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Werkzeug- und Prozessentwicklung für effiziente Ejektor­tief­bohr­prozesse mittels Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

Das Ejektortiefbohren ist eins der drei klassischen Tiefbohrverfahren und kann bereits ab ei­nem Verhältnis von Länge zu Durchmesser l/D > 3 effektiv ein­gesetzt wer­den. Kennzeichnend für Tiefbohrwerkzeuge ist ih­re Asymmetrie im Aufbau und der Schneidenanordnung, wodurch die Notwendigkeit zusätzlicher Führungselemente ent­steht, sodass mit diesen eine Abstützung der resultie­renden radialen Kraftkomponenten an der Bohrungswand mög­lich ist. Um die Vorteile des Tiefbohrens, wie hohe Zerspanleistung und hohe Bohrungs­qualität, auch auf konventionellen Bearbeitungszentren nutzbar zu ma­chen, ist das Ver­fah­ren des Ejektortiefbohrens, auch als Tief­bohren mit Zweirohrsystem benannt, er­for­der­lich. Der Aufbau des Werkzeugsystems ist durch zwei kon­zentrische Bohrrohre gekennzeichnet, auf denen der Bohrkopf verschraubt wird. Im Gegensatz zu anderen Tiefbohrverfahren ist keine Abdichtung gegen austretenden Kühlschmierstoff (KSS) und somit keine Sondermaschine er­for­der­lich. Ein Teil des KSS-Stroms wird bei der Zuführung über Öffnungen im Innenrohr, den sogenannten Ejektordüsen, direkt in den Ablauf umgeleitet. Der daraus resultierende Unterdruck im Innenrohr bewirkt ein Ansaugen des KSS-Späne-Gemischs in das Spanmaul des Bohrkopfs nach dem Venturi-Prinzip.

Die aktuelle Vorgehensweise beim Ejektortiefbohren in der in­dus­tri­el­len Anwendung ist mit einer langwierigen Inbetriebnahme des Werkzeugsystems verbunden, die aufgrund des fehlenden Prozesswissens zum Ejektoreffekt zu ei­nem enormen Ressourcenaufwand in Form von Personal- und Ma­schi­nen­kosten führt. Zudem wird aufgrund des fehlenden Prozesswissens der benötigte KSS-Volumenstrom bei der Anwendung häufig deutlich höher als notwendig eingestellt, wodurch die Prozesskosten und der Energieaufwand stark erhöht wer­den.

Bei diesem Forschungsvorhaben wird am Institut für Spanende Fertigung in Dort­mund mit­hil­fe kombinierter In-prozess-Sensorik und eines neuartigen Simulationsansatzes eine Vertiefung des Prozessverständnisses sowie der Wirkmechanismen beim Ein­satz von KSS beim Ejektortiefbohren erlangt. Teilziele des Forschungsvorhabens sind die Ent­wick­lung und Realisierung eines Ejektortiefbohrversuchsstands auf dem Bearbeitungszentrum INDEX G250. Dieser Versuchsstand ist mit Messtechnik und Sensoren zu erweitern, dass prozessparallel Messungen der Druck- und Fluidstromverteilung im Kühl­schmierstoff realisiert wer­den. Zudem steht die Erarbeitung des phy­si­ka­lischen Verständnisses der Wirkzusammenhänge bei der Entstehung des Ejektor­effekts im Vordergrund. Zur wei­te­ren Analyse des KSS-Verhaltens im Prozess erfolgt eine Visualisierung der Strömung unter Zuhilfenahme von Tracer­partikeln sowie der Einfärbung des KSS. Hierbei wird ein Analogie­versuchsstand mit ei­nem Werkzeugsystem und ei­nem Werkstück aus Acrylglas ent­wi­ckelt und die Fluidströmung in Einsatzversuchen mit Hochgeschwin­digkeitsaufnahmen erfasst.

© ISF
Experimenteller Versuchsaufbau zum Ejektortiefbohren mit adaptierter In-prozess-Sensorik, A) Ejektorbohrkopf, B) Außen- und Innenbohrrohr im Schnitt, C) Ejektordüsen

Durch das in dieser För­der­pe­rio­de erarbeitete Grundlagenverständnis ist es mög­lich, eine weiterführende Werkzeugoptimierung zu verfolgen. Auf Basis der Grundlagenergebnisse wer­den strömungsoptimierte Werkzeuge und Zweirohr­systeme ent­wi­ckelt und hergestellt. Dadurch ist sowohl eine Steigerung der Prozesseffizienz und Prozesssicherheit beim Ejektortiefbohren mög­lich, als auch eine Prozesskettenverkürzung durch die erhöhte Nutzbarkeit des Verfah­rens, da auf teure Spezialmaschinen verzichtet wer­den kann.

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Anfahrt & Lageplan

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Vom Autobahnkreuz Dort­mund/Unna auf die A44 Richtung Dort­mund, diese geht in die B1 über. Ausfahrt Dort­mund-Dorstfeld, Richtung Uni­ver­si­tät (weiter siehe Karte).

Von der A 45

Ausfahrt Dort­mund-Eichlinghofen, Richtung Uni­ver­si­tät (weiter siehe Karte).

Alternativ kön­nen Sie sich die Anfahrt auch berechnen lassen: Google Maps.

Anreise mit der Bundesbahn bis Dort­mund oder Bochum Hbf.

Ab Dort­mund Hbf mit der S1 Richtung Düsseldorf bis zur Haltestelle Dort­mund Uni­ver­si­tät (7 Minuten Fahrzeit).

Ab Bochum Hbf mit der S1 Richtung Dort­mund bis zur Haltestelle Dort­mund Uni­ver­si­tät (14 Minuten Fahrzeit).

Die S-Bahn fährt in beide Richtungen regelmäßig alle 20 Minuten. Von der S-Bahn Haltestelle aus mit der H-Bahn (Haltestelle S-Uni­ver­si­tät) bis zur Haltestelle Campus Süd (1 Station, fährt im 10 Minuten-Takt).

Zu den Wahrzeichen der TU Dort­mund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dort­mund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Campus Süd und Dort­mund Uni­ver­si­tät S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Campus Nord und Campus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zurück.

Vom Flughafen Dort­mund

Mit dem Taxi zur TU Dort­mund, Campus Süd (min. 20 Min und 30,- EUR) (siehe Karte)

Vom Flughafen Düsseldorf

Mit der S-Bahn Linie S1 Richtung Dort­mund bis Haltestelle Dort­mund-Uni­ver­si­tät (ca. 90 Min). Von hier mit der H-Bahn Richtung Campus Süd oder Eichlinghofen (fährt alle 10 Min) bis Campus Süd (ca. 3 Min)

Die Ein­rich­tun­gen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen kön­nen Sie den Lageplänen entnehmen.

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