DE102022209160A1 - Method for determining a wear condition of a tool and device therefor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Werkzeugs (2) und/oder zumindest einer Schneide (3), wobei in einem Neuzustand des Werkzeugs (2) oder der zumindest einen Schneide (3) an zumindest einem Opferwerkstück (11, 21) eine Testmessung mit einer Testbearbeitung durchgeführt wird, wobei mittels zumindest einer Messeinrichtung mit zumindest einem Sensor (12) die Testbearbeitung überwacht wird und Messwerte der Testmessung in einem Speicher (13) speicherbar sind, wobei nach einer definierten Bearbeitung von Werkstücken (4) mittels des Werkzeugs (2) oder mittels der zumindest einen Schneide (3) zumindest eine weitere Testmessung mit einer Testbearbeitung an dem Opferwerkstück (11, 21) durchgeführt wird, welche von der Messeinrichtung mit dem zumindest einen Sensor (12) überwacht wird, wobei anhand der ermittelten Messwerte ein Verschleißzustand des Werkzeugs (2) und/oder der zumindest einen Schneide (3) bestimmt wird, , wobei das Werkzeug (2) in einer vordefinierten Vorschubrichtung (32) in einer vordefinierten Vorschubgeschwindigkeit relativ zu dem Opferwerkstück (11, 21) verfahren wird, wobei der Sensor (12) eine von dem Werkzeug (2) auf das Opferwerkstück (11, 21) ausgeübte Kraft aufnimmt, wobei die Richtung der aufgenommenen Kraft in einem vordefinierten Winkel zur Vorschubrichtung (32) ausgerichtet ist.The invention relates to a method for determining the state of wear of a tool (2) and/or at least one cutting edge (3), wherein when the tool (2) or the at least one cutting edge (3) is in a new condition, at least one sacrificial workpiece (11, 21) a test measurement is carried out with a test machining, the test machining being monitored by means of at least one measuring device with at least one sensor (12) and measured values of the test measurement being storable in a memory (13), wherein after a defined machining of workpieces (4) by means of the tool (2) or by means of the at least one cutting edge (3) at least one further test measurement with test machining is carried out on the sacrificial workpiece (11, 21), which is monitored by the measuring device with the at least one sensor (12), the measured values being determined a state of wear of the tool (2) and/or the at least one cutting edge (3) is determined, the tool (2) in ei ner predefined feed direction (32) is moved at a predefined feed rate relative to the sacrificial workpiece (11, 21), the sensor (12) absorbing a force exerted by the tool (2) on the sacrificial workpiece (11, 21), the direction the force absorbed is aligned at a predefined angle to the feed direction (32).
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustandes eines Werkzeugs, insbesondere eines Werkzeugs auf Hartmetallbasis, und eine Vorrichtung hierfür. Dabei weist das Werkzeug eine Schneide auf, deren Verschleißzustand mittels des Verfahrens bestimmt wird. Ist das Werkzeug ein mehrschneidiges Werkzeug, so wird der Verschleißzustand zumindest einer Schneide oder mehrerer Schneiden bestimmt, welche aktuell in einer einsatzbereiten Einstellung oder Position ist.The invention relates to a method for determining the state of wear of a tool, in particular a tool based on hard metal, and a device for this. The tool has a cutting edge whose state of wear is determined using the method. If the tool is a multi-edged tool, the state of wear of at least one cutting edge or multiple cutting edges is determined, which is currently in a ready-to-use setting or position.
Stand der TechnikState of the art
Zur Werkstückbearbeitung werden unter anderem Fräsprozesse mit Werkzeugen auf Hartmetallbasis eingesetzt. Bei Fräsprozessen im industriellen Umfeld wird mit einer definierten Schneide des Werkzeugs auf Hartmetallbasis im spanabhebenden Verfahren das Werkstück zerspant. Dabei wird ein geometrisch definierter Span bei der Zerspanung des Werkstücks erzeugt.Milling processes with hard metal-based tools are used, among other things, for machining workpieces. In milling processes in the industrial environment, the workpiece is machined with a defined cutting edge of the tool based on hard metal in a metal-cutting process. A geometrically defined chip is generated when the workpiece is machined.
Die eingesetzten Werkzeuge als auch die zu zerspanenden Werkstücke können dabei durchaus aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. The tools used and the workpieces to be machined can be made of very different materials.
Entsprechend entsteht eine Materialpaarung, die je nach Material des Werkzeugs und des Materials des Werkstücks stark variieren kann. Daraus resultieren verschiedene physikalische Größen, wie unter anderem für die Abnutzung des Werkzeugs relevante Größen.Accordingly, a pair of materials is created that can vary greatly depending on the material of the tool and the material of the workpiece. This results in various physical variables, such as variables relevant to tool wear, among other things.
Die wirtschaftliche und technische Nutzungsdauer, auch als Standzeit bekannt, der Werkzeuge aus einem Schneidwerkstoff wird durch den Abnutzungsgrad des Schneidwerkstoffes bestimmt.The economic and technical service life, also known as the service life, of tools made of a cutting material is determined by the degree of wear of the cutting material.
Daher ist es beim Einsatz eines Werkzeugs grundsätzlich das Ziel des Benutzers, die technische Nutzungsdauer der Schneidwerkstoffe des Werkzeugs möglichst voll auszunutzen, da die als Werkzeuge eingesetzten Schneidwerkstoffe kostenintensiv sind.Therefore, when using a tool, it is fundamentally the goal of the user to utilize the technical service life of the cutting materials of the tool as fully as possible, since the cutting materials used as tools are expensive.
Ausgehend davon existieren eine ganze Reihe von Bestrebungen, den Abnutzungsgrad der Werkzeuge zu bestimmen, um einerseits die technische Lebensdauer möglichst ausnutzen zu können, andererseits jedoch einen drohenden Werkzeugbruch sicher vermeiden zu können. Bei einem Werkzeugbruch droht im schlimmsten Fall die Zerstörung des Werkstückes, was in jedem Fall zu verhindern ist.Based on this, there are a whole series of efforts to determine the degree of wear of the tools in order to be able to use the technical service life as much as possible on the one hand, but on the other hand to be able to reliably avoid the risk of tool breakage. If a tool breaks, there is a risk of the workpiece being destroyed in the worst case, which must be prevented in any case.
Im Stand der Technik sind beispielsweise optische Überwachungsverfahren bekannt, bei welchen die Schneide des Werkzeugs mittels einer Kamera beobachtet wird. Dabei wird die Kontur der Schneide mit vorgegebenen Mustern oder Maßen verglichen, um einen maximalen Verschleißzustand zu erkennen. Wird ein Erreichen des maximalen Verschleißzustandes detektiert, so wird ein Wechsel des Werkzeugs durch die Ausgabe eines entsprechenden Signals bzw. einer diesbezüglichen Information veranlasst. Ist das Werkzeug ein mehrschneidiges Werkzeug, so wird ein Wechsel der Schneide veranlasst. For example, optical monitoring methods are known in the prior art, in which the cutting edge of the tool is observed by means of a camera. The contour of the cutting edge is compared with specified patterns or dimensions in order to identify a maximum state of wear. If it is detected that the maximum state of wear has been reached, the tool is changed by the output of a corresponding signal or relevant information. If the tool is a multi-edged tool, the cutting edge is changed.
Auch ist es bekannt, die Temperatur an der Schneide zu messen, um Rückschlüsse auf den Abnutzungsgrad der Schneide herzuleiten. Auch ist es bekannt, dass Kraft- oder Drehmomentmessungen stattfinden.It is also known to measure the temperature at the cutting edge in order to draw conclusions about the degree of wear on the cutting edge. It is also known that force or torque measurements take place.
Bei einer Analyse der wichtigen Versagensarten einer Schneide eines Werkzeugs zeigt sich, dass die Auswirkungen der Versagensarten auf das Werkzeug sehr unterschiedlich sein können. Die wesentlichen Versagensarten sind dabei der Freiflächenverschleiß, der Kolkverschleiß, der Schneidenbruch, der Aufbauverschleiß und die Rissbildung.An analysis of the important failure modes of a cutting edge of a tool shows that the effects of the failure modes on the tool can be very different. The main types of failure are flank wear, crater wear, cutting edge fracture, built-up wear and cracking.
Bei den bekannten Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustandes einer Schneide eines Werkzeugs liegt das Problem vor, dass die Auswirkungen aller möglichen anstehenden Versagensarten in ihrer Summe betrachtet werden und aus den Ergebnissen der Überwachung kein Rückschluss auf die einzelne Versagensart möglich ist.The problem with the known methods for monitoring the state of wear of a cutting edge of a tool is that the effects of all possible pending types of failure are considered in their entirety and no conclusions can be drawn about the individual type of failure from the results of the monitoring.
Da die Auswirkungen eines sich anbahnenden Verschleißes durch einen Freiflächenverschleiß mit einer sich erhöhenden Schnittkraft sich jedoch im Wesentlichen mit den Auswirkungen eines sich zunehmenden Kolkverschleißes mit einer Abnahme der Schnittkraft aufheben kann und zusätzlich durch einen oszillierenden Kraftverlauf durch eine Rissbildung im Schneidwerkstoff überlagert werden kann, können bei den bekannten Verfahren keine zuverlässigen, detaillierten Aussagen zu einer sich anbahnenden Versagensart abgeleitet werden.However, since the effects of imminent wear due to flank wear with an increasing cutting force can essentially be canceled out by the effects of increasing crater wear with a decrease in the cutting force and can also be superimposed by an oscillating force curve due to cracking in the cutting material no reliable, detailed information about an impending failure type can be derived from the known methods.
Die im Stand der Technik bekannten Verfahren haben entsprechend den Nachteil, dass der Verlauf des Verschleißes insgesamt nur ungenau vorhergesagt werden kann, was dazu führt, dass das Werkzeug typischerweise vor seinem maximalen Verschleißzustand gewechselt wird, weil nicht riskiert werden soll, dass ein noch nicht erwarteter Werkzeugbruch dennoch stattfindet und dabei das in der Regel teure Werkstück beschädigt wird und dadurch unbrauchbar wird.The methods known in the prior art accordingly have the disadvantage that the course of the wear can only be predicted imprecisely, which means that the tool is typically changed before its maximum state of wear, because there is no risk of a not yet expected Tool breakage still takes place and the usually expensive workpiece is damaged and thus becomes unusable.
Dies hat zur Folge, dass die kostspieligen Werkzeuge und/oder die kostspieligen Schneiden früher als nötig ausgetauscht werden, was insgesamt für die Bearbeitungskosten eines Werkstücks die Kosten unnötig erhöht.This has the consequence that the expensive tools and/or the expensive cutters are replaced earlier than necessary, which unnecessarily increases the overall costs for the machining of a workpiece.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, VorteilePresentation of the invention, task, solution, advantages
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustandes eines Werkzeugs, insbesondere eines Werkzeugs auf Hartmetallbasis, zu schaffen, das eine detailliertere Betrachtung einzelner Verschleißarten erlaubt, so dass der Verschleißzustand eines Werkzeugs verbessert abgeschätzt werden kann. Auch ist es die Aufgabe, eine Vorrichtung zur verbesserten Bestimmung des Verschleißzustands eines Werkzeugs zu schaffen.It is the object of the invention to provide a method for determining the state of wear of a tool, in particular a tool based on hard metal, which allows a more detailed consideration of individual types of wear, so that the state of wear of a tool can be better estimated. It is also the object to create a device for improved determination of the state of wear of a tool.
Die Aufgabe zu dem Verfahren wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.The task of the method is solved with the features of
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Werkzeugs und/oder zumindest einer Schneide, insbesondere eines Werkzeugs, welches/welche zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks dient, wobei in einem Neuzustand oder in einem gebrauchten Zustand des Werkzeugs oder der zumindest einen Schneide an zumindest einem Opferwerkstück eine Testmessung mit einer Testbearbeitung durchgeführt wird, wobei mittels zumindest einer Messeinrichtung mit zumindest einem Sensor die Testbearbeitung überwacht wird und Messwerte der Testmessung in einem Speicher speicherbar sind, wobei nach einer definierten Bearbeitung von Werkstücken mittels des Werkzeugs oder mittels der zumindest einen Schneide zumindest eine weitere Testmessung mit einer Testbearbeitung an dem Opferwerkstück durchgeführt wird, welche ebenso von der Messeinrichtung mit dem zumindest einen Sensor überwacht wird und Messwerte der Testmessung speicherbar sind, wobei anhand der ermittelten Messwerte ein Verschleißzustand des Werkzeugs und/oder der zumindest einen Schneide bestimmt wird, wobei die Testbearbeitung eine spanabhebende Bearbeitung des Opferwerkstücks ist, wobei das Werkzeug in einer vordefinierten Vorschubrichtung in einer vordefinierten Vorschubgeschwindigkeit relativ zu dem Opferwerkstück verfahren wird, wobei der Sensor eine von dem Werkzeug auf das Opferwerkstück ausgeübte Kraft aufnimmt, wobei die Richtung der aufgenommenen Kraft in einem vordefinierten Winkel zur Vorschubrichtung ausgerichtet ist. So kann aus einem Vergleich von gespeicherten Messwerten von dem Neuzustand oder von einem gebrauchten Zustand mit Messwerten von einem aktuellen Zustand nach einer Bearbeitung von Werkstücken ein Verschleißzustand des Werkzeugs bestimmt werden. Die Verwendung einer Kraft in dem vordefinierten Winkel, insbesondere in einem Winkel von 90° zur Vorschubrichtung, bewirkt eine Sensierung des Einflusses der Schneide bzw. des Werkzeugs auf das Opferwerkstück, insbesondere möglichst frei von störenden Einflüssen. So kann grundsätzlich jedes Werkzeug als Ausgangszustand der Bestimmung des Verschleißzustandes herangezogen werden, egal ob es ein Werkzeug im Neuzustand ist oder ein Werkzeug in einem gebrauchten Zustand, welches weiter benutzt werden soll. Dabei wird der Winkel, insbesondere von 90° zur Vorschubrichtung, in einer Ebene gemessen, in welcher die Testbearbeitung vorgenommen wird, wobei der Winkel zur Vorschubrichtung bestimmt wird.One exemplary embodiment of the invention relates to a method for determining the state of wear of a tool and/or at least one cutting edge, in particular of a tool which is used for machining a workpiece, with the tool or the at least one cutting edge being in a new condition or in a used condition a test measurement with test machining is carried out on at least one sacrificial workpiece, the test machining being monitored by means of at least one measuring device with at least one sensor and measured values of the test measurement being storable in a memory, wherein after a defined machining of workpieces by means of the tool or by means of the at least one Cut at least one further test measurement with test machining on the sacrificial workpiece, which is also monitored by the measuring device with the at least one sensor and measured values of the test measurement can be stored, with the result a state of wear of the tool and/or the at least one cutting edge is determined by means of measured values, the test machining being machining of the sacrificial workpiece, the tool being moved in a predefined feed direction at a predefined feed rate relative to the sacrificial workpiece, the sensor one of the Tool absorbs force exerted on the sacrificial workpiece, the direction of the absorbed force being aligned at a predefined angle to the feed direction. A wear condition of the tool can thus be determined from a comparison of stored measured values from the new condition or from a used condition with measured values from a current condition after workpieces have been machined. The use of a force at the predefined angle, in particular at an angle of 90° to the feed direction, causes the influence of the cutting edge or the tool on the sacrificial workpiece to be sensed, in particular as free as possible from disruptive influences. In principle, any tool can be used as the starting point for determining the state of wear, regardless of whether it is a tool that is new or a tool that is in a used condition and is intended to continue to be used. The angle, in particular 90° to the feed direction, is measured in a plane in which the test machining is carried out, the angle to the feed direction being determined.
Dabei wird nach einer Testmessung und nach einer definierten Bearbeitung von Werkstücken mittels des Werkzeugs oder mittels der zumindest einen Schneide zumindest eine weitere Testmessung mit einer Testbearbeitung an dem Opferwerkstück durchgeführt werden. Dabei wird das Werkzeug für eine definierte Bearbeitung von Werkstücken benutzt, wobei eine definierte Bearbeitung nach einem definierten vorgenommenen Werkzeugvorschub in mm bzw. in m bei der Bearbeitung oder nach einem definierten abgetragenen Volumen in mm3 oder in m3 bestimmt wird.After a test measurement and after a defined processing of workpieces by means of the tool or by means of the at least one cutting edge, at least one further test measurement with test processing is carried out on the sacrificial workpiece. The tool is used for a defined processing of workpieces, with a defined processing being determined according to a defined tool feed in mm or m during processing or according to a defined removed volume in mm3 or in m3.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist es auch zweckmäßig, wenn die Testbearbeitung eine Fräsbearbeitung eines Opferwerkstücks mittels eines Werkzeugs als Fräswerkzeug ist, insbesondere mit einer Schneide oder mit einer Mehrzahl von Schneiden. Dadurch kann eine standardisierte Bearbeitung vorgenommen werden, die immer wieder gleich reproduziert werden kann, um den Einfluss des Verschleißes und des Verschleißzustands ermitteln zu können.In an advantageous exemplary embodiment, it is also expedient if the test machining is a milling machining of a sacrificial workpiece using a tool as a milling tool, in particular with a cutting edge or with a plurality of cutting edges. This allows standardized processing to be carried out, which can be reproduced again and again in the same way in order to be able to determine the influence of wear and the state of wear.
Auch ist es zweckmäßig, wenn das Werkzeug während der Testbearbeitung geradlinig in der vordefinierten Vorschubrichtung in der vordefinierten Vorschubgeschwindigkeit relativ zu dem Opferwerkstück verfahren wird. Damit wird aufgrund des geradlinigen Verlaufs ein störender Einfluss aufgrund von Richtungswechseln reduziert bzw. vermieden.It is also expedient if the tool is moved in a straight line in the predefined feed direction at the predefined feed rate relative to the sacrificial workpiece during the test machining. Because of the rectilinear course, a disruptive influence due to changes in direction is reduced or avoided.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der Winkel im Bereich von 60° bis 120°, insbesondere etwa 90°, zur Vorschubrichtung ausgerichtet ist. Bei einem solchen Winkel ist der störende Einfluss zweckfremder Einwirkungen reduziert, insbesondere bei einem Winkel von 90°.It is also expedient if the angle is aligned in the range from 60° to 120°, in particular approximately 90°, to the feed direction. With such an angle, the disturbing influence of inappropriate influences is reduced, in particular with an angle of 90°.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Sensor ein Kraft- oder Drucksensor ist, welcher derart angeordnet ist, dass auf ihn nur eine Kraft oder ein Druck wirkt, welche in einem Winkel im Bereich von 60° bis 120°, insbesondere etwa 90°, zur Vorschubrichtung ausgerichtet ist. Damit kann eine Kraft in einer reproduzierbaren Richtung ermittelt und ausgewertet werden, was die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse und deren Messbedingungen erleichtert.It is also advantageous if the sensor is a force or pressure sensor which is arranged in such a way that only a force or pressure acts on it which is at an angle in the range from 60° to 120°, in particular about 90°, to the feed dir direction. A force can thus be determined and evaluated in a reproducible direction, which facilitates the reproducibility of the measurement results and their measurement conditions.
Die Messung der Kraft wird dabei hochaufgelöst aufgenommen, so dass für jede Schneide des Werkzeugs zumindest ein Kraftwert oder ein Kraftverlauf mit mehreren Kraftwerten zugeordnet werden kann. Bei einer Umdrehung des Werkzeugs werden daher für jede vorgesehene Schneide beispielsweise zumindest ein Kraftverlauf, insbesondere mit einem Maximum, gemessen. Aus dem Wert des Maximums des Kraftverlaufs kann dann der jeweiligen Schneide ein maximaler Kraftwert zugeordnet werden. Aus diesen Kraftwerten oder aus den maximalen Kraftwerten kann über eine oder über mehrere Umdrehungen des Werkzeugs ein Mittelwert ermittelt werden, welcher zur Ermittlung des Verschleißzustands herangezogen werden kann.The measurement of the force is recorded with high resolution, so that at least one force value or a force curve with several force values can be assigned to each cutting edge of the tool. During one rotation of the tool, for example, at least one force profile, in particular with a maximum, is therefore measured for each cutting edge provided. A maximum force value can then be assigned to the respective cutting edge from the value of the maximum of the force curve. From these force values or from the maximum force values, a mean value can be determined over one or more revolutions of the tool, which can be used to determine the state of wear.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Verschleißzustand unterschieden wird nach zumindest einem Verschleißzustand der nachfolgenden Verschleiß-/Versagensarten: Freiflächenverschleiß, Kolkverschleiß, Aufbauschneide, Rissbildung und/oder Schneidenbruch. Entsprechend wird der Verschleißzustand den wahrscheinlichsten Verschleiß-/Versagensarten spezifisch zugeordnet, so dass der weitere Verlauf des Verschleißes bei weiterer Benutzung des Werkzeugs besser abgeschätzt werden kann.It is particularly advantageous if the state of wear is differentiated according to at least one state of wear of the following types of wear/failure: flank wear, crater wear, built-up edge, crack formation and/or broken edge. Accordingly, the state of wear is specifically assigned to the most probable types of wear/failure, so that the further course of wear can be better estimated as the tool is used further.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Verschleißzustand bestimmt wird aus einem jeweiligen Verschleißzustand aus zumindest einem Freiflächenverschleiß, einem Kolkverschleiß, Aufbauschneide, Rissbildung und/oder einem Schneidenbruch. Entsprechend wird ein individueller Verschleißzustand gemäß der genannten Verschleißarten bzw. Versagensarten zusammengeführt, um einen allgemeinen Verschleißzustand zu ermitteln, welcher die betrachteten Verschleiß-/Versagensarten gesamthaft berücksichtigt.It is also advantageous if the state of wear is determined from a respective state of wear consisting of at least flank wear, crater wear, built-up edge, crack formation and/or a broken edge. Correspondingly, an individual state of wear according to the specified types of wear or types of failure is combined in order to determine a general state of wear, which takes into account the considered types of wear/failure as a whole.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Testmessung mit der Testbearbeitung für jede betrachtete Verschleiß-/Versagensart gesondert durchgeführt wird oder dass eine Testmessung mit einer Testbearbeitung oder mehrere Testmessungen mit jeweils einer Testbearbeitung durchgeführt werden und daraus eine Verschleiß-/Versagensart ermittelt wird. Entsprechend werden bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel einzelne oder verschiedene Testmessungen mit Testbearbeitungen an Opfermaterialien oder an unterschiedlichen Opfermaterialien zu unterschiedlichen Bearbeitungsparametern durchgeführt. Dabei sind die Bearbeitungsparameter der jeweiligen Testbearbeitung auf die zu detektierende Verschleiß-/Versagensart angepasst. So kann spezifisch auf die jeweilige Verschleiß-/Versagensart in ihrem Verhalten Rücksicht genommen werden.It is particularly advantageous if the test measurement is carried out separately with the test machining for each type of wear/failure considered or that a test measurement is carried out with one test machining or several test measurements are carried out with one test machining each and a wear/failure type is determined from this. Accordingly, in an advantageous exemplary embodiment, individual or different test measurements with test processing are carried out on sacrificial materials or on different sacrificial materials with different processing parameters. The processing parameters of the respective test processing are adapted to the type of wear/failure to be detected. In this way, specific consideration can be given to the behavior of the respective type of wear/failure.
