Intelligente Werkzeuge für die Zerspanung

Prozesssicherheit durch direkte Werkzeugüberwachung im Schnitt – Westsächsische Hochschule Zwickau auf der Hannover Messe

Die moderne Fertigung zur Herstellung von Werkstücken in mittleren Stückzahlen bis hin zu Großserienteilen und Massenprodukten ist durch eine hohe Komplexität der Bearbeitungsvorgänge gekennzeichnet. Beispiele für komplexe Fertigungslösungen finden sich in der Automobilindustrie, wie z.B. in der Motorenfertigung (Ventilteile, Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse, Kurbelwellen, Pleuel, Nockenwellen), im Maschinenbau (Wälzlagerfertigung, Normteilefertigung) sowie in einer Reihe weiterer Industriezweige.

Hinzu kommt die Verwendung von wertintensiven Werkstoffen mit besonderen Eigenschaften, wie höhere Festigkeiten, verbunden mit geringerem Gewicht, oder Hochtemperaturbeständigkeit. Beispiele dafür sind der Einsatz von Titan- und Nickelbasiswerkstoffen im Turbinenbau für die Luft- und Raumfahrt sowie zur Stromerzeugung.

Derartige Werkstücke müssen über einen längeren Zeitraum mit gleichbleibender Qualität gefertigt werden.

Die notwendigen Fertigungsprozesse besitzen einen hohen Automatisierungsgrad einschließlich Verkettungseinrichtungen und CNC-Steuerung. Daraus ergeben sich hohe Maschinenstundensätze. Manuelle Eingriffsmöglichkeiten durch das Bedienpersonal sind sehr eingeschränkt. Störungen im Fertigungsablauf führen in kurzer Zeit zu außerordentlich hohen Folgekosten durch die Produktion von Ausschuss und Einbuße von Produktionskapazität durch Stillstand oder mögliche Beschädigungen der Anlagen.

In diesen komplexen Arbeitsabläufen nimmt das Werkzeug eine Schlüsselrolle ein. Es stellt das Bindeglied zwischen dem Ergebnis des Fertigungsprozesses, dem Werkstück, und den hochtechnisierten Fertigungsanlagen dar. Vom Werkzeug wird in erster Linie Prozesssicherheit, gleichzeitig aber auch die Realisierung hochproduktiver Schnittwerte bei wirtschaftlichen Standzeiten verlangt. Ein Weg zur Vermeidung werkzeugbedingter Prozessstörungen ist eine permanente Überwachung der Werkzeugschneide.

Bisher bekannte Werkzeugüberwachungen erfassen den aktuellen Schneidenzustand meist indirekt über Kraft-, Weg-, Strom- oder Momentenerfassung, Messungen von Schwingungsemissionen sowie optischen und tastenden Methoden.

Das Problem der bisher bekannten Regelungs- und Überwachungssysteme liegt jedoch darin, dass sie keine direkte Messung an den kritischen Belastungszonen der Werkzeuge erlauben und dass wegen der komplexen Zusammenhänge Fehlinterpretationen der Signale unvermeidbar sind.

Das an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) entwickelte „intelligente“ Werkzeug dient zur direkten Überwachung der Werkzeugschneide mit speziellen Mikrosensoren. Dies erfolgt zunächst bei Drehbearbeitungen. Die Aufbringung dieser Sensoren auf der Freifläche der Werkzeuge basiert auf Verfahren der Mikrotechnologie. Dabei werden feine Leiterbahnstrukturen mittels eines lithographischen Prozesses aufgebracht, die über eine spezielle Kontaktierung mit der Auswerteeinheit verbunden sind.

Diese Sensoren ermöglichen die Erkennung von Rissen an der Werkzeugschneide und die Erfassung des Freiflächenverschleißes. Unter dem Gesichtspunkt der Rissvermeidung wird damit die Online-Optimierung von Zerspanungsprozessen ermöglicht. Andererseits dienen Erkenntnisse aus Spanungsversuchen mit derartig präparierten Werkzeugen zur Präzisierung von Einsatzempfehlungen in Abhängigkeit chargenspezifischer Schneidstoff-Eigenschaften ebenfalls zur Rissvermeidung. Diese Präzisierung von Einsatzempfehlungen unter Nutzung der vorgestellten Messtechnik besitzt das größte Anwendungspotenzial in der Praxis. Im Ergebnis werden die Prozesssicherheit und die Produktivität in der spanenden Fertigung verbessert (siehe Bilder als Anlage).

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird von der Westsächsischen Hochschule Zwickau auf der Hannover Messe vom 19. – 24. April 2004 vorgestellt. Zu begutachten ist das Projekt am länderübergreifenden Gemeinschaftsstand „Forschung für die Zukunft“ (Sachsen, Thüringen, Sachsen-Anhalt), Halle 18, 1. OG, Stand M16.

Kontakt/Projektleitung:

Westsächsische Hochschule Zwickau (FH)
Fachbereich Maschinenbau und Kraftfahrzeugtechnik Fachgruppe Produktionstechnik
Prof. Dr.sc.techn. Michael Schneeweiß
Dr.-Friedrichs-Ring 2A, 08056 Zwickau
Tel.: 0375 – 536-1720, Fax: -1713
E-mail: Michael.Schneeweiss@fh-zwickau.de