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27.05.2020

Kreuzbohrungen entgraten auf selbsttätig definierter Bahn

Fräswerkzeuge

Um sich kreuzende Bohrungen automatisiert entgraten und definierte Fasen anbringen zu können bedarf es einer exakten Berechnung der Bahn, die der Kugelkopffräser abfahren muss. An der TU Darmstadt wurde ein Modul entwickelt, das diese Aufgabe erfüllt.

von Adrian Meinhard und Matthias Weigold

Beim Bohren entstehen sowohl eintritt- als auch austrittseitig Grate, die es zu entfernen gilt. Die Gratentfernung bei innen liegenden Kreuzbohrungen stellt dabei aufgrund der schlechten Erreichbarkeit der Grate eine besondere Herausforderung dar. Konventionelle, mechanische Entgratwerkzeuge haben sich für das Entgraten von ebenen Austritten oder von Austritten mit geringer Krümmung auf Werkzeugmaschinen bewährt. Bei Kreuzbohrungen, die einen annähernd gleichen Durchmesser der Haupt- und der Querbohrung haben, liefern diese Werkzeuge jedoch oftmals nicht die erforderliche Entgratqualität [1].

1 Versuchsaufbau an einem Bearbeitungszentrum Hermle C32 U, mit dem am PTW der TU Darmstadt automatische Entgratprozesse an verschiedenen Kreuzbohrungen analysiert und optimiert werden

Der Fräsereingriff beim Entgraten wird rechnerunterstützt angepasst

Ein vom Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt entwickeltes Verfahren ermöglicht nun das automatisierte Entgraten von sich kreuzenden Bohrungen auf Bearbeitungszentren mit angepassten Kugelkopffräsern. Hierbei vollführt das Zerspanungswerkzeug in Abhängigkeit vom vorliegenden Verschneidungsfall aus Haupt- und Querbohrungen eine 3-Achs-Bewegung, die den anhaftenden Grat entfernt und Sekundärgrate minimiert. Das Verfahren ermöglicht das Entgraten durch die Quer- oder die Hauptbohrungen sowie von Bohrungsverschneidungen mit Achsversatz. Gemäß der Werkzeugposition innerhalb der Verschneidung wird im Vorfeld die Werkzeugbahn berechnet. Die rechnerinterne Anpassung des Werkzeugeingriffs sorgt im Entgratprozess für eine feine, konstante Fasenbreite. So werden tiefe Eingriffe und Kollisionen des Werkzeugs mit der Verschneidung der Bohrung vermieden. Die Fasenbreite sowie die Bearbeitungsrichtung lassen sich je nach Anforderungen an die Entgrataufgabe anpassen [2].

Das Verfahren zum Entgraten von Kreuzbohrungen schließt ergänzend zum Modul für die Bahngenerierung ein Modul zur Werkzeuggrößenauswahl und einen Postprozessor mit einer Nullpunktverschiebung ein, mit der eine automatische Generierung des G-Codes möglich ist. Zusammenfassend lässt sich das Modell als eigens für das Entgraten von Kreuzbohrungen entwickelte CAM-Applikation beschreiben. Im Folgenden wird auf einzelne Aspekte der Lösung näher eingegangen.

Erarbeitung eines Modells zur Werkzeugbahngenerierung

Die Probleme beim Entfernen von Grat an Bohrungsverschneidungen resultieren aus den stark variierenden Steigungen und der großen Krümmung über dem Umfang der Verschneidungskurve. Die Verschneidung beschreibt eine 3D-Raumkurve, die sich aus dem Schnitt des Hauptbohrungs- und des Querbohrungsdurchmessers ergibt und die in eine definierte Anzahl von Raumpunkten diskretisiert wird. Eine Auflösung in 90 bis 180 Punkte ist hierbei völlig ausreichend.

Gegenüberstellung verschiedener beispielhafter Entgrat-Anwendungsfälle (© PTW)

Die Kenntnis über die Lage der einzelnen Verschneidungspunkte reicht aber nicht aus, um die Verschneidung zu charakterisieren und eine Werkzeugbahn zu berechnen. Es werden auf Grundlage der mathematischen Repräsentation außer den Raumkoordinaten, die die Verschneidung abbilden, die Steigungen (steigend, fallend) innerhalb der 3D-Raumkurve, die Kantenwinkel (Winkel, die von Material umschlossen sind) und die Krümmungskreisradien über dem Umfang gebildet. Sie dienen dem Verfahren für die Bewegungssynchronisation aus steuerungstechnischem und werkzeugseitigem Ansatz als Eingangsgrößen.

