Entwicklung und Anwendung eines adaptiven Schwingungsdämpfers für das Einlippentiefbohren

Kersting, M.

Tiefbohrprozesse unterliegen wechselnden dynamischen Beanspruchungen, die sich bei erhöhten Prozessparametern in Form von Werkzeugtorsionsschwingungen äußern können. Dieses als Rattern bezeichnete Phänomen kann eine Verringerung von sowohl Werkzeugstandzeit als auch Bohrungsqualität hervorrufen. Die vorliegende Arbeit dokumentiert die Entwicklung eines adaptiven Dämpfungssystems zur Unterdrückung von Rattern beim Einlippentiefbohren. Adaptive Systeme, kurz Adaptronik, zeichnen sich durch die Fähigkeit zur Anpassung an verschiedene Prozesszustände aus. Aufgrund der Konzeption aus sensorischen und aktorischen Komponenten sind sie mit Hilfe eines Regelkreises selbständig in der Lage, Anpassungen vorzunehmen.

Zunächst wurde eine Prozessanalyse zur Ermittlung des Anforderungsprofils des zu entwickelnden Dämpfers erarbeitet. Diese Analyse umfasste sowohl experimentelle, als auch simulative Untersuchungen. Dabei wurden Drehmomente, Vorschubkräfte, Verdrehwinkelamplituden und Ratterfrequenzen ermittelt. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden zu einem Anforderungsprofil zusammengestellt und basierend hierauf erfolgte die Konzeption verschiedener Lösungsansätze. Mit Hilfe konstruktionsmethodischer Vorgehensweisen fand eine Bewertung und Auswahl statt. Das vielversprechendste Konzept basierend auf der Drehmomentübertragung und gleichzeitigen Dämpfung mit Hilfe eines magnetorheologischen Fluids (MRF) wurde ausgelegt und konstruktiv umgesetzt.

Der Eignungsnachweis des realisierten adaptiven Dämpfers in Form eines Werkzeughalters fand auf einem Tiefbohrbearbeitungszentrum statt. Im Vergleich zu Prozessen mit einem ungedämpften Werkzeughalter konnten mehr als 62 % der im Prozess auftretenden Torsionsschwingungen gedämpft werden. Bei gleicher Prozessdynamik konnte der Vorschub um 60 % gesteigert werden. Diese Ergebnisse zeigen das große Potenzial adaptiver Konzepte für schwingungsbehaftete Prozesse in der Produktionstechnik.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2009, ISBN 978-3-8027-8749-2