Entwicklung eines Planungswerkzeuges zur funktionsgerechten Auslegung und Herstellung von Produkteigenschaften für Prozesse der Hartfeinbearbeitung (PlanPP)

Problemstellung
Neben dem Werkstoff und der Wärmebehandlung sind die durch verschiedene Fertigungsverfahren erzeugten oberflächennahen Bereiche eines Bauteils von entscheidender Bedeutung für das Bauteilverhalten im Einsatz, da sie in nahezu allen Fällen der Praxis die höchstbeanspruchten Werkstückbereiche darstellen. Hohe Beanspruchungen und nicht an den Einsatzfall angepasste physikalische Eigenschaften der Bauteilrandzone führen zu ca. 85% aller Schadensfälle.
In der Regel erfolgt das Design eines Produkts durch Festlegen der durch das Produkt zu verwirklichenden Funktionalitäten. Jedem Bauteil werden definierte Funktionen zugewiesen, die diese zur Realisierung der Gesamtfunktionalität des Produkts erfüllen müssen. Dieser frühen Phase der Produktgestaltung schließt sich die Bauteilkonstruktion an, in der die makro- und mikrogeometrischen Eigenschaften (Oberflächenkennwerte und deren Ausprägung) der Bauteile und Komponenten festgelegt werden. Dies geschieht meist über heuristische Methoden und es ist nicht ausreichend bekannt, ob die festgelegten Anforderungen für die Sicherstellung der Bauteil-funktionalität angemessen und entscheidend sind.
Basierend auf Erfahrungswerten erfolgte bisher in der Fertigungsplanung die Festlegung der Prozesskette. In der Produktion wurde durch Try and Error- Methoden versucht, die geforderten Kennwerte zu erreichen.
Beispielsweise können Schleif- und Drehprozesse zu gleichen Rauheitskennwerten führen. Die dennoch in ihrer Charakteristik völlig verschiedenen Bauteiloberflächen wurden durch bekannte Kennwerte nicht erfasst. Die erzeugte Bauteiloberfläche konnte daher ein ganz anderes Funktionsverhalten aufweisen als ursprünglich in der Bauteilkonstruktion geplant. Dies führte meist zu einer Über- oder Unterdimensionierung der Bauteile und damit zu einer ineffizienten Ausnutzung der Ressourcen.
In der industriellen Praxis existierten wesentliche Erkenntnislücken über den Zusammenhang zwischen der Prozess- bzw. Fertigungsebene und den Oberflächeneigenschaften der Bauteile einerseits sowie zwischen der Oberflächencharakteristik und dem Funktionsverhalten im Einsatz andererseits. Die bisher vorliegenden und verwendeten Kennwerte reichten nicht aus, um diesen Zusammenhang ausreichend zu beschreiben und zu beherrschen.

Projektziele
Es konnte eine Methode zur funktionsgerechten Prozessplanung in der Hartfeinbearbeitung entwickelt werden. Hierzu wurde über die Definition neuer Kennwerte und Kennwertsysteme zur Beschreibung der Bauteiloberflächencharakteristik der Zusammenhang zwischen dem Funktionsverhalten und relevanten Oberflächenkennwerten hergestellt. Darauf aufbauend wurde untersucht, wie die Kennwerte durch den Fertigungsprozess erreicht werden können. Um diese Erkenntnisse anwendungsbezogen zur Verfügung zu stellen, wurden die Zusammenhänge in einem prototypischen Softwarewerkzeug, dem sogenannten Technologienavigator, abgebildet. Um die Anwendung verifizieren zu können, wurde diese Methodik an festgelegten Bauteilen mit bestimmten Funktionalitäten getestet. Dazu wurden beispielhaft die Wälzfestigkeit von Hybrid-Wälzlagern und die Biegewechselfestigkeit nach der Fertigung bewertet.

Vorgehensweise
Im ersten Schritt wurde der Einfluss der Oberflächentopographie sowie der Randzone auf die Funktionen Wälzfestigkeit und Biegewechselfestigkeit untersucht. Aus den Ergebnissen des ersten Arbeitspaketes konnten in Arbeitspaket 2 anschließend Kennwerte bzw. Kennwertsysteme ermittelt werden, die den Einfluss der Oberfläche auf die Funktion des Bauteils in einen Zusammenhang stellen. Im Arbeitspaket 3 wurden die optimalen Ausprägungen von Oberflächenmerkmalen zur Erfüllung einer definierten Funktionalität erarbeitet (Function Footprint). Anschließend konnten der Einfluss der Fertigungsfolge und deren Prozessparameter auf die erarbeiteten Kennwerte bzw. Kennwertsysteme systematisch ermittelt werden (Technology Footprint). Die Ergebnisse wurden in ein Softwaresystem, dem Technologienavigator, implementiert. Das Softwaretool ist geeinet, dem Anwender für eine bestimmte Bauteilfunktion die optimale Fertigunsprozesskette sowie deren Einstellparameter bereitzstellen.
Abschließend wurden Versuche zur Überprüfung des Technologienavigators unter Produktionsbedingungen beim Endanwender durchgeführt. Die Methodik kan ggf. anhand des konkreten praktischen Einsatzes weiter optimiert werden. Ausgehend von den definierten Kennwertsystemen können schnelle, robuste und zerstörungsfreie Messverfahren zur Bestimmung des Funktionsverhaltens bestimmt werden. Der Technologienavigator kann zur Unterstützung bei der Optimierung von Prozessen der Hartfeinbearbeitung eingesetzt werden.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Das erreichte Ergebnis des Projektes ist eine vollständige Beschreibung des Einflusses der Oberflächeneigenschaften (Topographie und Randzone) auf das Funktionsverhalten des Bauteils an den Beispielen Biegewechselfestigkeit und Wälzfestigkeit. Des Weiteren kann der Einfluss der Einstellparameter der Hartfeinbearbeitungsverfahren, Schleifen, Hartdrehen und Hartglattwalzen auf die Bauteiloberfläche detailliert beschrieben werden. Aus diesen Ergebnissen wurde ein Softwaretool entwickelt, das den Anwender bei der Auslegung und Fertigung von Funktionsbauteilen unterstützen kann. Die Methodik kann dabei so allgemein implementiert werden, dass auch andere Funktionalitäten mit dem System untersucht werden können. Dies könnte z.B. der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheiten auf Dichtflächen, Bauteilen unter Gleitbelastungen oder die Beschichtbarkeit sein. Dem entsprechend ist die Übertragbarkeit der Projektergebnisse für eine Vielzahl von Branchen, wie der Werkzeugindustrie, der Automobilindustrie und der Gleitlagerindustrie, gegeben und von großer Bedeutung.

• CEROBEAR GmbH
• ECOROLL AG Werkzeugtechnik
• Grindaix GmbH
• Mahr GmbH
• RWTH Aachen
• Stresstech GmbH