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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prozessüberwachung
bei Bohrvorgängen mit einem Kühlschmierstoffkreislauf,
insbesondere beim Tiefbohren.
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Bei
derartigen Bohrverfahren, beispielsweise dem BTA-Bohrverfahren oder
dem Einlippen-Bohrverfahren, werden die anfallenden Bohrspäne
auch bei großen Bohrtiefen kontinuierlich entgegen dem Bohrervorschub
aus der Bohrung entfernt. Am Bohrwerkzeug sind dazu entsprechende
Hohlräume und/oder Nuten (Sicken) vorgesehen, durch die
der Kühlschmierstoff mit hohem Druck zugeführt
wird. Neben der Kühlung und Schmierung der Stützleisten und
der Schneide dient der Kühlschmierstoff dazu, die Bohrspäne über
die Hohlräume und/oder Nuten zu transportieren und aus
der Bohrung zu entfernen. Eine Unterbrechung des Bohrvorgangs ist
daher nicht erforderlich. Es ist jedoch möglich, dass es,
beispielsweise aufgrund von Bildung zu großer Bohrspäne,
zu einem Spänestau innerhalb dieser Hohlräume
oder Nuten kommt, so dass der Kühlschmierstofffluss behindert
wird und es zu einer Überlastung des Bohrwerkzeugs und
in der Folge zu einem Werkzeugbruch kommen kann.
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Bei
diesen Bohrvorgängen ist es zur Erzielung einer Bohrung
mit der gewünschten oder geforderten Präzision
wichtig, eine Werkzeugüberlastung und/oder einen Werkzeugbruch
zu vermeiden beziehungsweise im Falle eines Werkzeugbruchs diesen möglichst
frühzeitig zu erkennen.
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Man
kennt daher bereits zahlreiche Verfahren zur Prozessüberwachung
sowohl beim Bohren als auch bei anderen Bearbeitungsvorgängen.
Als Überwachungsgrößen dienen dabei üblicherweise die
Vorschubkraft, das Bohr- oder Drehmoment des Werkzeugantriebs oder
Werkstückantriebes, der Körperschall und/oder
der Luftschall.
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Beispielsweise
kennt man aus der
DE
43 96 951 B4 ein Verfahren zum adaptiven Regeln der Vorschubgeschwindigkeit
einer Fräse, bei dem die Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit
des Drehmoments geregelt wird.
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Derartige
Regelverfahren, ähnlich wie Verfahren, die auf der Erfassung
von Körperschall und/oder der Luftschall basieren, sind
jedoch gerade beim Tiefbohren häufig zu ungenau oder zu
träge, so dass sie nicht rechtzeitig reagieren, um einen
Werkzeugbruch sicher zu vermeiden oder sie müssen mit einer
entsprechenden Sicherheit dimensioniert sein, wodurch der Vorschub
auch im regulären Betrieb entsprechend gering ist, was
sich negativ auf die Produktionsgeschwindigkeit auswirkt.
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In
der
DE 102 40 764
A1 wird ein System beschrieben, bei dem ein Kühlschmierstoffstrahl
auf eine Druckmessvorrichtung gerichtet wird. Das Bohrwerkzeug wird
durch diesen Kühlschmierstoffstrahl geführt, so
dass im Falle eines Werkzeugbruchs der Kühlschmierstoffstrahl
die Druckmessvorrichtung erreicht und der Werkzeugbruch so erkannt
wird. Dieses System reagiert aber erst, wenn das Werkzeug gebrochen
ist. Ein vorzeitiges Erkennen einer Überlastung zur Vermeidung
des Werkzeugbruchs ist nicht möglich. Häufig ist
es jedoch notwendig, eine Bohrung „in einem Stück"
durchzuführen, um die erforderliche Güte der Bohrung
sicherzustellen. Im Falle eines Werkzeugbruchs ist es dabei nicht
möglich, mit einem neuen Werkzeug weiterzuarbeiten, so dass
das gesamte Werkstück nicht mehr verwendet werden kann.
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Es
besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit dem ein Werkzeugbruch vermieden werden kann,
die Prozesssicherheit erhöht ist und somit Ausschussproduktion
vermieden werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe
besteht darin, dass der Vorschub des Bohrwerkzeugs in Abhängigkeit
von der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des
Kühlschmierstoffs geregelt wird.
