Neuwertige Werkzeuge aus Hartmetallschrott

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IFW Produktionstechnisches Zentrum der Leibniz Universität Hannover / PZH

3D-Messung und Analyse von Zerspanwerkzeugen

3D-Messung und Analyse

Bild 1 zeigt die Anordnung der Sensorik sowie die Realisierung der Werkzeugaufnahme und des 3-Achs-Positioniersystems. In der realisierten Konfiguration deckt der 3D-Scanner dabei einen Erfassungsbereich von circa 110 mm × 150 mm mit einer Ortsauflösung von circa 0,2– 0,3 mm ab. Entsprechend des Messkonzepts wird dieses System zur Rundumerfassung der Musterwerkzeuge genutzt. Die erreichte Messgenauigkeit und Auflösung erfüllen die Anforderungen an die Ermittlung der Werkzeugparameter (zur Kategorisierung und Typidentifikation) und sind auch für die Detektion und Lokalisierung aller typischen Defektstellen nutzbar. Mit diesem System werden somit Komplettdatensätze (Mess-Punktwolken) eines Werkzeugs erstellt, auf deren Grundlage im weiteren Verlauf Defekte detektiert und bewertet werden können. Das zweite in den Aufbau integrierte Messsystem stellt einen optisch aktiven 3D-Mikroscanner (Weißlicht) mit einem Erfassungsbereich von maximal 7 mm × 5 mm für Messungen im Mikrometerbereich dar. Die praktisch erreichte Ortsauflösung beträgt dabei circa 4,5 µm. Das somit gegebene Messvolumen deckt die typischen Defekte und Ausbrüche an Zerspanwerkzeugen gut ab, sodass Messdaten dieses Teilsystems zur Detailuntersuchung und Quantifizierung solcher Fehlerbilder genutzt werden können.

Auf der Grundlage der Distanzanalyse (Bild 3) wurde ein Ablauf zur Ermittlung und Auswahl geometrisch passender Werkstückkandidaten für die Fräserregeneration entwickelt und in der GFaI-Software „Final Surface“ implementiert. Hierbei wurden Abweichungen zwischen der Soll- und Ist-Gestalt über die gesamte Werkzeugoberfläche in einem laufzeitoptimierten rechenintensiven Verfahren ermittelt und visualisiert. Die Suche nach einer passenden Kombination von Ist- und Ziel-Fräsergestalt für den Herstellungsschleifprozess erfolgte hierbei nach den Hauptkriterien der geometrische Ähnlichkeit und der minimalen Volumenabtragsdifferenz.

Planung und Simulation

In Bild 4 ist exemplarisch ein verschlissener Fräser mit einem Durchmesser von 25 mm und einem Drallwinkel von 40° dargestellt. Es sind starke Schneidkantenausbrüche zu erkennen, welche ein einfaches Nachschleifen des Werkzeugs verhindern. Mit der entwickelnden Methode ist aber das Umschleifen auf einen vierschneidigen Fräser mit einem Durchmesser von 20 mm und dem Drallwinkel von 35° möglich.

Eine NC-Simulation des Umschleifprozesses wird in CutS durchgeführt. Für die Simulation wird eine Walter Helitronic Power als Bearbeitungsmaschine modelliert. Die Schleifbahn wird zunächst basierend auf dem Schleifen des Zielwerkstücks aus einem zylindrischen Rohling ausgelegt. Der Umschleifprozess wird mit einer Kontaktzonenanalyse bewertet (Bild 5).

Durch die Kontaktzonenanalyse werden die Kontaktbedingungen orts- und zeitaufgelöst betrachtet und das bezogene Zeitspanvolumen Q’w berechnet. Dieses dient als Anhaltspunkt für die die maximale lokale Belastung der Schleifscheibe.

In Bild 6 ist das geometrische Prozessverhalten beim Schleifen des Spanraums mit einem zylindrischen Rohling dargestellt. Die Variable b kennzeichnet die Positionen der Segmente entlang der Breite der Schleifscheibe. Das lokale bezogene Zeitspanvolumen variiert über die Eingriffsbreite der Schleifscheibe. Die maximalen Ausprägungen im bezogenen Zeitspanvolumen treten im Kontaktbereich der Schleifscheibenkante auf, wenn die Schneiden des verschlissenen Werkzeugs durch den Schleifprozess entfernt werden. Diese Verteilung der Belastungen führt zu einem starken und unregelmäßigen Verschleiß der Schleifscheibe. Um diese Problematik zu lösen, wurden Strategien zur Prozessauslegung entwickelt, in der ein Hals zwischen dem Schneidteil und dem Schaftteil abgesetzt und die alten Schneiden des verschlissenen Werkzeugs zuerst durch Außenrund-Umfang-Querschleifen im Gegenlauf entfernt werden (Bild 7). Anschließend folgt der konventionelle Schleifprozess zur Herstellung der Schneiden des Zielwerkzeugs. Zu beachten ist hier, dass die Vorschubgeschwindigkeit beim Spanraumschleifen auf Basis der simulierten lo-kalen Belastungen der Schleifscheibe mit einem vorgegebenen Q’w als Prozessgrenze optimiert werden sollte. Um einen möglichst gleichmäßigen Materialabtrag beim Nutenschleifen zu erzeugen, wurde ein Best-Fit-Verfahren zur optimalen Einpassung der zu schleifenden Werkzeuggestalt in die Ausgangsgestalt entwickelt. Als Ergebnis wird die Positionierung des Rohlings mit dem minimalen Q’w,max ausgegeben. Somit lässt sich die lokale Belastung der Schleifscheibe während des Schleifprozesses nivellieren.

Umsetzung und Validierung

Anschließend wurde die entwickelte Prozesskette (Bild 8) durch die Regeneration eines Fräsers mit einem Durchmesser von 25 mm erprobt.

Mit Hilfe des Analysesystems wurde ein Fräser mit einem Durchmesser von 20 mm und einem Drallwinkel von 35˚ als das Zielwerkzeug definiert. Anschließend wurden die CAD-Datei des verschlissenen Werkzeugs und die Parameter des ausgesuchten Zielwerkzeugs dem IFW zur Verfügung gestellt. In Anhängigkeit der Parameter ließ sich das Zielwerkzeug in der Datenbank von Walter Tool Studio beim IFW identifizieren. Die CAD-Datei des Zielwerkzeugs und das entsprechende NC-Programm zur Herstellung des Zielwerkzeugs aus einem zylindrischen Rohling wurden aus Tool Studio in CutS importiert. Zusammen mit der CAD-Datei des verschlissenen Werkzeugs erfolgte die Planung und Simulation des regenerativen Herstellungsprozesses. Das von CutS ausgegebene neue NC-Programm zum Umschleifen des Werkzeugs wurde in das Steuerungssystem der Werkzeugschleifmaschine importiert und an die Maschine validiert. Im Vergleich zur Herstellung aus einem zylindrischen Rohling, liegt das berechnete Einsparpotential durch niedrigere Materialkosten bei 50 %.

Zusammenfassung und Ausblick

Mit Hilfe des Regenerationsverfahrens können verschlissene Werkzeuge aus Hartmetall zur Herstellung von neuwertigen Zerspanwerkzeugen wiederverwendet werden. Die Rohlingsgestalt von individuellen Schrottwerkzeugen wird durch das entwickelte 3D-Messsystem erfasst. Das optimale Gestaltpaar aus Rohlingsgestalt und der zu produzierenden Zielgestalt lässt sich durch ein entwickeltes Analysesystems in einer Datenbank suchen. Mit Hilfe eines konventionellen CAD-CAM-Systems lässt sich die Auslegung des Regenerationsverfahrens, welche durch Absetzen des Halsteils, Entfernen der alten Schneiden und Optimierung der Vorschubgeschwindigkeit erweitert wird, im Simulationssystem CutS realisieren. Der Vergleich mit konventionellen Herstellungsverfahren hat gezeigt, dass die Herstellungskosten mit dem in diesem Projekt entwickelten Regenerationsverfahren um bis zu 50 % gesenkt werden können.

In zukünftigen Arbeiten wird das Einsatzverhalten der Werkzeuge aus dem Regenerationsverfahren untersucht, sodass die Qualität der regenerierten Werkzeuge beurteilt und damit die Prozessplanung optimiert werden. Ferner wird das regenerative Verfahren auf eine größere Werkzeugvielfalt erweitert.

* Berend Denkena, Marc-André Dittrich und Yanwei Liu arbeiten am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen IFW der Leibniz-Universität in Hannover, Niels Heuwold ist für die Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V. tätig, liu@ifw.uni-hannover.de, www.ifw.uni-hannover

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