DE102020102757A1 - Tool for machining with wear detection - Google Patents
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Abstract
Werkzeug 1 zur spanenden Bearbeitung mit Verschleißerkennung umfassend einen Werkzeughalter 2 mit mindestens einer Aufnahme an der ein Schneidteil 3 anordenbar ist, und wobei an dem Werkzeughalter 2 ferner mindestens ein piezoelektrischer Sensor 4 zur Ausgabe eines elektrischen Signals zur Verschleißerkennung bei einer Verformung des piezoelektrisches Sensor 4 angeordnet ist.Tool 1 for machining with wear detection comprising a tool holder 2 with at least one receptacle on which a cutting part 3 can be arranged, and at least one piezoelectric sensor 4 for outputting an electrical signal for wear detection when the piezoelectric sensor 4 is deformed is.
Description
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung mit Verschleißerkennung sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Schneidwerkzeugs gemäß dem jeweiligen unabhängigen Anspruch.The invention relates to a tool for machining with wear detection and a method for determining a state of wear of a cutting tool according to the respective independent claim.
Das technische Gebiet liegt bei Problemstellungen im Bereich der spanenden Bearbeitung von Metallteilen. Zum Beispiel ergibt sich bei der Bearbeitung der Ventilsitze von Verbrennungsmotoren das Problem, dass Bearbeitungsfehler zu Undichtigkeiten der Ventile führen können. Das Problem dabei ist, dass erst bei der abschließenden Dichtigkeitsprüfung festgestellt werden kann, ob ein Ausschußteil vorliegt bzw. ob das Werkzeug aufgrund des Verschleißes ersetzt werden muss.The technical field is related to problems in the machining of metal parts. For example, when machining the valve seats of internal combustion engines, the problem arises that machining errors can lead to leaks in the valves. The problem here is that it is only during the final leak test that it can be determined whether there is a reject or whether the tool has to be replaced due to wear.
Zur Ausschußvermeidung ist es wünschenswert den Verschleißzustand von Werkzeugen zur spanenden Bearbeitung während des Einsatzes zu erkennen.To avoid scrap, it is desirable to recognize the state of wear of tools for machining during use.
Es ist bekannt den Werkzeugzustand optisch zu überwachen. Zum Beispiel kann ein Laser die Werkzeugkontur vermessen. So kann vorteilhafterweise eine Brucherkennung durchgeführt werden. Die mit solchen Verfahren erzielten Genauigkeiten reichen für den Einsatzzweck der Verschleißerkennung zum Beispiel bei der Herstellung von Ventilsitzen nicht aus.It is known to visually monitor the tool condition. For example, a laser can measure the tool contour. A break detection can thus advantageously be carried out. The accuracies achieved with such methods are not sufficient for the purpose of detecting wear, for example in the manufacture of valve seats.
Eine andere Variante der Überwachung des Werkzeugzustands ist die Kraftmessung. Dabei kommt eine Vielzahl maschinenintegrierter Mess- und Überwachungssysteme zum Einsatz, die die Schnittkräfte indirekt bestimmen. Hierzu zählen die Auswertung der Motormomente und die Messung der Verformung von Maschinenkomponenten wie Gestell oder Spindel mittels Dehnungsmessstreifen.Another variant of the monitoring of the tool condition is the force measurement. A large number of machine-integrated measuring and monitoring systems are used that indirectly determine the cutting forces. This includes the evaluation of the engine torques and the measurement of the deformation of machine components such as the frame or spindle using strain gauges.
In einer Variante der Kraftmessung ist es bekannt über ortsfeste Dehnungsmessstreifen zur Messung der Zerspankräfte zu verwenden. Zum Beispiel in der
Die gemessenen Daten werden mit einer Messrate von 1600 Hz über mehrere Meter zum Empfänger außerhalb der Maschine übertragen und können dort über ein Notebook ausgewertet werden. Aufgezeichnet werden das Torsions- und Biegemoment sowie die Axialkraft. Das Biegemoment wird in x- und y-Richtung gemessen. Da die Kraftmessung indirekt über die Erfassung von Dehnungen erfolgt, ist eine Reduzierung der Steifigkeit der Werkzeugaufnahme nötig.The measured data is transmitted at a measuring rate of 1600 Hz over several meters to the receiver outside the machine and can be evaluated there using a notebook. The torsional and bending moment as well as the axial force are recorded. The bending moment is measured in the x and y directions. Since the force measurement takes place indirectly via the detection of strains, a reduction in the rigidity of the tool holder is necessary.
Hieraus resultiert eine Absenkung der Eigenfrequenzen, was sowohl für die Mess- als auch für die Bearbeitungsaufgabe nachteilig ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass verschiedene Werkzeugaufnahmen für unterschiedliche Kraft- und Frequenzbereiche nötig sind. Alle genannten Lösungen besitzen aufgrund der Entfernung des Dehnmessstreifen zur Werkzeugschneide zwei zusätzliche Nachteile. Zum einen kommt es durch die große Übertragungsstrecke zwischen Schneide- und Messstelle zu einer Verschlechterung des Frequenzganges. Dies wird insbesondere bei Dehnmessstreifen basierten Lösungen zum Problem, da zur Messung von Dehnungen eine Schwächung der Struktur nötig ist. Zum anderen erfolgt bei allen genannten Systemen ausschließlich eine Messung der Summenkräfte aller am Werkzeug befindlicher Schneiden.This results in a lowering of the natural frequencies, which is disadvantageous for both the measurement and the machining task. Another disadvantage is that different tool holders are required for different force and frequency ranges. All the solutions mentioned have two additional disadvantages due to the distance between the strain gauge and the cutting edge of the tool. On the one hand, the long transmission path between the cutting point and the measuring point leads to a deterioration in the frequency response. This becomes a problem in particular with solutions based on strain gauges, since a weakening of the structure is necessary in order to measure strains. On the other hand, in all of the systems mentioned, only the total forces of all cutting edges on the tool are measured.
Das ist vor allem ein Problem bei komplexen Werkzeugen, wie sie zur Ventilsitzbearbeitung eingesetzt werden, weil es hier zur Überlagerung der Signale kommt. Eine Überwachung einzelner Schneiden zur Verschleißerkennung ist hier kaum möglich.This is especially a problem with complex tools such as those used for valve seat machining, because the signals are superimposed here. Monitoring individual cutting edges for wear detection is hardly possible here.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung mit Verschleißerkennung sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Schneidwerkzeugs bereitzustellen, welche die Nachteile im Stand der Technik überwinden und insbesondere die genaue Verschleißerkennung einer oder mehrerer Schneiden ermöglicht.It is the object of the invention to provide a tool for machining with wear detection as well as a method for determining a wear state of a cutting tool, which overcomes the disadvantages in the prior art and in particular enables the exact wear detection of one or more cutting edges.
Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung mit Verschleißerkennung sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Schneidwerkzeugs gemäß dem jeweiligen unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.This object is achieved by a tool for machining with wear detection and a method for determining a state of wear of a cutting tool according to the respective independent claim. Advantageous refinements form the subject of the respective subclaims.
Die Erfindung umfasst ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung mit Verschleißerkennung. Das Werkzeug umfasst einen Werkzeughalter mit mindestens einer Aufnahme an der mindestens ein Schneidteil anordenbar ist. An dem Werkzeughalter ist ferner mindestens ein piezoelektrischer Sensor zur Ausgabe eines elektrischen Signals zur Verschleißerkennung bei einer Verformung des piezoelektrischen Sensors angeordnet. Aufgrund der Anordnung des piezoelektrischen Sensors am Werkzeughalter wird eine genaue Verschleißerkennung in Echtzeit auf eine günstige Weise ermöglicht. Auf diese Art ist insbesondere die gleichzeitige Überwachung mehrerer Schneiden gleichzeitig möglich. Dabei steht der piezoelektrische Sensor im Kraftfluss mit dem in der Aufnahme des Werkzeughalters angeordneten Schneidteil.The invention comprises a tool for machining with wear detection. The tool comprises a tool holder with at least one receptacle on which at least one cutting part can be arranged. At least one piezoelectric sensor for outputting an electrical signal for detecting wear when the piezoelectric sensor is deformed is also arranged on the tool holder. Due to the arrangement of the piezoelectric sensor on the tool holder, precise wear detection in real time is made possible in a favorable manner. In this way, in particular, it is possible to monitor several cutting edges at the same time. The piezoelectric sensor is part of the force flow the cutting part arranged in the receptacle of the tool holder.
Gemäß einem vorteilhaften technischen Aspekt ist der mindestens eine piezoelektrische Sensor auf einer Außenseite des Werkzeughalters angeordnet. So kann der piezoelektrische Sensor mittelbar oder unmittelbar auf dem Werkzeughalter verbunden sein.According to an advantageous technical aspect, the at least one piezoelectric sensor is arranged on an outside of the tool holder. The piezoelectric sensor can thus be connected directly or indirectly to the tool holder.
Besonders bevorzugt ist der mindestens eine piezoelektrische Sensor über ein mit dem Werkzeughalter verbundene Sensor-Aufnahmeelement an dem Werkzeughalter angeordnet. Gemäß einem Beispiel ist eine lösbare Verbindung vorgesehen.The at least one piezoelectric sensor is particularly preferably arranged on the tool holder via a sensor receiving element connected to the tool holder. According to one example, a releasable connection is provided.
Gemäß einer bevorzugten Variante ist das Sensor-Aufnahmeelement mit dem Werkzeughalter verschraubt. Auf diese Art und Weise lässt sich eine lösbare Verbindung herstellen, die einen zuverlässigen Kraftfluss zwischen Schneide und piezoelektrischem Sensor gewährleistet.According to a preferred variant, the sensor receiving element is screwed to the tool holder. In this way, a detachable connection can be established which ensures a reliable flow of force between the cutting edge and the piezoelectric sensor.
Ferner bevorzugt ist der mindestens eine piezoelektrische Sensor in einem Abstand d im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm zur Aufnahme für das Schneidteil angeordnet.Furthermore, the at least one piezoelectric sensor is preferably arranged at a distance d in the range from 0.1 mm to 2 mm for receiving the cutting part.
Gemäß einer vorteilhaften Variante umfasst der Werkzeughalter mehrere Aufnahmen für ein Schneidteil. Dabei ist jeweils (mindestens) ein piezoelektrischer Sensor an jedem Schneidteil angeordnet. So kann jedes Schneidteil unabhängig voneinander in Bezug auf den Verschleiß überwacht werden.According to an advantageous variant, the tool holder comprises several receptacles for a cutting part. In this case, (at least) one piezoelectric sensor is arranged on each cutting part. In this way, each cutting part can be monitored independently of one another with regard to wear.
Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Schneidteil, eine Wendeschneidplatte. Die Wendeschneidplatte hat mehrere Schneiden, die entsprechend der Positionierung der Wendeschneidplatte mit dem Werkstück in Eingriff gelangen. Die vorliegende Erfindung erlaubt die Überwachung der jeweiligen Schneiden, so dass ein rechtzeitiger Wechsel erfolgen kann.The at least one cutting part is advantageously an indexable insert. The indexable insert has several cutting edges which come into engagement with the workpiece in accordance with the positioning of the indexable insert. The present invention allows the respective cutting edges to be monitored so that a change can take place in good time.
Vorteilhafterweise umfasst der piezoelektrischen Sensor eine Piezokeramik. Die Piezokeramik umfasst zum Beispiel eine Blei-Zikonat-Titanat Schicht. Diese Materialschicht erlaubt eine zuverlässige Signalerzeugung der am Werkzeug auftretenden Beschleunigungen.The piezoelectric sensor advantageously comprises a piezoceramic. The piezoceramic comprises, for example, a lead-ciconate-titanate layer. This layer of material enables reliable signal generation for the accelerations occurring on the tool.
Besonders bevorzugt ist die Piezokeramik zwischen mindestens einem Elektrodenpaar angeordnet. Dabei kann die Piezokeramik als Schicht ausgebildet sein, die zwischen zwei schichtförmigen Elektroden angeordnet ist.The piezoceramic is particularly preferably arranged between at least one pair of electrodes. The piezoceramic can be designed as a layer which is arranged between two layer-shaped electrodes.
Vorteilhafterweise weist die Piezokeramik eine Dicke von 30 - 60 µm auf. Dabei kann eine schichtförmige Piezokeramik auf eine Elektrode aus Gold aufgebracht werden, auf der wiederum eine Elektrode aus Gold liegt.The piezoceramic advantageously has a thickness of 30-60 μm. A layered piezoceramic can be applied to an electrode made of gold, on which in turn an electrode made of gold lies.
Gemäß einem vorteilhaften technischen Aspekt umfasst das Werkzeug ferner eine Elektronikeinheit zur Erfassung des, von dem piezoelektrischen Sensor ausgegebenen elektrischen Signals. Die Elektronikeinheit kann dabei unmittelbar am Werkzeug angeordnet sein oder derart ausgebildet sein, um über die Werkzeugaufnahme elektrisch verbunden zu sein. Die Elektronikeinheit ist dabei derart ausgebildet, um eine von dem piezoelektrischen Sensor erzeugte Spannung zu verarbeiten.According to an advantageous technical aspect, the tool further comprises an electronics unit for detecting the electrical signal output by the piezoelectric sensor. The electronics unit can be arranged directly on the tool or be designed in such a way that it is electrically connected via the tool holder. The electronics unit is designed to process a voltage generated by the piezoelectric sensor.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt umfasst die Elektronikeinheit eine Sendeeinheit zum Senden eines von der Rechnereinheit bereitgestellten Mess-Signals.According to an advantageous aspect, the electronics unit comprises a transmission unit for transmitting a measurement signal provided by the computer unit.
Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Werkzeugs zur spanenden Bearbeitung während einer Bearbeitung eines Werkstücks, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- A) Bereitstellen eines mit dem Schneidwerkzeug zu bearbeitenden Werkstücks und eines Schneidwerkzeugs gemäß einem der vorangehenden Ansprüche;
- B) Bearbeiten des Werkstücks durch das Schneidwerkzeug;
- C) Kontinuierliche Erfassung eines von dem piezoelektrischen Sensor ausgegebenen elektrischen Signals während des Bearbeitens des Werkstücks;
- D) Bestimmung des Verschleißzustands des Schneidwerkzeugs durch Vergleich des erfassten elektrischen Signals, mit einem vorbestimmten Schwellwert.
- A) providing a workpiece to be machined with the cutting tool and a cutting tool according to one of the preceding claims;
- B) machining the workpiece by the cutting tool;
- C) Continuous detection of an electrical signal output by the piezoelectric sensor while the workpiece is being machined;
- D) Determination of the state of wear of the cutting tool by comparing the detected electrical signal with a predetermined threshold value.
Ein vorteilhafter Aspekt des Verfahrens sieht vor, dass das von dem piezoelektrischen Sensor ausgegebene elektrische Signal eine Wechselspannung umfasst.An advantageous aspect of the method provides that the electrical signal output by the piezoelectric sensor comprises an alternating voltage.
Gemäß einer Alternative ist vorgesehen, dass das von dem piezoelektrischen Sensor ausgegebene elektrische Signal eine Gleichspannung umfasst.According to an alternative, it is provided that the electrical signal output by the piezoelectric sensor comprises a direct voltage.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren gezeigten Beispiele erläutert. Gleiche Referenznummern betreffen die gleichen Teile in den Figuren.The invention is explained below with reference to the examples shown in the figures. The same reference numbers relate to the same parts in the figures.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Schneidwerkzeugs; und -
2 eine schematische Ansicht eines piezoelektrischen Sensors und einer Elektronikeinheit.
-
1 a schematic view of a cutting tool; and -
2 a schematic view of a piezoelectric sensor and an electronics unit.
In
Das Werkzeug
Am Werkzeughalter
Der piezoelektrische Sensor
Bei dem gezeigten Werkzeug
Dazu erfolgen die Verfahrensschritte:
- E) Bereitstellen eines
mit dem Werkzeug 1 zu bearbeitenden Werkstücks; - F) Spanende Bearbeitung des Werkstücks durch
das Werkzeug 1 ; - G) Kontinuierliche Erfassung eines von
dem piezoelektrischen Sensor 4 ausgegebenen elektrischen Signals während des Bearbeitens des Werkstücks; und - H) Bestimmung des Verschleißzustands des Werkzeugs
1 durch Vergleich des erfassten elektrischen Signals mit einem vorbestimmten Schwellwert.
- E) Providing one with the
tool 1 workpiece to be machined; - F) Machining of the workpiece by the
tool 1 ; - G) Continuous detection of one of the piezoelectric sensor
4th electrical signal output during machining of the workpiece; and - H) Determination of the state of wear of the
tool 1 by comparing the detected electrical signal with a predetermined threshold value.
Das von dem piezoelektrischen Sensor
In
Eine Elektronikeinheit
Dazu kann die Elektronikeinheit
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