Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung von Mikrobohrungen durch Einlippentief- und Laserbohrverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem durchgeführten Forschungsprojekt wurden das Einlippentiefbohren im Durchmesserbereich von d = 0,5…1,5 mm und das Laserbohren mit einem Nd:YAG-Laser zur Herstellung von Tiefbohrungen mit kleinen Durchmessern erstmals sowohl separat als auch in einer Verfahrenskombination umfassend analysiert. Dazu ist im Rahmen des Projektes eine Werkzeugmaschine beschafft worden, die die Durchführung sowie die Kombination von beiden Verfahren in einer Werkzeugmaschine und in einer Aufspannung ermöglicht. Hinsichtlich des Einlippentiefbohrens lag der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Analyse des Einflusses des Werkzeugdurchmessers, des Werkstoffs und der Schnittwerte auf ausgewählte Bohrungskenngrößen. Dazu sind der Werkzeugverschleiß, die mechanische Werkzeugbelastung, die Bohrungsgüte anhand des Bohrungsdurchmessers, der Oberflächengüte, des Mittenverlaufs, der Rundheitsabweichung, der Randzonenbeeinflussung und die Spanbildung bewertet worden. In diesen Untersuchungen stellte sich heraus, dass von den betrachteten Werkstoffen hinsichtlich des Prozessverhaltens ein nichtrostender Stahl mit austenitischem Gefüge am ungünstigsten zu bearbeiten ist. Hierbei kann es zu spontanem Werkzeugversagen durch Spanklemmer kommen. Zudem verursachte dieser Werkstoff in den durchgeführten Standzeitversuchen den größten Werkzeugverschleiß. Die Bohrungsqualität war jedoch mit derjenigen, die bei der Bearbeitung der anderen betrachteten Werkstoffe erzielt wird, vergleichbar. Hinsichtlich des zweiten Fertigungsverfahrens sind der Einfluss der Laserbohrstrategie, des Werkstoffs sowie der Laserparameter auf die Bohrungsgüte analysiert worden. Hier konnten deutliche Zusammenhänge zwischen den Einfluss- und den Zielgrößen herausgestellt werden. In Abhängigkeit von den Anforderungen ist es möglich, auf Basis der durchgeführten Untersuchungen geeignete Parameterbereiche für das lasergestützte Tiefbohren vorherzusagen. Abschließend wurden beide Verfahren auch miteinander kombiniert. Hier zeigt sich die Kombination aus Laservorbohren und mechanischem Aufbohren aufgrund der unzureichenden Bohrungsqualität nach der Laserbearbeitung als nicht einsetzbar. Jedoch konnte erstmalig eine Kombination aus Laserpilotbohren und Einlippentiefbohren realisiert werden. Hierbei resultierten mit dem konventionellen Tiefbohrprozess vergleichbare Werkzeugstandzeiten und Bohrungsgüten. In dem Forschungsprojekt konnte demnach die Machbarkeit einer Verfahrenskombination dieser beiden Fertigungsverfahren erstmalig aufgezeigt werden. Zudem war es möglich, Synergieeffekte zwischen dem Laser- und dem Einlippentiefbohren zu erzielen. Die Untersuchungen, die im Rahmen dieses Projektes erfolgt sind, beinhalten die Analyse sowohl der Verfahren Einlippentiefbohren und Laserbohren hinsichtlich der Einflüsse der jeweiligen Prozessparameter. Darüber hinaus ist die Verfahrenskombination bestehend aus dem Erzeugen der Pilotbohrung mithilfe des Lasers sowie dem nachfolgenden Einlippentiefbohrens erfolgreich umgesetzt worden. Beide Bereiche werfen Fragestellungen für künftige Arbeiten auf. So besteht ausgehend von den gewonnenen Erkenntnissen der Analyse des Einlippentiefbohrprozesses mit kleinen Werkzeugdurchmessern Forschungsbedarf zur Werkzeugoptimierung hinsichtlich des Schneidstoffs, der Beschichtung, des Anschliffs und der Schneidkantengestalt. Auf der Basis der