Schwingungsmessung

In-Prozess-Analyse beim Einlippenbohren von Nickelbasislegierungen

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Zur Vermeidung von Reibungskräften und um die Führungsstabilität des Einlippenbohrers während des Bohrungsprozesses nicht unzulässig zu erhöhen, wurde die Führungsbohrung im Durchmesser 0,1 mm größer als der eingesetzte Bohrer ausgeführt. Zusätzlich wurde die Führungsbohrung von beiden Seiten mit einer Fase versehen, so dass es während des Bohrprozesses maximal nur zu einem Linienkontakt und zu keinem Flächenkontakt mit dem Einlippenbohrer kam.

Versuchsaufbau schließt fremderregte Schwingungen aus

Bild 1: Prinzipieller Versuchsaufbau zur Kräfte- und Bohrmomentmessung. (Archiv: Vogel Business Media)

Durch die schwingungstechnische Entkopplung war es möglich, die sehr geringen Prozesskräfte und Bohrmomente, die an der Stahlplatte mit der Führungsbohrung angriffen, in das Grundgestell abzuleiten und nicht auf das Dynamometer zu übertragen. Die schwingende Masse des Aufbaus (Bild 1), bestehend aus Werkstück und Dynamometer, war im Vergleich zur Masse des Einlippenbohrers sehr groß. Dadurch konnten fremderregte Schwingungen im Prozess ausgeschlossen werden.

Die Aufnahme des Messsignals erfolgte direkt durch das hinter dem Werkstück befindliche Dynamometer und somit nicht in unmittelbarer Nähe des Wirkpunkts der Zerspanung. Die damit verbundene höhere Systemmasse führte unweigerlich zu einer höheren Systemdämpfung. Das bedeutete, dass die auf diese Weise gemessenen Prozessschwingungen insgesamt etwas niedriger ausfielen.

Zweite Messung mit Beschleunigungsaufnehmern

Um diese Frequenzverschiebung zu vermeiden und um möglichst direkt am Wirkpunkt messen zu können, wurde ein zweiter Versuchsaufbau realisiert. Dabei wurde das Ziel verfolgt, eine nahezu vollständige schwingungstechnische Isolation des Einlippenbohrers während des An-, Durch- und Ausbohrvorgangs von der Umgebung zu erreichen. Die Messung wurde mit Beschleunigungsaufnehmern durchgeführt (Bild 2).

Bild 2: Versuchsaufbau für die In-Prozess-Beschleunigungsmessung. (Archiv: Vogel Business Media)

Der obere Teil des Bildes zeigt den Bohrer vor Beginn des Bohrprozesses. Die Bohrerspitze befindet sich direkt vor dem Werkstück, welches in einem hydraulischen Schraubstock auf dem Maschinentisch befestigt wurde. Die damit verbundene hohe Masse verhindert mögliche fremderregte Schwingungen.

Im mittleren Bildteil sind die Pilotbohrungen im Werkstück zu erkennen, die für den Anbohrvorgang beim Einlippenbohren erforderlich sind, wenn keine Führungsbohrungen oder eine Bohrbuchse verwendet werden. Um den Anteil der schwingenden Massen des Werkzeugs und des Werkstücks während des Bohrprozesses möglichst gering zu halten, wurden die Pilotbohrungen in kleine quaderförmigen „Zinnen“ eingebracht, die am Fuß stark verjüngt zuliefen, um die Schwingungsfähigkeit des zu bohrenden Werkstücks zu gewährleisten. Die Beschleunigungsaufnehmer wurden anschließend für den Bohrprozess direkt auf diesen „Zinnen“ appliziert.

Torsionsschwingungen werden axial und radial erfasst

Zur optimalen messtechnischen Erfassung auftretender Torsionsschwingungen erfolgten die Messungen einmal in Vorschubrichtung des Einlippenbohrers (axial) und in einem zweiten Versuch zusätzlich auch senkrecht dazu (radial). Das Piktogramm veranschaulicht die jeweilige Sensorposition zu dem Bohrer während des Prozesses. Durch einen angeschlossenen FFT-Analysator mit Ladungsverstärker und Auswertesoftware wurden die In-Prozess-Schwingungen anschließend analysiert und graphisch im Frequenzbereich dargestellt.

Bild 3: Nachgiebigkeitsfrequenzgang in die erste Hauptachsenrichtung (34°). (Archiv: Vogel Business Media)

Um bei der Analyse der Prozessschwingungen eine sichere Unterscheidung von fremderregten Schwingungen und Eigenschwingungen des Einlippenbohrers vornehmen zu können, wurden in vorangegangenen Untersuchungen die modalen Parameter von Einlippenbohrern durch experimentelle Modalanalysen mit Hilfe eines Laser-Scanning-Vibrometers bestimmt. In Bild 3 ist beispielhaft der Nachgiebigkeitsfrequenzgang am Bohrerkopf für den Einlippenbohrer Ø 11,76 mm bei Anregung in die erste Hauptachsenrichtung (34°) dargestellt.

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