DE112021002569T5 - INTELLIGENT CUTTING TOOL MODULE FOR CNC LATHES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein intelligentes Schneidwerkzeugmodul mit Innenkühlung, das darauf abzielt, die Schneidwerkzeugspitze während des Drehprozesses zu kühlen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das intelligente Schneidwerkzeugmodul, das eine intelligente Steuer-Kühleinheit umfasst, die die Fähigkeit den Fluss/die Geschwindigkeit und die Temperatur des in das Schneidwerkzeug geleiteten Kühlmittels entsprechend den extremen Temperaturwerten prognostiziert nach seiner eigenen Arbeitsstrategie zu steuern und zu entscheiden, aufweist.The invention relates to an intelligent cutting tool module with internal cooling, which aims to cool the cutting tool tip during the turning process. In particular, the invention relates to the intelligent cutting tool module, which includes an intelligent control-cooling unit that has the ability to control the flow/speed and temperature of the coolant fed into the cutting tool according to the extreme temperature values predicted according to its own working strategy and decide having.
Description
Technisches Gebiet:Technical field:
Die Erfindung betrifft ein intelligentes Schneidwerkzeugmodul mit Innenkühlung, das darauf abzielt, die Schneidwerkzeugspitze während des Drehprozesses zu kühlen.The invention relates to an intelligent cutting tool module with internal cooling, which aims to cool the cutting tool tip during the turning process.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das intelligente Schneidwerkzeugmodul, das eine intelligente Steuer-Kühleinheit umfasst, die die Fähigkeit den Fluss/die Geschwindigkeit und die Temperatur des in das Schneidwerkzeug geleiteten Kühlmittels entsprechend den extremen Temperaturwerten prognostiziert nach seiner eigenen Arbeitsstrategie zu steuern und zu entscheiden, aufweist.In particular, the invention relates to the intelligent cutting tool module, which includes an intelligent control-cooling unit that has the ability to control the flow/speed and temperature of the coolant fed into the cutting tool according to the extreme temperature values predicted according to its own working strategy and decide having.
Stand der TechnikState of the art
Das Drehverfahren ist eines der am weitesten verbreiteten Bearbeitungsverfahren.The turning process is one of the most widespread machining processes.
Das Drehverfahren ist der Prozess der Zerspanung und Formgebung an einem eine kreisförmige Bewegung ausführenden Werkstück mit einem Schneidwerkzeug, das sich in verschiedene Richtungen bewegen kann. Während das Werkstück durch das Drehen die Hauptbewegung erzeugt, werden die Materialentfernung- und Vorschubbewegungen mit dem Schneidwerkzeug durchgeführt. Die Maschinen, die Dreharbeiten ausführen, werden als Drehmaschinen genannt. In der Drehmaschine werden zylindrische und konische Flächen am Außen- und Innenteil meist mit axialer Bewegung bearbeitet.Turning is the process of machining and shaping a workpiece in a circular motion with a cutting tool that can move in multiple directions. While the workpiece creates the main movement by turning, the material removal and feed movements are performed with the cutting tool. The machines that perform turning work are called lathes. In the lathe, cylindrical and conical surfaces on the outer and inner part are usually machined with an axial movement.
Zum Drehen werden verschiedene Drehmaschinen benutzt. Einige dieser Drehmaschinen sind Universaldrehmaschinen, Vertikaldrehmaschinen, Revolverdrehmaschinen, Luft-, Durchmesserdrehmaschinen, Kopierdrehmaschinen, Tischdrehmaschinen und CNC - Massenproduktionsdrehmaschinen.Various lathes are used for turning. Some of these lathes are universal lathes, vertical lathes, turret lathes, air lathes, diameter lathes, copy lathes, bench lathes and CNC mass production lathes.
CNC-Drehmaschinen sind im Gegensatz zu den herkömmlichen Drehmaschinen die Maschinen, die ihre Achsen mit an eine computergesteuerte Steuerung gesendeten NC-Programmen bewegen lassen und die durch den Kugelgewindetrieb und den Servomotor in kurzer Zeit die Werkstücke mit vorgegebenen Maßen, Fortschritten und Umdrehungen herstellen können.CNC lathes, unlike traditional lathes, are machines that allow their axes to move with NC programs sent to a computerized control and that, thanks to the ball screw and the servo motor, can quickly produce the workpieces with predetermined dimensions, advances and revolutions.
Die resultierenden thermischen Veränderungen an den Kanten der Schneidspitzen beim Drehprozess verursachen den Verschleiß, die thermische Erosion, den Messfehler, eine Erhöhung der Oberflächenrauheit und eine Verringerung der Standzeit der Werkzeugspitze. Die beim Zerspanen in dem Schnittbereich entstehende Wärme hat negative Auswirkungen auf die bearbeitete Oberfläche des Werkstücks. Die beim Drehen frei werdende Wärme ist ein wesentlich kritischerer Parameter für die Bearbeitbarkeit von in der Industrie aktiv eingesetzten Werkstoffen,wie Nickelbasis-Superlegierungen, Titan, Verbundwerkstoffe und weißes Gusseisen mit hohem Chrom, die besonders schwer zerspanbar sind. Denn bei diesen schwer zerspanbaren Werkstoffen werden hohe Temperaturen beobachtet und es kommt zu Beschädigungen der Schneidspitze. Aus diesem Grund wurde im Stand der Technik in vielen Studien auf die Bedeutung der Temperatursenkung in der Schneidzone hingewiesen und haben dargelegt, dass durch Reduzieren der Temperatur die Werkzeugstandzeit sich verlängert, die Werkzeugspitzenverschleiß reduziert und die Qualität der bearbeiteten Oberfläche zunehmen wird. Ferner ist der Schaden an der Schneidspitze noch immer nicht vollständig beseitigt und viele Studien zielten darauf ab, viele Parameter, insbesondere Schnittkräfte und Temperatur, während der Bearbeitung zu kontrollieren, um den Schaden zu reduzieren. Aus diesem Grund wurden für die Kühlung des Schneidbereiches die Verwendung konventioneller Kühlschmierstoffe, Tieftemperaturkühlung, Minimalschmierung, die Verwendung von Hochdruckkühlmitteln, Festschmierstoffen, luft-/gasbasierten Schmierstoffen, pflanzlich basierten Kühlschmierstoffen und vielversprechend in der letzten Zeit interne Kühlsysteme bevorzugt.The resulting thermal changes at the edges of the cutting tips during the turning process cause wear, thermal erosion, measurement error, an increase in surface roughness and a reduction in tool tip life. The heat generated during cutting in the cutting area has a negative impact on the machined surface of the workpiece. The heat generated during turning is a much more critical parameter for the machinability of materials actively used in industry, such as nickel-base superalloys, titanium, composites and high-chromium white cast iron, which are particularly difficult to machine. This is because high temperatures are observed with these materials, which are difficult to machine, and damage to the cutting tip occurs. For this reason, many studies in the prior art have pointed out the importance of lowering the temperature in the cutting zone and have demonstrated that by reducing the temperature, tool life will increase, tool tip wear will reduce and the quality of the machined surface will increase. Furthermore, damage to the cutting tip is still not completely eliminated, and many studies have aimed to control many parameters, particularly cutting forces and temperature, during machining to reduce the damage. For this reason, the use of conventional cutting fluids, cryogenic cooling, minimal lubrication, the use of high-pressure coolants, solid lubricants, air/gas-based lubricants, vegetable-based cutting fluids and, more recently, internal cooling systems have been favored for cooling the cutting area.
Aufgrund von Vorteilen wie die Eliminierung der negativen Auswirkungen von Kühlschmierstoffen oder der Schmierstoffen auf die Umwelt und die Gesundheit der Mitarbeiter, die Kostensenkung, die Entwicklung der kompakten Entwürfe, die einfache Handhabung und die genauen Temperaturmessungen ist die Bevorzugung interner Kühlsysteme begonnen.The preference for internal cooling systems has started due to advantages such as eliminating the negative impact of metalworking fluids or the lubricants on the environment and employee health, cost reduction, development of the compact designs, easy handling and accurate temperature measurements.
Bei Drehmaschinen ist das allgemeine Problem die Erwärmung der Schneideinsätzen und damit verbundene mechanische und effizientische Probleme. Aus diesem Grund ist die Kühlung dieser Schneideinsätzen von großer Bedeutung. Im Stand der Technik gibt es verschiedene Entwicklungen und Erfindungen zur Lösung dieses Problems. Insbesondere die Abschätzung der Temperatur in dem Schneidbereich und die Möglichkeit, die Kühlung in diesem Bereich zu steuern, sind noch Bedürfnisse. Es gibt einige fehlende Teile in den gefundenen Lösungen und einige damit verbundene Probleme.In lathes, the common problem is heating of the cutting inserts and related mechanical and efficiency problems. For this reason, the cooling of these cutting inserts is of great importance. There are various developments and inventions in the prior art to solve this problem. In particular, the estimation of the temperature in the cutting area and the possibility of controlling the cooling in this area are still needs. There are some missing parts in the found solutions and some related issues.
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Bei der allgemeinen Betrachtung der Kühlsysteme des Standes der Technik ist zu sehen, dass zur Kühlung der Schneidewerkzeugspitze Wasserumlaufkanäle mit unterschiedlichen Geometrien verwendet werden.Considering the cooling systems of the prior art in general, it can be seen that water circulation channels with different geometries are used to cool the cutting tool tip.
Im Stand der Technik ist erkennbar, dass man auf der Konstruktion und Fertigung von Schneidewerkzeugen in unterschiedlichen Geometrien mit Innenkühlung konzentriert ist. Es ist auch erkennbar, dass das Kältemittel die Wärmeübertragung durch direkten Kontakt mit dem Schneidwerkzeug oder durch eine Zwischenplatte sicherstellt. Das in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzte Kältemittel strömt im Werkzeug mit unterschiedlichen Geometrien und in den Studien hat sich herausgestellt, dass während der Materialabnahme am Ende des Schneidewerkzeugseine signifikante Kühlung bereitgestellt wird.In the state of the art it can be seen that the focus is on the design and manufacture of cutting tools in different geometries with internal cooling. It can also be seen that the refrigerant ensures heat transfer through direct contact with the cutting tool or through an intermediate plate. The refrigerant circulated in a closed circuit flows in the tool with different geometries and the studies have found that significant cooling is provided during material removal at the end of the cutting tool.
Im Stand der Technik wurde in einigen Veröffentlichungen die Bauweise eines Schneidewerkzeugs mit Innenkühlung verwendet, unter der Schneidewerkzeugspitze über dem Schneidewerkzeughalter ist eine Kammer geöffnet und die R-123 (Kohlenwasserstoff) Flüssigkeit wird in dieser Kammer umgewälzt. Es ist angegeben, dass R-123 während der Zirkulation im geschlossenen Kreislauf im Werkzeug in die Gasphase übergeht und für die Kühlung sorgt. Zwischen der Schneidewerkzeugspitze und dem Kältemittel befindet sich eine Kupferplatte.In the prior art, in some publications, the design of a cutting tool with internal cooling has been used, a chamber is opened under the cutting tool tip above the cutting tool holder and the R-123 (hydrocarbon) liquid is circulated in this chamber. It is stated that during the closed circuit circulation in the tool, R-123 vaporizes and provides the cooling. There is a copper plate between the cutting tool tip and the refrigerant.
In einer nach dem Stand der Technik durchgeführten Studie wurde zur Bearbeitung mit diamantbeschichteter Spitze ein selbstkühlendes Schneidewerkzeug entworfen und hergestellt. In der Nähe des Schneidbereichs wurde ein Kanal an die Werkzeugspitze durch Mikrobearbeitung an einen Block integriert. Die Kühlung erfolgte durch Leiten des Kältemittels durch diesen Kanal. In dieser Studie, die verhindern sollte, dass die Werkzeugspitze die Verschleißmechanismen beschleunigende kritische Temperatur erreicht, wurde die Temperatur an der Werkzeugspitze mit einem Pyrometer gemessen.In a prior art study, a self-cooling cutting tool was designed and manufactured for diamond coated tip machining. Near the cutting area, a channel at the tool tip has been micro-machined onto a block. Cooling was accomplished by passing the refrigerant through this channel. In this study, to prevent the tool tip from reaching the critical temperature that accelerates wear mechanisms, the temperature at the tool tip was measured with a pyrometer.
