Greybox-modellbasierte Prognose der Verschleißevolution von beschichteten Werkzeugen durch experimentelle und modellgetriebene Identifikation relevanter Lasthorizonte

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Walther; Professor Dr.-Ing. Andreas Zabel
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521377466

In der Zerspanung umfangreich eingesetzte, beschichte Werkzeuge aus Hartmetall (HM-WZ) weisen ein komplexes, instationäres Verschleißverhalten auf. Auf dem aktuellen Stand der Technik erfolgen die Analyse und die Modellierung des Verschleißes durch die isolierte Nutzung deterministischer (Whitebox) sowie datengetriebener Modelle (Blackbox), die jeweils mithilfe von experimentellen Untersuchungen validiert werden. Auf diese Weise lässt sich das Verhalten von HM-WZ aufgrund des instationären Verschleißfortschritts jedoch nicht hinreichend genau über die gesamte Standzeit abbilden. Vor diesem Hintergrund besteht das Ziel dieses Vorhabens darin, eine auf einem Greyboxmodell basierende Prognose der Verschleißevolution durch experimentelle und modellgetriebene Identifikation relevanter Lasthorizonte zu realisieren und so eine erhebliche Verbesserung der Prognosequalität des Einsatzverhaltens von HM-WZ über ihre gesamte Einsatzdauer zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen finden zunächst umfangreiche experimentelle Untersuchungen auf einem Produktionsdrehautomaten statt. Durch die Aufnahme von in-situ und ex-situ Messdaten erfolgt eine präzise Beschreibung des Initialzustands der HM-WZ sowie ein detailliertes Monitoring des Verschleißfortschritts bis zum Erreichen des Standzeitendes. Der Einsatz einer datengetriebenen Anomaliedetektion zur Defekterfassung, die mithilfe von zuvor eingespeisten Trainingsdaten eine in-situ Überwachung und Analyse der Prozesskräfte und Schallemissionen vornimmt, dient hierbei der Identifikation kritischer Lasthorizonte über den gesamten Standweg (Blackbox). Der Einsatz komplexer ex-situ Messtechniken erlaubt es dann, an den kritischen Lasthorizonten Korrelationen zwischen den in-situ Messdaten und dem aktuellen Verschleißzustand des Werkzeugs aufzudecken. Zur Quantifizierung experimentell nicht zu ermittelnder Zustandsgrößen (z.B. Relativgeschwindigkeit zwischen Span und Werkzeug oder Kontaktnormalspannung) dienen numerische Spanbildungssimulationen, die durch experimentelle Untersuchungen validiert werden (Whitebox). Basierend auf dem an den kritischen Lasthorizonten charakterisierten Verschleißzustand der HM-WZ ist eine Justierung der Verschleißrate in den numerischen Simulationen vorgesehen, womit die Greybox-Modellierung insgesamt umgesetzt ist. Diese Vorgehensweise erlaubt es, das Verhalten der HM-WZ über ihre gesamte Lebensdauer sowie das immanent stochastische Versagen am Standzeitende mit einer bislang nicht erreichbaren Präzision zu prognostizieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2402: Greybox-Modelle zur Qualifizierung beschichteter Werkzeuge für die Hochleistungszerspanung