Clinchen

Das Fügeverfahren des Clinchens hat sich bei der Produktion der sogenannten weißen Ware (Elektro- und Gasherde, Kühlschränke, Waschmaschinen) vielfach durchgesetzt. Der Einsatz von vorlackierten Blechen (Coil-Coating) bietet zahlreiche Vorteile: Vorlackierte Bleche sind kratz- sowie waschlaugenfester und weisen weniger oder keine Lackfehler auf. Die höheren Materialkosten werden durch teils erhebliche Einsparungen hinsichtlich Investitionskosten und Produktionsflächen einer Lackieranlage sowie den dazu erforderlichen Fördersystemen mehr als kompensiert. Zudem lässt sich der Energieverbrauch, verursacht durch die Schweiß-, Lackier- und Transportanlagen, drastisch reduzieren.
Der Einsatz vorlackierter Bleche, welche direkt vom Stahlhersteller angeliefert werden, führt jedoch teilweise zu einem höheren Verschleiß bei den Clinchwerkzeugen. In der Lackoberfläche befinden sich sehr harte Titandioxid-Farbpigmente, die die Kratzfestigkeit des Lackes erhöhen. Obwohl die Reibkräfte zwischen Stempel sowie Matrize und den vorlackierten Blechen kleiner sind, zeigt sich in der Praxis nicht nur ein höherer Werkzeugverschleiß, sondern es werden beim Clinchen beschichteter Bleche auch im Napf und matrizenseitig Lackfehler beobachtet.
BTM Europe Blechverbindungstechnik, Erwitte, verfügt über langjährige Erfahrungen auf dem Gebiet des Clinchens von Coil-Coating-Blechen. Das entwickelte und patentierte nichtschneidende Clinchverfahren (Tog-L-Loc) bietet durch das dreigeteilte Matrizenkonzept dem Anwender zahlreiche Vorteile.
Dreigeteilte Matrize
Insbesondere gegenüber dem geschlossenen Matrizenkonzept weist das Clinchverfahren von BTM bei etwa gleichen Scherzug-Festigkeiten höhere Kopfzug- und Schälzug-Festigkeiten auf. Dieser Effekt zeigt sich hauptsächlich bei Dünn-Dick-Blechkombinationen, da bei dem sehr flachen Clinchpunkt das stempelseitig dünne Blech weitaus weniger tief gezogen werden muss und sich dabei doch eine sehr große Hinterschneidung ausbildet. Etwaige Blechdickenschwankungen oder unterschiedliche Blechdickenkombinationen, die in einer Einstellung geclincht werden müssen, werden mit der dreigeteilten Matrize durch ,,mehr oder weniger weites Öffnen¿ der drei Matrizenlamellen kompensiert.
Um den höheren Verschleiß der Clinchwerkzeuge bei Einsatz von Coil-Coating-Blechen -- und damit einhergehenden Lackschäden - besser zu beherrschen, wurden neben geometrisch veränderten Clinchwerkzeugen auch die Wärmebehandlung und Oberflächenbeschichtung geändert. Parallel dazu starteten die Ingenieure auch ein Projekt zur Entwicklung von Keramikwerkzeugen.
Die Untersuchung der geclinchten Bleche hat gezeigt, dass die typischen Lackschäden am matrizenseitigen Boden der runden Fügeelemente durch die reale Form der Flächenpressung verursacht werden.Theoretisch ist die Flächenpressung über der gesamten Stempel-/Ambossfläche konstant. Tatsächlich herrscht jedoch ein parabolischer Verlauf mit einem Maximum an der Rotationsachse. Zum Rand hin nehmen die Flächenpressungswerte dagegen ab. Zirkulare Fließbewegungen in der Mitte der Verbindung verursachen dabei ringförmige Lackschäden. Im matrizenseitigem Randbereich kommt es zusätzlich zu radialen Lackschäden/Kratzern, die durch das Abgleiten der Lackschicht über der Ambosskante entstehen.
Lackschädigungen am Stempeleinzug treten allerdings nur gelegentlich auf. Die Schädigung der Lackschicht im Napfbereich des Stempels entsteht hauptsächlich während des Herausziehens aus dem fertigen Fügeelement. Sie ist meist lokal begrenzt. Verantwortlich für die Schäden ist in erster Linie die Oberflächenrauhigkeit des Fügewerkzeugs. Verschleiß senken, Standzeit erhöhen
Neben der Erhaltung des Korrosionsschutzes ist auch die Standzeit der Werkzeuge sehr wichtig. Einerseits bedeutet eine hohe Standzeit Kostenersparnis, andererseits ist ein verschlissenes Werkzeug ein Garant für Lackschäden, da die Riefen auf der Werkzeugoberfläche beim Fügen die Lackschicht beschädigen. Der Verschleiss der Werkzeuge entsteht, wie eingangs erwähnt, in erster Linie durch harte Partikel (Titandioxid) im Lack, welche die Kratzfestigkeit des Lackes erhöhen.
Ein Clinchstempel mit Titannitrid-Beschichtung wies nach 256 000 Clinchzyklen eindeutige Verschleissspuren auf. Die geänderte Wärmebehandlung mit Titanaluminoxid-Beschichtung führte nahezu zu einer Verdopplung der Standzeit. Selbst nach 450 000 Zyklen war der Stempel noch in einem guten Zustand. Neueste Untersuchungen mit Chromnitrid beschichteten Werkzeugen erhöhten die Standzeit der Werkzeuge sogar auf über 1 000 000 Clinchzyklen.
Aufgrund des frühen Entwicklungsstandes bei den Keramikwerkzeugen konnten die umfassenden Standzeituntersuchungen noch nicht abgeschlossen werden. Der neuentwickelte Keramik-Clinchstempel weist eine hohe Druckfestigkeit bis 3000 Mpa auf. Auf Grund seiner geringeren Adhäsionsneigung bei Metallen und organischen Stoffen im Vergleich zum Werkzeugstahl sowie wegen seines globularen Korngefüges baut sich an dessen Kanten auch kein Material auf. Dies trägt wesentlich zu einer besseren Clinchqualität bei. Die extrem geringe Oberflächenrauhtiefe (möglich ist Ra = 0,02 bis 0,05 µm) sowie der sehr gute Trockengleitreibungskoeffizient (im Vergleich zu Stahl vier Mal geringer) ermöglicht zudem einen erheblich geringeren Verschleiß und damit wiederum eine gleichbleibend hohe Oberflächengüte der zu fügenden, beschichteten Bleche.Fazit
Das Clinchen ist eine innovative Verbindungstechnik, die in vielen Fällen eine interessante und vor allem kostengünstige Alternative zu den bekannten Verbindungstechniken sein kann. Vor allem bei vorlackierten Blechen bieten sich erhebliche Einsparpotenziale. Durch den Einsatz der richtigen Oberflächenbeschichtung oder auch Keramikwerkzeugen lassen sich Lackschädigungen weitestgehend vermeiden und der Werkzeugverschleiß kann gleichzeitig drastisch reduziert werden.

Clinchen ist nach DIN 8593, Teil 5, das Fügen von Werkstoffen aus Blech-, Rohr- oder Profilteilen durch gemeinsames Durchsetzen in Verbindung mit Einschneiden, Einsenken und nachfolgendem Stauchen.Die Hinterschneidung des oberen Blechs in das untere erzeugt einen Form- und Kraftschluss, der hohe Kräfte zu übertragen vermag. Der Clinchpunkt ist dynamisch hoch belastbar. Darin ist das Clinchen selbst dem Punktschweißen überlegen. Das Verfahren setzt allerdings häufig eine Neukonstruktion voraus. Punktgeschweißte Gehäuse können in der Regel nicht übertragen werden. Der Zwang zur Veränderung bietet aber oft die Chance zu weiteren Kostenreduzierungen.

Hans-Werner Fisch, Geschäftsführer BTM Europe Blechverbindungstechnik GmbH, Erwitte
Robert Ruthenberg, Freier Fachjournalist, 90461 Nürnberg

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