Modellierung und Simulation des Werkzeugverschleißes beim Fräsen von Freiformflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der Fräsbearbeitung tritt, wie bei allen zerspanenden Fertigungsverfahren, ein unvermeid-barer Werkzeugverschleiß auf. Dieser Verschleiß bestimmt die mögliche Einsatzdauer eines Fräswerkzeuges ganz wesentlich, da beim Überschreiten eines gewissen maximalen Ver-schleißgrades eine weitere qualitativ hochwertige und sichere Fertigung nicht gewährleistet werden kann. Der Verlauf des Freiflächenverschleißes, der als gängiges Beurteilungskriterium des Werk-zeugverschleißes verwendet wird, hängt dabei von einer ganzen Reihe von prozess- und ma-schinenseitigen Einflussparametern ab und kann in einen stark progressiven Einlaufbereich zu Beginn der Fräsbearbeitung in einen linearen, mittleren Teil und in einen im Prinzip nicht mehr einfach zu beschreibenden dritten Teil, der mit dem katastrophalen Versagen des Werk-zeugs endet, untergliedert werden. Üblicherweise werden Fräswerkzeuge innerhalb des mittle-ren, annähernd linear verlaufenden Verschleißbereichs eingesetzt, wobei die obere Grenze dieses Bereichs in der Regel hinreichend weit von dem Bereich, in dem katastrophales Versa-gen auftreten wird, gewählt wird. Bei geometrisch und technologisch einfachen Zerspanprozessen (Orthogonalschnitte, Dreh-verfahren, Planfräsen o. Ä.) lassen sich Vorhersagen bzgl. des zu einem bestimmten Zeitpunkt zu erwartenden Werkzeugzustandes relativ leicht und hinreichend präzise treffen. Problemati-scher wird diese Prognose, wenn es sich um Prozesse handelt, bei denen sich die Prozess-randbedingungen ständig ändern, wie etwa bei der Fräsbearbeitung von frei geformten Werkstücken. Ein charakteristisches Merkmal für diese Art der Bearbeitung liegt in den sich ständig ändernden Eingriffsbedingungen. Hier ist a priori nicht zu sagen, welche Art von Ein-griffssituation zwischen Werkzeug und Werkstück (z. B. Gleich-/Gegenlauf, Bohr- oder Zieh-fräsen) vorliegen wird, so dass in der Regel alle denkbaren Eingriffsbedingungen oder deren Kombination auftreten können. Diese verschiedenen Eingriffsbedingungen bestimmen nun aber die Entwicklung des Werkzeugverschleißes ganz wesentlich, so dass es erforderlich ist, sie auch bei der Bearbeitung von beliebig geformten Oberflächen vor dem eigentlichen Pro-zess bestimmen zu können und als Eingangsdaten für entsprechende Verschleißmodelle ver-wenden zu können. Für diese Aufgaben kommen Prozesssimulationssysteme in Frage, die es erlauben, über eine geometrische Beschreibung des Fräsprozesses für beliebig geformte Werkstücke, die Eingangsdaten für technologische Modelle zu liefern, welche den eigentli-chen Verschleißfortschritt der Fräswerkzeuge beschreiben. Ein solches System wurde in dem hier zusammengefassten Forschungsprojekt für diese Auf-gabenstellung qualifiziert und mit verschiedenen technologischen Verschleißmodellen ausge- stattet. Mit dem nunmehr zur Verfügung stehenden System zur Prognose des Werkzeugverschleißes ist es einem zukünftigen Nutzer möglich, nach der Spezifikation von Rohteilgeometrie, Werkzeugmaßen, NC-Datensätzen sowie der Auswahl eines geeigneten Verscheißmodells sowie dessen Parametrierung, die Fräsbearbeitung zu simulieren und sich während dieser Si-mulation ständig über den aktuellen Verschleißzustand des Werkzeugs zu informieren. Wird ein vorher festgesetztes Standzeitkriterium für eine der betrachten Verschleißerscheinungen erreicht, so gibt das System eine entsprechende Warnmeldung aus und der Benutzer hat die Möglichkeit, mithilfe der gegebenen Kenntnis der exakten Position im NC-Programm an die-ser Stelle etwa Befehle für einen Werkzeugwechsel oder auch für geeignete Anfahrt- und Zu-stellstrategien nach einem solchen Wechsel zu platzieren. Der bedeutende Vorteil der hier erarbeiteten Lösung ist, dass die gesamte Prognose des Verschleißverhaltens der Fräswerk- zeuge vor dem eigentlichen Prozess und vollständig virtuell stattfindet. Es ist nicht erforder-lich die Werkzeugmaschine mit Messequipment zu bestücken, welches in der Regel erst auf-wendig beschafft, angebracht und kalibriert werden muss und darüber hinaus noch anfällig gegenüber schon geringen Prozessstörungen ist. Nach wie vor ist der experimentelle Aufwand zur Ermittlung der Modellparameter als sehr hoch einzustufen. Auch der umfassend untersuchte und implementierte Einsatz der statisti-schen Versuchsplanung zur Erzeugung passender Modelle reduziert diesen Aufwand nicht in einem für die praktische Anwendbarkeit ausreichendem Maße. Dementsprechend sollte die Zielsetzung zukünftiger Arbeiten hauptsächlich