In einer anderen nach dem Stand der Technik durchgeführten Studie wurde angefordert, ein intelligentes selbstkühlendes Schneidwerkzeug für das Trockendrehen zu entwickeln. In dieser Studie, bei der während der Design- und Produktionsphase eine Optimierung mit CFD- und Taguchi-Methoden vorgenommen wurde, wurde ein Adapter, der aus der Schneidewerkzeugspitze und einem darunter montierbarem Stück bestanden ist, gebildet, um das Kältemittel durch das Schneidewerkzeug zu umwälzen. In diesem Adapter befand sich ein dreieckiger Kanal, und in diesem Kanal wurde eine Flüssigkeitszirkulation sichergestellt. Als Kältemittel wurde reines Wasser verwendet. Die Eintritts- und Austrittstemperaturen des Kältemittels wurden kontinuierlich gemessen und die TType Werte entsprechend der Korrelation zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur ermittelt. Somit wurden entsprechend dieser Temperatur optimale Bearbeitungsparameter für die CNC-Maschine bestimmt.In another prior art study, it was requested to develop an intelligent self-cooling cutting tool for dry turning. In this study, optimizing with CFD and Taguchi methods during the design and production phase, an adapter consisting of the cutting tool tip and a piece mountable underneath was formed to circulate the refrigerant through the cutting tool . A triangular channel was located in this adapter and liquid circulation was ensured in this channel. Pure water was used as the refrigerant. The inlet and outlet temperatures of the refrigerant were measured continuously and the T Type values were determined according to the correlation between the inlet and outlet temperatures. Thus, optimal processing parameters for the CNC machine were determined according to this temperature.
In einer nach dem Stand der Technik durchgeführten Studie bestand es darin, einen Mikrokanal geöffneten Unterlage unter die Schneidewerkzeugspitze anzupassen und die Flüssigkeit aus diesem Kanal umwälzen zu lassen. Diese Kanäle wurden so nah wie möglich an den Werkzeugspitzen positioniert. Die Temperatur an der Schneidspitze wurde mit Hilfe eines Thermoelements gemessen. Während diese Temperatur mit Hilfe des Thermoelements gemessen wurde, wurde das Kältemittel mit Hilfe der Pumpe mit konstantem Durchfluss und konstanter Temperatur durch die Flüssigkeit-Mikrokanäle umgewälzt. So wurden die Einlass- und Auslasstemperaturen des Kältemittels gemessen. Für die verschiedenen Einlasstemperaturen und Geschwindigkeiten wurden optimale Werte ermittelt, die manuell angepasst werden können.In a prior art study, it consisted of fitting a microchannel apertured pad under the cutting tool tip and allowing the fluid from this channel to circulate. These channels were positioned as close to the tool tips as possible. The temperature at the cutting tip was measured using a thermocouple. While this temperature was measured by the thermocouple, the refrigerant was circulated through the liquid microchannels by the pump at a constant flow and temperature. Thus, the inlet and outlet temperatures of the refrigerant were measured. Optimum values were determined for the various inlet temperatures and speeds, which can be adjusted manually.
In einer nach dem Stand der Technik durchgeführten Studie wurde ein Kühlsystem in das Schneidewerkzeug als ein geschlossenes Kreislauf integriert. Die dem Kühlmittelsystem entnommene Flüssigkeit wurde durch den im Werkzeughalter spiralförmig geöffneten Kanal geleitet und so wurde die Schneidspitze gekühlt.In a prior art study, a cooling system was integrated into the cutting tool as a closed loop. The liquid taken from the coolant system was passed through the spirally opened channel in the tool holder and the cutting tip was thus cooled.
In einer anderen nach dem Stand der Technik durchgeführten Studie wurde in den Werkzeughalter ein V-förmiger Kanal geöffnet und durch Umwälzen der Flüssigkeit die Kühlung gewährleistet. Zusätzlich wurde der Temperaturwechsel zwischen Spitze und Späne von einer Wärmebildkamera verfolgt.In another prior art study, a V-shaped channel was opened in the tool holder and the liquid was circulated to provide cooling. In addition, the temperature change between tip and chips was tracked by a thermal imaging camera.
Es ist ersichtlich, dass sich die Veröffentlichungen und Patentschrifte im Stand der Technik an die Wasserumlaufkanäle oder -behälter mit unterschiedlichen Geometrien mit Innenkühlung konzentrieren. Es ist auch ersichtlich, dass das Kältemittel durch direkten Kontakt mit dem Schneidwerkzeug oder durch eine Zwischenplatte die Wärmeübertragung sicherstellt.It can be seen that the publications and patents in the prior art focus on the water circulation channels or tanks with different geometries with internal cooling. It can also be seen that the refrigerant ensures heat transfer through direct contact with the cutting tool or through an intermediate plate.
In den nach dem Stand der Technik durchgeführten Studien ist es ersichtlich, dass man das Kältemittel in unterschiedlichen Geometrien im Schneidewerkzeug zirkulieen läßt. Die Selbstbestimmungsfähigkeit, sofortige Kontrollfähigkeit der Parameter, die die Temperatur und Bearbeitbarkeit der Werkzeugspitzen beeinflussen, kommt bei diesen Techniken nicht in Frage. Der Verbrauch des Kältemittels erfolgt bei einigen Techniken nicht in Form eines geschlossenen Kreislaufs. Aus diesem Grund ist sein Verbrauch nicht eingeschränkt und das erhöht die Produktionskosten. Es gibt bei diesen Techniken keine Schätzmethode, die die Temperatur an der Schneidwerkzeugspitze sofort messen kann. Die Anpassung an standardmäßig hergestellte Schneidewerkzeugspitzen ist schwierig. Bei einigen Techniken erfordert es eine spezielle Werkzeugspitzenproduktion, was die Herstellungskosten des Schneidewerkzeugs erhöht. Es ist bei jeder Ausführung nicht kontrollierbar, ob eine ausreichende Kühlung sichergestellt ist. Sie haben die Fähigkeit, die Temperatur der Schneidwerkzeugspitze abzuschätzen, um die Kühlung als Teil der vorhergesagten Temperaturkühlstrategie zu steuern, nicht.In the studies carried out according to the prior art, it can be seen that the refrigerant is circulated in different geometries in the cutting tool. The ability to self-determine, instantaneously control the parameters that affect the temperature and machinability of the tool tips is out of the question with these techniques. With some technologies, the consumption of the refrigerant does not take place in the form of a closed circuit. Because of this, its consumption is not limited and this increases the cost of production. There is no estimation method in these techniques that can immediately measure the temperature at the cutting tool tip. Adaptation to off-the-shelf manufactured cutting tool tips is difficult. In some techniques, it requires special tool tip production, which increases the manufacturing cost of the cutting tool. With each version it is not possible to check whether sufficient cooling is ensured. They do not have the ability to estimate the temperature of the cutting tool tip to control cooling as part of the predicted temperature cooling strategy.
In den nach dem Stand der Technik durchgeführten Studien wurde die Ttype Temperatur anhand der Einlass- und Auslasstemperaturen des Kältemittels bestimmt. Es gibt jedoch viele Parameter, die die Ttype-Werte beeinflussen. Diese Parameter sind die Art des Kältemittels, dessen Drehzahl, die thermischen Eigenschaften des Schneidewerkzeugs und die Umgebungsbedingungen. Aus diesem Grund ist die Bestimmung von Ttype-Werten nur durch Korrelation kein adäquater Ansatz.In the studies conducted according to the prior art, the T type temperature was determined from the inlet and outlet temperatures of the refrigerant. However, there are many parameters that affect the T type values. These parameters are the type of refrigerant, its speed, the thermal properties of the cutting tool and the environmental conditions. For this reason, determining T type values only by correlation is not an adequate approach.
Folglich war es aufgrund der oben beschriebenen negativen Aspekte und die Insuffizienz der bestehenden Lösungen zu diesem Thema erforderlich, eine Verbesserung im relevanten technischen Bereich vorzunehmen.Consequently, due to the negative aspects described above and the insufficiency of the existing solutions on the subject, it was necessary to make an improvement in the relevant technical area.
Aufgabe der Erfindung:Object of the invention:
Die wichtigste Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein intelligentes Schneidwerkzeugmodul mit Innenkühlung bereitzustellen, das darauf abzielt, die Schneidwerkzeugspitze während des Drehprozesses zu kühlen.The most important object of the invention is to provide an intelligent internal cooling cutting tool module which aims to cool the cutting tool tip during the turning process.
Eine andere wichtigste Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Temperatur an der Schneidwerkzeugspitze durch Messen der Seitenoberflächentemperatur der Schneidwerkzeugspitze, der Einlasstemperatur des im geschlossenen Kreislauf strömenden Kühlmittels und dessen Einlassströmungsrate abzuschätzen. Auf diese Weise hat die Kontroll-Kühleinheit die Fähigkeit, den Durchfluss / die Geschwindigkeit und die Temperatur des in das Schneidwerkzeug geleiteten Kühlmittels entsprechend den extremen Temperaturwerten, die sie gemäß ihrer eigenen Arbeitsstrategie abschätzt, zu steuern und zu bestimmen,Another most important object of the invention is to estimate the temperature at the cutting tool tip by measuring the side surface temperature of the cutting tool tip, the inlet temperature of the coolant flowing in the closed circuit, and its inlet flow rate. In this way, the Control cooling unit the ability to control and determine the flow / speed and temperature of the coolant fed into the cutting tool according to the extreme temperature values that it estimates according to its own work strategy,
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass sie keine negativen Auswirkungen auf die Gesundheit des Bedieners hat und umweltfreundlich ist.Another object of the invention is that it has no negative effects on the operator's health and is environmentally friendly.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen modularen Aufbau zu haben der sowohl in herkömmlichen Drehmaschinen verwendet werden kann als auch als Modul auf CNC-Drehmaschinen montiert werden kann.A further object of the invention is to have a modular structure that can be used both in conventional lathes and as a module that can be mounted on CNC lathes.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass das System über eine eigene Arbeits- und Kalibrierstrategie verfügt, die dem Bediener die Möglichkeit gibt, die Betriebstemperaturen selbst zu bestimmen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schneidewerkzeugspitze während der Bearbeitung im angegebenen Temperaturbereich gehalten wird.A further object of the invention is that the system has its own operating and calibration strategy, which gives the operator the opportunity to determine the operating temperatures himself. This ensures that the cutting tool tip is kept within the specified temperature range during machining.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass sie eine Unterlage mit einer speziellen Geometrie für die Schneidewerkzeugspitze umfasst. Auf diese Weise kontaktiert die Unterlage direkt an die Schneidwerkzeugspitze, sodass eine effizientere Kühlung sichergestellt wird.Another object of the invention is that it includes a pad with a special geometry for the cutting tool tip. In this way, the pad makes direct contact with the cutting tool tip, ensuring more efficient cooling.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verwendung aller Arten von Kältemitteln zu ermöglichen.Another object of the invention is to allow the use of all types of refrigerants.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein eigenes Kalibrierverfahren basierend auf CFD-Statistiken bereitzustellen. Auf diese Weise können die Schätzungen der Werkzeugspitzentemperatur gemäß den Kühlmittel- und Schneidwerkzeugtypen angepasst und die Genauigkeit der Schätzung erhöht wird.Another object of the invention is to provide a proprietary calibration method based on CFD statistics. This allows the tool tip temperature estimates to be adjusted according to the coolant and cutting tool types, and increases the accuracy of the estimate.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Mikroprozessor zu haben, der die Befehlseingabesoftware ausführt. Auf diese Weise kann sie die Temperatur der Schneidwerkzeugspitze unter bestimmten Schneidbedingungen in dem vom Bediener bestimmten Temperaturbereich konstant halten.Another object of the invention is to have a microprocessor that executes the instruction entry software. In this way, it can keep the temperature of the cutting tool tip constant in the temperature range specified by the operator under certain cutting conditions.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit dem auf der Schneidwerkzeugspitze positionierten Unterlagedesign an jede Standard-Schneidwerkzeugspitze angepasst zu werden.Another object of the invention is to be adaptable to any standard cutting tool tip with the pad design positioned on the cutting tool tip.
