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Projekt
Entwicklung eines Greybox-Modells zur Prognose der Leistungsfähigkeit PVD-beschichteter Hartmetallwerkzeuge
Fachliche Zuordnung
Spanende und abtragende Fertigungstechnik
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521374861
Das reale, komplexe Einsatzverhalten PVD-beschichteter Werkzeuge ist nach derzeitigen Stand des Wissens weder zufriedenstellend messbar, noch ausreichend modellhaft beschreibbar. Um eine wissensbasierte Qualifizierung dieser Werkzeuge durchführen zu können, ist die Kenntnis über Versagensbeginn, Verschleißfortschritt und Restlebensdauer erforderlich. Insbesondere diskontinuierliches Schichtversagen kann aufgrund fehlender Kenntnis der grundlegenden Zusammenhänge nicht modellhaft abgebildet werden. Darüber hinaus ändern sich sowohl die Schichteigenschaften als auch die anliegenden thermomechanischen Belastungen mit fortschreitender Einsatzzeit als Folge des Verschleißes. Das beantragte Forschungsvorhaben adressiert das dynamische Verhältnis zwischen veränderlichen Schichteigenschaften einerseits und den veränderlichen prozessbedingten Belastungen andererseits anhand des Außenlängsdrehens der Legierungen C45N und 42CrMo4+QT. Aus dem Stand der Forschung ist bekannt, dass die Schichteigenschaften das Einsatzverhalten der Werkzeuge signifikant beeinflussen. Es ist ebenfalls bekannt, dass sich sowohl die Beschichtungseigenschaften als auch die thermomechanischen Lastspannungen, bedingt durch den Werkzeugverschleiß, signifikant verändern. Die Berücksichtigung der veränderlichen Eigenschaften und Belastungen ermöglicht eine genauere Vorhersage der Leistungsfähigkeit der Zerspanwerkzeuge und trägt dazu bei, ein grundlegendes Verständnis aufzubauen um Werkzeuge belastungsspezifisch auszulegen und auszuwählen. Zu diesem Zweck werden die Versuchswerkzeuge zu Beginn des Forschungsvorhabens umfassend bezüglich Beschichtungs- und Interfaceeigenschaften zwischen Schicht und Hartmetallsubstrat charakterisiert. Anschließend erfolgt die Erarbeitung einer umfassenden Datengrundlage für die spätere Modellbildung. Mit Hilfe einer neuartigen Methode basierend auf Untersuchungen an einem Hobelversuchsstand in Kombination mit der Mikrokinematographie ist es erstmal möglich, die am Schneidkeil wirkenden Lastspannungen mit fortschreitendem Werkzeugverschleiß abzubilden. Zusammen mit der zeitlich veränderten thermischen Belastung dienen diese Lastspannungen als Eingangsgrößen für ein FEM-Modell zur Abbildung kritischer Spannungen im Schneidkeil, die ein Versagen der Beschichtung begünstigen. Die Prognosefähigkeit und Genauigkeit dieses Whitebox-Modells wird im weiteren Verlauf durch den Einsatz der Methoden der künstlichen Intelligenz erweitert. Da sich die veränderten Schichteigenschaften nur schwer auf Grundlage physikalischer Zusammenhänge abbilden und für eine solche Prognose nutzen lassen, finden hier datengetriebene Ansätze auf Basis hochauflösender Analysen der Beschichtungseigenschaften und Eigenspannungen Einsatz. Aus der Betrachtung des Verhältnisses aus Belastungen und Schichteigenschaften wird es im Einsatz der Werkzeuge möglich, deren weiteres Verhalten zu prognostizieren und neue Erkenntnisse über die zugrundeliegenden Mechanismen zu erlangen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
