Im Arbeitskreis 7 „Schleiftechnologie“ des VDW hat das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) gemeinsam mit diversen Spezialistinnen und Spezialisten im Bereich der Schleiftechnik das Forschungsprojekt „Kraftmaschine“ begonnen. Ziel ist es, das Potenzial einer sensorischen Schleifmaschine für die industrietaugliche Messung von Prozesskräften aufzudecken. Zudem sollen prozessparallel die Detektion und Behebung von fehlerhaften Prozesszuständen ermöglicht werden, um die Prozesssicherheit, Bauteilqualität und somit auch die Wirtschaftlichkeit zu steigern.

Das Schleifen stellt im Allgemeinen oftmals den letzten Prozessschritt in einer Prozesskette zur Herstellung von Bauteilen, z. B. Zahnräder oder Radsatz, dar. Entsprechend ist Ausschuss infolge von Prozessfehlern, insbesondere in der Einzelteil- und Kleinserienfertigung, ein bedeutender Kostenfaktor. Eine frühzeitige Detektion unerwünschter Prozesszustände oder Fertigungsfehler sind daher für eine hohe Wirtschaftlichkeit entscheidend. Dies ist nur mit einer Überwachung des Schleifprozesses bei gleichzeitig hohem Automatisierungsgrad möglich. Jedoch existieren derzeit keine industrietauglichen Ansätze für einen online-überwachten Schleifprozess. Bislang werden zur Sicherung der Bauteilqualität stichprobenartig zeit- und kostenintensive Qualitätsprüfungen durchgeführt. Nachteilig dabei ist, dass erst nach der Bearbeitung beispielsweise Formabweichungen aufgrund von hohen Prozesskräften oder Verschleiß identifiziert werden können und somit ein hohes finanzielles Risiko aufgrund von Ausschuss besteht.

Ein häufig eingesetzter Überwachungsansatz bei Schleifprozessen ist die Messung der Prozesskräfte. Diese können durch maschineninterne Signale (Motorstrom) oder mittels externer Sensorik erfasst werden. Das Stromsignal der Motoren unterliegt jedoch zahlreichen Einflüssen, z. B. Reibung und Bewegungsumwandlung, weshalb der Prozesskraftanteil aus dem Gesamtsignal aufwendig rekonstruiert werden muss. Entsprechend sind die rekonstruierten Kraftsignale stark verrauscht und für eine präzise Messung der Prozesskräfte nicht ausreichend. Aus diesem Grund wird in der Forschung häufig externe Sensorik, z. B. Dynamometer eingesetzt. Diese zeichnen sich durch eine hohe Messgenauigkeit aus. Nachteilig dabei sind hingegen die hohen Anschaffungskosten, eine Reduktion der statischen und dynamischen Steifigkeit der Struktur und das Handling beim Ein- und Ausbau sowie bei der Wartung. Daher ist ein industrieller Einsatz nicht praktikabel.

Im Forschungsprojekt „Kraftmaschine“ wird eine Integration der Kraftmesstechnik in die Maschinenstruktur angestrebt, die den dargestellten Defiziten begegnet und zusätzlich als Nachrüstlösung für bestehende Schleifmaschinen industrietauglich ist. Als Ansatz zur Kraftmessung werden hier hochsensitive halbleiterbasierte Dehnungsmessstreifen (DMS) vorgesehen, die im Kraftnebenfluss in die Maschinenstruktur eingebracht werden können und somit Maschineneigenschaften wie die Steifigkeit nicht beeinflussen. DMS sind sehr robust und platzsparend, sodass sie sich gut nachrüsten lassen. Die Vorarbeiten des IFW weisen zudem das Potential von H-DMS zur hochgenauen Erfassung von Prozesskräften, beispielsweise in Spannelementen oder Spindel, nach. Ein strukturintegrierter DMS-Ansatz wurde jedoch bislang nur für Fräs-Bearbeitungszentren und Drehmaschinen umgesetzt. Durch die Integration von DMS an die Maschinenstruktur von Schleifmaschinen würde erstmals eine dauerhafte Messung der Prozesskräfte und, daraus resultierend, eine kontinuierliche Erfassung der Prozesszustände ermöglicht werden.

Im Rahmen des Forschungsprojekts werden zwei Schleifmaschinen betrachtet: die Profilschleifmaschine FS 840 KT CNC und die Werkzeugschleifmaschine Helitronic Vision 400L. Beide Maschinen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Sensorik. Beim Flach- und Profilschleifen zu erwartende Prozesskräfte sind größer als die beim Werkzeugschleifen. Zudem ist die Komplexität der Maschinenstrukturen unterschiedlich. Somit wird eine Allgemeingültigkeit der erforschten Kraftmesstechnik analysiert und für die Schleifmaschinenhersteller, die Schleifwerkzeughersteller und die Endanwender ein möglichst breites Anwendungspotenzial untersucht.

Für weitere Informationen steht Ihnen Henning Buhl, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 511 762 5210 oder per E-Mail unter Buhl@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.