Werkzeugentwicklung für die Statorherstellung

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Leibniz Universität Inst. für Fertigungstechnik u. Werkzeugmaschinen (IFW)

Neuer Lösungsansatz zur Simulation

Zur Einhaltung des maximalen Drehmomentes ist die genaue Kenntnis der Eingriffsbedingungen und Prozesskräfte notwendig. Aufgrund des hier vorliegenden fünfachsigen Prozesses und der gekrümmten Innenfläche des Halbzeuges ist dies nur durch numerische Simulationen abzubilden. Hier wird häufig die Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet, mit der die wirkenden Temperaturen, Kräfte und die Spanformung simuliert werden können.

Der entscheidende Nachteil dieser Methode ist jedoch die lange Berechnungszeit. Insbesondere bei den vorliegenden Schnitttiefen und dem dreidimensionalen Prozess dauert die Berechnung einer einzigen Werkzeugumdrehung mehrere Tage. Am IFW wurde deshalb mit der geometrischen Materialabtragsimulation ein neuer Lösungsansatz gewählt. Diese Simulationsart wird häufig in CAM-Systemen zur Kollisionskontrolle oder zur Vorschuboptimierung eingesetzt. Der gezielte Einsatz zur Werkzeugoptimierung ist jedoch neu. Wesentlicher Vorteil ist die schnelle Berechnung mehrerer Werkzeugumdrehungen innerhalb weniger Minuten.

Die Ergebnisse der Materialabtragsimulation für den ersten Werkzeugprototypen sind in Bild 5 (a) dargestellt. Eine detaillierte Analyse der simulierten Eingriffsbedingungen zeigte hier, dass eine Wendeschneidplatte einer deutlich erhöhten Last ausgesetzt war. Dies führt, aufgrund der höheren Schnittkräfte, zu einer lokalen Überschreitung des maximal übertragbaren Drehmomentes des Umlenkgetriebes. Eine übliche Vorgehensweise zur Reduzierung des Schnittmomentes ist hier der Einsatz von Wendeschneidplatten mit einem geringeren Schneidkantenradius und einem größeren Spanwinkel zur Reduzierung der Reib- und Schnittkräfte. Hier müssen jedoch Kompromisse hinsichtlich der Stabilität der Schneidkante und damit der Prozesssicherheit eingegangen werden.

Um keine Kompromisse hinsichtlich der Standzeit einzugehen, wurde am IFW eine neuartige Methodik entwickelt, mit der eine gleichmäßige Aufteilung der Belastung auf die Schneidkanten möglich ist. So wurden weitere Materialabtragsimulationen durchgeführt und die Positionen der Wendeschneidplatten auf Basis der Simulationsergebnisse iterativ angepasst. Diese Vorgehensweise ist notwendig, weil sich ein komplexer Zusammenhang zwischen der Werkzeugbelastung und der Position der Wendeschneidplatten ergibt. Durch die erzielte Gleichverteilung der Last war es möglich, die Vorgaben hinsichtlich des maximalen Schnittmomentes einzuhalten (Bild 5 (b)). Gegenüber dem ersten Werkzeugprototypen wird so eine Produktivitätssteigerung um 30 % erreicht.

Mit dieser Methodik ergibt sich aufgrund der möglichen deutlichen Reduktion experimenteller Einsatzversuche zudem ein entscheidender Zeit- und Kostenvorteil bei der Neuentwicklung von Zerspanwerkzeugen. MM

Literatur

[1] Girmscheid, G.; Schaiter, B.; Schetelig, K.: HDD – Horizontal Directional Drilling. Druck-bedingte Schadensereignisse bei Pilotbohrungen. Bauingenieur, Jahrg. 81, Nr. 12, 2006, S. 523-532.

[2] Zarchi, M.: Failure analysis of chromium plated rotor of down-hole drilling motors. Metalurgija – Journal of Metallurgy, Vol. 16 (4), 2010, S. 233-240.

[3] Toro Downhole Tools: Drilling Motor Handbook. Tomball, Texas, USA, 2012.

[4] McGurk, M.: New PDM Motor improves performance, operating range. Oil & Gas Journal, Vol. 100 (13), 2002.

[5] McMillin, K.: Manufacturing technique improving downhole progressive cavity pumps. Offshore, Vol. 60 (8), 2000, S. 109-111.

[6] Regener, T.; Reich, M.; Duerholt, R.; Wagner, B.: Latest Posi- tive Displacement Motor and Drill Bit Developments for Drilling Hard and Abrasive Formations. SPE/IADC Drilling Conference, Amsterdam, Niederlande, 2005.

[7] Biermann, D.; Fuß, M.; Abrahams, H.; Buse, B.: Herstellung von tiefen Bohrungen mit nicht kreisförmigen Querschnitten. VDI-Z158 (2016) Nr. 3, S. 42-45.

* Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW der Leibniz-Universität Hannover), Dr.-Ing. Thilo Grove ist Bereichsleiter Fertigungsverfahren am IFW, Dipl.-Ing. (FH) Klaus Eggemann ist Konstruktionsleiter und Roland Wissel ist Techniker Maschinentechnik bei Micon, Oliver Pape M. Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IFW, Tel. (05 11) 76 21 82 59, pape@ifw.uni-hannover.de

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