Entwicklung einer einseitig ebenen Verbindung durch Radialfügen

Das mechanische Fügen besitzt seit einigen Jahren einen festen Stellenwert unter allen Fügetechnologien. Neben vielen Vorteilen des Clinchens besteht ein wesentlicher Nachteil in der geometrischen Ausbildung der Verbindung, die keine einseitig ebene Verbindungsseite aufweist und deshalb für das Fügen an Funktionsflächen, wie z. B. zum Anlegen, Gleiten oder Abdichten sowie an Sichtflächen nur einen beschränkten Einsatz findet. Ziel des Projektes war daher die Entwicklung und systematische Untersuchung einer Technologie zur Herstellung von Flachpunktverbindungen durch Einsatz einer radial überlagerten Vorschubbewegung, welche die Nachteile der bestehenden Verfahren Radialclinchen (matrizenseitige Erhabenheit) und linear gefügter Flachpunkt (hohe Fügekräfte) beseitigen soll.

Zunächst wurden die maschinentechnischen Versuchseinrichtungen aufgebaut sowie die Prozessparameter dieser neuen Technologie theoretisch analysiert. Eine große Anzahl von Einflussgrößen wurde determiniert, die eine multifaktorielle Wirkung auf den Fügeprozess zeigen, d. h. einzelne Einflussgrößen können nur bedingt unabhängig voneinander betrachtet und deren separate Auswirkungen auf die Herstellung der Flachpunktverbindungen untersucht werden. Vielmehr muss ein stetiger Optimierungsprozess erfolgen, der abhängig von der jeweiligen Fügeaufgabe (Werkstoffe und Blechdicken) ist. Wesentliche Einflussgrößen auf den Prozess sind dabei die Bodendicke der Verbindung, die Stempelfüge- und die Niederhalterkraft sowie die Stempel- und Niederhaltergeometrien. Besonders letztere ermöglicht durch eine gezielte Behinderung des Werkstoffflusses mit ringförmigen Konturen auf der Stirnfläche des Niederhalters die Ausbildung von Hinterschneidungen im Werkstoff.

Es wurden die Fügbarkeitsregeln „hart in weich“ und „dünn in dick“ für dieses Verfahren aufgestellt, bei denen der Werkstoff mit geringerer Fließgrenze und größerer Blechdicke ambossseitig anzuordnen sind, um den Werkstofffluss innerhalb der Verbindung zu begünstigen. Die Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften der Flachpunktverbindung zeigen bei Ausbildung einer überwiegend form- und kraftschlüssigen Verbindungscharakteristik gute Festigkeitswerte unter Scherzugbeanspruchung. Für Schälzugbeanspruchungen treten aufgrund des kleiner ausgebildeten Hinterschnitts geringere Festigkeiten auf.

Der wesentlichste Vorteil bei Anwendung der radial überlagerten Bewegung gegenüber dem Fügen mit linearer Kinematik ist in einem deutlich reduzierten Kraftaufwand (um durchschnittlich 50 %) bei der Herstellung der Flachpunktverbindungen messbar. Eine gegenüber dem linearen Fügen deutlich verbesserte Werkstoffflusssteuerung durch die radial überlagerte Fügekinematik konnte nicht festgestellt werden. Es haben sich aber deutliche Vorteile zur Herstellung von Kaltpressschweißbereichen ermitteln lassen, deren Ursache in der inkrementellen Umformung des Werkstoffes liegt. Diese bewirkt ein starkes Aufreißen und Zerkleinern der Oxidschichten und damit eine großflächige Metallbindung insbesondere im Bodenbereich der Verbindung.

Mit den durchgeführten Untersuchungen erfolgte der Nachweis, dass einseitig ebene, mechanisch gefügte Verbindungen für verschiedene Aluminium- sowie Stahlfeinbleche bei artgleicher und artungleicher Werkstoffkombination mit diesem Verfahren herstellbar sind. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die untersuchte Fügekinematik mit radial überlagerter Vorschubbewegung des Stempels sich für Herstellung von Flachpunktverbindungen eignet.