Auswahl von Fügeverfahren. Übung zur Lehrveranstaltung Fertigungstechnik - Fügetechnik

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1 Auswahl von Fügeverfahren Übung zur Lehrveranstaltung Fertigungstechnik - Fügetechnik Zielstellung: Das Ziel der Übung ist: - Auswahl von Fügeverfahren an Beispielen aus dem modernen Karosseriebau - Eignung von Fügeverfahren - Fügbarkeitsbetrachtungen 1 / 76

2 Fügestellen am BMW 5er Vorderwagen Vorraum Zeu / 76

3 Auswahl von Fügeverfahren Übung zur Lehrveranstaltung Fertigungstechnik - Fügetechnik Inhalte: 1. Fügetechnische Anforderungen an den Karosseriebau 2. Beispiele 2.1 Blech-Blech-Verbindungen 2.2 Blech-Profil/Druckguss-Verbindungen 2.3 Schweißverbindungen 2.4 Funktionselemente 3. Zusammenfassung 3 / 76

4 Hauptgruppen der Fertigungsverfahren Fertigungsverfahren Hauptgruppe 1 Urformen Hauptgruppe 2 Umformen Hauptgruppe 3 Trennen Hauptgruppe 4 Fügen Hauptgruppe 5 Beschichten Hauptgruppe 6 Stoffeigenschaftsändern Änderung der Änderung der Änderung der Änderung der Änderung der Änderung der Form und der Form Form Form Form und der Stoffeigenschaft Stoffeigenschaft Stoffeigenschaft Zusammenhalt Zusammenhalt Zusammenhalt Zusammenhalt Zusammenhalt Änderung durch schaffen beibehalten vermindern vermehren vermehren Umlagern von Stoffteilchen, Aussondern von Stoffteilchen, Einbringen von Stoffteilchen 4 / 76

5 Was ist Fügen? Definition Fügen nach DIN 8593: Fügen ist das Zusammenbringen von zwei oder mehreren Werkstücken geometrisch bestimmter Form oder von ebensolchen Werkstücken mit formlosem Stoff. Dabei wird der Zusammenhalt örtlich geschaffen und im ganzen vermehrt. Fazit: Die Fügeverbindung soll möglichst die gleichen Anforderungen wie die zu verbindenden Bauteile erfüllen. 5 / 76

6 Anforderungen im Fahrzeugbau Quelle: Volkswagen/ Poznanski-Eisenschmidt 6 / 76

7 Gewichtsentwicklung am Beispiel VW-Golf VW Golf I (1974) VW Golf V (2004) 750 ~ 810 kg 37 ~ 80 kw L x B x H (mm) 3705 x 1610 x ~ 1356 kg 55 ~ 147 kw L x B x H (mm) 4216 x 1759 x 1485 Quelle: Volkswagen / Jüttner, Meyer 7 / 76

8 Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung der Karosserie Bauweise Werkstoffe Konstruktion Bauteilgestaltung des Einzelteiles Maßnahmen ohne Einfluss auf Konzept / Bauweise Beispiel: Sicken zur Erhöhung der Steifigkeit Stofflicher Leichtbau Beispiel: Hochfeste Stähle / Leichtmetalle / Kunststoffe Fahrzeugkonzept Beispiel: Schalenbauweise / Spaceframe 8 / 76

9 Beispiel: VW 3 Liter Lupo Gewichtsreduzierung durch Leichtbau - Anbauteile Quelle: Volkswagen/ Poznanski-Eisenschmidt Bauweise Werkstoffe Konstruktion 9 / 76

10 Beispiel: VW Passat Einsatz formgehärteter höchstfester Stahlwerkstoff 22MnB5 Bauweise Werkstoffe Konstruktion -2,3 kg -5,1 kg Formhärten einer B-Säule: Schematischer Ablauf des Formhärtens: 10 / 76

11 Fügbarkeit 11 / / 76

12 Fügbarkeit im modernen Karosseriebau Werkstoffe Konstruktion Fertigung 12 / 76

13 Werkstoffe im Karosseriebau Quelle: J. Kalich, TU Dresden 13 / 76

14 1. Beispiel: Blech-Blech-Verbindungen Al-Blech AlMg4,5Mn 1,5mm Al-Blech AlMg4,5Mn 1,5mm Vorraum Zeu / 76

15 Fügetechnische Einordnung DIN : Fertigungsverfahren Fügen - Teil 5: Fügen durch Umformen 15 / 76

16 Fügetechnische Einordnung DIN : Fertigungsverfahren Fügen - Teil 5: Fügen durch Umformen Eine Sammelbenennung für die Verfahren, bei denen entweder die Fügeteile oder Hilfsfügeteile örtlich, bisweilen auch ganz, umgeformt werden. Die Umformkräfte können mechanischer, hydraulischer, elektromagnetischer oder anderer Art sein. Die Verbindung ist im Allgemeinen durch Formschluss gegen ungewolltes Lösen gesichert. 16 / 76

17 Fügetechnische Einordnung DIN : Fertigungsverfahren Fügen - Teil 5: Fügen durch Umformen Fügen durch Umformen nach DIN Fügen durch Umformen drahtförmiger Körper Flechten, Verdrehen, Verseilen, Spleisen, Knoten, Wickeln Drahtweben Klammern Fügen durch Umformen bei Blech-, Rohr- und Profilteilen Gemeinsam Körnen, Kerben, Fließpressen, Ziehen Sicken, Bördeln, Einhalsen, Weiten Falzen, Wicklen Fügen durch Nietverfahren Nieten Hohlnieten Zapfennieten Stanznieten 17 / 76

18 Wichtige Fügeverfahren Quelle: J. Kalich, TU Dresden 18 / 76

19 Setzvorgang Vollstanznieten Setzvorgang Niederhalter Stempel Vollniet Fügeteile Matrize Stanzbutzen 19 / 76

20 Halbholstanznieten Setzvorgang Stempel Halbhohlniet Niederhalter Bauteile Matrize Stanzbutzen RIBE Verbindungstechnik 20 / 76

21 Clinchen Setzvorgang Stempel Fügeteile Matrize einstufig Rundpunkt ohne Schneidanteil geschlossene Matrize Fügeelement 21 / 76

22 Clinchen Setzvorgang Stempel Fügeteile Matrize einstufig Rundpunkt ohne Schneidanteil geteilte Matrize Fügeelement 22 / 76

23 Clinchen Verfahrensvarianten R-DF = Clinchen ohne Schneidanteil => runde Clinchelemente S-DF = Clinchen mit Schneidanteil => balkenförmige Clinchelemente Confix = Clinchen mit Vorloch => runde Clinchelemente Quelle: Eckold GmbH 23 / 76

24 1. Beispiel: Blech-Blech-Verbindungen Al-Blech AlMg4,5Mn 1,5mm Al-Blech AlMg4,5Mn 1,5mm Stanzniet elementar (Halbhohl Typ C) Vorraum Zeu / 76

25 2. Beispiel: Blech-Profil/Druckguss-Verbindungen Al-Blech AlMg4,5Mn 1,5mm Stahl-Blech RA-K 40/70 1,5mm Vorraum Zeu / 76

26 Beispiel: Umformtechnisches Fügen + Kleben + Kleben Umf. Fügen - flächige Kraftübertragung hohe Werkstoffausnutzung hohes Leichtbaupotential hohe Bauteilsteifigkeit hohe dynam. Festigkeit Eigenschaftsprofil der elementaren Fügeverfahren Fixierung bis zur Aushärtung notwendig Kriechneigung geringe Schälfestigkeit Temperatur-, Medienund Zeit- abhängigkeit hohe Prozesssicherheit sofort belastbar hohe Festigkeit Kombination Fügeverfahren Fixierung der Fügepartner bis zur Aushärtung des Klebstoffes Verbesserung der Festigkeitseigenschaften bzw. der Werkstoffausnutzung Korrosionsschutz insbesondere für unterschiedliche Fügeteilwerkstoffe Nutzen der Vorteile der Einzelverfahren zur gegenseitigen Kompensation ihrer Nachteile geringe Werkstoffausnutzung Undichtigkeit zwisch. zwei Punkten Gefahr von Spaltkorrosion 26 / 76

27 Definition Kombination von mindestens zwei elementaren Fügeverfahren (DIN 8593) Fügeoperation erfolgt in gleichen Werkstückbereichen Fügeoperation erfolgt zeitlich parallel oder versetzt Zusammenhalt wird örtlich mehrfach geschaffen und vermehrt Beispiel: Hybridfügen = Kleben + mechanisches Fügen = Kleben + Stanznieten = Kleben + Clinchen = Kleben + Blindnieten 27 / 76

28 Umformtechnisches Fügen + Kleben Arbeitsschritte - Umformen vor Aushärten: 1. Klebstoff auftragen 2. Fügeteile zusammenlegen 3. umformtechnisches Fügen 4. Klebstoff aushärten 28 / 76

29 Umformtechnisches Fügen + Kleben Technologische Eigenschaften Umformen vor Aushärten lagegenaue Fixierung der Fügeteile vor Aushärtung des Klebstoffes schnelle Weiterverarbeitung des Bauteils möglich Möglichkeit zur Klebstoffaushärtung in späterem Fertigungsschritt (z.b. Lacktrocknung) kurze Taktzeiten Beeinflussung der Fügeelementausbildung (z.b. Hinterschnitt, Klebschichtdicke) Gefahr der Bauteil- und Werkzeugkontamination durch austretenden, nicht ausgehärteten Klebstoff 29 / 76

30 Umformtechnisches Fügen + Kleben Arbeitsschritte - Umformen nach Aushärten: 1. Klebstoff auftragen 2. Fügeteile positionieren 3. Klebstoff aushärten 4. umformtechnisches Fügen Technologische Eigenschaften Umformen nach Aushärten keine Verschmutzung der Fügewerkzeuge Verfahrensbedingt längere Prozesszeiten Beeinflussung der Klebschicht beim Setzen des Fügeelementes zusätzliche Fixierung während Klebstoffaushärtung notwendig 30 / 76

31 Vergleich Verbindungsfestigkeiten Vergleich elementar - hybrid gefügter Proben hybrid elementar 0,55mm 0,42mm Kraft [kn] ,22mm 4 2 0,52mm 0,54mm Weg [mm] 0,40mm Werkstoff stempelseitig: DP600 t 1 = 1,0 mm Werkstoff matrizenseitig: AlMg4,5Mn t 2 = 1,5 mm Klebstoff: Betamate 1496 ausgehärtet Fmax W30% hybrid 15,53 93,13 elementar 9,39 44,61 Quelle: J. Kalich, TU Dresden 31 / 76

32 Anwendungsbeispiel Fahrzeugbau: Versteifung, Dichtigkeit, Dämpfung als Einzel- oder kombinierte Funktionen Halbhohlstanznietverbindungen, ohne sowie mit Klebstoff Hybridfügen von Al Blech-, Profil- und Druckgußteilen mit 1K-heißhärtenden Strukturklebstoffen Quelle: J. Kalich, TU Dresden 32 / 76

33 Schweißpunkte 3. Beispiel: Schweißverbindungen Schweißnähte Stahl-Blech RA-K 40/70 1,5mm Stahl-Blech RA-K 40/70 1,5mm Al-Blech AlMg4,5Mn 1,5mm Al-Blech AlMg4,5Mn 1,5mm Al-Blech AlMg4,5Mn 1,5mm Al-Guß 3,0 mm 33 / 76

