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C5 : Analyse und Modellbildung des Tiefbohrprozesses mit Methoden der Statistik und Neuronalen Netzen

 

Projektleitung

Prof. Dr. Claus Weihs
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Klaus Weinert
 
 

Wesentliche Ziele

Ziel des Teilprojekts ist die Optimierung des BTA Tiefbohrprozesses (BTA = Boring and Trepanning Association) mit dem Schwerpunkt der modellgestützten Vermeidung der dynamischen Prozessstörungen Drall und Rattern.

 

Abbildung 1: Rattern und wendelförmiger Drall

 

Weitergehende Zusammenfassung

Zur Herstellung von Bohrungen mit einem großen Verhältnis von Länge zu Durchmesser (l/D>3) werden Tiefbohrverfahren eingesetzt. Für Tiefbohrungen ab einem Durchmesser von ca. 20 mm findet in der Regel das BTA (Boring and Trepanning Association) Tiefbohrverfahren Anwendung (VDI 3210, N. N., 1974). Die für Tiefbohrungen notwendigerweise schlanke Gestalt der Werkzeuge kann dynamische Prozessstörungen zur Folge haben, welche sowohl die Qualität der erzeugten Werkstücke als auch die Lebensdauer der eingesetzten Werkzeuge beeinträchtigen können. Bei diesen Störungen wird zwischen Rattern und Drallbohren unterschieden. Unter Rattern versteht man selbsterregte Torsionsschwingungen des Tiefbohrwerkzeuges, welche zu starkem Verschleiß von Führungsleisten und Schneiden führen. Drall äußert sich durch unrunde Bohrungsquerschnitte meist in Form von Gleichdicken mit drei, fünf oder sieben Ecken, welche sich wendelförmig entlang der Bohrungsachse fortsetzen. Während in der vergangenen Förderperiode die Störung Rattern auf Basis von phänomenologischen Modellen untersucht wurde, lag in der aktuellen Phase ein Schwerpunkt auf Erklärungsansätzen für die Entstehung von sowohl Drall als auch von Rattern durch physikalische Modellierung. Physikalische Modelle zeichnen sich einerseits durch die direkte Verbindung zu Maschinenkomponenten bzw. Fertigungsparametern und andererseits durch hohe Flexibilität mit Hinblick auf Modellerweiterungen aus. Als Ursache für das Auftreten von unterschiedlichen Ratterzuständen konnte die variierende modale Dämpfung des Bohrrohres in Abhängigkeit von der Bohrtiefe infolge der Verschiebung der Stopfbuchse identifiziert werden. Daher wird derzeit eine physikalisch motivierte Modellierung verfolgt, bestehend aus einem Modell der variierenden Bohrrohrdynamik sowie einem Prozessmodell, welches den Regenerativeffekt durch Torsionsschwingungen nachbildet. Das physikalische Modell, das der FrühErkennung von Drall dienen soll, erlaubt die Schätzung des zeitlichen Verlaufs der Biegeeigenfrequenzen des Bohrrohres in Abhängigkeit von festen bekannten sowie variablen unbekannten und daher geschätzten Maschinenparametern. Das Modell ist motiviert durch die Theorie, nach der die Übereinstimmung von Biegeeigenfrequenzen mit Vielfachen der Spindeldrehfrequenz die Wahrscheinlichkeit für Drall erhöht. Da die Drehzahl ein online beeinflussbarer Faktor ist, ist ein Vermeiden dieser Situation grundsätzlich möglich. Für die aus den phänomenologischen Modellen bekannten charakteristischen Frequenzen für die Erkennung von Rattern wurde eine Erweiterung der bekannten EWMA Kontrollkarte auf den multivariaten Fall erarbeitet. Mit dieser ist es möglich, Rattern 30 bis 50 mm (entsprechend etwa 30 sek - 1 min.) vor seinem Einsetzen vorherzusagen.

Arbeitspakete

  • Erweiterung des Versuchsaufbaus zur Realisierung der Prozessregelung, Durchführung von Versuchen.
  • Technologische Untersuchungen zur Eigen- und Prozessdynamik
  • Datengetriebene Methoden zur Auswahl von Modellen und Kenngrößen.
  • Validität und Stabilität der Modelle.
  • Entwicklungen von Eingriffsstrategien.
  • Statistische Prozesskontrolle und Regelung

 

Veröffentlichungen

Ausgewählte Veröffentlichungen des Projekts finden Sie hier.