Technologische Untersuchungen zum flexiblen Einsatz des Fließbohrens

Das Fließbohren ist ein umformendes Verfahren zur Herstellung von Bohrungen in dünnwandigen Werkstücken. In Kombination mit einer anschließenden Gewindefertigung bietet es die Möglichkeit, ein Innengewinde direkt in Bauteilen mit geringer Wandstärke zu fertigen. Das Werkstück kann anschließend durch dieses Gewinde mit anderen Bauteilen verbunden werden. Beim Fließbohren wird ein schnell rotierendes Werkzeug aus Hartmetall in ein flach eingespanntes Blech aus einem metallischen Werkstoff gedrückt. Durch die induzierte Reibungswärme reduziert sich die Festigkeit des Materials und ein offener Durchzug wird in Vorschubrichtung geformt. Mit nachfolgender Gewindebearbeitung kann ein tragfähiges Gewinde in den Durchzug eingebracht werden. Die erzeugte Gewindelänge ist deutlich größer als die lokale Materialstärke des Bauteils. Neue Forschungsergebnisse am Institut für Spanende Fertigung der Technischen Universität Dortmund (ISF) zeigen, dass mit dem Fließbohrverfahren eine geschlossene Bohrungswand an dünnwandigem Profil ausgeformt werden kann. Das zu bearbeitende Werkstück wird nicht flach zur Vorschubrichtung eingespannt, sondern orthogonal versetzt. Die Stirnseite bzw. Querschnittsfläche werden bearbeitet. Die Fließbohrbearbeitung erfolgt durch das lokale Aufweiten des Materials und ein Innengewinde kann in die geformte Bohrung eingebracht werden. Im Vergleich zum konventionellen Fließbohren befindet sich in Vorschubrichtung immer Material vor dem Werkzeug. Es ergibt sich eine völlig neue Anwendungsmöglichkeit zur Herstellung von Verbindungsstellen mit hoher Qualität im Bereich der Konstruktion und Fertigungstechnik. Bei den Verstärkungsrippen oder Verstärkungsverstrebungen eines dünnwandigen Bauteils lassen sich hochfeste Fügestellen unter Einsatz des neuartigen Fließbohrens erzeugen. Bisherige Untersuchungen zu der neuartigen Fließbohrbearbeitung am ISF zeigen, dass sehr gute Ergebnisse bei einer duktilen Aluminiumknetlegierung erreicht werden können. Neben dieser Legierung existiert noch eine Reihe weiterer Werkstoffe, die durch das Fließbohren bearbeitet werden und somit Verwendung in Konstruktionen finden könnten. Ihre mechanischen Eigenschaften unterschieden sich jedoch stark von der detailliert untersuchten Aluminiumlegierung. Die Antwort auf die Frage, ob das neuartige Fließbohren auch auf andere Werkstoffe übertragen werden kann, könnte das Einsatzgebiet des Fließbohrens stark ausweiten. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit technologischen Untersuchungen zum neuartigen Fließbohren. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher Bedingungen für die Erzeugung von Fließbohrungen mit geschlossener Bohrungswand bei verschiedenen Werkstoffen zu ermitteln, um die Einsatzmöglichkeit des stirnseitigen Fließbohrens zu erweitern. Zu dem Zweck werden Profile aus den Werkstoffen: PA66, PVC-U, AZ31, CuZn37 und X5CrNi18-10 eingesetzt. Systematische Untersuchungen wurden durchgeführt. Ein weiteres Ziel der Arbeit besteht darin, die statische Festigkeit der in die Fließbohrungen eingebrachten Gewinde zu untersuchen, da diese von großer Bedeutung für eine sichere Verbindungsstelle ist. Dazu wurden die in die ausgeformten Bohrungen erzeugten Gewinde mithilfe des Axialzugversuchs überprüft. Die Festigkeitsuntersuchung soll die Auswirkung der Randbedingungen auf den Fließbohrprozess widerspiegeln, um eine Empfehlung für die sichere Auswahl der Prozessparameter zu ermöglichen.Flow drilling is a forming process for the production of holes in thin-walled workpieces. In combination with a threading operation, it can make stable joints between the thin-walled lightweight parts. The workpiece can be connected directly to other components through this and fulfill its function. During the flow drilling process, a tungsten carbide tool penetrates the thin-walled workpiece. Frictional heat is produced. For this reason the strength of the material is reduced. A bushing can be formed in the feed direction of the tool. With a subsequent threading operation, stable detachable joints between the workpieces can be realized at the bushing. The utilized thread depth is greater than the local thickness of the profile. The latest research from the Institute of Machining Technology of the Technical University Dortmund shows that a blind hole can be machined on thin-walled profile. The workpiece is not flat clamped to feed direction, but orthogonal. The narrow side and cross-sectional area is being processed. The flow drilling process is carried out by the local widening of the material and an internal thread can be processed into the shaped hole. Compared to conventional flow drilling, there is always material in front of the tool in feed direction during the process. This entirely new application of flow drilling opens new possibilities to connect thin-walled work-pieces in the field of design and production technology, because reinforcing ribs or struts of a thin-walled component can be used for creating high-strength joints. This application of flow drilling has been studied already for a ductile aluminum alloy in detail. In addition to this alloy, many other materials could be processed with flow drilling and thus be used in construction. But they have different mechanical properties to the already examined aluminum alloy. The answer to the question, how good this new floating drilling in other materials can be used, can extend the field of application of the flow drilling. This work is focused on technological investigations of the new flow drilling. One goal is to determine conditions for the production of blind holes at different materials to enhance the possibility of using the frontal flow drilling. For this purpose, profiles made from the following materials are used: PA66, PVC-U, AZ31, CuZn37 and X5CrNi18-10. Systematic investigations have been performed. Another goal is to investigate the pullout strength of threads, which is generated in the manufactured blind holes. This is very important for a secure joint. Furthermore, the investigation of pullout-strength allows a recommendation for the safe selection of the flow-drilling process parameters