Vloei-/wrijvingsboren: principe, parameters en ontwerp voor schroefdraad in dunwandige materialen
Neutrale, educatieve gids voor vloeiboren (wrijvingsboren): principe, parameters, materialen, DFM, QA en veiligheid, casestudies en een interactieve rekenmachine.
Overzicht
Vloeiboren, ook wel wrijvingsboren of thermisch boren genoemd, is een spaanloos gatvormingsproces dat wordt gebruikt om versterkte gaten en functionele schroefdraden te creëren in dunwandige metalen platen of buizen. In plaats van te snijden, verwarmt en weekt een conisch gereedschap, dat met hoge snelheid roteert, het materiaal lokaal door wrijving. Het verplaatste materiaal vormt een bus (baas) waardoor de effectieve wanddikte toeneemt en er voldoende diepte ontstaat voor het tappen of vormen van schroefdraad.
Deze methode wordt veel gebruikt wanneer mechanische bevestigingsmiddelen, zoals klinkmoeren of lasmoeren, niet wenselijk zijn vanwege het gewicht, de kosten of verontreiniging.
1) Werkingsprincipe
Bij vloeiboren wordt een conisch gereedschap van volhardmetaal axiaal in het werkstuk gedrukt terwijl het met hoge snelheid roteert. Wrijving genereert intense, lokale hitte, waardoor het materiaal zachter wordt zonder het te smelten. Het materiaal stroomt plastisch rond het gereedschap en vormt een kraag en bus.
Procesvolgorde (vier fasen)
- Penetratie: De punt van het gereedschap komt in contact met het oppervlak en er ontstaat wrijvingshitte.
- Kegelvorming: Het materiaal wordt zachter en stroomt naar beneden.
- Doorstroming: het gereedschap dringt door en verplaatst het materiaal om een bus te vormen.
- Kalibratie: De schouder van het gereedschap maakt het oppervlak glad en bepaalt de hoogte van de uiteindelijke boss.
2) Typische toepassingen
Vloeiboren is geschikt voor componenten waarbij sterke schroefdraadverbindingen in dunne metalen nodig zijn:
- Verpakkingsmachines en assemblagelijnen: beugels, frames, behuizingen.
- Automobiel- en automatiseringsapparatuur: carrosseriestructuren, bevestigingen.
- Metalen meubilair, HVAC-systemen, apparaten.
Niet aanbevolen voor
- Broze materialen, eerder warmtebehandelde of gecoate oppervlakken die afbreken onder wrijvingshitte.
- Componenten die gevoelig zijn voor hitteverkleuring.
3) Aanbevolen materialen en diktes
| Materiaaltype | Typische kwaliteit | Wanddikte (mm) | Gat Ø (mm) | Bosshoogte (mm) |
|---|---|---|---|---|
| Laagkoolstofstaal | S235–S355 | 1.0–3.0 | 4–10 | 1,5–3,5 |
| Roestvrij staal | 304 / 316 | 0,8–2,5 | 3–8 | 1,2–2,8 |
| Aluminiumlegeringen | 5052 / 6061 / 6082 | 1.0–4.0 | 4–12 | 1,8–4,0 |
| Koper / Messing | CW508L / CW614N | 0,8–2,5 | 3–8 | 1,0–2,5 |
Opmerkingen: De hogere thermische geleidbaarheid van aluminium vereist hogere spindelsnelheden en een lager koppel. Roestvast staal vereist een hogere axiale kracht en smering vanwege de hogere sterkte en lagere geleidbaarheid.
4) Procesparameters (Praktische gids)
| Gereedschap Ø (mm) | Materiaal | Spiltoerental (rpm) | Voedingssnelheid (mm/min) | Geschatte koppel (Nm) |
|---|---|---|---|---|
| 4 | Zacht staal | 4 500–5 500 | 200–300 | 3–5 |
| 6 | Aluminium | 5 500–7 000 | 250–350 | 2–3 |
| 8 | Roestvrij staal | 3000–4000 | 150–250 | 8–10 |
| 10 | Messing | 3 500–4 500 | 200–300 | 4–6 |
- Smering: lichte olie of pasta om slijtage van het gereedschap te minimaliseren en de afwerking te verbeteren.
- Gereedschapsgeometrie: ingesloten hoek 45–60°, korte piloot, gepolijste schouder.
- Gereedschapsmateriaal: wolfraamcarbide, TiN/TiCN-coating aanbevolen.
5) Nabewerking: draadvorming
Nadat de bus is gevormd, kan er een schroefdraad worden gemaakt door:
- Vormtappen (roltappen): bij voorkeur voor ductiele materialen; sterkere draden, geen splinters.
- Aftappen knippen: voor hardere materialen of kleine diameters.
Kwaliteitscontrole: Controleer de schroefdraad met behulp van goed-/afkeurkalibers. Aanbevolen tolerantieklasse: ISO 6H (gesneden) of 6H–7H (vorm).
