Bohren Orbitalbohren geschlossener Strukturteile erfordert optimierte Werkzeuge

Der Einsatz herkömmlicher Wendelbohrer zum Fertigen der geforderten Bohrungsqualitäten an Strukturteilen aus Composite-Werkstoffen ist mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Eine Alternative ist das Orbitalbohren mit optimierten Werkzeugen zum Bohren und Fräsen. Das Verhältnis zwischen Bohren und Fräsen hat Einfluss auf die Kappenbildung am Bohreraustritt.

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Leibniz-Insittut für Werkstofforientierte Technologien IWT

Die Toleranzanforderungen für Bohrungen in der Luftfahrtindustrie sind sehr hoch. So sind je nach Anwendung, zum Beispiel für Niete, Bohrungsqualitäten von H8 bis H11 gefordert. Für die in der Luftfahrtindustrie heutzutage in vielen Bereichen eingesetzten CFK (kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe), Aluminium und Titan-Composites steht nur ein kleiner Bereich von optimalen Zerspanparametern für die Bohrungsbearbeitung zur Verfügung. Entsprechend ist der Einsatz konventioneller Spiralbohrer zur Herstellung der geforderten Bohrungsqualitäten in diesen Composite-Werkstoffen mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Aufgrund der unterschiedlichen Zerspaneigenschaften der individuellen Werkstoffe müssen unterschiedliche Anforderungen an das Bohrwerkzeug gestellt werden.

Alternative zu konventionellem Bohren

Eine Alternative zum konventionellen Bohren ist das Orbitalbohren. In der Luftfahrtindustrie wird das Orbitalbohren in der Fertigung von Landeklappen auf automatisierten Bohr- und Nietmaschinen eingesetzt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten finden sich am vertikalen und horizontalen Leitwerk, der Druckkalotte, den Winglets sowie dem gesamten Flügel. Das Orbitalbohren eignet sich optimal zur Bearbeitung von Verbundwerkstoffen. Bei der Orbitalbearbeitung taucht das Werkzeug spiralförmig auf einer Helixbahn (Orbitalbewegung) in das Werkstück ein und erzeugt so die Bohrung (Bild 1a). Der Bohrungsdurchmesser wird über den Radius der Helixbahn im NC-Programm der Maschine eingestellt.

Orbitalbohruntersuchungen werden am IWT Bremen auf einer Schmid Orbital Drilling Unit (ODU) durchgeführt (Bild 1b). Die wichtigsten technischen Daten sind eine Spindeldrehzahl von 30 000 min–1 und eine Orbitaldrehzahl von400 min–1. In Bild 1b sind die Spindelrotation und die Orbitalrotation dargestellt. Auf dieser Maschine ist eine Spindel wie an den automatischen Bohr- und Nietanlagen in der Landeklappenfertigung bei Airbus Bremen verbaut.

Aus diesem Grund bieten die am IWT ermittelten Versuchsergebnisse eine sehr gute Vergleichbarkeit zu den Werten aus dem Produktionsbetrieb. Weitere technische Daten der ODU sind eine einstellbare Exzentrizität der Spindel von 5 mm sowie eine Spindelleistung von 39 kW. Die Maschine ist mit Kraft-, Drehmoment-, Schwingungs- und Schallmesssystemen ausgerüstet. Außerdem besteht die Möglichkeit, den Bohrungsaustritt auf der Werkstückrückseite im Moment des Werkzeugaustritts mit einer digitalen Videokamera zu überwachen. Zur Schmierung bietet die Anlage eine innere und äußere Zufuhr für Minimalmengenschmierung.

Die wesentlichen Vorteile des Orbitalbohrens gegenüber dem konventionellen Bohren sind ein kleinerer Werkzeugdurchmesser als Bohrungsdurchmesser. Das führt zu einer guten Spanabfuhr und bietet die Möglichkeit einer guten Schmiermittelzuführung. Alle während des Orbitalbohrens entstehenden Späne können abgesaugt werden. Des Weiteren bietet das Orbitalbohren einen frei einstellbaren Bohrungsdurchmesser. Es können ohne Werkzeugwechsel unterschiedlich große Bohrungen erzeugt sowie mit dem gleichen Werkzeug eine anschließende Schlichtbearbeitung ausgeführt werden.

