Grundlagenuntersuchungen zum Mikroeinlippentiefbohren bei anspruchsvollen Anbohrsituationen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der Erzeugung von Tiefbohrungen weisen die Werkzeuge aufgrund der hohen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisse eine geringe Steifigkeit auf und sind typischerweise asymmetrisch aufgebaut. Sie benötigen daher zu Beginn des Bohrprozesses eine Anbohrführung in Form einer Bohrbuchse oder einer Pilotbohrung. Das Werkzeug stützt sich mit umfangsseitig angeordneten Führungsleisten in der Anbohrführung und im weiteren Verlauf der Bohrung an der erzeugten Bohrungswand ab und erlaubt so die Herstellung hochqualitativer Bohrungen mit geringem Mittenverlauf. Insbesondere bei komplexen Bauteilen mit schrägen und gekrümmten Oberflächen sowie bei randschichtgehärteten Bauteilen ist die Erzeugung von Pilotbohrungen sehr aufwendig oder es sind speziell angepasste Bohrbuchsen erforderlich. Da der Laserstrahl nicht an der Oberfläche abgedrängt wird, ermöglicht die Laserbohrbearbeitung eine verschleißfreie Einbringung von Pilotbohrungen auf gehärteten und komplex geformten Oberflächen. Bei der additiven Fertigung, durch z. B. selektives Laserstrahlschmelzen, lassen sich zudem Pilotbohrungen direkt in den Herstellprozess des Bauteils integrieren. Das Ziel des Projekts war es daher, die konventionelle Prozesskette zum Tiefbohren bei komplexen Anbohrsituationen bestehend aus dem Fräsen einer Planfläche, dem mechanischen Pilotbohren und dem anschließenden Tiefbohren durch die Substitution des Planfräsens und des mechanischen Pilotbohrens durch den Laserpilotbohrprozess bzw. die direkte Integration der Pilotbohrungen in das Bauteil deutlich zu verkürzen. In umfangreichen Untersuchungen zur Erzeugung von Laserpilotbohrungen durch Einzelpulse konnten im Rahmen des Projekts für die Werkstoffe X2CrNiMo17-12-2 und 20MnCr5 Prozessparameter für Pilotbohrungen mit einem Durchmesser von d = 0,5 mm identifiziert und bei der Verfahrenskombination aus Laserpilotbohren und Einlippentiefbohren erfolgreich eingesetzt werden. Bei der Erzeugung von größeren Pilotbohrungen (d = 1,5 mm) ist es gelungen, die Flexibilität durch Helixlaserbohren mit einer Vielzahl von Laserpulsen entlang einer definierten CNC gesteuerten Bahn deutlich zu erhöhen. Die Erstarrung der Schmelze an der Bohrungswand im Bereich der Laserpilotbohrung führte verfahrensbedingt zu einer geringeren Bohrungsqualität gegenüber einer mechanisch erzeugten Bohrung. Bei der Analyse von additiv gefertigten Pilotbohrungen zeigte sich, dass die Führungsleiste zu einer Einebnung der Rauhigkeit der Pilotbohrung aus dem additiven Prozess führt, hierdurch jedoch Durchmesserabweichungen in diesem Bereich resultieren. Durch den Einsatz von Stufenbohrern mit einer ersten Durchmesserstufe zum Einfädeln und Führen des Werkzeugs in der (Laser-)Pilotbohrung und einer zweiten größeren Durchmesserstufe zur spanenden Bearbeitung der gesamten Bohrungsoberfläche ließen sich Bohrungsqualitäten erreichen, die mit der konventionellen Prozesskette vergleichbar sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Mikroeinlippentiefbohren bei anspruchsvollen Anbohrsituationen. Unter Span, 1 (2017), S. 23
Biermann, D.; Kirschner, M.; Michel, S.Biermann, D.; Kirschner, M. & Michel, S.
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Am Anfang ist das Licht. WB Werkstatt + Betrieb, (2018) 1/2, S. 64-67
Michel, S.. & Biermann, D.
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Analysis of the laser drilling process for pilot holes in complex shaped components. Procedia CIRP, 74(2018), 398-402.
Michel, Sebastian & Biermann, Dirk
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Mikrotiefbohren mit Laserpilotbohrungen*/Micro drilling with laser pilot holes - Laser pre-drilling as guidance for deep hole drilling in demanding surface geometries. wt Werkstattstechnik online, 108(01-02), 76-80.
Michel, S. & Biermann, D. Prof.
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Experimental investigations of a helical laser drilling process for pilot holes on complex surfaces. Lasers in Manufacturing Conference 2021
Michel, S.; Volke, P. & Biermann, D.
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Experimental investigations using a single pulse and a helical laser drilling process for pilot holes on complex surfaces. Vortrag EUROMAT 2021, 13.-17.09.2021
Michel, S.; Volke, P. & Biermann, D.
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Investigation of Laser Drilled Pilot Holes and Additively Generated Pilot Holes as Drilling Guides for Single-lip Deep Hole Drilling. SSRN Electronic Journal, 2021.
Michel, Sebastian; Volke, Pascal & Biermann, Dirk
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Laserpilotieren und Einlippentiefbohren kombinieren. VDI-Z, 164(09), 58-61.
Volke, Pascal; Michel, Sebastian & Biermann, Dirk
