Nachhaltige Fertigung Zerspanungsprozesse nachhaltig auslegen

Autor / Redakteur: Christian Brecher und weitere / Mag. Victoria Sonnenberg

In einem aktuellen Forschungsvorhaben entwickelt das WZL einen Ansatz zur effizienten Ermittlung dynamischer Prozessgrenzen an spanenden Werkzeugmaschinen. Bei gleichbleibenden Genauigkeitsanforderungen kann das Zeitspanvolumen dadurch deutlich gesteigert werden.

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Bild 1: Durch die Kenntnis dynamischer Prozessgrenzen können Zerspanprozesse produktiv und stabil ausgelegt werden.
Bild 1: Durch die Kenntnis dynamischer Prozessgrenzen können Zerspanprozesse produktiv und stabil ausgelegt werden.
(Bild: WZL der RWTH Aachen)

Während ein schwingfähiges System bei Fremderregung auf eine impulsartige oder periodisch anregende Kraft reagiert, entstehen selbsterregte Schwingungen, deren bekanntester Vertreter das regenerative Rattern ist, infolge eines unausgeglichenen Maschine-Prozess-Verhaltens. Auch ohne die kontinuierliche Einwirkung äußerer Kräfte kann das System bei Selbsterregung instabil werden und sich aufschwingen. Die Folge ist eine komplexe Abhängigkeit der dynamischen Grenzen von den zugrundeliegenden Prozessparametern, weshalb eine graphische Visualisierung in Form von sogenannten Stabilitätskarten üblich ist.

Für die Bestimmung der Prozessgrenzen kann auf simulative wie auch experimentelle Ansätze zurückgegriffen werden. Während das rein simulative Vorgehen aufgrund von Vereinfachungen nur Näherungslösungen liefert und gleichzeitig tiefgehende Simulationskompetenzen voraussetzt, sind experimentelle Verfahren mit einem hohen Zeit- und Ressourceneinsatz verbunden. Aufgrund der genannten Gründe geschieht die Bestimmung dynamischer Prozessgrenzen im industriellen Umfeld meist nur in einzelnen Bereichen, beispielsweise im Aerospace-Segment.

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Um Industrieunternehmen zukünftig flächendeckend zu befähigen, belastbare dynamische Grenzen in der Prozessauslegung zu berücksichtigen, befasst sich das WZL aktuell mit der Entwicklung eines experimentellen Verfahrens zur effizienten Ermittlung von Stabilitätskarten. Durch die Automatisierung eines standardisierten experimentellen Vorgehens können sowohl der zeitliche Aufwand als auch der Einsatz von Fertigungsressourcen verglichen mit konven-tionellen Ansätzen signifikant reduziert werden. Zentraler Enabler des WZL-Ansatzes ist die durchgehende Vernetzung der Fertigung.

Effiziente Ermittlung dynamischer Prozessgrenzen

Zur Identifizierung hochproduktiver Prozessparameter unter verringertem Versuchsaufwand werden zwei Ansätze miteinander vereint: das effiziente Anfahren von Stabilitätsgrenzen sowie die Automatisierung des Ablaufs. Ersteres umfasst den Einsatz von Testschnitten mit steigender Schnitttiefe und kontinuierlich variierender Drehzahl. Verglichen mit konventionellen Verfahren, in denen stets diskrete Schnitttiefe-Drehzahl-Kombinationen angefahren werden, können so in einem Schnitt mehr Informationen über die Lage der Prozessgrenze gewonnen werden [3; 2]. Auf der anderen Seite ermöglicht ein geschlossener Wirkkreis aus Maschine, Sensorik und externer Auswertung auf Leitebene den Verzicht auf einen manuellen Eingriff während der Stabilitätskartenermittlung (Bild 2). Dafür wurde eine messdatenbasierte und automatisierte Online-Rattererkennung umgesetzt, die auf Grundlage von Beschleunigungssignalen am Spindelkasten sowie dem Drehgebersignal der Spindel unerwünschte Schwingungen prozessparallel detektiert. Für eine robuste Rattererkennung wurden belastbare Ratterindikatoren definiert und validiert, welche die Spindelbewegung während einer Fräserumdrehung bewerten [1]. Der Eintritt in den instabilen Bereich wird durch eine instationäre Spindelbewegung charakterisiert, wobei ein Ausschlagen der Ratterindikatoren diesen Zustand innerhalb einer Zehntelsekunde signalisiert. Unmittelbar danach wird der Prozess über eine digitale Kommunikationsschnittstelle zur Maschinensteuerung gestoppt, wodurch die dynamische Spitzenbelastung der Maschine infolge Ratterns minimiert wird. Basierend auf den so gefundenen Stabilitätsgrenzen werden die Schnittparameter für den nächsten Iterationsschritt mithilfe einer entwickelten Logik abgeleitet. Diese sieht zunächst Schnitte steigender Schnitttiefe vor, um den Scheitel des Rattersacks zu identifizieren. In einer nächsten Phase wird der Stabilitätsgrenzverlauf anhand von gezielten Schnitten mit Drehzahlvariation genauer aufgelöst. Der aktuelle Bearbeitungszustand des Werkstücks wird durch einen digitalen Zwilling berücksichtigt. Die Parameter des nächsten Schnitts werden in Form von Anwendervariablen (R-Parametern) zurück in die Maschinensteuerung gespielt. Diese Iterationsschleife wird solange durchlaufen, bis eine gewünschte Auslösung der Stabilitätsgrenze erreicht wurde.

Nachhaltige Produktivitätssteigerung

Bild 3 zeigt den Versuchsaufbau und das Ergebnis der entwickelten Methode für einen untersuchten Anwendungsfall aus der Stahlbearbeitung an einer doppelspindligen Vertikalfräsmaschine. Die Stabilitätsgrenze zeigt den typischen nichtlinearen Verlauf [4]. Auf Grundlage von insgesamt zehn Testschnitten können für die betrachtete Werkzeug-Werkstück-Maschine-Kombination hochproduktive Drehzahlbereiche identifiziert werden.

Der Zeitaufwand für den ermittelten Rattersack konnte von 2 Stunden um circa 90 Prozent auf 16 Minuten reduziert werden. Hierbei ist gemäß der Aufschlüsselung im Bild 4 die Zeiteinsparung in der Hauptzeit primär Folge der reduzierten Anzahl an benötigten Schnitten durch die kontinuierliche Variation der Schnittparameter. Die reduzierte Nebenzeit ergibt sich wiederum aus der Automatisierung des Ablaufs. Das zerspante Materialvolumen wurde um 80 Prozent reduziert. Zwei Validierungsschnitte nahe des Stabilitätsübergangs bestätigen das Ergebnis. Mit den effizient ermittelten Prozessgrenzen werden Unternehmen befähigt, Aufträge mit dem maximalen Zeitspanvolumen zu fertigen und so die OEE ihrer Anlagen zu optimieren. Dies liefert einen entscheidenden Beitrag auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Produktion der Zukunft. Insbesondere für KMU, deren Auftragsspektrum häufig niedrige Losgrößen bei variablen Randbedingungen umfasst, stellt die Methode ein profitables Instrument zur schnellen Aufdeckung bisher ungenutzter Fertigungskapazitäten dar.

Ganzheitliche Prozessoptimierung im Kontext der vernetzen Produktion

Die bisherigen Arbeiten am WZL fokussieren die effiziente experimentelle Ermittlung von Stabilitätsgrenzen an zerspanenden Werkzeugmaschinen. Um den Einsatz externer Sensorik für die produktionsbegleitende Stabilitätsüberwachung zu umgehen, werden in aktuellen Arbeiten standardmäßig verbaute spindelintegrierte Sensoren getestet, wofür neuartige Ratterindikatoren entwickelt werden müssen. Auch die Eignung maschineninterner Daten gänzlich ohne zusätzliche Sensorik wird am WZL für eine Online-Rattererkennung erprobt.

Zukünftig wird angestrebt, das entwickelte Vorgehen zur effizienten Prozessgrenzermittlung in eine übergeordnete Regelkaskade einzubetten, welche auch die Betriebsleitebene umfasst. Durch die Anbindung an das Manufacturing Execution System (MES) wird eine Integration in die CAD-CAM-NC-Kette ermöglicht, sodass gewonnene Informationen über die Lage der Stabilitätsgrenzen per Schnittstelle vollautomatisch zurückgespeist werden können. Dies ermöglicht wiederum eine erneute, an die neuen Grenzen angepasste Bahnplanung. Durch das Ablegen der Informationen in einer Technologiedatenbank stehen die maschinenabhängigen, Feature-basierten Grenzwerte darüber hinaus bauteilübergreifend der CAM-Planung zur Verfügung und können außerdem bedarfsgerecht aktualisiert werden.

Die zentrale Speicherung historischer Stabilitätsgrenzen kann Ausgangspunkt einer Identifikation von Einflussfaktoren auf die Verschiebung der Prozessgrenze sein. Da dynamische Prozessgrenzen erfahrungsgemäß von einer Vielzahl an Größen abhängen, ist eine präzise a priori-Bestimmung nahezu unmöglich. Durch regelmäßiges Erfassen der aktuellen Lage von Prozessgrenzen und gleichzeitiges Aufzeichnen steuerungsinterner Daten können mithilfe von Ansätzen des überwachten maschinellen Lernens mögliche Korrelationen gefunden wer-den. Mithilfe dieser Korrelationen können Änderungen der Prozessgrenzen mit dem Werkzeugverschleiß, dem thermischen Maschinenzustand oder anderen Effekten in Verbindung gebracht werden. Dieses Vorgehen führt letztendlich zu einem verbesserten Prozessverständnis, da phänomenologische Zusammenhänge aufgedeckt werden können. Zudem kann das neugewonnene Modellwissen zukünftig Eingang in eine kontinuierliche Prozessüberwachung finden, damit die Veränderung der Grenzwertlage bei veränderlichen Einflussgrößen prognostiziert und somit die Anzahl notwendiger Einfahrprozesse für Stabilitätsgrenzen sukzessive reduziert werden kann. Eine durchgehende Vernetzung der Produktion wird damit zum technologischen Enabler selbstoptimierender Fertigungssysteme und Treiber im Rahmen der anstehenden Nachhaltigkeitstransformation.

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer 312052494.

Literatur

[1] Brecher, C.; Chavan, P.; Epple, A.: Efficient determination of stability lobe diagrams by in-process varying of spindle speed and cutting depth. In: Advances in Manufacturing. 6. Jg., 2018, Nr. 3. S. 272–279

[2] Grossi, N.; Scippa, A.; Sallese, L.; Sato, R.; Campatelli, G.: Spindle speed ramp-up test: A novel experimental approach for chatter stability detection. In: International Journal of Machine Tools and Manufacture. 89. Jg., 2015. S. 221–230

[3] Quintana, G.; Ciurana, J.; Teixidor, D.: A new experimental methodology for identification of stability lobes diagram in milling operations. In: International Journal of Machine Tools and Manufacture. 48. Jg., 2008, Nr. 15. S. 1637–1645

[4] Tobias, S.; Fishwick, W.: Theory of Regenerative Machine Tool Chatter. In: The Engine-er, 1958, Nr. 205

* Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist Professor und Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen, Ralph Klimaschka M.Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Maschinenuntersuchung & -beurteilung, Alexander Steinert M.Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Leiter der Gruppe Maschinenuntersuchung & -beurteilung und Dipl.-Ing. Stephan Neus ist Oberingenieur und Leiter der Abteilung Maschinentechnik, alle am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Tel. +49 241 80-28220, a.steinert@wzl.rwth-aachen.de

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