In dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen zur Prozess- und Verschleißüberwachung anhand der akustischen Emission beim Scherschneiden im offenen Schnitt durchgeführt. Für die Online-Überwachung von Zerspanungsprozessen kommen bereits Methoden der Analyse der akustischen Emission zum Einsatz. In der Regel wird die akustische Emission beziehungsweise die Analyse der auftretenden Schwingungen als Ergänzung zu anderen Messdaten herangezogen. Voraussetzung für eine sensorgestützte Überwachung der Prozesse ist, dass die qualitätsbestimmenden Merkmale eines Bauteils mit messbaren Prozessgrößen korrelieren und dadurch eine möglichst quantitative Bewertung der Merkmalsänderungen möglich wird.
Die Anforderungen an die Sicherheit und Stabilität von Produktionsprozessen, die Bauteilqualität und die Sicherheit für Mensch und Umwelt nehmen in allen Industriebereichen unter Berücksichtigung hoher Wirtschaftlichkeit stetig zu. In der Serienfertigung kommen deshalb häufig automatisierte Prozesse zum Einsatz. Hochautomatisierte Prozesse erfordern ständige Verbesserungen der Methoden in der Prozessüberwachung.
Vom Rohmaterial bis zum Fertigteil durchlaufen beinahe alle Blechbauteile neben ur- und umformenden Fertigungsverfahren auch Trennprozesse. Das Scherschneiden stellt dabei durch die große Teilevielfalt und der hohen Qualität der Bauteile bei großer Stückzahl und hervorragender Wirtschaftlichkeit das bedeutendste Verfahren dar.
Um das Gewicht von Bauteilen zu reduzieren, werden zunehmend höchstfeste Werkstoffe eingesetzt. Damit kann bei reduziertem Gewicht dennoch höchste Stabilität gewährleistet werden. Die höheren Festigkeiten der Werkstoffe führen allerdings auch zu höheren Belastungen der Werkzeuge im Fertigungsprozess. Mit frühzeitigem Werkzeugversagen nehmen die Standzeit und damit die Wirtschaftlichkeit der Verfahren rapide ab. Der Zustand der Werkzeuge steht in direktem Zusammenhang mit der Qualität der produzierten Bauteile. Mangelhafte Bauteilqualität erfordert entweder eine aufwändige und damit kostenintensive Nacharbeit oder führt zum Ausschuss der Teile.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Forschung und Technik
2.1 Scherschneiden
2.1.1 Verfahrenseinteilung
2.1.2 Verfahrensablauf
2.1.3 Schnittflächenkenngrößen
2.1.4 Kräfte beim Scherschneiden
2.2 Verschleiß
2.2.1 Grundlagen
2.2.2 Verschleißmechanismen
2.2.3 Verschleißkenngrößen
2.3 Akustische Emission
2.3.1 Grundlagen Akustik
2.3.2 Schallemission
2.3.3 Anwendung in der Prozessüberwachung
2.4 Signalerfassung und Sensortechnik
2.4.1 Grundlagen
2.4.2 Beschleunigungssensor
2.4.3 Messmikrofon
2.5 Signalaufbereitung und -Analyse
2.5.1 Analog-Digital-Wandlung
2.5.2 Korrelationsfunktionen
2.5.3 Fourier-Transformation
2.5.4 Leakage-Effekt und Fensterfunktionen
2.5.5 Filter
3 Aufgabe
3.1 Problemstellung und Motivation
3.2 Ziel
3.3 Vorgehen
4 Versuchs- und Messeinrichtungen
4.1 Schnellläuferpresse
4.2 Versuchswerkzeug
4.3 Sensoren - Akustische Emission
4.4 Messcomputer und Messprogramm
4.5 Profilmessgerät
4.6 Auswerte- und Simulationstools
5 Versuchswerkstoffe
5.1 Werkzeugwerkstoff
5.2 Blechwerkstoffe
5.2.1 Mehrphasenstahl SZBS800
5.2.2 Edelstahl 1.4310
6 Versuchsdurchführung
6.1 Versuchsplan
6.2 Versuchsvorbereitungen
6.3 Auswertung der Verschleiß- und Schnittflächenkenngrößen
6.4 Dauerhubversuche
6.5 Unterbrochene Dauerhubversuche
6.6 Auswertung der akustischen Emission
6.7 Simulation der Eigenfrequenzen
7 Ergebnisse
7.1 Werkzeugverschleiß
7.2 Schnittflächenkenngrößen
7.3 Signale der Akustischen Emission
7.3.1 Dauerhubversuche
7.3.2 Konfiguration 1
7.3.3 Konfiguration 2
7.4 Schneid- und Querkräfte
7.5 Modalanalyse am Schneidwerkzeug
8 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, die Auswirkungen von fortschreitendem Werkzeugverschleiß auf die akustische Emission beim Scherschneiden im offenen Schnitt zu analysieren. Durch die Variation von Blechwerkstoffen, Blechdicken und Hubzahlen in Kombination mit definiertem Werkzeugverschleiß soll die Forschungsfrage beantwortet werden, inwieweit diese Parameter die akustischen Emissionen beeinflussen und ob Korrelationen zu Werkzeugverschleiß, Schnittflächenqualität und Prozesskräften bestehen, um neue Methoden zur Online-Prozessüberwachung zu etablieren.
