Numerische und experimentelle Erweiterung der Verfahrensgrenzen beim Halbhohlstanznieten hochfester Bleche

Abstract

Im Fokus der vorliegenden Arbeit steht die mechanische Fügetechnologie Halbhohlstanznieten. Der Halbhohlstanznietprozess stellt einen komplexen Vorgang der Massivumformung dar. Das Hilfsfügeteil Niet stanzt während des Prozesses ein oder mehrere Fügeteile durch und bildet im untersten Fügeteil den festigkeitsrelevanten Hinterschnitt aus. Durch die Weiterentwicklung der Simulation dieses Prozesses soll ein Werkzeug geschaffen werden, mit dessen Hilfe der Aufwand im Labor reduziert, die Verfahrensgrenzen erweitert und die Standardisierung von Werkzeugsätzen vorangetrieben werden kann. Für die Simulation des Fügeprozesses und der simulativen Festigkeitsuntersuchungen einzelner Fügepunkte fehlte es an Kenntnissen über die Versagensformen, speziell die des Nietes. Mit dieser Arbeit wurde ein besseres Verständnis über die Versagensformen beim Stanznietprozess geschaffen. Die Ursachen der beobachteten Bruchmechanismen konnten in den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit charakterisiert werden. Auf Basis dieser Ergebnisse sind Schädigungskriterien für die Wiedergabe der Brucherscheinungen auf ihre Anwendbarkeit in der Stanznietprozesssimulation untersucht worden. Das Hohlraumwachstumsmodell nach Rousselier erwies sich als praktikabel für die Prognose der Schädigungen während des Prozesses. Auf dieser Basis wurde ein eigen entwickeltes Konzept zur Rissinitiierung und zum Risswachstum untersucht. Mit diesen Untersuchungen konnte eine Grundlage für zukünftige, an der Anwendung orientierten, Arbeiten mit der Prozesssimulation geschaffen werden.

The focus of this paper is on the mechanical joining technology of self-pierce riveting with semi-hollow rivets. The self-pierce riveting process represents a complex massive forming technique. During the process, the auxiliary joining part (the rivet) pierces one or more joining parts and forms a strength-relevant undercut in the bottom-most joining part. Advances in the simulation of this process should result in the creation of a tool that will serve to reduce the amount of laboratory work required, expand the limits of the process and further the standardization of tool kits. To date, the lack of knowledge with regard to the forms that failure can take, particularly rivet failure, has hindered the simulation of the joining process and the simulative study of the strength of individual joints. This paper provides a better understanding of the forms of failure associated with the self-pierce riveting process. The investigations conducted for this paper served to characterize the causes of the observed fracture mechanisms. Based on the results obtained, an examination was made of the damage criteria with regard to the reproduction of fracture events and the applicability of the criteria in the self-pierce riveting simulation process. Rousselier's micromechanical material model proved to be practicable for the prediction of damage during the process. Using this model as the basis, a self-developed concept of crack initiation and crack growth was studied. These studies made it possible to lay the groundwork for future, application-oriented work with the process simulation.