Zwei in einem

Clinch- und Stanznietverbindungen mit nur einer Fügeeinrichtung. Der Automobilbau zählt zu den wirtschaftlichen und technischen Schlüsselindustrien in Deutschland. Im internationalen Wettbewerb wird...

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Clinch- und Stanznietverbindungen mit nur einer FügeeinrichtungDer Automobilbau zählt zu den wirtschaftlichen und technischen Schlüsselindustrien in Deutschland. Im internationalen Wettbewerb wird diese Position durch eine hohe Produktivität und Innovationsdichte gehalten. Aus Marketing- und Umweltschutzgründen fanden Ansatzpunkte für den Karosserieleichtbau in den vergangenen Jahren verstärkt Beachtung. Zur Gewichtsreduzierung der Karosserie werden deshalb mit zunehmendem Anteil glasfaserverstärkte Kohlenstoffe (CFK) und Aluminiumwerkstoffe eingesetzt. Ergänzend wurde, durch das ULSAB-Projekt internationaler Stahlhersteller, die Verwendung von höher- und hochfesten Stählen mit dem Ziel der Leichtbauoptimierung vorgestellt [1]. Durch neue Werkstoffe und Materialkombinationen sowie den verstärkten Einsatz von vorbeschichteten Blechen ändern sich auch die Anforderungen an die Verarbeitung der Halbzeuge. Entsprechend ins Blickfeld geraten die Fügetechniken. Die mechanischen Fügeverfahren, zum Beispiel Clinchen und Stanznieten, profitieren von ihren Vorteilen gegenüber dem Punktschweißen. So entstehen beim mechanischen Fügen keine giftigen Gase und eine Versprödung des Materials aufgrund des Wärmeeintrags beim Schweißen tritt nicht auf. Die Schweißbarkeit von Aluminiumlegierungen ist ebenfalls eingeschränkt [2]. In diesem Zusammenhang wird in Umfragen darauf verwiesen, dass die Bedeutung von mechanischen Fügeverfahren noch steigen wird [3]. Optimale Automatisierung war bislang nicht möglich. Ein wesentliches Hemmnis bei der Anwendung der mechanischen Fügeverfahren sind die hohen Fügekräfte [4], die schwere und somit schlecht zu handhabende Stanzniet- und Clincheinrichtungen erforderlich machen. Roboter und andere automatische Handhabungsgeräte können deshalb nicht mit optimalen Punkt-zu-Punkt-Geschwindigkeiten arbeiten.Ein weiteres Automatisierungshemmnis ist der Umstand, dass für die Herstellung von Clinch- und Stanznietverbindungen zwei unterschiedliche Werkzeuge notwendig sind. Roboterwerkzeuge können in automatisierten Fertigungszellen, in denen beide Verfahren eingesetzt werden, oft nicht optimal gehandhabt werden, weil sich die Werkzeuge im Einsatz gegenseitig behindern. Ein Roboterwerkzeug ist unter Umständen gezwungen, bis zum Abschluss des Prozesses des anderen Werkzeugs in Wartepositionen zu verbleiben.Im Betrieb und in der Instandhaltung verdoppelt sich die Anzahl der verwendeten Werkzeugsätze. Ein Fügewerkzeugsatz (Stempel und Matrize) wird für das Stanznieten und ein Fügewerkzeugsatz für das Clinchen benötigt. Dies führt zu hohen laufenden Kosten bei zusätzlicher Verwechselungsgefahr der Werkzeugsätze durch den Werker.Am Fraunhofer-IPA wurden diese Problemstellungen in der Abteilung Montagesysteme aufgenommen und Lösungen erarbeitet. Basierend auf den Erfahrungen aus der Entwicklung von verschiedenen Roboterfügewerkzeugen, wie für das Taumelclinchen, wurde ein Verfahren zum kombinierten mechanischen Blechfügen entwickelt. Durch die Abstimmung von Stempel- und Matrizengeometrien ist es möglich mit einem Werkzeugsatz in einer Fügeeinrichtung ohne Werkzeugwechsel alternierend Clinch- und Stanznietpunkte zu setzen. Die Verbindungselemente wurden mit radial überlagerter Fügebewegung des Stempels hergestellt. Fügepartner sind zwei Blechlagen mit einer Einzelblechdicke von 1,5 mm der Qualität H320M. Als Stanzniet wurde eine C-Niet-Geometrie 5 mm x 5 mm H6 SKR eingesetzt. Bild 1 zeigt eine Reihe von Verbindungselementen, die aus alternierenden Stanzniet- und Clinchpunkten besteht.Entscheidend für die Einsetzbarkeit des verfahrenskombinierten Clinchens und Stanznietens ist das Erreichen einer vergleichbaren Verbindungsfestigkeit wie die herkömmlichen Clinch- und Stanznietverfahren. Die makroskopischen Querschliffe der mit gleichem Werkzeugsatz gefügten Verbindungselemente in Bild 2 zeigen, dass die geometrischen Eigenschaften der Verbindungselemente vergleichbar