Jaunecker, D. (2021). Entwicklung einer Spindeleinheit für das schwingungsunterstützte Mikrotiefbohren [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2021.65380
Vibration actuation; micro deep drilling; vibration-assisted deep drilling; spindle development; oscillating spindle; piezo actuation; vibration-assisted machining
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Abstract:
Die Zerspanungstechnik ist der wohl bedeutendste Bereich der Fertigungstechnik, speziell in den Branchen der Automobil- und Industrietechnik. Infolgedessen werden neue Technologien entwickelt, um den steigenden Anforderungen hinsichtlich Produktivität, Wirtschaftlichkeit und Flexibilität gerecht zu werden. Zur Herstellung von Tiefbohrungen (l/d > 10) werden üblicherweise Tiefbohrbänke verwendet. Durch den verbreiteten Einsatz von Bearbeitungszentren, welche die Herstellung komplexer Bauteile in wenigen Aufspannungen ermöglicht, finden auch Tiefbohr-Verfahren vermehrt Anwendung auf diesen. Dabei wird überwiegend das Einlippentiefbohr-Verfahren angewendet. Bei der Herstellung von Tiefbohrungen kleiner Durchmesser können, bei schlecht zerspanbaren Werkstoffen, lediglich geringe Vorschubgeschwindigkeiten realisiert werden. Die Prozesse sind daher zeitaufwendig und nur bedingt wirtschaftlich nutzbar.Durch eine zusätzlich eingebrachte Relativbewegung, in Form von Schwingungen des Werkzeuges oder des Werkstückes, kann die Prozessperformance erheblich gesteigert werden. Der industrielle Einsatz der schwingungsunterstützen Zerspanung befindet sich noch in einem wenig ausgereiften Stadium und wird zurzeit meist durch Sonderlösungen realisiert. Daher ist es von großer Bedeutung für Produktionsbetriebe und Maschinenhersteller, Konzepte für die Integration dieser Technologie zu entwickeln. In der vorliegenden Arbeit wird eine Schwingspindeleinheit (SSE) entwickelt, die es ermöglicht „schwingungsunterstütztes Tiefbohren“ auf einem Bearbeitungszentrum zu betreiben. Durch die geeignete Auslegung einer SSE-BAZ-Schnittstelle und einer modularen Bauweise wird eine Standardlösung generiert, welche sich für weitere Anwendungen skalieren und transferieren lässt. Dazu wurde zu Beginn die Technologie des Tiefbohrens und speziell des schwingungsunterstützten Bearbeitens untersucht. Darauf folgend wurde ein Konzept der Schwingspindeleinheit entworfen und die Vor- und Nachteile einzelner Funktionsbausteine ausgearbeitet. Der Konzeptionierung folgte die Detailplanung in der die einzelnen Komponenten ausgelegt, ausgewählt und konstruktiv erstellt wurden. Die Einzelteile des Prototyps wurden gefertigt bzw. beschafft und anschließend assembliert. Die Funktionsfähigkeit der SSE wurde in Versuchen nachgewiesen und auch der Einfluss auf die Struktur der Basismaschine (BAZ) und das Schwingverhalten im Betriebszustand wurde untersucht.
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Machining technology is probably the most important area of manufacturing technology. Especially automotive and industrial branches are a driver for innovation in this field. As a result, new technologies are being developed to meet the increasing demands in terms of productivity, economy and flexibility. For the production of deep holes (l/d > 10), special deep drilling workbenches are usually used. Due to the widespread use of machining centers (MCs), which enable the manufacturing of complex workpieces in a few clampings, efforts have been made to incorporate deep drilling processes on MCs. Therefore the single-lip deep drilling process is mainly used. When producing deep holes of small diameters, only low feed rates can be realized for materials that are difficult to machine. Hence the processes are time-consuming and can only be used economically to a limited extent.Through an additionally introduced relative movement, in form of vibrations of the tool or the workpiece, the process performance can be increased significantly. Lower tool wear and longer tool life compared to conventional methods are common benefits of vibration-assisted machining (VAM). However, the industrial application of VAM is still in a less developed state and relies mostly on special solutions. Therefore, it is of great importance for production companies and machine tool manufacturers to develop concepts for the integration of this technology. In the present work, a oscillating spindle unit (OSU) is developed to enable "vibration-assisted deep hole drilling" on a MC. Through the appropriate, modular design of an OSU-MC interface, a standard solution is generated, which can be used for a variety of applications. For this purpose, the technology of deep drilling and in particular, vibration-assisted machining was examined. Subsequently, a concept of the oscillating spindle unit was designed and the advantages and disadvantages of individual functional components were analysed. The concept was followed by detailed planning in which the individual components were designed, selected and constructed. The individual parts of the prototype were manufactured or purchased and then assembled. The function of this system was proven in tests and the effect on the structure of the basic machine (BAZ) and the vibration behavior in the operating mode was also examined.
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Additional information:
Zusammenfassung in englischer Sprache Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers