Auskammerfräsbohren ist ein Verfahren zum Fertigen tiefer Bohrungen mit rotationssymmetrischen sowie nichtrotationssymmetrischen Innenkonturen mit weitgehend freien Gestaltungsmöglichkeiten. Die Fertigbearbeitung derart komplexer Bohrungen mit einem einzigen Auskammerfräsbohrwerkzeug in einer Aufspannung ermöglicht neue konstruktive Lösungen von Bauteilen. Die am Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart durchgeführten Forschungsarbeiten zur Entwicklung dieses Verfahrens werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert

Heisel, Uwe

Ruziczka, Gunter

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L ~~~====~~_7.F.RSPANUNGSTECHNIK""""""" Auskammer-fräsbohren -Bohrbearbeitungs-verfahren mit neuem Potential Auskammerfräsbohren ist ein Verfahren zum Fertigen tiefer Bohrungen mit rotationssymmetrischen sowie nichtrotationssymmetrischen Innenkonturen mit weitge-hend freien Gestaltungsmöglichkeiten. Die Fertigbearbei-tung derart komplexer Bohrungen mit einem einzigen Auskammerfräsbohrwerkzeug in einer Aufspannung er-möglicht neue konstruktive Lösungen von Bauteilen. Die am Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart durchgeführten Forschungsarbeiten zur Ent-wicklung dieses Verfahrens werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. - Von Prof. Dr.-Ing. U. Heisel und Dipl. -Ing. G. Ruziczka1). I Einleitung Tiefe Bohrungen mit komplexen Innen-konturen werden in vielen Bereichen der Technik benötigt und können sehr unterschiedliche Funktionen erfüllen. Achsen von Hochgeschwindigkeitszü-gen werden beispielsweise zur Reduzie-rung der ungefederten Massen innen-bearbeitet sowie Flugzeuglandebeine zur Gewichtsreduzierung und damit Treibstoffeinsparung und Werkzeugfor-men für die Herstellung von Flaschen in der Glas- und Kunststoffindustrie. Insbe-sondere das Fertigen tiefer Bohrungen mit Innenkonturen ins Volle erfordert einen hohen Aufwand konventioneller Vollbohr-, Aufbohr- und Ausdrehwerk-zeuge. Eine automatisierte Fertigung ist in der Regel nicht möglich , da bei den meisten Stahl- und Aluminiumsorten ein sicherer Spanbruch bzw. Spanfor-mung nicht gewährleistet werden kann [1]. 28 dima 4/93 Mit einem Auskammerfräsbohrwerk-zeug kann die Komplettbearbeitung solcher BohfUf1gen ohne Umspannen des Werkstücks durchgeführt werden , beginnend mit der Vorbohrung bis zu nichtrotationssymmetrischen Innenkon-turen, was eine erhebliche Reduzierung der Rüstzeiten ergibt. Wegen des ver-fahrensbedin.gt unterbrochenen Schnitts durch den Ubergang der Zerspanung von Außen- zu Innenschneideneingriff und umgekehrt (Abb. 1) kann eine Kurzspanbildung und damit eine siche-re Späneentsorgung aus Sackbohrungen [2[ garantiert werden. Dadurch wird auch bei langspanenden Werkstoffen eine automatisierte Bohrbearbeitung ermöglicht. Eine prozeßbegleitende Werkzeugüberwachung ermöglicht ge-gebenenfalls ein rechtzeitiges Unterbre-chen des Bearbeitungsvorgangs zum Schutz von Werkzeug und Maschine. 2 Auskammerfräsbohrwerk-zeug und Versuchsmaschine Für die Untersuchung der Bohrbearbei-tung mittels Fräsbohren steht im IfW ein Auskarnmerfräsbohrwerkzeug und eine Versuchsmaschine mit einer umfangrei-chen Meßeinrichtung zur Verfügung (Abb. 2) . Damit sind Bohrungen im Durchmesserbereich von 88 bis 124 mm und einer Tiefe bis etwa 1000 mm hersteIlbar. Beim Auskarnmerfräsbohrwerkzeug ist der Fräser am Ende einer Bohr-stange angebracht und in einer Verstell-einrichtung gelagert, mit der die radiale Position des Fräsers auch während der Bohrbearbeitung verändert und ein vorgegebener Bohrungsdurchmesser eingestellt werden kann. Die Kühl-schmierstoffversorgung erfolgt durch die Fräserantriebswelle direkt zu den Schneiden sowie über einen Bohrö!zu-führapparat (BOZA) durch den Ring-raum zwischen Bohrstange und Boh-fUf1gswand, der sich aufgrund des Führungsleistenüberstandes ergibt. Da-durch wird erreicht, daß die Schneiden von den Spänen freigespült werden und sich keine Späne zwischen Bohrstange und Bohrungswand verklemmen kön-nen. Zusammen mit den Spänen wird der Kühlschmierstoff durch einen Spä-neabführkanal aus der Bohrung heraus-gespült. Wie bei allen konventionellen Tiefbohrwerkzeugen erfolgt auch beim Auskammerfräsbohrwerkzeug die Werk-zeugabstützung während der Anbohr-phase in einer Anbohrbuchse und da-nach in der gefertigten Bohrung. Für die Werkzeugerprobung wird eine CNC-gesteuerte Versuchsmaschine ver-wendet, die aus einer Universaldreh-maschine aufgebaut wurde. Auf dem Support ist ein Bohrstangenhalter ange-bracht, der das Werkzeug aufnimmt. Das Werkstück wird zwischen dem Zentrierkegel des BOZA und dem Bak-kenfutter der Drehmaschine aufge-spannt. Die wendeIförmige Vorschub-bewegung des Fräsers wird durch die axiale Vorschubbewegung des Auskam-merfräsbohrwerkzeuges und dem rotie-renden Werkstück erzeugt. Dies ergibt einen relativ einfachen Aufbau von Werkzeug und Maschine. Zur Steue-rung und Überwachung der Bohrbear-beitung dient eine 2-Achsen-CNC-Steuerung mit integrierter speicherpro-grammierbarer Steuerung (SPS). 1 Bohrbearbeitung mit einem Auskammerfräsbohrwerkzeug Das Herstellen von Bauteilen mit kom-plexen Innenkonturen ist mittels Ur-formen und Umformen als Alternative zu trennenden Fertigungsverfahren nicht immer möglich. Gießen eignet Abb. 2: Auskammerfräsbohrwerkzeug und Versuchsmaschine ') Professor Dr -Ing U HeiseI ist leIter des InStltuts tur Werkzeugmaschmen (1fW) der UruverSltät Stutt-gart Dlpl -lng. G. Ruziczka Ist w issenschaftlicher MitarbeIter am selben InstJtut. ,--------------~78RSP~GSTECHN1K slch nur für Bauteile mit geringen Wandstärkeunterschieden, da hohe thermische Spannungen durch unter-schiedliche AbkühJungsgeschwindig-keiten Spannungsrisse ergeben kön-nen. Umformende Verfahren sind in vergleichbaren Fällen vorwiegend auf Bauteile mit rohrförmigen Halbzeugen beschränkt und ermöglichen nur eine begrenzte Gestaltungsfreiheit der Fer-tigteile. Außerdem sind die erzielbaren Toleranzen hinsichtlich der Abmessun-gen sowie Oberflächengüte oftmals nicht ausreichend und nicht immer ist das gewünschte Werkstückmaterial gieß- oder umformtechnisch zu verar-beiten. Auch gibt es Einschränkungen bezüglich tiefer Sackbohrungen und Hinterschneidungen. Mit einem einzigen Auskarnmerfräs-bohrwerkzeug können zylindrische Boh-rungen ins Volle hergestellt und Vorboh-rungen aufgebohrt sowie Innenkonturen bei einer vorher erzeugten Vorbohrung bearbeitet werden. Im Gegensatz zu konventionellen Ausdrehwerkzeugen wird die Innenkontur auch bei großen Aufmaßen in einem Schnitt bearbeitet, beginnend an der tiefsten Stelle der Bohrung. Aufwendig hydraulisch ange-steuerte Abstützmechanismen für die Bearbeitung in mehreren Schnitten sind daher nicht erforderlich. Auch eine Deformation dünnwandiger Bauteile aus einer Leichtmetallegierung oder Riefenbildung kann damit vermieden werden. Aufgrund der niedrigen Werk-stückdrehzahl ergeben sich im Gegen-satz zum Bohren mit nichtangetriebe-nen Werkzeugen und Drehen keine Unwuchtprobleme bei asymmetrischen Bauteilen. Bereichsweise ausladende Werkstücke können bei Verwendung eines geteilten Maschinenbetts bearbei-tet werden. 3.1 Herstellen zylindrischer Bohrungen Beim Herstellen zylindrischer Bohrun-gen wird der Fräser so weit radial ausgeschwenkt, daß der mit dem Frä-ser erzeugte Bohrungsdurchmesser ge-nau dem Flugkreisdurchmesser der Führungsleisten entspricht. Der Fräser-durchmesser ist dabei etwas größer als der Bohrungsradius, so daß die Boh-rungsmitte überschnitten und der ge-samte Bohrungsquerschnitt zerspant wird [21 . Sind Fräserdurchmesser und Abmessungen der Wendeschneidplat-ten so gewählt worden, daß dieser nicht ganz ausgeschwenkt werden muß, um sowohl den FlugkreisduIch-messer der Führungsleisten als auch über die Bohrungsmitte zu schneiden, kann nach zusätzlicher Fräserzustellung während des Bohrstangenrückzugs ein Schlichtschnitt durchgeführt werden. Enthält ein Werkstück bereits eine Vorbohrung , dessen Durchmesser klei-ner als der Flugkreisdurchmesser der Führungsleisten ist, wird der zu fräsen-de Bohrungsdurchmesser mit drücken-der Vorschubbewegung ins Werkstück hinein hergestellt. Solche Bohrungen dBohrung ~räaer .--..... --Werkstück o Außenschneideneingriff • Innenschneideneingriff Abb. 1: Eingnffsverhältnisse beim Fräsbohren können anschließend mit einem Fräser größeren Durchmessers bei entspre-chend korrigierter radialer Fräserzustel-lung mit ziehender Vorschubbewegung aus dem Werkstück heraus weiter aufgebohrt werden (Abb. 3). Durch das Herstellen der Bohrung mittels Fräsboh-ren ergeben sich an der Bohrungsober-fläche in Abhängigkeit der verwendeten Wendeschneidplattenform und den ein-gestellten Maschinenparametern nicht nur in axialer Richtung Welligkeiten wie beim Drehen, sondern auch in Umfangs-richtung wie beim Zirkularfräsen, die durch den Zahneingriff bedingt sind. Zum Fertigen von guten Bohrungsober-flächen werden deshalb rhombische oder rechteckige Wendeschneidplatten derart am Fräser befestigt, daß eine Schneide jeder Schneidplatte parallel zur Bohrungswand verläuft und den Bohrungsdurchmesser schneidet. Eine Verringerung der verfahrensbedingten Oberflächenrauheit der Bohrungswand kann durch Erhöhen der Fräserdrehzahl sowie Verringern der Vorschubge-schwindigkeit und Werkstückdrehzahl bei möglichst großem Fräserdurchmes-ser und hoher Zähnezahl erreicht wer-den. 3.2 Herstellen rotationssymmetrischer Innenkonturen In einer mittels Fräsbohren hergestellten Vorbohrung können mit einem Schei-benfräser anhand gesteuerter Fräserzu-stellung senkrecht zur Bohrungsachse während der Bohrbearbeitung rotations-symmetrische Innenkonturen mit weit-gehend freier Gestaltung, wie Radien , Kegel oder sogar 90°-Absätze, gefertigt werden (Abb. 4). Beginnend an der tiefsten Stelle der Bohrung, erfolgt die Bearbeitung mit ziehender Vorschub-bewegung der Bohrstange aus der Bohrung heraus . Runde Schneiden mit einem ange-schliffenen geraden Schneidenteil par-allel zur Bohrungswand eignen sich dafür am besten, da bei einer Program-mierung der Innenkontur eine einfache Schneidenradiuskorrektur durchgeführt und auch eine gute Bohrungsoberfläche zylindrischer Konturabschnitte erzielt werden kann . Rhombische oder recht-eckige Wendeschneidplatten hingegen eignen sich nur für bestimmte Kontur-verläufe. In umfangreichen Untersu-chungen wurden Grundlagen zur Vor-gehensweise bei der Herstellung von Innenkonturen erarbeitet. 3.3 Herstellen nichtrotationssymme-trischer Innenkonturen Das Fertigen nichtrotationssymmetri-scher Innenkonturen (Abb. 5) erfordert die steuerungstechnische Kopplung zwischen der auf einer Kreisbahn er-folgenden radialen Fräserzustellung, der Vorschubbewegung parallel zur Boh-rungsachse und der Werkstückdrehbe-wegung. Nach einer entsprechenden Anpassung der Versuchseinrichtung ist damit die Herstellung komplexer Boh-rungsquerschnitte möglich, die sowohl einfache Schmiertaschen, kegelige Ge-winde als auch über die Bohrungstiefe in sich verdrehte Polygonprofile sein können. Bauteile, die einseitig auf Biegung beansprucht werden, wie beispielswei-se Flugzeuglandebeine, können somit durch eine optimierte Konstruktion bei gleicher Biegesteifigkeit mit einem geringeren Gewicht ausgeführt werden. Im Gegensatz zu nichtangetriebenen Werkzeugen, wie Ausdrehwerkzeuge zum Herstellen rotationssymmetrischer Innenkonturen , besteht bei einem Aus-kammerfräsbohrwerkzeug durch den Einsatz einer Schleifscheibe, anstelle eines Fräsers, die zusätzliche Möglich-keit, die Oberflächenqua.lJtat der Boh-rung durch Feinbearbeitung zu verbes-sern. Die Form der Schleifscheibe sollte dabei so gestaltet sein, daß eile pro-grammIerte Bahn entsprechend der Vorgehenswelse für einen Fräser mit runden Wendeschneidplatten unter Be-rücksichtigung des Schleifscheiben-durchmessers ermittelt werden kann , dima 4/93 29 _ .. _ .... __ ZERSPANUNGSTECHNIK Vollfräsbohren Auffräsbohren WerIaItiick Friaer Werkstück Friaer Abb. 3: Fräsbohren zylindrischer Bohrungen wobei der Kantenradius der Schleif-scheibe im einIachsten Fall dem Schnei-denradius entspricht. Ein gerader oder eventuell balliger Abschnitt in der Mitte der Schleifscheibe dient der Bearbei-tung zylindrischer Bohrungsabschnitte. Neben dem geringen Programmierauf-wand ergibt sich dadurch auch eine erhöhte Produktionssicherheit durch den Einsatz bereits getesteter NC-Programme. 11 ProzeBbegleltende WerkzeugübenHachung Die Werkzeugüberwachung urnIaßt die Schneiden verschleiß- und Schneiden-brucherkennung und schützt das Aus-kammerfräsbohrwerkzeug und die Ver-suchsmaschine vor Überlastung. Ge-messen werden Vorschubkraft, Schnitt-leistung und Schallemission der Zerspa-nung. Die Vorschubkraft wird mittels eines Promesslagers , ein mit Dehnmeß-streifen bestücktes Meßlager, ermittelt, um den Vorschubantrieb des Werkzeugs parallel zur Bohrungsachse bei Über-schreiten eines Grenzwertes abzuschal-ten. Die Überwachung des Schnittmo-mentes erfolgt indirekt über die Mes-sung der Schnittleistung und ist zur Vermeidung von zu hohen Torsions-spannungen in der langen und dünnen l"räserantriebswelle erforderlich. Ein Bruch der Fräserantriebswelle hätte lange Stillstandszeiten zu dessen Neu-anfertigung und Austausch zur Folge. Beim Fräsbohren zylindrischer Boh-rungen eignet sich die Schnittleistung als reproduzierbare Meßgröße für die Schneiden verschleiß- und Schneiden-brucherkennung. Beim Auskammerfräs-bohren zum Herstellen der Innenkontur hingegen schwanken Vorschubkraft und Schnittleistung aufgrund der s ich wäh-30 dima 4/93 rend der Bohrbearbeitung ändernden Bearbeitungsparameter sehr stark, wo-bei die Bearbeitungsdauer zusätzlich oft sehr lang ist. Im Falle einer Einzel-fertigung, wie beispielsweise im Proto-typenbau, liegen Vergleichswerte über-haupt nicht vor. Für diese Anwendungs-fälle eignen sich beim Auskamrnerfräs-bohren die Vorschubkraft und die Schnittleistung nur zum Vergleich mit Grenzwerten zur Verhinderung einer Werkzeugüberlastung. Die Erkennung eines Schneidenbruchs erfolgt daher mittels Messung des Körperschalls der Zerspanung direkt an der Bohrstange, da der Bruch einer Hartmetallschneide eine