Vorgelegt von Prof. MsC Juan Miguel Godoy Ramsay aus Arica, Chile INAUGURALDISSERTATION Zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) im Fachbereich Maschinenbau der Universität Kassel FLIESSLOCHFORMEN UND GEWINDEFURCHEN IN DÜNNE BLECHE UND ROHRE AUS KUPFER UND KUPFERLEGIERUNGEN Kassel, im August 2008 1 Als Dissertation am Fachbereich Maschinenbau Angenommen am: 20.10.2005 Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Franz Tikal Zweiter Gutechter: Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach Prüfer: Prof. Dr. Ekkehard Frieling Prof. Dr.-Ing. Eberhard Paucksch Tag der mündlichen Prüfung: 2 März 2009 2 Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Dissertation selbständig und ohne unerlaubte Hilfsmittel angefertigt habe. Alle verwendeten Quellen, Voruntersuchungen, Literatur, sonstige Schriften und Hilfen sind angegeben und an der entsprechenden Stelle genannt. Vorveröffentlichungen und Vorträge, die im Zusammenhang mit dieser Arbeit ins besondere für die finanziellen Förderer gemacht wurden, sind im Anhang aufgeführt. Die vorliegende Dissertation ist in keinem anderen Promotions- oder Habilitationsverfahren verwendet worden Arica/Kassel, den 02 März 2009 Juan Miguel Godoy Ramsay 3 Inhaltsverzeichnis Erklärung.................................................................................................................................0 1 Einleitung .......................................................................................................................6 2 Grundlagen...................................................................................................................10 2.1 Einführung......................................................................................10 2.2 Das Fliesslochformverfahren .........................................................10 2.3 Gewinden.......................................................................................16 2.4 Bearbeitungsdaten.........................................................................19 2.5 Kristalline Veränderungen im Material ...........................................20 2.6 Bleche und Rohre aus Kupfer und Alpha-Messing.........................21 2.6.1 Dünne Chilenische Kupferbleche............................................21 2.6.2 Chilenische Messinglegierungen ............................................22 2.6.3 Deutsche Messinglegierungen................................................22 2.6.4 Eigenschaften der Werkstoffe.................................................23 3 Stand der Technik........................................................................................................24 3.1 Fliesslochformen............................................................................24 3.2 Gewindefurchen.............................................................................26 3.3 Verwendete Anlagen......................................................................27 4 Versuche.......................................................................................................................28 4.1 Einleitung .......................................................................................28 4.2 Planung..........................................................................................28 4.2.1 Versuche mit dünnen Metallblechen .......................................28 4.2.2 Versuche mit Rohrleitungen aus Kupfer .................................29 4.3 Probenvorbereitung........................................................................30 4.4 Werkzeuge.....................................................................................32 4.5 Versuchsaufbau .............................................................................34 4.5.1 Vertikales CNC Bearbeitungszentrum von HAAS...................34 4.5.2 Piezoelektrisches Dynamometer.............................................35 4.5.3 Datenerfassungskarte.............................................................36 4.5.4 Kalibrierung des Dynamometers.............................................38 4.5.5 Durchführung der Messungen.................................................39 5 Ergebnisse ...................................................................................................................41 4 5.1 Einleitung .......................................................................................41 5.2 Fliesslochformen bei chilenischen dünnen Blechen aus Kupfer ........ und Kupferlegierungen wie α-Messing..........................................42 5.2.1 Ermittlung günstiger Bearbeitungsparameter für eine................. gratarme Buchse der Qualität 1 ..............................................42 5.3 Fliesslochformen in chilenischen und deutschen dünnen .................. Messingblechen ............................................................................46 5.3.1 Einleitung ................................................................................46 5.3.2 Chilenische Messing-Legierung..............................................48 5.3.3 Fließlochformversuche in Blechen einer Messinglegierung ........ (Nºº1), deutscher Herstellung [20]...........................................51 5.3.4 Fließlochformversuche in Blechen einer Deutschen .................. Messing-Legierung (Nºº2),......................................................53 5.3.5 Einfluss der Legierungselemente auf die .................................... Temperaturentwicklung...........................................................54 5.3.6 Gewindefurchen [19]...............................................................60 5.3.6.1 Einleitung...........................................................................60 5.3.7 Gewindefurchen in Kupferblechen..........................................62 5.3.7.1 Charakteristische Gefügestruktur in den chilenischen........... Blechen..............................................................................64 5.3.7.2 Mikrohärte der fließgeformten Buchsen in ............................ chilenischen Bleche [19] ....................................................65 5.3.7.3 Merkmale der Mikrostruktur in unterschiedlichen .................. Kupferlegierung .................................................................66 5.3.7.4 Gefüge in der Buchse [20] .................................................66 5.3.7.5 Gefüge im Bereich des Gewindes .....................................68 5.3.7.6 Mikrohärte in der Buchse...................................................69 5.3.7.7 Gefurchte Gewinde............................................................72 5.4 Kombinationswerkzeug, entwickelt für das verbesserte..................... Fließlochformen in Blechen aus Kupfer und Messing [27] .............73 5.4.1 Einführung ..............................................................................73 5.4.2 Versuche mit dem Kombinationswerkzeug „COMPOUND“ ....75 5.4.2.1 Fließloch-formen................................................................75 5.4.2.2 Gewinde-furchen ...............................................................75 5 5.4.3 Schritteweise darstellung des Fließlochformvorgangs ............... mit dem Kombinationswerkzeug .............................................77 5.4.4 Gewindefurchen......................................................................80 5.4.5 Zugversuch an den M10 Gewinden ........................................81 5.4.6 Prüfdiagramme der Tests .......................................................82 5.4.7 Ergebnisse des Zugversuchs..................................................82 5.5 Fließlochformen in Rohren aus Kupfer [28]....................................83 5.5.1 Einleitung ................................................................................83 5.5.2 Fließlochwerkzeuge für Lötverbindungen ...............................84 5.5.3 Buchsenlänge .........................................................................87 5.5.4 Messung der Rundheit der Buchse.........................................88 5.5.4.1 Vorgehensweise ................................................................88 5.5.5 Lötverbindung zwischen den Rohren und der Zugversuch .....89 5.5.6 Anwendungsbeispiele .............................................................92 6 Schlussfolgerungen ....................................................................................................95 7 Zusammenfassung ......................................................................................................97 Resume..................................................................................................................................97 Schrifttum und Quellen........................................................................................................98 Eigene Vorveröffentlichungen ..........................................................................................103 Anhang ................................................................................................................................104 Danksagung ........................................................................................................................117 6 1 Einleitung Die vorliegende Arbeit ist Teil eines Forschungsprogramms, das vom Institut für Produktionstechnik und Logistik (IPL) der Universität Kassel Anfang der neunziger Jahre begonnen wurde. Das Forschungsprogramm hatte folgende Themenstellung: Fließlochformen und dem Gewindefurchen in dünnen Blechen aus Kupfer und verschiedenen Kupferlegierungen. Im Dezember 1995 fand in Brasilien eine Arbeitsbesprechung mit Mitgliedern des IPL, der staatlichen Universität Santa Catarina (Brasilien), der Universität von Buenos Aires (Argentinien), der Universität Tarapacá (Chile) und einem Vertreter der Firma FLOWDRILL® aus Holland statt. Es wurde in der genannten Sitzung entschieden, das Labor für Fertigungsverfahren und Werkstoffe, der Universität von Tarapacá (LPM), das Fertigungsverfahren Fließlochformen bei dünnen Blechen aus Kupfer und Kupferlegierungen, α- Messing sowie bei Rohren aus Kupfer, für den Aufbau von Solar- Wärmetauschern, zu untersuchen. Die Firma FLOWDRILL® stellt die Werkzeuge und Anlagen in Arica, Chile zur Verfügung [1]. Im Jahr 1999 begannen das IPL und das LPM mit dem ALECHILE- Forschungsprojekt unter finanzieller Unterstützung des DAAD und CONICYT. Während des Projektablaufs wurden mehrere Forschungs- arbeiten sowohl an dünnen Blechen und Rohren aus Kupfer, als auch an dünnen Blechen aus Kupferlegierungen (α-Messing), durchgeführt und zufriedenstellend abgeschlossen [2]. Das Hauptziel war die Ermittlung günstiger Bearbeitungsparameter für die dünnen Bleche aus Kupfer und Kupferlegierungen. Im Hinblick darauf, war der Vorschubeinfluss und die Umformgeschwindigkeit auf die Qualität, der durch das Fließlochverfahren hergestellten Buchsen, zu ermitteln. Die Beurteilung der Gratqualität am unteren Buchsenauslauf, entwickelt von Lopez und Weingärtner [3], wurde als Bewertungsschema übernommen. Außerdem wurden Gefügeuntersuchungen und Mikrohärtemessungen im Bereich der Buchsen, die sich durch Kristallverformung und Rekristallisation während der Bearbeitung veränderten, durchgeführt. Im Fall der dünnen Bleche aus Kupfer und α-Messing wurde der Einfluss der chemischen 7 Zusammensetzung des Werkstoffes auf die Buchsenqualität nachgewiesen. Beim Gewindefurchen (RLF) wurde ebenfalls aufgezeigt, dass der Einfluss der chemischen Legierungselemente einen wichtigen Faktor für die entstehende Korngröße und Mikrohärte darstellt. Bei den Rohren aus Kupfer war es möglich, den Einfluss der Kornanisotropie, die während des Bearbeitungsprozesses entsteht, nachzuweisen. Sie ist Ursache für die Maß- und Formänderung des Buchsenlochs im Mikrobereich. Im Arbeitsablauf wurden die experimentellen Untersuchungen von Lopes [4] und Heiler [5], in weichen Werkstoffen, als Erfahrungsgrundlage herangezogen. Hierbei wurde empfohlen, das Vorbohren mit einem Bohrer aus Schnellarbeitsstahl (HSS) auszuführen. Der Durchmesser der Vorbohrung sollte etwa 30 % des Durchmessers des Fließlochformers betragen. Auf Basis dieser Erfahrungen war ein Ziel dieser Untersuchungen, die Entwicklung eines Kombinationswerkzeuges, das in einem Arbeitsschritt die Vorbohrung anfertigt und anschließend die Fließlochbuchse möglichst in Qualität 1 ,nach Lopez und Weingärtner [3], erzeugt. Fließlochformen ist ein relativ junges Bearbeitungsverfahren. In den achtziger Jahren wurde es erstmals publiziert. Die ersten Veröffentlichungen über Fließlochformen stammten von Streppel [6] und Kretschmer [7]. Kretschmar untersuchten dieses Verfahrens bei konstanter Vorschubkraft, an weichen Kohlenstoffstählen. Lopes [4] erforschte die Grundlagen des Fließlochformen beim Einsatz auf CNC gesteuerten Maschinen mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit. Heiler [5] konnte in seiner Arbeit u.a. die Fertigungszeit beim Fließlochformen, durch gestufte Vorschübe, deutlich reduzieren. Einen Ablauf des Prozesses zeigt ein kommerzieller Präsentationsfilm [1] über das Fließlochformen und das Gewindefurchen in Blechen und Profilen in weichem Kohlenstoffstahl. Der Markt bietet eine Vielzahl von Blechen und Rohren aus Kupfer und Messing unterschiedlicher Dicke, Abmessungen und Zusammensetzung für technische Produkte an. Diese Bleche aus Kupfer und Messing werden für verschiedene industrielle Anwendungen eingesetzt und entsprechend den Anforderungen mit angepassten Verbindungstechniken montiert. 8 Kupferrohre sind z.B. wegen ihrer guten thermischen Leitfähigkeit für den Bau von Wärmetauschern oder zur Erwärmung und Kühlung von Flüssigkeiten, hervorragend geeignet. Die Rohre werden dazu senkrecht in Platten oder in Verbindungsrohre gelötet. Eine neue verbreitete Anwendungstechnik, speziell für Solar-Wärmetauscher, zur Erwärmung von Wasser, als Verbindungstechnik stellt hierbei eine kurze fließlochgeformte Buchse dar. Sie nimmt das zu lötende Rohr passgenau auf, gibt einen ausreichenden Halt und die notwendige Lötfläche, ohne die spätere Flüssigkeitsströmung zu sehr zu beeinträchtigen. Zum Löten wird in der Regel eine Zinn-Silber-Legierung als Lötmittel verwendet. Um eine hochwertige auszugsfeste und dichte Verbindung zu erhalten ist es notwendig, die Bearbeitungsparameter für das Fließloch- formen, zur Herstellung der Lötaufnahmebuchsen, abzustimmen. In Bezug auf die Rohrverbindungen war das Hauptziel die Herstellung von kurzen Buchsen mit minimalen Einrissen und minimalem Grat am Buchsenende. Sie sollten nur einen geringen Widerstand für den Durchgang der Flüssigkeit aufweisen. Auch für die Verbindung mit dem Rahmen der Solar-Wärmetauscher wurde in gleicher Weise die kürzeste Buchse mit größter Festigkeit gesucht, um die Rohre sicher und strömungsgünstig einlöten zu können. Bei dünnen Blechen war es außerordentlich wichtig, Buchsen mit einem minimalen Grat (Buchsenqualität 1) herzustellen. Weiterhin wurden, die durch Gewindefurchen erzeugten Gewinde, im Zugversuch, auf Ausreißfestigkeit geprüft. Zu Beginn der Untersuchungen stand die Beschaffung dünner Bleche aus Kupfer und Kupferlegierungen (α-Messing) verschiedener Dicke (1,0 mm; 1,5 mm und 2,0) im Vordergrund. Die Fließlochformerwerkzeuge wurden so ausgewählt, dass eine Fertigung der Gewinde, M5, M6, M8 und M10 mittels Gewindefurchen möglich war. Zur Reduzierung des Versuchsumfanges wurden für die Untersuchungen des Einflusses der Legierungselemente auf die Qualität der Buchsen und Gewinde, auf Bleche mit 2,0 mm Dicke und auf Gewinde M10 festgelegt. Zum Vorbohren kamen bei den Versuchen Bohrer aus Schnellarbeitsstahl zum Einsatz. Bei allen Versuchen erfolgte die Fixierung der Rohre und Bleche (Prüfstücke) in einer Spannvorrichtung, auf einem piezoelektrischen 9 Dynamometer zur Bestimmung der Vorschubkraft und des Drehmomentes aus dem Bearbeitungsprozess. Für Proben mit einer guten Buchsenausbildung und wenig Grat wurden die Bearbeitungsparameter notiert und diese Buchsen näher untersucht. Für die Versuche an Kupferrohren kamen Rohre mit einem Innendurchmesser von 25,4 mm (1 Zoll) zum Einsatz. Für weitere handelsübliche Rohre mit den Maßen 3/8“, 1/2“ und 3/4“ war die Beschaffung spezielle Fließlochformer notwendig. Zum Vorbohren kamen Bohrer aus Schnellarbeitsstahl zum Einsatz, mit dem Ziel, eine dem Anforderungsprofil entsprechende längenreduzierte Buchse mit einem Gratminimum am Buchsenende zu erzielen. Zum Vergleich wurden die Buchsen mit und ohne Vorbohrung angefertigt. Die Herstellung erfolgte mit Fließlochformern der kurzen Bauart mit 12,8 mm Durchmesser. Diese Werkzeuge entsprechen dem Außendurchmesser der Kupferrohre mit 3/8“. Die Qualitätsbeurteilung der Buchse auf Maß- und Formgenauigkeit erfolgte auf einer 3D – Messmaschine. Für die Verbindung der 3/8“-Rohre mit den 1“-Rohren kamen 5 verschiedene Lotarten zum Einsatz. Um die Festigkeit der gelöteten Rohrverbindungen zu prüfen wurden diese in einer Vorrichtung befestigt und mit einer Universal-Prüfmaschine auf Zug getestet. Das Ziel der Untersuchungen war, Bearbeitungsparameter zu ermitteln, bei denen Buchsen mit bester Buchsenqualität und einem minimalen Grat für ausreißfeste und dichte Lötverbindungen, bzw. Buchsen für Innengewinde erzeugt wurden, um den Bau von Solar-Wärmetauschern mit Rohrleitungen aus Kupfer zu ermöglichen. Weitere Beurteilungskriterien waren die Korngröße, Kornverformung und Materialhärte im Bereich der Buchsen, um die Innengewinde durch Gewindefurchen zuverlässig erzeugen zu können. Ebenso wurde die Ausreißfestigkeit der Gewinde bestimmt. Deutlich zeigte sich bei allen Versuchen ein starker Einfluss der Legierungselemente auf die Bearbeitbarkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kombinationswerkzeug entwickelt, das auch bei schwierig zu bearbeitenden Werkstoffen, Buchsen mit einer hohen Qualität erzeugt. 