-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Prüfung von tribologischen Eigenschaften von Materialien zur spanabhebenden Bearbeitung.
-
Aus der europäischen Patentanmeldung
EP 0 321 599 A1 geht eine Anordnung zur Messung von Zerspanungskräften bei Werkzeugmaschinen hervor, wobei ein Dynamometer eingesetzt wird, das in einem Basisteil eines modular aufgebauten Werkzeughalters zur Eingriffnahme mit einem Schneidwerkzeug integriert ist. Mit dieser Anordnung sind unmittelbar Zerspanungskräfte bei der zerspanenden Bearbeitung messbar. Dagegen sind tribologische Eigenschaften von Materialien zur spanabhebenden Bearbeitung auf diese Weise kaum untersuchbar. Hierfür sind vielmehr typischerweise aufwendige Modellprüfstände vorgesehen, die unflexibel und sehr kostspielig sind. Dabei können Rahmenbedingungen, wie beispielsweise das verwendete Kühlmittel oder eine gleichbleibende oder auch kontinuierlich steigende Prüfkraft bei abrasivem Verhalten, kaum an reale Zerspanungsbedingungen angepasst werden. Die Messdatenerfassung beschränkt sich auf Prüf- oder Reibkräfte. Alternativ oder zusätzlich ist es manchmal möglich, auch die Temperatur der Materialien zu bestimmen. Eine Temperierung von Untersuchungsobjekten, wie insbesondere Werkzeugen und Werkstoffen, ist bis auf den Schmierstoff nicht möglich. Solche herkömmlichen Prüfstände bedingen einen hohen Ressourceneinsatz, kostspielige Proben und lange Rüstzeiten.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen von tribologischen Eigenschaften von Materialien zur spanabhebenden Bearbeitung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
-
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Prüfen von tribologischen Eigenschaften von Materialien zur spanabhebenden Bearbeitung geschaffen wird, welches folgende Schritte aufweist: Ein Rotationsdynamometer wird an einer Maschinenspindel einer Werkzeugmaschine bereitgestellt, insbesondere dort angeordnet. Eine erste Werkstoffprobe wird an der Maschinenspindel so angeordnet, dass die erste Werkstoffprobe durch die Maschinenspindel drehbar ist. Eine zweite Werkstoffprobe wird an einer – insbesondere in axialer Richtung gesehen der Maschinenspindel gegenüberliegend angeordneten – Probenaufnahme angeordnet, und es wird eine bestimmte Prüfkraft – in axialer Richtung gesehen – zwischen der ersten Werkstoffprobe und der zweiten Werkstoffprobe aufgebracht, wobei die erste und die zweite Werkstoffprobe insbesondere unmittelbar in berührendem Kontakt miteinander sind. Die erste Werkstoffprobe wird relativ zu der zweiten Werkstoffprobe mit und von der Maschinenspindel gedreht, und mit dem Rotationsdynamometer wird wenigstens ein Reibparameter zwischen der ersten Werkstoffprobe und der zweiten Werkstoffprobe während des Drehens erfasst. Das hier vorgeschlagene Verfahren weist Vorteile in Hinblick auf den Stand der Technik auf. Insbesondere können in relativ einfacher Weise tribologische Untersuchungen für Zerspanungswerkzeuge und insbesondere Zerspanungswerkstoffe derart durchgeführt werden, dass sie dem Realprozess angenähert sind, insbesondere indem für die tribologische Untersuchung die Maschinenspindel einer Werkzeugmaschine verwendet wird, sodass Bedingungen vorliegen, unter denen mit Hilfe vieler Untersuchungsparameter, wie beispielsweise Prüfkraft, Temperatur, Reibkraft und dergleichen, ein Analogieversuch möglich ist, der dem Realprozess möglichst nahe kommt. Es bedarf dabei keines separaten Modellprüfstands, vielmehr kann eine Werkzeugmaschine – insbesondere durch Anordnen des Rotationsdynamometers an der Maschinenspindel sowie durch Bereitstellen der Probenaufnahme für die zweite Werkstoffprobe – derart ausgerüstet oder umgerüstet werden, dass sie als Realbedingungen abbildender Prüfstand für die tribologischen Untersuchungen verwendet werden kann. Es erfolgt demnach bevorzugt eine Prüfstandsintegration in bestehende oder auch beliebige konventionelle Bearbeitungszentren, was eine kostengünstige Lösung darstellt, insbesondere da kein eigener Antrieb notwendig ist. Vielmehr übernimmt die Maschinenspindel der Werkzeugmaschine den Antrieb. Es entsteht so ein einfach aufgebauter, flexibler und kostengünstiger Prüfstand, wobei keine separaten Maschinenantriebe oder -kapselungen notwendig sind. Tribologie-Untersuchungen auf konventionellen Bearbeitungszentren werden möglich. Für die tribologischen Untersuchungen können auch Vorschubachsen der Werkzeugmaschine, insbesondere lineare Fahrbewegungen in x-, y- und z-Richtung, genutzt werden. Weiterhin können Spannvorrichtungen sowie Kapselungen der Werkzeugmaschine verwendet werden.
