Projekte

USbohren

Entwicklung eines rotierenden Ultraschallwandlers für die Bohrungsherstellung (USbohren)

Programm: KMU-innovativ: Produktionsforschung
Bekanntmachung: KMU-innovativ (bis 2015)
Wettbewerb: 02. Runde, Stichtag 15.04.2008

Kurzbeschreibung:
Mit dem Projekt USbohren wurden die Grundlagen zum ultraschallunterstützten Bohren mit geometrisch bestimmter Schneide geschaffen. Im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung sollten neben der Bohrleistung auch die Bohrungstiefe und die Werkzeugstandzeit erhöht, die Oberflächenqualität verbessert und eine weitgehende Gratfreiheit erreicht werden. Im Mittelpunkt stand die Entwicklung eines rotierenden Ultraschallwandlers, der über eine Standardwerkzeugaufnahme in Werkzeugmaschinen und konventionelle Bohrspindeln integriert werden kann. Dabei erfolgt die Energieübertragung vom Ultraschallgenerator auf den rotierenden Schallwandler berührungslos. Die Serientauglichkeit und Effizienz des Prozesses konnten mit Versuchen an einem aufgebauten Demonstrator nachgewiesen werden.

Projektdauer: 01.09.2008 − 28.02.2011

Projektkoordinator:
Ulrich Vogler
Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG
Telefon: +49 7556 931664
E-Mail: ulrich.vogler@herrmannultraschall.com

Ansprechpartner bei PTKA:
Dr.-Ing. Paul Armbruster
Telefon: +49 721 608-26209
E-Mail: paul.armbruster@kit.edu

Detaillierte Projektbeschreibung

Problemstellung
Der sich ständig verschärfende Wettbewerb zwingt Unternehmen zur kontinuierlichen Steigerung ihrer Effektivität. Bei produzierenden Unternehmen steht im Mittelpunkt die ständige Verbesserung ihrer Fertigungsprozesse. Im Bereich der Zerspanung sind deutliche Effizienzgewinne durch die zusätzliche Beaufschlagung des Werkzeugs mit Wirkenergie in Form einer überlagerten Ultraschallschwingung zu erwarten. Dies konnte auch in einer Reihe wissenschaftlicher Untersuchungen grundsätzlich bestätigt werden. Bisher wurden aber erst wenige Lösungen für den industriellen Einsatz angeboten. Diese zielten überwiegend auf die Zerspanung sprödharter Werkstoffe mit geometrisch unbestimmter Schneide ab und erforderten meist den Einsatz von spezifisch angepassten Sondermaschinen.

Projektziele
Vor diesem Hintergrund sollte im Projekt ein rotierender Ultraschallwandler für die Bohrungsbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide entwickelt werden. Neben der Erhöhung der Zerspanungsleistung sollten gleichzeitig auch die erreichbare Bohrungstiefe vergrößert und die Werkzeugstandzeit erhöht werden. Darüber hinaus sollte eine verbesserte Oberflächenqualität der Bohrungen und ein gratfreier Bohrungsaustritt erreicht werden. Als Anwendungsbereich ist insbesondere an die Bearbeitung hochfester Stähle, Nickelbasis- und Leichtmetall-Legierungen gedacht.

Vorgehensweise
Im Zentrum des Projekts stand die Entwicklung des rotierenden Ultraschallwandlers, der bei Drehzahlen bis 20.000 /min einsetzbar sein soll. Diese Ultraschalleinheit kann über eine Standard-Werkzeugschnittstelle in Bearbeitungszentren oder Bohrspindeln integriert werden. Dabei musste einerseits eine möglichst hohe Effizienz der Schallübertragung zur Werkzeugschneide hin erreicht werden, andererseits war eine sehr gute Schallentkopplung zur Spindel hin erforderlich, um die Spindellager nicht zu schädigen. Zur Vereinfachung des Wechsels und wegen der geforderten Drehzahlen erfolgt die Energieübertragung vom Ultraschallgenerator auf den Schallwandler berührungslos. Dazu musste ein entsprechender Übertrager entwickelt werden. Schließlich wurden umfangreiche Versuche zum Nachweis der prinzipiellen Funktionsfähigkeit und zur Industrietauglichkeit des Verfahrens durchgeführt. Dazu musste auch eine Demonstratormaschine aufgebaut werden. Die assoziierten Partner Kennametal sowie zwei potenzielle Anwender unterstützten die Arbeiten im Bereich der Werkzeuganpassung bzw. im Einsatz der Technologie.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Als Ergebnis des Projekts steht ein System zur ultraschallunterstützten Bohrungsbearbeitung als Prototyp zur Verfügung, das mit geringem Aufwand in Standard-Bearbeitungszentren integriert werden kann. Diese Ultraschalleinheit ermöglicht dem Maschinenanwender, mit moderatem Investitionsaufwand eine wesentliche Leistungssteigerung zu erzielen, verbunden mit einer erheblichen verbesserten Bearbeitungsqualität. Für Herrmann Ultraschalltechnik erschließt sich mit der Ultraschalleinheit ein ganz neues Geschäftsfeld neben den bisher produzierten Ultraschallschneid- und -schweißanlagen, wobei der Vertrieb sowohl über Werkzeughersteller als auch über die Hersteller von Werkzeugmaschinen erfolgen soll. INOFEX wird die Ultraschalleinheiten ebenfalls vertreiben, einerseits als Komponente von Maschinen für die Bearbeitung von Lochscheiben, andererseits im Rahmen von Projekten für Sondermaschinen.

Publikationen

Entwicklung eines rotierenden Ultraschallwandlers für die Bohrungsherstellung (USbohren)
Autor: Vogler, U.; Haack, E.
Verlag: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG, Karlsbad (Eigenverlag)
Erscheinungsjahr: 2011
Beschreibung: Mit dem Projekt US-Bohren konnten die Grundlagen zum ultraschallunterstützten Bohren mit geometrisch bestimmter Schneide geschaffen werden. Herrmann Ultraschalltechnik entwickelte einen rotierenden Ultraschallwandler, der über eine Standardwerkzeugaufnahme in Werkzeugmaschinen und konventionelle Bohrspindeln integriert werden kann. Dabei erfolgte die Energieübertragung vom Ultraschallgenerator auf den rotierenden Schallwandler berührungslos. Im Mittelpunkt der Arbeiten von INOFEX stand die Entwicklung eines maschinellen Versuchsträgers zur Erprobung des rotierenden Ultraschallwandlers und zur Untersuchung des ultraschall-unterstützten Bohrprozesses.
Im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung wurde neben der Bohrleistung auch die Bohrungstiefe und die Werkzeugstandzeit erhöht, die Oberflächenqualität verbessert und eine weitgehende Gratfreiheit erreicht. Die Serientauglichkeit und Effizienz des Prozesses wurde mit den Versuchen am Demonstrator nachgewiesen.

Projektträger

Projektträger Karlsruhe (PTKA)
Produktion, Dienstleistung und Arbeit
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

+49 (0)721 608-25281
+49 (0)721 608-992003

info@ptka.kit.edu
Standort Dresden
PTKA

Ansprechpartner

Sekretariat Karlsruhe

Susanne Zbornik

+49 (0)721 608-25281
susanne.zbornik@kit.edu

Sekretariat Standort Dresden

Heike Blumentritt

+49 (0)721 608-31435
heike.blumentritt@kit.edu