Entwicklung einer aktiv gedämpften Bohrstange mittels eines gepulsten Kühlschmiermittel-Strahls

Die Schwingungsanfälligkeit und Ratterneigung lang auskragender Bohrstangen führt zu einer geringeren Produktivität. Um die Schwingungsanfälligkeit zu reduzieren werden Hartmetall Bohrstangen und Hilfsmassedämpfer verwendet. Allerdings können aufgrund des benötigten Bauraums für die Dämpfungselemente keine Bohrstangen mit einem Durchmesser D < 16 mm gedämpft werden. Heutzutage werden am Markt überwiegend passive Dämpfungsmethoden industriell für Durchmesser mit D >= 16 mm angeboten. Ein Nachteil der passiven Dämpfungselemente besteht darin, dass diese bei einer Änderung der Schwingeigenschaften der Bohrstange durch geänderte Schnittbedingungen aufwendig angepasst werden müssen. Höhere Dämpfungsmaße und die Möglichkeit der Adaption an geänderte Randbedingungen gelten als Vorteil der aktiven Dämpfungselemente. Allerdings verhindern die aufwendige und kostenintensive Energieversorgung und Regelung der bisher verwendeten Piezo- oder Magnet Aktoren eine Marktdurchdringung.

Der neue Ansatz zur Umsetzung eines aktiven Systems zur Dämpfung dünner, lang auskragender Bohrstangen ist beruht auf der Nutzung des vorhandenen Kühlschmierstoffes (KSS). Durch die Pulsation des KSS wird eine Kraft in der Bohrstange appliziert, um die Schwingungen aus dem Prozess zu stören. Dieses Dämpfungskonzept benötigt keine Zusatzelemente in der Bohrstange und ist damit auch für Bohrstangen mit geringen Durchmessern geeignet. Hierfür werden der Bohrstange, Sensorik und Ventile vorgeschaltet, um die Pulsation des KSS zu ermöglichen. Eine Herausforderung ist die gezielte Anwendung der Pulsationskraft, um eine destruktive und keine konstruktive Interferenz mit den Schwingungen zu erzeugen.

Das Ziel ist es zunächst ein simulationsbasiertes Tool zur Analyse der Bohrstangenschwingung und er Pulsationswirkung zu erstellen. Hierfür wird die Bohrstange mit Hilfe der Finite Elemente Methode (FEM) und das KSS mit Fluidsimulationen (CFD) simuliert. Die Simulationen werden durch Versuche validiert.