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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Randschichtverfestigung einer Bohrung in einem Bauteil mit zumindest einer Metallzone. Insbesondere ist das Bauteil dabei ein Strukturbauteil, das zum Beispiel im Flugzeugbau eingesetzt wird, das in einer Metall-Komposit-Mischbauweise, als sogenanntes Hybridstrukturbauteil, aufgebaut ist. Neben Zonen im Bauteil aus Metall kommen dabei Zonen aus Faserverbundwerkstoffen, sogenannte Verbund- oder Kompositzonen, zum Einsatz, wobei die Metallzonen und die Kompositzonen miteinander verbunden sind und einander bezüglich Festigkeitseigenschaften u. ä. ergänzen, wobei eine Gewicht sparende Bauweise vorgesehen wird.
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Die Verbindung der verschiedenen Materialien solcher Bauteile, insbesondere der Verbundzone mit der Metallzone, entsteht dabei beispielsweise über Schrauben- oder Bolzenverbindungen.
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Sowohl bei rein metallischen Bauteilen als auch bei Hybridstrukturbauteilen, die aus Zonen unterschiedlicher Materialien aufgebaut sind, sind in das Bauteil Bohrungen einzubringen, z. B. zur Befestigung externer Lasten oder zur Verbindung der unterschiedlichen Materialzonen miteinander. Dabei bezeichnet der Begriff Bohrung jede Art von Loch, was nicht zwangsläufig durch Bohren eingebracht werden muss, sondern vielmehr durch spanende Bearbeitung im Allgemeinen oder andere Verfahren eingebracht sein kann. Diese Löcher oder Bohrungen dienen z. B. zur Aufnahme von Bolzenbefestigungen, die im Betrieb an exponierten Stellen lokal hohe Krafteinwirkungen, beispielsweise an der Verbindungsstelle der Zonen unterschiedlichen Materials, aufnehmen müssen. Andere Orte hoher Krafteinleitung im Flugzeugbau sind beispielsweise Triebwerksbefestigungen oder Befestigungen externer Lasten, wie zum Beispiel von Zusatztanks oder Waffen.
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Bei rein metallischen Bauteilen ist an solchen Orten während des Betriebs mit Schwingungs- und Spannungsrisskorrosion zu rechnen, ausgehend von der Bohrung, was dazu führt, dass im metallischen Teil Risse an der Bohrung entstehen, die sich fortpflanzen können. Die Rissfortpflanzung kann zum Strukturversagen des Bauteils führen und stellt somit insbesondere im Flugzeugbau ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.
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Auch bei Metall-Komposit-Mischbauweise entsteht das Problem der Rissentstehung und Rissausbreitung an Bohrungen durch das Bauteil. Neben der Rissentstehung und -fortpflanzung ausgehend von der Bohrung in der Metallzone ist zusätzlich die Gefahr gegeben, dass bei hoher Krafteinleitung am Übergang der Zonen zwischen Metallzone und Kompositzone eine lokale Delamination erfolgt, beispielsweise infolge von Bruch der in der Kompositstruktur enthaltenen Fasern, was bei weiterem Betrieb zu fortschreitender Schädigung und Versagen des Kompositmaterials führen kann, wenn beispielsweise Wasser eindringt oder ähnliches.
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Um die Bohrungsstellen gegenüber Rissfortpflanzung und Rissentstehung zu schützen, ist es für metallische Bauteile mit Bohrungen bekannt, der Rissentstehung an Löchern in metallischen Werkstoffen vorzubeugen, indem Druckeigenspannungen zur Vermeidung von Spannungsrisskorrosion in das Bauteil um die Löcher eingebracht werden. Dabei wird die Randzone der Löcher durch Kaltbearbeitung plastisch verformt, insbesondere verdichtet, zum Beispiel durch Aufweitung der Bohrung. Als bekanntes Verfahren zur Randschichtverfestigung von Bohrungen wird eine Kaltverfestigung (Cold Working) eingesetzt, die jedoch selbst bei rein metallischen Strukturen zu schwer kontrollierbaren und oftmals ungleichmäßigen Randverfestigungsschichten führt, d. h. es entstehen Inhomogenitäten oder die Verfestigung ist unzureichend. Dabei sind solche Verfahren wie Aufdornen oder Festwalzen zu nennen. Alternativ kommen auch Verfahren wie Kugelstrahlen oder Laser-Plasma Shot Peening (LPSP) in Betracht.
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Bei einem weiteren Verfahren, das zur Randverfestigung von Bohrungen verwendet wird, wird in das zu verfestigende Loch eine Spule eingeführt, die mit elektrischem Strom versorgt wird, und in der Spule werden kurze Strom- bzw. Spannungsimpulse zu induziert. In einer ebenfalls in die Bohrung eingeführten und die Spule umgebenden Hülse wird dann ein Strom induziert, der zu einem Magnetfeld führt, das zum Magnetfeld der Spule abstoßend ist, so dass die Hülse auf den Innenumfang des zu bearbeitenden Lochs trifft und dieses verfestigt. Die Verfestigung geschieht somit mit dem Aufprall der Hülse am Loch. Dabei kann sich die Hülse mit der Innenfläche der Bohrung verbinden und somit eine zusätzliche Schutzschicht für die Bohrung vorsehen.
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Diese Verfahren führen jedoch bei Verbundbauteilen dazu, insbesondere wenn die Verfestigung an der bereits zusammengesetzten Hybridstruktur erfolgen soll, d. h. an der Struktur, die bereits aus Metallzone und Faserverbundwerksstoff besteht, und die Bohrung sich durch sowohl die Metallzone als auch die Faserverbundstruktur erstreckt, dass die Faserverbundstruktur durch die Kaltverfestigung der Metallzone am Bohrungsrand aufgrund der mechanischen Krafteinwirkung beschädigt oder beeinträchtigt wird, wenn beispielsweise der Dorn durch die Bohrung gezogen wird oder die Hülse auf die Bohrung in beiden Zonen aufprallt. Dies kann zu einer Schädigung der Kompositstruktur dahingehend führen, dass lokale Delaminationen zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen oder innerhalb des Faserverbundwerkstoffs erfolgen, die im Betrieb Anlass zu weiterer Schädigung des Bauteils geben und bis hin zum Versagen der Verbindung zwischen Metall und Kompositstruktur führen können.
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Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift
DE 101 27 388 A1 ein Verfahren zum Abschrecken eines ein Loch aufweisenden Werkstücks und ein Hilfswerkzeug zur Verwendung beim Abschrecken bekannt. Dabei ermöglicht ein Ferritkern, der teilweise mit Keramikgliedern bedeckt ist und der in ein Loch in einem Werkstück eingesetzt ist, ein Hochfrequenz-Induktionshärten des Werkstücks, während der Ferritkern von Kupferdrähten in seiner Lage gehalten wird. Gleichzeitig wird in dem Ferritkern ein Magnetfeld erzeugt, das eine hochfrequenz-induktionsgehärtete Schicht bildet, die sich progressiv aufweitende Randzonen aufweist, welche sich von einer Stelle in der Nähe der Mitte in axialer Richtung des Lochs zu Öffnungen an den Enden des Lochs hin erstrecken.
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Aus der
WO 03/073796 A1 ist eine Induktionsheizspule für innere Oberflächen zum Verbessern der Heizeffizienz und zum effizienten Heizen der inneren Seite eines zylindrischen Bereichs, wie ein Loch, das in einem Heizgegenstand geformt ist, bekannt, wobei die Spule ein hohles Gehäuse enthält, das aus einem isolierenden Material hergestellt ist, und einen Leiter in Form eines dünnen Blechs enthält, das in dem Gehäuse angeordnet ist, in dem ein Heizelement, dem der hochfrequente Strom zugeführt wird, installiert ist.
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Ferner ist aus der
DE 10 2006 022 702 B3 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kaltbearbeitung von Löchern bekannt. Die darin offenbarte Vorrichtung umfasst eine Spule, die mit einer Einrichtung zum Abgeben eines Stromstoßes durch die Spule verbunden ist, und eine die Spule umgebende Hülse aus elektrisch leitfähigem Material. Die Anordnung aus Spule und Hülse ist in das zu bearbeitende Loch einführbar, wobei die Hülse einen Außendurchmesser aufweist, der derart geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des zu bearbeitenden Lochs ist, dass eine durch einen Stromfluss durch die Spule induzierte magnetische Kraft eine radiale Deformation der Hülse bewirkt, so dass die Hülse gegen den Innenumfang des Lochs stößt.