- Prozessüberwachung beim Scherschneiden
- Analyse der akustischen Emission zur Riss- und Verschleißerkennung
- Einfluss von Schneidkantenverschleiß auf Schnittflächenkenngrößen
- Korrelation zwischen akustischen Signalen und Prozesskräften
- Modalanalyse des Schneidwerkzeugs zur Frequenzbestimmung
Auszug aus dem Buch
2.3.2 Schallemission
Nach DIN EN 13554 werden unter dem Begriff Schallemission oder akustische Emission alle Phänomene zusammengefasst, die durch transiente, elastische Wellen innerhalb eines Werkstoffes oder durch einen Prozess hervorgerufen werden. Der Frequenzbereich der Wellen reicht vom hörbaren Schall (ca. 20 Hz – ca. 20 kHz) bis zu einigen Megahertz. Als physikalische Ursachen werden unter anderem plastische Verformung, Rissinitiierung, Risswachstum, Rissausbreitung, Korrosion, impulsartige Stoßbelastungen und Reibung genannt. (Deutsches Institut für Normung e. V., 04.2011), (Deutsches Institut für Normung e. V., 01.2016), (Boos, 2015, S. 5–7)
Im Inneren fester Körper finden unter dem Einfluss mechanischer Belastungen elastische und plastische Verformungsvorgänge statt. Diese führen unter Zunahme der quasistatischen Belastung zu sprunghaften Zustandsänderungen. Dabei wird durch Versetzungsmechanismen, Zwillingsbildung, Phasenumwandlung, Rissentstehung und Risswachstum sowie Bruch- und Reibungsvorgänge Energie freigesetzt. Die Impulse, die durch die mechanische Belastung hervorgerufen werden, breiten sich durch die elastischen Eigenschaften des Körpers in Form transienter Wellen bis an dessen Oberfläche aus und werden von der Oberfläche an das Umgebungsmedium als Luftschall abgegeben. (Klingel, 2002, S. 53–54), (Herres, 1991, S. 58–63) Die Wellen werden dabei nach der Form und dem Ausbreitungsort bzw. der Ausbreitungsrichtung in Raum-, Oberflächen-, Biege- und Torsionswellen unterteilt. Raumwellen breiten sich ausgehend von der Quelle kugelförmig mit einem longitudinalen und einem transversalen Anteil durch den Festkörper aus. Beim longitudinalen Anteil entspricht die Ausbreitungsrichtung der Welle der Schwingungsrichtung. Die Geschwindigkeit der Ausbreitung ist stark vom Elastizitätsmodul, der Querkontraktionszahl und der Dichte des Materials abhängig. Im Unterschied dazu verläuft die Ausbreitungsrichtung von transversalen Wellen senkrecht zur Schwingungsrichtung. Erreichen Raumwellen die Oberfläche des Körpers bzw. Bauteils, entstehen Oberflächenwellen. (Möser und Kropp, 2010) Über geeignete Sensoren, wie beispielsweise piezoelektrische Beschleunigungssensoren (vgl. Abschnitt 2.4.2) oder Messmikrofone (vgl. Abschnitt 2.4.3), können die Schwingungen an der Werkzeugoberfläche und die durch die Luft übertragenen Druckunterschiede erfasst werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung stellt die wachsende Bedeutung der Online-Prozessüberwachung in der automatisierten Serienfertigung dar und begründet die Notwendigkeit, neue Methoden zur Verschleißüberwachung beim Scherschneiden zu entwickeln.
2 Stand der Forschung und Technik: Dieses Kapitel erläutert die theoretischen Grundlagen des Scherschneidens, der Verschleißmechanismen, der akustischen Emission sowie der Signalerfassung und -analyse, die als Basis für die experimentellen Untersuchungen dienen.
3 Aufgabe: Hier werden die Problemstellung, das Ziel der Arbeit sowie das methodische Vorgehen definiert, um die Auswirkungen von Werkzeugverschleiß auf akustische Emissionen beim Scherschneiden im offenen Schnitt zu untersuchen.
4 Versuchs- und Messeinrichtungen: Das Kapitel beschreibt die verwendete Schnellläuferpresse, das Versuchswerkzeug, die eingesetzte Sensorik zur Schallemissionsanalyse sowie die Hard- und Software zur Datenerfassung und Simulation.
5 Versuchswerkstoffe: Die verwendeten Blechwerkstoffe (SZBS800, Edelstahl 1.4310) und der Werkzeugwerkstoff (1.2379) werden hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften detailliert aufgeführt.
6 Versuchsdurchführung: Dieser Abschnitt erläutert den Versuchsaufbau, die Versuchsplanung der Dauerhub- und unterbrochenen Dauerhubversuche sowie die angewendeten Analysemethoden zur Signalauswertung und Simulation.
7 Ergebnisse: Die Ergebnisse präsentieren die Analyse des Werkzeugverschleißes, der Schnittflächenkenngrößen, die Signalauswertung der akustischen Emission in Zeit- und Frequenzbereich sowie die Modalanalyse des Schneidwerkzeugs.
8 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die gewonnenen Erkenntnisse zur Korrelation zwischen akustischen Signalen, Verschleiß und Prozesskräften zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsansätze zur Optimierung der Prozessüberwachung.
Schlüsselwörter
Scherschneiden, Prozessüberwachung, akustische Emission, Werkzeugverschleiß, Körperschall, Luftschall, Schnittflächenkenngrößen, Schwingungsanalyse, Signalaufbereitung, Fourier-Transformation, Beschleunigungssensor, Messmikrofon, Blechbearbeitung, Modalanalyse, online Prozessüberwachung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Masterarbeit beschäftigt sich mit der Online-Prozessüberwachung beim Scherschneiden im offenen Schnitt, indem sie das Potenzial der Analyse von akustischen Emissionen zur Detektion von Werkzeugverschleiß und zur Qualitätsbewertung von Bauteilen untersucht.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Arbeit deckt die Bereiche Scherschneidtechnologie, tribologische Verschleißmechanismen, akustische Messtechnik (Körperschall und Luftschall), Signalverarbeitung sowie die Finite-Elemente-Simulation zur Modalanalyse ab.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das primäre Ziel ist es, Zusammenhänge zwischen fortschreitendem Werkzeugverschleiß und akustischen Emissionen zu identifizieren, um diese für eine prozessintegrierte Verschleiß- und Qualitätsüberwachung nutzbar zu machen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Es kommen experimentelle Untersuchungen an einer Schnellläuferpresse, taktile Profilvermessungen der Schneidkanten und Schnittflächen, eine tiefgehende Signalanalyse (Autokorrelation, Kreuzkorrelation, FFT) sowie eine FEM-basierte Modalanalyse des Werkzeugs zum Einsatz.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden der Versuchsaufbau, die Charakterisierung der Materialien, die Durchführung systematischer Versuchsreihen unter Variation von Schneidkantenradien und Prozessparametern sowie die anschließende datentechnische Auswertung der gewonnenen Sensorsignale detailliert beschrieben.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen gehören Scherschneiden, akustische Emission, Werkzeugverschleiß, Prozessüberwachung, Signalverarbeitung und Schnittflächenqualität.
Warum ist das Scherschneiden im offenen Schnitt für diese Untersuchung relevant?
Dieses Verfahren ist wirtschaftlich hochrelevant und wird vermehrt zur Bearbeitung hochfester Bleche eingesetzt, was zu gesteigerten Werkzeugbelastungen führt, die eine innovative Online-Überwachung notwendig machen.
Welche Erkenntnisse lieferte die Modalanalyse?
Die Modalanalyse zeigte, dass das Werkzeug signifikante Eigenschwingungen aufweist, die sich mit den durch den Schneidprozess hervorgerufenen Schwingungsanteilen überlagern, was die Interpretation der akustischen Emissionen beeinflusst.
Welche Bedeutung haben die Schneidkantenradien?
Die untersuchten Schneidkantenradien (50, 100, 200 µm) dienen als definierte Referenzgrößen für den Werkzeugverschleiß, um den Einfluss der Kantenverrundung auf die erzeugten akustischen Signale und die Bauteilqualität quantifizierbar zu machen.
- Arbeit zitieren
- Johannes Edele (Autor:in), 2016, Prozessüberwachung beim Scherschneiden im offenen Schnitt. Analyse von Festkörperschwingungen und akustischer Emission zur Überwachung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/985924
