DD216401A1

DD216401A1 - Verfahren zur kontinuierlichen verschleisserfassung an spanabhebenden werkzeugen

Info

Publication number: DD216401A1
Application number: DD25267783A
Authority: DD
Inventors: Fredi Schubert; Horst Koenig; Peter Menz
Original assignee: Werkzeugindustrie Fz
Priority date: 1983-07-04
Filing date: 1983-07-04
Publication date: 1984-12-12

Abstract

Es ist das Ziel der Erfindung ein Verfahren zu entwickeln, das eine zeitguenstige Vorprogrammierung des Werkzeugwechsels ermoeglicht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde auf der Basis der bekannten Verfahren zur Verschleisserfassung an der Schneidkante spanabhebender Werkzeuge waehrend des Zerspanungsvorganges durch Messung des Waermestromwertes und durch elektrische Signalisierung bestimmter, von Leiterbahnen an der Freiflaeche der Werkzeugschneide markierter Verschleissmarkenbreiten eine von der Vorgabe von Werkstoffkonstanten und spanungstechnischen Parametern unabhaengige Verfahrenskombination zu entwickeln. Diese Aufgabe wird dadurch geloest, dass die lineare Abhaengigkeit des Waermestromwertes Delta Theta als Temperaturdifferenz an zwei Messpunkten des Schneidentraegers auf einem Temperaturgradienten von der Breite des Freiflaechenverschleisses VB durch eine erste Messung des Waermestromwertes Delta Theta tief 1 unmittelbar nach Beginn des Spanungsvorganges bei arbeitsscharfer Werkzeugschneide ohne Freiflaechenverschleiss VB und durch eine zweite Messung des Waermestromwertes Delta Theta tief 2 bei einer als Messgroesse signalisierten Breite des Freiflaechenverschleisses VB tief m als Grundlage fuer die kontinuierliche Anzeige der an der Werkzeugschneide vorhandenen Verschleissmarkenbreite VB und zur Vorbestimmung des Schneidverbrauches bei maximal zugelassenen Breite des Freiflaechenverschleisses VB tief zul. als Regelgroesse fuer den automatischen Werkzeugwechsel verwendet werden.

Description

Titel der Erf lndung

Verfahren zur kontinuierlichen Verschleißerfassung an spanabhebenden Werkzeugen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Verschleißerfassung an der Schneidkante spanabhebender Werkzeuge während, das heißt ohne Unterbrechung des SpanungsTorganges bei der Bearbeitung metallisoher oder nichtmetallischer Werkstoffe unter Anwendung der bekannten Verfahren zur Messung der Spanungstemperatur und der Signalisierung bestimmter, von.Leiterbahnen an der Freifläche der Werkzeugschneide markierter Verschleißmarkenbreiten, wobei der besondere Einsatzzweck dieses Verfahren die Überwachung des Verschleißfortschrittes an spanabhebenden Werkzeugen und die daron abhängige Steuerung des automatischen Werkzeugwechsels in der bedienarmen Fertigung

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind bereits Verfahren und Meßeinrichtungen bekannt, mit denen es möglich ist, den Verschleißzustand der Werkzeugschneide während des Bearbeitungsrorganges direkt oder indirekt zu messen und das Meßergebnis für die Steuerung des Werkzeugwechsels von spanabhebenden

Werkzeugen in automatischen Fertigungsanlagen durch Auswertesohaltungen oder rechnergestützt zu verarbeiten.

Eine direkte Meßmethode für den Versohleißfortsohritt ist in der DD-PS 90 870 beschrieben, bei der elekrische Widerstandssohichten mit definiertem ohmsohen Widerstand an der Freifläche der Werkzeugschneide auf einer Isolierschicht angebracht sind, die durch den Freifläch enve rs chle iß abgearbeitet werden, wobei die damit verbundene Änderung der Größe litres elektrischen Widerstandes einen Meßwert für die Größe der Verschleißmarkenbreite bildet.

Anstelle der Widerstandsschicht kann nach dieser Erfindung auch eine bandförmige Leitschicht auf eine Isolierschicht auf die Freifläche der Sohneidplatte aufgebracht werden, über die sich beim Eindringen der Verschleißmarke ein Kontakt ergibt, der einen Steuerstromkreis schließt. Die Messung der Verschleißmarkenbreite über die Widerstandsschichten 1st wegen den sehr kleinen Widerstandsänderungen ungenau und störanfällig· Die Signalisierung des Erreiohens der maximal zugelassenen Verschleißmarkenbreite durch ein Kontaktband unterhalb der Schneidkante liefert erst dann einen Steuerimpuls, wenn die Werkzeugschneide verbraucht 1st. Das wirkt sich nachteilig auf die Wechselzeit aus, weil die den Wechsel vorbereitenden Bewegungs- und Transportablaufe nicht in Überdeckung mit dem Bearbeitungsvorgang vor dem endgültigen Sohneidenverbrauch eingesteuert werden können, so daß sich dadurch der Werkzeugwechsel verzögert.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, parallel zur Schneidkante im Abstand von Verschleißstufen ebenfalls Isoliert auf der Freifläche mehrere Leiterbahnen in der

Art einer gedruckten Verdrahtung anzubringen. Mit solchen Leiterbahnen kann die zulässige Verschleißmarkenbreite bis dreimal unterteilt werden. Diese stufenweise Signalisierung eingetretener Verschlelßmarkenbrelten ist für eine vom Werkzeugverschleiß abhängige Steuerung des Werkzeugwechsels ηloht ausreichend genau, weil es mit dieser Methode nioht möglloh 1st, Fehler Infolge von zufälligen Einflüssen und Änderungen in den technologischen Bearbeitungsparameter In einer rechnergestützten Steuerung zu berücksichtigen.

Neben dieser direkten Methode der unmittelbar an der Werkzeugschneide erfolgenden Verschleißerfassung 1st duroh die DD-PS 109 820 ein Verfahren zur p?ozeßinternen Bestimmung der Verschleißgeschwindigkeit von Schneidwerkzeugen mit geometrisch definierter Sohneide beschrieben worden, bei dem die Bestimmung der Verschleißgeschwindigkeit und die Angabe des Schneidenverbrauohes von der Thermospannung des sich an der Werkzeugschneide beim Zerspannungsvorgang zwischen Werkzeug und Werkzeugstück bildenden Thermopaars abgeleitet wird. Dabei handelt es sich um eine thermoelektrische Messung der Schneidentemperatur, die unter der Bezeichnung Einmeißelverfahren bekannt ist. Wegen der durch verschiedene Faktoren beeinflußte Größe des thermoelektrischen Potentials an der Stelle des Schneidenkontaktes, wird nach Beginn der Werkstückbearbeitung durch eine direkte Messung der Breite des Freiflächenverschleißes die Zuordnung der zu einer bestimmten Versohleißmarkenbrelte gehörenden Thermospannung vorgenommen. Zum Zwecke der einfachen Messung der Breite des Frelfläohenverschleißes wird ein mit einer Meßschicht beschichtetes Werkzeug eingesetzt, das tait einem Meßkreis für die Einmeißel-Thermospannung und mit einem Signalkrels für die Meßsohlcht verbunden ist_s" der

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das Erreichen der festgelegten Verschielßmarkenfcreite signalisiert.

Unter Nutzung des zwischen der (Einmeißel)-Thermospannung und der Verschleißgesohwindigkeit an der Werkzeugschneide bestehenden Potenzgesetzes kann mit diesem Meßverfahren die Standzeit für das betreffende Werkzeug vorausbestimmt werden. Die wesentlichen Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß die Verschleiß-Zeit-Beziehung als linear vorausgesetzt wird, was dem tatsächlichen Zusammenhang widerspricht und daß eine Stoffkonstante für die Standzeit-Einmeißeltemperatur-Beziehung bekannt sein muß, deren Werte nur für spezielle Schneidet off-Merkst off-Paarungen vorliegen. Es wurde auch schon vorgeschlagen, die überwachung spanender Werkzeuge während des Eingriffs durch Temperaturmessung an mindestens zwei Stellen des Schneidplattenträgers» die auf einem Temperaturgradienten liegen, vorzunehmen und den damit gewonnenen Wärmestromwert in einer Steuereinheit bezüglich eines vom Verschleißzustand der Werkzeugschneide abhängigen automatischen Werkzeugwechsels auszuwerten. Durchgeführte Versuche zur Korrelation von Versohlelßmarkenbreite und Warmestromwert haben ergeben, daß für die Schrupp- und Schlichtbearbeitung innerhalb der zulässigen Verschleißbereiche ein nahezu linearer Zusammenhang besteht. Wird der Versuch bei denselben Bearbeitungsparametern mit einem neuen Werkzeug oder einer neuen Schneidplatte durchgeführt, ergeben sich Abweichungen in der Lage der Korrelationsgeraden im Verschleiß-Temperatur-Diagramm· Das bedeutet, daß das Standzeitende und der momentane Verschleißzustand mit diesem Verfahren nur ungenau bestimmt werden kann.

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Außerdem wäre ein kaum zu bewältigender Versuohsaufwand erforderlich., um für alle in der Praxis angewandten Varianten der technologischen Parameter und der Schneidstoff/Werkstoff Kombinationen sichere Aussagen über die Korrelation zwischen Wärmestrom und Breite des Freiflächenversohleißes an der Werkzeugschneide zu erhalten.

Ziel der Erfindung

Es 1st das Ziel der Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Verschleißerfassung an der Schneidkante spanabhebender Werkzeuge, insbesondere für Drehmeißel zu entwickeln, bei dem die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden, das eine hohe Anzeige- bzw. Signalgenauigkeit aufweist, eine zeitgünstige Vorprogrammierung des Werkzeugwechsels ermöglicht und keine Kenntnis spezifischer Stoffkonstanten der Schneidstoff-Werkstoffkombinationen er-

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fordert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde auf der Basis der bekannten Verfahren zur Verschleißerfassung an der Schneidkante spanabhebender Werkzeuge während des Zerspaimngsvorganges durch Messung des Wärmestromwertes und durch elektrische Signalisierung bestimmter, von Leiterbahnen an der Freifläche der Werkzeugschneide markierter Verschleißmarkenbreiten zu einer von der Vorgabe von Werkstoffkonstanten und spanungstechnischen Parametern unabhängigeVerfahrenskombinatlon zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die lineare Abhängigkeit des Wärmestromwertes als Temperaturdifferenz an zwei Meßpunkten des Schneidenträgers auf einem Temperaturgradienten von der Breite

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des Freiflächenverschleißes durch eine erste Messung des Wärmestromes unmittelbar nach Beginn des Spanungsvorganges bei arbeitssoharfer Werkzeugschneide ohne Freiflächenverschleiß und durch eine zweite Messung des Wärmestromwertes bei einer als Meßgröße signalisierten Breite des Freifläohenverschleißes als Grundlage für die kontinuierliche Anzeige der an der Werkzeugsohneide vorhandenen Versohlelßraarkenbrelte und zur Vorbestimmung des Sohneidenverbrauches bei der maximal zugelassenen Breite des Freiflächenverschleißes als Regelgröße für den automatischen Werkzeugwechsel verwendet werden.

Es ist zweckmäßig; daß der Wärmestromwert mit zwei im Werkzeugschaft in Richtung eines Temperaturgradienten hintereinander angeordneten Thermoelementen als Differenz deren Thermospanungspotentlale gemessen wird·

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrenskombination geht davon aus, daß die linearisierte Beziehung zwischen dem Wärmestrom und der Breite des Freiflächen-Verschleißes durch zwei Bestimmungspunkte auf die vorhandenen Einflußgrößen kalibriert bzw· an diese angepaßt werden muß. Hierzu werden zwei Bestimmungspunkte benötigt. Der erste Bestimmungspunkt der Verschleißgeraden ergibt sich beim Anschnitt mit dem arbeitsscharfen Werkzeug durch die Messung des Wärmestromwertes bei noch nicht ausgebildeter Versohleißmarke. Die Messung soll unmittelbar nach dem Eingriff der Werkzeugschneide, sobald sich im Schneidplattenträger ein Temperaturfeld aufgebaut hat, vorzugsweise innerhalb der ersten fünfzehn Sekunden der

Bearbeitungszeit vorgenommen werden.

überraschenderweise liefert diese frühe Messung sehr genaue Werte. Es wurde festgestellt, daß sich fast gleichzeitig mit dem Schneideneingriff ein deutliches Temperaturfeld im Schneidenträger ausbildet, das eine genaue Messung des Wärmestromwertes praktisch ab Beginn des Zerspanungs-vorganges ermöglicht. Der zweite Bestimmungspunkt der Verschleißgeraden wird durch den zu einer ganz bestimmten Breite des Freiflächenversohleißes gehörenden Wärmestromwert festgelegt, wobei die Breite des den Meßvorgang auslösenden Fre1-flächenversohleißes durch die isoliert auf der Freifläche aufgebrachten Leiterbahnen etwa in den mittleren Bereich der zulässigen Versohlelßmarkenbreite gelegt werden soll.

Die Leitbahnen liegen an einem Stromkreis, der bei Bindringen der Verschleißmarke In die Leiterbahn geschlossen wird und damit die Erfassung und Auswertung der Koordinaten des zweiten Bestimmungspunktes der Verschleißgeraden ausgelöst.

Durch die Ermittlung der beiden Bestimmungspunkte ist die Lage der Verschleißgeraden definiert und der an den Schneidkanten vorhandene Verschleißzustand bzw. die Breite des Freiflächenversohlelßes steht zu den Wärmestromwerten in einem direkt proportionalen Verhältnis, so daß in Abhängigkeit von der Größe des Wärmestromwertes der Werkzeugwechsel geregelt werden kann. Durch die erfindungsgemäße Kalibrierung werden die Abweichungen der Wärmestrom-Verschleiß-Korrelation infolge der Einwirkung zufälliger Einflüsse In die Auswertung einbezogen. Ein weiterer Vorteil dieser Kalibrierung besteht darin, daß das Verfahren zur Ver-

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keine speziellen Werkstoff- Sohneidstoff-Kombinat-Ionen sowie an keine bestimmte teoünologisolie Parameter gebunden ist und ohne Vorkenntnisse über 3toffkonstanten oder anderen Abhängigkelten universell sowohl für metallische als auch für nichtmetallische Werkstoffe eingesetzt werden kann. Das heue Verfahren zur Versohlelßerfassung ist außerdem in Verbindung mit Mikroprozessorsystemen geeignet) die Verschleißzustände an mehreren Werkzeugen gleichzeitig zu überwachen,

AusfUhrungsbelspiel

Die !Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur ,Verschleißerfassung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden· In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: Eine schematische Darstellung der Meßanordnung für die Ermittlung der Verschleißgeraden und zur kontinuierlichen Verschleißerfassung bei der Drehbearbeitung

Flg. 2: Bin Diagramm über die Abhängigkeit des Wärmestromwertes von der Breite des Frelfläohenverschlelßes mit der daraus resultierenden Verschleißgeraden.

Die In Flg. 1 schematisch dargestellte Meßanordnung für die Verschleißerfassung bei der Drehbearbeitung zeigt ein Drehwerkzeug 1 mit einer eingesetzten Wendeschneidplatte 2, deren Freifläche durch isoliert aufgebrachte Leiterbahnen 3 entsprechend den als Meßwerte vorgegebenen Breiten des Frelflächenvefschleißes VB (Verschleißmarkenbreite) strukturiert sind. In dem

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Werkzeugschaft 4 des Drehwerkzeuges sind zwei Thermoelemente 5 angeordnet, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Thermoelemente 5 auf einem Temperaturgradienten des von der Zerspanungswärme an der Werkzeugschneide ausgehenden Warmestrom.es liegen und voneinander einen Abstand haben. Mit den Thermoelementen 5 wird die Temperatur des Wärmestromes an zwei Stellen innerhalb eines Temperaturgradienten durch die temperaturabhängigen thermoelekttischen Potentiale erfaßt und die sich durch Temperaturunterschiede ergebende Potentialdifferenz als Wärmestromwert aTV» der Auswerteeinheit 6 zugeführt. Mit der Auswerteeinheit 6 sind ebenfalls die an den Freiflächen der Wendeschneidplatte 2 aufgebrachten Leiterbahnen 3 verbunden.

Das Vorgehen zur exakten Ermittlung der zwischen der Breite des Freiflächenverschleißes YB und dem Wärmestromwert δ $ ist aus dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm zu entnehmen/Mit dem Eingriff der arbeitsscharfen Werkzeugschneide der Wendeschneidplatte erhält man den Wärmewert A^ des ersten Bestimmungs-.'Punktes der Verschleißgeraden bei noch nicht vor* handenen Frelflächenverschlelß VB = 0· Über die auf die Freifläche der Wendeschneidplatte 2 aufgebrachte Leiterbahn 3 wird bei Erreichung der Breite VB_m des Freiflächenverschleißes der angelegte Stromkreis "ί. geschlossen und die Breite des Freiflächenverschleißes VB an die Auswerteeinheit 3 signalisiert und dort dem Wärmestromwert δό*₂ zugeordnet Somit kann nach der Vorschrift

die Beziehung'zwischen der Breite des'Freiflächenverschleißes VB und dem WärraestromwertΔΊΡaufgestellt werden.

E r f i η dungs a η a ρ r u c h

Verfahren zur kontinuierlichen Yerschleißerfassung an der Schneidkante spanabhebender Werkzeuge, insbesondere Drehmeißel während, das heißt ohne Unterbrechung des Spanungsvorganges bei der Bearbeitung metallischer oder nichtmetallischer Werkstoffe unter Anwendung bekannter Meßmittel zur Mes- , sung der Spaltungswärme und zur Signalisierung bestimmter, von Leiterbahnen an der Freifläche der Werkzeugschneide markierter Breiten des Freiflächenreraschle ißes, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Abhängigkeit des Wärmestromwert esa I^ als Temperaturdifferenz an zwei Meßpunkten des Schneidenträgers auf einem Temperaturgradienten von der Breite des Freiflächenverschleißes VB durch eine erste Messung des Wärmestromwertes Λ z9> ^ unmittelbar nach Beginn des Spanungsvorganges bei arbeitsscharfer Werkzeugschneide ohne Freiflächenverschleiß VB und durch eine zweite Messung des V/ärmestromwertes-d 2$ bei einer als Meßgröße signalisierten Breite des Freiflächenverschleißes VB_m als Grundlage für die kontinuierliche Anzeige der an der Werkzeugschneide vorhandenen Verschleißmarkenbreite VB und zur Vor~ bestimmung des Schneidverbrauches bei der maximal zugelassenen Breite des Freiflächenverschleißes VB_ZU, als Regelgröße für den automatischen Werkzeugwechsel verwendet werden. .

Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Y/ärmestromwert^i^mit zwei im Werkzeugschaft (4) in Richtung eines Temperaturgradienten hintereinander angeordneten Thermoelementen (5) als Differenz deren Thermospanungspotentiale gemessen wird.

Hierzu 1 SeHe Zeichnungen

Claims

Wird die als zulässig vorgegebene Breite des Freiflächen Verschleißes VB₂₁Q in diese Beziehung eingesetzt, erhält man den Wärmest romwert Δ. v* _{m v(}d.er als AVbruchsignal für den Zerspanungsvorgang mit der "betreffenden Werkzeugsohneide dient·