DD146501A1

DD146501A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR CHARACTERIZING THE TREATMENT PROCESS

Info

Publication number: DD146501A1
Application number: DD79216197A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Meyer; Juergen Herberger; Margit Woezel; Roland Seidelt
Original assignee: Wolfgang Meyer; Juergen Herberger; Margit Woezel; Roland Seidelt
Priority date: 1979-10-12
Filing date: 1979-10-12
Publication date: 1981-02-11
Also published as: DD146501B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gesicherten Anzeige von Abweichungen von normalen Spanungsprozessen, wie raschem Verschleiszfortschritt, Schneidenausbruechen und Wirrspanbildung mittels Schallemissionsanalyse waehrend der Bearbeitung. Sie ist in allen Bereichen der spanenden Fertigung anwendbar. Die aufgenommenen, in analoge elektrische Signale umgewandelten Signale der akustischen Emission werden verstaerkt und gleichgerichtet und mit Sollwerten verglichen. Erfindungsgemaesz werden die bei UEberschreitung eines ersten Sollwertes angezeigten Abweichungen vom normalen Spanungsprozesz nur dann als real gewertet, wenn ein zweiter Sollwert, der in einer Vorversuchsphase ermittelt wird und einsetzende Materialveraenderungen infolge des Bearbeitungsvorganges anzeigt, nicht ueberschritten wird.{Schallemissionsanalyse; Emission akustisch; Spanungsprozesz; Fertigung spanend; Verschleisz; Schneidenausbruch; Wirrspanbildung; Materialveraenderungen}The invention relates to a method for the reliable indication of deviations from normal stress processes, such as rapid wear progress, cutting edge breakout and tangled chip formation by means of acoustic emission analysis during machining. It is applicable in all areas of machining. The recorded, converted into analog electrical signals acoustic emission signals are amplified and rectified and compared with setpoints. According to the invention, the deviations from the normal voltage process that are displayed when exceeding a first setpoint value are only considered real if a second setpoint value, which is determined in a preliminary test phase and indicates incipient material changes as a result of the machining process, is not exceeded. Emission acoustically; Spanungsprozesz; Manufacturing machining; Verschleisz; Cutting outbreak; Snarl chip formation; Material Vera end stanchions}

Description

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Verfahren und .Anordnung zur Charakterisierung des SpanungsprozessesMethod and device for characterizing the chip process

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung des Spanungsprozesses hinsichtlich Materialveränderungen an der bearbeiteten Werkstückoberfläche, hervorgerufen z.B. durch Phasenumwandlungen, wie Martensitbildung, und hinsichtlich Abweichungen vom normalen Prozeßverlauf mittels Analyse des v/ährend der Bearbeitung entstehenden hochfrequenten Körperschalls am Werkzeug und/ oder am Werkstück sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren ist in allen Bereichen der spanenden Fertigung anwendbar.The invention relates to a method for characterizing the cutting process with regard to material changes on the machined workpiece surface, caused e.g. by phase transformations, such as martensite formation, and deviations from the normal course of the process by means of analysis of the high-frequency structure-borne noise arising on machining on the tool and / or on the workpiece and an arrangement for carrying out the method. The method is applicable in all areas of machining.

Charakterisierung der bekannten technischen LösungenCharacterization of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß sich eine Materialveränderung, z.B. bestimmte Phasenumwandlungen, mittels Analyse der Signale der Schallemission nachweisen läßt. In der DE OS 2125426 und SUPS 512 027 sind weiterhin Verfahren zur Überwachung spanabhebender Werkzeuge an Bearbeitungsmaschinen beschrieben, die auf der Ermittlung des in Abhängigkeit vom Abnutzungsgrad des V/erkzeuges abgegebenen Körperschalls beruhen. Fernerhin sind Versuchsergebnisse bekannt geworden_s Signale der Schallemission zur Untersuchung des Bearbeitungsprozesses, insbesondere Drehen,It is known that a change in the material, for example certain phase transformations, can be detected by analyzing the signals of the sound emission. Furthermore, DE OS 2125426 and SUPS 512 027 describe methods for monitoring cutting tools on processing machines, which are based on the determination of the structure-borne noise emitted as a function of the degree of wear of the tool. Furthermore, experimental results have become known _s acoustic emission signals for investigating the machining process, in particular turning,

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nutzbar zu machen, wobei auch hier die Ermittlung des Werkzeugverschleißes im Vordergrund steht. Diesen bekannten technischen Lösungen haftet der Mangel an, daß auftretende Materialveränderungen in der Werkstückoberfläche, die beträchtlichen Einfluß auf die Gebrauchseigenschaften der Werkstücke besitzen können, während der Bearbeitung nicht erfaßt werden können.usable, whereby the determination of the tool wear is also in the foreground here. These known technical solutions are liable to the defect that occurring material changes in the workpiece surface, which can have a considerable influence on the performance characteristics of the workpieces during processing can not be detected.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung hat das Ziel, ausgehend von der bekannten Tatsache, daß Materialveränderungen, ζ·Β» durch Phasen-Umwandlungen, mit einer Aussendung hochfrequenter, akustischer Signale verbunden sind und daß diese Signale maßgeblich von Deformations- und Reibungsvorgängen bei der Spanbildung mitbestimmt werden, mittels der Methode der Schallemissionsanalyse mit geringem meßtechnischen Aufwand Materialveränderungen in der bearbeiteten Oberfläche während der Bearbeitung zu erkennen und damit ,Maßnahmen zur Vermeidung unerwünschter bzw· zur Herbeiführung bestimmter, erwünschter Materialveränderungen einzuleiten sowie Abweichungen vom normalen Prozeßverlauf zu erfassen und entsprechende Gegenmaßnahmen zu veranlassen·The invention has the object, based on the known fact that material changes, verbunden · Β »are connected by phase transformations, with a transmission of high-frequency acoustic signals and that these signals are largely co-determined by deformation and friction processes during chip formation, means the method of acoustic emission analysis with little effort metrological to detect material changes in the machined surface during processing and thus to initiate measures to avoid unwanted or to bring about certain desired material changes and to detect deviations from the normal course of the process and to take appropriate countermeasures

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung der Erkenntnisse, daß Materialveränderungen, ζ·Β, durch Phasenumwandlungen, mit der Aussendung hochfrequenter akustischer Signale verbunden sind und diese Materialveränderungen bei einer Reihe von Werkstoffen und unter, bestimmten Bearbeitungsbedingungen an der Oberfläche spanend bearbeiteter Werkstücke auftreten,The invention is based on the object, using the knowledge that material changes, durch · Β are connected by phase transformations, with the emission of high-frequency acoustic signals and these material changes in a number of materials and under certain conditions on the surface machined workpieces occur .

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ein Meßverfahren zu entwickeln, das einerseits als Nachweis zur Vermeidung bzw. zur gezielten Herbeiführung von MaterialVeränderungen, z.B. Phasenumwandlungen, an der Werkstückoberfläche während der Bearbeitung dient und andererseits die Kontrolle des Bearbeitungsprozesses hinsichtlich unerwünschter Abweichungen vom normalen Verlauf ermöglicht sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.to develop a measuring method which, on the one hand, serves as proof for avoiding or specifically inducing material changes, e.g. Phase transformations, on the workpiece surface during processing serves and on the other hand, the control of the machining process with respect to undesirable deviations from the normal course allows and to provide an arrangement for carrying out the method.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Charakterisierung des Spanungsprozesses mittels Analyse der hochfrequenten Körperschallsignale dadurch gelöst, daß sowohl die während des SpanungsVorganges auftretenden MaterialVeränderungen, z. B. Phasenumwandlungen an der bearbeiteten Werkstückoberfläche, als auch die auftretenden Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß mittels eines üblichen Aufnehmers für Signale der akustischen Emission erfaßt und die durch den Bearbeitungsprozeß erzeugten hochfrequenten elastischen Wellen, vorzugsweise im Ultraschallbereich, in analoge elektrische Signale umgewandelt werden. Diese elektrischen Signale werden nach Verstärkung, Filterung und Gleichrichtung derart verarbeitet, daß das Überschreiten eines ersten Vergleichswertes signalisiert und entsprechende neue Bearbeitungsparameter an der Maschine eingestellt werden, die eine Materialveränderung an der Werkstückoberfläche vermeiden oder andererseits herbeiführen bzw. daß das Überschreiten eines zweiten Vergleichswertes nach Signalisierung ebenfalls zum weiteren Eingriff in die Steuereinrichtung der Werkzeugmaschine führt, so daß bei Abweichungen vom normalen Prozeßverlauf, wie rascher Verschleißfortschritt , Schneidenausbrüche, Wirrspanbildung, in geeigneter Weise Steuerbefehle an die Werkzeugmaschine ausgelöst werden.This object is achieved by a method for characterizing the chip process by analyzing the high-frequency structure-borne sound signals in that both the material changes occurring during the SpanungsVorganges, z. B. phase transformations on the machined workpiece surface, as well as the occurring deviations from normal Spanungsprozeß detected by a conventional transducer for acoustic emission signals and the high-frequency elastic waves generated by the machining process, preferably in the ultrasonic range, are converted into analog electrical signals. These electrical signals are processed after amplification, filtering and rectification such that the exceeding of a first comparison value signaled and corresponding new processing parameters are set on the machine, which avoid a material change on the workpiece surface or on the other hand cause or exceeding a second comparison value after signaling also leads to further intervention in the control device of the machine tool, so that in case of deviations from the normal course of the process, such as rapid wear progress, cutting outbreaks, chine formation, control commands are triggered in a suitable manner to the machine tool.

