Laser-Scanning-Vibrometer misst kritische Größen beim Einlippenbohren

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Technische Universität Braunschweig

Insgesamt ist eine starke Zunahme der Nachgiebigkeiten des Einlippenbohrers für größer werdende Frequenzen zu verzeichnen. Weil die Anregungskraft durch den Shaker konstant gehalten wurde, ist dies mit einer stärkeren Bohrerauslenkung für den höherfrequenten Frequenzbereich zu erklären. Beim Einlippenbohrer liegt neben dem hohlen Schaft ein großes Längen /Durchmesser-Verhältnis vor, was die Steifigkeit des Bohrers reduziert und die Gefahr des Abknickens und starke Schwingungsamplituden begünstigt.

Nachgiebigkeitsfrequenzen auch zwischen 50 und 650 Hz

Eine ausführliche Auswertung der experimentellen Modalanalysen für jeden einzelnen Messpunkt der Einlippenbohrer zeigte für die verschiedenen Anregungen längs der und quer zur Bohrerhauptachse, dass im Frequenzbereich von 50 bis 650 Hz ebenfalls geringe Nachgiebigkeitsfrequenzen vorlagen. Eine vollständige Auflistung der gemessenen Eigenmoden und der Schwingungsart für die beiden untersuchten Einlippenbohrer-Durchmesser zeigt die Tabelle (siehe Bildergalerie).

Anhand der Versuchsergebnisse wurde gezeigt, dass für die untersuchten Einlippenbohrer das dynamische Systemverhalten eindeutig beschrieben werden konnte. Durch die vorliegende Kenntnis der messtechnisch ermittelten Biege- und Torsionseigenschwingungen ist es zukünftig möglich, adaptive Regelsysteme zu entwickeln, die kritische Prozessschwingungen sicher ausregeln. Dabei ist insbesondere das Auftreten der identifizierten Torsionsschwingungen zu berücksichtigen, weil diese maßgeblich für eine Reduzierung der Werkzeugstandzeit und für ein mögliches Werkzeugversagen verantwortlich sind.

Biegeeigenschwingungen und Torsionsschwingungen lassen sich unterscheiden

Die Modalparameter von Einlippenbohrern können durch den Einsatz eines Laser-Scanning-Vibrometers schnell und zuverlässig gemessen werden. Die Untersuchungen machen deutlich, dass eine sichere Unterscheidung in Biegeeigenschwingungen und Torsionsschwingungen möglich ist. Dafür muss jedoch ein mäanderförmiges Messpunkteraster auf der Bohrer-oberfläche gewählt werden. Die in den Nachgiebigkeitsfrequenzgängen auftretenden Eigenfrequenzen waren für beide Anregungsrichtungen nahezu identisch.

Insgesamt ermöglicht das Laser-Scanning-Vibrometer neben einer zuverlässigen Ermittlung der Modalparameter außerdem eine Visualisierung der Schwingungsformen. Damit können mögliche Klemmvorgänge des Einlippenbohrers mit der Bohrungswand erklärt werden.

Darüber hinaus können adaptive Regelsysteme entworfen werden, die in der Lage sind, kritische Prozessschwingungen zu erkennen und sicher auszuregeln. Dafür ist jedoch die Kenntnis der während des Bohrprozesses auftretenden Prozessschwingungen erforderlich. In den nächsten Untersuchungen ist es daher das Ziel, die angeregten Eigenmoden der Einlippenbohrer zu erkennen, um so die während des Bohrens auftretenden Belastungen und Verformungen am Werkzeug abzubilden.

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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