Verbindungstechnik Aufgeheizter Zustand

Redakteur: Güney Dr.S.

Temperiertes Clinchen ermöglicht das Fügen von Magnesiumblechen. Der Werkstoff Magnesium ist nicht zuletzt aufgrund seiner geringen Dichte im Vergleich zu anderen Werkstoffen wie Stahl besonders gut...

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Der Werkstoff Magnesium ist nicht zuletzt aufgrund seiner geringen Dichte im Vergleich zu anderen Werkstoffen wie Stahl besonders gut zur Umsetzung des automobilen Karosserieleichtbaus geeignet. Neben der Umformung von Magnesium, speziell Magnesiumblechen, spielt das Fügen der Bauteile eine entscheidende Rolle. Magnesium muss sowohl zum Umformen mittels Tiefziehen als auch zum Fügen mittels Clinchen temperiert werden, da es bei Raumtemperatur nur ein eingeschränktes Umformvermögen besitzt. Am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Universität Hannover wurde eine Anlagentechnik zum temperierten Clinchen entwickelt und im Rahmen eines von der Europäischen Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. (EFB) geförderten Forschungsvorhabens weiterentwickelt. Mit zunehmendem Kundenanspruch an Komfort und Sicherheit bei Automobilen steigt das Fahrzeuggewicht. Aber gerade das Fahrzeuggewicht erhöht den Fahrwiderstand, was zur Erhöhung der erforderlichen Antriebsleistung und damit zur Zunahme des Kraftstoffverbrauchs führt. Diese geht mit einem erhöhten Schadstoffausstoß der Fahrzeuge einher. Die Automobilhersteller sind allerdings durch gesetzliche Auflagen verpflichtet, den Schadstoffausstoß zu senken. Eine wirksame Möglichkeit dafür ist die Reduzierung des Fahrzeuggewichts, was durch verschiedene Leichtbaukonzepte realisiert wird.Verschiedene Konzepte für den LeichtbauDie Leichtbaukonzepte unterteilen sich in den Formleichtbau, den Konzeptleichtbau, den Fertigungsleichtbau und den Werkstoffleichtbau. Beim Formleichtbau wird durch Strukturelemente oder Bombierungen das Widerstandsmoment von Bauteilen erhöht, so dass bei vergleichbaren Bauteileigenschaften die Blechdicke reduziert werden kann. Beim Konzeptleichtbau werden Bauweisen mit einem vorteilhaften Verhältnis von Funktion zu Gewicht eingesetzt. Beim Fertigungsleichtbau kommen beispielsweise Tailored Blanks, Patchwork-Technik oder Bonded Blanks zum Einsatz mit dem Ziel, das Bauteil werkstoffseitig in den hochbeanspruchten Bereichen zu verstärken. Beim Werkstoffleichtbau hingegen wird die Gewichtsreduzierung durch den Werkstoff erzielt. Bei der Verwendung höher- und hochfester Stähle können Bauteile höherer Festigkeit gefertigt werden oder durch die Reduzierung der Blechdicke bei vergleichbaren Bauteileigenschaften Gewicht eingespart werden. Eine weitere Variante des Werkstoffleichtbaus ist der Einsatz verschiedener Leichtbauwerkstoffe wie Aluminium, Titan und Magnesium, die durch ihre geringe Dichte ein Leichtbaupotenzial aufzeigen. Ein Beispiel stellt der Audi A2 dar, bei dem das Space-Frame-Konzept mit Aluminium umgesetzt wurde. Im direkten Vergleich zu Aluminium hat Magnesium eine um etwa 30% geringere Dichte. Aufgrund des günstigen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht sind Magnesiumlegierungen eine interessante Alternative zu Aluminium. Daraus lassen sich durch den konsequenten Einsatz im Automobilbau noch