Zur Herstellung wirtschaftlicher Verbindungen in Blechkonstruktionen mit geringen Blechdicken werden häufig mechanisch gefügte Funktionselemente eingesetzt. Diese Verbindungselemente werden ohne Vorloch in Trägerbauteile integriert und ermöglichen eine flexible und effiziente Montage. Trotz der Vorteile, wie der Vermeidung von thermischen Verformungen, wird das Bauteil durch das Einbringen des Elementes gekerbt und die Ermüdungsfestigkeit herabgesetzt. Zur Schwingfestigkeit von stanzenden Funktionselementen sind in der wissenschaftlichen Literatur bislang nur unzureichende Erkenntnisse dokumentiert. Im vorliegenden Beitrag werden daher experimentelle Untersuchungen an gestanzten Funktionselementen sowohl im statischen als auch im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich behandelt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz von Stanzmuttern sowohl die maximale Bruchlast als auch die Ermüdungsfestigkeit im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich im Vergleich zu gelochten Bauteilen deutlich erhöht werden.
Hinweise
Hinweis des Verlags
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
1 Einleitung
Für Blechkonstruktionen mit Blechdicken im Bereich zwischen t = 1 mm bis t = 4 mm stellen lösbare, tragfähige und wirtschaftlich herstellbare Verbindungen eine ingenieurtechnische Herausforderung dar. Eine technische Lösungsvariante sind mechanisch gefügte Funktionselemente, deren Einteilung und Verarbeitungsprinzipen in den Merkblättern 3440‑1 bis -3 [1‐3] vorgestellt werden. Funktionselemente sind definitionsgemäß überwiegend Gewindeträger, welche die Funktion einer Mutter bzw. eines Bolzens erfüllen. Im Folgenden werden ausschließlich Mutternelemente betrachtet, die zunächst umformtechnisch in ein Trägerbauteil aus metallischem Blech eingebracht und später mit einseitiger Zugänglichkeit verschraubt werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Veröffentlichung wird die stanzende Pressmutter, hier vereinfachend Stanzmutter genannt, herangezogen. Deren umformtechnische Einbringung ist anhand des Verfahrensablaufes in der Abb. 1 dargestellt. Durch den Verfahrensablauf, welcher ohne Vorloch im Bauteil erfolgt, wird die Namensgebung und Klassifizierung der Mutter vorgenommen.
Abb. 1
Verfahrensablauf zur Einbringung der stanzenden Pressmutter in ein Trägerbauteil [2]
Eine wesentliche Charakteristik der stanzenden Mutter besteht im fertigungstechnischen Vorteil ohne Vorloch im Trägerbauteil auszukommen. Das Lochen des Trägerbauteils erfolgt durch ein Scherschneiden mithilfe der hierfür konzipierten Geometrie des Befestigungsabschnitts der Mutter (Abb. 1 – Schritt 2). Nachdem das Lochen abgeschlossen ist, wird durch ein weiteres Pressen der umgeformte Blechabschnitt weiter in den Befestigungsabschnitt der Mutter verprägt sowie der Stanzbutzen abgeführt (Abb. 1 – Schritt 3). Abschließend liegt eine umformtechnisch hergestellt Verbindung zwischen Mutter und Blechbauteil vor, welche durch ein Gewinde mit festgelegter Festigkeitsklasse entsprechend der Vorgaben der DIN EN ISO 898‑2 [4], was eine hochfest vorgespannte Verschraubung eines Anbauteils an die Blechstruktur ermöglicht. Die Vorteile der Stanzmutter liegen in einer flexiblen Positionierung bei gleichzeitiger Spanfreiheit sowie dem im Vergleich zu thermischen Verfahren sehr geringen Wärmeeintrag. Thermisch bedingte Blechverformungen und Gefügeänderungen sind damit ausgeschlossen. Im Vergleich zu den konkurrierenden Schweißmuttern [5‐7] ist nachteilig zu bewerten, dass keine rechnerischen Festigkeitsnachweise ermüdungsbeanspruchter Stanzmuttern existieren. Unweigerlich wird infolge des Verfahrensablaufes das Trägerbauteil gekerbt. Durch die Kerbwirkung wird die Ermüdungsfestigkeit des Trägerbauteils potenziell herabgesetzt [8]. Eine rechnerische Bewertung der Ermüdungsfestigkeit ist bisher nicht möglich und auch experimentell sind bislang kaum Ermüdungswiderstände für Kerbdetails mit Stanzmuttern bekannt.
2 Motivation und Problemstellung
Neben der zuvor beschriebenen Unkenntnis über den Ermüdungswiderstand für Kerbdetails mit Stanzmuttern sowie dem Mangel an geeigneten Formaten des Festigkeitsnachweises, denen übergeordnet im IGF-Forschungsvorhaben unter dem Förderkennzeichen 01IF22417N [9] begegnet wird, soll eine zusätzliche Motivation aus der Anwendungspraxis dargelegt werden.
