Ultraschallunterstützung verbessert Tiefbohren in hochfesten Guss

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Die Verfahrensparameter waren: Vollhartmetall-Einlippenbohrer mit 4 mm Durchmesser; MMS mit Luxol A15, Dosierung 100%, 10 ml/h; Bohrungstiefe 107 mm (plus 8 mm Pilotbohrung); Schnittbedingungen: vc = 70/74,5 m/min, f = 0,02/0,025 mm/U, Anregungsfrequenz 24 bis 27 kHz, Ultraschall-Schwingamplitude 6 bis 12 µm.

Ultraschall reduziert Werkzeugverschleiß beim Tieflochbohren

Die Untersuchungen zeigen, dass durch eine Ultraschallüberlagerung der Werkzeugverschleiß reduziert werden kann. Die Effekte werden insbesondere mit zunehmendem Standweg sichtbar (Bild 4). Zu Beginn der Bearbeitung ist kaum ein Unterschied zwischen den Bohrbearbeitungen mit beziehungsweise ohne Ultraschallüberlagerung hinsichtlich des Verschleißfortschrittes zu erkennen. Die Effekte einer Ultraschallüberlagerung kommen erst mit zunehmenden Bohrwegen zum Tragen und führen zu einem flacheren Anstieg der Verschleißkurven.

Unter Einsatz der Minimalmengenschmierung lassen sich die Vorschubkräfte im Vergleich zur Sattstrahlbearbeitung in etwa halbieren. Die überlagerten Schwingungen werden unter MMS-Bedingungen besonders wirksam.

Der spezifische Spanbildungsmechanismus beim ultraschallüberlagerten Bohren wird nicht zusätzlich durch hohe Drücke an der Schneidkante beeinflusst. Die im Bild 5 dargestellten Verläufe gelten für unterschiedliche Standwege. Die niedrigeren Vorschubkräfte wirken bei Minimalmengenschmierung auch noch nach einem dreifachen Standweg.

Späne können gut aus der Bohrung entfernt werden

Die Zerspanbarkeitseigenschaften der Eisengusswerkstoffe werden wesentlich von der Menge und der Ausbildung des eingelagerten Graphits beeinflusst. Die Graphiteinlagerungen reduzieren zum einen die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstoff und unterbrechen zum anderen das metallische Grundgefüge. Dies führt zu einer im Vergleich zu Stahl günstigeren Zerspanbarkeit, die sich durch kurzbrüchige Späne auszeichnet.

Bei den Untersuchungen war festzustellen, dass die Späne durch eine Ultraschallüberlagerung nicht nennenswert verkürzt werden. Es treten stets Spanbruchstücke auf, die gut aus der Bohrung entfernt werden können.

Gefügeuntersuchungen im Wirkbereich der Bohrung ergaben keinerlei erkennbare Unterschiede in der Gefügestruktur für die Bohrbearbeitung ohne beziehungsweise mit Ultraschallüberlagerung. Es konnten auch keine Veränderungen zum Kerngefüge des Werkstoffes festgestellt werden.

Tieflochbohren mit Minimalmengenschmierung realisierbar

Die Untersuchungen ergaben positive Ergebnisse unter den Bedingungen einer Minimalmengenschmierung. Die geforderten Bohrungsqualitäten konnten eingehalten oder verbessert werden, die Standmengen ließen sich auch bei erhöhten Vorschüben durch Ultraschall wesentlich verbessern.

Verfahren mit kombinierten Wirkenergien verfügen über ein erhebliches Potenzial zur Leistungssteigerung in der spanenden Fertigung. Die optimale Untersetzung hybrider Prozesse erfordert aber den Konsens zwischen Prozess, Kühlschmierstoffstrategie, Wandlertechnik, Werkzeug, Werkzeugmaschine sowie entsprechenden Überwachungs- und Regelungsstrategien zur Erzielung einer guten Reproduzierbarkeit.

Bei dem herrschenden Kostendruck wird eine Fertigungstechnik wie die ultraschallunterstützte Bohrbearbeitung auf breiter Front nur einführbar sein, wenn potenziellen Anwendern Informationen über die Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit, den dafür notwendigen Prozessparametern und -bedingungen, den Genauigkeiten sowie die Verfügbarkeit entsprechender Gerätetechnik zu ansprechenden Preisen zur Verfügung gestellt werden.

Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer ist Leiter des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik in Chemnitz; Dr.-Ing. Andrea Stoll und Dr.-Ing. Hans-Jürgen Roscher sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut.

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