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W.-G. Drossel (Hrsg.)
M. Dix (Hrsg.)
S. Ihlenfeldt (Hrsg.)
O. Georgi
Ultraschallunterstütztes Bohren und Tiefbohren mit schallbasierter Prozessüberwachung
Berichte aus dem IWU, Band 132
269 Seiten, m. Abb. und Tab., A5, Broschur
ISBN: 9783957351715
Verlag Wissenschaftliche Scripten
Die Ultraschallunterstützung beim Bohren und Tiefbohren ist ein Ansatz zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Verfahren. Die Arbeit verfolgt die neuartige Idee der kombinierten Nutzung des Ultraschalls, d.h. dieser wird einerseits aktiv bzw. aktorisch zur Beeinflussung des Zerspanungsprozesses und andererseits passiv bzw. sensorisch als Basis für eine Prozessüberwachung verwendet. In diesem Zusammenhang wird eine Systemanalyse von Zerspanungsprozess und resonantem Schwingsystem durchgeführt. Über ein kinematisches Prozessmodell werden die grundlegenden Mechanismen der Ultraschallunterstützung analysiert und mit Hilfe eines elektromechanischen Ersatzmodells das dynamische Verhalten des resonanten Schwingsystems abgebildet. Basierend darauf werden Ansätze zur Prozessüberwachung abgeleitet. Im Detail erfolgt die Überwachung der Prozessstabilität mit Modulationserscheinungen des Ultraschalls. Der Zerspanungsprozess beeinflusst durch die resonante Kopplung das dynamische Verhalten des Schwingsystems. Mit Hilfe von prozessparallelen Messungen werden die Prozesssteifigkeit und -dämpfung als Kennwerte berechnet, welche die Grundlage zur Überwachung des Werkzeugverschleißes, der Erkennung von Materialfehlern sowie der Bearbeitungssituation des Bohrprozesses bilden. Die Zusammenhänge zwischen Kinematik und den Prozess- und Ergebnisgrößen beim ultraschallunterstützten Bohren sowie die Ansätze zur Prozessüberwachung werden mit Hilfe von verschiedenen Versuchsreihen zum Bohren und Tiefbohren validiert.
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Ultrasonic assistance in drilling and deep drilling is an approach to improve process performance. The work presents a novel idea of the combined use of ultrasound, i.e. it is used on the one hand actively to influence the machining process and on the other hand passively or sensorially for process monitoring. In this context, a system analysis of the machining process and the resonant vibration system is carried out. A kinematic process model is used to analyse the basic mechanisms of ultrasonic assistance in drilling and an electromechanical model is developed to investigate the dynamic characteristic of the resonant vibration system. Based on this, approaches for process monitoring are derived. In detail, the monitoring of the process stability relies on modulation phenomena of the ultrasound. In addition, the drilling process influences the dynamic behaviour of the vibration system through resonant coupling. Using in-process measurements, process stiffness and damping are calculated as key values, which are basis for the monitoring of tool wear, the detection of material defects and the machining situation of the drilling process. The relationships between kinematics and the process as well as result values in ultrasonic-assisted drilling and the approaches for process monitoring are validated through experimental test series for drilling and deep drilling.