Im Verfahrensablauf der Abb. 1 wird im Schritt 2 verdeutlicht, wie die Stanzmutter ihr Loch mittels Scherschneiden ins Trägerbauteil einbringt. Dies stellt den Regelfall dar. In Abb. 2 ist ein Blechbauteil des Türinnenbereiches im Automobilrohbau illustriert. In das Blechbauteil ist eine Stanzmutter eingebracht (orange). In Abb. 2 sind im Blechbauteil weiterhin mehrere Vorlöcher (blau) erkennbar. Aus wirtschaftlichen oder fertigungstechnischen Gründen kommen in der betrieblichen Praxis auch stanzende Pressmuttern zum Einsatz, die in ein bereits vorhandenes Durchgangsloch (Vorloch) eingebracht werden.
Hierfür können vielfältige Gründe vorliegen, von denen repräsentativ folgende angeführt werden. Mitunter wird die Sortenreinheit der Funktionselemente gefordert, um die Teilevielfalt oder die Anzahl der Zuführeinrichtungen zu begrenzen. Zudem bedarf der wirtschaftliche Einsatz der Funktionselemente entsprechende Mindestmengen, sodass andere, vereinzelte Funktionselemente aufgrund ihrer Verarbeitungsmenge nicht in Frage kommen. Hinzu kommen Anpassungskonstruktionen mit modifizierten konstruktiven oder werkstofflichen Randbedingungen, welche den ursprünglichen Verfahrensablauf inklusive Stanzen nicht mehr zulassen oder benötigen.
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Der Verfahrensablauf lässt dann grundsätzlich das Einbringen stanzender Pressmuttern in gelochte Bauteile zu. Die form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen Trägerbauteil und Stanzmutter kommt erst mit dem Pressen sowie dem resultierenden Verprägen des Trägerbauteilwerkstoffes in den Hinterschnitt des Befestigungsabschnittes zu Stande. Bisher ist fraglich, ob eine derart hergestellte Verbindung die gleichen Tragfähigkeiten zwischen Trägerbauteil und Stanzmutter aufweist wie eine vergleichbare Verbindung die im ursprünglichen Verfahrensablauf, also ohne Vorloch, gefertigt wurde. Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Konfigurationen besteht in der Herstellung des Durchgangsloches. Wie dargestellt, wird das Durchgangsloch im ursprünglichen Verfahrensablauf durch den Befestigungsabschnitt der stanzenden Pressmutter geschnitten (Abb. 1 – Schritt 2). Liegt das Durchgangsloch bereits vor, darf davon ausgegangen werden, dass dieses durch einen separaten Scherschneidprozess mit eigenem Schneidstempel ins Trägerbauteil eingebracht wurde. Ob sich ein experimenteller Unterschied zwischen den Tragfähigkeiten beider Ausführungen nachweisen lässt, ist Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen. Eine vergleichende Tragfähigkeitsbewertung soll hierbei einerseits anhand des auftretenden Anrisses bzw. Versagensmechanismus erfolgen. Insofern möglich, sollen andererseits die erreichten statischen Tragfähigkeiten und Schwingfestigkeiten quantitativ eingeordnet werden. Für einen zukünftigen geschlossenen Festigkeitsnachweis spielt die Prognose des Anrissortes eine zentrale Rolle. Es besteht jedoch noch keine Gewissheit darüber, ob sich die aus [10] bekannten Anrissorte auch für Stanzelemente bestätigen.
3 Stand der Technik
Funktionselemente sind mechanische Verbindungselemente, die durch Umformen in ein Bauteil eingebracht werden. Damit zählt die Verbindung von Funktionselementen mit einem Trägerbauteil zum umformtechnischen Fügen, bzw. dem Fügen durch Umformen entsprechend der Einteilung der DIN 8593‑5 [10]. Eine Einteilung der Funktionselemente kann mit Hilfe des Merkblattes EFB 3440‑1 [1] vorgenommen werden. Entsprechend des Merkblattes EFB 3440‑1 [1] werden die Funktionselemente meist nach der umformtechnischen Fügeoperation eingeteilt. Dafür werden im Merkblatt EFB 3440‑2 [2] Stanz‑, Niet- und Presselemente und im EFB 3440‑3 [3] Blindnietmuttern und -gewindebolzen genauer erläutert. Das im Rahmen dieser Publikation verwendete Funktionselement wird darin als stanzende Pressmutter definiert, in der Literatur jedoch häufig auch als Stanzmutter bezeichnet.
In den meisten Fällen handelt es sich bei Funktionselementen um Gewindeträger, die nach dem Einbringen in ein Werkstück, ein metrisches ISO-Gewinde entsprechend der DIN 13‑1 [11] für die Nutzung als Mutter, oder Bolzen bereitstellen. Abb. 3 zeigt die Gestalt eines Funktionselementes am Beispiel eines Nietbolzens [1].
Abb. 3
Allgemeine Bezeichnung an einem Funktionselement (a) (hier: stanzender Nietbolzen), einem umformtechnisch gefügtem Funktionselement (b) und einer montierten Baugruppe (c) [1]
Der Funktionsabschnitt dient der formschlüssigen Befestigung eines Anbauteils. Beispielhafte Ausführungen sind Innen- und Außengewinde, Haken oder Kugelbolzen [2]. Die umformtechnische Fügung des Funktionselementes im Trägerbauteil wird über den Befestigungsabschnitt realisiert. Mit diesem wird das Funktionselement kraft- und formschlüssig im Trägerbauteil fixiert. Nach dem Einbringen des Funktionselementes beschreibt der Befestigungsbereich die Fügezone und damit sowohl den Befestigungsabschnitt des Funktionselementes als auch den Trägerbauteilabschnitt, welcher den infolge des Prozessablaufes verformten Bereichs des Trägerbauteils darstellt. Der Befestigungsbereich ist in Folge der Umformung durch eine Kaltverfestigung und somit durch inhomogene Werkstoffeigenschaften gekennzeichnet [12].