Die strukturellen und charakteristischen Merkmale der Erfindung und all ihre Vorteile werden mittels der unten angegebenen Figuren und der ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf diese Figuren besser verständlich. Aus diesem Grund sollte die Bewertung unter Berücksichtigung dieser Figuren und detaillierter Beschreibungen erfolgen.The structural and characteristic features of the invention and all its advantages will be better understood by means of the figures indicated below and the detailed description with reference to these figures. For this reason, the evaluation should be made with these figures and detailed descriptions in mind.
Figurenlistecharacter list
-
1 ; zeigt die Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Systems.1 ; shows the overall view of the system according to the invention. -
2 ; zeigt die Ansicht der Schneidespitze des erfindungsgemäßen intelligenten Schneidwerkzeugmoduls,2 ; shows the view of the cutting tip of the intelligent cutting tool module according to the invention, -
3 ; den Arbeitsablauf des Schätzverfahrens des erfindungsgemäßen Moduls,3 ; the workflow of the estimation method of the module according to the invention,
BezugszeichenlisteReference List
- 101101
- Thermoelementthermocouple
- 102102
- Thermoelement-Sensorthermocouple sensor
- 103103
- LCD BildschirmLCD screen
- 104104
- Stromquellepower source
- 105105
- Pumpentreiberpump driver
- 106106
- Durchflussmesserflow meter
- 107107
- Pumpepump
- 108108
- Flüssigkeitsbehälterliquid container
- 109109
- Kühleinheitcooling unit
- 110110
- Mikroprozessormicroprocessor
- 120120
- Schneidewerkzeugcutting tool
- 121121
- Werkzeugspitzetool tip
- 122122
- Werkzeugunterlagetool pad
- 123123
- Flüssigkeitseinlassliquid inlet
- 124124
- Flüssigkeitsauslass liquid outlet
- 1010
- Auswertung der gemessenen Werte über die Flüssigkeitsgeschwindigkeit, die Flüssigkeitstemperatur und die Temperatur der Werkzeugspitzenflanke durch den Mikroprozessor The microprocessor evaluates the measured values for the liquid velocity, the liquid temperature and the temperature of the tool tip flank
- 1111
- Auswertung der Temperatur der Werkzeugspitze durch den Mikroprozessor Evaluation of the tool tip temperature by the microprocessor
- 1212
- Nichtsenden eines Kältemittels durch den Mikroprozessor in die Schneidewerkzeugspitze und dessen Abschätzung, dass das Modul normal funktioniert The microprocessor fails to send a refrigerant into the cutting tool tip and estimates that the module is functioning normally
- 1313
- Fördern der Kühlflüssigkeit zum Schneidwerkzeug mit Pumpen durch den Mikroprozessor The microprocessor pumps the coolant to the cutting tool
- 1414
- Steuern der Geschwindigkeit des Kältemittels oprozessor und Betreiben der Kühleinheit durch den Mikroprozessor Controlling the speed of the refrigerant oprocessor and operating the refrigeration unit through the microprocessor
- 1515
- Stoppen der Pumpen und Kühlen der Flüssigkeit durch den Mikroprozessor, in dem er die Pumpen abschaltet.The microprocessor stops the pumps and cools the liquid by turning off the pumps.
Beschreibung der Erfindung:Description of the invention:
Diese Erfindung betrifft ein intelligentes Schneidwerkzeugmodul mit Innenkühlung, das darauf abzielt, die Schneidwerkzeugspitze (121) während des Drehprozesses zu kühlen. Das Modul kann sowohl auf konventionellen Drehmaschinen als auch als Zusatzmodul auf CNC-Drehmaschinen montiert werden. Dieses Modul kann die an der Schneidewerkzeugspitze (121) gebildete Temperatur (Ttype) abschätzen, indem es die Seitenoberflächentemperatur (Tf) der Schneidewerkzeugspitze (121), die Einlasstemperatur (Tinlet) und die Einlassflussrate (Vf) des Kältemittels, das im geschlossenen Kreislauf umgewälzt.This invention relates to an intelligent internally cooled cutting tool module which aims to cool the cutting tool tip (121) during the turning process. The module can be mounted both on conventional lathes and as an additional module on CNC lathes. This module can estimate the temperature (T type ) formed at the cutting tool tip (121) by measuring the side surface temperature (T f ) of the cutting tool tip (121), the inlet temperature (T inlet ) and the inlet flow rate (V f ) of the refrigerant charged in the closed circuit circulated.
Die Parameter, die den grundsätzlichen Wärmeübergang beeinflussen, wie thermische Eigenschaften des Schneidewerkzeug (120) und des Kältemittels, die Eintrittstemperatur und die Fließrate des Kältemittels, werden berücksichtigt. Darüber hinaus können diese Parameter durch Ändern je nach Kältemittel- und Schneidewerkzeug (120)-Typen überarbeitet werden. Aus diesem Grund umfasst das erfindungsgemäße Modul einen auf CFD-Statistiken basierenden Kalibrierungsansatz durch Kühlen der Schneidekanten des Schneidwerkzeugs (120) (ComputationalFluid Dynamics/Computergestützte Flüssigkeitsdynamik) und einen Mikroprozessor (110) mit eigener Betriebsstrategie.The parameters that affect the basic heat transfer, such as thermal properties of the cutting tool (120) and the refrigerant, the inlet temperature and the flow rate of the refrigerant are considered. In addition, these parameters can be revised by changing them depending on the refrigerant and cutting tool (120) types. For this reason, the module according to the invention comprises a CFD statistics-based calibration approach by cooling the cutting edges of the cutting tool (120) (Computational Fluid Dynamics/Computational Fluid Dynamics) and a microprocessor (110) with its own operating strategy.
