Laser-Scanning-Vibrometer misst kritische Größen beim Einlippenbohren

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Technische Universität Braunschweig

Erfolgte eine Anregung des Einlippenbohrers durch den Shaker, führte dies zu einer Auslenkung des Bohrers. Im Falle von Torsionsschwingungen kam es dabei zu einer Verdrehung des Bohrers, so dass die durch den Laserstrahl detektierten Wegänderungen der einzelnen übereinander liegenden Punkte unterschiedlich ausfallen. In der Auswertung wird dies durch farbliche Änderungen der einzelnen übereinander liegenden Messpunkte dargestellt (Bild 1).

Messtisch aus Stahl verhindert fremderregte Schwingungen beim Bohren

Um fremderregte Schwingungen während der experimentellen Modalanalyse zu vermeiden, wurde ein Messtisch aus Stahl mit einer sehr hohen Masse verwendet. Zunächst mussten die Hauptachsen und Schwerpunkte der Einlippenbohrer berechnet werden, damit die Anregung in Bohrerlängsrichtung direkt im Bohrkopfschwerpunkt und in Querrichtung entlang der beiden Hauptachsen erfolgen konnte.

Für die Anregung in Bohrerlängsrichtung wurden der Shaker und der Einlippenbohrer gegenüberliegend jeweils in einem Schraubstock oder Teilkopf mit Drei-Backen-Futter eingespannt. Am freien Bohrkopfende wurde eine gehärtete Anregungsspitze positioniert, die mit einem Piezo-Kraftsensor und einem Aluminiumadapter verschraubt wurde.

Unter Aufbringung einer Vorspannkraft wurde diese mit dem Shaker verbunden. Ein Controller übermittelte über einen Verstärker ein Sinussignal mit einem definierten Frequenzband an den Shaker, der seinerseits den Einlippenbohrer am Bohrkopf anregte. Der Kraftsensor gab über einen Ladungsverstärker Kraftsignale an den Controller zurück, der dann mit den vom Laser-Scanning-Vibrometer kommenden frequenzabhängigen Wegänderungssignalen die Modalparameter berechnete.

Verlauf des Nachgiebigkeitsfrequenzgangs entspricht klassischem Dreimassenschwinger

In Bild 3 ist beispielhaft der Nachgiebigkeitsfrequenzgang am Bohrerkopf für den Einlippenbohrer Ø 11,76 mm bei Anregung in die erste Hauptachsenrichtung (34°) dargestellt. 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. Eine dritte ausgeprägte Eigenmode, wieder eine Biegeschwingung, lag bei 3300 Hz.

Zum Vergleich zeigt Bild 4 den Nachgiebigkeitsfrequenzgang am Bohrkopf desselben Einlippenbohrers bei Anregung in Bohrervorschubrichtung. Die 1. Eigenmode wurde bei 580 Hz, die 2. Eigenmode um 850 Hz gemessen. Dabei handelte es sich um Biegeschwingungen. Eine nicht so ausgeprägte Schwingungsamplitude wie bei der Anregung in die erste Hauptachsenrichtung war für den Verlauf der ersten. Torsionseigenschwingung bei 2000 Hz zu beobachten. Sehr ausgeprägt waren jedoch die Eigenmoden bei 2600, 3300 und 3860 Hz, bei denen es sich ausschließlich um Biegeeigenschwingungen handelte.

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