Hochgeschwindigkeitsspanbildungsanalyse für das Tiefbohren kleiner Durchmesser von hochfesten und schwer zerspanbaren Werkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277611053

Das Ziel des geplanten Forschungsvorhabens besteht darin, die Spanbildung beim Einlippentiefbohren mit kleinen Durchmessern tiefergehend zu analysieren und somit die Voraussetzungen für eine produktive und prozesssichere Bearbeitung von hochfesten und schwer zerspanbaren Werkstoffen zu schaffen. Im Fokus der Untersuchungen stehen eine Nickelbasis- und eine Titanlegierung sowie ein bainitischer Stahl mit Blick auf industrielle Applikationen. Die Spanbildung ist beim Tiefbohren mit kleinen Durchmessern maßgeblich für die Prozessstabilität und -sicherheit. Die Entstehung einer ungünstigen Spanform oder die Ausbildung von zu langen Spänen resultieren beim mechanischen Tiefbohren mit kleinen Werkzeugdurchmessern in einem Zusetzen der Spannut und führen unmittelbar zu einem Werkzeugversagen. Zudem kann die Ausbildung von unvorteilhaften Spanformen durch den Reibkontakt der Späne mit der Bohrungswand eine deutliche Verschlechterung der Oberflächenqualität nach sich ziehen. In diesem Vorhaben kommt eine neue Methodik zur wirkstellennahen Analyse der Spanbildung zum Einsatz. Im Rahmen dessen werden Stäbe aus den entsprechenden Versuchswerkstoffen, in blickdurchlässiges Präzisions- bzw. Acrylglas eingepresst, aufgebohrt und sowohl die Spanbildung als auch der Späneabtransport entlang der Spannuten mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera der neuesten Generation aufgenommen. In den geplanten Untersuchungen wird die innovative Analysemethodik weiterentwickelt und der Einfluss der Schnittdaten sowie der Mikro- und Makrogestalt der Schneidkante auf die Spanbildung herausgestellt. Darüber hinaus wird mit Hilfe von numerischen Spanbildungssimulationen weiteres Wissen mit Blick auf die vorherrschenden Spanbildungsmechanismen gewonnen. Auf diese Weise werden vorteilhafte Prozess- und Werkzeugmodifikationen für eine effiziente Tiefbohrbearbeitung herausgearbeitet. Zudem kommt die Hochgeschwindigkeitsmikroskopie in ergänzenden Untersuchungen zur Analyse der Kühlschmierstoffbenetzung an den Kontaktelementen am Werkzeugumfang zum Einsatz. Die Benetzung der Kontaktelemente am Werkzeugumfang steht im direkten Zusammenhang mit dem sich einstellenden Verschleiß sowie der resultierenden Oberflächenqualität. Daher werden Werkzeuge mit unterschiedlichen Bohrkopfkonizitäten, Umfangsformen und Durchflussquerschnitten auf ihre qualitative und quantitative Benetzung an den Kontaktelementen geprüft. Basierend auf den Erkenntnissen der Hochgeschwindigkeitsanalysen finden anschließend Einsatzversuche in Vollmaterial mit prozessgünstigen Werkzeug- und Parameterkombinationen statt. Die Einsatzversuche beinhalten die Realisierung von Bohrungen mit einem hohen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis. Die Basis zur technologischen Bewertung der experimentellen Untersuchungen bilden die mechanischen Werkzeugbelastungen, die Spanbildung, der Werkzeugverschleiß und die Bohrungsqualität hinsichtlich der Maß- und Formtoleranzen, der Oberflächenqualität sowie der Randzonenbeeinflussung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen