Grundlagen des fluidbasierten Fügens hohlförmiger Rahmenstrukturen bei simultaner Formgebung

Transkript

1 Grundlagen des fluidbasierten Fügens hohlförmiger Rahmenstrukturen bei simultaner Formgebung Vom Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. Khaled Tibari aus Casablanca Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. P. Groche Mitberichterstatter: Prof. Dr. T. Altan Tag der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: Darmstadt 2007 D 17

2

3 Berichte aus Produktion und Umformtechnik Hrsg.: Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche Grundlagen des fluidbasierten Fügens hohlförmiger Rahmen- strukturen bei simultaner Formgebung Khaled Tibari BAND 70 D 17 (Diss. TU Darmstadt) Shaker Verlag Aachen 2007

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2007 Copyright Shaker Verlag 2007 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der Technischen Universität Darmstadt. Dem Institutsleiter, Herrn Prof. Dr.-Ing. Dipl.- Wirtsch.-Ing. P. Groche, gilt mein besonderer Dank für die Unterstützung bei der Durchführung dieser Arbeit und für die Anfertigung des Hauptgutachtens. Das mir entgegengebrachte Vertrauen und die uneingeschränkten Freiräume stellten die Fundamente einer Arbeitsweise dar, ohne die die vorliegende Arbeit nicht entstanden wäre. Herrn Prof. T. Altan vom Engineering Research Center for Net Shape Manufacturing der Ohio State University, Columbus, USA danke ich für die Übernahme des Koreferats. Besonders gilt ihm mein Dank für die Aufnahme an seinem Lehrstuhl während meiner zweijährigen Einarbeitungszeit in das Gebiet des IHU. Die Bearbeitung des Dissertationsthemas lebte von einer ständigen Anpassung an neue Erkenntnisse, ohne dabei die Gesamtzielsetzung aus den Augen zu verlieren. Bei der Umsetzung dieses Spagats durfte ich von der Mitarbeit engagierter Kollegen und Studenten profitieren. In diesem Zuge möchte ich den Kollegen Rainer Steinheimer, Falko Vogler, Dirk Elsenheimer, Gerrit von Breitenbach und Peter Götz danken. Den letzten vier gilt mein besonderer Dank für die Korrekturen und Hinweise bei der Erstellung dieser Arbeit. Stellvertretend für die über 30 Studenten, die mitgewirkt haben um die Dissertation stets mit neuen Ideen und Ergebnissen zu bereichern, möchte ich mich bei Florian Scherer, Patrick Schmiedel und Stefan Thomas für die stets präsente Unterstützung bedanken. Den Firmen Fischer Edelstahlrohre, Novacel, Sika und Zeller+Gmelin gilt mein Dank für die unentgeltliche Bereitstellung von Verbrauchsmaterialien. Neben der fachlichen Unterstützung konnte ich mich stets auf ein harmonisches privates Umfeld verlassen. Für die jahrelange Toleranz meiner Familie gegenüber einer gewissermaßen überambitionierten Arbeitseinstellung möchte ich mich bei meiner Mutter, meinen Schwestern Hanane und Amy, sowie bei meinem Vater bedanken. Dabei gilt mein ganz besonderer Dank meiner Mutter, die in ihrer typischen, toleranten Art meine familiäre Abstinenz tapfer ertragen hat. Abschließend gilt mein Dank meiner Ehefrau Nadia, die mich mit viel Geduld und erfrischender Abwechslung nicht nur bei der Erstellung dieser Arbeit begleitet hat. Ulm, Dezember 2006 Khaled Tibari

6

7 INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Stand der Erkenntnisse Innenhochdruck-Umformen (IHU) Verfahrensbeschreibung und -varianten Verfahrensgrenzen und Prozessparameter Halb- und Werkzeugwerkstoffe Tribologie Vorteile, Einschränkungen und Trends Fügen Stoffschlüssige Verbindungen Kraftschlüssige Verbindungen Fluidbasierte kraftschlüssige Verbindungen Formschlüssige Verbindungen Fluidbasierte formschlüssige Verbindungen Bewertung und Analyse von Fügeverbindungen Gestalt- und Dauerfestigkeitsuntersuchungen Finite Elemente Simulationen Problemstellung, Zielsetzung und Vorgehensweise Grundlagen des fluidbasierten koaxialen Fügens Spannungscharakteristiken Berechungsgrundlagen Nabe Hohlwelle Einfluss des Werkstoffs auf die Verbindungsfestigkeit Kraftschlüssiges fluidbasiertes Fügen eines Referenzknotens Verfahrensprinzip Ausgangszustand Ausformphase Komprimierphase Rückfederphase Prozessmodellierung und Untersuchungsaufbau I

8 INHALTSVERZEICHNIS 5.3 Untersuchungsergebnisse Anformen (Phase 1) Ausformen (Phase 2) Komprimieren (Phase 3) Kalibrieren (Phase 4) Wirkmechanismen und Erklärungsmodelle Prozessphasendiagramm Numerische Modellierung des Gesamtprozesses Federanalogon Einfluss einer Oberflächeneinglättung auf die Festigkeit Zusammenfassung und Fazit Festigkeitsrelevante Größen kraftschlüssig gefügter Knoten Festigkeitsuntersuchungen Belastungskategorien Ergebnisse Festigkeitsbeschreibende Parameter Domhöhenkoeffizient (ß k ) Wanddickenkoeffizient (t k ) Verfahrensgrenzen und Versagensarten Falten der Domseitenwand Abscheren der Scheibe Zusammenfassung und Fazit Optionen zum gegenhalterlosen Fügen Prozessintegrierter Formschluss Verfahrensbeschreibung Einfluss der vertikalen Distanz Einfluss einer Fase am Passivbauteil Einfluss der Wanddicke des Passivbauteils Einfluss der Prozessparameter auf die Faltenbildung Gebördeltes Passivbauteil Verfahrensbeschreibung Festigkeitsuntersuchungen Klebstoffeinsatz Verfahrensbeschreibung...90 II

9 INHALTSVERZEICHNIS Festigkeitsuntersuchungen Rekonstruktion der Klebstofftransportvorgänge Verfahrenskombinationen Prozessintegrierter Formschluss und Komprimieren Gebördeltes Passivbauteil und Komprimieren Komprimieren mit und ohne Klebstoffüberlagerung Komprimieren bei erhöhter Klebekontaktfläche des Passivbauteils Gebördeltes Passivbauteil mit Klebstoffüberlagerung Zusammenfassung und Fazit Prozessgestaltung und Beispiele mit Praxisrelevanz Verfahrenseignung Konfigurationsklassen Konfigurationsklasse A (m2-k1-pb1-ab1) Konfigurationsklasse B (m1-k2-pb2-ab1) Konfigurationsklasse C (m2-k2-pb1-ab2) Konfigurationsklasse D (m1-k4-pb2-ab2) Fügen von Konfigurationsklassen C und D mit Gegenhalter Prozessphasen und Versagensfälle Anformen Ausformen Komprimieren Rückfedern Praxisbeispiele Stuhlseitenteil Geländersegment PKW-Hinterachsträger Zusammenfassung und Fazit Zusammenfassung und Ausblick Quellenverzeichnis Literatur Normen- und Richtlinien Patent- und Offenlegungsschriften Studien-, Diplomarbeiten und Master Thesen III

10 INHALTSVERZEICHNIS 11 Anhang Wesentliche Kenngrößen zur Beschreibung des FE-Modells Halbzeugeigenschaften Druck-, Aufweit- und Fließkurven aus Berstversuchen Schmierstoff, Ziehfolie, Klebstoff IV