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Die
DE 41 34 333 A1 offenbart ein Verfahren zur Steigerung der Festigkeit von Metalloberflächen bei dem ein stabförmiger elektrischer Leiter, der in eine in einer Metallplatte ausgebildete Bohrung eingeführt ist, mit Strom beaufschlagt wird. Dadurch wird um den elektrischen Leiter ein ringförmiges Magnetfeld erzeugt, wodurch im Spalt zwischen Bohrungswand und elektrischem Leiter ein magnetischer Druck entsteht, welcher Spannungen in die Bohrungswand induziert wodurch diese plastisch verformt und verfestig wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen Randzonen von Bohrungen in metallischen Werkstoffen oder Verbundwerkstoffen mit einer Metallzone, insbesondere Bohrungslöcher oder Löcher mit im Wesentlichen kreisrundem Querschnitt, homogen randschichtverfestigt werden können, wobei die Beeinträchtigung angrenzender Zonen an die zu behandelnde Randschichtverfestigungszone möglichst klein gehalten wird und die Randschichtverfestigung kostengünstig durchgeführt werden kann. Außerdem soll eine entsprechende Bohrungsanordnung vorgeschlagen werden.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Randschichtverfestigung von Bohrungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Vorrichtung zur Randschichtverfestigung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und einer Bohrungsanordnung mit verfestigter Innenrandschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Dabei wird mit Bohrung jedes durch ein Werkstück führende Loch, insbesondere aber nicht zwangsläufig mit kreisrundem Querschnitt, unabhängig von dessen Herstellungsverfahren und Querschnittsform bezeichnet. Beispielsweise sind auch durch Fräsen hergestellte Löcher als Bohrungen bezeichnet. Die Bohrung kann sich dabei vollständig durch das Werkstück als Durchgangsloch erstrecken oder als Sackloch ausgebildet sein.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ohne Einschalten eines Zwischenelements, einzig durch Erzeugung von Magnetfeldern und dadurch, dass das Werkstück und die Magnetspuleneinrichtung, mit der das Primärmagnetfeld erzeugt wird, bezüglich ihrer Lage zueinander festgehalten werden, d. h. sich nicht gegeneinander bewegen oder verschieben können, in den gut elektrisch leitenden Teilen des Werkstücks ein Magnetfeld zu induzieren, das zu dem primären Spulenmagnetfeld abstoßend ist. Durch die Abstoßung werden derartige Kräfte erzeugt, dass der Werkstoff zu mikroskopischen Ausweichbewegungen veranlasst wird, die dazu führen, dass der Werkstoff in der Randzone um die Bohrung sich verfestigt. Insbesondere werden durch die erzeugten, einander abstoßenden Magnetfelder Ausweichbewegungen von mikroskopischen Strukturen des Werkstoffs erzeugt, die in der Randzone größer sind und weiter vom Rand entfernt abnehmen, so dass die Verfestigung in der Randzone am höchsten ist. Da die Magnetfelder homogen in der gesamten Bohrung erzeugt werden können, sind die entstehenden Kräfte und die Verfestigung in der Randzone ebenfalls homogen.
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Dabei ist es nicht erforderlich, einen mechanischen Aufprall eines Elements auf die Randzone oder eine andere Berührung, wie beispielsweise beim Aufdornen, vorzusehen, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das Bauteil ein Hybridstrukturbauteil ist, das eine Metallzone und eine Kompositzone aufweist, da in diesem Fall die pulsmagnetische Behandlung nahezu ausschließlich auf den elektrisch leitenden metallischen Anteil wirkt. Da die Krafteinwirkung im pulsmagnetischen Verfahren proportional zu der elektrischen Leitfähigkeit ist, wird bei beispielsweise besonders bevorzugten Aluminium-Komposit-Hybriden, bei denen die elektrische Leitfähigkeit des Kompositmaterials um mindestens einen Faktor 1000 geringer als diejenige des Aluminiums ist, nur im Bereich des Metalls eine nennenswerte Krafteinwirkung erzeugt. Damit erfährt der Kompositwerkstoff, anders als bei mechanischen, berührenden Verfahren, keine nennenswerte Kraft-/Druckeinwirkung. Daher ist eine Schädigung durch z. B. Druck, wie im Fall mechanischer Verfahren, nahezu ausgeschlossen.
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Vorzugsweise ist die Bohrung eine kreiszylindrische Bohrung und enthält die in die Bohrung eingeführte Magnetspuleneinrichtung, insbesondere eine zylindrisch gewickelte Magnetspule. Dadurch ist es möglich, mit einer zylindrisch gewickelten Primärspule aufgrund der elektrodynamischen Gegebenheiten, insbesondere der induzierten Magnetfelder, die gesamte Bohrung homogen zu behandeln.