charakteristische Körperschall-emission im Ultraschallbereich erzeugt. Die Amplituden des Schalldrucks beim Schneidenbruch sind wesentlich höher als die Amplituden der störungsfreien Zerspanung [3J und lassen sich zur Überwachung des Prozeßablaufs zur Schneidenbrucherkennung nutzen. Auf-genommen werden die Schallwellen der Zerspanung von einem Schallemissions-aufnehmer (Abb. 6, oben) , der den Schalldruck mit Hilfe eines piezoelektri-schen Elements in Spannungen umwan-delt. Ein Schallemissionsprozessor (Abb. 6, Mitte) filtert die niederfrequenten Maschinen- und Umgebungsgeräusche heraus und verstärkt die hochfrequen-ten verschleiß- und bruch typischen Schallwellen zur Meßwertbildung. Die Meßdatenverarbeitung und Meßwertbil-dung erfolgt sehr schnell, so daß eine rasche Reaktion auf einen Schneiden-bruch mit einem statischen Grenzwert möglich ist. Ein selbstlemendes Über-wachungsgerät (Abb. 6, unten) zeigt die vom Schallemissionsprozessor generier-ten Meßwerte an und vergleicht sie mit einem Grenzwert. Bei Überschreiten des Grenzwerts wird ein Steuersignal für die speicherprogrammierbare Steuerung der Versuchsmaschine zur Verfügung gestellt. Über entsprechende Signallei-tungen zwischen Überwachungsgerät und Maschinensteuerung erfolgt die Synchronisation der Werkzeugüberwa-chung. Zusätzlich ist mit diesem Gerät auch die Überwachung der Zerspanleistung und damit indirekt des Schnittmoments am Fräser möglich. Die dazugehÖrigen Abb. 6: Schallernissionsaufnehmer, Schallernissionsprozessor und selbstlernendes Überwachungsgerät zur Werkzeugüberwachung Abb. 4: Fräsbohren rotationssymmetrischer lnnenkonturen Abb. 5: Fräsbohren nichtrotations-symmetrischer lnnenkonturen Bohnmgsquerschnilte Grenzwerte sind werkzeugbezogen, d . h . ~hängig vom Fräserdurchmesser im Uberwachungsgerät gespeichert. Der Schallemissionsaufnehmer verur-sacht keinen Steifigkeitsverlust von Auskammerfräsbohrwerkzeug und Ver-suchsmaschine, da er nicht in den Kraftfluß integriert werden muß und auf der Bohrstange befestigt ist. Er ist zudem verschleißlos, unempfindlich ge-genüber mechanischer Beanspruchung und auch bei gröbster Verschrnutzung funktionsfähig . 5 Zusammenfassung Auskammerfräsbohren ist ein Ferti-gungsverfahren für die automatisierte Komplettbearbeitung von tiefen Durch-gangs- und Sackbohrungen mit komple-xen Innenkonturen in einer Aufspan-nung. In vielen Bereichen der Technik ergeben sich daher neue Möglichkeiten zur konstruktiven Gestaltung optimier-ter Bauteile. Im Rahmen urnIangreicher Zerspanungsuntersuchungen wurden bereits Grundlagen in Abhängigkeit vom Anwendungsfall für die optimierte Auslegung des Auskammerfräsbohr-werkzeugs und der Versuchsmaschine ermittelt. Der relativ einIache konstruk-tive Aufbau dieser Bohrbearbeitungs-einrichtung ist eine gute Voraussetzung für einen möglichen industriellen Ein-satz. Unterstützt von einer prozeßbeglei-tenden Werkzeugüberwachung wird eine Beschädigung von Werkzeug und Maschine verhindert und der Verlust von Werkstücken vermieden. Literatur [lJ Utz, Th .: Herstellung aufgeweiteter Innenkonturen durch Auskammer-fräsbohren . Dissertation Universität Stuttgart 1990. [2J Heisel, U., Utz , Tb. u Ruziczka, G.: Fräsbohren garantiert kurze Späne. dima - die maschine 9/90, S. 67 - 73. [31 Nordmann, K. : Ein Beitrag zur Ver-schleiß- und Bruchüberwachung ro-tierender Werkzeuge. Dissertation Universität Aachen 1990. 

Auskammerfräsbohren : Bohrbearbeitungsverfahren mit neuem Potential

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