Forschungsbericht und Entwicklungstrend der Tieflochbearbeitungstechnologie
Die Technologie der Tieflochbearbeitung wurde zuerst in der Rüstungsindustrie eingesetzt, wo sie hauptsächlich zur Bearbeitung der Innenbohrungen von Gewehrläufen und Gewehrrohren verwendet wurde. Mit der Entwicklung der Volkswirtschaft und der wissenschaftlichen und technologischen Innovation wird die Anwendung dieser Technologie immer umfassender und betrifft fast die gesamte Maschinenbauindustrie, wobei der Schwerpunkt auf der Anwendung in Hightech-Industrien liegt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie. In diesem Bereich wird immer mehr Tieflochbearbeitung durchgeführt und der technische Schwierigkeitsgrad wird immer höher, wie z. B. Temperaturmesslöcher in Raketenflügelformen oder Innenlöcher von Antriebszylindern aller Art in Flugzeugen. Dadurch ist ein moderner Tieflochbearbeitungsprozess in vielen Branchen entstanden und seine Schlüsseltechnologie wird dringend benötigt. Aus diesem Grund wird die eingehende Entwicklung neuer Tieflochbearbeitungstechnologien und die Forschung und Innovation an ihren Geräten zweifellos erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung der Volkswirtschaft und des Aufbaus der Landesverteidigung haben.
In der mechanischen Fertigung kann die Lochbearbeitung in zwei Kategorien unterteilt werden: Flachlochbearbeitung und Tieflochbearbeitung. Das allgemeine Längen-Durchmesser-Verhältnis L/D <5 (L ist die Tiefe des Lochs, D ist der Durchmesser des Lochs) des Lochs wird als Flachloch bezeichnet, Löcher mit L/D>50 werden als Tiefloch bezeichnet und Löcher mit L/D>100 werden als ultratiefes Loch bezeichnet. Wie wir alle wissen, ist die Tieflochbearbeitung ein wichtiger Zweig im Bereich der Zerspanung, und gleichzeitig ist die dynamische Theorie der Tieflochbearbeitung auch ein wichtiges Thema in der Zerspanungsforschung, das von Wissenschaftlern in vielen Ländern eingehend untersucht wurde.
In diesem Dokument wird der Entwicklungsstatus der Tieflochbearbeitungstechnologie anhand des mechanischen Verhaltens des Bohrgestänges, des Tieflochbearbeitungsprozesses und der Überwachung des Tieflochbohrens zusammengefasst. Auf diese Weise wird der Entwicklungsstatus von Werkzeugmaschinen zur Tieflochbearbeitung vorgestellt, auf die damit verbundenen technischen Probleme hingewiesen und ein Ausblick auf die zukünftige Entwicklungstendenz gegeben.
Entwicklungsstand der Tieflochbearbeitungstechnologie
Die erste Technologie zur Tieflochbearbeitung tauchte in der Militärindustrie bei der Bearbeitung von Gewehrläufen und Gewehrläufen auf. Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie und der Entwicklung der Gesellschaft sind dann verschiedene neue Technologien zur Tieflochbearbeitung aufgetaucht. Dazu zählen das Tieflochbohren (Abbildung 1 (a)), das BTA-Bohren (Abbildung 1 (b)), das Sprühsaugbohren (Abbildung 1 (c)) und das DF-Bohrsystem (Abbildung 1 (d)).
Das Tieflochbohrsystem wird hauptsächlich für die Bearbeitung von Löchern mit kleinem Durchmesser (φ2–ф30 mm) verwendet. Es ist das gängigste Tieflochbohrverfahren und eignet sich für die kleine und mittlere Massenproduktion.
Das BTA-Bohrsystem wird hauptsächlich zum Tieflochbohren mit einem Durchmesser von > 12 mm verwendet und ist die erste Wahl für die kontinuierliche Tieflochbearbeitung großer Mengen und hoher Belastungen.
Das Saugbohrsystem ist eine äußerst effiziente Methode zur Bearbeitung tiefer Löcher, der Durchmesser der bearbeiteten Löcher darf jedoch nicht weniger als 18 mm betragen.
Das DF-Bohrsystem kombiniert die Vorteile des BTA-Bohrsystems und des Saugbohrsystems, was zu einem größeren Bereich an Bohrdurchmessern (bis zu φ6 mm) und einer verbesserten Bearbeitungsgenauigkeit und -effizienz führt.
