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Werkzeuge Gratminimales Bohren mit VHM-Bohrerkonzepten – ein Werkzeugbenchmark

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

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.

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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.
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)

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.

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„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.

Vergütungsstahl 42CrMo4V und eine Hermle bilden Versuchsumfeld

Als Versuchsmaterial kommt ein Vergütungsstahl 42CrMo4V zum Einsatz, welcher aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung bei gegebener Zugfestigkeit (zirka 1000 N/mm2) hohe Zähigkeit aufweist und in der Automobilindustrie weit verbreitet ist. Die Versuche wurden auf einem BAZ des Typs Hermle C32 U durchgeführt. Die Kühlschmierung erfolgte durch Innenkühlung mit 60 bar. Als Messsystem zur Vermessung der Grathöhen am Bohrungsaustritt und zur 3D-Aufnahme der Bohrwerkzeuge wurde das optische Mikrokoordinaten-Messmikroskop Alicona Infinite Focus von Alicona Imaging genutzt.

Problematik der Gratart und der Grathöhe

Schäfer [8] definiert den Grat als „[…] das unerwünschte Werkstoffgebilde, das an Kanten oder auf der Werkstückoberfläche bei der Fertigung entsteht und über die ideale Werkstückoberfläche hinausragt“. Diese Definition liefert jedoch keine Hinweise zur Beurteilung von Bohrungsaustrittsgraten. In der Industrie wird häufig die Grathöhe als Beurteilungszielgröße herangezogen. Bohrungen mit anhaftenden Bohrkappen lassen sich allerdings nicht mit dieser Zielgröße vergleichen.

Kriterien Gratart und Grathöhe.
Kriterien Gratart und Grathöhe.
(Bild: TU Darmstadt)

Aufgrund dieser Problematik wurden mit der Gratart und der Grathöhe zwei unterschiedliche Kriterien zur Beurteilung der Gratfreiheit definiert (vgl. Bild 2). Die Gratart beschreibt das makroskopische Kriterium durch Sichtprüfung. Dieses erste Kriterium teilt die Gestalt des resultierenden Grates in die Typen Ringgrat (Typ I), Ringgrat mit anhaftender Bohrkappe (Typ II) und Kronengrat (Typ III) ein. Nicht detektierte und anschließend entfernte Bohrkappen und Kronengrate können sich während der Nutzungsphase des Funktionsteils lösen und zu Beschädigungen und Ausfällen von Gesamtsystemen führen. Dementsprechend werden Typ II und Typ III, aufgrund ihres hohen Gratvolumens als schädlich klassifiziert. Typ I „Ringgrat“ hingegen wird nach dem ersten Kriterium (aufgrund des deutlich geringeren Gratvolumens) als vergleichsweise beherrschbar eingestuft.

Das zweite Kriterium, welches eine mikroskopische Beurteilung des Grats ermöglicht, ist die Grathöhe. Die Grathöhe entlang des Bohrungsaustritts ist in der Regel nicht konstant und schwankt über dem Umfang. Eine Vergleichbarkeit zwischen den einzelnen Bohrungen lässt sich durch die jeweils maximale Grathöhe, das heißt die Maximaldistanz des auftretenden Grats zur Austrittsfläche je Bohrung herstellen. Vorhandene Bohrkappen wurden notiert und im Anschluss entfernt, damit die Höhe des darunter liegenden Ringgrats bestimmt werden konnte. Ziel hierbei war es, die Abhängigkeit der resultierenden Grathöhe von den Parametern Vorschub und Schnittgeschwindigkeit aufzuzeigen und Tendenzen ableiten zu können.

