Die Kunst der Herstellung nicht gerader Bohrungen

(1)

IFTInstitute for Production Engineering and Photonic Technologies

Univ.Prof. DI Dr. techn. habil. Friedrich Bleicher

Die Kunst der Herstellung nicht gerader Bohrungen

IFT Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien

Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. habil. Friedrich Bleicher

26.02.2019

(2)

IFT

Titel?

„Die Kunst der Herstellung nicht gerader Bohrungen“

 eine Bohrung ist immer „nicht gerade“.

German curved barrel (1944 – 1945)

G36

picture alliance McCollum, Ian (4 September 2014). "Krummlauf Curved

Barrel on an StG-44". Forgotten Weapons. 2018.

(3)

slide 3

Gezielte Herstellung nicht gerader Bohrungen

Maschinenbau

Sondermaschinenbau Powertrain

Formen- und Werkzeugbau, …

Bauingenieurwesen Tunnelbau

Bergbau Tiefbau

Medizin

minimal invasive OP Knochenbohren

Prozessindustrie Reaktoren

Wärmespeicher Ölfeldindustrie

Wer braucht ´ s?

nicht gerade Bohrungen

(4)

IFT

Die „einfache“ Variante

„Die Kunst der gezielten Herstellung nicht gerader Bohrungen“

Additive Fertigung

Renishaw

Hirtisieren: automatisiertes Entfernen von

Stützstrukturen auch an Innen-Kontouren

(5)

slide 5

Ölfeld-Industrie „directional drilling“

 Längen- zu Durchmesserverhältnis L/D ≈ 5 ∙ 10 ⁴

(6)

IFT

Ölfeld-Industrie „directional drilling“

 Längen- zu Durchmesserverhältnis L/D ≈ 5 ∙ 10 ⁴

Radius: 300 m bis 900 m Radius: 45 m bis 300 m

Radius: 22 m bis 45 m

Radius: 12 m bis 22 m

langer Radius mittlerer Radius

kleine

Radien

(7)

slide 7

Ölfeld-Industrie „directional drilling“

 Verfahren

Whipstock With fluid nozzle Steerable motor

(8)

IFT

Medizintechnik - antegrader Femurnagel

Femurnagel

Medtech ZWO

(9)

slide 9

Werkzeugvergleich

Was Sie schon immer – nicht – wissen wollten!

Ölfeldindustrie Medizintechnik

(10)

IFT

Tiefbohren Pleuelbearbeitung kleines Auge

Trompete

Oval

Quelle: Krauseco, Daimler

E

E+15µm

MERKMAL TOLERANZ EINZUHALTEN zu ERREICHEN Durchmesser 6 µm messgesteuert

(Cmk 2,0) 2,0 µm

Rauheit Rz 6,3 Cmk 2,0 2,1 µm

Rundheit 3 µm Cmk 2,0 1,0 µm

(11)

slide 11

 Small bore full boring D16,50 mm

 Reboring D18,80 mm

 Reaming D19H8 mm

Leichtbaupleuel

Kontur- und Ovalbohren

Prozess-Parameter:

v

_c

= 200 m/min n = 3.860 1/min

f

_z

= 0,1 mm v

_f

= 386 mm/min (100%)

≈ 2°

(12)

IFT

Tiefbohren - Einfluss auf die Mittenabweichung

Arbeitsweise Werkzeug rotiert Werkstück rotiert

Werkzeug und Werkstück im Gegenlauf

Maschinenzustand Fluchtung

Bohrbuchse Spannelemente Lünette

Werkzeug Verschleiß Steifigkeit Geometrie Schneidstoff Führungsleisten

Werkstück Werkstückstoff Gefügestruktur

Form und Wandstärken Dyn. und stat. Steifigkeit Eigengewicht, Durchhang Unwucht, Rundlauf

Schnittbedingungen Schnittgeschwindigkeit Vorschub

Kühlschmierstoff

Anbohrzustand (Pilotbohrung)

Einflüsse

Mittenabweichung

(13)

slide 13

Prozessphasen des Tiefbohrens 1

Quelle: Sandvik

ohne Lünette mit Lünette Effekte

Auslenkung

 y_FG

 Y_Fl

Auslenkung

 Y_Fl

Auslenkung

 y_Ff

 Y_RV

Bohren

Bohrphase 0: Bohrerschaftauslenkung ohne Bohrbuchse

Bohrphase 1: Abstützung des Bohrkopfes in der Bohrbuchse

Bohrphase 2: Erster Kontakt der Schneidenspitze mit dem Werkstück

infolge Eigengewicht

infolge der Fliehkraft

infolge der Vorschubkraft

infolge des Führungs- leistenrück- versatzes y_FG

yFl

n

yFl n n

yFf

yRV

Ff

FC

F2

Δf

F_G y_FG

yFl

n

yFl n n

yFf

yRV

F_f

FC

F2

Δf

F_G

yFl n n

[IFT, SBOT]

(14)

IFT

Prozessphasen des Tiefbohrens 2

Quelle: Sandvik

ohne Lünette mit Lünette Effekte

Δf

F_G

Bohren

Bohrphase 3: Bohrkopf innerhalb des Werkstückes

Bohrphase 4: Bohrkopf und Bohrerschaft im Werkstück

Bohrphase i: Innhomogenität im Werkstückstoff

Vorschub- änderung

Eigengewicht yFG

y_Fl

n

y_Fl n n

yFf

yRV

Ff

FC

F₂

Δf

FG

yFG

yFl

n

yFl n n

yFf

yRV

Ff

FC

F₂

Δf

FG

yFG

yFl

n

yFl n n

y_Ff

yRV

F_f

FC

F₂

Δf

F_G

(15)

slide 15

In-Prozess Messung zur Prozessbeherrschung

 Bohrungsverlauf x,y [mm]

 Drehmoment M [Nm]

 Vorschubkraft F

_z

[N]

 Antriebsleistung P [kW]

 Körperschall Ampl. F

_ks

[kHz]

 Beschleunigung, F

_bs

[Hz]

 Öl-Druck p [bar] bzw. Durchfluss 𝑞 ሶ [l/min]

 Drehzahl n [U/min]

 Vorschub f [mm/min]

y z x

Bohrkopf VDI40 Adapter

mit Spankanal Sensorischer

Bohradapter Abdeckung Messleiter KSS

Versorgung DMS-Brücke

Biegung Fb, Normalkraft Fz,

Torsion Mz Rechteckgewinde

Schnittstelle Bohrkopf

y z x

4 Beschleunigungs-

sensoren

(16)

IFT

Fluidkräfte – CFD-Simulation

 Kühlschmiermittelpulsationen

■ Einfluss der Bohrergeometrie auf Druckverteilung

0 20 40

Bohrer 0 Bohrer 1 Bohrer 2 Bohrer 3

0r

Druckverlaufsmessung in [bar]

Resultierende Ölkraft auf Bohrer

Seitenansicht Seitenansicht

Modell 2

ohne Führungsfasen Modell 1

mit Führungsfasen

Modell 1 Modell 2

(17)

slide 17

Beeinflussung über Fluidkräfte (ELB)

 Kühlschmiermittelpulsationen

-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2

Mitt enve rsat z in X und Y in [m m]

Längsachse [mm]

Y - Abweichung X - Abweichung

zur Mitte / unten zum R and /

PULSATION 80°

BREITE 50 bar100 S=80%

F=30%

100mm PULSATION 100°

F=30%

PULSATION 290°

F=30%

PULSATION 200°

F=30%

PULSATION 140°

F=30%

Bohrungsdurchm.: 6,35 mm

Bohrungslänge: 1680 mm Mittenverlauf (max.) 0,5 mm

-2,0 -1,2 -0,4 0,4 1,2 2,0

Y – Ab we ich ung [m m]

X – Abweichung [mm]

Verlauf 6,35mm Bohrung

Arbeitsparameter

Drehzahl n in [min^-1] 1755 Schnittgeschw. vc in [m/min] 35 Vorschub f in [mm/U] 0,02 Vorschubgeschw. vf in [mm/min] 35,1 Bohrdurchmesser d in [mm] 6,35 KSS-Zufuhr Q in [l/min] 20,0

(18)

IFT

Beeinflussen des Bohrungsmittenverlaufes

 gesteuertes Einlippen-Tiefbohren durch KSS-Pulsation

 gezieltes Ablenken des Bohrungsverlaufes

Pulsationssteuerung mit Ultraschall- Messsystem

Ablenkpunkt bei l/D=150 Exzentrische, gerade EL-Tiefbohrung

Abgelenkte Bohrung trifft Tasche

Ablenkwinkel β

Erodierbeginn an Schulter, DM = 3/8" - ca. 9,5 mm Genauigkeit ca. +/- 1 mm in beiden Achsen

Straight gun hole length: 76" - 1.930 mm Angular deviation ca. 3°

Gesamtlänge von gun hole: 2.285 mm Tasche Funktion: Sensortasche

Versuchstand zum gesteuerten ELB-

Bohren mit Multi-Sensor-µP-Steuerung

(19)

slide 19

Bisher nur mit „Stub Welding“ möglich

Bohren von S-Kurven

Mögliche Bauteilformen

Mögliche Schweißbereiche bei konventioneller Fertigung

(20)

IFT

System mit fixer Vorrichtung

Gooseneck Drilling – Konzept (EDM)

(21)

slide 21

Versuche 2014

Parallelkinematisches System - Schema

Parallelkinematischer Bewegungsapparat

Abschirmgeflecht

(Energieübertragung) Elektrode

Führungseinheit vorne

Abdichtung Vorschubstangen

Motor / Getriebe / Spindeleinheit

(22)

IFT

Korrekturdatenübertragung, Startmeldung

Positionsmessung der Bohrung Generatorleistung Spanner, Schrittvorschub Antrieb

Anlagenkonzept - Steuerungstechnik

Maschinenlösung

(23)

slide 23

Versuche 2014

Erodier-Anlage Zimmer + Kreim Z + K Genius 700

Testwerkstück waagrecht liegend

Prototypeinheit Nachschubeinheit

Teststück waagrecht

liegend Antriebsmotoren

Steuerbare Vorrichtung

Maschinenlösung

(24)

IFT

Versuchsanlage

Aufbau der Anlage bei SBOT

(25)

slide 25

Zusammenfassung

 Gerade zu bohren, ist nicht einfach und hat seine heimtückischen Seiten!

„Take care! – selbst wenn man denkt, die Bohrung ist getan“

(26)

Univ.Prof. DI Dr. techn. habil. Friedrich Bleicher

Die Kunst der Herstellung nicht gerader Bohrungen

Die Kunst der Herstellung nicht gerader Bohrungen

IFT Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien

Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. habil. Friedrich Bleicher

26.02.2019

Titel?

„Die Kunst der Herstellung nicht gerader Bohrungen“

 eine Bohrung ist immer „nicht gerade“.

German curved barrel (1944 – 1945)

G36

picture alliance McCollum, Ian (4 September 2014). "Krummlauf Curved

Barrel on an StG-44". Forgotten Weapons. 2018.

Gezielte Herstellung nicht gerader Bohrungen

Maschinenbau

Sondermaschinenbau Powertrain

Formen- und Werkzeugbau, …

Bauingenieurwesen Tunnelbau

Bergbau Tiefbau

Medizin

minimal invasive OP Knochenbohren

Prozessindustrie Reaktoren

Wärmespeicher Ölfeldindustrie

Wer braucht ´ s?

nicht gerade Bohrungen

Die „einfache“ Variante

„Die Kunst der gezielten Herstellung nicht gerader Bohrungen“

Additive Fertigung

Renishaw

Hirtisieren: automatisiertes Entfernen von

Stützstrukturen auch an Innen-Kontouren

Ölfeld-Industrie „directional drilling“

 Längen- zu Durchmesserverhältnis L/D ≈ 5 ∙ 10 4

Ölfeld-Industrie „directional drilling“

 Längen- zu Durchmesserverhältnis L/D ≈ 5 ∙ 10 4

Radius: 300 m bis 900 m Radius: 45 m bis 300 m

langer Radius mittlerer Radius

kleine

Radien

Ölfeld-Industrie „directional drilling“

 Verfahren

Whipstock With fluid nozzle Steerable motor

Medizintechnik - antegrader Femurnagel

Femurnagel

Medtech ZWO

Werkzeugvergleich

Was Sie schon immer – nicht – wissen wollten!

Ölfeldindustrie Medizintechnik

Tiefbohren Pleuelbearbeitung kleines Auge

Trompete

Oval

E

E+15µm

MERKMAL TOLERANZ EINZUHALTEN zu ERREICHEN Durchmesser 6 µm messgesteuert

(Cmk 2,0) 2,0 µm

Rauheit Rz 6,3 Cmk 2,0 2,1 µm

Rundheit 3 µm Cmk 2,0 1,0 µm

 Small bore full boring D16,50 mm

 Reboring D18,80 mm

 Reaming D19H8 mm

Leichtbaupleuel

Kontur- und Ovalbohren

Prozess-Parameter:

v

= 200 m/min n = 3.860 1/min

f

= 0,1 mm v

= 386 mm/min (100%)

≈ 2°

Tiefbohren - Einfluss auf die Mittenabweichung

Arbeitsweise Werkzeug rotiert Werkstück rotiert

Werkzeug und Werkstück im Gegenlauf

Maschinenzustand Fluchtung

Bohrbuchse Spannelemente Lünette

Werkzeug Verschleiß Steifigkeit Geometrie Schneidstoff Führungsleisten

Werkstück Werkstückstoff Gefügestruktur

Form und Wandstärken Dyn. und stat. Steifigkeit Eigengewicht, Durchhang Unwucht, Rundlauf

Schnittbedingungen Schnittgeschwindigkeit Vorschub

Kühlschmierstoff

Anbohrzustand (Pilotbohrung)

Einflüsse

 Längen- zu Durchmesserverhältnis L/D ≈ 5 ∙ 10 ⁴

 Längen- zu Durchmesserverhältnis L/D ≈ 5 ∙ 10 ⁴