DE102007053644A1

DE102007053644A1 - Verfahren zur Prozessüberwachung bei Bohrvorgängen

Info

Publication number: DE102007053644A1
Application number: DE200710053644
Authority: DE
Inventors: Andreas Blümel; Reiner Franke
Original assignee: COMARA KG
Current assignee: Comara De GmbH
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: DE102007053644B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Prozessüberwachung bei Bohrvorgängen mit einem Kühlschmierstoffkreislauf (4), insbesondere beim Tiefbohren, wird der Vorschub des Bohrwerkzeugs (2) in Abhängigkeit von der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs (5) geregelt. Bei abnehmender Durchflussmenge und/oder Durchflussgeschwindigkeit wird der Vorschub dabei reduziert (Figur 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prozessüberwachung bei Bohrvorgängen mit einem Kühlschmierstoffkreislauf, insbesondere beim Tiefbohren.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Wie bereits erläutert, wird der Vorschub zweckmäßigerweise bei abnehmender Durchflussmenge und/oder Durchflussgeschwindigkeit reduziert.
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.
Der Referenzwert der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit als Führungsgröße des Regelkreises kann dabei ein Lernwert sein, der aus einer Probebohrung ermittelt wird.
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.
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.
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.
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.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Bohreinrichtung mit einem Kühlschmierstoffkreislauf, insbesondere zum Tiefbohren, mit einer Einrichtung zur Prozessüberwachung.
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.
Nachstehend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Bohrvorrichtung mit einem Kühlschmierstoffkreislauf,
2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Regelverfahrens,
3 ein Verlaufsdiagramm der Durchflussmenge sowie des Vorschubs über die Zeit während einer Referenzbohrung und
4 ein Verlaufsdiagramm der Durchflussmenge sowie des Vorschubs über die Zeit während eines produktiven Bohrvorgangs.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4396951 B4 [0005]
- DE 10240764 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Prozessüberwachung bei Bohrvorgängen mit einem Kühlschmierstoffkreislauf, insbesondere beim Tiefbohren, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschub des Bohrwerkzeugs (2) in Abhängigkeit von der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs (5) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschub bei abnehmender Durchflussmenge und/oder Durchflussgeschwindigkeit reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschub nach dem Unterschreiten eines Referenzwertes (R) der Durchflussmenge und/oder Durchflussgeschwindigkeit reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment des Bohrwerkzeugs (2) als zusätzliche Regelgröße, neben der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs (5), ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (R) der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit als Führungsgröße des Regelkreises ein Lernwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (R) der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit als Führungsgröße des Regelkreises ein vorgegebener oder vorgebbarer Sollwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschub gestoppt wird, wenn der Vorschub einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert für die Dauer einer vorgebbaren oder vorgegebenen Zeitspanne unterschreitet.
Bohreinrichtung mit einem Kühlschmierstoffkreislauf, insbesondere zum Tiefbohren, mit einer Einrichtung zur Prozessüberwachung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (9) zur Erfassung der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs (5) im Kühlschmierstoffkreislauf (4) vorgesehen ist, und dass eine Regeleinrichtung (10) zur Regelung des Vorschubs eines Bohrwerkzeugs (2) in Abhängigkeit der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs (5) vorgesehen ist.