Einflüsse von Werkzeugdurchmesser und Schneidkantenverrundung beim Bohren mit Wendelbohrern in Stahl

Risse, Kai; Klocke, Fritz

doi:27367

Einflüsse von Werkzeugdurchmesser und Schneidkantenverrundung beim Bohren mit Wendelbohrern in Stahl

Risse, Kai (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kai Risse

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangVIII, 137 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Klocke, Fritz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-05-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-15707
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61346/files/Risse_Kai.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Bohrer (frei) ; Bohrwerkzeug (frei) ; Bohren (frei) ; Simulation (frei) ; Temperaturmessung (frei) ; Pyrometer (frei) ; 3D-Simulation (frei) ; Kienzle (frei) ; Kantenverrundung (frei) ; Schleppschleifen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Bohren mit Wendelbohrern stellt ein vielfach eingesetztes Fertigungsverfahren zur Erzeugung von Bohrungen dar, wobei eine Ergebnisübertragung von konventionellen Werkzeugdurchmessern (z.B. d = 10 mm) zu Kleinstwerkzeugen (d < 2 mm) bislang nicht möglich ist. Gründe hierfür sind einerseits in der Makro- und Mikrogeometrie der Werkzeuge zu sehen, die aus fertigungstechnischen Gründen nicht linear vom konventionellen in den Kleinstwerkzeugbereich übertragbar sind. Andererseits können Prozessgrößen wie beispielsweise die Zerspantemperaturen an den Hauptschneiden den Bohrvorgang beeinflussen, wobei diese Temperaturen noch nicht für eine Werkzeugdurchmesservariation vom konventionellen Bereich in den Kleinst-werkzeugbereich quantifiziert sind. Auch der Einsatz der FEM-Simulation stellte kein adäquates Mittel zur Erweiterung des Prozessverständnisses oder einer Reduzierung der Entwicklungs- und Prozessauslegungskosten dar, da bis jetzt kein verifiziertes dreidimensionales Bohrmodell zur Verfügung stand. In der Arbeit werden im Wesentlichen drei Kernthematiken betrachtet. Dies ist zum einen die erstmalige Ermittlung der Zerspantemperaturen unmittelbar an den Hauptschneiden der Bohrer in einem Durchmesserbereich von 1 bis 10 mm mit Hilfe der Zwei-Farben-Pyrometrie und die Auswirkung der Temperaturen auf den Zerspanprozess. Zum zweiten wird die Einsatzmöglichkeit des Verfahrens „Schleppschleifen“ zur Erzeugung definierter und reproduzierbarer Kantenverrundungen mit Radien von 4 µm <= rn <= 40 µm an Bohrwerkzeugen nachgewiesen. Die Auswirkungen einer Kantenverrundung an Kleinstbohrern auf Standweg- und Bauteilverhalten werden detailliert auf makro- und mikroskopischer Ebene untersucht und die Vorteile der durch Schleppschleifen verrundeten Werkzeuge aufgezeigt. Auf Basis der in Schritt eins und zwei eingesetzten Werkzeuge erfolgt im dritten Schritt die Entwicklung, Optimierung und Verifizierung von dreidimensionalen Bohrsimulationen. Hierbei werden 3D-Simulationen mit verschiedenen Elementzahlen und -größen der Werkstücke bei sonst gleichen Simulationsparametern verglichen und Abweichungen bei der Vorschubkraft und beim Drehmoment aufgezeigt. In weitergehenden numerischen Untersuchungen wird der Einfluss der Quer- und Hauptschneidengeometrie der Werkzeuge auf die berechneten Vorschubkraft- und Drehmomentverläufe sowie auf die Zerspantemperaturen untersucht. Es wird gezeigt, dass die realitätsnahe Abbildung der Schneiden hinsichtlich einer Kantenverrundung eine wesentliche Voraussetzung für einen realitätsnahen Verlauf von Kraft und Moment darstellt. Der Einsatz ideal scharfer Werkzeuge in der Bohrsimulation führt zu erheblichen Verfälschungen der Verläufe, während das verifizierte Modell Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen von über 90% zeigt.

Drilling with twist drills is an often used manufacturing method for the production of drillings, for which a result transmission of conventional tool diameters (e.g. D = 10 mm) to microdrills (D < 2 mm) has not yet been possible. Reasons for this are to be seen on the one hand in the macro and micro geometry of the tools, which for technical reasons can not be transfered linearly from the conventional diameter range to the range of microdrills. On the other hand process variables may affect the drilling process such as the cutting temperatures at the major cutting edges, these temperatures not having been quantified for a tool diameter variation of the conventional range to the range of microdrills. Employment of FEM simulation has proved not to be an adequate means for extending process understanding nor for reducing development and process design costs, since no verified three-dimensional drilling model has been available yet. This treatise essentially deals with three core topics. To begin with, there is the first determination of the cutting temperatures at the major cutting edges of the drills in a diameter range from 1 to 10 mm with the help of the two color pyrometry and the effect of these temperatures on the cutting process. Secondly the application of the "drag grinding process” is proven for the production of defined and reproducible edge roundnesses with radii of 4 µm < = rn < = 40 µm on drilling tools. The effects of an edge roundness of microdrills on tool life and construction unit behavior are examined in detail on macro- and microscopic level and the advantages of the tools rounded by drag grinding are pointed out. On basis of the in step one and two employed tools, the third step develops, optimises and verifies three-dimensional drilling simulations. Here 3D-simulations compare different element numbers and sizes of the workpieces, constant simulation parameters being provided – and pointed out deviations with the feeding force and with the torque. Further numeric investigations examined the influence of the chisel edge and major cutting edge geometry of the tools on the computed feeding force and torque processes as well as on the cutting temperatures. It is shown that the close-to-reality illustration of the cuts forms a substantial condition for a close-to-reality process of strength and moment regarding edge roundness. The employment of ideally sharp tools in the drilling simulation leads to substantial falsifications of the processes, while the verified model shows agreements with experimental results of over 90%.

Fulltext:
PDF
(additional files)