Entwicklung eines Greybox-Modells zur Prognose des Werkzeugverschleißes von PVD-Hartstoffschichten für die Schlichtbearbeitung - GreyProPVD

• Antragsteller: Dr.-Ing. Benjamin Bergmann; Dr.-Ing. Christian Kalscheuer
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521383048

Für die Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide werden häufig beschichtete Hartmetallwerkzeuge eingesetzt. Je nach Prozessbedingungen und Werkstoffkombinationen unterliegen die Werkzeuge Kolk-, Freiflächen-, und Kerbverschleiß, der durch Abrasion, Adhäsion, Diffusion oder Tribooxidation verursacht wird. Zudem können Abplatzungen durch kohäsives Substratversagen auftreten. Trotz des signifikanten Einflusses des Werkzeugverschleißes auf den Zerspanprozess ist das reale Einsatzverhalten der beschichteten Werkzeuge nach derzeitigem Stand der Forschung nicht ausreichend prognostizierbar. Während rein experimentelle Vorgehensweisen einen hohen Energie- und Werkstoffbedarf erfordern, sind rein simulative, FE-basierte Methoden aufgrund ihres hohen Rechenaufwands und Zeitbedarfs ungeeignet. Beide Instrumente sind daher vorwiegend für einzelne Untersuchungen nützlich, die keine breite Variation der Eingangsgrößen betrachten. Die Erweiterung oder Kombination von simulationsbasierten Methoden mit datengetriebenen Blackbox-Ansätzen bietet hingegen die Möglichkeit, die Leistungs- und Einsatzfähigkeit von Modellen zur Werkzeugentwicklung zu verbessern. Die kombinierten Ansätze bieten ferner die Möglichkeit, Veränderungen der tribologischen und thermophysikalischen Werkzeugeigenschaften sowie empirische Daten in Simulationsmodelle der Werkzeug- und Schichtentwicklung zu integrieren. Die Abbildung der Eigenschaftsveränderung ist insbesondere für die zeitaufgelöste Verschleißprognose PVD-beschichteter Zerspanwerkzeuge für Schlichtoperationen relevant. Das übergeordnete Ziel des beantragten Forschungsvorhabens stellt der Aufbau eines Greybox-Modells zur Beschreibung des zeitaufgelösten kontinuierlichen Werkzeugverschleiß und kohäsiven Substratversagens PVD-beschichteter Hartmetallwerkzeugen dar. Durch die Beschreibung des Verschleißverhaltens ist eine Adaption von Werkstoff-Schneidstoff-Kombinationen und Prozessparametern möglich, die zu reduziertem Werkzeugverschleiß und der Vermeidung von Ausschussbauteilen führt und somit eine Ressourcenschonung im Werkstoffverbrauch ermöglicht. Hierzu erfolgt die Kopplung datenbasierter Blackbox-Modelle mit einem simulationsgestützten Whitebox-Modell. Die Blackbox-Modelle werden zur Ableitung verschleißabhängiger, zeitaufgelöster Schichteigenschaften und Verschleißkonstanten sowie der Vorhersage von kohäsivem Substratversagen auf Basis der vorliegenden Schicht- und Substrateigenspannungen eingesetzt. Das Whitebox-Modell wird zur Berechnung von Kontaktbedingungen und thermomechanischen Lasten für die zeitabhängige Vorhersage lokaler Zustandsgrößen wie Normalspannung, Gleitgeschwindigkeit und Werkzeugtemperatur verwendet. Die Versuche werden im kontinuierlichen Schnitt durchgeführt. Vorbereitend für die zweite Phase ist eine Modellerweiterung auf den unterbrochenen Schnitt als Zwischenschritt für das Fräsen vorgesehen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2402: Greybox-Modelle zur Qualifizierung beschichteter Werkzeuge für die Hochleistungszerspanung
• Mitverantwortliche: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin; Professor Dr. Bernd Breidenstein