1. Mechanisches Verhalten des Bohrgestänges
Prof. Jihua Qin von der National Chiao Tung University, Taiwan, verwendete das Hamilton-Prinzip, um die Bewegungsgleichungen für Tieflochbohrstangen auf Grundlage der Timoshenko- und Euler-Bernoulli-Balkenmodelle abzuleiten, indem er die Wirkung von Schneidflüssigkeit und Axialdruck in der Flüssigkeit berücksichtigte, und fügte auf zwei verschiedene Arten zufällige Anregungen mit rotierenden und nicht rotierenden Bohrstangen hinzu, um das dynamische Verhalten der Stangen zu untersuchen. Dies stellt eine der weltweit führenden Forschungsarbeiten zur Dynamik von Bohrstangen dar. Die dynamischen Eigenschaften des Bohrgestänges wurden durch Hinzufügen von zufälligen Anregungen auf unterschiedliche Weise bei rotierenden und nicht rotierenden Bohrgestängen untersucht, was einen führenden Platz in der Forschung zur Bohrgestängedynamik einnimmt.
FUJJ und EMA usw. beobachteten das Wirbelverhalten des Bohrgestänges beim Tieflochbohren und wiesen darauf hin, dass dieses Wirbelverhalten eine Art selbsterregte Schwingung ist, die durch Schnittkraft und Reibung verursacht wird.
BAYLY et al. IV verglichen die theoretische Analyse mit den experimentellen Ergebnissen, um die Torsionsschwingung des Bohrgestängesystems zu analysieren, untersuchten detailliert den Verteilungsbereich der Werkzeugschwingungsfrequenz sowie das Stabilitätskriterium und wiesen darauf hin, dass es bei der Tieflochbearbeitung offensichtliche nichtlineare Eigenschaften des Bohrgestängessystems gibt.
Das nichtlineare dynamische Modell des Tieflochbohrsystems wurde erstmals von KOVAC-IC erstellt und das Werkzeugrattern wurde unter Verwendung verschiedener Werkzeugfrontwinkel, Scherwinkel und Vorschübe theoretisch analysiert.
2. Forschung zum Tieflochbearbeitungsprozess
Im Hinblick auf die Bearbeitung von Tieflöchern erfand Jun Wang von der North Central University in den 1980er Jahren die SIED-Technologie (Single-tube Inner Chip-removal Ejector Drilling), die das Problem löst, dass beim Tieflochbohren mit innerer Spanabfuhr keine tiefen Löcher mit kleinem Durchmesser gebohrt werden können, und das Design des Spanbehälters für das DF-Bohren verbessert. Das Design des Spanbehälters beim DF-Bohren wurde verbessert, und der Schneidteil des Bohrers hat keinen Spanbrecher, was das Nachschärfen des Werkzeugs erleichtert und die Bearbeitungsleistung gut macht.
Peng Hai und Zhang Min von der Xi'an Petroleum University, Shi Zhihui von der Dalian Jiaotong University und BTASDELENB2, Arup Kuar NANDI, R HEINEMANN9 aus dem Ausland haben die umweltfreundliche Verarbeitungstechnologie (trockene oder quasi-trockene Tieflochbearbeitung) der Lochbearbeitung diskutiert.
Mit der Popularisierung und Anwendung verschiedener Tieflochbohrer in unterschiedlichen Branchen liegen Japan, Deutschland, Schweden, die USA und andere Länder an der Spitze der Tieflochbearbeitungstechnologie.
Die US-amerikanische ATI Stellram Cutting Tool Company ist auf die Entwicklung von Schneidwerkzeugen für schwer zu zerspanende Materialien spezialisiert und nimmt bei der Entwicklung von Schneidwerkzeugmaterialien im Bereich schwer zu zerspanender Materialien international eine Spitzenposition ein.
Das schwedische Unternehmen Sandvik-Cotomant bietet eine umfassende BTA-Tieflochbohrserie mit Durchmessern von über 3 mm an und auch seine Schwingungsdämpfungswerkzeuge liegen auf dem Weltmarkt in der Spitzengruppe.
Die Spezifikationen für Tieflochbohrer der deutschen Firma BOTEK wurden auf φ0.9 bis φ50 mm standardisiert.
3. Überwachungsforschung für Tiefbohrarbeiten
Aufgrund des großen Aspektverhältnisses bei der Tieflochbearbeitung und des geschlossenen und halbgeschlossenen Bearbeitungszustands kann die Änderung des Werkzeugzustands beim Tieflochbearbeitungsprozess nicht direkt beobachtet werden. Daher ist die Überwachung des Tieflochbearbeitungsprozesses mit verschiedenen Mitteln zu einer Forschungsrichtung der Tieflochbearbeitung geworden.
