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Projekt
Entwicklung eines Greybox-Modells zur Verschleißprognose PVD-beschichteter Hartmetallwerkzeuge bei der Hochleistungsdrehbearbeitung von Stählen
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs; Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
Fachliche Zuordnung
Spanende und abtragende Fertigungstechnik
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521280523
Die kontinuierliche Beschichtungs- und Schneidstoffdegeneration während des Zerspanprozesses trägt zu einem instationären thermomechanischen Beanspruchungskollektiv Physical Vapour Deposition (PVD)-beschichteter Werkzeugs bei. Den bis dato entwickelten analytischen Whitebox-Modellen zur Verschleißprognose liegt jedoch eine stationäre integrale thermomechanische Beanspruchung unbeschichteter Werkzeuge zugrunde, bei der der Übergang von linearem zu progressivem Verschleißanstieg unberücksichtigt bleibt. Datengetriebene Blackbox-Modelle können die physikalischen Wirkzusammenhänge nicht abbilden und ihre Robustheit ist in Bezug auf die veränderlichen Randbedingungen mit Unsicherheiten verbunden. Demzufolge ist eine genaue Vorhersage der Werkzeugstandzeit und eine wissensbasierte Qualifizierung beschichteter Zerspanwerkzeuge zum Einsatz bei anspruchsvollen Zerspanprozessen nicht möglich. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Greybox-Modells zur treffsicheren Prognose der Standzeit und Restlebensdauer PVD-beschichteter Hartmetallwerkzeuge bei der Hochleistungsdrehbearbeitung von Stählen. Hierzu wird in der ersten Projektphase eine Kopplung analytischer Whitebox-Modelle zur Bestimmung der instationären thermomechanischen Beanspruchungen im Zerspanprozess mit datenbasierten Blackbox-Modellen angestrebt. Des Weiteren wird der Einfluss der temperaturabhängigen Schichteigenschaften auf den Verschleißfortschritt tiefergehend erforscht. Zunächst werden TiAlCrSiN- und TiAlCrSiON-Schichten mit jeweils zwei Schichtdicken auf Wendeschneidplatten abgeschieden und charakterisiert. Anschließend erfolgt die Ermittlung der temperaturabhängigen elastisch-plastischen Schichteigenschaften sowie des Systemverhaltens. Die beschichteten Werkzeuge kommen dann zur trockenen Schruppdrehbearbeitung der Vergütungsstähle C45 und 42CrMo4 zum Einsatz. Zur Bestimmung der thermomechanischen Werkzeugbelastung bei verschiedenen Prozesseinstellgrößen, die für die Entwicklung des Whitebox-Modells erforderlich sind, werden Analogiezerspanversuche durchgeführt. Zerspanversuche mit in situ-Erfassung der Prozesszustandsgrößen und Fokus auf die Übergangszone von linearem zu progressivem Werkzeugverschleiß bilden die experimentellen Grundlagen zur quantitativen Werkzeugschadensanalyse. Abschließend erfolgt die Entwicklung und Validierung eines Greybox-Modells, um eine Online-Standzeitvorhersage während des Zerspanprozesses zu ermöglichen. Hierzu wird eine Kopplung des Whitebox-Modells und experimentell ermittelten Daten von Schichteigenschaften und Verschleißfortschritt mittels auf maschinellem Lernen basierender Blackbox-Modelle zugrunde gelegt. In der zweiten Projektphase sind Genauigkeits-, Sensitivitäts- und Fehleranalysen vorgesehen, um die Vorhersagegenauigkeit sowie die Übertragbarkeit des entwickelten Greybox-Modells zu steigern. Dabei können bisher unentdeckte Forschungsfelder für die wachsende digitalisierte Zerspantechnologie erschlossen werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
