Enhancement of the connection strength of flat-clinch joints by alternative process concepts
Final Report Abstract
In diesem Forschungsprojekt wurden zwei Ansätze zur Steigerung der Verbindungsfestigkeit von Flach-Clinch-Verbindungen untersucht. Der erste Ansatz sieht die Verwendung von nichtrotationssymmetrischen Werkzeuggeometrien vor. Im Gegensatz zum konventionellen Clinchen mit matrizenseitiger Überhöhung findet jedoch kein partielles Trennen der zu fügenden Bleche statt. Somit kommt es zu keiner Schwächung der Verbindung und es bleibt die Gas- und Flüssigkeitsdichtheit der Fügestelle erhalten. Aufgrund der unregelmäßigen Werkzeugquerschnitte wird die Verdrehfestigkeit der Verbindung im Vergleich zum konventionellen Flach-Clinchen mit Rundstempel deutlich erhöht. Die Analyse der Fügestellen zeigt weiterhin, dass sich sowohl die Halsdicke als auch der Hinterschnitt ungleichmäßig über den Umfang ausformen. Dies führt zur lokalen Steigerung dieser Kennwerte und folglich zu einer Erhöhung der ertragbaren Kopf- und Scherzugbelastung im Vergleich zum konventionellen Rundstempel. Für das Fügen zweier Bleche aus Al99,5 mit einer Blechdicke von 1,0 mm und 1,5 mm wurde durch die Verwendung eines quadratischen Stempels die Verdrehfestigkeit im Vergleich zum Rundstempel um 73 % erhöht. Aufgrund der größeren Halsdicke und des größeren Hinterschnittes konnte ebenfalls die ertragbare Kopfzugbelastung um 64 % gesteigert werden. Die Steigerung der Scherzugkraft beträgt 70 %. Der zweite untersuchte Ansatz beinhaltet den Einsatz von sogenannten Hilfsfügeelementen. Durch das Einbringen in eine bereits bestehende Flach-Clinch-Verbindung und das anschließende Umformen der Elemente kann die ertragbare Kopfzugbelastung einer konventionellen Flach-Clinch-Verbindung mit Rundstempel erhöht werden. Die numerischen Untersuchungen zeigten, dass für eine Erhöhung der ertragbaren Kopfzugbelastung zylindrische Hilfsfügeelemente verwendet werden sollten, die aufgrund der Gefahr einer möglichen Kontaktkorrosion aus demselben Werkstoff wie das Oberblech bestehen. Für das Fügen zweier Bleche aus Al99,5 mit einer Blechdicke von 1,0 mm und 1,5 mm ergab sich eine optimale Ausgangshöhe des Hilfsfügeelements hHFE = 1,00 mm. Gegenüber einer konventionellen Flach-Clinch-Verbindung ohne Hilfsfügeelement konnte die Kopfzugkraft um 15 % gesteigert werden, jedoch führte die Ausdünnung des Oberblechs im Bereich des Niederhalters zu einer Reduzierung der Scherzugkraft um 5 %. Für die numerischen Untersuchungen im Rahmen der Projektbearbeitung wurden zwei verschiedene Simulationsansätze verfolgt. Beide Ansätze haben ihre jeweiligen Vor- und Nachteile und sollten je nach vorliegender Berechnungsaufgabe gewählt werden. Die Abbildung des Flach-Clinchens mit nichtrotationssymmetrischen Werkzeuggeometrien erfordert bereits für die Fügesimulation zwingend eine dreidimensionale Modellierung, wobei je nach Grundform der Werkzeuge Teilsymmetrien zur Verkürzung des Berechnungsaufwands ausgenutzt werden können. Für die Modellierung der Kopf- und Scherzugbelastung müssen mindestens halbsymmetrische 180°-Segmente gewählt werden. Die Simulation des Prozesses erfolgte mit LS-Dyna. Trotz mehrerer Millionen Tetraeder-Elemente ergaben sich durch eine explizite Zeitintegration, MPP-Parallelisierung und adaptive Netzanpassung sowohl für die Füge- als auch anschließende Belastungssimulation Rechenzeiten von jeweils ca. 11 Stunden. Die Abbildung des Flach-Clinchens mit Hilfsfügeelement erfolgte mit Simufact.forming. Aufgrund der impliziten Zeitintegration und den damit verbundenen langen Rechenzeiten bei 3D-Modellen mit hoher Elementanzahl wurden sowohl das konventionelle Flach-Clinchen als auch die Umformung des Hilfsfügeelements vereinfacht 2D-axialsymmetrisch modelliert (SMP-Parallelisierung). Der Vorteil dieses Ansatzes liegt in den extrem kurzen Rechenzeiten von jeweils ca. 10 Minuten. Nach der Simulation des Fügeprozesses wurde das 2D-Ergebnis inklusive der vollständigen Umformhistorie in ein 3D-Ergebnis transformiert und in ein 3D-teilsymmetrisches Simulationsmodell importiert (DDM-Parallelisierung). Hierbei ergaben sich Rechenzeiten von jeweils ca. 24 Stunden.
Publications
- Heat Generation During Mechanical Joining Processes – by the Example of Flat-Clinching. In: Procedia Engineering. Elsevier B.V. Vol. 184. 2017, S. 251 – 265
Härtel, S.; Graf, M.; Gerstmann, T.; Awiszus, B.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.04.093) - Werkzeug zur Herstellung mechanischer Fügeverbindungen sich überlappender plattenförmiger Werkstücke und mechanische Fügeverbindung. Patentschrift DE 10 2015 016 912 B3
Thoralf Gerstmann, Birgit Awiszus
- Innovative method for increasing the joint strength of flat-clinching. The 22nd International Conference on Advances in Materials and Processing Technology AMPT 2019; Oct. 20, 2019 - Oct. 24, 2019; Taipei/Taiwan
Gerstmann, T.; Awiszus, B.
