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Clinchen

Mit Taumelclinchen hochfeste Bleche wirtschaftlich fügen

07.11.2007 | Autor / Redakteur: Arnold Puzik / Rüdiger Kroh

Bild 1: Knickarm-roboter mit zusätzlicher hydraulischer Fügeachse.

Durch Clinchen mit überlagerter Bewegung reduziert sich der Zeit- und Arbeitsaufwand beim Blechfügen erheblich, und das ohne Vorbehandlung der Fügepartner und zusätzliche Hilfsfügeteile. Die zusätzliche Taumelbewegung beim Taumelclinchen ermöglicht das Clinchen höher- und höchstfester Blechwerkstoffe.

Das Fügen von Blechen durch Clinchen mit überlagerter Taumelbewegung (Taumelclinchen) ist in bisher unfügbare Härtedimensionen von höher- und höchstfesten Blechwerkstoffen vorgedrungen. Das Clinchen ist ein Fügeverfahren, bei dem das Stempelwerkzeug in die Matrize eindringt und Metallbleche kraft- und formschlüssig miteinander verbindet. Die axiale Kraftbeaufschlagung des Stempels kann mit einem hydraulischen oder pneumatischen Aggregat aufgebracht werden, um so durch Zusammenwirken der Werkzeugpaarung eine druckknopfartige Fügeverbindung zu schaffen.

In der industriellen Bearbeitung von Blechen spielt der Einsatz und somit das Fügen von höher- und hochfesten Blechen eine immer größere Rolle. Aufgrund des ausgezeichneten Verhältnisses von Gewicht zu Festigkeit finden diese Werkstoffe vor allem im Automobilbau mit dem Ziel der Gewichtsreduzierung und der damit verbundenen Minimierung des Kraftstoffverbrauchs Verwendung. Somit müssen auch die Anforderungen an die Fügbarkeit dieser Werkstoffe angepasst und weiterentwickelt werden. Bei höherfesten Blechen liegen die Zugfestigkeiten im Bereich bis 500 MPa. Hochfeste Werkstoffe besitzen Zugfestigkeiten bis 1000 MPA, bei höchstfesten Blechen liegen sie noch darüber. Damit steht das Clinchen vor der Herausforderung, diese Bleche miteinander zu verbinden.

Hochfeste Blechverbindungen für hochbeanspruchte Bauteile

Eine Möglichkeit, diese Aufgabenstellung zu bewältigen, ist die in Bild 1 gezeigte Taumelclinchanlage als Ausführung auf einem vielseitig einsetzbaren Roboter. Beim sogenannten Taumelclinchen beschreibt der schräg gestellte rotierende Stempel die Bahnkurve eines Kegelmantels, weshalb auch oft vom Kegelmantelverfahren gesprochen wird. Ein weiteres Verfahren, das ebenso mit dieser Anlage realisiert werden kann, ist die überlagerte Stempelbewegung auf einer Rosettenbahn, das sogenannte Radialclinchen. Taumel- und Radialclinchen ermöglichen im Vergleich zum konventionellen Clinchen mit axial-linearem Stempelvorschub eine Reduzierung der in axialer Richtung aufgebrachten Clinchkräfte. Somit ist die zur Umformung bereitstehende Kontaktfläche, welche die axialen Druckkräfte über den Stempel auf die Blechoberfläche überträgt deutlich, reduziert.

Auf das Taumelclinchen soll im Weiteren eingegangen werden; dessen Wirkprinzip ist in Bild 2 dargestellt. Die zur Umformung aufzubringende blechwerkstoffspezifische Fließspannung kann daher schon mit einer geringeren axialen Fügekraft erreicht werden. Durch die kleinere Kontaktfläche, im Bild 2 rechts zu sehen, lässt sich je nach Werkstoff- und Blechpaarung im Vergleich zum konventionellen Clinchen eine Kraft-ersparnis von bis zu 75% erreichen. Fügeaufgaben mit konventionellem Clinchen haben sich laut Aussagen der Clinchwerkzeughersteller bislang auf Bleche mit Zugfestigkeiten bis 500 MPa beschränkt.

Bisher wurden Versuche, diese extrem festen Bleche per Clinchen miteinander zu fügen, meist aufgrund der zu hohen axialen Belastungen auf den Stempel vermieden. Weiterhin sinken die Werkzeugstandzeiten aufgrund der sehr hohen axialen Fügekräfte beim konventionellen Clinchen, wodurch die Belastungsgrenzen der Werkzeuge, vor allem des Stempels, sehr schnell erreicht werden. Damit ist ein wirtschaftlich rentabler Fügeprozess von höherfesten Blechen durch herkömmliches Clinchen aufgrund der niedrigen Standzeiten nicht mehr gewährleistet. Eine Chance, die hohen axialen Belastungen zu reduzieren, ist die überlagerte Drehbewegung durch Anwendung des sogenannten Taumelclinchens.

Fügekräfte konnten deutlich reduziert werden

Beispielhaft wurden der Dualphasenstahl DP600, der Federbandstahl PT120 und der Edelstahl 1.4310 untersucht. Die erreichten Kräfte wurden mit Hilfe von Scherzugversuchen ermittelt. Sie betrugen bis zu 7,9 kN für jeweils paarweise gefügte 1-mm-Bleche des Werkstoffs 1.4310 gegenüber 4,6 kN für die konventionell gefügte Verbindung. Für die beiden weiteren Materialien DP600 und PT120, die ebenso jeweils paarweise mit 1-mm-Blechen gefügt wurden, konnten Kräfte von 5,5 kN für PT120 und 3,5 kN für DP600 im Vergleich zu 3,7 kN und 3,3 kN für die jeweiligen konventionell gefügten Paarungen erreicht werden. Bei annähernd gleichen minimalen Fügezeiten von bis zu 0,4 s konnten die Festigkeiten für diese Materialien gegenüber dem konventionellen Clinchen sogar gesteigert werden.

