Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von tiefen nicht kreisförmigen Bohrungen

Abstract

In einigen hochtechnischen industriellen Bereichen wie z.B. in der Luftfahrt und der Erdölexploration finden zunehmend Bauteile mit innenkonturierten tiefen Bohrungen Anwendung wie z.B. Flugzeuglandebeine, Bohrgestänge, Turbinenwellen etc.. Stand der Technik ist es, solche rotationssysmmetrischen Innenkonturen mit Auskammerverfahren herzustellen. Für spezielle Bauteile, die beispielsweise in der erdölgewinnenden und -erarbeitenden Industrie eingesetzt werden, ist eine rotationssymmetrische Innenkonturierung allerdings nicht ausreichend. Solche Bauteile wie z.B. Motorstatoren in Bohrgestängen oder strömungsleitende Rohre für die Verfahrenstechnik können bei kleineren Durchmessern bis ca. 80 mm bisher in einem größeren Länge- zu Durchmesserverhältnis nicht wirtschaftlich bzw. nur mit technologischen Einschränkungen gefertigt werden. Die Querschnitte solcher z.T. meterlangen Werkstücke haben eine nicht kreisförmige Innenkontur, die sich in axialer Richtung mit einer definierten Steigung fortsetzen kann. Im Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit wird ein zur Herstellung dieser Teile geeignetes neues spanendes Verfahren vorgestellt, das das gängige Auskammerverfahren um eine weitere Dimension erweitert. Umgesetzt wird dies durch ein Werkzeugsystem, bei dem die Schneide pro Umdrehung in Abhängigkeit der zu erzeugenden Profilkontur periodisch radial aus- und einfährt. Ziel der Arbeit ist es, mit dieser Technologie das Potential der genannten Anwendungen zu erschöpfen und zudem für den allgemeinen Maschinenbau innovative Bauteile zu ermöglichen, die das Spektrum von zukünftigen Konstruktionen bereichern. Grundlage der Verfahrensrealisierung ist die Entwicklung eines neuartigen Werkzeugantriebs. Das im Prozess zu erwartende hochdynamische Belastungskollektiv wird dafür zunächst rechnerisch abgeschätzt. Nach der Konstruktion sowie der Fertigung der Antriebskomponenten wird das Werkzeugsystem bestehend aus Bohrkopf, Sonderbohrgestänge und Werkzeugantrieb an der am ISF der TU-Dortmund befindlichen Tiefbohrmaschine appliziert und in Betrieb genommen. Anhand eines zusätzlich entwickelten Aufbaus für einen Versuchstand für Orthogonalschnitte werden die auftretenden Zerspankraftkomponenten bei den vorliegenden komplexen Eingriffsbedingungen ermittelt. Weitere Grundlagenuntersuchungen bestehend aus einer Analyse der Kinematik und Kinetik des Werkzeugsystems sowie einer Spanbildungssimulation werde zur Förderung des Prozessverständnisses durchgeführt. In experimentellen Untersuchungen mit dem neuartigen Verfahren werden Statoren für Moineau Motoren (Bohrmotoren für Erdölbohrgestänge) als Testwerkstücke hergestellt. Dabei werden die Zerspanungsbedingungen in relevanten Größen variiert. Neben einer Variation der Ausstellkinematik des Wirkelements werden auch Versuchsreihen zum Einfluss der Schneidengestalt durchgeführt. In weiteren Untersuchungen wird betrachtet, inwiefern der Werkstoff, die Querschnittskontur und die Prozessparameter die Umsetzung des Verfahrens beeinflussen. Abschließend wird eine Strategie zum Wendeschneidplattenwechsel entwickelt, durch die nicht kreisrunde Innenkonturen in realen Bauteillängen eingebracht werden konnten. Die Funktionstüchtigkeit des neuen AKUR- Verfahrens (Auskammern – Unrund) wurde durch die Bearbeitung von Statoren aus Aluminium und 42CrMo4+QT in Längen bis zu 𝑙𝑓 = 2600 mm nachgewiesen.