HPC-Bearbeitung. Leistungssteigerung im ELB-Tieflochbohren. Institut für Fertigungstechnik. Labor für Produktionstechnik

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1 HPC-Bearbeitung Leistungssteigerung im ELB-Tieflochbohren ao.univ.prof. DI Dr. Fritz Bleicher DI Johannes Bernreiter 12.November 2008 Institut für Fertigungstechnik Seite 1

2 Inhaltsübersicht 1 Grundlagen der HPC-Zerspanung 2 ELB-Bohren mit Vorschubpulsation 3 ELB-Bohren mit Hochleistungsölen 4 Zusammenfassung Seite 2

3 Steigerung der Produktivität, Nachhaltigkeit Ansätze zur Reduzierung von Fertigungskosten durch HPC Quelle: Garant Handbuch Zerspanung Ziel der Hochleistungszerspanung Reduzierung der Fertigungskosten um 10 30% Steigerung des Zeitspanvolumens um % HPC High Performance Cutting Steigerung von a e und a p HSC High Speed Cutting Steigerung von n (v c ), Reduktion von f z Trockenbohren Al-Guss Leistungsfräsen in C45E - Trockenbearbeitung KSS 150l/Tag MMS 1l/Tag (20ml/h) Seite 4

4 Skalierung des Zerspanungsprozesses Zeitmaßstab Betrachtung einzelner Gitterdefekte Betrachtung von Versetzungsstrukturen, Subkörnern und einkristallinem Werkstoffverhalten Makroebene Mesoebene Mikroebene Mikrostruktur (Gefüge) Makrogeometrie Nanoebene Längenmaßstab Seite 5

5 Grunglagen der Zerspanungslehre 1 - Makro F = k b h K K K K Victor-Kienzle-Gleichung c c γ v ver sch k c = k h c1.1 m c A f ELB-Bohren κ a p h b Werkstück Werkzeug v c ferritischer St austenitischer St, Al Quelle: nach Tönshoff Seite 6

6 Grunglagen der Zerspanungslehre 2 - Meso Victor-Kienzle-Gleichung F = k b h K K K K c c γ v ver sch nach Ernst/Merchant F c = F sin 2φ z F z ( ) τ φ = cos φ+ρ γ sin φ bh bh FT φ =τmax sin 2φ k sin φ c = τ 2 sin φ max k c sin 2φ k = (,, ε ε& T) f 2 sin φ 3 1 τ max = k f Gestaltänderungsenergiehypothese F c ( εε& T) kf,, sin 2φ = b h 2 3 sin φ 3 Seite 7

7 Reale Beanspruchung 100 mm /s /s /s 60km/min 600km/min 6000km/min Probe Seite 8

8 Konstitutives Werkstoffverhalten Fließ- und Verfestigungsverhalten von C45E Fließspannung k f [MPa] Ø1x1, 10-3 s -1 Ø2x2, 10-3 s -1 Ø4x4, 10-3 s Ø6x6, 10-3 s -1 Ø1x1, 10 2 s Ø2x2, 10 2 s -1 Ø4x4, 10 2 s -1 Ø6x6, 10 2 s ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Beschreibung über konventionelle konstitutive Gleichungen möglich Technische Spannung σ [MPa] 2000 RT, 10 2 s Johnson-Cook-Modell n ε& T T R σ= ( A+ Bε ) 1+ ln 1 ε& 0 TS TR Zerilli-Armstrong-Modell ferritischer St austenitischer St, Al Umformgrad φ [-] krz 500 ( ln &) σ=δσ 0exp G + B β 0 +β1 ε T + K0ε kfz 0 ( ln &) 1/2 σ=δσ 1 exp G + Bε β 0 +β1 ε T 200 C, 10 2 s C, 10 2 s C, 10 2 s C, 10 2 s m Plastische Stauchung ε p [%] n A B C n m ,0474 0,533 0,201 Δσ G B 0 β 0 β 1 K 0 n ,0132 0, ,348 Seite 9

9 FEM-Simulation - Versagensmodell Seite 10

10 Gesteuerters Einlippen-Tieflochbohren Seite 11

11 ELB-Bohrversuche Maschine: Werkzeug: KSS: Schnittgeschwindigkeit: Vorschub: ELB-Tiefbohrbank ELB 6,35 mm, l = 1200 mm Petrofer v c = 60 m/min f c = 0,02 mm/u Werkstoff M315 Seite 13