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Entsprechend der dargestellten Wirkungsweise besteht die Anordnung im wesentlichen aus einem am Werkzeug oder am Werkstück angebrachten Aufnehmer für Signale der akustischen Emission und Wandler in elektrische Signale, einem Verstärker, der gleichzeitig als Bandpaß wirkt, einem Gleichrichter, einem Mikroprozessor zur Errechnung eines Momentanwertes und zum Vergleich mit einem Sollwert sowie einer Signalisier- und Steuereinrichtung zur Einstellung entsprechend neuer Bearbeitungsparameter· Eine weitere Signalisier- und Steuereinrichtung, die direkt an den Gleichrichter angeschlossen ist, zeigt die Überschreitung eines zweiten Vergleichswertes an und löst ebenfalls in geeigneter Weise Steuerbefehle an die Werkzeugmaschine aus.According to the illustrated operation, the arrangement consists essentially of an attached to the tool or the workpiece transducer for acoustic emission signals and converters into electrical signals, an amplifier, which acts as a bandpass, a rectifier, a microprocessor for calculating an instantaneous value and for comparison A further signaling and control device, which is connected directly to the rectifier, indicates the exceeding of a second comparison value and also triggers control commands to the machine tool in a suitable manner.

Ausführungsbeispielembodiment

Die oben dargelegte Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The above-described invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

An der Schaftseite eines Dreiameißels 2 oder an dem Werkstück 1 ist ein piezoelektrischer Aufnehmer 3 für Signale der akustischen Emission angebracht, der die im Spanungsprozeß erzeugten, hochfrequenten elastischen Wellen in ein analoges elektrisches Signal umwandelt· Letzteres wird über einen Verstärker 4» der gleichzeitig als Bandpaß, vorzugsweise im Bereich von 5 kHz bis 1 MHz wirkt, um niederfrequente mechanische Störeinflüsse zu eliminieren, einem Gleichrichter 5 zugeführt· Das Ausgangssignal des Gleichrichters 5 wird über eine Auswerteeinheit, z.B. einen Mikroprozessor 6, dem bestimmte Bearbeitungsbedingungen eingegeben sind, geleitet, wobei ein Momentanwert gebildet wird und ein ständiger Vergleich mit einem Grenzwert für das Einsetzen von Materialveränderungen, ζ.Β« Phasemimwandlungen, erfolgt. Durch eine Signalisier-bzw· Steuereinrichtung 7On the shaft side of a three-chisel 2 or on the workpiece 1, a piezoelectric transducer 3 is mounted for acoustic emission signals, which converts the high-frequency elastic waves generated in the voltage process into an analog electrical signal · The latter is an amplifier 4 »at the same time as a bandpass , preferably in the range of 5 kHz to 1 MHz acts to eliminate low-frequency mechanical interference, fed to a rectifier 5. The output signal of the rectifier 5 is connected via an evaluation unit, eg a microprocessor 6, the particular processing conditions are entered passed, wherein an instantaneous value is formed and a constant comparison with a limit for the onset of material changes, erfolgt.Β "Phase transformations done. By a signaling or control device 7

werden diejenigen Bearbeitungsparameter eingestellt, die eine Materialveränderung, z. B. infolge Phasenumwandlung, an der bearbeiteten Werkstückoberfläche vermeiden bzw. gezielt herbeiführen.those processing parameters are set that a material change, for. B. due to phase transformation, avoid or specifically bring about the machined workpiece surface.

Das Ausgangssignal d.es Gleichrichters wird bei Überschreiten eines zweiten Vergleichswertes einer zweiten Signalisierbzw. Steuereinrichtung 8 zugeführt, so daß Abweichungen vom normalen Prozeßverlauf erkannt und geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.The output signal d.es rectifier is exceeded when a second comparison value of a second Signalierierbzw. Control device 8 supplied so that deviations from the normal course of the process detected and appropriate countermeasures can be initiated.

Das Verfahren zur Charakterisierung des Spanungsprozesses mit Hilfe der Analyse des durch Materialveränderungen·, Deformationsund Reibungsvorgänge hervorgerufenen hochfrequenten Körperschalls wird wie folgt durchgeführt: Durch die beim Spanen an der bearbeiteten V/erkstückoberfläche auftretenden MaterialVeränderungen und auftretende Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß, ζ. B. Schneidenausbrüche, Wirrspanbildung, rascher Verschleißfortschritt, verändern sich die bei der Bearbeitung erzeugten hochfrequenten Schwingungen (Ultraschallbereich) in charakteristischer Weise, die mittels eines üblichen Aufnehmers für Signale der akustischen Emission in analoge elektrische Signale umgewandelt werden. Nach Verstärkung dieser Signale, Filterung und Gleichrichtung wird. der erhaltene Momentanwert nach Umrechnung mit einem ersten Vergleichswert verglichen. Das Überschreiten dieses ersten Vergleichsv/ertes wird signalisiert, so daß entsprechende neue Bearbeitungsparameter an der Werkzeugmaschine eingestellt werden können, die beispielsweise weitere MaterialVeränderungen, z. B. Phasenumwandlungen, an der Werkstückoberfläche vermeiden, Zum Erkennen anderer Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß, z. B. des raschen Verschleißfortschritts, werden die nach der Gleichrichtung erhaltenen Momentanwerte mit einem zweiten Vergleichswert verglichen. Das Überschreiten dieses zweiten Vergleichswertes wird, ebenfalls signalisiert und kann weitere Steuerbefehle an die Steuerung der Werkzeugmaschine auslösen. .The procedure for characterizing the stressing process by means of the analysis of the high-frequency structure-borne noise caused by material changes, deformation and friction processes is carried out as follows: by the material changes occurring during machining on the machined workpiece surface and deviations from the normal stressing process, ζ. As cutting outbreaks, undulatory, rapid wear progress, the generated during processing high-frequency vibrations (ultrasonic range) change in a characteristic manner, which are converted by means of a conventional transducer for acoustic emission signals in analog electrical signals. After amplification of these signals, filtering and rectification will be. the instantaneous value obtained is compared after conversion with a first comparison value. The exceeding of this first comparison value is signaled, so that corresponding new processing parameters can be set on the machine tool, which, for example, permits further material changes, for example. B. phase transformations, avoid on the workpiece surface, To detect other deviations from the normal stress process, z. As the rapid wear progress, the obtained after rectification instantaneous values are compared with a second comparison value. The exceeding of this second comparison value is also signaled and can trigger further control commands to the control of the machine tool. ,

Claims

- «- 216197 claim for invention

1. A method for characterizing the chip process by analyzing the high-frequency ICdrperschalls generated during processing using the knowledge that on the one hand material changes associated with the emission of high-frequency acoustic signals and these material changes occur in a number of materials under certain processing conditions on the surface of machined workpieces, On the other hand, there is a dependency between the degree of wear of the tool and the structure-borne noise signals emitted by it, characterized in that both the material change occurring during the stressing process, eg phase transformation, on the machined workpiece surface, and the deviations from the normal stressing process by means of a known transducer detected for acoustic emission signals and converted into analogue

* see converted signals, then amplified and rectified and the output signal is processed so that by constant comparison with a predetermined setpoint by the control device of the machine that! Processing conditions are set to avoid or bring about a material change on the surface of the workpiece and that the Exceeding a second comparison value after signaling also leads to further intervention in the control device of the machine tool, so that in case of deviations from the normal course of the process, such as rapid wear progress, cutting outbreaks, chipping, control commands are triggered in a suitable manner to the machine tool.

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2. Arrangement for carrying out the method according to item 1, characterized in that it consists essentially of a on the tool (2) or on the workpiece (1) mounted transducer (3) for signals of the acoustic emission and converters into electrical signals, an amplifier ( 4) »which simultaneously acts as a bandpass filter, a rectifier (5), a microprocessor (6) for calculating an instantaneous value and for comparison with a desired value and a signaling and control device (7) for setting new machining parameters.

2 _# 1. Arrangement according to item 2, characterized in that for detecting the deviations from the normal process when exceeding a further comparison value, a further signaling and control device (8) is connected directly to the rectifier (5).

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