Kriterium 1: Bohrkappenanhaftung erfolgreich vermeiden

Die Austrittsbohrungen welche mit dem Referenzwerkzeug (WZ1) mit Ø6mm gefertigt wurden, weisen eine Vielzahl von anhaftenden Bohrkappen und Kronengrate auf (67 aus 108 Bohrungen). Die Verteilung von Bohrkappen und Kronengrate über die Parameter Vorschub und Schnittgeschwindigkeit erscheint zufällig. Eine Bereichseinteilung zu einzelnen Parametersets, welche im Ergebnis ausschließlich zu Ringgraten (Typ I) führen lässt sich nicht angeben. Werkzeug 2 und Werkzeug 4 weisen mit 4 von 72 Bohrungen (WZ2) und 16 von 108 Bohrungen (WZ4) eine deutlich reduzierte Anzahl an anhaftenden Bohrkappen und Kronengrate auf. Jedoch erscheinen diese zufällig verteilt, sodass eine prozesssichere Vorhersage nicht möglich ist. Für Werkzeug 3 hingegen konnten weder Kronengrate, noch anhaftende Bohrkappen beobachtet werden (vgl. Bild 3). Alle Austrittsbohrungen erfüllen somit, ungeachtet des eingesetzten Parametersets aus Vorschub und Schnittgeschwindigkeit, das Kriterium 1, lediglich Ringgrate an Austrittsstellen einer Bohrung herzustellen.

Kriterium 2: Grathöhen bei Bohrungsaustritten minimieren

Das Referenzwerkzeug (WZ1) erzeugt aufgrund der Ausbildung von Kronengraten extrem hohe Grathöhen von bis zu 1300 μm. Kennzeichnend für dieses Werkzeug sind hohe Schwankungen der Grathöhen um einen Mittelwert von 400 μm. Die Auswertung zeigt auf, dass für dieses Werkzeug hohe Schnittgeschwindigkeiten (160 m/min) bei gleichzeitig niedrigen Vorschüben (0,04 mm/U) im Bereich des Austritts vorteilhaft sind. Die minimalen Grathöhen bei dieser Parameterkombination liegen jedoch oberhalb von 200 μm. Zusammenfassend lässt sich für dieses Werkzeug feststellen, dass eine geeignete Wahl der Prozessparameter für Vorschub und Schnittgeschwindigkeit zu einer Reduzierung der Gratbildung führen kann, diese aber mit einer Grathöhe von mehr als 200 μm keineswegs einen nachfolgenden Entgratbearbeitungsschritt ersetzen kann.

Das zweite Werkzeug (WZ2) arbeitet den Herstellerangaben zufolge gratminimal und weist für geeignete Parametersets Grathöhen von 80 μm und einer geringen Schwankung um diesen Wert auf. Diese Grathöhen werden bei Vorschüben von 0,2 und 0,26 mm/U und Schnittgeschwindigkeiten von 80 m/min erreicht, während hohe Schnittgeschwindigkeiten (120, 160 m/min) und Vorschübe um 0,12 mm/U zu bis zu 600 μm führten. Versuche mit höheren Vorschüben konnten jedoch nicht durchgeführt werden, da das Werkzeug bei f = 0,32 mm/U brach.

Ein Versuchwerkzeug trotzte den eingesetzten Parametern

Das dritte Versuchswerkzeug (WZ3), stellte innerhalb der durchgeführten Versuche eine Besonderheit dar. Bis auf wenige Ausnahmen konnte dieses Werkzeug, ungeachtet der eingesetzten Parameter, niedrige Grathöhen erzeugen. Für eine Schnittgeschwindigkeit von 80 m/min lagen die Grathöhen für alle untersuchten Vorschübe in einem Bereich zwischen 20 und 40 μm. Nach DIN ISO 13715 gelten Kanten mit Graten bis zu 50 μm als scharfkantig. Jedoch konnten vereinzelt höhere Grathöhen von bis zu 160 μm für Vc = 160 m/min und f = 0,04 mm/U gemessen werden (vgl. Bild 4).

Werkzeug 4 (WZ4) erreicht im Mittel Grathöhen von 200 μm. Lediglich für geringe Vorschübe von f = 0,04 mm/U lassen sich Grathöhen kleiner 100 μm erreichen, während Vorschübe von 0,2 – 0,26 mm/U durch Kronengratbildung Grathöhen von 900 μm erzeugen.

Ähnliche Tendenzen für die Gratarten und Grathöhen wurden für die Versuche mit den Ø12mm VHM-Bohrern festgestellt.