10 2 Grundlagen 2.1 Einführung Fließlochformen ist ein Bearbeitungsverfahren, mit dem Buchsen (Durchzüge) spanlos in dünne Metallbleche eingebracht werden. Sie dienen als Funktionsflächen für Schraub- und Lötverbindungen, als Buchsen für Lagerungen, oder einfach als randverstärkte Bohrungen. Beim Fließlochformen entstehen, während der Bearbeitung im Bereich der Kontaktstelle hohe Temperaturen, bedingt durch die Reibung und den Druck (Vorschubkraft) zwischen Werkstück und Werkzeug, In das Werkstück (dünne Metallbleche) werden Löcher in Form von Buchsen, ohne dass Material abgetrennt wird, spanlos durch Umformung, eingebracht. Während des Bearbeitungsvorgangs wird der Werkstoff verdrängt, ein Teil fließt nach oben, bilden eine Oberbuchse, die zu einem Bund umgelegt, oder bei einem Werkzeug mit Schneiden eben abgetrennt wird. Etwa zwei Teile fließen nach unten und bilden die Buchse. Die wichtigste Anwendung ist die Herstellung von Buchsen für hochbelastbare auszugsfeste Gewinde in dünnen Blechen, Rohren oder Rohrprofilen. In die Buchsen lassen sich mit normalen Gewindebohrern spanend oder vorzugsweise mit Gewindefurchern spanlos Gewinde einbringen. Letztere Gewinde weisen eine besonders hohe Ausreißfestigkeit auf. Der Grund dafür ist die plastische Formgebung des Gewindes, bei der das Gewindeprofil nicht durch ein Heraustrennen von Werkstoff erzeugt wird, sondern durch plastisches Umformen. Die Verformung des kristallinen Gefüges verursacht im Randzonenbereich eine Zunahme der Härte, eine höhere Gewindegrundfestigkeit und glatte Gewindeflankenoberflächen. Die Reibung setzt Energie frei, die zu einer Umkristallisation des Gefüges im Randbereich des Werkstückes führt. Dadurch kommt es zu Versetzungen und zu atomaren Neuordnungen im Kristallgitter. 2.2 DAS FLIESSLOCHFORMVERFAHREN Die industrielle Anwendung des Fließlochformens begann in den achtziger Jahren [6,7]. Das Werkzeug besteht üblicherweise aus Hartmetall. Das 11 vordere Ende bildet ein Kegel mit einer je nach Einsatzfall verrundeten Spitze. diese „Zentrierspitze“ geht mit einem Übergangsradius in einen Konus über. Darauf folgt ein zylindrischer Teil. Beide Teile, der Konus und der Zylinder, sind mit Polygonen, einer „Formstollengeometrie“ versehen, welche die eigentliche Umformarbeit leisten und die Reibung auf kleine Kontaktflächen reduzieren. Anschließend daran weist das Werkzeug einen „Kragen“ auf. Er formt das nach oben fließende Material über einen Radius zu einem Bund und legt diesen an das Blech an, oder wenn er mit Schneiden versehen ist, trennt er das nach oben geflossene Material spanend und eben zu Blechoberfläche ab. Anschließend an den Bund ist das Werkzeug mit einem Zylinderschaft versehen, der zur Aufnahme in einem Werkzeugträger dient (Bild 2.1). Bild 2.1: Fließlochformer Der Markt bietet verschiedene Werkzeugformen, für unterschiedliche Einsatzgebiete, die sich nicht nur im Durchmesser und der Länge, sondern auch in der Zahl der Formstollen und dem Spitzenwinkel unterscheiden. Die Werkzeughersteller bieten für verschiedene Werkstoffe und Einsatzfälle unterschiedliche Werkzeuggeometrie an. Um ein Beispiel zu nennen: Es werden sowohl Werkzeuge mit drei oder vier Formstollen in Kombination mit 12 einem abgestumpften oder einem schlanken, kleinen Konuswinkel angeboten. Die Kontaktreibung der Werkzeuge mit dem zu bearbeitenden Werkstoff und die Umformgeschwindigkeit sind von relevanter Bedeutung und beeinflussen das Bearbeitungsergebnis ganz wesentlich. Der Vergleich zwischen Werkzeugen, mit drei oder vier Formstollen und verschiedenen Winkel in den Konen kann, je nach Einsatzgebiet, jeweils zu einem guten Bearbeitungsergebnis führen. Wichtig ist immer die Abstimmung der Bearbeitungsparameter auf die Makrogeometrie der Werkzeuge und den thermischen Kennwerten und Abmessungen des Bauteils. Aus dem Bearbeitungsprozess resultieren unterschiedliche Temperaturen, Vorschub- kräfte und Drehmomente. Oftmals ist de maximale Vorschubkraft entscheidend für die Belastbarkeit der Bauteile bzw. für eine unerwünschte bleibende Verformung. Der Markt bietet je nach Einsatzgebiet und Blechdicke lange, mittlere und kurze Werkzeuge mit verschiedenen Durchmessern. Die Werkzeuge sind entweder mit einem Werkzeugkragen zur Umformung der Oberbuchse versehen, oder sie besitzen mehrere im Werkzeugkragen (meist zwei) angeschliffene Schneiden, um die Oberbuchse teilweise oder ganz zu entfernen. Eine weitere Differenzierung sind die Werkzeuge mit zwei Schneidkanten im vorderen Bereich des Konus, wie z.B. bei den „REM Werkzeugen“ von FLOWDRILL®. In den letzten Jahren wurden neue Werkzeuge zur Bearbeitung von weichem Kohlenstoffstahl, sowie für andere weiche Werkstoffe, wie Aluminium, Aluminiumschaumplatten und Verbundwerkstoffe entwickelt. Diese neuen Werkzeuge besitzen eine dem Anwendungsfall angepasste Makrogeometrie mit geraden oder spiralförmigen Formstollenprofilen. Damit lässt sich die Verdrängung des Werkstoffvolumens beim Fließformvorgang gezielt beeinflussen[8]. Die Werkzeuge kommen an Maschinenspindeln mit hohen Drehzahlen und hohen Vorschubgeschwindigkeiten zum Einsatz. Bei konstanter Vorschub- geschwindigkeit dringt das Werkzeug kontinuierlich in das Metallblech ein. Die Rotation des Werkzeugs erzeugt im Kontakt mit dem Werkstück Reibungswärme. Die Festigkeit des Materials (Fließspannung) wird herabgesetzt, das Werkzeug dringt leichter den Werkstoff ein und durch ihn hindurch. Zuerst erfolgt der Wärmeeintrag durch Reibung nur im 13 Spitzenbereich, dann zunehmend durch Reibung und Walkarbeit durch die Polygone im Konusbereich und zum Schluss nur noch gering im zylindrischen Teil. Anschließend steigt der Wärmeeintrag nochmals kurzzeitig beim Umformen und der Kragenbildung durch ein Pattdrücken des nach oben geflossenen Werkstoffes stark an. Der durch die Reibung erwärmt Werkstoff fließt bis zum Durchdringen der Spitze durch das Werkstück, entgegen der Vorschubbewegung nach oben und anschließend im wesentlichen nach unten und bildet den Durchzug, die charakteristische Buchse aus (Bild 2.2). In diesen Buchsen können z. B. anschließend Gewinde eingebracht werden. Diese kostengünstige Alternative ersetzt Gewindeeinsätze oder Schweiß- und Pressmuttern. Bild 2.2: Phasen des Fließlochformens Im Fertigungsprozess hängt die Qualität der Formgebung z.B. die Wandstärke, Form und Länge der Buchse sowie die Gratbildung und Einrisse am unteren Buchsenrand nicht nur vom Werkstoff sondern ganz entscheidend vom Werkzeug und den vorgegebenen Prozessparametern ab. Lopes und Weingaertner [3] erstellten eine einfache Klassifizierung zur Bewertung der Buchsenqualität (Bild 2.3). 14 Bild 2.3: Qualitätsklassen der Buchse bewertet anhand der Einrisse und des Grates an Buchsenende Das Verhältnis der Buchsenlänge zur Einrisslänge am unteren Buchsenende wird mit δ bezeichnet. Die Unterteilung der Qualität erfolgt, entsprechend der Einrisslänge in vier Gruppen. • Qualität 1 von 0% < δ < 10% • Qualität 2 von 10% < δ < 30%, • Qualität 3 von 30% < δ < 50% • Qualität 4 von 50% > δ. Buchsen mit Qualität 1 sind für die industrielle Anwendung am besten geeignet. Sie zeichnen sich durch eine ausreichende Wanddicke und Festigkeit, sowie eine minimale Einrisslänge am unteren Buchsenende aus. Die Qualität 4 weist unregelmäßige Wanddicken und große Einrisslängen auf. Ein Einbringen von auszugfesten Gewinden ist bei dieser Qualität nicht gewährleistet. Die Qualität der Buchsen hängt unmittelbar vom Werkstoff mit seinen thermischen Eigenschaften, seinen Legierungselementen, der Blechdicke, dem verwendeten Werkzeug, den Bearbeitungsparametern und dem Schmiermittel, ab. Die Anzahl der tragenden Gewindegänge in einem Bauteil, lässt sich bei geringen Blechdicken, gegenüber einer Bohrung durch fließgeformte Buchsen deutlich erhöhen. Auch für andere industriellen Anwendungen sind diese Buchsen oftmals von Vorteil. Grafik 2.1 zeigt für einen Fließlochformprozesses, mit konstanter Vorschub- geschwindigkeit, den zeitlichen Verlauf der Vorschubkraft und des Drehmoments. Die Aufnahme der Prozessparameter erfolgte mit einem 4- Komponenten Dynamometer der Fa. Kistler. In der ersten Phase, nach dem Kontakt des Werkzeugs mit dem Werkstück steigt die Axialkraft in kurzer Zeit, aufgrund des Axialvorschubs, der noch geringen Reibung und geringen Erwärmung und des noch hohen Werkstoff- 15 widerstandes, zwischen der Werkzeugspitze und dem Werkstoff bis zum Durchtritt der Werkzeugspitze steil an. Die Kontaktfläche und damit die Reibfläche nimmt während dieser Phase stetig zu. Durch den erhöhten Wärmeeintrag sinkt der Fließwiderstand in der Wirkzone. Der verdrängte Werkstoff fließt entlang dem Werkzeug nach oben, das Werkzeug heizt sich und den Werkstoff im Kontaktbereich, aufgrund der Reibung, auf. Das Werkzeug durchdringt das Bauteil (Phase 2), die Buchse wird durch den nun eintretenden Konusbereich aufgeweitet und nimmt ihre endgültige Länge an. Die Erwärmung in der Wirkzone erreicht ihr Maximum. Durch den kontinuierlich weitergehenden Vorschub kommt nun der zylindrische Teil zum Eingriff. Er kalibriert die Bohrung, wobei die Umformarbeit nur noch vom elastischen Anteil, der sich bereits abkühlenden Buchse, abhängt. Die Vorschubkraft sinkt stark ab. In der letzten (Phase 3) trifft der Werkzeugkragen auf den nach oben geflossenen Werkstoff, formt die Oberbuchse zu einem Bund und legt diesen an die Bauteiloberfläche an. Die Vorschubkraft steigt, je nach Vorschubhalt, bis zu einem Maximum steil an. Sie hängt vom Umformvorgang und von der aktuellen Fließspannung des Kragenwerkstoffes und damit von dessen Temperatur ab. Grafik 2.1: typische Phasen des Fließlochformprozess 16 Das Drehmoment weist in der ersten Phase einen annähernd linearen Anstieg auf. In der zweiten Phase nimmt es bis zur Ausbildung des Buchsendurchmessers durch den Werkzeugkonus weiter zu, um dann, während die Buchse nur noch durch den zylindrischen Teil kalibriert wird, auf ein Minimum abzufallen. In der letzten Phase, der Formung und Bildung des Bundes, steigt das Moment wieder kräftig an. 2.3 Gewinden Grundlagen In technischen Produkten besteht vielfach die Forderung, unterschiedliche Bauteile hochfest und trotzdem lösbar, miteinander zu verbinden. Schrauben und Befestigungsgewinde sind im Bereich der Bauteilemontage von großer Bedeutung. Gewinde sind je nach Einsatzgebiet einzuteilen in: • Befestigungsgewinde • Bewegungsgewinde • Dicht- und Verschlussgewinde • Messgewinde Problematisch ist vielfach die prozesssichere Herstellung kleiner Gewinde, vor allem in dünnen Blechen, dünnwandigen Rohren und Profilen. Vergleicht man die Spanvolumen, so sind die Herstellungskosten von Innengewinden oftmals deutlich höher als die Kosten der vorangehenden Bearbeitungen. Dies ist verständlich, wenn die Schwierigkeiten bei der Bearbeitung berücksichtigt werden. Das Verfahren ist aus technologischer Sicht sehr anspruchsvoll, da es sich um eine Innenbearbeitung handelt, bei der ein exaktes Profil mit engen Toleranzen entstehen soll. Der Fertigungs- prozess ist nicht einsehbar und zudem sind die Werkzeuge sehr bruch- gefährdet. Die Gewindeherstellung liegt in der Regel am Ende der Wertschöpfungskette, infolgedessen weist das Bauteil in dieser Stufe bereits einen hohen Wert auf. Aus diesem Grund ist das Verfahren üblicherweise für größte Zuverlässigkeit auszulegen. In diesem Zusammenhang ist die 17 Gestaltung der Werkzeuge, welche die entsprechenden Anforderungen an Prozesssicherheit erfüllen, ein Schlüssel für die wirtschaftliche Produktion. Gewindefurchen (RFL): Die Gewindeherstellung durch Kaltumformung hat bei vielen industriellen Anwendungen das Gewindebohren verdrängt. Es ist ein spanloses Verfahren, mit einer deutlich verbesserten Qualität der Gewinde. Ein Bruch der Gewindewerkzeuge ist, aufgrund des größeren Kernquerschnitts und der damit höheren Stabilität der Furcher, selten geworden. Sowohl beim Gewindefurchen als auch beim Gewindeschneiden entstehen Norm - Innengewinde, die austauschbar sind. Die Innengewindefertigung durch das Gewindefurchen ist mit dem Gewindewalzen zu vergleichen. Die kinematischen Bedingungen haben jedoch eher einen Zusammenhang mit der konventionellen Gewindefertigung. Der Hauptunterschied ist: Beim Gewindefurchen drücken sich die Gewindespitzen des Anformbereichs in den Werkstoff, der ausweicht, plastisch verformt wird und in die Zahnlücken des Formers fließt. Das Gewindefurchen ist in Fließlochbuchsen vorteilhaft einsetzbar. Da die Wanddicke der Buchse in der Regel sehr klein ist, nimmt beim konventionellen Gewindebohren das Werkzeug viel Material aus der Buchsenwand. Die Festigkeit des Gewindes wird geschwächt, die Ausreißfestigkeit sinkt. Beim Gewindefurchen wird kein Werkstoff aus der Buchse herausgeschnitten, sondern das Material wird nur verdrängt und zusätzlich verdichtet. Das Resultat ist ein Gewinde mit einer deutlich höheren Auszugsfestigkeit. Der Gewindefurcher (Bild 2.4) ist ein Werkzeug zur spanlosen Herstellung von Innengewinden. Er besitzt ein schraubenförmiges polygonartiges Gewindeprofil mit ineinander übergehenden Radien die Formkeile bilden. Das Werkzeug hat weder Spankammern noch Schneidkanten. Die Formkeile haben die Funktion, das Gewinde stufenweise bis zum vollständigen Profil auszuformen, und das entstehende Moment gering zu halten. Das Werkzeug hat am vorderen Ende einen konischen Anformbereich der sich, der sich ähnlich dem Anschnittbereich beim Gewindebohrer, über 18 mehrere Gewindegänge hinzieht. Hier wird die Umformarbeit, aufgeteilt auf die einzelnen Formstollen, geleistet. Bild 2.4: Gewindefurcher M10 für die Kaltumformung Der Anformbereich ist so bemessen, dass er leicht in das Werkstück eindringen und den Formvorgang einleiten kann. Das Formwerkzeug führt sich selbst im entstehenden Gewinde. Beim Einsatz eines Gewindefurchers entstehen immer lehrenhaltige Gewinde. Ein Gewindefurcher erzeugt keine Vorweite, es gibt kein Verschneiden und auch kein Nachschneiden beim Rücklauf. Zu beachten sind hier lediglich Aufschweißungen auf den Flanken oder ein Verschleiß der Formkanten. Aufgrund der spanlosen Fertigung eignet sich dieses Verfahren auch für die Gewindefertigung in Bauteilen in denen Späne störend sind, sich nur schwierig entfernen lassen oder auch für überlange Gewinde. Gewindefurcher weisen gegenüber Gewindebohrern eine wesentlich höhere Prozesssicherheit auf, die durch den deutlich größeren Querschnitt gegeben ist. Auf dem Markt sind verschiedene Werkzeugarten zu finden [9]. Bild 2.4 zeigt einen Gewindefurcher für ein Gewinde M10 mit fünf Formstollen. Das beim Gewindefurchen erforderliche Drehmoment hängt vom Vorbohrdurchmesser, dem Anformbereich, dem Formstollenprofil, der Umformgeschwindigkeit, dem Werkstoff und dem Schmiermittel ab. In den meisten Fällen entsteht ein Moment, das etwa 20% größer ist als beim Gewindeschneiden. Der Gewindefurchprozess kann im Werkstückgefüge, insbesondere bei einfachen und kohlenstofflegierten Stählen, Druck- Eigenspannungen erzeugen. Diese Druck-Eigenspannungen können dabei helfen, kritische Spannungskonzentrationen abzubauen. Dasselbe kann auch bei weichen Werkstoffen wie Kupfer und Kupferlegierungen eintreten. 19 2.4 Bearbeitungsdaten Das Fließlochformverfahren ist ein „junges Fertigungsverfahren“, erprobt und bereits vielfach genutzt, wissenschaftlich jedoch nur wenig erforscht. Seine Anwendungsmöglichkeiten wurden in den Betrieben, in denen es eingeführt wurde, durch „TRAY and ERROR“ ermittelt. Die meisten Daten für den Einsatz der Fließlochwerkzeuge stammen von der Firma FLOWDRILL® [1], aus praktischen Einsätzen und aus experimentellen Untersuchungen europäischer Universitäten. FLOWDRILL® stellt, soweit vorhanden, Tabellen von Einstelldaten für die Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe zur Verfügung. Aus ihnen können sowohl die Umfomgeschwindigkeit in [m/min] als auch der Vorschub in [mm/U], in Abhängigkeit der einzusetzenden Werkzeuge und des zu bearbeitenden Werkstoffs ausgewählt werden. Das IPL der Universität Kassel bearbeitete mehrere Industrieprojekte zum Thema Fließlochformen [4, 5, 6 ], in denen charakteristische Werkstoffe bearbeitet wurden, wie z. B. Stahl mit niedrigem Kohlengehalt C45, Chrom- Molybdän-Stahl und Aluminiumlegierungen, wie sie heutzutage im Bereich der Automobilindustrie eingesetzt werden. Die Untersuchungen dieser Arbeiten befassten sich mit dem Einsatz von verschiedenen Fließlochformergrößen und -geometrien auf festgelegten Werkstoffen. Mit Hilfe der modernen Ausstattung an Messgeräten war es möglich, günstige Bearbeitungsdaten in Hinblick auf die Buchsenqualität zu ermitteln. Bei den Untersuchungen wurden die Vorschubkräfte und Drehmomente und an speziellen Bauteilen die entstehenden Temperaturen gemessen. Im Fall des Gewindefurchens stammen die Bearbeitungs- parameter aus dem Gewinde-Werkzeugkatalog für Kupfer, Kupfer- legierungen und α-Messing, der Firma EMUGE® [10]. Das Standardeinsatzgebiet für dünne Bleche und rohrartige Profile aus Kupfer sind Wärmetauscher unterschiedliche Zwecke. Ein wichtiges Produkt davon sind Solar-Wärmetauscher, bei denen es erforderlich ist, Rohre mit kleinem Durchmesser in Rohre mit großem Durchmesser durch Hartlöten senkrecht einzulöten. Dies lässt sich mit genormten Teilen (Fittings) wie z.B. T-Stücken aus Kupfer durchführen. Das große Rohr ist hierbei an der Verbindungsstelle noch mit einer Bohrung zu versehen und zu entgraten. 20 Den gleichen Zweck erfüllt eine durch Fließlochformen gefertigte Buchse im größeren Rohr. Diese Fließlochbohrung ist ausreichend für das Einstecken der kleinen Rohre. Gleichzeitig bringt sie eine hohe Stabilität und Lagesicherung vor dem Löten und eine ausreichende Lötfläche mit sich. Die T-Stücke fallen weg, der Spareffekt ist hoch. Dies sind wichtige Vorteile bei der industriellen Herstellung. 