DE102011121270A1

DE102011121270A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beurteilung der akustischen Qualität eines Bauteils

Info

Publication number: DE102011121270A1
Application number: DE102011121270A
Authority: DE
Inventors: Robert Waninger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: DE102011121270B4

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beurteilung der akustischen Qualität eines Bauteils (1), insbesondere einer Bremsscheibe eines Kraftfahrzeugs, vorgeschlagen, wobei während einer maschinellen Bearbeitung des noch im Herstellungsprozess befindlichen Bauteils (1) den Bearbeitungsprozess charakterisierende Schallmesswerte ermittelt und mit abgespeicherten Referenzwerten verglichen werden. Aus diesem Vergleich wird eine vorausschauende Beurteilung der akustischen Qualität des fertigen Bauteils (1) abgeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung der akustischen Qualität eines Bauteils, insbesondere einer Bremsscheibe eines Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 zur Durchführung des Verfahrens.
Bei Bremssystemen von Kraftfahrzeugen wird in immer stärkerem Maße gefordert, dass deren Bauteile im Bereich der akustischen Emissionen bestimmten Qualitätskriterien genügen. Insbesondere sollen beim Bremsvorgang Quietschgeräusche vermieden werden. Die verwendeten Bauteile und insbesondere die Bremsscheiben eines Bremssystems sollen vorgegebene akustische Eigenschaften besitzen, beispielsweise soll die Eigenfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfrequenzbandes liegen. Ein wichtiges Merkmal zur Sicherstellung einer vorgegebenen Fertigungsqualität und von vorgegebenen Bauteileigenschaften ist die Eigenfrequenz, die an einem Bauteil nach einer entsprechenden impulsförmigen Anregung, messbar ist. Die gemessene Eigenfrequenz eines Bauteils hängt auch von der Qualität des Bauteils ab und kann bei einem schadhaften Bauteil sehr stark von einem vorgegebenen Toleranzfrequenzband abweichen.
Mittels eines Impulshammers kann eine Bremsscheibe „angeschlagen” werden, um daraufhin die von der Bremsscheibe abgestrahlten Schallschwingungen als Antwortsignal zu messen und zu analysieren. Um auf diese Weise zu einer sicheren Aussage über die Qualität einer fertig gestellten Bremsscheibe zu kommen, ist eine verhältnismäßig aufwendige Messapparatur und Datenverarbeitung erforderlich. Wenn dann nach erfolgter Datenauswertung festgestellt wird, dass die Bremsscheibe bezüglich ihrer Schallemission eine zu große Abweichung aufweist, muss die Bremsscheibe als Ausschuss aussortiert werden.
Aus der WO 2010/051954 A2 ist ein Verfahren zur Schwingungsanalyse bekannt, bei dem während der Bearbeitung eines Werkstücks entstehende Schwingungen erfasst und ausgewertet werden, wobei ein Schwingungsspektrum zu verschiedenen Zeiten oder kontinuierlich erfasst und ausgewertet wird. Dieses bekannte Verfahren dient zur frühzeitigen Erkennung von Materialfehlern an einem Bauteil, jedoch ist eine Aussage über eine akustische Qualität des fertigen Bauteils dort nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur vorausschauenden Beurteilung der akustischen Qualität eines in einem Bearbeitungsprozess befindlichen Bauteils bereitzustellen.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ist zur vorausschauenden Beurteilung der akustischen Qualität eines Bauteils vorgesehen, dass während einer maschinellen Bearbeitung des noch im Herstellungsprozess befindlichen Bauteils den Bearbeitungsprozess charakterisierende Schallmesswerte ermittelt und mit abgespeicherten Referenzwerten verglichen werden und daraus eine vorausschauende Beurteilung der akustischen Qualität des fertigen Bauteiles abgeleitet wird. Als Referenzwerte dienen Werte, die von Bauteilen stammen, deren akustische Qualität innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs gelegen hat. Durch die vorausschauende Beurteilung eines im Herstellungsprozess befindlichen Bauteils ist es nun möglich, schon während der Bearbeitung des Bauteils eine mangelhafte akustische Qualität zu erkennen und das entsprechende Bauteil auszusortieren. Eine unnötige Weiterbearbeitung eines akustisch mangelhaften Bauteils entfällt. Außerdem muss nicht nach der Fertigstellung des Bauteils in einem separaten Schallmessverfahren mit der herkömmlichen Impulshammermethode die akustische Qualität der Bauteile überprüft werden.
