Sicherer Bohrprozess dank Überwachung

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GGB Heilbronn GmbH

TORNOS S.A.

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Mikron Switzerland AG, Agno Division Tool

Fokus auf den Bohrprozess

Mikron Tool SA Agno ist ein führender Hersteller von PräzisionsSchneidwerkzeugen mit kleinsten bis mittleren Abmessungen (Bild 1). Bedenkt man, dass ein Grossteil der Maschinenlaufzeiten auf Bohroperationen entfallen, so hat die Prozessoptimierung einen hohen Stellenwert. Der Beherrschung von Bohrprozessen wurde daher von allem Anfang an besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Speziell anspruchsvoll ist die Auslegung, wenn es um Einzeloperationen geht, welche in einen kompletten Bearbeitungsprozess eingebunden sind, wie das beispielsweise bei Transfermaschinen (Bild 2), also Bearbeitungssystemen mit einer Vielzahl verschiedener Operationen, der Fall ist. Um eine optimale Effizienz mit möglichst geringen Nebenzeitanteilen zu gewährleisten, ist es unumgänglich, die einzelnen Bearbeitungen in Bezug auf WerkzeugEinsatz und Standzeit bestmöglich aufeinander abzustimmen. Mikron Tool verfügt über ein eigens zum Testen von Neuentwicklungen und für Kundenversuche ausgerüstetes Labor um solchen Ansprüchen gerecht zu werden.

Modell?zur?Berechnung??von?auftretenden?kräften

Es soll hier ein Modell präsentiert werden, für die Überwachung der Werkzeugbeanspruchung und die Berechnung des Drehmoments beim Bohren in verschiedene Materialien. Mit diesem ist es möglich, das Drehmoment in Funktion von Bohrdurchmesser und Vorschub zu ermitteln. Die Werkstattversuche wurden auf einer Fräsmaschine Mikron VCP 600 gefahren. Das Spannfutter war mit einem Dynamometer zur Messung der auftretenden Axialkraft (N) und des Drehmoments (Nm) versehen. Als Kühlschmiermittel wurde Schneidöl genutzt, welches je nach Bearbeitungsoperation intern oder extern zugeführt wurde.Werkzeugrotation und Kühlmittelzufuhr verursachen Vibrationen, die vom Messgerät miterfasst werden. Bei kleinen Belastungen, wie dies beim Bohren mit kleinen Durchmessern der Fall ist, macht die Über-lagerung von Signal und Hintergrundlärm die Messung ungenau. Aus diesem Grunde wurden für die Erstellung des Modells Mes-sergebnisse von Bohrern mit Durchmes-sern grösser als 1 mm ausgewertet.

einschlägige Formeln sind ungenau

In der einschlägigen Literatur kann man durchaus Formeln für die Ermittlung des Drehmoments in Abhängigkeit von Bohrer-durchmesser und Vorschub finden. Die Re-sultate, welche man mit diesen Formeln er-zielt, sind für den Crazy Drill (Bild 3) von Mikron Tool zu ungenau im Vergleich zu den tatsächlichen Messwerten auf der Fräs-maschine. Das war der Grund, weshalb ein auf den Crazy Drill zugeschnittenes Modell für die Abschätzung der auftretenden Dreh-momente entwickelt wurde.

neu abgestimmtes mathematisches Modell

Als erster Schritt wurde die Abhängigkeit des Drehmoments und der Axialkraft vom Vorschub und der Schnittgeschwindigkeit geprüft. Die Messergebnisse wurden mit einem Crazy Drill, Durchmesser 3,5mm, bei der Bearbeitung von 100Cr6, einem in der Fertigung von Präzisionsteilen weit verbreiteten Werkstoff, ermittelt. Die gra-fisch aufgezeichneten Resultate (Bild 4) zeigen die Abhängigkeit von Drehmoment und Axialkraft in Funktion von der Schnitt-geschwindigkeit.

Sehr differenziertes Verhältnis

Auf der X-Achse ist die Schnittgeschwin-digkeit und auf der Y-Achse die gemessenen Axialkräfte und Drehmomente aufgezeich-net. Daraus geht klar hervor, dass die Axialkraft und das Drehmoment im Be-reich zwischen 30 und 90 m/min nicht von der Schnittgeschwindigkeit abhängig sind. Es hat sich ebenfalls gezeigt, dass die Axialkraft und das Drehmoment eine line-are Abhängigkeit (Bild 5) vom Vorschub aufweisen.

