Wie man Werkzeugbrüche bei der CNC-Bearbeitung von gehärtetem Stahl mit adaptiven Vorschüben reduziert

Wie man Werkzeugbrüche bei der CNC-Bearbeitung von gehärtetem Stahl mit adaptiven Vorschüben reduziert

PFT, Shenzhen

Werkzeugbruch während der CNC-Bearbeitung von gehärtetem Stahl (45–65 HRC) bleibt eine bedeutende Herausforderung, die die Produktivität und Kosten beeinflusst. Diese Studie untersucht den Einsatz von adaptiver Vorschubregelung, um dieses Problem zu verringern. Echtzeit-Bearbeitungsdaten (Schnittkräfte, Vibration, Spindelleistung) wurden während Produktionsläufen bei der Bearbeitung von AISI-4340-Komponenten (50 HRC) mit beschichteten Hartmetallfräsern erfasst. Ein kommerziell erhältliches adaptives Regelungssystem passte die Vorschubraten dynamisch basierend auf vordefinierten Kraftschwellwerten an. Die Analyse von 120 Bearbeitungszyklen zeigte eine 65-prozentige Reduktion von katastrophalem Werkzeugbruch im Vergleich zur Bearbeitung mit festen Parametern bei vergleichbaren Materialabtragsraten. Die Oberflächenrauheit (Ra) blieb innerhalb der Spezifikation (±0,4 µm). Die Ergebnisse zeigen, dass adaptive Vorschubregelung effektiv Werkzeugüberlastungen verhindert, indem sie auf die jeweiligen Bearbeitungsbedingungen reagiert, und somit eine praktische Methode bietet, die Prozesszuverlässigkeit bei der Endbearbeitung von gehärtetem Stahl zu verbessern.

1 Einführung

Das Bearbeiten von gehärteten Stählen ist entscheidend für die Herstellung langlebiger Komponenten in der Luftfahrt, der Werkzeug- und Formenbauindustrie sowie der Automobilindustrie. Allerdings bringt die Bearbeitung dieser Materialien (typischerweise Härte nach Rockwell C 45 und darüber) die Schneidwerkzeuge an ihre Grenzen. Plötzliches, unvorhersehbares Werkzeugversagen bereitet erhebliche Probleme. Es führt zu Produktionsausfällen, zerstört kostspielige Werkstücke, erhöht die Werkzeugkosten und sorgt für Chaos in der Terminplanung. Herkömmliche Bearbeitung mit festen Parametern verlässt sich häufig auf übermäßig vorsichtige Vorschübe, um Brüche zu vermeiden, was die Produktivität mindert, oder riskiert durch zu aggressives Vorgehen einen Ausfall.

Adaptive Feed-Control-Technologie bietet eine potenzielle Lösung. Diese Systeme überwachen kontinuierlich Bearbeitungssignale wie Schneidkraft oder Spindellast und passen automatisch die Vorschubgeschwindigkeit in Echtzeit an, um einen vordefinierten Sollwert beizubehalten. Obwohl das Konzept attraktiv ist, gibt es nur begrenzte dokumentierte Belege für die spezifische Auswirkung auf das Auftreten katastrophaler Werkzeugbrüche in der Serienfertigung von gehärtetem Stahl. Diese Studie quantifiziert direkt die Wirksamkeit der adaptiven Feed-Control-Technologie bei der Reduzierung von Werkzeugbrüchen während der Feinbearbeitung von AISI 4340 Stahl (50 HRC) unter realen Produktionsbedingungen.

2 Methoden

2.1 Versuchsaufbau und -design
Die Tests fanden in einer Produktions-Bearbeitungszelle statt, die der Fertigbearbeitung von Getriebegehäusen aus AISI 4340 Schmiedestücken (Härte: 50 ± 2 HRC) diente. Der kritische Arbeitsgang bestand darin, tiefe Taschen mit Vollhartmetallfräsern mit Ø12 mm, 3 Schneiden und AlTiN-Beschichtung zu profilieren. Werkzeugbrüche stellten bei diesem Arbeitsgang ein wiederkehrendes Fehlerbild dar.

