Prozesskräfte am Wendelbohrer durch Drehversuche ermitteln

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Basierend auf dem Kraftansatz nach Kienzle kann in einem zweiten Schritt mit dem zuvor bestimmten Wert für kc1.1(r) die Schnittkraft an der Haupt- und Querschneide bestimmt werden. Dabei ist bei der Querschneide eine Spanvolumenkorrektur zu berücksichtigen, die der Tatsache Rechnung trägt, dass das Spanungsvolumen des Bohrers in diesem Bereich ein spitzes Kreissegment und keinen quaderförmigen Körper wie beim Drehen bildet.

Im Bereich der Querschneide findet eine Umformung statt

Bild 6: Vergleich der Kräfte beim Bohren aus Messung und Simulation ohne Umformanteil. a Mz, HS ˜ 82%, Fc, HS ˜ 54% Fc, VB b Ff, HS ˜30% Ff, VB (Archiv: Vogel Business Media)

Die Schnittkraft der Vollbohrung ergibt sich als Summe der Schnittkräfte an der Haupt- und Querschneide unter Berücksichtigung der wirksamen Radien. Der Vergleich in Bild 6 — er basiert auf Messdaten beim Drehen sowie auf die für das Bohren berechnete Schnitt- respektive Vorschubkraft und den beim Bohren gemessenen Kräften — zeigt noch eine Abweichung als Funktion des Vorschubs. Insbesondere im Bereich der Querschneide, also im Zentrum des Bohrers, wo die Schnittgeschwindigkeiten sehr gering sind, ist deshalb noch ein zusätzlicher Kraftanteil für den dort stattfindenden Umformvorgang zu modellieren.

Bild 7: Schnittkraft und Vorschub beim um einen Umformanteil erweiterten Modellansatz (FCVB‘ = FCVB (ac . f + 1) + (Rm . dQS2 . bc/100), FfVB = FfVB (af . f + 1) + (Rm . dQS2 . bf/100). a Schnittkraft (Steigungskorrekturfaktor ac = 5,0, Umformanteil bc = 0%), b Vorschubkraft (Steigungskorrekturfaktor af = 5,0, Umformanteil bf = 15%) (Archiv: Vogel Business Media)

Die Modellierung des Umformanteils ist bei der Vorschubkraft noch wesentlich wichtiger als bei der Schnittkraft. Mit den weiteren Faktoren (Steigungskorrektur, Umformanteil) kann im Modell der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit und ein zusätzlicher Umformanteil mitberücksichtigt werden (Bild 7). Dabei wird der Umformanteil aus der Zugfestigkeit Rm des zu bearbeitenden Werkstoffs abgeleitet.

Bild 8: Schnitt- und Vorschubkraft am Bohrer, berechnet mit Schnittdaten des Drehversuchs. Material Ck 45, Bohrer 10 mm Durchmesser, vc = 120 m/min, f = 0,1 mm/U, ?r = 0,35 mm Bilder: IWF/ETH (Archiv: Vogel Business Media)

Die Kraftverteilung an der Schneide, basierend auf diesem erweiterten Modell, zeigt Bild 8. Dabei fällt besonders auf, dass die Vorschubkraft in erster Linie durch den Kaftanteil an der Querschneide bestimmt wird. Bekanntlich wird durch eine Ausspitzung des Bohrers dieser Kraftanteil reduziert.

Berechnungsmodell muss weiterentwickelt werden

Die Untersuchung der Kräfte am Spiralbohrer hat gezeigt, dass die Kräfte an der Hauptschneide des Bohrers sehr zuverlässig mit dem Ansatz von Kienzle unter Berücksichtigung der Variation von Span- und Neigungswinkel modelliert werden können.

Für die Querschneide ist außer dem Schnittanteil mit Spanvolumenkorrektur ein zusätzlicher Umformanteil notwendig, ein erster Vorschlag dazu, basierend auf der Zugfestigkeit des Werkstückmaterials, wurde gemacht. Eine Überprüfung der vorgeschlagenen Modellierung für andere Bohrergrößen, Ausspitzungen und für die Anwendung in anderen Materialien muss gemacht und eventuell das Modell weiter verfeinert werden.

Prof. Dr.-Ing. Konrad Wegener ist Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigung (IWF) der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich; Angelo Gil Boeira, Dr. Roger Margot und Dr. Fredy Kuster sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut; Prof. Rolf Bertrand Schroeter war Gastprofessor an der ETH.

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Link: Informationen zur Metallbearbeitungs-Messe AMB 2008 in Stuttgart

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