In Abb. 4 sind die geometrischen Merkmale einer stanzenden Pressmutter mit metrischem ISO-Gewinde dargestellt. Diese verfügt über den Stanzbund und den Außenkragen, zwischen denen sich eine umlaufende Ringnut befindet, in welche der Trägerbauteilabschnitt während des Verfahrensablaufs eingepresst wird. Innerhalb der Ringnut befinden sich Verdrehmerkmale, hier als Rippen ausgeführt, die für die Aufnahme des Montagedrehmomentes sorgen und der Verdrehsicherung im Trägerbauteil dienen [2].
Die Verbindungsfestigkeit des Funktionselementes im Bauteil ist eine wichtige Eigenschaft und wird durch den Befestigungsbereich bestimmt. Allerdings gibt es für die Bewertung des Befestigungsbereichs keine einheitlichen geometrischen Qualitätsmerkmale [15, 16]. Makroskopische Schliffbilder können jedoch zur Bewertung des Befestigungsbereiches genutzt werden, wie bereits in [16‐18] durchgeführt [19]. Diese können zudem dem Abgleich mit einer Umformsimulation dienen [17, 18]. In Untersuchungen von Weiss [16] konnten die Hinterschnitte, welche beim Einformen des Trägerbauteils in die Ringnut an der Unterseite einer Stanzmutter entstehen, als wichtiger Parameter der Verbindungsfestigkeit identifiziert werden. Auch Untersuchungen von Meschut et al. [20] und Tofall et al. [21] bezeichnen die Hinterschneidungen als verbindungscharakterisierend. In [20] wurden auch Makroschliffe zum Vermessen dieser Parameter angefertigt. Nach [22] zeigen auch Analogien zum Clinchen, wo der Hinterschnitt ebenfalls verbindungscharakterisierend ist. Ferner identifiziert [21] die Trägerbauteilfestigkeit, -dicke und Prozessparameter, wie Presskraft und Matrizengeometrie, als einflussnehmend auf die Ausbildung der Hinterschnitte. So können in [15, 16, 23] Korrelationen zwischen Werkstofffestigkeit des Trägerbauteils und der Verbindungsfestigkeit, zwischen Trägerbauteildicke und Verdrehsicherheit, zwischen der Eindringtiefe der Verdrehmerkmale in den Trägerbauteilabschnitt und der Verdrehsicherheit, sowie der Hinterschnittfüllung und der Auspresstragfähigkeit gefunden werden. Zudem konnte eine festigkeitsmindernde Wirkung durch Beanspruchungen der ringförmigen Belastungszone zwischen Außenkragen und Matrize aufgezeigt werden [16].
Weitere Untersuchungen wurden experimentell in [18] durch visioplastische Untersuchungen zur Erfassung der Verformung im Befestigungsbereich infolge des Verfahrensablaufes durchgeführt. Auch in [17, 21, 24, 25] wurden Untersuchungen zum Einbringen von Funktionselementen veranlasst. In [21] wurden speziell stanzende Funktionselemente mit einer numerischen Simulation untersucht. Auch in Voruntersuchungen des Projektes „Wirtschaftliches Fügen durch Analyse der Schwingfestigkeit stanzender Funktionselemente“ [26] wurden Umformsimulationen des Verfahrensablaufes vorgenommen.
Im zweiten Schritt des Verfahrensablaufes (Abb. 1) erfolgt ein Parallelschnitt mit dem Stanzbund im Befestigungsbereich. Dieser Stanzprozess stellt einen Scherschneidprozess dar [27]. Nach den Untersuchungen in [28] ist es dabei wichtig, dass der Glattschnittanteil des Loches maximal ist, da die Bruchzone einen Sprödbruch begünstigen und die Ermüdungstragfähigkeit verringern kann. In [24] konnten hingegen gute Ergebnisse bei verschraubten Funktionselementen und schergeschnittenen Löchern erlangt werden. Da hinsichtlich der Schwingfestigkeit von Konstruktionsdetails mit Stanzelementen kaum Erkenntnisse vorliegen, wird diese Wissenslücke in den folgenden Untersuchungen thematisiert.
4 Schwingfestigkeitsuntersuchungen
4.1 Versuchsplan
Der Versuchsplan der experimentellen Untersuchungen soll darauf ausgerichtet werden, ausgewählte Einflussfaktoren, wie beispielsweise die Verfahrensvariation, auf die Schwingfestigkeit der Bauteile zu isolieren. Als Funktionselement kommt hierbei die Stanzmutter eines Herstellers in der Nenngröße M8 zum Einsatz. Da der maschinelle Stanzprozess als elementarer Bestandteil im Verfahrensablauf zu verstehen ist, wird als vergleichende Ausführung ein Lochstab mit maschinell schergeschnittenem Loch ohne eingebrachtes Element (Tab. 1 – D) als Referenz untersucht. Zur Untersuchung des Einflusses des Befestigungsbereiches infolge des Verfahrensablaufs werden als zweite Versuchsserie Prüfkörper mit maschinell gestanztem Vorloch und darin applizierter Stanzmutter geprüft (Tab. 1 – AP). Hierzu wird das Element in ein vorher schergeschnittenes Durchgangsloch eingebracht und der Befestigungsbereich entsprechend umgeformt, ohne dass das Trägerbauteil, wie im ursprünglichen Verfahrensablauf, von der Stanzmutter selbst geschnitten wird. Die dritte Versuchsserie umfasst die Untersuchung von Prüfkörpern mit eingebrachten Stanzmuttern, welche in das ungelochte Trägerbauteil eingebracht sind (Tab. 1 – A). Vorgesehen sind sowohl vorbereitende statische Traglastversuche als auch Untersuchungen der Schwingfestigkeit. Der Versuchsplan ist zusammenfassend in Tab. 1 angegeben.