Entsprechend wird die Testmessung mit der Testbearbeitung für eine oder für mehrere oder für jede betrachtete Verschleiß-/Versagensart an einem dafür vorgesehenen Opferwerkstück durchgeführt. So kann spezifisch auf die jeweilige Verschleiß-/Versagensart in ihrem Verhalten Rücksicht genommen werden.Accordingly, the test measurement is carried out with the test processing for one or for several or for each considered type of wear/failure on a sacrificial workpiece provided for this purpose. In this way, specific consideration can be given to the behavior of the respective type of wear/failure.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Testmessung mit der Testbearbeitung für eine oder für mehrere oder für jede betrachtete Verschleiß-/Versagensart mit dafür jeweils vorgesehenen Bearbeitungsparametern durchgeführt wird. So kann spezifisch auf die jeweilige Verschleiß-/Versagensart in ihrem Verhalten Rücksicht genommen werden.It is also advantageous if the test measurement is carried out with the test machining for one or for several or for each type of wear/failure under consideration with machining parameters provided for this purpose. In this way, specific consideration can be given to the behavior of the respective type of wear/failure.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bestimmung des Verschleißzustands durch einen Vergleich von gespeicherten Messwerten und/oder gespeicherten bearbeiteten Messwerten von Testmessungen an zumindest einem Opferwerkstück oder an mehreren Opferwerkstücken erfolgt. Damit kann eine zuverlässige Bestimmung des Verschleißzustandes erfolgen.It is particularly advantageous if the state of wear is determined by comparing stored measured values and/or stored processed measured values from test measurements on at least one sacrificial workpiece or on a plurality of sacrificial workpieces. This allows the state of wear to be reliably determined.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn bearbeitete Messwerte zeitliche erste Ableitungen und/oder zweite Ableitungen von Messwertverläufen aufweisen oder sind. So lassen sich auch geringe Abweichungen besser erkennen.In this context, it is particularly advantageous if processed measured values have or are first derivatives and/or second derivatives of measured value curves over time. In this way, even small deviations can be better recognized.
Vorteilhaft ist es auch, wenn aus dem ermittelten Verschleißzustand oder aus den ermittelten Verschleißzuständen eine Empfehlung für die weitere Nutzung oder den Austausch des Werkzeugs und/oder der Schneide und/oder der Schneiden erfolgt. Dabei kann die Empfehlung sein, dass die Bearbeitung unverändert durchgeführt wird, dass die Bearbeitung mit anderen Parametern durchgeführt wird oder dass die Bearbeitung beendet wird. Eine Bearbeitung mit veränderten Parametern kann beispielsweise eine Bearbeitung mit verringerter Vorschubgeschwindigkeit sein.It is also advantageous if a recommendation for further use or replacement of the tool and/or the cutting edge and/or cutting edges is made from the determined state of wear or from the determined states of wear. The recommendation can be that the processing is carried out unchanged, that the processing is carried out with different parameters or that the processing is terminated. Machining with modified parameters can be machining with a reduced feed rate, for example.
Die Aufgabe zu der Vorrichtung wird mit den Merkmalen von Anspruch 14 gelöst.The object of the device is achieved with the features of
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Werkzeugs und/oder zumindest einer Schneide, insbesondere eines Werkzeugs, welches/welche zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks dient, mit einem Werkzeug mit zumindest einer Schneide zur Bearbeitung eines Werkstücks, mit einer Messeinrichtung mit zumindest einem Sensor zur Überwachung einer Testmessung mit Testbearbeitung und mit zumindest einem Opferwerkstück zur Durchführung der Testmessung mit Testbearbeitung an dem Opferwerkstück, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.An exemplary embodiment of the invention relates to a device for determining the wear status of a tool and/or at least one cutting edge, in particular a tool which is used for machining a workpiece, with a tool having at least one cutting edge for machining a workpiece, with a measuring device at at least one sensor for monitoring a test measurement with test processing and with at least one sacrificial workpiece for carrying out the test measurement with test processing on the sacrificial workpiece, in particular for carrying out a method according to the invention.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch zweckmäßig, wenn eine erste Aufnahme für das Opferwerkstück vorgesehen ist und eine zweite Aufnahme für den Sensor vorgesehen ist, wobei das Opferwerkstück derart mit dem Sensor gekoppelt ist, dass bei einer Testbearbeitung des Opferwerkstücks eine Kraft von dem Opferwerkstück auf den Sensor übertragbar ist. Dadurch wird eine einfache Anordnung geschaffen, welche eine reproduzierbare Aufnahme von Messwerten erlaubt, so dass vergleichbare Messwerte unter vergleichbaren Bedingungen aufgenommen werden können, so dass auch nur geringfügige Verschleißerscheinungen ermittelbar sind.In a further exemplary embodiment, it is also expedient if a first receptacle is provided for the sacrificial workpiece and a second receptacle is provided for the sensor, the sacrificial workpiece being coupled to the sensor in such a way that during test processing of the sacrificial workpiece, a force is exerted by the sacrificial workpiece the sensor can be transmitted. This creates a simple arrangement that allows measured values to be recorded in a reproducible manner, so that comparable measured values can be recorded under comparable conditions, so that even only minor signs of wear can be determined.
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Grundkörper vorgesehen ist, welcher die zweite Aufnahme für den Sensor ausbildet, wobei ein Träger vorgesehen ist, welcher relativ zu dem Grundkörper in einer Richtung verlagerbar geführt ist, wobei der Träger die erste Aufnahme ausbildet und der Sensor zwischen der zweiten Aufnahme und dem Träger angeordnet ist und kraftbeaufschlagt wird. Dadurch wird erreicht, dass die Kraftwirkung auf den Sensor in der Richtung der Verlagerbarkeit des Trägers zum Grundkörper erfolgt, was ebenso der Reproduzierbarkeit exakter Bedingungen genügt.It is also advantageous if a base body is provided which forms the second receptacle for the sensor, with a carrier being provided which is guided so that it can be displaced in one direction relative to the base body, with the carrier forming the first receptacle and the sensor between the second recording and the carrier is arranged and is subjected to a force. This ensures that the force acts on the sensor in the direction in which the carrier can be displaced relative to the base body, which is also sufficient for the reproducibility of exact conditions.
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Kraftspeicher vorgesehen ist, welcher den Träger hin zu dem Sensor vorspannt. Dadurch wird vermieden, dass undefinierte Zustände vermieden werden können und der Sensor zumindest eine Minimalkraft aufgrund der Vorspannung erfährt. Vorteilhaft ist auch, wenn die Vorspannung einstellbar ist, insbesondere mittels einer Einstellschraube oder Ähnliches.It is also advantageous if an energy accumulator is provided, which pretensions the carrier towards the sensor. This avoids that undefined states can be avoided and the sensor experiences at least a minimum force due to the preload. It is also advantageous if the preload can be adjusted, in particular by means of an adjusting screw or the like.
Auch ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Träger und dem Sensor ein Übertragungselement angeordnet ist, insbesondere ein Kugelelement als Übertragungselement. Dadurch wird die Kraftwirkung noch einmal in eine Richtung auf den Sensor konzentriert, so dass Störungen weitgehend ausgeschlossen werden können.It is also advantageous if a transmission element is arranged between the carrier and the sensor, in particular a spherical element as the transmission element. As a result, the force is once again concentrated in one direction on the sensor, so that interference can be largely ruled out.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch zweckmäßig, wenn ein Opferwerkstück vorgesehen ist, welches auf dem Träger angeordnet ist oder dass eine vordefinierte Anzahl von Opferwerkstücken vorgesehen ist, wobei die Opferwerkstücke auf dem Träger angeordnet sind. Dadurch kann die Bearbeitung des zumindest einen Opferwerkstücks auf dem Träger angeordnet erfolgen, so dass die zu beobachtende Kraft während des Bearbeitungsprozesses der Testbearbeitung von dem Sensor aufgenommen werden kann.In a further exemplary embodiment, it is also expedient if a sacrificial workpiece is provided, which is arranged on the carrier, or if a predefined number of sacrificial workpieces is provided, with the sacrificial workpieces being arranged on the carrier. As a result, the machining of the at least one sacrificial workpiece can be arranged on the carrier, so that the force to be observed can be recorded by the sensor during the machining process of the test machining.
Auch ist es zweckmäßig, wenn das zumindest eine Opferwerkstück vorgesehen und bearbeitbar ist zur Bestimmung zumindest eines Verschleißzustandes oder mehrerer Verschleißzustände oder dass die einzelnen Opferwerkstücke jeweils zur Bestimmung eines Verschleißzustandes gemäß einer spezifischen Verschleiß-/Versagensart vorgesehen und bearbeitbar sind. Dadurch ist eine einfache Überwachung des Werkzeugs bzw. der zumindest einen Schneide möglich, insbesondere auch hinsichtlich einzelner Verschleißzustände.It is also expedient if the at least one sacrificial workpiece is provided and can be processed to determine at least one state of wear or several states of wear or that the individual sacrificial workpieces are each provided and can be processed to determine a state of wear according to a specific type of wear/failure. This enables the tool or the at least one cutting edge to be monitored easily, in particular also with regard to individual states of wear.