6) Ontwerp voor maakbaarheid (DFM)
| Ontwerpaspect | Aanbevolen waarde |
|---|---|
| Minimale afstand vanaf de rand | ≥ 2× gatdiameter |
| Minimale afstand tussen gaten | ≥ 3× gatdiameter |
| Minimale afwijking van de vlakheid van de wand | ≤ 0,1 mm |
| Klemstijfheid | stijf, minimale trillingen |
- ☑ Correcte gereedschapsuitlijning
- ☑ Stijve klemming
- ☑ Gebruik een consistente voeding en toerental
- ☑ Controleer de hoogte en concentriciteit van de naaf na het boren
7) Voordelen en beperkingen
Voordelen
- Verwijdert moeren, lassen en inzetstukken
- Snelle cyclustijd (1–2 s per gat)
- Sterke, spaanloze draad
- Lagere montagekosten
Beperkingen
- Genereert een lokale hitte-beïnvloede zone (HAZ)
- Oppervlakteoxidatie/verkleuring mogelijk
- Niet geschikt voor broze/harde materialen
- Gecoate onderdelen moeten mogelijk opnieuw worden afgewerkt
Vergelijking met alternatieven
| Methode | Extra onderdeel | Cyclustijd | Gezamenlijke sterkte | Kosten |
|---|---|---|---|---|
| Wrijvingsboren + draadvormen | geen | 1–2 seconden | Hoog | Laag |
| Klinkmoer | Ja | 10–15 seconden | Medium | Medium |
| Lasmoer | Ja | 8–12 seconden | Hoog | Hoog |
| Tapping in dunne plaat snijden | geen | 3–5 seconden | Laag | Laag |
8) Kwaliteitsborging en veiligheid
- Controleer de hoogte van de naaf, de rondheid van het gat, de concentriciteit van de draad en de uittreksterkte.
- Registreer het koppel en de temperatuur tijdens testen om het proces te valideren.
- Zorg voor voldoende ventilatie en afzuiging van rook.
- Draag oogbescherming en hittebestendige handschoenen.
- Vermijd het gebruik van ontvlambare smeermiddelen bij hoge toerentallen.
9) Casestudies (voorbeelden)
Case 1 – Beugel van zacht staal (2 mm): Gat Ø 6 mm, 4800 tpm, voeding 250 mm/min. Hoogte van de naaf 2,8 mm. Draad M6 vormtap. Uittreksterkte +230% t.o.v. blindklinkmoer.
Behuizing 2 – Aluminium 6061 (3 mm): Gat Ø8 mm, 6500 tpm, voeding 300 mm/min. Hoogte van de naaf 3,5 mm. Draad M8 vormtap. Visuele afwerking glad, minimale bramen.
Case 3 – Roestvrij staal 304 (1,5 mm): Gat Ø 5 mm, 3200 tpm, 180 mm/min. Hoogte van de naaf 1,9 mm. Draad M5 gesneden. Smering met molybdeendisulfide vereist.
10) Videodemonstratie
Zacht staal 2 mm, 4800 tpm, 250 mm/min.
11) Rekenmachine (interactieve tool)
Schatting van toerental, voeding en bosshoogte
Waarden zijn bij benadering en afhankelijk van het gereedschapsontwerp, de smering en de stijfheid van de machine. Alleen te gebruiken als ontwerprichtlijn.
Hoe deze rekenmachine werkt (hulp)
Ingangen
- Materiaal – beïnvloedt snelheids-/koppeldoelen.
- Wanddikte (t) – wordt gebruikt voor het schatten van de hoogte van de baas.
- Gatdiameter (D) – regelt het toerental, de voeding en het koppel.
- Draad (optioneel) – beïnvloedt alleen de tiksuggestie.
Uitgangen
- Spiltoerental (rpm) – berekend op basis van een doelsnelheid op het oppervlak
Vcper materiaal. - Voeding (mm/min) – eenvoudige heuristiek evenredig met de diameter.
- Bosshoogte (mm) – geschatte veelvoud van
Tper materiaal. - Koppel (Nm) – grove schatting evenredig met de diameter.
Formules
| toerental | n = (Vc × 1000) / (π × D) → weergegeven als een bereik van ±15% (geklemd 1500–15000 tpm) |
| Voer | Voeding ≈ k_materiaal × D |
| Baashoogte | h ≈ f_materiaal × t |
| Koppel | T ≈ c_materiaal × D |
Materiaalconstanten (standaard)
| Materiaal | Vc (m/min) | k_feed | f_boss | c_koppel (Nm/mm) |
|---|---|---|---|---|
| Staal | 180 | 40 | 1.2 | 0.8 |
| Roestvrij | 120 | 30 | 1.1 | 1.2 |
| Aluminium | 240 | 45 | 1.4 | 0.35 |
| Messing/koper | 160 | 35 | 1.0 | 0.5 |
Goede praktijken en limieten
- Gebruik een lichte olie/pasta; roestvrij staal moet voorzichtig gesmeerd worden.
- Zorg voor een stevige klemming en een correcte uitlijning.
- De rekenmachine is een uitgangspunt; verfijn de geometrie van uw gereedschap en uw machine tijdens proeven.
- Overwegen tappen afsnijden voor roestvrij staal of D ≤ 4 mm; anders de voorkeur geven vorm tikken.
Voorbeeld (staal, t=2,0 mm, D=6,0 mm)
RPM ≈ 9 550 → bereik ~ 8 120–10 980 rpm; Voeding ≈ 240 mm/min; Boss ≈ 2,4 mm; Koppel ≈ 4,8 Nm; Suggestie: vormtap.
12) Referenties
- AM “Thermisch boren van metalen”, Tijdschrift voor productieprocessen, deel 12 (2019).
- ISO 2768 – Algemene toleranties voor lineaire afmetingen.
- DIN 8593-11 – Niet-snijdende productieprocessen – Wrijvingsboren.
- Smith, R. “Spaanloze gatvorming door wrijving,” Moderne machinewerkplaats, 2020.
- JK Gupta – Handboek Productieprocessen, Springer, 2018.
- ASTM E646 – Standaardtestmethode voor treksterkte-verhardingsexponent N van metalen plaat.
- Gegevensbladen voor gereedschapmakers – Kennametal, Flowdrill, etc.
- L. Zhao et al., “Experimenteel onderzoek naar wrijvingsboorparameters van aluminium 6061,” Procedia Manufacturing, 2021.
Deze pagina is een educatieve bron en bevat geen commerciële oproepen tot actie.