Minimierung von Torsionsschwingungen bei Tiefbohrwerkzeugen durch geklebte Fügestellen definierter Dämpfung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Verfahren Einlippentiefbohren ist aufgrund der hohen erreichbaren Oberflächenqualität weit verbreitet. Die Produktivität dieses Verfahrens ist allerdings durch dynamische Instabilitäten der schlanken Werkzeuge begrenzt. Oft führen die im Bearbeitungsprozess angeregten Torsionseigenschwingungen zum Werkzeugbruch bzw. zur Beschädigung des Bauteils und sind daher unerwünscht. Insbesondere bei hohen Vorschüben ist die Prozesssicherheit nicht mehr gegeben, sodass die Produktivität des Verfahrens durch die Wahl der „stabilen“ Prozessparameter begrenzt ist. Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurde die Auswirkung einer geklebten anstatt einer gelöteten Schnittstelle zwischen dem Schaft und der Einspannhülse auf das dynamische Verhalten des Einlippentiefbohrers untersucht. Es wurde gezeigt, dass diese Maßnahme die Dämpfung der prozessrelevanten Torsionsschwingungen verbessert. Aufgrund der nicht zugänglichen Bearbeitungszone ist eine direkte Messung dieser Schwingungen im Prozess technisch sehr schwierig, wodurch ein Teil der Untersuchungen mithilfe von FE-Simulationen durchgeführt wurde. Das Ziel des Vorhabens war die Beurteilung des statischen und dynamischen Verhaltens geklebter Einlippenbohrwerkzeuge und deren Auswirkungen auf den Bohrprozess sowie die daraus resultierende Bearbeitungsqualität. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden mehrere Finite-Elemente-Modelle der geklebten Werkzeuge zur Untersuchung und Vorhersage der Dämpfung und deren Auswirkungen auf den Prozess in Abhängigkeit der Klebstoffeigenschaften sowie der Klebschichtdicke erstellt. Zudem wurden die Dämpfungseigenschaften von verschiedenen Klebstoffarten identifiziert, um eine gezielte Verifizierung der FE-Modelle von ELB-Werkzeugen zu ermöglichen. In Laufe des Projektes wurden drei Füge-Vorrichtungen zur Durchführung von experimentellen Untersuchungen konstruiert und aufgebaut. Aus einem auf dem Markt vorhandenen Klebstoff-Spektrum wurden fünf am besten passende Klebstoffe ausgewählt, mehrere Prüflinge von Fügestellen für die experimentellen Untersuchungen vorbereitet sowie deren statische und dynamische Eigenschaften untersucht. Desweiteren wurde eine experimentelle Bestimmung der Medienbeständigkeit dieser Klebstoffe ausgeführt. Es wurden umfangreife simulative strukturdynamische Untersuchungen von gelöteten und unterschiedlichen geklebten Werkzeugmodellen mittels der Software ANSYS Workbench durchgeführt. Grundlage für diese Simulationen waren die jeweiligen Werkstoffeigenschaften, die sowohl durch die Klebstoffhersteller bzw. Bohrerhersteller zur Verfügung gestellt als auch mit experimentellen Untersuchungen ermittelt wurden. Dadurch konnten bestehende Materialmodelle (Hartmetall, Stahl, Duroplaste) aus der ANSYS-Datenbank angepasst und erweitert werden. Danach erfolgte die Validierung der FE-Modelle anhand der experimentell gewonnenen Ergebnisse unter Berücksichtigung der Materialdämpfung von frei schwingenden Werkzeugen. Ergänzend wurden die höherfrequenten Eigenschwingungen von frei schwingenden Werkzeugen bzw. die Torsionsschwingungen erforscht und der Einfluss der unterschiedlichen Klebstoffarten bzw. -eigenschaften sowie Spaltmaße auf das Schwingungsverhalten mittels einer Parameterstudie untersucht. Mit denjenigen Werkzeugausführungen, die die Anforderungen an die geforderten statischen und dynamischen Eigenschaften erfüllten, wurden Bohrversuche auf einer Tiefbohrmaschine des IfW durchgeführt. Zur Prozessbeurteilung wurden die Vorschubkräfte sowie die Bohrmomente Werkstückseitig mit Hilfe eines Mehrkomponenten-Dynamometers gemessen und mit Hilfe der Messsoftware NI-LabView mit einer hohen Abtastrate aufgezeichnet und ausgewertet. Neben diesen Kraft- und Momentenwerten wurden auch die entsprechenden Kraft- und Momentenschwingungen nach Durchführung einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) mit Hilfe der Software Matlab im Frequenzbereich untersucht. Danach wurden die gebohrten Werkstücke aufgeschliffen und die Oberflächenqualitäten der erzeugten Bohrungsoberflächen mittels des Tastschnittverfahrens untersucht. Dadurch konnte die erzielbare Bearbeitungsqualität der geklebten mit den gelöteten Werkzeugen miteinander verglichen werden. Bei weiteren Simulationsuntersuchungen wurde die Abstützung des Bohrers in der Bohrung während des Bohrprozesses unter Berücksichtigung von Kontaktbedingungen modelliert. Darüber hinaus wurde die Vorspannung der Werkzeuge, der Fügestellen und der Einspannhülsen aufgrund der im Prozess auf den Bohrkopf wirkenden Vorschubkraft und Bohrmoment beachtet. Das dynamische Modellverhalten wurde anhand der gewonnenen experimentellen Ergebnisse validiert. Mit Hilfe der so optimierten Modelle wurde abschließend das Werkzeugverhalten innerhalb der Bohrung dargestellt und die Auswirkungen bestimmter Parameter auf die Prozessstabilität simulativ untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Dämpfung beim Tiefbohren: Das leisten geklebte Fügestellen. Präsentation an der „Tiefbohrtagung“, IfW, Universität Stuttgart, 2013
Heisel, U., Eisseler, R., Jakob, P.
- Produktiver in die Tiefe beim Einlippentiefbohren, S. 68-71, WB 12/2013, Cark Hanser Verlag, München
Heisel, U., Stehle, T., Eisseler, R., Jakob, P.
- Schwingungsdämpfung zur Produktivitäts- und Qualitätssteigerung, S.3, IfW News, Ausgabe 11, 2013, Stuttgart
Jakob, P.
- Untersuchung geklebter Tiefbohrwerkzeuge: Untersuchung geklebter Einlippentiefbohrwerkzeuge zur Verbesserung der Prozessdynamik. Wt - Werkstattstechnik Online, 106(6), 439-444, 2016
T. Stehle, A. Dobrinski, K. Drewle