2.5 Kristalline Veränderungen im Material Bild 2.2 zeigt, die Erwärmung der Stähle beim Fließlochformen. Die Wirkzone wirkt hellgelb, was einer Temperatur von ca.1200 °C entspricht [11]. Bei dieser Temperatur wird die thermische Fließgrenze erreicht, bei der zwangsläufig neue Gefügestrukturen entstehen. Die starke Verformung bei der Entstehung der Buchse verursacht einen Gefügeübergang, bei dem die ursprüngliche Korngröße sich durch eine thermische Gefügeumbildung verkleinert. Auf Grund der unterschiedlichen Korngrößen lassen sich Härteunterschiede am Rand und in der Umgebung der Buchse feststellen. Außerdem verursacht das Verfahren mechanische und physikalische Veränderungen auf Grund der Energiefreigabe. Hierbei bieten die neugebildeten kleineren Körner höhere Festigkeitswerte und eine höhere Fließgrenze. Infolge der genannten thermischen Aktivität bilden sich neue Versetzungen am Rande des Buchsenloches, was eine Umordnung der Atome verursacht. Während der Gefügeumbildung bleiben die Körner energetisch aktiv, während die Erholung derselben noch nicht zu Ende ist. Dies führt zu axialen X-förmigen Kristallen mit einer niedrigen Versetzungsdichte. In dieser Phase erreichen die Kristallkörner ihr Gleichgewicht. Sobald die Gefügeumbildung beendet ist, bleiben die Körner, die sich am Rand befinden, noch kurzfristig thermisch aktiv und wachsen. In ersten Untersuchungen an Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt oder weichen Stählen, wie dem SAE 1008, 1015 und 1020 [12, 13, 14] erfolgte die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung mit einem Funken- Spektrometer [15]. In der vorliegenden Arbeit wurde in der gleichen Weise vorgegangen. Ein digitales Metallmikroskop [16] und ein 21 Bilderfassungssystem dienten zur Bestimmung der Korngröße an den Fließlochbuchsen in den dünnen Blechen aus Kupfer und α-Messing. Es ließen sich große Ähnlichkeiten mit den an weichem Kohlenstoffstahl entstandenen Körnern feststellen. Die bei der Gefügeumbildung entstandenen kleineren Körner, an den Fließlochbuchsen haben, nach der Bearbeitung durch das Gewindefurchen, eine größere Härte als die des ursprünglichen Werkstoffs. Dies ist auf den Umformprozess bei der Gewindefertigung zurückzuführen. In Zugversuchen konnte dies bestätigt werden [12, 13]. Die Bestimmung der Härte erfolgte mit einem Mikrohärtetester [17]. 2.6 Bleche und Rohre aus Kupfer und Alpha-Messing In dieser Arbeit kamen handelsübliche Legierungen aus chilenischer Produktion, die einfach zu erwerben sind, zum Einsatz[18]. Die deutschen α- Messinglegierungen besorgte in Deutschland das IPL [12]. Die Bestimmung der chemische Zusammensetzung erfolgte mit einem Funken-Spektrometer [15]. Folgende Werkstoffe wurden in den verschiedenen Abschnitten der Testreihen untersucht: 2.6.1 Dünne Chilenische Kupferbleche Tabelle 2.1 zeigt die chemischen Zusammensetzungen der Kupferbleche. Sie weisen Spuren verschiedener Elemente auf. Dabei sind Nickel und Zink die häufigsten. Die Zusammensetzung entspricht DIN 1787. Dicke Cu Zn Ni Si P S Fe 1,0 mm 99,35 0,16 0,40 0,01 0,05 0,01 0,01 1,5 mm 99,35 0,16 0,39 0,01 0,04 0,01 0,03 2,0 mm 99,35 0,16 0,40 0,01 0,04 0,01 0,03 Tabelle 2.1: Chemische Zusammensetzung der Kupferbleche in % [19] 22 2.6.2 Chilenische Messinglegierungen Die chemische Zusammensetzung der α-Messingbleche zeigt Tabelle 2.2. Sie entspricht DIN 17660. Dicke Cu Zn Ni Al Mn Fe Si 1,0 mm 75,77 23,81 0,09 0,004 0,02 0,22 0,05 1,5 mm 75,27 24,33 0,10 0,005 0,02 0,18 0,07 2,0 mm 75,85 23,90 0,10 0,004 0,02 0,03 0,06 Tabelle 2.2: Chemische Zusammensetzung der chilenischen Messingbleche in % [19] 2.6.3 Deutsche Messinglegierungen Die chemische Zusammensetzung der Messingbleche zeigen die Tabellen 2.4 und 2.5. Diese Bleche kamen bei den Untersuchungen zwischen den deutschen und den chilenischen Messinglegierungen im Vergleich zum Test. Die chemische Zusammensetzung der chilenischen Legierung, ist ähnlich der Legierung des 2mm Bleches in Tabelle 2.2, und ist nochmals in Tabelle 2.3 gezeigt. Element Cu Zn Ni Al Mn Fe Si Anteil % 75,85 23,90 0,10 0,04 0,02 0,03 0,06 Tabelle 2.3: Chemische Zusammensetzung des chilenischen 2 mm Messingbleches. Element Cu Zn Al Mn Sn Si Pb Ni Anteil % 61,61 36,03 0,005 0,03 0,02 0,02 2,17 0,12 Tabelle 2.3: Chemische Zusammensetzung der deutschen Bleche N° 1. Element Cu Zn Al Mn Sn Si Pb Ni Anteil % 63,12 36,74 0,007 0,03 0,000 0,02 0,000 0,08 Tabelle 2.4: Chemische Zusammensetzung der deutschen Bleche N° 2. 23 2.6.4 Eigenschaften der Werkstoffe Die Kupferbleche besitzen durchgängig 99,35 % Kupfer und nur geringe Anteile anderer Elemente. Für die wichtigsten industriellen Einsatzgebiete werden Bauteile durch die Bearbeitunsverfahren, Stanzen und Tiefziehen, z. B. für den Bau von Wärmetauschern hergestellt. Rohrleitungen aus Kupfer sind hervorragend für den Transport von Flüssigkeiten sowie, wegen ihrer guten Wärmeleitung, für den Bau von Solar-Wärmetauschern geeignet. Andere Legierungen, wie Kupfer-Silber-Legierungen finden für den Bau von elektrischen Hochspannungstransformatoren und als Verbindungselemente Verwendung. Hierbei kommen ebenfalls die Bearbeitungsverfahren Fließlochformen und Gewindefurchen zum Einsatz. In α-Messinglegierungen ist Kupfer das Grundelement. Das Legierungs- element ist Zink. Die unterschiedlichen Anteile, die von ca. 24% bis etwa 40 % reichen, verleihen den Legierungen besondere Eigenschaften. Die deutsche Legierung N°1 enthält zusätzlich 2,2 % Blei. Diese Legierung findet häufig bei Messingblechen zum Stanzen und Tiefziehen ihr Einsatzgebiet. Bei der Zerspanung von Stangenmaterial erleichtert Blei den Spanbruch. Diese Legierung empfiehlt sich nicht für das Fließlochformen [20]. Aufgrund des Bleianteils reißen die Buchsen stark ein. Die deutsche Messinglegierung N°2 besteht neben Kupfer zu 36 % aus Zink. Die chilenische hat dagegen nur 24 %. Diese Legierungen kommen häufig beim Stanzen von Metallteilen, sowie für die Herstellung von Artilleriegeschossen und Geschosshülsen, zum Einsatz. Beide Legierungen haben ein hervorragendes Umformverhalten, das beim Fließlochformen und Gewindefurchen von Vorteil ist[19]. 24 3 Stand der Technik 3.1 Fliesslochformen Die ersten wissenschaftlichen Informationen über Fließlochformen stammen von Kretschmar(7). Er untersuchte als Erster dieses Verfahren. Der Versuchsaufbau bestand aus einer Tischbohrmaschine, die er über einen einfachen Mechanismus mit konstanter Vorschubkraft betrieb. Im Vordergrund standen für Kretschmar die Prozessanalyse und die Erklärung der grundlegenden Zusammenhänge. Im Jahr 1995 veröffentlichte Lopes [21] seine Untersuchungen über Fließlochformen auf modernen Produktionsmaschinen. Er führte eine Reihe von experimentellen Untersuchungen an dünnen Blechen aus verschiedenen Metallen durch. Aufgrund der gemeinsamen akademischen Kontakte besuchte Lopes im Jahr 1995 das Labor für Fertigungsverfahren und Materialien (LPM) der Universität von Tarapacá. Hier wurden Reihenuntersuchungen in dünnen Kupferblechen durchgeführt. Ende 1995 fand eine Arbeitsbesprechung über das Fließlochfomen in der staatlichen Universität Santa Catarina in Brasilien statt. Aus dieser Besprechung entstand die internationale Zusammenarbeit zwischen der Südamerika-Gruppe (Brasilien, Argentinien und Chile), dem IPL (Universität Kassel, Deutschland) und der Firma FLOWDRILL B.V. (Holland). Die Mitglieder dieser Sitzung entschieden, dass die UTA-Gruppe den Forschungsbereich, dünne Bleche aus Kupfer und Kupferlegierungen sowie Rohrleitungen aus Kupfer, für den Aufbau von Solar-Wärmetauschern zur Wassererwärmung, bearbeiten soll. Die ersten experimentellen Untersuchungen mit dünnen Kupferblechen führte Verdejo [22] durch. Er fand heraus, wie die Drehgeschwindigkeit des Fließlochwerkzeugs und der Vorschub pro Umdrehung die Gratqualität am inneren Buchsenende beeinflussen. Nach der Werkzeuglieferung der Firma FLOWDRILL® war es möglich, die ersten experimentellen Arbeiten mit weichen Kohlenstoffstählen von Vivanco [12], Stagnaro [13] und Ramirez [14] durchführen zu lassen. Die chemische Zusammensetzung der Werkstoffe erfolgte mit einem Funken-Spektrometer [15]. Die experimentellen Arbeiten der UTA-Gruppe wurden erweitert, als 25 diese den Zuschlag für ein Projekt der FONDEF (CONICyt) erhielt, (Godoy) [23]. Dieses Projekt erlaubte Beschaffung der Einrichtung eines kompletten mechanischen Laboratoriums mit Betriebsmitteln der neuesten Generation (Idelfonso und Vega) [24], mit Messtechnik und Rechensystem für die Datenerfassung, -bearbeitung und -speicherung (Mansilla) [25]. Die UTA-Gruppe machte bei den Untersuchungen zum Fließlochformen und Gewindefurchen in dünnen Blechen und Rohren aus Kupfer und Kupferlegierungen einen weiteren großen Schritt nach vorn, als sie den Zuschlag für das ALECHILE-Projekt in Zusammenarbeit mit dem IPL der Universität Kassel [2] im Jahr 1999 erhielt. In diesem Projekt kamen Werkzeuge der Firmen FLOWDRILL® und ZECHA® zur Untersuchung. Das Projekt dauerte 6 Jahre, und lief im Jahr 2005 aus. Die Arbeitsgruppe setzte sich gemeinsam mit dem IPL das Ziel, ein verbessertes Kombinations- werkzeuges für die Bearbeitung dünner Bleche aus Kupfer und seinen Legierungen wie α-Messing zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit Oviedo, Quispe [19], Morales [20] und Damm [26] wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Damm modellierte das Fließlochformen- verfahren mit Hilfe finiter Elemente und entwickelte in Zusammenarbeit mit Araya [27] das Kombinationswerkzeug. Den von Carmona [28] durchgeführten experimentellen Arbeit, über Fließlochformen in Rohren aus Kupfer, folgten eine Reihe wissenschaftlicher Untersuchungen, die sich mit der Anwendung dieses Verfahr ns bei der Konstruktion, dem Bau und der Erprobung von Solar-Wärmetauschern beschäftigten, Jeria & Tapia [29], Palma [30] und Carmona & Sciaraffia [31]. Leichtmetalle wie Aluminium und Aluminiumlegierungen sind ebenso strategisch wichtige Werkstoffe, die großindustriell in den USA der EU und weiteren Ländern eingesetzt werden. Es sind weiche, leicht bearbeitbare Werkstoffe mit guten mechanischen Kennwerten, Sie weisen ähnliche Eigenschaften uns Analogien wie die dünnen Bleche aus Kupfer und Kupferlegierungen auf. Die von Lopes [4] im IPL durchgeführten Untersuchungen an dünnen Blechen aus Aluminium lieferten grundlegende Information für die Durchführung der Untersuchung an Blechen aus Kupfer und Kupferlegierungen. Gies [8], entwickelte für seine Untersuchungen von 26 verschiedenen Aluminiumblechen und Aluminiumschaumkonstruktionen neue Geometrien für Fließlochformer. Über Werkzeuge mit gedrallten Drückkanten gelang es ihm den Materialfluss gezielt nach unten in die Buchse oder nach oben in den Bund, im begrenzten Umfang, zu steuern. Versuche das Fließlochformen von dünnen Blechen aus Magnesium und Magnesiumlegierungen zu untersuchen, scheiterte an der Kaltsprödigkeit. S. Millar [32] und sein Arbeitsteam der Michigan Universität in den USA beschäftigen sich zur Zeit ebenfalls mit experimentellen Untersuchungen über das Fließlochformen in dünnen Blechen aus verschiedenen Werkstoffen. Bis heute liegen noch keine Veröffentlichungen zu den Untersuchungsergebnissen über dünne Kupferbleche vor. Die Hersteller von Fließlochformern präsentieren im Internet Informationen über ihre Werkzeuge und deren Anwendungen. Auf der Messe „EURO Blech 2006“ [33] zeigte die Firma FLOWTEC® unterschiedliche Anwendungen ihrer Werkzeuge. Leider stellten sie u. a. bearbeitete Rohrleitungsprofile aus Kupfer mit Buchsen der ungenügenden Qualität 4 und starken Einrissen und Grat am Buchsenende vor. 3.2 Gewindefurchen In Chile führten die ersten experimentellen Untersuchungen mit Gewindefurchern Vivanco [12], Stagnaro [13] und Ramirez [14] an weichen Stählen, wie C1008, C1015 und C1022, durch. Hierzu benutzten sie die im Jahr 1996 verfügbaren Werkzeuge der Firma FLOWDRILL®. Im Rahmen des ALECHILE-Projektes erfolgte ab dem Jahr 2000 die Erweiterung die experimentellen Arbeiten auf das Gewindefurchen von Blechen aus Kupfer und Kupferlegierungen. Die Versuche begannen Oviedo [19], Quispe [19], Morales [20] und Araya [27] mit Werkzeugen der Firma FLOWTAP®. Dabei kamen neuere Werkzeuge mit speziellen Geometrien für Buntmetalle und mit TiN und TiCN Beschichtungen zum Einsatz. Holsten [34], gelang es die inneren Werkstoffspannungen während des Gewindefurchens durch Berechnungen mit Hilfe der Finite-Elemente- Methode, sichtbar zu machen. 27 3.3 Verwendete Anlagen Die Versuche wurden anfangs auf herkömmlichen Werkzeugmaschinen durchgeführt. Dabei kam eine Kopierfräsmaschine [35] und eine Säulenbohrmaschine [36] zum Einsatz. Beide hatten für die Versuche zu niedrige Spindeldrehzahlen, kleinen automatisierten Vorschub und nur eine geringe Antriebsleistung. Als Messmittel standen ein Metallmikroskop mit Kamera [16] und einem Mikrohärtetester [17] zur Verfügung. Die Unterstützung der regionalen Industrie gewährleistete die Analyse der chemischen Zusammensetzung der zu bearbeitenden Werkstoffe 15]. Über das Projekt FONDEF [23] gelang eine umfassende Modernisierung des Versuchslabors. Zur Beschaffung war freigegeben, ein CNC-Bearbeitungs- zentrum mit großen Drehzahl- und Vorschubgeschwindigkeitsbereichen sowie die dazu notwendigen Versuchseinrichtungen, wie z.B. ein Bilderfassungssystem, und eine Videokamera für ein vorhandenes Metallmikroskop, ferner die Prozessmesstechnik, ein piezoelektrisches Vierkomponenten Dynamometer [38], mit dem dazugehörigen Datenerfassungssystem [39], die Messsoftware [40], die Software zur Datenbearbeitung [41] sowie eine optisch gesteuerte Werkzeugschleif- maschine. Für die Zugversuche kam eine vorhandene Universalprüf- maschine [43] zu Einsatz. 28 4 Versuche 4.1 Einleitung Verdejo [22] setzte in seinen ersten experimentellen Untersuchung im Jahr 1997 Fließlochwerkzeug der Art REM mit einem Durchmesser von 7,2 mm ein. Der untersuchte Werkstoff war dünnes Kupferblech mit 1 mm Dicke, 300 mm Länge und 900 mm Breite. Daraus wurden Proben von verschiedenen Breiten und Längen angefertigt. Diese Arbeit lieferte grundlegende Informationen über, den Aufbau der Experimente, die Möglichkeiten der Probenbefestigung, den Einflusses der Spindeldrehzahl und des Vorschubs, auf die Einriss- und Gratbildung am unteren Buchsenende. 4.2 Planung 4.2.1 Versuche mit dünnen Metallblechen Bei der Versuchsplanung waren die verfügbaren Werkzeuge und das zum Fließlochformen notwendige Zubehör, das die Firma FLOWDRILL® zur Verfügung stellte, rationell und umsichtig zu planen. Die Versuchsanlagen im Labor der mechanische Bearbeitung [24] wurden für dieses Projekt neu ausgelegt und eingerichtet. Aufgrund dessen wurde/n: a) dünne Bleche aus Kupfer und α-Messing von 1,0; 1,5 und 2,0 mm Dicke beschafft, b) berücksichtigt, dass die Proben innerhalb des 100 mm Durchmessers des piezoelektrischen Dynamometers lagen, c) Probestücke von 10mm x 10mm Größe aus dem Blech entnommen, um die chemische Zusammensetzung [15] zu bestimmen, d) unter Berücksichtigung der Probenabmessungen eine Spannvorrichtung entworfen und angefertigt. e) das Bearbeitungszentrum mit Hilfe seiner Bedienungsanleitung in Betrieb genommen, die Arbeitsschritte für das Fließlochformen und 29 Gewindefurchen programmiert und die Werkzeuge in der programmierten Reihenfolge in das Magazin eingesetzt, f) das Datenverarbeitungssystem [25] in Betrieb genommen, um die analogen Messwerte von Vorschubkraft und Drehmoment aus dem piezoelektrischen Dynamometer aufnehmen zu können und um die Temperaturen von zwei Thermoelementen beim Fließlochformen und die Motorleistung des CNC-Bearbeitungszentrums zu messen, g) eine Methode der statischen Kalibrierung des piezoelektrischen Dynamometers entwickelt. Die Kalibrierung der Axialkraft erfolgte mit einem geeichten Gewicht von 10 kg, die Kalibrierung des Drehmoments erfolgte mit einem Drehmomentschlüssel. Eine hierfür erstellte Bedienungsanleitung erleichterte die Einarbeitung am Versuchsstand. h) eine Spannvorrichtung entworfen, siehe Bild 5.73, um die Innengewinde auf Ausreißfestigkeit mit der Universal Prüfmaschine [42] zu testen. Diese Vorrichtung bestand aus zwei Teilen. Der Zugteil fasst das obere Rohr mit dem gefurchten Innengewinde in der beweglichen Traverse, der andere Teil ist am unteren Spanntisch der Prüfmaschine angebracht, wo sich die Stahlschraube oder das Zugelement für den Zugversuch befindet. i) mit den erwähnten Einrichtungen die Zugversuche, der durch Fließlochformen vorbereiteten Lötverbindungen und die Ausreißversuche, an den durch Gewindefurchen, erzeugten Gewinde durchgeführt. 