Tab. 1
Versuchsplan mit Konfigurationen der Prüfkörper und entsprechenden Versuchsanzahlen
Als Trägerbauteilwerkstoff wird die Stahlsorte HC340LA nach DIN EN 10268 [29] mit einer Blechdicke s0 = 1,5 mm verwendet. Der Werkstoff HC340LA (1.0548) ist ein kaltgewalztes Flacherzeugnis, welches in verschiedenen Anwendungen im Automobil- und Maschinenbau eingesetzt wird. Diese Stahlsorte gehört zur Kategorie der niedriglegierten, höherfesten Stähle und wird oft für Strukturteile verwendet, die eine hohe Festigkeit und zusätzlich die Eignung zum Kaltumformen erfordern.
Die Prüfkörpergeometrie ist in Abb. 5 (rechts) dargestellt und wird für alle Ausführungen nach Tab. 1 verwendet.
Abb. 5
Prüfkörpergeometrie als Fertigungszeichnung (links) sowie fertiger Prüfkörper, Ausführung A (rechts)
Für alle Prüfkörper mit Stanzmuttern wird chargengleiches Blech mit definiertem Aufmaß mittels Lasertrennen zugeschnitten. Die in Abb. 5 (links) gegebene Kennzeichnung zur Oberflächengüte der Probenkante sieht eine Bearbeitung durch Fräsen mit einer Bearbeitungszugabe von 0,5 mm vor. Die Rauigkeit soll Rz < 6,3 μm betragen. Das Aufmaß wird anschließend mittels NC-Formfräsen auf die Zieltoleranz gefertigt. Für alle Prüfkörper wird die Walzrichtung der Blechwerkstoffe senkrecht zur Belastungsrichtung orientiert. Anstelle der dargestellten Zentrierbohrung mit d = 3 mm wird bei den Prüfkörpern für Ausführungen AP und D ein Loch gestanzt. Dafür wird ein Stempel mit einem Durchmesser von 10,6 mm, sowie ein Schneidspalt von 0,15 mm zur Matrize, genutzt. Durchgeführt wurde das Scherschneiden der Ausführung D, wie auch die Applikation der Stanzmuttern für Ausführung A und AP, beim Systemhersteller der Elemente. Eine repräsentative Aufnahme mittels Rasterelektronenmikroskop sowie die geometrischen Parameter zur Bewertung der Schnittfläche der Ausführung D nach VDI 2906‑2 [30] sind in Tab. 2 dargestellt.
Tab. 2
Schnittflächenkenngrößen der Ausführung D nach VDI 2906‑2 [30]
Weiterhin wurden im Vorfeld eine die Festigkeitskennwerte des Trägerbauteilwerkstoffes HC340LA anhand 10 statischer Zugversuche nach DIN EN ISO 6892‑1 [31] für die Walzrichtung 90° in Kraftrichtung vorgenommen. Die Ergebnisse sind in Tab. 3 angegeben.
Tab. 3
Statische Festigkeitswerte (Mittelwerte) HC340LA, Walzrichtung 90°, s0 = 1,5 mm
Versuchsanzahl
ReH | ReL [MPa]
Rm [MPa]
Ag [MPa]
A50 [%]
10
381 | 364
468
19,8
30,1
Die so ermittelten Werkstofffestigkeiten dienten der Ermittlung einer Maximalamplitude für die Schwingfestigkeitsuntersuchungen beim Spannungsverhältnis R = 0,1. Hierbei galt der Grundsatz, dass die Schwingfestigkeitsuntersuchungen, bezogen auf den Bruttoquerschnitt des Bauteils, ausschließlich im Bereich linear-elastischen Werkstoffverhaltens durchgeführt werden sollen, also ausschließlich mit Oberlasten unterhalb der unteren Streckgrenze ReL.
4.2 Versuchsdurchführung
4.2.1 Statische Bauteilzugversuche
Die statischen Traglastversuche werden zur Einordnung der maximalen Versuchslasten für die Schwingfestigkeitsuntersuchungen sowie zur Bestimmung des Einflusses des Stanzelementes auf die statische Tragfähigkeit der Bauteile veranlasst. Laut Versuchsplan wurden für die drei zu prüfenden Ausführungen jeweils mindestens fünf Zugversuche durchgeführt. Die Prüfkörpergeometrie entspricht Abb. 5. Die Durchführung erfolgt weggeregelt mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/min bei einer Vorkraft von 50 N auf der Universal Zug‑/Druck-Prüfmaschine Z400E der Fa. zwick/roell nach DIN EN ISO 6892‑1 [31]. Als freie Messlänge wird l0 = 50 mm eingestellt. Zur Messung der Bauteildehnung wird eine optische Feinwegmessung mittels Videoextensometer videoxtens biax 2‑150 HP der Fa. zwick/roell eingesetzt. Hierfür werden die Prüfkörper im Vorfeld auf der Rückseite mit Messmarken versehen und die Verschiebung in Kraftrichtung erfasst.