-
Da das Rotationsdynamometer an der Maschinenspindel angeordnet ist, können Reibmomente direkt an einem Probenhalter für die erste Werkstoffprobe erfasst werden.
-
Unter tribologischen Eigenschaften werden hier insbesondere Reibungs- und/oder Verschleißeigenschaften verstanden, also insbesondere Reibwerte, ein Verschleißverhalten, und dergleichen.
-
Unter Materialien zur spanabhebenden Bearbeitung werden insbesondere Materialien verstanden, die geeignet und/oder eingerichtet sind, um zur spanabhebenden Bearbeitung, insbesondere als Schneidwerkstoffe, die kurz auch als Schneidstoffe bezeichnet werden, als Substrate für Schneidstoffe, als Beschichtung für Schneidstoffe oder dergleichen verwendet zu werden.
-
Als erste Werkstoffprobe wird vorzugsweise ein Material zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken verwendet, insbesondere ein Werkstoff eines Werkzeugs, beispielsweise ein Schneidstoff. Als zweite Werkstoffprobe wird vorzugsweise ein zu bearbeitender – insbesondere zu zerspanender – Werkstoff verwendet. Wird als erste Werkstoffprobe ein Material zur spanabhebenden Bearbeitung und als zweite Werkstoffprobe ein zu bearbeitender Werkstoff verwendet, können mit Hilfe des hier vorgeschlagenen Prüfstandes insbesondere unterschiedliche Substrate, Beschichtungen, Schichthaftungen, und/oder Oberflächentopographieeinflüsse der Beschichtung der ersten Werkstoffprobe im Reibprozess an der zweiten Werkstoffprobe untersucht werden.
-
Als erste Werkstoffprobe kann auch ein Material verwendet werden, welches als Prüfmaterial zur Untersuchung von tribologischen Eigenschaften eines Materials zur spanabhebenden Bearbeitung geeignet ist. Als zweite Werkstoffprobe wird in diesem Fall vorzugsweise ein Material zur spanabhebenden Bearbeitung verwendet. Dessen tribologischen Eigenschaften können dann im Rahmen des Verfahrens durch das Zusammenwirken des Prüfmaterials der ersten Werkstoffprobe und des zu untersuchenden Materials der zweiten Werkstoffprobe untersucht werden. Besonders bevorzugt weist dabei die erste Werkstoffprobe bekannte tribologische Eigenschaften auf.
-
Diese können gegebenenfalls in einer separaten tribologischen Untersuchung ermittelt werden.
-
Unter einer axialen Richtung wird hier insbesondere eine Richtung verstanden, die sich parallel zu einer Rotationsachse der Maschinenspindel erstreckt. Die axiale Richtung ist also insbesondere die Richtung einer Drehachse der Maschinenspindel. Unter einer radialen Richtung wird eine Richtung verstanden, die senkrecht auf der axialen Richtung steht und diese schneidet. Unter einer Umfangsrichtung wird eine Richtung verstanden, welche die axiale Richtung konzentrisch umgreift.
-
Unter einem Reibparameter wird insbesondere ein Parameter verstanden, der mittels des Rotationsdynamometers erfassbar ist. Dabei kann es sich insbesondere um eine Reibkraft, ein Reibmoment, insbesondere ein Reibdrehmoment, sowie vorzugsweise die axiale Prüfkraft zwischen der ersten Werkstoffprobe und der zweiten Werkstoffprobe handeln.
-
Das Rotationsdynamometer wird insbesondere derart an der Maschinenspindel angeordnet, dass wenigstens ein Reibparameter, bevorzugt das Reibmoment und die Prüfkraft, während des Drehens der Werkstoffproben relativ zueinander und während des Aufbringens der bestimmten Prüfkraft erfasst werden kann/können.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Temperatur der ersten Werkstoffprobe erfasst wird. Dies erfolgt bevorzugt mittels eines an der ersten Werkstoffprobe angeordneten Thermoelements. Die Temperatur kann während der tribologischen Untersuchung zusätzliche Auskünfte über das Verhalten der ersten und/oder der zweiten Werkstoffprobe geben.
-
Zusätzlich oder alternativ wird bevorzugt eine Temperatur der zweiten Werkstoffprobe erfasst. Dies erfolgt bevorzugt mittels eines an der zweiten Werkstoffprobe angeordneten Thermoelements. Insbesondere auch die Temperatur der zweiten Werkstoffprobe kann während der tribologischen Untersuchung Aufschlüsse über deren Eigenschaften geben.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Werkstoffprobe mit einem Kühlmedium beaufschlagt, vorzugsweise gekühlt wird. Dabei können sowohl Eigenschaften der zweiten Werkstoffprobe durch gezielte Kühlung sowie auch Eigenschaften des Kühlmediums selbst untersucht werden. Insbesondere können spezielle Kühlkonzeptvarianten untersucht werden, beispielsweise zur Einstellung einer Kühlschmierstoff-Wirkstelle und/oder einer Zirkulation des Kühlmediums.
-
Bevorzugt dient das Kühlmedium zumindest in erster Linie nicht dem Kühlen der zweiten – oder auch der ersten – Werkstoffprobe. Vielmehr werden vorzugsweise das Kühlmedium selbst und sein Verhalten untersucht, insbesondere dessen Kühleigenschaften, also wie gut es Wärme von zumindest der zweiten Werkstoffprobe abführen kann, und/oder dessen Schmiereigenschaften, insbesondere im Vergleich zu anderen Schmierstoffen oder Schmierstoffsorten. Letzteres kann insbesondere durch die Untersuchung von Reibkoeffizienten ermittelt werden.
-
Besonders bevorzugt werden gegenseitige Einflüsse der ersten und zweiten Werkstoffprobe sowie des Kühlmediums, insbesondere das Zusammenwirken und Wechselwirkungen der untersuchten Komponenten ermittelt.
-
Bevorzugt wird die zweite Werkstoffprobe mit einem temperierten Kühlmedium beaufschlagt. Dadurch können definierte Bedingungen bei der Bearbeitung eingestellt werden, indem das Kühlmedium eine definierte Temperatur erhält.
-
Es ist möglich, dass die erste und/oder die zweite Werkstoffprobe während der triobologischen Untersuchung temperiert wird/werden. Dies kann zum einen über eine Beaufschlagung mit einem temperierten Kühlmedium geschehen, zum anderen aber auch über direktes Temperieren, beispielsweise mit einem thermoelektrischen Element oder dergleichen, wobei definierte Temperaturbedingungen an wenigstens einer der Werkstoffproben bereitgestellt werden können.
-
Die Beaufschlagung der zweiten Werkstoffprobe mit Kühlmedium erfolgt gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens durch Umströmen der zweiten Werkstoffprobe mit Kühlmedium. In einer besonders einfachen Variante ist es dabei möglich, dass die zweite Werkstoffprobe während der Untersuchung in ein Kühlmedium eingetaucht ist. Es ist aber auch möglich, dass das Kühlmedium aktiv um die zweite Werkstoffprobe zirkuliert wird, insbesondere indem ein beständiger Kühlmedienstrom um die zweite Werkstoffprobe erzeugt wird.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die zweite Werkstoffprobe mit Kühlmedium beaufschlagt wird, indem Kühlmedium durch die zweite Werkstoffprobe geleitet wird. Hierzu weist die zweite Werkstoffprobe dann bevorzugt spezielle Kühlmedien-Führungsausnehmungen auf – beispielsweise Nuten und/oder Bohrungen –, die insbesondere durch eine vorangehende Fräs- und/oder Bohrbearbeitung der zweiten Werkstoffprobe in diese eingebracht werden können. Die Probenaufnahme für die zweiten Werkstoffprobe weist in diesem Fall bevorzugt wenigstens eine Zuleitung für Kühlmedium zu der zweiten Werkstoffprobe, insbesondere zu einem Inneren der zweiten Werkstoffprobe, auf. Außerdem weist sie bevorzugt wenigstens eine Ableitung für Kühlmedium aus der zweiten Werkstoffprobe heraus auf. Alternativ kann das Kühlmedium aber auch aus der zweiten Werkstoffprobe direkt in die Probenaufnahme gelangen, ohne dass eine spezifische Ableitung vorgesehen ist.