Vorteilhaft ist es, wenn eine vordefinierte Anzahl von Opferwerkstücken vorgesehen ist, wobei die einzelnen Opferwerkstücke jeweils zur Bestimmung eines Verschleißzustandes gemäß einer spezifischen Verschleiß-/Versagensart bearbeitbar sind.It is advantageous if a predefined number of sacrificial workpieces is provided, wherein the individual sacrificial workpieces can each be processed to determine a state of wear according to a specific type of wear/failure.
Auch ist es zweckmäßig, wenn mehrere Opferwerkstücke, insbesondere zwei oder drei Opferwerkstücke, aus unterschiedlichen Opfermaterialien vorgesehen sind für die Bestimmung eines Verschleißzustandes gemäß einem Freiflächenverschleiß, einem Kolkverschleiß, Aufbauschneide, Rissbildung und/oder einem Schneidenbruch. Dabei kann auch ein kombiniertes Opferwerkstück vorgesehen sein, welches mehrere Opfermaterialien aufweist.It is also expedient if several sacrificial workpieces, in particular two or three sacrificial workpieces, made of different sacrificial materials are provided for determining a state of wear according to flank wear, crater wear, built-up edge, crack formation and/or a broken edge. A combined sacrificial workpiece can also be provided, which has several sacrificial materials.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht unterstützend auch die Möglichkeit, eine Verschleiß-/Versagensartbestimmung durch eine zusätzliche optische Überprüfung, beispielsweise mittels eines Kamerasystems, zu unterstützen. Beispielsweise könnte es sein, dass die Zerspanungskräfte konstant bleiben, obwohl mit dem Werkzeug bereits ein hohes Zerspanungsvolumen geleistet wurde, was ausgehend davon eine Zunahme der Zerspanungskräfte erwarten lassen würde. Daher wird in dieser Betriebssituation des Werkzeugs erwartet, dass gleichzeitig eine Kolkbildung und ein Freiflächenverschleiß auftreten würde. Durch den erwarteten Freiflächenverschleiß sollten die Zerspanungskräfte ansteigen, wobei durch den erwarteten Kolkverschleiß die Zerspanungskräfte abnehmen sollten, was zu einem gegenläufigen Effekt bezüglich der Zerspanungskräfte führen würde, so dass im Extremfall sich kompensierender Zerspanungskraftverläufe zu einer gleichbleibenden Zerspanungskraft führen würde, obgleich sowohl der Flächenverschleiß als auch der Kolkverschleiß zunehmen würden.In the method according to the invention, there is also the possibility of supporting a determination of the type of wear/failure by an additional optical check, for example by means of a camera system. For example, it could be that the cutting forces remain constant although a high cutting volume has already been achieved with the tool, from which an increase in the cutting forces would be expected. Therefore, in this operating situation of the tool, it is expected that cratering and flank face wear would occur simultaneously. The cutting forces should increase as a result of the expected flank wear, while the cutting forces should decrease as a result of the expected crater wear, which would lead to an opposite effect with regard to the cutting forces, so that in extreme cases compensating cutting force curves would lead to a constant cutting force, although both the surface wear and crater wear would increase.
In dieser Betriebssituation kann daher neben dem Freiflächenverschleiß auch ein Kolkverschleiß vorliegen, der den Spanwinkel verkleinert, wodurch die Zerspanungskräfte sinken würden, wobei dadurch die Gefahr eines Bruches des Werkzeugs deutlich vergrößert wird. Ein zusätzlicher Überprüfungsprozess des Werkzeugs mit optischen Mitteln, beispielsweise mit einer Kamera, könnte besseren Aufschluss über den aktuell vorliegenden Betriebszustand geben bzw. diesbezüglich unterstützen.In this operating situation, therefore, crater wear can occur in addition to flank wear be present, which reduces the rake angle, which would reduce the cutting forces, thereby significantly increasing the risk of breakage of the tool. An additional process of checking the tool with optical means, for example with a camera, could provide better information about the current operating state or support it in this regard.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibungen und durch die Unteransprüche beschrieben.Further advantageous configurations are described by the following figure descriptions and by the dependent claims.
Figurenlistecharacter list
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, -
3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Testbearbeitung, -
4 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und -
5 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 a schematic representation of a device according to the invention for carrying out a method according to the invention, -
2 a schematic sectional view of an embodiment of a device according to the invention, -
3 a schematic representation to explain the test processing, -
4 a diagram to explain the method according to the invention, and -
5 a diagram to explain the method according to the invention.
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Die
Dabei ist zumindest ein erster Antrieb 5 vorgesehen, um das Werkzeug 2 mit seiner zumindest einen Schneide 3 oder mit seinen mehreren Schneiden 3 in Rotation zu versetzen, um die für den Fräsvorgang benötigte Drehzahl des Werkzeugs 2 vorsehen zu können. Dabei ist die Drehzahl des Werkzeugs 2 mittels des ersten Antriebs 5 steuerbar, insbesondere zwischen Null und einer maximalen Drehzahl nMax1.At least one
Weiterhin ist zumindest ein erster Aktuator 6 vorgesehen, um das Werkzeug 2 mit seiner zumindest einen Schneide 3 oder mit seinen mehreren Schneiden 3 relativ zu dem Werkstück 4 verlagern zu können. Dabei ist es sinnvoll, wenn das Werkzeug 2 insbesondere um zumindest drei Achsen beweglich verschwenkbar und/oder verfahrbar ist. Dabei ist die Verschwenkgeschwindigkeit und/oder die Verfahrgeschwindigkeit mittels des zumindest einen ersten Aktuators 6 steuerbar, insbesondere zwischen Null und einer maximalen Verschwenkgeschwindigkeit und/oder einer maximalen Verfahrgeschwindigkeit bzw. auch Schnittgeschwindigkeit oder Vorschubgeschwindigkeit genannt.Furthermore, at least one first actuator 6 is provided in order to be able to displace the
Das Werkzeug 2 wird dabei in einem Werkzeughalter austauschbar gehalten, welcher mittels des zumindest einen ersten Antriebs 5 und/oder des zumindest einen ersten Aktuators 6 drehantreibbar und/oder verschwenkbar und/oder verfahrbar ist, so dass das Werkzeug 2 entsprechend verdrehbar, verschwenkbar und/oder verfahrbar ist.The
Das Werkstück 4 wird in einem Werkstückhalter 7 gehalten. Dabei kann das Werkstück 4 und/oder der Werkstückhalter 7 mit dem Werkstück 4 optional mittels eines zweiten Antriebs 8 drehantreibbar sein und/oder mittels zumindest eines zweiten Aktuators 9 verschwenkbar und/oder verfahrbar sein. Entsprechend kann optional zumindest ein zweiter Antrieb 8 vorgesehen sein, um das Werkstück 4 in Rotation versetzen zu können. Dabei ist die Drehzahl des Werkstücks 4 mittels des zweiten Antriebs 8 steuerbar, insbesondere zwischen Null und einer maximalen Drehzahl nMax2.The
Weiterhin kann auch optional zumindest ein zweiter Aktuator 9 vorgesehen sein, um das Werkstück 4 relativ zu dem Werkzeug 2 verlagern zu können. Dabei ist es sinnvoll, wenn das Werkstück 4 zumindest um drei Achsen beweglich verschwenkbar und/oder verfahrbar ist. Dabei ist die Verschwenkgeschwindigkeit und/oder die Verfahrgeschwindigkeit mittels des zumindest einen zweiten Aktuators 8 steuerbar, insbesondere zwischen Null und einer maximalen Verschwenkgeschwindigkeit und/oder Verfahrgeschwindigkeit.Furthermore, at least one second actuator 9 can also optionally be provided in order to be able to displace the
Weiterhin ist eine Haltevorrichtung 10 vorgesehen, mittels welcher ein Opferwerkstück 11 gehalten werden kann. Das Opferwerkstück 11 dient dazu, dass das Werkzeug 2 mit der zumindest einen Schneide 3 das Opferwerkstück 11 bearbeitet, um diese Testbearbeitung mittels Sensoren 12 zu überwachen. Die Daten der Sensoren 12 bezüglich der Testbearbeitung werden beispielsweise in einem Speicher 13 einer die Steuerung übernehmenden Steuereinheit 14 gespeichert und mit weiteren Testmessungen verglichen, um einen Verschleißzustand des Werkzeugs 2 und/oder der zumindest einen Schneide 3 oder der Schneiden 3 zu bestimmen.Furthermore, a holding
Der Verschleißzustand eines Werkzeugs 2 oder einer Schneide 3 oder der Schneiden 3 wird beispielsweise im direkten Vergleich zum Neuzustand des Werkzeugs 2, der Schneide 3 oder der Schneiden 3 ermittelt. Dabei kann der Verschleißzustand jeweils in Bezug zur spezifischen Verschleiß-/Versagensart bestimmt werden.The state of wear of a
Daher werden zur Feststellung des Neuzustands des Werkzeugs 2 und/oder der Schneide 3 und/oder der Schneiden 3 als Ausgangszustand für die spätere Bestimmung des Verschleißzustands testweise Bearbeitungsschritte als Testfräsungen an dem Opferwerkstück 11 durchgeführt. Die dabei mittels des oder der Sensoren 12 ermittelten Messwerte physikalischer Größen dieses Neuzustandes werden als Referenzmuster für den Neuzustand gespeichert.Therefore, to determine the new condition of the
Zu einem späteren Zeitpunkt wird oder werden nach Bearbeitungen von Werkstücken erneut eine Testmessung oder Testmessungen durchgeführt, die an dem Opferwerkstück 11 durchgeführt wird oder werden. Bei diesen erneuten Testmessungen werden wieder Messwerte durch den Sensor 12 oder die Sensoren 12 aufgenommen, um sie mit den Messwerten des Neuzustandes zu vergleichen. Dabei wird bei den Messwerten explizit nicht nur auf die Absolutwerte der Messwerte bei der Auswertung geachtet, sondern es kann auch der zeitliche Verlauf der Messwerte berücksichtigt werden. Dabei kann sowohl der Absolutwert von Messewerten und/oder der zeitliche Verlauf von Messwerten zur Auswertung herangezogen werden. So kann beispielsweise eine Entwicklung und/oder eine sich anbahnende Versagenswahrscheinlichkeit ermittelt werden bzw. darauf geschlossen werden.A test measurement or test measurements, which is or will be carried out on the
Bei wiederholten Testmessungen am Opferwerkstück 11 werden entsprechend wiederholt Messwerte genommen, die der jeweiligen Testmessung zugeordnet werden. Solche Testmessungen können in regelmäßigen und/oder in unregelmäßigen Abständen und/oder ereignisabhängig aufgenommen werden, um den jeweiligen Verschleißzustand des Werkzeugs 2 und/oder der Schneide 3 und/oder der Schneiden 3 zum Zeitpunkt der Testmessung zu bestimmen.In the case of repeated test measurements on the
Dabei wird, wie oben ausgeführt, ein Vergleich zwischen den Messwerten der entsprechenden Testmessung mit den Messwerten der Testmessung im Neuzustand durchgeführt. So kann ein Verschleißzustand ermittelt werden. Dabei kann auch eine zeitliche Entwicklung von Verschleißzuständen ermittelt werden, wenn Daten von verschiedenen Testmessungen ausgewertet werden. Vorteilhaft kann optional auch ein Vergleich zwischen unterschiedlichen Testmessungen untereinander durchgeführt werden, um eine Entwicklung von Verschleißzuständen zu erkennen.As explained above, a comparison is made between the measured values of the corresponding test measurement and the measured values of the test measurement in new condition. In this way, a state of wear can be determined. A chronological development of wear states can also be determined if data from different test measurements are evaluated. Advantageously, a comparison between different test measurements can optionally also be carried out in order to identify a development of wear states.
