Drehprozesse werden zumeist als stationäre Prozesse betrachtet, bei denen die Prozessstellgrößen für eine spezifische Kombination aus Werkzeug, Werkstück und Bearbeitungsaufgabe unverändert bleiben. Eine Modulation, das heißt eine kontinuierliche Veränderung der Prozessstellgrößen über die Lebensdauer eines Werkzeugs, kann jedoch Vorteile hinsichtlich des Werkzeugverschleißverhaltens bieten. Dieser Effekt wird in dem Projekt Auslegung von Prozessstellgrößenmodulationen für die Stahlbearbeitung mit Kühlschmierung – ProMod KSS am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover untersucht.
In einem bereits durchgeführten Forschungsprojekt konnte das IFW die positiven Effekte auf das Verschleißverhalten durch die Prozessstellgrößenmodulationen nachweisen. Bei gleichbleibender Gesamtproduktivität des Prozesses konnten nach Aussage von Projektmitarbeiter Arnd Heckemeyer Verschleißvorteile von über 50 Prozent erreicht werden. Ein Vorteil dieser Methode zur Standzeitsteigerung von Drehwerkzeugen ist, dass keine zusätzlichen Aufwendungen hinsichtlich Werkzeug- und Maschinenentwicklung oder Sensorik notwendig sind. Die kontinuierliche Modulation von Prozessstellgrößen ist durch unkompliziert zu programmierende Befehle im G-Code der Werkzeugmaschine umsetzbar. So lassen sich Anwenderzyklen programmieren, die perspektivisch unmittelbar durch den Maschinenhersteller mitgeliefert werden können. Wie erfolgreich die Prozessstellgrößenmodulation hinsichtlich der Verschleißentwicklung ist, hängt natürlich von vielen Faktoren ab, so Heckemeyer.
Bereits bekannt ist, dass die Schnittgeschwindigkeitsmodulation einen großen Effekt hat, wenn man zunächst mit einer hohen Schnittgeschwindigkeit arbeitet und diese mit fortschreitender Einsatzzeit des Werkzeugs kontinuierlich reduziert. Bisher hat diese Methode sehr gut funktioniert, wenn niedriglegierte Stähle zerspant werden. Bei hochlegierten Werkstoffen ist ein signifikanter Verschleißvorteil nicht erreicht worden. Im Projekt ProMod KSS wollen wir auch hier Effekte erzielen, erläutert Arnd Heckemeyer. Neben dem Einfluss von Werkstoffeigenschaften untersuchen die Forschenden auch den Effekt der Kühlschmierung auf die Wirkmechanismen der Modulation.
Bekanntermaßen ist die thermische und mechanische Werkzeugbelastung eine wesentliche Ursache für den resultierenden Werkzeugverschleiß. Daher wurden im ersten Schritt des Projekts der werkstoffstoffspezifische Werkzeugverschleiß sowie die anliegenden Prozesskräfte und Temperaturen in Abhängigkeit des Werkstoffs, der Schnittgeschwindigkeit und der Kühlschmierstrategie aufgenommen. Der IFW-Mitarbeiter konnte nachweisen, dass die erreichbaren Werkzeugstandzeiten stark von den Prozesstemperaturen abhängen. Diese wiederum werden durch die Schnittgeschwindigkeit und die Kühlschmierstrategie beeinflusst. Das Wissen um diese Abhängigkeiten und Wechselwirkungen haben die Forschenden anschließend genutzt, um Schnittgeschwindigkeitsmodulationen auszulegen. Somit konnten sie bei konstanter Produktivität einen Verschleißvorteil von bis zu 30 Prozent erzielen.
Um eine derartige Verschleißreduktion zu erreichen, müssen jedoch einige Randbedingungen eingehalten werden. So macht sich der Effekt erst bemerkbar, wenn ein signifikanter Freiflächenverschleiß oberhalb einer Verschleißmarkenbreite von VB = 150 µm vorliegt. Gleichzeitig müssen die unteren und oberen Grenzen der Schnittgeschwindigkeit sorgsam festgelegt werden. Einerseits ist ein sofortiger Werkzeugausfall infolge zu hoher thermischer Belastung zu vermeiden, andererseits muss eine gewisse Grenzschnittgeschwindigkeit überschritten werden, ab der vorteilhafte Verschleißeffekte zu erkennen sind. Die dahinterliegenden physikalischen Wirkmechanismen sind eng mit den Schneidstoffeigenschaften verknüpft und werden derzeit weiter erforscht.
Wenn diese Grundlagen in naher Zukunft gelegt worden sind, erfolgt im nächsten Schritt ein Transfer in die Industrie. Hierzu sollen spezifische Auslegungsmethoden entwickelt werden, die die am IFW erzielten Kenntnisse bündeln und deren Nutzbarkeit für potenzielle Anwender gewährleisten.A. Heckemeyer
Kontakt:
Arnd Heckemeyer, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen,
E-Mail: heckemeyer@ifw.uni-hannover.de
Text zum Titelbild: Prozessstellgrößenmodulation generiert Verschleißreduktion(© IFW)