werkstoffabhängige empirische koeffizienten ermitteln

Vom mathematischen Gesichtspunkt aus wird die lineare Abhängigkeit allgemein mit einer FunktionY(x) = A x X + B beschrieben. Der Koeffizient A gibt die Steigung der Linie, während der Koeffizi-ent B eine Korrektur der Lage bezüglich der Y-Achse darstellt. In unserem Fall ist das Drehmoment in Funktion vom Vor-schub wie folgt:Mz (f) = A x f + B. Dabei ist f der Vorschub, Mz das Drehmo-ment sowie A und B die beiden Koeffi-zienten, welche empirisch aus den prak-tischen Messergebnissen ermittelt werden. Diese Koeffizienten sind für jeden Werk-stoff anders. In der Grafik (Bild 6) sind die Drehmomentwerte von Bohrern mit ver-schiedenen Durchmessern in Funktion vom Vorschub dargestellt. Für jeden Bohrerdurchmesser erhält man eine unter-schiedliche lineare Funktion ersten Grades. In der Grafik (Bild 7) sind die zwei Koeffi-zienten A und B in Funktion des Bohrer-durchmessers dargestellt. Man sieht, dass der Koeffizient A im Quadrat vom Bohrer-durchmesser abhängt. Diese Abhängigkeit lässt sich gut beschreiben mit einer Funk-tion zweiter Ordnung. Diese sieht so aus:A (Ø) = c x Ø2 + d x Ø + e. Aus derselben Grafik ist auch die Abhän-gigkeit des Koeffizienten B vom Bohrer-durchmesser ersichtlich. In diesem Fall ist die Abhängigkeit linear: B (Ø) = g x Ø +h. Auch in diesem Fall werden die Koeffizi-enten c, d, e, g und h empirisch durch praktische Tests ermittelt, dabei hat jeder Werkstoff seine eigenen Werte.Zusammenfassend gilt, dass für die Be-rechnung des Drehmoments in Abhängig-keit vom Vorschub und vom Bohrerdurch-messer die 3D-Funktion: Mz (f, Ø) = (c x Ø2 + d x Ø + e) x f + g x Ø + hGültigkeit hat (Bild 8). Auf den beiden Achsen stehen Bohrerdurchmesser und Vorschubwerte. Jede Farbe präsentiert Drehmomentwerte (Isolinien).

praxisvergleich und umsetzung des Modells

In der Praxis muss man auch die maximal zulässige Beanspruchung, welche ein Bohrer ertragen kann, mitberücksichtigen. Das maximal zulässige Drehmoment in Funktion zum Bohrerdurchmesser ist für den Crazy Drill eine exponentielle Funktion. Die entsprechenden Werte wurden durch Versuche ermittelt. Damit sind alle Informationen für die Überwachung von Bohrprozessen gegeben. In der Grafik (Bild 9) erkennt man die Korrelation zwischen Drehmoment und Vorschub für verschiedene Materialien für einen Bohrer mit Durchmesser 4 mm. Die horizontale Linie ist das maximal zulässige Drehmoment. Für den Werkstoff 100Cr6 (blau) zum Beispiel ist der maximal berechnete, zulässige Vorschub 0,55 mm/Umdrehung und für 316L (rosa) etwa 0,3.

praktische?umsetzung??des?Modells

Die verschiedenen Geraden entsprechen unterschiedlichen Materialien. Bei gegebenem Vorschub und Werkstoff lässt sich aus diesen Darstellungen ermitteln, was für eine Sicherheit gegeben ist, wenn mit einem gewissen Durchmesser gebohrt wird. So liegt man zum Beispiel mit einem 4erBohrer in 100Cr6 bei einem Vorschub von 0,25 mm/U etwa bei der Hälfte des zulässigen Drehmoments. Wie sieht nun die praktische Umsetzung dieses Modells aus? Es ist wichtig, den Kunden möglichst genaue Richtwerte zu geben für den Einsatz des Crazy Drill. Auf Grund der verschiedenen Faktoren (Maschine, Öl, Werkzeugspannung, Werkstück, etc.), welche auf den Zerspanungsprozess einen Einfluss haben, können in Prospekten und Broschüren lediglich Richtwerte angegeben werden. Diese Werte sind normalerweise Erfahrungswerte, welche durch Tests im Labor und durch Kundenversuche erhärtet worden sind. Mir dem vorliegenden Modell hat man nun die Möglichkeit, die Sicherheitsmarge für solche Werte auszuloten.

Auch?beim?tieflochbohren??bewährt

Die Kenntnisse des maximalen Drehmoments und die Überwachung der WerkzeugBeanspruchung während dem Bohrprozess ist beim Tiefbohren sehr wichtig. Dazu ein Beispiel mit einem Bohrer mit Innenkühlung, Durchmesser 1,30 mm und einer Länge von 30 x Ø. Der zu bearbeitende Werkstoff war eine Legierung mit 30% Nickel und die Zykluszeit war vorgegeben. Die Späne brachen nicht während dem Bohrprozess und regelmässiges Entspanen war für einen sicheren Bohrprozess unter diesen Konditionen notwendig.

Die?optimale?Schnittgeschwin-digkeit?finden

Dank der Überwachung der Werkzeugbeanspruchung während des Bohrprozesses sieht man, dass die Schnittgeschwindigkeit eine grosse Rolle spielt für die Prozesssicherheit. Bei 40 m/min hat man eine unregelmässige Beanspruchung (Bild 10) während dem Bohren. Bei 60 m/min (Bild 11) ist der Bohrprozess sicherer und das maximal gemessene Drehmoment ist weit weg vom maximal zulässigen Wert. Das maximale Drehmoment und die Überwachung der Werkzeugbeanspruchung erlaubten es, die Schnittparameter relativ rasch abzuschätzen für diese für Mikron Tool neue Anwendung. Zuvor gab es keine Bohrerfahrung mit diesem Material bei einer Bohrtiefe von 30 x Ø. AutorGiulio Allidi, Dipl.-Ing. ETH Mikron Tool SA AgnoInformationMikron Tool SA AgnoVia Campagna 16982 Agno Tel. 091 610 65 00, Fax 091 610 66 83mto@mikron.com, www.mikron.com

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