Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Prozesskräfte am Wendelbohrer durch Drehversuche ermitteln

22.08.2008
Zur Verbesserung der Bohrer-Schneidengeometrie und zum Optimieren der Schnittdaten für neue Werkstoffe sind experimentelle Untersuchungen notwendig. Mit Messwerten, die auf einem kombinierten Prüfstand für Drehen und Bohren ermittelt wurden, konnte eine Methode zur Berechnung der Prozesskräfte beim Bohren entwickelt werden, die auf Kennwerten aus den orthogonalen Drehversuchen basiert.

Das Bohren ist eines der wichtigsten spanenden Bearbeitungsverfahren. Der Zeitanteil für das Bohren beläuft sich bei typischen Drehteilen schätzungsweise auf 30%. Bohren und Drehen sind insofern ähnliche Prozesse, als sowohl beim Drehen als auch beim Bohren die Schneiden im Normalfall kontinuierlich im Eingriff sind und auch die gleichen Schneidstoffe angewendet werden.

Wesentliche Unterschiede zwischen Drehen und Bohren

-Beim Bohren ist mehr als eine Schneide im Eingriff.

-Die Schnittgeschwindigkeit an der Bohrerschneide variiert von 0 bis zur nominalen Schnittgeschwindigkeit, das heißt, es gibt extrem schlechte Schnittbedingungen bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten und trotzdem großen Vorschüben im Zentrum des Spiralbohrers.

-Bohrer haben eine stark veränderliche Schneidengeometrie (Span-, Frei-,Keil-, Neigungswinkel) entlang der Schneidkante.

-Die Querschneide hat je nach Ausspitzung einen wesentlichen Einfluss auf die Axialkraft des Bohrers.

-Durch das geschlossene Volumen von Bohrungen ist die Spanausbringung aus der Bohrung stark behindert, Ausspanzyklen oder kontrollierte Kühlschmiermittelzirkulation kann die Situation etwas verbessern.

All diese Herausforderungen sowie die schwierige Messsituation bei der experimentellen Untersuchung der Zerspanung mit Spiralbohrern können besser verstanden und untersucht werden, wenn es gelingt, den Bohrprozess anhand von Daten zu simulieren, die beim Drehen ermittelt wurden.

Schnittkräfte beim Drehen sind Basis für Bohrversuche

Unter Berücksichtigung der entlang der Bohrerschneide stark veränderlichen Span- und Neigungswinkel sowie der radiusabhängigen Schnittgeschwindigkeit sollen aus Schnittdaten beim Drehen mit analogen Schneidengeometrien oder durch Umrechnung aus orthogonalen Schnittversuchen die Kräfte beim Bohren simuliert und durch reale Bohrversuche überprüft werden.

Dabei ist zu erwarten, dass in der Mitte des Bohrers, im Bereich der Querschneide, wo die Schnittgeschwindigkeit im Vergleich zur Vorschubgeschwindigkeit sehr klein ist, der Bohrprozess nicht mehr nur mit einem Schnittkraftmodell nach Kienzle dargestellt werden kann, sondern zusätzlich noch mit einem Umformkraftanteil erweitert werden muss.

Beim Bohrer variiert der Spanwinkel γ typischerweise zwischen —50° an der Querschneide und +30° am Außendurchmesser. Infolge der Querschneide oder des Durchmessers der Bohrerseele liegt die Hauptschneide nicht auf einem Radiusstrahl, das heißt, sie hat durch den Offset k/2 einen radiusabhängigen Neigungswinkel λ. Bild 2 zeigt die Analyse der Bohrergeometrie aus CAD-Daten und durch optische Vermessung mit einem konfokalen Messmikroskop.

Bohrung wird aufgeteilt in konzentrische Segmente

Um der veränderlichen Schneidengeometrie entlang der Schneidkante des Bohrers in der Analyse Rechnung tragen zu können, lässt sich die Bohrung in konzentrische Segmente aufteilen. Nimmt man vereinfachend an, dass das Schnittverhalten innerhalb eines einzelnen Segments konstant ist, müssen sich die Daten aus einer Reihe von Drehversuchen mit entsprechenden Schneidengeometrien und Schnittdaten auf das Bohren umrechnen lassen. Die Schnittkräfte ergeben sich als Summe über alle Segmente des Vollbohrers.

Weil der Modellierungsansatz über die Segmentierung immer noch zahlreiche Drehversuche mit an den Bohrer angepassten Schneidengeometrien und Schnittdaten erfordert, wird ein neues Modell entwickelt, das es erlaubt, die Kräfte und Momente am Bohrer aus orthogonalen Referenzschnitten beim Drehen herzuleiten. Dazu muss der Einfluss der Winkel an der Schneide sowie jener der Schnittgeschwindigkeit auf die Kräfte bekannt sein.

Einfluss von Winkel und Schneide auf die spezifische Schnitt- und Vorschubkraft ermittelt

Für die Modellierung des Bohrprozesses werden vorerst die Einflüsse dieser Größen auf die spezifische Schnitt- und Vorschubkraft ermittelt. Unter Berücksichtigung der verschiedenen radiusabhängigen Volumenanteile ergibt sich dann mit der Formel von Kienzle durch Summierung die entsprechende Kraft für eine Vollbohrung.