mit denen herkömmlicher Fügepunkte sind. Deutlich sichtbar ist ein ausgeprägter Hinterschnitt der oberen Blechlage gegenüber der unteren Blechlage in Bild 2a. Bild 2b zeigt eine bündige Nietkopfendlage mit einer deutlichen Verspreizung des Nietschaftes bei einer ausreichenden Restdicke der unteren Blechlage.Untersucht wurde die Scherzugfestigkeit der stanzgenieteten und geclinchten Proben. Die Proben wurden auf einer Zug-Druck-Prüfmaschine (Zwick Z020/TH2A) nach DIN 50114 untersucht. Die Probenabmaße im Scherzug betrugen 105 mm x 45 mm bei 35 mm Überlappung. Die Zugversuche wurden mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s durchgeführt.Das Versagensverhalten der Clinchproben zeigt sowohl ein Ausknöpfen als auch ein Ausknöpfen mit einem Anriss im Halsbereich des Napfes. Die Verbindungsfestigkeit der geclinchten Proben liegt im Mittel bei 4102 N (Bild 3). In der Literatur [5] werden Verbindungsfestigkeitswerte von etwa 3400 bis 4600 N, je nach verwendetem herstellerspezifischen Werkzeugsatz, angegeben. Die Verbindungsfestigkeit für die stanzgenieteten Proben liegt im Mittel bei 5962 N (Bild 4). In der Literatur [5] werden für gleiche Fügewerkstoffe Festigkeiten von etwa 6500 bis 7000 N angegeben. Die stanzgenietete Verbindung versagte im Wesentlichen durch Bruch des Nietes, dies kann zum Teil auf die Belastung und Schädigungsmechanismen durch die überlagerte Bewegung beim Setzen des Nietes zurückgeführt werden.Überlagerte Bewegung reduziert FügekräfteBei den vorgestellten Ergebnissen handelt es sich um einen ersten Machbarkeitsnachweis. Verbesserungen durch optimierte Werkzeug- und Nietgeometrien sind möglich. Die Ergebnisse lassen sich prinzipiell auf das konventionelle Fügen mit linearer Stempelbewegung übertragen.Die Fügekraft konnte durch die überlagerte Bewegung ebenfalls reduziert werden. Eine Schrägstellung des Stempels durch die Bewegung auf der Rosettenbahn ermöglicht eine kleine Umformzone. Nicht die gesamte Stempelstirnfläche ist im Eingriff. Durch die kleinere Umformzone sind die Fügekräfte deutlich geringer. Bild 5 zeigt die Fügekräfte der überlagerten Bewegung im Vergleich zur linearen Fügebewegung. Die Fügekraft kann beim Clinchen um etwa 57% und beim Stanznieten um etwa 50% gesenkt werden. Die produktionstechnischen Herausforderungen an ein verfahrenskombiniertes Blechfügen können mit dem am Fraunhofer-IPA entwickelten Fügeverfahren erfüllt werden. Mit dem kombinierten Fügeverfahren ist es möglich, sowohl Clinch- als auch Stanznietpunkte mit einer Fügeeinrichtung und einem Werkzeugsatz herzustellen. Ein Wechsel von Stempel und Matrize zwischen Clinchen und Stanznieten ist nicht notwendig. Die Herstellung von verfahrensalternierenden Fügepunkten in einer Fügeaufgabe ist somit möglich. Dabei werden Verbindungsfestigkeiten erreicht, die beim Stanznieten etwas unter den herkömmlichen Festigkeiten liegen, beim Clinchen werden die herkömmlichen Verbindungsfestigkeiten voll erreicht.Mit dem neuen Verfahren ist es einfacher beanspruchungsgerecht zu fügen, das heißt die Vorteile des Clinchens mit denen des Stanznietens zu verbinden, ohne erhöhte Kosten durch verlängerte Produktionszeiten aufgrund von Werkzeugstillstandszeiten zu haben. Es kann unter Umständen möglich sein, das kostengünstigere Clinchen in Kombination mit dem Stanznieten auch in crashrelevanten Bauteilen einzusetzen. Vorteile bringt das neue Verfahren auch auf der Investitionsseite. Durch die Optimierung der verfügbaren Werkzeugzeiten ist es möglich, die Anzahl der benötigten Fügeeinrichtungen zu verringern. Literatur[1] Schulz, E.: Leichtbau von Fahrzeugen mit innovativen Stählen. Dresdener Leichtbausymposium, 1997. [2] Capelle, D.: Tücken des Aluminiums. Scope, 2/2003, Seite 22-23. [3] Schraft, R. D. und R. Kaun: Automatisierung: Stand der Technik, Defizite und Trends in der Automatisierungstechnik. Verlagsgruppe Handelsblatt, 1999. [4] Liebig, H. P., J. Bober und J. Jacobsen: Neue Wege beim umformtechnischen Fügen austenitischer Stahlbleche. Bänder Bleche Rohre, 6/1997, Seite 36-42. [5] Hahn, O. und andere: Eignung des Durchsetzfügens und des Stanznietens zum Fügen höherfester Stahlbleche. Studiengesellschaft Stahlanwendung, Projekt 283, 2000.