Ziel des neuen Moduls ›Qualitätsmatrix‹ der Ulmer Carl Zeiss MES Solutions ist es, die Prüfkosten konsequent zu reduzieren und gleichzeitig die Ausbringungsleistung zu steigern.

2 Per App kann ein mobiles Maßnahmen-Management auf Shopfloor-Ebene realisiert werden

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Qualitätsmanagement – automatisierte Prüfplanung – Steuerung nach Kennzahlen

Messdatenerfassung und -verarbeitung

Software

Planungssysteme / Leitstand

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Simulation

Prüfkosten und  Produktionsleistung austarieren

ISG-virtuos ist eine offene Simulationsplattform für digitale Zwillinge. Anwender im Anlagen- und Maschinenbau verkürzen die Inbetriebnahmezeit und schaffen weitere Mehrwerte.

Bild 1: Der Systemtest an einem digitalen Zwilling gestattet exakte Aussagen zur Leistung unter Berücksichtigung aller Komponenten und Baugruppen inklusive der Störsituationen

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Digital Twin – digitale Transformation – Time-to-market – virtuelle Inbetriebnahme

Smart Factory

Energieeffizienz

Maschinen-Inbetriebnahme, -Kalibrierung

Dienstleistungen

Dienstleistungen in der Metallbearbeitung

Simulationssystem für digitale Zwillinge

Die Digitalisierung in der Planung und in der Herstellung von Produktionsanlagen ist bei den Maschinenbau-Unternehmen sowie deren Kunden wird der MAG IAS GmbH bereits aktiv und erfolgreich eingesetzt.

Prozesssimulation

NC-Programm-Simulation

Maschinenplanung digital

Maschinenbau allgemein

Maschinenbau

BDE/PZE

Elektroautomation

Bedienen / Beobachten

Ein neuer Ansatz für eine Regenerationsprozesskette wird im SFB 871 des IFW entwickelt, wobei diese in zwei Ebenen aufgeteilt ist. Eine „virtuelle Ebene“ erweitert die „reale Ebene“, auf der Mess- und Fertigungstechnologie zur Anwendung gebracht wird. In der „virtuellen Ebene“ werden die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer, also die Zeit bis zu einem Ausfall durch Materialermüdung, prognostiziert.

Instandsetzung von Hochdruckturbinenschaufeln

Industrie 4.0 für die spanende Fertigung

Industrie 4.0

Einsatz eines virtuellen Werkstückzwillings

Wirtschaftliches, delaminationsfreies Bohren von CFK-Teilen unter Einsatz flexibel nutzbarer Spannsysteme erfordert eine gezielte Vorschubanpassung zum Zeitpunkt des Werkzeugaustritts. Dies gelingt mit einem praxisnahem Berechnungsansatz auf Basis spezifischer Schnittkräfte.

Bohren

Spanende Verfahren

Werkstückspanntechnik, spanend

Spanntechnik

Andere Werkstoffe

Faserverbundwerkstoffe

Eine Frage des Timings

Bauteilverzug ist ein großer Kostenfaktor in der Zerspanung, besonders bei großen und dünnwandigen Werkstücken, wie sie im Leichtbau oder in der Luftfahrt dominieren. Das Fraunhofer IPT in Aachen hat nun gemeinsam mit Partnern ein System zur Reduzierung eigenspannungsbedingter Bauteilverzüge entwickelt.

Im Forschungsprojekt ‘VoKoEs’ entwickelte das Projektteam eine Simulationssoftware zur Vorhersage und Reduzierung von Bauteilverzügen sowie ein adaptives, hydraulisches Spannsystem für die Fräsbearbeitung von Luftfahrtstrukturbauteilen

Fräsen

Luftfahrt

Geringerer Bauteilverzug beim Fräsen

Variierende Zustände verschlissener Eisenbahnräder erschweren die Parametrierung des Zerspanungsprozesses zur Rekonturierung. Die Erfassung von Werkstückeigenschaften vor dem Drehprozess ermöglicht das Ableiten von bauteilspezifischen Prozesseinstellgrößen.

Abbildung 1: Übliche Schadensbilder auf Radlaufflächen

Drehen

Form- / Oberflächenmesstechnik

Messtechnik

Oberflächenmessgeräte

Messgeräte für Drehzahl

Mechanische Messtechnik

Prozessregelung in der Radsatzbearbeitung

Im Forschungsprojekt ›ProRad‹ untersuchen das IFW Hannover und die Qass GmbH in Zusammenarbeit mit der Firma Hegenscheidt MFD und der Deutschen Bahn, wie der Drehprozess zur Aufarbeitung verschlissener Räder sensorbasiert optimiert werden kann. Dabei wird die Anwendung einer Sensortechnik zur Messung des Barkhausenrauschens getestet.

Übliche Schadensbilder auf Radlaufflächen

Sensoren / Messwertaufnehmer

Digitaler Zwilling

Drehprozessregelung in der  Radsatzbearbeitung

Fast 16 Prozent weniger Umsatz, 45 Prozent Kurzarbeit und ein viertes Quartal, dass deutlich besser lief als erwartet – der Verband der Deutschen Drehteile-Industrie befragt seine Mitglieder und zieht eine Bilanz für das Jahr 2020.

Deutsche Drehteile-Industrie: Im vierten Quartal 2020 stieg die Nachfrage unerwartet

Dreh- und Frästeile

Maschinenelemente

Mechanische Konstruktionselemente

Drehfräs-Zentren

Werkzeugmaschinen für die spanende Fertigung

Drehmaschinen

Drehwerkzeuge

Präzisionswerkzeuge

Lagebericht des Verbands der Drehteile-Industrie

Die Paul Horn GmbH hat gemeinsam mit der Kistler Gruppe die einzigartige Lösung zur Echtzeit-Werkzeugüberwachung von Drehbearbeitungen weiterentwickelt. Das Piezo Tool System (PTS) besteht aus einem Kraftsensor, der in das Drehwerkzeug präzise eingebaut wird und Aufschluss über den Zustand des Werkzeugs während der Bearbeitung gibt. Die Abtastrate liegt bei 10 000 Hz. So können auch sehr kleine Zerspankräfte gemessen werden.

Werkzeugüberwachung

Toolmanagement

Werkzeugspanntechnik

Sensorbestückte Drehwerkzeughalter

Ein neues Koffersortiment zum Arbeiten mit dem Stirnseitenmitnehmer CoAE präsentiert der Spannmittelhersteller Röhm.

1 Anwendungsprinzip des Stirnseitenmitnehmers CoAE auf einer CNC-Drehmaschine (eingespannt in Röhm-Kraftspannfutter mit Aufnahmehülse) mit Gegenspannung durch die Spitze und mittiger Abstützung mit Lünette

Koffersortiment  zum Drehen und Fräsen

Die neue kompakte Miyano ANX-42SYY-Kurzdrehmaschine von Citizen mit zwei Y-Achsen sowie Haupt- und Gegenspindel meistert dank LFV-Spanbrecher-Technologie und Fanuc-Steuerung die Komplettbearbeitung auch komplexer Teile aus schwer zerspanbaren Werkstoffen.

Simultane Bearbeitung, die bei Citizen auch Superimposed-Überlagerungsmodus genannt wird

Komplettbearbeitung

Schwerzerspanung

Komplettbearbeitungsmaschinen

Steuerungen / CNC für Werkzeugmaschinen

Automatisierungstechnik

Steuerungen (Hardware und Software)

Drehautomaten

Vielseitig, innovativ und spanbrechend

Nakamura-Tome erweitert seine Softwarelösungen um die Softwarefunktion ‘Chatter Canceller’ zur Schwingungsdämpfung bei kritischen Drehprozessen.

Durch das periodische Ändern der Spindeldrehzahl wird Schwingungsneigung des Werkstücks beeinflusst.

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Softwaretools für die Zerspanung

Unterstützt die Maschinenbedienung

Nach umfassender Beratung durch den Systemhersteller KELCH GmbH hat sich die Danfoss Power Solutions II GmbH für den Einsatz des Werkzeugeinstellgeräts KELCH KENOVA set line H3 entschieden: ein horizontales Werkzeugeinstellgerät mit innovativem Schwenktisch, das sich flexibel in die Fertigung integrieren lässt. In der Fertigung von Komponenten für hydraulische Rohverbindungssysteme kam zuvor rund 30 Jahre lang ein Werkzeugeinstellgerät aus der KELCH-Serie „Trabant“ zum Einsatz.

KELCH-Berater Bastian Birkenfeld, hier mit Danfoss-Mitarbeiter Garcia Francisco, gab den zukünftigen Nutzern des KENOVA set line H3 eine Einführung.

Elektrotechnik

Ingenieurwissenschaften

CAQ-Systeme im Maschinenbau

Präzisionswerkzeuge für Metallbearbeitung

Vernetzung / Cloudlösung für die spanende Fertigung

Feinmechanik

Elektrotechnik, Elektronik

Medizintechnische Apparate und Materialien

Pumpen und Kompressoren

CAQ-Systeme in der Luft- und Raumfahrttechnik

Metallerzeugung und -bearbeitung

Danfoss Power Solutions nutzt KELCH KENOVA set line H3

Prozesskräfte bei komplexen Drehprozessen

Zunehmend werden neuartige Drehprozesse zur Steigerung der Bauteilqualität und Produktivität eingesetzt. Für diese Prozesse ist die Abschätzung der Prozesskräfte, die für die Auslegung der Prozesse notwendig ist, nicht mehr mit den etablierten Prozesskraftmodellen möglich. Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover erarbeitet daher ein Modell zur Vorhersage der bei diesen neuartigen Drehprozessen auftretenden Prozesskräfte.

von Prof. Berend Denkena, Dr.-Ing. Alexander Krödel, M. Sc. Felix Zender

Eine genaue Kenntnis der auftretenden Prozesskräfte bei Drehprozessen ist unter anderem zur Dimensionierung der Werkstückspannung und der Antriebe der Werkzeugmaschine sowie zur Optimierung der Schnittparameter notwendig. Für konventionelle Drehprozesse, wie das Außenlängsdrehen, existieren bereits in der Industrie angewendete Prozesskraftmodelle, die eine hinreichend genaue Berechnung der Prozesskräfte auf Basis der Prozesseinstellgrößen ermöglicht. Ein Beispiel hierfür ist das Prozesskraftmodell nach Kienzle, das zur Berechnung der Prozesskräfte den Spanungsquerschnitt, die spezifischen Prozesskräfte sowie einem Exponenten, der den Abfall der spezifischen Schnittkraft mit zunehmender Spanungsdicke berücksichtigt [1].

Um eine höhere Produktivität, Prozesssicherheit und Bauteilqualität zu erreichen, werden allerdings zunehmend neuartige Drehprozesse, wie dynamisches Stechdrehen, PrimeTurning, rollFeed turning oder drallfreies Schäldrehen mit gegenüber den konventionellen Drehprozessen abweichenden Kinematiken und Schneidenformen eingesetzt, die günstigere Eingriffsbedingungen, beispielsweise durch eine geringere Spanungsdicke ermöglichen. Während bei konventionellen Drehprozessen die Spanungsgrößen in der Regel analytisch bestimmt werden können, ist dies bei diesen neuartigen Prozessen aufgrund der zeitlich variablen und komplexen Spanungsquerschnitte und Eingriffsbedingungen nicht gegeben. Ebenso können die etablierten Kraftmodelle für diese Prozesse nicht ohne weiteres als gültig betrachtet werden. Deshalb wird am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover im Rahmen des Projekts ‘ClaFoTurn’ ein simulationsbasiertes Prozesskraftmodell für diese neuartigen Drehprozesse entwickelt.

Das dynamische Stechdrehen ist eine Weiterentwicklung des trochoidalen Drehens. Ein Beispiel für den Werkzeugweg ist in Bild 1 dargestellt. Bei diesem Prozess wird ausgenutzt, dass für eine runde Schneidplatte der maximale Einstellwinkel κmax durch die Schnitttiefe ap im Verhältnis zum Durchmesser bestimmt wird. Da die maximale Spanungsdicke hmax vom Einstellwinkel und vom Vorschub f abhängt, kann sie entsprechend durch die Wahl von ap und f eingestellt werden. Wird nun ein relativ niedriges ap gewählt, können im Vergleich zum konventionellen Prozess sehr viel größere Vorschübe bei einer geringen Spanungsdicke und geringen Rautiefe Rz gewählt werden.

Beim dynamischen Stechdrehen erfolgt nun zusätzlich eine Optimierung des Werkzeugwegs, sodass zu jedem Zeitpunkt der zulässige maximale Spanungswinkel ausgenutzt wird. Gleichzeitig wirkt auf die große im Eingriff befindliche Schneidkante nur eine relativ geringe spezifische Belastung, während durch den großen Eckenradius ein geringes Rz erzielt wird. Somit können durchgehend hohe Vorschübe eingesetzt werden, die zu einer erheblichen Produktivitätssteigerung führen.

Dexel ermöglichen eine effiziente Bestimmung des Spanungsquerschnitts

Da die beim dynamischen Stechdrehen resultierenden Spanungsquerschnitt nur sehr aufwendig durch analytische Methoden berechenbar sind, werden diese mittels einer dexelbasierten Materialabtragsimulation in der institutseigenen Software ‘IFW CutS’ erfasst. In einem Dexelmodell wird das Werkstück durch ein Gitter von Stäben (Dexel) dargestellt, wobei die Oberfläche des Werkstücks durch die Länge der Stäbe abgebildet wird (siehe Bild 2) [2].

Der Spanungsquerschnitt wird bestimmt, indem die Schnittpunkte zwischen der Oberfläche des Werkzeugs und den Dexeln des Werkstücks bestimmt werden. Die Länge der Dexel wird dann entsprechend an diese Schnittpunkte angepasst. Aus diesen Änderungen kann dann der Spanungsquerschnitt bestimmt werden. Die Rechenzeit dieses Modells beträgt für die in diesem Artikel betrachteten Prozesse zwischen drei und vier Minuten.

In Bild 3 sind zwei Spanungsquerschnitte des dynamischen Stechdrehens während der Ein- bzw. der Ausfahrbewegung an den in Bild 1 gekennzeichneten Punkten dargestellt. Auffällig hierbei ist, dass sich die Form der Spanungsquerschnitte stark ähnelt, sie sich allerdings in der Ausrichtung deutlich unterscheiden. Aus den durch die Simulation ermittelten Spanungsquerschnitten lassen sich verschiedene Spanungsgrößen bestimmen. Dies umfasst zunächst einmal die Fläche des Spanungsquerschnitts A sowie die aktive Schneidkante S. Während die Spanungsdicke h bei konventionellen Drehprozessen mit einer Schnitttiefe größer als der Schneideckenradius als über die aktive Schneidkante S konstant angenommen werden kann, ist sie für diesen Prozess von der Position auf der aktiven Schneidkante abhängig.

In Bild 4 ist die maximale Spanungsdicke des dynamischen Stechdrehens für verschiedene Vorschübe dargestellt. Bei Drehprozessen ist es aufgrund der Rotation des Werkstücks sinnvoll, die Spanungsgrößen je Umdrehung zu berechnen und auch entsprechend im zeitlichen Verlauf zu betrachten. Um trotz der schnelleren Bearbeitung bei höheren Vorschüben, einen einfacheren Vergleich zwischen den verschiedenen Vorschüben zu ermöglichen, erfolgt eine Normierung des zeitlichen Verlaufs auf den des Vorschubs von 0,5 mm. Bei der Betrachtung der Spanungsdicken fällt zunächst auf, dass sie für die verschiedenen Schnitte etwa gleich groß ist und sich während der einzelnen Schnitte kaum ändert.

Dies lässt sich mit dem Prinzip des dynamischen Stechdrehens erklären, das auf einer Optimierung hinsichtlich einer konstanten maximalen Spanungsdicke basiert. Die beiden Peaks während des letzten Schnitts lassen sich wiederum dadurch erklären, dass in diesem Schnitt lediglich eine Bearbeitung auf die Endkontur erfolgt und die Schnitttiefe somit nicht weiter auf ein spanungsdicken-optimales Niveau eingestellt werden kann. Beim Vergleich der verschiedenen Vorschübe zeigt sich, dass sich die Spanungsdicke proportional zum Vorschub verhält.

Maschinenintegrierte Sensorik ermöglicht Messung der Prozesskräfte

Um Kenntnis über die bei diesem Prozess auftretenden Schnittkräfte zu erlangen, wurden am IFW auf einem Drehfräszentrum des Typs ‘DMG Mori NTX 1000’ Referenzversuche durchgeführt. Die Prozesskräfte wurden hierbei mittels der ‘Fühlenden Werkzeugmaschine’ gemessen. Hierbei erfolgt die Messung der Prozesskräfte mit strukturintegrierter Sensorik. Aufgrund der hohen, richtungsabhängigen Steifigkeit der Maschinenkomponenten können die Prozesskräfte mit einer zwischen maximal 70 N in Richtung der Drangkräfte und 110 N in Richtung der Schnittkraft gemessen werden [3]. Durch den Anschluss der DMS an einen mit der Steuerung der Maschine verbundenen Industrie-PC ist eine synchrone Aufzeichnung von Prozesskräften, Achspositionen und Spindeldrehzahl möglich.

Die bei der Bearbeitung von 42CrMo4+QT gemessenen Kräfte in Y-Richtung der Maschine, die für diesen Prozess den Schnittkräften entsprechen, sind in Bild 5 dargestellt. Um einen einfachen Vergleich der Schnittkräfte zu ermöglichen, wurden in dieser Darstellung die Zeiten auf die Prozesszeit des Prozesses mit dem Vorschub f = 0,5 normiert (vgl. Bild 4). Im vorherigen Abschnitt wurden die über die Schnitte relativ konstante maximale Spanungsdicken gezeigt, die sich aus dem Konzept des dynamischen Stechdrehens ergeben. Da die Prozesskräfte grundsätzlich von der Spanungsdicke abhängen, lässt sich dadurch auch die auffällig geringe Schwankung der Kraft zwischen den einzelnen Schnitten erklären. Ebenso sind die Peaks der maximalen Spanungsdicke (Bild 4) in Schnitt 8 im Kraftverlauf sichtbar. Wenn man die Kräfte, gemessen bei verschiedenen Vorschübe, miteinander vergleicht, fällt auf, dass der bekannte Effekt der mit steigendem Spanungsquerschnitt sinkenden spezifischen Schnittkräfte auch bei diesem Prozess auftritt.

In Bild 6 sind die Kräfte in X und Z-Richtung der Werkzeugmaschine dargestellt. Diese stellen die Komponenten der Drangkraft dar [4]. Aufgrund der Form der Werkzeugbahn kann die Kraft in X-Richtung über weite Teile als äquivalent zur Passivkraft Fp gesehen werden, während die Kraft in Z-Richtung weitestgehend äquivalent zur Vorschubkraft Ff ist. Hierdurch kann die Änderung der Richtung der Kraft FZ für die einzelnen Schnitte erklärt werden. Dies stellt einen Unterschied zu konventionellen Drehprozessen dar, bei denen in der Regel lediglich in negative Z-Richtung bearbeitet wird. Die Änderungen der Kräfte während der einzelnen Schnitte, besonders während der Ein- und Ausfahrbewegungen, können wiederum mit den simulativ gezeigten Änderungen der Ausrichtung des Spanungsquerschnitts während der Ein- und Ausfahrbewegungen erklärt werden. Ebenso fällt auf, dass sich die Drangkraft für die betrachteten Vorschübe kaum ändert. Entsprechend kann in diesem Bereich die Drangkraft als weitestgehend unabhängig vom Spanungsquerschnitt angenommen werden.

Mit der vorgestellten Materialabtragsimulation können Spanungsquerschnitte von Drehprozessen, die sonst nicht oder nur erschwert analytisch zu ermitteln sind, bestimmt werden. Außerdem wurde ein Verfahren zur Messung der bei diesen Prozessen auftretenden Prozesskräfte vorgestellt. Hierdurch ist ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen den gewählten Prozessgrößen und den auftretenden Prozesskräften möglich. Hierdurch können Lastspitzen und umgekehrt Bereiche mit nicht optimaler Ausnutzung des Prozesses identifiziert werden und so die Produktivität gesteigert werden.

Im weiteren Projektverlauf werden auf Basis dieser Simulationen Kraftmodelle für die untersuchten Prozesse hergeleitet, die eine direkte Abschätzung der auftretenden Prozesskräfte anhand der gewählten Prozesseinstellgrößen erlauben. Hierdurch soll eine noch bessere Ausnutzung der Grenzen der Prozesse möglich werden.

[1] O. Kienzle: Die Bestimmung von Kräften und Leistungen an spanenden Werkzeugmaschinen. VDI-Z, 1952, Vol. 94, S. 299–305

[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. 224–230

[3] B. Denkena; H. Boujnah: Feeling machines for online detection and compensation of tool deflection in milling. CIRP Annals, 2018, Vol. 67, Nr. 1, S. 423–426

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

<ul><li>Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover; denkena@ifw.uni-hannover.de</li><li>Dr.-Ing. Alexander Krödel ist Leiter des Bereiches Fertigungsverfahren am IFW; kroedel@ifw.uni-hannover.de</li><li>M. Sc. Felix Zender ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IFW; zender@ifw.uni-hannover.de</li></ul>

Das IGF-Vorhaben ‘Modellierung der Prozesskräfte bei komplexen Drehprozessen – ClaFoTurn’ (IGF 21131 N) wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung dieses Projekts ausdrücklich bei den Förderern. Zudem bedanken sich die Autoren ausdrücklich bei den Industriepartnern des projektbegleitenden Ausschusses für die Zusammenarbeit. Insbesondere möchten die Autoren der Neidlein-Spannzeuge GmbH für die Bereitstellung des Spannmittels, sowie Iscar Germany GmbH, Sandvik Tooling Deutschland GmbH und Vandurit GmbH für die Bereitstellung der Werkzeuge danken.

Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) 

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

1 Werkzeugweg des dynamischen Stechdrehens

3 Vergleich von Spanungsquerschnitten des dynamischen Stechdrehens

4 Simulierte maximale Spanungsdicke des dynamischen Stechdrehens

5 Gemessene Kräfte in Y-Richtung für das dynamische Stechdrehen

6 Gemessene Kräfte in X und Z-Richtung für das dynamische Stechdrehen