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Prozessentwicklung für das Fügen durch Knickbauchen

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Prozessentwicklung für das Fügen durch Knickbauchen

Philip Grützner (Unbekannter Einband, Deutsch)

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Beschreibung

Das Fügen durch Knickbauchen stellt eine zumeist technologisch und wirtschaftlich sinnvolle Möglichkeit zum Verbinden von Rohren und Blechen dar. Im direkten Vergleich mit konventionellen, insbesondere thermischen Fügeverfahren, könnten hierdurch in vielen Fällen Vorteile erzielt werden. Trotz zahlreicher potentieller Anwendungsmöglichkeiten verhindert ein geringer Erkenntnisstand bislang jedoch eine breite industrielle Nutzung. Dies betrifft neben Prozessgrenzen, Prozesskräften und Anforderungen an Werkstoffe auch sämtliche Informationen zur Prozessführung, erreichbaren Verbindungsfestigkeiten sowie zu Werkzeugen und Anlagen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zunächst eine wissenschaftliche Bestandsaufnahme und Verfahrensabgrenzung, insbesondere zum Schalenbeulen sowie zu verwandten Bereichen der Fertigungstechnik durchgeführt. Anhand einer umfangreichen Prozessanalyse für das Knickbauchen wurden geometrische und physikalische Einflussgrößen identifiziert und deren Auswirkung auf das Prozessergebnis bewertet. Durch systematische numerische, experimentelle und analytische Untersuchungen der Haupteinflussparameter wurde ein umfangreiches Prozessverständnis erarbeitet. Für den Werkstoff E235+N konnten hierbei Prozessgrenzen und Prozesskräfte ermittelt und grundlegende Zusammenhänge mathematisch beschrieben werden. Die Verwendung bezogener Größen ermöglicht eine Übertragung auf weite Abmessungsbereiche. Ergänzend hierzu wurden die möglichen Auswirkungen herstellungsbedingter Streuungen anhand einer Sensitivitätsanalyse quantifiziert. Aufbauend auf den umfangreichen Erkenntnissen der Prozessanalyse für das Knickbauchen konnte für das Fügen durch Knickbauchen eine anwendungsgerechte Methode entwickelt und durch die Herstellung von Demonstratoren verifiziert werden. Die in der Literatur beschriebenen Verfahrensvarianten wurden zuvor anhand praktischer Versuche überprüft und der vorhandene Wissensstand für unzureichend befunden. Anhand von Bauteilprüfungen mit einer Referenzgeometrie konnten für wichtige statische Lastfälle Verbindungsfestigkeiten ermittelt und hierbei die Einflüsse geometrischer Parameter, insbesondere der Knicklänge bewertet werden. Es traten hierbei starke Abweichungen zwischen experimentellen und numerischen Ergebnissen auf. Als mögliche Ursache konnten charakteristische Risse im Bereich der inneren Überfaltung des Flansches identifiziert werden. Anhand verschiedener metallografischer Untersuchungen konnten erste grundlegende Hinweise auf die Mechanismen der Rissentstehung beim Knickbauchen erlangt werden. Eine umfassende Klärung erfordert jedoch weitere Untersuchungen, so dass sich in diesem Bereich weiterer Forschungsbedarf auftut. Nach umfangreichen dynamischen Bauteilprüfungen konnte für die gewählte Referenzabmessung eine Bauteilwöhlerlinie erstellt werden. Die Ergebnisse liefern bereits wichtige Informationen über verfahrensspezifische Versagensarten sowie für die Demensionierung von Knickbauchverbindungen. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse aus den Kapiteln Prozessanalyse, Verbindungsherstellung und Bauteilqualität wurden abschließende Untersuchungen zur Prozesstechnik durchgeführt. Im Hinblick auf die Anforderungen einer Serienfertigung wurden hierbei praxisrelevante Aspekte für eine industrielle Anwendung des Fügens durch Knickbauchen berücksichtigt. Abgeleitet von der zuvor entwickelten Fügemethode wurde ein Werkzeugkonzept erarbeitet und anschließend in Form eines modifizierten Versuchswerkzeuges umgesetzt. Die Funktionsfähigkeit wurde durch die Herstellung von Demonstratorbauteilen verifiziert. Unter Verwendung der im Rahmen dieser Arbeit eingesetzten Servospindelpressentechnologie konnten geeignete Prozesssteuerungs- und Überwachungsstrategien für das Fügen durch Knickbauchen entwickelt und anhand praktischer Anwendungsbeispiele erprobt werden. Hieraus können außerdem Anforderungen an die beim Fügen durch Knickbauchen eingesetzten Maschinen abgeleitet werden. Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit anhand der mit dem Werkstoff E235+N durchgeführten Untersuchungen zu den folgenden Punkten Ergebnisse erzielt werden: • Geometrische und physikalische Einflussparameter beim Knickbauchen • Verfahrensspezifischen Form- und Maßabweichungen • Prozessgrenzen beim Knickbauchen • Prozesskräfte beim Knickbauchen • Sensitivitätsanalyse anhand der Haupteinflussparameter • Methodenentwicklung für das Fügen durch Knickbauchen • Statische und dynamische Verbindungsfestigkeiten • Charakteristische Schädigungs- und Versagensarten • Mechanismen der Rissentstehung • Anforderungen an Werkzeuge und Anlagen beim Fügen durch Knickbauchen • Möglichkeiten der Prozesssteuerung und -überwachung • Herstellung von Demonstratoren und Prototypen aus verschiedenen Anwendungsbereichen und Industriezweigen In Anbetracht des bislang geringen Wissensstandes konnten durch die erlangten Erkenntnisse somit wichtige Grundlagen für die industrielle Nutzung des Fügens durch Knickbauchen geschaffen werden. Vor dem Hintergrund des großen Anwendungspotentials ergibt sich jedoch weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf für dieses Verfahren. Das gilt insbesondere für Verbindungsfestigkeiten und mögliche Versagensarten, wofür in dieser Arbeit aufgrund des sehr hohen experimentellen Aufwands lediglich Grundlagen geschaffen werden konnten. Ein großer Nutzen könnte in diesem Zusammenhang durch systematische Untersuchungen zu den bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen wirksamen bruchmechanischen Mechanismen erzielt werden. Inhalte zukünftiger Arbeiten könnten außerdem Untersuchungen zur Eignung weiterer Werkstoffe sein. Im Zuge eines anhaltenden Leichtbautrends sind hierbei vorrangig hochfeste Aluminium- und Stahlwerkstoffe zu nennen. Weiteres Optimierungspotential könnte durch partielle Wärmeeinbringung ausgeschöpft werden. Durch eine gezielte Erhöhung des Formänderungsvermögens könnten Prozessgrenzen erweitert und der Entstehung von Rissen entgegengewirkt werden. Die Herstellung komplexerer Geometrien, wie zum Beispiel Rohr-Profil-Verbindungen, wäre als weiteres Untersuchungsfeld zu nennen. Weniger zeigen

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Produktinformationen

Technische Daten

Erscheinungsdatum

15.12.2014

Sprache

Deutsch

EAN

9783866246164

Herausgeber

Winter Industries

Serien- oder Bandtitel

Forschungsberichte Leichtbau

Sonderedition

Nein

Autor

Philip Grützner

Seitenanzahl

172

Einbandart

Unbekannter Einband

Einbandart Details

Klebebindung

Warnhinweise und Sicherheitsinformationen

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