Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bestimmung qualitätsrelevanter Prozessgrößen für das Gewindefurchen/Vorlochen sowie deren gezielte Einflussnahme zur Verbesserung der Prozesssicherheit

Das Gewindefurchen nach DIN 8583-5 wird zur Herstellung von Innengewinden in der industriellen Serienfertigung eingesetzt.

Zur Fertigung ausreichend langer Gewinde wird in Feinblech zunächst ein Loch geschnitten und ein Kragendurchzug geformt. Abschließend bringt der Gewindeformer mit einer schraubenförmigen Bewegung die Gewindefurche in den Kragenzug ein.

Die Prozessauslegung erfolgt dabei vorwiegend empirisch und weitestgehend ohne Berücksichtigung der vorgelagerten Prozessschritte. Schwankungen der Material-, Prozess- und Qualitätsparameter entlang der Fertigungsstufen werden weder erfasst noch für eine Prozessregelung genutzt. Erst durch eine zerstörende Prüfung des fertigen Bauteils wird die Gewindefestigkeit stichprobenartig nachgewiesen.

Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, die Prozesskenngrößen entlang der Bearbeitungsschritte zu erfassen und sie in das Prozessfenster einzuordnen. Dazu wird erstmals systematisch der Zusammenhang zwischen Blecheigenschaften, Durchzugherstellung, Furchprozess und Gewindequalität als Gesamtsystem betrachtet. Durch die lückenlose und zerstörungsfreie Prozessüberwachung werden die mittelständig geprägten Blechverarbeiter (KMU) befähigt, eine fundierte Aussage zum momentanen Prozesszustand zu erhalten und die Prozesskette zum Gewindefurchen gezielt steuern zu können. Durch die erhöhte Prozessstabilität wird die Ausschussrate reduziert und Anlagenstillstände für iterative Korrekturmaßnahmen vermieden. Darüber hinaus trägt das Vorhaben zur weiteren Verbreitung dieser ressourcenschonenden Fertigungstechnologie bei.

Anhand der Ergebnisse des Forschungsvorhabens und einer zerstörungsfreien Prozessüberwachung können KMU der Blechverarbeitungsindustrie eine Aussage über den Prozesszustand treffen und somit die Prozessfolge gezielt steuern. Die wirtschaftliche Relevanz für KMU ist daher als hoch einzuschätzen. Das Innovationspotenzial ist für die Anwender beträchtlich.

Ergebniszusammenfassung:

Erstes Teilziel des Vorhabens war das Ersetzen der empirisch-iterativen Prozessauslegung durch eine simulationsgestützte Prozessauslegung zu ersetzen. Dazu liegt im Ergebnis ein Finite-Elemente-Modell der gesamten Prozesskette vor, das die Stufen der Lochherstellung, des Kragenzuges und des Gewindeformens selbst umfasst. Auf Basis eines detaillierten Prozessverständnisses und der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Prozessschritten und deren Einflussparametern ist es den industriellen Anwendern möglich, die qualitativen Zusammenhänge strukturiert zu erfassen und die optimalen Prozessparameter für eine wirtschaftliche Serienfertigung abzuleiten.

Ein zweites Teilziel bestand darin, die nachgelagerte, zerstörende Bauteilprüfung durch eine zerstörungsfreie und prozessbegleitende messtechnische Qualitätsüberwachung zu ersetzen. Dazu wurde das beim Gewindefurchen auftretende Drehmoment in unmittelbarer Nähe zur Wirkstelle gemessen. Es kam Drehmomentmesstechnik zum Einsatz, die sowohl statisch auf der Bauteilseite als auch rotierend auf der Seite des Furchwerkzeuges eingesetzt werden kann. Aus einer umfangreichen Auswertung der Prozessparameter und der geometrischen Qualitätsmerkmale der ausgeformten Gewinde konnte ein direkter Zusammenhang der Gewindeausformung mit dem Krageninnendurchmesser als Stellgröße bestätigt werden. Darüber hinaus steht erstmals ein direkt am Gewindeformer gemessenes Drehmoment als Qualitätsmerkmal für die korrekte Ausformung des Gewindes und damit eine zerstörungsfreie, fertigungsbegleitende und durchgängige Qualitätskontrolle zur Verfügung.

Die Implementierung in praxisübliche Werkzeugtechnik kann für einzelne Gewindedurchzüge durch Drehmomentmesstechnik analog dem Versuchsaufbau erfolgen. Die Gewindetragfähigkeit wurde abschließend durch Auspress- und Überdrehversuche nachgewiesen und damit der Festigkeitsnachweis erbracht.

Damit steht den KMU-Anwendern ein fundiert ausgelegter und lückenlos überwachter Fertigungsprozess bereit.