4.2.2 Versuche mit Rohrleitungen aus Kupfer Hierfür wurde/n: j) kommerzielle Rohre aus Kupfer von 3/8“ und 1“ Innendurchmesser mit einer Wanddicke von 1,3 mm Typ L [18] beschafft, k) spezielle Fließlochformer für die Außendurchmesser der 3/8“, 1/2“ und 3/4“ Rohre, die mit den Kupferrohren im Winkel von 90°, mit Hilfe von Hartlot aus Zinn-Silber-Legierungen, für den Bau von Solarwärme- tauschern verbunden werden sollten, beschafft, 30 a b l) fünf Hartlote, unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlichen Schmelzpunkten, für die Kupfer-Kupfer-Verbindungen beschafft. Die genauen Angaben werden in Kapitel V, Tabelle 5.4, Seite 94, wieder- gegeben, m) eine angepasste Vorrichtung, siehe Bild 5.89, für den Zugversuch der im Winkel von 90° verlöteten Rohre, für den Bau von Solar- Wärmetauschern, entworfen und hergestellt. Die Vorrichtung spannt das dickere 1“ Rohr in der unteren starren Befestigungsvorrichtung. Die Spannung der im Winkel von 90° eingelöteten kleineren 3/8“ Rohre erfolgt in der oberen beweglichen Traverse der Universal Prüfmaschine, siehe dazu auch Kapitel V. 4.3 Probenvorbereitung Blechproben: Für die Untersuchung lagen Bleche aus Kupfer und Messing mit einer Dicke von 1,0; 1,5 und 2,0 mm, einer Länge von 1000 mm und einer Breite von 900 mm vor. Hieraus wurden Proben mit einer Größe von 75±0,3 mm Breite und einer Länge von 100±0,3 mm entnommen [19] (Bild 4.1 a, b). Mit diesen Maßen war sichergestellt, dass die Kraft- und Momentenmessung, aus den Versuchen beim Fließlochbohren und Gewindefurchen, innerhalb des Aufnahmebereiches des piezoelektrischen Dynamometers liegt. Der Messbereich beträgt 100 mm im Durchmesser. Bei dieser Größe konnten acht Löcher in das Blech geformt werden. Bild 4.1: Probe aus Kupfer- (a) und α-Messingblech (b) 31 Die Vorrichtung zur Aufnahme der Proben, auf der 8 Buchsen ohne Umspannung erzeugt werden konnten, zeigt Bild 4.2. Die Vorrichtung ist auf der oberen Platte des Dynamometers [19] mit Schrauben befestigt (Bild 4.2 a: min Probe, b: ohne Probe). Das IPL lieferte zwei Bleche einer deutschen Kupferlegierung mit 800 mm Länge und 30 mm Breite. Über einen Adapter konnten auch diese Probestreifen mit 30 mm Breite und 100 mm Länge, auf der Vorrichtung gespannt werden. Bild 4.3 zeigt das angepasste Befestigungssystem mit und ohne Probe. Es erlaubte die Anfertigung von 5 Fließlochbohrungen. Mit diesem Versuchsaufbau war es möglich Vergleichsversuche zwischen der chilenischen Kupfer-Zink-Legierung (Tabelle 2.3) und der deutschen Kupfer- Zink-Blei-Legierung N° 1 (Tabelle 2.4) und der deutschen Kupfer- Zink- Legierung N° 2 (Tabelle 2.5) durchzuführen. Bild 4.2: Spannvorrichtung, a mit Probe, b ohne Probe 32 Bild 4.3: Angepasste Vorrichtung für 30 mm breite Bleche, a mit Probe, b ohne Probe Rohrproben: Als Ausgangsmaterial für die Proben dienten 6 m lange handelübliche Kupferrohre des Typ L. Die Rohre mit dem Innendurchmesser von 1“ wurden in je 1 m lange Stücke geschnitten, die als Versuchswerkstücke dienten. In diese Teilstücke wurden durch Fließlochformen Buchsen eingebracht Nach dem Fließlochformen erfolgte die Trennung in Abschnitte von 20 mm Länge, um die Maß- und Formgenauigkeit der entstandenen Buchsen zu messen. Anschließend erfolgte die Herstellung, der 90°- Verbindung zwischen den 3/8“- und 1“-Rohren, durch Hartlöten. Die Festigkeit dieser Verbindungen wurde durch Zugversuche ermittelt, siehe Kapitel V. 4.4 Werkzeuge Tabelle 4.1 zeigt die verwendeten Werkzeuge. Kurze Fließlochformer für Gewindebuchsen, lange Fließlochformer für zylindrische Lötbuchsen, HSS- Bohrer für die Vorbohrung und Gewindefurcher für die Herstellung der Gewinde in den fließgeformten Buchsen. 33 Werkzeugdurchmesser in [mm] kurze Fließlochformer lange Fließlochformer HSS Spiralbohrer Gewindefurcher 4,5 4,5 1,5 M-5 5,3 5,3 1,5 M-6 7,3 7,3 2,5 M-8 9,2 9,2 2,5-3,0 M-10 Tabelle 4.1: Werkzeuge für das Fließlochformen und das Gewindefurchen Tabelle 4.2 zeigt kurze Fließloch-Sonderwerkzeuge für das Fließlochformen in vorgebohrten Löchern für Kupferrohre. Die Maße in mm entsprechen dem Außendurchmesser der Kupferrohre von Typ L, deren Innendurchmesser sind in Zoll genannt. Werkzeugdurchmesser kurze Fließlochformer [mm] für Kupferrohre in Zoll 12,8 3/8” 15,9 1/2” 22,3 3 /4” Tabelle 4.2: Fließlochformer für handelsübliche Kupferrohre Für das Vorbohren kamen HSS-Spiralbohrer mit unterschiedlichen Durchmessern zum Einsatz. Sie erlaubten, beim Fließlochformen, verschiedene Buchsenlängen herzustellen um bestmögliche Verbindungen zwischen den 3/8“-Rohren und dem 1“-Rohr zu erreichen, wie im Kapitel V beschrieben. Die verwendeten Bearbeitungsparameter , stützen sich auf die Arbeiten von Lopes [4] und Heiler [5]. 34 4.5 Versuchsaufbau Montage/Anlagen/Software 4.5.1 Vertikales CNC Bearbeitungszentrum von HAAS Als Werkzeugmaschine für die Herstellung der Fließlochbohrungen kam ein CNC Bearbeitungszentrum von HAAS, mit Vertikalspindel, Model VF-OE, mit einem Arbeitsbereich von 750 mm in der X-Achse und je 450 mm in Y- und Z- Achse, zum Einsatz. Die Maschine besitzt ein Magazin für 20 Werkzeuge. Die Spindeldrehzahlen reichten von 10 bis 10.000 U/min. Der Hauptmotor hat eine Leistung von 14,7 KW. Er ist ohne Zwischengetriebe direkt an der Spindel befestigt und elektronisch gesteuert. Bild 4.4 zeigt das CNC Bearbeitungszentrum mit einem eingespannten Fließlochwerkzeug und dem Versuchsaufbau zur Erfassung der Prozesskräfte, aufgebaut auf dem Fräsmaschinentisch. Daneben steht ein Reck mit dem Messverstärker, der mit der Datenerfassungskarte [25] des Rechners verbunden ist und dem Monitor zur Anzeige der Messwerte. Bild 4.4: Gesamtansicht des Bearbeitungszentrums mit dem Datenerfassungssystem 35 4.5.2 Piezoelektrisches Dynamometer Die Ermittlung der Prozesskräfte und des Drehmoments erfolgte über ein piezoelektrisches Dynamometer Typ 9272, der Fa. Kistler, siehe Bild 4.5. Die Messsignale in Form von Ladungen wandelt ein Ladungsverstärker, Typ 5019B, in spannungsproportionale Signale. Das Dynamometer erlaubt die Erfassung der Zerspankraft, zerlegten in die drei kartesischen Zerspankraft- komponenten Fy, Fx und Fz sowie des Drehmomentes Mz. Für die vorliegenden Untersuchungen genügte es, die Vorschubkraft (Axialkraft) und das Drehmomentes Mz zu erfassen. Bild 4.5 zeigt das piezoelektrische Dynamometer mit der Befestigungsvorrichtung für die Blechproben, die es erlaubte, acht Buchsen in Bleche zu furchen, ohne das Bauteil umzuspannen. Die Messvorrichtung ist auf dem Tisch des Bearbeitungszentrums montiert. Über der Vorrichtung ist der FLOWDRILL Werkzeugträger mit einem Fließlochformer zu sehen. Bild 4.5: Blick auf das piezoelektrische Dynamometer mit der Befestigungsvorrichtung Bild 4.6 zeigt das Bild des Datenerfassungssystems in einem beweglichen Regal. Der Kraftverstärker Typ 5019 ist mit dem Anschluss RS 232 des Pentium II Rechners verbunden. Der Rechner besitzt eine Datenerfassungskarte DAS 802 [39], die das Programm TESTPOINT [40] ansteuert. Alle während der Versuche aufgenommenen Signale sind in 36 ASCII Dateien abgespeichert und lassen sich später durch die Software XAct [41] bearbeiten. Bild 4.6: Gesamtblick auf das Datenerfassungssystem 4.5.3 Datenerfassungskarte Die Karte DAS 802 kann bis zu 40 000 Daten pro Sekunde aufnehmen. Die Ansteuerung erfolgt mit einem von Mancilla [25], entwickelten Programm. Sie besitzt acht analoge und fünf digitale Eingänge. Vier dieser Eingänge belegte der Verstärker 5019 mit den Signalen Fy (Tangentialkraft), Fx (Passivkraft), Fz (Vorschubkraft) und Mz (Drehmoment um die Z-Achse). Die Aufnahme der Daten der Fz- und Mz-Anschlüsse erfolgte in Echtzeit. Zwei Anschlüsse nehmen die analogen Werte der Thermoelemente [46] auf. Die beiden letzten Anschlüsse stehen für die Überwachung der elektrischen Spannung und der Stromstärke des Hauptmotors zur Verfügung. Ein Spannungstransformator (380/12 V) und ein Stromwandler [25] bereiteten die Signale für die Messung auf. Diese Anordnung und ein mit TESTPOINT 37 [40] entwickeltes Softwareprogramm ermöglichten es, den Leistungs- verbrauch des Hauptantriebmotors während der Bearbeitung in Echtzeit zu messen, damit ließen sich auch die Anzahl der Aufnahmen und ihre Erfassungszeit frei wählen. Nach Beendigung der Datenerfassung gibt das Programm die gewonnenen und bearbeiteten Messwerte in Kurvenform auf dem Bildschirm aus. Die Daten liegen in digitaler Form (ACII) in einem Ordner auf der Rechnerfestplatte zur weiteren Verarbeitung mithilfe der Software Xact. Die Ablage erfolgt in jpg Dateien. Bild 4.7: Bildschirmansicht einer Axialkraft- und Momentenkurve. Bild 4.7 zeigt einen typische Verlauf der Axialkraft und des Drehmomentes in Abhängigkeit des Vorschubwegs, nach der Bearbeitung durch die Software XAct, auf dem Bildschirm. Die blaue Kurve stellt die Axialkraft Fz (Vorschubkraft) und die rote Kurve das Drehmoment dar. Diese Messwerte entsprechen den Ergebnissen bei der Bearbeitung eines dünnen Bleches aus α-Messing von 2 mm Dicke, mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 400 mm/min und einer Drehzahl von 1.250 U/min. 38 4.5.4 Kalibrierung des Dynamometers Die Kalibrierung des piezoelektrischen Dynamometers erfolgte für die Axialkraft durch Gewichtsbelastung mit einer geeichten Masse von 10 kg ≈ 98.1 N. Die Dauer der Belastung betrug ca. drei Sekunden. Die Kalibrierung des Drehmoments erfolgte über einen Drehmomentschlüssel mit 35 kgm ≈ 34.4 Nm. Diese Vorgänge wurden mehrmals zur Mittelung wiederholt. Die Empfindlichkeitseingestellung des Verstärkers wurde so vorgenommen, dass die Messwerte hinreichend genau mit den kalibrierten Richtwerten übereinstimmten. Bild 4.8: Versuchsaufbau für die Kalibrierung 39 4.5.5 Durchführung der Messungen Die Kalibrierung des Messaufbaus erfolgte täglich um eine einwandfreie Messwertaufnahme zu gewährleisten, Fehleinstellungen zu vermeiden und Drifterscheinungen zu kompensieren. Fließlochformen in dünnen Blechen: Der Ablauf der Untersuchungen des Fließlochformens erfolgte wie im folgenden beschrieben: a) Für die Testreihen wurden die Bleche durch Fließlochformen ohne Vorbohrung mit verschiedenen Drehzahlen und Vorschub- geschwindigkeiten bearbeitet. Das Ziel war, die Technologiedaten für die Herstellung von Buchsen der Qualität 1 zu ermitteln. War das nicht möglich, so wurde b) In Abhängigkeit des Fließlochformerdurchmessers mit einem HSS- Spiralbohrer (siehe Tabelle 4.1) vorgebohrt. Der Vorbohrdurchmesser betrug ca. 20%-40% des Buchsendurchmessers c) Diese Vorbohrung diente als Startbohrung, um mit verschiedenen Drehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten wieder günstige Technologiedaten für Buchsen der Qualität 1 zu ermitteln. d) Die in den Punkten a, b und c dargestellte Vorgehensweise, kam bei allen Blechen aus Kupfer und α-Messing zur Anwendung. e) Beim zuverlässigen Erreichen einer Buchsenqualität 1, erfolgte die Aufnahme und Speicherung der Prozessdaten für weitere Bearbeitungen. f) Die Fließlochbuchsen wurden zur Archivierung fotografiert. g) Probestücke wurden aus den Buchsen herausgetrennt, poliert und anschließend chemisch geätzt und ihre Gefügestruktur analysiert. Die entsprechenden Bilder [16] wurden ebenfalls abgespeichert. h) Die Mikrohärte wurde in vorgegebenen Buchsengebieten gemessen [17]. i) Gewinde wurden mit Gewindefurchern in die Buchsen eingebracht, die Gefügestruktur analysiert und anschließend die Härte im Gewindegebiet gemessen [17]. 40 j) Die Ausreißfestigkeit der Gewinde wurde in Zugversuchen ermittelt und die gewonnenen Ergebnisse erfasst. Fließlochformen in Kupferrohren Bei den Rohrleitungen aus Kupfer erfolgte die eben beschriebene Vorgehensweise analog j) In die Rohre wurden, ohne vorzubohren, durch Fließlochformen Buchsen eingebracht. k) Anschließend wurden Vorbohrungen mit HSS Bohrwerkzeugen unterschiedlichen Durchmessers hergestellt. Diese Bohrungen, mit kleinen Durchmessern, wurden durch Fließlochformer mit 12,8 mm Durchmesser zu Buchsen aufgeweitet. l) Die Buchsen mit der günstigsten Länge und einer Gratqualität 1 wurden bestimmt. m) Die Rohre wurden mit fünf verschiedenen Lötzusätzen für Kupfer- Kupfer-Verbindungen senkrecht miteinander verlötet. n) Mittels Zugversuche wurde die Zugfestigkeit im Verbindungsbereich und in der wärmebeeinflussten Zone geprüft. 41 5 Ergebnisse 5.1 Einleitung Das vorliegende Kapitel analysiert und bewertet die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen. Die Arbeiten erfolgten an dünnen Blechen aus Kupfer, Kupferlegierungen wie α-Messing sowie an handelüblichen Rohren aus Kupfer durch Fließlochformen und Gewindefurchen. Ebenso werden die Ergebnisse des Einsatzes eines kombinierten Fließlochformwerkzeugs (Compound) dargestellt. Die erste Arbeitsstufe richtete sich auf die Bearbeitung dünner Bleche aus Kupfer und α-Messing chilenischer Herstellung. Hierbei wurden günstige Bearbeitungsparameter in Bezug auf die Buchsenqualität und die Gratbildung bestimmt. Die zweite Arbeitsstufe konzentrierte sich auf den Einfluss der Legierungselemente in dünnen Blechen aus α-Messing. Als Vergleich kamen eine chilenische α-Messing-Legierung und zwei deutsche Legierungen zum Einsatz. Thermoelemente nahmen die Temperaturentwicklung nahe an der Wirkstelle auf. Dadurch ließ sich der Einfluss der Temperatur auf die Veränderung der Kristallstruktur sowie die Härte im Bereich der Buchsen untersuchen. Die anschließende Fertigung der Gewinde M-10 durch Gewindefurchen wurde hinsichtlich der Gewindeausformung, des Gefügeverlaufes und der Härte im Bereich der Gewindeflanken untersucht. Die dritte Stufe beschäftigte sich mit dem Verhalten der Werkzeuge zum Fließlochformen, speziell für die Bearbeitung von dünnen Blechen aus Kupfer und α-Messing. Die vierte Stufe dieser Arbeit richtete sich auf die Bearbeitung handelüblicher Rohre Typ L für den Bau von Solar-Wärmetauschern durch Fließlochformen mit und ohne Vorbohrung. Das angestrebte Ziel war es, gute Buchsen mit hoher Maß- und Formgenauigkeit, geringem Grat und günstiger Länge, für die 90°-Rohrleitungsverbindungen, die hartgelötet werden sollten, zu erzielen. 42 5.2 Fliesslochformen bei chilenischen dünnen Blechen aus Kupfer und Kupferlegierungen wie α-Messing In dieser ersten Arbeitsstufe erfolgte die Durchführung der experimentellen Untersuchungen an kommerziellen dünnen Blechen aus Kupfer und Kupferlegierungen wie α-Messing chilenischer Herstellung. Das Hauptziel dieser Stufe war die Gewinnung der besten Bearbeitungsparameter in Bezug auf geringe Einrisse und Gratentwicklung am Buchsenende. 5.2.1 Ermittlung günstiger Bearbeitungsparameter für eine gratarme Buchse der Qualität 1 Die folgenden Bilder beziehen sich auf günstige Bearbeitungsparameter für gratarme Buchsen der Qualität 1 in handelsüblichen chilenischen dünnen Blechen, aus Kupfer und der Kupferlegierung α-Messing, bei Blechdicken mit 1,0; 1,5; und 2,0 mm. Die Herstellung der Buchsen erfolgte durch Fließlochformen mit und ohne Vorbohrung. Bei den Versuchen ohne Vorbohrung war es nicht möglich, die Qualität 1 zu erzielen. Grafik 5.1 stellt die günstigsten Drehzahlen für die Bearbeitung dünner Bleche aus Kupfer mit der Dicke von 1,0; 1,5 und 2,0 mm dar. Mit Vorbohrungen war die Qualität 1 problemlos erzielbar. Für die Fließlochformer von 4,5mm und 5,3mm Durchmesser wurde ein günstiger Vorbohrdurchmesser von 1,5 mm ermittelt. Entsprechend kam ein Vorbohrer von 2,5 mm für die Fließlochformer mit den Durchmessern 7,3 und 9,2 mm zum Einsatz. Das Bild zeigt, dass für das Kupferblech von 1,0 mm Dicke höhere Drehzahlen notwendig sind als für dickere Bleche. Für die geringere Blechdicke wird etwa die doppelte Drehzahl benötigt. Dies ist notwendig, da aufgrund der reduzierten Reibfläche ein geringerer Wärmeeintrag erfolgt. Zudem führt die größere Oberfläche im Vergleich zum Volumen zu einer stärkeren Wärmeabstrahlung. 43 Grafik 5.1: Drehzahlen für Kupferbleche Grafik 5.2 zeigt günstige Vorschubgeschwindigkeiten für verschiedene Kupferbleche. Das Vorschubverhältnis ist direkt proportional zur Dicke. Je dünner das Blech, desto geringer soll der Vorschub sein, da auf Grund der Reibung zwischen Werkzeug und Werkstoff eine geringere Vorschubgeschwindigkeit mehr Wärme in das Bauteil einträgt, um den Werkstoff zu plastifizieren. Grafik 5.2: Vorschubgeschwindigkeiten für Kupferbleche Grafik 5.3 zeigt die Gesamtlänge der Buchsen der Qualität 1. Die Blechdicke, der obere Kragen und der Grat am unteren Ende sind mit 44 eingeschlossen. Bei der Bearbeitung mit einem Fließlochformer von 4,5 mm Durchmesser wurde eine Buchsenlänge von 9,2 mm erreicht, bei einem Fließlochformer von 5,5 mm Durchmesser eine Länge von 9,8 mm, bei einem Fließlochformer von 7,3 mm Durchmesser eine Länge von13,6 mm und bei einem Fließlochformer von 9,2 mm eine Buchsenlänge von 15,9 mm Durchmesser. Grafik 5.3: Buchsenlänge in Kupferblechen Grafik 5.4 zeigt günstige Drehzahlen, mit denen Buchsen mit einem minimalen Grat am Buchsenende (Qualität 1) bei dünnen Blechen aus α- Messing von 1,0; 1,5 und 2,0 mm Dicke herstellbar sind. Alle diese Bearbeitungen durch Fließlochformen wurden mit Vorbohrung ausgeführt. Die notwendigen Drehzahlen sind geringer als für Kupferbleche. Die Erklärung hierfür ist das Vorhandensein von Zink in der Legierung. Es reduziert die Wärmeleitfähigkeit, damit erfolgt ein schnelleres Aufheizen im Wirkzonenbereich und außerdem übernimmt es die Aufgabe als inter- kristallines Schmiermittel im Werkstoff und am Werkzeug. 45 Grafik 5.4: Drehzahlen für Bleche aus α-Messing Grafik 5.5 zeigt günstige Vorschubwerte für verschieden dicke Messingbleche. Ähnlich wie bei Kupferblechen ist für die Dicke von 1 mm der kleinste Vorschub erforderlich, um mit Hilfe der Reibung mehr Wärme im Blech zu initiieren und damit eine „Werkstoffplastifizierung“ herbei zu führen. Grafik 5.5: Vorschubgeschwindigkeiten für Bleche aus Messing 46 Grafik 5.6 zeigt die Gesamtlänge der Buchsen mit Qualität 1 bei Messingblechen. Die Werte sind den bei Kupfer erreichten ähnlich. Für die Bearbeitung mit Fließlochformern wurden folgend Buchsenlängen erreicht: • Fließlochformer 4,5 mm, Buchsenlänge 9,2mm • Fließlochformer 5,3mm, Buchsenlänge 9,8mm, • Fließlochformer 7,3 mm, Buchsenlänge13,6mm, • Fließlochformer 9,2 mm, Buchsenlänge 15,9 mm • Grafik 5.6: Buchenlänge für Messingbleche 5.3 Fliesslochformen in chilenischen und deutschen dünnen Messingblechen 5.3.1 Einleitung Die zweite Arbeitsstufe umfasste die Bearbeitung des Referenzwerkstoffes α-Messing mit 2 mm Dicke, mit einem Fließlochformer von 9,2 mm Außendurchmesser. Zunächst ohne und anschließend mit Vorbohrung, um im folgenden mit dem Gewindefurchen M10-Gewinde einzubringen. Ziel war die Ermittlung günstiger Bearbeitungsparameter für Buchsen mit der 47 Gratqualität 1. Es wurden eine chilenische Legierung (75 Cu, 25 Zn) und zwei deutsche (N°1: 61 Cu, 36 Zn, 2 Pb und N°2: 63 Cu, 36 Zn) ausgewählt. Nach den Versuchen erfolgte eine visuelle Beurteilung der Gratqualität am unteren Buchsenende und deren Dokumentation durch Fotos. Der Drehzahlbereich, für das Fließlochformen, ohne und mit Vorbohrung, lag bei 1000 bis 3000 U/min, der Vorschub bei 0,05 bis 0,5 mm/U. Weitere Versuche mit konstanter Umformgeschwindigkeit, die eine Reduzierung der Drehzahl des Fließlochformers in Abhängigkeit vom Konusdurchmesser notwendig macht, erzielten ebenfalls nur Buchsen- qualitäten der Klassen 3 bis 4. Für die Versuche mit Vorbohrung kam ein HSS-Spiralbohrer von 3,0 mm Durchmesser zum Einsatz, dies entspricht ca. 30 % des Fließlochformer- durchmessers. Auf diese Weise ließen sich Buchsen der Qualität 1 mit minimalem Grat erzielen. Diese Vorgehensweise kam anschließend auch bei den drei Messinglegierungen zum Einsatz. Bei der chilenische Messinglegierung (Tabelle 2.3) war eine Buchsenqualität 1 erreichbar. Bei der deutschen Legierung N° 1 mit Kupfer, Zink, Blei, und Spuren von Zinn konnten nur sehr schlechte Buchsen, schlechter als Qualität 4, (Tabelle 2.4), erzeugt werden. Bei der deutschen Legierung N° 2 (Tabelle 2,5, kein Blei!) waren durchwegs Buchsen der Qualitätsklasse 1 erreichbar. Eine weitere wichtige Prozesskenngröße beim Fließformen ist die Werkstofftemperatur im Bereich der Wirkzone. Im Entstehungsbereich der Buchse wurde die Temperatur gemessen. Bei ca. 450 °C veränderte sich in der chilenischen Legierung die Kristall- struktur. Bei deutlich niedrigeren Temperaturen wurden Buchsen der Qualität 1 erreicht. Im Fall der deutschen Legierung N° 1, entstanden keine Buchsen mehr, wenn die Bleischmelztemperatur überschritten wurde, sondern es entstanden aufgerissene Durchzüge die Blumenblättern ähneln. Bei der deutschen Messinglegierung N° 2, die kein Blei enthielt, stellte es kein Problem dar, Buchsen der Qualität 1 zu fertigen. Die Ergebnisse dieser Arbeitsstufe zeigen deutlich den Einfluss der Legierungskomponenten. Die Höhe des Zinkgehalts stellt einen wesentlichen Einfluss zur Erzielung der 48 Buchsenqualität 1 dar. Blei als Legierungselement verhindert die Entstehung einer brauchbaren Buchse durch Fließlochformen. 5.3.2 Chilenische Messing-Legierung Die folgenden Bilder zeigen die Buchsen in chilenischem Messingblechen, hergestellt mit einem 9,2 mm Fließlochformer. Ohne Vorbohrung war es nicht möglich, Buchsen guter Qualität zu erzielen. Alle mit unterschiedlichen Technologieparametern gefertigten Durchzüge zeigten große Einrisse und erreichten nur Qualität 4 (Bilder 5.1 bis 5.8). Ab Bild 5.9 sind Buchsen zu sehen, bei denen das Blech im Vorfeld mit einem Spiralbohrer von 3,0 mm Durchmesser vorgebohrt wurde. Die Fertigung der Buchsen in den Bildern 5.10 und 5.11 erfolgte mit einer konstanten Umformgeschwindigkeit. Die Buchse in Bild 5.12 wurde mit einer konstanter Drehzahl von 2000 U/min und einem gestuften Vorschub erzeugt. Die Buchsen in den Bildern 5.13 bis 5.20 sind mit konstantem Vorschub von 0,4 mm/U gefertigt. Die erreichte Buchsenhöhe betrug 5,9 mm. Es zeigt sich, dass in den Bildern 5.16 bis 5.20 die Qualität 1 erreichbar war. Die zugehörigen Drehzahlen für α-Messing sind in Grafik 5.4 dargestellt. Grafik 5.7 zeigt die Bearbeitungsdaten für die Buchse in Bild 5.4 mit der schlechten Qualität 4. Der Kraft- und Momentenverlauf, in Grafik 5.8, gilt für die besseren Qualitäten, die in den Bildern 5.17 bis 5.20 zu sehen sind. Daraus lässt sich die Schlussfolgerung ableiten, dass kleine Umformgeschwindigkeiten für die Erzeugung guter Buchsenqualitäten erforderlich sind. Die kleine Umformgeschwindigkeit und die höheren Vorschubwerte erzeugen eine geringere Wärmeentwicklung während des Fließlochformens. Der Zusammenhalt der Mikrostruktur im Messing bleibt erhalten, ein Anschmelzen der Legierungselemente, wird vermieden. 49 Bild 5.1 S=1000 [U] F=0,1 [mm/U] Bild 5.11 Vc= cte F= 0,1 [mm/U] Vorbohrer Bild 5.10 Vc= cte F= 0,4 [mm/U] Vorbohrer Bild 5.9 S= 2000 [U] F= 0,4 [mm/U] Vorbohrer Bild 5.12 S= 2000 [U] F= 0,4 0,3 0,2 0,1 [mm/U] Bild 5.2 S= 1500 [U] F=0,1 [mm/U] Bild 5.3 S= 2000 [U] F=0,1 [mm/U] Bild 5.4 S= 2750 [U] F=0,1 [mm/U] Bild 5.5 S=900 [U] F=0,1[mm/U] Bild 5.6 S= 800 [U] F=0,1 [mm/U] Bild 5.7 S= 700 [U] F=0,1 [mm/U] Bild 5.8 S= 600 [U] F= 0,1 [mm/U] Bild 5.13 S= 2500 [U] F=0,4[mm/U] Bild 5.14 S= 1500 [U F=0,4 [mm/U] Bild 5.15 S= 1100 [U] F= 0,4 [mm/U] Bild 5.16 S= 800 [U] F= 0,4 [mm/U] Bild 5.18 S= 400 [U] F= 0,4 [mm/U] Bild 5.19 S= 250 [U] F= 0,4 [mm/U] Fig. 5.20 S= 100 [U] F= 0,4 [mm/U] Bild 5.17 S= 700 [U] F= 0,4 [mm/U] 50 Grafik 5.7: Prozesskräfte bei schlechter Buchsenqualität Grafik 5.8: Prozesskräfte bei der besten Buchsenqualität 51 5.3.3 Fließlochformversuche in Blechen einer Messinglegierung (N° 1), deutscher Herstellung [20] Die dünnen Messingbleche N°1 (36% Zn, 2% Pb) deutscher Herstellung wurde in Versuchsreihen mit einem weiten Bereich von Drehzahlen und Vorschüben bearbeitet. Er reichte von den größten bis zu den kleinsten Werten. In allen Fällen ergaben sich die gleichen Ergebnisse. Es war unmöglich, eine zusammenhängende Buchse besser als Qualität 4 zu erzeugen. Alle in den Bildern gezeigten Buchsen wiesen eine Zerstörung ihres Zusammenhanges auf. Ihre kristalline Gefügestruktur wurde während des Fließlochformens beschädigt. Wie bereits oben erwähnt, erreichte die Temperatur während des Fließlochformens etwa 450 °C. Das Vorhandensein von Blei in der deutschen Legierung N°1 ist die einzige Erklärung für die Auflösung des Zusammenhalts und die Zerstörung der Buchse. Da die Schmelztemperatur von Blei von ca. 200 °C aufgrund der Reibung zwischen Fließlochformer und Material überschritten wurde, schmolz es und verursachte den Zusammenbruch des Zusammenhalts des Kristallgefüges. Normalerweise erleichtert das Vorhandensein von Blei in Messing- und Bronzelegierungen den Spanbruch und erzeugt gleichzeitig einen Schmiereffekt zwischen Werkzeugschneide und Werkstoffl. Bei Umformverfahren wie Stanzen und Prägen von dünnen Blechen aus α- Messing hat Blei die Aufgabe eines Schmiermittels an den inneren Korngrenzen, um so die Erzeugung von schwierigen und/oder tiefen Formen zu vereinfachen. Die Buchsen, in den Bildern 5.21 bis 5.36, zeigen die Wirkung von Blei beim Fließlochformen. Sie zeigen Einrisse, über die gesamte Buchsenlänge. Es fällt auf, dass keine der Buchsenkonturen vollständig geschlossen ist. Am Anfang wurden die Bearbeitungen ohne Vorbohren durchgeführt. In Bild 5.21 bis 5.23 wurde eine konstante Vorschubgeschwindigkeit von 0,4 mm/ U und verschiedene Drehzahlen angewendet. Von Bild 5.24 bis 5.27 wurden sehr kleine Drehzahlen eingestellt; aber die Buchsen zeigten die gleichen schlechten Ergebnisse. 52 Bild 5.23 S= 800 [U] F= 0,4 [mm/U] Bild 5.21 S= 300 [U] F= 0,4 [mm/U] Fig. 5.25 S= 50 [U] F= 0,1[mm/U] Fig. 5.26 S= 350 [U] F= 0,6 [mm/U] Fig. 5.27 S= 200 [U] F=0,25 [m/U] Fig.5.28 S= [100 [U] F= 0,25 [mm/U] Bild 5.33 S= 1500 [U] F=0,4 [mm/U] Bild 5.34 S= 1500 [U] F= 0,5 [mm/U] Bild 5.35 S= 300 [U] F= 0,3 [mm/U] Bild 5.36 S= 500 [U] F=0,35 [mm/U] Für die Buchsen in den Bildern 5.29 bis 5.36 kam ein Spiralbohrer mit einem Durchmesser von 2,0 mm als Vorbohrer zum Einsatz. Anschließend wurden mit unterschiedlichen Geschwindigkeits- und Vorschubwerten versucht gute Buchsen herzustellen. Das Ergebnis war negativ und entsprach etwa den Buchsen, die ohne Vorbohrung gefertigt wurden. Bild 5.22 S= 150 [U] F= 0,4 [mm/U] Bild 5.24 S= 800 [U] F= 0,1 [mm/U] Bild 5.29 S= 1000 [U] F=0,06 [mm/U] Bild 5.30 S= 500 [rpm] F=0,05[mm/U] Bild 5.31 S= 1000 [U] F= 0,2 [mm/U] Bild 5.32 S= 300 [U] F= 0,8 [mm/U] 53 Bild 5.40 S= 2400 [U] F= 0,4 [mm/U] Bild 5.39 S= 1200 [U] F= 0,4 [mm/U] Bild 5.37 S= 300 [U] F= 0,4 [mm/U] Bild 5.38 S= 600 [U] F= 0.4 [mm/U] 5.3.4 Fließlochformversuche in Blechen einer Deutschen Messing- Legierung (N° 2), Als weiteres Messingblech deutscher Herstellung kam ein Blech ohne Bleizusatz mit 36% Zn zur Untersuchung. Diese Legierung zeigte ein deutlich besseres Verhalten als die chilenische Legierung und die deutsche Legierung Nr. 1 mit Bleizusatz. Die Fertigung der Buchsen erfolgte in einem Drehzahlbereich von 200 bis 7.000 U/min und mit Vorschüben von 0,06mm/U bis 0,9 mm/U. Eine Buchsenqualität 1 war dabei in einem weiten Technologiebereich zu erzielen. Die Buchsen in den Bildern 5.37 bis 5.55 zeigen die Qualität 1 mit nur geringen Einrissen am Buchsenende. Das gute Ergebnis bei dieser Legierung, das bei der chilenischen Legierung nicht zu erreichen war, lässt sich darauf zurückführen, dass die deutsche Legierung einen höheren Zinkanteil aufweist, der die Umwandlung des Kristallgitters erleichtert und seine Zerstörung während der Buchsenformung verhindert. Bild 5.41 S= 300 [U] F= 0,2 [mm/U] Bild 5.42 S= 1000 [U] F= 0,2 [mm/U] Bild 5.43 S= 300 [U] F= 0,6 [mm/U] Bild 5.44 S= 1000 [U] F= 0,6 [mm/U] 54 Bild 5.53 S= 1000 [U] F=0,06 [mm/U] Bild 5.54 S= 9000 [U] F= 0,1 [mm/U] Bild 5.55 S= 7000 [U] F= 0,1 [mm/U] 5.3.5 Einfluss der Legierungselemente auf die Temperaturentwicklung Eine Methode, die Temperatur bei der Entstehung der Buchse zu erfassen entwickelten Weingaertener, Lopes, Schraeder und Osis [44]. Die Messungen erfolgt bei 2mm dicken Blechen durch zwei Thermopaare aus Cromel-Alumen in Bohrungen mit einem Durchmesser von 1,5 mm in einer Tiefe von 1,0 mm. Die Bilder 5.56 und 5.57 zeigen die Positionierung der Thermoelemente, in Messingblechen einer chilenischen Legierung, vor und nach dem Versuch. Bild 5.45 S= 200 [U] F= 0,4 [mm/U] Bild 5.46 S= 300 [U] F= 0,9 [mm/U] Bild 5.47 S= 1000 [U] F= 0,9 [mm/U] Bild 5.48 S= 3200 [U] F= 0,4 [mm/U] Bild 5.49 S= 3500 [U] F=0,1 [mm/U] Bild 5.50 S= 500 [U] F=0,05 [mm/U] Bild 5.51 S= 300 [U] F=0,05 [mm/U] Bild 5.52 S= 500 [U] F= 0,08 [mm/U] 55 Bild 5.56: Plazierung der Thermoelemente Bild 5.57: Thermoelemente nach dem vor dem Versuch Versuch Dieses Messverfahren ist relativ einfach. Andere Arbeitsgruppen [19] wiesen nach, dass Zink bei hohen Temperaturen verdampft und die Buchsen nur die Qualität 4 [19-27] erreichen. Bild 5.58 zeigt zwei Kreise mit Bohrungen, zur Befestigung der Thermoelemente. Sie liegen konzentrisch zur Buchse, die durch Fließlochformen erzeugt wird. Der schwarze, innere Kreis hat einen Radius von r0 = 4,6 mm, und entspricht dem Durchmesser der Fließlochbohrung. Die beiden anderen Kreise haben jeweils einen Radius von r1 = 6,6 mm und r2 = 8,6 mm. Die schwarzen Punkte stellen die Positionen für die Bohrungen mit 1,5 mm Durchmesser und 1,0 mm Tiefe, für die Thermoelemente dar. Bild 5.58: Lage der Thermopaare 56 Mit derartig präparierten Blechen erfolgte die Durchführung von zwei Versuchsreihen, die erste mit einer Drehzahl von 2750 U/min und einem Vorschub von 0,1 mm/U (siehe Bild 5.4, chilenische Legierung). Es entstanden Buchsen der Qualität 4. Die Zweite Versuchsreihe erfolgte mit einer Drehzahl von 350 U/min und einem Vorschub von 0,4 mm/ U (siehe Bild 5.17). Damit konnte eine Buchsenqualität 1 erreicht werden. Die Grafik 5.9 zeigt die Temperaturen, die beim Fließlochformen bei 2750 U/min im Randbereich der Buchsen entstehen. Hierbei betrugen die mit den Thermoelementen gemessenen Temperaturen T1 = 225,9 °C und T2 = 97 °C. Für die Drehzahl 350 U/min wurden Temperaturwerte von T1 = 144 °C und T2 = 140 °C gemessen, Grafik 5.10. Mit der Gleichung 5.1 [44] war es möglich, die Temperaturen im Kontaktbereich der Buchse und dem Werkzeug zu berechnen. ( )CT r r Ln r r Ln TT T r º 2 2 2 1 21 ⋅+      ∗       − = [Gleichung 5.1] Darin bedeuten: Tr = gerechnete Temperatur an der Kontaktzone Buchsenwand und Werkzeug [°C] T1 = gemessene Temperatur im Blech am Radius 1 [°C] T2 = gemessene Temperatur im Blech am Radius 2 [°C] r0 = Buchsen- bzw. Werkzeugdurchmesser [mm] r1 = Radius 1 [mm] r2 = Radius 2 [mm] 57 Grafik 5.9: Temperaturentwicklung beim Fließlochformen einer Chilenischen Messinglegierung mit hohen Bearbeitungsparametern Grafik 5.10: Temperaturentwicklung beim Fließlochformen einer Chilenischen Messinglegierung bei günstigen Bearbeitungsparametern 58 Durch Einsetzen der in den Experimenten ermittelten Werte in Gleichung 5.1 lassen sich die Temperaturwerte an der Kontaktstelle ermitteln. Bei der Herstellung der Durchzüge, mit Drehzahlen von 2750 U/min und einem langsamen Vorschub von f = 0,1 mm/U, errechnet sich die Temperatur an der Wirkstelle zu Tr = 400 °C. Bei der Bearbeitung mit S=350 U/min und f=0,4mm/U ergab die rechnerische Ermittlung eine Temperatur in der Wirkzone Tr = 171,3 °C. Die Untersuchungen an den deutschen Messinglegierungen wurden mit den exakt gleichen Bearbeitungsparametern durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die Grafiken 5.11 für die Legierung N°1 und 5.12 für die Legierung N°2. Grafik 5.11: Temperaturentwicklung beim Fließlochformen der deutschen Messinglegierung mit niedrigen Bearbeitungsparametern T1max = 79º C im Abstand R1 = 6,6 [mm] T2max = 77º C im Abstand R2 = 8,6 [mm] 59 Grafik 5.12: Temperaturentwicklung beim Fließlochformen der deutschen Messinglegierung No 2 mit hohen Prozessparametern T1max = 158º C im Abstand R1 = 6.6 [mm] T2max = 150º C im Abstand R2 = 8.6 [mm] Bei der chilenischen Legierung wurde nach Gleichung 5.1 eine Wandtemperatur von 400 °C erreicht. Wie in Bild 5.4 zu erkennen, ist das Kristallgitter in der Buchse vollständig aufgebrochen. Aufgrund dessen muss in diesem Bereich eine höhere Temperatur als die Zinkschmelztemperatur von 420 °C vorgelegen haben. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Temperaturmessung durch Thermoelemente eine Abweichung von mehr als ca. 10 % aufweist. Deshalb ist annehmen, dass Abweichung in ähnlicher Größenordnung auch bei anderen Drehzahlen, aus denen sich eine Buchsenqualität 1 ergibt, zu erwarten sind. Für die deutsche Legierung N° 1 (Grafik 5.8) lag die Abweichung noch höher, die Gleichung 5.1 ergab eine Temperatur von 92,6 °C. Dieser Wert liegt ca. 50 % niedriger als die Bleischmelztemperatur, trotzdem wurde die Struktur der Buchse völlig zerstört. Im Fall der deutschen Messinglegierung N° 2, ohne Bleizusatz, lag die Temperatur bei 169°C und die Buchsenqualität bei 1. 60 Da diese Vorgehensweise keine genauen Temperaturwerte der Kontaktzone liefert, wurden zur Erhöhung der Messgenauigkeit, am IPL, ein Laserthermometer und die Videothermografie eingesetzt. In jüngsten Untersuchungen zur Bestimmung des Temperatureinflusses beim Fließlochformen, sind neue Messmethoden [45] beschrieben. Sie liefern im direkten Messverfahren genauere Ergebnisse, als die hier verwendete Methode mit Thermoelementen und dem Umweg über die Berechnung mit Gleichung 5.1, die in dieser Arbeit verwendet wurde. Trotzdem brachte diese Arbeitsstufe grundlegende Erkenntnisse über den Wärmeeinfluss auf Legierungselemente wie z.B. von Blei beim Fließlochformen in Kupferlegierungen wie α-Messing. Ebenso wurden Informationen über das Verhalten von Zink als Legierungselement bei Wärmeeinwirkung, auf die Bearbeitungsparameter und das Bearbeitungsergebnis, gewonnen. Bei einem Zinkanteil von 24%, ist mit niedrigen Drehzahlen zu arbeiten. Bei einem Zinkanteil von 36 %, sind die Geschwindigkeitswerte höher zu wählen. Auf diese Weise erhält man in beiden Legierungen Buchsen mit sehr guter Beschaffenheit und einer Qualität 1. 5.3.6 Gewindefurchen [19] 5.3.6.1 Einleitung In alle kalt verformbaren Werkstoffe, die mindestens 7% Dehnung und eine maximale Festigkeit von 1000N/mm² aufweisen, lassen sich Gewinde durch Gewindefurchen einbringen [45]. Diese Kriterien treffen auch auf die zu untersuchenden Bleche aus Kupfer und Kupferlegierungen zu. Die Herstellung von Innengewinden mit Gewindefurchern hat gegenüber der Herstellung mit Gewindebohrern eine Reihe von Vorteilen wie z. B.: • ein Werkzeug für Grund- und Durchgangsgewinde • auch für die Herstellung sehr tiefe Gewinde geeignet • keine Späne • kein Verschneiden • gefurchte Gewinde sind immer maßhaltig • höhere Festigkeit durch Kaltumformung 61 • hohe Prozesssicherheit durch großen Kernquerschnitt • kürzere Fertigungszeit durch höhere „Schnittgeschwindigkeit“ Der Vorteil, dass es sich um ein druckumformendes Fertigungsverfahren handelt, bei dem keine Späne entstehen, macht es für Einsatz in dünnen Blechen und Profilen interessant. Für den Solarkollektorbau liegen die Hauptabmessungen der Gewinde bei M5, M8 und M10. Die Bestimmung der Prozessparameter wie Vorschubkraft und Drehmoments beim Gewindefurchen sowie die Ermittlung der Ausreißkraft erfolgte an Gewinden der Größe M10 . Grafik 5.13: Bearbeitungsdaten für das Gewindefurchen in Kupfer und α-Messing 62 5.3.7 Gewindefurchen in Kupferblechen Die Grafik 5.13 zeigt Bearbeitungsdaten (Drehzahl und resultierende Vorschubgeschwindigkeit) beim Gewindefurchen in dünnen Kupfer- und α- Messingblechen mit 1,0 und 2,0 mm Dicke (Katalogwerte der Fa. EMUGE). Für beide Werkstoffe wurden gleiche Bearbeitungsparameter angewendet. Grafik 5.14: Vorschubkraft und Drehmoment beim Gewindefurchen in 1,0 mm Blechen Grafik 5.14 zeigt die Vorschubkraft und das Drehmoment beim Gewindefurchen in dünnen Blechen von 1,0 mm Dicke aus Kupfer und α - Messing. Die Unterschiede der Ergebnisse sind minimal. 63 Grafik 5.15: Vorschubkraft und Drehmoment beim Gewindefurchen in 2,0 mm Blechen Grafik 5.15 zeigt die Vorschubkraft beim Gewindefurchen in dünnen Blechen von 2 mm Dicke aus Kupfer und α -Messing. Messing erzeugt beim Gewindefurchen ein größeres Drehmoment als Kupfer. Dieser Unterschied entsteht ausschließlich aufgrund der Elastizität des Werkstoffs und der Gefügeveränderungen in der Mikrostruktur, die während des Fließlochformens ablaufen. Auf Grund dessen wird beim Gewindefurchen mehr Energie verbraucht. Das Gewindefurchen verursacht die Bewegung von Versetzungen, die durch Korngrenzen und atomare Verunreinigungen im Gefüge begrenzt werden. Hohe Temperaturen erzeugen größere Versetzungen mit Verlagerungen an die Korngrenzen, oder sie werden zerstört. 