Grundlagenuntersuchungen zur Absicherung der Messung hochdynamischer Prozesskräfte in Fräsprozessen durch Berücksichtigung des Materialabtrags

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563788161

Kraftmesstechnik ist seit Jahrzehnten ein zentrales Werkzeug zur Gewinnung neuer Erkenntnisse zu Zerspanprozessen und zur Kalibrierung von Simulationsmodellen. Auch in der industriellen Anwendung wird sie in zunehmendem Maße z.B. zur Prozessüberwachung und zur Erstellung digitaler Schatten eingesetzt. Das frequenzabhänge Übertragungsverhalten integrierter Systeme zur Prozesskraftmessung setzt insbesondere der Erfassung hochdynamischer Kräfte, wie sie z.B. beim Fräsen durch den unterbrochenen Schnitt entstehen, deutliche Grenzen. Durch die Anwendung von Filtern, lässt sich der Frequenzbereich in dem das Übertragungsverhalten innerhalb eines Toleranzbereiches um den idealen Wert eins bleibt, deutlich erweitern. Der Frequenzbereich, in dem die anwendungsbezogen zu definierende Toleranz eingehalten wird, wird als nutzbare Bandbreite bezeichnet.In Forschung sowie Prozess- und Werkzeugentwicklung kann, trotz bestehender Methoden zur Erweiterung der nutzbaren Bandbreite, eine Minimierung der Probenmasse notwendig sein, um fehlerarm Prozesskräfte ermitteln zu können. In diesem Fall kann sich die prozessbedingte Masseveränderung besonders deutlich auf das Übertragungsverhalten der Messkette auswirken, da sie einen hohen Anteil an der relevanten Gesamtmasse hat. Weiterhin gibt es beispielsweise in Form von Werkzeugverschleißuntersuchungen in der Forschung und Entwicklung, und vor allem in der industriellen Produktion Anwendungsfälle, wie das Fräsen von Blisks, bei denen eine Prozessüberwachung mittels Kraftmesstechnik gewünscht ist, aber durch hohe Materialabtragsvolumina eine deutliche Änderung der Werkstückmasse auftritt. Diese Masseänderung wirkt sich äußerst nachteilig auf die Wirksamkeit von Filtermethoden zur Erweiterung der nutzbaren Bandbreite aus. Der sich aus den genannten Herausforderungen ergebende Bedarf an Filtermethoden für den Einsatz bei sich durch den Prozess stark ändernder Werkstückmasse, motiviert das Kernziel des Vorhabens. Es soll ermöglicht werden, auch für diejenigen, in Bezug auf die Werkstückmasse veränderten, Systemzustände auf der Basis etablierter Filterverfahren fehlerarm Prozesskräfte bestimmen zu können, für welche die verfügbaren Übertragungsfrequenzgänge nicht gültig sind, da sie für einen vorherigen Zustand ermittelt wurden. Als dazu notwendige Grundlage, sollen zunächst auf empirischem Weg Erkenntnisse über die Veränderung des Übertragungsverhaltens der Messkette in Abhängigkeit von der Werkstückmasse erlangt und strukturiert werden. Aufbauend auf diesem neuen Grundlagenwissen besteht das zentrale Ziel in der Entwicklung einer Paarung geeigneter Modellierungs- und Interpolationsmethoden mit denen das Übertragungsverhalten ausgehend von bekannten Übertragungsfrequenzgängen für alle benötigten Zustände vorhergesagt werden kann. Durch Anpassung einer Fräsprozesssimulation soll weiterhin die zeiteffiziente Vorhersage der Werkstückmasse zu jedem Prozesszeitpunkt ermöglicht werden, worauf die Interpolationsmethoden aufbauen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen