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Technologische Untersuchungen Zum Flexiblen Einsatz Des Fließbohrens

Y. Liu
Published 2017 · Materials Science

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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 workpieces 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. Inhaltsverzeichnis I Inhalt 1 Einleitung ........................................................................................................................... 1 2 Stand der Technik ............................................................................................................... 3 2.1 Fließbohren und dessen geschichtliche Entwicklung .................................................. 3 2.2 Wissenschaftliche Untersuchungen zum Fließbohren ................................................. 8 2.3 Fließbohrwerkzeug .................................................................................................... 18 2.4 Alternative Methode zum Verbinden dünnwandiger Strukturen .............................. 22 2.5 Innengewindebearbeitung .......................................................................................... 22 2.5.1 Gewindeformen .................................................................................................. 23 2.5.2 Gewindebohren .................................................................................................. 26 2.5.3 Einfluss der Einschraubtiefe auf die Schraubenverbindungen ........................... 28 2.6 Werkstoffe ................................................................................................................. 29 2.6.1 Kunststoffe Polyamid PA66 und Polyvinylchlorid PVC-U ............................... 29 2.6.2 Magnesium und seine Legierungen .................................................................... 30 2.6.3 Messing CuZn37 ................................................................................................ 32 2.6.4 Edelstahl X5CrNi18-10 ...................................................................................... 32 3 Untersuchungsziele und Methoden .................................................................................. 35 4 Experimentelle Randbedingungen ................................................................................... 37 4.1 Werkzeuge ................................................................................................................. 37 4.2 Versuchsmaschinen ................................................................................................... 38 4.3 Messtechnik ............................................................................................................... 39 4.3.1 Erfassung der mechanischen Bauteilbelastungen .............................................. 39 4.3.2 Bestimmung der Prozesstemperaturen ............................................................... 40 4.3.3 Geometrische Eigenschaften der Fließbohrungen .............................................. 41 4.3.4 Metallographie ................................................................................................... 41 4.3.5 Erfassung der statischen Tragfähigkeit .............................................................. 41 4.4 Versuchsproben ......................................................................................................... 43 4.5 Versuchsumfang, Versuchsaufbau und –durchführung ............................................. 44 4.5.1 Kunststoffe PA66 und PVC-U ........................................................................... 44 4.5.2 Magnesiumknetlegierung AZ31 ......................................................................... 47 4.5.3 Messing CuZn37 ................................................................................................ 49 II Inhaltsverzeichnis 4.5.4 Edelstahl X5CrNi18-10 ...................................................................................... 49 5 Fließbohren der Kunststoffe PA66 und PVC-U ............................................................... 53 5.1 Untersuchung zur Fließbohrbearbeitung von PA66 .................................................. 53 5.1.1 Mechanische Werkzeugbelastungen .................................................................. 53 5.1.2 Thermische Werkzeugbelastungen .................................................................... 56 5.1.3 Bohrungsqualität ................................................................................................ 58 5.1.4 Längsschnittanalyse der Bohrungen und Gewinde ............................................ 59 5.1.5 Auszugsfestigkeit der Gewinde .......................................................................... 61 5.2 Untersuchung zur Fließbohrbearbeitung von PVC-U ............................................... 62 5.2.1 Mechanische Werkzeugbelastungen .................................................................. 62 5.2.2 Thermische Werkzeugbelastungen .................................................................... 65 5.2.3 Bohrungsqualität ................................................................................................ 66 5.2.4 Längsschnittanalyse der Bohrungen und Gewinde ............................................ 68 5.2.5 Auszugsfestigkeit der Gewinde .......................................................................... 70 5.3 Prozessoptimierung beim Fließbohren der Kunststoffe ............................................ 71 5.3.1 Fließbohren des Polyamids PA66 mit modifizierten Werkzeugen .................... 72 5.3.2 Fließbohren des Kunststoffs PVC-U mit modifizierten Werkzeugen ................ 76 5.3.3 Veränderung des Prozessablaufs beim Fließbohren ........................................... 80 6 Fließbohren von Leichtund Buntmetallen ..................................................................... 85 6.1 Untersuchungen zur Fließbohrbearbeitung von AZ31 .............................................. 85 6.1.1 Mechanische Werkzeugbelastungen .................................................................. 85 6.1.2 Thermische Werkzeugbelastungen .................................................................... 88 6.1.3 Durchmesserund Rundheitsabweichungen ...................................................... 90 6.1.4 Längsschnittanalyse der Bohrungen und Gewinde ............................................ 94 6.1.5 Auszugsfestigkeit der Gewinde .......................................................................... 98 6.2 Untersuchung zur Fließbohrbearbeitung von CuZn37 ............................................ 100 6.2.1 Mechanische und thermische Werkzeugbelastungen ....................................... 100 6.2.2 Thermische Werkzeugbelastungen .................................................................. 102 6.2.3 Durchmesserund Rundheitsabweichungen .................................................... 103 6.2.4 Längsschnitte der Bohrung und Gewinde ........................................................ 105 6.2.5 Metallografische Untersuchungen der Bohrungsrandzone .............................. 106 6.2.6 Auszugsfestigkeit der Gewinde ........................................................................ 110 Inhaltsverzeichnis III 6.3 Machbarkeitsuntersuchung von AlSi7Mg ............................................................... 111 6.3.1 Fließbohren mit werkstückseitiger Vorerwärmung .......................................... 112 6.3.2 Mechanische Werkzeugbelastungen ................................................................ 113 6.3.3
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