-
Als Kühlmedium wird bevorzugt ein Kühlschmierstoff verwendet, insbesondere ein Kühlschmierstoff, der auch im realen Prozess bei der spanabhebenden Bearbeitung zum Einsatz kommt.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine weitere Eigenschaft während der Untersuchung erfasst wird, wobei die wenigstens eine weitere Eigenschaft ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Kühlmedien-Temperatur, einem Schwingungsverhalten wenigstens einer der ersten und zweiten Werkstoffprobe und/oder des Systems aus der ersten Werkstoffprobe und der zweiten Werkstoffprobe, und einer Geräuschentwicklung. Auf diese Weise kann eine große Bandbreite messtechnischer Datenerfassungen durchgeführt werden, wobei insbesondere neben Reibkräften und Temperaturen auch eine Geräuschentwicklung erfasst und eine Schwingungsanalyse durchgeführt werden kann.
-
Die bestimmte Prüfkraft, die in axialer Richtung zwischen der ersten Werkstoffprobe und der zweiten Werkstoffprobe aufgebracht wird, wird bevorzugt fortwährend während der Untersuchung gesteuert oder geregelt, besonders bevorzugt ist eine kontinuierliche Prüfkraftregelung vorgesehen. Durch eine kontinuierliche Prüfkraftregelung kann auch trotz eines stark abrasiven Verschleißes einer Werkstoffprobe eine gleichbleibende Prüfkraft aufgebracht werden.
-
Insgesamt können mit dem Verfahren verschiedene Kühlkonzeptvarianten, eine kontinuierliche Prüfkraftregelung und eine Vielzahl von Messdaten auf reale Prozesse übertragen werden, wobei eine Reduzierung von realen Versuchsreihen auf ein Minimum möglich ist. Es ergibt sich außerdem ein minimaler Einsatz von Ressourcen.
-
Insgesamt ergibt sich eine flexible und einfache Konstruktion für Reibungs-, Temperatur-, Schwingungs-, Geräusch- und Verschleißeigenschaftsuntersuchungen zur Optimierung von spanabhebenden Werkzeugen bei signifikanter Verringerung des Einsatzes von Ressourcen wie Zeit, Kosten von Arbeit, Anzahl von Maschinen, Material, Werkzeugherstellung, Energie und dergleichen, sowie eine Steigerung der Analogieversuchsanzahl. Die möglichst enge Annäherung an den Realprozess und insbesondere eine Analogie der Messergebnisse zu dem Realprozess ist insbesondere durch Verwendung der Werkzeugmaschine und ihrer Maschinenspindel möglich. Die Aussagekraft der mithilfe des Verfahrens erzielten Versuchsergebnisse ist deutlich höher als diejenige von bisherigen, mittels kompletter Tribologieprüfmaschinen erzielten Ergebnissen, die separat von realen Bearbeitungszentren gewonnen wurden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als erste Werkstoffprobe ein Material zur spanabhebenden Bearbeitung verwendet wird, insbesondere ein Werkstoff eines Werkzeugs, beispielsweise ein Schneidstoff, wie etwa ein Hartmetall, kubisches Bornitrid (CBN), eine Keramik oder dergleichen. Die erste Werkstoffprobe kann auch beschichtet sein, beispielsweise mit einer Titan- oder Al2O3-Beschichtung.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als zweite Werkstoffprobe ein zu bearbeitender – insbesondere zu zerspanender – Werkstoff verwendet wird, beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, Stahl, eine nickelbasierte Legierung, oder dergleichen.
-
Wird als erste Werkstoffprobe ein Material zur spanabhebenden Bearbeitung und als zweite Werkstoffprobe ein zu bearbeitender Werkstoff verwendet, können mit Hilfe des hier vorgeschlagenen Prüfstandes insbesondere unterschiedliche Substrate, Beschichtungen, Schichthaftungen, und/oder Oberflächentopographieeinflüsse der Beschichtung der ersten Werkstoffprobe im Reibprozess an der zweiten Werkstoffprobe untersucht werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass als erste Werkstoffprobe ein Hartmetalleinsatz verwendet wird. Dieser eignet sich zum Beispiel in besonderer Weise insbesondere als Referenzmaterial zur Prüfung weiterer Materialien zur spanabhebenden Bearbeitung. Es ist insbesondere möglich, dass als erste Werkstoffprobe ein Prüfkörper verwendet wird.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass als zweite Werkstoffprobe ein Schneidstoff, ein Schneidstoffsubtrat oder eine Schneidstoffbeschichtung für die spanabhebende Bearbeitung von Werkstücken verwendet wird. Insbesondere solche Materialien zur spanabhebenden Bearbeitung können – gerade in Kombination mit einem Hartmetalleinsatz als erste Werkstoffprobe – in geeigneter Weise mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren tribologisch untersucht werden.
-
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Vorrichtung zur Prüfung von tribologischen Eigenschaften von Materialien zur spanabhebenden Bearbeitung geschaffen wird, welche eine Werkzeugmaschine mit einer Maschinenspindel aufweist, wobei an der Maschinenspindel ein Rotationsdynamometer angeordnet ist. Das Rotationsdynamometer ist insbesondere derart an der Maschinenspindel angeordnet, dass die Erfassung von wenigstens einem Reibparameter im Betrieb der Maschinenspindel mittels des Rotationsdynamometers möglich ist. An der Maschinenspindel ist ein Probenhalter angeordnet, der eingerichtet ist zur Aufnahme einer ersten Werkstoffprobe. Der Probenhalter ist dabei mit und von der Maschinenspindel um eine Rotationsachse – die zugleich eine axiale Richtung vorgibt – drehbar. Die Vorrichtung weist eine – in axialer Richtung gesehen – der Maschinenspindel gegenüber angeordnete Probenaufnahme auf, wobei die Probenaufnahme eingerichtet ist zur Aufnahme einer zweiten Werkstoffprobe. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Verlagerungseinrichtung zur axialen Relativverlagerung der ersten Werkstoffprobe und der zweiten Werkstoffprobe relativ zueinander auf. Die Verlagerungseinrichtung ist eingerichtet, um eine bestimmte Prüfkraft zwischen der ersten Werkstoffprobe und der zweiten Werkstoffprobe einzustellen. In Zusammenhang mit der Vorrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
-
Bevorzugt wirkt die Verlagerungseinrichtung mit der Probenaufnahme zusammen, sie ist insbesondere bevorzugt eingerichtet, um die Probenaufnahme zu verlagern. Bevorzugt ist die Probenaufnahme hubbeweglich mittels der Verlagerungseinrichtung verlagerbar, insbesondere in axialer Richtung, wobei die bestimmte Prüfkraft zwischen der ersten Werkstoffprobe und der zweiten Werkstoffprobe in definierter Weise variierbar ist. Bevorzugt ist die bestimmte Prüfkraft steuerbar, besonders bevorzugt regelbar.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verlagerungseinrichtung einen pneumatischen, bevorzugt einen servopneumatischen, Antrieb aufweist. Alternativ ist es möglich, dass die Verlagerungseinrichtung einen hydraulischen Antrieb aufweist.
-
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verlagerungseinrichtung eine Kraftsteuerung aufweist, sodass sie eine kraftgesteuerte Relativverlagerung zwischen der ersten Werkstoffprobe und der zweiten Werkstoffprobe bewirken kann. Besonders bevorzugt weist die Verlagerungseinrichtung eine Kraftregelung auf, sodass sie eine kraftgeregelte Relativverlagerung zwischen der ersten Werkstoffprobe und der zweiten Werkstoffprobe bewirken kann. Auf diese Weise ist die bestimmte Prüfkraft insbesondere fortwährend während der gesamten tribologischen Untersuchung regelbar. Insbesondere mittels einer servopneumatischen Prüfkraftregelung ist auch noch bei stark abrasivem Verschleiß wenigstens einer der Werkstoffproben eine gleichbleibende Prüfkraft gewährleistbar.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Probenaufnahme topf- oder wannenförmig ausgebildet und mit einem Kühlmedium befüllbar ist. Die topfförmige Probenaufnahme weist dabei bevorzugt Wandungen auf, die sich bis zu einer höheren geodätischen Höhe erstrecken als ein Bereich zur Anordnung der zweiten Werkstoffprobe. Es ist demnach möglich, die zweite Werkstoffprobe in ein in der topfförmigen Probenaufnahme angeordnetes Kühlmedium vollständig einzutauchen. Es ist möglich, dass die Probenaufnahme lediglich eingerichtet ist, um das Kühlmedium zu halten, wobei sich ein Umströmen der zweiten Werkstoffprobe mit Kühlmedium in besonders einfacher Weise lediglich durch deren Eintauchen in das Kühlmedium ergibt. Alternativ ist es möglich, dass die Probenaufnahme eine Zirkulationseinrichtung für das Kühlmedium aufweist, insbesondere einen Kühlmedienzulauf sowie einen Kühlmedienablauf, sodass eine Kühlmedienströmung in der Probenaufnahme erzeugt werden kann, wobei die zweite Werkstoffprobe aktiv mit dem Kühlmedium umströmt wird. Insbesondere in diesem Fall ist es möglich, dass das Kühlmedium temperiert wird, sodass die zweite Werkstoffprobe stets mit einem Kühlmedium bei definierter Kühlmedientemperatur umströmt wird.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Probenaufnahme eine Zuleitung für Kühlmedium zu einem Inneren der zweiten Werkstoffprobe aufweist. Die zweite Werkstoffprobe weist dabei bevorzugt wenigstens eine Ausnehmung zur Kühlmediumführung, insbesondere eine Nut und/oder eine Bohrung, auf, wobei die Zuleitung der Probenaufnahme eingerichtet ist, um der wenigstens einen Aussparung der zweiten Werkstoffprobe Kühlmedium zuzuleiten. Die Probenaufnahme weist bevorzugt in analoger Weise auch eine Ableitung für Kühlmedium aus der zweiten Werkstoffprobe auf. Das Kühlmedium kann aber auch direkt aus der zweiten Werkstoffprobe in die Probenaufnahme abgeleitet werden. Die zweite Werkstoffprobe ist also bevorzugt mit Kühlmedium durchströmbar, sodass sie in besonders einfacher und zugleich besonders effizienter Weise mit – vorzugsweise temperiertem – Kühlmedium beaufschlagt werden kann.
-
Die Beaufschlagung der zweiten Werkstoffproben mit Kühlmedium ermöglicht es, Messergebnisse der tribologischen Untersuchung mit der Kühlmenge, Kühlart und Temperatur in Relation zu setzen.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens ein Thermoelement zur Erfassung der Temperatur der ersten Werkstoffprobe und/oder der zweiten Werkstoffprobe aufweist. Auf diese Weise kann direkt eine Temperaturmessung wenigstens einer Werkstoffprobe, vorzugsweise beider Werkstoffproben, erfolgen.
-
Es ist möglich, dass die Vorrichtung außerdem eine Temperaturmesseinrichtung zur Erfassung der Kühlmedientemperatur in der Probenaufnahme aufweist.
-
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits sowie der Vorrichtung andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Vorrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Vorrichtung erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung bedingt ist. Die Vorrichtung zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Prüfung von tribologischen Eigenschaften von Materialien zur spanabhebenden Bearbeitung.
-
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur Prüfung von tribologischen Eigenschaften von Materialien zur spanabhebenden Bearbeitung, wobei die Vorrichtung 1 eine Werkzeugmaschine 3 mit einer Maschinenspindel 5 aufweist, an der ein Rotationsdynamometer 7 derart angeordnet ist, dass Reibparameter mit dem Rotationsdynamometer 7 im Betrieb der Maschinenspindel 5 erfassbar sind. Dabei weist das Rotationsdynamometer 7 einen Dynamometer-Rotor 9, der mit der Maschinenspindel 5 drehbar ist, sowie einen Dynamometer-Stator 11, der relativ zu der Maschinenspindel 5 und zu dem Dynamometer-Rotor 9 raumfest angeordnet ist, auf.
-
An dem Rotor 9 ist außerdem ein Probenhalter 13 angeordnet, der eingerichtet ist zur Aufnahme einer ersten Werkstoffprobe 15. Der Probenhalter 13 ist dabei zugleich mit dem Rotor 9 mit der Maschinenspindel 5 und von der Maschinenspindel 5 um eine Rotationsachse A drehbar.
-
Der Maschinenspindel 5 – in axialer Richtung, das heißt entlang der Rotationsachse A gesehen – gegenüber ist eine Probenaufnahme 17 angeordnet, die eingerichtet ist zur Aufnahme einer zweiten Werkstoffprobe 19. Die Vorrichtung 1 weist außerdem eine der Probenaufnahme 17 zugeordnete Verlagerungseinrichtung 21 auf, die hier zur hubbeweglichen Verlagerung der Probenaufnahme 17 relativ zu der Maschinespindel 5 eingerichtet ist, wobei somit zugleich die erste Werkstoffprobe 15 und die zweite Werkstoffprobe 19 relativ zueinander axial verlagerbar sind. Die Verlagerungseinrichtung 21 ist außerdem eingerichtet, um eine bestimmte Prüfkraft – insbesondere gesteuert oder geregelt – zwischen der ersten Werkstoffprobe 15 und der zweiten Werkstoffprobe 19 einzustellen. Die Verlagerungseinrichtung 21 ist hier insbesondere als pneumatische und bevorzugt servopneumatische Verlagerungseinrichtung ausgebildet und weist insofern einen pneumatischen, insbesondere servopneumatischen Antrieb 23 auf.
