Smart zerspanen Prozessüberwachung durch sensorisches Spannsystem

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Leibniz Universität Inst. für Fertigungstechnik u. Werkzeugmaschinen (IFW)

ANDREAS MAIER GmbH & Co. KG

Renishaw GmbH

COSCOM Computer GmbH

Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz-Universität Hannover untersuchten Forscher, wie man den Zerspanungsprozess mithilfe von smarten Spannsystemen verbessern kann.

In sicherheitsrelevanten Industrien wie dem Flugzeugbau werden bekanntlich hohe Anforderungen an die Qualität der gefertigten Komponenten gestellt. Eine besondere Bedeutung kommt deshalb bei der spanenden Bearbeitung der Bauteile dem Schlichten zu. Fehler in diesem Fertigungsschritt wirken sich nämlich direkt auf die Qualität des Fertigteils aus. Eine Überwachung der Schlichtprozesse soll die Bauteilqualität sichern, ist jedoch sehr herausfordernd, weil typischerweise mit geringen Spanungsquerschnitten und somit mit geringen Prozesskräften bearbeitet wird. Zur Überwachung ist deshalb eine Kraftmessung mit hoher Sensitivität erforderlich. Am IFW wurde deshalb im vom BMBF-geförderten Projekt „TensorMill“ ein Schwenkspannsystem auf Basis hochsensitiver Halbleiter-Dehnungsmessstreifen (DMS) entwickelt. Durch die damit gewonnenen Signale können Prozesse trotz der geringen Kräfte bewertet und überwacht werden. Das Spannsystem wird so quasi zur Datenquelle mit Blick auf den Zerspanungsprozess.

Durch Dehnungsmessung zum sensorischen Spannsystem

Das sensorische Spannsystem wurde mit elektrischen Schwenkspannern vom Typ 1835C090R26M der Römheld GmbH aus Friedrichshütte aufgebaut. Beim Spannvorgang werden die Schwenkspanner durch einen Elektromotor bis zum Kontakt mit dem Werkstück abgesenkt. Anschließend baut der Motor die nötige Spannkraft durch das Spannen eines internen Federpakets auf. In Bild 1 ist das Spannsystem als CAD-Modell dargestellt.

Die drei eingesetzten Schwenkspanner verfügen über jeweils zwei um 90° versetzte Halbleiter-DMS, die auf dem Umfang des Gehäuses platziert sind. Die optimalen Positionen der DMS wurden zuvor mithilfe einer Finite-Elemente-Simulation bestimmt. Die Umrechnung zwischen gemessener Dehnung und der am Werkstück anliegenden Kraft erfolgt durch lineare Regression. Die Kalibrierung im Rahmen dieser Untersuchungen erfolgte mithilfe eines werkzeugseitigen Rotationsdynamometers vom Typ 9123C der Kistler GmbH. Mit dem kalibrierten System wurden schließlich Fräsversuche durchgeführt. Dabei wurde analysiert, wie sich verschiedene Prozessbedingungen beziehungsweise künstlich eingebrachte Prozessfehler auf das vom Spannsystem gemessene Kraftsignal auswirken.

Auch kleinste Prozessabweichungen sensorisch erfassen

Die Sensitivität des Spannsystems wurde durch Messungen bei Fräsprozessen mit unterschiedlichen Prozesseinstellgrößen untersucht. Für die Versuche wurden im Rahmen eines Flankenfräsprozesses drei Schlichtvorgänge mit unterschiedlichen Schnittbreiten a_e durchgeführt. Durch die Anwendung eines Tiefpassfilters wurden die Schwankungen durch variierende Zahneingriffsbedingungen herausgefiltert und der statische Prozesskraftanteil F ermittelt. Die Ergebnisse dieser Fräsversuche sind in Bild 2 dargestellt.

Der Abbildung kann entnommen werden, dass selbst bei der kleinsten untersuchten Schnittbreiten von a_e = 0,01 Millimeter und bei einer Schnitttiefe von a_p = 10 Millimeter der Werkzeugeingriff eindeutig detektiert werden kann. Das entspricht einem statischen Prozesskraftanteil von lediglich F = 1,5 Newton. So können auch Schlichtprozesse mit besonders geringen Prozesskräften mithilfe des Spannsystems überwacht werden. Potenziell bietet das sensorische Spannsystem folglich die Möglichkeit, auch kleinste Werkstückfehler und auftretende Prozessanomalien zu detektieren.

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