Korrektur unterschiedlicher Bohrungsdurchmesser mit hinterschliffenen Werkzeugen möglich

Ferner eignet sich das Orbitalbohren für große Bohrungsdurchmesser, weil kein Vorbohren notwendig ist. Das Verfahren ermöglicht das Fertigen konischer Bohrungen mit einem zylindrischen Werkzeug. Das bedeutet, dass mit dem Bohrwerkzeug auch eine Fase an der Bohrung erzeugt werden kann. Außerdem ist eine Korrektur unterschiedlicher Bohrungsdurchmesser mit hinterschliffenen Werkzeugen möglich, die aufgrund unterschiedlicher Materialeigenschaften in den Schichten des Werkstoffverbundes, beispielsweise CFK, Aluminium und Titan, entstehen können. Zukünftig soll im Orbitalbohrprozess eine dynamische Verschleißkorrektur des Werkzeugs über seine Standzeit durch eine automatische Durchmesseranpassung der Orbitalbahn im NC-Programm eingesetzt werden.

Ein großes Potenzial des Orbitalbohrens liegt in der Fertigung von geschlossenen Strukturen. Eine Kontaminierung des Innenraums von solchen Strukturen mit Kappen und Spänen, beispielsweise in der Landeklappe, ist nicht akzeptabel. Durch die Verunreinigung besteht die Gefahr von Korrosion und elektronischen Ausfällen. Das Orbitalbohren produziert kleine und gut abzutransportierende Späne, die durch das Bohrloch abgesaugt werden können. Ein weiteres großes Potenzial des Prozesses liegt in der Automatisierung.

Früher gliederte sich zum Beispiel die Landeklappenfertigung im Bereich der Bohrungsherstellung wegen der Kappen- und Gratentstehung am Bohrungsaustritt in sechs Schritte: Heften, Bohren, Demontage, Reinigen, Auftragen der Dichtmasse und Nieten. Das war sehr kostenintensiv. Beim Orbitalbohren können alle Kappen und Späne abgesaugt werden, deshalb ist eine Demontage und Reinigung nach dem Bohren nicht notwendig.

Grat- und Kappenbildung am Bohrungsaustritt

Ein entscheidendes Problem in der industriellen Fertigung von geschlossenen Strukturen, wie der Landeklappe, ist die Grat- und Kappenentstehung am Bohrungsaustritt (Bild 2). Bei zu starker Gratbildung ist die Klemmlänge für den einzusetzenden Niet nicht richtig zu bestimmen. Kappen und Späne, die in die geschlossene Struktur fallen, können zu Korrosion und Störung elektrischer Bauteile führen. Aufgrund dieses Problems hat das IWT eine Untersuchung zur Kappenentstehung am Bohrungsaustritt gestartet.

Für diese Untersuchung wird ein spezieller Versuchsstand eingesetzt. Die Bohrungsrückseite wird mit einer Videokamera überwacht. Im Moment des Werkzeugaustritts wird die Spanbildung aufgezeichnet, außerdem werden die Bearbeitungskräfte mit einem 3-Komponenten-Dynamometer gemessen. Die Untersuchung ergab drei unterschiedliche Formen der Kappenbildung. Bild 3 zeigt den schlechtesten Fall, eine Kappe, die sich nicht vom Bauteil löst, sowie starke Gratbildung am Bohrungsrand. In Bild 4 ist die Entstehung einer komplett geschlossenen Kappe dargestellt; hier könnte es problematisch sein, die Kappe durch die Bohrung abzusaugen. Außerdem besteht die Gefahr, dass die Kappe die neu erzeugte Bohrungsqualität bei der Rückführung durch die Bohrung schädigt.

