DD222414A1

DD222414A1 - Verfahren zur verschleisserkennung an werkzeugen durch radioaktive markierung

Info

Publication number: DD222414A1
Application number: DD26061484A
Authority: DD
Inventors: Fredi Schubert; Horst Koenig; H-Joachim Linke; Rudi Simon; Sigurd Boehme; Werner Hess
Original assignee: Werkzeugind Forschzent
Priority date: 1984-03-06
Filing date: 1984-03-06
Publication date: 1985-05-15

Abstract

Das hauptsaechlichste Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Verschleisserkennung an spanabhebenden Werkzeugen in der bedienarmen Fertigung. Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, durch das eine quasikontinuierliche Verschleisserfassung mit beruehrungsloser Messtechnik moeglich ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren der Verschleisserkennung mit Hilfe einer radioaktiven Markierung im Bereich der Verschleisszone in seiner mess- und steuerungstechnischen Auswertungsmoeglichkeit zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass eine auf die Freiflaeche (1) und/oder Spanflaeche eines Werkzeuges aufgebrachte radioaktiv markierte Punktflaeche (2) mit D 0,02 mm durch die Verschleisseinwirkung abgetragen wird und die dabei abnehmende Radioaktivitaet messtechnisch zur quasikontinuierlichen Erfassung des Verschleisszustandes sowie zur Vorbestimmung des Zeitpunktes, an dem das Verschleissmaximum eintritt, ausgewertet wird. Fig. 1

Description

-A-

Titel der Erfindung

Verfahren zur Ye rs chi e ißer kennung an Werkzeugen durch, radioaktive Markierung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das hauptsächlichste Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Verschlelßerkennung und die quasikontinuierliche Ermittlung der Verschleißgröße an spanabhebenden Y/erkzeugen in der bedienarmen Fertigung zur Yorausbestimmung des Zeitpunktes für den Werkzeugwechsel. Außerdem kann das Verfahren auch zur Verschleißerkennung an Maschinenelementen eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen lösungen

Ein wesentliches Element der vollständigen Automatisierang von Produktionsabläufen in der spanabhebenden Fertigung stellt die Bereitstellung und Auswertung von Meßdaten über den Verschleißfortschritt und die Erkennung des Schneidenverbrauches dar, wofür neben mechanischen, pneumatischen, optischen, akustischen, elektrischen und anderen Prinzipien auch die Anwendung von Ba dionukli den genutzt wird. Bei den meisten bekannten Yerschieißmeßverfahreü kann der Verschleiß nur über indirekte Größen ermittelt werden· Dies bedeutet, daß die technologischen Kennwerte mehr oder weniger stark die Auswertung beeinflussen.

Der Vorteil der Anwendung von Badionukliden liegt in der Verschleißerkennung durch, die unmittelbare Auswertung der Geometrieänderung an der Werkzeugschneide und der meßtechnischen Erfassung des Yer- . sohle ißzus tan des.

Es ist zur Ermittlung des konkreten Yerschleißzustandes im Labor eine Methode der Gesamtaktivierung derSchneide bekannt(Popov, S.:Comparing Two methods for

_K . measuring tool wear, Nucleonics,Dez.1961), wobei aus

der Menge des in den Spänen enthaltenen radioaktiven Abriebs Rickschlüsse auf den'Verschleißzustand des Werkzeuges gezogen werden. Diese Methode ist jedoch wegen der hohen Strahlungsbelastung der Produktionsstätte und wegen des hohen Aufwandes an Meßeinrichtungen nicht für die praktische Anwendung geeignet. Eine andere Methode besteht darin, an dem Ort maximalen

, Werkzeugverschleißes eine radioaktive Markierung

kleinsten Durchmessers (ca. 20yum)> anzubringen, deren : . Verschwinden das Erreichen der gewählten Versohleiß-

marke slgnalisiert(Cook N.H·: Tool wear sensorjWear, Amsterdam, 1980/1, S· 49-57)*

" Hierbei ist es jedoch, nicht möglich, die Abnahme der Eadisaktivität in ihrer Kontinuität zu erfassen, um daraus Aussagen über den während der Bearbeitung aktuellen Verschleißzustand des Werkzeuges ableiten zu können.

/fS Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erf indung, die Nachteile der bekannten Verfahren zur Yerschleißerkennung an Werkzeugen zu beseitigen und ein Yerfahren zu entwickeln, durch das bei universeller Anwendbarkeit eine quasikontinuierliche Verschleißerfassung mit berührungsloser Meßtechnik möglich ist und der werkzeugspezifische Verschleißverlauf zur Vorausbestimmung des Zeitpunktes für den Werkzeugwechsel ausgewertet wird.

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.. .' Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren der Verschleißerkennung mit Hilfe einer

radioaktiven Markierung im Bereich der Yerschleißzone in seiner meß- und steuerungstechnisehen Auswertungsmöglichkeit zu verbessern·

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine auf die Freifläche und/oder Spanfläche eines Werkzeuges aufgebrachte radioaktiv markierte Punktfläche mit D> 0,02 mm durch die Yerschleißeinwirkung abgetragen wird und die dabei abnehmende Radioaktivität meßtechnisch, zur quasikontinuierlichen Erfassung des Verschleißzustandes sowie zur YorbeStimmung des Zeitpunktes, an dem das Yerschleißmaximum eintritt, ausgewertet wird.

Die zur Verfahrens durchführung erforderliche radioaktiv markierte Punktfläche mit einem definierten C) Durchmesser und einer definierten Lage kann elektroerosiv mittels eines radioaktiv, markierten Wolframdrahtes, der das durch eine Kurzzeitaktivierung im

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Beaktor mit einer Neutronenflußdichte von 10 n/cm «s hergestellte Wolframisotop 185 enthält, aufgebracht wird·

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die radioaktiv markierte Punktfläche durch Aufdrucken einer Paste mit radioaktiven Pulverteilchen und Einbrennen oder Einlegieren derselben aufzubringen. Die Lage der radioaktiv markierten Punktfläche in der YerschleiJSzone soll zweckmäßigerweise so sein, - daß die unterste Stelle der radioaktiv markierten Punktfläche dem geometrischen Ort des zulässigen Maximalversohleißes des Werkzeuges entspricht· Neben der normalerweise die Form einer Kreisfläche aufweisenden radioaktiven Earkierungsflache hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die punktförmige Markierungsfläche die Form eines Dreieckes hat, deren Grundfläche auf dem geometrischen Ort des zulässigen Maximalverschleißes liegt· Es ist auch möglich, die punktförmige Markierungsfläche durch mehrere rasterartig angeordnete Punkte zu bilden.

Eine vorteilhafte Methode der verfahrensgemäßen Auswertung des Yerschleißzustandes wird durch Anwendung * der Gesetze der Wahrscheinlichkeitsrechnung gemäß der

Poissonverteilung realisiert.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verschleißerkennung an rotierenden Werkzeugen mit einer oder mehreren Schneiden soll die Zuordnung des Meßsignales des Werkzeuges über einen inkrementalen Geber erfolgen

, ₍ Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Yerschieiß-

erkennung an Werkzeugen wird der Yersehleißzustand der Werkzeugschneide oder einer anderen auf Verschleiß beanspruchten Stelle während des Arbeitsprozesses berührungslos überwacht und das Erreichen des zulässigen Maximalverschleißes wird durch eine geeignete Auswertestrategie der Meßdaten signalisiert, um danach in der automatischen Produktion den notwendigen Werkzeug-O ' wechsel rechnergesteuert zu veranlassen. Hierzu,wird die auf Verschleiß beanspruchte Fläche des Werkzeuges mit'einem Eadionuklid markiert, wobei die Möglichkeit genutzt wird, daß bereits kleinste Mengen an radioaktiv markiertem Material auf Grund ihrer«C->^- oder /^•Strahlung mit den entsprechenden Strahlungsempfängern nachgewiesen werden können. Dabei.ist es möglich, den Verschleißnachweis weit unterhalb der Freigrenze der radioaktiven Strahlung zu führen, so daß auch beim linsatz größerer Stückzahlen von markierten Werkzeugen keinerlei Gefahr besteht. Der effektive Einsatz der Methode wird wesentlich be- ;_ stimmt durch die Art der Aufbringung des Eadionuklids Λ}: auf das Werkzeug. Is ist z.B. möglich, eine mit .radioaktiven Partikeln versehene Schicht auf die Ver- ' schleißflächen aufzudrucken oder einen oder mehrere radioaktive Punkte mit Hilfe eines radioaktiven Drahtes durch Kondensatorenentladung oder mit einer elektroerosiven Beschichtungstechnik aufzubringen bzw. einzudiffundieren. Zur kontinuierlichen bzw. quasikontinuierlichen Ermittlung des Verschleißfortschritts eignet sich ein Punktraster oder eine Punktfläche größeren Durchmessers. , .

/Im einfachsten Fall wird nur der Maximalverschleiß an der typischen Verschleißstelle durch einen Punkt markiert.

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Prinzipiell kann dabei zur Erreichung einer hohen Effektivität die Markierung der Werkzeuge automatisiert werden.

Auf Grund der Reichweite, der Wechselwirkung und des Nachweises eignen sich vorzugsweise ^-Strahler für die Industrielle Anwendung. Weiterhin müssen die chemischen und physikalischen Eigenschaften des NuklIds dem Anwendungsfall angepaßt sein. Die Lagerfähigkeit bzw. Einsatzbereitschaft des markierten Werkzeuges ist durch die Halbwertszeit des einzusetzenden Isotops bestimmt. Als sehr gut geeignet erweist sich das W-Isοtop 185 mit einer Halbwertszeit von 76 Tagen. Es läßt sich ebenfalls sehr kostengünstig mit Hilfe einer optimierten Kurzzeitbestrahlung im Beaktor bei

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einer Neutronenflußichte von 10 n/cm .s herstellen. Außer dem Wolfram-Isotop W-185 entstehen bei der Eurzzeitaktivierung das Wolfram-Isotop W-181(Halbwertszeit tya = 140 Tage) niedriger Aktivität und das Wolfram-Isotop W-187 geringer Halbwertszeit(t¹/2 = 24 h). Beide sind jedoch für diesen Anwendungszweck von untergeordneter Bedeutung.

Der Nachweis der Strahlung erfolgte durch einen getrifteten Si-Halbleiterdetektor. Der Einsatz dieser Detektoren ist wegen der geringen Baugröße besonders vorteilhaft zu realisieren.

Die Bestimmung des Verschleißes bzw. des Verschleißendes erfolgt auf der Grundlage der Abnahme der Flächen- S. aktivität in der funktioneilen Abhängigkeit z.B. zum Freiflächenverschleiß des Werkzeuges. Die Auswertung der Messung kann mit Hilfe eines Mikrorechners zeitoptimal erfolgen, außerdem kann gleichzeitig eine Fehlererkennung und -korrektur durchgeführt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeisp.iel näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: die. Vorderansicht eines radioaktiv markierten Werkzeuges in der Form eines Drehmeißels für die Metallbearbeitung;

Fig.'2: ein Anordnungsschema der für die Yerschleißerkennung erforderlichen Geräte;

Fig. 3: ein Diagramm des normierten Abfalles der Eadioaktivität "bei Verschleißfortschritt.

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Auf der Freifläche (1) der Werkzeugschneide des Werk- ' zeuges wurde mit Hilfe einer Positioniervorrichtung eine radioaktire Wolfram-Markierung durch ein elektroerosives Beschichtungsverfahren so aufgebracht, dai3 die ünterkante der radioaktiven Punktfläche (2) den Ort des maximal zulässigen Verschleißes Vp„ markiert. Dadurch wird es möglich, das Erreichen des Maximalverschleißes durch Nullnachweis der Markierung zu signalisieren. Die Dicke der aufgebrachten Schicht beträgt etwa 10/im, wobei sich durch die Elektroerosion eine Diffusionszone des Wolfram-Isotops W-185 im, Grundmaterial herausbildet, deren Tiefe jedoch geringer als-die aufgetragene Schichtdicke ist. Der Durchmesser D der Punktfläche kann Je nach Anwendungsfall durch die Wahl des aktivierten Drahtes festgelegt werden.£Für die Signalisierung nur des. MaximalverschleißesCStandzeitende) genügt eine Markierung sehr geringen DurchmessersJ. Um den Verschleißverlauf in seiner Kontinuität darzustellen, wurde der Markierungsdurchmesser auf D= 0,5 min festgelegt. Mit dem abgetragenen Verschleißvolumen an der Werkzeugschneide während der Bearbeitung wird auch die ' markierte radioaktive Punktfläche abgearbeitet. Dabei wurde ausgehend von der Mindestaktivität der Markierungsstellen die Verschleißentwicklung in definierten Schritten der VersGhIeißmarkenbreite nachgewiesen. Die erforderliche Meßzeit ist dabei abhängig von der Sicherheit der zu erbringenden Aussage und der Gesamtaktivität N₀ des aufgebrachten Punktes, sie beträgt

durchschnittlich weniger als 20 s., Die Gesamtaktivltat der Markierung lag dabei unter 10 Bq, also weit unterhalb der Freigrenze für W 185 mit 370 kBq. Zur Standzeitende-Erkennung wird der Nullnachweis der Strahlung der Markierungsstelle gegenüber der Hintergrundstrahlung ausgeführt. Die erforderliche Meßzeit für diesen Nachweis beträgt im allgemeinen 1 bis 10 s je nach Sicherheit der Aussage und der angewandten Aussagestrategie.

Die Erkennung des Verschleißmaximums und die Entwicklung des Verschleißfortschritts werden In einem Mikrorechnerprogramm kombiniert· Gleichzeitig kann durch eine Approximierung des Verschleißverlaufs die Stück-'" \ j zahl der jeweils noch zu fertigenden Teile bis zum Standzeitende berechnet werden·

Die Anordnung der für die Verschleißerkennung erforderlichen Geräte ist in Fig. 2 wiedergegeben. In den Bearbeitungspausen wird durch einen Befehl der NC-Maschine der Halbleiterdetektor auf Meßposition gefahren, per Abstand des Detektors vom Markierungspunkt des Werkzeugs soll 0,5 bis 2 mm betragen. Ist der Detektor auf Meßposition beginnt der Dialog des Mikrorechners mit dem Strahlungsmeßgerät. Nach der Auswertung des Verschlelßzustandes erfolgt über die Sensorsteuerung ein erneuter Start des NC-Programms der " ; Maschine oder die Siganllsätion des Verschleißendes. Die Problematik der Gewinnung einer sicheren Aussage zum aktuellen Verschleißzustand bzw. Erreichen des Maximalverschleißes resultiert aus dem stochastischen Charakter des radioaktiven Zerfallsprozesses. Es ist bekannt, daß die Anzahl der im radioaktiven Zerfallsprozess freigesetzten und von dem Detektor aufgefangenen Elektronen poissonverteilt ist.. Somit sind bei verwendeten Aktivitäten von weniger als. 10 Bq. die in einer Sekunde erfaßten'Meßergebnisse nicht reproduzierbar.

Die Höhe' der wirklich, vorhandenen Aktivität kann nur geschätzt werden. Der Fehler dieser Schätzung "bestimmt über den in. Fig, 3 dargestellten normierten Abfall der Aktivität bei Verschleißfortschritt die Genauigkeit der Erfassung des Verschleißzustandes. . Die Steuerung der Meßwerterfassung und die Verschleißbestimmung werden mit einem Kleinrechner realisiert, wobei schwerpunktmäßig folgende Probleme gelöst werden:

- Störungen durch Umwelteinflüsse werden erkannt und gehen nicht in die Messung ein.

- Solange weniger als der halbe aktive Punkt abgetragen ist, wird der Meßaufwand auf ein Minimum reduziert.

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- Nähert sich der Verschleiß der zulässigen Verschleißmarkenbreite, wird die Anzahl der Messungexi derart festgelegt, daß die geschätzte Aktivität bei vorgegebener Sicherheit in einem KonfidenzjLntervall liegt, das einen Auswertefehler des Verschleißzustandes von weniger als +0,05 mm gewährleistet.

- Zur Erkennung des Verschleißendes wird ein Hypothesentest zu folgendem Zweistichprobenproblem durchgeführt:

»Ist die ermittelte Aktivität gleich der Hintergrundstrahlung ?ⁿ

- Wird dieser Test zweimal hintereinander nicht abgelehnt, wird dies als Erreichen der zulässigen Yerschleißmarkenbreite interpretiert.

- Bei Ablehnung des Hypothesentests wird der Abstand vom Verschleißende angezeigt, weiterhin ist eine tendenzielle Vorausberechnung der noch bearbeitbaren Teile bis zum Erreichen der zulässigen Ver-

X schleißmarkenbreite möglich.

Claims

E rf in dungs anspru ehe

1. Verfahren zur Verschleißerkennung an Werkzeugen, insbesondere an der Werkzeugschneide von Zer-

spanungswerkzeugen, mit Hilfe einer radioaktiven Markierung im Bereich der Yerschleißzöne, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Freifläche (1) und/oder Spanfläche eines Werkzeuges aufgebrachte radioaktiv markierte Punktfläche (2) mit D>0,02 mm durch die Verschleißeinwirkung abgetragen wird und die dabei abnehmende Eadioaktivität meßtechnisch /-•v zur quasikontinuierlichen Erfassung des Verschleiß

zustandes sowie zur Yorbestimmung des Zeitpunktes, an dem das Verschleißmaximum eintritt, ausgewertet wird.
2. Verfahren zur Yerschleißerkennung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktiv markierte Punktfläche (2) mit einem definierten Durchmesser D und einer definierten Lage elektroerosiv mittels eines radioaktiv markierten 'tfolframdrahtes, der

das durch eine Kurzzeitaktivierung im Beaktor mit einer lieutronenflußdichte von 10'^ n/cm^.s hergestellte Wolframisotop 185 enthält, aufgebracht ^.. wird. - '
3. Yerfahren zur Verschleißerkennung nach den Punkten

1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktiv markierte Punktfläche (2) durch Aufdruck einer Paste mit radioaktiven Pulverteilchen und Einbrennen oder Einlegieren derselben aufgebracht wird.
4. Yerfahren zur Yerschleißerkennung nach den Punkten 1 bis 3,, dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Stelle der radioaktiv markierten Punktfläche (2)

' dem geometrischen Ort des zulässigen schleißes des Werkzeuges entspricht.
5._: Verfahren zur Verschleißerkennung Dach den Punkten 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die punktförmige Markierungsfläche die Form eines Dreieckes -hat, deren Gründfläche auf' dem geometrischen Ort des zulässigen Maximalverschleißes liegt.
6. Verfahren zur yerschleißerkennung nach den Punkten 1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die punktfö'rmige Markie rungs fläche aus mehreren rasterartig angeordneten Punkten gebildet ist.
7. Verfahren zur Yerschleißerkennung nach den Punkten

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung des Yerschleißzustandes durch Gesetze der Wahrscheinlichkeitsrechnung, gemäß der Poissonverteilung durch eine gerätetechnische Anordnung (Fig. 2) realisiert wird* " _
8. Yerfahren zur Yerschleißerkennung nach den Punkten

1 Isis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei rotierenden Werkzeugen mit einer oder mehreren Schneiden die Zuordnung des Meßsignals der Radioaktivität zum Drehwinkel des Werkzeuges über einen inkrementalen Geber erfolgt.

-Hierzu 2 Blatt Zeichnungen -