Mit der Schälfase zum Erfolg

Eine Betrachtung der geometrischen Kenngrößen der jeweiligen Bohrwerkzeuge zeigt hinsichtlich des Spitzenwinkels, der Führungsfasenbreite und der Winkel am Schneidkeil keine besonderen Unterschiede der Werkzeuge auf. Das Werkzeug 3 mit einem Durchmesser von 6 mm hat im Unterschied zu den anderen getesteten Werkzeugen mit gleichem Durchmesser einen Drallwinkel von 40°. Dies wird allerdings nicht als ursächlich für die geringe Gratbildung angesehen, denn die Ausführung mit 12 mm Durchmesser des WZ3 unterscheidet sich im Drallwinkel nicht von den anderen getesteten Werkzeugen. Die Werkzeuge des Herstellers 3 mit Ø 6 mm, und Ø 12 mm weisen allerdings die Besonderheit eines Seitenanschliffs im Bereich der Schneidenecke auf. Aufgrund dieses speziellen Anschliffs verringert sich der Durchmesser dieser Werkzeuge auf axialer Höhe der Schneidenecke um 3 % (vgl. Bild 5). Die Länge dieser Fase beträgt ca. 2,5 mm, sodass laut Hersteller ein Überfahrweg nach Bohrungsaustritt von mind. 2,5 mm vorzunehmen ist und in den Untersuchungen berücksichtigt wurde.

Die Werkzeuge des Herstellers 3 weisen im Unterschied zu den anderen getesteten Bohrern die Besonderheit eines Seitenanschliffs im Bereich der Schneidenecke auf.
Die Werkzeuge des Herstellers 3 weisen im Unterschied zu den anderen getesteten Bohrern die Besonderheit eines Seitenanschliffs im Bereich der Schneidenecke auf.
(Bild: TU Darmstadt)

Zur Erklärung des Effekts wird der Gratentstehungsprozess des konventionellen Bohrers mit dem Werkzeug des Herstellers 3 verglichen. Für konventionelle Bohrer lässt sich die Gratentstehung folgendermaßen erklären:

In der stationären Schnittphase wird das Material, welches sich vor der Bohrerspitze befindet, getrennt. Sobald der Werkstoff am Bohrungsaustritt eine kritische Mindestdicke unterschritten hat, tritt plastische Verformung und Biegung auf. Die Rissinitiierung erfolgt entweder im Kontaktbereich zur Querschneide, was zur Bildung von Kronengraten führt, oder im Bereich der Schneidenecke. Reißt der Werkstoff im Kontaktbereich der Schneidenecke ein, wird das Material gebogen und es kommt zur Bildung von Ringgraten mit oder ohne anhaftender Bohrkappe.

Konventionelle Bohrer können in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Geometrie und der verwendeten Schnittparameter sowohl Ringgrate mit, oder ohne Bohrkappen, als auch Kronengrate erzeugen. Die Gratbildung bei dem Werkzeug mit Schälfase erfolgt zunächst ähnlich dem von konventionellen Werkzeugen. Nachdem die Mindestdicke am Bohrungsaustritt unterschritten wird, tritt ein Umformprozess anstelle des Schneidprozesses. Aufgrund der beginnenden Umformung bildet sich eine Bohrkappe aus, die noch an keiner Stelle entlang des Umfangs gerissen ist. In dem Moment in dem die Schneidenecke des Werkzeugs auf der Höhe des Bohrungsaustritts ist, verfügt die Bohrung an dieser Stelle aufgrund des Seitenanschliffs über einen kleineren Durchmesser. Erst nachdem das Werkzeug den nötigen Überfahrweg in axialer Richtung ausgeführt hat, kommt es zum Materialeingriff der Nebenschneide und die Bohrung ist auf Endmaß gefertigt. Der Eingriff über die Nebenschneide und der daraus resultierende „Aufbohrprozess“ zum vollen Durchmesser führt dazu, dass der zuvor entstandene Grat abgeschert wird und nur noch geringe Grathöhen verbleiben (vgl. Bild 6).

Gratentstehung Vergleich WZ1 und WZ3.
Gratentstehung Vergleich WZ1 und WZ3.
(Bild: TU Darmstadt)

Während sich eine Vielzahl von Untersuchungen vor allem auf eine Abhängigkeit der Grathöhe von den Prozessparametern aus Vorschub und Schnittgeschwindigkeit konzentrierte, zeigte sich, dass die Prozessparameter offensichtlich nur einen geringen Einfluss auf den Gratbildungsprozess haben. Die spezifische Geometrie des jeweiligen Bohrers hat einen deutlich größeren Einfluss, wie der Vergleich der Werkzeuge des Herstellers 1 und des Herstellers 3 zeigt. Diese Aussage wird zum einen dadurch unterstützt, dass das gratminimale Werkzeug 3 äußerst geringe Sensitivität gegenüber Variationen der Prozessparameter aufweist, da für jede Kombination aus unterschiedlichen Prozessparametern Ringgrate mit geringer Grathöhe entstehen. Zum anderen ist die größte erzeugte Grathöhe des Werkzeugs 3 geringer, wie die geringste erzeugte Grathöhe des Werkzeugs 1, ungeachtet der eingesetzten Parameter. Da sich Werkzeugverschleiß auf die Gratbildung und somit auf die resultierende Grathöhe auswirkt, müssen weitere Untersuchungen erfolgen, welche die Prozesssicherheit und die Gratbildung in Abhängigkeit der Werkzeugstandzeit betrachten. Ob auf einen nachfolgenden Entgratprozess für Bohrungen, welche mit dem Werkzeug 3 durchgeführt werden, verzichtet werden kann und die resultierende Grathöhe akzeptabel ist, obliegt letztendlich den Unternehmen und deren Anforderungen an Kantenzustände ihrer Produkte.

Danksagung

Die Ergebnisse wurden im Rahmen eines Forschungsprojektes am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. E. Abele erarbeitet. Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Unterstützung.

Literatur

[1] Aurich, J.C.: SpanSauber – Ergebnisbericht der Untersuchung zur Beherrschung der Sauberkeit von zerspanend hergestellten Bauteilen, Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation, Technische Universität Kaiserslautern, 2006

[2] Itasse, S.: Markt für Entgrattechnik erlebt Umbruch, MaschinenMarkt Vogel Business Media, 2015 (URL: http://www.maschinenmarkt.vogel.de/markt-fuer-entgrattechnik-erlebt-umbruch-a-492190/, Zugriff 17.02.2017)

[3] Heisel, U., Schaal, M.: Burr formation in intersecting holes, Production Engineering Research and Development, 2:55-62, 2008

[4] Dornfeld, D.A., Kim, J.S., Dechow, H., Hewson, J., Chen, L.J.: Drilling Burr Formation in Titanium Alloy, Ti-6Al-4V, Annals oft he CIRP Vol. 48, University of California, Berkeley, 1999

[5] Saunders L.K.L., Mauch, C.A.: An Exit Burr Model for Drilling of Metals, Transactions of the ASME Vol. 123, Penn State Erie, 2001

[6] Leitz, L.: Beitrag zur Beherrschung der Gratbildung bei Bohrungsverschneidungen, Dissertation, Technische Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation, Produktionstechnische Berichte aus dem FBK, Kaiserslautern, 2011

[7] Neugebauer, R., Schmidt, Leopold, J, Dix, M., Stoll, A.: Modellierung, Simulation und experimentelle Verifikation von Größeneinflüssen bei der Gratbildung. Fraunhofer-Gesellschaft, Abschlusskolloquium Prozessskalierung, Bonn, 2009

[8] Schäfer, F.: Entgraten – theorie, Verfahren, Anlagen. Buchreihe Produktionstechnik heute, Bd. 14, Hrsg: H.-J. Warnecke. Krauskopf-Verlag, Mainz, ISBN 3-7830-0097-1, 1975

* Adrian Meinhard, M.Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich der Zerspanungstechnologie des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen PTW, Tel. (0 61 51) 1 62 01 13, meinhard@ptw.tu-darmstadt.de, Dr.-Ing. Sebastian Güth ist Oberingenieur am PTW, Tel. (0 61 51) 1 62 01 19, gueth@ptw.tu-darmstadt.de

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