Entwicklung eines ganzheitlichen Lösungsansatzes zur Steigerung der Bohrungsqualität beim Hochgeschwindigkeitsreiben unter besonderer Berücksichtigung niederfrequenter Pendelschwingungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projektes war es, ein ganzheitliches Modell für den Reibprozess zu entwickeln. Dieses ermöglicht es, neue Reibahlengeometrien simulativ auf ihr Einsatzverhalten zu untersuchen und so die kostenintensive Fertigung von Prototypen sowie die experimentelle Untersuchung des Einsatzverhaltes zu vermeiden. Bei der Entwicklung des Simulationsmodells galt lateralen Pendelschwingungen eine besondere Berücksichtigung. Geometrische Gestaltungsmerkmale und Prozessparameter, welche die Entstehung lateraler Pendelschwingungen begünstigen sollten identifiziert werden. Diese sollten derart angepasst werden, dass laterale Pendelschwingungen unterdrückt bzw. gedämpft werden. Während der Projektdurchführung musste das Arbeitspaket 2.2, welches zur Verbesserung der Führungseigenschaften der Nebenscheide dienen sollte, vorgezogen und erweitert werden. Die Rundschlifffasenbreite diente zuvor in der Simulation ausschließlich als Eingangsparameter für das Kraftmodell. Die Implementierung der Führungsfunktion und des Einflusses der Rundschlifffasenbreite auf das dynamische Modell innerhalb des Simulationsmodells, erhöht die Modellgüte der Simulation des Reibprozesses. Die Untersuchung des Bewegungsverlaufs der Reibahlenspitze führte das Entstehen der Lobes am Bohrungsumfang auf eine Bewegung der Reibahlenspitze auf einer Kreisbahn zurück. Diese Kreisbahn wird beim Auftreten von lateralen Pendelschwingungen während einer Umdrehung der Reibahle mit einer Zähnezahl z exakt n ∗ z – fach durchlaufen. Entgegen der Literatur, in welcher die Form der Bohrungskontur bei lateralen Pendelschwingungen nur mit einer Anzahl an Lobes von L = z ± 1 beschrieben wird, konnte ein zusätzlicher Einfluss der Schnittgeschwindigkeit vc und der Vorschubgeschwindigkeit fz auf die Lobes-Anzahl gezeigt werden. Die Zahl der Lobes bei hinreichend biegeweichen Werkzeugen folgt der mathematischen Berechnungsvorschrift L = n ∗ z ± 1. Hierbei ist n eine ganze positive Zahl und es gilt der funktionelle Zusammenhang n = f(vc, fz). Zur Verhinderung der Entstehung von lateralen Pendelschwingungen empfiehlt sich eine breit ausgeführte Rundschlifffase von mindestens 0,3 mm, eine paarweise ungleiche Teilung von 10° und eine hohe Anzahl der Schneiden, was im untersuchten Durchmesserbereich von 10 mm sechs Schneiden entspricht. Die Reibung zwischen dem Wirkflächenpaar Rundschlifffase und Bohrungswand sollte Gegenstand weiterer Forschungen sein, da hierbei komplexe Effekte („Stick-Slip“, Stribeck-Kurve etc.) auftreten. Diese Effekte beeinflussen direkt die Führung der Reibahle und somit den gesamten Reibprozess. Die Effekte wirken sich zusätzlich auf das dynamische Verhalten der Reibahle und somit auf die Qualität der geriebenen Bohrung aus. Die Implementierung bspw. einer Stribeck-Kurve für die dynamische Berechnung des Reibkoeffizienten µ = f(vc) zwischen Rundschlifffase und Bohrungswand verbessert die Güte der Simulationsergebnisse. Besonders bei Reibahlen mit einem großen L-zu-D-Verhältnis gilt es die ideale Geometrie der Nebenschneide mithilfe einer erweiterten Simulation auszuarbeiten, da bei diesen Reibahlen aufgrund der geringeren Steifigkeit die dynamischen Effekte deutlicher in den Vordergrund treten. Hierzu sind experimentelle Untersuchungen mit einschneidigen Reibahlen mit unterschiedlichen Nebenschneidengeometrien vorgesehen. Auch erscheint es sinnvoll, das Simulationsmodell durch ein validiertes Verschleißmodell zu erweitern, um mit der Simulation auch Vorhersagen über den erreichbaren Standweg des Werkzeugs treffen zu können. Hierfür wurden experimentelle Untersuchungen mit Reibahlen mit einer TiAlN-Beschichtung geplant. Es soll hierbei untersucht werden, ob der gemessene Verschleiß durch Regression in ein Verschleißmodell überführt werden kann, welches den reellen Verschleiß verifizierbar voraussagen kann. Dies kann auf weitere Beschichtungen erweitert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Untersuchung des Einflusses der Nebenschneiden auf den Reibprozess, Werkstattstechnik online 107 (2017)
Abele, E., Lautenschläger, N.
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Laterale Pendelschwingungen beim Reiben Entstehung und Ausprägungen, Werkstattstechnik online 108 (2018)
Abele, E., Lautenschläger, N.
