Abstract
Aluminum alloys are used for enhancement of dynamic range, resource optimization and emission reduction in many fields of traffic engineering, whereby aluminum components are manufactured by means of welded, adhesive and screw joints. Friction drilling, as forming process with subsequent manufacturing of threads, offers the opportunity to produce an internal thread in lightweight profiles with a usable thread depth larger than the profile thickness, making use of local material expansion. Moreover, the direct manufacturing offers a huge potential for time and cost saving in comparison to conventional thread machining. Microstructural characterization of mechanical properties of EN AW-6060 internal threads, both in profile and bulk material specimens, was carried out using tensile tests and fatigue tests in the tensile loading range. A comparison was made between the manufacturing techniques tapping, thread forming and thread milling. The maximum tolerable loads of the profile specimens are about 50 % lower in the quasi-static range and about 25 % lower in the cyclic range in comparison to bulk material specimens. Formed threads show the best and cut threads the worst mechanical properties which were correlated with the production-related profile qualities and changes in microstructure. Multiple step tests prove that the fatigue limit of aluminum internal threads, validated in single step tests until 107 cycles, can be reliably estimated by means of plastic strain.
Kurzfassung
Aluminiumlegierungen werden zur Dynamiksteigerung, Ressourcenschonung und Emissionsminderung in vielen Bereichen der Verkehrstechnik eingesetzt, wobei Aluminiumbauteile mit Hilfe von Schweiß-, Löt-, Klebe- oder Schraubverbindungen hergestellt werden. Das Fließbohren, als umformendes Verfahren in Kombination mit anschließender Gewindefertigung, bietet für Leichtbauprofile die Möglichkeit, durch lokales Aufweiten des Materials, ein Innengewinde mit größerer nutzbarer Gewindetiefe als die eigentliche Profilstärke zu erzeugen. Die direkte Einbringung der Gewinde bietet im Vergleich zur konventionellen Gewindebearbeitung zudem ein enormes Potential hinsichtlich Zeit- und Kostenersparnis. Die mechanischen Eigenschaften von Innengewinden in Profilproben und Vollmaterial aus der Aluminiumlegierung EN AW-6060 wurden in Zug- und Schwingversuchen im Zug-Schwellbereich mikrostrukturell charakterisiert. Verglichen wurden dabei die Fertigungsverfahren wie Gewindebohren, Gewindeformen und Gewindefräsen. Die maximal ertragbaren Belastungen der Profilproben sind im Gegensatz zum Vollmaterial im quasistatischen Bereich um ca. 50 % und im zyklischen Bereich um ca. 25 % geringer. Dabei weisen geformte Gewinde die besten und gebohrte Gewinde die schlechtesten mechanischen Eigenschaften auf, die mit den fertigungsbedingten Profilgüten und Gefügestrukturänderungen korreliert wurden. Mehrstufige Ermüdungsversuche belegen zudem, dass die in Einstufenversuchen bis 107 Lastzyklen validierte Ermüdungsfestigkeit der Aluminium-Innengewinde, auf Basis der aus Spannung-Dehnung-Hysteresiskurven ermittelten plastischen Dehnungsamplitude, zuverlässig abgeschätzt werden kann.
References
1 J.Hirsch: Aluminum in innovative light-weight car design, Materials Transactions52 (2011), No. 5, pp. 818–82410.2320/matertrans.L-MZ201132Search in Google Scholar
2 S. F.Miller, P. J.Blau, A. J.Shih: Microstructural alterations associated with friction drilling of steel, aluminum, and titanium, Journal of Materials Engineering and Performance14 (2005), No. 5, pp. 647–65310.1361/105994905X64558Search in Google Scholar
3 S. F.Miller, J.Tao, A. J.Shih: Friction drilling of cast metals, International Journal of Machine Tools and Manufacture46 (2006), No. 12, pp. 1526–153510.1016/j.ijmachtools.2005.09.003Search in Google Scholar
4 T.Engbert, D.Biermann, A.Zabel: Fließbohren und Gewindeformen an Mehrkammerhohlprofilen, VDI-Z. Integrierte Produktion152 (2010), No. 3, pp. 40–42 (in German)Search in Google Scholar
5 T.Engbert, D.Biermann, A.Zabel: Internal threads for thin-walled sections, Proceedings of the 12th International Conference on Aluminum Alloys, Yokohama, Japan (2010), pp. 601–606Search in Google Scholar
6 P.Wittke, M.Klein, F.Walther: Corrosion fatigue behaviour of creep-resistant magnesium alloy Mg-4Al-2Ba-2Ca, Procedia Engineering74 (2014), pp. 78–8310.1016/j.proeng.2014.06.228Search in Google Scholar
7 B.Ebel-Wolf, F.Walther, D.Eifler: Cyclic deformation behaviour and lifetime calculation of the magnesium die-cast alloys AZ91D, MRI 153M and MRI 230D, International Journal of Materials Research98 (2007), No. 2, pp. 117–12210.3139/146.101443Search in Google Scholar
8 F.Walther, D.Eifler: Cyclic deformation behavior of steels and light-metal alloys, Materials Science and Engineering A468–470 (2007), pp. 259–26610.1016/j.msea.2006.06.146Search in Google Scholar
9 P.Starke, F.Walther, D.Eifler: “PHYBAL” a short-time procedure for a reliable fatigue-life calculation, Advanced Engineering Materials12 (2010), No. 4, pp. 276–28210.1002/adem.200900344Search in Google Scholar
10 M.Smaga, F.Walther, D.Eifler: Monotonic and cyclic deformation behaviour of the SiC particle-reinforced aluminum matrix composite AMC225xe, Advanced Engineering Materials12 (2010), No. 4, pp. 262–26810.1002/adem.200900345Search in Google Scholar
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