Damit die Schneidwerkzeugspitze (121) effektiv gekühlt wird, kommt das Kühlmittel direkt mit dem Schneidwerkzeug (120) in Kontakt. Aus diesem Grund befinden sich auf der Schneidwerkzeugunterlage (122) ein Flüssigkeitseinlass (123) mit geneigter Oberfläche zum Sprühen von Kühlmittel in Richtung des Spankontaktbereichs der Schneidplatte (121) und ein Fluidauslass (124), der das Kältemittel abgibt. Das in dem System umwälzende Kühlmittel sollte so viel wie möglich mit der Schneide (121) in Kontakt kommen. Aus diesem Grund wird das Volumen des Flüssigkeitsbehälters (108), in dem die Flüssigkeit zur Kühlung des Systems gespeichert wird, möglichst groß ausgelegt.In order to effectively cool the cutting tool tip (121), the coolant comes in direct contact with the cutting tool (120). For this reason, on the cutting tool pad (122) there is a liquid inlet (123) with an inclined surface for spraying coolant towards the chip contact area of the cutting tip (121) and a fluid outlet (124) which discharges the coolant. The coolant circulating in the system should come into contact with the cutting edge (121) as much as possible. For this reason, the volume of the liquid container (108), in which the liquid for cooling the system is stored, is designed to be as large as possible.
Die Werkzeugunterlage (122) des in
Das erfindungsgemäße Werkzeugmodul mit einer Kühlsteuerung aufweisend einem internen Kühler besteht im Allgemeinen aus einem Thermoelement (101), einem Thermoelementsensor (102), einem LCD-Display (103), einem Netzteil (104), einem Pumpentreiber (105),einem Durchflussmesser (106), einer Pumpe (107), einem Flüssigkeitsbehälter (108), einer Kühleinheit (109), einem Mikroprozessor (110) und einem Schneidwerkzeug (120).The tool module according to the invention with a cooling control having an internal cooler generally consists of a thermocouple (101), a thermocouple sensor (102), an LCD display (103), a power pack (104), a pump driver (105), a flow meter (106 ), a pump (107), a liquid container (108), a cooling unit (109), a microprocessor (110) and a cutting tool (120).
Das Kühlsteuersystem des erfindungsgemäßen Moduls startet oder stoppt das Modul bei den kritischen Temperaturwerten, die von der Bedienungsperson bestimmt und an den Mikroprozessor (110) übergetragen werden. Der Mikroprozessor (110) des Moduls hat die Fähigkeit, die Geschwindigkeit des in den Werkzeugunterlage (122) geleiteten Kühlmittels zu steuern. Mit anderen Worten, je höher die Temperatur der Werkzeugspitze (121) ist, desto schneller muss das Kühlmittel im Modul umgewälzt werden. Somit handelt sich um eine effizientere Wärmeübertragung. In diesem Zusammenhang wurde das System in zwei Teilen konzipiert und hergestellt. Im ersten Teil erhält das System aus den Werten der Geschwindigkeit (Vf) und der Temperatur (Tinlet) des Kühlmittels sowie aus den Werten der Flankentemperatur (Tf) der Werkzeugspitze (121) Rückmeldungen und bestimmt dadurch seine Kühlstrategie. Der andere Teil des Moduls dient für die Kühlung des Kältemittels. Das Arbeitsdiagramm des gesamten Systems ist in Figur-1 dargestellt.The refrigeration control system of the module of the invention will start or stop the module at the critical temperature values determined by the operator and transmitted to the microprocessor (110). The module's microprocessor (110) has the ability to control the rate of coolant directed into the tool pad (122). In other words, the higher the tool tip (121) temperature, the faster the coolant must be circulated in the module. This is a more efficient heat transfer. In this context, the system was designed and manufactured in two parts. In the first part, the system receives feedback from the values of the velocity (V f ) and the temperature (T inlet ) of the coolant as well as from the values of the edge temperature (Tf) of the tool tip (121) and thereby determines its cooling strategy. The other part of the module is used to cool the refrigerant. The working diagram of the whole system is shown in Figure-1.
Das Kühlsteuerungssystem hat drei Hauptaufgaben. Diese Aufgaben werden vom Mikroprozessor (110) gesteuert. Die mit dem Durchflussmesser (106) und dem Thermoelementsensor (102) aufgenommenen (Vf)-, (Tinlet) und (Tf) Werte werden an den Mikroprozessor (110) übertragen und so wird sichergestellt, dass der Mikroprozessor (110) die Temperatur (Ttype) der Werkzeugspitze (121) abschätzt. Außerdem dient der Mikroprozessor (110) für den Betrieb, wenn die kritischen Endtemperaturen des Kühlsystems erreicht wird. Der Mikroprozessor (110) betreibt die Pumpen (107) mit PID-Steuerung und sorgt dafür, dass die Flüssigkeit mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten an die Schneidwerkzeugunterlage (122) entsprechend der Erhöhung des (Ttype)-Werts zugeführt wird. Das gesamte System wird mit 12 V Stromquelle (104) gespeist und alle elektronischen Teile stehen mit dem Mikroprozessor (110) in Kontakt. Der Mikroprozessor (110) ist direkt mit den Thermoelementen Typ K (101), Thermoelementsensoren (102), LCD-Display (103), DC-Pumpentreiber (105), Durchflussmesser (106) und Kühleinheit (109) in Wirkverbindung und erhält Rückmeldungen von jedem.The cooling control system has three main tasks. These tasks are controlled by the microprocessor (110). The (Vf), (T inlet ) and (Tf) values recorded by the flow meter (106) and the thermocouple sensor (102) are transmitted to the microprocessor (110) and this ensures that the microprocessor (110) calculates the temperature ( T type ) of the tool tip (121). In addition, the microprocessor (110) is used for operation when the critical end temperature of the cooling system is reached. The microprocessor (110) operates the pumps (107) with PID control and causes the liquid to be delivered at different rates to the cutter pad (122) according to the increase in (T type ) value. The whole system is powered by 12V power source (104) and all electronic parts are in contact with the microprocessor (110). The microprocessor (110) interfaces directly with the Type K thermocouples (101), thermocouple sensors (102), LCD display (103), DC pump driver (105), flow meter (106) and refrigeration unit (109) and receives feedback from each.
Im System werden die Thermoelemente vom Typ K (101) verwendet, die die Temperaturwerte im Bereich von 0-1000 °C erfassen können. Die Thermoelemente (101) werden verwendet, um (Tinlet)- und (Tf)-Werte zu messen. Zwischen Thermoelement (101) und Mikroprozessor (110) wird ein Thermoelement-Sensor (102) verwendet. Der Thermoelement-Sensor (102) wandelt die Spannungswerte in Grad Celsius um und überträgt die von Thermoelementen (101) gemessenen Werte an den Mikroprozessor (110). Mit diesem Thermoelement-Sensor (102), der eine Brücke zwischen Mikroprozessor (110) und Thermoelement (101) bildet, können die Temperaturwerte mit einer Genauigkeit von ±0,25 °C gemessen werden.The system uses thermocouples of type K (101), which can record temperature values in the range of 0-1000 °C. The Ther moelements (101) are used to measure (T inlet ) and (T f ) values. A thermocouple sensor (102) is used between thermocouple (101) and microprocessor (110). The thermocouple sensor (102) converts the voltage values into degrees Celsius and transmits the values measured by thermocouples (101) to the microprocessor (110). With this thermocouple sensor (102), which forms a bridge between the microprocessor (110) and the thermocouple (101), the temperature values can be measured with an accuracy of ±0.25 °C.
In dem als geschlossener Kreislauf ausgebildeten Kühlsystem wird die Kühlflüssigkeit mit Hilfe der Pumpe (107) umgewälzt. Die Kühlflüssigkeit wird aus dem Flüssigkeitsbehälter (108) entnommen und mit Hilfe der Pumpe (107) mit den gewünschten Durchflussmengen in die Schneidwerkzeugunterlage (122) geleitet. Um die Pumpe (107) zu steuern, wird ein Gleichstrompumpentreiber (105) verwendet. Die Betriebsgeschwindigkeit der Pumpe (107) kann durch das PID-Verfahren mit dem Mikroprozessor (110) des Pumpentreibers (105) gesteuert werden. (Proportional - Integral-Derivative control loop process / Proportional-Integral-Differential-Regler Regelkreisverfahren). Mit anderen Worten, die vom Mikroprozessor (110) geschätzten (Ttype)-Werte werden an das Schneidwerkzeug (120) gesendet, das so ausgelegt ist, dass es sich proportional zur Geschwindigkeit des gesendeten Fluids erhöht, wenn es zunimmt. Die Durchflussmenge des Kältemittels, also die Durchflussrate, wird mit Hilfe eines empfindlichen Durchflussmessers (106) gemessen. Es gibt auch zwei weitere Pumpen (107) im System. Um die Flüssigkeit im Flüssigkeitbehälter (108) zu kühlen, sind 2 weitere Pumpen (107) an die Kühleinheit (109) mit Kühler und Peltier angepasst. Somit beginnt die Flüssigkeit im Flüssigkeitbehälter (108) bei Erreichen der kritischen Temperaturen durch den Mikroprozessor (110) abzukühlen.In the cooling system designed as a closed circuit, the cooling liquid is circulated with the aid of the pump (107). The cooling liquid is taken from the liquid tank (108) and fed into the cutting tool support (122) with the aid of the pump (107) at the desired flow rates. A DC pump driver (105) is used to control the pump (107). The operating speed of the pump (107) can be controlled by the PID method with the microprocessor (110) of the pump driver (105). (Proportional - Integral-Derivative control loop process / Proportional-Integral-Derivative-Regulator control loop process). In other words, the (T type ) values estimated by the microprocessor (110) are sent to the cutting tool (120), which is designed to increase in proportion to the velocity of the fluid being sent as it increases. The flow rate of the refrigerant, i.e. the flow rate, is measured using a sensitive flow meter (106). There are also two other pumps (107) in the system. In order to cool the liquid in the liquid container (108), 2 further pumps (107) are adapted to the cooling unit (109) with cooler and Peltier. Thus, the liquid in the liquid container (108) begins to cool down when the critical temperatures are reached by the microprocessor (110).
Der LCD-Bildschirm (103) ist an das Modul integriert und steht in direkter Verbindung mit dem Mikroprozessor (110). So können die gemessenen Temperaturen und die Geschwindigkeit des Kältemittels angezeigt und vom Bediener überwacht werden.The LCD screen (103) is integrated into the module and communicates directly with the microprocessor (110). In this way, the measured temperatures and the speed of the refrigerant can be displayed and monitored by the operator.
Die Kühleinheit (109) sorgt für die Kühlung der Flüssigkeit und besteht aus Aluminiumkühlkörpern, Heizkörpern, Lüftern und Peltiermodulen. Die Kühleinheit (109) wird von einem 12 V Stromquelle (104) gespeist. Die Stromquelle (104) stellt das Ein- und Ausschalten der Kühleinheit (109) gemäß den Befehlen, die sie vom Mikroprozessor (110) empfängt, sicher. Peltier-Module in der Kühleinheit (109) erzeugen im Betrieb elektromagnetische Geräusche und deren störende Auswirkungen auf den Betrieb von Thermoelementen (101) werden beobachtet. Aus diesem Grund wurde das Peltiermodul der Kühleinheit (109) mit einem Kasten aus Al in den Faradayschen Käfig gebracht. Somit werden elektromagnetische Effekte beseitigt. Der Mikroprozessor (110) im erfindungsgemäßen Modul funktioniert mit einem Verfahren, um die Werkzeugspitze (121) des Schneidwerkzeuges (120) intelligent zu kühlen und abzuschätzen. Das Arbeitsablaufdiagramm des Schätzverfahrens des Mikroprozessors (110) ist in
Bei dem Schätzverfahren des Mikroprozessors (110) werden zuerst die Werte der Flüssigkeitgeschwindigkeit (Vf), der Flüssigkeitstemperatur (Tinlet) und der Oberflächentemperatur (Tf) der Werkzeugspitze (121), die durch den Mikroprozessor (110), den Durchflussmesser (106) und den Thermoelementsensor (102) gemessen sind. (10)In the microprocessor (110) estimation process, the values of fluid velocity (Vf), fluid temperature (T inlet ) and surface temperature (Tf) of the tool tip (121) that are generated by the microprocessor (110), flow meter (106) and the thermocouple sensor (102) are measured. (10)
Der Mikroprozessor (110) bewertet nach diesen Parametern die Temperatur (Ttype) der Werkzeugspitze (121) für verschiedene Situationen gemäß dem auf CFD-Statistiken basierenden Kalibrierungsansatz. (11)The microprocessor (110) uses these parameters to evaluate the temperature (T type ) of the tool tip (121) for various situations according to the CFD statistics-based calibration approach. (11)
Der Mikroprozessor führt vier verschiedene Analysen durch.The microprocessor performs four different analyses.
Wenn der (Ttype)-Wert zwischen der maximalen Trockenbearbeitungstemperatur (Td) und der minimalen Temperatur (Tmin) liegt, wird der Mikroprozessor (110) kein Kühlflüssigkeit an die Schneidwerkzeugspitze (121) senden und abschätzen, dass das Modul normal funktioniert. (12)If the (T type ) value is between the maximum dry machining temperature (T d ) and the minimum temperature (T min ), the microprocessor (110) will not send coolant to the cutting tool tip (121) and will estimate that the module is functioning normally. (12)
Wenn der (Ttype)-Wert gleich oder größer als der (Td)-Wert und kleiner als die maximale kritische Temperatur (Tcr) ist, stellt der Mikroprozessor (110) sicher, dass die Kühlflüssigkeit mittels Pumpen (107) zum Schneidwerkzeug (120) geleitet wird. (13)If the (T type ) value is equal to or greater than the (T d ) value and lower than the maximum critical temperature (Tcr), the microprocessor (110) ensures that the cooling liquid is supplied to the cutting tool ( 120) is conducted. (13)
Wenn der (Ttype)-Wert größer oder gleich der maximalen kritischen Temperatur (Tcr) ist, steuert der Mikroprozessor (110) die Geschwindigkeit des Kältemittels, treibt die Kühleinheit (109) an und fängt mit dem Kühlen im Kältemittebehälter (108) an. (14)When the (T type ) value is greater than or equal to the maximum critical temperature (Tcr), the microprocessor (110) controls the rate of the refrigerant, drives the refrigeration unit (109) and starts cooling in the refrigerant tank (108). (14)
Wenn der (Ttype)-Wert kleiner oder gleich den Tmin-Werten ist, stoppt der Mikroprozessor (110) das Pumpen des Wassers durch Ausschalten der Pumpen (107) stoppt dabei auch die Kühleinheit (109). (15)When the (T type ) value is less than or equal to the Tmin values, the microprocessor (110) stops pumping the water by turning off the pumps (107), thereby also stopping the cooling unit (109). (15)
Außerdem druckt der Mikroprozessor (110) den (Ttype)-Messwert vom Thermoelement-Sensor (102) auf dem LCD-Bildschirm (103) aus. In addition, the microprocessor (110) prints the (T type ) reading from the thermocouple sensor (102) on the LCD screen (103).
Obwohl bei Bearbeitungsprozessen mit selbstgekühlten Schneidwerkzeugen (120) die Wärme der Hauptfaktor für die Temperaturerhöhung an der Werkzeugspitze (121) ist, können andere Parameter wie das Material des Schneidwerkzeugs (120), die Eigenschaften der Schneidflüssigkeit und der Durchfluss sowie die Umgebungsbedingungen den (Ttype)-Wert beeinflussen. Aus diesem Grund wurden in einer Ausführungsform des erfinderischen Moduls verschiedene experimentelle Bedingungen simuliert, indem ein CFD-Modell des Verhaltens des Schneidwerkzeugs (120) konstruiert wurde.Although in machining processes with self-cooled cutting tools (120) the heat is the main factor for the temperature increase at the tool tip (121), other parameters such as the material of the cutting tool (120), the properties of the cutting fluid and the flow rate, and the environmental conditions can affect the (T type ) value. For this reason, in an embodiment of the inventive module, various experimental conditions were simulated by constructing a CFD model of the behavior of the cutting tool (120).
Nach experimenteller Verifizierung wurde die CFD-Simulation für verschiedene Ttype-Werte analisiert, und wurden durch Erwerben von (Tf)-Werten für trockene und innengekühlte Bedingungen die Kalibrierkurven erhalten. Während der Versuchen wurde die Schneidwerkzeugspitze (121) mit einem Lötkolben erhitzt, der hergestellte Prototyp beobachtet und die folgenden Ergebnisse erhalten.After experimental verification, the CFD simulation was analyzed for different Ttype values, and by acquiring (Tf) values for dry and internally cooled conditions, the calibration curves were obtained. During the experiments, the cutting tool tip (121) was heated with a soldering iron, the prototype made was observed, and the following results were obtained.
Die CFD-Statistik-Basiskalibrierungsstrategie für das entworfene Schneidwerkzeug (120) wurde unter Berücksichtigung der Parameter vorgeschlagen, die die (Ttype)-Werte beeinflussen. Diese Strategie kann für verschiedene Spitzentypen benutzt werden. Außerdem kann der Bediener die (Td)-, (Tcr)- und (Tmin)-Werte selbst bestimmen.The CFD statistics base calibration strategy for the designed cutting tool (120) was proposed considering the parameters affecting the (T type ) values. This strategy can be used for different spike types. In addition, the operator can determine the (T d ), (T cr ) and (T min ) values himself.
Unter den gleichen Randbedingungen lieferte der selbstgekühlte Zustand eine bessere Kühlung um 107 °C im Vergleich zu den trockenen Bedingungen. Außerdem konnten die (Ttype)-Werte für die maximale Hitzestufe des Lötkolbens im (Td-Tcr)-Bereich konstant gehalten werden.Under the same boundary conditions, the self-cooled condition provided better cooling by 107 °C compared to the dry conditions. In addition, the (T type ) values for the maximum heat level of the soldering iron could be kept constant in the (T d -T cr ) range.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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