Für die Bestimmung der Modellparameter sind zahlreiche Messungen an Bearbeitungsversuchen sowohl beim Drehen wie auch beim Bohren notwendig. Dazu sind auf dem Werkzeugrevolver einer NC-Drehmaschine je eine Bearbeitungsstation mit einem Kistler-Schnittkraftdynamometer Typ 9121 beziehungsweise einer Kistler-Bohrplattform Typ 9271A aufgebaut worden.

Diese Versuche können mit unterschiedlichen Kühlschmierbedingungen durchgeführt werden. Basis der Schnitt- und Vorschubkraftberechnung ist die Kienzle-Gleichung, die die Kraft als Produkt von spezifischer Schnitt- respektive Vorschubkraft und Spanfläche darstellt.

Schneidengeometrie beeinflusst Schnittkraft

Bekanntlich hängen die spezifische Schnitt- und Vorschubkraft sehr stark von der Schneidengeometrie ab, die beim Bohrer über den Radius variiert. Deshalb muss in einem ersten Schritt aus dem orthogonalen Drehversuch mit 0° Spanwinkel und Bohrversuchen mit einem Spiralbohrer die Abhängigkeit dieser spezifischen Kräfte vom Span- und Neigungswinkel ermittelt werden. Bild 5 zeigt beispielhaft die aus Messungen ermittelten Werte für die spezifische Schnittkraft an der Hauptschneide für Drehen und Bohren.

Diese können durch die Korrekturfaktoren für den Spanwinkel γ(r) und für den Neigungswinkel λ(r) ineinander umgerechnet werden. Zusammengefasst mit der spezifischen Schnittkraft des Drehens kann die spezifische Schnittkraft des Bohrens auch durch die Koeffizienten Ac respektive Bc ausgedrückt werden. Für die Querschneide ist die Umrechnung analog.

Basierend auf dem Kraftansatz nach Kienzle kann in einem zweiten Schritt mit dem zuvor bestimmten Wert für kc1.1(r) die Schnittkraft an der Haupt- und Querschneide bestimmt werden. Dabei ist bei der Querschneide eine Spanvolumenkorrektur zu berücksichtigen, die der Tatsache Rechnung trägt, dass das Spanungsvolumen des Bohrers in diesem Bereich ein spitzes Kreissegment und keinen quaderförmigen Körper wie beim Drehen bildet.

Im Bereich der Querschneide findet eine Umformung statt

Die Schnittkraft der Vollbohrung ergibt sich als Summe der Schnittkräfte an der Haupt- und Querschneide unter Berücksichtigung der wirksamen Radien. Er basiert auf Messdaten beim Drehen sowie auf die für das Bohren berechnete Schnitt- respektive Vorschubkraft und den beim Bohren gemessenen Kräften — zeigt noch eine Abweichung als Funktion des Vorschubs. Insbesondere im Bereich der Querschneide, also im Zentrum des Bohrers, wo die Schnittgeschwindigkeiten sehr gering sind, ist deshalb noch ein zusätzlicher Kraftanteil für den dort stattfindenden Umformvorgang zu modellieren.

Die Modellierung des Umformanteils ist bei der Vorschubkraft noch wesentlich wichtiger als bei der Schnittkraft. Mit den weiteren Faktoren (Steigungskorrektur, Umformanteil) kann im Modell der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit und ein zusätzlicher Umformanteil mitberücksichtigt werden. Dabei wird der Umformanteil aus der Zugfestigkeit Rm des zu bearbeitenden Werkstoffs abgeleitet.

Die Kraftverteilung an der Schneide, basierend auf einem erweiterten Modell. Dabei fällt besonders auf, dass die Vorschubkraft in erster Linie durch den Kaftanteil an der Querschneide bestimmt wird. Bekanntlich wird durch eine Ausspitzung des Bohrers dieser Kraftanteil reduziert.

Berechnungsmodell muss weiterentwickelt werden

Die Untersuchung der Kräfte am Spiralbohrer hat gezeigt, dass die Kräfte an der Hauptschneide des Bohrers sehr zuverlässig mit dem Ansatz von Kienzle unter Berücksichtigung der Variation von Span- und Neigungswinkel modelliert werden können.

Für die Querschneide ist außer dem Schnittanteil mit Spanvolumenkorrektur ein zusätzlicher Umformanteil notwendig, ein erster Vorschlag dazu, basierend auf der Zugfestigkeit des Werkstückmaterials, wurde gemacht. Eine Überprüfung der vorgeschlagenen Modellierung für andere Bohrergrößen, Ausspitzungen und für die Anwendung in anderen Materialien muss gemacht und eventuell das Modell weiter verfeinert werden.

Prof. Dr.-Ing. Konrad Wegener ist Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigung (IWF) der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich; Angelo Gil Boeira, Dr. Roger Margot und Dr. Fredy Kuster sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut; Prof. Rolf Bertrand Schroeter war Gastprofessor an der ETH.

Konrad Wegener und andere | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/spanende_fertigung/articles/141243/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Strömungssonden aus dem 3D-Drucker
25.05.2018 | Technische Universität München

nachricht Nutzfahrzeuge: Neuer Professor entwickelt effizientere und leichtere Bauteile mit 3D-Metall-Drucker
03.05.2018 | Technische Universität Kaiserslautern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics