Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methode für die Auslegung von Prozesseinstellgrößenmodulation zur Steigerung der Produktivität und Werkzeugstandzeit beim Drehen - ProMod

Bei der spanenden Bearbeitung von Metallen tritt Werkzeugverschleiß infolge hoher thermomechanischer Beanspruchung des Schneidkeils auf. Bei der Drehbearbeitung im kontinuierlichen Schnitt unterliegt der Schneidkeil einem konstanten Belastungskollektiv. Hierdurch breitet sich der Verschleiß im Bereich der höchsten Belastung am Schneidkeil kontinuierlich aus.

Ansatz dieses Forschungsprojekts ist es, die maximal wirkende thermische und mechanische Belastung am Schneidkeil so zu verteilen, dass Freiflächen- und Kolkverschleiß über einen größeren Bereich des Werkzeugs verteilt werden. Dies wird über eine zyklische Variation (Modulation) der Stellgrößen „Schnittgeschwindigkeit“ und „Vorschub“ während des Zerspanprozesses erreicht. In Voruntersuchungen wurden bereits Standzeiterhöhungen von 34% nachgewiesen. Arbeitshypothese ist zudem, dass anstelle einer Standzeiterhöhung eine Steigerung der Produktivität ermöglicht wird.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erstellung einer Methode zur belastungsoptimalen Auslegung der Prozesseinstellgrößenmodulation am Beispiel der Außenlängsdrehbearbeitung. Zur Erreichung des Ziels sind experimentelle und numerische Untersuchungen zur thermomechanischen Belastung am Schneidkeil, sowie Verschleißuntersuchungen in Abhängigkeit der Modulationsparameter Amplitude, Wellenlänge, Diskretisierung und Steigung notwendig. Hieraus lässt sich ableiten, welche Modulationsparameter relevant sind, wie sich das thermomechanische Belastungsprofil in Abhängigkeit der Prozesseinstellgrößen ändert und wie sich die Standzeit bzw. die Produktivität maximieren lässt.

Die zu gewinnenden Erkenntnisse bieten direkte Potentiale für Fertigungsbetriebe, Werkzeughersteller, Softwarehersteller sowie Maschinenhersteller. Zudem sind für den Transfer des Verfahrens in die Industrie keine Investitionen für Aggregate, Aktuatoren oder Werkzeuge erforderlich.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Vorhabens wurden zwei verschiedene Modulationsformen untersucht. Eine Form ist die langsame Modulation, bei der die Prozessstellgrößen entlang der gesamten Standzeit des Werkzeugs verringert werden. Hierdurch wird das verschlissene Werkzeug gegen Ende der Standzeit entlastet und die Standzeit der Werkzeuge um bis zu 25 % gesteigert. Allerdings wird hierbei die Produktivität der Prozesse verändert, wodurch in der Anwendung schwankende Taktzeiten resultieren. Zur Sicherstellung gleichbleibender Taktzeiten wurde eine zweite Form der Modulation untersucht, die eine lineare Änderung der Prozessstellgrößen entlang einer Vorschubbahn vorsieht. Diese Art der Modulation ermöglicht jedoch nur Standzeitsteigerungen, wenn eine bestimmte werkstoffspezifische mittlere Schnittgeschwindigkeit überschritten wird. Daher wurde eine Methode entwickelt, mit der diese Grenzschnittgeschwindigkeit ermittelt werden kann. Mithilfe der vorgestellten Methode kann der Standzeitvorteil der Modulation qualitativ korrekt vorausberechnet werden. Zur Anwendung der Methode werden lediglich neun Verschleißuntersuchungen benötigt und eignet sich somit für die industrielle Anwendung. So besteht die Möglichkeit, die Produktivität um bis zu 44 % zu steigern. Ferner ermöglicht eine Werkzeugwinkelmodulation eine Standzeitsteigerung um weitere 17 %. Dabei wird der Verschleiß auf eine größere Fläche des Werkzeugs verteilt und die Standzeit gesteigert. Abschließend wurde die Übertragbarkeit der Methode auf das Stirnumfangsfräsen untersucht. Eine direkte Übertragung ist nicht möglich, da sich der Verschleißmechanismus beim Fräsen von dem beim Drehen unterscheidet. Allerdings konnte für das Fräsen eine Modulation identifiziert werden, mit der die Standzeit der Werkzeuge gesteigert werden kann. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Prozessstellgrößenmodulation ein hohes Potential und weites Anwendungsspektrum hat, um die Produktivität und Standzeit von Zerspanwerkzeugen zu steigern.