Fließbohrbearbeitung und Innengewindefertigung an Leichtbaustrukturen

Engbert, T.

Leichtbau gilt derzeit als Megatrend in der Fahrzeugtechnik, im allgemeinen Maschinenbau und im Bauwesen. Das Fertigungsverfahren Fließbohren ermöglicht es, in Kombination mit einer anschließenden Innengewindefertigung, tragfähige lösbare Fügeverbindungen an dünnwandigen Leichtbaustrukturen zu realisieren. Durch ein Verdrängen des Werkstoffs im Bohrungsbereich entsteht ein Durchzug, der durch die prozessbedingten mechanischen und thermischen Lasten in seinen Werkstoffeigenschaften gegenüber dem Grundwerkstoff verändert ist. Bisherige Untersuchungen zum Fließbohren konzentrieren sich auf den konventionellen Anwendungsfall des Verfahrens, in dem Bleche oder dünnwandige werkstoffhomogene Hohlprofile bearbeitet werden. Der Werkstoff wird axial und radial verdrängt, so dass ein offener Durchzug entsteht.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten des Fertigungsverfahrens Fließbohren über die bekannten Anwendungsfälle hinaus. Es wird die Bearbeitung von Werkstoffverbunden aus Aluminium und Stahl durch das Fließbohren betrachtet sowie die anschließende Gewindefertigung an den geformten Durchzügen. Während das Fließbohren üblicherweise mit dem Gewindeformen kombiniert wird, führt die kontinuierliche Verstärkung von Aluminiumstrangpressprofilen mit austenitischen Stahlelementen zu einem heterogenen Verbund, der im Verstärkungsbereich aufgrund der hohen Zugfestigkeit und der verhältnismäßig geringen Bruchdehnung des kaltgezogenen Verstärkungsmaterials für das Gewindeformen nur bedingt geeignet ist. Hier werden daher in experimentellen Untersuchungen das Gewindebohren und das Gewindefräsen dem Gewindeformen gegenübergestellt.

Die weiteren Untersuchungen konzentrieren sich auf die Bearbeitung von homogenen Werkstoffen durch Fließbohren und Gewindeformen, allerdings nicht im konventionellen Anwendungsfall. In Bezug auf die Gewindefertigung an Mehrkammerhohlprofilen wird evaluiert, inwiefern sich Versteifungsrippen innerhalb eines Hohlprofils in die Bearbeitung integrieren lassen. Der Anwendungsfall unterscheidet sich insofern vom konventionellen Fließbohren, als dass sich in axialer Richtung stets Werkstoff vor dem Werkzeug befindet, der nun radial verdrängt werden muss. Anhand eines Musterprofils werden die Einflüsse der Bearbeitungsparameter Umfangsgeschwindigkeit und Vorschub des Werkzeugs auf den Prozess und die Ausbildung der Bohrungsoberfläche herausgestellt. Ziel ist dabei die Erzeugung einer geschlossenen Bohrungswand, in die nachfolgend ein Gewinde eingeformt werden kann. Die erzeugten Gewinde werden hinsichtlich ihrer statischen Auszugsfestigkeit untersucht.

Abgeleitet aus dem Umformvorgang im Bereich der Versteifungsrippen an Mehrkammerhohlprofilen wird ein dritter neuartiger Anwendungsfall für das Fließbohren untersucht. Das lokale Spreizen und Aufweiten von Flachprofilen bzw. Hohlprofilwänden eröffnet völlig neue Möglichkeiten der Verbindung von Profilen. Das Ausformen der Buchsen aus der Profilwand geschieht durch eine radiale Werkstoffverdrängung beim Fließbohren ins volle Material. Anschließend können Profile über Schraubverbindungen in Sacklochbohrungen gefügt werden, deren Gewindegröße die Wanddicke des Ausgangsmaterials deutlich überschreitet. Dieser Anwendungsfall wird für eine duktile Aluminiumknetlegierung detailliert untersucht und darüber hinaus im Rahmen einer Machbarkeitsstudie auf die Anwendungen an Stahlwerkstoffen überprüft.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2011, ISBN 978-3-8027-8764-5