12 Versuchswerkstoffe M314 C Si Mn S Cr Mo Anhaltswerte [%] 0,34 0,35 1,40 0,12 16,00 0,15 M315 C Si Mn S Cr Ni Anhaltswerte [%] 0,05 0,20 0,90 0,12 12,80 + Seite 14

13 Versuchswerkstoffe M314 C Si Mn S Cr Mo Anhaltswerte [%] 0,34 0,35 1,40 0,12 16,00 0,15 M315 C Si Mn S Cr Ni Anhaltswerte [%] 0,05 0,20 0,90 0,12 12,80 + Seite 15

14 Versuchswerkstoffe - Dynamik M315 C Si Mn S Cr Ni Anhaltswerte [%] 0,05 0,20 0,90 0,12 12,80 + Seite 16

15 Spanformdiagramm M314 M314 l 2 l 1 Seite 17

16 Spanformdiagramm M315 M315 l 2 l 1 Seite 18

17 Modifikation der Schneidengeometrie l 1 Länge der Spanleitstufe l 2 Tiefe der Spanleitstufe l 2 l 1 Seite 19

18 Mechanischer Pulsator Technische Daten: Durchmesser: Länge: Gehäusewerkstoff: Gewicht: Hub: max. Drehzahl: Bohreraufnahme: 45 mm 140 mm Stahl, Messing 1,3 kg einstellbar von 0 bis 1mm 6000 U/min ø 16 mm l 2 l 1 Seite 20

19 Mechanischer Pulsator l 2 l 1 Seite 21

20 Gesamtergebnis M314 M315 Maschine: Werkzeug: KSS: Schnittgeschwindigkeit: Vorschub: ELB-Tiefbohrbank ELB 6,35 mm, l = 1200 mm Petrofer v c = 75 m/min f c = 0,055 mm/u Werkstoff M315 Zeitspanvolumen [dm³/min]. 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 Faktor 3,5 0 Standard Pulsator l 2 l 1 Seite 22

21 ELB-Verschleißversuche Maschine: Werkzeug: KSS: Standardwerte Schnittgeschwindigkeit: Vorschub: Theoretische Bohrleistung: Standweg mit Petrofer: Verschleißkriterium: ELB-Tiefbohrbank ELB 6,35 mm, l = 1200 mm -Petrofer - Shell - Motorex Ortho NX-15 v c = 40 m/min f c = 0,007mm/U 0,9 m/std. ca. 400 mm Vibrationen Seite 24

22 Werkstoffkennwerte P550 Vergleich mit Inconel 718 Seite 25

23 Versuchsreihen Ergebnisse für f = 0,01mm/U Seite 26

24 Versuchsreihen Ergebnisse für f = 0,02mm/U Seite 27

25 Vorschub beim ELB-Bohren Rattern beim Unterschreiten des kritischen Vorschubes gebohrter Weg Seite 28

26 Vorschub beim ELB-Bohren Einfluss des Drucks auf Drehmoment und Vorschubkraft Seite 29

27 Versuchsreihen Vergleich: Drehzahl 2000 U/min & U/min Seite 30

28 Versuchsreihen Variation von Vorschub und Druck Seite 31

29 Verschleißversuche Standweg 0 mm Standweg 700 mm Standweg 1700 mm Standweg 2300 mm Seite 32

30 Gesamtergebnis P550 Maschine: Werkzeug: KSS: Schnittgeschwindigkeit: Vorschub: ELB-Tiefbohrbank ELB 6,35 mm, l = 1200 mm Motorex Ortho NX-15 v c = 80 m/min f c = 0,02 mm/u Werkstoff P550 0,003 Zeitspanvolumen [dm³/min]. 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 Faktor 5,5 Standzeiterhöhung: min. Faktor 6 0 Standard Motorex l 1 l 2 Seite 33

31 Zusammenfassung ELB-Tieflochbohren ist durch geringe Vorschubswerte gekennzeichnet nicht mit herkömmlichen Zerspanungsprozessen vergleichbar Spanformverhalten nur eingeschränkt durch Technologieparameter modifizierbar Anwendung von mechanischen Pulsatoren bringt deutliche Produktionssteigerung Zerspanung von hochfesten Werkstoffen kann durch den Einsatz von Hochleistungs-Bohrölen optimiert werden deutliche Erhöhung des Standweges und des Zeitspanvolumens l 2 l 1 Seite 35

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