Prozessstellgrößenmodulationen: 35 Prozent weniger Werkzeugverschleiß

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Prozessstellgrößenmodulationen sind kontinuierliche Veränderungen der Stellgrößen beim Drehen und bieten Vorteile hinsichtlich des Werkzeugverschleißverhaltens. So wurde in einem am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) durchgeführten und abgeschlossenen Forschungsprojekt „Auslegung von Prozessstellgrößenmodulationen für die Stahlbearbeitung unter Kühlschmierung (ProMod KSS)“ nachgewiesen, dass sich der Werkzeugverschleiß um bis zu 35 Prozent reduzieren oder die Werkzeugstandzeit um bis zu 100 Prozent steigern lässt.

Um die Leistungsfähigkeit moderner Zerspanprozesse zu steigern, erfolgen nicht nur Entwicklungen hinsichtlich der Werkzeuggeometrie oder Schneidstoffe. Auch die Prozessstrategie rückt zunehmend in den Fokus. So sind mittlerweile Drehprozesse mit komplizierten Eingriffsbedingungen im industriellen Einsatz, die Vorteile hinsichtlich der Zerspankraft bieten.

Eine weitere Innovation stellen Prozesseinstellgrößenmodulationen dar. Hierbei werden die Stellgrößen, wie zum Beispiel Schnittgeschwindigkeit und Vorschub, während des Zerspanens kontinuierlich verändert. „Das Ziel ist eine Reduktion von Werkzeugverschleiß oder Steigerung von Standzeit und Produktivität“, erklärt Projektmitarbeiter Arnd Heckemeyer vom IFW.

Breite Variation der thermomechanischen Werkzeugbelastung

„Wir haben in einem vorangegangenen Forschungsprojekt bereits nachgewiesen, dass die Modulation eng mit der thermischen Werkzeugbelastung im Prozess verknüpft ist“, so Heckemeyer. Um nun eine detaillierte Kenntnis von dem Zusammenwirken von thermischer Werkzeugbelastung und der Verschleißreduktion bei der Modulation zu erlangen, haben die Projektmitarbeitenden Werkstoffeigenschaften, insbesondere die Wärmeleitfähigkeit und Kühlschmierstrategien in die Untersuchung mit einbezogen. Betrachtet wurden daher Werkstoffe, die sich in ihrer Wärmeleitfähigkeit signifikant zwischen 43 W/mK und 13 W/mK unterscheiden. Weiterhin wurden Strategien mit Hochdruck- und Überflutungskühlung untersucht, sodass sich eine breite Variation der thermomechanischen Werkzeugbelastung ergibt.

Um das Potenzial der Prozessstellgrößenmodulation aufzuzeigen, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die grundlegenden Zusammenhänge zwischen der Auslegung der Modulation vor dem Hintergrund der werkstoffspezifischen Belastung untersucht. „Die Modulation kann grundsätzlich in die Strategien in 'Schnittgeschwindigkeitsmodulationen' sowie 'kombinierte Schnittgeschwindigkeits- und Vorschubmodulationen‘ eingeteilt werden“, erläutert Heckemeyer. Während das Zeitspanvolumen bei ausschließlicher Schnittgeschwindigkeitsmodulation variiert, wird dies beim kombinierten Ansatz konstant gehalten. Daher kann die Modulation auch bei getakteten Prozessen eingesetzt werden. 

Forschung zu Prozessstellgrößen bietet großes Potenzial

Ein Ergebnis der Forschenden: Schnittgeschwindigkeitsmodulationen eignen sich zur Reduktion des Werkzeugverschleißes, wenn Drehprozesse mit vergleichsweise hoher Temperatur vorliegen. Dies ist beispielsweise beim Drehen von Werkstoffen mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, auch unter Kühlschmierung, der Fall. Als Referenz diente ein Drehprozess unter stationären Prozessstellgrößen, die dem Mittelwert des modulierten Versuchs entsprechen. Heckemeyer: „Die Modulation ist so auszulegen, dass zunächst mit erhöhter Schnittgeschwindigkeit gearbeitet wird, die im Laufe der Einsatzzeit reduziert wird. Der Werkzeugverschleiß wird durch diese Strategie um bis zu 35 Prozent reduziert.“

Eine andere Möglichkeit stellen kombinierte Schnittgeschwindigkeits- und Vorschubmodulationen dar, bei denen der Vorschub als eine Funktion der veränderlichen Schnittgeschwindigkeit ausgedrückt wird. Diese Strategie eignet sich bei Prozessen mit geringer thermischer Werkzeugbelastung, die beim Drehen von Stahl unter Hochdruck-KSS vorliegt. Mittels dieser Strategie werden der Werkzeugverschleiß um bis zu 20 Prozent reduziert oder die Standzeit nahezu verdoppelt. 

Die Forschung zu den Wirkmechanismen von Prozessstellgrößen bietet perspektivisch noch großes Potenzial, meint Heckemeyer. In einem jetzt neu geförderten Projekt der DFG will er das Verständnis der Wirkmechanismen von Prozessstellgrößenmodulationen weiter vertiefen. Heckemeyer: „Im neuen Projekt wollen wir die erzielten experimentellen Ergebnisse mit FE-basierten Verschleißsimulationen unterstützen. 

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