-
Die Probenaufnahme 17 ist topf- oder wannenförmig ausgebildet und weist insoweit ein Inneres 25 auf, in dem ein Kühlmedium 27 anordenbar ist. Dabei ist die Probenaufnahme 17 so ausgebildet, dass die zweite Werkstoffprobe 19 submers, also untergetaucht, in dem Kühlmedium 27 anordenbar ist.
-
Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel der Probenaufnahme 17 weist einen Kühlmedienzulauf 29 sowie einen Kühlmedienablauf 31 auf, sodass eine Zirkulation des Kühlmediums 27 in dem Inneren 25 möglich ist. Die zweite Werkstoffprobe 19 kann somit aktiv von dem Kühlmedium 27 umströmt werden.
-
Bevorzugt ist eine hier nicht dargestellte Temperiereinrichtung vorgesehen, um das Kühlmedium 27 – insbesondere außerhalb der Probenaufnahme 17 – zu temperieren. Dabei kann insbesondere eine Temperatur des Kühlmediums 27 gesteuert oder geregelt werden.
-
Die zweite Werkstoffprobe 19 weist bevorzugt wenigstens eine Kühlmedienführungsaussparung 33, insbesondere in Form wenigstens einer Nut und/oder wenigstens einer Bohrung auf, durch welche Kühlmedium durch die zweite Werkstoffprobe 19 geführt werden kann.
-
Die Probenaufnahme 17 weist insoweit bevorzugt wenigstens eine Kühlmedienzuleitung 35 zu dem Inneren der zweiten Werkstoffprobe 19, insbesondere zu der Kühlmedienführungsaussparung 33, auf, um dem Inneren der zweiten Werkstoffprobe 19 Kühlmedium zuzuführen. Bevorzugt weist die Probenaufnahme 17 außerdem eine hier nicht dargestellte Kühlmedienableitung zur Abführung von Kühlmedium 27 aus dem Inneren der zweiten Werkstoffprobe 19, insbesondere aus der Kühlmedienführungsaussparung 33, auf. Somit ist Kühlmedium durch die zweite Werkstoffprobe 19 leitbar. Es ist auch möglich, dass das Kühlmedium 27 aus der Kühlmedienführungsaussparung 33 in das Innere 25 der Probenaufnahme 17 gelangt und von dort über den Kühlmedienablauf 31 abgeführt wird.
-
Es ist auch möglich, dass das Kühlmedium 27 ohne Zirkulation einfach in der Probenaufnahme 17 vorliegt. In diesem Fall können insbesondere der Kühlmedienzulauf 29 und der Kühlmedienablauf 31 eingespart oder geschlossen werden.
-
Der ersten Werkstoffprobe 15 und/oder der zweiten Werkstoffprobe 19 ist/sind bevorzugt Thermoelemente 34 zugeordnet, um deren Temperatur während der tribologischen Untersuchung erfassen zu können.
-
Die Vorrichtung 1 weist hier noch eine Linearführung 37 zur Führung der axialen Hubbewegung der Probenaufnahme 17 auf.
-
Mittels der Vorrichtung 1 ist die Durchführung eines Verfahrens zur Prüfung von tribologischen Eigenschaften von Materialien zur spanabhebenden Bearbeitung möglich, wobei insbesondere das Rotationsdynamometer 7 an der Maschinenspindel 5 der Werkzeugmaschine 3 angeordnet wird, wobei die erste Werkstoffprobe 15 – insbesondere in dem Probenhalter 13 – an der Maschinenspindel 5 angeordnet wird, sodass sie durch die Maschinenspindel 5 drehbar ist. Die zweite Werkstoffprobe 19 wird an der Probenaufnahme 17 angeordnet, und es wird schließlich mittels des servopneumatischen Antriebs 23 eine bestimmte Prüfkraft – in axialer Richtung gesehen – zwischen der ersten Werkstoffprobe 15 und der diese unmittelbar berührenden zweiten Werkstoffprobe 19 aufgebracht. Die erste Werkstoffprobe 15 und die zweite Werkstoffprobe 19 werden mittels der Maschinenspindel 5 relativ zueinander gedreht, wobei insbesondere die erste Werkstoffprobe 15 relativ zu der zweiten Werkstoffprobe 19 durch die Maschinenspindel 5 gedreht wird. Durch das Rotationsdynamometer 7 wird wenigstens ein Reibparameter, insbesondere ein Reibmoment und/oder die bestimmte Prüfkraft – erfasst. Vorzugsweise wird mittels der hierzu vorgesehenen Thermoelemente 34 eine Temperatur der ersten Werkstoffprobe 15 und/oder der zweiten Werkstoffprobe 19 erfasst. Die zweite Werkstoffprobe 19 wird insbesondere mit dem – vorzugsweise temperierten – Kühlmedium 27 gekühlt, insbesondere durch – aktives oder passives – Umströmen der zweiten Werkstoffprobe 19 mit dem Kühlmedium 27, und/oder indem das Kühlmedium 27 durch die zweite Werkstoffprobe 19 geleitet wird.
