Werkzeugverschleiß beim Fräsen ermöglicht Produktivitätssteigerung

08.03.2021

Prozessdämpfung durch Freiflächenverschleiß

Kann die Ausnutzung des Werkzeugverschleißes beim Fräsen die Produktivität steigern? Dieser Frage geht das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) in dem AiF-Forschungsvorhaben „Wechselwirkung Verschleiß“ nach. Die Projektmitarbeitenden untersuchen, wie sich der Werkzeugverschleiß und die Prozessdämpfung beim Fräsen von Stahl und Aluminium gegenseitig beeinflussen. Dabei kann sich ein voranschreitender Freiflächenverschleiß positiv auf die Stabilität des Fräsprozesses auswirken, ähnlich wie eine angeschliffene Stützfase bei Schruppfräsern. In Zusammenarbeit mit Werkzeug- und Werkzeugmaschinenherstellern sowie Endanwendern sollen die Möglichkeiten untersucht werden, die prozessdämpfende Wirkung des Werkzeugverschleißes für eine Produktivitätssteigerung in der Produktion zu nutzen.

Prozesse in der spanenden Bearbeitung werden in der Regel für arbeitsscharfe Werkzeuge (Beginn der Einsatzzeit) ausgelegt. Dabei wird die Produktivität des Zerspanprozesses durch das Zeitspanvolumen bestimmt. Das regenerative Rattern bestimmt die wesentliche Grenze der Produktivität: Zu hohe Schwingungsamplituden können zu Schädigungen an Werkzeug, Bauteil und Maschine führen. Durch diese Schwingungen kann die Maschinenleistung nicht vollständig ausgenutzt werden. Die Amplituden der Schwingungen können so groß werden, dass Maschine und Werkzeug schlagartig Schaden nehmen können.

„In früheren Forschungsprojekten konnten wir die prozessdämpfende Wirkung durch Freiflächenfasen am Werkzeug nachweisen und so die Produktivität signifikant steigern“, erläutert Projektmitarbeiter Andreas Relard. Diese Freiflächenfasen erfordern jedoch einen weiteren Prozessschritt in der Herstellungskette von Zerspanungswerkzeugen. Sie müssen durch Schleifprozess angebracht werden.

Relard: „Wir wissen, dass sich auch mit zunehmendem Werkzeugverschleiß eine zur Fase ähnliche Wirkung der Prozessdämpfung einstellt und kritische Schwingungen vermieden werden.“ Dieser Effekt wird bisher in der industriellen Praxis noch nicht genutzt, weil das erforderliche anwendungsorientierte Wissen über eine solche Prozessauslegung nicht vorhanden ist.

Innerhalb des AiF-Forschungsvorhabens erforscht der Wissenschaftler daher die Wechselwirkungen zwischen Werkzeugverschleiß und Prozessstabilität beim Fräsen. Relard: „Ziel des Forschungsprojektes ist es, anwendungsnahes Prozesswissen für die Industrie zu erarbeiten, mit dem eine gezielte Ausnutzung der verschleißbedingten Prozessdämpfung zur Steigerung der Produktivität erreicht werden kann.“

Dadurch wird es möglich sein, die Prozesseinstellgrößen Schnitttiefe a_p, Schnittbreite a_e und Vorschubgeschwindigkeit v_f in Abhängigkeit des Werkzeugverschleißes zu erhöhen. Das führt zu einem höheren Zeitspanvolumen und somit zu einer höheren Produktivität. Das Potenzial der Werkzeuge kann dadurch zu jedem Zeitpunkt seiner Einsatzzeit voll ausgeschöpft werden. Relard: „Unsere ersten experimentellen Untersuchungen bestätigen dies. Bei der Aluminiumzerspanung mit Vollhartmetall-Schaftfräsern konnten wir die Schnitttiefe a_p mit voranschreitendem Verschleiß um bis zu 300 % steigern.“

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen M. Sc. Andreas Relard, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen per E-Mail unter relard@ifw.uni-hannover.de oder unter der Telefonnummer +49 511 762 18344 gerne zur Verfügung.

Verfasst von Andreas Relard

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