DE102010029445A1

DE102010029445A1 - Verfahren zum Herstellen einer Anzahl von Bohrungen

Info

Publication number: DE102010029445A1
Application number: DE102010029445A
Authority: DE
Inventors: Lutz Deitert; Sascha Fangmann; Ingo Meyer
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-29
Also published as: DE102010029445B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Anzahl (i; i') von Bohrungen (n; n'), bei welchem zum Herstellen einer jeweiligen Bohrung (n; n') ein Werkzeug (1) um seine Längsachse (4) gedreht wird und die Längsachse (4) selbst eine exzentrische Bewegung in Bezug auf eine Mittelachse (5) der jeweiligen Bohrung (n; n') ausführt, wobei die Exzentrizität (e) über die Anzahl (i') der Bohrungen (n') und/oder über die Bohrungstiefe (t) verändert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Anzahl von Bohrungen.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der US 6,773,211 B2 bekannt.
Bei dem in der US 6,773,211 B2 beschriebenen Orbitalbohren handelt es sich um ein Fertigungsverfahren zum Bohren von insbesondere Flugzeugkomponenten aus beispielsweise Kohlefaserkunststoff, Aluminium und Titan sowie Mischverbunden aus diesen Materialien. Das Orbitalbohren unterscheidet sich von dem konventionellen Bohren durch die Bewegungsbahn des Werkzeugs.
Die 1 und 2 stellen Stand der Technik dar und illustrieren in einer perspektivischen Ansicht bzw. in einer Draufsicht die Bewegung eines Werkzeugs 1 bezüglich eines Werkstücks 2, wobei eine Bohrung n gebildet wird. Das Werkzeug 1 wird um seine Längsachse 4 gedreht, wobei die Längsachse 4 gleichzeitig auf einer Kreisbahn um die Mittelachse 5 der Bohrung n bewegt wird. Ferner wird das Werkzeug 1 entlang der Mittelachse 5 durch das Werkstück 2 bewegt, so dass die Bohrung n mit einer entsprechenden Tiefe t ausgebildet wird. Der Abstand, welchen die Längsachse 4 des Werkzeugs 1 in Bezug auf die Mittelachse 5 der Bohrung n aufweist, wird als Exzentrizität e bezeichnet und entspricht typischerweise dem Radius der Kreislinie, auf welcher sich die Längsachse 4 des Werkzeugs 1 um die Mittelachse 5 des Werkstücks 2 bewegt.
Die vorstehend beschriebene Bewegung des Werkzeugs 1 in Bezug auf das Werkstück 2 ist nicht nur beim Orbitalbohren, sondern auch beim Zirkularfräsen anzutreffen. Das Zirkularfräsen unterscheidet sich von dem Orbitalbohren jedoch dadurch, dass für das Zirkularfräsen eine gewöhnliche Fräsmaschine verwendet wird, wobei die Stellantriebe dieser derart angesteuert werden, dass das Werkzeug 1 die vorstehend beschriebene Bewegung ausführt. Eine Orbitalbohrmaschine dagegen ist speziell dafür konstruiert, dass das Werkzeug 1 die vorstehend beschriebene Bewegung ausführt. Daher können beim Orbitalbohren ca. 10-mal höhere Schnittgeschwindigkeiten erreicht werden als beim Zirkularfräsen.
Obwohl die vorliegende Erfindung sowohl auf das Orbitalbohren als auf das Zirkularfräsen anwendbar ist, wird diese sowie die ihr zugrundeliegende Problematik nachfolgend in Bezug auf das Orbitalbohren näher erläutert.
3 zeigt ein Mischmaterial 6, welches eine erste Schicht 7 aus Kohlefaserkunststoff (CFK) und eine zweite Schicht 8 aus Aluminium (Al) aufweist.
Wird eine Bohrung 3 mittels Orbitalbohrens in das Mischmaterial 6 eingebracht, ergibt sich folgende Problematik: Beim Zerspanen der Schicht 8 aus Aluminium treten deutlich höhere Zerspankräfte als beim Zerspanen der Schicht 7 aus CFK auf. Dies führt dazu, dass der Durchmesser D_B der Bohrung n in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe t variiert und sich insbesondere Stufen 9 bilden können. Dadurch können Bohrungstoleranzen nicht eingehalten werden, was sich negativ auf eine Verbindung der Bohrung n mit einem entsprechenden Verbindungsmittel, beispielsweise mit einem Bolzen, auswirken kann.
Eine weitere Problematik, welche sich im Zusammenhang mit dem Orbitalbohren ergibt, ist in dem Diagramm aus 4 illustriert.
4 zeigt einen exemplarischen Verlauf der Bohrungsdurchmesser D_B über dreißig Bohrungen n, welche in dem Mischpaket 6 vorgenommen worden sind.
Die Punkte CFK beschreiben den gemessenen Bohrungsdurchmesser D_B in der Schicht 7 aus CFK für eine jeweilige Bohrung n. Die Linie CFK_Trendlinie ist eine lineare Trendlinie, welche durch die Punkte CFK gelegt ist. Die Punkte AL beschreiben den gemessenen Bohrungsdurchmesser D_B in der Schicht 8 aus Aluminium für eine jeweilige Bohrung n. Die Linie AL_Trendlinie ist eine lineare Trennlinie, welche durch die Punkte AL gelegt ist.
An den Linien CFK_Trendlinie und AL_Trendlinie ist zu erkennen, dass der Bohrungsdurchmesser D_B mit fortschreitender Bohrungsnummer n abnimmt. Dies ist auf den Verschleiß des Werkzeugs 1 zurückzuführen.
Weiterhin lässt sich anhand der Linien CFK_Trendlinie und AL_Trendlinie erkennen, dass der Bohrungsdurchmesser D_B in der Schicht 7 aus CFK um durchschnittlich 10 μm größer ist als in der Schicht 8 aus Aluminium. Wie bereits vorstehend im Zusammenhang mit 3 erläutert, erfährt das Werkzeug 1 aufgrund der höheren Zerspankräfte im Aluminium vor allem an seinen Hauptschneiden 11, siehe 1, eine stärkere Verformung als in dem CFK, was dazu führt, dass der Bohrungsdurchmesser D_B in dem Aluminium entsprechend kleiner ausfällt.
Darüber hinaus nimmt der Bohrungsdurchmesser D_B mit fortschreitender Bohrungsnummer n in dem Aluminium stärker ab als in dem CFK. Dies ist zwar mit bloßem Auge der 4 nicht zu entnehmen, entspricht aber den Tatsachen. Dies liegt daran, dass in dem Aluminium höhere Zerspankräfte auf das Werkzeug 1 wirken, so dass sich ein Verschleiß des Werkzeugs 1 noch stärker in einer Reduzierung des Bohrungsdurchmessers D_B bemerkbar macht.
Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, dass sich mit dem Orbitalbohren und gleichsam mit dem Zirkularfräsen die Einhaltung enger Toleranzen hinsichtlich des Bohrungsdurchmessers D_B, insbesondere beim Bohren in Mischmaterialien, als schwierig darstellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Anzahl von Bohrungen bereitzustellen, welches auch die Einhaltung enger Toleranzen hinsichtlich des Bohrungsdurchmessers für eine Vielzahl von Bohrungen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer Anzahl von Bohrungen bereitgestellt, bei welchem zum Herstellen einer jeweiligen Bohrung ein Werkzeug um seine Längsachse gedreht wird und die Längsachse selbst eine exzentrische Bewegung in Bezug auf eine Mittelachse der jeweiligen Bohrung ausführt, wobei die Exzentrizität über die Anzahl der Bohrungen und/oder über die Bohrungstiefe verändert wird.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, die Exzentrizität der Bewegung des Werkzeugs über die Anzahl der Bohrungen hinweg und/oder über eine jeweilige Bohrung hinweg zu verändern. Indem die Exzentrizität über die Anzahl der Bohrungen hinweg verändert wird, kann dem zunehmenden Werkzeugverschleiß entgegengewirkt werden. Dadurch, dass die Exzentrizität in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe während des Bohrens einer jeweiligen Bohrung verändert wird, kann insbesondere in einem Nicht-Mischmaterial einer sich ansonsten ausbildenden Konizität der Bohrung entgegengewirkt werden. Beim Bohren in einem Mischmaterial können ferner die einleitend, im Zusammenhang mit 3 beschriebenen Stufen vermieden werden.
Aus den Unteransprüchen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
Mit ”Exzentrizität” ist vorliegend der Abstand zwischen der Längsachse des Werkzeugs, um welche sich dieses dreht, und der Mittelachse einer jeweiligen Bohrung gemeint. Typischerweise ist die exzentrische Bewegung, welche die Längsachse des Werkzeugs in Bezug auf die Mittelachse einer jeweiligen Bohrung ausführt, eine Kreisbewegung. Dann entspricht die Exzentrizität dem Radius der entsprechenden Kreislinie.
Bevorzugt wird die Exzentrizität mittels eines Steuergeräts der Maschine eingestellt und verändert, mittels welcher das Verfahren durchgeführt wird. Bei der Maschine kann es sich insbesondere um eine Orbitalfräsmaschine oder eine Orbitalbohrmaschine handeln. Weiter bevorzugt erfolgt dieses Einstellen und Verändern der Exzentrizität automatisiert.
Wie bereits einleitend ausgeführt, kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere als ein Orbitalbohren oder ein Zirkularfräsen ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Exzentrizität in Abhängigkeit von empirischen Werten verändert. Damit ist gemeint, dass zunächst Versuche durchgeführt werden und die dabei gewonnenen Daten, vorliegend als empirische Werte bezeichnet, bei hiernach vorgenommenen Bohrungen verwendet werden, um die Exzentrizität einzustellen. Beispielsweise kann im Versuch für eine erste Anzahl von Bohrungen der Ist-Durchmesser einer jeweiligen Bohrung gemessen und beim Bohren einer jeweiligen Bohrung einer zweiten Anzahl von Bohrungen die Exzentrizität in Abhängigkeit von dem jeweils gemessenen Ist-Durchmesser verändert werden. D. h., dass die Exzentrizität beim Bohren einer n'-ten Bohrung der zweiten Anzahl i' von Bohrungen in Abhängigkeit von dem Ist-Durchmesser einer n-ten Bohrung der ersten Anzahl i von Bohrungen angepasst wird, wobei n' = n ist. n und n' können größer gleich 1 gewählt werden. i' kann größer oder gleich 1 sein.