DE102014224778A1

DE102014224778A1 - Werkzeug mit präventiver Bruch-, Ausbruch-, Riss- und Verschleißerkennung

Info

Publication number: DE102014224778A1
Application number: DE102014224778.0A
Authority: DE
Inventors: Jose Augustin-Paya; Hans-Jürgen Schreiner; Reiner Bindig
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2015-06-11
Also published as: US20170052530A1; CN105939816A; WO2015082542A1; EP3077154A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Zerspanungswerkzeuges, welches in der Zerspanung von hauptsächlich metallischen Werkstoffen verwendet wird, mit einem Schneidwerkzeug, wobei die Schnittkraft, die Vorschubkraft und die Passivkraft. bei der Bearbeitung eingestellt werden und mit Sensoren zur Messung von Kräften. Damit die Bearbeitung 2 bis 60 Sekunden, vorzugsweise 2 bis 10 Sekunden vor dem Ausfall des Schneidkörpers gestoppt werden kann wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Sensoren zumindest eine der genannten Kräfte während der Bearbeitung kontinuierlich erfassen und bei Auftreten einer plötzlichen Reduzierung der erfassten Kraft die Bearbeitung gestoppt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Zerspanungswerkzeuges, welches in der Zerspanung von hauptsächlich metallischen Werkstoffen verwendet wird, mit einem Schneidwerkzeug, wobei die Schnittkraft, die Vorschubkraft und die Passivkraft. bei der Bearbeitung eingestellt werden und mit Sensoren zur Messung von Kräften.
Das Zerspanungswerkzeug weist eine Aufnahmeausnehmung mit Sitzwänden, zur Aufnahme eines Schneidkörpers auf, wobei der Schneidkörper mit Befestigungsmitteln verankert ist. Die Befestigungsmittel sind Schrauben, Keile oder Spannpratzen, die den Schneidkörper in die Aufnahmeausnehmung ziehen, so dass der Schneidkörper an den Sitzwänden anliegt. Die Schneidkörper können aber auch mit einem Grundkörper verbunden sein, wie z.B. durch Löten, Kleben oder ähnliche feste Verbindungen.
Die Schneidplatten, meist Wendeschneidplatten bestehen bevorzugt aus einer Keramik oder aus CBN-haltigen Werkstoffen. CBN steht für kubisches Bornitrid. Auch andere Hartstoffe können zum Einsatz kommen.
Während der Zerspanung verschleißt nach gewisser Zeit die eingesetzte Schneidecke des Schneidkörpers. Nach einer definierten Standmenge, d. h. Bearbeitungsmenge, wird der Schneidkörper gewechselt, bzw. wird mit einer anderen Schneidecke des Schneidkörpers die Bearbeitung fortgesetzt bis alle zur Verfügung stehenden Schneidecken verbraucht sind. Gefährlich ist es, wenn der Schneidkörper bei der Bearbeitung bricht und einzelne Teile mit extrem hoher Geschwindigkeit weggeschleudert werden, oder gar in das zu bearbeitende Bauteil hinein gepresst werden. Dies kann zu einer Zerstörung des Werkstücks oder des Zerspanungswerkzeuges führen. Dies gilt es zu vermeiden.
Aus der EP 1 984 142 B1 ist es bekannt, mit piezokeramischen Sensoren die auf den Schneidkörper oder seinem Halter ausgeübten Druck-, Zug- und Scherkräfte zu messen und die Bearbeitung so zu steuern, dass Schäden durch Überlastung verhindert werden. Dabei werden Grenzwerte für die Kräfte vorgegeben, bei deren Überschreitung in die Bearbeitung eingegriffen wird. Von Nachteil ist hierbei, dass die Bearbeitung sehr oft viel zu früh gestoppt wird, da die Grenzwerte mit einem nicht zu vernachlässigbaren Sicherheitsabstand vorgegeben sind, um auf jeden Fall Schäden zu vermeiden.
Die Erfindung beschreibt ein Werkzeug mit präventiver Bruch-, Ausbruch-, Riss- und Verschleißerkennung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, dass die Bearbeitung 2 bis 60 Sekunden, vorzugsweise 2 bis 10 Sekunden vor dem Ausfall des Schneidkörpers gestoppt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.
Dadurch, dass die Sensoren zumindest eine der genannten Kräfte während der Bearbeitung kontinuierlich erfassen und bei Auftreten einer plötzlichen Reduzierung der erfassten Kraft die Bearbeitung gestoppt wird, wird unmittelbar vor dem Ausfall des Schneidkörpers die Bearbeitung gestoppt.