in einer Reduzierung dieses experimentellen Aufwandes liegen. Hierzu bietet sich zum einen die Möglichkeit an, die Anzahl der Versuche oder aber den Aufwand für einen einzelnen Versuch zu reduzieren. Aktuell ist es noch erfor-derlich, das Fräswerkzeug in bestimmten Intervallen während der laufenden Bearbeitung aus-zuspannen, die entsprechenden Verschleißerscheinungen messtechnisch zu erfassen, das Werkzeug wieder einzuspannen und dann den Prozess weiterzuführen. Neben dem großen zeitlichen Aufwand für dieses Vorgehensweise kommt es hier möglicherweise zu Fehlern, zumindest aber zu einer Unterbrechung des Prozesses, so dass hier u. U. Diskontinuitäten (leicht geänderten Eingriffsbedingungen beim erneuten Anfahren des Werkzeugs, Tempera-turschwankungen von Maschine und Umfeld, etc.) zu einer Verschlechterung der Eingangsda-ten für die Verschleißprognose führen können. Zur weiteren Vermeidung von umfangreichen und zeitaufwändigen Versuchsreihen sind zu-künftig Arbeiten zur Modellierung des Verschleißverhaltens auf Schneidenebene vorgesehen, wobei besonders auf die FE-Methode zurückgegriffen werden könnte. Dabei wäre es sinnvoll, auf die an anderen Forschungsinstituten generierten Modellansätze zur Verschleißmodellie-rung auf Schneidenebene [ChiMae90][Sö03][ KiMaShiUs88] zurückzugreifen. Weitere zukünftige Arbeiten werden sich hauptsächlich mit der automatischen Generierung geeigneter An- und Abfahrtstrategien für die Bearbeitung von freigeformten Werkstücken sowie mit der Implementierung der erarbeiteten Modelle in eine kommerzielle Simulations-umgebung, um die Handhabbarkeit für den praktischen Einsatz weiter zu erhöhen, beschäfti-gen. Auch die Zuverlässigkeit des Systems muss noch weiter an die praktischen Erfordernisse angepasst werden, wobei hier wiederum vor allem eine Verringerung des versuchstechnischen Aufwandes, zu einer besseren Datenbasis und damit zu zuverlässigeren Ergebnissen führen wird. Mögliche Anwendungen der entwickelten Modellierungsmethodik ergeben sich vor allem im Bereich der Einzel- und Kleinserienfertigung von komplexen Werkstücken, die durch den Zerspanprozess Fräsen hergestellt werden. Da das Fräsen in der Prozesskette üblicherweise relativ spät eingesetzt wird, beinhalten solche Werkstücke zu diesem Zeitpunkt bereits einen großen Wertschöpfungsanteil. Von dementsprechend großer Bedeutung ist es dann, dass die Fräsbearbeitung entsprechend prozesssicher durchgeführt werden kann. Da das entwickelte System dazu in der Lage ist, den Zeitpunkt notwendiger Werkzeugwechsel mit guter Genau-igkeit auch bei der Bearbeitung frei geformter Oberflächen zu prognostizieren ergeben sich gerade im Werkzeug- und Formenbau und bei der Fertigung von komplexen Werkstücken mit großen Anforderungen an die zu erzielenden Oberflächenqualitäten erhebliche Einsatzpoten-ziale. Durch den modularen Aufbau des gesamten Systems ist es prinzipiell denkbar, eine Integration in bestehende CAD/CAM Systeme vorzunehmen. Auch eine Stand-alone-Lösung wäre einsetzbar, was ebenfalls für die unmittelbare Integration in eine CNC-Maschinensteuerung gilt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Weinert, K.; Zabel, A.: Simulation Based Tool Wear Prediction in Milling of Sculp-tured Surfaces. Proceedings of the 7th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, ENSAM Cluny, Frankreich 4.-5. Mai 2004, S. 217-223
- Zabel, A.: Simulationsgestützte Verschleißmodellierung beim Fräsen von Freiformflächen. Industrie Management, 20 (2004) 1, S. 60-63
- Zabel, A.; Stautner, M.: Einsatzfelder der mehrachsigen Frässimulation. wt Werkstattstechnik online, 95 (2005) 1-2, S. 56-61
- Zabel, A.; Weinert, K.: New Technologies for 5-Axis Milling in Die-and-Mould-Making Proceedings of the 18th International Forging Congress, Nagoya, Japan 6.-12. April 2005, S. 159-170
- Rautenberg, J.; Zabel, A.: Verschleißmodellierung mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung. wt Werkstattstechnik online, 96 (2006) 11/12, S. 831-835
- Weinert, K.; Zabel, A.; Rautenberg, J.: Modelling Tool Wear in Milling. Production Engineering - Research and Development, Annals of the German Academic Society for Production Engineering, XIII (2006) 2, S. 21-24
- Zabel, A.; Rautenberg, J.: Modelling Tool Wear in Milling. Manufacturing Technology Pilsen 2006, 13.-14. Sept. 2006, Pilsen, Czech Republik, (digital publishing)
- Zabel, A.; Rautenberg, J.: Simulation Based Prediction of Tool Wear in Milling In: Proceedings of the 2nd Manufacturing Engineering Society International Conference, CISIF-MESIC 2007, 9.-11. July 2007, Madrid, Spain, (ISBN 978-84-611-8001-1), 8 pages