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Ursache
für eine Überlastung und dadurch verursachten
Werkzeugbruch ist zumeist ein unzureichender Abtransport der Bohrspäne
durch den Kühlschmierstoff. Kommt es zu einem Spänestau,
so wird sich auch die Durchflussmenge und/oder -geschwindigkeit
des Kühlschmierstoffes verringern. Wenn in dieser Situation
der Vorschub nach unten geregelt wird, so führt dies zur
Bildung kürzerer Bohrspäne, die wiederum leichter
von dem Kühlschmierstoff abtransportiert werden können,
so dass die Ursache für eine Überlastung rechtzeitig
vor einem Werkzeugbruch beseitigt wird. Ein Werkzeugbruch kann so
vermieden werden, wodurch die Betriebssicherheit und die Qualität
der Bohrung verbessert sind.
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Beim
Tiefbohren liegt das Länge-Durchmesser-Verhältnis
der Bohrung üblicherweise in einem Bereich zwischen 3 und
100, in Einzelfällen bis 250. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist auch geeignet zur Prozessüberwachung bei
sehr geringen Bohrdurch messern, wo Verfahren mit einer Drehmomentüberwachung
in der Regel nicht möglich sind, da sich die Leistung während
der Zerspanung nicht oder nur unwesentlich von der Leerlaufleistung
unterscheidet.
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Spänestau
führt beim Tiefbohren oft zu einem Verlaufen der Bohrung,
das heißt der Bohrer wird aus der vorgesehenen Bohrachse
abgelenkt. Durch die erfindungsgemäße Regelung
kann auch diesem Effekt entgegengewirkt oder dieser sogar komplett
vermieden werden, so dass besonders präzise Bohrungen möglich
sind.
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Wie
bereits erläutert, wird der Vorschub zweckmäßigerweise
bei abnehmender Durchflussmenge und/oder Durchflussgeschwindigkeit
reduziert.
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Dabei
kann es vorteilhaft sein, wenn der Vorschub nach dem Unterschreiten
eines Referenzwertes der Durchflussmenge und/oder Durchflussgeschwindigkeit
reduziert wird. Es ist gegebenenfalls nicht erforderlich, den Vorschub
sofort zu reduzieren, sobald die Durchflussmenge und/oder Durchflussgeschwindigkeit
abnimmt, da es erst bei Unterschreiten eines bestimmten Referenzwertes
zu einer Überlastung mit Gefahr eines Werkzeugbruchs kommt.
Somit wird die Produktionsgeschwindigkeit nicht unnötig
reduziert, was eine schnelle und trotzdem zuverlässige
Bearbeitung eines Werkstücks ermöglicht.
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Der
Referenzwert der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit
als Führungsgröße des Regelkreises kann
dabei ein Lernwert sein, der aus einer Probebohrung ermittelt wird.
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Alternativ
kann der Referenzwert der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit als
Führungsgröße des Regelkreises ein vorgegebener
oder vorgebbarer Sollwert sein. Dieser kann beispielsweise rechnerisch
ermittelt oder aus Erfah rungswerten abgeleitet werden.
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Wenn
durch die Reduzierung des Vorschubs der Kühlschmierstoffkreislauf
nicht oder nicht ausreichend schnell freigespült wird,
kann es zur Vermeidung von Werkzeugbruch zweckmäßig
sein, dass der Vorschub gestoppt wird, wenn die Durchflussmenge
und/oder die Durchflussgeschwindigkeit einen vorgegebenen oder vorgebbaren
Wert für die Dauer einer vorgebbaren oder vorgegebenen
Zeitspanne unterschreitet. Ein kurzzeitiges Unterschreiten eines
solchen Vergleichswertes kann noch tolerierbar sein, ohne dass die
Gefahr eines Werkzeugbruchs besteht, so dass der Bearbeitungsprozess weitergeführt
werden kann. Erst wenn dieser Zustand für eine bestimmte
Zeitspanne ununterbrochen bestehen bleibt, kann dies auf eine Überlastung
hindeuten, so dass durch einen Vorschub-Stopp ein Werkzeugbruch
vermieden werden kann.