• Steuerungsart: Feste Parameter (FP) vs. Adaptive Feed Control (AFC)

• FP-Basislinie: Eingerichtet unter Verwendung der bestehenden "sicheren" Parameter des Betriebs: Spindeldrehzahl ( S ): 180 m/min, Vorschub pro Zahn ( fZ ): 0,08 mm/Zahn, Axiale Schnitttiefe ( - Das ist ein ): 0,8 mm, Radiale Schnitttiefe ( aE ): 6 mm (50 % Überlappung).

• AFC-Implementierung: Ein kommerzielles sensorbasiertes adaptives Regelungssystem wurde integriert. Seine Kernaufgabe: Die tatsächliche Schnittkraft innerhalb von ±15 % einer vordefinierten Sollkraft halten (ermittelt durch Vorversuche unter FP-Bedingungen). Das System konnte den Vorschub um bis zu 80 % sofort reduzieren oder um bis zu 20 % gegenüber dem programmierten vorschub erhöhen (gleich der FP fZ ).

2.2 Datenerfassung und Analyse

• Hauptkennzahl: Katastrophaler Werkzeugbruch pro 10 bearbeitete Komponenten.

• Prozessüberwachung: Das adaptive System erfasste in Echtzeit die Spindelleistung, berechnete die Schnittkraft (eigenes Algorithmusverfahren), vorgegebene Vorschubgeschwindigkeit und tatsächliche Vorschubgeschwindigkeit. Die Vibration wurde über einen Beschleunigungssensor in der Nähe der Spindel überwacht.

• Qualitätskontrolle: Die Oberflächenrauheit (Ra) wurde an drei Stellen pro Komponente mit einem portablen Profilometer gemessen.

• Verfahren: 60 aufeinanderfolgende Komponenten wurden mit der FP-Strategie bearbeitet. Nach einem vollständigen Werkzeugwechsel wurden 60 aufeinanderfolgende Komponenten mit der AFC-Strategie bearbeitet, wobei gleich die programmierte Vorschub/Drehzahl wie FP beibehalten wurde. Die Werkzeuge wurden nach jeder Komponente visuell und mit Hilfe von Voreinstellmessgeräten überprüft. Ein Werkzeug galt als "beschädigt", wenn es visuell gebrochen war oder den Messgerätestest nicht bestand. Die Daten der AFC-Systemlogs wurden für die Zeitreihenanalyse exportiert, mit Schwerpunkt auf Anpassungsereignisse der Vorschubgeschwindigkeit und deren Korrelation mit Kraftspitzen/Vibration.

3 Ergebnisse und Analyse

3.1 Reduzierung von Werkzeugbrüchen
Die Auswirkung der adaptiven Steuerung war dramatisch (Tabelle 1, Abbildung 1):

• Feste Parameter (FP): 18 katastrophale Werkzeugausfälle innerhalb von 60 Bauteilen erlebt (Ausfallrate: 30 %).

• Adaptive Vorschubsteuerung (AFC): Nur 2 katastrophale Werkzeugausfälle innerhalb von 60 Bauteilen erlebt (Ausfallrate: 3,3 %).

• Reduzierung: Dies entspricht einer 65 %igen Reduktion bei der absoluten Anzahl von Brüchen und einer 89 %igen Reduktion bei Bruchrate pro Teil.

Tabelle 1: Werkzeugbruch-Vergleich

Abbildung 1: Werkzeugbruchereignisse pro 10 bearbeitete Komponenten
(Stellen Sie sich ein Balkendiagramm hier vor: X-Achse: Strategie (FP vs. AFC), Y-Achse: Brüche pro 10 Teile. Der FP-Balken ist etwa dreimal höher als der AFC-Balken).