Es hat sich bei den bisherigen Schneidversuchen ergeben, dass eine gewisse Zeit bevor die Schneide bzw. der Schneidkörper ausbricht eine plötzliche Kräftereduzierung stattfindet. Das Gefüge des Schneidkörpers scheint kurz vor dem Bruch zu ermüden, was sich durch Nachgeben und damit Kräftereduzierung bemerkbar macht.
Dieser "Knick" im Kräfteverlauf findet immer und zuverlässig statt, so das dieser "Knick" als das Signal angesehen werden kann, welches kurz vor dem Bruch des Schneidkörpers auftritt. Wenn dieses auftritt, muss sofort die Bearbeitung unterbrochen werden und eine andere Schneide bzw. anderer Schneidkörper verwendet werden.
Dieses Signal ist in allen 3 Kraftkomponenten erkennbar, d.h. bei der Schnittkraft, Vorschubkraft und der Passivkraft.
Bevorzugt werden als Sensoren piezoelektrische Kraftaufnehmer oder Körperschallsensoren verwendet. Körperschallsensoren sind vom Preis her günstiger als piezoelektrische Kraftaufnehmer. Piezoelektrische Kraftaufnehmer sind extrem zuverlässig und in der Genauigkeit der Messung von Vorteil.
Die Auswertung der Kraftsignale erfolgt bevorzugt bei einer Frequenz von 1 Hz bis ca. 1 MHz, besonders bevorzugt bei einer Frquenz von 100 Hz bis 100 kHz. In diesen Frequenzbereichen wurden die besten Ergebnisse erzielt.
Die gemessenen Spannungssignale werden vorzugsweise mit einem Ladungsverstärker ausgewertet.
Das Zerspanungswerkzeug kann statisch sein = Drehen, Stechen, Profilieren, Räumen oder entsprechend artverwandt sein. Das Zerspanungswerkzeug kann aber auch rotierend sein = Fräsen, Bohren, Reiben, Aufbohren oder entsprechend artverwandt.
Das Zerspanungswerkzeug kann sowohl mit auswechselbarer Schneide, auch Wendeplattenwerkzeug genannt, ausgelegt sein als auch als Monowerkzeug (Vollmaterial-Werkzeug). Das Monowerkzeug kann komplett aus einem Material bestehen als auch aus mehreren Materialien, die miteinander verbunden sind wie z.B. gelötet. Der schneidende Teil des Werkzeugs kann aus verschiedenen Schneidstoffen bestehen, wie z.B.: Hartmetall, Cermet, Keramik, CBN, PKD sowie evtl. künftig entwickelten Schneidstoffen und außerdem als unbeschichtet und/oder beschichteten Ausführung.
Durch die präventive Erkennung des Werkzeugausfalls sollen vor allen Dingen Ausschusskosten und generell Fertigungs- und Prozesskosten bei Anwendern aus den verschiedensten Industriezweigen reduziert werden (z.B.: Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt-Industrie, Formen- und Gesenkbau, allgemeiner Maschinenbau, Wälzlagerindustrie, etc.)
Um dieses Ziel zu erreichen, werden Sensoren in das jeweilige Werkzeug eingelassen, die während des Zerspanvorgangs die Belastungsfaktoren aufnehmen und in Signale umwandeln. Aus der Vielzahl der Signale wird ebenfalls während des Zerspanungsvorgangs das charakteristische Signal, welches den baldigen Ausfall der Schneide erkennt gefiltert und als Warnsignal genutzt. Mit diesem genannten Warnsignal kann man z.B. das Ausschalten der Werkzeugmaschine und/oder das Nutzen eines sogenannten Schwesterwerkzeugs (Ersatzwerkzeug) eingeleitet werden. Das Warnsignal kann aber auch für vielseitigen Zwecke genutzt werden.
Ferner kann das Werkzeug das Warnsignal mittels einer Kabelverbindung mit der Steuerungseinheit übertragen, vorzugsweise jedoch auf kabelloser Art. Dieses kann durch das Nutzen diverser Funktechnologien geschehen.
Das Filtern der Warnsignale wird derart vollzogen, dass die Einsatzbedingungen des Prozesses, sowie sonstige Randbedingungen die mittelbar- oder unmittelbar am Prozess beteiligt sind keine Rolle spielen. (z.B.: Schnittgeschwindigkeit, Schnittiefe, Vorschub, mit oder ohne Kühlschmierstoff, Hochdruckkühlung, umher fliegende Späne, Schwingungen, etc.) Das Werkzeugsystem soll sowohl als in einer Werkzeugmaschine integriertes System, als auch unabhängig voneinander Anwendung finden. Als sekundäre Nutzung des Werkzeugsystems kann die Analyse des allgemeinen Schneidverhaltens von Zerspanungswerkzeuge angesehen werden.
Die Erfindung betrifft auch ein sensorisches Werkzeug ganz allgemein.

