Steigern der Bohrungsqualität beim Hochgeschwindigkeitsbohren durch einen ganzheitlichen Ansatz zum Berücksichtigen des dynamischen Verhalten von Vollhartmetallbohrern

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Eberhard Abele
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
• Term: from 2005 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 12610705

• Final Report Year: 2009

Final Report Abstract

Im dem Projekt wurden zunächst sowohl kinematische als auch dynamische Spanungsquerschnittsmodelle erstellt. Sie dienen der Interpretation der Versuchsergebnisse sowie der Klärung des Entstehens der Pendelbewegung. Zusätzlich wurde ein Gesamtmodell zur Simulation der Prozessdynamik und damit zur Vorherbestimmung der Bohrungsqualität entwickelt. Das angestrebte Ziel welches mit einer solchen Modellerstellung verbunden ist, der Reduktion zeit- und kostenintensiver Versuchsreihen zum Testen von Bohrwerkzeugen, wurde nur bedingt erreicht Grundlegende Wirkmechanismen, die zur Minderung der Bohrungsqualität in Folge von Pendelschwingungen führen, wurden abgebildet und, soweit möglich, experimentell validiert. Obwohl das Systemverhalten des Gesamtmodells charakteristische Schwingungsphänomene zeigt, weicht das Simulationsergebnis noch deutlich von den experimentellen Versuchsergebnissen ab. Als Ursache hierfür wird die unzureichende Abbildung schwingungsdämpfender Mechanismen vermutet. So wird die Interaktion zwischen dem Bohrer über seine Führungsfasen mit der Bohrungswand nicht abgebildet. Hierzu existieren bis heute keine hinreichend validierten Modelle. Auch die Abbildung des Einflusses der Querschneide bzw. der sekundären Hauptschneide ist nach wie vor mit Unsicherheiten behaftet Auch die Eignung des venwendeten Zerspankraftmodells für die Berechnung von Zerspankräften in Folge lateraler Bohrerschwingungen konnte nicht abschließend sichergestellt werden. Neben der Modellbildung standen experimentelle Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Faktoren auf die Bohrungsqualität im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten. Die Pendelbewegung wurde als eines der wichtigsten Phänomene zur Beeinflussung der Kreisform identifiziert. Unabhängig von der Anschliffform führten alle Werkzeuge im Verlauf des Anbohrvorgangs eine mehr oder minder starke Pendelbewegung aus. Durch die Verringerung des effektiven Freiwinkels konnte die Pendelbewegung bei bestimmten Werkzeugtypen stark reduziert und die Bohrungsqualität verbessert werden. Weitere wichtige Erkenntnisse sind der geringe Einfluss des Verschleißes sowie des Rundlauffehlers auf die untersuchten Qualitätsmerkmale. Zur Unterdrückung negativer Einflüsse auf die Bohrungsqualität wurden Versuche mit angepasster Werkzeuggeometrie durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich durch die Variation des konstruktiven Freiwinkels, sowie durch Anpassung des Spanwinkels an der zentrumnahen sekundären Hauptschneide die Pendelschwingung stark vermindern und damit die Bohrungsqualität steigern lässt. Eine gezielte Aufbringung einer mit Spindelfrequenz umlaufenden Radialkraft durch asymmetrische Spitzenanschliffe hat in den Versuchen die deutlichste Minderung von Pendelschwingungen und Verbesserung der Bohrungsqualität erbracht. Zur aktiven Bedämpfung der im Bohrprozess auftretenden Lateralschwingungen wurde ein Versuchsaufbau mit einer aktiven, magnetgelagerten Spindel installiert. Durch die integrierte Messung radialer Lagerkräfte und Aufbringung geeigneter Stellbewegungen des Werkzeughalters sollte eine aktive Prozessbeeinflussung zur Kompensation der Pendelbewegung untersucht werden. Trotz gegebener Beobachtbarkeit der Pendelschwingung durch die Spindel, ist auf Grund einer nicht hinreichenden Steuerbarkeit (Beeinflussung des Bohrprozesses durch Spindelauslenkung) eine geregelte Kompensation bei den venwendeten Werkzeugen nicht möglich. Messungen während des Bohrprozesses mit ungeregelter Spindelauslenkung mit verschiedenen Frequenzen und Formen einschließlich einer Vermessung der Bohrungen zeigen keine Beeinflussung des Bohrprozesses und der Bohrungsqualität durch aktive Stelleingriffe am Weri

Publications

• "Methodology for Bore Quality Prediction through the Analysis of the Frequency Response from the Radial Force Signal", In: Annals of the German Academic Society for Production Engineering (WGP), Production Engineering, 2006, XIII/1, S. 5-8
  E. Abele, A. Ellermeier, M. Tschannerl, J. Hohenstein
  
• "Produktivitätsfaktor Bohrungsqualität", In: Zwf, Jahrgang 102 (2007) 6, Carl Hanser Verlag München, S. 340 ff
  E. Abele, M. Tschannerl, M. Kulok
  
• „Beitrag zu Qualitätssteigerung beim Bohren mit VHM-Spiralbohrern unter Berücksichtigung radialer Schwingungen und Kräfte", Dissertation Technische Universität Darmstadt 2007
  M. Tschannerl
  
• "Qualitätssteigerung beim Bohren mit VHM-Spiralbohrern unter Berücksichtigung radialer Schwingungen und Kräfte", Konstruktive Änderungen am Bohrer sowie technologische Maßnahmen zur besseren Formgenauigkeit, In: wt-Werkstatttechnik, 2008, 1, Seite 60-65
  E. Abele, M. Tschannerl, M. Kulok
  
• "Qualitätssteigerung beim Bohren mit VHM-Spiralbohrern unter Berücksichtigung radialer Schwingungen und Kräfte", Teil 1 - Modellbildung sowie Identifikation von unrunden Bohrungen, In: wt-Werkstatttechnik online, 2008,1, 53-59
  E. Abele, M. Tschannerl, M. Kulok
  
• „Beitrag zur Steigerung der Bohrungsqualität von Kreuzbohrungen", Dissertation Technische Universität Darmstadt 2008
  M. Kulok
  
• „Kreuzbohrungen hoher Qualität", In: WB-Werkstatt+Betrieb 4-2008, Seite 30-34
  E. Abele, M. Fujara
  
• „Prozessanalyse und Bohrungsqualität beim Einbringen von Kreuzbohrungen", In: Wt-Werkstatttechnik 1/2-2008, Seite 46-52
  E. Abele, M. Kulok