Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Leistungssteigerung beim Bohren von schwer zerspanbaren Werkstoffen durch kinematisch erzwungenen Spanbruch

Beim Bohren in duktilen, metallischen Werkstoffen kommt es häufig zu gravierenden Problemen bei der Spanabfuhr. Die Bohrungswandung wird hierbei durch die Reibung mit den aufgestauten Langspänen einer hohen thermomechanischen Belastung ausgesetzt, wodurch Schädigungen an der neu erzeugten Oberfläche und hohe Austrittsgrate resultieren. In dem geplanten Forschungsvorhaben soll ein alternativer Bohrprozess untersucht werden, bei dem der axialen Vorschubbewegung des Werkzeugs eine sinusförmige Schwingung überlagert wird. Im Vergleich zum ultraschallunterstützen Bohren werden hierbei wesentlich größere Amplituden bei gleichzeitig geringeren Frequenzen angewendet, so dass es während des Prozesses zu einem kinematisch erzwungenen Spanbruch und damit verbunden zu der Erzeugung kleiner, gut abzutransportierender Späne kommt. Der wissenschaftliche Anspruch ist dabei auf die Komplexität der sich ergebenden Eingriffsverhältnisse bzw. der erzeugbaren Spanungsformen zurückzuführen. Die zentrale Frage ist dabei, welchen Einfluss diese auf die Qualität der Spanabfuhr, die resultierende Bohrungsqualität sowie die Prozessgrößen und den Werkzeugverschleiß haben. Im Rahmen des For-schungsvorhabens sollen die Grenzen und Möglichkeiten des Verfahrens hinsichtlich einer wirtschaftlichen Herstellung schädigungsfreier Bohrungen in Titan- und Nickelbasislegierungen, sowie CFK/Titan-Werkstoffverbunden ermittelt werden, um so Richtlinien für eine prozesssichere Anwendung des vibrationsunterstützen Bohrprozesses zu erstellen. Die im Rahmen des geplanten Vorhabens gewonnen Erkenntnisse können gerade für KMU im Bereich der Zulieferung für die Luftfahrt- und Automobilindustrie zu einer deutlich wirtschaftlicheren und gleichzeitig ökonomischeren Herstellung von Bohrungen in schwer zerspanbaren Werkstoffen genutzt werden. Darüber hinaus profitieren KMU im Bereich der Herstellung von Anlagentechnik und Hilfsstoffen, die für die Bohrungserzeugung erforderlich sind.

Ergebniszusammenfassung:

Die Vielzahl der möglichen Schnittparameterkombinationen und die daraus resultierenden Span(ungs)formen, sowie der Einfluss weiterer Randbedingungen, wie der internen Schmierung, erschweren eine einfache Auswahl der Prozessparameter beim vibrationsunterstützten Bohren erheblich.

Die vorliegende Ergebnislage ermöglicht sowohl für Anwender von mechanischen Systemen zur Schwingungserzeugung (feste spezifische Frequenz) als auch von magnetgelagerten Spindeln (variable spezifische Frequenz) eine vergleichsweise einfache und individuelle Wahl von Stellgrößen in Abhängigkeit des zu zerspanenden Werkstoffes. Für die Schnittgeschwindigkeit und den Vorschub können werkstoffabhängig gängige Stellgrößen für das konventionelle Bohren gewählt werden. Geeignete Schwingungsparameter lassen sich auf Grundlage der Erkenntnisse aus dem vorliegenden Schlussbericht auswählen.

Neben dem erlangten tiefergehenden Prozessverständnis erleichtert dies die industrielle Anwendung vibrationsunterstützter Bohrprozesse erheblich, insbesondere für KMU, deren Kapazitäten zur Auslegung dieses innovativen, jedoch auch vergleichsweise komplexen Verfahrens in der Regel stark begrenzt sind.

Darüber hinaus konnten auch für die Anwendung wertvolle Erkenntnisse in Bezug auf die Wahl passender Schmierstoffe für die Minimalmengenschmierung und in Bezug auf den Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung von CFK-Metall Schichtverbunden erlangt werden.

Durch die Verbreitung und Umsetzung der Erkenntnisse für den spezifischen Anwendungsfall kann der Aufwand bei der Einführung dieses Bohrprozesses in den Fertigungsalltag für industrielle Anwender reduziert werden. Die im Rahmen dieses Vorhabens erarbeiteten Ergebnisse können so dazu beitragen, dass der vibrationsunterstützte Bohrprozess weitere Verbreitung in der industriellen Anwendung findet.