DE10006727A1 - Device for temperature measurement during machining process has channel in machining plate support feeding heat from temperature measurement point to temperature measurement device - Google Patents
Device for temperature measurement during machining process has channel in machining plate support feeding heat from temperature measurement point to temperature measurement deviceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturmessung während des Arbeitsprozesses von spanabhebenden Werkzeugen gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 5. Eine Vorrichtung zur Temperaturmessung während des Arbeitsprozesses von spanabhebenden Werkzeugen ist bereits aus DE 42 33 035 C1 bekannt.The invention relates to a device and a method for temperature measurement during the working process of cutting tools according to the generic term of claims 1 and 5. A device for temperature measurement during the Working process of cutting tools is already from DE 42 33 035 C1 known.
Während eines Zerspanungsprozesses entstehen in der Wirkzone hohe mechanische und thermische Beanspruchungen im Werkstück, die durch die örtlichen und zeitlichen Kräfte- und Temperaturverteilungen gekennzeichnet sind. Die dadurch erzeugten Eigenspannungen und Gefügeänderungen in den bearbeitungsnahen Bereichen des Werkstückes sind maßgebend für dessen Betriebsfestigkeit und Lebensdauer.During the machining process, high mechanical levels are created in the effective zone and thermal stresses in the workpiece caused by the local and temporal Force and temperature distributions are marked. The generated thereby Internal stresses and structural changes in the machining-related areas of the Workpiece are decisive for its operational stability and service life.
Die Temperaturmessung während des Arbeitsprozesses ist deshalb besonders inter essant sowohl zur Optimierung des Arbeitsprozesses selbst und des Werkzeuges als auch zur in situ Überwachung der Werkstückbeanspruchung. The temperature measurement during the work process is therefore particularly inter essential for optimizing the work process itself and the tool also for in situ monitoring of workpiece stress.
In der DE 42 33 035 C1 wird vorgeschlagen, in das spanabhebende Werkzeug, genauer in die Spanplatte des Werkzeuges, einen Kanal einzubringen, durch den eine Beo bachtung der Wirkzone ermöglicht wird. Dieser Vorschlag ist anwendbar, er führt jedoch in der Praxis der Prozeß- und Werkzeugoptimierung zu langen Versuchszeiten aufgrund der aufwendigen Herstellung der Spanplatten mit Kanal. Außerdem bewirkt der Einbau des Kanals eine erhöhte Verschleißanfälligkeit. Die Anwendung dieses Vorschlags in der Produktion zur in situ Überwachung der Werkstückbeanspruchung scheitert gänzlich an der aufwendigen Herstellung der Spanplatten mit Kanal.DE 42 33 035 C1 proposes more precisely in the cutting tool in the chipboard of the tool to insert a channel through which a Beo observation of the effective zone is made possible. This proposal is applicable, it leads however in the practice of process and tool optimization at long trial times due to the elaborate production of the chipboard with channel. It also causes the installation of the duct increased susceptibility to wear. The application of this Suggestions in production for in situ monitoring of workpiece stress fails entirely due to the elaborate production of the chipboard with channel.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, das Ausmaß an auf wendigen Sonderanfertigungen für eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperatur messung während des Arbeitsprozesses von spanabhebenden Werkzeugen auf ein minimal notwendiges Maß zu beschränken.The object of the present invention is therefore to determine the extent of agile custom-made products for a device and a method for temperature measurement during the work process from cutting tools to one to limit the minimum necessary measure.
Die Erfindung ist in Bezug auf die zu schaffende Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus gestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Patentan sprüche 2 bis 4) sowie das zu schaffende Verfahren (Patentanspruch 5). Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens enthalten die Patentansprüche 6 und 7.The invention is related to the device to be created by the features of Claim 1 reproduced. The other claims contain advantageous Aus designs and developments of the device according to the invention (Patentan Proverbs 2 to 4) and the process to be created (claim 5). Beneficial Further developments of the method according to the invention are contained in patent claims 6 and 7.
Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein handelsübliches spanabhebendes Werkzeug enthaltend eine Spanplatte und eine Spanplattenunterlage derart modifiziert wird, daß ein Kanal in die Spanplatten unterlage eingebracht wird, durch den eine Beobachtung der Temperaturmeßstelle ermöglicht wird.The object is achieved according to the invention in relation to the device to be created solved that a commercially available cutting tool containing a chipboard and a chipboard base is modified so that a channel in the chipboard Document is introduced through which an observation of the temperature measuring point is made possible.
Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der in DE 42 33 035 vorgeschlagenen besteht darin, daß die Spanplattenunterlagen im Vergleich zu den Spanplatten nur sehr selten ausgetauscht werden müssen. Der aufwendige Herstellunsprozeß ist deshalb tolerierbar. Es können handelsübliche, einfach und kostengünstig herzustellende und verschleißarme Spanplatten eingesetzt werden und die in der Praxis nicht zu tolerierenden langen Ausfallzeiten der Werkzeuge entfallen. Der Austausch der handelsüblichen Spanplatten wird durch die Vorrichtung nicht beeinträchtigt. Das Werkzeug selber muß nicht modifiziert werden.The great advantage of the device according to the invention over that in DE 42 33 035 Proposed is that the particle board is compared to the Chipboard only needs to be replaced very rarely. The elaborate Manufacturing process is therefore tolerable. It can be commercially available, simple and low-cost and low-wear chipboard can be used and the long downtimes of the tools, which cannot be tolerated in practice, are eliminated. The device does not replace the commercial chipboard impaired. The tool itself does not have to be modified.
Wesentlich hierbei ist, daß die Temperaturmessung an einer Position unterhalb der Spanplatte im Vergleich zu einer Messung gemäß dem Vorschlag aus der DE 42 33 035 im Bereich der Spanplatte nicht zu einer signifikanten Verfälschung der Meßwerte führt. Dies wurde jedoch durch eigene Messungen und mittels Simulationsrechnungen bestätigt. Die für die Werkstückbeanspruchung relevanten Temperaturgradienten erstrecken sich gemäß dieser experimentellen und theoretischen Untersuchungen (vgl. Liu, Dörr, Walter, Analytical Thermal Modelling and Simulation of the Cutting Process for Hard Machinable Materials, 15th IMACS World Congress, Berlin, August 1997) im Bereich von wenigen Mikrometren nahe der Wirkzone. Es ist daher unerheblich, ob erfindungsgemäß im Abstand von wenigen Millimetern oder gemäß der DE 42 33 035 im Abstand von einigen Zehntel Millimetern gemessen wird. Wesentlich ist allein, die Beachtung dieses Entfernungszusammenhanges und ein korrekte Berechnung der tatsächlichen Temperaturverteilung in der Wirkzone. Die Berechnung ergibt sich aus der Wärmetransporttheorie.It is essential here that the temperature measurement at a position below the chipboard does not lead to a significant falsification of the measured values in comparison with a measurement according to the proposal from DE 42 33 035 in the area of the chipboard. However, this was confirmed by our own measurements and by means of simulation calculations. Relevant to the work load temperature gradient extending according to this experimental and theoretical studies (see, Liu, dried, Walter, Analytical Thermal Modeling and Simulation of the Cutting Process for Hard machinable materials, 15 th IMACS World Congress, Berlin, August 1997) in the field of a few micrometers near the effective zone. It is therefore irrelevant whether measurements are made at intervals of a few millimeters according to the invention or at intervals of a few tenths of a millimeter according to DE 42 33 035. The only thing that is important is to observe this distance relationship and correctly calculate the actual temperature distribution in the effective zone. The calculation results from the heat transfer theory.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in dem Kanal ein Bildleiter angeordnet, zur Weiterleitung der werkstückseitig in den Kanal ein tretenden Wärmestrahlung in Richtung auf die Temperaturmeßeinrichtung, wobei der Bildleiter aus mindestens zwei einzelnen Signalleitern aufgebaut ist.In an advantageous embodiment of the device according to the invention is in the Channel an image guide arranged to forward the workpiece side into the channel occurring heat radiation towards the temperature measuring device, the Image conductor is made up of at least two individual signal conductors.
Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der Möglichkeit so mehrere - mindestens zwei - Temperaturwerte erfassen zu können. Im Gegensatz dazu ist bei der Messung direkt durch den Kanal oder durch einen einzelnen massiven Lichtleiter in Folge von Reflexion an den Wänden nur ein einziger integrierter Temperaturwert zu erfassen. The advantage of this embodiment is the possibility of several - to be able to record at least two temperature values. In contrast, the Measurement directly through the channel or through a single solid light guide As a result of reflection on the walls, only a single integrated temperature value to capture.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Kanal werkstückseitig eine Blende auf. Diese Blende dient einerseits dem mechanischen Schutz des Bildleiters, z. B. vor Spänen, und andererseits als Apertur für die von der Temperaturmeßstelle ausgesandte Wärmestahlung. Bei massiven Signal leitern, die im fernen IR-Bereich transparent sind, ist eine solche Apertur infolge hoher Brechungsindizes vonnöten, da sonst die gemessenen Temperaturwerte nicht mehr geometrisch aufgelöst werden können. Die Blende besitzt Bohrungen, die so positio niert sind, daß die Signalübertragung an die einzelnen Signalleiter des Bildleiters erfolgen kann.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention the duct has an aperture on the workpiece side. This aperture serves the one hand mechanical protection of the image conductor, e.g. B. from chips, and on the other hand as an aperture for the heat radiation emitted by the temperature measuring point. With massive signal Conductors that are transparent in the far IR range, such an aperture is due to higher Refractive indices are required, otherwise the measured temperature values will no longer be can be resolved geometrically. The aperture has holes that are so positive are niert that the signal transmission to the individual signal conductor of the image conductor can be done.
Vorteilhaft ist zusätzlich vor dieser Blende eine IR-durchlässige Scheibe angeordnet. Diese Scheibe verhindert das Eindringen von Feinspänen in die Blende. Besonders vor teilhaft ist sie bei der Verwendung von Kühlschmierstoffen während des Zerspanungs prozesses, da sie verhindert, daß Kühlschmierstoff die Blende verstopft oder auf den Bildleiter trifft.In addition, an IR-permeable pane is advantageously arranged in front of this diaphragm. This disc prevents fine chips from entering the screen. Especially before It is a part of the use of cooling lubricants during machining process, since it prevents cooling lubricant from clogging the orifice plate Image guide meets.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält die Temperaturmeßeinrichtung eine Thermokamera. Der Vorteil dieser Aus führungsform gegenüber beispielsweise einem Pyrometer zur Ermittlung eines einzelnen Temperaturwertes besteht darin, daß so Temperaturverteilungen erfaßt werden können.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention the temperature measuring device contains a thermal camera. The advantage of this out example compared to a pyrometer for determining a individual temperature value is that temperature distributions are recorded can be.
Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur Temperaturmessung während des Arbeitsprozesses von spanabhebenden Werkzeugen mittels einer Temper aturmeßeinrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das spanabhebende Werk zeug eine Spanplatte und eine Spanplattenunterlage aufweist, wobei die Spanplatten unterlage einen Kanal aufweist, der eine zu einer Temperaturmeßstelle hin gerichtete Öffnung besitzt, und, daß die von der Temperaturmeßstelle ausgehende Wärme strahlung durch den Kanal zumindest mittelbar weitergeleitet wird zu der Temperatur meßeinrichtung. The task becomes related to the procedure for temperature measurement to be created during the working process of cutting tools by means of a temper Ature measuring device according to the invention solved in that the cutting work has a chipboard and a chipboard base, the chipboard Document has a channel that is directed towards a temperature measuring point Has opening, and that the heat emanating from the temperature measuring point radiation through the channel is at least indirectly transmitted to the temperature measuring device.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die gleichen, die bereits als Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgezählt wurden (lange Ausfallzeiten der Werkzeuge entfallen, korrekte Temperaturwerte können trotzdem ermittelt werden).The advantages of the method according to the invention are the same as those already mentioned Advantages of the device according to the invention were enumerated (long downtimes of the No tools, correct temperature values can still be determined).
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die von der Temperaturmeßstelle ausgehende Wärmestrahlung durch den Kanal mittels eines Bildleiters zu der Temperaturmeßeinrichtung weitergeleitet. Der Vorteil der Verwendung eines Bildleiters wurde bereits hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the the temperature measuring point outgoing heat radiation through the channel by means of a Image guide forwarded to the temperature measuring device. The advantage of using an image guide has already been made with regard to the device according to the invention explained.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird werkstückseitig vor dem Kanal eine Blende und eine IR-durchlässige Scheibe angeordnet. Der Vorteil der Verwendung von Blende und Scheibe wurde bereits hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention a panel and an IR-permeable disc are placed on the workpiece side in front of the duct arranged. The advantage of using bezel and washer has already been explained with regard to the device according to the invention.
Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Fig. 1 bis 4 die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Dabei zeigenThe device and the method according to the invention are explained in more detail below using an exemplary embodiment and FIGS. 1 to 4. Show
Fig. 1 Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, (Werkstück, Werkzeug, Bildleiter und Temperaturmeßeinrichtung) Fig. 1 a preferred embodiment of the inventive device (workpiece, tool, image guide and temperature sensing)
Fig. 2 Meßanordnung von der Seite Fig. 2 measurement arrangement from the side
Fig. 3 Meßanordnung von oben Fig. 3 measuring arrangement from above
Fig. 4 Bildleiter Fig. 4 image guide
Die Fig. 1 stellt schematisch und nicht maßstabsgerecht das zu bearbeitende Werk stück 2 sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung dar. Die Vorrichtung besteht aus dem spanabhebenden Werkzeug 1 und der Temperaturmeßeinrichtung 3. Das Werk zeug 1 ist hier ein Drehmeißel, dieser weist auf eine Spanplatte 11 und eine Span plattenunterlage 12. In die Spanplattenunterlage 12 ist ein Kanal 13 eingebracht, der eine zur einer Temperaturmeßstelle hin gerichtete Öffnung besitzt. Durch diesen Kanal 13 wird die von der Temperaturmeßstelle ausgehende Wärmestrahlung zu der Temperaturmeßeinrichtung 3 weitergeleitet und dort erfaßt. Fig. 1 shows schematically and not to scale the workpiece to be machined 2 and an apparatus according to the invention. The apparatus consists of the cutting tool 1 and the temperature measuring device. 3 The tool 1 is here a lathe chisel, this has a chipboard 11 and a chipboard base 12th A channel 13 is introduced into the chipboard base 12 and has an opening directed towards a temperature measuring point. The heat radiation emanating from the temperature measuring point is passed through this channel 13 to the temperature measuring device 3 and detected there.
Die Fig. 2 und 3 zeigen die Vorrichtung schematisch und nicht maßstabsgerecht während des Zerspanungsprozesses von oben und von der Seite. In Fig. 2 wird die Position des Kanals 13 in der Spanplattenunterlage 12 relativ zum Werkstück 2 und dem gerade abdrehenden Span 21 verdeutlicht. In Fig. 3 ist insbesondere die Anordnung des Bildleiters 15 dargestellt. Der Bildleiter 15 befindet sich integriert in der Spanplattenunterlage 12 und steht im 90° Winkel zur Oberfläche des Werkstückes 2. Figs. 2 and 3 show the device schematically and not to scale during the machining from above and from the side. In FIG. 2, the position of the channel 13 in the chipboard support 12 is illustrated relative to the workpiece 2 and the straight abdrehenden clamping 21st In Fig. 3 in particular the arrangement of the image guide 15 is shown. The image guide 15 is integrated in the chipboard base 12 and is at a 90 ° angle to the surface of the workpiece 2 .
Fig. 4 zeigt den beispielhaften Aufbau eines Bildleiters 15 aus mehreren, beispielsweise 13 kreuzweise angeordneten Signalleitern 151 (Schnitt A-A) sowie sein werkstückseitiges Ende, welches in einer Befestigungshülse mit Blende 14 und davor angeordneter IR-durchlässiger Scheibe 141 ausläuft. Das andere Ende des Bildleiters 15 ist mit einer Thermokamera verbunden, die so gleichzeitig die Temperatur an 13 Meßstellen erfassen kann. FIG. 4 shows the exemplary construction of an image conductor 15 from several, for example 13, signal conductors 151 arranged in a cross (section AA) and its end on the workpiece side, which ends in a fastening sleeve with an aperture 14 and an IR-transparent disk 141 arranged in front of it. The other end of the image conductor 15 is connected to a thermal camera, which can simultaneously record the temperature at 13 measuring points.
Außerdem zeigt Fig. 4 eine zweite Variante eines geeignet aufgebauten Bildleiters 15 aus mehreren, beispielsweise 7 nebeneinander angeordneten Signalleitern 151 (Schnitt A'-A'). Die am werkstückseitigen Ende des Bildleiters 15 befindliche Blende 14 weist Bohrungen auf, die an die jeweilige Geometrie der Signalleiteranordnung angepaßt sind. Die IR-durchlässige Scheibe 141 und die Blende 14 werden durch die Befestigungs hülse positioniert und justiert.In addition, Fig. 4 shows a second variant of a suitably constructed image guide 15 of several, for example 7 adjacent signal conductors 151 (section A'-A '). The aperture 14 located on the workpiece-side end of the image conductor 15 has bores which are adapted to the respective geometry of the signal conductor arrangement. The IR-permeable disk 141 and the diaphragm 14 are positioned and adjusted by the fastening sleeve.
Die erfaßten Temperatursignale werden an eine Auswerteeinheit weitergeleitet und gemäß den Gesetzen der Wärmetransporttheorie werden die tatsächlich im Wirkbereich auftretenden Temperaturen berechnet. Die berechneten Temperaturen erlauben dann eine effektive Steuerung des Arbeitsprozesses in Echtzeit.The recorded temperature signals are forwarded to an evaluation unit and according to the laws of heat transfer theory, they are actually in the effective range occurring temperatures are calculated. The calculated temperatures then allow effective control of the work process in real time.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erweisen sich in den Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für die Temperaturmessung während des Arbeitsprozesses von spanabhebenden Werkzeugen unter der Zielsetzung der Optimierung des Arbeitsprozesses sowie des Verschleißverhaltens der eingesetzten Werkzeuge und Werkstücke.The device according to the invention and the method according to the invention prove to be effective as special in the embodiments of the example described above suitable for temperature measurement during the machining process of metal cutting Tools with the aim of optimizing the work process and the wear behavior of the tools and workpieces used.
Insbesondere können so bereits während der Arbeitsplanung, -vorbereitung und der Herstellung eines Bauteils Aussagen mit steigender Signifikanz bezüglich der Material eigenschaften des fertigen Bauteils getroffen werden. Dies ist insbesondere für qualitativ hochwertige und teure Bauteile von entscheidender Bedeutung.In particular, this can already be done during work planning, preparation and Production of a component statements with increasing significance regarding the material properties of the finished component. This is especially for high quality and expensive components of vital importance.
Die Erfindung ist nicht nur auf das zuvor geschilderte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.The invention is not only limited to the exemplary embodiment described above, but rather transferable to others.
So ist zum Beispiel denkbar, daß für die einzelnen Signalleiter des Bildleiters anstatt der Lichtleiter Hohlleiter eingesetzt werden, deren Innenwände beispielsweise gold verspiegelt sind. Eine derartige Ausgestaltung des Bildleiters erlaubt ebenfalls eine gute Weiterleitung von Temperaturverteilungen der Meßstelle hin zu der Temperatur meßeinrichtung.For example, it is conceivable that instead of the Optical waveguides are used, the inner walls of which are gold, for example are mirrored. Such a design of the image guide also allows a good one Forwarding of temperature distributions from the measuring point to the temperature measuring device.
Auch die Anbringung des Bildleiters im 90° Winkel zur Oberfläche des Werkstückes ist nicht zwingend und kann bei Bedarf, beispielsweise aufgrund besonderer Werkzeug geometrien, geändert werden.The image guide is also attached at a 90 ° angle to the surface of the workpiece not mandatory and can if necessary, for example due to special tools geometries to be changed.
Claims (7)
- - wobei die Spanplattenunterlage (12) einen Kanal (13) aufweist,
- - der eine zu einer Temperaturmeßstelle hin gerichtete Öffnung besitzt, und
- - in dem eine von der Temperaturmeßstelle ausgehende Wärmestrahlung weiterleitbar ist,
- - wobei die durch den Kanal (13) weitergeleitete Wärmestrahlung zumindest mittelbar von der Temperaturmeßeinrichtung (3) erfaßbar ist.
- - The chipboard base ( 12 ) has a channel ( 13 ),
- - Which has an opening facing a temperature measuring point, and
- in which heat radiation emanating from the temperature measuring point can be passed on,
- - The heat radiation transmitted through the channel ( 13 ) can be detected at least indirectly by the temperature measuring device ( 3 ).
- - wobei die Spanplattenunterlage (12) einen Kanal (13) aufweist,
- - der eine zu einer Temperaturmeßstelle hin gerichtete Öffnung besitzt, und
- - The chipboard base ( 12 ) has a channel ( 13 ),
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| MÜLLER-HAMMEL, Peter: Entwicklung einer Inprozess-temperaturmessvorrichtung zur Optimierung der laserunterstützten Zerspanung. Stuttgart, Leipzig,Teubner, 1999, ISBN 3-519-06242-9 * |
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