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einer ersten Anzahl von Bohrungen, welche mit einem ersten Werkzeug hergestellt wird, für jede Bohrung deren Soll-Durchmesser mit deren Ist-Durchmesser verglichen und die Exzentrizität für eine zweite Anzahl von Bohrungen, welche mit einem zweiten Werkzeug herstellt wird, für jede Bohrung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Soll-Ist-Vergleich verändert. Das erste und zweite Werkzeug gleichen vorzugsweise einander. Die erste und zweite Anzahl i bzw. i' von Bohrungen können größer gleich 1 gewählt werden. Beispielsweise kann die erste Anzahl i von Bohrungen gleich 1 und die zweite Anzahl i' von Bohrungen größer 1 sein. Bei der ersten Anzahl von Bohrungen kann es sich insbesondere um eine Versuchsreihe handeln. Die zweite Anzahl von Bohrungen bezieht sich vorzugsweise auf das tatsächlich herzustellende Werkstück. Somit können die im Versuch gewonnenen empirischen Werte, welche die Abweichung des Soll-Durchmessers vom Ist-Durchmesser mit fortschreitender Anzahl von Bohrungen beschreiben, bei der Herstellung des tatsächlich herzustellenden Werkstücks dazu verwendet werden, die Exzentrizität anzupassen, so dass der Ist-Durchmesser einer jeweiligen Bohrung in dem tatsächlich herzustellenden Werkstück möglichst nah an den Soll-Durchmesser angenähert werden kann. Mit ”jeweiligen Soll-Ist-Vergleich” ist gemeint, dass der (insbesondere im Versuch) für eine n-te Bohrung der ersten Anzahl i von Bohrungen durchgeführte Soll-Ist-Vergleich bei der Veränderung der Exzentrizität für das Bohren einer n'-ten Bohrung der zweiten Anzahl i' von Bohrungen (insbesondere in dem tatsächlich herzustellenden Werkzeug) mit einfließt, wobei n = n' ist. n und n' können größer gleich 1 gewählt werden. i' kann größer oder gleich 1 sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einer ersten Anzahl von Bohrungen für jede Bohrung deren Soll-Durchmesser mit deren Ist-Durchmesser in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe verglichen und die Exzentrizität für eine zweite Anzahl von Bohrungen für jede Bohrung in Abhängigkeit vom jeweiligen Soll-Ist-Vergleich und der Bohrungstiefe verändert. Demnach soll also auch wieder möglichst empirisch für eine erste Anzahl i von Bohrungen n der Zusammenhang zwischen Soll-Durchmesser, Ist-Durchmesser und Bohrungstiefe ermittelt werden und für eine zweite Anzahl von Bohrungen n', möglichst in dem tatsächlich herzustellenden Werkstück, soll die Exzentrizität in Abhängigkeit von dem ermittelten Zusammenhang variiert werden. Ziel ist es auch hier, den Ist-Durchmesser in dem tatsächlich herzustellenden Werkstück möglichst nah an den Soll-Durchmesser anzunähern. Die erste Anzahl i von Bohrungen n kann mit einem ersten Werkzeug und die zweite Anzahl i' von Bohrungen n' mit einem zweiten Werkzeug durchgeführt werden, wobei das erste und zweite Werkzeug einander gleichen. Die erste und zweite Anzahl i, i' von Bohrungen n, n' können auch hier größer gleich 1 gewählt werden. Beispielsweise kann die erste Anzahl i von Bohrungen gleich 1 und die zweite Anzahl i' von Bohrungen größer 1 sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine mathematische Funktion zur Beschreibung des Soll-Ist-Vergleichs in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe und/oder der Anzahl von Bohrungen aufgefunden und die Exzentrizität in Abhängigkeit von dieser Funktion verändert. Dadurch müssen beispielsweise in einer entsprechenden Steuerung keine Tabellen für die Einstellung der Exzentrizität in Abhängigkeit von der Anzahl von Bohrungen und Bohrungstiefe hinterlegt werden, sondern es kann eine mathematische Funktion zur Bestimmung der Exzentrizität verwendet werden. Eine solche Funktion lässt sich einfach in der entsprechenden Steuerung hinterlegen und von dieser ausführen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der Soll-Ist-Vergleich das Ermitteln der Differenz zwischen dem Soll-Durchmesser und dem Ist-Durchmesser. Die Differenz beschreibt also die Abweichung des Ist-Durchmessers von dem Soll-Durchmesser und kann daher vorteilhaft zur Ermittlung der Veränderung der Exzentrizität verwendet werden. Beispielsweise kann die Veränderung der Exzentrizität für eine jeweilige Bohrung der zweiten Anzahl von Bohrungen in etwa der Hälfte der Differenz zwischen dem Soll-Durchmesser und dem Ist-Durchmesser entsprechen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Exzentrizität in Abhängigkeit von einer Spindelleistung zum Antreiben des Werkzeugs und/oder einer Spindelkraft zum Betätigen des Werkzeugs verändert. Demnach soll also zusätzlich oder alternativ zu dem vorstehend beschriebenen empirischen Ansatz, bei welchem der