Die Bewegungssynchronisation, die die Lage des Kugelkopffräsers in Abhängigkeit vom Ort innerhalb der Verschneidung beschreibt, hängt vom Kugelkopfdurchmesser und von der geforderten Fasenbreite ab. Der Werkzeugmittelpunkt TCP wird über den idealen Eingriffspunkt des Werkzeugs berechnet. Innerhalb des Algorithmus erfolgt die automatische Berechnung für jeden diskretisierten Verschneidungspunkt und erzeugt so die Werkzeugbahn.

Das Entgraten ist in fast allen Verschneidungssituationen möglich

Infolge der dreidimensionalen Kontur der Verschneidung variiert der Eingriffswinkel φi entlang der kugelförmigen Schneide. Der variierende Eingriffspunkt, der vom Eingriffswinkel φi beschrieben wird, ermöglicht die Entgratbearbeitung an sehr steilen Abschnitten der Verschneidung. So erfolgt eine Zuordnung der Werkzeugschneiden-Segmente zu den passenden Segmenten der Verschneidungskurve. Zudem sind größere Winkelbereiche der Schneide für die Entgratbearbeitung nutzbar − das ermöglicht einen verlängerten Standweg des Werkzeugs.

Der Vorteil des Konzeptes besteht darin, dass fast alle möglichen Verschneidungssituationen entgratbar sind. Wie in Bild 2 deutlich wird, lassen sich geeignete Werkzeugbahnen generieren, die das Entgraten von Kreuzbohrungen mit und ohne Achsversatz ermöglichen oder Neigungswinkel ungleich 90° haben. Auch das Generieren geeigneter Werkzeugbahnen für sogenannte 1 : 1-Verschneidungen, deren Quer- und Hauptbohrung den gleichen Durchmesser haben, ist einfach möglich. Das Entgraten mittels Kugelkopffräser kann hierbei durch die Quer- oder die Hauptbohrung erfolgen [2].

Innerhalb der Bahnberechnung sind Algorithmen hinterlegt, die eine Kollision des Werkzeugschaftes mit der Bohrungswand erkennen und vermeiden. Das Entgratverfahren setzt sich untrennbar aus der Gestalt und der Bewegung des Werkzeugs zusammen und bildet somit durch die Bewegungssynchronisation eine Einheit. Die errechneten Bahnen lassen sich über einen programminternen Postprozessor in ein G-Code Format konvertieren.

Ergebnis des Entgratens einer Kreuzbohrung in AlSi7Mg (Durchmesser von Haupt- und Querbohrung 20 und 12 mm, Achsversatz 2 mm): kleine Sekundärgrate unter 20 µm Höhe, Fase weitgehend konstant, Gratvermessung mit Alicona InfiniteFocus (© PTW)

Um die Leistungsfähigkeit des Verfahrens zu zeigen, werden im Folgenden zwei unterschiedliche, beispielhafte Anwendungsfälle dargestellt. Der erste beschreibt eine Kreuzbohrung im Werkstoff AlSi7Mg mit einem Hauptbohrungsdurchmesser von 20 mm und einem Querbohrungsdurchmesser von 12 mm sowie einem Achsversatz von 2 mm. Der zweite Anwendungsfall bezieht sich auf den Vergütungsstahl 42CrMo4V, der dazu neigt, hohe Grate und Bohrkappen am Bohrungsaustritt zurückzulassen. Die Hauptbohrung hat hierbei einen Durchmesser von 10 mm und die Querbohrung von 6 mm, und zwar ohne Achsversatz.

Primär- und Sekundärgrat ließen sich normenkonform beseitigen

Für die Testreihe beim Fall Eins mit der Aluminium-Legierung fiel die Wahl auf einen zweischneidigen Kugelkopffräser mit 5,8 mm Durchmesser und einem angepassten Schaftdurchmesser von 3,4 mm. Die Fasenbreite hatte man zuvor programmseitig auf 0,3 mm festgelegt. Die Schnittgeschwindigkeit und der Vorschub wurden auf 6000 min-1 und 100 mm/min gesetzt. Die zuvor berechnete Werkzeugbahn wurde im Gegenlauffräsen abgefahren. In Bild 1 ist der Versuchsaufbau, in Bild 3 sind die Ergebnisse dargestellt.

Die Testergebnisse bei drei Wiederholungen zeigen, dass der Primärgrat vollständig entfernt ist; er betrug vor dem Entgraten etwa 450 µm. Der Sekundärgrat blieb mit unter 20 µm deutlich unter der in der ISO 13715 festgelegten zulässigen Grathöhe von 50 µm [3]. Die Fasenbreite schwankt in einem geringen Bereich zwischen 250 und 350 µm und kann als weitgehend konstant angesehen werden. Im zweiten Fall wurde durch die Querbohrung entgratet mit einem zweischneidigen 3,8-mm-Kugelkopffräser mit 2,4-mm-Schaft. Im Zuge einer vollfaktoriellen Prozessparameter-Variation sollte der Einfluss von Drehzahl, Vorschub und Fasenbreite ermittelt werden. Als Fasenbreite wählte man 0,2 und 0,3 mm, als Vorschub und Drehzahl 100, 250 und 500 m/min sowie 5000, 7500, 10000 min-1 .

Versuchsaufbau und Testergebnisse des Entgratens von 42CrMo4V im Gegenlauf durch die Querbohrung (Durchmesser von Haupt- und Querbohrung 10 und 6 mm). Sichtbar sind die maximale Sekundärgrathöhe und der Mittelwert der Fasenbreite (© PTW)

Die Tests wurden mit drei Wiederholungen im Gegenlauffräsen überflutungsgekühlt durchgeführt. Die vom Bohren erzeugten Primärgrathöhen lagen bei 120 bis 230 µm. Teilweise waren anhaftende Bohrkappen am Austritt erkennbar. Es zeigte sich, dass Bohrkappen entfernt worden waren und dass die resultierende größte Sekundärgrathöhe bei knapp unter 30 µm liegt.

Eine Variation von Drehzahl, Vorschub sowie Breite der Soll-Fase haben keinen signifikanten Einfluss auf die Größe der Sekundärgrate. Die erzeugte Fasenbreite zeigt jedoch eine deutliche Abhängigkeit von den Parametern. So weicht die Ist-Fasenbreite mit hohem Vorschub und hoher Drehzahl deutlich von der Soll-Fasenbreite ab. Für moderate Parameter (f von 100 und 250 mm/min und n von 5000 und 7500 min-1 ) zeigte sich eine gute Übereinstimmung mit der eingestellten Fasenbreite. Alle getesteten Bohrungen wurden vom Primärgrat befreit, und eine Fase wurde vollumfänglich angebracht und weist somit auf einen robusten Prozess hin.

Zusammenfassung und Fazit

Das Verfahren ermöglicht ein automatisiertes Entgraten von Bohrungsverschneidungen an Drei-Achs-Bearbeitungszentren. Das Verfahren setzt sich aus Bahngenerierung, Werkzeuggrößenauswahl und Nullpunktverschiebung zusammen. Die Entgratung der Kreuzbohrungen kann hierbei sowohl durch die Hauptbohrung als auch durch die Querbohrung erfolgen und liefert wiederholbare, prozesssichere Entgratergebnisse. Darüber hinaus ist die hohe Einsatzflexibilität ein weiterer Vorteil. So lassen sich viele unterschiedliche Anwendungsfälle mit nur wenigen verschiedenen Kugelkopfdurchmessern entgraten. Die erzeugte Fasenbreite ist vollumfänglich weitgehend konstant und lässt sich je Anforderung frei wählen. Die Standzeit der Werkzeuge ist relativ hoch, da die Schneiden nicht punktuell belastet werden, sondern der Eingriffspunkt entlang der Schneide wandert.

Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des DFG-Forschungsprojekts AB 133/94–1 am PTW der TU-Darmstadt unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele erarbeitet. Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Unterstützung.

Institut und Autoren

PTW – Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen der TU Darmstadt, 64287 Darmstadt, Tel. +49 6151 16-20080, www.ptw.tu-darmstadt.de

Adrian Meinhard, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt, a.meinhard@ptw.tu-darmstadt.de

Prof. Dr.-Ing. Matthias Weigold ist Leiter dieses Instituts, m.weigold@ptw.tu-darmstadt.de

Literaturhinweis

[1] S. Güth und E. Abele: Automatisiertes Entgraten von Kreuzbohrungen – Werkzeugbenchmark. WB Werkstatt und Betrieb 10/2013, S. 74–78

[2] E. Abele, K. Schützer, S. Güth und A. Meinhard: Deburring of cross-drilled holes with ball-end cutters – modeling the tool path. Prod Eng 12/2018, S. 25–33

[3] ISO 13715:2000: Technische Zeichnungen – Werkstückkanten mit unbestimmter Form − Begriffe und Zeichnungsangaben. Normenausschuss Technische Grundlagen 2000: ISO/TC 10/SC 6, Technische Produktdokumentation

Unternehmensinformation

TU Darmstadt (PTW) Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen

Otto-Berndt-Str. 2
DE 64287 Darmstadt

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