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Ebenso
kann der Vorschub gestoppt werden, wenn der Vorschub einen vorgegebenen
oder vorgebbaren Wert für die Dauer einer vorgebbaren oder vorgegebenen
Zeitspanne unterschreitet. Da der Vorschub in Abhängigkeit
der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs
geregelt wird, ist auch der Vorschub selbst eine Kenngröße
für einen kritischen Zustand im Kühlschmierstoffkreislauf.
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Ein
weiterführender Gedanke des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass das Drehmoment des Bohrwerkzeugs als
zusätzliche Regelgröße, neben der Durchflussmenge
und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs, ausgewertet
wird. Je nach Anwendung kann auch das Drehmoment des Bohrwerkzeugs
Informationen über kritische Zustände, die einen
Werkzeugbruch verursachen können, beinhalten, beispielsweise Schwankungen
der Materialdichte des Werkstücks, die zu einer entsprechenden Änderung
des Drehmoments während dem Bohren führen können.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Bohreinrichtung mit einem Kühlschmierstoffkreislauf, insbesondere
zum Tiefbohren, mit einer Einrichtung zur Prozessüberwachung.
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Die
erfindungsgemäße Bohreinrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine Messeinrichtung zur Erfassung der Durchflussmenge und/oder
der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs im Kühlschmierstoffkreislauf
vorgesehen ist, und dass eine Regeleinrichtung zur Regelung des
Vorschubs eines Bohrwerkzeugs in Abhängigkeit der Durchflussmenge
und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs
vorgesehen ist. Dabei ergeben sich die bereits bei der Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens geschilderten
Vorteile.
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Nachstehend
ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand der
Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Bohrvorrichtung mit einem Kühlschmierstoffkreislauf,
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2 ein
Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Regelverfahrens,
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3 ein
Verlaufsdiagramm der Durchflussmenge sowie des Vorschubs über
die Zeit während einer Referenzbohrung und
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4 ein
Verlaufsdiagramm der Durchflussmenge sowie des Vorschubs über
die Zeit während eines produktiven Bohrvorgangs.
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Eine
im ganzen mit 1 bezeichnete Bohreinrichtung zum Tiefbohren
weist gemäß 1 ein Bohrwerkzeug 2 zur
Bearbeitung eines Werkstückes 3 auf. Das Bohrwerkzeug 2 wird über
einen Kühlschmierstoffkreislauf 4 mit Kühlschmierstoff 5 versorgt,
der einerseits das Bohrwerkzeug 2 schmiert und kühlt,
andererseits für einen kontinuierlichen Abtransport der
Bohrspäne 6 sorgt. Das Bohrwerkzeug 2 weist
für den Kühlschmierstoff einen innen liegenden
Kanal 12 sowie außen liegende Nuten 11 zur
Ableitung des Kühlschmierstoffes 5 und der Bohrspäne 6 auf.
Der mit Bohrspänen 6 versetzte Kühlschmierstoff 5 wird über
einen Filter 7 gereinigt und mittels einer Hochdruckpumpe 8 wieder
dem Bohrwerkzeug 2 zugeführt, so dass sich ein
geschlossener Kühlschmierstoffkreislauf 4 ergibt.
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Über
eine schematisch dargestellte Messeinrichtung 9 im Kühlschmierstoffkreislauf 4 wird
die Durchflussmenge und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs 5 erfasst
und über eine nicht näher dargestellte Regeleinrichtung
wird der Vorschub in Abhängigkeit der Messwerte der Messeinrichtung 9 geregelt.
Der Vorschub, also die Relativbewegung zwischen dem Bohrwerkzeug 2 und dem
Werkstück 3 in Bohrerlängsrichtung, kann
dabei durch eine Axialbewegung des Bohrwerkzeugs 2 bei stillstehendem
Werkstück erfolgen. Alternativ kann der Vorschub durch
eine Axialverschiebung des Werkstücks 3 erfolgen.
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Dieses
Regelverfahren ist auch in dem Flussdiagramm gemäß 2 dargestellt.
Die Durchflussmenge e des Kühlschmierstoffs 5 wird
mit der Messeinrichtung 9 erfasst und einer Regeleinrichtung 10 zugeführt.
Im Vergleich mit einem Lernwert w oder einem sonstigen Referenzwert
wird der Vorschub y des Bohrwerkzeugs 2 geregelt. Dabei
können variierende Spanbedingungen z, beispielsweise Schwankungen
der Werkstückdichte, als Störgrößen auftreten.
Dies kann zur Bildung unterschiedlicher Bohrspäne führen,
die wiederum den Kühlschmierstoff-Durchfluss beeinflussen.
Bei einem Verstopfen des Kühl schmierstoffkreislaufs durch
zu große Bohrspäne sinkt die Durchflussmenge e
des Kühlschmiermittels, woraufhin der Vorschub y reduziert
werden kann, um eine Überlastung des Werkzeugs zu vermeiden.
Durch diesen reduzierten Vorschub wiederum bilden sich kleinere
Bohrspäne beim Bohren, die leichter mit dem Kühlschmierstoff
abtransportiert werden können, den Kühlschmierstoffkreislauf
freigeben und so wieder zu einem erhöhten Kühlschmierstoff-Durchfluss
führen. Mit steigendem Kühlschmierstoff-Durchfluss
kann auch wieder der Vorschub hochgeregelt werden. Somit arbeitet
die Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Regelverfahren
stets in einem optimierten Leistungsbereich, wodurch die Bearbeitungszeiten
reduziert werden können. Gleichzeitig ist die Betriebssicherheit
erhöht, da durch die Regelung einer Überlastung
entgegengewirkt wird und ein Werkzeugbruch vermieden werden kann.
Durch das Vermeiden von Werkzeugbruch können auch Kosten
eingespart werden.
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3 zeigt
einen Kennlinienverlauf der Durchflussmenge des Kühlschmierstoffes über
die Zeit (Kennlinie K1) während einer Probebohrung als „Lernphase"
ohne Regelung. Die Werkstückbearbeitung erfolgt dabei zwischen
den Zeitpunkten t1 und t2. Durch verschiedene Einflussgrößen,
insbesondere durch ein Zusetzen des Kühlschmierstoffkreislaufs mit
Bohrspänen, reduziert sich im Laufe der Bohrung die Durchflussmenge.
Der Vorschub f (Kennlinie K2) bleibt während dieser Bearbeitung
konstant. Wenn bei der Werkstückbearbeitung während
der Lernphase kein Werkzeugbruch aufgetreten ist, kann der ermittelte
geringste Wert der Durchflussmenge als Referenzwert (R) für
weitere Werkstückbearbeitungen übernommen werden.
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Der
Kennlinienverlauf der Durchflussmenge des Kühlschmierstoffes über
die Zeit (Kennlinie K3) während einer Werkstückbearbeitung
im Anwendungsfall ist in 4 dargestellt. So lange die Durchflussmenge
den zuvor in der Lernphase ermittelten Referenzwert R nicht unterschreitet,
bleibt der Vorschub (Kennlinie K4) unverändert auf einem
Maximalwert. Sobald die Durchflussmenge des Kühlschmierstoffs
unter den Referenzwert R sinkt, beispielsweise durch Zusetzen der
Nut für den Rückfluss im Bohrwerkzeug mit Bohrspänen,
setzt die Regelung ein und der Vorschub wird in geeigneter Weise
reduziert. Durch das Bohren mit reduziertem Vorschub entstehen kleinere
Bohrspäne, die leichter mit dem Kühlschmierstoff
abtransportiert werden können, wodurch sich der Kühlschmierstoffkreislauf
von selbst wieder freispült. Dadurch wiederum erhöht sich
die Durchflussmenge. Wenn diese größer ist als der
Referenzwert, kann auch der Vorschub wieder auf seinen Maximalwert
hochgeregelt werden, so dass eine optimierte Bearbeitungsgeschwindigkeit bei
erhöhter Betriebssicherheit und reduzierter Gefahr eines
Werkzeugbruchs erzielt wird.
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In 4 ist
beispielhaft dargestellt, dass die Durchflussmenge ein zweites Mal
unter den Referenzwert R absinkt und die Vorschub-Regelung einsetzt.
Dadurch wird veranschaulicht, dass während der gesamten
Bearbeitung eines Werkstücks ein kontinuierlicher Wechsel
zwischen Volllastbetrieb und Bearbeitungsphasen mit heruntergeregeltem Vorschub
stattfinden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4396951
B4 [0005]
- - DE 10240764 A1 [0007]