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

Spanende Verfahren

Prozesssimulation

Software

Simulation

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

Luftfahrt

Industrie 4.0 für die spanende Fertigung

Industrie 4.0

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

Spanntechnik

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

Werkstückspanntechnik, spanend

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

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.

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Prozesskräfte bei komplexen Drehprozessen

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

Steigern Sie mit Tiger·tec® Gold Ihre Standzeiten, verkürzen Sie die Prozesse und optimieren Sie Ihre Prozesssicherheit.

Werkzeuge für Leichtbauwerkstoffe

Gewindewerkzeuge

Schneidstoffe für Präzisionswerkzeuge

Fräsen

Hartmetallwerkzeuge

Wendeschneidplatten

Spanneinrichtungen

Montagetechnik

Systemperipherie

Mikro-Präzisionswerkzeuge

Schneidsysteme

Montage

Diamantwerkzeuge (definierte Schneide)

Keramikwerkzeuge

Fräswerkzeuge

Beschichtungen

Oberflächentechnik

Chemisches Bearbeiten (Auftragen)

Beschichtungen für Präzisionswerkzeuge (CVD, PVD)

Dienstleistungen

Verzahnwerkzeuge

Hauptspindeln für Werkzeugmaschinen

Lineartechnik

Werkzeugwechsler, spanend

Werkzeugmaschinenkomponenten

Werkzeuge für Schwerzerspanung

Reibwerkzeuge

Schab- und Entgratwerkzeuge

Tiger·tec® Gold: Ihr härtester Vorsatz für 2022.

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.

Maschinenbau allgemein

Maschinenbau

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

Lohnfertiger müssen damit nicht mehr über ein separates CAD/CAM-System gehen und können auch Aufträge annehmen, die sich bisher unrentabel oder zeitlich waren.

Die neue Funktion der HURCO-Steuerungssoftware gestattet per Solid Model Import die Programmierung von 3D-Freiformflächen direkt an der Maschine.

Bearbeitungszentren

Fräsmaschinen

Freiformflächen an der Maschine programmieren

Steigern Sie mit Tiger·tec® Gold Ihre Standzeiten, verkürzen Sie die Prozesse und optimieren Sie Ihre Prozesssicherheit.

Tiger·tec® Gold: Länger drehen, mehr profitieren.

Die Index-Werke laden vom 26. bis 29. April 2022 zum Open House und Expertendialog. Besucher erleben zahlreiche Maschinen live in Aktion, darunter das neue Drehfräszentrum ‘Index G220’, diverse Automationslösungen und viel Neues zur digitalen Index-Welt ‘iXworld’.

Das neue Drehfräszentrum Index G220 bietet zwei Werkzeugrevolver und eine kräftige Motorfrässpindel. Das Werkstückhandling kann neben einem Portallader mit Doppelgreifer (Bild) auch über die Roboterzelle iXcenter erfolgen

Drehzentren

Mehrspindel-Drehmaschinen

Mehrspindelbearbeitung

Stangenlademagazine

Handling, Handhabungstechnik

Prozessautomation

In Reichenbach ‘dreht’  sich alles um Zerspanung

Die Walter AG verdoppelt ihr Tiger·tec-Gold-Sortiment für Drehanwendungen.

50 Prozent längere Standzeit beim Drehen

Vorsprung durch intelligente, flexible Automatisierung von Fastems für die CNC-Fertigung von Drehteilen in kleinen Losgrößen bei steigender Teilevarianz.

Flexible Fertigungssysteme

Armaturen

Fahrzeugbau

Schleifmaschinen

Neue Potentiale beim automatisierten Werkstückhandling

Prozessstellgrößenmodulation – Ansatz zur Leistungssteigerung beim Drehen

Drehprozesse werden zumeist als stationäre Prozesse betrachtet, bei denen die Prozessstellgrößen für eine spezifische Kombination aus Werkzeug, Werkstück und Bearbeitungsaufgabe unverändert bleiben. Eine Modulation, das heißt eine kontinuierliche Veränderung der Prozessstellgrößen über die Lebensdauer eines Werkzeugs, kann jedoch Vorteile hinsichtlich des Werkzeugverschleißverhaltens bieten. Dieser Effekt wird in dem Projekt ‘Auslegung von Prozessstellgrößenmodulationen für die Stahlbearbeitung mit Kühlschmierung – ProMod KSS‘ am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover untersucht.

Drehprozesse werden zumeist als stationäre Prozesse betrachtet, bei denen die Prozessstellgrößen für eine spezifische Kombination aus Werkzeug, Werkstück und Bearbeitungsaufgabe unverändert bleiben. Eine Modulation, das heißt eine kontinuierliche Veränderung der Prozessstellgrößen über die Lebensdauer eines Werkzeugs, kann jedoch Vorteile hinsichtlich des Werkzeugverschleißverhaltens bieten. Dieser Effekt wird in dem Projekt „Auslegung von Prozessstellgrößenmodulationen für die Stahlbearbeitung mit Kühlschmierung – ProMod KSS“ am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover untersucht.

Autoren: Prof. Dr.-Ing Berend Denkena, Dr.-Ing Benjamin Bergmann, Arnd Heckemeyer (alle IFW Hannover)

Die thermischen und mechanischen Lasten bei der Zerspanung von Metallen führen zu Werkzeugverschleiß, der die Prozessleistungsfähigkeit limitiert. Daher werden seitens der Industrie und Forschung Bestrebungen unternommen, den Verschleiß zu reduzieren und somit die mögliche Produktivität des Zerspanprozesses zu maximieren. Neben der Entwicklung neuer Schneidstoffe und Werkzeuggeometrien rücken daher auch neuartige Prozesse mit variablen Eingriffsbedingungen in den Fokus. Eine Möglichkeit zur Verschleißreduzierung beziehungsweise Produktivitätssteigerung bieten Prozessstellgrößenmodulationen [ALB12]. Die Modulation wird dabei als instationärer Zerspanprozess aufgefasst, bei dem die sonst üblicherweise konstanten Prozessstellgrößen mit veränderlichen Parametern überlagert werden. Beschrieben wird die Modulation entsprechend Bild 1 durch die Form (zum Beispiel linear oder sinusförmig), die Amplitude A sowie die Intervalllänge I. Das Modulationen geeignet sind, den Werkzeugverschleiß zu reduzieren, konnte durch die Forschungsarbeit am IFW bereits nachgewiesen werden. So wurde beim trockenen Drehen von 42CrMo4+QT eine Verschleißreduktion um bis zu 44 Prozent erreicht [DEN21]. Als Hauptwirkmechanismus wurde die zeitliche Beeinflussung der Prozesstemperatur identifiziert, die stark von den Prozessstellgrößen, vor allem von der Schnittgeschwindigkeit, abhängt. Da die Zerspanung vieler Werkstoffe, insbesondere von hochlegierten Werkstoffen, jedoch unter Kühlschmierung erfolgt, wird das Wissen um die verschleißreduzierenden Effekte der Prozessstellgrößenmodulation durch ein aktuell laufendes Vorhaben am IFW erweitert.

Untersucht wurde die Prozessstellgrößenmodulation beim Drehen des Werkzeugstahls X40CrMoV5-1 an einer Drehmaschine des Typs CTX520 linear unter Kühlschmierstoff. Als Werkzeuge wurden CVD-beschichtete Wendeschneidplatten der Form CNMG120408, Schneidstoff IC8150, der Firma Iscar eingesetzt. Zunächst erfolgten Referenzuntersuchungen in Abhängigkeit der Kühlstrategie bei konstanten Prozessstellgrößen (vc = 350 m/min, f = 0,2 mm, ap = 0,5 mm), bei denen Verschleißmechanismen und -formen charakterisiert wurden. Standzeitbestimmend war hierbei der Freiflächenverschleiß infolge von Abrasion. Bei hoher Schnittgeschwindigkeit trat zudem moderater Kolkverschleiß auf. Im Anschluss wurden Schnittgeschwindigkeitsmodulationen eingesetzt, bei denen die Form der Modulation sowie die Intervalllänge entsprechend Tabelle 1 variiert wurden. Die Amplitude wurde bei A = 50 m/min konstant gehalten. Im Rahmen von Voruntersuchungen zeigte sich bei größerer Amplitude, dass das Werkzeugeinsatzverhalten durch die Modulation negativ beeinflusst wurde.

Bild 2 zeigt den Fortschritt des Freiflächenverschleißes sowie den Werkzeugzustand zum Standzeitende in Abhängigkeit der Modulationsstrategien. Gegenüber dem Referenzprozess konnte eine erhebliche Reduktion des Freiflächenverschleißes um bis zu 25 Prozent erzielt werden. Dies ist vor allem bei langen Modulationsintervallen, die sich über die gesamte Werkzeugeinsatzzeit erstrecken, ersichtlich. Die zyklische Modulation hingegen führte zu keiner Verbesserung des Werkzeugeinsatzverhaltens. Den größten Verschleißvorteil bietet eine Modulationsstrategie, bei der die Schnittgeschwindigkeit linear mit fortschreitender Werkzeugeinsatzzeit abnimmt. Auffallend ist, dass die Verschleißkurven des Referenzversuches und der verschleißreduzierenden Strategien ab der Hälfte der Einsatzzeit divergieren. Ein Abgleich mit dem Schnittgeschwindigkeitsprofil dieser Modulationsstrategien zeigt, dass ab diesem Zeitpunkt die Schnittgeschwindigkeit unterhalb der Schnittgeschwindigkeit des stationären Referenzprozesses liegt.

Die Reduzierung der Verschleißmarkenbreite lässt sich auf die veränderte thermische und mechanische Werkzeugbelastung zurückführen, die innerhalb des Prozesses durch die Modulation beeinflusst wird. Zum Nachweis wurden Temperaturmessungen bei stationären Prozessen in Abhängigkeit der Schnittgeschwindigkeit durchgeführt. Die Messung der thermischen Belastung erfolgte mittels Thermoelementen des Typs K, die in Nuten an der Freifläche des Werkzeugs appliziert wurden. Durch die Variation der Stegbreite zur Spanfläche wird eine Extrapolation der Temperatur auf die Kontaktzone an der Spanfläche ermöglicht (Bild 3 und Bild 1). Die so ermittelte Temperatur dient jedoch nur als Näherung an die realen Verhältnisse, da die Beeinflussung des Temperaturfelds durch die Beschichtung nicht berücksichtigt wird. Dennoch wurde festgestellt, dass die Temperatur unmittelbar durch die Schnittgeschwindigkeit beeinflusst wird und monoton mit ihrer Zunahme ansteigt.

Mit zunehmenden Verschleiß reduziert sich auch der Widerstand des Werkzeugs gegenüber der Temperaturbelastung, bedingt durch die abgetragenen Beschichtungen. Um diesem entgegenzuwirken, wird die Schnittgeschwindigkeit bei fortschreitender Einsatzzeit reduziert, wodurch sich folglich eine geringere thermische Belastung ergibt. Um die Gesamtproduktivität innerhalb der Werkzeugeinsatzzeit konstant zu halten, wird die die Schnittgeschwindigkeit anfänglich erhöht. Dies geht zu Lasten einer erhöhten Prozesstemperatur zu Beginn des Werkzeugeinsatzes. Da das Werkzeug zu dem Zeitpunkt der hohen thermischen Belastung jedoch noch vergleichsweise geringen Verschleiß aufweist, können hier die Temperaturen durch das Schichtsystem aufgefangen werden. Bei den Modulationsstrategien mit langem Intervall liegen die Temperaturen, bedingt durch die reduzierte Schnittgeschwindigkeit zum Ende der Einsatzzeit dagegen unterhalb derer des stationären Referenzprozesses. Das bereits vorgeschädigte Werkzeug wird daher einer gegenüber dem Referenzprozess reduzierten thermischen Belastung ausgesetzt, wodurch die Abnahme der Verschleißrate erklärt wird.

Neben Untersuchungen zur Reduktion von Werkzeugverschleiß erfolgten Experimente, um den Nachweis über das Potential von Produktivitätssteigerung infolge Prozessstellgrößenmodulationen zu erbringen. Hierzu wurde die Amplitude der Modulation vergrößert und der obere Betriebspunkt vc,o der Schnittgeschwindigkeitsmodulation angehoben. Somit wird die mittlere Schnittgeschwindigkeit und damit die Produktivität des Prozesses gesteigert. Die mittlere Schnittgeschwindigkeit wurde im Rahmen dieser Untersuchungen auf zwei Stufen (vc = 300 – 350 m/min) variiert. Die Randbedingungen der Modulation wurden konstant, bei linearer Modulation über die gesamte Werkzeugeinsatzzeit, gehalten. Die Werkzeugeinsatzzeit für die untere Stufe der Schnittgeschwindigkeit betrug TE, 300 = 27 min und für die obere Stufe TE, 350 = 18 min, sodass im Referenzversuch ein signifikanter Freiflächenverschleiß (VB > 220 µm) zum Ende der Einsatzzeit resultiert. Im Anschluss wurde der obere Betriebspunkt der Schnittgeschwindigkeitsmodulation in jeweils zwei Varianten gesteigert. Bild 4 zeigt den Zustand der Freifläche für die folglich produktiveren Prozesse. Es ist ersichtlich, dass durch die obere Stufe der mittleren Schnittgeschwindigkeit zu einer Steigerung des Freiflächenverschleißes gegenüber dem Referenzprozess führt. Somit konnte keine Produktivitätssteigerung des Prozesses erreicht werden. Die gegenüber den Untersuchungen zur Verschleißreduktion zusätzlich gesteigerte Schnittgeschwindigkeit zum Beginn des Prozesses führte zu einer thermischen Überlastung des Werkzeuges. Obwohl die Temperatur mit fortschreitender Einsatzzeit reduziert wurde, konnte die Überlastung des Werkzeugs nicht weiter kompensiert werden. Demgegenüber konnte bei der unteren Stufe für beide Varianten der Verschleiß auf einem zum Referenzprozess vergleichbaren Niveau gehalten werden. Dies zeigt, dass Schnittgeschwindigkeitsmodulationen nicht nur zur Reduktion des Werkzeugverschleißes eingesetzt werden können. Es besteht vielmehr das Potential einer Produktivitätssteigerung, ohne das zusätzlicher Verschleiß am Werkzeug resultiert.

In folgenden Untersuchungen am IFW sollen die herausgestellten Zusammenhänge auf weitere Werkstoffe übertragen und das Wissen um die Mechanismen der Prozessstellgrößenmodulation erweitert werden. Zusätzlich wird der Einfluss der Kühlschmierstrategie auf die Wirkung von Prozessstellgrößenmodulationen in Wechselwirkung mit den Werkstoffeigenschaften untersucht, um industriellen Anwendern eine breite Daten- und Wissensbasis bezüglich der Effekte der Modulation bereitzustellen.

Die Autoren danken dem VDW Forschungsinstitut e.V. sowie der AiF für die organisatorische und finanzielle Unterstützung des Projektes ‘Auslegung von Prozessstellgrößenmodulationen für die Stahlbearbeitung mit Kühlschmierung – ProMod KSS‘ (IGF 21754 N). Des Weiteren bedanken sich die Autoren bei den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses, insbesondere bei der Iscar Germany GmbH, für die Bereitstellung von Werkzeugen.

Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

[ALB12] Albertelli, P.; Mussi V.; Ravasio, C.; Monno, M.: An experimental investigation of the effects of spindle speed variation on tool wear in turning. Procedia CIRP 4 (2012) 29 bis 34

[DEN21] Denkena, B.; Krödel, A. Hess, U.; Relard, A.: Performance increase by process parameter variation during turning of AISI 4140. Procedia CIRP 101 (2021) 21 bis 25

Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) 

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

In Drehprozessen kann eine Modulation, das heißt eine kontinuierliche Veränderung der Prozessstellgrößen über die Lebensdauer eines Werkzeugs, Vorteile hinsichtlich des Werkzeugverschleißverhaltens bieten

Tabelle 1: Parameter der eingesetzten Schnittgeschwindigkeitsmodulation

Bild 1: Beschreibung und Freiheitsgrade der Modulation

Bild 2: Verschleißreduktion durch Schnittgeschwindigkeitsmodulation

Bild 3: Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die thermische Werkzeugbelastung

Bild 4: Werkzeugzustand bei gesteigerter Produktivität