Insbesondere die Gütekraftreduzierung spielt dabei eine große Rolle. Sie konnte beim DP600 von 64 kN für herkömmliche Fügeverbindungen auf 26 kN für das Taumelclinchen gesenkt werden. Entsprechend wurde für 1.4310 eine Fügekraftreduzierung von 108 auf 33 kN und beim PT120 von 83 auf 33 kN erreicht. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass es ebenso möglich ist, unterschiedliche Blechwerkstoffkombinationen aus DP600, PT120 und 1.4310 miteinander zu clinchen. Schliffbilder der gefügten Paarungen mit konischen und zylindrischen Stempeln sind in Bild 3 und Bild 4 zu sehen.

Damit konnte gezeigt werden, dass durch die Erweiterung des herkömmlichen Clinchens mit Hilfe der überlagerten Taumelbewegung das Clinchen unterschiedlicher Blechmaterialien möglich ist. Ebenso wurde in weiteren Untersuchungen eine Vielzahl anderer Werkstoffe unterschiedlicher Stärke ohne Wärmeeintrag und Beschädigung der Bauteil-oberfläche miteinander gefügt. So konnten zum Beispiel bei Blechdicken bis paarweise 2 mm der Werkstoffe H400, TRIP700 und XIP-Stahl Clinchpunkte mit optimalem Verhältnis aus Hinterschnitt, Halsdicke und Bodendicke gefügt werden. Somit eignet sich das Taumelclinchen auch für diese Anforderungen.

Der erhebliche Prozentsatz der Kraftersparnis des Clinchens mit überlagerter Taumelbewegung von bis zu 75% im Vergleich zum konventionellen Clinchprozess führt dazu, dass zum einen der Fügeprozess von höchstfesten Blechen ermöglicht werden kann und zum anderen gegenüber dem konventionellen Clinchen das Gewicht der Clinchzange reduziert und Zeit sowie Kosten gesenkt werden können. Mit der überlagerten Taumelbewegung konnten daher auch Clinchverbindungen von Blechen mit bis zu 1500 MPa Zugfestigkeit realisiert werden.

Fügeeinrichtungen in Leichtbauweise realisierbar

Diese technische Weiterentwicklung des Clinchens mit überlagerter Bewegung macht es möglich, die industriellen Anforderungen des Fügens höherfester Bleche zu erfüllen und die Realisierung von Fügeeinrichtungen in Leichtbauweise zu erreichen. Vor allem das Gewicht der frei zugänglichen C-Bügel-Einheit lässt sich deutlich senken. Somit können nicht nur Kosten für eine größere Clinchzange mit gleich hoher Steifigkeit und damit verbunden für eine steifere und kostenintensivere Roboteranlage eingespart, sondern vielmehr auch die Zugänglichkeit zu kleineren Strukturen ermöglicht werden.

Durch die Gestaltung dieses C-Bügels und der zusätzlichen siebten Fügeachse ist der Roboter unabhängig von der Ausrichtung des Blechs in der Lage, jeden Punkt im Arbeitsbereich anzufahren. Aufgrund der leichteren Clinchzange und der Leichtbauweise der Anlage ist ebenso eine stabilere und günstigere Verfahrdynamik des Roboters mit kürzeren Anfahrwegen der Clinchpunkte erreichbar, weil das Nachschwingen der leichteren Clinchzange weniger stark ausfällt.

Taumelclinchen macht Hilfsfügeteile überflüssig

Weiterhin kann beim Taumelclinchen im Vergleich zu anderen Fügetechniken, zum Beispiel dem Schrauben, Schweißen oder Nieten, auf jegliche Hilfsfügeteile wie Schrauben, Nieten oder Schweißzusatzstoffe verzichtet werden. Zeiten für aufwändige Vorbearbeitungen, wie das Herstellen von Durchgangslöchern für Schraubverbindungen, entfallen. Das bedeutet, dass keine zusätzlichen Materialkosten und Zeitaufwand für die Vorbearbeitung der Fügepartner entstehen. Zudem bietet das Taumelclinchen dem Anwender sowohl Investitionskosten- als auch Energiekosteneinsparungen während des Betriebs durch den Einsatz eines kleiner dimensionierten Hydraulikaggregates zur Aufbringung der axialen Fügekräfte.

In Zusammenarbeit des Instituts für Produktionstechnik Dresden und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA wird die Aufgabenstellung des Clinchens höher- und hochfester Bleche gemeinsam mit den projektbegleitenden Partnern Tox Pressotechnik GmbH, Thyssen-Krupp Stahl AG, Thyssen-Krupp Nirosta GmbH, Hock GmbH, Avdel Verbindungselemente GmbH und Huttenlocher & Schäfer GmbH durchgeführt, um den Anforderungen und dem Einsatz in der Industrie, verbunden mit einer hohen Lebensdauer der Werkzeuge, gerecht zu werden.

Das Clinchen mit überlagerter Bewegung ist damit die Voraussetzung für das Fügen höher- und hochfester Bleche und zusammen mit der sehr guten Automatisierbarkeit der Fügeanlage mehr als nur eine Alternative in der Fügetechnik von Blechen.

Dipl.-Ing. Arnold Puzik ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 70569 Stuttgart, Tel. (07 11) 9 70-12 97, Fax (07 11) 9 70-10 08, arnold.puzik@ipa.fraunhofer.de

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