34 Schweißen (DIN 8593) 34 / 76

35 Definition Schweißen Schweißen ist das unlösbare Vereinigen von Grundwerkstoffen unter Anwendung von Wärme oder Druck oder von beiden mit oder ohne Zusatzwerkstoff mit gleichem oder nahezu gleichem Schmelzbereich. 35 / 76

36 Untergruppen der Verfahrensgruppe Schweißen nach DIN 8593 Teil 6 Fügen durch Schweißen Press - Verbindungsschweißen Schmelz - Verbindungsschweißen Schmelz - Verbindungsschweißen durch Flüssigkeit Schmelz - Verbindungschweißen durch Gas Schmelz - Verbindungsschweißen durch elektrische Gasentladung (Lichtbogen, Funken, Plasma) Schmelz - Verbindungsschweißen durch Strahl Schmelz - Verbindungsschweißen durch elektrischen Strom 36 / 76

37 Definition Schmelz- und Pressschweißen Schmelzschweißen Beim Schmelzschweißen wird nur Wärme zugeführt und die Verbindung vollzieht sich über den schmelzflüssigen Zustand. Pressschweißen Beim Pressschweißen wird Wärme zugeführt und Druck angewendet. Die Vereinigung erfolgt im plastischen Zustand, wobei häufig ein teilweises Schmelzen auftritt. Wird nur Druck angewendet, vollzieht sich die Vereinigung im festen Zustand. 37 / 76

38 Widerstandspressschweißen Einteilung Beispiel: Schweißpunkt Widerstandspressschweißen Konduktives Widerstandspressschweißen Induktives Widerstandspressschweißen Widerstandspunktschweißen Rollnahtschweißen Buckelschweißen Pressstumpfschweißen Abbrennstumpfschweißen weitere Verfahre 38 / 76

39 Widerstandspressschweißen Stoßarten Überlappstoß T- Stoß Stumpfstoß Widerstandspunktschweißen Rollnahtschweißen Buckelschweißen Abtrennstumpfschweißen Pressstumpfschweißen 39 / 76

40 Widerstandspunktschweißen 40 / 76

41 Widerstandsverlauf über die Zeit beim Punktschweißen 41 / 76

42 Schutzgasschweißen Schutzgasschweißen Beispiel: Schweißpunkt Einteilung nach Art von Elektrode und Schutzgas Einteilung nach Art des Lichtbogens Sprühlichtbogenschweißen Langlichtbogenschweißen Kurzlichtbogenschweißen Impulslichtbogenschweißen Metall- Schutzgasschweißen Wolfram- Schutzgasschweißen weitere Verfahren Metall-Inertgasschweißen Metall-Aktivgasschweißen siehe Praktikum Fügetechnik! (Wolfram-) Plasmaschweißen Wolfram-Inertgasschweißen Wolfram-Wasserstoffschweißen CO 2 -Schweißen Mischgasschweißen Weitere Verfahren 42 / 76

43 Metall-Schutzgasschweißen, MSG (ISO 857-1) MIG: Metall-Inertgasschweißen Schutzgas inert (Ar, He): MAG: Metall-Aktivgasschweißen, Schutzgas aktiv (CO 2, O 2 ): 1 Werkstück 2 Lichtbogen 3 Schweißnaht 4 Schutzgasdüse 5 Schutzgas 6 Stromkontaktrohr 7 Drahtelektrode 8 Drahtvorschubrollen 9 Energiequelle Metall-Lichtbogenschweißen mit Drahtelektrode, wobei der Lichtbogen und das Schmelzbad gegenüber der Atmosphäre durch einen Mantel aus Gas geschützt werden, das von einer äußeren Quelle zugeführt wird 43 / 76

44 Einpressbolzen und - mutter 4. Beispiel: Funktionselemente Schweißbolzen Stahl-Einpressmutter M6 Stahl-Einpressbolzen M6 Al-Blech AlMg4,5Mn 1,5mm Aluminum-Gewindebolzen Al-Blech AlMg4,5Mn 1,5mm 44 / 76

45 Fakultät Maschinenwesen Institut für Fertigungstechnik 45 / 76