Methodenentwicklung zur verbesserten Prognosegüte beim Clinchen mit beweglicher Matrize in der numerischen Fügeprozesssimulation
Verfasser:
M. Sc. Moritz Rossel, Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn
132 Seiten - 90,00 EUR (sw, 100 teils farbige Abb., 8 Tab.) 
ISBN 978-3-86776-657-9
Zusammenfassung
Das Clinchen stellt in der blechverarbeitenden Industrie ein kostengünstiges und effizientes Fügeverfahren dar, welches das Verbinden von artgleichen und artungleichen Werkstoffen ermöglicht. In den letzten Jahren wurde das Clinchen mit beweglichen Matrizensegmenten aufgrund der Material-Dicken-Flexibilität und dem prozesssicheren Fügen mit Klebstoffsystemen zunehmend eingesetzt.
Vor dem Hintergrund der wachsenden virtuellen Auslegung von Verbindungen und Gesamtstrukturen, wie z. B. Fahrzeugkarosserien rückt auch das Clinchen mit beweglicher Matrize in den Fokus der virtuellen, numerischen Auslegung.
Im Gegensatz zu starren Clinchwerkzeugen ist bei beweglichen Clinchwerkzeugen die Annahme einer Rotationssymmetrie aufgrund der Werkzeuggeometrie unzulässig. Daher ist eine Berechnung des Fügeprozesses mittels einer 2D-achsensymmetrischen nur unter starken Annahmen und verfälschenden Randbedingungen möglich.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine Methodik entwickelt, um den Clinchprozess mit beweglichen Werkzeugen in 3D zu simulieren. Dieses Vorhaben wurde unter der Prämisse bearbeitet, dass die numerische Fügeprozesssimulation umfassend experimentell parametrisiert wird und dadurch hinsichtlich der Verbindungsausprägung prognosefähig ist.
Zu diesem Zweck wurden im ersten Arbeitspaket die Öffnungsparameter der Matrizensysteme durch Stufensetzversuche identifiziert. Im Anschluss wurden die Reibkennwerte an den betrachteten Fügeteilwerkstoffen sowie den Clinchwerkzeugen eruiert und die Plastizitätsbeschreibungen der Fügeteilwerkstoffe durch Stichversuche validiert. Im Anschluss daran wurden die Fügeprozesse parametrisiert, numerisch betrachtet und validiert.
Aufbauend auf diesen Fügeprozesssimulationen wurden die numerischen Randbedingungen der Simulationen unter den Gesichtspunkten der Abbildungsgenauigkeit und Wirtschaftlichkeit optimiert. Anschließend wurden die Fügeprozesssimulationen angewendet und hinsichtlich der Werkzeugauslegung erprobt. Abschließend erfolgte eine Tragfähigkeitsuntersuchung, bei der sich herausstellte, dass die 3D-Fügeprozesssimulationen eine sehr gute Prognosefähigkeit hinsichtlich der Verbindungsfestigkeiten aufweisen.
Weiterhin konnte aufgezeigt werden, dass auch anhand der Tragfähigkeitssimulation basierend auf der 2D-Fügeprozesssimulation eine hinreichende Prognosegüte erzielt werden konnte, sodass KMU wirtschaftliche und effiziente, numerische Auslegungen durchführen können.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Methodenentwicklung zur verbesserten Prognosegüte beim Clinchen mit beweglicher Matrize in der numerischen Fügeprozesssimulation" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21661N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 598 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
In the sheet metal industry, clinching is a cost-effective and efficient joining process, enabling the joining of similar and dissimilar materials. In recent years, clinching with extensi-ble dies has continuously replaced rigid dies due to greater flexibility and process-reliable joining with adhesives.
Due to the demand of virtual joint design in the context of body-in-white development, clinching with extensible dies is moving into the focus of virtual, numerical design as well. In contrast to rigid clinching dies, the assumption of rotational symmetry is inadmissible for extensible dies due to the geometry. Therefore, a simulation of the joining process by means of a 2D symmetry is only possible under strong assumptions and falsifying boundary conditions.
Therefore, in this research project a methodology was developed to simulate the clinching process with extensible dies in 3D. The main aim of this project was an experimentally parameterized simulation which is capable of predicting realistic joint characteristics.
For this purpose, the die-opening parameters were identified by means of level-setting tests. Subsequently, the friction characteristics of the joining parts and the clinching tools were determined and the yield curves of the joining parts were validated by stitch tests. Subsequently, the joining processes were parameterised, simulated and experimentally validated.
Based on the joining process simulation, the numerical boundary conditions of the simula-tions were optimized under the aspects economic efficiency and numerical accuracy. Subsequently, the joining process simulations were used and empowered with regard to tool design. Finally, a load-bearing capacity investigation was carried out, which showed that the 3D joining process and load-bearing simulation have a very good accuracy with regard to the joint strengths.
