DE102007031185A1

DE102007031185A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vorbehandlung von metallischen Werkstücken für Bohrungen

Info

Publication number: DE102007031185A1
Application number: DE200710031185
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Karch; Wilhelm Dr. Wulbrand; Jürgen Dr. Steinwandel
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-07-04
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-07-05
Also published as: WO2009003601A1; DE102007031185B4

Abstract

Ein Verfahren zur Festigkeitserhöhung von metallischen Werkstücken (10) mit einer Bohrung enthält die Schritte: Anordnen des Werkstücks (10) benachbart zu einer Vorrichtung (25) zum Erzeugen eines Magnetfelds; Verfestigen von zumindest einem Bereich des Werkstücks (10) durch Erzeugen eines zeitlich veränderlichen Magnetfelds mit Hilfe der Vorrichtung (25) zum Erzeugen eines Magnetfelds, derart, dass im Werkstück (10) während einer vordefinierten Zeit elektrische Wirbelströme induziert werden, die elektromechanische Kräfte im Werkstück (10) erzeugen und zur plastischen Verformung führen und somit eine Verfestigung der Oberfläche des Werkstücks (10) bewirken; und Einbringen einer Bohrung in den verfestigten Bereich des Werkstücks (10) nach der Verfestigung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Festigkeitserhöhung von metallischen Werkstücken, in die eine Bohrung eingebracht werden soll. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vorbehandlung von Leichmetallwerkstücken aus einer Aluminiumbasislegierung oder Magnesiumbasislegierung.
Solche Werkstücke finden beispielsweise Einsatz im Flugzeugbau als Stege oder Spanten. Auch wenn bei zukünftigen Flugzeugen zunehmend höhere Anteile an CFK-Strukturen vorgesehen sind, gibt es Bestrebungen, Teilstrukturen als Leichtmetallbasisstruktur mit herkömmlicher Steg/Spantenbauweise auszubilden, auf die dann CFK-Strukturteile z. B. mitbeplankt werden, d. h. eine Mischung aus herkömmlicher Leichtmetallbauweise und Faserverbundstruktur herzustellen. Dazu ist es erforderlich, Lochbohrungen in der Basisstruktur vorzusehen, wobei die Löcher beispielsweise einen Durchmesserbereich von 5–10 mm haben, in die dann Befestigungselemente zur Befestigung der CFK-Strukturteile oder weitere Basisstrukturteile eingebracht werden können. Gewöhlicherweise werden die Bohrungen mit Untermaß bezüglich der einzubringenden Befestigungselemente gefertigt, so dass beim Einbringen der Befestigungselemente eine zusätzliche Randzonenverfestigung der Bohrung stattfindet oder ein Presssitz erzeugt werden kann.
Außerdem ist es bekannt, die Randschichten der Bohrungen an sich zu verfestigen, um Beschädigungen während des Betriebs des Bauteils zu vermeiden. Insbesondere ist es bekannt, dass sich von Bohrungsstellen Risse, die ihren Ausgang an der Bohrungsstelle haben, fortpflanzen, was insbesondere aufgrund der auftretenden Wechsellasten während des Betriebs zu Schwingungsrisskorrosion und möglichem Versagen des Bauteils führen kann.
Gerade bei versagenskritischen Flugzeugstrukturbauteilen führt dies wiederum zu erhöhter Wartungshäufigkeit und damit Kosten.
Daher ist es bekannt, das Ausbilden von Rissen an Bohrungsrandzonen durch Beeinflussung der Materialeigenschaften im Gebiet der Bohrung zu begrenzen. Zur Randverfestigung von Bohrungen ist es bekannt, in das Leichtmetallbauteil Druckeigenspannungen zu induzieren. Einerseits kann dazu nach dem Einbringen der Bohrung auf mechanische Art und Weise, insbesondere beispielsweise durch Aufdornen, entlang des Bohrungsrands jede einzelne Bohrung behandelt werden und Druckeigenspannungen in die Randzone der Bohrung eingebracht werden. Je nach Größe (Durchmesser) der Bohrung ist dies jedoch aufwendig und teilweise nicht möglich. Insbesondere bei Bohrungen mit kleinem Durchmesser sind darüber hinaus die dafür erforderlichen Werkzeuge komplex und teuer, wobei gleichzeitig das gewünschte Ergebnis möglicherweise nicht erzielt werden kann, da die kleinen Werkzeuge nicht zu ausreichenden Einhärtetiefen aufgrund fehlender einbringbarer Druckbelastung führen.
Andererseits ist es bekannt, vor dem Einbringen der Bohrung die Bohrstelle durch mechanisches Zusammendrücken zu verfestigen. Hier wird nicht die Randzone der Bohrung gezielt behandelt, sondern vielmehr wird beispielsweise beidseitig von Außen das Bauteil mittels einer hydraulischen Presse zusammengedrückt, so dass in das Material Druckeigenspannungen induziert werden. In diesen behandelten Bereich wird anschließend die Bohrung eingebracht. Die daraus resultierende Verfestigung des Materials geschieht durch die Dehnung des Materials beim Zusammendrücken. Hier ist es jedoch schwierig, über die gesamte Tiefe der Bohrung bzw. des Materials gleichmäßig Druckeigenspannungen zu induzieren, so dass das Material entlang der Tiefenrichtung in bestimmten Bereichen möglicherweise nicht ausreichend verfestigt ist, so dass Risse entstehen können.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Festigkeitserhöhung von metallischen Werkstücken mit Bohrungen vorzusehen, das auch an kleinen Bohrungen kostengünstig durchführbar ist und mit dem über die gesamte Tiefe in der Randzone der Bohrung eine ausreichende Verfestigung erzielt werden kann. Außerdem soll eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird bei dem Verfahren zur Festigkeitserhöhung von metallischen Werkstücken vor dem Einbringen einer Bohrung in ein Werkstück, insbesondere ein Werkstück aus einer Aluminiumbasislegierung oder Magnesiumbasislegierung oder in ein anderes Werkstück aus einem elektrisch gut leitfähigen Metall, insbesondere Leichtmetall, eine Verfestigung dadurch erzielt, dass das Werkstück berührungslos nicht nur auf der Oberfläche, sondern durch das gesamte Volumen des behandelten Bereichs mit Hilfe von in ihm induzierten Wirbelströmen verfestigt wird. Dazu wird das Werkstück z. B. zwischen zwei Einrichtungen, die ein Magnetfeld erzeugen, derart platziert, dass beim Generieren von kurzzeitgen Stromstößen durch die Einrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfelds in ähnlicher Weise wie beim pulsmagnetischen Umformen ein starkes Magnetfeld aufgebaut wird, was dazu führt, dass im angrenzend positionierten metallischen Werkstück ein Wirbelstrom, induziert wird. Eine plastische Umformung und Verfestigung des Werkstücks geschieht, wenn die durch die Wirbelströme eingebrachten (elektromechanischen) Kräfte, wenn die Fließgrenze des Werkstoffs überschritten wird. Die eingebrachten Kräfte werden durch die Stromstärke und die magnetische Flussdichte des Magnetfelds bestimmt. Die im Werkstück während einer vordefinierten Zeit induzierten Wirbelströme erzeugen auf Grund der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld Volumenkräften, die dann zu einer plastischen Verformung des Werkstückes führen, und somit eine Verfestigung der Oberfläche des Werkstückes bewirken.
