Grundlagenuntersuchungen zur Leistungssteigerung der spanenden Gesteinsbearbeitung mit tangentialschwingenden ultraschallangeregten Werkzeugen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Verfahren der ultraschallunterstützten Bearbeitung von Gestein bietet wesentliche Prozessverbesserungen im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung. So konnte in mehreren vorausgegangenen Forschungsprojekten eine Reduktion der Zerspankräfte um bis zu 80% und ein verbessertes Ausbruchsverhalten mit einer axial schwingenden Sonotrode nachgewiesen werden. Diese Erkenntnisse ließen sich jedoch nicht ohne weiteres auf die schwingungsunterstützten Bearbeitungsverfahren mit gemischten (axial-tangentialen) Schwingungsformen übertragen, da es bisher keine praktischen Erfahrungen mit den derartigen Prozessen aufgrund von fehlenden Schwingungserzeugern gab. Im ersten Teil des Forschungsvorhabens konnten wesentliche Erkenntnisse bezüglich der Erzeugung einer axial-tangentialen Schwingung in der Bearbeitungszone bei einer rein axialen Anregung gesammelt werden. Insbesondere gelang es hier, wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Methode der Modendegeneration zu generieren. Hierbei konnten Fragestellungen nach der Eignung von unterschiedlichen Schwingungsformen zur Erzeugung einer axial-tangentialen Schwingung und der fundamentalen Gestaltung der Sonotrodengrundform sowie der Gestaltung von Störkonturen und deren Ausläufen beantwortet werden. Darüber hinaus wurden unterschiedliche Anbindungsvarianten der spanabhebenden Schleifsegmente hinsichtlich der Schwingungsübertragung untersucht. Zur Untersuchung des Potenzials einer axial-tangentialen Schwingungseinkopplung in einen spanabhebenden Bearbeitungsprozess wurde auf Basis der im ersten Projektteil gesammelten Erkenntnisse eine derartig schwingende Sonotrode mit ausreichenden Schwingungsamplituden konstruiert und gefertigt. Mit dieser Sonotrode wurden im zweiten Projektteil Bohruntersuchungen durchgeführt. Der axial-tangential schwingende Prozess zeigte eine hohe Reduktion der Prozesskraft (bis 90%) und des Bohrmomentes (bis 87%). Darüber hinaus konnte eine bessere Qualität der hergestellten Bohrungen (Rundheit und Rauheit) sowie ein wesentlich besseres Ausbruchsverhaltens an der Werkzeugeintrittsseite festgestellt werden. Ebenso ließ sich eine qualitative Absenkung der Prozesstemperatur durch die Einkopplung der Ultraschallschwingung mit der axial-tangentialen Schwingungsrichtung erweisen. Die im Rahmen dieses Projektes gewonnenen Erkenntnisse lassen sich zweifelsohne ebenfalls auf andere Bearbeitungsverfahren als Bohren sowie auf die Bearbeitung von Werkstoffen mit abweichenden, technisch-physikalischen Charakteristiken (z. B. duktile Werkstoffe) anwenden. Eventuell besteht ein Anwendungspotenziell der kombinierten Schwingung in Bereichen auch außerhalb der spanabhebenden Bearbeitung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Das Große im Detail verstehen – Ultraschallunterstützte Ritzversuche. In: diamond business 56 (2016) 1, S. 82-91
Stehle, T.; Drewle, K.; Weiland, S.
- Modellierung eines Aktorsystems - Entwicklung eines axial-tangential schwingenden Werkzeugs für die ultraschallunterstützte Zerspanung. Reviewd- Beitrag in: wt-online - Ausgabe 1/2-2018, S. 51-55
Möhring, H. C., Stehle, T., Drewle, K.
- Ultrasonic Actuation System for axial-tangential vibration-assisted Machining. STC “M” meeting 2018 Annual report CIRP, Tokyo/Japan, 24.08.2018
Möhring, H. C.; Drewle, K.