Entsprechend kann eine Testmessung im Neuzustand mit Testmessungen zu einem aktuellen Verschleißzustand durchgeführt werden, wobei diese Testmessungen entsprechend mit einem Werkzeug durchgeführt werden, welches sich im aktuellen Einsatz bei der Bearbeitung von Werkstücken 4 befindet. Dabei ist neben dem tatsächlichen Wert des Verschleißzustands auch der Werteverlauf in Abhängigkeit der Einsatzdauer des Werkzeugs vorteilhaft, um eine qualifizierte Aussage über den Verschleißzustand des Werkzeugs 2, der Schneide 3 und/oder der Schneiden 3 ableiten zu können. Für die Bestimmung des Verschleißzustands bezüglich der jeweiligen betrachteten einzelnen Verschleiß-/Versagensarten werden spezifische Werkstoffe und/oder spezifische Prozessparameter und/oder spezifische Fräsverfahren eingesetzt, bei welchen die Messwerte an dem Opferwerkstück 11 aufgenommen werden.Correspondingly, a test measurement can be carried out in the new state with test measurements for a current state of wear, these test measurements being carried out accordingly with a tool which is currently being used when machining
Die spezifischen Fräsverfahren können bei einer definierten Schnittgeschwindigkeit, Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, bei einem Gegenlauf-/Mitlauffräsen und/oder Gegen-/Gleichlauffräsen eingesetzt werden, um den jeweiligen spezifischen Verschleißzustand zu bestimmen. The specific milling processes can be used at a defined cutting speed, rotational speed, feed rate, with up/down milling and/or up/down milling in order to determine the respective specific state of wear.
Es zeigt sich, dass die als Opferwerkstück 11 eingesetzten Werkstoffe und die bei den Testmessungen verwendeten Prozessparameter und/oder Fräsverfahren für die optimale Bestimmung des jeweiligen Verschleißzustandes bezüglich der betrachteten Verschleiß-/Versagensart unterschiedlich ausfallen können, so dass es vorteilhaft ist, wenn je nach betrachteter Verschleiß-/Versagensart ein unterschiedliches oder angepasstes Opferwerkstück 11 verwendet wird und unterschiedliche oder angepasste Prozessparameter und/oder Fräsverfahren eingesetzt werden.It has been shown that the materials used as the
Vorteilhaft ist es daher, wenn für das erfindungsgemäße Verfahren optional ein Verfahren zu Bestimmung eines Verschleißzustandes definiert wird, bei welchem beim Einsatz eines neuen Werkzeugs 2 als Zerspanungswerkzeug für jede betrachtete Verschleiß-/Versagensart eine entsprechende Messung als Referenzschnitt durchgeführt wird. Werden beispielsweise drei Verschleiß-/Versagensarten betrachtet, so werden drei Testmessungen im Neuzustand als Referenzschnitte, jeweils einen Referenzschnitt für jede mögliche betrachtete Versagensart, mit jeweils spezifischen Parametern und/oder spezifischem Fräsverfahren an jeweils einem spezifischen Opferwerkstück 11 durchgeführt.It is therefore advantageous if a method for determining a state of wear is optionally defined for the method according to the invention, in which a corresponding measurement is carried out as a reference cut when using a
Dabei werden jeweils Messwerte mittels zumindest eines Sensors 12 aufgenommen, wobei insbesondere ein zeitlicher Verlauf des Messwerts während der Testmessung aufgenommen wird und somit die absoluten Werte der Messwerte ermittelt werden. Dazu kann optional auch zusätzlich oder alternativ die zeitliche Veränderung des Verlaufs des Messwerts, die erste Ableitung als Funktion der Zeit ermittelt werden und/oder auch die zweite Ableitung des Messwerts als Funktion der Zeit ermittelt werden.In each case, measured values are recorded by means of at least one
In vordefinierten Abständen, wie beispielsweise in vordefinierten zeitlichen Abständen und/oder ereignisabhängig, können Testmessungen bei Bearbeitungen, wie bei Fräsungen, an den einzelnen verfügbaren Opfermaterialien mit den jeweils festgelegten Rahmenbedingungen, wie bei der ersten Testmessung im Neuzustand, aufgenommen, verglichen und den Verlauf oder die Verläufe der Messwerte im Sinne einer Historie ermittelt bzw. fortgeschrieben werden.At predefined intervals, such as at predefined time intervals and/or depending on the event, test measurements can be taken during processing, such as milling, on the individual available sacrificial materials with the framework conditions specified in each case, such as with the first test measurement in new condition, compared and the course or the courses of the measured values are determined or updated in the sense of a history.
Die Testmessungen, auch als Referenzschnitte bezeichnet, werden dabei je nach den betrachteten Verschleiß-/Versagensarten jeweils an spezifischen Opfermaterialien durchgeführt.The test measurements, also referred to as reference cuts, are carried out on specific sacrificial materials depending on the types of wear/failure considered.
Die eingesetzten Opfermaterialien können dabei auf der gleichen Messeinrichtung mit den vorgesehenen Sensoren 12 angeordnet sein, sofern vergleichbare Signale/physikalische Größen zur Ermittlung des spezifischen Verschleißzustandes herangezogen werden. Werden mehrere unterschiedliche Signale/physikalische Größen benötigt, so können auch mehrere Messeinrichtungen mit entsprechenden Sensoren 12 eingesetzt werden.The sacrificial materials used can be arranged on the same measuring device with the
Vorteilhaft wäre dabei auch eine multifunktionale Messeinrichtung mit verschiedenen Sensoren 12 zur Ermittlung von unterschiedlichen Signalen/physikalischen Größen, welche zur Bestimmung des Verschleißzustandes herangezogen werden.A multifunctional measuring device with
Über eine vorgesehene Auswerteeinheit 15, welche beispielsweise als die Steuereinheit 14 ausgebildet sein kann oder welche auch als separate Auswerteeinheit 15 vorgesehen sein kann, ist es möglich, anhand der ermittelten Messwerte und deren zeitlichen Verläufe, erste Ableitungen und/oder zweite Ableitungen als Werte und/oder deren zeitliche Verläufe den jeweiligen Werkzeugzustand bzw. Verschleißzustand in Abhängigkeit der spezifischen Verschleiß-/Versagensart und/oder der spezifischen Versagenswahrscheinlichkeit zu erkennen.Using an
Ebenso kann der Gesamtzustand des Werkzeugs sowie die Ausfallwahrscheinlichkeit durch definierte Algorithmen erkannt werden. Hierzu werden die unterschiedlichen Messwerte und/oder Verschleißzustände pro Verschleiß-/Versagensart miteinander verarbeitet und in Abhängigkeit des Gesamtergebnisses dieser Verarbeitung kann basierend auf den Einzelergebnissen pro Verschleiß-/Versagensart eine Empfehlung für die Restnutzung und/oder weitere Nutzung des Werkzeugs, der Schneide 3 und/oder der Schneiden 3 ausgegeben werden.The overall condition of the tool and the probability of failure can also be recognized by defined algorithms. For this purpose, the different measured values and/or wear states for each type of wear/failure are processed together and, depending on the overall result of this processing, a recommendation for the remaining use and/or further use of the tool, the
So kann beispielsweise eine Empfehlung gegeben werden, nach welcher die Schnittgeschwindigkeit zu reduzieren wäre, der Vorschub zu erhöhen wäre oder ein sofortiger Werkzeugwechsel oder Schneidenwechsel durchzuführen wäre.For example, a recommendation can be given according to which the cutting speed should be reduced, the feed increased or an immediate tool change or cutting edge change should be carried out.
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die vorgesehene Messeinrichtung mit dem zumindest einen Sensor 12 mit den aufgespannten Opfermaterialien für jede Verschleiß-/Versagensart einzeln ausgeführt wird. Dabei können die Messeinrichtungen auch eine gerätetechnische Einheit ausbilden.In an exemplary embodiment according to the invention, it is advantageous, for example, if the measuring device provided with the at least one
Alternativ kann die Messeinrichtung mit den angeordneten oder aufgespannten Opfermaterialien auch als multifunktionales Element ausgeführt sein und eine gerätetechnische Einheit ausbilden.Alternatively, the measuring device with the arranged or clamped sacrificial materials can also be designed as a multifunctional element and form a technical unit.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es optional auch vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung mit dem angeordneten bzw. aufgespannten Opfermaterial oder mit den angeordneten oder aufgespannten Opfermaterialien als eigenständige, insbesondere vormontierbare, Einheit in einem Bearbeitungsraum einer Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken, wie beispielsweise einer Werkzeugmaschine, angeordnet werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, it is optionally also advantageous if the measuring device with the arranged or clamped sacrificial material or with the arranged or clamped sacrificial materials as an independent, in particular preassemblable, unit in a processing space of a device for processing workpieces, such as a machine tool , can be arranged.
Beispielsweise kann die Messeinrichtung auf einen Maschinentisch der Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken angeordnet werden oder in den Maschinentisch integriert sein.For example, the measuring device can be arranged on a machine table of the device for machining workpieces or can be integrated into the machine table.
Vorteilhaft ist es bei einem Ausführungsbeispiel, wenn die Sensoren für die Funktion des Messens der Signale und/oder physikalischen Größen bei der testweisen Bearbeitung des Opferwerkstücks 11 aus dem Opfermaterial, also die Messeinrichtung, und das Aufspannen des Opferwerkstücks 11 oder der Opferwerkstücke 11 aus dem Opfermaterial oder aus den Opfermaterialien in einer Anordnung oder in zwei getrennten Anordnungen bzw. Einheiten untergebracht sind. Die Messeinrichtung kann beispielsweise zwischen dem Werkzeug und einer Antriebseinheit, wie Antriebsspindel, angeordnet sein.In one exemplary embodiment, it is advantageous if the sensors for the function of measuring the signals and/or physical quantities during the test processing of the
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann durch die Verwendung zumindest eines Sensors 12 ein Werkzeug 2 mit zumindest einer Schneide 3 identifiziert werden und es kann der Verschleißzustand bzw. die Verschleißzustände je Verschleißart individuell abgespeichert werden, was insbesondere bei nur temporär genutzten Werkzeugen 2 vorteilhaft ist.In a further exemplary embodiment, a
Der Sensor 12 könnte alternativ oder zusätzlich auch im Antriebstrang angeordnet werden, insbesondere zwischen dem Antrieb 5 und dem Aktuator 6.Alternatively or additionally, the
Das erfindungsgemäße Werkzeug 2 ist insbesondere ein mehrschneidiges Fräswerkzeug, wobei die Schneiden 3 auf einer Hartmetallbasis beruhen.The
Vorteilhaft ist das Werkzeug und/oder sind die Schneiden austauschbar ausgebildet.Advantageously, the tool and/or the cutting edges are exchangeable.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Werkzeuge hochpositive Werkzeuge sind. Dabei bedeutet die Verwendung von hochpositiven Werkzeugen die Nutzung von Werkzeugen mit abnehmendem Spanwinkel bzw. mit verkleinertem Spanwinkel gegenüber üblichen Werkzeugen mit üblichen Spanwinkeln. Die Entwicklung zu hochpositiven Werkzeugen, also mit abnehmendem Spanwinkel, bedeutet, dass unterschiedliche Vorteile beim Zerspanen unter der Nutzung von hochpositiven Werkzeugen genutzt werden können. Diese Vorteile sind vor allem deutlich reduzierte Zerspanungskräfte. Durch den geringeren Zerspanungswiderstand infolge des reduzierten Winkels wird auch ein geringerer Energieumsatz beim Zerspanen erzeugt, der eine deutlich reduzierte Wärmeaufnahme am zu zerspanenden Werkstück und auch am Werkzeug zur Folge hat. Dadurch ist als Folge die Wärmeausdehnung geringer und die Genauigkeit des Verfahrens nimmt zu. Bei Schruppprozessen kann daher bei vergleichbarer Wärmeaufnahme am Werkstück mit einem deutlich höheren Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit gerechnet werden. Ebenso wird weniger Antriebsenergie in vorteilhafter Weise benötigt.It is also advantageous if the tools are highly positive tools. The use of highly positive tools means the use of tools with a decreasing rake angle or with a reduced rake angle compared to conventional tools with the usual rake angles. The development of highly positive tools, i.e. with a decreasing rake angle, means that different advantages can be exploited when machining using highly positive tools. These advantages are primarily significantly reduced cutting forces. Due to the lower cutting resistance as a result of the reduced angle, a lower energy conversion is also generated during cutting, which results in significantly reduced heat absorption on the workpiece to be machined and also on the tool. As a result, the thermal expansion is lower and the accuracy of the method increases. In roughing processes, a significantly higher machining volume per unit of time can therefore be expected with comparable heat absorption on the workpiece. Likewise, less drive energy is required in an advantageous manner.
Die geschilderten Vorteile von hochpositiven Werkzeugen werden allerdings mit einer stärkeren Neigung der hochpositiven Werkzeuge zum Werkzeugbruch erkauft. Durch den verkleinerten Spanwinkel steigt die Versagenswahrscheinlichkeit speziell bei stoßartiger Belastung, speziell zum Ende der Standzeit, stark an.However, the described advantages of highly positive tools come at the price of a greater tendency for highly positive tools to break. Due to the reduced rake angle, the probability of failure increases sharply, especially in the case of impact loads, especially at the end of the service life.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Werkzeugs bietet daher die Möglichkeit, die Verwendung insbesondere auch von hochpositiven Werkzeugen besser zu überwachen und deren Verschleiß bzw. Versagen vor einem eintretenden Schaden am Werkstück vorherzusagen bzw. abzuschätzen. Dies hat den Vorteil, dass die Marktdurchdringung von hochpositiven Werkzeugen mit den genannten Vorteilen beschleunigt werden kann.The method according to the invention for determining the state of wear of a tool therefore offers the possibility of better monitoring the use, in particular also of highly positive tools, and of predicting or estimating their wear or failure before damage occurs to the workpiece. This has the advantage that the market penetration of highly positive tools can be accelerated with the advantages mentioned.
Die möglichen betrachteten Versagensarten bzw. Verschleißarten sind beispielsweise der Schneidkantenbruch, der Freiflächenverschleiß, der Kolkverschleiß, die Aufbauschneidenbildung und/oder die Rissbildung. Diese Verschleiß- bzw. Versagensarten werden im Nachfolgenden näher betrachtet. The possible types of failure or wear considered are, for example, cutting edge fracture, flank wear, crater wear, built-up edge formation and/or crack formation. These types of wear and failure are considered in more detail below.
Schneidenbruch:Cutting edge breakage:
Ein Schneidenbruch tritt auf, wenn das Werkzeug unter einer zu hohen mechanischen Belastung steht. Diese Verschleißart kann auch als Folge anderer Verschleißarten auftreten. Kolkverschleiß, Aufbauschneidenbildung, ein hoher Freiflächenverschleiß und/oder andere prozessbeeinflussende Elemente, wie beispielsweise Vibrationen oder falsch gewählte Schnittparameter, können zu einem Schneidenbruch führen. Außerdem kann eine Inhomogenität des Hartmetalls zu lokalen Ausbrüchen führen. Zum Beispiel kann es bei abrasiven Werkstoffen durch einen zu geringen Co-Gehalt im Hartmetall zu Ausbrüchen an der Schneidkante der Schneide kommen.A cutting edge fracture occurs when the tool is subjected to excessive mechanical stress. This type of wear can also occur as a result of other types of wear. Crater wear, built-up edges, high flank wear and/or other process-influencing elements, such as vibrations or incorrectly selected cutting parameters, can lead to a broken edge. In addition, an inhomogeneity of the hard metal can lead to local spalling. For example, in the case of abrasive materials, if the Co content in the hard metal is too low, breakouts can occur on the cutting edge of the cutting edge.
Um einen Schneidenbruch zu vermeiden, sollte eine angemessene Gegenmaßnahme ergriffen werden. Ein Werkzeug, beispielsweise eine Wendeschneidplatte, mit einer definierten Schneidgeometrie kann nicht für alle Materialien gleich gut eingesetzt werden. Der Schneidenbruch ist das Resultat einer zu stark belastenden Schneide und kann bei allen folgenden Verschleißsorten als letzte Instanz gesehen werden. Der Schneidenbruch ist bei allen Bearbeitungen zu vermeiden. Dafür sind die Schnittparameter maßgebend. Diese sollten bei einsetzendem Verschleiß rechtzeitig angepasst werden.In order to avoid edge breakage, an appropriate countermeasure should be taken. A tool, such as an indexable insert, with a defined cutting geometry cannot be used equally well for all materials. The cutting edge fracture is the result of a cutting edge that is subjected to too much stress and can be seen as the final instance in all of the following types of wear. Cutting edge breakage is to be avoided in all machining operations. The cutting parameters are decisive for this. These should be adjusted in good time when wear begins.
Zur Durchführung der Testmessung an einem Opfermaterial als Opferwerkstück kommt ein spröder Werkstoff mit guter Übertragung des Körperschalls in Frage. Dabei kann beispielhaft ein Gleichlauffräsen vorgenommen werden, was eine ausgeprägte Signalspitze beim Eintritt der Fräserschneide in das Werkstück erzeugt. Es können normale Vorschubwerte und für das Opfermaterial spezifische Schnittgeschwindigkeiten genutzt werden. Zur Sensierung kann beispielsweise eine Körperschallmessung, also eine Schwingungsmessung und/oder eine Körperschallmessung in Kombination mit einer Kraftmessung und/oder auch in Kombination mit einer optischen Überwachung, beispielsweise mittels eines Kamerasystems, durchgeführt werden.A brittle material with good transmission of structure-borne noise is suitable for carrying out the test measurement on a sacrificial material as a sacrificial workpiece. Climb milling can be carried out, for example, which generates a pronounced signal peak when the cutter blade enters the workpiece. Normal feed rates and cutting speeds specific to the sacrificial material can be used. A structure-borne noise measurement, ie a vibration measurement and/or a structure-borne noise measurement in combination with a force measurement and/or also in combination with optical monitoring, for example by means of a camera system, can be carried out for sensing.
Dies kann beispielsweise an einem Opferwerkstück aus einem Opfermaterial mit AlSi2 geprüft werden.This can be checked, for example, on a sacrificial workpiece made from a sacrificial material with AlSi2.
Freiflächenverschleiß:
- Der Freiflächenverschleiß ist eine der häufigsten Verschleißarten in der Zerspanung. Diese Verschleißart tritt meist bei zu geringem tatsächlichem Freiwinkel, bei abrasiven Werkstoffen oder bei zu hoch gewählter Schnittgeschwindigkeit auf. Freiflächenverschleiß kommt sehr häufig beim Schlichten vor, da beim Schlichten die Schnittgeschwindigkeit hoch und der Vorschub gering ist. Durch die hohe Schnittgeschwindigkeit erhöht sich die Temperatur und dadurch lösen sich Mikropartikel des Hartmetalls im Schneidstoff. Zudem erhöht sich die Reibung zwischen Schneide und Werkstoff, da sich das Werkzeug durch die niedrige Vorschubgeschwindigkeit eine längere Zeit im Eingriff befindet.
- Flank wear is one of the most common types of wear in machining. This type of wear usually occurs when the actual clearance angle is too small, with abrasive materials or when the selected cutting speed is too high. Flank wear is very common fig in finishing because the cutting speed is high and the feed rate is low in finishing. Due to the high cutting speed, the temperature increases and as a result, microparticles of the hard metal are dissolved in the cutting material. In addition, the friction between the cutting edge and the material increases because the tool is engaged for a longer time due to the low feed rate.
Lösung und Beispiel ist die Verringerung der Schnittgeschwindigkeit. Beim Zerspanen des Materials GGG60 oder GGG70 ist ein frühzeitiger Freiflächenverschleiß erkennbar. Um diesem Freiflächenverschleiß entgegenzuwirken, wird beispielsweise die Schnittgeschwindigkeit reduziert. Dabei kann beispielsweise die Schnittgeschwindigkeit von 240 m/min auf 210 m/min reduziert werden. Durch diese Optimierung kann die Standzeit um 25% gesteigert werden.The solution and example is to reduce the cutting speed. When machining the material GGG60 or GGG70, premature flank wear can be seen. To counteract this flank wear, the cutting speed is reduced, for example. For example, the cutting speed can be reduced from 240 m/min to 210 m/min. This optimization can increase the service life by 25%.
Als Opfermaterial kommt ein duktiler/weicher Werkstoff als Opferwerkstoff in Frage, eventuell auch ein Kunststoffverbundwerkstoff. Dabei kann ein Gegenlaufverfahren, beispielsweise mit einem sanften Eintritt mit Zunahme der Spandicke und der Zerspankräfte vorgenommen werden. Bei zunehmendem Freiflächenverschleiß neigt das Material zum „Wegschmieren“. A ductile/soft material can be considered as the sacrificial material, possibly also a plastic composite material. A counter-rotation method can be used, for example with a gentle entry with an increase in the chip thickness and the cutting forces. With increasing flank wear, the material tends to “smear away”.
