Abstract:

Verbundstranggepresste Werkstoffkombinationen liefern einen zukunftsweisenden Ansatz zur Herstellung leichter, steifer und hochbelastbarer Tragwerkstrukturen. Gerade die Verbindung von Leichtbauprofilen birgt jedoch einige Schwierigkeiten. Meist sind die Fügestellen nur einseitig durch den Bearbeitungsprozess erreichbar, so dass herkömmliche Bearbeitungsverfahren, wie das Punktschweißen, nicht oder nur sehr eingeschränkt anwendbar sind. Hier bietet das Fließlochformen mit anschließender Gewindefertigung eine effektive Möglichkeit, dünnwandige Leichtbauprofile miteinander zu verbinden. Jedoch stellt die Bearbeitung durch das Fließlochformen und die anschließenden Gewindefertigungsverfahren bei stahldrahtverstärkten Aluminiumprofilen eine große Herausforderung dar. Ziel dieser Arbeit war es, zuerst das generelle Prozessverständnis der Gewindefertigung zu vertiefen. Des Weiteren wurden experimentelle Untersuchungen zur Gewindefertigung in zuvor geformte Durchzüge durchgeführt. Die Bohrungen wurden in drei verschiedenen Positionen relativ zur Verstärkung eingebracht, um den Einfluss der Verstärkungselemente zu untersuchen. Im ersten Fall werden fließgeformte Durchzüge an einer Stelle des Profils eingebracht, in dem sich keine Verstärkungselemente befinden. Diese Bohrungsposition relativ zur Verstärkung wird als „ohne VE“ bezeichnet. Als „zwischen 2 VE“ wurde eine Bohrungsposition gewählt, bei der die fließgeformten Durchzüge exakt mittig zwischen zwei Verstärkungselementen liegen. Beide Verstärkungselemente werden dabei an die Bohrungswand integriert. Als „mittig VE“ wurde eine Bohrungspositon gewählt, bei der ein Verstärkungselement exakt mittig durch die geformten Durchzüge verläuft. Beim Fließlochformen als Vorbearbeitungsverfahren ist mit steigender Schnittgeschwindigkeit die sinkende Risstiefe des Durchzuges zu erkennen. Es wird vermutet, dass die mit steigender Schnittgeschwindigkeit zunehmende Werkstücktemperatur zu einer besseren Verformbarkeit des Werkstoffes führt. Im Vergleich zur Bohrungsposition „ohne VE“ und „zwischen 2 VE“ weisen die Bohrungen in der Position „mittig VE“ insgesamt kürzere effektive Durchzugshöhen auf. In diesem Fall ist die zunehmende effektive Durchzugshöhe und sinkende Risstiefe mit steigender Schnittgeschwindigkeit besonders deutlich zu erkennen. Bei der Gewindefertigung generiert das Gewindeformen die höchsten mechanischen Belastungen. Der Einfluss der Bohrungsposition relativ zu den Verstärkungselementen auf die Vorschubkraft und das Drehmoment während der Gewindefertigung ist gering. Die harten Verstärkungselemente mit der geringeren Duktilität werden beim Gewindeformen unzureichend umgeformt. Dies hat zur Folge, dass eine deutliche Zipfelbildung in der Position der Verstärkungselemente und eine eingeschränkte Gewindeflankenausbildung zu sehen ist. Dies ist insbesondere bei Gewinden mit geringerer effektiver Durchzugshöhe und größerer Risstiefe in der Position „mittig VE“ bei niedriger Schnittgeschwindigkeit zu sehen. In der Position „ohne VE“ und „zwischen 2 VE“ können Gewinde mit größerer Gewindehöhe hergestellt werden. Ähnlich wie beim Gewindeformen ist in der Position „mittig VE“ beim Gewindebohren und Gewindefräsen auch eine kürzere Gewindehöhe zu erkennen. Im Vergleich zum Gewindeformen werden die Verstärkungselemente beim Gewindebohren und Gewindefräsen sauber zerspant und gut in die Flanken integriert. Die Lehrenhaltigkeit wird in allen Fällen erreicht. Neben einer qualitativen Analyse der erzeugten Gewinde in fließgeformte Durchzüge und der erzeugten Gewinde in zirkulargefräste Kernlöcher wird die Auswertung der durchgeführten Auszugsversuche erläutert. Im Vergleich zum Zirkularfräsen hat der beim Fließlochformen entstehende Durchzug Einfluss auf der Festigkeit der Gewinde. Generell weisen die Gewinde mit Durchzug hohe Auszugsfestigkeiten auf. Im Vergleich zum Gewinde mit Durchzug versagt das Gewinde ohne Durchzug bei geringeren Lasten. Weiterhin wurde versucht, die Verstärkungsfaser günstig in das Gewinde zu integrieren, so dass das Gesamtsystem Durchzug – Gewinde an Festigkeit zunimmt, dies ist jedoch nicht in jedem Fall zu beobachten. Die Auszugskräfte für die Gewindebohrung zwischen zwei Verstärkungselementen sind besonders hoch. Im Vergleich zu den Gewinden die durch andere Gewindefertigungsverfahren gefertigt wurden, besitzt das geformte Gewinde eine relativ hohe Festigkeit, da die Materialfasern nach dem Gewindeformen nicht ausgeschnitten, sondern verformt werden. Die in dieser Arbeit genommenen Erkenntnisse zum Fließlochformen mit anschließender Gewindefertigung in unverstärktem sowie faserverstärktem Aluminium zeigen weiteres Forschungspotential auf. Zuerst kann der Einfluss des Vorschubs beim Fließlochformen auf die fließgeformten Durchzüge und anschließenden Gewinde untersucht werden. Des Weiteren ist das Fließlochformen ein thermo-mechanisches Fertigungsverfahren und die Temperaturen bei der Bearbeitung haben eine entscheidende Bedeutung. Eine Untersuchung der Gefügezustände und der Gefügeumwandelung bei unterschiedlichen Temperaturen spielt insbesondere bei der Analyse der Auszugsfestigkeit der Gewinde eine erhebliche Rolle. Außerdem können eine Variation der Werkzeuggestalt und weitere Varianten von Werkstoff und Verstärkungselement untersucht werden.