Mit Piezokeramiken soll es den Spänen und dem Werkzeugverschleiß an den Kragen gehen. Das ist die Idee hinter »PermaVib«. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU entwickeln zusammen mit vier Industriepartnern ein Ultraschall-Schwingsystem für Bohrwerkzeuge.

Werden konventionelle Prozesse mit Schwingungen überlagert, lassen sich bisherige Prozessgrenzen verschieben und die Qualität und die Produktivität steigern. Einer der primären Vorteile liegt im verbesserten Spanbruch. Im Normalfall neigen zähe Werkstoffe zu langen, in der Produktion störenden Spänen. Das führt zu Problemen in der Beräumung der Bearbeitungszone: Maschinen, Werkzeuge und Bauteile verstopfen und werden beschädigt. Die Nacharbeit der Bauteile und die Beseitigung der Späne sind sehr kostenintensiv.

Die mit der Schwingungsüberlagerung verringerte Gratbildung macht Nachbearbeitungsschritte überflüssig und spart Produktionszeiten, Equipment und Kosten. Verantwortlich für eine geringere Gratbildung sind die herabgesetzten Prozesskräfte, die zu niedrigeren Temperaturen an der Werkzeugschneide und folglich zu längeren Werkzeugstandzeiten führen.

Bisher gibt es nur vereinzelte praxisrelevante Anwendungen. Der Grund ist die fehlende Systemtechnik für den zerspanungstechnischen Einsatz. Diesem Zustand Abhilfe zu verschaffen, ist Ziel des Projektkonsortiums. Mit der Entwicklung eines universell einsetzbaren, robusten Schwingsystems soll die Technologie in die Praxis transferiert werden.

Herzstück des entwickelten Schwingsystems ist der piezokeramische Schwingungswandler im Inneren eines Werkzeughalters. Mit diesem werden Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugt (>16kHz) und mittels resonant ausgelegter Geometrie auf das Werkzeug übertragen. Die Schneiden des eingesetzten Bohrwerkzeuges schwingen so mit Amplituden von mehr als 15 μm. Ultraschallleistung und Anregungsfrequenz des Systems müssen der jeweiligen Belastung angepasst werden, wofür die DEVAD GmbH die dazu notwendige hochdynamische Regelung entwickelt.

Zur Übertragung der benötigten Energie auf den rotierenden Werkzeughalter werden leistungsstarke induktive Energieüberträger der Firma EAAT genutzt. Durch die Ausstattung des Schwingsystems mit Schnittstellen zu konventionellen Spindeln und Werkzeugen ist dessen Einsatz in Bestandsmaschinen ohne weitere Umrüstungen möglich. Dies war zu Projektstart 2016 eine Maßgabe der Projektpartner Parker Hannifin Manufacturing Germany GmbH & Co. KG und der TIXBO automotive GmbH.

Text: Martin Hamm
Foto: Fraunhofer IWU Dresden