Die Grenze kann mit weichem Material deutlich besser detektiert werden. Dabei können sehr geringe Vorschubwerte genutzt werden. Eine geringe Schnittgeschwindigkeit und eventuell auch das Durchfahren einer Geschwindigkeitsskala kann genutzt werden. Es kann eine Kraftmessung durchgeführt werden.The limit can be detected much better with soft material. Very low feed rates can be used here. A low cutting speed and possibly also running through a speed scale can be used. A force measurement can be carried out.
Dies kann beispielsweise an einem Opferwerkstück aus einem Opfermaterial mit GGG60 oder GGG70 geprüft werden.This can be checked, for example, on a sacrificial workpiece made from a sacrificial material with GGG60 or GGG70.
Kolkverschleiß:crater wear:
Kolkverschleiß ist eine thermische Diffusion, die durch mechanischen Abrieb zwischen Werkstück und dem Werkzeug auf der Spanfläche auftritt. Diese Verschleißart ist ein Anzeichen für eine zu hoch gewählte Schnittgeschwindigkeit eines ungünstigen Schneidstoffs und/oder einer unzureichenden Kühlung und Schmierung während des Zerspanprozesses.Crater wear is thermal diffusion that occurs on the rake face due to mechanical abrasion between the workpiece and the tool. This type of wear is an indication that the cutting speed selected is too high for an unfavorable cutting material and/or insufficient cooling and lubrication during the machining process.
Durch Optimierung der Werkzeugkühlung und Verringerung der Schnittgeschwindigkeit kann der Kolkverschleiß meist reduziert oder vermieden werden. Die Bearbeitung eines Flanschs aus dem Material Stahl 1.4301 mit einer gewählten Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min erzeugt einen frühzeitigen Kolkverschleiß. Die Zugabe von Kühlschmierstoff und die Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit auf 120 m/min eliminiert den Kolkverschleiß und steigerte die Standzeit um 30%.Crater wear can usually be reduced or avoided by optimizing the tool cooling and reducing the cutting speed. Machining a flange made of steel 1.4301 at a selected cutting speed of 180 m/min causes premature crater wear. The addition of coolant and reducing the cutting speed to 120 m/min eliminated crater wear and increased tool life by 30%.
Es kann ein zäher Werkstoff als Opfermaterial eingesetzt werden. Es kann ein Gegenlaufverfahren eingesetzt werden, beispielsweise mit einem sanften Eintritt mit Zunahme der Spandicke und der Zerspankräfte. Dabei können normale Vorschubwerte eingesetzt werde. Es können spezifische Schnittgeschwindigkeiten je nach Opfermaterial eingesetzt werden. Es kann eine Kraftmessung oder optional eine Kraftmessung in Kombination mit einer optischen Überwachung eingesetzt werden.A tough material can be used as the sacrificial material. A reverse flow method can be used, for example with a gentle entry with increasing chip thickness and cutting forces. Normal feed values can be used here. Specific cutting speeds can be used depending on the sacrificial material. A force measurement or optionally a force measurement in combination with optical monitoring can be used.
Dies kann beispielsweise an einem Opferwerkstück aus einem Opfermaterial mit Stahl 1.4301 oder 1.2738 geprüft werden.This can be checked, for example, on a sacrificial workpiece made from a sacrificial material with steel 1.4301 or 1.2738.
Aufbauschneidenbildung:
- Eine zu geringe Schnittgeschwindigkeit oder ein zu geringer Zahnvorschub kann zu einer Aufbauschneide führen. Hierbei kommt es zu Materialaufklebungen auf der Spanfläche des Werkzeugs. Vor allem bei zähen Materialien, wie bei rostfreien Stählen, Aluminium und Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, kann es zu der Aufbauschneidenbildung kommen.
- A cutting speed that is too low or a tooth feed that is too low can lead to a built-up edge. This results in material sticking to the cutting face of the tool. Edge build-up can occur, especially with tough materials such as stainless steel, aluminum and steel with a low carbon content.
Der Aufbauschneidenbildung kann mit Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit und präziserer Kühlschmierstoffzuführung entgegengewirkt werden. Die Schruppbearbeitung eines Schmiedegesenks aus Stahl 1.2738 brachte folgendes Problem zum Vorschein. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min kam es nach kurzer Einsatzzeit zu erheblichen Materialaufklebungen auf der Spanfläche des Werkzeugs, also einer Wendeschneidplatte. Dies führte nach ca. 66 m Standweg pro Schneide zu einem unvorhersehbaren Schneidkantenbruch. Die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit auf 210 m/min brachte einen um 15% gestiegenen Standweg. Dies kann beispielsweise an einem Opferwerkstück aus einem Opfermaterial mit Stahl 1.4301 oder 1.2738 geprüft werden.The built-up edge can be counteracted by increasing the cutting speed and more precise coolant supply. Roughing a forging die made of steel 1.2738 revealed the following problem. At a cutting speed of 180 m/min, after a short period of use, there was a significant amount of material sticking to the cutting surface of the tool, i.e. an indexable insert. This led to an unpredictable breaking of the cutting edge after a service life of approx. 66 m per cutting edge. Increasing the cutting speed to 210 m/min resulted in a 15% longer tool life. This can be checked, for example, on a sacrificial workpiece made from a sacrificial material with steel 1.4301 or 1.2738.
Als Opfermaterial kann ein zäher Werkstoff im Gegenlaufverfahren oder im Gleichlaufverfahren eingesetzt werden. Es können normale Vorschubwerte eingesetzt werden, beispielsweise für das Opfermaterial spezifische normale Schnittgeschwindigkeiten. Es kann eine Kraftmessung oder optional eine Kraftmessung in Kombination mit einer optischen Überwachung eingesetzt werden.A tough material can be used as a sacrificial material in the opposite direction or in the synchronous direction. Normal feed rates may be used, such as normal cutting speeds specific to the sacrificial material. A force measurement or optionally a force measurement in combination with optical monitoring can be used.
Rissbildung:
- Dabei wird die Rissbildung des Werkzeugs während der Zerspanung betrachtet.
- The formation of cracks in the tool during machining is observed.
Je härter das Hartmetall des Werkzeugs ist, desto geringer ist die Zähigkeit des Materials des Werkzeugs. Eine Rissbildung ist wegen der hohen dynamischen und thermischen Belastungen an der Hartmetallschneidkante sehr häufig. Das Verhalten einer Rissbildung im Hartmetall ist nur schwer vorherzusehen. Eine Rissausbreitung kann sehr schnell das Werkzeug, beispielsweise eine Wendeschneidplatte, zum Versagen bringen, so dass das Werkzeug nicht mehr weiterverwendet werden kann.The harder the carbide of the tool, the lower the toughness of the tool material. Crack formation is very common due to the high dynamic and thermal loads on the carbide cutting edge. The behavior of a crack formation in the hard metal is difficult to predict. Crack propagation can very quickly cause the tool, for example an indexable insert, to fail so that the tool can no longer be used.
Ein Riss in einem Werkzeug neigt dazu, sich auf der Freifläche auszuweiten. Nach dem Risswachstum ist weder die Schneidkante noch die Anlagefläche funktionsfähig. Die Aufbauschneidenbildung ist eine der üblichsten Ursachen für eine Rissbildung während des Zerspanprozesses. Die angeklebten Späne an der Schneidkante nehmen die Zerspankräfte auf und speichern gleichzeitig die hohe Wärme in sich. Entsprechend verursachen sie die Ausbröckelungen an der Schneidkante. Die Späne dringen in die Rissspalten ein und erzeugen unbestimmte Spannungen, die den Verlauf der Rissbildung weiter beeinflussen. Starke Temperaturwechsel und das ständige Ein- und Ausschneiden beim Fräsen haben eine so genannte Kammrissbildung an der Schneidkante zur Folge.A crack in a tool tends to propagate on the flank face. After the crack has grown, neither the cutting edge nor the contact surface is functional. Built-up edge is one of the most common causes of cracking during the machining process. The chips stuck to the cutting edge absorb the cutting forces and at the same time store the high heat. Accordingly, they cause the spalling on the cutting edge. The chips penetrate into the crack gaps and generate indefinite stresses, which further influence the course of the crack formation. Severe temperature changes and the constant cutting in and out during milling result in so-called comb crack formation on the cutting edge.
Um Riss- und Kammrissbildung entgegenzuwirken, können folgende Maßnahmen ergriffen werden: Bei Rissbildung wegen hohen mechanischen Belastungen sollte der Zahnvorschub verringert werden, damit die Dauerfestigkeit des Schneidstoffes gegeben bleibt. Bei Rissbildung wegen Aufbauschneiden sind die Gegenmaßnahmen für Vermeidung von Aufbauschneiden anzuwenden, siehe oben bei dem Thema Aufbauschneidenbildung. Bei Kammrissbildung können Maßnahmen gegen Temperaturschwankungen ergriffen werden. Trockenbearbeitung oder ausreichende Kühlschmierstoffzuführung sowie eine Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit können Abhilfe schaffen.The following measures can be taken to counteract the formation of cracks and comb cracks: If cracks form due to high mechanical loads, the tooth feed should be reduced so that the fatigue strength of the cutting material is maintained. If cracks form due to built-up edges, the countermeasures for avoiding built-up edges must be applied, see above under the topic of built-up edges. Measures can be taken against temperature fluctuations if comb cracks form. Dry machining or sufficient cooling lubricant supply as well as reducing the cutting speed can help.
Bei Planfräsen eines Schmiedegesenks aus dem Material 1.2738 kam es bei einer Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min zur deutlichen Aufbauschneidenbildung. Dies hatte ein Standzeitende durch Schneidkantenbruch bei 66 m/Schneide zur Folge. Um einen Schneidkantenbruch zu vermeiden, ist die Schnittgeschwindigkeit auf 240 m/min erhöht worden. Diese Maßnahme verlängerte den Standweg auf 74 m/Schneide. Der daraus resultierende Temperaturanstieg im Fräsprozess definierte das neue Standzeitende durch Kolkverschleiß.During the face milling of a forging die made of the material 1.2738, at a cutting speed of 180 m/min, clear built-up edges formed. This resulted in the end of the tool life due to a broken cutting edge at 66 m/cutter. To avoid breaking the cutting edge, the cutting speed has been increased to 240 m/min. This measure extended the tool life to 74 m/cutter. The resulting increase in temperature during the milling process defined the new end of service life due to crater wear.
Zielführend war letztlich eine mittlere Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min. Das neue Standzeitende konnte auf 81 m/Schneide durch einen prozesssicheren Freiflächenverschleiß angehoben werden.Ultimately, an average cutting speed of 200 m/min was the goal. The new end of tool life could be increased to 81 m/cutter thanks to process-reliable flank wear.
Es kann als Opfermaterial ein spröder Werkstoff mit guter Übertragung des Körperschalls genutzt werden. Es kann ein Gegenlauffräsen eingesetzt werden. Insbesondere können geringe Vorschubwerte eingesetzt werden, die für das gewählte Opfermaterial spezifisch sind. Es kann eine Körperschallmessung, wie eine Schwingungsmessung, durchgeführt werden.A brittle material with good transmission of structure-borne noise can be used as the sacrificial material. Up-cut milling can be used. In particular, low feed rates specific to the sacrificial material chosen can be employed. A structure-borne sound measurement, such as a vibration measurement, can be carried out.
Dies kann beispielsweise an einem Opferwerkstück aus einem Opfermaterial mit Stahl 1.4301 oder 1.2738 geprüft werden.This can be checked, for example, on a sacrificial workpiece made from a sacrificial material with steel 1.4301 or 1.2738.
Zur Durchführung des Verfahrens zur Analyse verschiedener Versagensarten oder Verschleißarten des Werkzeugs hat es sich daher beispielhaft als vorteilhaft erwiesen, wenn als Opferwerkstück Materialien mit Stahl 1.4301 oder Stahl 1.2738, GGG60 oder GGG70 und AlSi2 oder ähnliche Materialien als Opfermaterialien eingesetzt werden.To carry out the method for analyzing different types of failure or wear of the tool, it has therefore proven to be advantageous if materials with steel 1.4301 or steel 1.2738, GGG60 or GGG70 and AlSi2 or similar materials are used as sacrificial materials.
Entsprechend kann zur Analyse der entsprechenden Verschleiß- oder Versagensart eine Testbearbeitung an den entsprechenden Opfermaterialien unter den angegebenen Verfahrensbedingungen durchgeführt werden.Correspondingly, to analyze the corresponding wear or failure mode, test machining can be carried out on the corresponding sacrificial materials under the specified process conditions.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel insbesondere vor, dass die Testbearbeitung eine spanabhebende Bearbeitung des Opferwerkstücks ist, wobei das Werkzeug in einer vordefinierten Vorschubrichtung in einer vordefinierten Vorschubgeschwindigkeit relativ zu dem Opferwerkstück verfahren wird, wobei der Sensor eine von dem Werkzeug auf das Opferwerkstück ausgeübte Kraft aufnimmt, wobei die Richtung der aufgenommenen Kraft in einem vordefinierten Winkel zur Vorschubrichtung ausgerichtet ist.In a preferred exemplary embodiment, the method according to the invention provides in particular that the test machining is machining of the sacrificial workpiece, the tool being moved in a predefined feed direction at a predefined feed rate relative to the sacrificial workpiece, the sensor exerting a force exerted by the tool on the sacrificial workpiece Absorbs force, the direction of the absorbed force being aligned at a predefined angle to the feed direction.
Die
Dabei kann als Testbearbeitung eine Fräsbearbeitung eines Opferwerkstücks mittels eines Werkzeugs als Fräswerkzeug durchgeführt werden, insbesondere mit einer Schneide oder mit einer Mehrzahl von Schneiden.Milling of a sacrificial workpiece can be performed as a test machining using a tool as a milling tool, in particular with one cutting edge or with a plurality of cutting edges.
Die
Weiterhin ist eine zweite Aufnahme 22 für den Sensor 12 vorgesehen, an welcher der Sensor 12 angeordnet ist. Dabei ist das zumindest eine Opferwerkstück 21 derart mit dem Sensor 12 gekoppelt, dass bei einer Testbearbeitung des Opferwerkstücks 21 eine Kraft von dem Opferwerkstück 21 auf den Sensor 12 übertragbar ist.Furthermore, a
Dazu weist die Haltevorrichtung 10 einen Grundkörper 23 auf, welcher beispielsweise an einem Maschinentisch 24 der Bearbeitungsmaschine, wie beispielsweise der Fräsmaschine, angeordnet ist.For this purpose, the holding
Der Grundkörper 23 bildet die zweite Aufnahme 22 für den Sensor 12 aus.The
Weiterhin ist ein Träger 25 vorgesehen, welcher relativ zu dem Grundkörper 23 in einer Richtung verlagerbar geführt ist. Der Träger 25 bildet die erste Aufnahme 20 für das Opferwerkstück 21 aus.Furthermore, a
Der Sensor 12 ist zwischen der zweiten Aufnahme 22 und dem Träger 25 angeordnet und wird von dem Träger 25 kraftbeaufschlagt.The
Optional ist ein Kraftspeicher 26, wie ein Federelement, vorgesehen, welcher sich einerseits an dem Grundkörper 23 und andererseits an dem Träger 25 abstützt. Dadurch wird eine Kraftbeaufschlagung des Trägers 25 gegen den Sensor 12 beaufschlagt. So wird der Sensor 12 vorgespannt und in einen definierten Zustand versetzt. Dabei stützt sich der Kraftspeicher 26 an dem Grundkörper 23 vorteilhaft an einer Anlagefläche einer Einstellschraube 27 ab, so dass die Vorspannung des Kraftspeichers 26 einstellbar ist.An
Auch ist es bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass zwischen dem Träger 25 und dem Sensor 12 ein Übertragungselement 28 angeordnet ist, um die Einleitung der Kraft auf den Sensor in seiner Richtung ausrichten und/oder definieren zu können. Vorteilhaft ist dabei, dass dadurch erreicht werden kann, dass mit einer beispielsweisen Punktberührung aufgrund des kugelförmigen Übertragungselements 28 nur Druckkräfte in der Normalenrichtung übertragen werden können, so dass Störeinflüsse reduziert werden können.It is also provided in an advantageous exemplary embodiment that a
Der Träger 25 ist mittels einer Führung 29 in dem Grundkörper 23 derart geführt, dass der Träger 25 relativ zum Grundkörper 23 in einer definierten Richtung verlagerbar gelagert ist. Dazu weist der Grundkörper 23 zumindest eine Führungssäule 30 auf, welche durch eine Führungsbuchse 31 geführt ist, so dass der Träger 25 nur in Längsrichtung der Führungssäule 30 verlagerbar ist.The
Auf dem Träger 25 ist zumindest ein Opferwerkstück 21 vorgesehen, welches auf dem Träger 25 befestigt angeordnet ist. Alternativ ist eine vordefinierte Anzahl von Opferwerkstücken 21 vorgesehen. Beispielsweise ist ein Opferwerkstück 21 vorgesehen oder es sind zwei oder drei Opferwerkstücke 21 aus unterschiedlichen Opfermaterialien vorgesehen für die Bestimmung eines Verschleißzustandes gemäß einem Freiflächenverschleiß, einem Kolkverschleiß, Aufbauschneide, Rissbildung und/oder einem Schneidenbruch.At least one
Zu dem Verfahren wird das Werkzeug 2 während der Testbearbeitung geradlinig in der vordefinierten Vorschubrichtung 33 in der vordefinierten Vorschubgeschwindigkeit relativ zu dem Opferwerkstück 21 verfahren. Dabei wird die Kraft in einer Kraftrichtung 34, welche der Sensor 12 detektiert, in einem definierten Winkel α zur Vorschubrichtung 32 gemessen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Winkel α im Bereich von 60° bis 120°, insbesondere etwa 90°, wie 90°, zur Vorschubrichtung 32 ausgerichtet ist, siehe
Der Sensor 12 ist ein Kraft- oder Drucksensor, welcher derart angeordnet ist, dass auf ihn nur eine Kraft wirkt, deren Kraftrichtung 34 in einem Winkel α im Bereich von 60° bis 120°, insbesondere etwa 90°, zur Vorschubrichtung 32 ausgerichtet ist.The
Bei einer Testbearbeitung erfolgt ein Fräsen des Opferwerkstücks 21 entlang der Vorschubrichtung 32 des Werkzeugs 2 mit der Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs 2 mittels des Werkzeugs 2, insbesondere in einer geradlinigen Richtung. Die detektierte Kraft steht mit ihrer Kraftrichtung 34 auf der Vorschubrichtung 32 im Wesentlichen senkrecht. Dadurch können Störeinflüsse reduziert werden.During a test machining, the
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann für die unterschiedlichen Werkzeuge 2, wie unterschiedliche Fräsertypen, eine spezifische „Werkzeug/Opfermaterial Referenzkurve“ erzeugt werden, siehe
Nach der Testmessung mit diesem neuen Werkzeug 2 an einem Opferwerkstück 21 wird im weiteren Verlauf der Nutzung des Werkzeugs 2 an üblichen Werkstücken das Werkzeug 2 an einem zu zerspanenden Werkstück eingesetzt und damit abgenutzt.After the test measurement with this
In einem sich wiederholenden Prozess, wie beispielsweise einem iterativen Prozess, werden mittels weiterer Testbearbeitungen nach definierten Nutzungszeiten des Werkzeugs 2 weitere Stützpunkte der Referenzkurve der
Durch die Aneinanderreihung der Kraftwerte der einzelnen Messungen lässt sich die Referenzkurve der
Der Abnutzungsgrad sowie die zulässigen Grenzen der Abnutzung des Werkzeugs oder der Schneiden 3 werden visuell definiert. Der Kraftwert, der bei der gerade noch zulässigen Abnutzung vorliegt, wird als Grenzwert hinterlegt und kann später als „Abschalt-ZWarnpunkt“ hinterlegt werden.The degree of wear and the permissible limits of wear of the tool or the
Zur Testbearbeitung kann neben der Erfassung der auftretenden Kraft Fy bei definierten Schnittparametern auch der Schnittkraftverlauf gemäß
Vorteilhaft ist dabei, dass zur Beurteilung der momentanen Verschleißsituation des Werkzeugs 2 oder der Schneiden 3 lediglich der Kraftverlauf einer Fräserumdrehung benötigt wird. Somit kann von einem minimalen Materialverbrauch des Opfermaterials ausgegangen werden.The advantage here is that to assess the current wear situation of the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- WerkzeugTool
- 33
- Schneidecutting edge
- 44
- Werkstückworkpiece
- 55
- erster Antriebfirst drive
- 66
- erster Aktuatorfirst actuator
- 77
- Werkstückhalterworkpiece holder
- 88th
- zweiter Antriebsecond drive
- 99
- zweiter Aktuatorsecond actuator
- 1010
- Haltevorrichtungholding device
- 1111
- Opferwerkstücksacrificial workpiece
- 1212
- Sensorsensor
- 1313
- SpeicherStorage
- 1414
- Steuereinheitcontrol unit
- 1515
- Auswerteeinheitevaluation unit
- 2020
- erste Aufnahmefirst shot
- 2121
- Opferwerkstücksacrificial workpiece
- 2222
- zweite Aufnahmesecond shot
- 2323
- Grundkörperbody
- 2424
- Maschinentischmachine table
- 2525
- Trägercarrier
- 2626
- Kraftspeicherenergy accumulator
- 2727
- Einstellschraubeadjustment screw
- 2828
- Übertragungselementtransmission element
- 2929
- Führungguide
- 3030
- Führungssäuleguide column
- 3131
- Führungsbuchseguide bush
- 3232
- Vorschubrichtungfeed direction
- 3434
- Kraftrichtungdirection of force
Claims (21)
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
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---|---|
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-
2022
- 2022-09-02 DE DE102022209160.4A patent/DE102022209160A1/en active Pending
- 2022-09-07 WO PCT/EP2022/074878 patent/WO2023036828A1/en active Application Filing
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