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Dabei wird vorzugsweise die Magnetspule koaxial in die Bohrung eingeführt und festgelegt. Dies ist durch Einbetten der Magnetspule in einen kreiszylindrischen Körper, der z. B. durch Vergießen von Harz erzeugt ist, einfach realisierbar. Die Magnetspule kann dann innerhalb des Körpers nicht ausweichen, so dass nur der Körper zum Werkstück oder Bauteil lagefest gehalten werden muss.
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Während des Prozesses muss die Magnetspule mit einer Vorrichtung relativ zu dem Bauteil festgehalten werden, so dass sich während der pulsmagnetischen Behandlung weder die Magnetspule noch das Bauteil so bewegen können, dass sie den Magnetfeldern, die sich gegenseitig abstoßen, ausweichen. Dazu kann beispielsweise sowohl die Magnetspuleneinrichtung als auch das Bauteil ortsfest und fest eingespannt gehalten werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bohrung vollständig durch Zirkularfräsen gebildet, so dass sie einen idealen zirkularen Querschnitt aufweist. Das Zirkularfräsen erzeugt gleichzeitig eine sehr glatte Oberfläche und ist auch im Hinblick auf die Spanabfuhrgegebenheiten günstig, so dass bei der Herstellung der Bohrung kaum eine Belastung der Kompositstruktur entsteht. Alternativ können die Bohrungen in einer Rohform auch im Voraus in das Bauteil z. B. durch Bohren oder Aussparen der Stellen beim Laminieren des Verbundmaterials eingebracht sein und abschließend durch beispielsweise Zirkularfräsen behandelt werden. Dies ist insbesondere günstig, wenn beispielsweise die den Hybridverbund ausbildenden Werkstoffe oder Zonen getrennt voneinander erzeugt und vorbehandelt werden, d. h. Rohbohrungen eingebracht werden, und anschließend miteinander verbunden und nachbearbeitet werden.
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Ein pulsmagnetisches Verfahren im Sinne der Beschreibung ist ein Verfahren, bei dem durch eine Ringspule, die im vorliegenden Fall vorzugsweise innenliegend und konzentrisch sowie koaxial zu einer Bohrung angeordnet ist, ein Stromstoß eingeleitet wird, vorzugsweise ein Hochstromimpuls bzw. Hochspannungsimpuls, und die Spule damit beaufschlagt wird, was dazu führt, dass in einem benachbarten metallischen Leiter, hier der metallischen Zone des Werkstücks, Wirbelströme induziert werden. Sowohl die Magnetspule erzeugt ein instationäres Magnetfeld durch die Hochstrom-/Hochspannungsimpulse als auch die induzierten Wirbelstürme durch deren Fluss im metallischen Leiter, wobei auch dieses Sekundärmagnetfeld instationär ist. Die Magnetfelder sind einander entgegengesetzt gerichtet, so dass sie eine abstoßende Wechselwirkung hervorrufen. Bei dem vorliegenden Verfahren wird ausgenützt, dass die Primärspule starr bezüglich des Werkstücks fixiert ist, so dass in diesem so hohe Kräfte wirken, dass zumindest in der Randzone der Bohrung ein irreversibler Verformungsprozess im Werkstück auftritt. Dies betrifft insbesondere die Erzeugung von Druckeigenspannungen im Bereich der Oberfläche des Werkstücks.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand eines in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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1 zeigt ein Werkstück 10, das beispielsweise ein Flugzeugstrukturbauteil ist, in einer Teilansicht bei einer Behandlung durch das pulsmagnetische Verfahren.
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Das Bauteil 10 ist aus einer Metallzone 12 und einer Kompositzone 14 gebildet. Nach Bedarf können auch mehrere solcher Zonen aneinander angrenzend und in regelmäßiger oder unregelmäßiger Anordnung vorgesehen sein. Die Zone 12 aus metallischem Werkstoff, der beispielsweise Leichtmetall, insbesondere Aluminium, sein kann, und die Zone 14 aus Kompositmaterial, insbesondere Faserverbundwerksstoff, sind dabei mittels eines geeigneten Befestigungsverfahrens aneinander angebracht. Es ist darüber hinaus nicht erforderlich, das sich beide Zonen 12 bzw. 14 jeweils parallel erstrecken, wie es in 1 dargestellt ist. Vielmehr kann beispielsweise auch die Kompositzone 14 nur an ausgewählten, zu verstärkenden Stellen vorgesehen sein oder Ähnliches.
