Zum Schärfen von Sensen wird seit Jahrhunderten der ­Dengelhammer verwendet. Mit ihm wird die Schneide an der Randzone durch Hämmern verdünnt und damit geschärft. Aus dieser ganz einfachen Technik hat sich das maschinelle Oberflächenhämmern mit moderner CNC-Technik entwickelt. Ein Hammerkopf mit Stößel bearbeitet dabei mit hoher Frequenz die Oberfläche eines Werkstücks. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel die funktionalen Oberflächen von Tiefziehwerkzeugen für Kfz-Karosserieteile derart beeinflussen, dass sie optimal mit tribologischen Systemen zusammenwirken und somit Reibung und Verschleiß bei der Umformung minimieren. Außerdem lässt sich mit dem Oberflächenhämmern gezielt die Festigkeit von hochbeanspruchten Komponenten wie Schiffs­propellern und Turbinenschaufelrädern steigern. Somit handelt es sich um ein (Randschichten-) Härteverfahren, das ohne chemischen Prozess und hohe Temperaturen auskommt. Es wird lediglich mechanische Energie ins Werkstück eingebracht. 

Ein Spezialist dafür ist die 1995 gegründete Firma Accurapuls aus Lippetal, die als weltweit führend bei der elektromechanischen Randzonenverfestigung metallischer Komponenten durch maschinelles Oberflächenhämmern gilt.

Das elektromechanische Hämmersystem

Ein elektromechanisches Hämmersystem der Firma Accurapuls: adaptiert auf einen Industrieroboter. Daneben die Sensorimplementierung in den Hammerkopf.

© WZL

Mit dem von Accurapuls entwickelten elektromechanischen ­Hämmersystem lassen sich metallische Werkzeugoberflächen plas­tisch verformen. Ein sphärischer Stößel bearbeitet mit ­hochfrequenten Schlägen bis 500 Hz die Rauheitsspitzen auf der Oberfläche der metallischen Komponenten und glättet sie somit inkrementell ein. Dies führt zu einer Härtesteigerung und damit zu einer Verfestigung der Randzone und erhöht in Folge wesentlich die Verschleißfestigkeit der metallischen Komponenten.

Neben diesem Prozess des Verfestigens lässt sich das Verfahren des Oberflächenhämmerns zum Polieren beziehungsweise zum Einklopfen von Legierungs- und Veredelungswerkstoffen nutzen sowie zum Induzieren von Druckeigenspannungen in metallische Komponenten. Auf diese Weise wird der Neigung zur Rissbildung vorgebeugt und die Ermüdungsfestigkeit erhöht. Je nach Werkstoffzusammensetzung sind Eindringtiefen bis maximal 15 mm erreichbar. Im Vergleich zu meist manuellen Polierverfahren profitiert der Anwender von kürzeren Durchlaufzeiten und einer Oberflächenrauigkeit <0,3 µm bei vollständiger Reproduzierbarkeit. 

Online-Kraftmessung zur Prozesssteuerung

Gehämmerte ­Bereiche (spiegelnd) auf der Oberfläche eines Gusswerkzeugs aus EN-2070-Guss­eisen für automobile Tiefziehanwendungen.

© WZL

Bei der Anpassung des Hämmer- oder Klopfprozesses an das individuelle Bauteil und die gewünschten Werkstoffeigenschaften sind die Mitarbeiter von Accurapuls in hohem Maß auf Erfahrungswerte angewiesen, da bislang lediglich die Prozessparameter Frequenz, Stößelweg und einzubringende Leistung einstellbar sind. Die Kraft, mit der der Stößel auf das Werkstück trifft, ist bis dato unbekannt, weil eine Online-Kraftmessung fehlt. Daher sind derzeit weder eine Echtzeit-Prozessanalyse noch daraus resultierend eine Optimierung des laufenden Prozesses möglich.

An dieser Stelle setzt das Transferprojekt „Vernetztes maschinelles Oberflächenhämmern“ des Kompetenzzentrums ‚Digital in NRW‘ an. Ziel des Projektes war die Implementierung einer Kraft- und Wegmesstechnik in den Hammerkopf des elektromechanischen Hämmersystems sowie eine Echtzeit-Signalaufnahme und drahtlose Übermittlung der Daten mit Mikrocontrollern an eine cloudbasierte Analyseplattform. Dabei arbeitete Accurapuls mit dem Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen zusammen; das WZL ist einer der Forschungspartner des Kompetenzzentrums ‚Digital in NRW‘. 
Die Projektbeteiligten definierten zunächst die Anforderungen an die Sensorik und die Signalauswertung. Anschließend wurden geeignete piezoelektrische Kraftsensoren und faseroptische Abstandssensoren ausgewählt. Ebenso wurden die optimale Platzierung der Sensoren und ihre Implementierung in den Hammer­stößel beziehungsweise Hammerkopf untersucht. 

Daten in die Cloud

Die Sensoren erfassen die eingebrachte Hammerkraft und den vom Stößel zurückgelegten Weg. Diese Daten werden kabellos an eine cloudbasierte Plattform übertragen und dort ausgewertet. Sensorik und Auswertung sind so konstruiert, dass auch vorhandene Anlagen zum Oberflächenhämmern damit nachgerüstet und technisch aufgewertet werden können. 

Eine Herausforderung, die bei der Entwicklung des ‚Kraftstößels‘ zur Online-Kraftmessung zu meistern war, ist das Gewicht. Die Stößel, die in den Anlagen von Accurapuls verwendet werden, haben ein Gewicht von rund 60 g. Durch die Integration eines Sensors in einen eigens konstruierten Stößel erhöht 
sich das Gewicht, sodass sich die schwingende Masse verändert, was wiederum signifikante Auswirkungen auf die Prozesskräfte und -kinematik hat. 

Eine zweite Herausforderung besteht in der Signalüber­tragung für die Datenauswertung. Beim Einsatz von Mikro­controllern oder Mini-PCs muss der drahtlose Datentransfer gewährleistet sein. Die Kontaktzeit, während derer der Stößel mit der Werkstoffrandzone in Kontakt ist, ist beim Ober­flächenhämmern sehr kurz. Aus diesem Grund muss eine relativ hohe Abtastrate gewährleistet werden, um das analoge Mess­signal ausreichend genau aufzu­zeichnen. Daraus ergibt sich eine hohe Datenmenge, die aufgrund der Echtzeit-Anforderung in kürzester Zeit drahtlos in die Cloud verschickt werden muss. Hier sehen die Projektbeteiligten vor allem durch die Auswahl der Protokolle (beispielsweise MQTT) die Möglichkeit, die benötigte Datenmenge zu reduzieren und so eine Echtzeit-Versendung in die Cloud zu ermöglichen.

Simulation des Prozesses

Darüber hinaus schafft das Projekt die Basis für eine optimierte Prozessauslegung: Mit den Daten lässt sich eine präzise Finite-Elemente-Simulation des Hämmervorgangs erstellen. Die Simulation soll primär dazu dienen, schwer beziehungsweise nicht messbare Größen wie Spannungen und Dehnungen zu untersuchen. Um möglichst exakte Ergebnisse zu erzielen, ist zum einen eine präzise Abbildung der realen Prozesskinematik nötig (Kraft-Weg-Diagramme aus Sensordaten) sowie eine genaue Abbildung des Werkstoffverhaltens.

Auf Basis der Simulationen lassen sich dann unter anderem Vorhersagen über das Werkstoffverhalten in der Werkstückrandzone treffen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn das Verfahren für neue Werkstoffe angewendet werden soll. Zusätzlich bieten die ermittelten Kraft- und Beschleunigungsprofile die Möglichkeit, die Regelungs- und Steuerungstechnik der Hämmersysteme künftig zu er­weitern.

Das Projekt-Ergebnis

Konkretes Ergebnis des fünfmonatigen Transferprojektes ist ein Umsetzungskonzept zu der Frage, wie mittelständische Unternehmen ihre bestehenden Hämmerysteme wirtschaftlich mit Sensoren ausstatten und von den Vorteilen für ihre Produktion profitieren können. Zudem wurden durch die Echtzeit-Auswertung Erkennt­nisse darüber gewonnen, wie sich die Reproduzierbarkeit und die exakte Regelung des Prozesses künftig verbessern lassen. Dies gilt nicht nur für das Randschichthärten, sondern auch für das Polieren und das Einbringen von Druckeinspannungen durch Oberflächenhämmern. 

Für die anwendenden Unternehmen ist das Einbringen der Vernetzung in das maschinelle Oberflächenhämmern zudem ein Schritt in Richtung digitale Produktion, der neben einem Wissen­gewinn auch eine Effizienzsteigerung verspricht.

Autor: 
Robby Mannens ist Mitarbeiter des Werkzeug­maschinenlabor WZL der RWTH Aachen.

Das Kompetenzzentrum 'Digital in NRW'

Mit ‚Digital in NRW – Das Kompetenzzentrum für den Mittelstand‘ wird die Bundesinitiative ‚Mittelstand 4.0‘ in Nordrhein-Westfalen umgesetzt. Kleine und mittlere Unternehmen in NRW erhalten zielgerichtete Unterstützung bei der Planung und Umsetzung von Projekten der Digitalisierung nach den Prinzipien von Industrie 4.0. Dabei arbeiten ­jeweils ein Unternehmen und ein Forschungspartner für einen definierten Zeitraum an einem konkreten Projekt. Das Spektrum der bisher durchgeführten Projekte reicht von der Produktionsplanung und -steuerung über die Produktentwicklung, das Qualitäts- und Prozessmanagement bis hin zur Mensch-Maschine-Interaktion. 

Ansprechpartner für ‚Digital in NRW‘-Projekte sind Forschungseinrichtungen von drei Wirtschafts- und Forschungsstandorten im Rheinland, in der Metropole Ruhr und in OstWestfalenLippe.