Knickbauchen – ein Fügeverfahren mit großen Perspektiven

Der Einsatz von Werkstoffen mit höherer Festigkeit stellt die Fügetechnik, besonders in der Automobilindustrie, jedoch auch in anderen Industriezweigen, vor große Herausforderungen. Die Kombination verschiedener Materialien und Blechdicken gewinnt dabei zunehmend an Bedeutung. Eine entscheidende Voraussetzung ist in diesem Zusammenhang die sichere Beherrschung der angewandten Fügeverfahren und -prozesse. Das Fügen von Baustählen und insbesondere höher- und höchstfesten Stählen ist mit Hilfe konventioneller Schmelzschweißverfahren nur unter Inkaufnahme von Festigkeitsverlusten, erhöhter Verzugsneigung und Rissanfälligkeit möglich. Beim Verbinden von Rohren oder Profilen mit Blechen kann in diesen Fällen alternativ das Knickbauchen als umformtechnisches Fügeverfahren genutzt werden. Abgesehen von Hinweisen zur prinzipiellen Verfahrensdurchführung liegen zum Knickbauchen oder ähnlichen Verfahren bislang allerdings keine systematisch erarbeiteten wissenschaftlichen Erkenntnisse vor. Hinsichtlich optimaler Prozessparameter, Verfahrensgrenzen, Werkzeugauslegung und Prozessführung bestehen große Defizite und Kenntnislücken. Es bestehen ferner keinerlei Berechnungsgrundlagen für die Dimensionierung und Belastbarkeit entsprechender Fügeverbindungen, so dass im Anwendungsfall jeweils umfangreiche und kostenintensive Bauteilprüfungen erforderlich sind.

17. Januar 2013

Aufgrund der bestehenden Defizite und des großen Anwendungspotenziales in verschiedenen Industriezweigen wurde vom Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung (Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger) der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus und dem Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens) der Leibniz Universität Hannover ein von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördertes Forschungsvorhaben zum Thema „Fügen durch Knickbauchen“ initiiert. Im Rahmen des zweijährigen Projektes werden umfangreiche Untersuchungen zum Fügen durch Knickbauchen durchgeführt und somit eine fundierte Grundlage für eine breite industrielle Anwendung des Verfahrens geschaffen. Im projektbegleitenden Ausschuss befinden sich neben renommierten Großunternehmen wie GMF Umformtechnik, Vallourec-Mannesmann, Faurecia und Hydro auch KMUs aus den Bereichen Werkzeugbau, Pressenbau, Anlagenbau, Rohrendenumformung und Gerüstbau.

Das Verfahrensprinzip und seine Vor- und Nachteile

Beim Knickbauchen wird im allgemeinen ein rotationssymmetrisches Bauteil, zum Beispiel ein Rohrabschnitt oder ein tiefgezogener Napf, an der Ausbauchstelle tangential gedehnt. Je nach Wandstärke, Durchmesser und spezifischen Bauteilanforderungen, kann ein Innenstempel zur Abstützung der nicht umzuformenden Bereiche eingesetzt werden. Das Fügen durch Knickbauchen dient der Verbindung eines Hohlkörpers, in der Regel eines Rohrabschnittes, mit einem Blechteil. Dabei wird der Hohlkörper in das Loch des Bleches gesteckt und durch Knickbauchen derart geweitet, dass eine unlösbare Fügeverbindung entsteht. Der Fügeprozess erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird das Rohrstück so umgeformt, dass eine Stützkante für das Blech in Form eines umlaufenden Bundes (Flansches) rund um das Rohr entsteht. Das Blech wird darauf positioniert und das Rohrstück im zweiten Schritt so umgeformt, dass das dieses zwischen zwei Wulsten befestigt wird.

Eine solche Verbindung kann auch durch Schweißen, unter Verwendung von Kehlnähten realisiert werden. Im Gegensatz zum Schweißen treten beim „Fügen durch Knickbauchen“ keine durch Wärmeeinbringung hervorgerufenen Materialeigenschaftsänderungen sowie Eigenspannungen oder Verzüge auf.