Zum Durchführen des Verfahrens sind sowohl die Spule bzw. die Spulen, die eine Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfelds bilden, als auch das Werkstück festgelegt positioniert, so dass das Werkstück den auftretenden Kräften nicht ausweichen kann. Durch die Variation der Stromamplituden können sehr große elektromechanischen Kräfte erzielt werden, die dann zu großen plastischen Verformungen in der Oberfläche des Werkstücks führen. Zudem werden diese Kräfte in sehr kurzen Zeitintervallen erzielt. Das bewirkt, dass sehr hohe Dehnraten bis zu 10⁴ 1/s erzielt werden. Diese hohe Dehnraten führen zu noch größerer Verfestigung der Oberfläche des Materials (Hochgeschwindigkeits umformverfahren). Durch Variation der Dehn- und Dehnungsraten, die wiederum durch die Abgabe des Stromstoßes steuerbar sind, können die induzierten Druckeigenspannungen im Werkstück somit optimiert werden. Berührungslos plastisch verformt und somit verfestigt wird, ist das Verfahren nicht nur kostengünstig durchführbar, sondern die Oberfläche des Werkstücks wird mechanisch nicht beschädigt. Beispielsweise kann ein Bereich, in den mehrere Bohrungen einzubringen sind, durch einen einzigen Vorgang verfestigt werden. Die Wirbelströme und damit die Druckeigenspannungen werden nicht nur an der Oberfläche, sondern über die gesamte Tiefe des Werkstücks induziert, was zu einer homogenen Spannungsverteilung im Material, insbesondere entlang der gesamten Tiefe der Bohrung führt.
Da die Kraft von der Stromstärke und dem abgegebenen Stromstoß, dessen Dauer und Spannung, abhängt, können in das Material deutlich höhere Kräfte als bei konventionellen mechanischen Verfahren eingeleitet werden und somit auch eine höhere Verfestigungsrate und Verfestigung erzielt werden. Nach der berührungslosen Verfestigung kann die Bohrung in den verfestigten Bereich des Werkstücks eingebracht werden.
Als Vorrichtung eignet sich insbesondere eine Einrichtung, die im Wesentlichen zwei festgelegte Flachspulen enthält, zwischen die das Werkstück eingebracht werden kann. Die Flachspulen sind zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet und in einer keramischen, das heißt nicht elektrisch leitenden Halterung, gehalten. Zusätzlich kann eine Vorrichtung als Halterung vorgesehen sein, welche eine Stromzuführung und eine Wasserkühlung für die Spulen beinhaltet. Dabei ist vorzugsweise der Abstand zwischen den Flachspulen derart gewählt, dass das Werkstück mit möglichst geringem Zwischenraum zwischen dem Werkstück und den Flachspulen in den Raum zwischen den Flachspulen positioniert werden kann.
Die Einrichtung zum Erzeugen des Magnetfelds ist vorzugsweise in der Form von zwei Flachspulen, die in einer zangenartigen, nicht magnetisch leitenden Konstruktion gehalten werden und gleichzeitig mit einem identischen Hochstromimpuls, beispielsweise durch Abgabe von zwei jeweils zugeordneten Stoßkondensatoren, angeregt werden.
Die Flächenrichtung der Flachspulen verläuft im Wesentlichen parallel zur Werkstückoberfläche im zu behandelnden Bereich, so dass eine gute Annäherung an das Werkstück erzielt werden kann.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Einrichtung, mit der das Verfahren durchgeführt wird, Stoßkondensatoren, die die Abgabe eines starken Stromstoßes kurzzeitig an die Spule bzw. Spulen ermöglichen. Dadurch kann innerhalb von wenigen μsek ein sehr hohes Magnetfeld aufgebaut werden. Durch die Verwendung von Stoßkondensatoren kann in der Spule ein hoher, kurzzeitiger und stark gedämpft schwingender Stromstoß erzeugt werden, so dass das Kraft induzierende Magnetfeld innerhalb weniger Mikrosekunden aufgebaut wird. Dadurch sind die hohen Dehnraten erzielbar, die zu der Verfestigung maßgeblich beitragen.