Einige inländische Institutionen und Forschungseinrichtungen wie etwa das Harbin Institute of Technology, die Xi'an University of Technology, die North Central University, das Beijing Institute of Technology, die Jilin University und die University of Science and Technology Beijing haben hierzu einige Untersuchungen durchgeführt.
Unter ihnen verwendeten Zhang Chao und Li Yan von der Technischen Universität Xi'an vier die orthogonale Wavelet-Transformation, um die Vibrationssignale verschiedener Werkzeugzustände zu zerlegen und zu rekonstruieren, und erhielten die rekonstruierten Komponenten der Vibrationssignale in verschiedenen Frequenzbändern.
Issam ABU-MAHFOUZ et al. in den USA haben durch die Erfassung der Vibrationssignale des Bearbeitungsprozesses und die Verwendung eines mehrschichtigen Feedforward-Neuralnetzwerks, das mit einem Rückwärtsalgorithmus trainiert wurde, erfolgreich fünf verschiedene Verschleißzustände des Bohrers identifiziert.
Derzeit nimmt die Kraftmesstechnik für Tieflochbohrungen einen internationalen Spitzenplatz ein. Die deutschen Forscher um WEBBER, THEIS und RAABE von der Universität Dortmund entwickeln gemeinsam mit dem Ziel, Kraftelemente durch Messung des Bohrers zu messen und so die Schneidkomponente direkt zu messen. Allerdings befindet sich diese Methode noch in der Labortestphase, ist teuer und die Entwicklungs- und Herstellungszyklen sind langwierig.
Die vollautomatische Bohrmaschine „Micro-ole“ von Machida Iron Works in Japan ist mit einem „Drehmomentdetektor“ und einem „Bohrerverschleißüberwachungssystem“ ausgestattet. Sobald das auf den Bohrer ausgeübte Drehmoment den vorgewählten Drehmomentwert überschreitet, wird der Bohrer in die Bohrmaschine eingezogen. Sobald das auf den Bohrer ausgeübte Drehmoment einen vorgewählten Drehmomentwert überschreitet, stoppt das Vorschubsystem den Vorschub, bringt den Bohrer in die Drehposition zurück und setzt dann das Bohren fort, bis das gesamte Mikroloch bearbeitet ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Technologie zur Tieflochbearbeitung zwar eine Entwicklung von mehr als einem Jahrhundert durchlaufen hat und die Bearbeitungsmethoden immer ausgereifter geworden sind, für die Bearbeitung von mikrofeinen, ultralangen, tiefen Löchern jedoch in Theorie und Praxis noch kein vollständiges und ausgereiftes System vorhanden ist. Insbesondere beim Bohren von mikrofeinen, ultralangen, tiefen Löchern mit einem Durchmesser von 200 mm und einem L/D-Verhältnis von über XNUMX ist noch ein Problem zu lösen.
Technische Merkmale der CNC-Tieflochbearbeitung
Die Bearbeitung von Tieflochteilen unterscheidet sich von der Bearbeitung von normalen Löchern. Bei der Bearbeitung von normalen Löchern wird das Werkstück oft nicht fixiert, sondern das Werkzeug wird für die Vorschub- und Drehbewegung der Bearbeitungsart verwendet. Bei Tieflochteilen wird oft das Werkstück durch Drehen des Werkzeugvorschubs für die Formbewegung bearbeitet. Aufgrund der Form des Werkstücks (Materialeigenschaften, Prozessbeschränkungen und -anforderungen usw.) wurde jedoch die Form der Tieflochbohrbewegung geöffnet, im Allgemeinen die folgenden Arten:
(1) Das Werkstück rotiert, das Werkzeug führt die Vorschubbewegung aus.
(2) Das Werkstück ist fixiert, das Werkzeug rotiert und macht eine Vorschubbewegung.
(3) Relativdrehung von Werkstück und Werkzeug, Vorschubbewegung des Werkzeugs.
(4) Bei der Dreh- und Vorschubbewegung des Werkstücks bewegt sich das Werkzeug nicht.
Nach einer langen Entwicklungsphase der Technologie zur Tieflochbearbeitung haben sich im Bereich des Vollbohrens nach und nach fünf Arten von Bearbeitungssystemen herausgebildet und perfektioniert:.
1) Bearbeitungssystem für die externe Spanabfuhr mit Tieflochbohrern.
2) BTA-System zur internen Spanabfuhr.
3) Saugbohrbearbeitungssystem; 4) DF-Bearbeitungssystem; und
4) DF-Bearbeitungssystem; 5) SIED-Bearbeitungssystem.
5) SIED-Bearbeitungssystem.
Diese fünf Tieflochbearbeitungstechnologien weisen hinsichtlich Maschinenstruktur, Werkzeugen, Ölversorgung, Spanabfuhr usw. ihre eigenen Merkmale auf. Auch der anwendbare Lochdurchmesser, die Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächenqualität sind bei der Bearbeitung unterschiedlich.
Der gemeinsame Nachteil besteht jedoch darin, dass bei der Verarbeitung hohe Anforderungen an die Präzision gestellt werden, wie z. B. bei der Innenbohrung eines Antriebszylinders in einem Flugzeug. Diese tiefen Löcher müssen nach dem Bohren noch entsprechend nachbearbeitet werden (z. B. diese Löcher müssen geschliffen werden), was die Herstellungskosten erhöht.
Faktoren, die den Tieflochbearbeitungsprozess beeinflussen
1. Das Material der verarbeiteten Teile und seine Gleichmäßigkeit
Beim Tieflochbearbeitungsprozess treten aufgrund des Materials der bearbeiteten Teile, ihrer ungleichmäßigen Eigenschaften und Anordnung und aus anderen Gründen häufig unerwartete Probleme wie Aufprallkräfte, Stoßvibrationen und andere Probleme auf, die zu einer Beschädigung des Werkzeugs führen und den Produktionsprozess zum Stillstand bringen. In schweren Fällen werden die Teile verschrottet, was zu einem instabilen und diskontinuierlichen Produktionsprozess führt.
2. Probleme mit der Werkzeugqualität
Beim Bearbeiten tiefer Löcher können aufgrund der Qualität des Werkzeugs auch Schnittvibrationen und andere unerwartete Probleme auftreten, sodass das oben genannte Phänomen erneut auftritt.
3. Positionier- und Spannvorrichtungen
Ungenaues Positionieren und Führen führt dazu, dass die Geradheit des bearbeiteten Lochs sehr schlecht ist und die Position des Lochs versetzt ist. Die Werkstückspannung ist instabil und falsch, was auch zu plötzlichen Problemen im Bearbeitungsprozess führt, wie z. B. Werkzeugschäden und schlechte Bearbeitungsgenauigkeit.
4. Ölversorgung und schwingungsdämpfende Wirkung der Ölversorgungseinrichtung
Bei der Bearbeitung von Tieflöchern treten einige Aufprallkräfte, Stoßvibrationen usw. auf, was zu einer ungenauen Positionierung des Werkstücks und zu Stößen gegen das Messer führt und den Bearbeitungsprozess instabil macht, was die Bearbeitungsqualität und Produktivität erheblich beeinträchtigt. Gegenwärtig hat das Ölversorgungsgerät und seine Technologie zwar eine gewisse Dämpfungs- und Schwingungsdämpfungswirkung auf die Werkzeugleiste, aber seine Hauptfunktion besteht immer noch hauptsächlich in der Ölversorgung, die Schwingungsdämpfungswirkung ist nicht offensichtlich.
5. Die Wirkung der Unterdruck-Späneabsaugung
Schlechte Spanabfuhr ist das Hauptproblem, das die Qualität der Tieflochbearbeitung und die Produktionseffizienz beeinträchtigt. Schwerwiegende Fälle von Spanblockaden, Werkzeugbrüchen und Beendigung des Produktionsprozesses usw. sind das Hauptproblem der Tieflochbearbeitungstechnologie, das auch im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit vieler wissenschaftlicher Forschungsinstitute und Universitäten und Hochschulen bei der Entwicklung der Tieflochbearbeitungstechnologie steht. Um das Problem zu lösen, gibt es viele Verbesserungen und unabhängige Innovationen bei Unterdruck-Späneabsauggeräten, um die Wirkung der Spanabfuhr zu verbessern.
Entwicklungsstand von Werkzeugmaschinen zur Tieflochbearbeitung
Die meisten Unternehmen können sich die hohen Anschaffungskosten und Nutzungskosten von Tieflochbearbeitungsmaschinen nicht leisten und verfügen nicht über ein spezialisiertes Produktionssystem für Tieflochbearbeitungsmaschinen. Die Grundanforderungen der Produktion können nur durch die Umrüstung gewöhnlicher Dreh- und Bohrmaschinen erfüllt werden.
In den Industrieländern gibt es nicht nur Drei-Koordinaten-Tieflochbohrmaschinen (drei CNC-Achsen), sondern es gibt auch vier-, fünf- und sogar sechsachsige, vollautomatische CNC-Tiefbohrbearbeitungszentren oder CNC-Bohr- und Fräszentren (Abbildung 3) mit automatischen Werkzeugwechslern.
Um den Umfang der Verarbeitung zu erweitern, verfügen einige Tieflochbohrmaschinen neben der Tieflochbohrmethode zum Bohren, Fräsen, Gewindeschneiden und anderen Funktionen auch über die Bohrfunktion der Innenspanbohrmethode (BTA-Methode). Obwohl es in China einige ähnliche Produkte gibt, besteht immer noch eine große Lücke zwischen dem Genauigkeitsgrad und der Vielfalt der Spezifikationen und denen im Ausland.
Obwohl es mittlerweile viele Arten von Tieflochbearbeitungsmaschinen gibt, sind sie nicht allgemeingültig. Um die Funktion der Werkzeugmaschine zu lösen, gibt es einige zusätzliche Probleme, und die Umstellungskosten sind hoch. Amerikanische Wissenschaftler schlugen erstmals rekonfigurierbare Fertigungssysteme und rekonfigurierbare Werkzeugmaschinenkonzepte vor.
1996 begannen in den USA die National Science Foundation, die University of Michigan und 25 Industrieunternehmen mit der Erforschung rekonfigurierbarer Fertigungssysteme. Auch in verschiedenen Industrieländern wurde an rekonfigurierbaren Werkzeugmaschinen geforscht.
Forscher an der Universität Stuttgart haben sich beispielsweise mit der Neukonfiguration von Fertigungssystemen sowie der Kopplung von Maschinenmodulen und Bewegungsfunktionsmodulen beschäftigt.
Bei der Konstruktion und Verbesserung von Werkzeugmaschinen ist die dynamische und statische Optimierung der Struktur wichtiger Werkzeugmaschinenkomponenten und die Leichtbauweise eine der wichtigsten Möglichkeiten, um die Bearbeitungsleistung und Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen zu verbessern.
Entwicklungstrend der Tieflochbearbeitungstechnologie
Obwohl sich die Tieflochtechnologie seit dem Aufkommen der BTA-Bearbeitungsmethode nicht wesentlich verändert hat, ist die Optimierung einiger Bearbeitungsprozesse, wie die Entwicklung neuer Werkzeuge, die Optimierung der Anordnung des Führungsblocks, der Einsatz von Unterdruck-Spanentfernungsgeräten usw., immer noch ein wichtiges Mittel, um das Niveau der Tieflochbearbeitung in dieser Phase zu verbessern.
Die auf der grünen Bearbeitungstechnologie basierende Quasi-Trocken- und Trocken-Tieflochbearbeitungstechnologie wird aufgrund des zunehmenden Bewusstseins für den Umweltschutz immer mehr Aufmerksamkeit erhalten.
Moderne Tieflochbearbeitungsmaschinen und andere Werkzeugmaschinen entwickeln sich rasant und gehen in Richtung hoher Effizienz, Präzision, Zuverlässigkeit, Intelligenz und modularer Entwicklung. Insbesondere im Bereich modular rekonfigurierbarer Werkzeugmaschinen wurde in den letzten Jahren viel geforscht.
Allerdings sind, genau wie beim Tieflochbearbeitungsverfahren, in den letzten Jahren auch im Bereich der traditionellen Tieflochbearbeitung international keine fortschrittlicheren Bearbeitungsmaschinen auf den Markt gekommen.
Aufgrund der herkömmlichen Tieflochbearbeitungstechnologie lässt sich der Einsatz von Schnittkräften zum Entfernen des Materials bei gleichbleibender Praxis und der Interferenz der Schnittkräfte mit dem Prozesssystem nicht vermeiden. Daher ist die Bearbeitung schwer zu bearbeitender Materialien, spezieller komplexer Oberflächen oder besonders kleiner, besonders tiefer Löcher nicht gut möglich.
Spezielle Verarbeitungstechnologien (Laser-, Wasserstrahl-, EDM- und elektrolytische Tieflochbearbeitung usw.) eröffneten auch ein neues Entwicklungsfeld für die Tieflochbearbeitungstechnologie.