Einflüsse der variierten Größen kann für unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben eine Werkzeugoptimierung zu einer Standzeitverlängerung oder auch zu einer Verkürzung der Hauptzeit führen. Im Bereich der Verfahrenskombination bestehend aus Laserbohren und Einlippentiefbohren, besteht Forschungsbedarf in der Untersuchung des Einflusses ungünstiger Anbohrbedingungen, wie etwa schrägen oder gewölbten Anbohrflächen sowie beim Laserpilotieren und Einlippentiefbohren von randschichtgehärteten Werkstücken. Bei dem erstgenannten Themenfeld ist die Analyse der Verfahrenskombination zur Verkürzung der Prozesskette, die bei den beschriebenen Anbohrbedingungen üblicherweise aus Planfräsen, Pilotbohren und Tiefbohren besteht, noch offen. Neben der Verkürzung der Prozesskette bietet dabei der Einsatz des Lasers aufgrund seiner kurzen Prozesszeiten weiteres Potenzial zur Verkürzung der Fertigungszeit. Bei der Bearbeitung der randschichtgehärteten Werkstücke wird daher angestrebt, dass der verschleißfrei arbeitende Laser die gehärtete Schicht durchbohrt und dort eine Pilotbohrung erzeugt. Die anschließende Tiefbohrung soll dann nur noch im weichen Material durch die mechanische Bearbeitung realisiert werden. Es existieren bereits vielfältige Einsatzgebiete für das Einlippentiefbohren mit kleinen Werkzeugdurchmessern. Werkzeuge mit einem Durchmesser von ungefähr d = 1,5 mm werden beispielsweise in der Automobilindustrie für die Herstellung von Injektoren für die Kraftstoffeinspritzung verwendet. Ein weiteres großes Einsatzgebiet für das Tiefbohren mit kleinen Werkzeugdurchmessern stellt die Medizintechnik dar. Hier kommt diese Technologie beispielsweise für die Herstellung von Tiefbohrungen in Knochennägeln oder chirurgischen Instrumenten zum Einsatz. Anwendungen für das Laserbohren finden sich ebenfalls in der Automobilindustrie, etwa bei der Herstellung von Kraftstofffiltern, Injektoren und Pleuel. Zudem kommt diese Technologie bei der Herstellung von Kühlbohrungen an Turbinenschaufeln zum Einsatz. Für die bereits beschriebene Verfahrenskombination bestehen mögliche Anwendungen in der Bearbeitung solcher Bauteile, bei denen schräge und gewölbte Anbohrflächen vorhanden sind. Auch für die Kombination zur Bearbeitung randschichtengehärteten Werkstücke existieren Anwendungsgebiete, wie beispielsweise Getriebewellen, an denen Ölbohrungen für hydrostatische Lagerungen in gehärtete Schichten eingebracht werden. Durch die hybride Bearbeitung könnten weitere Synergieeffekte für die Herstellung von Kleinbauteilen genutzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Combination of Laser and Deep Hole Drilling for Small Diameters. In: Proceedings of the 4th CIRP International Conference on High Performance Cutting (CIRP HPC 2010), Vol. 2, 24.10.-26.10. 2010, Gifu, Japan, Aoyama, T.; Takeuchi, Y. (Hrsg.), ISBN 978-4-915698-03-3, S. 37-42
Biermann, D.; Kessler, N.; Heilmann, M.
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Entwicklungen für die Zerspanung im modernen Produktionsprozess. In: Begleitband zum Fachgespräch „Zerspanen im modernen Produktionsprozess“, 14.9.-15.9. 2010, Dortmund, ISBN 978-3-8027-8755-3, S. 3-20
Biermann, D.
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Prozessgestaltung für das Mikrotiefbohren. wt - Werkstattstechnik online, 100 (2010) 11/12, S. 853-858
Biermann, D.; Heilmann, M.
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Tiefbohren mit kleinen Durchmessern. WB: Werkstatt und Betrieb, 6/10 (143), S. 54-57
Biermann, D.; Heilmann, M.
