Joining by dieless hydroforming with outer pressurization
Production Automation and Assembly Technology
Final Report Abstract
Ziel des Forschungsvorhabens war die Erweiterung der Prozessgrenzen des wirkmedienbasierten Fügens rotationssymmetrischer Fügepartner durch Umkehrung der Umformrichtung. Die daraus resultierende bessere Fügenstellenzugänglichkeit ermöglicht beispielweise die Anwendung des Verfahrens zum Fügen geschlossener Rahmenstrukturen. Darüber hinaus sind die Erhöhung der Druckbeaufschlagungsfläche sowie die Möglichkeit zur inversen Fügepartneranordnung als potenzielle Vorteile zu erwähnen. Kern der Untersuchungen war neben der Beschreibung der physikalischen Grundlagen infolge der Invertierung der Umformrichtung die Entwicklung eines entsprechenden Fügewerkzeuges zur Anwendung des Verfahrens. Das entwickelte teilbare Fügewerkzeug eignet sich zum Fügen mit Wirkmediendrücken in Höhe von 20 MPa. Eine asymmetrische Verschraubung der inneren Werkzeughälften während des Montageprozesses führt zu einem Spalt, der durch die Verschraubung der äußeren, konisch ausgeführten Werkzeughälften nicht eliminiert werden kann. Bei Wirkmediendrücken oberhalb von 20 MPa kommt es an diesem Spalt zum Austritt des Wirkmediums und folglich zum unmittelbaren Druckabfall. Zum Fügen geschlossener Strukturen müssen neben dem eigentlichen Werkzeug auch die Dichtungen geteilt werden. Diesbezüglich wurde ein Prüfstand entwickelt, mit dem verschiedene Dichtungskonzepte analysiert werden können. Im Zuge der Untersuchungen zeigte sich, dass eine Teilung der Dichtungen wider Erwarten zu keiner Verschlechterung der Dichtwirkung führte. Lediglich bei gleichzeitiger Reduktion der Dichtringhärte versagen zweifach geteilte Dichtungen vor Erreichen des Prozessmaximums. Im Rahmen der Untersuchungen zum kraftschlüssigen Fügen wurde der Einfluss der Fügepartnerwerkstoffe auf den Passfugendruck untersucht. Es zeigte sich, dass der eingeführte Parameter 𝜆, welcher das Verhältnis des elastischen Umformvermögens der Fügepartner zueinander repräsentiert, einen essentiellen Einfluss auf die Ausbildung eines Passfugendrucks infolge einer Behinderung der elastischen Rückfederung hat. Die Anordnung der Fügepartner gemäß 𝜆 < 1 führt nicht zwangsläufig zur Ausbildung eines Passfugendrucks. Für die untersuchte Materialkombination von 𝜆 = 0,85 zeigte sich eine einsetzende Plastifizierung des inneren Fügepartner vor Ausbildung eines Passfugendrucks, sodass der Kraftschluss ein Resultat unterschiedlicher Verfestigungen der Materialien war. Für 𝜆 = 0,06 zeigte sich hingegen die Ausbildung eines Passfugendrucks durch Restriktion der elastischen Rückfederung des inneren Fügepartners. Diese Ergebnisse wurden durch die experimentell ermittelten Passfugendrücke der jeweiligen Werkstoffkombinationen bestätigt. Das entwickelte analytische Berechnungsmodell nimmt im elastischen Zustand für den inneren und äußeren Fügepartner identische Tangentialspannungen an, sodass eine früher einsetzende Plastifizierung des inneren Fügepartners trotz 𝜆 < 1 nicht abgebildet werden kann. Werkstoffkombinationen von 𝜆 ≈ 1 stellen somit eine Anwendungsgrenze des Modells dar, wodurch die Abweichungen der numerisch und analytisch berechneten Passfugendrücke bei 𝜆 = 0,85 entstehen. Für die Verbindung von Edelstahl und Dualphasenstahl (𝜆 = 0,42) lag die Abweichung der berechneten Prozessgrenzen bei maximal 6 % zum numerischen Modell. Bezüglich des formschlüssigen Fügens konnten die Erkenntnisse von Weddeling (2014) zum elektromagnetischen Komprimieren hinsichtlich des Zusammenhangs von Nutbreite und –höhe übertragen werden. Des Weiteren zeigte sich für die betrachteten und experimentell umsetzbaren Werte von 𝛾 keine Beeinflussung der Ausfüllung des Formelements.
Publications
- 2020. Joining by die-less hydroforming with outer pressurization, Journal of Advanced Joining Processes
Weber, F., Hahn, M., Tekkaya, A. E.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jajp.2020.100014)
