AM ISF der TU Dortmund entwickelt man ein leistengeführtes Innendreh-Werkzeug, das präzise Innenkonturen von 10 bis 30 mm Durchmesser in fast beliebiger Tiefe erzeugt.

Die immer häufiger geforderte Innenbearbeitung stellt hohe Anforderungen an das Werkzeug und den gesamten Prozess aufgrund der erschwerten Zugänglichkeit, des geringen Bauraums und des Auftretens von Schwingungen und Abdrängungen

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Drehwerkzeuge

Präzisionswerkzeuge

Werkzeugentwicklung für tiefes Innendrehen

Ceratizit und das IFW Hannover optimierten den Spanbruch beim hochdynamischen Drehen mithilfe von FreeTurn-Werkzeugen.

Ursprünglicher (oben) und angepasster Prozess (unten). Um den unten zu sehenden optimalen Spanbruch zu erzielen, wurden Anstellwinkel und Prozessstellgrößen aufeinander abgestimmt (vc = 179, ap = 1 mm, f = 0,3 bis 1,6 mm), indem man die zusätzliche Rotationsachse optimierte

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Spanbruch optimiert bei ‘High Dynamic Turning‘

Am ISF der TU Dortmund entwickelt man ein Werkzeug zum Innendrehen in großer Tiefe.

Konzeptioneller Aufbau und Eigenschaften des neuartigen Werkzeugsystems zum tiefen Innendrehen

Tief ins Teil fast ohne Limit

An der Hochschule Furtwangen wurde untersucht, wie Schwebstoffe im Kühlschmierstoff beim Aluminiumschlichtfräsen die Oberflächenqualität beeinflussen. Versuchsfräser war der ‘Cut&Form‘ von Emuge-Franken, der polierte Oberflächen in einem Arbeitsgang erzeugt.

Das Team an der Versuchsmaschine (von links): Projektleiter Jürgen Struß und Student Mohamed Laadhari, beide vom KSF der Hochschule Furtwangen, Norbert Fleck von IDV Engineering, und Michael Sischka von Emuge-Franken

Kühlschmiermittel

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Fräswerkzeuge

Kühlschmiermittelmanagement

Reines Fluid, feine Oberfläche

 Prozessstellgrößenmodulation heißt ein vielversprechendes Mittel, die Dreh-Performance zu steigern. Ein zusätzlicher Aufwand in puncto Werkzeug- und Maschinenentwicklung entfällt.

Die intelligente Modulation der Prozessstellgrößen ist ein praktikabler Weg, die Produktivität des Drehens zu steigern, und das, ohne die Werkzeugstandzeiten zu verringern

Mehr Leistung beim Drehen

Die Otto-Kienzle-Gedenkmünze der WGP geht diesmal an Dr. Michael Riesener.

Kamen zusammen zur Verleihung der Otto-Kienzle-Gedenkmünze (von links nach rechts): Prof. Mathias Liewald (Institut für Umformtechnik IFU, Universität Stuttgart), Dr. Michael Riesener (Werkzeugmaschinenlabor WZL, RWTH Aachen), Prof. Jens P. Wulfsberg, Präsident der WGP (Laboratorium Fertigungstechnik LaFT, Universität Hamburg) und Prof. Günther Schuh (WZL Aachen)

Den Paradigmenwechsel in der Produktion schnell umsetzen

Eine neue Technologie des Fraunhofer-Clusters CCIT auf Basis der künstlichen Intelligenz soll das Hartfeinbearbeiten von Zahnrädern effizienter machen.

Die Qualitätsanforderungen beim Zahnrad-Wälzschleifen sind hoch und steigen weiter im Zuge des Umstiegs auf die Elektromobilität. Die nötigen minimalen Fertigungstoleranzen sind nur erreichbar, wenn der Schliff sehr präzise und kontrolliert erfolgt. In diesem Zusammenhang ist die permanente Kenntnis über den Verschleißzustand der Schleifscheibe nicht nur hilfreich, sondern zukünftig wohl auch unerlässlich

Zahnräder effizient schleifen mit Akustiksensor und künstlicher Intelligenz

Eine neue, KI-basierende Technologie des Fraunhofer-Clusters CCIT macht das Hartfeinbearbeiten von Zahnrädern effizienter.

Sensorisch ermittelte Schallwellenamplituden geben bei diesem System in Echtzeit Auskunft über die Qualität der Wälzschleifschleifscheibe. Danach werden die Prozessparameter geregelt 

Schleifwerkzeuge

Machine Learning / Künstliche Intelligenz für die spanende Fertigung

Industrie 4.0

Industrie 4.0 für die spanende Fertigung

 Zahn um Zahn hoch intelligent

Am 1. und 2. März 2023 fand das Toolmanagement-Seminar der CIM Aachen GmbH in Böblingen statt.

Die Pandemie ist vorbei. Ein weiteres untrügliches Zeichen dafür ist das ‘TMS 2023‘.  Es fand wieder in Präsenz statt, und zwar in der Motorworld Böblingen  

Toolmanagement

Essenziell fürs Digitalisieren

Die Entwicklung in der Maschinentechnik hin zu größerer Dynamik ermöglicht es immer  öfter, das Hochvorschubfräsen anzuwenden.

Bild 1: Mill 4 Feed ist ein Hochvorschub-Frässystem, das seine Stärken vor allem beim Plan- und Konturfräsen ausspielt

Großteilebearbeitung – Hochvorschubfräsen – Wirtschaftlichkeit

Schneidstoffe für Präzisionswerkzeuge

Wendeschneidplatten

Präzisionswerkzeuge für Metallbearbeitung

Maschinenbau

Bohrwerkzeuge

Turbo fürs Zeitspanvolumen

Mit neuen Schneidstoffen und Werkzeugen deckt Mapal die Turbolader-Bearbeitung ab − von Bohrern, Fräsern und Reibahlen bis zu mechatronischen Aussteuerwerkzeugen.

2 Das komplexe Aufbohrwerkzeug mit ISO-Wendeschneidplatten

Mechatronische Werkzeuge

Automotive

Fahrzeugbau

Reibwerkzeuge

Turbolader effizient fertigen

Als bei ZTS Stadler eine 300 mm tiefe Bohrung hochpräzise in eine Hohlwelle eingebracht werden musste, löste der Lohnfertiger diese Aufgabe umgehend mithilfe seines Werkzeugpartners Ingersoll und dessen schwingungsgedämpfter Bohrstange der T-Absorber-Serie.

Wenn, wie hier bei ZTS-Zerspanungstechnik Stadler, 300 mm lange Bohrungen in Hohlwellen aus hochfester Alu-Knetlegierung eingebracht werden, bewähren sich Bohrstangen der Baureihe T-Absorber von Ingersoll Werkzeuge

Metallerzeugung und -bearbeitung

Lohnfertigung, mechanisch

Lohnfertigung

Weitreichend vibrationsarm

Die Effekte des Ein- und Abstechens über die Y-Achse waren den Zerspanern der Apex Tool Group jüngst noch unbekannt. Doch seit sie das ›Y-Prinzip‹ mithilfe ihres Werkzeugpartners Horn nutzen, kennen sie diese gut: erhöhter Vorschub, lange Standzeit, gute Spankontrolle.

Zum Teil verdoppelte Vorschubwerte bei gleicher Stechbreite  ermöglicht das Horn-Stechsystem zum Einstechen über die Y-Achse

Stechwerkzeuge

Stechen in der Y-Dimension

Die präzise Drehbearbeitung dünner Werkstücke ab 1,5 mm Durchmesser gelingt bis zu sechsmal schneller als bisher mit dem Multifunktionswerkzeug ›Over-Cut+‹ von Leistritz.

1 Over-Cut+-Werkzeuge – unvergleichbar, wenn es um die Bearbeitung länglicher  Werkstücke ab 1,5 mm Durchmesser geht

Präzision gepaart mit Geschwindigkeit

Beim Hartdrehen lässt sich die Prozessleistung steigern, indem man die Schneidkanten der Werkzeuge präpariert, zum Beispiel durch Verrunden. Das jedoch erfordert zusätzliche Fertigungsschritte. Am IFW der Uni Hannover arbeitet man daran, diese Schritte zu eliminieren.

1 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer neuartigen Schneidkanten-Mikro- geometrie für PcBN-Werkzeuge

Hartbearbeitung

Spanende Verfahren

Werkzeugschleif- und -erodiermaschinen

Werkzeugmaschinen für die spanende Fertigung

Schleifmaschinen

Harte Kante dem Verschleiß

Besserer Spanbruch beim High-Dynamic-Turning

Ceratizit und das IFW der Uni Hannover haben das Spanbruchverhalten beim High Dynamic Turning untersucht.

High-Dynamic-Turning-Prozesse und die dazugehörigen FreeTurn-Werkzeuge von Ceratizit ermöglichen durch die Nutzung der Rotationsachse einer Frässpindel die Bearbeitung komplexer Konturen mit einem einzigen Werkzeug. Dies bringt jedoch nicht nur eine erhöhte Produktivität mit sich, sondern auch ein verändertes Spanbruchverhalten gegenüber konventionellen Prozessen. Um dies für High-Dynamic-Turning-Prozesse zu optimieren, hat die Firma Ceratizit in Kooperation mit dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover einen Ansatz zur Prognose des Spanbruchs entwickelt.

Von B. Denkena, B. Bergmann, F. Zender, U. Schleinkofer und L. Schmid

Hohe Produktivität bei hoher Prozesssicherheit sind für eine wirtschaftliche Drehbearbeitung von entscheidender Bedeutung. Um die Produktivität zu optimieren, müssen unproduktive Nebenzeiten wie Werkzeugwechsel vermieden werden und die Hauptzeiten durch geeignete Prozessstellgrößen reduziert werden. Für die Prozesssicherheit bei der Drehbearbeitung ist neben einer ausreichenden Werkzeugstandzeit auch ein zuverlässiger Abtransport der entstehenden Späne entscheidend. Entstehen durch unzureichenden Spanbruch lange Späne, können diese oftmals nicht zuverlässig abtransportiert werden. Als Folge muss der Prozess pausiert werden und die Späne müssen manuell entfernt werden. Schlimmstenfalls können sogar Werkzeug, Werkstück und Maschine beschädigt werden.

 Der Spanbruch ist vom bearbeiteten Werkstoff und der Spanleitung am Werkzeug, beispielsweise durch Spanleitstufen, sowie der Form des Spanungsquerschnitts, besonders der Spanungsdicke h, abhängig [1]. Hierbei gilt, dass eine große Spanungsdicke den Spanbruch durch eine größere Dehnung des Spans begünstigt. Allerdings bedeutet eine große Spanungsdicke auch eine höhere spezifische Belastung der Schneidkante. Die Spanungsdicke wird bei Drehprozessen maßgeblich durch den Anstellwinkel κ und den Vorschub f bestimmt. Ein kleiner Anstellwinkel führt bei gleichem Vorschub zu einer kleineren Spanungsdicke oder ermöglicht umgekehrt einen höheren Vorschub bei gleicher Spanungsdicke. Entsprechend ist die Wahl eines günstigen Anstellwinkels entscheidend für die erfolgreiche Drehbearbeitung.

Flexibler Anstellwinkel bietet zusätzlichen Freiheitsgrad

Der Anstellwinkel wird bei konventionellen Werkzeugen durch die Form des Werkzeugs vorgegeben und kann entsprechend in der Regel nicht während des Prozesses an die Kontur angepasst werden. Im Unterschied hierzu wird beim High Dynamic Turning von Ceratizit die Frässpindel eines Drehfräszentrums als zusätzliche Maschinenachse genutzt. Dadurch kann der Anstellwinkel, auch während des Prozesses, nahezu beliebig geändert werden. Entsprechend ist eine permanente Anpassung des Anstellwinkels an die zu fertigende Werkstückgeometrie möglich, und es kann entsprechend jederzeit ein in Bezug auf den Spanbruch und die Produktivität günstiger Spanungsquerschnitt eingestellt werden. Außerdem kann hierdurch das Werkzeug für beinahe jede Vorschubrichtung genutzt werden, wodurch Werkzeugwechsel eingespart und Leerfahrten vermieden werden können.

 Ein Beispiel hierfür ist der im folgenden betrachtete Referenzprozess (Bild 1 links), bei dem eine Geometrie, bestehend aus einer zylindrischen und einer kegeligen Oberfläche, mit einem konstanten Anstellwinkel von 60° gefertigt werden soll. Die Durchführung dieses Referenzprozesses erfolgte auf einem Drehfräszentrum DMG Mori CTX gamma 2000 des IFW mit einem FreeTurn-Werkzeug FT15M808055R08 CTCP125.

Bei der Nutzung dieses neuen Freiheitsgrads ist zu beachten, dass die Orientierung des Werkzeugs nicht sprunghaft geändert werden kann und dementsprechend Übergangsbereiche erforderlich sind (in Bild 1 blau markiert). Die Rotation der Frässpindel im Übergangsbereich wirkt wie eine zusätzliche nicht lineare Vorschubbewegung, die durch Bewegungen der Linearachsen kompensiert werden muss. Eine besondere Herausforderung ist hierbei, dass während dieser Bewegungen stark variierende Geometrien des Spanungsquerschnitts auftreten. Diese führen zu einer hohen lokalen Schneidkantenbelastung sowie einer ungünstigen Spanform (Bild 1 mittig).

 Da außerdem die auftretenden Spanungsquerschnitte in Abhängigkeit der gefertigten Geometrie variieren, muss eine gezielte lokale Anpassung des Vorschubs erfolgen, um den Prozess in Hinblick auf Spanbruch und Werkzeugbelastung zu optimieren. Deshalb müssen diese ungünstigen Eingriffsbedingungen bereits bei der Bahnplanung erkannt und durch entsprechende Anpassungen an Prozessstellgrößen oder Werkzeugweg verhindert werden. Allerdings ist die hierfür notwendige Bestimmung der Geometrie des Spanungsquerschnitts aufgrund der komplexen Werkzeugbewegungen und variablen Prozessstellgrößen nicht ohne weiteres möglich.

Die Form des Spanungsquerschnitts wurde daher am IFW Hannover mittels geometrischer Materialabtragsimulationen bestimmt. Der Spanungsquerschnitt wird hierbei aus dem Verschnitt von Werkzeug- und Werkstückmodell bestimmt (Bild 2, rechts). Für das Werkstückmodell stehen verschiedene Konzepte, beispielsweise Voxel-, Dexel- oder B-Rep-Modelle, zur Verfügung, die sich in Bezug auf den Speicherbedarf und den Rechenaufwand grundlegend unterscheiden. Eine sowohl hinsichtlich des Speicherbedarfs als auch hinsichtlich des Rechenaufwands für Materialabtragsimulationen günstige Lösung stellen Dexelmodelle dar. Die Darstellung des Werkstücks erfolgt hierbei durch ein Gitter von Stäben (Dexeln), wobei die Länge der Stäbe die Oberfläche des Werkstücks im jeweiligen Zeitschritt abbildet (siehe Bild 2) [1]. Dieser Ansatz wurde vom IFW basierend auf der institutseigenen Materialabtragsimulation ‚IFW CutS‘ für das High Dynamic Turning umgesetzt.

In Bild 1 sind die zu verschiedenen Zeitpunkten der Bearbeitung auftretenden Geometrien der Spanungsquerschnitte dargestellt. Auffallend hierbei ist die geringere Spanungsdicke während der Rotationsbewegung des Werkzeugs, weshalb sich kein Spanbruch innerhalb des Übergangsbereichs einstellt. Zur Bewertung der Eingriffsbedingungen und dem daraus resultierenden Spanbruch wurde im Folgenden als Alternative zur konventionellen Spanungsdicke die effektive Spanungsdicke h* als Quotient aus der Fläche des Spanungsquerschnitts A und der Schneideneingriffslänge b* verwendet (Bild 3), welche in [3] eingeführt wurde. Vorteil hierbei ist die einfache rechnerische Ermittlung. Zudem werden hierdurch lokale Unterschiede der Spanungsdicke, etwa infolge des Eckenradius, berücksichtigt.

 In Bild 3 ist der Verlauf der effektiven Spanungsdicke für den betrachteten Prozess für verschiedene Prozessstellgrößen dargestellt. Um einen einfacheren Vergleich zu ermöglichen, wurde die Prozesszeit auf die des Vorschubs von f = 0,3 mm normiert. Hierbei zeigt sich, dass die effektive Spanungsdicke im Bereich der Rotationsbewegung des Werkzeugs deutlich geringer ist und eine Abhängigkeit der effektiven Spanungsdicke vom programmierten Vorschub auch in diesem Bereich besteht. Für einen lokal erhöhten Vorschub von 1,6 mm zeigt sich in diesem Bereich eine deutlich größere effektive Spanungsdicke. Bei der Durchführung des angepassten Prozesses zeigt sich ebenfalls deutlich der verbesserte Spanbruch im Bereich diesem Bereich (Bild 1 rechts).

 Außerdem ist der Sprung der effektiven Spanungsdicke in der Mitte des Übergangsbereichs besonders zu beachten. Dieser kann mit der an dieser Stelle erfolgenden Änderung der Vorschubrichtung aufgrund der zu fertigenden Kontur erklärt werden, was zu einer plötzlichen Änderung der Eingriffsbedingungen führt. Wie an den in Bild 3 gezeigten Spanungsquerschnitten zu sehen.

Beim High Dynamic Turning kann der für die Produktivität bedeutende Anstellwinkel beinahe beliebig während des Prozesses eingestellt werden. Allerdings können während der hierfür notwendigen Rotationsbewegungen des Werkzeugs ungünstige Eingriffsbedingungen auftreten, die beispielsweise zu einem ungenügenden Spanbruch führen. Als Ansatz für die Vorhersage dieser Eingriffsbedingungen wurde eine Simulation entwickelt. Diese ermöglicht anhand der Geometrie des Spanungsquerschnitts die Prognose eines ungünstigen Spanbruchs auf Basis der Eingriffsbedingungen. Die Gültigkeit dieses Ansatzes konnte für einen Referenzprozess bestätigt werden. Durch die Nutzung von simulativen Ansätzen zur Vorhersage des Spanbruchverhaltens können experimentelle Untersuchungen eingespart werden.

 In einem nächsten Schritt soll das Spanbruchverhalten für weitere Werkstoffe und Bearbeitungsbedingungen untersucht werden und die materialspezifische Belastung des Werkzeugs anhand der Spanungsquerschnitte bestimmt werden. Außerdem soll die Modellierung des Werkzeugs erweitert werden, sodass lokal unterschiedliche Spanwinkel, wie beispielsweise bei einer Spanleitstufe, berücksichtigt werden können. Langfristig wird die Umsetzung der Erkenntnisse in einer simulationsgestützten Bahnplanung avisiert, die die Ausnutzung zusätzlicher Achsbewegungen ermöglicht und einen hinsichtlich Spanbruch und Werkzeugverschleiß optimierten Werkzeugweg erlaubt.

[1] B. Denkena, H.K. Tönshoff: Spanen. Springer, 2011, 3. Auflage, ISBN: 978-3-642-19772-7

[2] V. Böß, B. Denkena, B. Breidenstein, M.-A. Dittrich, H.N. Nguyen: Improving technological machining simulation by tailored workpiece models and kinematics. Procedia CIRP, 2019, Vol. 82, S. 224 bis 230

[3] J. Köhler: Berechnung der Zerspankräfte bei variierenden Spanungsquerschnittsformen. Dr.-Ing.-Dissertation, Leibniz Universität Hannover

IFW – Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover

<a href="https://www.ifw.uni-hannover.de" target="_blank">www.ifw.uni-hannover.de</a>

<a href="https://www.cuttingtools.ceratizit.com" target="_blank">www.cuttingtools.ceratizit.com</a>

Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover denkena@ifw.uni-hannover.de

Dr.-Ing. Benjamin Bergmann ist Leiter des Bereiches Fertigungsverfahren am IFW bergmann@ifw.uni-hannover.de

M. Sc. Felix Zender ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IFW zender@ifw.uni-hannover.de

Dr.-Ing. Uwe Schleinkofer ist Director Research & Development bei Ceratizit

Lothar Schmid ist Innovation Manager im Bereich Cutting Tools bei Ceratizit

Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) 

https://www.ifw.uni-hannover.de

Beim High Dynamic Turning von Ceratizit wird die Frässpindel eines Drehfräszentrums als zusätzliche Maschinenachse genutzt. Dadurch kann der Anstellwinkel, auch während des Prozesses, fast beliebig geändert werden. Entsprechend ist eine permanente Anpassung des Anstellwinkels an die zu fertigende Werkstückgeometrie möglich, und es lässt sich jederzeit ein in Bezug auf den Spanbruch und die Produktivität günstiger Spanungsquerschnitt einstellen

Bild 1: Verbesserter Spanbruch beim High Dynamic Turning durch Materialabtragsimulation

Bild 3: Effektive Spanungsdicke bei verschiedenen Vorschüben