Gezielte Oberflächenkonditionierung von 100Cr6 beim kryogenen Hartdrehen durch modellbasierte Prozessvorsteuerung und Prozessregelung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan C. Aurich; Professor Dr.-Ing. Tilmann Beck; Professor Dr.-Ing. Jörg Seewig
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401538950

Der Randschichtzustand hochbeanspruchter Bauteile ist für technische Anwendungen vor allem hinsichtlich der Lebensdauer des Bauteillebens wichtig. Der Randschichtzustand resultiert dabei maßgeblich durch die Prozessstellgrößen der Endbearbeitung. Dabei unterliegt der Randschichtzustand zeitvarianten, prozesstypischen Störgrößen wie dem Werkzeugverschleiß oder den Werkstoffchargeneinflüssen.Ziel dieses Projekts ist eine verbesserte und insbesondere gleichbleibende, störgrößenunabhängige Qualität des Randschichtzustands von kryogen hartgedrehtem, hochfestem 100Cr6-Stahl. Dies wird durch die Kompensation der beim Zerspanen auftretenden Störgrößen mittels einer Regelung der Prozessstellgrößen wie z. B. Vorschub und Schnittgeschwindigkeit realisiert. Die Herausforderung stellt hierbei die erforderliche Erfassung des vorliegenden Randschichtzustands sowie der Störgrößen während des Prozesses dar, die prozessbedingt nicht direkt messbar sind. Diese können indirekt anhand erfassbarer In-Prozess-Messgrößen wie z.B. Werkzeugtemperatur, Prozesskräfte oder Oberflächentopographie ermittelt werden. In Kombination mit Prozesswissen auf Basis von Prozessmodellen ist der Randschichtzustand damit schätzbar. Dies erfolgt mittels hieraus entwickelten Softsensoren. In der 1. FP konnten erfolgreich Wirkzusammenhänge zwischen Stell- und Störgrößen, In-Prozess-Messgrößen und dem Randschichtzustand ermittelt werden. Mit Hilfe dieser Korrelationen wurden statische Prozessmodelle generiert, die eine Schätzung des nach der Zerspanung vorliegenden Randschichtzustands anhand bekannter Größen ermöglichen.Ziel der 2. FP ist die Verfeinerung und Validierung dieser Modelle sowie die Entwicklung einer Reglerstruktur und eines Softsensors, um damit das Gesamtziel der Implementierung einer Regelung zur gezielten Oberflächenkonditionierung zu erreichen. Zur robusten Erfassung des Randschichtzustands in-situ und ex-situ wird die verwendete Messtechnik weiter an prozess-gedingte Besonderheiten angepasst. Neben der erforderlichen Validierung der Prozessmodel-le werden diese auch mit Blick auf den Einfluss konsekutiver Bearbeitungsschritte erweitert, wie sie in der Zerspanung üblich sind. Die hierbei möglichen Wirkungen aufeinanderfolgender Schnitte auf den finalen Randschichtzustand werden dabei quantifiziert und die Modelle entsprechend erweitert. Zum Aufbau der Softsensoren werden diese Modelle mit der In-Prozess-Messtechnik zur Schätzung des Randschichtzustands verbunden. Diese Zustandsschätzung erfolgt dabei unter anderem mittels Methoden der virtuellen Messtechnik und Methoden, die den Monte-Carlo-Verfahren zuzuordnen sind. Das Ergebnis der Softsensoren, der geschätzte Randschichtzustand, wird anschließend zur Regelung des Drehprozesses mittels Model Predictive Control genutzt und nach Implementierung im Drehprozess experimentell validiert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2086: Oberflächenkonditionierung in Zerspanungsprozessen
• Mitverantwortliche: Privatdozent Dr.-Ing. Benjamin Kirsch; Dr.-Ing. Marek Smaga; Dr.-Ing. Gerhard Stelzer