HYDROFÜGEN – MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN BEI DEN VERFAHRENS-KOMBINATIONEN HYDRO-FORMEN UND CLINCHEN / STANZNIETEN R. Neugebauer, R. Mauermann, S. Dietrich

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz

Zusammenfassung

Die als Hydrofügen bezeichneten Fügeverfahren, sind Kombinationen aus Hydroformen und Clinchen oder Hydroformen und Stanznieten. Im Gegensatz zum Clinchen oder Stanznieten im Standardfall wird beim Hydrofügen matrizenlos gearbeitet. Ein Hochdruckfluid über-nimmt während des Fügeprozesses die Aufgabe der Matrize und bringt eine dem Fügestempel entgegenwirkende Kraft auf. Durch das matrizenlose Verfahrensprinzip wird auch das Fügen in Bereichen möglich, die mit den Standardverfahren nicht zugänglich sind. Durch die Integ-ration des Hydrofügens in den Prozess des Hydroformens können das für die Ausformung der Teile genutzte Hochfluid für die Fügeoperation weitergenutzt und zusätzliche Prozessschritte eingespart werden. Möglichkeiten und Grenzen des Hydrofügens im Vergleich zu alternativen Verfahren werden aufgezeigt.

1 Einleitung

Thermische Fügeverfahren bringen Probleme in der Dauer- und Korrosionsfestigkeit und durch den Wärmeverzug der gefügten Bauteile mit sich. Hinzu kommt, das viele neue Blech-werkstoffe wie beispielsweise verschiedene Aluminiumlegierungen nur unter großem Auf-wand prozesssicher thermisch fügbar sind. Hochfeste Bleche verlieren durch den Wärmeein-fluss thermischer Fügeverfahren ihre Festigkeit im Bereich der Fügestellen [1]. Verbindungen von Fügepartnern aus unterschiedlichen Werkstoffen, wie z.B. Aluminium und Stahl, sind auf thermischem Weg nur in Sonderfällen realisierbar.

Bei umformenden Fügeverfahren gibt es diese Nachteile nicht [2], da die Fügepartner ohne Wärmeeinwirkung über die Ausbildung einer Hinterschneidung verbunden werden. Mit Ausnahme des relativ aufwändigen Blindnietens ist jedoch immer die Zugänglichkeit zu bei-den Seiten der herzustellenden Fügeverbindung erforderlich.

Gerade bei durch Hydroformen hergestellten komplexen Hohlteilen ist diese beidseitige Zugänglichkeit mitunter schwer zu realisieren. Deshalb und wegen der Möglichkeit zur Ein-sparung von Prozessschritten ist die Verfahrenskombination von Hydroformen und Clinchen bzw. Stanznieten in einem Arbeitsgang von besonderem Interesse. Das beim Hydroformen auf einer Seite des Bleches anliegende Fluid wird als aktive Komponente genutzt. Es wird ohne Matrize und von einer Seite gefügt. Der axialen Stempelbewegung kann eine Taumel-bewegung überlagert sein, um die notwendige Fügekraft senken [3] und damit den erforderli-chen Gegenhaltedruck zu begrenzen.

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Kolloquium Wirkmedien Blechumformung – Sheet Metal Hydroformng – 2001

2 Verfahrensprinzipien

2.1 Kombination von Hydroformen und Stanznieten

In Bild 1 wird das Verfahrensprinzip bei der Kombination der Verfahren Hydroformen und Stanznieten mit Halbhohlniet dargestellt. Durch das Hydroformen werden die Bauteile (5, 6) in Anlage zu dem mehrteiligen Formwerkzeug (2, 3) gebracht. Anschließend wird das auf der Oberfläche von dem zu fügenden Bauteil (5) positionierte Hilfsfügeteil (7) mit Hilfe des Stempels (1) in die Bauteile (5, 6) eingeformt. Der axialen Stempelbewegung kann eine Tau-melbewegung überlagert sein. Das Hochdruckfluid (4) wirkt der Einformung entgegen. Da-durch wird ein Abheben der zu fügenden Bauteile vom Formwerkzeug (2, 3) verhindert und das Aufspreizen des Hilfsfügeteils (7) unterstützt.

-

-

Bild 1: Stanznieten im Hydroformprozess [4]

2.2 Kombination von Hydroformen und Clinchen

Das Verfahrensprinzip einer Kombinationsmöglichkeit der Verfchen ist in Bild 2 und Bild 3 dargestellt. Diese Verfahrensvariafolgenden als „Clinchen nach außen“ bezeichnet werden. Durchdie Bauteile (5, 6) in Anlage zu dem mehrteiligen Formwerkzßend wird mit Hilfe des Hochdruckfluids (4) in einer ersten Stu(6) durch ein im zu fügenden Bauteil (5) befindliches Loch gedr

Bild 2: Zwischenzustand beim Clinchen im Hydroformproze

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1 – Fügestempel 1a – Maximaler Taumelwinkel

des Fügestempels in der Taumelbewegung

2 – Inneres Teil des Formwerkzeuges

2a – Öffnungswinkel des Innenteiles

3 – Äußerer Teil des Form-werkzeuges

4 – Hochdruckfluid 5 – Zu fügendes Bauteil 6 – Hydrogeformtes Bauteil 7 – Hilfsfügeteil

ahren Hydroformen und Clin-nte ist zweistufig und soll im die Hydroumformung werden eug (2, 3) gebracht. Anschlie-fe Werkstoff aus dem Bauteil

ückt.

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1 – Fügestempel 2 – Inneres Teil des Formwerk

zeuges 3 – Äußerer Teil des Formwerk

zeuges 4 – Hochdruckfluid 5 – zu fügendes Bauteil 6 – hydrogeformtes Bauteil

ss [5]

Kolloquium Wirkmedien Blechumformung – Sheet Metal Hydroformng – 2001

Um eine Lochung des Bauteiles (6) an der Fügestelle zu verhindern, wird mit dem Stempel (1) eine kontrollierte Gegenkraft aufgebracht. Wenn der Werkstoff aus dem Bauteil (6) genü-gend weit durch das Loch im zu fügenden Bauteil (5) durchgesetzt ist, beginnt die zweite Stu-fe des Fügeprozesses. Der Stempel (1) wird in Richtung des Hochdruckmediums (4) zuge-stellt. Da das Hochdruckmedium ein Zurückdrücken verhindert, wird der durchgesetzte Werkstoff gebreitet und es bildet sich eine Hinterschneidung heraus. Bei dieser Verfahrensva-riante sind höhere Innendrücke erforderlich, als bei der Kombination von Hydroformen und Stanznieten, da sich die Aufgabe des Hochdruckmediums nicht mehr auf das Gegenhalten beschränkt.

-

Bild 3: Endzustand beim Clinchen im Hydroformprozess [5]

3 Realisierungen im Versuch

3.1 Versuchsaufbau

Prinzipiell ist die Integration der Verfahren Clinchen und Stanbeschriebenen Varianten in alle Hydroformverfahren möglich, das einseitige Anliegen eines Hochdruckfluids ist. Das heißt awohl in das Innenhochdruckumformen von Rohren und Profileumformung integriert werden. Für den praktischen Nachweis zelnen Verfahrensvarianten an unserem Institut wurde aus Gvorhandenes kleineres IHU-Werkzeug zu Anfertigung von T-Ssuchsaufbau ist beispielhaft in Bild 4 dargestellt.

Bild 4: Prinzipieller Versuchsaufbau beim Stanznieten im Hy

1 – Fügestempel 2 – Inneres Teil des Hydro-

werkzeuges 3 – Äußerer Teil des Hydro

werkzeuges 4 – Hochdruckfluid 5 – zu fügendes Bauteil 6 – hydrogeformtes Bauteil

znieten in den in Abschnitt 2 da die einzige Voraussetzung lso das Hydrofügen kann so-n als auch in die Hydroblech-der Durchführbarkeit der ein-

ründen des Aufwandes ein tücken modifiziert. Der Ver-

1 Fügepartner – Rohr: Werkstoff: AlMgSi0.5 Außendurchmesser: 58 mm Wandstärke: 3 mm 2 Fügepartner – Blechronde: Werkstoff: AlMg4.5Mn Durchmesser: 60 mm Dicke: 1.5 mm 3 Hilfsfügeteil - Halbhohlstanzniet: Lieferant: Böllhoff Schaftdurchmesser: 5.3 mm Länge: variierend

Härte: variierend

1

2

3

droformprozess

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Kolloquium Wirkmedien Blechumformung – Sheet Metal Hydroformng – 2001

Das Werkzeug wurde so modifiziert, das eine Taumelnieteinheit der Firma Weber integriert werden konnte. Das Ziel war es die Blechronde durch Stanznieten oder Clinchen während des Hydroformens mit dem T-Stück zu verbinden.

3.2 Prozessführung

Der Verlauf der Versuche ist beispielhaft in Bild 5 dargestellt. Zuerst werden die kegel-stumpfförmigen Nachschiebestempel in die beiden offenen Enden des Ausgangsrohres hin-eingeschoben (0.-7. Sekunde auf der x-Achse in Bild 5). Dabei wird der Innendruck allmäh-lich auf 250 bar gesteigert. Als nächstes wird das T-Stück mit einem mittleren Innendruck von 350 bar ausgeformt (7.-12. Sekunde). Nach der Ausformung, wenn die Stirnseite des T-Stückes flächig mit der zu fügenden Blechronde in Anlage gekommen ist, wird der Innen-druck erhöht, der Fügestempel zugestellt und der Fügeprozess bei einem Innendruck von ca. 450 bar begonnen. Bis zum Ende des Fügeprozesses in der 16. Sekunde wird der Innendruck um weitere 100 bar erhöht.

