UP-PÜ - Entwicklung von Prozess- und Systemüberwachungsstrategien in der Präzisions- und Ultrapräzisionsfertigung

Eine der größten Herausforderungen in der Serienfertigung von Präzisionsbauteilen ist die Überwachung des Prozesses, um die Bauteilqualität sicherzustellen. Um grundlegende Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Bauteilqualität, Werkzeugverschleiß, Prozesszustand und Körperschallsignal zu gewinnen, hat das Fraunhofer IPT in Beauftragung der Forschungsgemeinschaft Ultrapräzisionstechnik ein Verfahren zur Online-Überwachung des Prozesszustands durch Körperschall untersucht. Ein besonderer Vorteil der Verwendung des Körperschalls zur Prozessüberwachung ist der sehr einfache Messaufbau bei gleichzeitig hoher Messempfindlichkeit. Das Fraunhofer IPT setzte für die Untersuchungen verschiedene Körperschallsensoren der Vallen Systeme GmbH, der Dittel Messtechnik GmbH und von Physical Acoustics ein. Marktübliche Systeme zur Prozessüberwachung mittels Körperschall basieren auf einfachen Filtern und anschließenden Mittelwert- und Hüllkurvenalgorithmen des Rohsignals. Anhand definierter Grenzwerte wird der Prozesszustand festgelegt und die Reaktion des Maschinensystems eingeleitet. Da das Körperschallsignal jedoch viele Faktoren und Prozessgrößen abbildet, lassen sich beispielsweise keine konkreten Informationen über den Verschleiß von Werkzeugen gewinnen. Das Fraunhofer IPT hat dies zum Anlass genommen verschiedene Fertigungsprozesse hinsichtlich entsprechender Signifikanzen im Körperschallsignal zu untersuchen. In Hartdrehversuchen zur Prozessüberwachung bearbeitete das Fraunhofer IPT ein zylindrisches Bauteil aus 100Cr6 (62 HRC) längs anhand einer CBN-Schneide mit einer Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min bei einem Vorschub von 140 µm/U und einer Zustellung von 0,1 mm. Anhand der gemessenen Frequenzspektren lässt sich über eine Anzahl von Durchläufen die Veränderung des Körperschallsignals feststellen. Es fällt auf, dass das Signal zu Beginn sehr homogen ist und dass mit zunehmender Bearbeitungsdauer höhere Amplituden in anderen Frequenzbereichen auftreten. Diese charakteristischen Merkmale des Körperschallsignals geben einen Hinweis auf die laufende Verschlechterung des Prozesszustands. Anhand der Prozessuntersuchungen konnte das Fraunhofer IPT charakteristische Merkmale verschiedener Bearbeitungsprozesse aufdecken: Es stellte sich heraus, dass Drehprozesse durch höhere Amplituden in tieferen Frequenzbereichen gekennzeichnet sind, während Schleifprozesse auch höhere Amplituden in sehr hohen Frequenzbereichen erzeugen. Schon marktübliche Systeme arbeiten mit aufsummierten Amplituden über die gesamte Werkzeugstandzeit, doch bietet eine Analyse des Signals im Frequenzbereich noch weitere prozessrelevante Informationen. So treten etwa zum Ende der Werkzeugstandzeit charakteristische Schwingungen bei Hartdrehprozessen auf, die sich auch auf der Werkstückoberfläche niederschlagen. Eine weitere Anwendung, die mit der Messung des Körperschalls zum Zweck der Prozessüberwachung arbeitet, verknüpft deshalb das gemessene Körperschallsignal mit der entsprechenden Position des Werkzeugs am Werkstück. Dadurch ließe sich eine einfache dreidimensionale Anschnitterkennung zum Einrichten von Bearbeitungsprozessen für komplexe Geometrien entwickeln. Solche Systeme könnten dann zur Qualitätssicherung und zur Dokumentation des Fertigungsprozesses dienen, da sie zeigen, wo und in welchem Maße das Werkzeug Material abgenommen hat. Die Prozessüberwachung anhand des Körperschalls ist hier eine einfache Methode mit großem Potenzial, die sich mit geringem Aufwand in Bearbeitungsmaschinen integrieren lässt.