4.2.2 Schwingversuche
Die Untersuchungen zur Schwingfestigkeit unterteilen sich in Versuche im Zeitfestigkeits- sowie im Übergangsbereich. Weiterhin wurden auch Versuche im Langzeitfestigkeitsbereich (DF) vorgenommen. Die Versuche werden auf einem Hochfrequenz-Resonanzpulsator (HFP) der Fa. zwick/roell kraftgeregelt mit einem konstanten Spannungsverhältnis von R = 0,1 durchgeführt. In Abhängigkeit von der Probensteifigkeit stellen sich Prüffrequenzen zwischen f ≈ 76 Hz (Ausführung D) und f ≈ 96 Hz (Ausführung A) ein. Als Abbruchkriterium des jeweiligen Versuches dienen entweder ein technischer Anriss, detektiert über einen Frequenzabfall ∆f ≥ 10 Hz, oder das Erreichen der Grenzschwingspielzahl ND = 5 · 106. Der Versuchsaufbau ist exemplarisch für Ausführung A in Abb. 6 dargestellt.
Schwingversuche, die die Grenzschwingspielzahl NG = 5 · 106 erreichen, werden als Durchläufer gewertet und aus der Zeitfestigkeitsauswertung entfernt. Versuchspunkte im Übergangsbereich mit Schwingspielzahlen N > 500.000 [32] werden nach einer Überprüfung auf Normalverteilung in die Auswertung im Zeitfestigkeitsbereich einbezogen. Die Auswertung im Zeitfestigkeits- sowie Übergangsbereich erfolgt nach dem Perlenschnurverfahren nach DIN 50100 [32]. Weiterhin wurden die Langzeitfestigkeiten nach dem Treppenstufenverfahren nach DIN 50100 [32] ermittelt.
4.3 Ergebnisse
4.3.1 Ergebnisse der statischen Zugversuche
Die Ergebnisse der statischen Zugversuche, welche primär zur Einordnung der maximalen Versuchslasten für die Schwingfestigkeitsuntersuchungen durchgeführt wurden, sind in Tab. 4 dargestellt. Im direkten Vergleich statischer Zugversuche der Ausführungen A und D ist anhand der Versagenslasten eine Traglaststeigerung des Bauteils durch die eingebrachte Stanzmutter erkennbar. Im Vergleich der Serien mit und ohne eingebrachtes Element ergeben sich bei vergleichbarem Querschnitt Traglaststeigerungen um 17 %.
Tab. 4
Ergebnisse der statischen Traglastversuche (Mittelwerte)
Aus den statischen Zugversuchen der Ausführungen A und AP mit eingebrachten Stanzmuttern ergibt sich der in Abb. 7 im Vergleich zum Lochstab dargestellte, charakteristische Kurvenverlauf. Erkennbar ist eine signifikante stetige Erhöhung der Kraft-Weg-Kurve innerhalb des ersten Bereiches des Maschinenweges bei den Zugversuchen der Ausführung A. Am Versagensbild zeigt sich, dass sich Riss des Bauteils initial nicht im Nettoquerschnitt, sondern im Bruttoquerschnitt des Befestigungsbereiches senkrecht zur Kraftrichtung vor der Stanzmutter ausbreitet. Der Riss wandert beidseitig konzentrisch um die Stanzmutter herum und setzt sich neben dem geometrischen Nettoquerschnitt bis zum Bauteilrand fort.
Abb. 7
Kraft-Weg-Kurven und Versagensbilder der statischen Traglastversuche für Ausführung A (a), AP (b) und D (c)
Die Kraft-Weg-Kurve der Bauteilzugversuche mit Stanzelement kann infolgedessen, wie in Abb. 7a gezeigt, in zwei Bereiche eingeteilt werden. Im Bereich 1 ist der Einfluss des Elementes auf die Kraft-Weg-Kurve im Bauteilzugversuch deutlich ersichtlich und sorgt für eine signifikante Erhöhung der maximal ertragbaren Zugkraft Fmax. Es kann geschlussfolgert werden, dass der Lastabtrag zusätzlich über das eingebrachte Element erfolgt [9]. Dieser bleibt so lange bestehen, bis die kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen Stanzmutter und Trägerbauteil durch den Rissfortschritt sowie die Verformung des Trägerbauteils aufgelöst und der Befestigungsabschnitt nicht mehr mit dem umgeformten Trägerbauteilabschnitt verbunden ist. Nach der Rissinitiierung und einer konzentrischen Rissausbreitung im Befestigungsbereich um die Stanzmutter verläuft die Kurve im Bereich des plastischen Fließens (Bereich 2) des Werkstoffes bis zum Bruch der Probe. Ein Einfluss des eingebrachten Stanzelementes ist in diesem Bereich nicht mehr erkennbar.
