Durch die In-situ-Messung von Verschleiß lassen sich Umform- und Zerspanungswerkzeuge immer besser ausnutzen. Aber auch konstruktive Maßnahmen versprechen noch höhere Standzeiten.
In der Zerspanung wie auch in der Umformtechnik sind die Potenziale für höhere Standzeiten und die verbesserte Nutzung von Werkzeugen noch nicht ausgeschöpft.
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Werkzeuge für die Umformung und die Zerspanung arbeiten unter Bedingungen, die im übrigen Maschinenbau selten sind: Während des Prozesses entstehen zwischen zwei Reibpartnern fortwährend neue Oberflächen, die Streckgrenze des einen Kontaktpartners wird ständig überschritten, während die Temperaturen an Grenzfläche zwischen Werkzeug und Werkstück gewaltige Sprünge hinlegen können. All das spielt sich dabei regelmäßig im Zustand der Grenzreibung ab.
Derart belastet erfahren die Werkzeuge die diverse Formen von Verschleiß, wie Peter Groche im Kapitel Tribologie von Werkzeugen im Tribologie-Handbuch festhält: Partikel aus dem Werkstück verbinden sich mit der Werkzeugoberfläche (Adhäsion), harte Partikel, beispielsweise durch Oxide gebildet, ziehen Riefen ins Werkzeug (Abrasion), Werkstoffelemente aus dem Werkzeug diffundieren bei hoher Temperatur in das Werkstück und senken so den Verschleißwiderstand (Tribooxidation) oder die Werkstoffe halten der großen Zahl an mechanischen und thermischen Wechselbelastungen schlichtweg nicht stand (Oberflächenzerrüttung).
Verschleiß im Fokus von Industrie 4.0
In gewissen Grenzen können Hartstoffbeschichtungen das Werkzeugsubstrat schützen. Die Verschleißschutzschichten, beispielsweise aus TiC, Al2O3 oder CVD-Diamant, werden dabei als Einlagen oder Mehrlagenschicht per chemischer (CVD) oder physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht. Sie verfügen über eine hohe Warmhärte, unterbinden Diffusions- und Oxidationsprozesse und vermeiden zum Teil auch Adhäsion. Daneben reduzieren auch Schmierstoffe die Reibung und damit den Verschleiß. Aus Umwelt- und Kostengründen verzichten Produktionsbetriebe jedoch zunehmend auf deren Einsatz.
So fortgeschritten die Möglichkeiten zur Gestaltung des tribologischen Systems zwischen Werkzeug und Werkstück auch sind: Letztlich geht es stets darum, in der Fertigung mit einem Werkzeug eine angestrebte Stückzahl zu erreichen – bei einem akzeptablen Verschleiß und zugleich annehmbaren Kosten sowie Reparatur- und Wartungsbedingen.
Um zumindest das gesamte Leistungsfähigkeit eines Werkzeugs vollständig auszuschöpfen, setzen Unternehmen zunehmend auf Technologien der Industrie 4.0, wie etwa Florian Kellner, Bernhard Lienland, Maximilian Lukesch im Kapitel Einführung in des Konzept Industrie 4.0 des Buchs Produkionswirtschaft schreiben. Dabei werden Daten von Maschinenwerkzeugen in-situ gemessen und verarbeitet. Der identifizierte Werkzeugverschleiß wird anschließend an die Werkzeugmaschine gemeldet, die sodann ihre Prozessparameter anpasst und das Werkzeug exakt bis zum Ende seiner Nutzungsdauer einsetzt.
Mit Sensorik und Daten gegen den Verschleiß
Wie dies im Falle von Schleifscheiben geschehen kann, demonstrieren Wissenschaftler vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) an der Leibniz Universität Hannover gemeinsam mit der Firma Walter Maschinenbau. Mithilfe eines 3D-Laserscanners messen sie die Topographie der Schleifscheibe und passen daraufhin die Prozessparameter so an, dass die Werkzeugqualität dauerhaft sichergestellt ist, wie im Beitrag Intelligente Werkzeugzustandsüberwachung beim Schleifen im Journal für Oberflächentechnik nachzulesen ist. Der Lasertriangulator ist dabei in einer Positioniereinheit eingebettet und erfasst die Oberfläche der Schleifscheibe im Mikrometerbereich. Die Vermessung der rotierenden Schleifscheibe dauert bei einer Messleistung von 100 mm2/s wenige Sekunden. Der Abgleich mit früheren Topographiemessungen der Scheibe liefert den Verschleiß und damit die Entscheidungsgrundlage, ob sie weiterverwendet werden kann oder eine Prozessanpassung nötig ist.
Das IFW hat einen Lasersensor in die Positioniereinheit integriert. Die gemessenen Topographien der Schleifscheibe helfen, die Prozessparameter optimal einzustellen.
IFW
Eine Herausforderung in der Zerspanungstechnik bleibt die Vorhersage der Werkzeugstandzeit, da der Verschleiß gleichartiger Schneidwerkzeuge variiert – auch dann, wenn sie auf derselben Maschine unter identischen Schneidbedingungen eingesetzt werden. Ein Modell, um diese Unsicherheiten in den Griff zu bekommen, haben die Wissenschaftler um Mehdi Salehi vom Karlsruher Institut für Technologie entwickelt. Mit dem im Journal Forschung im Ingenieurwesen vorgestellten Ansatz konnten sie die Standzeit und Zuverlässigkeit eines Fräswerkzeugs mit einem maximalen Vorhersagefehler von 18 Prozent ermitteln. Dafür haben die Forschenden Ansätze der Bayesianischen Statistik auf Trainings- und Testdatensätze von Fräswerkzeugen mit Schnittgeschwindigkeiten zwischen 300 und 400 Metern pro Minute angewendet. Das Vorhersagemodell kann je nach Werkzeuggeometrie, Werkstückmaterialien und Schnittgeschwindigkeiten auch auf andere Anwendungsfälle angepasst werden.
Hartmetallstempel mit zwanzigfach höherer Standzeit
Doch auch in der Konstruktion sind noch nicht alle Mittel ausgereizt, um den Werkzeugverschleiß zu mindern, wie zwei aktuelle Beispiele belegen. Im Beitrag Höhere Zerspanleistungen durch geklebte Bearbeitungswerkzeuge in der Zeitschrift Adhäsion stellen die Autoren Bernhard Schneider und Martin Rütters vom Fraunhofer IFAM sowie Jakob Alder von der Firma Kampmann ein neuartiges Kreissägeblatt vor. Die Zähne aus Hartmetall sind dabei nicht wie üblich durch Löten an das Sägeblatt gefügt. Stattdessen haben die Projektpartner die Zähne mit dem Blatt verklebt. Über die Klebfugengeometrie lassen sich die Dämpfungseigenschaften und das Einsatzverhalten der Werkzeuge gezielt steuern, so die Autoren.
In einem anderen Projekt ist es Forschenden des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen gemeinsam mit Unternehmen aus der Branche der Feinschneidetechnik gelungen, die Standzeiten von Hartmetallstempeln beim Feinschneiden um den Faktor zwanzig zu erhöhen – allein durch konstruktive Maßnahmen. Hartmetall ist zwar verschleißfester als konventionelle Stempelwerkstoffe wie Schnellarbeitsstahl; seine Sprödhärte führt jedoch zu häufigen Stempelbrüchen, weswegen wirtschaftliche Standzeiten bislang nur in Einzelfällen erreicht werden.
Mit dem neu ausgelegten Werkzeug hat das WZL hochfestes Blech von sechs Millimeter Dicke feingeschnitten. Die Hartmetallstempel wiesen nach 10.000 Hüben kaum Verschleißspuren auf.
Ein neu ausgelegtes Feinschneidwerkzeug gewährleistet laut WZL-Angaben nun die exakte und steife Führung der Schneidstempel aus Hartmetall. Prozess- und werkzeugseitige Einflüsse, die ein Biegemoment in den Schneidstempeln hervorrufen können, wurden dabei konsequent verhindert. In einer Versuchsreihe haben die Partner nachgewiesen, dass der Hartmetallstempel hochfestes Blech mit einer Dicke von sechs Millimetern in 10.000 Hüben prozesssicher feinschneiden konnten. Verschleißmerkmale habe der Hartmetallstempel anschließend kaum aufgewiesen, im Gegensatz zum konventionellen Stempel aus Schnellarbeitsstahl. Unter gleichen Bedingungen habe dieser im Versuch das Ende seiner Standzeit erreicht.