Ultraschallunterstützung verbessert Tiefbohren in hochfesten Guss

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Das senkt einerseits das Schnittmoment im Prozess, andererseits lässt sich der entstehende Span leichter aus der Bohrung entfernen. Er übt damit einen kleineren Druck auf die Spanwurzel aus, was eine kleinere Zone plastischen Fließens und somit geringere Gratbildung beim Bohren bewirken kann.

Bild 1a (siehe Bildergalerie) zeigt ein Modell für das konventionelle Bohren und Bild 1b die Beeinflussung des Bohrvorgangs durch die Schwingungsüberlagerung. Die Darstellung ist zweidimensional, das heißt, die Schwingungen wirken axial (in Vorschubrichtung).

Ultraschallschwingungn verformen Werkstoff beim Tieflochbohren

Ersichtlich sind die intensiveren Verformungen im Werkstoff unter der Wirkung der Ultraschallschwingungen. Weiterhin ist im Bild 1b eine verstärkte Spankrümmung unter den Bedingungen der Schwingungsüberlagerung zu beobachten, was auf eine Anregung zum vorzeitigen Spanbruch hindeutet.

Eine häufig angewandte Methode der Ultraschalleinkopplung besteht in der Anregung des Werkzeuges über dessen Einspannung. Die Koppelstelle zwischen Spindel und schwingendem System ist dabei zu entkoppeln, was stets einen Kompromiss zwischen Dämpfung, Rückwirkung, Leistungsverlust und Stabilität darstellt.

Bild 2 zeigt anhand eines vereinfachten axialsymmetrischen 2D-Finite-Elemente-Modells das prinzipielle Schwingungsverhalten einer Vorrichtung zum ultraschallunterstützten Tieflochbohren. Die elektrisch erregte Piezokeramik erzeugt mechanische Axialschwingungen, die über die Werkzeugaufnahme auf den Bohrer übertragen werden.

Erfolgt die elektrische Anregung der Piezokeramik in einer günstigen Eigenfrequenz des Schwingungssystems, können an der Bohrerspitze entsprechend große Resonanzamplituden erreicht werden. Anhand der Simulationsergebnisse wurde die Konstruktion der Wandlertechnik für die Untersuchungen realisiert.

Ultraschall-Wandlertechnik ist einfach zu integrieren

Am IWU werden die wirtschaftlichen Effekte zum ultraschallunterstützten Bohren in unterschiedlichen Materialien intensiv untersucht. Basis für die Konzipierung und Entwicklung entsprechender prozessspezifischer Ultraschall-Wandlertechnik ist ein modularer Ansatz. Somit ist eine unkomplizierte Integration der Gerätetechnik in verfügbare konventionelle Maschinentechnik möglich.

Dabei wird in jüngster Zeit zur weiteren Reduzierung der Kosten der Einsatz von Kühlschmierstoffen drastisch reduziert. Hier stellt die Minimalmengenschmierung (MMS) auch beim Tieflochbohren eine Alternative zur Überflutungskühlschmierung (Sattstrahlbearbeitung) dar.

Tieflochbohren mit Minimalmengenschmierung untersucht

Am Beispiel der Tieflochbohrbearbeitung (L/D = 26) in den Kurbelwellenwerkstoff GGG 80 wurden die Möglichkeiten einer ultraschallüberlagerten Bohrbearbeitung unter den Bedingungen einer Quasitrockenbearbeitung (MMS) untersucht. Die Gewährleistung einer hohen Prozesssicherheit gepaart mit einer wirtschaftlichen Fertigung durch Minimierung von Fertigungskosten waren dabei die Entwicklungsziele.

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