Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung der Kühlkanalaustrittsbedingungen an Bohrern - OptiBo

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es die Werkzeugstandzeit und die Ressourceneffizienz beim Bohren durch eine effizientere Kühlschmierung zu ver-bessern. Die Kühlkanalaustrittsbedingungen (Position, Größe, Form, Anschliff und Anzahl der Kühlkanale; zweiter Freiwinkel) und die Struktur an den Werkzeugflächen werden hierzu mit Computational Fluid Dynamics Simulationen so ausgelegt, dass eine verbesserte Versorgung der Wirkzonen mit Kühlschmierstoff erreicht wird. Hierdurch sinken die thermische Belastung des Werkzeugs und der Bedarf an Kühlschmierstoff, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Prozesses gesteigert wird. Die Auswirkungen der optimierten Kühlkanalaustrittsbedingungen und der Struktur an den Werkzeugflächen zur besseren Bohrerkühlung auf die Werkzeugstandzeit und das Bearbeitungsergebnis (z. B. Bohrlochdurchmesser oder Rauheit der Bohrungswand) werden experimentell untersucht. Hierzu werden Referenzwerkzeuge und im beantragten Vorhaben simulationsgestützt verbesserte Vollhartmetall-Wendelbohrer eingesetzt. Der Vergleich der Versuchsergebnisse ermöglicht es, die Auswirkungen der Kühlkanalaustrittsbedingungen und der Strukturen auf die Bohrertemperatur und in der Folge die Werkzeugstandzeit sowie das Bearbeitungsergebnis zu beurteilen. Aus den Forschungsergebnissen werden Richtlinien zur Gestaltung der Kühlkanalaus-trittsbedingungen und Werkzeugflächen abgeleitet, um so zukünftig eine möglichst effiziente Kühlschmierung beim Bohren gewährleisten zu können. Als Ergebnis des Forschungsvorhabens werden verbesserte Bohrer zur Verfügung stehen, welche im Vergleich zum bisherigen Standard insbesondere bei geringen Kühlschmierstoff-Volumenströmen längere Standzeiten aufweisen.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb des Projektes „OptiBo“ wurde der Einfluss der Kühlkanalgröße, -form, -anzahl, von Anschliffe an den Kühlkanälen und des zweiten Freiwinkels sowie von Strukturen zur Wärmeabfuhr auf die Kühlschmiereffizienz untersucht. Das Projekt gliederte sich hierzu in einen simulativen und einen experimentellen Teil. Aufbauend auf den Erkenntnissen strömungsmechanischer Simulationen wurden Werkzeuge mit unterschiedlichen Kühlkanalaustrittsbedingungen (KKAB) sowie verschiedenen Strukturen gefertigt. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurde neben dem Einfluss der KKAB auf die thermische Belastung des Bohrprozesses auch der Einfluss auf die Prozesskräfte, Bohrlochqualität und Standzeit der Werkzeuge ermittelt. Es zeigte sich ein Zusammenhang zwischen thermischer Belastung der Werkzeuge und erzieltem Standweg. Insbesondere eine Vergrößerung des Kühlkanaldurchmessers führte zu einer signifikanten Senkung der thermischen Belastung des Werkzeugs und infolgedessen auch zu einer Steigerung des Standwegs (23%). Gleichzeitig konnte der Leistungsbedarf der Pumpe deutlich gesenkt werden. Eine Verringerung des zweiten Freiwinkels führte bei gleicher Pumpenleistung zu einer Steigerung des Standwegs von ca. 11%. Die Strukturierung der ersten Freifläche bewirkte eine Verbesserung der Werkzeugkühlung und infolgedessen Standwegerhöhungen von bis zu 21%. Ein systematischer Einfluss der KKAB und Strukturen auf die Bohrlochqualität konnte nicht festgestellt werden. Nahezu alle simulativen Untersuchungen zeigten eine gute qualitative Übereinstimmung mit den Temperaturmessungen. Folglich ist anhand der Simulationen eine Optimierung der Kühlschmierung und somit auch der Werkzeugstandzeit möglich. Die Forschungsergebnisse ermöglichen zukünftig ohne deutliche Erhöhung der Werkzeugherstellungskosten eine Steigerung der Produktivität und Ressourceneffizienz der Bohrbearbeitung. Die Erkenntnisse des Projekts können unmittelbar in die Herstellung von Bohrwerkzeugen einfließen.