-
Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens wenigstens eine weitere Eigenschaft, ausgewählt aus einer Kühlmedien-Temperatur, einem Schwingungsverhalten und einer Geräuschentwicklung, erfasst.
-
Als erste Werkstoffprobe wird bevorzugt ein Material zur spanabhebenden Bearbeitung, insbesondere ein Schneidstoff, ein Schneidstoffsubstrat oder eine Schneidstoffbeschichtung für die spanende Bearbeitung von Werkstücken verwendet. Als zweite Werkstoffprobe wird bevorzugt ein zu bearbeitender Werkstoff verwendet.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht grundsätzlich folgendes vor: Das von der Maschinenspindel 5 angetriebene Rotationsdynamometer 7 mit dem Probenhalter 13 wird durch eine Fahrbewegung der Werkzeugmaschine 3 in z-Richtung – wobei auch die Maschinenspindel 5 bewegt werden kann – mit der zweiten Werkstoffprobe 19 in Kontakt gebracht. Über den servopneumatischen Antrieb 23 wird durch die in z-Richtung fahrbare Probenaufnahme 17 eine definierte Prüfkraft zwischen den sich berührenden Werkstoffproben 15, 19 aufgebracht. Die Probenaufnahme 17 kann mit dem Kühlmedium 27 gefüllt werden. Somit ist es möglich, die Reibungs- und Verschleißuntersuchungen mit oder ohne Kühlmedien-Einfluss durchzuführen. Es gibt auch die Option, das Kühlmedium 27 zirkulieren zu lassen. Hierfür sind insbesondere zwei Zirkulationsvarianten vorgesehen, die auch in Kombination miteinander vorgesehen sein können. Bei der ersten Zirkulationsvariante wird das Kühlmedium 27 der Probenaufnahme 17 durch den Kühlmedienzulauf 29 zugeführt, wobei es über den Kühlmedienablauf 31 wieder abgeführt wird. Bei der zweiten Variante wird das Kühlmedium 27 direkt an den Wirkort der Reibungs- und Verschleißuntersuchungen zugeführt. Hierfür ist die Kühlmedienzuleitung 35 vorgesehen. Für diese zweite Variante ist insbesondere eine spezielle Vorbereitung – insbesondere durch Fräs- und/oder Bohrbearbeitung – der zweiten Werkstoffprobe 19 notwendig. Dabei werden insbesondere Kühlmedienführungsaussparungen 33 an der zweiten Werkstoffprobe 19 vorgesehen. Die für tribologische Untersuchungen wesentlichen Messgrößen können mit dieser Konstruktion erfasst werden. Über das Rotationsdynamometer 7 wird insbesondere die Reibkraft erfasst. Die Prüfkraft kann insbesondere über den servopneumatischen Antrieb 23 – vorzugsweise kraftgeregelt – eingestellt werden. Ein Temperaturverlauf wird insbesondere mittels Thermoelementen 34 an zumindest der zweiten Werkstoffprobe 19 erfasst. Weitere Messgrößen können hinzutreten, wie beispielsweise die Erfassung der Kühlmedientemperatur, der Temperatur der ersten Werkstoffprobe 15, wobei insbesondere eine werkzeugseitige Temperaturmessung am Rotationsdynamometer 7 und/oder an dem Probenhalter 13 möglich ist, eine Schwingungsanalyse, eine Erfassung der Geräuschentwicklung, sowie eine Temperierung wenigstens einer der Werkstoffproben 15, 19 und/oder des Kühlmediums 27.
-
Insgesamt zeigt sich, dass mittels des hier vorgeschlagenen Verfahrens sowie der Vorrichtung 1 in relativ einfacher Weise ein Realprozess soweit wie möglich abgebildet werden kann, wobei eine flexible und kostengünstige Lösung bereitgestellt 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
-
