Einlippentiefbohren mit sensorintegrierten Werkzeugen zur Einstellung definierter Funktionsmerkmale in der oberflächennahen Bohrungsrandzone

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans Christian Möhring; Professor Dr.-Ing. Stefan Weihe, seit 4/2023
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401792429

An Tiefbohrungen in Bauteilen mit hoher Druckwechselbelastung (bspw. Einspritzkomponenten in Dieselgroßmotoren) werden hohe Anforderungen an die Randzoneneigenschaften gestellt. Im Verlauf der Bearbeitung muss die Bildung von Mikrorissen in der Bohrungswand vermieden werden, da diese ein Bauteilversagen nach sich ziehen können. Ursächlich dafür sind Oberflächenfehler oder ungünstige Eigenspannungszustände. Mit dem Einlippentiefbohren kann eine hohe Oberflächengüte erreicht werden, jedoch müssen Druckeigenspannungen durch nachfolgende Bearbeitungsverfahren (bspw. mittels Autofrettage-Verfahren) eingebracht werden. Dies ist mit zusätzlichem Bearbeitungsaufwand sowie geringer Flexibilität bei der Reaktion auf instationäre Rahmenbedingungen des vorgelagerten Tiefbohrens verbunden.Ziel des Forschungsprojekts ist es, Veränderungen im Prozessablauf messtechnisch zu erfassen und mittels eines Reglers kompensierend auf den Prozess einzuwirken. In der ersten Projektphase wurden hierzu ein sensorintegriertes Werkzeug zur in-prozess-Erfassung des thermo-mechanischen Zustands, ein kombiniert numerisch-analytisches Kompensationsmodell der Bearbeitungstemperatur, Zerspanungs- und Materialmodelle entwickelt und validiert sowie ein Prozessregler konzipiert. Begleitende Zerspanungsuntersuchungen erfolgten am Vergütungsstahl 42CrMo4.Die Fortsetzung des Vorhabens basiert auf den Ergebnissen der ersten Förderphase und hat einen robusten, auf einem Softsensor basierenden Regler zum Ziel, mit dessen Hilfe sich die Randzoneneigenschaften von Tiefbohrungen gezielt einstellen lassen. Folgende Teilziele werden hierbei verfolgt: Ein detailliertes Verständnis der Mechanismen im oberflächennahen Gefüge (Kristallplastizität), zur Versetzungsdynamik sowie zu Trennvorgängen auf atomistischer Ebene im Werkstoff. Zusammenführung der in der ersten Förderphase erstellten Modelle zum Zusammenhang zwischen Randzoneneigenschaften und Bearbeitungsparametern. Regelstrategien für die gezielte Beeinflussung der Bohrungsrandzone in einer Reglerumgebung, in der werkstoff- und anforderungsabhängige (nicht zeitkritisch) und prozessabhängige Randbedingungen (zeitkritisch) zusammengeführt und auf eine Reglerarchitektur gebracht sind. Konzepte einer soft- und hardwareseitigen in-prozess-Regelung für das Tiefbohren, wobei Eingangsgrößen des Reglers die Wz-Beschleunigung und Temperatur an der Wirkstelle (mittels sensorischem Werkzeug und Korrekturmodell aus der ersten Förderphase) sowie die mechanische Belastung (Kräfte, Momente mittels Dynamometer) sind. Die Führungsgrößen sind die Drehzahl und der Vorschub des Werkzeugs. Auf Basis der Ein- und Ausgangsgrößen sowie der zeitlichen Relevanz der Ausgangsgrößen liegt ein geeignetes Reglerkonzept vor, das die Aufgaben des Reglers in zeitkritische und -unkritische Bereiche unterteilt. Der Regler ist an die Steuerung der Tiefbohrmaschine angebunden. Regler und Regelstrategien sind anhand von Anwendungsszenarien validiert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2086: Oberflächenkonditionierung in Zerspanungsprozessen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Thomas Stehle
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Schmauder, bis 3/2023