Standmengenerhöhung bei Clinchwerkzeugen durch Verwendung von Keramikkomponenten

Im Karosseriebau kommen höherfeste Stähle und Aluminiumlegierungen sowie alternative Fügeverfahren wie das Clinchen zum Einsatz. Es soll der Fahrzeuggewichtserhöhung und der Erhöhung des damit verbundenen Energieverbrauchs ent-gegengewirkt werden. Verfahrensbedingt sind beim Durchsetzfügen von höherfesten Stählen größere Fügekräfte erforderlich, was zu höheren Pressungen an den Werkzeugaktivflächen führt. Bei der Verarbeitung von Aluminiumlegierungen kommt es zur Anhaftung des Blechwerkstoffs an den Aktivflächen der Fügewerkzeuge. Für das Clinchen hat dies einen erhöhten Werkzeugverschleiß zur Folge.

Forschungsziel dieses Projektes ist es, die Einsatzmöglichkeit von Keramik in hochbelasteten Bereichen von Durchsetzfügewerkzeugen nachzuweisen, um die Werkzeugstandmenge zu erhöhen. Die ausgewählten Keramiken sind Zirkonoxid und eine Mischkeramik. Dabei wurden neben geometrischen Verhältnissen die zu erwartenden Werkzeugbelastungen mit einbezogen.

Dafür wurde ein numerisches Modell erstellt, mit dem neben den Belastungen der zu fügenden Bleche insbesondere die Spannungs- und Formänderungsverteilung in den zu untersuchenden keramischen Werkzeugkomponenten Stempel und Amboss berechnet werden kann. Weiterhin wurde darauf geachtet, dass die Keramiken unter Industriebedingungen herstellbar sind. Die Integration der Keramiken ins Werkzeug erfolgte durch Einschrumpfen. Als Blechwerkstoffe kamen die Aluminiumlegierung AA6016 T4 und der hochfeste Stahl DP600+Z zum Einsatz. Es wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens Verfahrenshinweise für das Clinchen dieser Blechwerkstoffe mit Standard- und mit Keramikwerkzeugen angegeben.

Im Rahmen der Standmengenprüfung ist bei dem Blechwerkstoff AA6016 T4 keine Auswirkung des Werkzeugverschleisses, welcher sich in Form von Anhaftungen des Blechwerkstoffs an die Fügewerkzeuge äußerte, auf die Fügeelementqualität festgestellt worden. Es erfolgte entgegen der Erfahrungen bei Standardfügewerkzeugen ein prozesssicheres zyklisches Anhaften und Lösen des Blechwerkstoffs.

Keramische Wirkkomponenten in Stempeln und Ambossen von Clinchwerkzeugen eignen sich auf Grund der unzureichenden Dauerfestigkeit und der zu hohen mechanischen Beanspruchungen nicht für das Fügen von Blechen aus Stahlwerkstoffen, insbesondere, wenn es sich um höherfeste Bleche handelt (DP 600+Z). Die Weiterentwicklung solcher keramisch bestückter Werkzeuge für den Einsatz bei Aluminiumblechwerkstoffen (AA6016 T4) verspricht dagegen erfolgreich zu sein. Durch den Einsatz von Keramikfügewerkzeugen konnte bei Aluminiumblech die Standmenge von 250.000 / 300.000 Fügepunkten, wie sie bei Standardfügewerkzeugen üblich ist, auf ³ 500.000 Fügepunkte erhöht werden.