Durch den Einsatz dieses umformtechnischen Fügeverfahrens ergeben sich jedoch noch weitere entscheidende Vorteile. Im Vergleich zum Schweißen können erreichbare Taktzeiten erheblich reduziert sowie die teilweise durch Zunderbildung hervorgerufenen Beschichtungsprobleme vermieden werden. Bei der Verarbeitung nichtrostender Stähle entfällt die zeit- und kostenintensive Oberflächen-Nachbearbeitung. Darüber hinaus ist die Verarbeitung vorbeschichteter Bleche, Rohre oder Profile mit Hilfe dieses Verfahrens möglich. Thermische Fügeverfahren hingegen lassen den Einsatz beschichteter Werkstoffe entweder gar nicht zu oder haben einen erheblichen Vor- und Nachbereitungsaufwand zur Folge. Der Energiebedarf ist im Gegensatz zum Schweißen ebenfalls sehr gering. Des weiteren ist die Herstellung von Mischverbindungen, die vor allem bei Leichtbaustrukturen häufig zur Anwendung kommen, unter Beachtung der hierbei erforderlichen Maßnahmen gegen Korrosion, problemlos möglich. Dabei sind nicht nur Metall-Metall- sondern auch Metall-Kunststoff-Verbindungen realisierbar.

Anwendungsbeispiele

Potentielle Anwendungen für das Fügen durch Knickbauchen finden sich in vielen Bereichen der metallverarbeitenden Industrie. Zu nennen sind hier beispielsweise Axialkompensatoren zum Ausgleich thermischer Längenausdehnungen in Rohrleitungen, Flanschverbindungen aus der Sanitärtechnik, Sitzverstellungen in Autositzen oder Leitern im Bereich des Metall- und Gerüstbaus. Die bisher bekannten Verbindungen werden jedoch meist auf der Grundlage von Erfahrungswerten und experimentellen Untersuchungen ausgelegt.

Der Einsatz des Knickbauchens stellt nicht nur eine gleichwertige Alternative zu konventionellen Fügeverbindungen dar, sondern kann in bestimmten Fällen sogar gleichzeitig technologische und wirtschaftliche Vorteile generieren. Beispiele hierfür finden sich bei der Fertigung von Lagersitzen in Fahrwerkskomponenten. Da ein anhaltend starker Trend zu höher- und höchstfesten Stählen im Fahrwerksbereich hier neue Lösungen ohne Wärmeeinbringung erfordert, stellt das „Fügen durch Knickbauchen“ in diesem Bereich eine besonders sinnvolle Alternative dar.

Im Maschinenbau kann das Fügen durch Knickbauchen zum Beispiel beim Fixieren von Kugellagern genutzt werden und dadurch Nutmuttern und andere, kostenintensivere Lösungen ersetzen. Obwohl mit dem Bördeln oder Rollieren in diesem Bereich bereits die Anwendung umformtechnischer Fügeverfahren möglich ist, treten auch hier entscheidende Nachteile gegenüber dem Knickbauchen auf. Aus Vorversuchen für einen führenden Hersteller von Lenkgetrieben hat sich ergeben, dass die von einer Knickbauchverbindung übertragbaren Axialkräfte erheblich größer sind als die einer gebördelten Verbindung. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus den deutlich kürzeren Prozesszeiten.

Im Gerüstbau finden sich ebenso zahlreiche und erfolgversprechende Anwendungen für das Fügen durch Knickbauchen. Auch hier wurden bereits in Zusammenarbeit mit einem renommierten Hersteller aus diesem Bereich Voruntersuchungen durchgeführt. Unter bestimmten Voraussetzungen ist sogar das Verbinden von Rohren und Profilen möglich, was anhand eines Demonstrators bereits nachgewiesen wurde. Im Vergleich zum Schweißen ergeben sich auch hier sowohl wirtschaftliche als auch technologische Vorteile. Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang der Einsatz verzinkter Halbzeuge und somit die Einsparung nachgeschalteter Beschichtungsprozesse.

Fortschritt des Projektes

Das angestrebte Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung einer breiten Wissensbasis für die industrielle Umsetzung des Fügens durch Knickbauchen und die Erbringung des Nachweises der wirtschaftlichen Anwendbarkeit in verschiedenen Industriezweigen.

Zur Erlangung erster Erkenntnisse hinsichtlich einer geeigneten Werkzeuggestaltung und der zu er-wartenden Presskräfte wurden axialsymmetrische Modelle unter Verwendung von Abaqus/CAE für Rohre mit einem Nennaußendurchmesser von 45 mm und einer Nennwanddicke von 2 mm aufgebaut.

Für die Berechnungen mittels der oben erwähnten Simulationssoftware wurden Fließkurven an einer Universalprüfmaschine Zwick 1486 aufgenommen. Somit konnte das plastische Werkstoffverhalten der Rohre aus E235+N charakterisiert werden und die ermittelten Kennwerte für die Simulation erfolgreich eingesetzt werden.

Der Werkstoff hat eine ausgeprägte Streckgrenze (Abbildung 4 rechts) und weist eine gute Dehnbarkeit sowie eine moderate Verfestigung auf. Die Fließkurve wurde bis zur Gleichmaßdehnung ermittelt, was einem Umformgrad von ca. 0,25 entspricht. Üblicherweise werden in Umformprozessen plastische Formänderungen erreicht, die weitaus größer ausfallen als jene, die die bis zur Gleichmaßdehnung in Zug- oder Druckversuchen messtechnisch erfasst werden können. Vor diesem Hintergrund wurden verschiedene Extrapolationsansätze hinsichtlich ihrer Tauglichkeit im Zuge numerischer Untersuchungen für den eingesetzten Rohrwerkstoff S235+N geprüft. Als mögliche Ansätze wurden hierzu zunächst analytische Ansätze nach Ludwik, Swift, Gosh, Voce und Hockett-Sherby ausgewählt. Hieraus ergab sich, dass der Ansatz nach Gosh für die weiteren Untersuchungen als geeignet erscheint. Die Ergebnisse der numerischen Untersuchungen zeigen, dass beim Knickbauchen maximale Vergleichsumformgrade bis jvM = 1,75 auftreten können. Bezogen auf den einachsigen Spannungszustand entspricht das hier logarithmischen Formänderungen bis ? = 5. Daher wurden die Fließkurven entsprechend weit extrapoliert.

Zur Validierung des FE-Modells wurden Knickversuche an einem Rohr der Abmessung 45x2 und der Güte E235+N nach EN 10305-1 durchgeführt. Die hierfür verwendete Versuchsanlage besteht aus einer Servospindelpresse UFM 300 von Promess, die über eine Nennpresskraft von 300 kN und eine maximale Verfahrgeschwindigkeit von 150 mm/s verfügt.

Als Kriterium für die Realitätsnähe der numerischen Berechnungen wurde die Stempelkraft in Abhängigkeit des Stempelweges herangezogen. Die Kraft-Weg-Verläufe in Abbildung 7 zeigen eine sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse. Die Abbildung zeigt, dass die exemplarisch gezeigten Messergebnisse in einem 5-%-Vertrauenskorridor um den berechneten Kraft-Weg-Verlauf liegen. Lediglich zu Beginn der Umformung, zu dem die ausgeprägte Streckgrenze des Werkstoffes zum Tragen kommt, treten erkennbare Abweichungen auf, da in diesem Bereich die messtechnisch erfasste Fließkurve durch analytische Ansätze nicht abzubilden ist. Hinsichtlich des Gesamtergebnisses sind diese Abweichungen jedoch von untergeordneter Bedeutung.

Neben dem Stempelkraftverlauf während des Knickbauchens sind die resultierenden Formänderungen für eine Beurteilung der Realitätsnähe einer numerischen Simulation von Bedeutung. Als Vergleichsgrundlage wurde die Außenkontur des ausgeknickten Rohrabschnittes Messdaten gegenübergestellt.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Ergebnisse der bisher erfolgten Untersuchungen liefern eine sehr gute Korrelation der simulativ und experimentell ermittelten Kraft-Weg-Verläufe sowie der optisch vermessenen und numerisch bestimmten Bauteil-Konturen. Dies wiederum zeigt, dass die angewandten Methoden zur Bestimmung der Werkstoffkennwerte sowie der realisierte Versuchsaufbau für den weiteren Verlauf des Projektes als geeignet angesehen werden können. Auch die Eignung des FE-Modelles konnte sowohl hinsichtlich der erzielten Ergebnisse als auch der Wirtschaftlichkeit der Berechnungszeiten nachgewiesen werden.

Nach der Validierung des FE-Modelles und des gewählten Extrapolationsansatzes anhand des Werkstoffes E 235+N erfolgen nun weiterführende Untersuchungen für die Werkstoffe E 235+C sowie für den hochfesten Stahlwerkstoff S770 G1 QL und die Aluminium-Legierung Al Mg3 Mn. Auf Basis dieser Ergebnisse werden im Anschluss umfangreiche Versuchsreihen und FE-Rechnungen zum Knickbauchen und Fügen durch Knickbauchen durchgeführt.