0.000

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

0 5 10

Zeit in Sekunden

Weg

in m

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300.00

400.00

500.00

600.00

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in b

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Nachschiebeweg 1Nachschiebeweg 2FügewegInnendruck

Füge- weg

Nachschiebeweg 1

Bild 5: Prozessführung beim Stanznieten im Hydrofo

3.3 Versuchsergebnisse

In den bisher durchgeführten Versuchen konnte nachgewvon Hydroformen und Stanznieten mit Halbhohlniet reaist in Bild 6 zu sehen. Der für das Verbinden der in den(vgl. Bild 4) notwendige minimale Innendruck betrug cazustellen, das die Verbindung mit handelsüblichen HalbBei diesen Nieten war grundsätzlich ein Durchlochen bgeringfügiger Verspreizung der Niete zu beobachten. durch eine gezielte Wärmebehandlung verringert. Da die

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Nach-schiebe-weg 2

15 200.00

100.00

200.00In

n

rmprozess

iesen werden, dass die Kombination lisierbar ist. Eine Beispielverbindung Versuchen verwendeten Fügepartner . 450-500 bar. Einschränkend ist fest-hohlstanznieten nicht herstellbar war. eider Fügepartner ohne oder mit nur Deshalb wurde die Härte der Niete s allein noch nicht zu dem erwünsch-

Kolloquium Wirkmedien Blechumformung – Sheet Metal Hydroformng – 2001

ten Verspreizen der Niete führte, wurde die Wandstärke der Niete durch Aufbohren verringert und die Geometrie der Fase modifiziert. Weiterhin hatte sich im Verlauf der Versuche das Vorlochen der Blechplatine als günstig herausgestellt. Dadurch kann der Niet gleich in den Werkstoff des hydrogeformten Bauteiles einschneiden und dort verspreizen. Wenn der Niet sich auch durch die obere Blechplatine schneiden muss, kommt es zu einem verfrühten Spreizen des Nietes und die sich ausbildende Hinterschneidung ist nur gering.

Bild 6: Hydrogefügte Verbindung mit Halbhohlstanzniet

Bei Zugversuchen, die an hydrogefügten Proben mit Halbhohlstanzniet in der beschriebenen Materialkombination durchgeführt wurden, konnten mittlere Scherzugfestigkeiten im Bereich von 3 kN dokumentiert werden. Die Arbeitsaufnahme war wie bei herkömmlichen Halbhohl-stanznietverbindungen ausgezeichnet (vgl. Bild 7).

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1 2 3 4 5 6 7

Weg in mm

Kra

ft in

N

Bild 7: Hydrogefügte Verbindung (wie Bild 6) im quasistatischen Scherzugversuch

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4 Ausblick

Die Integration von Fügeaufgaben in den Prozess der Hydroumformung durch die beschrie-benen Verfahrensvarianten zum Hydrofügen kann das Anwendungspotential wirkmedienba-sierter Umformverfahren wesentlich verbessern.

Mit den bisher durchgeführten Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass das Hyd-rofügen nicht nur prinzipiell realisierbar ist, sondern auch tatsächlich in den Prozess des Hyd-roformens integriert werden kann. Vor einem praktischen Serieneinsatz sind aber noch eine Reihe von Optimierungen an der Nietgeometrie und an der Prozessführung notwendig, wel-che durch theoretische Betrachtungen, verbunden mit FEM-Simulationen, unterstützt werden müssen. Die Suche nach der optimalen Nietgeometrie für die Kombination von Hydroformen und Stanznieten ist noch nicht abgeschlossen und bedarf weiterer Versuche, die derzeit in Vorbereitung sind.

5 Literatur

[1] Hahn, O.; Schulte, A.; Herter, H.; Göklü, S.; Stegemann, T.: Eignung des Durchsetzfü-gens und des Stanznietens zum Fügen höherfester Stahlbleche. Studiengesellschaft Stahl-anwendung e.V. Forschungsbericht P 283, 2000

[2] Hahn, O.; Klemens, U.; Kurzok, J.-R.: Garantie für festen Zusammenhalt – Mit Nieten und Clinchen zu modernen Leichtbaustrukturen. Bänder, Bleche, Rohre (2000) 3, S.44-48

[3] Mauermann, R.: Neuere Beiträge zum mechanischen Fügen. 6. Sächsische Fachtagung für Umformtechnik, Dresden 1999

[4] Mauermann, R.; Franke, R.: Verfahren zum umformenden Fügen beim Innenhochdruck-umformen, Patententwurf, München 2000

[5] Dietrich, S.; Mauermann, R.; Donhauser, C.; Stopp, R.: Verfahren zum Fügen von min-destens zw1i Bauteilen und Vorrichtung hierfür, Patententwurf, München 2001

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