Geteilte Werkzeuge verbinden besser

Verbesserte Prozesseigenschaften beim Vollstanznieten von Mischverbindungen durch zweiteilige Matrizen

04. Dezember 2009

Gewichtsreduktion und ressourceneffiziente Fertigung sind aktuelle Zielsetzungen, um am Markt bestehen zu können. Die Realisierung dieser Ansprüche im Karosseriebau wird durch eine konsequente Umsetzung des Mischbaugedankens erzielt. Dabei werden verschiedenste Stahl-, Aluminium- und mitunter auch Magnesiumlegierungen sowie Faserverbundwerkstoffe entsprechend der strukturellen Beanspruchungen der Bauteile und der spezifischen Werkstoffeigenschaften eingesetzt. Das Verbinden von Bauteilen aus unterschiedlichsten Werkstoffen stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Hier können die mechanischen Fügeverfahren ihre Stärke – das Fügen ohne Wärmeeintrag – ausspielen. Die stetige Neu- und Weiterentwicklung dieser Gruppe von Fügeverfahren ist deshalb für die Herstellung moderner industrieller Produkte unentbehrlich.

Vollstanznieten – produktiv und optisch anspruchsvoll

Das Vollstanznieten ist ein bewährtes, mechanisches Fügeverfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Blechteilen. Es zeichnet sich gegenüber anderen Umformfügeverfahren vor allem durch Fügestellen ohne störende geometrische Überstände aus. Der erste Prozessschritt bei der Verbindungsherstellung ist das Lochen der zu verbindenden Bleche, wobei der Niet als Schneidstempel fungiert. Anschließend erfolgt die formschlüssige Verbindungsausbildung, indem der matrizenseitige Werkstoff durch einen Prägering auf der Matrize in die Schaftnut des Nietes gestaucht wird (vgl. Abbildung 1, oben). Dabei ist sicherzustellen, dass das Einformen des Werkstoffs in die Schaftnut des Nietes erst dann erfolgt, wenn der Lochvorgang abgeschlossen ist. Bei hinsichtlich Blechdicke und Werkstofffestigkeit stark variierenden Fügeaufgaben bedarf es deshalb zur Realisierung jeweils optimaler Prozessparameter einer entsprechenden Dimensionierung des Prägeringes. Diese eingeschränkte Universalität führt zu erhöhten Kosten bei der Werkzeugauswahl, der Werkzeugvorhaltung und dem Werkzeugwechsel. Vor allem bei Mischverbindungen mit matrizenseitig weichem Werkstoff müssen zur Vermeidung des vorzeitigen Prägens sehr große Prägeringbreiten verwendet werden, was zu größeren Fügekräften führt. Einen weiteren Optimierungsbedarf bei der konventionellen Matrizenform stellt die globale Bauteildeformation (Spaltbildung zwischen den Blechen) dar. Ursache dafür sind die wirkenden Momente am Außendurchmesser des Prägeringes während des Fügevorganges.

Geteilte Vollstanznietmatrize – so funktioniert’s

Die aufgezeigten, begrenzten Prozesseigenschaften des Vollstanznietens von Mischverbindungen mit konventionellen Nietmatrizen können durch Einsatz einer geteilten Matrize deutlich erweitert werden. In einem durch die AiF geförderten Forschungsprojekt wurde am Fraunhoferinstitut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik in Dresden die Arbeitsweise von geteilten Matrizen beim Vollstanznieten untersucht und ihre universelle Eignung zum Verbinden verschiedenartiger Fügepartner nachgewiesen. Das Prinzip der geteilten Matrize beruht auf der Auflösung von Lochmatrize und Prägering. In der Phase des Lochens befinden sich Prägering- und Matrizenringfläche in einer Ebene. Ein vorzeitiges Eindrücken des Prägeringes in das Blech während des Lochvorgangs ist somit ausgeschlossen. Erst nachdem der Niet die zu verbindenden Bleche gelocht hat, wird der Prägering in der Matrize angehoben (vgl. Abbildung 1, unten). Somit ist im Idealfall, unabhängig von der Dicke und der Festigkeit der zu verbindenden Werkstücke, eine einzige Prägeringbreite und damit nur ein Werkzeug notwendig.

Im Forschungsprojekt wurden zwei unterschiedliche Prinzipe der geteilten Matrize untersucht. Bei der Keilschiebermatrize (Abbildung 2, links) erfolgt eine axialer Verschiebung des Matrizenringes durch eine zusätzliche gesteuerte Achse. Nach erfolgtem Lochen bei ebener Anordnung der beiden Matrizenteile wird der Matrizenring im entlasteten Zustand abgesenkt. Die erneute Belastung realisiert das Eindrücken des nun über die Matrizenringebene hervorstehenden Prägeringes in das matrizenseitige Blech. Die Federmatrize (Abbildung 2, rechts) realisiert die Ebenheit der beiden Matrizenteile während des Lochens mittels eines durch Federn gespannten Matrizenringes. Bei weiterer Zustellung des Nietstempels erfolgt das Einformen des Prägeringes in das Blech bei Überwindung der Matrizenring-Federkraft.

Vorzüge der zweiteiligen Matrize

Beide geteilt ausgeführten Matrizenformen erweitern das Prozessfenster beim Vollstanznieten. Dabei können alle mittels starrer Matrize fügbaren Verbindungen auch mit den geteilten Matrizen bei gleicher Festigkeitsperformance erzeugt werden. Durch die Realisierung kleinerer Prägeringbreiten können bei Mischverbindungen mit matrizenseitiger Anordnung der weicheren Werkstoffe deutliche Fügekraftreduzierungen im Vergleich zur starren Matrize realisiert werden. Die Krafteinsparung steigt mit wachsendem Zugfestigkeitsverhältnis (Rm,Oberblech / Rm, Unterblech) und beträgt bei der Keilschiebermatrize bis zu 35%. Aufgrund der zusätzlichen Überwindung der Federkraft ist das Potential zur Fügekraftreduzierung bei der Federmatrize geringer (Abbildung). Die klaren Vorzüge der Federmatrize zeigen sich in der Qualität der geometrischen Ausbildung der Fügeverbindung, da bei dieser Werkzeugform die Momentenwirkung auf die Bleche während des kompletten Fügevorganges unterdrückt wird. Somit können Taschenbildungen zwischen zwei Fügepunkten bei Verwendung der Federmatrize nahezu eliminiert werden. (Abbildung) Der gemeinsame Vorzug der neuen Matrizenarten ist ihre universelle Einsetzbarkeit für verschiedene Fügeaufgaben. Es ergeben sich somit wesentlich günstigere technologische Bedingungen und erweiterte Anwendungsbereiche für das Vollstanznieten.

Für viele Verbindungsaufgaben ist das Vollstanznieten längst nicht mehr nur eine alternative Technologie. Durch die Modifikation der Matrize und die im Zusammenwirken mit Mehrbereichsnieten erzielbare Universalität beim Verbinden von Werkstoffen verschiedener Festigkeit und Blechdicke weist das Vollstanznieten ein enormes Potential auf. Im Zuge der derzeitigen Entwicklungen des Leichtbaus im Werkstoffmix wird diesem Fügeverfahren deshalb eine weiter wachsende Bedeutung zukommen.