Ultraschallunterstütztes Bohren und Tiefbohren mit schallbasierter Prozessüberwachung

Welf-Guntram Drossel (Herausgeber), Martin Dix (Herausgeber), Steffen Ihlenfeldt (Herausgeber)

Die Ultraschallunterstützung beim Bohren und Tiefbohren ist ein Ansatz zur Verbes-serung 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 Mo-dulationserscheinungen 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 Werkzeugver-schleißes, 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.