Schwingungsmessung In-Prozess-Analyse beim Einlippenbohren von Nickelbasislegierungen

Autor / Redakteur: Hans-Werner Hoffmeister und Jan-Dirk Glaser / Udo Schnell

Werkzeugschwingungen stellen bei Tiefbohrprozessen mit Einlippenbohrern in Nickelbasislegierungen ein großes Problem dar. Die Folgen einer solchen dynamischen Beanspruchung sind eine schlechtere Bohrungsqualität und eine geringere Werkzeugstandzeit. In dem Beitrag werden daher zunächst die Messmethoden der In-Prozess-Schwingungsanalysen beim Einlippenbohren vorgestellt und anschließend die Versuchsergebnisse mit den Eigenmodenuntersuchungen der Einlippenbohrer verglichen und diskutiert.

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Werkzeugschwingungen stellen ein großes Problem bei Tiefbohrprozessen mit Einlippenbohrern in Nickelbasislegierungen dar. Sowohl die schlanke Formgebung als auch die Minderung der Biegesteifigkeit durch die V-Spannut wirken sich negativ auf das Stabilitätsverhalten des Tiefbohrwerkzeugs im Bohrprozess aus. Die schwere Zerspanbarkeit von hochwarmfesten Nickelbasislegierungen führt zusätzlich zu einer starken mechanischen Belastung der Werkzeugschneide. Die Folgen einer solchen dynamischen Beanspruchung sind eine schlechtere Bohrungsqualität und eine geringere Werkzeugstandzeit.

Um zukünftig Prozessinstabilitäten vermeiden zu können, etwa durch den Einsatz von Adaptive Control, ist zunächst die Kenntnis des Schwingungsverhaltens der Einlippenbohrer während des Bohrprozesses erforderlich. Dabei sind fremderregte Schwingungen und auftretende Eigenschwingungen der Einlippenbohrer zu unterscheiden.

Im Folgenden werden daher die Messmethoden der In-Prozess-Schwingungsanalysen beim Einlippenbohren vorgestellt und die Versuchsergebnisse mit den Eigenmodenuntersuchungen der Einlippenbohrer verglichen und diskutiert.

Mit der In-Prozess-Schwingungsanalyse wurde das Ziel verfolgt, die während des Bohrprozesses auftretenden Schwingungen am Einlippenbohrer zu identifizieren. Dabei wurden für die am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der TU Braunschweig durchgeführten Untersuchungen zwei unterschiedliche Messaufbauten und -methoden verwendet.

Schwingungstechnische Untersuchung der Kraftsignale

Zunächst erfolgte eine schwingungstechnische Untersuchung auf Basis der während des Bohrprozesses mit einem Vier-Komponenten-Dynamometer vom Typ 9272 der Firma Kistler aufgenommenen Kraftsignale. Mittels FFT-Analyse wurden dazu die im Zeitbereich gemessenen Kraftsignale in den Frequenzbereich überführt.

Um außerdem eine differenzierte In-Prozess-Schwingungsanalyse für den gesamten Bohrprozess durchführen zu können, wurde eine Unterscheidung in die drei Bohrphasen An-, Durch- und Ausbohrvorgang vorgenommen. Auf diese Weise konnten die charakteristischen Schwingungen jeder einzelnen Bohrphase exakt gemessen und zugeordnet werden.

Das Einlippenbohren an einem Bearbeitungszentrum setzt üblicherweise voraus, dass der Bohrer während des Anbohrvorgangs über Pilotbohrungen im Werkstück geführt wird. Um jedoch im Rahmen der durchgeführten Versuche die erforderliche Unterscheidung der Bohrphasen erreichen zu können, wurde der Einlippenbohrer während des Anbohrvorgangs durch eine vor dem Werkstück befindliche Stahlplatte, in die eine Bohrung eingebracht wurde, geführt. Zwischen der Stahlplatte mit der Führungsbohrung und dem Werkstück befand sich ein Zwischenraum von zirka 1 bis 2 mm, der beide Bereiche schwingungstechnisch entkoppelte.

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