Furthermore, it could be shown that a sufficient prognosis quality could also be achieved using the load-bearing capacity simulation based on the 2D joining process simulation, so that small and midsize companies can carry out economic and efficient numerical simulations.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Leichtbau
2.2 Mechanische Fügetechnik
2.3 Clinchen
2.4 Numerische Untersuchungen zum Clinchen
2.4.1 Fügeprozesssimulation
2.4.2 Modellierung der Reibung
2.4.3 Belastungssimulation beim Clinchen
3 Arbeitsschritte
3.1 Geplante und durchgeführte Arbeiten
3.2 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse im Berichtszeitraum
4 Analyse der Matrizenkinematik
4.1 Verbindungen mit Werkzeugen der BTM Blechverbindungstechnik GmbH
4.2 Verbindungen mit Werkzeugen der TOX PRESSOTECHNIK GmbH
4.3 Verbindungen mit Werkzeugen der Eckold GmbH & Co. KG
5 Werkstoffcharakterisierung
5.1 Aluminiumwerkstoff EN AW-5182
5.2 Stahlwerkstoff HX340LAD
6 Tribologische Untersuchungen
6.1 Linearer Reibprüfstand zur Untersuchung beweglicher Matrizen
6.2 Randbedingungsanalyse für matrizeninterne Kontakte
6.3 Lineare Reibuntersuchungen für matrizeninterne Kontakte
6.3.1 Reibversuche mit Werkzeugen von TOX PRESSOTECHNIK GmbH
6.3.2 Reibversuche mit Werkzeugen von BTM Blechverbindungstechnik GmbH
6.3.3 Reibversuche mit Werkzeugen von Eckold GmbH & Co. KG
6.4 Rotatorische Reibuntersuchungen für Kontakte zwischen Werkzeug und Fügeteil
6.4.1 Rotatorische Reibversuche mit Werkzeugen von Eckold GmbH & Co. KG
6.4.2 Rotatorische Reibversuche mit Werkzeugen von TOX PRESSOTECHNIK GmbH
6.4.3 Rotatorische Reibversuche mit Werkzeugen von BTM Blechverbindungstechnik GmbH
7 Numerische 3D-Fügeprozesssimulation
7.1 Verbindungen mit Werkzeugen der BTM Blechverbindungstechnik GmbH
7.2 Verbindungen mit Werkzeugen der TOX PRESSOTECHNIK GmbH
7.3 Verbindungen mit Werkzeugen der Eckold GmbH & Co. KG
8 Optimierung der 3D-Fügeprozesssimulation
8.1 Elementformulierung
8.2 Diskretisierung
8.3 Wiedervernetzung
8.4 Reibmodellierung
8.5 Schrittweite
8.6 Parallelisierung
8.7 Gesamtheitliche Parameteroptimierung
9 Anwendung der 3D-Fügeprozesssimulation für die Werkzeugentwicklung und Toleranzfeldanalysen
9.1 Einfluss von Winkel- und Lateralversatz
9.2 Einfluss der Reibung
9.3 Einfluss von Prozesskinematik und Werkzeuggeometrie
9.4 Anwendungsnahes Fügen
10 Tragfähigkeitsuntersuchungen
10.1 3D/3D-Prozesskette
10.1.1 HX340LAD 1,5 mm in EN AW-5182 1,5 mm mit starren Werkzeugen
10.1.2 HX340LAD 1,5 mm in EN AW-5182 1,5 mm mit Werkzeugen von BTM Blechverbindungstechnik GmbH
10.1.3 EN AW-5182 1,5 mm in HX340LAD 1,5 mm mit Werkzeugen von Eckold GmbH & Co. KG
10.1.4 EN AW-5182 1,5 mm in EN AW-5182 1,5 mm mit Werkzeugen von TOX PRESSOTECHNIK GmbH
10.2 2D/3D-Prozesskette
10.2.1 HX340LAD 1,5 mm in EN AW-5182 1,5 mm mit starren Werkzeugen
10.2.2 EN AW-5182 1,5 mm in HX340LAD 1,5 mm mit Werkzeugen von TOX PRESSOTECHNIK GmbH
10.2.3 EN AW-5182 1,5 mm in HX340LAD 1,5 mm mit Werkzeugen von Eckold GmbH & Co. KG
10.2.4 HX340LAD 1,5 mm in EN AW-5182 1,5 mm mit Werkzeugen von BTM Blechverbindungstechnik GmbH
10.3 Bewertung der Prozessrouten
10.3.1 Fügeprozesssimulation
10.3.2 Belastungssimulation
11 Ergebnisse und Ausblick
11.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
12 Literatur
13 Anhang
