sind Verfahrensgrenzen erkennbar, die durch Matrizenanpassung nicht vermieden werden können. Die notwendige Schneidkraft für die Durchtrennung der Fügeteile steigt mit der Festigkeit und Dicke der Teile, zusätzlich erfordern spezifische Materialeigenschaften höhere Prozesskräfte. Durch Erwärmung der Fügeteile vor dem Stanznietprozess sinkt die Schneidkraft und die Belastung während des Setzprozesses wird reduziert. Die Bildung von Umformmartensit bei austenitischen Edelstählen kann durch Temperaturkontrolle verringert werden, wodurch die Verfahrensgrenzen des Vollnietens erweitert werden. Eine Prototypenanlage für thermisch unterstütztes Stanznieten wurde realisiert, und in eine Serienanlage wurde eine Widerstandserwärmungseinheit integriert, die eine Erwärmung der Fügeteile v

Neuronale Netze ermöglichen es, kausale Verknüpfungen beim Stanznieten mit Vollniet effizient abzubilden. Durch die Bereitstellung einer ausreichenden Anzahl und Qualität von Beispieldaten kann ein Prozessmodell erstellt werden, das als Werkzeug zur Vorhersage von Verbindungseigenschaften und den erforderlichen Werkzeugdaten dient. Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene Fügeaufgaben umgesetzt: sortenreine Verbindungen mit gleicher und unterschiedlicher Fügeteildicke sowie Mischverbindungen. Die Zuverlässigkeit der Vorhersagen des neuronalen Netzes steigt mit der Menge an Beispieldaten aus bereits gefügten Verbindungen, die für das Training verwendet werden. Die Validierung der vom Netz generierten Daten erfolgt durch experimentelle Überprüfungen und Zugversuche, um die generierten Verbindungsfestigkeiten abzugleichen. Im Gegensatz zur numerischen Simulation kann das Netz kontinuierlich von Anwendern und Systemanbietern optimiert werden, indem es mit neuen Daten trainiert wird. Es ist kein spezielles Expertenwissen für den Betrieb des Netzes erforderlich, was eine unmittelbare Nutzung im Produktionsumfeld ermöglicht. Das neuronale Netz demonstriert die hohe Zuverlässigkeit und Kalkulierbarkeit des Stanznietens mit Vollniet.