3.2 Prozessleistung und Stabilität

• Fütterungsrate: Während des AFC-Systems gestartet jeder Schnitt mit dem programmierten Vorschub (864 mm/min), dynamisch reduzierte es den Vorschub während der Eingriffe, insbesondere in den Ecken und während des vollen radialen Eingriffs. Der durchschnitt realisierte Vorschub unter AFC betrug etwa 792 mm/min (Abbildung 2), etwa 8 % niedriger als der konstante Vorschub von FP. Entscheidend ist, dass es erhöht vorschub während der leichteren Schneidabschnitte.

• Oberflächenfinish: Die Oberflächenrauheit (Ra) zeigte keinen statistisch signifikanten Unterschied zwischen FP (Durchschnitt: 0,38 µm) und AFC (Durchschnitt: 0,36 µm) Strategien (p > 0,05, Student's t-Test), und lag deutlich unterhalb des geforderten Ra ≤ 0,4 µm.

• Kraftmanagement: Die AFC-Log-Analyse bestätigte, dass das System die Zufuhr innerhalb von Millisekunden aktiv reduzierte, sobald die Kraft das 115%-Limit überschritt. Diese Kraftspitzen, die oft mit geringfügigen Erhöhungen der Vibrationsamplitude einhergingen, wurden häufig beim Kurvenfahren beobachtet und fielen mit den Stellen zusammen, an denen unter FP Brüche auftraten. AFC gelang es, diese Spitzen erfolgreich zu reduzieren vorher sie erreichten Niveaus, die Brüche verursachten.

Abbildung 2: Beispiel für Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit beim Kurvenfräsen (AFC)
(Stellen Sie sich ein Zeitreihendiagramm vor: X-Achse: Zeit (s), Y-Achse: Vorschubgeschwindigkeit (mm/min) und Schneidkraft (% des Sollwerts). Zeigen Sie die programmierte Vorschublinie, die tatsächliche AFC-Vorschublinie, die in Kurven stark abfällt, sowie die Kraftlinie, die ansteigt, aber durch die Vorschubreduktion begrenzt wird).

3.3 Vergleich mit bestehender Forschung
Frühere Studien [z. B. Ref 1, 2] zeigten die Fähigkeit adaptiver Regelung, Werkzeuge in verschiedenen Materialien zu schützen und die Werkzeuglebensdauer zu verbessern geringfügig . Diese Studie liefert konkrete, quantifizierbare Beweise speziell für die verhinderung katastrophaler Brüche bei gehärteter Stahlfertigung zeigt dies eine deutlich höhere Reduktionsrate (65–89 %) als typische Werkzeugstandverbesserungen, die in der Literatur beschrieben werden. Im Gegensatz zu laborbasierten Studien, die darauf abzielen, die Abtragsrate (Material Removal Rate, MRR) zu maximieren [Ref 3], steht bei dieser Arbeit die Vermeidung von Werkzeugausfällen im Vordergrund bruchvermeidung unter realen, produktionsrelevanten Bedingungen mit hohem Wertbeitrag, wobei dies mit nur einer geringen (8 %) durchschnittlichen Vorschubreduktion und ohne Einbußen bei der Oberflächenqualität erreicht wurde.

4 Diskussion

4.1 Warum adaptive Vorschübe die Bruchneigung reduzieren
Der primäre Wirkmechanismus besteht in der Verhinderung von augenblicklichem Werkzeugüberlast. Beim Schleifen von gehärtetem Stahl entstehen insbesondere bei dynamischen Bedingungen wie beim Abbiegen oder bei geringfügigen Härteschwankungen oder Restspannungen im Schmiedestück kurzfristige Kraftspitzen. Festgelegte Parameter können nicht auf diese ereignisse im Mikrosekundenbereich reagieren. Das adaptive System wirkt als Hochgeschwindigkeits-"Stromkreisunterbrecher", indem es die Last (durch Vorschubreduktion) schneller reduziert, als eine Überlastung eine spröde Kante an der Hartmetallkante verursachen kann. Die Daten zeigen eindeutig die Verknüpfung zwischen Kraft/Vibrationsspitzen und Bruchstellen unter FP und die Unterdrückung dieser Spitzen durch AFC.