Durch die Auslegung der Entladungscharakteristik der Einrichtung zum Erzeugen des Magnetfelds besteht somit die Möglichkeit, die Amplitude und die Pulsdauer des Entladungsstroms und damit die Frequenz des elektromagnetischen Felds zu justieren, wodurch die Tiefe und die Stärke der induzierten Druckeigenspannungen variiert und damit optimiert werden können.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in denen:
1 eine Draufsicht auf ein Werkstück ist, wobei eine Flachspule zum Erzeugen des Magnetfelds schematisch angedeutet ist; und
2 eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens in schematischer Ansicht ist.
1 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Werkstück 10, das als plattenförmiges Werkstück gebildet ist und beispielsweise ein Bereich eines Stringers oder Spants einer Flugzeugstruktur ist. Das Werkstück 10 ist aus einem metallischen, elektrisch leitfähigen Material gebildet, insbesondere bei Einsatz als Flugzeugstrukturbauteil vorzugsweise aus Leichtmetall. Beispielsweise ist das Werkstück 10 aus einer Aluminiumbasislegierung oder einer Magnesiumbasislegierung gebildet.
In das Werkstück 10 sollen an geeigneten Stellen Bohrungen eingebracht werden, bei denen eine Verfestigung der Randzone der Bohrung und des Materials um die Bohrung zur Verringerung bzw. Vermeidung der Rissbildung um die Bohrung erforderlich ist. Die Bohrungen (nicht dargestellt) dienen beispielsweise dazu, mittels Bolzen oder Niete weitere Strukturbauteile anzuschließen oder beispielsweise eine Beplankung mit einem anderen Material, beispielsweise aus Kohlenfaserverbundwerkstoffen, durchzuführen.
Zur Verfestigung von bestimmten Bereichen des Werkstücks 10, insbesondere den Bereichen, in denen die Bohrung eingebracht werden soll, wird das Werkstück 10, wie es am besten aus 2 zu erkennen ist, zwischen zwei spiralförmige Flachspulen 12 platziert. Die Flachspulen sind dabei derart ausgerichtet, dass ihre Flächenrichtung im Wesentlichen parallel zur Werkstückoberfläche ist. Vorzugsweise sind gleich aufgebaute Flachspulen auf der Ober- und Unterseite des Werkstücks 10 positioniert, wie es 2 entnehmbar ist, wobei die Flachspulen 12 jeweils über geeignete Stromzuführungen 13, die beispielsweise über die Anordnung von (Hochspannung-)Speicherkondensatoren (nicht dargestellt) angeregt werden. Die Flachspulen 12 wirken dabei ähnlich wie ein herkömmlicher mechanischer Stempel und haben beispielsweise die Form einer Uhrfeder (archimedische Spirale), die parallel zum Werkstück über und unter diesem angebracht werden.
Den Aufbau einer entsprechenden Vorrichtung zeigt 2, wo erkennbar ist, dass die Flachspulen 12 jeweils in Halterungen 14 aus vorzugsweise keramischem oder anderem nicht leitendem Material festgehalten werden, durch das die Stromzuführung 13 hindurchgeführt ist. Insgesamt werden die Flachspulen 12 in einer zangenartigen Halterung 20 aus nicht magnetischem Material, beispielsweise metallischem nicht magnetischem Material, gehalten, so dass bei Entstehung der Magnetkräfte die zangenartige Halterung 20 ortsfest bleibt. In die zangenartige Halterung 20 kann neben der Stromzuführung 13 auch eine Kühlung, beispielsweise eine Wasserkühlung, für die Flachspulen 12 integriert sein (angedeutet mit 15).
Während des Durchführens des Verfahrens wird das Werkstück 10 ebenfalls ortsfest gehalten, beispielsweise indem es in einer Zufuhrvorrichtung für das Werkstück zangenartig eingespannt ist oder indem es auf einer Matrize zumindest bereichsweise aufliegt.
