Softsensorik zur prozessintegrierten Beeinflussung der Bauteildauerfestigkeit bei der Drehbearbeitung von Aluminium

In-process-Oberflächenkonditionierung zur Erhöhung der Bauteildauerfestigkeit

Die Prozesseingangsgrößen der spanenden Endbearbeitung beeinflussen die Oberflächenfeingestalt und Randschichteigenschaften der Werkstücke maßgeblich. Bisher erfolgt jedoch keine gezielte Konditionierung der Randschicht. Deshalb soll am Beispiel des Drehens der Legierung EN AW-2017 eine Softsensorik erforscht und entwickelt werden, durch die Veränderungen der Randschicht infolge des Zerspanungsprozesses vorhersagbar sind. Mit dem Ziel der Einstellung einer definierten Dauerfestigkeit des Bauteils kann die Regelung der Prozesseingangsgrößen in process erfolgen.

Zur In-process-Erfassung von Temperaturen in der Scherzone ist die Konzeption und Implementierung einer wirkstellennahen Sensorik vorgesehen, die den Seebeck-Effekt nutzt. Dazu wird die temperaturabhängige elektrische Spannung UTh eines aus Werkzeug und Werkstück bestehenden Thermoelements verwendet. Ergänzend erfolgt die In-process-Messung der Komponenten der Zerspankraft zur Bestimmung des vorherrschenden thermomechanischen Lastkollektivs. Dieses beeinflusst maßgeblich die Ausprägung der Eigenspannungen und deren Tiefenverläufe. Die gezielte Erhöhung der Bauteildauerfestigkeit erfordert die Korrelation der In-process-Messgrößen des Zerspanungsprozesses mit dem Randschichtzustand des Bauteils. Hierbei werden im Prozess veränderliche Störgrößen wie der Werkzeugverschleißzustand (VB) berücksichtigt. Die ermittelten Abhängigkeiten und funktionalen Zusammenhänge bilden die mathematische Grundlage für die Erstellung des Softsensors. Durch die Rückführung der In-process-Messgrößen auf die Prozesseingangsgrößen wird eine gezielte Prozessparameteranpassung zur reproduzierbaren Einstellung der Dauerfestigkeit ermöglicht.

Antragsteller:

Projektbearbeiter:

Prof. Dr.-Ing. Thomas Lampke

Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik (IWW)

Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik

Technische Universität Chemnitz

Tel.: +49 371 531-36163

E-Mail: thomas.lampke@mb.tu-chemnitz.de
Dr.-Ing. Thomas Mehner

Institut für Werkstoffwissenschaft und Wekstofftechnik (IWW)

Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik

Technische Universität Chemnitz

Tel.: +49 371 531-38415

E-Mail: thomas.mehner@mb.tu-chemnitz.de
Prof. Dr.-Ing. Andreas Schubert

Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP)

Professur Mikrofertigungstechnik

Technische Universität Chemnitz

Tel.: +49 371 531-34580

E-Mail: andreas.schubert@mb.tu-chemnitz.de
Hendrik Liborius

Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP)

Professur Mikrofertigungstechnik

Technische Universität Chemnitz

Tel.: +49 371 531-30308

E-Mail: hendrik.liborius@mb.tu-chemnitz.de
Thomas Junge

Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP)

Professur Mikrofertigungstechnik

Technische Universität Chemnitz

Tel.: +49 371 531-32190

E-Mail: thomas.junge@mb.tu-chemnitz.de

Publikationen

Boy, T.; Mehner, T.; Nestler, A.; Lampke, T.; Schubert, A.: Methodology for soft-sensor design and in-process surface conditioning in turning of aluminum alloys. In: Production Engineering, 2024, Volume 18(2), pp. 267–287,  https://doi.org/10.1007/s11740-023-01260-0

Junge, T.; Nestler, A.; Schubert, A.: Thermodynamic simulation of the heat distribution inside the specimen in turning of aluminum alloys. In: Procedia CIRP, 2023, Band 117, S. 92–97,  DOI: 10.1016/j.procir.2023.03.017

Mehner, T.; Lampke, T.: Analytical Models for Grain Size Determination of Metallic Coatings and Machined Surface Layers Using the Four-Point Probe Method. In: Materials, 2023, Band, 16, 6000,  DOI: 10.3390/ma16176000

Junge, T.; Mehner, T.; Nestler, A.; Lampke, T.; Schubert, A.: Surface properties in turning of aluminum alloys applying different cooling strategies. In: Procedia CIRP, 2022, Band 108, S. 246–252, https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.03.043

Junge, T.; Mehner, T.; Nestler, A.; Lampke, T.; Schubert, A.: Thermomechanische Aspekte beim Drehen hochfester Aluminiumlegierungen – Einfluss von Spanleitstufen auf die Oberfläche. In: wt Werkstattstechnik online, 2022, Band 112 (11-12), S. 773–778, http://DOI: 10.37544/1436-4980-2022-11-12-47

T. Mehner, M. Uhland, T. Lampke. „Analytical Model to Calculate the Grain Size of Bulk Material Based on Its Electrical Resistance“ Metals 11 (1) (2021): 21.  https://doi.org/10.3390/met11010021

T. Junge, A. Nestler, A. Schubert. „In-process monitoring and empirical modeling of the tool wear in turning of aluminum alloys using thermoelectric signals“ Procedia CIRP 102 (2021): 308-313. DOI: 10.1016/j.procir.2021.09.053

T. Mehner, T. Junge, A. Schubert, T. Lampke. „Prediction of residual-stress depth profiles in turning of ENAW-2017 based on in-process measurements of machining forces and temperatures“ IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 1147 (2021): 012019. DOI: 10.1088/1757-899X/1147/1/012019

T. Junge, A. Nestler, A. Schubert. „Application Potential of Thermoelectric Signals for Temperature Monitoring in Turning of Aluminum Alloys“ Production at the leading edge of technology, Proceedings of the 10th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP) (2020): 235–245. DOI: 10.1007/978-3-662-62138-7_24

Junge, T.; Liborius, H.; Mehner, T.; Nestler, A.; Schubert, A.; Lampke, T.: Measurement system based on the Seebeck effect for the determination of temperature and tool wear during turning of aluminum alloys. In: Procedia CIRP, 2020, Band 93, S. 1435–1441,   https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.03.015

Junge, T.; Liborius, H.; Mehner, T.; Nestler, A.; Schubert, A.; Lampke, T.: Method for process monitoring of surface layer changes in turning of aluminium alloys using tools with a flank face chamfer. In: Procedia CIRP, 2020, Band 87, S. 432–437,  https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.02.090

T. Junge, T. Mehner, A. Nestler, A. Schubert, T. Lampke. „Metrological characterization of the thermomechanical influence of the cross-section of the undeformed chip on the surface properties in turning of the aluminum alloy EN AW-2017“ tm – Technisches Messen 87 (12) (2020): 777–786.   https://doi.org/10.1515/teme-2020-0059