Sensorintegrierte Signalverarbeitung − Überwachung des Spanabtransportes beim Tiefbohren

Der Trend zu effizienteren Produkten mit reduziertem Gewicht und geringerer Baugröße führt zu immer kleineren Dimensionen technischer Merkmale wie z. B. Bohrungsdurchmessern. Ein bekanntes Beispiel ist die Herstellung von Einspritzdüsen. Die Innovationen zur Steigerung der Effizienz sind durch Maßnahmen zur Erhöhung der Einspritzdrücke von bis zu 2000 bar charakterisiert. Für die technische Umsetzung wird in den Einspritzdüsen eine Verkleinerung der zuführenden Bohrungen bei gleichzeitigem Einsatz von höherfesten Werkstoffen angestrebt. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung solcher Bohrungen mit Aspektver-hältnissen bis 100 ist das Einlippentiefbohren. Der Einsatz von Tief-bohrwerkzeugen mit kleinen Durchmessern erhöht jedoch das Risiko von Werkzeugbrüchen [7]. Diese können aufwendige Nacharbeiten erforderlich machen oder im schlimmsten Fall zum Ausschuss des gesamten Bauteils führen. Zur Vermeidung der heute üblichen konservativen Pro-zessauslegung, die zu langen Zykluszeiten und einer wenig wirtschaftli-chen Maschinennutzung führen, sind eine geeignete Prozessüberwachung sowie probate Regelungsstrategien notwendig.

Der Einlippentiefbohrprozess wird durch Faktoren wie der maximal zulässigen Werkzeugbelastung und dem sicheren Spanabtransport einge-schränkt [8]. Heutige Prozessüberwachungslösungen für den Prozess konzentrieren sich auf die Überwachung von Kräften und Beschleunigungen. Diese Ansätze sind geeignet, um Störungen zu identifizieren und Gegenmaßnahmen einzuleiten. Zu den Störungen beim Tiefbohren zählen Spanablaufbehinderungen, die bereits zu Oberflächenfehlern führen, sodass trotz Vermeidung des Werkzeugbruchs eine Werkstückschädigung eintreten kann. Die Überwachung des Spanabtransports ist hier eine geeignete Maßnahme, um präventiv ungewünschte Prozesszustände zu erkennen und Gegenmaßnahmen einzuleiten. Etablierte Ansätze zur Überwachung des Spanabtransports existieren bereits für große Durchmesserbereiche und insbesondere für das BTA-Tiefbohrverfahren. Die heutigen Überwachungslösungen für kleine Durchmesserbereiche und das Einlippentiefbohren sind aufgrund der eingeschränkten Zugänglichkeit zur Zerspanstelle, hohen Kühlschmierstoffdrücken größer 120 bar und den prozessbedingt hohen Spanabtransportgeschwindigkeiten sehr ungenau und nicht für die Regelung des Tiefbohrprozesses geeignet. Im Folgenden wird ein optisches Sensorkonzept zur Spanabtransportüberwachung beim Einlippentiefbohren kleiner Durchmesser vorgestellt und ein Ausblick zur Nutzung dieses Systems beim Aufbau einer Regelung gegeben.
Bild 13 zeigt die unterschiedlichen Spanformen beim Bohren mit einem neuen und einem verschlissenen Einlippenwerkzeug vom Durchmesser D = 2 mm in einem Vergütungsstahl.

Der Werkzeugverschleiß führt zu langen Spänen. Die veränderte Span-form kann zu pfropfenartig verklemmten Spänen in der Sicke führen und somit einen Spänestau mit Werkzeugbruch verursachen. Um den Zustand der Spanlängen, der Spanabtransportgeschwindigkeit und der Spanfrequenz messen zu können, wurde die Bohrbuchse als geeignete Messstelle identifiziert, da hier das Späne-Kühlschmierstoffgemisch noch in der Werkzeugsicke gebündelt ist. In Bild 14 ist der Einbau des neuen opti-schen Überwachungssystems dargestellt.