Wird in die Flachspulen 12 ein vorzugsweise identischer Hochstrompuls eingebracht und werden damit die Spulen angeregt, so werden im Werkstück 10 Wirbelströme induziert, so dass zwischen dem Werkstück 10 und den Flachspulen 12 eine Kraft bzw. ein Druck wirkt. Dabei ist es nicht erforderlich, dass das Werkstück 10 in eine Form oder ähnliches gepresst wird. Die plastische Umformung des Werkstücks 10 beginnt vielmehr, wenn die durch die elektromechanischen Kräfte erzeugten Spannungen die Fließgrenze des Werkstoffs überschreiten. Dadurch werden im Werkstück hohe Dehnungen als auch hohe Dehnungsraten erzeugt, die sowohl abhängig von der Amplitude als auch der Dehnungsrate an sich maßgeblich für das Maß der eingebrachten Druckeigenspannungen sind.

10: Werkstück
12: Flachspule
13: Stromzuführung
14: Fixierung, Halterung
15: Wasserkühlung
20: Halterung
25: Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds

Claims

Verfahren zur Festigkeitserhöhung von metallischen Werkstücken (10) mit einer Bohrung, enthaltend die Schritte: Anordnen des Werkstücks benachbart zu einer Vorrichtung (25) zum Erzeugen eines Magnetfelds; Verfestigen von zumindest einem Bereich des Werkstücks (10) durch Erzeugen eines zeitlich veränderlichen Magnetfelds mit Hilfe der Vorrichtung (25) zum Erzeugen eines Magnetfelds derart, dass im Werkstück (10) während einer vordefinierten Zeit Wirbelströme induziert werden, die elektromechanische Kräfte im Werkstück (10) erzeugen und zur plastischen Verformung des Werkstücks (10) führen, und somit eine Verfestigung der Oberfläche des Werkstücks (10) bewirken; und Einbringen einer Bohrung in den verfestigten Bereich des Werkstücks (10) nach der Verfestigung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (25) zum Erzeugen eines Magnetfelds Stoßkondensatoren enthält, die die Abgabe eines Stromstoßes an mindestens eine Spule (12) ermöglichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (25) zum Erzeugen eines Magnetfelds angepasst ist, durch einen starken, kurzzeitigen Stromstoß in einer Spule (12) impulsartig ein Magnetfeld zu erzeugen, so dass im Werkstück (10) ein Wirbelstrom induziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (25) zum Erzeugen eines Magnetfelds zwei festgelegte Flachspulen (12) enthält, die parallel zueinander und zueinander beabstandet festgelegt angeordnet sind.
Verfahren nach einem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Flachspulen (12) derart bemessen ist, dass das Werkstück (10) zwischen ihnen mit geringem Abstand zu den Flachspulen (12) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Werkstück (10) im zu verfestigenden Bereich plattenförmig ist und die Flächenrichtung der Flachspulen (12) im Wesentlichen parallel zur Werkstückoberfläche verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachspulen (12) gleichzeitig mit einem im Wesentlichen identischen Hochstrompuls angeregt werden.
Vorrichtung (25) zur Festigkeitserhöhung von Werkstücken, enthaltend zwei zueinander gegenüberliegend festgelegt positionierte Flachspulen (12), die einen derartigen Abstand zueinander aufweisen, dass ein zumindest bereichsweise plattenartiges Werkstück (10) zwischen sie einführbar ist, und die mit einer Stromquelle zur Abgabe eines impulsartigen Stromstoßes verbunden sind.
Vorrichtung (25) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (12) in einer keramischen Fixierung (14) festgelegt sind.
Vorrichtung (25) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, das die Spulen (12) in einer zangenartigen Halterung (20) gehalten sind.
Vorrichtung (25) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (20) eine Stromzuführung (13) an die Spulen (12) und eine Wasserkühlung (15) zur Wärmeabfuhr beinhaltet.
Vorrichtung (25) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (20) aus einem nichtmagnetischen metallischem Werkstoff gebildet ist.