In-Prozess-Analyse beim Einlippenbohren von Nickelbasislegierungen

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Der Verlauf entspricht einem klassischen Dreimassenschwinger, was durch die Dreiteilung des Einlippenbohrers mit Bohrkopf, Schaft und Spannhülse auch zutrifft. Deutlich sichtbar ist eine Eigenmode bei 880 Hz zu erkennen, bei der es sich um eine Biegeschwingung handelte. Eine weitere Eigenmode lag bei 2000 Hz, dabei handelte es sich um die erste Torsionseigenschwingung. Da auftretende Torsionsschwingungen während des Bohrprozesses zu Prozessinstabilitäten und zu Werkzeugversagen führen können, ist ihre messtechnische Erfassung von großer Bedeutung. Eine dritte ausgeprägte Eigenmode, wieder eine Biegeschwingung, konnte bei 3300 Hz identifiziert werden. Eine vollständige Auflistung der gemessenen Eigenmoden und der Schwingungsart zeigt Tabelle 1.

1. Torsionseigenschwingung im Frequenzbereich von 1800 bis 2000 Hz

Bild 4 zeigt beispielhaft die Schwingungsverläufe, die beim Bohren in Vorschubrichtung für die drei Bohrphasen unter Verwendung eines ELB Ø 11,76 mm analysiert wurden. Dabei beträgt das dargestellte Prozessfenster für jede Bohrphase 1 Sekunde. Neben angeregten Biegeschwingungen von 1600 Hz während des Durchbohrvorgangs und etwa 900 Hz während des Ausbohrens wird vor allem deutlich, dass für alle drei Bohrphasen die 1. Torsionseigenschwingung im Frequenzbereich von 1800 bis 2000 Hz angeregt und erkannt werden konnte.

Der Frequenzbereich lag dabei nur knapp unterhalb der ermittelten Werte der experimentellen Modalanalysen der Einlippenbohrer. Dies war, wie bereits vermutet, auf die zusätzlichen schwingenden Massen von Werkstück, Flansch und Dynamometer zurückzuführen.

Lediglich eine Biegeeigenschwingung im Bereich von 3300 Hz beim Ausbohrvorgang

Weitere Eigenfrequenzen wurden für die drei Bohrphasen im Bereich von 2700 bis 3300 Hz angeregt. Diese Biegeschwingungen entsprachen der 8. und 9. Eigenmode und lagen ebenfalls nur geringfügig unterhalb der ermittelten Werte der experimentellen Modalanalysen. Im Bereich von 3300 Hz wurde lediglich beim Ausbohrvorgang eine Biegeeigenschwingung angeregt. Hier sind die Ergebnisse der In-Prozess-Schwingungsanalyse des gesamten Bohrprozesses und für alle drei Bohrphasen tabellarisch dargestellt (Tabelle 2).

Bild 5 zeigt die aufgenommenen Schwingungsverläufe in Vorschubrichtung nach der FFT-Analyse als Funktion der Energiedichte, ebenfalls unterteilt in den Anbohr-, Durchbohr- und Ausbohrvorgang für ein Prozessfenster von 1 s. Es wurde deutlich, dass ebenfalls eine Anregung der 1. Torsionseigenfrequenz bei 2000 Hz für alle drei Bohrphasen vorlag. Es wurden auch starke Schwingungsamplituden im Bereich von 3500 bis 3800 Hz gemessen, was auf Biegeeigenschwingungen hindeutete, die ebenfalls bei den analytischen und experimentellen Modalanalysen ermittelt wurden.

1. Torsionseigenfrequenz bei allen Bohrvorgängen angeregt

Ein Vergleich mit den Schwingungsverläufen quer zur Vorschubrichtung bestätigte für alle drei Bohrvorgänge die Anregung der 1. Torsionseigenfrequenz (Bild 6). Die Beschleunigungsmessung wurde zwar näher am Wirkpunkt realisiert, so dass es zu geringeren Frequenzverschiebungen kam, jedoch zeigten die Ergebnisse der In-Prozess-Schwingungsanalyse für beide Verfahren (Beschleunigungs- und Kraftmessung) insgesamt eine sehr hohe Übereinstimmung. Dies zeigt, dass beide Verfahren geeignet sind, prozesskritische Schwingungen sicher zu detektieren.

Die im Rahmen der In-Prozess-Schwingungsanalysen verwendeten Versuchsmethodiken zeigten übereinstimmend, dass es beim Einlippenbohren der Nickelbasislegierung Inconel 718 für alle drei Bohrphasen zu einer Anregung der kritischen 1. Torsionseigenschwingung im Bereich von 2000 Hz kam. Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnte außerdem gezeigt werden, dass beide Messmethodiken eine sichere Identifizierung der während des Einlippenbohrprozesses angeregten und zuvor in der experimentellen Modalanalyse ermittelten Eigenmoden gewährleisten. In einem nächsten Schritt kann eine Online-Prozessüberwachung entwickelt werden, die kritische Prozessschwingungen anzeigt, so dass geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.

Dr.-Ing. Hans-Werner Hoffmeister ist Lehrbeauftragter für Fertigungstechnik am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der TU Braunschweig; Dipl.-Wirtsch.-Ing. Jan-Dirk Glaser war bis Ende Mai wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWF in der Abteilung Fertigungstechnik und ist jetzt Senior Fachgruppenleiter im Bereich Product Engineering bei der Alstom LHB GmbH, Salzgitter.

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