Prozesskräfte am Wendelbohrer durch Drehversuche ermitteln

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.