64 5.3.7.1 Charakteristische Gefügestruktur in den chilenischen Blechen (e) (e) (d) (d) (c) (c) (b) (b) (a) (a) Bild 5.59 A: Gefügestruktur in Kupfer Bild 5.59 B Gefügestruktur in α-Messing Bild 5.59 [19] zeigt die Gefügestruktur in den Buchsen aus Kupfer und α- Messing, aufgenommen mit einem Metallmikroskop. In beiden Buchsen kann das Gleiten des Gefüges aufgrund der großen Verformungen und der Temperatureinwirkung beobachtet werden. Die Gefügebestandteile bewegen sich entlang dieser Ebenen, was zur Folge hat, dass sich die Korngrenzen 65 aufgrund der starken Abkühlung nach dem Fließlochformprozess, regelmäßig in großer Unordnung, neu bilden. Es kommt zu einer Gefügeumbildung. Die Buchstaben zeigen die Prüfstellen für die Messung der Mikrohärte nach Vickers. 5.3.7.2 Mikrohärte der fließgeformten Buchsen in chilenischen Bleche [19] Die Überprüfung der Härte erfolgte mit einem Mikrohärtetester nach Vickers, mit einer Last von 25 g. Grafik 5.16 zeigt die Ergebnisse der Mikrohärte, gemessen in der Randzone der Wandung der aufgeschnittener Buchsen aus Kupfer und Messing. In den Punkten a) und c) ist die Härte am größten. Die Ursache hierfür ist der schnelle Wärmeeintrag verbunden mit einer hohen Umformgeschwindigkeit bei hohem Druck und die anschließende hohe Abkühlgeschwindigkeit aufgrund der Dünnwandigkeit der Buchse. Möglich ist auch, dass sich Verunreinigungen in diesen Punkten des Kristallgitters befanden oder sich die Versetzungen nicht mehr mit größerer Freiheit bewegen konnten. Wird das Gleiten der Atome behindert entstehen große Spannung und die Härte nimmt zu. An anderen Stellen der Kupferprobe war die Härte wegen eines anderen Einflusses der Erwärmung, die andere Gefügetypen hervorbrachte, welche die Versetzungsbewegung nicht behinderten, geringer. Im Allgemeinen erzeugte das Fließlochformen im Punkt (b) der Messingprobe ein gleichmäßiges Kristallgefüge und es gab keine Atome, die die freie Versetzungsbewegung wie im Punkt (c) einschränkten. 66 Grafik 5.16: Mikrohärte nach Vickers in Kupfer und α-Messing 5.3.7.3 Merkmale der Mikrostruktur in unterschiedlichen Kupferlegierung In dieser Arbeitsstufe wurden in α-Messingbleche Buchsen durch Fließlochformen für das nachfolgende Gewindefurchen hergestellt. Die folgenden Bilder zeigen die Mikrostruktur der Buchse mit hoher Auflösung. Dabei kam eine Videokamera zum Einsatz, die den Fotoapparat am Mikroskop [16] ersetzte (Kapitel 5.2.5.3). 5.3.7.4 Gefüge in der Buchse [20] Bild 5.60 zeigt die Gesamtansicht einer Buchsewand. Es sind die Veränderungen des Kristallgefüges durch die Gefügeumbildung deutlich zu erkennen. Vier Bereiche lassen sich unterscheiden. Der Bereich A zeigt die kleinste Kristallgröße am Rand der Oberbuchse. Im Bereich B ist das Kristallgitter in der Richtung des durch Fließlochformen verdrängten Materials verformt. Im Bereich C, am unteren Teil der Buchse, findet eine Änderung der Kristallgröße statt. Im Bereich D ist der ursprüngliche Kristallaufbau des dünnen Bleches, wie er sich beim Walzprozess einstellt, erhalten. 67 Bild 5.60: Gefüge in der Buchse A B C D 68 5.3.7.5 Gefüge im Bereich des Gewindes Bild 5.61 zeigt die Mikrostruktur des Gefüges im Gewindebereich. Die Änderung der Kristallgröße ist in drei Bereichen dargestellt. Bereich A ist der Bereich der durch die hohe Temperatur beim Fließlochformen entstand und durch den Furchprozess nicht beeinträchtigt wurde. Hier ist das Kristallgitter sehr fein und dicht. Bereich B ist beim Gewindefurchen, durch hohen Druck, geringem Wärmeeintrag und durch Gleitbewegungen auf den Furcherflanken entstanden, wobei sich das Kristallgitter in Richtung der Materialverdrängung verformt wurde. Bild 5.61: Mikrostruktur des gefurchten Gewindes A C B D 69 Bereich C ist ein Übergangsbereich in Bezug auf die Änderung der Kristallgröße. Bereich D zeigt die ursprüngliche Mikrostruktur des Gefüges. 5.3.7.6 Mikrohärte in der Buchse Zur Messung der Mikrohärte kam das gleiche Verfahren wie in Punkt 5.2.5.4 für die chilenischen dünnen Bleche angewendet, zum Einsatz. Bild 5.62 zeigt die Punkte für die Härtemessung in radialer beziehungsweise horizontaler Richtung auf einer Strecke von 3 mm ab dem inneren Buchsenrand. Bild 5.63 zeigt die Punkte, der Härtemessung in vertikaler Richtung von der Oberbuchse bis zum unteren Teil der Buchse. Bild 5.62: Härtemessungen in radialer Richtung Bild 5.63: Härtemessungen in axialer Richtung 321 654 87 11109 1312 14 15 1716 12 16 15 14 13 9 11 10 8 7 6 5 4 3 2 1 70 Mitt dieser Methode ist es möglich, die folgenden Härteverläufe zu erstellen. Es zeigt, dass die Härtewerte sowohl bei den deutschen als auch bei den chilenischen Legierungen um ca. 30% zunehmen, was auf die Gefügeänderungen während des Fließlochformens und des Gewinde- furchens zurückzuführen ist (Grafiken 5.17 und 5.18). Grafik 5.17: Vickershärte der Buchsen in chilenischen Messingblechen, S= 350 U/mm und F= 0,4 mm/ U Grafik 5.18: Vickershärte der Buchsen in deutschen Messingblechen Nr. 2, S= 350 U/min und F= 0,4 mm/ U 71 Grafik 5.19 zeigt den Einfluss hoher Drehgeschwindigkeiten auf die Gefügeänderungen. Die Härte nimmt im Bereich der Buchse um bis zu 50 % zu. Diese Härtezunahme ist darauf zurückzuführen, dass in der Randzone ein Teil des Zinks verdampft und das Kristallgefüge stärkt. Grafik 5.19: Vickershärte in Buchsen für zwei Geschwindigkeiten 72 5.3.7.7 Gefurchte Gewinde Bild 5.62 zeigt ein, in der bleifreien Messinglegierung durch Gewindefurchen, gefertigtes Gewinde. Es wurde mit einer Drehzahl von 480 U/min und einem Vorschub von 320 mm/min (die gleichen Daten, die auch bei der chilenischen Legierung angewendet) gearbeitet. Bild 5.63 zeigt das M10 Gewinde von der oberen Seite der Buchse, Bild 5.64 von unten. Bild 5.62:Gefurchtes M10 Gewinde Bild 5.63: M10 Gewinde von unten Bild 5.64: M10 Gewinde von oben 73 5.4 Kombinationswerkzeug, entwickelt für das verbesserte Fließlochformen in Blechen aus Kupfer und Messing [27] 5.4.1 Einführung Diese Stufe der Arbeit zeigt ein ,auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse aus den vorausgegangenen Arbeitsschritten, entwickeltes und deutlich verbessertes Werkzeug zum Fließlochformen. Zur Erzielung der Buchsenqualität 1 mit minimalem Grat am unteren Buchsenende [19], ist es vielfach notwendig mit HSS Wendelbohrer, mit einem Durchmesser von ca. 30%, vorzubohren. Das Vorbohren reduziert das Einreißen und erlaubt, den Konusbereich und die Formstollen des Fließlochformers freier zu gestalten. Bei vorhandenen Fließlochformern mit Bohrschneiden sind nachträglich kleine Spankammern im Konusbereich eingeschliffen. Die Schneidkanten liegen dabei vielfach nicht auf den höchsten Niveau, die Spankammern sind für den Spanablauf ungünstig gestaltet und die Schneidkanten beginnen erst viel zu weit nach der Spitze. Die Idee, die einer verbesserten Gestaltung zugrunde liegt, ist dabei sehr einfach und auf modernen CNC-Werkzeugschleifmaschinen reproduzierbar mit hoher Präzision in einer Aufspannung herstellbar. Die Spitze des Fließlochformers erhält die Geometrie eines Wendelbohrers, zwei konischen Spankammern, die groß genug sind die Bohrspäne nach oben abzutransportieren, und sich in die Täler des Polygons erstrecken. Die schneidende Kante der Spankammer liegt knapp hinter dem Maximum des Polygons um so einen Freiwinkel zu gewährleisten und endet bei dem vorzubohrenden Durchmesser. Die Hauptfreiflächen des Bohrbereichs sind analog zu einem Wendelbohrer geschliffen. Die Spanflächen sind bis nahe ins Zentrum ausgespitzt. Dadurch schneidet das Werkzeug vom ersten Kontakt mit dem Bauteil. Die auf das Bauteil wirkende Vorschubkaft des Bohrwerkzeugs ist deutlich geringer als die Axialkraft des Fließlochformers. Die Späne fließen durch die Spankammern sauber ab. Nach dem Bohrprozess liegt ein Bohrungsprofil vor, das dem Konus des Formers entspricht und somit für den weiteren 74 kontinuierlichen Vorschub eine gute Reibkontaktfläche für den folgenden Wärmeeintrag darstellt. Bei dieser seriellen Bearbeitung mit einer Vorschubbewegung kommt es auch zu keinerlei Versatz der Bohrungslage. Die erstellte Vorbohrung verringert die Gefahr des Einreißens der Buchse sehr stark, es entsteht eine verkürzte stabile gratarme Buchse. Die Bohrergeometrie lässt sich mehrmals nachschleifen. Vorteilhaft ist dass der separate Bohrvorgang entfällt, nur ein Werkzeug benötigt und dieses nicht so stark belastet wird. Beim Vorbohren mit separaten Bohrern, bei dem neben dem Bohrwerkzeug auch spezielle Werkzeugaufnahmen notwendig sind, entsteht ein zylindrisches, scharfkantiges Bohrungsprofil, das meist noch einen Grat aufweist. Tritt das Fließlochwerkzeug in diese Bohrungen ein, ist im Bereich der Bohrungskante die Gefahr eines starken abrasiven Verschleißes, ein Auswaschen des Werkzeugs im Vorbohrdurchmesserbereich gegeben. In diese Buchsen, hergestellt mit dem Kombinationswerkzeug, wurden Gewinde durch Gewindefurchen eingebracht und diese durch Zugversuche getestet. In Bild 5.65 ist das mit zwei Bohrschneiden versehene Fließlochwerkzeug in langer Ausführung für zylindrische Buchsen zu sehen. Diese Werkzeuge kamen an der deutschen bleifreien Messinglegierung N° 2 mit großen Drehgeschwindigkeiten zum Einsatz. Bild 5.65: Fließlochformer langer Art, mit Bohrschneiden Bild 5.66 zeigt die mit einer Drehgeschwindigkeit von 2400 U/min und einem Vorschub von 0,4 mm/U erzeugten unteren Buchsenenden und ihre Gratbildung. 75 Bild 5.67 entspricht 9000 U/min und 0,1 mm/U. In beiden Fällen wurde die Qualität 2 erreicht. Dabei konnte der Arbeitsschritt Vorbohren entfallen. 5.4.2 Versuche mit dem Kombinationswerkzeug „COMPOUND“ Die Qualität der Buchsen und die Gratbildung am unteren Buchsenende ist in vielen Fällen nachweislich vom Vorbohren abhängig. Das Kombinationswerkzeug COMPOUND vereint das Vorbohrwerkzeug mit dem Fließlochformer. Die Versuche zeigen die Ergebnisse, die mit dem verbesserten Werkzeugs mit Bohrschneiden zu erreichen sind. Als Testwerkstoff dienten Bleche aus Kupfer und Messing mit 2 mm Wanddicke. Tabelle 5.1 zeigt die angewendeten Bearbeitungsdaten. Tabelle 5.1: Bearbeitungsdaten für das Fließlochformen und Gewindefurchen Bearbeitungsdaten Kupfer Messing S = Drehzahl U/min 400 400 F = Vorschub mm/U 0,1 0,1 5.4.2.1 Fließloch- formen Vorschubweg mm 19 21 Vc = Schnittgeschwindigkeit m/min 10 S = Drehzahl U/min 318 F = Vorschub mm/min 600 TD = Gewinde mm M-10. 5.4.2.2 Gewinde- furchen P = Steigung mm 1.5 Bild 5.66 S = 2400 [U/min] F = 0.4 mm/U Bild 5.67 S = 9000 [U/min] F= 0.1 [mm/U] 76 Die folgenden Bildern zeigen das Verhalten des Kombinationswerkzeugs „Compound“ während der Bearbeitung der dünnen Bleche. /Die Vorschubgeschwindigkeit für das Gewindefurchen lässt sich nach Gleichung 5.1 berechnen: F = P x S x z (mm/min) {5.1} Hierin bedeuten: P = Gewindesteigung [mm]; S = Drehzahl [U/min]; z = 1 = Zahl der Gewindegänge Die Vorschubgeschwindigkeit berechnet sich wie folgt: F = 1,5 x 400 x 1= 600 (mm/min) 77 5.4.3 SCHRITTEWEISE DARSTELLUNG DES FLIEßLOCHFORM- VORGANGS MIT DEM KOMBINATIONSWERKZEUG In der Serienbilddarstellung 5.68 ist Vorgang der Werkstoffverdrängung beim Eindringen des Kombinationswerkzeugs „Compound“ in das Kupferblech von 2 mm Dicke bis zur vollständigen Bearbeitung der Buchse, deutlich zu erkennen. Im Gegensatz zu der Buchsenherstellung ohne Bohrschneiden fließt hier deutlich weniger Werkstoff nach oben und unten. Der weiche Werkstoff bildet jedoch, je nach Schärfe der Schneiden und des Spanwinkels einen Eintrittsgrat, d.h. die Schneiden trennen das Material nicht sauber ab, sondern drücken es zu Seite. Ebenso erzeugt die nichtschneidende quetschende Querschneide einen Wärmeeintrag, erweicht den Werkstoff und verformt ihn zu einer Beule auf der Unterseite. Die Beule wird zunehmend größer, ihre Wanddicke im Zentrum wird dünner. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis durch den konstanten Vorschub, die Spannungen in der reduzierten Blechdicke so groß werden, dass das Material reißt und das Werkzeug das Blech durchdringt. Die Fließeigenschaften und der Zusammenhalt des Werkstoffs sind in diesem Moment entscheidend für das weitere Einreißen und die entstehende Qualität der Buchse. Die Bilder lassen erkennen, dass die Bohrschneiden sowohl einen Teil des nach oben fließenden Materials als auch nach dem Werkzeugdurchbruch einen Teil des nach unten fließenden Materials abtrennen. Wichtig ist die, dass der eingerissene Werkstoff durch den Bohrvorgang beseitigt wird und dadurch eine gute Buchsenqualität entsteht. Die Bearbeitung der Durchzüge erfolgte mit den aus den Versuchen für Kupferblechen gewonnenen Bearbeitungsparametern, Drehzahl 400 U/min und Vorschub 0,1 mm/U. 78 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 6 mm 7 mm 8 mm 9 mm 10 mm 11 mm 12 mm 13 mm 14 mm 15 mm 16 mm 17 mm 18 mm 19 mm Bild 5.68: Schritte der Formgebung mit dem Kombinationswerkzeug in Kupfer 79 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 6 mm 7 mm 8 mm 9 mm 10 mm 11 mm 12 mm 13 mm 14 mm 15 mm 16 mm 17 mm 18 mm 19 mm 20 mm 21 mm Bild 5.79: Schritte der Formgebung mit dem Kombinationswerkzeug in α-Messing Mit den gleichen Bearbeitungsparametern (Drehzahl 400 U/min und Vorschub 0,1 mm/U) wurden die Schritte der Formgebung beim Fließlochformen in einem 2 mm dicken Blech aus Messing durchgeführt. Bild 5.79 zeigt die Entstehung der Buchse vom ersten Werkzeugkontakt bis zur vollständigen Fertigstellung. 80 5.4.4 Gewindefurchen Ein weiterer wichtiger Schritt in diesen Projekt ist die Herstellung von ausreißfesten Gewinden, die direkt in die dünnwandigen Bleche einzubringen sind. Mit Fließlochformern, deren Durchmesser dem Vorbohrdurchmesser für das Gewindefurchen entsprechen wurden zunächst die Buchsen hergestellt und in diese dann die Gewinde durch das spanlose Gewindefurchverfahren, entsprechend den Daten aus Tabelle 5.1 eingebracht. Bild 5.70 zeigt die Gewinde von oben, Bild 5.71 von unten. Bild 5.72 zeigt die Gewinde im Querschnitt. Messing Küpfer Bild 5.70: Ansicht der M10 Gewinde aus Kupfer und α-Messing von Oben Messing Küpfer Bild 5.71: Ansicht der M10 Gewinde aus Küpfer und α-Messing von Unten Messing Küpfer Bild 5.72: Querschnitt der M10 Gewinde 81 5.4.5 Zugversuch an den M10 Gewinden Zur Prüfung der Zugfestigkeit, der durch Gewindefurchen angefertigten Gewinde, wurde eine besondere Einspannvorrichtung, Bild 5.73, für die Universal Prüfmaschine entwickelt, [43]. Bild 5.73 zeigt ein Prüfstück aus α- Messing mit M10 Gewinde in der Vorrichtung, Bild 5.74 das getestete Gewinde. Bild 5.73: Gewindeprüfvorrichtung Bild 5.74: Geprüftes Gewinde 82 5.4.6 Prüfdiagramme der Tests In Bild 5.75 ist das charakteristische Diagramm aus dem Zugversuch an einem M10 Gewinde aufgezeichnet. Der Monitor der Universal- Prüfmaschine stellt mit zunehmender Zugkraft die resultierende Längung des Gewindes bis zum Ausriss dar. Bild 5.75: Diagramm des Zugversuchs mit dem M10 Gewinde 5.4.7 Ergebnisse des Zugversuchs Tabelle 5.2 gibt die Ergebnisse des Ausreißversuchs mit den M10 Gewinden in dünnen Blechen aus Messing und Kupfer wider. Ausreißfestigkeit eines Gewindes Werkstoff Newton Messing 6.387 Kupfer 5.351 Tabelle 5.2: Maximalwerte der Zugfestigkeit von M10 Gewinden aus Messing und Kupfer Von großem Interesse war die Ausreißfestigkeit dieser Gewindebuchsen im Vergleich zu Gewinden die durch Gewindeschneiden und durch 83 Gewindefurchen in kompakten Werkstoffen. Dazu wurden Ausreißversuche an M10 Gewinden, hergestellt in einen kompakten Kupferbarren [47] mit handelsüblichen Gewindewerkzeugen der Firmen Titex und Emuge, durchgeführt. Die Gewindetiefe betrug 1 x D. Das entspricht einem üblichen Muttergewinde mit ca. sechs Gewindegängen. Die Bohrung wurde für das Gewindefurchen mit einem Spiralbohrer von 9,4 mm Durchmesser und für das Gewindeschneiden mit einen Durchmesser von 8,5 mm vorgearbeitet. Tabelle 5.3 zeigt die Ergebnisse des Ausreißversuchs. Werkzeuge Mittelwert der Ausreißkraft, gemessen an 6 Gewinden [N] Gewindebohrer B 1233 Titex Plus 5.395 Gewindeformer Emuge 7.084 Tabelle 5.3: Festigkeiten von M10 Gewinden in einem Kupferbarren Die Festigkeiten der M10 Gewinde in einer Buchse (Fließlochformen und Gewindefurchen) und in einem Barren (Bohren und Gewindeschneiden mit dem Werkzeug B 1233) sind ähnlich. Die Festigkeit des mit dem Gewindeformer von EMUGE im Kupferbarren erzeugten Gewindes ist jedoch 30% größer. 5.5 Fließlochformen in Rohren aus Kupfer [28] 5.5.1 Einleitung Diese vierte Arbeitsstufe behandelt die Herstellung von reduzierten Buchsenlängen durch Fließlochformen mit einer Qualität 1 und einer minimalen Gratbildung, an kommerziellen chilenischen Kupferrohren. Die Untersuchung dieser Buchsenart stellte den Bezug zur Vereinbarung von Florianopolis 1995 für den Bau von Wärmetauschern zur Wassererwärmung mit kommerziellen Rohren aus Kupfer her. Der Einfluss des Herstellungsverfahrens durch Fließpressen der Rohre, bei dem die durch Fließlochformen angefertigten Bohrungen nicht kreisrund sondern oval 84 wurden, war durch Messungen mit der 3D Messmaschine CMM, bekannt. Die ovale Form entsteht aufgrund der unterschiedlichen Wärmeleitung in Längs- und Querrichtung der Rohre, sowie durch die Anisotropie des Kristallgefüges, das sich beim Fließpressen des Kupferrohres ergibt. Die gemessene Ovalität hat keinen Einfluss auf das einlöten der Rohre. Das verwendete Blei-Silber-Lot überbrückt sicher den ungleichen Lötspalt, da die Ovalität unter 0,1 mm lag. Danach wurde die Haltbarkeit der Lötverbindungen in Zugversuchen geprüft. Die im Winkel von 90°, mit verschiedenen Blei-Silber-Loten verbundenen Rohre, wurden in einer angepassten Einspannvorrichtung auf einer Zugprüfmaschine bis zum Bruch belastet. Das Ergebnis bestätigte die Qualität der gelöteten Rohrverbindungen. Der Bruch trat nicht in der Lötzone ein, sondern immer in der Wärmeeinflusszone des Rohres mit dem kleineren Durchmesser. 5.5.2 Fließlochwerkzeuge für Lötverbindungen Bild 5.76 zeigt die von FLOWDRILL® speziell zur Herstellung von Lötbuchsen angefertigten Sonderwerkzeuge. Die Werkzeuge weisen den Außendurchmesser der einzulötenden Kupferrohre von Typ L mit ¾“, ½“ und 3/8“ (s. Tabelle 4.2) und einen kurzen zylindrischen Durchmesser auf. 85 Bild 5.76: Werkzeuge für Kupferrohre von 3/4“,1/2“ und 3/8“ Das Einbringen von Lötbuchsen in die 1“ Rohre erfolgte mit Hilfe von Fließlochformern mit einem Durchmessers von 12,8 mm. Diese Buchsen dienen dazu, die Verbindungsrohre von 3/8“ in einer definierten Lage aufzunehmen und eine ausreichend stabile und dichte Lötfläche zu schaffen. Voraussetzung hierzu ist u.a. eine ausreichende Form- und Maßgenauigkeit. Sie sollten kürzer als 0,5 x D sein um die Flüssigkeitsströmung möglichst wenig zu stören und möglichst gratfrei sein, damit sich während des Betriebs keine Gratteile lösen. Die Herstellung derartiger Buchsen erfolgte durch Versuche mit und ohne Vorbohrungen. Die Bilder 5.77 bis 5.79 zeigen fließlochgeformte Buchsen, hergestellt ohne Vorbohren, mit verschiedenen Bearbeitungsdaten. Die Ergebnisse sind Buchsen mit großen Einrissen und starker Gratbildung. Alle Buchsen weisen die Qualität 4 auf. 86 Bild 5.77 S= 1400 [U/min] F= 140 [mm/min] Ohne Vorbohren Bild 5.78 S= 3000 [U/min] F= 300 [mm/min] Ohne Vorbohren Bild 5.79 S= 4200 [U/min] F= 420 [mm/min] Ohne Vorbohren Ein Vorbohren mit Spiralbohrern von 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; und 10 mm Durchmesser und dem anschließenden Fließlochformen, ergab, dass alle Buchsen in den Prüfkörpern die Qualität 1 erreichten. Die Bilder 5.80 bis 5.87 zeigen diese Buchsen, mit Qualität 1. Bild 5.90 S = 1800 [U/min] F = 180 [mm/min] P/t = 4 [mm] Bild 5.91 S = 4600 [U/min] F = 400 [mm/min] P/t =4 [mm] Bild 5.92 S= 1800 [U/min] F= 180 (mm/min) P/t = 5 [mm] Bild 5.93 S= 3400 [U/min] F= 340 (mm/min) P/t = 5 [mm] Bild 5.94 S= 3400 [U/min] F= 340 [mm/min] P/t = 6 [mm] Bild 5.95 S= 4200 [U/min] F= 420 [mm/min] P/t = 8 [mm] Bild 5.96 S= 4200 [U/min] F= 420 [mm/min] P/t = 9 {mm] Bild 5.97 S= 3800 [U/min] F= 380 [mm/min] P/t = 10 [mm] Das Durchmesserverhältnis zwischen dem Fließlochwerkzeug von 12,8 mm und dem Vorbohrer von 4 mm betrug 31 %, bei einem Vorbohrer von 10 mm lag es bei 80%. 87 5.5.3 Buchsenlänge Die gezielte Beeinflussung der Buchsenlänge stellte einen wesentlichen Punkt für den Bau der Solar-Wärmetauschern zur Erwärmung von Wasser dar. Sie sollten im Hauptstrang eine ausreichende Länge aufweisen, so dass sie für die einzulötenden Verbindungsrohre eine ausreichende Lageposition und eine genügend große Lötfläche bieten. Andererseits sollten sie möglichst kurz und gratfrei sein um den Strömungswiderstand im Hauptstrang möglichst klein zu halten. Auf Basis der vorangegangenen Untersuchungen und im Hinblick auf das Hauptziel, wurden systematische Versuchsreihen zur Ermittlung der optimalen Buchselänge durchgeführt.. Die Grafiken 5.20 und 5.21 zeigen den Einfluss der Drehzahl des Fließlochformers bei den unterschiedlichen Durchmesserverhältnissen des Vorbohrers zum Fließlochformer von 0% (ohne Vorbohren) bis 80%, auf die entstehende Buchsenlänge. Grafik 5.20: Buchsenlänge für das Durchmesserverhältnis von 0 bis 40%. 88 Grafik 5.21: Buchsenlänge für das Durchmesserverhältnis von 50 bis 80% 5.5.4 Messung der Rundheit der Buchse Die Messung der Rundheit der Buchs erfolgte auf einer CNC-3D- Messmaschine (CMM). Gemessen wurde in den 1“-Kupferrohren (25,4 mm Innendurchmesser) der Durchmesser und die Rundheit der 12,8 mm Buchsen in der mittleren Ebene. Die Daten sollten Aufschluss über die Voraussetzungen für den nächsten Arbeitsschritt, das Einlöten der 3/8“ Kupferrohre, geben. 5.5.4.1 Vorgehensweise Mit einer 3D Messmaschine (CMM) wurde der Innendurchmesser der Buchsen an mehreren Punkten gemessen. Der Rechner der Messmaschine berechnete den Durchmesser, die Rundheit und die Formabweichung und stellt dies graphisch dar. Bild 5.88 zeigt die gemessene Istform der Bohrung. Der große rosa Kreis Stellt den Umkreis mit 12,766 mm, der kleine rote Kreis den Innkreis mit 12,700 mm dar. Der Mittelwert der beiden Kreise wird durch den grünen Kreis wieder gegeben. Der Abstand zwischen dem inneren (kleinsten) und dem äußeren (größten) Kreis ist die Rundheitsabweichung. Sie beträgt 0,033 mm. 89 Bild 5.88: Reale Form des Buchsenloches 5.5.5 Lötverbindung zwischen den Rohren und der Zugversuch Die Verbindung der 1“Hauptrohre mit den 3/8“Verbindungsrohren erfolgte durch Hartlöten mittels Acetylen-Sauerstoff-Flamme Fünf verschiedene Hartlote mit unterschiedlichen Silber- und Zinkanteilen für die Kupfer-Kupfer- Verbindung wurden auf ihre Eignung getestet. Mehrere Proben standen für Zugversuche zur Verfügung, um die Festigkeit der Verbindung zwischen den Rohren zu prüfen. Eine Vorrichtung, siehe Bild 5.89, nimmt den Prüfkörper auf. Die gelötete Rohrverbindung wird in die Vorrichtung eingelegt, ein Stahlstab in die 3/8“ Rohre gesteckt und dies in der beweglichen oberen Spannklaue der Universal-Prüfmaschine eingespannt. Bild 5.90 zeigt die montierte Vorrichtung mit einem Prüfstück, bereit für die Versuchdurchführung. 90 Bild 5.89: Offene Vorrichtung mit Prüfstück Bild 5.90: Aufbau für den Zugversuch Die zu testende Variable für diese Versuchsreihe stellte die Buchsenlänge dar. Die ersten Versuche wurde mit den längsten Buchsen durchgeführt, die mit einer Vorbohrung von ca. 30% (4 mm Bohrung) hergestellt wurden, die 91 zweite Versuchsreihe mit Prüfstücken, die die kürzeste Buchsenlänge aufwiesen, was ca. 80% Vorbohrung (10 mm Bohrung) entsprach. Tabelle 5.4 zeigt die 5 getesteten chilenischen Lötmittel mit folgenden Angaben: Lötmittelbezeichnung, ANSI-Norm, AWS-Norm, chemische Zusammensetzung, Bruchdehnung und Schmelzpunkt. Lötmittel Norm ANSI Norm AWS Chem. Zusammens. Ausdehnung % Schmelzpunkt °C Soldargen 100 A5.8-92 B Cu P-2 93 7 <5 710-793 Argenta SP-2 A5.8-92 B Cu P-6 2 91 7 >5 643-788 Argenta SP-5 A5.8-92 B Cu P-7 5 88 7 >8 643-771 Argenta SP-6 A5.8-92 B Cu P-4 6 87 7 >8 643-718 Argenta SP-15 A5.8-92 B Cu P-5 15 80 5 >10 643-802 Tabelle 5.4: Merkmale der chilenischen Lötzusätze Bilder 5.91 a, b und c zeigen die Prüfstücke nach der Versuchsdurchführung. Die Prüfstücke rissen in der Wärmeeinflusszone der 3/8“ Rohre, während die Lötung zwischen den Rohren zuverlässig hielt. (a) (b) (c) Bild 5.91: Zugversuch an gelöteten Kupferrohren Die gemessene Zugkraft bis zum Reißen der Verbindung betrug 7000 N bis 7815 N. Ein vergleichbares unbehandeltes Kupferrohr erreicht bei einem Zugversuch eine maximale Kraft von 14000 N. Der Unterschied zwischen diesem Wert 92 und den bei gelöteten Rohren liegt am Wärmeeinfluss während des Lötens, der eine Art Anlasseffekt verursacht. 5.5.6 Anwendungsbeispiele Die Ergebnisse dieser Arbeitsstufe bildeten die Grundlagen für den Bau von Solarwärmetauschern. Die in den vorangegangenen Arbeitsstufen entwickelte Methode war ausgelegt für 1“ Rohre Typ L mit einer Wanddicke von 1,3 mm. Die 3/8“ Verbindungsrohre sind im Winkel von 90° in das Hauptrohr eingelötet. Bild 5.92 zeigt den ersten, von Jeria und Tapia [29], gebauten und erproben Sonnenkollektor. Er ist in der wissenschaftlichen Veröffentlichung N°3 beschrieben. Bild 5.93 zeigt den zweiten Sonnenkollektorprototyp, von Carmona und Sciaraffia [31] entwickelt, gebaut und erprobt. Hierbei wurde ein System konzentrischer Rohre von 1“, 3/4“ sowie 3/8“ angewandt. In dieser Kollektorart laufen 3/4“ Rohre an beiden Enden in die 1“ Rohre. Eingeschoben im Inneren befinden sich 3/8“ Rohre, die die 1“ Rohre durchstoßen und in ein weiteres 1“ Rohr einmünden. Das Wasser fließt erst durch die innere 3/8“ Leitung, dann durch den Zwischenraum zwischen ihr und der 3/4“ Leitung laminar zurück. In Bild 5.94 wird ein im Aufbau befindlicher Solarkollektor dargestellt. Hier wurden die 3/8“ Rohre mit den 3/4“ Rohren im Winkel von 90° verbunden. Beide Rohrleitungen sind vom Typ M (Wanddicke 0,9 mm). Mit diesem noch in Entwicklung befindlichen neuen Prototyp wird die Verbesserung der Energieausnutzung sowie eine Kostensenkung in der Herstellung beabsichtigt. 93 Bild 5.92: Erster Prototyp Bild 5.93: Zweiter Prototyp Bild 5.94: Entwicklung eines Solarkollektors mit dünnwandigen Rohren In Bild 5.95 ist das typische Ergebnis einer Folge von fließlochgeformten Bohrungen mit 12,8 mm Durchmesser für das Einlöten von 3/8“ Rohren in ein Kupferrohr von 3/4“ nach dem Vorbohren mit Spiralbohrern von 9, 10 und 11 mm Durchmesser, zu sehen.. 94 Bild 5.95: Folge von Fließloch geformten Bohrungen. Bild 5.96 zeigt den Werkzeugsatz, der bei der Bearbeitung der 3/4“ Rohre für die Lötaufnahme der 3/8“ Rohre zum Einsatz kam. Sie sind in Steilkegel- aufnahmen BT-40 für das Bearbeitungszentrum HAAS montiert. Bild 5.96: 9, 10 und 11 mm Spiralbohrer und ein 12,8 mm Fließlochformer 95 6 Schlussfolgerungen In den vorliegenden Untersuchungen wurden alle vorgegebenen Aufgaben, verabredet am Ende des Jahres 1995 in Florianópolis, Brasilien, erfolgreich durchgeführt. In der damaligen Besprechung wurde festgelegt, das Labor für Fertigungsverfahren und Materialien der Universität von Tarapacá soll das Verhalten dünner Blechen aus Kupfer und Kupferlegierungen wie α-Messing während des Fließlochformens und des Gewindefurchens erforschen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die dünnen Bleche aus Kupfer und Messing ein ähnliches Verhalten wie die Bleche aus Aluminium während des Fließlochformens aufweisen, da sie ebenfalls weiche Metalle sind. Ein Vorbohren ist in vielen Fällen hilfreich oder gar zwingend, um die Qualität 1 der Buchse zu erreichen. Ein weiteres Ergebnis ist, dass die Drehgeschwindigkeit im ungekehrten Verhältnis zur Wanddicke der Kupfer- und Kupferlegierungen stehen muss. Je dünner das Blech, desto höher die Drehzahl, und je dicker das Blech, desto niedriger muss sie sein. Als wichtiges Ergebnis stellte sich bei den Versuchen heraus, dass die Legierungselemente von Messing einen großen Einfluss auf den Formbildungsprozess der Buchse haben. Insbesondere spielt der Zinkanteil eine wesentliche Rolle für die richtige Wahl der Bearbeitungsparameter. Je höher der Zinkanteil, desto bessere Buchsenqualitäten werden mit großer Drehgeschwindigkeit erreicht. Je kleiner der Zinkanteil, desto niedrigere Drehgeschwindigkeitswerte sind angebracht. Blei als Legierungselement verhindert die Entstehung guter Buchsen. Die Gefügeumwandlung in der Wärmeeinflusszone der Buchse ließ sich metallographisch deutlich nachweisen. Ebenso, dass die Mikrohärte in diesem Bereich größer ist, als im ursprünglichen Material. Aufgrund der umfangreichen Erkenntnisse aus den Versuchen entstand der Wunsch ein neues verbessertes Werkzeug zu entwickeln. Das Kombinationswerkzeug “COMPOUND“ stellt eine Weiterentwicklung der REM-Werkzeuge der Firma FLOWDRILL® dar. Es hat an seinem Spitzenbereich die Spankammer und Schneidengeometrie eines 96 Bohrwerkzeugs. Auf diese Weise war es möglich, ohne Vorbohren Buchsen der Qualität 1 zu erzielen. Metallographisch wurde nachgewiesen, dass Gewinde, durch Gewindefurchen in dünnen Kupfer- und Messingblechen erzeugt, höhere Härtewerte im Umformbereich aufweisen, was ihre Festigkeit vergrößert. Im Fall der in handelsüblichen Rohren hergestellten Buchsen zeigte sich, dass die Bohrungen nicht exakt rund sind. Dies hat jedoch keinen Einfluss auf die im Winkel von 90° zusammen gelöteten Rohrverbindungen. Die hart gelöteten Verbindungen wurden Zugversuchen unterzogen. Dabei trat der Bruch stets in der Rohrleitung mit dem kleinen Durchmesser und nicht im Bereich der Lötstelle auf. Diese Art der Buchsenherstellung, die als Stütz- und Lötflächen sowie als Gewindebuchsen dienen, erlaubte es, Solar-Wärmetauscher zur Wasser- erwärmung, mit einfachen Hilfsmitteln, aus handelsüblichen national verfügbaren Halbzeugen zu bauen. Die entwickelten Prototypen erbrachten in der technischen Erprobung sehr gute Ergebnisse. 97 7 Zusammenfassung Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass für das Fließlochformen in dünnen Blechen und Rohren aus Kupfer und Messing ein Vorbohren für die Erzeugung einer Buchse der Qualität 1 erforderlich ist. Ferner wurde ein Kombinationswerkzeug „COMPOUND“ entwickelt, mit dem es möglich ist, den separaten Arbeitsgang Vorbohren einzusparen und in einem Arbeitsschritt Buchsen der Qualität 1 zu erzeugen. Durch die kristalline Gefügeveränderung infolge Umformung und Reibung zwischen Werkzeug und Werkstoff wird die Härte im Bereich der Buchse größer. Das wirkt sich besonders günstig auf das nachträgliche Gewindefurchen aus. Ferner wurde ein Verfahren für die Bearbeitung von handelsüblichen Kupferrohren entwickelt, das die Herstellung von Solar-Wärmetauschern zur Wassererwärmung erlaubt. Resume The present Thesis shows that the Thermal Flow Drilling in thinner metal sheets of Cooper and Cooper alloys needs a predrilling process for frayed end quality Type I bushings, similar to thinner sheets of Aluminium bushes. The compound tool developed could obtain quality Type I bushings and excludes predrilling processes. The bush recrystalization, product of the friction between the tool and the material, the hardness grows and it is advantageous for the Form Tapping. The methodology developed for commercial copper pipes permits to built water solar interchange heaters. 98 Schrifttum und Quellen 1.- Flowdrill A.G., Holland. 2.- Proyecto DAAD-CONICyT. Taladrado por fluencia térmica en láminas delgadas), 2000-2002. (“Thermal Flow Drilling in thin sheet”). 3.- Juan Carlos Lopes. Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica, Furacao por escoamento e rosqueado por conformacao. Santa Catarina Federal University, 1994. (“Thermal flow drilling and thread cold forming”). 4.- J.C.O. Lopes.Tesis de Doctorado. Beitrag zur Weiterentwicklung der Technologie des Fließlochformens”., IPL U. de Kassel, Alemania, 1999. (Estudio de la aplicación del taladrado por fluencia). 5.- Heiler. Tesis de Doctorado. “Fließlchformen und Gewindefurchen auf NC- gesteuerten Werkzeugmaschinen“, IPL U. de Kassel, Alemania, 1999. (Taladrado por fluencia y roscado por laminación en una máquina de Control Numérico), 6.- A.H. Streppel. Flowdrilling: A preliminary analysis of a new bush-making operation. Annals of the CRP, 32, 1 (1983).(Análisis preliminar de nuevas operación para la confección de manguitos). 7.- G. Kretschmer- Genaue Temperaturbestimmung beim Fließlochformen schont Werkzeug und Spindle. Maschinenmerkt, Wurzburg 87 (1981), pp 2087-2090, Germany. 8.- Cristian Gies. Tesis de Doctorado. “Evaluation der Prozesseinflussgrossen beim Fließlochformen mit DoE”. Dezember 2005. 9.- Dr. Ing. Fraz Tikal. TAW Seminar. “Moderne Verfahren zur Herstellung von Innengewinden“. November 2006. 99 10.- EMUGE. CU. Bearbeitung von Kupfer und Kupferlegierungen catalogue. 11.- Prontuario de metales. “Colores de incandecencia del acero“. Jutz. Scharkus, Lobert, Westermann Verlag GmbH, Braunschweig. 12.- Freddy Vivanco. Tesis en Ingeniería Mecánica. Estudio de aplicación industrial del taladrado por fluencia. 1997. UTA. (“Thermal flow drilling industrial application”). 13.- Stagnaro. Tesis en Ingeniería Mecánica. Estudio de taladrado por fluencia en uniones de vigas nacionales. 1998 UTA. (“Thermal flow drilling in in chilean structural beam”). 14.- Ramirez. Tesis en Ingeniería Mecánica. Implantación del Proceso Flowdrill y Flowtap en la Fabricación de Bicicletas., Ing. Civ. Mecánico. 1998 UTA. (“Flowdrill and Flowtap Implementation in the Bicycle Industry”). 15.- Fundición Neptuno, Iquique. Espectrómetro de chispa. 16.- Microscopio Nikon. Modelo Optiphot. Japón. 17.- Microdurímetro Shimadzu, Dureza Vickers. Japón. 18.- Catalogo de Manufacturas de Cobre S.A., MADECO, Chile. 19.- P. Oviedo, M. Quispe. Tesis en Ingeniería Mecánica. “Taladrado por fluencia térmica en aleaciones de cobre de diferente espesor”. 2000 – 2001 UTA. (“Thermal Flow Drilling in copper alloys sheet with different thickness”). 20.-. O. Morales. Tesis en Ingeniería Mecánica. “Taladrado por Fluencia en Aleaciones de Cobre utilizadas en la Industria Automotriz Alemana”. 2002 UTA. (Thermal Flow Drilling in copper alloys used in the German car industry). 100 21.- J. C. Lopes y J. M. Godoy R. Presentación. Taladrado por fluencia en cobre. V Congress CIMIC, Antofagasta University 1995. (Copper thermal flow drilling). 22.- O. Verdejo. Tesis en Ingeniería Mecánica. “Taladrado por fluencia en aleaciones de cobre”. 1997 UTA. (Copper alloy thermal flow drilling). 23.- J.M. Godoy Ramsay. Proyecto FONDEF CONICyT D97 F1054. Laboratorio de investigación para procesos de mecanizado por fluencia y aplicación de la teoría de Bill Mundy. (Research laboratory for thermal flow drilling and Bill Mundy Theory studies) 24.- G. Ildefonso, A. Vega. Tesis en Ingeniería Mecánica. Implementación y Puesta en Marcha del Laboratorio de Investigación de Mecanizado. 2000 UTA. 25.- N. Mansilla. Tesis en Ingeniería Electrónica. Diseño e Implementación de un Sistema Computacional de Adquisición de Datos para en Centro de Mecanizado. 2000 UTA. 26.- S. Damm. Tesis de Doctorado. IPL 2002. 27.- R. Araya. Tesis en Ingeniería Mecánica. Taladro por Fluencia Térmica con Filos Especiales en Cobre y Aleaciones de Cobre. 2004 UTA. 28.- R. Carmona. Tesis en Ingeniería Mecánica. Estudio de las Uniones Soldadas en Cañerías de Cobre.2003 UTA. 29.- V. Jeria, J. Tapia. Diseño, Contrucción y Evaluación de un Colector Solar mediante Taladrado por Fluencia Térmica. 2002 UTA. 101 30.- M. Palma. Determinación de los Parámetros de Diseño de un Colector Solar, Fabricado en l UTA. 2004 UTA. 31.- V. Carmona, H. Sciaraffia. Tesis en Ingeniería Mecánica Diseño, Fabricación y Evaluación de un Colector Plano de Cañerías Concéntricas. 2006 UTA. 32.- U de Michigan, S. Miller, P. Blau y A. Shih. “Microestructural Alterations Associated with Friction Drilling of Steel, Aluminum and Titanium. Journal of Materials Engineering and Performance. Vol. 14 Nº 5, pp. 647-653. October 2005. 33.- EUROBLECH. Feria Internacional de Estampado de la Chapa. 24 to 28 Octubre 2006, Hanover, Alemania. 34.- Application of Finite Element Methods for Numerical Analysis of Machine Processes exemplarity discussed with Cold Form Tapping, S. Holsten, F. Tikal, Kassel 2005. 35.- Fresadora copiadora DUPLOMATIC, Modelo DC-1. Con 8 velocidades en el husillo (132, 224, 352, 548, 180, 1840, 2880 y 4440 [rpm]) y tres avances por revolución, (0,04, 0,078 y 0,129 [mm/rpm]), y potencia de 1,32 [KW]. 1972. Italia. 36.- Taladro de columna TOSS, Modelo VS32. Conde 9 velocidades en el husillo (56, 90, 140, 224, 350, 560, 900, 1400, 2240 [rpm]) y 4 avances por revolución (0,11, 0,18, 0,28 y 0,45), y potencia de 2,2 [KW]. 1967. Checa. 37.- Centro de mecanizado CNC, HASS modelo VF-OE 10 a 10.000 [rpm] y potencia de14,7 [KW]. 2000. USA. 38.- Dinamómetro Piezoeléctrico Kistler, modelo 9272 A, y amplificador Tipo 5019B. 2000. Suiza. 102 39.- Tarjeta Adquisiciones de datos DAS 802, Keithley MetraByte. USA. 40.- Software Testpoint, Keithley MetraByte. USA. 41.- Software XAct. Alemania. 42.- Afiladora óptica Óptima de Brocas. 2000. Suiza. 42.- Máquina de ensayo universal, Kratos de 20 Ton. Brasil. 43.- Weingaertner W.L, Lopes J.C., Schroeder E., Osis H. Analysis of the Temperature in Thermodrilling. L.M.P. U. F. Santa Catarina Brazil. 44.- Determination of the temperature performance curves during the TFD processes in stainless steel. J. Zegarra M. Thesis UTA. 2006 103 Eigene Vorveröffentlichungen 1.- Bush Making by Thermal Flow Drilling in Copper and Brass. The International Journal for Manufacturing Science & Production.. ISSN 0793- 6648 Vol. 4 Nº 2, 2001. Proyecto DAAD CONICyT 2.- Cutting Forces Measurements with a Piezoelectric Dynamometer During Thermal Flow Drilling. Revista Facultad de Ingeniería. Vol. 11 Jan.-Jun 2003 . Proyecto DAAD CONICyT. ISSN 0717-1072 3.- Solar heater manufacturing by thermal flow drilling. Revista Facultad de Ingeniería. Vol. 13 Nº 2 -2005. ISSN 0717-1072 / En red 0718-1337. Proyecto DAAD CONICyT 4.- Efecto de la altura del manguito en uniones soldadas en cañerías de cobre. INGENIARE. Revista Chilena de Ingeniería. Vol 14 Nº 3 2006. ISN0718-3291 / ISSN 0718-3305. Proyecto DAAD CONICyT 104 Anhang 1. Von der Universität Arica und anderen Organisationen finanzierte Forschungsprojekte 2. Technical Papers 3. Studentische Abschlussarbeiten 4. Vorträge auf Kongressen 105 1. VON DER UNIVERSITÄT ARICA UND ANDEREN ORGANISATIONEN FINANZIERTE FORSCHUNGSPROJEKTE Comparative studies of the cutting angles used in α-copper alloys in a CNC lathe DIN 17660. Estudio comparativo de los ángulos de corte utilizados en el mecanizado de aleaciones cobre - zinc DIN 17660 en un torno CNC. Nº 8745-1996 Project head. Jefe de Proyecto. SORENA- COMPAÑÍA ELABORADORA DE METALES S.A. SANDVIK CHILENA UTA SORENA- COMPAÑÍA ELABORADORA DE METALES S.A. SANDVIK CHILENA 1996 Experimental determination of the rake angle for α-copper alloys. Determinación experimental del ángulo de ataque de la herramienta de corte, para mecanizar aleaciones de cobre. Nº 8742 - 1997 Project head. Jefe de proyecto. UTA 1997 1998 Research laboratory for machining processes as Thermal Flow Drilling and Hill Mundy Theory CONICyT. Laboratorio de investigación para procesos de mecanizado por fluencia y aplicación de la teoría de Bill Mundy Nº D97 F1054. UTA Nº 8741 - 1998 Project head. Jefe de Proyecto UTA- FONDEF CONICyT 1998 2000 Thermal Flow Drilling and Form Tapping in α- copper alloys sheet metal (three national project Argentine, Brazil, Chile) Taladrado por fluencia y roscado por laminación en plancha de aleaciones de cobre (proyecto trinacional, Argentina, Brasil y Chile). Nº 8742 - 1998 Project head Jefe de proyecto UTA 1998 1999 Van laboratory for welding certification, CORFO project. First step. Laboratorio Móvil para certificación de soldaduras, proyecto CORFO-FDI Nº 98C4 – TC01 Project head Jefe de proyecto CORFO - UTA 1998 2001 Thermal Flow Drilling in thin sheet metals. DAAD CONACYT Project. First step. Taladrado por fluencia térmica en chapas finas. Proyecto DAAD-CONICyT. Universidad de Kassel Alemania, Instituto de Producción y Logística, Laboratorio de Fabricación, UTA. Cobre y aleaciones de cobre chilenas. Project head Jefe de Proyecto Flowdrill DAAD-CONICyT, Nº 1999- 2/2/206 UTA 8743 - 2000 2000 2001 Van laboratory for welding certification and qualify welders, CORFO project. Second step. Laboratorio Móvil para certificación de soldadura y calificación de soldadores, CORFO-FDI II fase. Project head Jefe de Proyecto CODING, CORFO FDI – 98C4-TC04 .UTA 2000 2001 106 Thermal Flow Drilling in thin sheet metals. DAAD CONACYT Project. Second step. Proyecto DAAD-CONICyT. Continuación Aleaciones de Cobre, industria automotriz alemana. Project head Jefe de Proyecto DAAD-CONICyT Nº 2001-064 UTA DAAD-CONICyT 2002 2002 Studies about emprenteneur centres. Estudio sobre centros de emprendimiento. Nº 8735-2001 Co researcher Co Investigador UTA UTA 2001 Thermo solar water interchanger builds with commercial copper pipes and TFD. Fabricación de intercambios de calor con tubos de cobre comerciales, mediante taladrado térmico. Nº 8741-2001 Project head Jefe de Proyecto UTA 2001 2002 Pure copper and α-copper alloys machining with special taps. Mecanizado del cobre y sus aleaciones con machos especiales. Nº 8741-2003 Project head Jefe de Proyecto Herramientas Titex Plus Alemania. UTA 2003 2004 107 2. TECHNICAL PAPERS Bush Making by Thermal Flow Drilling in Copper and Brass. Juan Godoy R, Franz Tikal, Jorge Vergara D., Stefan Damm. , Jaime Villanueva A. , Martín Quispe Y. , Percy Oviedo O. , Project DAAD CONICyT The International Journal for Manufacturing Science & Production ISSN 0793-6648 Vol. 4 Nº 2, 2001 Cutting Forces Measurements with a Piezoelectric Dynamometer During ajard aja Drilling. Juan Godoy R, Jorge Vergara D. , Jaime Villanueva A. Martín Quispe Y. , Percy Oviedo O., Franz Tikal y Stefan Damm. Project DAAD CONICyT Revista Facultad de Ingeniería ISSN 0717-1072 Central Library UTA. Vol. 11 Jan.- Jun Solar heater manufacturing by thermal flow drilling. Víctor Heredia R., Juan Tapia L., Camilo Flores C., Juan M. Godoy R. y Jorge Vergara Díaz. Project DAAD CONICyT Revista Facultad de Ingeniería ISSN 0717-1072 / En red 0718-1337 Central Library UTA Vol. 13 Nº 2 - 2005 Efecto de la altura del manguito en uniones soldadas en cañerías de cobre. Proyecto DAAD CONICyT INGENIARE. Revista Chilena de Ingeniería.. ISN0718-3291 / ISSN 0718-3305. Vol 14 Nº 3 2006 108 3. STUDENTISCHE ABSCHLUSSARBEITEN 26).-Estudio comparativo de ángulo de corte utilizado en bronces nacionales Ing. Ej. Mecánico Gajard Gallardo M- Luis Ramirez H M 1995 SORENA SANDVIK Proy. UTA 8745, 1996 27) –Estudio comparativo de ángulo de corte utilizado en el mecanizados de aleaciones de cobre – zinc nacionales. Ing. Ej. Mecánico Percy Oviedo O. – Martín Quispe Y M 1996 MADECO SANDVIK Proy. UTA 8745, 1996 28) –Implementación de calificación de soldadores y soldaduras eléctricas Ing. Ej. Mecánico Patricio Díaz – Rolando Monroy S. M 1996 Ind. Metal Mecánica. 29) –Programa para calibración de máquinas e instrumentos. Ing. Ej. Mecánico Robinson Ponce T. M 1996 Ind. Metal Mecánica 30) –Taladrado por fluencia en aleaciones de cobre Ing. Ej. Mecánico Omar Verdejo V. Herramientas Flowdrill, Holanda M 1997 Flowdrill 31) –Estudio de taladrado de aleaciones de cobre, latón Ing. Ej. Mecánico Oscar Pizarro R. - Rafael ajardo Z M 1997 MADECO Proy. UTA 8742, 1997 32) –Estudio de aplicación industrial del taladrado por fluencia Ing. Civ. Mecánico Freddy Vivanco F. Herramientas Flowdrill A.G. Holanda M 1997 INMOPOL S.A. Flowdrill 33) Estudio de modificación de secuencia maquina Ing. Ej. Mecánico Edgardo Muñoz S. – Manuel Ventura T M 1997 MELUS S.A 109 productora de ladrillos. 34) Estudio de mecanizado de aleaciones de cobre con herramientas de carburo cementado. Ing. Ej. Mecánico Henry Green C.- Claudia Rojas M. M 1997 MADECO SANDVIK Proy. UTA 8742, 1997 35) Implementación de ensayo de deformación por punzón de bola para ensayos de embutición Ing. Ej. Mecánico Cristian Aguad C.- Darío Ramos T M 1998 Ind. Met. Mecánica 36) Adaptación a la máquina KRATOS de un dispositivo para el ensayo de copa para pinturas y barnices según ISO-1520 Ing. Ej. Mecánico Jorge Choque S. M 1998 Ind. Metal Mecánica General Motors. 37).- Estudio de taladrado por fluencia en uniones de vigas nacionales sometidas a flexión. Ing. Civ.. Mecánico Rene Stagnaro C. Herramientas Flowdrill, Holanda M 1998 Flowdrill Proy. UTA 8741, 1998 38) Diseño, construcción y puesta a punto del ensayo de tracción en caliente para aleaciones de cobre Ing. Ej. Mecánico Daniel Ralde G. – Eleazar Osses M. M 1998 Flowdrill Proy. UTA 8741, 1998 39) Implantación del proceso flowdrill y flowtap a la fabricación de bicicletas Ing. Civ.. Mecánico Leandro Ramírez H. M 1998 Bicicletas OXFORD S.A. Proy. 8741, 1998 40) Patrones de rugosidad para mecanizado - torneado- de acero inoxidable Ing. Ej. Mecánico Larry Sepúlveda C. M 1998 Ind. Metal Mecánica 110 41) Diseño de procedimientos de construcción soldada estanques según la norma ISO 9000. Ing. Ej. Mecánico Isabel Huerta D.- Jorge Rojas G. (Metalurgia y Constr. Tarapacá) M 1998 M.C.T. S.A. Iquique 42) Instalación planta recuperadora de cilindros óleo hidráulico y fabricantes de componentes Ing. Ej. Mecánico Ángelo Arancibia S.- Freddy Galleguillos B. M 1998 Ind. Met. Mecánica 43) Guía para implementación de la ISO 9000 en construcciones soldadas Ing. Ej. Mecánico Javier Juyumaya R.- Roberto Leiva S. M 1999 Met. Arica Maestranza Fernández 44) Diseño e implementación de un sistema computacional de adquisición de datos para un centro de mecanizado Ing. Ej. Electrónico. Nelson Mancilla M. M 2000 FONDEF Nº D97 F1054 45) Implementación y puesta en marcha del laboratorio de investigación de mecanizado Ing. Civ. Mecánico Guillermo Ildefonso R. – Alejandro Vega S. M 2000 FONDEF Nº D97 F1054 46) Desarrollar un software 3D que permita visualizar las fuerzas de corte y consumo de potencia en una máquina herramientas CNC Ing. Ejecución en Computación e Informática Teresa Gardelcic M M 2000 FONDEF Nº D97 F1054 47) Determinación de las fuerzas de corte en el Ing. Civ. Mecánico Percy Oviedo O - M 2000 Proyecto ALECHILE 111 taladrado térmico por fluencia en aleaciones de cobre. Martín .Quispe Y (FONDEF Nº D97 F1054) Nº 8743-2000 UTA. Nº 8742- 1998 48) Desarrollo de los procesos de fabricación y armado de cocinas, hornos y freidoras de MAIGAS ARICA ,según la Norma ISO 9000 Ing. Ej. Mecánico. Johnny Ayala, Pedro Valencia M 2000 MAIGAS Arica 49) Implementación de la Norma QS 9000 en la fabricación de asientos automotrices (General Motors) Ing. Ej. Mecánico Gonzalo Cortés o – Gerard Vicencio Z. M 2000 INMOPOL S.A. 50) Desarrollo de la ISO 9000-2000 para la Planta Termoeléctrica de Tocopilla Ing. Ej. Mecánico Cristian Cárdenas M M 2001 ALSTOM CHILE S.A. 51) Desarrollo de Procedimientos y operación para la calibración de llaves de torque bajo ISO 9000 Ing. Ej. Mecánico Rafael Rodrigo Ahumada Aliaga M 2002 Ind. Metal Mecánica 52) Ensayo de ultrasonido a ejes de ferrocarril y probetas soldadas. Ing. Ej. Mecánico Rodrigo González R. FDI CORFO 98C4- TC01 .UTA Nº 8747- M 2002 Ferrocarril Arica La Paz. 53)Taladrado por fluencia en aleaciones de cobre utilizado en la industria automotriz alemana Ing. Ej. Mecánico. Oscar Morales R. (FONDEF Nº D97 F1054) M 2002 Proy. ALECHILE Nº 2001-64 54) Estudio Técnico del Ing. Ej Mecánico M 2002 INPRAMET 112 producto y proceso de laminado en caliente y frío para la fabricación de ánodos de Pb-Sn - Ca de la empresa INPRAMET S.A. Wilson Rivera F – Yerco Peña T. Calama. 55) Tribología Aplicada a Reductores Ing. Ejecución Mecánico Patricio A. Rodríguez M 2003 CODELCO Norte Calama. 56) Diseño y desarrollo documental de un sistema de gestión de calidad basado en la Norma ISO 9000-2000 para la empresa Komatsu Chile S.A. Ing. Ejecución Mecánico. Hugo J. Araya R. Víctor M. Vergara N. T- M 2003 Minera Quebrada Blanca, KOMATSU Iquique 57) Ensayos de taladrado con brocas con filos especiales según la norma DIN Ing. Ejecución Mecánico Cristian R. Bahoz M. (Htas. Titex Plus Alemania) (FONDEF Nº D97 F1054) T- M 2003 Proy. UTA Nº 8755, 2003- 2004 58) Taladrado con brocas convencionales y especiales en aleación de cobre, latón Ing. Ejecución Mecánico Pierre Ubillus C. (Htas. Titex Plus) (FONDEF Nº D97 F1054) T- M 2003 Proy. UTA Nº 8755, 2003- 2004 59) Desarrollo de procedimientos para la Ing. Ejecución Mecánico T- M 2003 Proy. UTA Nº 8755, 2003- 113 afiladora óptica, con el propósito de obtener filos bajo la Norma DIN Pablo L. Díaz A. (Htas. Titex Plus Alemania) (FONDEF Nº D97 F1054) 2004 60) Roscado con machos especiales en aleaciones de cobre, latón. Ing. Ejecución Mecánico Julio Ubillus C. (Htas. Titex Plus Alemania) (FONDEF Nº D97 F1054) T- M 2004 Proy. UTA Nº 8755, 2003- 2004 61) Taladrado Térmico por fluencia con filos especiales en cobre y aleaciones de cobre Ing. Ejecución Mecánico. Roberto Araya T. (FONDEF Nº D97 F1054) T- M 2005 Proy. ALECHILE Nº 2001-64 62) Mecanizado de cobre con brocas y machos especiales Ing. Ejecución Mecánico. A. Colque C., A. Coria C (Htas. Titex Plus Alemania) T- M 2006 UTA Nº 8741- 2003 63) Diseño, construcción y ensayo de un intercambiador solar de cañerías concéntricas para calentar agua. Ing. Civil Mecánico. Hector Sciaraffia, R. Carmona T- M 2006 Proy Nº 2001-64 ALECHILE 63) Banco de Calibración para Dinamómetro Kistler Ing. Ejecución Mecánico. Luis Beretta M, Carlos Castillo A. T- M 2006 Proyecto Nº 2001-64 ALECHILE 114 64) Estudio de viabilidad técnico económica de la producción de carne exótica para exportación en la ciudad de Arica Ing. Civil Mecánico. Daniel Ralde G. M 2006 Industrial 115 4. VORTRÄGE AUF KONGRESSEN Estudio comparativo de los ángulos de corte utilizados en el en el mecanizado de aleaciones Cobre- Zinc, tipo DIN 17.660 CUZN30 en un torno CNC VII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica U. Austral 1996 Determinación Teórica del cambio de volumen por unidad de tiempo en el taladrado por fluencia en una plancha de cobre VII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica U. Austral 1996 Estudio de taladrado de aleaciones de cobre zinc nacionales VII Congreso de Ingeniería Mecánica en la industria del Cobre U. de Antofaga sta 1999 Estudio comparativo de ángulos de corte utilizados en el torneado de aleaciones cobre zinc y cobre estaño nacionales IV Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica U. de Antofaga sta 1999 Taladrado térmico por fluencia y roscado por laminación, calidad de las rebabas y análisis Metalográfíco en chapas de acero de 3 mm de espesor. IV Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica U. de Santiago 1999 Comportamiento mecánico del sistema taladrado térmico por fluencia y roscado por laminación (Flowtap y Flowdrill) y el sistema perno tuerca convencional en chapas de acero. IV Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica U. de Santiago 1999 116 Taladrado térmico por fluencia y roscado por laminación en planchas de aleaciones de cobre. XII Jornadas de Investigación 99 Innovación científica Tecnológica e identidad cultural UTA 1999 Taladrado Térmico por fluencia. Calidad de Rebabas y Análisis Metalográfico del Cobre y sus aleaciones. VIII Congreso CIMIC U de Antofaga sta 1999 Taladrado Térmico por fluencia. Instalación de dispositivos y Medición de Fuerzas de Corte en el Cobre y sus aleaciones. VIII Congreso CIMIC U de Antofaga sta 2001 Influencia de los componentes químicos en las aleaciones de cobre- zinc, en el taladrado térmico por fluencia. IX Congreso CIMIC U de Antofaga sta 2003 Taladrado por fluencia térmica. Efecto del tamaño del manguito en uniones de tubos de cobre soldados. XI Congreso de Ingeniería Mecánica U de Antofaga sta. 2004 Ensayo de tracción – Teoría de Bill Mundy en el mecanizado de cobre con brocas y machos especiales.A. Colque C., A. Coria C., J. M. Godoy R.J. Vergara. CONAMET/SAM 2006 U. de CHILE 2006 117 Danksagung Ich bedanke mich für die vorbereitenden Arbeiten zur Aufgabenstellung der vorliegenden Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor- Ingenieur bei den Mitgliedern des Instituts für Produktionstechnik und Logistik der Universität Kassel, bei Prof. Dr.-Ing. Franz Tikal und bei Dipl.- Ing. José Alonso Enríquez für die Durchsicht dieser Dissertation. Bei Prof. Dr.-Ing. Joao Lopes bedanke ich mich für die Entwicklung des Projektes ALECHILE. Ebenso danke ich allen Personen, die in den verschiedenen Stufen der Untersuchungen mitgearbeitet haben, besonders Dr.-Ing. Stefan Damm vom Institut für Produktionstechnik und Logistik. Ich danke meinen Schülern der Escuela U. Des Maschinenbaus der Universidad de Tarapacá, Arica für ihren gezeigten Einsatz bei der Entwicklung der verschiedenen Arbeitsstufen Ing. Mecánico Omar Verdejo, Ing. Mecánico Percy Oviedo, Ing. Mecánico Martín Quispe, Ing. Mecánico Oscar Morales, Ing. Mecánico Roberto Araya, Ing. Mecánico Rodrigo Carmona, Ing. Mecánico Freddy Vivanco, Ing. Mecánico René Stagnaro, Ing. Mecánico Leandro Ramirez, Ing. Mecánico Guillermo Ildefonso, Ing. Mecánico Alejandro Vega, Ing. Electrónico Nelson Mancilla, Ing. Mecánico Víctor Jeria, Ing. Mecánico Juan Tapia, Ing. Mecánico Víctor Carmona, 118 Ing. Mecánico Héctor Sciaraffia Besonders danke ich meiner lieben Gattin Ramona Guldman für ihre Unterstützung, und auch meinen Kollegen und Freunden Dr. Patricio Zavala und Dr. Jorge Vergara.