Automatisiertes und prozessüberwachtes Radialclinchen höherfester Blechwerkstoffe

Abstract

Das umformtechnische Fügen bzw. Clinchen erfolgt heute noch weitgehend mit linearer Fügebewegung der Werkzeuge. Die hohen Prozesskräfte erfordern allerdings schwere und schlecht handhabbare Werkzeuge. Eine Lösung bietet die Reduktion der Fügekraft. Zum krafreduzierten Clinchen sind Verfahren mit partieller Krafteinleitung, insbesondere das Radialclinchen geeignet. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher wissenschaftliche Erkenntnisse über das Radialclinchen zu erarbeiten. Im Rahmen der Anforderungsanalyse wurde der Istzustand beim automatisierten umformtechnischen Fügen aufgearbeitet. Die auftretenden Prozessfehler und die neuronalen Netze als Grundlage für die Prozessüberwachung wurden analysiert. Basierend auf der Durchführung experimenteller Untersuchungen wurde der Nachweis erbracht, dass beim Radialclinchen gleiche Verbindungsfestigkeiten wie beim konventionellen Clinchen erreicht werden. Durch die Beschreibung von Wirkzusammenhängen konnten produktionstechnisch relevante Prozesszusammenhänge zwischen Fügezeit, -kraft und -drehzahl ermittelt und dargestellt werden. Das komplexe Werkstoffverhalten beim Radialclinchen wurde ausgehend von der Phasenteilung des Fügeprozesses in eine Durchsetzphase und in eine Stauchphase beschrieben und ein Berechnungsmodell entwickelt. Das Modell ist die Grundlage für ein Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Fügekraft unter Berücksichtigung der partiell eingeleiteten Fügekraft. Das Berechnungsmodell wurde durch Experimente mit verschiedenen Blechwerkstoffen und Fügegeschwindigkeiten verifiziert. Zur Überwachung des Verbindungsprozesses und zur Klassifikation von Fehlern wurde ein System auf der Basis neuronaler Netze entwickelt. Durch Versuche konnte gezeigt werden, dass unzulässige Prozesszustände mit einer hohen Genauigkeit erkannt werden. Abschließend erfolgte die Erprobung des Gesamtsystems. Mit der Erprobung konnte die Umsetzbarkeit des Radialclinchens nachgewiesen werden. Die Versuchsanlage zum flexibel automatisierten Radialclinchen höherfester Blechwerkstoffe erfüllt die gestellten Anforderungen. Durch die Entwicklung des flexibel automatisierten Radialclinchens wurden neue Einsatzmöglichkeiten für die umformtechnische Fügetechnik erschlossen.

Automated and process monitored force reduced spot clinching of higher strength sheet metal Spot clinching is an innovative mechanical joining method with a high potential for the joining of sheet metal. However the widespread application of mechanical joining methods suffer from the high joining forces. This results in heavy process equipment which is difficult to handle especially in automated robot applications. The goal of the work presented is the development of radial clinching as a new and flexible spot clinching method for reducing the joining force. A prerequisite for the acceptance in industry is the high strength of the joining elements. Therefore a joining system was set up and experiments with various punch diameters and geometries were carried. The results show that the joining elements with radial clinching achieve the same strength as conventional joining elements. Furthermore a model for the interrelation of the parameter joining force, revolution and joining time in two approaches was introduced and verified. The model allows the calculation of production parameters based on this basic knowledge. Derived from the analysis of the whole radial clinching process two main process phases were identified. The first phase is the phase which can be compared to deep drawing. The second phase can be described as a compression of the material. Due to the complex material behaviour in metal forming processes an approach known from massive forming was transfered to the radial clinching. The comparison between calculated and the forces from a test bed showed a good correlation. The developed neuronal networks are based on back propagation and a certain number of neurons in the hidden layer. The developed network was validated by using new sample data. The results show a good results in failure detection. As proof of the technical feasibility and for verification of the theoretical results a pilot system for an automated radial clinching system was realised and tested on an exemplary product. With this pilot system a force reduction from up to 80 percent is possible without any compromises in the strength of the joining elements.