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Werkzeuge

Gratminimales Bohren mit VHM-Bohrerkonzepten – ein Werkzeugbenchmark

| Autor / Redakteur: Adrian Meinhard und Sebastian Güth / Victoria Sonnenberg

Die Versuche zum gratminimalen Bohren wurden auf einem BAZ des Typs Hermle C32 U durchgeführt. Als Versuchsmaterial kam der Vergütungsstahl 42CrMo4V zum Einsatz, der in der Automobilindustrie weit verbreitet ist.
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Die Versuche zum gratminimalen Bohren wurden auf einem BAZ des Typs Hermle C32 U durchgeführt. Als Versuchsmaterial kam der Vergütungsstahl 42CrMo4V zum Einsatz, der in der Automobilindustrie weit verbreitet ist. (Bild: TU Darmstadt)

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Das Anbringen von Bohrungen ohne die Bildung unerwünschter Austrittsgrate ist der Wunsch aller Fertigungsleiter, denn die Gratentfernung beansprucht bis zu 30 % der gesamten Fertigungskosten. Dieser Werkzeugbenchmark vergleicht vier VHM-Bohrerkonzepte hinsichtlich ihrer Eignung, gratminimale Bohrungsaustritte herzustellen.

Ein Problem, welches bei dem Einbringen von Bohrungen auftritt, ist die ein- und austrittseitige Bildung von Graten, das heißt die Bildung von unerwünschten Materialüberhängen außerhalb der gewünschten Idealgeometrie. Eintrittsseitig ist die Entfernung dieser unerwünschten Strukturen in der Regel kein Problem, austrittsseitig jedoch, stellt die Entfernung des Grats aufgrund der schlechten Zugänglichkeit (zum Beispiel angebohrte Kanäle innerhalb von Bauteilen) Unternehmen oftmals vor große Schwierigkeiten. Eine Gratentfernung ist in diesen Fällen nur mit großem Aufwand und hohen Kosten realisierbar.

Gratentfernung beansprucht bis zu 30 % der gesamten Fertigungskosten

Als Faustregel geben Fertigungsleiter an, dass die Gratentfernung einen Kostenanteil von zirka 10 % (für sicherheitsrelevante Bauteile bis zu 30 %) der gesamten Fertigungskosten eines Bauteils ausmacht, was eine Studie von Aurich belegt [1]. Diese zusätzlichen Kosten resultieren aus der Anschaffung und dem Betrieb von relativ teuren Entgratanlagen, wie TEM- (Thermal Energy Machining), ECM- (Electro-chemical Machining), HDW-Anlagen (Hochdruckwasserstrahl) und anderen, oder durch das manuelle Entgraten von Hand. Günstigere Alternativen bieten dabei mechanische Entgratwerkzeuge [2], welche das Entgraten direkt im Anschluss der Bohroperation auf Bearbeitungszentren oder mithilfe von Industrierobotern durchführen.

„Gratminimale“ oder „gratfreie“ Austrittsbohrungen?

Wünschenswert wäre daher, dass der nicht wertschöpfende Entgratprozess eingespart werden könnte. Dazu müssten die Bohrungsaustrittsgrate jedoch so gering ausfallen, dass von nachgelagerten Entgratschritten abgesehen werden kann. Einige Werkzeughersteller werben daher mit Bohrwerkzeugen, welche in der Lage sein sollen „gratminimale“ oder gar „gratfreie“ Austrittsbohrungen zu erzeugen. Auf Grundlage einer Recherche bei unterschiedlichen Werkzeugherstellern untersuchte das PTW der TU-Darmstadt drei auf diese Weise beworbene Werkzeuge unter dem Gesichtspunkt der Eignung gratminimale Austritte herzustellen und vergleicht diese mit einem konventionellen VHM-Bohrer (vgl. Bild 1).

Aus eigenen und zahlreichen internationalen Untersuchungen geht hervor, dass sich die Gratbildung beim Bohren durch eine günstige Wahl der Prozessparameter, aus Vorschub- und Schnittgeschwindigkeit beeinflussen lässt [3][4][5]. Weitere entscheidende Größen sind der Werkstückwerkstoff, Verschleißzustand des Werkzeugs, oder die Kühlschmierung [6]. Auch der Durchmesser des Bohrers spielt eine Rolle [7]. Aus diesem Grund wurden die Versuche zur Austrittsgratbildung mit Werkzeugen unterschiedlichen Durchmessers (Ø 6 mm und Ø 12 mm) im betriebsscharfen Zustand durchgeführt.

Versuche zur Austrittsgratbildung

Die Schnittgeschwindigkeit wurde in vier Stufen (80, 100, 120, 160 m/min) und die Vorschubgeschwindigkeit in neun Stufen (0,04; 0,08; 0,12; 0,16; 0,18; 0,20; 0,26; 0,32 und 0,38 mm/U) variiert. Die vollfaktorielle Versuchsdurchführung hat den Vorteil, dass jedes Werkzeug mit den von den Herstellern empfohlenen Parameterkombinationen getestet werden konnte. Darüber hinaus lässt sich auf diese Weise der Einfluss des jeweiligen Parameters auf die resultierende Gratgröße ermitteln. Jede Kombination aus Parameterset und Werkzeug wurde zweimal wiederholt.

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