Anhand der Maximalkräfte (Tab. 4) sind weiterhin keine über die üblichen verfahrensbedingten Streuungen hinausgehenden Auswirkungen durch den geänderten Verfahrensablauf der Ausführung AP erkennbar. Das gestanzte Vorloch in Ausführung AP hat in den statischen Versuchen offenbar keinen signifikanten Einfluss. Auch die Versagenscharakteristik, beziehungsweise der Versagensort, entsprechen dem der Ausführung A ohne Vorloch.
4.3.2 Ergebnisse der Schwinguntersuchungen
Die Abb. 8 zeigt die aus der Auswertung der Schwingfestigkeitsuntersuchungen resultierenden Wöhlerlinien aller Versuchsserien. Im Sinne der Übersichtlichkeit wird sich hier auf die PÜ = 97,5 %-Linien sowie die Versuchspunkte beschränkt. Dargestellt ist die Ausführung A in blau, die Ausführung AP in orange sowie die Ausführung D in grün. Zusätzlich zu den Versuchen im Zeitfestigkeitsbereich sind die Amplituden sowie Anzahlen der entsprechenden Durchläufer bei NG = 5 · 106 auf den Horizonten des Treppenstufenverfahrens, ermittelt anhand der logarithmischen Standardabweichung slog = 0,0125 eingezeichnet. Die Auswertung erfolgt auf die Knickschwingspielzahl NK = 2 · 106 Schwingspiele.
Die innerhalb der Versuche zu beobachtenden Versagensarten decken sich mit denen aus dem IGF-Vorhaben Nr. 20475BR [9], in dem Presselemente untersucht wurden, und sind exemplarisch in Abb. 9 dargestellt. Die auftretende Versagensart für die Bauteilserien mit Stanzmuttern entsprach mehrheitlich einem TBA-Anriss im Trägerbauteilabschnitt (Abb. 9a). Darüber hinaus traten vereinzelt Anrisse APk ausgehend von der gefrästen Probekörperkante auf, welche sich nach innen zur Stanzmutter fortsetzten (Abb. 9b) Am Lochstab konnten erwartungsgemäß ausschließlich Versagen im Nettoquerschnitt mit einem Risswachstum ausgehend von der schergeschnittenen Blechkante des Loches (Abb. 9c) beobachtet werden.
Abb. 9
Versagensorte der Schwingfestigkeitsuntersuchungen. a Versagen: Trägerbauteilabschnitt (TBA). b Versagen: Anriss Probenkante (APk). c Anriss im Nettoquerschnitt
Weiterhin sind die Versuchsergebnisse detailliert in Tab. 5 angegeben.
Tab. 5
Ergebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungen
Ausführung
A
AP
D
Bauteilnettoquerschnitt Anet in mm2
32,4
32,4
32,1
Bauteilbruttoquerschnitt Abrut in mm2
48,0
48,0
48,0
Knickschwingspielzahl NK
2 · 106
Zeitfestigkeiten nach Perlenschnurverfahren (ZF)
Versuchsanzahl n (gewertet)
11
12
11
Variable Steigung mvar
6,9
7,1
4,7
Log. Standardabweichung slog
0,115
0,114
0,102
Netto
σA (2 · 106 LW, Pü = 50 %) in MPa
151,3
152,2
71,7
σA(2·106LW, Pü=97,5%) in MPa
140,3
141,5
65,0
Brutto
σA (2 · 106 LW, Pü = 50 %) in MPa
102,1
102,7
47,5
σA(2·106LW, Pü=97,5%) in MPa
95,5
94,6
43,4
Langzeitfestigkeiten nach Treppenstufenverfahren (DF)
Versuchsanzahl n (gewertet)
22 (+ 1)
23 (+ 1)
27 (+ 1)
Log. Standardabweichung slog
0,017
0,026
0,038
Netto
σA (2 · 106 LW, Pü = 50 %) in MPa
155,5
164,5
84,1
σA(2·106LW, Pü=97,5%) in MPa
144,0
146,3
70,8
Brutto
σA (2 · 106 LW, Pü = 50 %) in MPa
105,0
111,0
56,3
σA(2·106LW, Pü=97,5%) in MPa
97,2
98,7
47,4
Eine Bewertung der erhaltenen Versuchsergebnisse erfolgt statistisch mithilfe eines parametrischen Tests. Hierfür wird der Erwartungswertvergleich (t-Test) für zwei unabhängige Stichproben eines normalverteilten Merkmales gewählt. Entsprechend Tab. 5 sind die notwendigen Voraussetzungen eines ähnlichen Stichprobenumfangs sowie Varianzen gegeben. Für den Zeitfestigkeitsbereich werden zunächst fiktive ertragbare Schwingspielzahl Ni,fiktiv auf einem mittleren Lasthorizont F = 6266,3 N gemäß der DIN 50100 [32] bestimmt. Die Normalverteilung des Merkmals Ni,fiktiv gilt anhand des shapiro-wilk-Tests sowie der grafischen Darstellung (Abb. 10) als nachgewiesen.