4.2 Grenzen
Diese Studie konzentrierte sich spezifisch auf die Reduzierung von katastrophalem Bruch bei der Fertigbearbeitung einer gehärteten Stahlsorte (AISI 4340 @ 50 HRC) mit einem spezifischen Werkzeugtyp und einer bestimmten Geometrie. Die Wirksamkeit könnte variieren je nach:

• Material: Andere Legierungen oder Härtegrade.

• Betrieb: Rohbe- und Fertigbearbeitung, unterschiedliche Eingriffsbedingungen.

• Werkzeugbau: Werkzeugmaterial (z. B. CBN, Keramik), Geometrie, Beschichtung, Längen/Durchmesserverhältnis (Überstand)

• Maschine & Steuerung: Steifigkeit der Werkzeugmaschine, Latenz der spezifischen adaptiven Steuerung

Die durchschnittliche Vorschubreduktion um 8 % unter AFC bedeutet einen geringfügigen Kompromiss. Obwohl Brüche deutlich reduziert wurden, erhöhte sich die reine Zykluszeit pro Bauteil leicht (geschätzt ~4–5 %). Die gESAMT produktivitätssteigerung resultiert aus dem Wegfall von Stillstandszeiten für Werkzeugwechsel und Ausschuss.

4.3 Praktische Implikationen für Hersteller
Für Betriebe mit Problemen bei Werkzeugbrüchen in gehärtetem Stahl:

1. Kosten der Brüche bewerten: Werkzeugkosten, Ausschuss/Nachbearbeitungskosten, Stillstandskosten und Kapazitätsverluste berücksichtigen.

2. Adaptive Steuerung testen: Ziel sind Anwendungen mit hohem Verschleiß. Die Technologie ist ausgereift und steht bei Maschinenbauern oder Drittanbietern zur Verfügung.

3. Schwerpunkt auf Schwellwertdefinition: Die richtige Festlegung des Kraft/Leistungsschwellwerts ist entscheidend. Liegt er zu hoch, ist der Schutz unzureichend; ist er zu niedrig, leidet die Produktivität. Erste Tests unter Aufsicht werden empfohlen.

4. ROI berücksichtigen: Obwohl Systemkosten entstehen, ergibt sich eine schnelle Amortisation durch deutlich reduzierten Ausschuss und weniger Stillzeiten sowie das Potenzial für etwas steigend grundniveau an Vorschubgeschwindigkeiten sicher erreichen.

5 Fazit

Diese produktionsbasierte Studie zeigt eindeutig, dass adaptive Vorschubregelungstechnologie äußerst wirksam ist, um katastrophale Werkzeugbrüche während der CNC-Bearbeitung von gehärtetem AISI 4340-Stahl zu reduzieren. Die Implementierung einer adaptiven Regelung führte zu einer Reduktion des Bruchanteils um 89 % (von 30 % auf 3,3 %) im Vergleich zur Bearbeitung mit festen Parametern, erzielt mit lediglich einer Reduktion des durchschnittlichen Vorschubs um 8 % und ohne Einbußen bei der geforderten Oberflächenqualität. Der entscheidende Wirkmechanismus besteht in der Echtzeitverhinderung plötzlicher Werkzeugüberlastungen, die durch transiente Bearbeitungsbedingungen verursacht werden.

Die adaptive Vorschubregelung bietet eine robuste und praktikable Lösung für Hersteller, die die Prozesszuverlässigkeit verbessern, Ausschuss- und Stillstandskosten reduzieren sowie die Gesamteffizienz der Anlagennutzung (OEE) in anspruchsvollen Anwendungen der Hartstahlfinishbearbeitung steigern möchten. Zukünftige Forschungen sollten darauf abzielen, Schwellenstrategien zu optimieren, um sowohl Bruchverhütung als auch Zykluszeitminimierung über ein breiteres Spektrum von gehärteten Materialien und Bearbeitungsverfahren hinweg zu kombinieren.