weitere deutliche Gewichtsreduzierungen erzielen. Der Hauptanteil des weltweit hergestellten Magnesiums wird gegenwärtig zum Legieren mit Aluminium verwendet. Das zweite große Einsatzgebiet ist das Urformen, speziell die Herstellung von Bauteilen durch Druckgießen. Soll Magnesium in der Zukunft eine gebrauchsfähige Alternative zu anderen Werkstoffen sein, so müssen auch die umformtechnischen Fertigungsverfahren für diesen Werkstoff erschlossen werden. Gegenüber dem Urformen hat das umformtechnische Herstellen von Bauteilen mehrere Vorteile. Das sind zum einen die günstige Gefügeausbildung und zum anderen die guten mechanischen Bauteileigenschaften. Magnesium muss zum Umformen komplexer Geometrien temperiert werden, da es bei Raumtemperatur nur ein eingeschränktes Umformvermögen besitzt. Die Fließspannung fällt und das Formänderungsvermögen nimmt zu [1]. Eine notwendige Voraussetzung für die Nutzung von Magnesium als Leichbauwerkstoff sind geeignete Verbindungstechniken, da für Magnesium ein stoffliches Fügen nur begrenzt möglich ist (MIG- und Laserschweißen). Insbesondere umformtechnische Fügeverfahren haben diesbezüglich ein großes Entwicklungspotenzial, das zur Umsetzung moderner Leichtbaukonzepte genutzt werden kann. Untersuchungsergebnisse zum Fügen von Magnesium mittels Hybridfügtechnik (Stanznieten in Kombination mit Kleben) belegen diese Aussage. Eine weitaus größere Anwenderakzeptanz können hier Clinchverbindungen erlangen, die sich durch einfache Handhabung und ihre hohe Wirtschaftlichkeit auszeichnen. Es werden keine Hilfsfügeteile benötigt. Speziell bei schwingender Belastung können hohe Dauerfestigkeiten erzielt werden [2 und 3]. Daher leitet sich der Bedarf ab, das Clinchen für das temperierte Fügen von Magnesiumblechen anzuwendenAm IFUM wurde eine C-Bügel-Ständermaschine DFG 500/150 der Eckold GmbH & Co. KG, St. Andreasberg, für das temperierte Clinchen von Magnesiumblechen modifiziert (Bild 1). Es wurde das System der konduktiven Erwärmung angewendet. Bei den zur Magnesiumblechumformung eingesetzten Clinchwerkzeugen handelte es sich um das System R-DF8. Die Temperierung des Clinchprozesses wurde durch elektrische Hochleistungs-Widerstandsheizpatronen realisiert. Dabei wurde jeweils ein Temperaturregelkreis für den Stempel und einer für die Matrize aufgebaut. Die elektrische Gesamtleistung der Temperierungseinrichtung betrug pro Regelkreis 500 W.Beheizung der Fügewerkzeuge durch WärmeübergangDie Beheizung der Fügewerkzeuge (Stempel und Matrize) erfolgte indirekt durch Wärmeübergang von zwei beheizten Aluminiumblöcken, die beidseitig an die Werkzeughalterung angebracht und zusammen mit dem Werkzeug gegenseitig verspannt wurden. In jedem der Heizblöcke wurde eine Heizpatrone nebst Temperaturfühler appliziert. Die Fügewerkzeuge werden kontinuierlich auf eine Temperatur von 390 °C an der Werkzeugspitze aufgeheizt.Die verwendete Maschine ist zum Clinchen von Feinblechen bei Raumtemperatur ausgelegt. Um eine unzulässige Erwärmung von Maschinengestell und Stößelantrieb infolge Wärmeübergang der beheizten Werkzeugeinsätze zu vermeiden, wurde eine Maschinenkühlung im Bereich des Stößels vorgesehen. Das Kühlsystem ist als zweistufige Wasserkühlung ausgeführt. Im Bereich der matrizenseitigen Werkzeugaufnahme wurde eine druckbeständige Wärmedämmplatte verwendet. Aufgrund der großen Oberfläche des matrizenseitigen Werkzeugträgers kam es zu keiner kritischen Erwärmung der Maschine im Dauerbetrieb. Die Clinchwerkzeuge müssen zum temperierten Fügen von Magnesiumblechen aufgrund der geringen mechanischen Belastung nicht zwangsläufig gehärtet sein.Der zeitliche Ablauf des temperierten Clinchprozesses ist in Bild 2 dargestellt und wurde mittels eines Mess- und Steuerungsrechners realisiert. Dafür war es erforderlich, während des Fügeprozesses aktiv in die Steuerung der Maschine einzugreifen. Weiterhin wurde eine Messtechnik zum Erfassen der Prozessgrößen Fügekraft und Stempelweg adaptiert. Zunächst werden die beiden Fügepartner zwischen Stempel und Matrize positioniert. Anschließend startet der Fügeprozess. Dann wird der Stempel mit einer definierten Vorspannkraft auf die Blechoberfläche zugestellt.Bleche werden in 3 bis 6 s aufgeheizt und geclinchtDie Wärmeenergie wird nun von den heißen Werkzeugen in die Bleche übertragen. Diesen Vorgang nennt man Heizphase. Ab einer Heizzeit von mindestens 3 s wird das Blech auf ein zum Fügen erforderliches Temperaturminimum von 200 °C aufgeheizt. Nach dieser Zeitspanne beginnt der eigentliche Fügevorgang. Die Herstellung eines Clinchpunkts dauert je nach einzustellender Blechtemperatur und Blechwerkstoff etwa 3 bis 6 s [4]. Zielführend war eine Prozessoptimierung hinsichtlich der zeitlichen Minimierung der Heizphase, die jedem Fügeprozess vorgeschaltet ist. Auf diese Weise wurde die Fügeprozesszeit (Heizzeit und Fügezeit) minimiert und das temperierte Clinchen von Magnesiumblechen für eine industrielle Anwendung vorbereitet.Die Vorspannkraft ist von entscheidender Bedeutung, um fehlerfreie Clinchpunkte herzustellen. Die Wärmemenge, die von den aufgeheizten Fügewerkzeugen in das Magnesiumblech eingeleitet wird, wird mittels Kontaktwärmeübergang übertragen. Die Wärmeübertragung durch Kontakt steigt bei Vergrößerung der Vorspannkraft. Somit ist zur schnellen Erwärmung des Magnesiumblechs eine hohe Vorspannkraft von Vorteil. Demgegenüber steht, dass das stempelseitige Blech bei einer zu großen Anpresskraft zu Beginn des Heizvorgangs sehr stark eingedrückt wird. Dieser Abdruck geschieht bei zu niedriger Blechtemperatur nahe der Raumtemperatur. Dadurch kommt es zur Kaltverfestigung des Blechwerkstoffes, so dass die hohen Formänderungen, die zur anschließenden Ausformung des Fügepunkts erforderlich sind, nicht mehr ohne Werkstoffversagen realisiert werden können. Es kommt während der Fügepunktherstellung zum Halsabriss. Experimentelle Ermittlung der VorspannkraftDie Vorspannkraft für die Heizphase wurde experimentell ermittelt und in den Grenzen 0 bis 4,7 kN variiert (Bild 3). Dabei entspricht der Stempelweg der Tiefe des stempelseitigen Abdrucks auf dem Blech während der Heizphase. Es zeigt sich nach der Heizphase bei geringen Anpresskräften, zum Beispiel bei 2 kN, nur ein sehr geringer Abdruck des Stempels auf der stempelseitigen Blechoberfläche. Bei größer werdenden Vorspannkräften bis hin zu 4,7 kN nimmt die Tiefe des Abdrucks zu. Die Vorspannkraft wurde so lange erhöht, bis eine anschließende Fügepunktherstellung nicht mehr möglich war. Es kam in diesem Fall zum Halsabriss während des Clinchvorgangs. Die optimale Vorspannkraft liegt bei 4,5 kN. Bei dieser Kraft wird eine möglichst schnelle Einleitung der Wärmeenergie von den Clinchwerkzeugen in die zu fügenden Bleche sowie eine anschließende fehlerfreie Fügepunktausbildung gewährleistet. Nach der Ermittlung der optimalen Vorspannkraft wird die Fügetemperatur über die Dauer der Heizphase eingestellt. Je länger die geheizten Werkzeuge auf die zu fügenden Blechen gepresst werden, desto mehr werden die Bleche erwärmt. In einem experimentellen Versuch wurde die Fügetemperatur nach der Heizphase gemessen, bevor der eigentliche Fügevorgang beginnt (Bild 4). Für diese Messung wurde ein entsprechender Temperaturfühler im Zentrum der Fügestelle zwischen den beiden Fügepartnern positioniert. Es zeigt sich, dass die zu fügenden Bleche bei zu geringer Heizzeit bis zu 3 s keine ausreichende Temperatur haben, damit ein anschließendes Fügen möglich ist. Dies ist durch die eingeschränkte Umformbarkeit von Magnesium in dem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 200 °C begründet. Ab einer Heizzeit von 3 s lassen sich reproduzierbar Fügepunkte herstellen, weil der Werkstoff Magnesium mit über 200 °C ausreichend hoch temperiert ist. Im Schliffbild ist die vollständige Ausbildung des Fügepunkts zu erkennen.In der industriellen Praxis werden oftmals mehrere Fügepunkte hintereinander gesetzt, beispielsweise beim Motorhaubenflansch eines Pkw. Durch die Wärmeausbreitung in den zu fügenden Blechen werden die Fügestellen durch benachbarte bereits gesetzte Fügepunkte vorgewärmt. Diese vorab eingebrachte Wärme liegt bei etwa 40 °C bei einem üblichen Fügepunktabstand von 50 mm. Durch die Vorwärme der benachbarten Fügepunkte konnte die Heizphase noch um 0,3 s reduziert werden.Erwärmen durch Heizluft könnte Prozesszeit verkürzen Als Fazit der Untersuchungen lässt sich feststellen, dass sich das temperierte Clinchen gut für das Fügen von Magnesiumblechen eignet. Die für das Clinchen relativ lange Fügeprozesszeit von etwa 3 s kann in diesem Entwicklungsstadium toleriert werden, da sich Magnesiumblechteile zurzeit nicht für Großserien im Einsatz befinden. Für einen Großserieneinsatz müsste die Fügeprozesszeit weiter reduziert werden. Hier könnte ein Erwärmen der Bauteile mit Heißluft deutliche Vorteile schaffen.Mit dem temperierten Clinchen, das sich durch geringe Investitionskosten für die Anlagentechnik und die Temperierungseinrichtung auszeichnet, ist die Grundlage für eine industrielle Anwendung geschaffen. Bedarf besteht in der Verkleinerung der Erwärmungseinrichtung, die konstruktiv zu lösen ist. Literatur[1] Dröder, K.: Untersuchungen zum Umformen von Feinblechen aus Magnesium-Knetlegierungen, Dissertation, Universität Hannover, 1999. [2] Hahn, O., U. Klemens und J.R. Kurzok: Fügeverfahren mit vielen Talenten - Nieten und Clinchen ermöglicht moderne Leichtbaustrukturen, Bänder, Bleche, Rohre; 11/12 (2000), S. 112-114. [3] Kühne, T.: Clinchen im Hybridbau, Vortrag Innovativer Fahrzeugbau, Forum Mobilität Niedersachsen, Salzgitter, 21. Mai 2001. [4] Hübner, S.: Clinchen - Innovationen am IFUM, Tagungsband EFB-Fortbildungspraktikum 2003 - Neue Verfahren der Blechumformung, 23. und 24. September 2003.

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