Innenkonturieren und Walzen tiefgebohrter Grundbohrungen

Abstract

Für die Reduzierung von Bauteilgewichten zur Senkung schadhafter Emissionen gewinnen neue Fertigungstechnologien und -verfahren an Bedeutung. In der Luftfahrtbranche werden bereits heute Bohrungswände vieler Bauteile spanend bearbeitet, um dem Aspekt des Leichtbaus Rechnung zu tragen. Eine technische Fertigungsmöglichkeit zur Auskammerung des Bohrungsgrundes existiert bisher nicht. Darüber hinaus bieten mechanische Nachbearbeitungsverfahren, wie das Glattwalzen und/oder Festwalzen, durch eine Oberflächenverbesserung, eine Festigkeitssteigerung und das Einbringen von Druckeigenspannungen eine Möglichkeit zur Steigerung der Belastbarkeit und Verlängerung der Bauteillebensdauer. Im Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit wird durch die Entwicklung und Fertigung eines neuartigen Werkzeugsystems die konsequente Umsetzung des konstruktiven Leichtbaus durch Auskammerungen sowohl an der Bohrungswand als auch im Bohrungsgrund vorgestellt. Grundlage hierfür stellt neben der Entwicklung sowie Fertigung des Werkzeugsystems und grundlagenorientierten experimentellen Untersuchungen zum Drehen und Walzen die Integration des Systems auf der Tiefbohrmaschine dar. Anhand der Herstellung planer Bohrungsgründe als eine mögliche Konturgestalt ist die Erzeugung hoher Oberflächengüten herausgearbeitet worden. Auskammerungen im Bereich des Übergangs von der Bohrungswand zum Bohrungsgrund stellen eine innovative Konturierungsmöglichkeit mithilfe des neuartigen Systems dar. Das entwickelte System bietet die Möglichkeit, auch in Bohrtiefen von mehreren Metern nahezu beliebige Innenkonturen zur Erzeugung hochbelastbarer Bauteile einzubringen. Durch das Walzen ermöglicht das Auskammerwerkzeugsystem darüber hinaus die mechanische Nachbearbeitung innenkonturierter Grundbohrungen. Analysen partiell glattgewalzter Bohrungsgründe bestätigen die aus den grundlagenorientierten Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse zur Oberflächenrauheit und -topographie. Das spanende Auskammern einer umfassend innenkonturierten Grundbohrung konnte im Rahmen dieser Arbeit unter Verwendung verschiedener Walzkassetten vollständig glattgewalzt werden und erweitert somit entscheidend die Auskammertechnologie. Durch die Bearbeitung amagnetischer, austenitischer Stähle für die Erdöl- und Gasexploration mittels Walzen lässt sich die Eignung des Systems zur Werkstoffverfestigung, Oberflächeneinebnung und zum Einbringen von Druckeigenspannungen aufzeigen. Das Festwalzen der durch das BTA-Vollbohren erzeugten Bohrungswand ermöglicht Verfestigungen auf 700 HV0,025 mit Eindringtiefen bis 300 μm.