Soll-Durchmesser einer jeweiligen Bohrung mit einem Ist-Durchmesser einer jeweiligen Bohrung verglichen wird, wofür eine entsprechende Messung erforderlich ist, auch eine Soll-Spindelleistung und/oder eine Soll-Spindelkraft mit einer Ist-Spindelleistung bzw. Ist-Spindelkraft verglichen werden. Damit erübrigt sich das vergleichsweise aufwändige, meist manuelle Messen des Durchmessers einer jeweiligen Bohrung. Zusätzlich oder alternativ zu den vorstehend beschriebenen empirischen Ansätzen kann die Spindelleistung oder Spindelkraft in Echtzeit gemessen werden, was somit auch die Möglichkeit einer Anpassung der Exzentrizität in Echtzeit ermöglicht. Wird beispielsweise festgestellt, dass sich die Spindelleistung erhöht, so kann davon ausgegangen werden, dass das Werkzeug weiter verschlissen ist. Entsprechend kann dann die Exzentrizität erhöht werden, um dem sich bei verschlissenem Werkzeug einstellenden kleineren Bohrungsdurchmesser entgegenzuwirken.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Mischmaterial gebohrt. Die Erfindung ist aber genauso auf Nicht-Mischmaterialien anwendbar. Bei Nicht-Mischmaterialien stellt sich beispielsweise das Problem der Konizität am Ein- und Auslauf einer jeweiligen Bohrung. Auch dieser Konizität kann im Wege des vorliegenden Verfahrens entgegengewirkt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Mischmaterial wenigstens zwei Schichten auf, wobei die eine Schicht ein insbesondere faserverstärkter Kunststoff und die andere Schicht ein Metall, insbesondere ein Aluminium, auf. Das vorliegende Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft auf derartige Mischmaterialien anwenden. Unter ”Aluminium” ist vorliegend reines Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung zu verstehen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 in einer perspektivischen Ansicht eine Werkstück-Werkzeug-Anordnung gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Draufsicht aus 1;
3 eine Schnittansicht einer Bohrung durch das Werkstück aus 1, wobei keine Korrektur der Exzentrizität vorgenommen wurde;
4 in einem Diagramm einen Verlauf des Bohrungsdurchmessers über 29 Bohrungen in dem Mischmaterial aus 3, wobei keine Korrektur der Exzentrizität vorgenommen wurde;
5 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 in einem Diagramm einen Verlauf des Bohrungsdurchmessers über 29 Bohrungen, wobei die Exzentrizität über die Bohrungstiefe verändert wurde;
7 das Oberflächenprofil einer Bohrungswand einer Bohrung aus 6;
8 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 in einem Diagramm einen Verlauf des Bohrungsdurchmessers über 220 Bohrungen;
10 in einem Diagramm einen Verlauf des Bohrungsdurchmessers über 220 Bohrungen, wobei die Exzentrizität über die Anzahl der Bohrungen und die Bohrungstiefe verändert wurde;
11 in einem Flussdiagramm maßgebende Maschinenstellgrößen, Messwerte und Faktoren zur Veränderung der Exzentrizität; und
12 in einem Diagramm den gemittelten momentbildenden Strom der axialen Vorschubachse sowie die axiale Vorschubkraft über 23 Bohrungen.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist. Die mit ”'” nachfolgend bezeichneten Buchstaben und Zahlen sind in den Figuren teilweise nicht dargestellt, sollen aber der besseren Unterscheidbarkeit der erläuterten Merkmale dienen.
Das Verfahren gemäß 5 kann folgende Verfahrensschritte aufweisen:
Schritt S1:
Zunächst wird in einem Versuch in einem Schritt S1 eine ersten Anzahl i von Bohrungen n an einem ersten Werkstück 2 vorgenommen, wobei i = 1. D. h., es wird lediglich eine Bohrung gebohrt.
Im Einzelfall kann dies beispielsweise so aussehen, dass anstelle der in 4 gezeigten 29 Bohrungen lediglich eine Bohrung, beispielsweise die 1-te Bohrung, im Versuch gebohrt wird. Die 1-te Bohrung wird mit einer konstanten Exzentrizität e1 des Werkzeugs 1 gebohrt.
Schritt S2:
Hiernach wird in einem Schritt S2 der Ist-Durchmessers D_B der einen Bohrung in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe t gemessen. Dies kann direkt oder indirekt geschehen. Mit ”direkt” ist gemeint, dass der Durchmesser physisch mit einer Lehre oder dergleichen an der Bohrung gemessen wird. Mit ”indirekt” ist gemeint, dass der Durchmesser mittels eines Faktors gemessen wird, welcher von dem Durchmesser abhängt. Hier kommt insbesondere eine Spindelleistung, bevorzugt ein Spindelstrom, welche beispielsweise von einem Antrieb zum Antreiben der Vorschubspindel aufgenommen wird, die das Werkzeug antreibt, in Frage. Die Spindelleistung ist nämlich abhängig von dem Durchmesser, wie sich aus 11 ergibt und später noch näher erläutert wird.
Für die 1-te Bohrung in 4 wird demnach ein Ist-Durchmessers D_B in dem CFK von ca. 4,1725 mm bei einer Bohrungstiefe t1 und in dem Al von ca. 4,160 bei einer Bohrungstiefe t2 gemessen.
Schritt S3:
Daraufhin werden in einem Schritt S3 die beiden Ist-Durchmesser D_B in dem CFK und in dem Al jeweils mit einem Soll-Durchmesser verglichen. Bevorzugt wird hier einer erste Differenz zwischen dem Ist-Durchmesser in dem CFK und dem Soll-Durchmesser und eine zweite Differenz zwischen dem Ist-Durchmesser in dem Al und dem Solldurchmesser ermittelt.
Der Soll-Durchmesser beträgt beispielsweise 4,165 mm. Dann beträgt die erste Differenz für die Bohrung in dem CFK 0,0075 mm und die zweite Differenz für die Bohrung in dem Al –0,005 mm.
Schritt S4:
Anschließend wird in einem Schritt S4 ein Verlauf der Exzentrizität e für eine zweite Anzahl i' von Bohrungen n' in Abhängigkeit von dem Vergleich des Ist-Durchmessers mit dem Soll-Durchmesser und der Bohrungstiefe ermittelt, um die jeweiligen Ist-Durchmesser dem Soll-Durchmesser anzunähern.
D. h., dass beispielsweise eine erste Exzentrizität e1' für die Bohrungstiefe t1 in Abhängigkeit von der ersten Differenz 0,0075 und eine zweite Exzentrizität e2' für die Bohrungstiefe t2 in Abhängigkeit zweiten Differenz –0,005 ermittelt wird. Beispielsweise wird somit die erste Exzentrizität e1' gegenüber der Exzentrizität e1 verkleinert und die zweite Exzentrizität e2' gegenüber der Exzentrizität e1 vergrößert.
Schritt S5:
Daraufhin wird in einem Schritt S5 eine zweite Anzahl i' von Bohrungen n' an einem zweiten Werkstück 2' vorgenommen, welches tatsächlich gefertigt werden soll. i' ist > 1. Jede der Bohrungen n' der zweiten Anzahl von Bohrungen i'' wird mit dem im Schritt 4 ermittelten Verlauf der Exzentrizität e gebohrt.
D. h., dass beispielsweise die in 6 dargestellten 29 Bohrungen n' jeweils mit der Exzentrizität e1' für die Bohrungstiefe t1 und mit der Exzentrizität e2' für die Bohrungstiefe t2 gebohrt werden.
Somit können, wie beispielsweise in 6 für die 31-te Bohrung gezeigt, der Ist-Bohrungsdurchmesser in dem CFK und der Ist-Bohrungsdurchmesser in dem Al nahe an den Soll-Durchmesser angeglichen werden. Konkret beträgt in dem zweiten Werkstück 2' der Ist-Bohrungsdurchmesser D_B in dem CFK ca. 4,167 und der in dem Al ca. 4,164, während der Soll-Bohrungsdurchmesser 4,165 beträgt.
7 zeigt das entsprechende Oberflächenprofil der Bohrungswand der 31-ten Bohrung in dem zweiten Werkstück 2' in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe.
Mit Ausnahme an der Shim-Schicht – eine die Schicht 7 aus CFK und die Schicht 8 aus Al verbindende Klebstoffschicht – kann folglich eine Bohrungswand ohne relevante Stufen erzielt werden.
Wie 6 zu entnehmen, liegen die Bohrungsdurchmesser D_B der Bohrungen n' alle innerhalb des Toleranzbandes IT8.
Somit ist es möglich Bohrungen n' insbesondere in Mischmaterialien zu erzeugen, welche auch hohen Toleranzanforderungen gerecht werden.
In einer Variante der Verfahrensschritts S4 kann eine mathematische Funktion aufgefunden werden, welche den Exzentrizitätsverlaufe e in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe t beschreibt. Diese mathematische Funktion kann in einer Steuerung der Orbitalbohrmaschine hinterlegt sein und im Schritt S5 zum Verändern der Exzentrizität verwendet werden.
Wie 7 aber auch entnommen werden kann, weisen die Trendlinien CFK_Trend und Al_Trend nach wie vor eine negative Steigung auf. Dies begründet sich darin, dass das Werkzeug 1 mit zunehmender Anzahl i' von Bohrungen n' verschleißt.
Diesem Problem kann durch ein Verfahren mit den Schritten R1 bis R5 begegnet werden, welches nachfolgend insbesondere mit Bezug zu 8 erläutert wird.
Schritt R1:
Zunächst wird in einem Versuch in einem Schritt R1 eine ersten Anzahl i von Bohrungen n an einem ersten Werkstück 2 mit einem ersten Werkzeug 1 vorgenommen, wobei i > 1. D. h., es werden eine Vielzahl von Bohrungen n gebohrt.
Im Einzelfall kann dies beispielsweise so aussehen, dass in das erste Werkstück 2 im Versuch 220 Bohrungen gebohrt werden, s. 9. Die Bohrungen n werden mit einer konstanten Exzentrizität e1 des ersten Werkzeugs 1 gebohrt.
Schritt R2:
Hiernach wird in einem Schritt R2 der Ist-Durchmessers D_B einer jeden Bohrung n in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe t gemessen. Dies kann direkt oder indirekt geschehen, wie vorstehend beschrieben.
Für jede der 220 Bohrungen in 9 wird demnach der Ist-Durchmessers D8 in dem CFK (entspricht einer Bohrungstiefe t1) und der in dem Al (entspricht einer Bohrungstiefe t2) gemessen. Dabei ergeben sich für die 20-te und 140te Bohrung beispielsweise folgende Messwerte:

Bohrungsnr. (n) D_B in CFK (mm) D_B in Al (mm)

20 4,1725 4,166

140 4,166 4,158
Schritt R3:
Daraufhin werden in einem Schritt R3 der Ist-Durchmesser D_B in dem CFK und in dem Al für jede Bohrung n mit einem Soll-Durchmesser verglichen.
Der Soll-Durchmeser beträgt beispielsweise 4,165 mm. Dann ergeben sich beispielhaft folgende Werte für die erste und zweite Differenz für eine jeweilige Bohrung n:

Bohrungsnr. (n) Differenz in CFK (mm) Differenz in Al (mm)

20 0,0075 0,001

140 0,001 –0,007
Schritt R4:
Anschließend wird in einem Schritt R4 ein Verlauf der Exzentrizität e über eine zweite Anzahl i' der Bohrungen n' in Abhängigkeit von den Vergleichen der jeweiligen Ist-Durchmessers mit den jeweiligen Soll-Durchmessern und in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe t ermittelt, um die jeweiligen Ist-Durchmesser für die zweite Anzahl i' von Bohrungen n' dem Soll-Durchmesser anzunähern. Die Exzentrizitäten e1' und e2' für eine Bohrung n' werden also in Abhängigkeit von dem Vergleich der Ist-Durchmesser D_B mit dem Solldurchmesser einer Bohrung n aufgefunden, wobei n = n' ist.
D. h., dass beispielsweise eine erste Exzentrizität e1' für die 20-te Bohrung in Abhängigkeit von der ersten Differenz 0,0075 für die Bohrungstiefe t1 (also im CFK) und eine zweite Exzentrizität e2' für die 20-te Bohrung in Abhängigkeit von der zweiten Differenz 0,001 für die zweite Bohrungstiefe t2 (also im Al) ermittelt wird. Beispielsweise werden dabei die erste Exzentrizität e1' und die zweite Exzentrizität e2' gegenüber der Exzentrizität e1 jeweils verkleinert.
Ferner wird die erste Exzentrizität e1' für die 140-te Bohrung in Abhängigkeit von der ersten Differenz 0,001 für die Bohrungstiefe t1 (also im CFK) und eine zweite Exzentrizität e2' für die 140-te Bohrung in Abhängigkeit von der zweiten Differenz –0,007 für die zweite Bohrungstiefe t2 (also im Al) ermittelt. Beispielsweise wird dabei die erste Exzentrizität e1' gegenüber der Exzentrizität e1 verkleinert und die zweite Exzentrizität e2'' gegenüber der Exzentrizität e1 vergrößert.
Schritt R5:
Daraufhin wird in einem Schritt R5 eine zweite Anzahl i' von Bohrungen n' an einem zweiten Werkstück 2' vorgenommen, welches tatsächlich gefertigt werden soll. i' ist > 1. Jede der Bohrungen n' der zweiten Anzahl von Bohrungen i' wird mit dem im Schritt R4 ermittelten Verlauf der Exzentrizität e gebohrt. Das Bohren der zweiten Anzahl i' von Bohrungen n' wird mit einem zweiten, unveschlissenen Werkzeug 1' vorgenommen, welches vorzugsweise identisch mit dem ersten Werkzeug 1 in dessen unverschlissenen Zustand ist.
D. h., dass beispielsweise die in 10 dargestellten Bohrungen 20' bis 220' jeweils mit der Exzentrizität e1' für die Bohrungstiefe t1 und mit der Exzentrizität e2' für die Bohrungstiefe t2 gebohrt werden, wobei die Exzentrizitäten e1' und e2' mit der Bohrungsnummer n' variiert werden.
Somit können, wie in 10 für die 20-te bis 220-te Bohrung gezeigt, der Ist-Bohrungsdurchmesser in dem CFK und der Ist-Bohrungsdurchmesser in dem Al nahe an den Soll-Durchmesser angeglichen werden, und dies über alle Bohrungen 20 bis 200 hinweg. Insbesondere ist die im Vergleich mit 9 geringe negative Steigung der jeweiligen Trendlinien, siehe CFK_Trendlinie und AL_Trendlinie, zu erkennen. Dies ergibt sich dadurch, dass mittels der Schritte R1 bis R5 dem Werkzeugverschleiß mittels Anpassung der Exzentrizität entgegengewirkt wird.
Zum Vergleich zeigt 10 die Bohrungen 1 bis 19, welche gemäß dem Verfahren mit den Schritten S1 bis S5 hergestellt wurden. Leicht ist die mit dem Verfahren mit den Schritten R1 und R5 erzielte weitere Verbesserung zu erkennen, da bei dem Verfahren mit den Schritten S1 bis S5 noch einige der erzielten Bohrungsdurchmesser für die Bohrungen 1 bis 19 außerhalb des Toleranzfeldes IT 8 liegen.
In einer Variante des Verfahrensschritts R4 kann eine mathematische Funktion aufgefunden werden, welche den Exzentrizitätsverlauf e in Abhängigkeit von der Bohrungsnummer n und der Bohrungstiefe t beschreibt. Diese mathematische Funktion kann in einer Steuerung des Orbitalbohrmaschine hinterlegt sein und im Schritt R5 zum Verändern der Exzentrizität verwendet werden.
Zusammenfassend lässt sich hinsichtlich der 9 und 10 feststellen, dass die in 9 im Versuch ermittelten Bohrungsdurchmesser herangezogen wurden, um die Bohrungen 20 bis 220 in 10 mit einer geeigneten Exzentrizität zu bohren, so dass die Bohrungen hinsichtlich ihres Durchmessers nahezu alle innerhalb des in 8 eingezeichneten Toleranzfeldes, begrenzt durch die Toleranzfeldober- und -untergrenze, liegen. Dadurch kann dem Werkzeugverschleiß Rechnung getragen werden.
Weiterhin sind beispielsweise folgende Modifikation des Verfahrens mit den Schritten R1 bis R5 denkbar:
Schritte R1' bis R5' gemäß einer Variante des Verfahrens mit den Schritten R1 bis R5:
Bei dieser Variante wird die Bohrungstiefe t nicht gemessen und fließt auch nicht in die Ermittlung des Exzentrizitätsverlaufs ein. Diese Vorgehensweise bietet sich besonders an, wenn nicht ein Mischmaterial, sondern Werkstück aus einem einheitlichen Material gebohrt wird.
Schritt R1':
Zunächst wird im Versuch in einem Schritt R1' eine erste Anzahl i von Bohrungen n an einem ersten Werkstück, welches aus einem einheitlichen Material, beispielsweise CFK, besteht, vorgenommen, wobei i > 1. D. h., es werden eine Vielzahl von Bohrungen n gebohrt.
Im Einzelfall kann dies beispielsweise so aussehen, dass in das erste Werkstück 2 im Versuch 220 Bohrungen gebohrt werden. Die Bohrungen n werden mit einer konstanten Exzentrizität e1 des Werkzeugs 1 gebohrt. Diese 220 Bohrungen können beispielsweise den Bohrungen n im CFK aus 9 entsprechen.
Schritt R2':
Hiernach wird in einem Schritt R2' der Ist-Durchmessers D_B einer jeden Bohrung n gemessen. Dies kann direkt oder indirekt geschehen, wie vorstehend beschrieben.
Für jede der 220 Bohrungen in 9 wird demnach der Ist-Durchmessers D_B in dem CFK gemessen. Dabei ergeben sich für die 20-te und 140te Bohrung folgende Messwerte:

Bohrungsnr. (n) D_B in CFK (mm)

20 4,1725

140 4,166
Schritt R3':
Daraufhin werden in einem Schritt R3' der Ist-Durchmesser D_B in dem CFK jede Bohrungen n mit einem Soll-Durchmesser verglichen.
Der Soll-Durchmesser beträgt beispielsweise 4,165 mm. Dann ergeben sich beispielhaft folgende Werte für die Differenz für eine jeweilige Bohrung n:

Bohrungsnr. (n) Differenz in CFK (mm)

20 0,0075

140 0,001
Schritt R4':
Anschließend wird in dem Schritt R4' ein Verlauf der Exzentrizität e über eine zweite Anzahl i' von Bohrungen n' in Abhängigkeit von den Vergleichen der jeweiligen Ist-Durchmessers mit den jeweiligen Soll-Durchmessern ermittelt, um die jeweiligen Ist-Durchmesser für die zweite Anzahl i' von Bohrungen n', dem Soll-Durchmesser anzunähern. Die Exzentrizität e1' für eine Bohrung n' wird also in Abhängigkeit von dem Vergleich des Ist-Durchmessers D_B und des Solldurchmessers einer Bohrung n aufgefunden, wobei n = n' ist.
D. h., dass beispielsweise eine Exzentrizität e1' für die 20-te Bohrung in Abhängigkeit von der Differenz 0,0075 ermittelt wird. Beispielsweise wird dabei die erste Exzentrizität e1' gegenüber der Exzentrizität e1 verkleinert.
Ferner wird Exzentrizität e1' für die 140-te Bohrung in Abhängigkeit von der Differenz 0,001 ermittelt. Beispielsweise wird dabei die erste Exzentrizität e1' gegenüber der Exzentrizität e1 verkleinert.
Schritt R5':
Daraufhin wird in einem Schritt R5' eine zweite Anzahl i' von Bohrungen n' an einem zweiten Werkstück 2' vorgenommen, welches tatsächlich gefertigt werden soll. i' ist > 1. Die Bohrungen n' der zweiten Anzahl von Bohrungen i' werden mit dem im Schritt R4 ermittelten Verlauf der Exzentrizität e über die Bohrungen n' gebohrt. Hierzu wird vorzugsweise ein unverschlissenes Werkzeug 1' verwendet, welches mit dem Werkzeug 1 in dessen unverschlissenem Zustand identisch ist.
D. h., dass beispielsweise die in 10 dargestellten Bohrungen 20' bis 220' jeweils mit der Exzentrizität e1' gebohrt werden, wobei die Exzentrizität e1' mit der Bohrungsnummer n variiert wird.
Somit können die Ist-Bohrungsdurchmesser in dem einheitlichen Material jeweils nahe an den Soll-Durchmesser angeglichen und einem Werkzeugverschleiß kann daher entgegengewirkt werden.
In einer Variante des Verfahrensschritts R5' kann eine mathematische Funktion aufgefunden werden, welche den Exzentrizitätsverlauf in Abhängigkeit von der Bohrungsnummer n beschreibt. Diese mathematische Funktion kann in einer Steuerung des Orbitalbohrmaschine hinterlegt sein und im Schritt R5 zum Verändern der Exzentrizität verwendet werden.
11 zeigt in einem Ablaufdiagramm Maschinenstellgrößen, Messwerte, Korrekturfaktoren und weitere Aspekte, welche für das Orbitalbohren von Bedeutung sein und auf den Ist-Durchmesser der im Werkzeug gebildeten Bohrung Einfluss nehmen können. Insbesondere zeigt 11, dass der beispielsweise über den Versuchsverlauf aus 9 gemessene Spindelstrom dazu verwendet wird, die Exzentrizität e des Werkzeugs zu steuern. Ferner ergibt sich aus 11, dass auch ein theoretischer Ansatz mit dem empirischen Ansatz der Verfahren gemäß den Schritten S1 bis S5, R1 bis R5 und R1' bis R5' kombiniert werden kann. Beispielsweise kann mittels eines Finite-Elemente-Modells eine zusätzliche Veränderung der Exzentrizität e ermittelt werden, welche beim Bohren gemäß den Schritten S5, R5 bzw. R5' einfließt.
12 zeigt den momentbildenden Spindelstrom der axialen Vorschubachse sowie die axiale Vorschubkraft für eine Anzahl von Bohrungen in einem Titanmaterial. Wie aus 12 zu entnehmen, weisen der Spindelstrom und die axiale Vorschubkraft eine Abhängigkeit von der Bohrungsnummer n auf. Dies begründet sich darin, dass für das Bohren mit einem zunehmend verschlissenen Werkzeug ein höheres Spindelmoment und ein entsprechend höherer Strom sowie eine höhere axiale Vorschubkraft benötigt werden. Folglich lässt sich der Ist-Durchmesser einer jeweiligen Bohrung n auch anhand des Spindelstroms und/oder anhand der Vorschubkraft ermitteln. Das physische Messen, wie im Schritt S2 beschrieben, kann somit vorteilhaft entfallen.
Obwohl die Erfindung vorliegend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Bezugszeichenliste

1, 1': Werkzeug
2, 2': Werkstück
4: Längsachse
5: Mittelachse
6: Mischmaterial
7: Schicht
8: Schicht
9: Stufe
11: Hauptschneide
e: Exzentrizität
e1: Exzentrizität
e1': Exzentrizität
e2': Exzentrizität
i: Anzahl von Bohrungen
i': Anzahl von Bohrungen
n: Bohrung
n': Bohrung
t: Tiefe
t1: Tiefe
t2: Tiefe
D_B: Bohrungsdurchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6773211 B2 [0002, 0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Anzahl (i; i') von Bohrungen (n; n'), bei welchem zum Herstellen einer jeweiligen Bohrung (n; n') ein Werkzeug (1) um seine Längsachse (4) gedreht wird und die Längsachse (4) selbst eine exzentrische Bewegung in Bezug auf eine Mittelachse (5) der jeweiligen Bohrung (n; n') ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität (e) über die Anzahl (i') der Bohrungen (n') und/oder über die Bohrungstiefe (t) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität (e) in Abhängigkeit von empirischen Werten verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten Anzahl (i) von Bohrungen (n), welche mit einem ersten Werkzeug (1) hergestellt wird, für jede Bohrung (n) deren Soll-Durchmesser mit deren Ist-Durchmesser (D_B) verglichen und die Exzentrizität (e) für eine zweite Anzahl (i') von Bohrungen (n'), welche mit einem zweiten Werkzeug (1') hergestellt wird, für jede Bohrung (n') in Abhängigkeit von dem jeweiligen Soll-Ist-Vergleich verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten Anzahl (i) von Bohrungen (n) für jede Bohrung (n) deren Soll-Durchmessers mit deren Ist-Durchmessers (D_B) in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe (t) verglichen und die Exzentrizität (e) für eine zweite Anzahl (i') von Bohrungen (n') für jede Bohrung (n') in Abhängigkeit von dem jeweiligen Soll-Ist-Vergleich und der Bohrungstiefe (t) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine mathematische Funktion zur Beschreibung der Veränderung der Exzentrizität (e) in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe (t) und/oder von der Anzahl (i') von Bohrungen (n') ermittelt und die Exzentrizität (e) in Abhängigkeit von dieser Funktion verändert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Ist-Vergleich das Ermitteln der Differenz zwischen dem Soll-Durchmesser und dem Ist-Durchmesser (D_B) umfasst.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität (e) in Abhängigkeit von einer Spindelleistung zum Antreiben des Werkzeugs (1; 1') und/oder einer Spindelkraft zum Betätigen des Werkzeugs (1; 1') verändert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mischmaterial (6) gebohrt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischmaterial (6) wenigstens zwei Schichten (7; 8) aufweist, wobei die eine Schicht (7) ein insbesondere faserverstärkter Kunststoff und die andere Schicht (8) ein Metall, insbesondere Aluminium, ist.