Prognose des Randschichtzustandes für die robuste Regelung eines Drehprozesses unter Einsatz von in-process Messtechnik und datengetriebener Softsensorik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Kroll; Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf; Dr.-Ing. Wolfgang Zinn
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401792249

Die Oberfläche eines Bauteils bestimmt in mehrfacher Hinsicht dessen Funktionalität, Belastbarkeit und Lebensdauer. Zum einen definiert sie die Geometrie des Bauteils, schafft in Kombination mit ihrer Topographie die Kontaktfläche zu anderen Bauteilen und bestimmt deren tribologische Eigenschaften. Da sie gleichzeitig in Kontakt mit der Umgebung steht, stellt sie darüber hinaus die Angriffsfläche korrosiver Prozesse dar. Zum anderen bestimmen die Randschichteigenschaften (Eigenspannungszustand, Verfestigungszustand und Mikrostruktur) das Rissentstehungs- und Risswachstumsverhalten sowie die Widerstandsfähigkeit gegen plastische Verformung. Das primäre Ziel des geplanten Projekts ist es, auf Basis von Prozessmodellen ausgewählte Randschichtzustände eines zerspanten Bauteils, insbesondere Topografie, Eigenspannungen und Werkstoffhärte, auf die Prozessstellgrößen sowie vorhandene Störgrößen und initiale Randschichteigenschaften zurückzuführen. Zur Modellierung wird eine Datenbasis verwendet, die in Hartdrehprozessen aufgenommen wird. Dabei werden in einem ersten Schritt an der Eingriffsstelle die Prozessgrößen Zerspanungskraft und Temperatur gemessen. Zur in-process Messung der Randschichteigenschaften müssen die bisher genutzten post-process Standardverfahren wie z.B. röntgenografische Eigenspannungs- oder Härtemessung durch den Einsatz der mikromagnetischen 3MA-Messtechnik ersetzt werden. Dazu ist eine aufwändige Kalibrierung des Systems anhand geeigneter Proben notwendig, wobei die ausgeprägte Sensitivität des Systems auf die jeweiligen Materialeigenschaften und –zustände eine besondere Herausforderung darstellt.Auf Basis der akquirierten Daten wird ein nichtlineares empirisches Prozessmodell mit den Methoden der Systemidentifikation erstellt, da eine physikalische Modellierung aller relevanten Phänomene sehr komplex, die Modellstruktur i.d.R. ungünstig für den Regelungsentwurf und das Modell nicht einfach übertragbar ist.Des Weiteren ist eine Online-Schätzung des Werkzeugverschleißes für die Auslegung eines Softsensors und den in der zweiten Projektphase geplanten robusten prozessmodellbasierten Regelungs- und Vorsteuerungsentwurf zur Randschichtkonditionierung notwendig. Diese Auslegung stellt die zweite Modellierungsaufgabe dar. Mit dem Softsensor werden basierend auf den Prozessgrößen sowie den initialen Materialeigenschaften die Randschichtzustände prädiziert. Durch Erstellung des Softsensors aus Daten für verschiedene Härten und Werkzeugverschleißzustände berücksichtigt er letztere bei der Prognose der Randschichtzustände. Mittels Modellinversion können so die benötigten Stellgrößen eingestellt werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2086: Oberflächenkonditionierung in Zerspanungsprozessen