Kappe in Form einer Sichel zerspanen

Die beste Form der Kappenbildung für die automatische Fertigung in geschlossenen Strukturen ist in Bild 5 abgebildet. Die Kappe wird in Form einer Sichel zerspant. Diese zeigt aufgrund des sichelförmigen Einschnitts die geringste Oberfläche und kann ohne Probleme durch die Bohrung abgesaugt werden. Die sichelförmige Kappenbildung ist die beste Form für die Fertigung in geschlossen Strukturen. Es bestehen drei Möglichkeiten, sichelförmige Kappen mit dem Orbitalbohren herzustellen.

Auf der einen Seite können die Prozessparameter (Vorschubgeschwindigkeit, Spindeldrehzahl und Orbitaldrehzahl) entsprechend auf das Material abgestimmt werden. Auf der anderen Seite kann die Geometrie des Werkzeugs angepasst werden. Die dritte Alternative ist das Durchmesserverhältnis zwischen Werkzeug und Bohrung entsprechend auf die Anwendung abzustimmen. Allerdings muss der Einfluss dieser manipulierten Prozessparameter auf die weiteren Bohrungsanforderungen, wie eine Bohrungstoleranz in H8 und Oberflächenqualitäten von Ra ≤ 1,6 µm, beachtet werden.

Bild 6 zeigt den Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit auf die Kappenbildung. Beide Bohrungen wurden mit einer Spindeldrehzahl von ns = 18 000 min–1 und einer Orbitaldrehzahl von no = 300 min–1 orbital gebohrt. In Bild 6a betrug die Vorschubgeschwindigkeit vfa 60 mm/min und in Bild 6b 180 mm/min. Die beste Kappe wurde mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten erzeugt, allerdings hat diese Einstellung Bohrungsqualitäten schlechter als H8 zur Folge. Der Hauptgrund für die Durchmesserabweichungen ist eine starke Werkzeugabdrängung bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten.

Die mit der geringeren Vorschubgeschwindigkeit erzeugten Bohrungen zeigen die besten Ergebnisse in Bezug auf die Bohrungstoleranz. Bild 7 zeigt den Einfluss des Verhältnisses zwischen Werkzeug- und Bohrungsdurchmesser auf die Kappenbildung. Bild 7a zeigt die Kappenbildung mit einem 3,5-mm-Bohrer, Bild 7b mit einem 4-mm-Bohrer bei einem Bohrungsdurchmesser von 5,1 mm. Eine Steigerung des Verhältnisses zwischen Bohrungs- und Werkzeugdurchmesser begünstigt die Entstehung einer sichelförmigen Kappe.

Beste Bohrungsqualität bei geringer Vorschubgeschwindigkeit

Die beste Bohrungsqualität wird mit einer geringen Vorschubgeschwindigkeit erreicht, allerdings auch die schlechteste Kappenbildung. Ein Weg, dieses Problem zu lösen, ist die Konstruktion einer Werkzeuggeometrie, die mit geringen Vorschubgeschwindigkeiten sichelförmig eingeschlagene Kappen produziert. Eine weitere Möglichkeit ist, das optimale Verhältnis zwischen Bohren und Fräsen für die jeweilige Bearbeitung einzustellen.

Eine Entwicklungsstrategie hierzu ist die Optimierung des Werkzeugs und der Beschichtung, basierend auf einer Analyse der unterschiedlichen Verhältnisse zwischen Bohren und Fräsen im Hinblick auf die Kappenbildung und der erzeugten Bohrungsqualität. Bild 8 zeigt die zwei Zerspanzonen des Orbitalbohrers. Das Verhältnis zwischen Bohren und Fräsen spielt eine entscheidende Rolle in Bezug auf die Kappenbildung. Es wird ein optimales Werkzeug zum Bohren und Fräsen benötigt.

Dipl.-Ing. Sascha Fangmann, Dipl.-Ing. Ingo Meyer und Dr.-Ing. Martin Garbrecht sind wissenschaftliche Mitarbeiter der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT), Hauptabteilung Fertigungstechnik in Bremen. Weitere Informationen: Sascha Fangmann, 28359 Bremen, Tel. (04 21) 2 18-35 30, fangmann@iwt-bremen.de

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