Abb. 10
Eintragung der fiktiven Schwingspielzahlen Ni,fiktiv aus dem Zeitfestigkeitsbereich ins Wahrscheinlichkeitsdiagramm. a Ausführung A, b Ausführung AP
Für unbekannte Varianzen beider Stichproben wird die Nullhypothese H0: µ1 = µ2 des durchgeführten t‑Tests bestätigt. Damit ist mit einer Vertrauenswahrscheinlichkeit vom 95 % davon auszugehen, dass beide Stichproben des Zeitfestigkeitsbereiches den Erwartungswert der Schwingspielzahl auf einem Lasthorizont entsprechen.
Analog hierzu wird der Erwartungswertvergleich für die ermittelten Langzeitfestigkeiten durchgeführt. Für diesen wird die Nullhypothese abgelehnt, womit zwei Erwartungswerte mit voneinander unabhängigen Normalverteilungen N1(µ1, σ12) bzw. N2(µ2, σ22) zu erwarten sind. Die statistische Auswertung zeigt allerdings gleichwohl, dass mit der gerichteten Alternativhypothese (H0: µ1 < µ2) der Erwartungswert der Ausführung AP (µ2) größer als der Erwartungswert der Ausführung A (µ1) geschätzt wird. Anhand der statistischen Auswertung der vorliegenden Versuchsergebnissen ist somit keine Verschlechterung der Dauerfestigkeit der Ausführung AP und damit in Folge der Applikation der Stanzmutter in ein gestanztes Vorloches festzustellen.
Es wird festgestellt, dass sich die Ermüdungsfestigkeit sowohl im Zeit- als auch im Dauerfestigkeitsbereich durch die Einbringung der Stanzmuttern im Vergleich zum gelochten Bauteil für den untersuchten Werkstoff signifikant erhöht. Zudem ist kein Einfluss des Verfahrensablaufes hinsichtlich eines gestanzten Vorloches (AP) oder eines vom Element selbst geschnittenen Loches (A) für die untersuchte Versuchskonfiguration erkennbar.
5 Fraktografische Untersuchungen
Für die fraktografischen Untersuchungen werden Aufnahmen mittels Auflicht- bzw. Rasterelektronenmikroskopie (REM) zur Ermittlung des Versagensverhaltens vorgenommen. Das Ziel der Untersuchungen ist einerseits die Identifikation des Anrissortes sowie andererseits die Beschreibung des Rissverlaufes infolge schwingender Beanspruchung des Kerbdetails. Entsprechend der charakteristischen Versagensarten der Prüfkörper wurden aus den Schwinguntersuchungen repräsentativ Proben ausgewählt. Neben der Untersuchung der Bruchflächen aus den Schwinguntersuchungen werden zum anderen auch REM-Aufnahmen des gestanzten Lochrandes aus Ausführung D und dem durch die Stanzmutter geschnittenen Loches miteinander verglichen. Die infolge des Scherschneidens entstandenen Schnittflächen wurden zudem auf ihre Kenngrößen nach der Definition des Merkblattes VDI 2906 Blatt 2 [30] analysiert. Die REM-Aufnahmen erfolgen mit einem Rasterelektronenmikroskop jeol jsm-IT100. Die Prüfkörper der Schwingversuche werden nach Feststellung des technischen Anrisses statisch auseinandergezogen, um die Schwingbruchflächen zugänglich zu machen. Anschließend wird der zu untersuchende Befestigungsbereich aus den Trägerbauteilen herausgetrennt, um in der Kammer des REM positioniert zu werden. Die Aufnahmen erfolgen im Hochvakuum über das Detektieren der sekundären Elektronen bei einer Beschleunigungsspannung von 10 kV, um die Oberflächenstruktur der Bruch- und Schnittflächen sichtbar zu machen.
Das sich innerhalb der Schwinguntersuchungen bei 12 von 13 Proben einstellende, charakteristische Versagensverhalten der Trägerbauteile mit Stanzmuttern stellt der Anriss im Trägerbauteilabschnitt (TBA-Versagen) dar. Zur Verdeutlichung dieses TBA-Versagens sind die Schritte 1 bis 3 an einem makroskopischen Schliffbild in der Abb. 11a beschrieben. Alle folgenden Aufnahmen stammen aus einer repräsentativen Probe, welche aus den Dauerfestigkeitsuntersuchungen der Ausführung A entnommen wurde. In Abb. 11b ist das Versagen von der Matrizenseite aus mit den erläuterten Schritten 1, 2 und 4 dargestellt. Für eine verbesserte Sichtbarkeit des Risses wurde die Stanzmutter hier vor der Aufnahme des Bildes aus dem Blech entfernt. Gut erkennbar sind die Einprägungen der rippenförmigen Verdrehmerkmale.
Abb. 11
Erläuterung der Rissausbreitung für das TBA-Versagen. a Ansicht Makroschliff, Schnittebene in Lastrichtung. b Ansicht Matrizenseite (Stanzmutter entfernt)
Dieses Versagen soll im Folgenden unter Zuhilfenahme von REM-Aufnahmen näher beschrieben werden. Zur Einordnung der Aufnahmen ist jeweils ein Übersichtsbild der entsprechenden Probe abgebildet. Die Abb. 11a zeigt ein matrizenseitiges Übersichtsbild des aufgetrennten Befestigungsbereiches.
