Gedämpfte Bohrstangen steigern die Bearbeitungsqualität

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Zur Modellbildung und Durchführung der Simulationen wurde das Simulationsprogramm Ansys-Workbench verwendet. Mithilfe des verifizierten Modells der konventionellen Bohrstange konnten Parameterstudien durchgeführt werden, um die wirkenden Einflussgrößen auf das Schwingungsverhalten zu identifizieren und zu quantifizieren. Darauf basierend wurde ein Dämpferkonzept ausgelegt und simulativ untersucht sowie optimiert, bevor dieses als Prototyp gefertigt wurde. Bild 3 zeigt das CAD-Modell eines entwickelten und gefertigten Prototyps der gedämpften Bohrstange.

Dämpfung basiert auf dem Konzept des Hilfsmassendämpfers

Schwingungsdämpfer haben die Aufgabe, die Schwingungsamplituden eines Schwingsystems zu minimieren. Während aktive Dämpfer dem System gezielt Energie zuführen, die der vorliegenden Schwingung entgegenwirkt [2], entziehen passive Dämpfer der Schwingung Bewegungsenergie, indem sie diese in niedere Energieformen wie Wärme umwandeln [1]. Die Dämpfung der in diesem Projekt entwickelten Bohrstange basiert auf dem Konzept des Hilfsmassendämpfers [3]. Die Energieumwandlung bei Einsatz dieses passiven Dämpfers hat zwei Ursachen. Zum einen schwingt die Hilfsmasse bei korrekter Auslegung phasenverschoben zur Bohrstange. Somit wirkt die Bewegungsenergie der Hilfsmasse entgegengesetzt der Schwingungsbewegung der Bohrstange. Die Biegeschwingung der Bohrstange wird dadurch abgebremst. Zum anderen kommt es zu Dämpfungseffekten aufgrund der Verformung des Koppelelements zwischen Bohrstange und Hilfsmasse. Eine maximale Dämpfung kann dann erreicht werden, wenn Position und Masse des Hilfsmassendämpfers sowie Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften des Koppelelements ideal auf die jeweilige Bohrstange abgestimmt sind.

Diese Auslegung erfolgt beim Bohrstangensystem von EWS mithilfe eines analytischen Berechnungstools. Die Mathematik des Tools beruht auf der Timoshenko-Balkentheorie [4]. Neben der konstruktiven und fertigungstechnischen Realisierung der gedämpften Bohrstange stellte das Programmieren und Verifizieren dieses Tools den Schwerpunkt der zweijährigen Entwicklungsarbeit dar. Die erforderlichen modalen Daten wurden in zahlreichen Experimenten mit unterschiedlichen Prototypen sowie anhand weiterer FEM-Simulationen bestimmt.

Funktionalität wurde in experimentellen Versuchen überprüft

Die Funktionalität der Neuentwicklung wurde in experimentellen Versuchen überprüft. Die Auslegung der dabei verwendeten gedämpften Bohrstange erfolgte anhand des Berechnungstools. Der Bohrstangendurchmesser betrug 50 mm. Dank eines geschlitzten Bohrstangenhalters war die Auskraglänge variabel einstellbar. Neben der Ermittlung des Nachgiebigkeitsfrequenzgangs analog zu den Voruntersuchungen umfassten diese Experimente auch Zerspanversuche. Somit konnten auch die Prozessstabilität und das Bearbeitungsergebnis beurteilt, analysiert und mit der ungedämpften Standardbohrstange verglichen werden.

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