SPP 2086: Prozesssichere Einstellung von Randzoneneigenschaften bei der spanenden Bearbeitung hochfester und duktiler Stähle mit einem lernfähigen Fertigungssystem

Für Verschleißfestigkeit und Lebensdauer eines Bauteils sind die Eigenschaften der Randzone entscheidend. Bislang werden verschleißfeste Randzonen meist durch Wärmebehandlungen nach der  spanenden Weichbearbeitung erzeugt - ein zeit- und energieintensiver Prozess, der zu unerwünschten Verzügen führen kann, welche mit einer Hartfeinbearbeitung korrigiert werden. Besonders bei Hochleistungskomponenten wie Wälzlagern oder Lagersitzen, die eine verschleißfeste Oberfläche bei gleichzeitig duktilem Kern benötigen, stellt das eine Herausforderung dar. Eine vielversprechende Alternative bietet das kryogene Drehen: Bei sehr niedrigen Temperaturen (T = -70 °C bis -150°C) wird durch die mechanische Beanspruchung bei der Zerspanung eine Umwandlung von Austenit zu Martensit in der Randzone erzielt. Diese Phasenumwandlung führt zu einer deutlichen Erhöhung der Oberflächenhärte. Allerdings fehlt noch Prozesswissen für eine zuverlässige Einstellung und prozessparallelen Erfassung der gewünschten Eigenschaften.

Zielsetzung des Projekts

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer dynamischen Vorsteuerung zur prozesssicheren Einstellung der Randzoneneigenschaften beim kryogenen Drehen. Dabei muss ein grundlegender Zielkonflikt berücksichtigt werden: Die für einen hohen Martensitgehalt erforderlichen Prozessparameter führen gleichzeitig zu einer erhöhten Oberflächenrauheit. Der Bearbeitungsprozess wird daher in mehrere aufeinanderfolgende Schnitte unterteilt, wobei der Martensitgehalt nach jedem Schnitt mit integrierter Wirbelstromsensorik erfasst wird. Bei Abweichungen vom Soll-Zustand passt die Vorsteuerung die Prozessparameter für die nachfolgenden Schnitte automatisch an. Ein besonderer Fokus liegt auf der Integration der Messtechnik in die Maschine und die automatisierte Anpassung der Prozessstellgrößen.

Vorteile für Unternehmen 

• Prozessintegriertes Härten ohne zusätzliche Wärmebehandlung
• Reduzieren von Ausschuss durch prozessparallele Qualitätsüberwachung
• Online-Anpassung der Prozessstellgrößen bei Qualitätsabweichungen

Vorgehen

Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Werkstoffkunde (IW) und dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) durchgeführt. Das IW erforscht und entwickelt hierbei neuartige  Wirbelstromsensorik zur prozessparallelen Messung des Martensitgehalts.Das IFW untersucht Modelle zur Korrelation der Prozessstellgrößen mit dem Martensitgehalt. Darüber hinaus wird im Projekt eine dynamische Vorsteuerung eingesetzt, die während der Bearbeitung die Messsignale des Wirbelstromsensors verarbeitet und die Prozessstellgrößen bei Abweichungen vom Soll-Wert automatisch anpasst. Die Validierung des Gesamtsystems erfolgt an Beispielbauteilen unter verschiedenen Störeinflüssen wie Chargen- und Temperaturschwankungen.

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Kontaktieren Sie Julia Huuk per E-Mail an huuk@ifw.uni.hannover.de