Die abgespeicherten Referenzwerte können rechnerisch oder auch empirisch ermittelt werden, in dem bei der Bearbeitung von Bauteilen zu den unterschiedlichen Bearbeitungsvorgängen gehörende Referenzwerte abgespeichert werden, sofern die fertigen Bauteile dann eine innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegende akustische Qualität besitzen. Diese nachträgliche Überprüfung der akustischen Qualität kann beispielhaft an einigen Bauteilen nach dem herkömmlichen Impulshammerverfahren erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, die Schallmesswerte zur Bestimmung der akustischen Qualität bei unterschiedlichen Bearbeitungsvorgängen zu ermitteln, da damit unterschiedliche Schallschwingungsbereiche abgedeckt werden. Die Schallemissionen, beispielsweise bei einem spanenden Bearbeitungsverfahren, liegen in einem anderen Bereich als bei einem Schleifverfahren, wodurch besonders genaue Aussagen über die spätere akustische Qualität des fertigen Bauteils gemacht werden können. Die Beurteilung der akustischen Qualität beinhaltet auch die Möglichkeit, einen gravierenden Materialfehler, beispielsweise einen Riss in einer Bremsscheibe, zu erkennen.
Bei der Qualitätsbeurteilung an Bremsscheiben wird vorzugsweise die Schallemission berücksichtigt, die bei einer spanenden Bearbeitung auftritt. Dabei können der Beginn und das Ende von Arbeitsprozessen, beispielsweise der Werkzeugeingriff und der Werkzeugauslauf, unterschiedliche charakteristische Schallemissionen hervorrufen, die aufgrund unterschiedlicher Frequenzspektren besonders gut zur Bestimmung der späteren akustischen Qualität des Bauteils herangezogen werden können.
Zur Charakterisierung des Bearbeitungsprozesses und zur Bestimmung der Qualität eines Bauteils können auch Referenzwerte und Messwerte berücksichtigt werden, die die Stromaufnahme und andere Maschinenparameter der das Bauteil bearbeitenden Maschine betreffen. Anhand dieser Messwerte lässt sich auch prüfen, ob die Bearbeitungsmaschine und die verwendeten Werkzeuge korrekt arbeiten oder ob hier irgendwelche Störungen oder Fehler vorliegen. Auch die Überprüfung des Bearbeitungsprozesses dient dabei zur Einhaltung einer vorgegebenen akustischen Qualität des jeweils in Bearbeitung befindlichen Bauteils.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die über einen Schallsensor gemessene Schallschwingungen einem Prozessor übermittelt, der mit einem Referenzwertspeicher korrespondiert und einen Vergleich der ermittelten Schallmesswerte mit im Referenzspeicher abgelegten Referenzwerten vornimmt. Das Ergebnis der Auswertung kann an einem Display oder in anderer Weise angezeigt werden, so dass eine die Bearbeitungsmaschine bedienende Person den Bearbeitungsprozess bei einer unzulässig großen Messwerteabweichung stoppen und das entsprechende Bauteil aussortieren kann.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn über eine zweite Messeinrichtung Maschinendaten der Bearbeitungsmaschine zum Prozessor übermittelt, wo diese Daten zur laufenden Überprüfung des Bearbeitungsprozesses ausgewertet werden. Auf diese Weise lassen sich Fehler oder Unregelmäßigkeiten im Bearbeitungsprozess sofort erkennen und gegebenenfalls dann auch schnell beheben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen als Spannungsverlauf dargestellten zeitlichen Verlauf gemessener Schallschwingungen während der Bearbeitung eines im Herstellungsverfahren befindlichen Bauteils und
2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf U von Schallschwingungen, die mittels eines Schallsensors in unmittelbarer Nähe eines Bauteils während unterschiedlicher Bearbeitungsphasen gemessen wurden. Die Schallschwingungen sind hier als Spannungsverlauf U über der Zeit t dargestellt, wobei die Spannung U als gefiltertes Signal bezüglich ihrer Amplitude annähernd proportional zu dem beim Bearbeitungsvorgang abgestrahlten Schallsignal ist.
Zum Zeitpunkt t1 erfolgt der Werkzeugeingriff am Bauteil, bei dem es sich hier um eine noch in Bearbeitung befindliche Bremsscheibe handelt. Der Werkzeugeingriff ist durch eine größere Amplitude charakterisiert, was einem entsprechend größeren gemessenen Schallpegel entspricht. Daraufhin erfolgt eine gleichförmige spanende Bearbeitung, bis zum Zeitpunkt t2, bei dem eine Änderung des Vorschubs erfolgt. Die Vorschubänderung erzeugt eine Schallantwort bzw. eine Spannung U mit größerer Amplitude. Die nachfolgende spanende Bearbeitung bis zum Zeitpunkt t3 erzeugt eine etwas geringeren Schallpegel und somit einen Spannungsverlauf U auf einem etwas geringeren Niveau. Zum Zeitpunkt t3 erfolgt dann wiederum eine Änderung des Vorschubs am Werkzeug, bis dann zum Zeitpunkt t4 der Werkzeugauslauf erfolgt, das heißt das bearbeitende Werkzeug wird von der Bremsscheibe abgehoben.
Der in 1 dargestellte Spannungsverlauf U ist bezüglich seiner Frequenz und seiner Amplitude ein den Bearbeitungsprozess charakterisierendes Signal, welches direkt oder auch gefiltert Schallmesswerte liefert, die innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegen müssen, damit das später fertiggestellte Bauteil – hier die Bremsscheibe – eine vorgegebene akustische Qualitätsanforderung erfüllt.
Anhand des in 2 dargestellten Blockschaltbilds wird das Verfahren zur Beurteilung der akustischen Qualität eines Bauteils näher erläutert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Bauteil 1 eine Bremsscheibe mittels eines Bearbeitungswerkzeugs 2 bearbeitet, welches Teil einer hier nicht näher dargestellten Bearbeitungsmaschine 3 ist. Im Bereich des Bauteils 1 und des Werkzeugs 2 ist ein Schallsensor 4 angeordnet, der über eine erste Messeinrichtung 5 mit einem Prozessor 6 verbunden ist. Die Bearbeitungsmaschine 3 ist über eine zweite Messeinrichtung 7 ebenfalls mit dem Prozessor 6 verbunden und übermittelt an diesen den Bearbeitungsprozess und/oder den Betrieb der Bearbeitungsmaschine 3 charakterisierende Messdaten. Damit der Prozessor 6 die von den Messeinrichtungen 5, 7 erhaltenen Messdaten auswerten kann, ist der Prozessor 6 mit einem Referenzwertspeicher 8 verbunden, in dem Referenzwerte abgespeichert sind. Der Prozessor 6 vergleicht zu unterschiedlichen Bearbeitungsvorgängen im Referenzwertspeicher 8 abgelegte Referenzwerte mit Schallmesswerten, die vom Schallsensor 4 in geeigneter Form über die erste Messeinrichtung 5 als Messdaten zum Prozessor 6 übertragen werden. Der Prozessor 6 wertet die erhaltenen Messdaten in Bezug auf die zugehörigen Referenzwerte aus und stellt dabei fest, ob festgestellte Messwertabweichungen innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegen. Ob beispielsweise die Amplitude und/oder die Frequenz der vom Schallsensor 4 ermittelten Schallmesswerte innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegen. Stellt der Prozessor 6 dabei unzulässige Messwertabweichungen fest, so wird ein entsprechender Hinweis an einer Anzeigeeinrichtung 9 angezeigt.
