Abbildung: Skizze des Vibrationsbohrprozesses

Im Zentrum des Projektes steht die numerische Analyse und Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion beim vibrationsunterstützten Bohren unter Verwendung der Minimalmengenschmierung. Das Vibrationsunterschützte Bohren unterscheidet sich zum konventionellen Bohren dahingehend, dass die Prozesskinematik der axialen Vorschubbewegung mit einer Schwingung überlagert wird, was einen positiven Effekt auf die Spanabfuhr nach sich zieht. Die begünstigte Spanabfuhr lässt sich damit erklären, dass es beim vibrationsunterstützten Bohren zu einem kinematisch bedingten Spanabbruch kommt. Im Vergleich zum konventionellen Bohren, bei der für gewöhnlich lange Späne generiert werden, was wiederum zu hohen thermischen Belastungen von Werkstück und Werkzeug, hohem Werkzeugverschleiß, Reduzierung der Maßhaltigkeit sowie Oberflächenqualität, wirkt sich die Spanunterbrechung beim vibrationsunterstützten Bohren sehr positiv auf den Bohrprozess aus. Damit eignet sich das Verfahren insbesondere für die Zerspanung von schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Ti6Al4V und Inconel 718.

Zu Unterstützung der Spanbildung durch das VUB können dem primären Wärmeentstehungsbereich des Prozesses in besonders geeigneter Weise Fluide bzw. Kühlschmierstoffe (KSS) durch interne Kanäle im Bohrwerkzeug direkt zugeführt werden. Neben der Kühlung und Schmierung unterstützt das KSS-Medium den Abtransport der separierten Späne. Es ist z.Zt. aber nicht bekannt, wie die verschiedenen Kühl-Schmierstoff-Konzepte mit dem oszillierenden Strömungsspalt interagieren und ob hier bspw. feine Tröpfchen bei Minimalmengenschmierung (MMS) oder ein Fluidfilm entstehen.

Den geplanten Arbeiten des Projekts ViBohr liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die oszillierende Werkstückbewegung beim Vibrationsbohren zu einer grundlegenden Veränderung des Spanbildungsprozesses (diskontinuierliche Spanentstehung) im Vergleich zum konventionellen Bohren (kontinuierliche Spanentstehung) führt. Infolge der zeitlich und lokal variierenden Strömungs- und Benetzungsbedingungen im Wirkspalt des Vibrationsbohrens werden

1) die Wärmeentstehung, insbesondere durch Reibung zwischen den entstehenden Spänen und den Spanflächen des Werkzeugs sowie zwischen dem Werkstück und den Freiflächen des Werkszeugs und der

2) Wärmeübergang vom Werkstückgrund und den Spanoberseiten in das zugeführte (MMS-)Medium grundlegend verändert.

Die bisherigen Forschungsarbeiten zum VUB sind überwiegend empirischer Natur. Numerische Analysen und Simulationen zur Spanentstehung berücksichtigen bisher keine Details zur Fluid-Struktur-Interaktion des Spanentstehungsprozesses. Das Projekt ViBohr intendiert die gezielte Optimierung des vibrationsunterstützten Bohrprozesses durch die Entwicklung und Anwendung eines integralen, multi-physikalischen Prozessmodells.