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Schall und Ultraschall
2.1.1 Definitionen und Eigenschaften
2.1.2 Geschichte und Anwendung des Ultraschalls
2.1.3 Erzeugung von Ultraschall
2.2 Anwendung von Ultraschall in der Zerspanung
2.2.1 Einordnung und Einteilung
2.2.2 Effekte der Ultraschallunterstützung bei Zerspanungsprozessen
2.3 Ultraschallunterstütztes Bohren und Tiefbohren
2.3.1 Definition und Potentiale
2.3.2 Technologische Ergebnisse
2.3.3 Systeme für das ultraschallunterstützte Bohren
2.4 Prozessüberwachung
2.4.1 Definition, Zielstellung und Aufbau
2.4.2 Prozessüberwachung beim Bohren
2.4.3 Überwachung von ultraschallunterstützten Zerspanungsprozessen
3 Motivation, Ziele und Struktur der Arbeit
4 Systemanalyse
4.1 Ultraschallsystem
4.2 Analyse des ultraschallunterstützten Bohrens
4.2.1 Prozessmodell und –theorie
4.2.2 Aspekte der Prozessführung und -auslegung
4.2.3 Prozessmodell mit mehrdimensionaler Schwingbewegung
4.3 Analyse des Schwingsystems
4.3.1 Schwingverhalten und Auslegung
4.3.2 Elektromechanisches Verhalten
4.3.3 Werkzeugeinfluss
5 Konzept zur schallbasierten Prozessüberwachung
5.1 Aktorische und sensorische Nutzung des Ultraschalls
5.2 Ansätze und Funktionsprinzipien
5.2.1 Transmission
5.2.2 Modulation
5.2.3 Resonante Kopplung
5.3 Experimentelle Voruntersuchungen
5.3.1 Elektromechanisches Systemverhalten
5.3.2 Ansätze für die Prozessüberwachung
5.4 Einordnung und Auswahl der Überwachungsansätze
6 Entwicklung der Prozessüberwachungsverfahren
6.1 Grundlegender Aufbau und Statuserkennung
6.2 Prozessüberwachung mittels resonanter Kopplung
6.2.1 Sensorsystem, Messwerterfassung und Signalverarbeitung
6.2.2 Signalauswertung und Kennwertbildung
6.2.3 Klassifikation
6.3 Prozessüberwachung mittels Modulationserscheinungen
6.3.1 Sensorsystem, Messwerterfassung und Signalverarbeitung
6.3.2 Signalauswertung und Kennwertbildung
6.3.3 Klassifikation
7 Experimentelle Untersuchung und Validierung
7.1 Bohren mit geradgenutetem Bohrer in einer Aluminiumlegierung
7.1.1 Versuchsaufbau und –durchführung
7.1.2 Schwingungstechnische Vermessung des Ultraschallsystems
7.1.3 Versuchsergebnisse zum Einfluss der Prozessparameter
7.1.3.1 Grundlegende Beobachtungen
7.1.3.2 Phasenversatz
7.1.3.3 Vorschub
7.1.3.4 Drehzahl
7.1.3.5 Schwingungsamplitude
7.1.3.6 Diskussion der Ergebnisse zur Prozessüberwachung
7.1.4 Versuchsergebnisse zum Stabilitätsverhalten
7.2 Bohren mit Spiralbohrern in Eisenguss
7.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung
7.2.2 Schwingungstechnische Vermessung des Ultraschallsystems
7.2.3 Technologische Versuchsergebnisse
7.2.4 Materialfehlererkennung
7.3 Tiefbohren mit Einlippenbohrern in Stahl und Nickelbasislegierung
7.3.1 Versuchsaufbau und –durchführung
7.3.2 Schwingungstechnische Vermessung des Ultraschallsystems
7.3.3 Versuchsergebnisse in legiertem Ultraschall
7.3.3.1 Einfluss von Vorschub und Schwingamplitude
7.3.3.2 Analyse und Überwachung des Werkzeugverschleißes
7.3.3.3 Erkennung von Werkzeugbruch
7.3.3.4 Erkennung von Querbohrungen
7.3.4 Ergebnisse in Nickelbasislegierung
7.3.4.1 Analyse und Überwachung des Werkzeugverschleißes
7.3.4.2 Analyse und Überwachung des Stabilitätsverhaltens
7.4 Diskussion und Einordnung der Ergebnisse
8 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Anlage A: Herleitung des Spannungsverhältnisses
Anlage B: Identifikation des erweiterten Modells
Anlage C: Simulative Modalanalyse
Anlage D: Experimentelle Frequenzganganalyse
Anlage E: Materialeigenschaften
Anlage F: Bohrung mit Vorschubänderung
Anlage G: Prozess- und Ergebnisgrößen bei Drehzahländerung
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