Aktive Verzugskompensation in spanenden Werkzeugmaschinen am Beispiel der Bearbeitung dünnwandiger ringförmiger Werkstücke

Ein wichtiger begrenzender Faktor bei einer Produktivitätssteigerung in der Produktionstechnik sind unerwünschte Maß- und Formabweichungen hervorgerufen durch die Prozesswirkung der spanenden Bearbeitung. Diese Verzüge begrenzen die anwendbaren Zerspanvolumina und erfordern angepasste und damit wenig flexible Spannmittel sowie bei nicht eingesteiften Werkstücken zusätzliche nicht wertschöpfende Bearbeitungsschritte wie Richtoperationen. Typische Vertreter solcher labiler Werkstücke sind dünnwandige Ringe, welche für die Antriebstechnik sowohl in Kleinserien als auch in der Massenfertigung hergestellt werden. Die vorliegende Arbeit wendet sich der Verzugskompensation dünnwandiger Ringe zu. Dabei geht der gesamthafte Ansatz, welche der SFB 570 „Distortion Engineering“ verfolgte, davon aus, aus einem Verständnis der Mechanismen des Verzugs an geeigneten Stellen in die Prozesskette einzugreifen und so den Aufwand für die Korrektur des Verzugs zu reduzieren. Dabei sollten die Mechanismen zur Verzugskompensation im Sinne einer Prozesskettenverkürzung und im Sinne des im SFB 570 entwickelten Systemverständnisses bereits in die spannende Fertigung und idealerweise in die Werkzeugmaschine selbst integriert werden. Die Verzüge werden dabei exemplarisch während der Weichbearbeitung an Ringen aus 100 Cr6 durch eine adaptive Steuerung der Zustellung sowie durch ein verfahrensintegriertes Richten in der Hartbearbeitung kompensiert. Zur Realisierung der adaptiven Schnitttiefe wird eine Fast Tool Servo (FTS) Technologie eingesetzt. Experimentell und mittels numerischer Methoden wird ein Prozessverständnis entwickelt. Die Stellgrößen für das FTS werden basierend auf der offline in der Werkzeugmaschine erfassten Abweichung der Gestalt berechnet. Neu ist die Erkenntnis, dass eine vollständige Kompensation eine dreidimensionale Erfassung der Abweichung der Werkstückgestalt sowie eine dreidimensionale Anpassung der Zustellung erfordert. Zudem zeigen die Ergebnisse, dass eine variierende Schnitttiefe einen ungleichmäßig verteilten Eigenspannungszustand in die Randschicht einprägt. Aufgrund der begrenzten Tiefenwirkung der Drehbearbeitung ist die Rückwirkung des Prozesses auf die Form der Ringe bei den gängigen Wanddicken jedoch vernachlässigbar. Die verbleibenden Formabweichungen, insbesondere der Ovalität, erfolgt durch ein prozessintegriertes Richten. Dabei wird die Festwalztechnologie eingesetzt, da nur diese die erforderlichen, ausgeprägten plastischen Verformungen in der Randschicht des Werkstücks erzielt. Die Experimente belegen, dass sich durch das Speichern ungleichmäßiger Biegelastspannungen infolge der Spannkräfte sowie die Wahl der Festwalzparameter die Form der Ringe gezielt beeinflussen lässt.