Ultraschallunterstützung verbessert Tiefbohren in hochfesten Guss

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Wie alle Körperschallwellen erzeugen auch Ultraschallwellen eine periodische Kompression und Dehnung des Mediums. Bei üblichen Amplituden von einigen Mikrometern und Frequenzen von über 20 kHz sind die Beschleunigungen so hoch, dass keine starre Bewegung erfolgt.

Teile und Schallwelle bewegen sich beim ultraschallunterstützten Bohren parallel

Ultraschallwellen in einem Körper bestehen deshalb aus periodisch wandernden Bereichen unterschiedlicher Dichte. Die Ultraschallschwingung weist eine bestimmte Richtung auf. Bei dem dargestellten ultraschallunterstützten Bohren breiten sich longitudinale Wellen aus. Kennzeichnend sind die Übereinstimmung von Hauptschwingrichtung der Volumenteilchen und Ausbreitungsrichtung der Welle.

Durch die Überlagerung des Bohrvorganges mit Schwingungen lässt sich die Spanform, also der Spanungsquerschnitt, aktiv beeinflussen. Eine mögliche Form der Beeinflussung besteht in der Generierung von „Sollbruchstellen“ im Span. Als „Sollbruchstellen“ werden dabei Orte am Span bezeichnet, die eine deutlich geringere Dicke als der Restspan aufweisen.

Ultraschallschwingung und Bohr-Vorschub addieren sich

Mit der zusätzlich überlagerten Schwingung ändern sich zudem die Geschwindigkeitsverhältnisse. Der senkrecht zur Schnittrichtung liegenden Vorschubbewegung wird beim ultraschallunterstützten Bohren eine Axialbewegung überlagert. Die Axialschwingung bewirkt eine Bewegung der Werkzeugschneiden in Richtung der Vorschubbewegung, so dass sich Schwingbewegung und Vorschubbewegung vorzeichenabhängig addieren.

Die Ultraschallüberlagerung bewirkt zudem eine Veränderung der Wirkwinkel während der Zerspanung. In der ersten Schwingungshalbperiode mit positiver Überlagerung von Schwinggeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit wird der Wirk-Spanwinkel gegenüber dem Werkzeug-Spanwinkel vergrößert, während sich der Wirk-Freiwinkel gegenüber dem Werkzeug-Freiwinkel verringert.

Span kann beim ultraschallunterstützten Bohren leicht abgleiten

In der zweiten Schwingungshalbperiode kehren sich die Verhältnisse durch die Richtungsumkehr um. Die Winkeländerung ist wesentlich an den Effekten einer ultraschallunterstützten Bohrbearbeitung beteiligt. Durch die großen Wirk-Spanwinkel in der ersten Schwingungshalbperiode kann der Span leicht über die Schneide abgleiten.

In der zweiten Schwingungshalbperiode, wenn der Wirk-Spanwinkel deutlich reduziert wird, findet im sich bildenden Span eine stärkere Umformung statt. Dabei besteht die Möglichkeit, dass der Span an einer Stelle mit reduziertem Querschnitt (Sollbruchstelle) bricht.

Reibung der Späne am Werkzeug wird verhindert

Gleichzeitig wird durch die kontinuierliche Winkeländerung verhindert, dass sich der Span dauerhaft an das Werkzeug, speziell an die Werkzeug-Spanfläche, anlegen kann. Auf diese Weise wird die Reibung am Werkzeug vermindert.

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