Modellgestützte Regelung der Bauteilrandzoneneigenschaften beim Hartdrehen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs, seit 7/2019; Professor Dr.-Ing. Sebastian Münstermann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401819829

Ziel ist die kombinierte direkte sowie indirekte Prozessüberwachung und -regelung definierter fertigungsbedingter Randzoneneigenschaften bei der Drehbearbeitung von Vergütungsstahl 42CrMo4 im vergüteten Zustand (48 HRC, Rm = 1557 MPa) mit CBn oder Hartmetallwerkzeugen. Untersucht wird damit ein Werkstoff für Bauteile, deren Randzoneneigenschaften signifikant die Funktionalität beeinflussen. Mit direkter Prozessüberwachung ist dabei die Erfassung des Randschichtzustandes über mikromagnetische Wirbelstromprüfmethoden im Prozess gemeint. Die indirekte Prozessüberwachung erfolgt über in industrieller Umgebung einsetzbare Sensoren, die Temperaturen und Zerspankraftkomponenten online im Prozess erfassen und modellbasiert Rückschlüsse auf aktuelle Randzoneneigenschaften ermöglichen. Im Prozess sollen die Randzoneneigenschaften Korngrößenverteilung, Eigenspannungen und Phasenanteile überwacht werden. Zunächst wird in der ersten Förderperiode eine verlässliche Überwachung realisiert, welche dann um eine Regelung in der zweiten Förderperiode erweitert werden soll. Aufgrund eingeschränkter Zugänglichkeit ist es nicht möglich im industriellen Drehprozess eine Überwachung der thermischen und mechanischen Zustandsgrößen mit hoher Orts- und Zeitauflösung im kHz- und 10 μm-Bereich zu realisieren. Es lässt sich jedoch in der Anwendung einsetzbare Sensorik in Form integrierter Thermoelemente, Akustik-Emission-Sensoren, Dynamometer sowie Pyrometer zu punktuellen oder integralen Überwachung von Zustandsgrößen nutzen. Unbekannt ist aber, wie diese punktuellen oder integralen, zeitlich und örtlich gering aufgelösten Messungen der Zustandsgrößen mit hochaufgelösten Zustandsgrößen in der gesamten Zerspanzone zusammenhängen. Dieser Zusammenhang wird im einem Analogieprozess untersucht, welcher die Bedingungen des Drehprozess annähert und gleichzeitig eine Zugänglichkeit für die anwendungsnahe Sensorik für den Drehprozess sowie hoch orts- und zeitauflösende Sensorik (Hochgeschwindigkeitskameras) zulässt. Zur Vorhersage des Zusammenhangs zwischen im Drehprozess messbaren Prozesszustandsgrößen in der Zerspanzone und orts- sowie zeitaufgelösten Zustandsgrößen, die eine Modifikation der metallischen Randzone verursachen, werden dann auf physikalische oder empirische Modelle entwickelt. Fü die hohe Orts- und Zeitauflösung werden sowohl das DIC-Verfahren zur Messung der Dehnungs- und Dehnratenfelder als auch die Thermographie zur Temperaturfeldermittlung verwendet. Über die entwickelten Modelle lassen sich zusammen mit anwendungsnaher Sensorik für den Drehprozess indirekt die Oberflächeneigenschaften regeln, soweit der Zusammenhang zwischen Prozesszustandsgrößen und Randzonenmodifikation bekannt ist. Dies erfordert entsprechend auch die Analyse dieses Zusammenhangs im Analogieprozess oder über validierte numerische Simulationen. Parallel dazu werden mikromagnetische Wirbelstrommessverfahren im Analogieprozess eingesetzt, welche eine direkte Regelung zulassen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2086: Oberflächenkonditionierung in Zerspanungsprozessen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Fritz Klocke, bis 6/2019