Der Kronenbohrer von Gühring perfektioniert die Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen. Der Vorteil in der Anwendung: Der Stopfen wird sicher ausgesto?en. Bei der Konstruktion der Schneidengeometrie profitieren wir von hohen Fertigungstiefen.
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Delamination ist nach wie vor eine der gr??ten Fehlerquellen beim Bohren von Faserverbundwerkstoffen (FVK). Sch?digungsfreie Durchgangsl?cher sind daher ab Durchmesser ? 25,00 mm fast nur noch durch Helixfr?sen herstellbar. Dies allerdings ist zeitaufwendig, führt zu hohem Werkzeugverschlei? und zu starker, m?glicherweise gesundheitssch?dlicher, Staubentwicklung. Ein neu entwickelter Kronenbohrer von Gühring zeigt sich in diesem Anwendungsfeld als das überlegene Werkzeugkonzept.
Der gro?e Vorteil in der Anwendung des neu entwickelten Kronenbohrers ist der sichere Aussto? des Stopfens. Dieser bleibt bei Bohrungen gro?er Durchmesser übrig. Bei der Anwendung eines Kronenbohrers zerspant der Anwender nur die Wandst?rke des Bohrwerkzeugs, ist dadurch schneller, hat einen geringeren Werkzeugverschlie? und eine viel geringere Staubbelastung gegenüber dem Helixfr?sen.
Faserverbundwerkstoffe delaminationsfrei bohren
M?glich gemacht wird dies durch eine prozesssichere Kühlung und ausgeklügelte Schneidengeometrie. Trockenbearbeitung mit Druckluft als Kühlmedium ist hier das Mittel der Wahl. Kühlschmiermittel (KSS) ist prinzipiell m?glich, aber problematisch: Es wird zu viel Druck ben?tigt, um den Stopfen nach dem Bohren auszuwerfen. Druck jenseits der 30 bar würde zur Delamination führen. Das gilt es bei der Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen zu vermeiden.
Der Kronenbohrer von Gühring arbeitet mit einer zentralen Tr?ger-Kühlung und einer direkten Schneidenkühlung. Das Werkzeug hat eine Kühlleitung im Zentrum des Werkzeugtr?gers und drei Verteilerbohrungen vom zentralen Kühlmittelstopfen zu den Aufnahmebohrungen. Dadurch tritt das Kühlmittel direkt an der Schneide aus.
Kronenbohrer mit variabler Schneidengeometrie
Eine prozesssichere Zerspanung ist auch abh?ngig von der Schneidengeometrie des Kronenbohrers. Deshalb hat Gühring bei dem Kronenbohrer jede Menge Entwicklungsarbeit in die perfekte Position der Schneiden und deren Geometrie gelegt. Es gibt unterschiedliche M?glichkeiten, wie die Schneidausrichtung gestaltet werden kann: stumpf, nach au?en gerichtet, nach innen gerichtet. Diese L?sungsans?tze brachten jeweils unterschiedliche Vor- und Nachteile mit sich.
Delimination durch drückenden Stopfen
Ein Kronenbohrer mit rechteckiger Schneidengeometrie erwies sich als ungeeignet, weil die Vorschubkraft in die Decklage eingeleitet wird. Die Weiterentwicklung sah vor, die Schneiden einzeln anzuschr?gen. Der Vorteil dabei ist, dass die Vorschubskraft Fa nur auf den Stopfen und nicht auf das Werkstück gelenkt wird. Die Vorschubskraft ist jedoch so enorm, dass der Stopfen bei den letzten Lagen abhebt und eine Delamination verursacht. Gleichzeitig werden die Schneiden durch die Schneidengeometrie nach au?en abgelenkt. Bei einer zu nachgiebigen Gestaltung der Schneidtr?ger kann es dadurch zu einer Durchmesseraufweitung über den Bohrungsverlauf kommen.
Delamination durch sch?lende Spitze
Bei der dritten Variante zeigen die Schneiden nach au?en. Hier hat der Anwender null Vorschubskraft Fa auf dem Stopfen. Dafür wird die gesamte Vorschubskraft in das Werkstück eingeleitet und die Schneiden werden nach innen gedrückt. Es kommt zu einer Absch?lung bzw. Delamination.
Aufteilung der Vorschubkraft durch asymetrische Schneidengeometrie
Als logische Konsequenz fiel die Wahl auf eine asymmetrische Schneidengeometrie: nicht symmetrisch mit 90 Grad-Spitze, wie von konventionellen Bohrern gewohnt. Wichtig war es, die Aufteilung der Vorschubskraft zwischen dem Werkstück und dem Stopfen einzustellen. Der Grund: Die einzelnen Materialien im Verbund zeigen unterschiedliche Delaminationsneigungen, was die Zerspanung zus?tzlich erschwert.
Hier wird die Problematik zur Chance: Faserverbundwerkstoffe k?nnen unterschiedliche Neigungen zum Delaminationsverhalten haben. Mit dem Konzept des Kronenbohrers, kann Gühring auf die jeweiligen Bedürfnisse des Materials reagieren. Das hei?t die Schneidengeometrie kann jederzeit angepasst werden, je nachdem wie der Werkstoff sich verh?lt. Bereits erprobt wurden zahlreiche Arten von Faserverbundwerkstoffen mit duroplastischen Matrixsystemen, wie GFK, CFK sowie CFK mit Cu-Mesh als Decklage. Letzteres wird h?ufig für Au?enhautbauteile in der Luftfahrt eingesetzt. Die Art der textilen Verst?rkung beinhaltete UD, Gewebe (Leinwand, K?per & Atlas), Gelege als endlosfaserverst?rkte Varianten sowie lang- und kurzfaserverst?rkte Faserverbundwerkstoffe.
Hohe Fertigungstiefe und flexibler Tr?ger
Die Schneidtr?ger des Kronenbohrers werden einzeln gefertigt. Das erm?glicht eine gr??ere Designfreiheit als bei fest verl?teten Werkzeugen. Hier profitiert Gühring ganz klar von seiner Fertigungstiefe. Der Tr?gerrohling des neuen Kronenbohrers kam bereits bei anderen Werkzeugkonzepten erfolgreich zur Anwendung – ?proof of concept“ sozusagen.
Der Bohrungsdurchmesser des Kronenbohrers ist konstruiert auf 40,5 mm, aber nach unten bis auf Durchmesser 25 mm skalierbar.
Gühring-intern wurden Versuche, Messungen und Prüfmittel von anderen Feldern miteinbezogen, um von diesen Synergien in einem neuen Werkzeugsystem zu profitieren.
In der Entwicklung hat sich eine Schneidengeometrie durch ihre guten bis sehr guten Ergebnisse in den verschiedenen Faserverbundwerkstoffen als Allrounder durchgesetzt. In Spezialf?llen zeigten Sonderformen der Schneidengeometrie in einzelnen Anwendungsf?llen leichte Vorteile. Hier verfügt Gühring über Know-how, um bei Bedarf, auf individuelle Kundenanforderungen einzugehen. M?glich sind verschiedene Schneidstoffe von blankem Vollhartmetall, über beschichtetes Vollhartmetall bis hin zu PKD-Schneiden.
Der Bohrungsdurchmesser ist konstruiert auf 40,5 mm, aber nach unten bis auf Durchmesser 25 mm skalierbar. Nach oben wurde bisher keine technische Grenze identifiziert. 80 bis 100 mm sind kein Problem.
Unerl?sslich bei der Bohrung von FVK: Beschichtung
Alle Ausführungen des Kronenbohrers zeigen sehr gute Bohrungsaustritte. Eine Beschichtung ist in vielerlei Hinsicht unerl?sslich. Erstens um die Oberfl?chenh?rte zu erh?hen, da der Staub von Faserverbundwerkstoffen oftmals abrasiv wirkt. Zweitens weil Kohlenstaub elektrisch leitf?hig ist und in Verbindung mit einem leitf?higem Medium die Korrosion beschleunigen würde.
Der Kronenbohrer besteht aus einem Grundk?rper, der Aufnahmebohrungen für die Schneidtr?ger beinhaltet. Diese Bohrungen verlangen eine Durchmessertoleranz und eine Positionstoleranz. Die Schneiden wiederum haben ebenfalls eine Fertigungstoleranz. Die Wechselgenauigkeit betr?gt 65 μm. Zudem besteht die M?glichkeit, die Werkzeuge nach jedem Schneidenwechsel rundzuschleifen, was die Wechselgenauigkeit weiter nach unten drückt. Die Wiederholgenauigkeit in einem Setup betr?gt +/- 10 μm.
Eingesetzt wird der Kronenbohrer in Maschinenbau und Luftfahrt. Weitere Anwendungen sind im Bereich Bootsbau und der Windkraft (Rotornaben, Rotorbl?tter, Verschraubungen) denkbar.
Was sind Faserverbundwerkstoffe?
Bei Faserverbundwerkstoffen werden verschiedenartige Materialien zu einem Werkstoffverbund kombiniert, um verbesserte Eigenschaften zu erzielen. Vor allem der Leichtbau wendet diese Strategie an, mit der hochfeste und hochsteife, aber trotzdem leichte Werkstoffe hergestellt werden k?nnen.
Faserverbundwerkstoffe Carbon
Faserverbundwerkstoffe, bei denen Kohlenstofffasern in eine Kunststoff-Matrix eingebettet sind, werden h?ufig auch Carbon oder CFK (carbonfaserverst?rkter Kunststoff) genannt. Carbon ist sehr leicht, weist aber trotzdem eine hohe Steifigkeit auf. Daher wird das Material überall dort eingesetzt, wo extreme Performance bei minimaler Masse gebraucht wird. In der Luft- und Raumfahrt werden daraus Strukturbauteile wie zum Beispiel Flügel gefertigt und im Bootsbau die Rümpfe von Yachten.
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