Für den Anwender sind dabei sowohl geometrische und physikalische Größen des Prozesses, als auch die Informationen zu übertragbaren Kräften und Momenten wichtig. Ein weiteres Interesse besteht außerdem an der Ermittlung erreichbarer Zeit- und Dauerfestigkeiten und Lebensdauern. Hinzu kommen zahlreiche weitere Fragen wie Anforderungen an die Qualität der Fügepartner, Korrosionsanfälligkeit etc. Aufbauend auf den bisherigen theoretischen Ergebnissen sowie den durchgeführten Grundlagenuntersuchungen wird daher im weiteren Verlauf des Projektes anhand experimenteller Untersuchungen und numerischer Simulationen ein umfassendes Prozessverständnis erarbeitet. Dabei sollen geometrie- und werkstoffabhängige Verfahrensgrenzen, umsetzbare Geometrien und optimale Prozessparameter ermittelt werden. Die Gebrauchstauglichkeit wird durch Anwenderfirmen aus der Automobilindustrie, dem Maschinenbau und dem Metall-/Gerüstbau im praxisnahen Einsatz überprüft.

Die Ergebnisse dieses Vorhabens sollen eine Basis für die industrielle Umsetzung des Fügens durch Knickbauchen schaffen, zu einer Erweiterung des Anwendungsspektrums führen sowie zur weiteren Verbreitung mechanischer Fügeverfahren beitragen. Interessierte Anwender können sich jederzeit mit den beiden Forschungsstellen oder dem PbA in Verbindung setzen oder sich im Internet auf den entsprechenden Projektseiten der Forschungsstellen über den aktuellen Stand des Projektes informieren.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben 17312 BG der Forschungsvereinigung Europäische Forschungsgesellschaft für Blechbearbeitung e. V. – EFB, Lothringer Straße 1, 30559 Hannover wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung, BTU Cottbus

Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger

Dr.-Ing. Alexander Sviridov

Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover

Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens

Dr.-Ing. Matthias Kammler

Dipl.-Ing. Amer Almohallami

Promess Gesellschaft für Montage- und Prüfsysteme mbH, Berlin

Dipl.-Ing. Philip Grützner

Literaturverzeichnis

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/3/ Doege, E.; Behrens B.-A.: Handbuch Umformtechnik. Grundlagen, Technologien, Maschinen, Springer Verlag, ISBN 3-540-23441-1, 2007

/4/ DIN 8584-6: Fertigungsverfahren Zugdruckumformen – Knickbauchen

/5/ DIN 8593-5: Fertigungsverfahren Fügen – Fügen durch Umformen

/6/ Lange, K.: Umformtechnik: Handbuch für Industrie und Wissenschaft, Springer Verlag, Bd. 1: Grundlagen. 2. Auflage, ISBN: 3-540-13249-X, 1984

/7/ Al-Ahmad, N.: Das Fügen rotationssymmetrischer Formenelemente durch Umformen mit Impulsmagnetfeldern, Dissertation, Ingenieurschule Zwickau, 1980

/8/ Sweeney, K.: Electromagnetic Joining of Al Structures. Recent Developments in Metal Forming Technology ECR/NSM, Ohio, USA, 2002

/9/ Marré, M., et al.: Umformtechnisches Fügen. Fortschrittbericht VDI, Reihe 2, Nr. 661, VDI-Verlag, Düsseldorf, 215-245, 2007

/10/ Hagedorn, M; Weinert, K.: Lightweight composite workpieces with rolling tools. Journal of Material Processing Technology, 153-154, 323-329, 2004

/11/ Stoiljkovic, V.: Fertigen von Kompensatoren unter Flüssigkeitsdruck. Bänder Bleche Rohre 4, 98-100, 1985

/11/ The Mechanical Equation of State; J. Hollomon, Transactions AIME, 171, 1947, S. 535

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/13/ Ermittlung von Fließwiderstandskurven bei großen Formänderungen für die Blechumformsimulation; H. Gese, S. Keller, V. Yeliseyev, H. Dell, Kennwertermittlung für die Praxis (Hrsg.: H. Frenz, A. Wehrstedt). Tagungsband Werkstoffprüfung 2002, Wiley-VCH, 2003, S. 242-249