Softsensorik zur prozessintegrierten Beeinflussung der Bauteildauerfestigkeit bei der Drehbearbeitung von Aluminium

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Lampke; Professor Dr.-Ing. Andreas Schubert
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401805994

Dem wachsenden Trend zur Ressourceneinsparung und Nachhaltigkeit kann durch den Einsatz von hochfesten Aluminiumlegierungen begegnet werden. Speziell bei dynamisch beanspruchten Bauteilen spielen die Einstellung von Druckeigenspannungen und die Generierung von Oberflächen mit kleinen Rauheitswerten eine entscheidende Rolle. In der ersten Förderphase des SPP 2086 wurden zur Temperaturmessung und Verschleißerfassung ein Versuchsaufbau auf Grundlage der Einmeißelmethode und Kraftmessung konzipiert und umgesetzt, der diese Größen in-process, also während der Bearbeitung, erfassen kann. Die zeitlich hohe Auflösung in Verbindung mit der guten Genauigkeit der Temperatur- und Kraftmessung ermöglichte die Echtzeitdetektion lokaler Störungen der Oberflächeneigenschaften mittels der Messsignale. Die in-process erfassten Messgrößen dienten der Modellierung der Zielgrößen. Damit ist es möglich, die Temperatur und die Kräfte mit den Prozessparametern sowie dem Verschleißzustand zu korrelieren. Zudem lassen sich weitere relevante Größen, wie z. B. die Eigenspannungen, die nicht in-process gemessen werden können, berechnen. Die tiefgründige Untersuchung der Zusammenhänge zwischen den Prozessstellgrößen, den In-process-Messdaten und den resultierenden Randschichteigenschaften bildete die Grundlage für deren analytische Beschreibung in Form von Softsensormodellen. Außerdem wurde erstmalig ein Modell aufgestellt, das für homogene Probekörper ihren elektrischen Widerstand mit der Korngröße verknüpft.Im Rahmen der zweiten Förderphase ist es das Ziel zu validieren, inwieweit diese Modellgleichungen sowohl robust gegenüber beeinflussbaren Prozessbedingungen (z. B. Kühlschmierstrategien) als auch verborgenen Störgrößen (z. B. Werkzeugverschleiß) bei der Drehbearbeitung von EN AW-2017 sind. Zur Gewährleistung eines breiten Fertigungsspektrums an Bauteilen bedarf es darüber hinaus der Erweiterung und Übertragung der Softsensormodelle auf eine weitere hochfeste Aluminiumlegierung (EN AW-7075) und den Fertigungsprozess Querplandrehen. Zerspanungssimulationen im Mikro- und Makroskalenbereich sollen die komplexen thermomechanischen und -elektrischen Wirkbeziehungen im Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Bauteil am Beispiel definierter Probekörper abbilden. Diese Erkenntnisse ermöglichen die Anpassung der Softsensormodelle, die als Grundlage dienen, um eine oberflächeneigenschaftsbezogene Regelung der Drehbearbeitung mit den zugehörigen Regelstrategien und -algorithmen aufzustellen, in eine Drehmaschine zu implementieren und die Resultate zu validieren. Diese Regelung schafft die Voraussetzungen, durch Variation der Prozessstellgrößen Schnittgeschwindigkeit und Vorschub auf Störgrößeneinflüsse und deren Wirkung auf den vordefinierten Randschichtzustand des Bauteils reagieren und somit innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen über eine Bauteiloberfläche sowie ganze Bauteilchargen gleiche Einsatzeigenschaften gewährleisten zu können.

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