Innovative Werkzeuglösungen für anspruchsvolle Tiefbohraufgaben

Biermann, D.1, a; Fuß, M.1, b; Kirschner, M.1, c; Metzger, M.1, d

1)
Institut für Spanende Fertigung, Technische Universität Dortmund, Baroper Str. 303, 44227 Dortmund

a) biermann@isf.de; b) fuss@isf.de; c) kirschner@isf.de; d) metzger@isf.de

Kurzfassung

Unterschiedliche technische Anwendungen benötigen zu ihrer Realisierung Rohre, deren Bohrung durch ein unrundes, in axialer Richtung schraubenförmig fortgesetztes Profil ausgezeichnet sind. Rohre dieser Art finden zum Beispiel als Statoren in sogenannten Moineau-Pumpen, auch PCP für progressing cavity pump, Anwendung. Die Herstellung einer profilierten Bohrung ist bislang nur bei größeren Durchmessern spanend möglich. Kleinere Bohrungsdurchmesser werden i. d. R. zylindrisch gebohrt und das Profil anschließend mithilfe eines Kerns durch ein Elastomer eingegossen. Durch das Elastomer wird zwar eine gute Abdichtung zwischen Rotor und Stator erreicht, der geringere E-Modul des Elastomers führt jedoch zu erheblichen Leistungsverlusten. Aus diesem Grund wird angestrebt, die Elastomerschicht zur Abdichtung nur sehr dünn auf ein metallisches Grundprofil aufzubringen. Zu diesem Zweck wurde ein Verfahren entwickelt, auch kleine Bohrungen mit dem geforderten Profil spanend herstellen zu können. Für dieses Verfahren wurde ein Antrieb, ein Sonderbohrgestänge sowie ein Werkzeug entworfen und ein Prototyp hergestellt, der auf der Tiefbohrmaschine Guiseppe Giana S.p.A GGB 560 des ISF montiert wurde. Zur Verringerung der für die Bearbeitung von austenitischen Stählen charakteristischen Torsionsschwingungen wurde ein modulares Bohrrohr aus faserverstärkten Kunststoff mit einem eingeklebten metallischen Adapter zur Befestigung des Bohrkopfes entwickelt. Der Faserverlauf von +/-45° gewährleistet eine möglichst hohe Torsionssteifigkeit des Rohres. Durch den mehrlagigen Aufbau aus verschiedenen CFK- und GFK-Lagen wurde darüber hinaus ein hoher Dämpfungsgrad erzielt. In den durchgeführten Einsatzversuchen lag bis zu einem Vorschub von f = 0,3 mm bei der Bearbeitung von X5CrNioMo18-10 ein nahezu schwingungsfreier Prozess vor. Erst bei einer weiteren Erhöhung des Vorschubs und der somit ansteigenden mechanischen Belastung konnten Schwingungen detektiert werden. Durch das Hinzuschalten des maschinenseitigen Lanchesterdämpfers erfolgte auch bei diesen Vorschubwerten eine Reduzierung des Schwingungsverhaltens und der Verschiebung des Prozesses in den stabilen Bereich. Aufgrund der geschlossenen Wirkzone nimmt die Spanbildung beim Tiefbohren maßgeblichen Einfluss auf die Prozessstabilität und –sicherheit sowie die erzielbare Produktivität. Beim Einlippen- und Wendeltiefbohren mit kleinsten Durchmessern wird die Relevanz der Spanbildungn durch die limitierten Spanraumquerschnitte nochmals verstärkt. Die Entstehung einer ungünstigen Spanform resultiert in einem Zusetzen der Spanräume und führt aufgrund der limitierten Werkzeugsteifigkeiten unmittelbar zu einem Werkzeugversagen. Zudem zieht die Ausbildung von unvorteilhaften Spanformen, z. B. in Form von langen Spänen, durch die Kontakt der Späne mit der Bohrungswand eine deutliche Verschlechterung der Oberflächenqualität nach sich. Um die Spanbildung beim Tiefbohren mit kleinsten Durchmessern tiefergehender analysieren zu können, wurde eine neue Methodik zur wirkstellennahen Analyse mittels Hochgeschwindigkeitsmikroskopie entwickelt.

Schlüsselwörter

Tiefbohren, BTA-Tiefbohren, Einlippentiefbohren

Veröffentlichung

In: Präzisions- und Tiefbohren aktuell, 22.3.-23.3.2017, VDI Wissensforum, Fachtagung an der Universität Stuttgart, (2017), S. 65-83, ISSN 978-3-942980-54-8