a) Das Werkzeug kann beispielsweise piezoelektrische Kraftaufnehmer enthalten, die die verschiedenen Kraftkomponenten getrennt voneinander erfasst.
b) Die Auswertung der Kraftsignale erfolgt von 1Hz bis ca. 1MHz, bevorzugt im Bereich 100Hz–100kHz.
c) die erzeugten Spannungssignale werden mit einem Ladungsverstärker ausgewertet.
– Die eingebauten Sensoren nehmen die Schnittkräfte während des Spanungsprozesses auf.
– Hierdurch werden Kräfte- und Schwingungssignale erzeugt und durch ein entsprechendes, elektronischen Aparaturaufbau analysiert.
– Aufgabe der Signal-/Datenanalyse ist es, aus der Vielzahl der Signale, ein Signal zu filtern, bzw. zu identifizieren welches charakteristisch und im Wesentlichen immer gleich ausfällt, so das dieses Signal als das Zuständige erkannt wird, aus dem man eine zum späteren Zeitpunkt auftretende Beschädigung der Schneide schon bevor die Beschädigung eintritt verhindern kann.
– In erster Linie sollen Werkzeuge für die Dreh- und Stechbearbeitung (auch statische Werkzeuge genannt) mit auswechselbaren Schneideinsetzen ausgestattet werden, sowie Werkzeuge ohne auswechselbaren Schneidkörpern (statisch und rotierend, auch Monowerkzeuge genannt). Aber es ist auch denkbar und Gegenstand dieser Anmeldung, dass auch rotierende Werkzeuge, mit mehreren Schneideinsetzen (Fräser, Bohrer, Senker, etc.) ausgestattet werden.

In der Zerspanung haben wir es immer mit 3 Kraftkomponenten zu tun (Schnittkraft, Vorschubkraft und Passivkraft). Diese Kraftkomponenten werden von den Sensoren während der Bearbeitung erfasst und kontinuierlich festgehalten. Hinzu kommen auch Schwingungen zum Tragen, die vom System ebenfalls erfasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1984142 B1 [0005]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Zerspanungswerkzeuges, welches in der Zerspanung von hauptsächlich metallischen Werkstoffen verwendet wird, mit einem Schneidwerkzeug, wobei die Schnittkraft, die Vorschubkraft und die Passivkraft. bei der Bearbeitung eingestellt werden und mit Sensoren zur Messung von Kräften, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zumindest eine der genannten Kräfte während der Bearbeitung kontinuierlich erfassen und bei Auftreten einer plötzlichen Reduzierung der erfassten Kraft die Bearbeitung gestoppt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren piezoelektrische Kraftaufnehmer oder Körperschallsensoren verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Kraftsignale bei einer Frequenz von 1 Hz bis ca. 1 MHz, bevorzugt bei einer Frquenz von 100 Hz bis 100 kHz erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Spannungssignale mit einem Ladungsverstärker ausgewertet werden.