Energy-efficient high-performance deep hole drilling using twist drills
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Erkenntnistransfer-Vorhabens bestand in der Weiterentwicklung der MMS-Prozesstechnologie zur Übertragung der im Grundlagenbereich erarbeiteten Methoden zur Mittenverlaufskompensation auf die anspruchsvolle Tiefbohrbearbeitung von Stahlwerkstoffen. Dabei kam eine Getriebewelle als Demonstratorbauteil von Firma Daimler AG zum Einsatz, an der die Entwicklungen beispielhaft umgesetzt und die Potenziale aufgezeigt wurden. Große Herausforderung dabei stellt die geforderte Stegbreite von lediglich s ≈ 1,7 mm unter drei parallel verlaufenden Tiefbohrungen mit einem Durchmesser von ca. d = 6 mm und einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von ca. l/D = 60, die aufgrund des Mittenverlaufs während der Tiefbohroperationen regelmäßig unterschritten wird. Es war möglich zu zeigen, dass auch in diesem Fall die thermischen Bauteildeformationen während der Bearbeitung eine wichtige Rolle bei der Entstehung dieser Ungenauigkeiten spielen, was die Frage nach einem Bauteilspannkonzept zur Unterdrückung der thermischen Verzüge aufwirft. Im Gegensatz zur Aluminiumbearbeitung, die im Fokus der vorangegangenen Grundlagenprojekte stand, konnte in diesem Vorhaben die angestrebte massive Vorschubsteigerung nicht erreicht werden. Die dabei entstehende Wärme scheint unter den MMS-Bedingungen die Langspanbildung zu begünstigen, sodass kein reproduzierbares und prozesssicheres Spanbruchverhalten unter erhöhten Vorschüben über f = 0,5 mm erreichbar war. Hingegen ließ sich aufzeigen, dass die Schnittgeschwindigkeit ohne Einbußen in der erreichbaren Qualität von vc = 70 m/min auf vc = 90 m/min nennenswert gesteigert werden kann. Die Herausforderungen des Späneabtransports beim Wendeltiefbohren mit 60xD-Werkzeugen erfordert die Entwicklung einer innovativen Methodik zur Quantifizierung des Späneaustrags aus der Tiefbohrung. Dabei kam eine Hochgeschwindigkeitskamera zum Einsatz, mit welcher der sich der Bereich des Bohrungseintritts prozessbegleitend mit 6.000 Bilder pro Sekunde erfassen ließ. Die anschließende Sequenzanalyse der Videos mit modernen Methoden der Videoanalyse ermöglichte die repräsentative Auswertung von großen Prozesszeitabschnitten (t = 1 s Prozesszeit entspricht ca. t = 20…40 min Videomaterial), sodass eine Möglichkeit zur objektiven Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Werkzeuge hinsichtlich der Spanbildung und des Spanabtransports durch die Spannuten besteht. Mit diesen Lösungen konnte die Werkzeugentwicklung zielgerichtet unterstützt werden. Neben der erzielten Steigerung der Schnittwerte trägt insbesondere die erreichte Reduzierung des MMS-Drucks von pMMS = 15 bar auf pMMS = 10 bar entscheidend zur Verbesserung der Energiebilanz bei. Dabei ließ sich in diesem Projekt eindrucksvoll aufzeigen, dass die heutzutage üblichen Maximalwerte, die aus dem Wunsch nach bestmöglicher Prozesssicherheit resultieren, kontraproduktiv sind. Sowohl die thermisch induzierten Bauteilverzüge als auch die Mittenverlaufsabweichungen konnten durch die Verringerung des MMS-Drucks reduziert werden, sodass eine massive Verbesserung der Energie- und der Ressourceneffizienz durch weniger Druckluftbedarf und weniger Ausschuss erzielbar war. Bei der kombinierten Ausschöpfung aller aufgezeigten Aspekte, gekoppelt mit der entwickelten simulationsbasierten Kompensation des Mittenverlaufs lässt sich eine Energieeffizienzverbesserung von bis zu 50% erreichen Die Ergebnisse und Erkenntnisse dieses Erkenntnistransfer-Vorhabens wurden der interessierten Öffentlichkeit im Rahmen zahlreicher Tagungen und Konferenzen vorgestellt.
Publications
- 60xD-Tiefbohren mit Wendelbohrern und Minimalmengenschmierung, Ingenieur Spiegel, (2017) 3, S. 86-88, ISSN 1868-5919
Biermann, D.; Iovkov, I.
- Energieeffizientes Hochleistungswendeltiefbohren mit Minimalmengenschmierung, Unter Span, 2 (2017), S. 23, ISSN 2365-7006
Biermann, D.; Iovkov, I.
- Machining of deep holes in challenging dimensions, 4. Wiener Produktionstechnik Kongress: Efficiency, Flexibility, Integration. 26-27 September 2018, Wien. Hrsg.: Bleicher, F.: new academic press, Wien, 2018, ISBN 978-3-7003-2086-9, S. 125-129
Biermann, D.; Iovkov, I.; Jaeger, J.; Metzger, M.
- Green manufacturing by the efficient use of resources and process integration. Proceedings of the International Conference on Green Manufacturing (ICGM 2019), 15th June 2019, Nanjing, China
Biermann, D.; Iovkov, I.; Özkaya, E.; Michel, S.; Metzger, M.
