Technologische Analyse des Ejektortiefbohrens zur Entwicklung strömungsoptimierter Werkzeuge
Creators: name: Gerken, Julian Frederic
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2024
Subjects: subject: Ejektortiefbohren
subject: Kühlschmierstoffversorgung
subject: Additive Werkzeugfertigung
subject: 620
subject: 670
subject: BTA-Tiefbohren
subject: Spanende Bearbeitung
subject: Kühlschmierstoff
subject: Selektives Laserschmelzen
subject: Rapid Tooling

description: Bedingt durch die stark steigenden Energiekosten nimmt die Effizienzsteigerung und Optimierung von Werkzeugen in der spanenden Fertigung eine immer wichtigere Rolle ein. Dabei bietet das Ejektortiefbohren insbesondere im Hinblick auf den energieintensiven Bereich der Kühlschmierstoffversorgung für industrielle Anwendungen enormes Optimierungspotenzial, hochpräzise Tiefbohrprozesse mit hohen Zerspanleistungen und sehr guten Oberflächengüten auf konventionellen Bearbeitungszentren zu realisieren und ressourceneffizient zu nutzen. Aufgrund des ungenügenden Grundlagenwissens zu den physikalischen Vorgängen und Wirkmechanismen beim Ejektortiefbohren wird der aktuelle Einsatz oft unter suboptimalen Prozessparametern durchgeführt, wodurch erhöhte Prozesskosten mit unnötig hohen Energieaufwendungen resultieren. Um die Wissenslücke in diesem Bereich zu schließen, wird in der vorliegenden wissenschaftlichen Arbeit ein Grundlagenverständnis zu den physikalischen Wirkzusammenhängen beim Ejektortiefbohren erarbeitet und als Basis für die Entwicklung strömungsoptimierter Werkzeuge herangezogen. Dazu wird ein innovativer Versuchsstand zur prozesssimultanen Erfassung der Prozessdaten mit kombinierter In-Prozess-Sensorik entwickelt, in Betrieb genommen und der Einfluss der Schnittparameter sowie des Kühlschmierstoffvolumenstroms im Hinblick auf die Kühlschmierstoff-Druckverteilung im Werkzeugsystem analysiert. Das weitere Vorgehen beinhaltet die Charakterisierung der im Bohrprozess auftretenden Werkzeugbelastungen und Temperaturen unter Variation der Prozessparameter, die als Eingangs- und Validierungsdaten für nachfolgende Struktur- und Strömungssimulation verwendet werden. Um ein tiefgreifendes Prozessverständnis über die Strömungsverhältnisse und Spanbildungsmechanismen zu erlangen, werden Hochgeschwindigkeitsaufnahmen im laufenden Tiefbohrprozess angefertigt, die, in Kombination mit einem Werkzeugsystem aus Polycarbonat und einer mit Polyamidpartikeln angereicherten Kühlschmierstoff-Strömung, eine wirkstellennahe Analyse der Spanbildung und der Strömungscharakteristika am Werkzeugsystem ermöglichen. Auf Grundlage der geschaffenen empirischen Datenbasis werden optimierte Ejektorbohrkopfmodifikationen konstruktiv ausgearbeitet und im Hinblick auf ihre statische Belastbarkeit einer statischen Belastungsanalyse unterzogen, sodass Spannungsspitzen an hochbelasteten Bereichen in der Konstruktion identifiziert und konstruktiv überarbeitet werden können. Um eine Bewertung der Modifikationsmaßnahmen im Hinblick auf die resultierende Kühlschmierstoffströmung ohne aufwendigen Prototypenbau zu realisieren, werden SPH Strömungssimulationen mit den CAD Modellen angefertigt und hinsichtlich ihrer Strömungscharakteristika analysiert. Basierend auf diesen Kenntnissen werden zwei Prototypenversionen additiv durch das selektive Laserstrahlschmelzen im Pulverbettverfahren hergestellt und in ersten Referenzversuchen eingesetzt. Die entwickelten Werkzeuge zeigen im Vergleich zum Standardwerkzeug eine effizientere Kühlschmierstoffversorgung der Führungsleisten und Werkzeugschneiden sowie einen signifikant verbesserten Abtransport der Späne aus der Wirkzone. Der notwendige Kühlschmierstoff Volumenstrom konnte um bis zu 42 % reduziert werden. Die entwickelten Werkzeuge leisten somit einen großen Beitrag zur Realisierung ressourceneffizienter Ejektortiefbohrprozesse.
description: Optimizing the efficiency of tools in machining production has become increasingly important due to the increase in energy costs. Ejector deep hole drilling has significant potential for energy consumption savings and therefore cost reduction. The use of ejector deep hole drilling offers enormous potential for optimized cooling lubricant supply in industrial applications. It allows high-precision deep hole drilling with excellent cutting performance and surface qualities on conventional machining centers while minimizing the use of resources. Due to a lack of basic knowledge, ejector deep hole drilling is often performed with suboptimal process parameters. This results in high process costs and energy consumption. This scientific work aims to provide a fundamental understanding of the physical interactions in ejector deep hole drilling and to use this as a basis for the development of optimized drilling tools. To achieve this goal, an innovative test rig for the simultaneous measurement of process data with combined in-process sensors will be developed and put into operation. To characterize the tool loads and temperatures during the drilling process, the process parameters will be varied and the results will be used as input and validation data for the structure and flow simulations. To gain a deeper understanding of the flow conditions and chip formation mechanisms, high-speed recordings are made during the deep hole drilling process, which, in combination with a polycarbonate tool system and a fluid flow enriched with polyamide particles, allow an analysis of the chip formation and flow characteristics in the tool system. Based on the generated empirical database, optimized ejector drill head modifications are designed and analyzed for their static load capacity to identify peaks in highly stressed areas and to revise the design. In order to evaluate the modifications with respect to the resulting cooling lubricant flow without costly prototyping, SPH flow simulations are performed with the CAD models and analyzed with respect to their flow characteristics. Based on this knowledge, two prototype versions are additively manufactured using selective laser melting. The modified tools are used in further experiments and compared with the reference tool. The modified drill heads demonstrate increased efficiency in supplying cooling lubricant to the guide pads and cutting edges, as well as significantly improved removal of chips from the cutting zone, resulting in a reduction of up to 42 % in the required volume flow of cooling lubricant. This represents a significant improvement in the realization of resource-efficient ejector deep hole drilling processes.
description: Schriftenreihe des ISF; 113