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maschine+werkzeug 05/2013

Prozesssicheres Trockenbohren

EXTRA Luft- und Raumfahrt

Bohren – Neue Luftfahrtprogramme verstärken ihre Composite-Strukturbauteile an stark beanspruchten Krafteinleitungen mit Beschlägen aus Titan. Mapal hat für das Bohren von Composite-Metall-Verbunden passende Werkzeuglösungen entwickelt.

Hier geht es zu den Werkzeugen von Mapal für moderne Leichtbauwerkstoffe.

Während beim Bohren in CFK ein kleiner Spitzenwinkel am Bohrer die letzte CFK-Lage am Bauteil nur gering belastet und damit erste Delaminationen am Austritt des Bohrers vermeiden kann, müssen beim Vollbohren in Metall nicht die Kräfte an der Bohrerspitze, sondern die Temperaturen an den Kanten des Bohrers beachtet werden. So lässt sich eine unerwünschte Gratbildung vermeiden.

Die dahinter stehenden theoretischen Modelle zur Beschreibung der Mechanismen bei der Zerspanung von Metall und Composites können dies belegen. Sie wurden wiederholt in praktischen Versuchsreihen bestätigt. Bohrer, die diese theoretischen Regeln beachten, zeigen keinerlei Probleme mit Delamination und Faserüberständen und erreichen gleichzeitig eine sehr geringe Gratbildung.

Beim Bohren von CFK-Titan-Stacks ist neben der Gratbildung auch die Spanabfuhr bei der Werkzeugauslegung zu berücksichtigen. Die Späne dürfen beim Austritt aus der Bohrung keinesfalls an der empfindlichen CFK-Oberfläche klemmen. Die dazu notwendige Spannut ist somit deutlich größer ausgestaltet als die Spangröße. Kratzer im Composite-Material können so vermieden werden.

Sollte sich der Span in der Nut im CFK-Bereich verklemmen, kommt es zu extremer Reibung und zu einer Erwärmung von Bauteil und Werkzeug. Tiefe Kratzer im CFK und eine schwankende und erhöhte Gratbildung sind die Folge. Um die Spangröße zu reduzieren, hat sich der sogenannte Stottervorschub bewährt, auch Pecking oder Vibration genannt.

Die Analyse der nützlichen und überflüssigen Wärmequellen am Werkzeug hat gezeigt, dass sich überflüssige Wärmequellen vermeiden lassen. Die nützliche Wärmequelle an der Spitze des Bohrers kann über geeignete Schnittbedingungen in Metallen klein gehalten werden. Bei der CFK-Bearbeitung bleibt diese unter 60 °C. Die überflüssigen Wärmequellen am Bohrer entstehen durch Reibung des Bohrers an der Bohrungswand und durch eingeklemmte Späne.

Sind alle Störungsquellen am Bohrer beseitigt, lässt sich das Werkzeug sogar trocken einsetzen. Damit sind mehrere Vorteile verbundenen:

• Die Bohrer werden durch den Verzicht auf Kühlkanalbohrungen preiswerter und stabiler.

• Es kommt zu reduzierter Gratbildung, da die Bohrer mit gradierten Spiralen geschliffen werden können.

• Die Standardabweichung ist geringer, da der CFK-Staub trocken leichter abgesaugt werden kann.

• Die MAK-Werte sind leichter einhaltbar, da es keinen ›MMS Overspray‹ bei Austritt der Bohrer mehr gibt.

• Sichere und gesündere Arbeitsumgebung für die Mitarbeiter.

• Geringere Entsorgungskosten, da der MMS-Staub kein Öl enthält.

• Weniger Aufwand für die Reinigung der Bauteile, Vorrichtungen und Fertigungshallen.

• Nachfolgende Lackierungsprozesse müssen nicht aufwendig entölen.

• Die Sonderqualifikation der Mitarbeiter und die Arbeitszeit zur Überprüfung und Kalibration der MMS entfallen.

• Der Aufwand für MMS-Tank, Pumpe und Vorratsbehälter entfällt.

• Geringeres Gewicht der Bohr-Vorschub-Einheit, da das gefüllte MMS-System entfällt.

Weitere Anforderungen an die Bearbeitung von Stacks sind die geringe Streuung der Durchmesser (CpK >1,7) und eine abgesicherte Konstanz auch über das Standzeit ende des Bohrers hinaus. Normalerweise ist das Standzeitende eines Bohrers erreicht, wenn der Durchmesser nicht mehr im Rahmen der geforderten Toleranz liegt.

Um diese ›Fail-Save‹-Anforderung zu erfüllen, verfügen die Präzisionswerkzeuge von MAPAL wahlweise über einen Durchmesser-Stabilisator. Dieser Stabilisator, eine patentierte Mikroreibstufe unmittelbar nach der Bohrerspitze, ermöglicht eine etwa achtfach größere Standzeit als der Bohrer selbst. Auf diese Weise kann der konstante Durchmesser der Bohrung auch nach Ende der Standzeit mit einem CpK-Wert von größer als 1,7 gewährleistet werden.

  • Einschuss-Bohren in Al-CFK-Aluminium-Stacks mit IT8-Qualität auf einer Bohrvorschubeinheit.

    Einschuss-Bohren in Al-CFK-Aluminium-Stacks mit IT8-Qualität auf einer Bohrvorschubeinheit.

  • Die Bearbeitung von Verbundmaterialien erfordert speziell adaptierte Werkzeuglösungen.

    Die Bearbeitung von Verbundmaterialien erfordert speziell adaptierte Werkzeuglösungen.

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Unternehmensinformation

MAPAL Dr. Kress KG Präzisionswerkzeuge

Obere Bahnstraße 13
DE 73430 Aalen
Tel.: 07361-585-0
Fax: 07361-585-1029

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