Im Referenzwertspeicher 8 sind auch Referenzwerte abgespeichert, die unmittelbar die Bearbeitungsmaschine 3 betreffen, die beispielsweise die Stromaufnahme, die Drehzahl und andere Maschinendaten betreffen können. Die zweite Messeinrichtung 7 übermittelt in geeigneter Form entsprechende Messdaten an den Prozessor 6 der diese mit zugehörigen Referenzwerten, die im Referenzwertspeicher 8 abgelegt sind, vergleicht und auswertet.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt, wie mehrere in 1 dargestellte Bearbeitungsabschnitte während eines Bearbeitungsvorgangs an einem Bauteil überwacht werden können. Die dabei mittels eines Schallsensors 4 ermittelten Schallmesswerte charakterisieren die akustische Qualität des Bauteils direkt während des Bearbeitungsverfahrens und lassen durch einen Vergleich mit Referenzwerten eine Aussage darüber zu, ob die akustische Qualität des fertig hergestellten Bauteils, nachdem es sämtliche Bearbeitungsprozesse durchlaufen hat, den akustischen Qualitätsanforderungen entsprechen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/051954 A2 [0004]

Claims

Verfahren zur Beurteilung der akustischen Qualität eines Bauteils (1), insbesondere einer Bremsscheibe eines Kraftfahrzeugs, bei dem von dem Bauteil abgestrahlte Schallemissionen gemessen und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass während einer maschinellen Bearbeitung des noch im Herstellungsprozess befindlichen Bauteils (1) den Bearbeitungsprozess charakterisierende Schallmesswerte ermittelt und mit abgespeicherten Referenzwerten verglichen werden, und dass aus diesem Vergleich eine vorausschauende Beurteilung der akustischen Qualität des fertigen Bauteils (1) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzwerte aus Schallmesswerten ermittelt werden, die bei maschinellen Bearbeitungsvorgängen bei Bauteilen (1) ermittelt wurden, die zu fertigen Bauteilen (1) gehören, deren akustische Qualität innerhalb eines bezüglich Amplitude und/oder Frequenz vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelte Schallmesswerte bei an Bauteilen (1) ausgeführten Bearbeitungsvorgängen, wie Drehen und/oder Fräsen und/oder Bohren und/oder Schleifen, ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bearbeitungsvorgängen an Bremsscheiben die Schallmesswerte und die zugehörigen Referenzwerte wenigstens teilweise auch bei einer spanenden Bearbeitung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schallmesswerte und zugehörige Referenzwerte an Bearbeitungspositionen ermittelt werden, an denen Änderungen des jeweiligen Bearbeitungsvorgangs erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schallmesswerte und zugehörige Referenzwerte beim Werkzeugeingriff am Bauteil (1) und/oder bei einer Vorschubänderung und/oder beim Werkzeugauslauf und/oder bei gleichförmigen Bearbeitungsvorgängen ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während unterschiedlicher Bearbeitungsvorgänge die zugehörigen Messdaten der Bearbeitungsmaschine, wie Stromaufnahme und Motordrehzahl, mit abgespeicherten Referenzwerten verglichen werden, und dass bei einer unzulässigen Abweichung der Messdaten von abgespeicherten Referenzwerten eine Fehlermeldung erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein an einer Bearbeitungsmaschine (3) angeordneter Schallsensor (4) die gemessenen Schallmesswerte über eine erste Messeinrichtung (5) einem Prozessor (6) übermittelt, der mit einem Referenzwertspeicher (8) korrespondiert und einen Vergleich der Schallmesswerte mit im Referenzwertspeicher (8) abgelegten Referenzwerten vornimmt und das Ergebnis wenigstens bei Auftreten einer unzulässigen Abweichung anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Messeinrichtung (7) von der Bearbeitungsmaschine (3) erhaltene Maschinendaten, die das laufende Bearbeitungsverfahren kennzeichnen, an den Prozessor (6) zur Auswertung übermittelt.