Innendrehen Pulsierender Kühlschmierstoff gibt der Bohrstange mehr Kraft

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Lang auskragende Bohrstangen neigen zum Schwingen. Mit der TAM-Tools GmbH will das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover nun das Problem lösen.

Für die Drehbearbeitung tiefer Konturen ist die Verwendung von Bohrstangen industrieller Standard. Durch die für die Bearbeitung tiefer Konturen notwendigen langen Auskragung der Bohrstange, ist das Werkzeug aber besonders schwingungsanfällig, weshalb es bereits bei niedrigem Vorschub und geringer Schnitttiefe zu einem instabilen Prozessverhalten (Rattern) führen kann. Um Rattern zu vermeiden, müssen Schnitttiefe und Vorschub reduziert sowie der größtmögliche Bohrstangen-Durchmesser verwendet werden.

Ein bisher ungenutztes Potenzial zur Schwingungsdämpfung besteht darin, den Kühlschmierstoff (KSS) bei der Bearbeitung pulsieren zu lassen. Deshalb erforscht die TAM Tools GmbH (Goldberg) aus Würselen in Kooperation mit dem IFW im Forschungsprojekt „KSS-Puls“, inwieweit durch die Bohrstange gepulster KSS zur Schwingungsminderung beitragen kann. Statt eines konstanten KSS-Volumenstroms werden dabei der Druck und der Volumenstrom zeitlich variiert. Dieses Prinzip der KSS-Pulsation ist in Bild 2 veranschaulicht.

Der KSS-Volumenstrom V̇ führt am Austritt der Bohrstange, und damit im Bereich der Zerspanoperation, zu einer Rückstoßkraft Fr sowie zu einer Wandkraft F_kss. Anteile der beiden Kräfte wirken in dieselbe Richtung wie die Passivkraft F_p. Die Summe der in Passivkraftrichtung (negative X-Richtung) wirkenden Anteile dieser Kräfte wird als Pulsationskraft F_puls bezeichnet. Verformungen beziehungsweise Schwingungen der Bohrstange infolge der wirkenden Passivkraft bestimmen dabei die erreichbare Werkstückqualität.

Zusammenhänge zwischen Pulsationskraft und Pulsationsfrequenz

Aus dieser Erkenntnis folgt die dem Forschungsprojekt zugrunde liegende Hypothese: Durch eine gezielte Variation des Volumenstroms wird die entstehende zeitabhängige Pulsationskraft F_puls gezielt so eingestellt, dass entweder eine destruktive Interferenz erreicht oder der Rattereffekt wesentlich gestört wird. So kann man erwarten, dass auftretende Werkzeugschwingungen signifikant gedämpft werden. Um auch ein möglichst großes Spektrum an Werkzeugschwingungen anzusprechen und einen möglichst großen Effekt zu erzielen, muss das Spektrum der Pulsationsfrequenz möglichst weit sein. Die erreichbare der Pulsationskraft F_puls hingegen möglichst groß. Hierfür müssen die Einflussparameter identifiziert und in ihrer Wirkung auf den Frequenzbereich und die Pulsationskraft untersucht werden.

Als mögliche Einflussparameter auf die erreichbare Pulsationskraft wurden zunächst der Fluiddruck (am Auslass des Pumpaggregats), die Länge und der Durchmesser der Leitung zwischen der Pumpe und der Bohrstange, der Durchmesser D_z des KSS-Kanals der Bohrstange, der Durchmesser des KSS-Austritts D_a, der Winkel zwischen der Zentrums- und der Austrittsbohrung α_za in der Bohrstange sowie die Pulsationsfrequenz erhoben (vergleiche Bild 2).

Im folgenden Artikel werden die Zusammenhänge zwischen der Pulsationsfrequenz und der resultierenden Pulsationskraft aufgezeigt. Nach einer Vorstellung des Versuchsaufbaus, werden exemplarisch die Kraft und Volumenstromverläufe für zwei Frequenzen (f_kss = 15 Hz und f_kss= 20 Hz) mit gleichmäßig aufgeteilter Pulsationsperiode vorgestellt. Das heißt, das Ventil ist ebenso lange offen wie geschlossen. Anschließend wird bei einer dieser Frequenzen (f_kss = 15 Hz) eine gleichmäßig aufgeteilte Periode mit einer ungleichmäßig aufgeteilten Periode (herbei ist das Ventil ist unterschiedlich lange offen und geschlossen) bei derselben Frequenz verglichen.

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