Greybox-Modelle für die in-situ Quantifizierung der probabilistischen Werkzeugstandzeit CVD-beschichteter Hartmetallwälzfräser

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs, seit 8/2024; Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521375603

Das übergeordnete Ziel des vorliegenden Projektantrags sind die detaillierte Beschreibung der thermomechanischen Werkzeugbelastung beim Wälzfräsen und des daraus resultierenden Werkzeugverschleißes von CVD-beschichteten Hartmetallwerkzeugen durch die Verwendung von deterministischen Modellen, die mit in-situ erfassten Prozessdaten und Methoden des maschinellen Lernens gekoppelt werden, um eine standzeitoptimierte Regelung des Prozesses zu ermöglichen. Das Wälzfräsen ist ein etabliertes Verfahren für die Zahnradfertigung. Das Belastungskollektiv beim Wälzfräsen führt zu abrasivem Werkzeugverschleiß, welcher bei verstärkter Ausprägung die Maßhaltigkeit des Werkstücks sowie die Stabilität der Werkzeugschneide negativ beeinflusst. Lokale Inhomogenitäten im Gefüge von Hartstoffschicht und Substrat sowie nicht konstante Parameter beim Schichtaufbau bewirken probabilistisch verteilte Standzeiten, die sich abhängig von den realen, komplexen Einsatzbedingungen in-situ verändern. Wenn es gelingt, die Reststandzeit eines Werkzeuges abhängig von werkstoffbedingter Beanspruchbarkeit und der Beanspruchung während der Bearbeitungszeit in der Fräsmaschine vorherzusagen, kann die Gesamtstandzeit beschichteter Werkzeuge durch Regelung signifikant erhöht werden. Bisher können Versagensbeginn, Verschleißfortschritt und Restlebensdauer weder modellhaft noch experimentell mit hinreichender Sicherheit identifiziert oder prognostiziert werden. Um ein tiefergehendes Verständnis der Wirkungskette Beschichtungsprozess-Werkstoffgefüge-Standzeit zu erlangen, wird das tribologische System der Zerspanung in dem vorliegenden Projektantrag deshalb unter der Berücksichtigung des Werkstoffsystems und der herstellbedingten Eigenspannungen umfassend untersucht. Im Fokus stehen Wälzfräswerkzeuge aus Hartmetall, welche mit einer TiCN-Basisschicht und einer α-Al2O3-Deckschicht mittels CVD beschichtet werden. Diese werden zunächst im Analogieversuch charakterisiert. Darauf aufbauend wird ein mikromechanisches Modell des Schicht-Substrat-Gefüges aufgebaut, das einerseits die Bestimmung der herstellbedingten Eigenspannungen und andererseits die Simulation des abrasiven Werkzeugverschleißes ermöglicht. Aus deterministischen White-Box-Modellen zur Vorhersage von Beanspruchung und Beanspruchbarkeit des Wälzfräsers sowie durch in-situ Prozessdaten und Black-Box-Modelle werden Grey-Box-Modelle entwickelt, die eine werkstoffsensitive Vorhersage der (verbleibenden) Werkzeugstandzeit innerhalb der Prozesszeit ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2402: Greybox-Modelle zur Qualifizierung beschichteter Werkzeuge für die Hochleistungszerspanung
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Brimmers, bis 8/2024