Wirkstellennahe Erfassung und Regelung der Amplitude bei der ultraschallschwingungsüberlagerten Drehbearbeitung zur gezielten und hocheffizienten Oberflächenmikrostrukturierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel; Professor Dr.-Ing. Andreas Schubert
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510749881

Steigende Anforderungen an Leistung und Funktionalität technischer Systeme rücken Oberflächeneigenschaften verstärkt in den Fokus. Ein besonders hohes Potenzial zur Verbesserung der Funktionseigenschaften, wie z. B. eine Gleitreibungsreduzierung, bieten mikrostrukturierte Oberflächen. Die Mikrostrukturierung wird bisher oft durch ein zusätzliches Verfahren, wie das Laserstrahlabtragen, realisiert. Dies ist jedoch mit längeren Prozessketten und hohen Kosten verbunden. Daher wird angestrebt, die Mikrostrukturierung unmittelbar in die spanende Endbearbeitung zu integrieren. Ein hocheffizientes Verfahren ist die Drehbearbeitung mit Ultraschallschwingungsüberlagerung. Dabei können mehr als 20.000 Mikrostrukturen pro Sekunde unmittelbar im Endbearbeitungsprozess erzeugt werden. In diesem Zusammenhang sind jedoch noch wesentliche wissenschaftliche Fragestellungen, die zum einen die Ausbildung der Mikrostrukturen bei den sich im Prozess stark ändernden Wirkwinkeln und zum anderen die Systemregelung zur Gewährleistung einer konstanten Amplitude betreffen, offen.Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Erlangung eines vertieften Verständnisses wesentlicher Wirkzusammenhänge beim Drehen mit Ultraschallschwingungsüberlagerung in Richtung der Passivkraft. Der Fokus liegt dabei auf der Regelung des Ultraschallschwingsystems sowie den prozessparameter-, werkstoff- und werkzeuggeometrieabhängigen Vorgängen in der Scherzone einschließlich der daraus resultierenden Feingestalt der mikrostrukturierten Oberfläche. Eine wirkstellennahe Erfassung mechanischer Kenngrößen des Ultraschallwandlers anstelle elektrischer Parameter soll maßgeblich zu einer höheren Genauigkeit der Amplitudenregelung von Ultraschallschwingsystemen beitragen.Hierzu wird ein spezieller Wandler mit wechselbaren Sonotroden entworfen, welcher durch integrierte Sensorik eine präzise Einstellung der Amplitude ermöglichen soll. Dehnungsmessstreifen, Faser-Bragg-Gitter sowie Beschleunigungssensoren liefern im Prozess Informationen bezüglich der Betriebsfrequenz, der auftretenden Schwingform sowie den aktuell vorliegenden Schwingungsamplituden am Werkzeug. Zur Einstellung der notwendigen Prozessparameter für die Mikrostrukturierung erfolgen Modellversuche unter Berücksichtigung der Spanbildung. Die Oberflächenauslegung wird durch kinematische Simulationen unterstützt. Für die experimentellen Untersuchungen wird ein Bronzewerkstoff verwendet. Die aus den Sensoren erhaltenen Messdaten werden zusammen mit den Ergebnissen der geometrischen Analyse der mikrostrukturierten Oberflächen und der erzeugten Späne ausgewertet. So können Abweichungen der erzeugten Oberflächenfeingestalten von den simulierten bestimmten Wirkmechanismen zugeordnet und mit den erhaltenen Messsignalen in Bezug gesetzt werden. Zudem soll eine Regelung unter Nutzung der werkzeugnahen Sensorik aufgebaut werden, wodurch Aussagen zur Eignung mechanischer Messgrößen als Eingangssignale für eine Regelung getroffen werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen