Technologische Analyse des Tiefbohrens mit Minimalmengenschmierung und simulationsbasierte Kompensation des Mittenverlaufs

Abstract

In der spanenden Fertigung verursacht der eingesetzte Kühlschmierstoff hohe Kosten für die Beschaffung, Wartung und Entsorgung sowie für den Betrieb der KSS-Anlagen, die wiederum einen großen Anteil am Gesamtenergieverbrauch der Fertigungsanlage besitzen. Die Trockenbearbeitung ermöglicht folglich neben der damit einhergehenden Verbesserung des betrieblichen Gesundheits- und Umweltschutzes große Energie- und Kosteneinsparungen. Beim Verzicht auf Kühlschmierstoffe stellt das Tiefbohren aufgrund des herausfordernden Späneabtransports eines der anspruchsvollsten Verfahren dar. Zusätzlich resultiert durch die hohe Adhäsionsneigung des Aluminiums die Problematik starker Materialanhaftungen an den Werkzeugen. Daher kann meist nicht auf den Kühlschmierstoff verzichtet, und es muss zur Gewährleistung der Prozesssicherheit die Minimalmengenschmierung (MMS) eingesetzt werden. Die dabei als Trägermedium verwendete Druckluft kann nur bedingt die im Zerspanprozess entstehende Wärme abführen, sodass insbesondere durch die vergleichsweise langen Prozesszeiten und die im Inneren des Werkstückes liegende Wirkstelle beim Tiefbohren ein signifikanter Wärmeeintrag ins Bauteil resultiert. Dieser führt zu Ausdehnungen und Verzügen und kann thermisch bedingte Abweichungen sowie Toleranzüberschreitungen verursachen. Im Rahmen dieser Dissertation wird daher das Ziel verfolgt, durch technologische Untersuchungen zunächst grundlegende Erkenntnisse über die thermomechanisch bedingten Bauteildeformationen und -abweichungen beim Tiefbohren von Aluminiumguss unter Minimalmengenschmierung zu erlangen sowie eine simulationsgestützte Vorhersage der durch den Tiefbohrprozess hervorgerufenen Werkstückbeeinflussung zu ermöglichen. Basierend darauf erfolgt die NC-Kompensation der resultierenden Abweichungen, wobei der Mittenverlauf der Bohrung im Fokus der Arbeit steht, da dieses Qualitätsmerkmal von besonderer Bedeutung für die spätere Funktionsfähigkeit des Bauteils ist. Die experimentellen Untersuchungen haben den im Vergleich zur Schnittgeschwindigkeit erheblichen Einfluss des Vorschubes auf den Wärmeeintrag ins Bauteil aufgezeigt. Sowohl beim Wendeltiefbohren als auch beim Einlippentiefbohren führt eine Vorschubsteigerung zu reduzierten thermischen Werkstückbelastungen. Insbesondere bei randnahen Bohrpositionen, bei denen eine geringe Wandstärke der Bohrung vorliegt, gewährleistet das Wendeltiefbohren eine geringe Mittenabweichung, wohingegen die Nachgiebigkeit der Bohrungswand aufgrund der Führungsleistenabstützung nachteilige Auswirkungen auf den Mittenverlauf beim Einlippenbohren aufweist. Mit Sonderwerkzeugen konnten die Prozessgrenzen des Wendeltiefbohrens auf Vorschubwerte von mehreren Millimetern erweitert werden, die eine sehr hohe Produktivität bei moderatem Wärmeeintrag und Abweichungsniveau ermöglichen. Die energetische Analyse verdeutlicht das große Einsparpotenzial durch die MMS-Bearbeitung sowie Vorteile aufseiten des Einlippenbohrers, der durch seinen größeren Kühlkanalquerschnitt weniger Energie für die MMSbzw. Druckluftbereitstellung benötigt. Durch die geometrisch-kinematische Kopplung einer Finite-Elemente-Simulation des Bauteils und eines analytischen Werkzeugmodells konnte erstmalig der thermomechanisch bedingte Mittenverlauf beim Tiefbohren vorhergesagt werden. Die entwickelte Modellierungsmethodik ermöglicht außerdem die nicht durch Experimente realisierbare Ermittlung von radialen NC-Kompensationsbahnen für das Tiefbohren, die eine gezielte Beeinflussung der Bohrrichtung und die Vermeidung des Mittenverlaufs gewährleisten.