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In das Bauteil 10 ist eine kreisförmige Bohrung 16 durch z. B. Zirkularfräsen eingebracht. Alternativ kann sie auch durch Bohren oder Ähnliches ausgebildet sein. Zirkularfräsen führt jedoch zu einer sehr glatten Oberfläche der Bohrung 16.
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Die Bohrung 16 reicht in der in 1 dargestellten Ausführungsform als Durchgangsbohrung durch das Bauteil 10. Alternativ kann sie auch eine Sacklochbohrung sein oder beispielsweise nur durch die Metallzone 12 reichen. Die Bohrung 16 dient bei Verwendung des Bauteils 10 beispielsweise dazu, ein weiteres Strukturbauteil mittels eines Bolzens am dargestellten Bauteil 10 zu befestigen, beispielsweise eine Triebwerksaufhängung an einem Flugzeugbauteil.
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Die Bohrung 16 hat einen kreisrunden Querschnitt in senkrechter Richtung zu ihrer Achse A.
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In die Bohrung 16 des Bauteils 10 ist zum Durchführen des pulsmagnetischen Verfahrens an der Bohrung 16 und zur Verfestigung ihrer Randzone 17 eine Magnetspuleneinrichtung 20 in die Bohrung 16 koaxial zu dieser eingeführt. Die Magnetspuleneinrichtung 20 weist eine zylindrisch gewickelte Magnetprimärspule 22 auf, die in ein geeignetes Material (z. B. Harz) eingebettet ist, so dass insgesamt ein zylindrischer Körper 21 ausgebildet wird. Die Einbettung in ein Material führt dazu, dass sich die Magnetprimärspule 22 während des pulsmagnetischen Verfahrens nicht verformen kann.
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Die Magnetspuleneinrichtung 20 ist ferner mit nicht dargestellten Positionier- und Befestigungsmitteln versehen, um die Magnetspuleneinrichtung 20, insbesondere die Primärspule 22, ortsfest bezüglich des Bauteils 10, insbesondere der Bohrung 16, zu fixieren. Das Bauteil 10 selbst wird z. B. durch herkömmliche, an sich bekannte Mittel eingespannt und ortsfest festgelegt. Wesentlich ist, dass sich während des pulsmagnetischen Verfahrens die Primärspule 22 bezüglich der Metallzone 12 des Bauteils 10 nicht bewegen kann.
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Zum Durchführen des Verfahrens wird ein gepulster elektrischer Strom mit hoher Amplitude und kurzer Zeitdauer der Primärspule 22 zugeführt. Dies führt dazu, dass sich ein instationäres Primärmagnetfeld um die Spule ausbildet und gleichzeitig in dem angrenzenden metallischen Teil des Werkstück, d. h. der Metallzone 12, Wirbelströme induziert werden. Dadurch bildet sich ebenfalls ein Sekundärmagnetfeld durch die induzierten Wirbelströme aus. Das durch die Primärspule 22 induzierte Primärmagnetfeld und das durch die Wirbelströme induzierte Magnetfeld stoßen einander ab, so dass bei starrer Fixierung der Primärspule 22 in dem Bauteil 10, insbesondere der Metallzone 12 und dort in der Randzone 17 der Bohrung 16 so hohe Kräfte wirken, dass ein plastischer, irreversibler Verformungsprozess durch Verdichtung der Randzone 17 auftritt. Damit werden Druckeigenspannungen in der Randzone 17 induziert, die zu einer verfestigten Innenrandschicht 18 mit homogener Verfestigung in Axialrichtung der Bohrung und gleichmäßig abnehmender Verfestigung in Radialrichtung der Bohrung führen.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, parallel mehrere Bohrungen zu behandeln, indem mehrere parallel angeordnete Spulen durch gleiche Stromstöße beaufschlagt werden, beispielsweise indem sie miteinander verbunden sind, und somit mehrere Bohrungen, in die die jeweiligen Spulen eingeführt sind, gleichzeitig behandelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauteil
- 12
- Metallzone
- 14
- Kompositzone
- 16
- Bohrung
- 17
- Randzone
- 18
- Innenrandschicht
- 20
- Magnetspuleneinrichtung
- 21
- Körper
- 22
- Primärspule
