Effektivitätssteigerung beim Einlippenbohren durch Einkopplung von Schwingungen
Final Report Abstract
Im Rahmen des durchgeführten Projekts zur Effektivitätssteigerung beim Einlippenbohren durch Einkoppeln von Schwingungen konnte gezeigt werden, dass sich sowohl durch den Einsatz von Schwingungen im Hörschall- als auch im Ultraschallbereich die Produktivität des Verfahrens deutlich erhöhen lässt. In beiden Fällen ist dies insbesondere auf die Möglichkeit der Spanformbeeinflussung und hier insbesondere durch die Einstellung kurzbrüchiger Späne zurückzuführen. Letztere neigen bei ihrer Abfuhr durch die Spannut des Werkzeugs deutlich weniger zum Verklemmen, als die beim konventionellen Einlippenbohren und insbesondere hohen Vorschubwerten der Fall ist. Eine kombinierte Aktorik zur Abdeckung des gesamten Frequenzbereichs von 0 bis 20.000 Hz ist nach derzeitigem Stand der Technik nicht realisierbar. Aus diesem Grund wurden für die beiden untersuchten Frequenzbereiche unterschiedliche Versuchseinrichtungen aufgebaut und eingesetzt. Zur Einkopplung von Schwingungen im Hörschallbereich konnte ein Versuchsstand mit kommerziell erhältlicher Hochspannungspiezoaktorik realisiert werden, bei dem das Werkstück in axialer Richtung mit Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen und Amplituden angeregt werden kann. Zur Einkopplung von Schwingungen im Ultraschallbereich wurde ein speziell an die Belange des Einlippenbohrens mit kleinen Werkzeugdurchmessern angepasster und abgestimmter werkzeugseitiger Aktor entwickelt und aufgebaut. Eine ursprünglich geplante Aktortauglichkeit für Drehzahlen über 10.000 1/min konnte nicht realisiert werden, da die induktive Energieübertragung des Aktors in der gegenwärtig vorliegenden prototypischen Ausführung relativ groß und schwer baut. Dies liegt vor allem an den benötigten Kupferspulen und Ferritkernen des Übertragers. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich handelsübliche Einlippenwerkzeuge bei entsprechender Längenanpassung und formschlüssiger Anbindung des Werkzeugs an den Aktor im Ultraschallbereich anregen lassen. Numerische Modalanalysen mit anschließender experimenteller Verifikation zeigen, dass die Werkzeuge vor allen Dingen in Längsrichtung angeregt werden können, zerspanungskinematisch interessante Torsionsschwingungen konnten aktorseitig erzeugt werden, konnten jedoch nicht mit nennenswerter Amplitude bis an die Werkzeugschneide übertragen werden. Die aus der Bearbeitung hart-spröder Werkstoffe bekannte Reduktion der Zerspankräfte durch Ultraschall konnte in den durchgeführten Arbeiten lediglich für den Werkstoff Elektrolytkupfer nachgewiesen werden. Anderseits trat aufgrund der Schwingungseinkopplung generell weder eine deutliche Verschlechterung der Bearbeitungsqualität noch des Werkzeugverschleißes auf. Abhängig vom bearbeiteten Werkstoff konnten hinsichtlich der Bearbeitungsparameter sowie der Charakteristik der eingekoppelten Schwingungen auch Optima gefunden werden, die zu einer vergleichsweise besseren Bearbeitungsqualität führen, als bei der konventionellen Bearbeitung.
Publications
- Heisel, U.; Wallaschek, J.; Eisseier, R.; Potthast, C.: Ultrasonic deep hole drilling in electrolytic copper ECu 57. In: Annals of the CIRP; Vol. 57/1/2008.
- Wallaschek, J.; Heisel, U.; Potthast, C.; Eisseier, R.; Klotz, D.: Piezoelectric actuator design for ultrasonically assisted deep hole drilling. In: Journal of Electroceramics, 2007, ISSN 1385-3449 (Print) 1573-8663 (Online).
