Flödes-/friktionsborrning: Princip, parametrar och design för gängning i tunnväggiga material
Neutral, pedagogisk guide till flödesborrning (friktionsborrning): princip, parametrar, material, DFM, kvalitetssäkring och säkerhet, fallstudier, plus en interaktiv kalkylator.
Översikt
Flödesborrning, även känd som friktionsborrning eller termisk borrning, är en spånfri hålformningsprocess som används för att skapa förstärkta hål och funktionella gängor i tunnväggiga metallplåtar eller rör. Istället för att skära, värmer och mjukgör ett koniskt verktyg som roterar med hög hastighet materialet lokalt genom friktion. Det förträngda materialet bildar en bussning (boss) vilket ökar den effektiva väggtjockleken och ger tillräckligt djup för gängning eller gängformning.
Denna metod används ofta när mekaniska fästelement som nitmuttrar eller svetsmuttrar är oönskade på grund av vikt, kostnad eller förorening.
1) Funktionsprincip
Vid flödesborrning pressas ett koniskt verktyg av solid hårdmetall axiellt in i arbetsstycket medan det roterar med hög hastighet. Friktion genererar intensiv lokal värme, vilket mjukgör materialet utan att smälta det. Materialet flyter plastiskt runt verktyget och bildar en krage och bussning.
Processsekvens (fyra steg)
- Genomslag: verktygsspetsen kommer i kontakt med ytan och friktionsvärme byggs upp.
- Konbildning: materialet börjar mjukna och rinna nedåt.
- Genomflöde: Verktyget penetrerar och förskjuter material och bildar en bussning.
- Kalibrering: verktygsaxeln jämnar ut ytan och definierar den slutliga bossens höjd.
2) Typiska tillämpningar
Flödesborrning är lämplig för komponenter som kräver starka gängförband i tunna metaller:
- Förpackningsmaskiner och monteringslinjer: fästen, ramar, höljen.
- Fordons- och automationsutrustning: karossstrukturer, inventarier.
- Metallmöbler, VVS-system, vitvaror.
Rekommenderas inte för
- Spröda material, tidigare värmebehandlade eller belagda ytor som bryts ned under friktionsvärme.
- Komponenter som är känsliga för värmemissfärgning.
3) Rekommenderade material och tjocklekar
| Materialtyp | Typisk klass | Väggtjocklek (mm) | Hål-Ø (mm) | Bossens höjd (mm) |
|---|---|---|---|---|
| Lågkolstål | S235–S355 | 1,0–3,0 | 4–10 | 1,5–3,5 |
| Rostfritt stål | 304 / 316 | 0,8–2,5 | 3–8 | 1,2–2,8 |
| Aluminiumlegeringar | 5052 / 6061 / 6082 | 1,0–4,0 | 4–12 | 1,8–4,0 |
| Koppar / Mässing | CW508L / CW614N | 0,8–2,5 | 3–8 | 1,0–2,5 |
Anteckningar: Aluminiums högre värmeledningsförmåga kräver högre spindelhastigheter och lägre vridmoment. Rostfria stål behöver större axiell kraft och smörjning på grund av högre hållfasthet och lägre ledningsförmåga.
4) Processparametrar (Praktisk guide)
| Verktygs-Ø (mm) | Material | Spindelhastighet (rpm) | Matningshastighet (mm/min) | Ungefärligt vridmoment (Nm) |
|---|---|---|---|---|
| 4 | Mjukt stål | 4 500–5 500 | 200–300 | 3–5 |
| 6 | Aluminium | 5 500–7 000 | 250–350 | 2–3 |
| 8 | Rostfritt stål | 3 000–4 000 | 150–250 | 8–10 |
| 10 | Mässing | 3 500–4 500 | 200–300 | 4–6 |
- Smörjning: lätt olja eller pasta för att minimera verktygsslitage och förbättra finishen.
- Verktygsgeometri: inkluderad vinkel 45–60°, kort pilot, polerad skuldra.
- Verktygsmaterial: volframkarbid, TiN/TiCN-beläggning rekommenderas.
5) Efterbehandling: Gängformning
Efter att bussningen har formats kan en gänga skapas genom att:
- Formgängning (valsgängning): föredras för duktila material; starkare gängor, inga flisor.
- Skärgängning: för hårdare material eller små diametrar.
Kvalitetskontroll: Kontrollera gängorna med hjälp av gängtoleransmätare. Rekommenderad toleransklass: ISO 6H (skärning) eller 6H–7H (form).
6) Design för tillverkningsbarhet (DFM)
| Designaspekt | Rekommenderat värde |
|---|---|
| Minsta avstånd från kanten | ≥ 2× håldiameter |
| Minsta avstånd mellan hålen | ≥ 3× håldiameter |
| Minsta avvikelse för väggens planhet | ≤ 0,1 mm |
| Klämstyvhet | styv, minimal vibration |
- ☑ Korrekt verktygsinriktning
- ☑ Stel fastspänning
- ☑ Använd jämn matning och varvtal
- ☑ Verifiera bossens höjd och koncentricitet efter borrning
7) Fördelar och begränsningar
Fördelar
- Eliminerar muttrar, svetsar och insatser
- Snabb cykeltid (1–2 s per hål)
- Stark, spånfri tråd
- Lägre monteringskostnad
Begränsningar
- Genererar lokal värmepåverkad zon (HAZ)
- Möjlig ytoxidation/missfärgning
- Ej lämplig för spröda/hårda material
- Belagda delar kan behöva omlackering
Jämförelse med alternativ
| Metod | Ytterligare del | Cykeltid | Ledstyrka | Kosta |
|---|---|---|---|---|
| Friktionsborrning + gängformning | ingen | 1–2 sekunder | Hög | Låg |
| Nitmutter | ja | 10–15 sekunder | Medium | Medium |
| Svetsmutter | ja | 8–12 sekunder | Hög | Hög |
| Skärgängning i tunn plåt | ingen | 3–5 sekunder | Låg | Låg |
8) Kvalitetssäkring och säkerhet
- Kontrollera bosshöjd, hålets rundhet, gängkoncentricitet och utdragshållfasthet.
- Registrera vridmoment och temperatur under försöken för processvalidering.
- Sörj för tillräcklig ventilation och rökutsugning.
- Använd ögonskydd och värmebeständiga handskar.
- Undvik brandfarliga smörjmedel vid höga varvtal.
9) Fallstudier (exempel)
Fall 1 – Konsol i mjukt stål (2 mm): Ø6 mm hål, 4 800 rpm, 250 mm/min matning. Bosshöjd 2,8 mm. Gänga M6 formgängad. Utdragshållfasthet +230% vs nitmutter.
Fodral 2 – Aluminium 6061 (3 mm): Ø8 mm hål, 6 500 rpm, 300 mm/min matning. Bosshöjd 3,5 mm. Gänga M8 formgängad. Visuell yta slät, minimala grader.
Fodral 3 – Rostfritt stål 304 (1,5 mm): Ø5 mm hål, 3 x 200 rpm, 180 mm/min. Bosshöjd 1,9 mm. Gänga M5 med gängtapp. Kräver molybdendisulfidsmörjning.
10) Videodemonstration
Stål 2 mm, 4 800 rpm, 250 mm/min.
11) Kalkylator (interaktivt verktyg)
Uppskatta varvtal, matning och bosshöjd
Värdena är ungefärliga och beror på verktygskonstruktion, smörjning och maskinens styvhet. Använd endast som vägledning för konstruktionen.
Så här fungerar den här kalkylatorn (hjälp)
Ingångar
- Material – påverkar hastighets-/vridmomentmål.
- Väggtjocklek (t) – används för att uppskatta chefens längd.
- Håldiameter (D) – driver varvtal, matning och vridmoment.
- Tråd (valfritt) – påverkar endast knackningsförslaget.
Utgångar
- Spindelhastighet (rpm) – beräknad från en målhastighet på ytan
Vcefter material. - Matning (mm/min) – enkel heuristik proportionell mot diametern.
- Bossens höjd (mm) – uppskattad multipel av
tefter material. - Vridmoment (Nm) – grov uppskattning proportionell mot diametern.
Formler
| varvtal | n = (Vc × 1000) / (π × D) → visas som ett ±15%-område (fastklämt 1500–15000 rpm) |
| Foder | Matning ≈ k_material × D |
| Chefens höjd | h ≈ f_material × t |
| Vridmoment | T ≈ c_material × D |
Materialkonstanter (standardvärden)
| Material | Vc (m/min) | k_feed | f_chef | c_vridmoment (Nm/mm) |
|---|---|---|---|---|
| Stål | 180 | 40 | 1.2 | 0.8 |
| Rostfri | 120 | 30 | 1.1 | 1.2 |
| Aluminium | 240 | 45 | 1.4 | 0.35 |
| Mässing/Koppar | 160 | 35 | 1.0 | 0.5 |
God praxis och begränsningar
- Använd en tunn olja/pasta; rostfritt stål behöver noggrann smörjning.
- Säkerställ en stadig fastspänning och korrekt uppriktning.
- Kalkylatorn är en utgångspunktfinjustera på prov för din verktygsgeometri och maskin.
- Överväga skärtappning för rostfritt stål eller D ≤ 4 mm; annars föredras formtappning.
Exempel (stål, t=2,0 mm, D=6,0 mm)
Varvtal ≈ 9 550 → område ~ 8 120–10 980 rpm; Matning ≈ 240 mm/min; Bussning ≈ 2,4 mm; Vridmoment ≈ 4,8 Nm; Förslag: formtapp.
12) Referenser
- AM “Termisk borrning av metaller” Tidskrift för tillverkningsprocesser, Vol. 12 (2019).
- ISO 2768 – Allmänna toleranser för linjära dimensioner.
- DIN 8593-11 – Skärfria tillverkningsprocesser – Friktionsborrning.
- Smith, R. “Spånfria hålbildning genom friktion,” Modern maskinverkstad, 2020.
- J.K. Gupta – Handbok för tillverkningsprocesser, Springer, 2018.
- ASTM E646 – Standardtestmetod för draghållfasthetsexponent n av metallplåt.
- Datablad för verktygsmakare – Kennametal, Flowdrill, etc.
- L. Zhao et al., “Experimentell studie av friktionsborrparametrar för aluminium 6061,” Procedia Manufacturing, 2021.
Den här sidan är en utbildningsresurs och innehåller inga kommersiella uppmaningar till handling.