DE10046529A1 - Bohrsystem mit elektronischer Durchmesserüberwachung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bohrsystem für die spanende Herstellung präziser Bohrungen. Es wird vorgeschlagen, in das Bohrwerkzeug des Systems eine berührungslos arbeitende Einrichtung zur Überwachung des gefertigten Durchmessers der Bohrung zu integrieren und die ermittelten Messdaten drahtlos an einen Empfänger zu übertragen. Auf diese Weise wird eine ständige quantitative Kontrolle des Bohrungsdurchmessers während des Bearbeitungsprozesses ermöglicht und dabei z. B. Verschleiß und Bruch des Werkzeugs erkannt. Dadurch kann in einem solchen Fall die entsprechende Zerspanungsoperation augenblicklich gestoppt und das Werkzeug nachgestellt oder z. B. die Wendeschneidplatte ausgetauscht werden. Mit dem erfindungsgemäßen Bohrsystem wird die Fertigungsqualität gesichert und die Produktion von Ausschuss vermieden. Dabei ist das eigentliche Bohrwerkzeug in unterschiedlicher Gestalt praktisch umsetzbar, z. B. als Bohrstange, Bohrkopf, Feinbohrkopf bzw. Reibahle.

Description

Die Erfindung betrifft ein spezielles Bohrsystem mit elektronischer Durchmesserüber­ wachung für die spanende Herstellung von Bohrungen z. B. in Metall.

Generell ist die spanende Herstellung von Bohrungen eine der häufigsten Bearbeitungs­ operationen an Werkstücken. Dabei ist die Bohrung selbst durch den Durchmesser und die Länge, die Durchmessertoleranz und die Rauhigkeit der Oberfläche beschreibbar. Die Vor­ gehensweise für die Herstellung von Bohrungen mit höherer Genauigkeit oder grösseren Durchmessern besteht meist darin, zunächst eine Zentrierung anzubringen, danach vor­ zubohren und im Anschluss auf das Endmass aufzubohren. Damit sind jedoch engere Toleranzen und glatte Oberflächen nicht ohne weiteres erzielbar. In entsprechenden Bedarfsfällen wird die Bohrung daher z. B. entweder mit einer Bohrstange nachgedreht oder mittels einer Reibahle nachgerieben, bzw. mit einem speziellen Werkzeug z. B. in Gestalt eines Bohrkopfes ausgespindelt. Beim Nachdrehen auf einer CNC-Drehmaschine ist der Bohrungsdurchmesser durch Eingabe eines Wertes für die Werkzeugkorrektur justierbar. Diese wirkt sich auf die Schlittenposition in der x-Achse relativ zum Werkstück aus. Bei festen Reibahlen ist der erzeugte Durchmesser von der Reibahle abhängig und kann praktisch nicht beeinflusst werden. Bei verstellbaren Reibahlen bzw. Bohrköpfen ist der erzeubare Durchmesser justierbar, indem ein Stellelement z. B. mit Skala ein- bzw. nachgestellt wird. In der Regel wird dann ein voreingestelltes Werkzeug mittels eines Zerspanungsversuchs überprüft, indem der erzeugte mit dem eingestellten Durchmesser verglichen wird. Dieser Vorgang ist wiederholbar bis die erzeugte Bohrung z. B. in der Mitte des vorgegebenen Toleranzfeldes liegt. Danach kann diese Bohrung serienmässig produ­ ziert werden. Im allgemeinen kann dann eine Serienfertigung heutzutage z. B. auf CNC- Maschinen mehr oder weniger automatisch ablaufen und verursacht meist keine grösseren Probleme, solange die Bearbeitungsparameter optimal gewählt und das Werkzeug in einwandfreiem Zustand ist. Dabei ist es jedoch erforderlich, das gefertigte Werkstück hin­ sichtlich der Bohrungsqualität (z. B. Passtoleranz, Zylindrizität, Rundlaufgenauigkeit) im nachhinein zu überprüfen, z. B. durch Nachmessen jedes Einzelstücks oder durch Stich­ proben.

Es ist bekannt, dass ein derartiger Herstellungsprozess in Gestalt eines sich ständig wieder­ holenden Zyklus nicht ohne kontrollierenden und korrigierenden Eingriff ablaufen kann. In der Regel tritt nämlich an der Schneide des Werkzeugs, z. B. an einer Wendeschneidplatte, ein langsam fortschreitender Verschleiss auf, der zu einer schleichenden Abnahme des Bohrungsdurchmessers führt. Nach längerer Gebrauchsdauer der Werkzeugschneide muss ferner mit Ausbrüchen oder sogar dem vollständige Wegbrechen gerechnet werden. Im Ergebnis fallen dann Werkstücke an, die nicht mehr innerhalb der Toleranzgrenze liegen oder extrem schlechte Oberflächen aufweisen. Bei einer Reihe von Werkstoffen besteht die Schwierigkeit, dass ein wenige Mikrometer ausmachender Abtrag z. B. durch nochmaliges Überdrehen oder Nachbohren nicht realisierbar ist. Es wird dann entweder lediglich eine Oberflächenverfestigung praktisch ohne Massänderung erzeugt oder ein schlagartig auf­ tretender Unterschnitt. Wenn diese Werkstücke nicht nacharbeitbar sind, müssen sie als Ausschuss aussortiert werden. Besonders ärgerlich ist es, wenn diese Umstände erst zeitlich versetzt feststellbar sind, weil dann bereits eine Anzahl von Ausschussteilen produziert worden sein kann.

In jedem Fall ist nach dem Stand der Technik die massliche Kontrolle und die Erstellung eines Prüfprotokolls erst nach der kompletten Bearbeitung des Werkstücks an einem separaten Prüfplatz möglich. Um eine Produktion von Ausschuss zu vermeiden, muss so lange die Produktion unterbrochen werden und ruhen. Wenn unzulässige, jedoch nach­ arbeitbare Toleranzabweichungen festgestellt werden, muss das fehlerhafte Werkstück in den Fertigungsprozess zurückgeführt und nachgearbeitet werden, was zusätzlich die ge­ samten Herstellungskosten erhöht.

Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung eines Systems für die spanende Herstellung von Bohrungen, welches die oben beschriebenen Probleme bewältigen und den Anfall von Ausschussteilen ohne zusätzlichen zeitlichen Aufwand vermeiden sollte.

Die genannte Aufgabe wird nach der Erfindung durch Zurverfügungstellung eines speziel­ len Bohrsystems gelöst, welches die Überwachung der Bohrungsqualität hinsichtlich des Durchmessers, der Zylindrizität und der Rundlaufgenauigkeit direkt im Prozess erledigt, so dass eine sich der Fertigung anschliessende Qualitätskontrolle im Prinzip entfallen oder sich auf die Überwachung bzw. Kalibrierung des dem Bohrwerkzeug eigenen Mess-Systems beschränken kann.

Gemäss der Erfindung wird das eigentliche Bohrwerkzeug in seiner jeweiligen Ausführung, z. B. als Bohrstange, Bohrkopf, Feinbohrkopf, Reilahle oder dergleichen, mit einem analo­ gen induktiven Abstandssensor bestückt, welcher im Prinzip auf eine radiale Erfassungs­ richtung ausgerichtet ist, also diesbezüglich orthogonal zur Bohrungswand steht, vorzugs­ weise mit 180° zur Werkzeugschneide verdreht. Mit diesem Sensor wird der relative Abstand seiner eigenen Referenzfläche, z. B. seiner Stirnfläche, zur Bohrungswand kontinu­ ierlich mit hoher Abtastrate während des Zerspanungsvorgangs ermittelt, wobei eine rotative Relativbewegung zwischen dem Bohrwerkzeug und der Bohrung besteht. Dabei ist es gleichgültig ob das Werkstück ruht und das Bohrwerkzeug rotiert, das Werkstück rotiert und das Bohrwerkzeug selbst feststeht, oder sowohl Bohrwerkzeug als auch das Werkstück rotieren.

Die vom Abstandssensor ermittelten Werte werden mit einer Elektronik erfasst, aufbereitet und drahtlos über ein Sendefenster abgestrahlt. Für die Stromversorgung beider Kompo­ nenten ist eine entsprechend kleine austauschbare Knopfzelle vorgesehen. Die gesamte Einheit ist geschützt im Inneren des Bohrwerkzeugs untergebracht. Die erforderliche Elektronik ist als integrierte Schaltung derartig miniaturisiert, dass sie auch in kleinste Baugrössen problemlos integrierbar ist.

Das erfindungsgemässe System umfasst ferner ein vom Bohrwerkzeug räumlich getrenntes Empfangsmodul, welches für die Kommunikation mit der Elektronik im Bohrwerkzeug verantwortlich ist. Dieses Empfangsmodul ist vorzugsweise mit einem Rechner (Personal- Computer) verbunden. Ein komfortables Software-Programm zum Betrieb des Systems ist im Rechner abgelegt.

Zum Betrieb des Systems wird zunächst der Rechner eingeschaltet und die Software aktiviert. Das voreingestellte Bohrwerkzeug wird dann z. B. mittels eines Probeschnitts kali­ briert. Dabei wird nach Erreichung der Relativdrehzahl zwischen Werkstück und Bohrkopf (z. B. automatisch über eine Drehzahlerkennung) der Messvorgang aktiviert und der vom System gemessene Abstand mit dem anschliessend kontrollierten Bohrungsdurchmesser abgeglichen. Die Handhabung des Systems vom Rechner aus erfolgt im Dialog ent­ sprechend der benutzten Software, wobei die Messdauer, Messfrequenz, und die Art und Weise der Auswertung, Darstellung und Protokollierung der Messwerte über entsprechende Befehle steuerbar ist. Auf einem Bildschirm sind die gewünschten aktuellen Daten dar­ stellbar, z. B. Durchmesser, Rundlauf oder Zylindrizität, Toleranzfeld mit Abweichung, Trend-Analyse oder dergleichen. Eine Alarmschaltung für den Fall einer abrupten Mass­ änderung z. B. bei einem Werkzeugbruch ist vorhanden. Sämtliche Daten werden auto­ matisch unter Datum und fortlaufender Nummer mit der Teilebezeichnung usw. gespei­ chert und können jederzeit als Prüf- bzw. Qualitätsprotokoll ausgedruckt, abgerufen oder übertragen werden.

Die Erfindung soll im folgenden hinsichtlich des Bohrwerkzeugs anhand der einzigen Zeichnungsfigur näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Bohrkopfes in einem leicht vergrössertem Abbildungsmasstab, wobei auf eine zum Teil geschnittene Darstellung zurückgegriffen wurde. Der Bohrkopf 2 verfügt über einen genormten Steilkegel 1 mit Greiferrille 3 zum Anschluss an die Spindel einer Bohr- oder Fräsmaschine. An den Schaft 4 ist ein Gehäuse 5 angeschlossen, welches die weiteren Bauteile des werkzeugseitigen Systems aufnimmt. Am Bohrkopf ist eine einzige Schneide mittels einer Wendeschneidplatte 7 realisiert, welche unter Zuhilfenahme einer Kassette 6 am Gehäuse 5 befestigt ist. Im Kopfbereich des Gehäuses ist ein Einsatz 8 untergebracht. Dieser dient der Aufnahme eines Abstandssensors 9. Vorzugsweise ist ist der Abstandssensor in Umgangsrichtung des Gehäuses gegenüber der Schneide um 180° verdreht angeordnet. Er ist dabei so posi­ tioniert, dass seine für die Abstandsmessung aktive Stirnseite orthogonal mit einem kleinen Luftspalt der erzeugten Bohrungsfläche gegenübersteht. In axialer Richtung ist der Sensor gegenüber der Werkzeugschneide gerade so weit zurückversetzt, dass sein Mess-Signal von der noch nicht nachgearbeiteten Innenfläche der Bohrung nicht beeinflusst wird. Der Sensor ist mittels eines Kabels 10 mit einem Elektronikmodul 11 verbunden. Dieses ist für die Ansteuerung des Sensors, Abtastung, Verstärkung, Aufarbeitung, evtl. Filterung, und drahtlose Abstrahlung der gewünschten Messdaten verantwortlich. Für die Abstrahlung der Sendesignale ist ein abgedichtetes Sendefenster 12 z. B. aus Kunststoff vorgesehen. Die erforderliche Stromversorgung für den Sensor und das Elektronikmodul geschieht zweck­ mässig mittels einer auswechselbaren Knopfzelle, welche in der Zeichnung aus Verein­ fachungsgründen nicht dargestellt wurde.

Das gesamte System wird noch vervollständigt durch ein so genanntes Funkmodul, wel­ ches drahtlos mit dem Elektronikmodul des Bohrwerkzeugs kommuniziert und seinerseits mit einem geeigneten Terminal (z. B. Notebook, Laptop, Personal Computer) verbunden ist. Im Prinzip ist die Anwendung und Handhabung eines derartigen Terminals einschliesslich Tastatur, Maus, Bildschirm und erforderlicher Software allgemein bekannt, so dass an dieser Stelle darauf nicht weiter eingegangen werden soll.

Claims (21)

1. Verfahren zur Herstellung bzw. Nacharbeit von Bohrungen unter elektronischer Über­ wachung des erzeugten Durchmessers, dadurch gekennzeichnet, dass während des Zer­ spanungsprozesses mit mindestens einem in das Bohrwerkzeug eingebauten Sensor der Abstand zwischen einem Referenzpunkt des Bohrwerkzeugs und der inneren Wandungs­ oberfläche der Bohrung unmittelbar nach deren Herstellung berührungslos erfasst, die erfassten Abstandswerte mittels einer ebenfalls in dem Bohrwerkzeug befindlichen elektro­ nischen Schaltung drahtlos abgestrahlt, mit einem räumlich entfernten elektronischen Modul drahtlos empfangen und die empfangenen Abstandswerte einer Auswertung zu­ gänglich gemacht werden.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das räumlich entfernte Modul mit einem Rechner (z. B. einem Notebook, Laptop, Personal Computer) in Verbin­ dung steht.

3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner mittels des verbundenen Moduls drahtlos mit der elektronischen Schaltung in dem Bohrwerkzeug mindestens in einer Richtung kommuniziert.

4. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner mit einer Tastatur, wahlweise zusätzlich mit einer Maus, einem Bildschirm, und wahlweise zusätzlich mit einem Drucker oder Plotter komplettiert ist.

5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner mit einer speziellen Software arbeitet, welche eine geeignete Steuerung des Systems per Tastatur bzw. Maus, sowie wahlweise den Empfang der Abstandswerte und deren Bearbeitung, und die Speicherung, Darstellung bzw. Weiterleitung der Daten ermög­ licht.

6. Verfahren gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Angleichung des mit dem Sensor gemessenen Relativabstands an den tatsächlichen Durchmesser der Bohrung dieser Relativabstand nach einer Probe­ zerspanung mit anschliessender Vermessung des Durchmessers auf den tatsächlichen Wert des Bohrungsradius gesetzt und der dabei benutzte Offsetwert beibehalten wird.

7. Verfahren gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trend-Analyse des Bohrungsdurchmessers durchgeführt und angezeigt wird.

8. Verfahren gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Über- oder Unterschreiten eines vorgebbaren Toleranzfeldes bzw. einer abrupten Änderung des gefertigten Bohrungsdurchmessers ein Alarmsignal (z. B. optisch bzw. akustisch) ausgelöst wird.

9. Verfahren gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Abstandswerten und deren winkelmässiger Lage die Rundheit der erzeugten Bohrung bestimmt wird.

10. Verfahren gemäss einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verlauf der gemessenen Abstandswerte die Zylindrizität der erzeugten Bohrung bestimmt wird.

11. Bohrsystem für die Ausführung des Verfahrens gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, mit einem Bohrwerkzeug, z. B. einer Bohrstange oder einem Gehäuse 5, welches mittels einer geeigneten Schnittstelle, z. B. einem Steilkegel 1, direkt oder indirekt an eine feststehende oder rotierbare Werkzeugkupplung anschliessbar ist und über mindestens eine Schneide, z. B. an einer auswechselbaren Wendeschneidplatte 7 verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass in das Bohrwerkzeug sowohl ein radial ausgerichteter Ab­ standssensor 9 integriert ist, welcher die berührungslose Messung des Abstands eines dem Bohrwerkzeug zugeordneten Referenzpunktes zur inneren Oberfläche der Bohrung wäh­ rend der Bohrungsbearbeitung erlaubt, als auch eine elektronische Schaltung 11, welche der Erfassung und drahtlosen Abstrahlung der vom Abstandssensor gemessenen Abstands­ werte dient, und das System durch ein räumlich entferntes elektronisches Modul ergänzt wird, welches mindestens in einer Richtung drahtlos mit der elektronischen Schaltung im Bohrwerkzeug kommunizieren kann.

12. Bohrsystem gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das räumlich ent­ fernte elektronische Modul mit einem Rechner (z. B. Notebook, Laptop, Personal-Computer) verbunden ist.

13. Bohrsystem gemäss einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Sensor und elektronische Schaltung des Bohrwerkzeugs über eine autarke Stromversorgung verfügen, z. B. über eine eingesetzte auswechselbare Knopfzelle.

14. Bohrsystem gemäss einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Abstrahlung bzw. der Empfang von Messdaten bzw. Befehlssignalen über ein für die abgestrahlten Wellen durchdringbares Fenster z. B. aus Kunststoff erfolgt.

15. Bohrsystem gemäss einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die drahtlose Kommunikation zwischen der elektronischen Schaltung im Bohrwerkzeug und dem räumlich entfernten elektronischen Modul eine beliebige Funkfrequenz benutzt wird.

16. Bohrsystem gemäss einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die drahtlose Kommunikation zwischen der elektronischen Schaltung im Bohrwerkzeug und dem räumlich entfernten elektronischen Modul eine Infrarotfrequenz benutzt wird.

17. Bohrsystem gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Bohrwerkzeug über eine genormte Werkzeugschnittstelle verfügt, z. B. eine VDI-, Capto-, Hohlsteilkegel-, Steilkegel, Morsekegel-Kupplung oder einen Zylinder­ schaft (wahlweise mit Flächen), welche den Anschluss auf eine ruhende oder rotierende Aufnahme zulässt.

18. Bohrsystem gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der aktive Kopf des Abstandssensors gegenüber der Werkzeugschneide in axialer Richtung um einen Betrag zurück versetzt ist, welcher ausreicht, um eine aus­ schliessliche Abstandserfassung zur jeweils aktuell bearbeiteten Bohrungswand sicherzu­ stellen und dabei eine Beeinflussung des gemessenen Abstandssignals von der nur vor­ bearbeiteten Bohrungswand auszuschliessen.

19. Bohrsystem gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Abstandssensor zur Werkzeugschneide des Bohrwerkzeugs in Umfangs­ richtung winkelmässig um 180° verdreht positioniert ist.

20. Bohrsystem gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Werkzeugschneide radial fein verstellbar ist.

21. Bohrsystem gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Werkzeugschneide mittels einer Wendeschneidplatte realisiert ist.