Der Riss wird an der umlaufenden Kante des Stanzbundes initiiert, welche die Prägekontur der Matrize beim Einformen des Trägerbauteilabschnittes in die ringförmige Nut an der Unterseite der Stanzmutter hinterlässt. In Abb. 12 (rechts) sind mögliche Anrissorte markiert. Ausgehend hiervon, breitet sich der Schwingbruch im 2. Schritt in die Tiefe des Trägerbauteilabschnittes aus. Gleichzeitig erfolgt ein konzentrisches Risswachstum über den Umfang der Kante der Prägung. Danach wechselt der Riss im 3. Schritt die Fortschrittsrichtung, während er sich durch die restliche Bauteildicke bis zum Außenkragen des Elementes ausbreitet.
Abb. 12
Rissinitiierung und Risswachstum des TBA-Versagens am Übersichtsbild (links) und REM-Aufnahmen (mittig, rechts)
Die weitere Rissausbreitung des Risses in Richtung der Probentaillierung ist in Abb. 13 gezeigt. Im 4. Schritt breitet sich der Riss, nach dem Wachstum um die Stanzmutter herum, senkrecht zur Belastungsrichtung durch den tragenden Restquerschnitt zu den Außenseiten des Prüfkörpers aus. Der Schritt 2 in Abb. 13 (mittig) ist durch weitere stufenförmige Rissebenen gekennzeichnet, welche keinen Richtungswechsel zeigen, sondern direkt zum Außenkragen des Befestigungsbereiches der Stanzmutter wachsen. In Abb. 13 (rechts) sind zudem weitere Anrisse am Umfang der Prägung zu erkennen.
Abb. 13
Rissausbreitung zu den Außenseiten des Prüfkörpers mit stufenförmigen Rissebenen (mittig) und Anrissen am Umfang der Prägung (rechts)
Die dargestellten experimentellen Untersuchungen entstanden im Rahmen des öffentlich geförderten Forschungsvorhabens der industriellen Gemeinschaftsforschung IGF unter dem Förderkennzeichen 01IF22417N [9]. Anhand der Untersuchungsergebnisse sind sowohl in Bezug auf die sich einstellenden Versagensorte als auch die erreichten Beanspruchbarkeiten (Tab. 4 und 5) anhand ingenieurwissenschaftlicher Kennwerte keine Unterschiede zwischen den Ausführungen A und AP feststellbar. Für den Zeitfestigkeitsbereich darf von einem gleichen Erwartungswert der erreichbarer Schwingspielzahlen für beide Ausführungen ausgegangen werden. Hinsichtlich der Langzeitfestigkeit liefert der Erwartungswertvergleich als statistisches Testverfahren keine Schlechterstellung des Erwartungswertes der Dauerfestigkeit in der Ausführung AP. Sowohl der charakteristische Anrissort als auch der Rissfortschritt sind in beiden Ausführungen als identisch zu bewerten. Diese Bewertung liefert für die Anwender und Systemanbieter die wertvolle Erkenntnis, dass Stanzmuttern auch in bereits gelochten Bauteilen ohne Beeinträchtigung der Tragsicherheit gegenüber ihrem originären Verfahrensablauf eingesetzt werden können.
Im Sinne einer Vereinheitlichung der Ermüdungswiderstände für Kerbdetails mit Funktionselementen sind experimentell ermittelte Zeit- und Langzeitfestigkeiten als Datenbasis nützlich. Somit dürfen die bisher in den Merkblättern 3440‑1 [1] und -2 [2] nicht verfügbaren Kerbfälle ergänzt werden. Ferner legen die experimentell ermittelten Ermüdungswiderstände die Grundlage zur Ableitung einer vereinheitlichten Anwendung in Anlehnung an etablierte lokale Nachweiskonzepte geschweißter Verbindungen. Dieses, mit numerischen Berechnungen unterstütze Vorgehen, gilt Ausblick für weitere Forschungsanstrengungen. Darüber hinaus können numerische Berechnungen eingesetzt werden, um die Vorhersagen zu verbessern und die Analysetiefe zu erweitern.
Beide Ausführungen mit Stanzmutter unterscheiden sich diesbezüglich signifikant im Versagensort sowie den ertragbaren Ermüdungslasten vom konventionell schergeschnittenen Durchgangsloch. Die Ermüdungstragfähigkeiten sowie die statischen Tragfähigkeiten übersteigen die des gelochten Bleches. Ein auf der „sicheren Seite“ liegender Festigkeitsnachweis im Sinne der FKM-Richtlinie [7] würde zu einer Unterschätzung die Tragfähigkeit des Kerbdetails führen.
Zusammenfassend bieten die dargestellten Versuchsergebnisse Einblicke das Potenzial der Anwendung von stanzenden Funktionselementen in der Blechverarbeitung, insbesondere in Bauteilen unter schwingender Belastung. Sie legen den Grundstein für weitere Forschungsanstrengungen und die Entwicklung von Normen, die die sichere und effiziente Nutzung dieser Verbindungstechniken branchenübergreifend zu unterstützen.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben „Wirtschaftliches Fügen durch Analyse der Schwingfestigkeit stanzender Funktionselemente“ der Forschungsvereinigung Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung EFB e. V., Lothringer Straße 1, 30559 Hannover, wird unter dem Förderkennzeichen 01IF22417N über den DLR Projektträger im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir danken den Förderern sowie den beteiligten Unternehmen für Ihre Unterstützung.
Interessenkonflikt
A.-L. Holm, C. Denkert, M. Dörre, K.P. Lessel und W. Flügge geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
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