Experimental and Numerical Investigation of Low-Frequently Lateral Vibrations in Drilling Considering the Guiding Chamfer Contact
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden niederfrequente Lateralschwingungen beim Bohren untersucht. Es zeigte sich experimentell, dass die Führungsfasen von Bohrwerkzeugen einen erheblichen Einfluss auf die Bohrungsqualität haben. Durch Variation der Führungsfasenbreite ließ sich allerdings kein Fortschritt erzielen, da schmale Führungsfasen zu stark unrunden Bohrungen und breite Führungsfasen durch zusätzliche Reibung zu überhöhter Durchmesserabweichung führen. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurde im Hinblick auf eine Werkzeugoptimierung ein Schwingungsmodell in Matlab implementiert. Dieses Modell beinhaltet das Eigenverhalten des Werkzeugs, Zerspankräfte, Prozessdämpfung und den Kontakt zwischen den Führungsfasen und der Bohrungswand und führt damit auf ein System von gekoppelten nichtlinearen retardierten Differentialgleichungen. Durch Abweichungen vom Idealprozess werden die Zerspanungskräfte ungleich auf die Schneiden verteilt, sodass laterale Schwingungen entstehen. Um die Zerspankräfte möglichst genau abbilden zu können, wurde ein mechanistisches, also ein auf Messdaten basierendes theoretisches Modell, herangezogen. Dabei wurden für die experimentelle Bestimmung der Zerspankraftkoeffizienten Standard-Bohrprozesse durchgeführt und mit Hilfe eines theoretischen Ansatzes die Zerspankräfte über die Werkzeugschneiden aufgelöst. Durch die detaillierte Abbildung des Führungsfasenkontakts zur Bohrungswand ließen sich niederfrequente laterale Grenzzykelschwingungen simulieren, die bezüglich ihrer Schwingungsamplitude und -frequenz gut mit experimentellen Daten übereinstimmen. Sowohl numerische als auch experimentelle Untersuchungen legten nahe, dass unterhalb eines gewissen Länge-Durchmesser-Verhältnisses von Bohrwerkzeugen speziell der Kontakt der Führungsfasen an der Werkzeugspitze einen hohen Einfluss auf die lateralen Schwingungen hat. Daher wurde in einer numerischen Parameterstudie die Führungsfasengeometrie systematisch angepasst und optimiert. Anschließend wurden unter realen Bedingungen sechs unterschiedliche Prototypen mit dem optimierten Design im direkten Vergleich zu handelsüblichen Werkzeugen getestet. Die Messergebnisse der Prototypen zeigten dabei eine deutliche Reduktion der Durchmesserabweichungen im Bereich zwischen 47 % und 60 % und eine Verbesserung der Formabweichung im Bereich von 37 % bis 48 % gegenüber den Referenzwerkzeugen. Damit wurde der ISO-Toleranzgrad (IT) für dieses Werkzeug um eine Qualitätsstufe verbessert. Das neue Werkzeugdesign wurde zum Patent angemeldet. In zukünftigen Arbeiten wird das neue Werkzeugdesign weiter untersucht. Durch den direkten Austausch mit verschiedenen Industriepartnern wird der Fokus hierbei auf den Werkzeugstandweg und die dabei zu erreichende Bohrungsqualität, sowie auf den Einfluss unterschiedlicher Werkstückmaterialien auf das neue Design, gelegt. Das mathematische Bohrmodell soll dahingehend erweitert werden, dass auch weitere Werkzeug-Schwingungsmoden akkurat abgebildet werden, um so große Längen-Durchmesser-Verhältnisse hinsichtlich des neuen Werkzeugdesigns zu untersuchen und zu optimieren.
Publications
- Lateral Vibrations in Deep Hole Drilling due to Land Width Variation. In: Journal of Manufacturing and Materials Processing, Ausgabe 4, Jahrgang 2 (2020), S. 1-14
Volz, M.; Weigold, M.; Abele, E.
(See online at https://doi.org/10.3390/jmmp4020028) - (20th July,2022) Prediction of Limit Cycles of Lateral Oscillations in Drilling Processes: Numerical Analysis and Experimental Validation: 10th European Nonlinear Dynamics Conference 2022, Lyon, France
Heyser, D.; Schweizer, B.; Volz, M.; Abele, E.
- Schwingungsanalyse an Tieflochbohrwerkzeugen. In: wt Werkstattstechnik online, Ausgabe 1-2, Jahrgang 112 (2022), S. 79-83
Krebs, C.; Honnef, S.; Volz, M.; Abele, E.; Weigold, M.
(See online at https://doi.org/10.37544/1436-4980-2022-01-02-83)
